आंतरिक इलेक्ट्रॉनिक्स – सोने के साथ अंतर को पाटना

इम्प्लांटेबल मेडिकल डिवाइसों का बाजार लगातार बढ़ रहा है, जो दीर्घकालिक रोगों में वृद्धि और उपभोक्ता जागरूकता के बढ़ने से प्रेरित है। इस गति को तकनीकी प्रगति ने मजबूती से समर्थन दिया है, जिससे ये डिवाइस अधिक कुशल, सुविधाजनक और कम लागत वाले बन रहे हैं। 

संख्याएँ संकेत देती हैं कि विश्व स्तर पर इम्प्लांटेबल मेडिकल डिवाइसों का बाजार एक दशक में लगभग दोगुना हो जाएगा, 2023 में US$105.7 बिलियन से बढ़कर 2033 में US$207.0 बिलियन हो जाएगा। आज, हम इस क्षेत्र में हाल के समय में सबसे महत्वपूर्ण नवाचारों में से एक को देखेंगे, जो चिकित्सा शारीरिक विज्ञान और कुशल इलेक्ट्रॉनिक्स के मिलन वाले फलते-फूलते क्षेत्र का भी प्रतीक है। market for implantable medical devices worldwide will nearly double in a decade, from US$105.7 billion in 2023 to US$207.0 billion in 2033. Today, we will start by looking into one of the most defining innovations in this field in recent times, which is also symptomatic of the thriving space where medical physiology intersects efficient electronics. 

सोने की नैनोवायर और सॉफ्ट इलेक्ट्रोड तंत्रिका तंत्र से जुड़ने के लिए तैयार हैं 

Linköping University के शोधकर्ताओं की एक टीम ने सोने की नैनोवायर बनाई और सॉफ्ट इलेक्ट्रोड विकसित किए जो शरीर के भीतर उनकी खिंचाव क्षमता, विद्युत संचरण और टिकाऊपन में मानव नसों के बराबर काम कर सकते हैं। 

शोधकर्ता और विशेषज्ञ इस नवाचार में अपार संभावनाएँ देखते हैं। शुरुआत में, यह ऐसे क्षेत्रों को खोलता है जहाँ सोने का उपयोग सॉफ्ट इंटरफ़ेस में करके इलेक्ट्रॉनिक्स को तंत्रिका तंत्र से चिकित्सा उद्देश्यों के लिए जोड़ा जा सकता है। 

यदि सही तरीके से लागू किया जाए, तो यह मिर्गी, पार्किंसन रोग, पक्षाघात जैसी जटिल स्थितियों और दीर्घकालिक दर्द जैसी व्यापक समस्या को कम करने में मदद कर सकता है। 

काफी समय से, विश्व भर के शोधकर्ता ऐसे सॉफ्ट इलेक्ट्रोड बनाने में रुचि रखते हैं जो ऊतक को नुकसान न पहुँचाएँ। Linköping University के शोधकर्ताओं द्वारा यह विशेष उपलब्धि सोने की नैनोवायर बनाकर हासिल की गई, जो बालों से हजार गुना पतली थीं और एक लचीले पदार्थ में एम्बेड की गईं जो सॉफ्ट माइक्रोइलेक्ट्रोड के रूप में काम कर सकती थीं। 

Klas Tybrandt ने शोध की विशिष्टता और परिणामों को विस्तार से बताते हुए कहा:

“हमने सोने की नैनोवायर को बहुत नरम सिलिकॉन रबर के साथ मिलाकर एक नया, बेहतर नैनोमैटेरियल बनाने में सफलता प्राप्त की है। इन्हें साथ में काम करने पर उच्च विद्युत चालकता वाला कंडक्टर प्राप्त हुआ है, जो बहुत नरम है और बायोकम्पैटिबल सामग्री से बना है जो शरीर के साथ कार्य करता है।.”

सोने की नैनोवायर बनाना: चुनौतियों का सामना और समाधान

शोधकर्ताओं को जिन प्रमुख कठिनाइयों का सामना करना पड़ा, वह लंबी और पतली सोने की नैनोस्ट्रक्चर का उत्पादन था। उन्होंने इस चुनौती को पार करने का एक अनूठा तरीका निकाला, जो सिल्वर नैनोवायर का उपयोग था। यह अनोखा कार्य कैसे हासिल किया गया, इसे समझाते हुए, Klas Tybrant ने कहा:

“चूँकि सिल्वर नैनोवायर बनाना संभव है, हम इसका लाभ उठाते हैं और सिल्वर नैनोवायर को एक टेम्पलेट के रूप में उपयोग करके सोना उगाते हैं। प्रक्रिया का अगला चरण सिल्वर को हटाना है। एक बार यह हो जाने पर, हमारे पास 99 प्रतिशत से अधिक सोना वाला पदार्थ होता है।.”

मूल रूप से, शोधकर्ता सिल्वर का उपयोग नहीं कर सकते थे क्योंकि यह रासायनिक रूप से प्रतिक्रियाशील है, समय के साथ घिस जाता है, और टूटने व रंग बदलने का जोखिम रहता है। इसके अतिरिक्त, सिल्वर की उच्च सांद्रता मानव शरीर के लिए विषाक्त हो सकती है। इसलिए उन्हें इसे सोने की परत से कोट करना पड़ा।

उनके द्वारा विकसित सामग्री और उसकी टिकाऊपन के बारे में, शोधकर्ता मानते हैं कि उनका समाधान कम से कम तीन वर्षों तक टिक सकता है, जो कई पहले विकसित नैनोमैटेरियल्स से बेहतर है।

जल्द ही, शोध टीम सामग्री को परिष्कृत करने और विभिन्न प्रकार के इलेक्ट्रोड बनाने पर काम शुरू करेगी, जो और भी छोटे होंगे और नस कोशिकाओं के साथ निकट संपर्क स्थापित कर सकेंगे।

इम्प्लांटेबल्स की विविध दुनिया

जबकि इस शोध की उपयोगिता पहले ही उल्लेखित की जा चुकी है, मेड-टेक क्षेत्र में कई अन्य इम्प्लांटेबल उपलब्ध हैं। वे निदान और उपचार को अधिक सुसंगत, किफायती और कुशल बनाते हैं। 

उदाहरण के लिए, जॉर्जिया टेक विश्वविद्यालय के वैज्ञानिकों ने एक इम्प्लांटेबल, पहनने योग्य सेंसर विकसित किया है जो मस्तिष्क की रक्त वाहिकाओं में एनीयूरिज्म के उपचार की निगरानी करता है। क्योंकि यह बैटरियों के बिना काम करता है, इसे स्टेंट या डाइवर्टर के चारों ओर लपेटा जा सकता है जो रक्त प्रवाह को नियंत्रित करने के लिए इम्प्लांट किए जाते हैं।

सेंसर को एरोसोल जेट 3D प्रिंटिंग द्वारा बनाया गया है, जो इलास्टोमेरिक सब्सट्रेट पर चालक सिल्वर ट्रेस लगाता है। इसे कैथेटर के माध्यम से डाला जाता है, और यह बायोमिमेटिक मस्तिष्क एनीयूरिज्म हेमोडायनामिक्स की वायरलेस डिटेक्शन के लिए सिग्नलों की इंडक्टिव कपलिंग का उपयोग करता है।

इस प्रक्रिया में तीन कॉइल शामिल हैं। एक कॉइल शरीर के बाहर स्थित दूसरे कॉइल से प्रसारित विद्युतचुंबकीय ऊर्जा को पकड़ता है। जब रक्त स्टेंट के माध्यम से बहता है, तो इम्प्लांटेबल सेंसर अपनी कैपेसिटेंस बदलता है, जिससे तीसरे बाहरी कॉइल को प्रसारित सिग्नल में परिवर्तन आता है।

इसी प्रकार के कार्य के एक अन्य उदाहरण में, टेक्सास ए एंड एम विश्वविद्यालय के इंजीनियरों ने एक डिवाइस विकसित किया है जो ग्रेफीन का उपयोग करता है और त्वचा में एसी प्रवाहित करके रक्तचाप की निगरानी करता है। 

ग्रेफीन इलेक्ट्रॉनिक टैटू के नाम से जाने जाने वाले ये चिपकने योग्य ग्रेफीन सेंसर निरंतर मॉनिटरिंग के माध्यम से हृदयवाहिकीय स्वास्थ्य को ट्रैक कर सकते हैं। वे रोगी के सोने, व्यायाम करने या उच्च तनाव स्थितियों में होने पर भी काम करना और संबंधित डेटा एकत्र करना जारी रख सकते हैं। 

इन इम्प्लांटेबल डिवाइसों के ऊर्जा को प्राप्त करने और उपयोग करने के तरीकों को निर्धारित करने के लिए भी शोध चल रहा है। उदाहरण के लिए, मैसाचुसेट्स इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक बैटरी विकसित की है जो ग्लूकोज़ से शक्ति लेती है। यह नई बैटरी केवल 400 नैनोमीटर मोटी है, यानी मानव बाल के व्यास का लगभग 1/100 हिस्सा। यह प्रति वर्ग सेंटीमीटर लगभग 43 माइक्रोवॉट बिजली उत्पन्न करती है और 600 °C तक के तापमान को सहन कर सकती है।

शोधकर्ताओं ने बैटरी को लचीला बनाने और शरीर के भीतर रखने में सुविधा के लिए अल्ट्रा-थिन सिरेमिक सब्सट्रेट और ग्लूकोज़ समाधान का उपयोग किया। 

जबकि शोधकर्ता यथासंभव अधिक से अधिक नवीन और अनोखे तकनीकी समाधान विकसित करने पर काम कर रहे हैं, कुछ कंपनियां प्रभावी इम्प्लांटेबल डिवाइसों को बड़े पैमाने पर अपनाने के लिए उपलब्ध कराने पर काम कर रही हैं। आगामी भागों में, हम ऐसे कुछ व्यावसायिक समाधान देखेंगे। 

#1. CorTec

ऐसी कंपनियों में से एक जो लगातार क्रांतिकारी समाधान प्रदान करती रही है, वह CorTec है। एक ISO 13485 कंपनी, CorTec अपने इन-हाउस प्रयोगशालाओं और क्लीनरूम बुनियादी ढांचे में न्यूरोमॉड्यूलेशन और सक्रिय इम्प्लांट तकनीक के लिए उत्पाद और घटक विकसित और निर्मित करती है। 

CorTec की पेटेंटेड AirRay इलेक्ट्रोड श्रृंखला तंत्रिका ऊतक के उत्तेजन और रिकॉर्डिंग के लिए उपयोगी साबित होती है, जो चिकित्सा उपकरणों के लिए तंत्रिका तंत्र के आदर्श इंटरफ़ेस के रूप में कार्य करती है। 

उदाहरण के लिए, AirRay कफ़ इलेक्ट्रोड परिधीय तंत्रिका तंत्र के लिए एक विद्युत इंटरफ़ेस प्रदान करते हैं, जबकि ग्रिड और स्ट्रिप इलेक्ट्रोड केंद्रीय तंत्रिका तंत्र के साथ इंटरफ़ेस करने के लिए डिज़ाइन किए गए हैं। AirRay पर्क्यूटेनियस इलेक्ट्रोड सबक्यूटेनियस उपयोग के लिए, साथ ही रीढ़ की हड्डी की रिकॉर्डिंग और उत्तेजना के लिए अभिप्रेत हैं। अंत में, AirRay पैडल इलेक्ट्रोड केंद्रीय तंत्रिका तंत्र के लिए एक विद्युत इंटरफ़ेस प्रदान करते हैं, विशेष रूप से रीढ़ की हड्डी को लक्षित करते हैं।

इस श्रृंखला के अलावा, CorTec के पेटेंटेड समाधान में उसके कॉर्टिकल इलेक्ट्रोड भी शामिल हैं। ये हैं CorTec के आक्रामक न्यूरोमॉनिटरिंग के लिए ECoG इलेक्ट्रोड। इन इलेक्ट्रोडों के माध्यम से विद्युत मस्तिष्क संकेतों की निगरानी करना संभव है, जो एपिलेप्टोजेनिक फोकस के स्थानीयकरण या मस्तिष्क मानचित्रण की आवश्यकताओं के अनुरूप है। इलेक्ट्रोड अधिकतम 29 दिनों तक उपयोग किए जा सकते हैं, और केवल दो केबलों का उपयोग करके कुल 64 इलेक्ट्रोड कनेक्ट करना संभव है। इलेक्ट्रोड संपर्क लगभग अनभेद्य होते हैं और सिलिकॉन से अलग न होने के लिए सामग्री के साथ सुरक्षित रूप से लॉक होते हैं।

CorTec के कॉर्टिकल इलेक्ट्रोड का सबसे महत्वपूर्ण पहलू यह है कि FDA ने इसे केंद्रीय तंत्रिका तंत्र में आक्रामक न्यूरोमॉनिटरिंग के लिए अनुमोदन और बाजार क्लियरेन्स के योग्य पाया है। उत्पाद पोर्टफ़ोलियो में 1×4 से 8×8 इलेक्ट्रोड संपर्कों तक सभी संभावित संपर्क व्यवस्थाएँ शामिल हैं।

महत्वपूर्ण सार्वजनिक फंडिंग के अलावा, CorTec ने, अपने आधिकारिक घोषणा के अनुसार, चार फंडिंग राउंड जुटाए हैं। इसके वर्तमान निवेशकों में Mangold Invest, M-Invest, Kfw, High-Tech Gründerfonds, Santo Venture Capital GmbH, LBBW Venture Capital, और K & S W Invest शामिल हैं।

सार्वजनिक फंडिंग में जर्मन संघीय शिक्षा और अनुसंधान मंत्रालय (Bundesministerium für Bildung und Forschung, BMBF) और यूरोपीय संघ से सब्सिडी शामिल हैं।

#2. Atrotech

एक अन्य कंपनी जो दशकों से इस क्षेत्र में कुछ विशेष लेकिन क्रांतिकारी कार्य कर रही है, वह Atrotech है। 1984 में स्थापित और फिनलैंड के टैम्पेरे में स्थित Technopolis Hermia में स्थित Atrotech, चिकित्सा और बायोइंजीनियरिंग को मिलाकर अंतरविषयक उत्पाद विचारों के परिणामस्वरूप उभरी, जिसका मुख्य फोकस कार्यात्मक इलेक्ट्रिकल स्टिमुलेशन (FES) के क्षेत्र में है। 

Atrotech के इस क्षेत्र में दो प्रमुख योगदानों में इम्प्लांटेबल न्यूरोस्टिमुलेटर और इम्प्लांटेबल इलेक्ट्रोड का डिजाइन और निर्माण शामिल है। 

इलेक्ट्रोड बनाते समय, कंपनी अपने 30 से अधिक वर्षों के उच्च गुणवत्ता वाले प्लेटिनम संपर्क इलेक्ट्रोड, लीड वायर और मल्टीपोल लीड कनेक्टर के निर्माण के अनुभव का उपयोग करती है। यह सेवा क्षेत्र शोध परियोजनाओं, क्लिनिकल ट्रायल्स और व्यावसायिक रूप से वितरित चिकित्सा उपकरणों को शामिल करता है। 

कंपनी के पास एक लचीला उत्पादन प्रक्रिया है, जो इसे छोटे मात्रा में और साथ ही तेज़, लागत-प्रभावी तरीके से बड़े पैमाने पर उत्पादन करने में सक्षम बनाता है। अतिरिक्त रूप से, कंपनी विकास और प्रोटोटाइपिंग के प्रारंभिक चरणों में कई चिकित्सकों और विश्वविद्यालयों के साथ संपर्क में है, ताकि संभावित नए चिकित्सा उपकरणों को तैयार किया जा सके।

एक अध्ययन जिसे कंपनी ने हाल ही में फंड किया, का उद्देश्य फ्रीनिक नस के डिस्टल भाग को शामिल करने वाले एक नवीन, हटाने योग्य, सर्जिकल रूप से इम्प्लांटेबल, अस्थायी न्यूरोस्टिमुलेशन दृष्टिकोण की व्यवहार्यता और सुरक्षा का मूल्यांकन करना था। इस अध्ययन के लिए, कंपनी ने विशेष रूप से डिजाइन किया गया, अस्थायी फ्रीनिक नस स्टिम्युलेटर (tPNS) इलेक्ट्रोड विकसित किया। 

विशेषज्ञ और उद्योग-उन्मुख कंपनियों तथा विश्व भर के शोधकर्ताओं और चिकित्सकों के बीच ऐसी सहयोगात्मक पहलें आंतरिक इलेक्ट्रॉनिक्स के भविष्य को उज्ज्वल और फलने-फूलने के लिए तैयार बनाती हैं। 

आंतरिक इलेक्ट्रॉनिक्स का भविष्य दिशा

हाल ही में जुलाइ 2024 में जर्नल ‘Nature’ में प्रकाशित एक शोध के अनुसार, शोधकर्ताओं ने बायोरिसॉर्बेबल Mg-Nd-Zn-Zr मिश्रधातु पर आधारित एक इम्प्लांटेबल इलेक्ट्रोड विकसित किया है जो अगली पीढ़ी के रेडियोफ़्रीक्वेंसी (RF) टिश्यू वेल्डिंग अनुप्रयोग में अच्छी तरह काम करेगा।

इलेक्ट्रोड से अपेक्षा की जाती है कि यह थर्मल क्षति को कम करेगा और एनोस्टोमोसिस शक्ति को बढ़ाएगा। वेल्डिंग क्षेत्र में सिलिंड्रिकल सतह (CS) और निरंतर लंबी रिंग (LR) जैसी विभिन्न संरचनात्मक विशेषताओं के साथ डिजाइन किया गया, इलेक्ट्रोड के इलेक्ट्रोथर्मल सिमुलेशन को फाइनाइट एलिमेंट एनालिसिस (FEA) द्वारा अध्ययन किया गया।

परिणामों से पता चला कि LR इलेक्ट्रोड पर 110 V की वैकल्पिक धारा को 10 सेकंड तक लागू करने पर वेल्डिंग क्षेत्र में औसत तापमान और नेक्रोटिक टिश्यू का अनुपात काफी कम हो गया। LR इलेक्ट्रोड द्वारा वेल्ड किए गए टिश्यू के अधिकतम और औसत तापमान को भी उल्लेखनीय रूप से घटाया जा सकता है, जबकि वेल्डेड टिश्यू की एनोस्टोमोसिस शक्ति में सुधार हुआ।

Imec, एक प्रयोगशाला जो 1984 में स्थापित हुई सेमीकंडक्टर उद्योग को कार्यात्मक रूप से स्केल करने में सहायता और सक्षम करने के लिए, ने नैनो-स्केल इम्प्लांटेबल्स में कुछ अग्रणी breakthroughs भी किए हैं। इस ने अगली पीढ़ी के हैप्टिक प्रॉस्थेटिक्स के लिए न्यूनतम इनवेसिव इम्प्लांट विकसित करने में मदद की है। Imec ने फ़्लोरिडा विश्वविद्यालय के साथ मिलकर विकसित किया गया प्रोटोटाइप इम्प्लांटेबल चिप रोगियों को उनके हाथ के प्रॉस्थेटिक्स पर अधिक सहज नियंत्रण देता है। इसके प्रमुख घटकों में से एक, थिन-सिलिकॉन चिप, इलेक्ट्रोड घनत्व के लिए विश्व की पहली है और यह IMPRESS प्रोजेक्ट का हिस्सा है, जिसे DARPA के HAPTIX कार्यक्रम द्वारा फंड किया गया है, ताकि भविष्य की पीढ़ी के हैप्टिक प्रॉस्थेटिक तकनीक के लिए एक क्लोज़्ड-लूप सिस्टम बनाया जा सके।

कार्बन-आधारित इम्प्लांटेबल बायोइलेक्ट्रॉनिक्स के महत्व पर एक वैज्ञानिक प्रकाशन ने आंतरिक इलेक्ट्रॉनिक्स की उपयोगिता पर एक महत्वपूर्ण अवलोकन किया। शाब्दिक रूप से उद्धृत करने के लिए, प्रकाशन ने कहा:

“क्योंकि इम्प्लांटेबल बायोइलेक्ट्रॉनिक्स शरीर के बाहर स्थित स्थानों से शारीरिक जानकारी को महसूस कर सकते हैं या जीवित प्राणियों में शारीरिक प्रतिक्रियाएँ उत्पन्न कर सकते हैं, वे विभिन्न रोगों के लिए सहायक और आशाजनक उपचार बनते जा रहे हैं।.”

भविष्य में, कार्बन सामग्री इम्प्लांटेबल मेडिकल इलेक्ट्रॉनिक्स के निर्माण में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाएगी। इन लाभों में कार्बन सामग्री की उच्च-ग्रेड बायोकम्पैटिबिलिटी, थकान प्रतिरोध और कम विशिष्ट गुरुत्वाकर्षण शामिल हैं। इन सामग्रियों का उपयोग विभिन्न अनुप्रयोगों में किया जाता है, जैसे दवा वितरण उपकरण, बायोसेंसर, चिकित्सीय स्टिमुलेटर, और ऊर्जा भंडारण। ये सभी गुण न्यूरोलॉजिकल, कार्डियोवास्कुलर, गैस्ट्रोइंटेस्टाइनल और लोकोमोटर सिस्टम के क्षेत्रों में भूमिका निभाते हैं।

इम्प्लांटेबल एक्ट्यूएटर, बायोसेंसर, दवा वितरण प्रणाली और पावर सप्लाई—सभी आंतरिक या इम्प्लांटेबल इलेक्ट्रॉनिक्स के क्षेत्र में प्रगति से लाभान्वित होते हैं। इस क्षेत्र में आगे की प्रगति के लिए विश्व भर के बायोसाइंस शोधकर्ताओं, सामग्री वैज्ञानिकों और भौतिकविदों के बीच अधिक अंतःविषयात्मक सहयोग आवश्यक होगा।

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