लेज़र-प्रिंटेड हड्डी ग्राफ्ट हड्डी के उपचार को बदल सकते हैं

ETH ज़्यूरिख के इंजीनियरों की एक टीम ने हड्डी के ग्राफ्ट बनाने का अधिक कुशल और व्यावहारिक तरीका प्रस्तुत किया है। उनका तरीका नई सामग्रियों और लेज़र प्रिंटिंग का उपयोग करके कम जोखिम के साथ तेज़ सुधार संभव बनाता है। यहाँ वे बातें हैं जो आपको जाननी चाहिए।

हड्डी फ्रैक्चर क्यों बढ़ रहे हैं

संभव है कि आप कम से कम किसी ऐसे व्यक्ति को जानते हों जिसकी कभी हड्डी टूटी हो। बचपन की दुर्घटनाओं से लेकर गंभीर आघात तक, इन सभी स्थितियों में हड्डी के सही ढंग से ठीक होने के लिए किसी न किसी प्रकार की चिकित्सीय देखभाल आवश्यक होती है।

दुर्भाग्य से, दुनिया भर में हड्डी टूटने के मामलों की संख्या लगातार बढ़ी है। यह वृद्धि उम्रदराज़ हो रही बेबी बूमर आबादी को दर्शाती है। इंटरनेशनल ऑस्टियोपोरोसिस फ़ाउंडेशन (IOF) की रिपोर्ट के अनुसार, केवल पिछले वर्ष बुज़ुर्गों में 3.7 करोड़ से अधिक नाज़ुकता-जनित फ्रैक्चर दर्ज किए गए और बढ़ती उम्र की आबादी के साथ यह रुझान जारी रहने की आशंका है।

हड्डियां स्वाभाविक रूप से कैसे ठीक होती हैं

मानव शरीर अद्भुत है और हल्के फ्रैक्चर तथा छोटी टूट-फूट को स्वयं ठीक कर सकता है। इस प्रक्रिया में वह पहले क्षतिग्रस्त हिस्से में विभिन्न नरम ऊतक कोशिकाएँ भेजता है। ये अस्थायी कोशिकाएँ मचान की तरह काम करती हैं, जिससे नई हड्डी आकार लेती और अंततः कठोर होती है।

इस सफलता का एक कारण पूरी हड्डी में मौजूद सूक्ष्म मार्गों और खाली स्थानों का अनूठा जाल है। रिपोर्टों के अनुसार, सिक्के से भी छोटे हड्डी के टुकड़े में 54 किलोमीटर से अधिक लंबी सूक्ष्म सुरंगें हो सकती हैं।

जब हड्डी फ्रैक्चर को शल्य हस्तक्षेप की आवश्यकता होती है

कुछ स्थितियों में टूट इतनी गंभीर होती है कि स्वास्थ्यकर्मियों की अतिरिक्त सहायता के बिना शरीर घाव नहीं भर सकता। विशेष रूप से गंभीर खुले फ्रैक्चर को धातु की पिन और इम्प्लांट से स्थिर रखना पड़ता है।

ट्यूमर निकालने से भी हड्डी का एक हिस्सा गायब हो सकता है। हड्डी को सही स्थिति में रखने के लिए डॉक्टरों को इस खाली हिस्से को भरना पड़ता है। कुछ मामलों में रोगी की अपनी हड्डी से ग्राफ्ट बनाया जाता है।

ऑटोग्राफ्ट

इस स्थिति से निपटने के लिए स्वास्थ्यकर्मी सबसे अधिक ऑटोग्राफ्ट का उपयोग करते हैं। इनके कई रूप हो सकते हैं; सबसे आम विकल्पों में रोगी की हड्डी, सिरेमिक या धातु का उपयोग होता है।

ऑटोग्राफ्ट की समस्याएँ

ऑटोग्राफ्ट उपचार प्रक्रिया को बेहतर बना सकते हैं, लेकिन इनकी अपनी समस्याएँ भी हैं। ग्राफ्ट बनाने के लिए हड्डी का ऊतक लेने हेतु एक अतिरिक्त सर्जरी करनी पड़ती है। इससे लागत और जोखिम बढ़ते हैं, समय लगता है और अतिरिक्त विशेषज्ञों की आवश्यकता पड़ती है।

ETH ज़्यूरिच की लेज़र-प्रिंटेड हड्डी ग्राफ्ट में सफलता

Advanced Materials में प्रकाशित “A Water-Soluble PVA Macrothiol Enables Two-Photon Microfabrication of Cell-Interactive Hydrogel Structures at 400 mm s−1”¹ नामक वैज्ञानिक शोधपत्र एक बिल्कुल नया तरीका प्रस्तुत करता है, जिसमें आगे चलकर स्वास्थ्य सेवा में क्रांति लाने की क्षमता है।

2PP माइक्रोफैब्रिकेशन

बेहतर और अधिक स्थिर ग्राफ्ट बनाने के लिए टीम ने दो-फ़ोटॉन पॉलीमराइज़ेशन (2PP) नामक विधि अपनाई। मूलतः ऊतक अभियांत्रिकी और औषधि विकास में प्रत्यक्ष लेज़र लेखन तकनीक के रूप में विकसित यह विधि फेम्टोसेकंड लेज़र पल्स का उपयोग करती है।

इन छोटे, उच्च-तीव्रता वाले लेज़रों से विशेष प्रकाश-संवेदी सामग्रियों को कठोर किया जाता है। इससे इंजीनियर उप-माइक्रोन स्तर पर उच्च-रिज़ॉल्यूशन वाली 3D संरचनाएँ बना सकते हैं। इसी क्षमता ने ETH ज़्यूरिख में बायोमैटेरियल्स इंजीनियरिंग के प्रोफ़ेसर शियाओ-हुआ छिन और उनकी टीम का ध्यान खींचा।

नया हाइड्रोजेल आवश्यक था

मानव बाह्यकोशिकीय मैट्रिक्स (ECM) की नकल करना आसान नहीं है, क्योंकि इसके लिए ऐसी जटिलता चाहिए जो पारंपरिक 2PP विधियों में नहीं थी। टीम ने पाया कि दो-फ़ोटॉन लेज़र प्रकाश-रासायनिक प्रतिक्रिया को ठीक एक क्षेत्र पर केंद्रित कर सकता है और पुराने एकल-लेज़र तरीकों की तुलना में कहीं अधिक नियंत्रण देता है।

हालाँकि, जेल आकार लेने के लिए पर्याप्त कठोर और अपनी जगह बने रहने के लिए पर्याप्त प्रतिक्रियाशील नहीं था। इन समस्याओं के समाधान हेतु टीम ने नया हाइड्रोजेल बनाने पर ध्यान केंद्रित किया।

वर्तमान 2PP निर्माण में (मेथ)एक्रिलेटेड प्रोटीन वाला हाइड्रोजेल उपयोग होता है।  डाइथायोथ्राइटोल जैसे व्यावसायिक, जल-घुलनशील थायोल क्रॉसलिंकर आम हैं। इन प्रोटीनों में हड्डी की वृद्धि के लिए आवश्यक मजबूत क्रॉस-लिंकिंग तंत्र नहीं होता।

स्रोत – ETH ज़्यूरिख

यह सामग्री मानव हड्डी के लिए आवश्यक जटिलता को सहारा नहीं दे सकी और परीक्षण में बड़ी संख्या में संरचनात्मक दोष पाए गए। पारंपरिक समाधान पॉलीमर की सांद्रता बढ़ाना होता, लेकिन टीम ने दूसरा रास्ता चुना।

PVA थिओल क्रॉसलिंकर (PVASH)

इंजीनियरों ने अपने लक्ष्य के लिए बिल्कुल नया हाइड्रोजेल विकसित करने का निर्णय लिया। जल-घुलनशील पॉलीविनाइल अल्कोहल मैक्रोमॉलिक्यूलर थायोल क्रॉसलिंकर (PVASH) वाला यह हाइड्रोजेल स्थिर और जैव-संगत बने रहने के लिए विशेष अणुओं का उपयोग करता है।

टीम ने पहले PVASH को नॉरबॉर्नीन-कार्यात्मक PVA (nPVA) के साथ मिलाया। इसके बाद लेज़र प्रक्रिया सही ढंग से चलाने के लिए फोटोइनिशिएटर जोड़े गए।

इस तरीके का मुख्य बदलाव कई प्रतिक्रियाशील समूहों का उपयोग है। लेज़र विकिरण पड़ने पर जेल अधिक तेज़ी और पूरी तरह कठोर होता है। इससे एक अणु को पॉलीमर शृंखला जोड़ने और दूसरे को प्रकाश प्रतिक्रिया सुनिश्चित करने के लिए इस्तेमाल करना भी संभव हुआ।

लेज़र प्रिंटिंग

लेज़र प्रिंटिंग का बड़ा लाभ यह है कि इंजीनियर केवल 500 नैनोमीटर चौड़े विवरणों वाली प्राकृतिक हड्डी संरचनाएँ बना सकते हैं। टीम ने इसके लिए 20 mW लेज़र का उपयोग किया।

यह सूक्ष्म क्षमता सुनिश्चित करती है कि हड्डी की संरचनाओं में प्राकृतिक गुहाएँ और मार्ग हों। डिज़ाइन पहले से प्रोग्राम किए जा सकते हैं और 400 मिलीमीटर प्रति सेकंड की प्रभावशाली गति से बनाए जा सकते हैं। यह नया विश्व रिकॉर्ड रोगियों की रिकवरी तेज़ करने में इस प्रगति का महत्व भी दिखाता है।

माइक्रो-स्कैफ़ोल्ड्स

सामग्री मानव हड्डी की जटिलता की इतनी अच्छी नकल करती दिखाई देती है कि कोशिकाएँ बिना देर किए स्वाभाविक उपचार प्रक्रिया शुरू कर देती हैं। सूक्ष्म सुरंगों और मार्गों का विशाल जाल स्वस्थ कोशिकाओं को आकर्षित करने और उनकी वृद्धि के लिए आदर्श पकड़ देता है।

लेज़र-प्रिंटेड हड्डी स्कैफ़ोल्ड्स का प्रयोगशाला परीक्षण

वैज्ञानिकों ने यह देखने के लिए कई प्रयोगशाला परीक्षण किए कि उनका सिद्धांत वास्तविक परिस्थितियों में कारगर रहता है या नहीं। टेस्ट-ट्यूब अध्ययनों में तेज़ कोशिका वृद्धि देखकर इंजीनियर प्रसन्न हुए।

हाइड्रोजेल को विशेष आकार में प्रिंट किया गया और कुछ ही दिनों में शरीर ने कोलेजन बनाना शुरू कर दिया, जो हड्डी के विकास के सबसे महत्वपूर्ण चरणों में से एक है। इंजीनियरों ने यह भी देखा कि पॉलीमर शरीर में किस तरह टूटता है और पाया कि यह पूरी तरह हानिरहित है।

इसके बाद उन्होंने हाइड्रोजेल और थायोल-ईन क्रॉस-लिंकिंग अणुओं का मूल्यांकन किया। उनका प्रदर्शन अपेक्षाओं से बेहतर रहा और अन्य विधियों की तुलना में कम समय में क्षतिग्रस्त ऊतक की मजबूत व प्राकृतिक मरम्मत हुई।

लेज़र-प्रिंटेड हड्डी ग्राफ्ट परीक्षण परिणाम

परीक्षण परिणाम स्वास्थ्य क्षेत्र के लिए इस कार्य का महत्व बताते हैं। ग्राफ्ट को आकार देने, कोशिकाओं के प्रवेश और अंततः मचान के जैविक रूप से विघटित होने तक हर चरण में बड़ा सुधार दर्ज हुआ। शोध से ऐसी स्वस्थ हड्डी कोशिकाएँ बनीं जो प्राकृतिक रूप से बनने वाली कोशिकाओं जैसी ही थीं।

लेज़र-प्रिंटेड हड्डी ग्राफ्ट के लाभ

नया हाइड्रोजेल संरचना और स्थान-निर्धारण के मामले में अधिक लचीलापन देता है। पारंपरिक हाइड्रोजेल को मनचाहा आकार नहीं दिया जा सकता। अतिरिक्त जोड़ने वाले अणु स्थिरता बहुत बढ़ाते हैं और प्रत्येक व्यक्ति की आवश्यकताओं के अनुसार सीधे आकार देना संभव बनाते हैं।

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विश्वसनीयता

एक अन्य महत्वपूर्ण लाभ इस तरीके की अतिरिक्त परिशुद्धता है। नए PVASH-आधारित हाइड्रोजेल सूक्ष्म स्तर पर डिज़ाइन और संरचना की समग्र जटिलता के लिए इंजीनियरों को अधिक विकल्प देते हैं।

बेहतर रोगी प्रतिक्रिया

वैज्ञानिकों ने अभी केवल प्रयोगशाला परीक्षण किए हैं, फिर भी नई रणनीति से उपचार के दौरान बहुत कम सूजन देखी गई। ऐसा इसलिए है क्योंकि जैव-संगत हाइड्रोजेल को शरीर की कोशिकाएँ धातु या सिरेमिक की तुलना में अधिक आसानी से स्वीकार करती हैं।

वास्तविक दुनिया में अनुप्रयोग और समयरेखा:

इस खोज के वास्तविक उपयोग कई उद्योगों तक फैल सकते हैं। सबसे स्पष्ट उपयोग स्वास्थ्य क्षेत्र में है, जहाँ यह रोगियों के लिए टूटी हड्डियों की लागत और स्वस्थ होने का समय कम कर सकती है।

प्रोस्थेटिक्स

इस तकनीक का उपयोग अंततः ऐसे अधिक वास्तविक दिखने वाले कृत्रिम अंग बनाने में हो सकता है जो प्रतिस्थापन के बजाय असली शरीर के अंगों जैसे दिखें और महसूस हों। आदर्श स्थिति में तकनीक आधार तैयार करेगी और बाकी काम कोशिकाओं की वृद्धि करेगी।

रोबोटिक्स

रोबोटिक्स क्षेत्र भी इस तकनीक से अधिक मजबूत बायोमैकेनिकल डिज़ाइन बना सकता है। जीवित कोशिकाओं और संरचनाओं को यांत्रिक उपकरणों के साथ जोड़कर भविष्य में अधिक कुशल और सक्षम मशीनें बनाई जा सकती हैं।

समयरेखा

मानव उपयोग के लिए इस तकनीक को पर्याप्त परिपक्व होने में कम से कम दस वर्ष लग सकते हैं। शोध अभी शुरुआती चरण में है और अब तक की सफलता के बावजूद इसके व्यापक उपयोग से पहले कई वैज्ञानिक व नियामकीय बाधाएँ पार करनी होंगी।

लेज़र-प्रिंटेड हड्डी ग्राफ्ट शोधकर्ता

ETH ज़्यूरिख के शोधकर्ताओं ने लेज़र-प्रिंटेड हड्डी ग्राफ्ट अध्ययन का नेतृत्व किया। शोधपत्र में शियाओ-हुआ छिन और राल्फ़ म्यूलर प्रमुख लेखक हैं। उन्हें वानवान चिउ, मार्गेरिटा बर्नेरो, मुजा एमिली ये, शियानजुन यांग और फिलिप फ़िश का सहयोग मिला।

भविष्य

लेज़र-प्रिंटेड हड्डी ग्राफ्ट का भविष्य अभी तय नहीं है। तकनीक तार्किक है और इसने बड़ी संभावनाएँ दिखाई हैं। हालाँकि, मानव परीक्षण सहित अभी बहुत अधिक परीक्षण करना बाकी है।

अगला चरण पशु परीक्षण होगा। वैज्ञानिक इस चरण को आगे बढ़ाने के लिए AO Research Institute Davos के साथ रणनीतिक साझेदारी की घोषणा कर चुके हैं। परिणामों के आधार पर शोध आगे मानव रोगियों पर बढ़ेगा।

स्वास्थ्य प्रौद्योगिकी नवाचार में निवेश

कई कंपनियाँ HealthTech क्षेत्र में नवाचार को आगे बढ़ा रही हैं। उन्होंने इस गंभीर समस्या के रचनात्मक समाधान खोजने की इच्छा दिखाई है। यहाँ बाज़ार की एक अग्रणी कंपनी है जिसे जानना उपयोगी है।

Xtant Medical Holdings

Xtant Medical (XTNT ) Holdings की शुरुआत 1990 के दशक के आरंभ में Montana State University की प्रयोगशाला में Bacterin International के रूप में हुई थी। परियोजना का उद्देश्य पुनर्योजी चिकित्सा इम्प्लांट पर ध्यान देते हुए बेहतर चिकित्सा पद्धतियों पर शोध करना था।

Xtant Medical Holdings ने 2000 में अपना नाम बदला और 2006 में सर्जिकल इम्प्लांट की एक शृंखला पेश की। इन उत्पादों ने काफी ध्यान आकर्षित किया और कंपनी ने 2013 में सफल IPO किया। इसी दौरान उसने 2016 में X-spine जैसी अन्य पुनर्योजी हड्डी अनुसंधान कंपनियों का अधिग्रहण शुरू किया।

2020 में Xtant ने अपना ध्यान रीढ़ की पुनर्रचना पर केंद्रित किया।  इस रणनीति के तहत उसने अधिग्रहण और रणनीतिक साझेदारियाँ जारी रखीं। इसके बाद कंपनी ने पुनर्योजी हड्डी विज्ञान के अन्य क्षेत्रों में फिर विस्तार किया।

आज Xtant को दुनिया की अग्रणी ऑर्थोबायोलॉजिकल कंपनियों में गिना जाता है। रोगियों के परिणाम बेहतर बनाने के लिए उसके पास कई उत्पाद हैं और वह अधिक प्रभावी विकल्प बनाने में निवेश जारी रखती है। प्रतिष्ठित मेड-टेक कंपनी चाहने वाले निवेशकों को Xtant की पेशकशों पर और शोध करना चाहिए।

Xtant Medical Holdings (XTNT) की नवीनतम समाचार और प्रदर्शन

लेज़र-प्रिंटेड हड्डी ग्राफ्ट निष्कर्ष

यह समझना आसान है कि रीढ़ की चोट जैसी जटिल अस्थि चोटों से पीड़ित रोगियों के लिए बेहतर समाधान खोजने पर इतना ज़ोर क्यों है। आबादी बूढ़ी हो रही है और भविष्य में ऐसी चोटें अधिक आम होंगी। इसलिए यह कार्य तेज़ और अधिक विश्वसनीय उपचार रणनीतियों की नींव रख सकता है।

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संदर्भ

^{1. Qiu, W., Bernero, M., Ye, M. E., Yang, X., Fisch, P., Müller, R., & Qin, X. H. एक जल-घुलनशील PVA मैक्रोथिओल दो-फ़ोटॉन माइक्रोफैब्रिकेशन को सक्षम बनाता है जो 400 mm s−1 पर सेल-इंटरैक्टिव हाइड्रोजेल संरचनाएँ बनाता है। Advanced Materials, e10834. https://doi.org/10.1002/adma.202510834}