प्रासंगिकता:

जीएस 3 || विज्ञान और प्रौद्योगिकी || चौथी औद्योगिक क्रांति || 3D प्रिंटिंग

सुर्खियों में क्यों?

वैश्विक अंग की कमी और सीमित अंग दाताओं के कारण, गंभीर चोट, बीमारी या आनुवंशिक स्थितियों के मामलों में हजारों रोगियों को अंग और ऊतक वांछित होते हैं जो उन्हें सुलभ नहीं हैं।

वर्तमान प्रसंग:

• ऊतक इंजीनियरिंग एक उभरता हुआ क्षेत्र है जो कृत्रिम ऊतकों और अंग के प्रतिस्थापन पर काम करता है जो क्षति को बदलने या उसकी मरम्मत करने के लिए स्थायी समाधान के रूप में काम करता है।
• वैश्विक अंग की कमी और सीमित अंग दाताओं के कारण, गंभीर चोट, बीमारी या आनुवंशिक स्थितियों के मामलों में हजारों रोगियों को अंग और ऊतक वांछित होते हैं जो उन्हें सुलभ नहीं हैं।प्रत्यारोपण उपलब्ध हो सके उससे पहले ही कई मरीज़ मर जाते हैं।

3D द्वारा प्रिंट अंग क्या है?

• बायोप्रिंटिंग एक ऐसी विधि है, जो स्टेम कोशिकाओं से भरी हुई बायोइंक्स के माध्यम से सेलुलर संरचनाओं को बनाने में सक्षम बनाती है। परत दर परत, जैव सामग्री को त्वचा, ऊतक या कोई अंग बनाने के लिए जमा किया जाता है।
• बायोप्रिंटिंग परियोजनाएं बढ़ रही हैं, और प्रत्येक नई परियोजना एक पूरी तरह कार्यात्मक और व्यवहार्य समाधान होने के करीब एक कदम है।
• प्रयोगशालाएं और अनुसंधान केंद्र मानव लिवर, किडनी और हृदय की बायोप्रिंटिंग कर रहे हैं। इसका उद्देश्य उन्हें प्रत्यारोपण, और व्यवहार्य दीर्घकालिक समाधान के लिए उपयुक्त बनाना है।
• वास्तव में, यह विधि हमें अंग दाताओं की कमी से निपटने के लिए कुछ बीमारियों के संदर्भ में और बेहतर अध्ययन करने अनुमति दे सकती है।

ऊतक इंजीनियरिंग:

• ऊतक इंजीनियरिंग एक बायोमेडिकल इंजीनियरिंग विषय है जो विभिन्न प्रकार के जैविक ऊतकों को बहाल करने, बनाए रखने, सुधारने या बदलने के लिए कोशिकाओं, इंजीनियरिंग, सामग्री विधियों और उपयुक्त जैव रासायनिक और भौतिक रासायनिक कारकों के संयोजन का उपयोग करता है।
• ऊतक इंजीनियरिंग, दाता ऊतक और जैव-संगत पाड़ सामग्री से पृथक उपयुक्त कोशिकाओं के आरोपण के माध्यम से कोशिका वृद्धि और कार्य के लिए विट्रो और विवो परिवर्तन में जैव-कृत्रिम ऊतकों के निर्माण से संबंधित है।

कोशिकाओं के साथ प्रिंटिंग:

• स्टेम कोशिका जीवविज्ञानियों ने वर्षों से संदेह किया है कि 3D प्रिंटिंग का उपयोग क्या कभी जीवित सामग्री के साथ भी किया जा सकता है, और आश्चर्य किया है कि क्या मानव कोशिकाओं से तीन आयामी आकृतियों को प्रिंट करना संभव था।
• तीन आयामों में प्रिंटिंग का लाभ यह है कि कोशिकाएं अपने उचित कार्यों को बेहतर और लंबे समय तक विकसित करती हैं।
• इस प्रकार वैज्ञानिकों को 3D प्रिंटिंग के लिए उन सामग्रियों का उपयोग करना पड़ता है, जिन्हें कोशिकाएं सहन कर सकती हैं और उसमें विकसित हो सकती हैं, जिन्हें जैव-रासायनिक पदार्थ कहा जाता है। इन सामग्रियों के कई प्रकार होते हैं, जिनमें से अधिकांश हाइड्रोजेल नामक एक सामग्री हैं।

जैव संगत पाड़ सामग्री:

• पाड़ ऐसी सामग्री है जिसे चिकित्सा प्रयोजनों के लिए नए कार्यात्मक ऊतकों के निर्माण में योगदान करने के लिए वांछनीय सेलुलर संपर्क बनाने के लिए इंजीनियर किया गया है। कोशिकाएं अक्सर इन संरचनाओं में ‘सीडेड’ होती हैं जो तीन-आयामी ऊतक गठन का समर्थन करने में सक्षम हैं।
• एल्गिनेट एक प्राकृतिक रूप से पाया जाने वाला आयनिक बहुलक है जो आमतौर पर भूरे समुद्र-खरपतवार से प्राप्त होता है, और इसकी जैव-संगतता, कम विषाक्तता, अपेक्षाकृत कम लागत के कारण बड़े पैमाने पर कई जैव-चिकित्सा अनुप्रयोगों के लिए इसकी जांच की गई है और इसका उपयोग किया गया है।
• 3D अस्थायी अंग संरचनाएं – जिन्हें पाड़ कहा जाता है – क्षतिग्रस्त ऊतकों को पुन: उत्पन्न करने में मदद कर सकती हैं और संभावित रूप से कृत्रिम अंगों का निर्माण कर सकती हैं।
• इन ऊतकों का उपयोग विभिन्न ऊतक इंजीनियरिंग अनुप्रयोगों में भी किया जा सकता है, जिसमें बायोमेट्रिक द्वारा निर्मित संरचनाओं में तंत्रिका मरम्मत भी शामिल है।

जैव प्रिंटिंग का उदाहरण:

• गुर्दे की बायोप्रिंटिंग: पुनरोज्जीवित मेडिसिन के लिए वेक फॉरेस्ट इंस्टीट्यूट, ने पहली बार एक 3D बायोप्रिंटेड गुर्दा प्रस्तुत किया है। उदाहरण के लिए, हार्वर्ड में, शोधकर्ताओं ने गुर्दे की संरचना और कार्य को बेहतर ढंग से समझने के लिए एक संवहनी समीपस्थ नलिका के 3D मॉडल की बायोप्रिंटिंग करने में सफलता प्राप्त की है।
• कॉर्निया की बायोप्रिंटिंग: विश्व स्वास्थ्य संगठन का अनुमान है कि कॉर्निया संबंधी अंधेपन को रोकने के लिए दुनिया भर में 10 मिलियन लोगों को सर्जरी की आवश्यकता होती है, और कॉर्नियल स्कारिंग के कारण 4.9 मिलियन पहले ही पूर्ण दृष्टिबाधिता से पीड़ित हैं।
• इसमें सबसे चुनौतीपूर्ण पहलुओं में से एक, कॉर्निया के अवतल आकार को धारण करने के लिए सही सामग्री का उपयोग करना था और साथ एक इतनी पतली स्याही की खोज करना था जो एक 3D बायोपिन्टर के नोजल के माध्यम से धार करने में सक्षम थी। केवल एक स्वस्थ मानव कॉर्निया का उपयोग करके वे 50 कृत्रिम कॉर्निया 3D प्रिंट करने में सक्षम थे; नेत्र विज्ञान में एक अद्भुत सफलता।
• अंडाशय की बायोप्रिंटिंग: मई 2017 में, नॉर्थवेस्टर्न यूनिवर्सिटी के शोधकर्ता प्रजनन संबंधी समस्यानों वाली महिलाओं के लिए एक समाधान विकसित कर रहे थे। वे एक सुअर के अंडाशय में संरचनात्मक प्रोटीन के स्थान को मैप करने में सक्षम थे, जिससे उन्हें मानव उपयोग के लिए कार्यात्मक अंडाशय की बायोप्रिंटिंग करने के लिए एक बायोइंक बनाने की अनुमति मिली।
• एक लघु यकृत की बायोप्रिंटिंग: ब्राजील में साओ पाउलो विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने रक्त कोशिकाओं से मानव यकृत के लघु संस्करण बनाने में सफलता प्राप्त की है। यकृत ऊतक बनाने के लिए, टीम ने एक अद्भुत बायोप्रिंटर का उपयोग किया, जो कि निर्माता CINKINK द्वारा विपणन किया गया था, जो उद्योग में सबसे अधिक मान्यता प्राप्त है।
• कान की बायोप्रिंटिंग: रोगी के कार्टिलेज कोशिकाओं का उपयोग करके कान का प्रत्यारोपण बनाया गया, जिससे प्रत्यारोपित होने का जोखिम कम हो जाता है। इसके अलावा, इस प्रकार का कस्टम-निर्मित बायोप्रिंटिंग समाधान, वास्तव में अन्य विकल्पों की तुलना में कम महंगा है।
• अग्न्याशय की बायोप्रिंटिंग: फाउंडेशन फॉर रिसर्च एंड डेवलपमेंट ऑफ साइंस ने खुद के लिए 2020 तक एक कार्यात्मक 3D प्रिंटेड अग्न्याशय विकसित करने का लक्ष्य निर्धारित किया है। बायोप्रिंटिंग के लिए, रोगी की बायोप्सी की जाती है और सबसे पहले स्टेम सेल प्राप्त किया जाता है। कोशिकाओं को तब इंसुलिन और ग्लूकागन के उत्पादन में सक्षम कोशिकाओं में परिवर्तित किया जाता है। फिर इनका प्रयोग बायोइंक के रूप में अग्न्याशय को प्रिंट करने के लिए किया जाता है।
• त्वचा की बायोप्रिंटिंग: त्वचा की बायोप्रिंटिंग के लिए मार्केट लगातार बढ़ता जा रहा है, स्टार्टअप कंपनी पोयटिस ने 4D प्रिंटेड त्वचा विकसित की है, जिसे भविष्य में जले या त्वचा रोगों से पीड़ित लोगों के लिए उपयोग में लाया जा सकता है।

3D प्रिंटेड अंगों के क्या लाभ हैं?

• नई सामग्री: यह बायोइंजीनियर्स को बिल्कुल नई सामग्री प्रदान करता है। वे सचमुच प्राकृतिक सामग्री के साथ निर्माण कर सकते हैं, जो किसी भी अन्य तकनीक के साथ हासिल कर पाना असंभव है।
• रोगी के अंग की सही प्रतिकृति: कई प्रभावशाली शोधों से प्रयोगशाला में बड़े अंग निर्मित किये गये हैं, यह वास्तव में रोगी के अंग की एक परिपूर्ण प्रतिकृति को अभिकल्पित करने में सक्षम होता है और फिर इसका निर्माण करता है।
• अस्वीकृति जोखिम: रोगी के ऊतक का उपयोग करने का मतलब है कि नए अंग का डीएनए रोगियों से पूरी तरह मेल खाता है, इसलिए अस्वीकृति जोखिम पूरी तरह से समाप्त हो जाएगा।
• अंग की कमी: बायोप्रिंटिंग तकनीक इस समस्या को भी संबोधित कर सकती है। चिकित्सा और 3D प्रिंटिंग तकनीक का भविष्य अब प्रत्यारोपण सूचियों के लिए अधिक इंतजार नहीं करेगा, और अंग दान की भी आवश्यकता नहीं होगी।
• गतिशीलता: 3D प्रिंटिंग का एक और लाभ गतिशीलता है। भविष्य में, संभव है प्रत्येक अस्पताल के पास 3D प्रिंटर्स होंगे, इसलिए स्थानीय स्तर पर नये अंगों का उत्पादन किया जा सकेगा।
• औषधि और कॉस्मेटिक परीक्षण: जैव 3D प्रिंटेड संरचनाओं का उपयोग दवा और कॉस्मेटिक परीक्षण के लिए किया जा सकता है, क्योंकि वे मनुष्यों की तरह प्रतिक्रिया कर सकते हैं। मेडिकल 3D प्रिंटिंग का एक और लाभ निजीकृत दवा है, इसका मतलब यह होगा कि कैंसर रोगियों के लिए अब कीमो जैसे कोई और अधिक जोखिम भरे उपचार की आवश्यकता नहीं होगी।

अंग के 3D प्रिंटिंग से जुड़ी चुनौतियां:

• एल्गिनेट काम करने के लिए एक चुनौतीपूर्ण सामग्री है क्योंकि यह 3D प्रिंटिंग के दौरान आसानी से नष्ट हो जाता है।
• कई अनुसंधान इसकी प्रिंटिग क्षमता में सुधार के लिए नई तकनीकों के विकास पर केंद्रित है।
• तंत्रिका मरम्मत के लिए, एल्गिनेट में जीवित कोशिकाओं के विकास और कार्यों के लिए अनुकूल गुण हैं, लेकिन इसकी खराब 3D प्रिंटिंग काफी हद तक इसके निर्माण को सीमित करती है। इसका अर्थ है कि प्रिंटिंग प्रक्रिया के दौरान एल्गिनेट आसानी से नष्ट हो जाता है, और खराब या नष्ट हो चुकी संरचना में परिणत होता है।
• इसने एक निर्माण विधि विकसित की जहां कोशिकाएं उस उथले एल्गिनेट संरचना के भीतर समाहित होती हैं, जिसे एक 3D प्रिंटर द्वारा बनाया जाता है।
• पिछले शोध ने तंत्रिका पुनर्जनन में सुधार के लिए एक उथली संरचना के बिना थोक में एल्गिनेट बनाने के लिए मोल्डिंग तकनीकों का उपयोग किया; कोशिकाएं ऐसे ठोस वातावरण को पसंद नहीं करती हैं।
• हालांकि,एक उथले एल्गिनेट संरचना की 3डी प्रिंटिंग चुनौतीपूर्ण और आमतौर पर असंभव है।
• शोध इस मुद्दे को, थोक में मोल्ड किये गये एल्गिनट के बजाय, परत-दर-परत एल्गीनेटे से बनी उथली संरचना की प्रिंटिंग कर संबोधित करता है। इस तरह की संरचना में परस्पर जुड़ाव होता है और यह कोशिका के अनुकूल वातावरण प्रदान करता है।
• कोशिकाएं आसानी से एक दूसरे के साथ संपर्क कर सकती हैं और पुनर्जनन शुरू कर सकती हैं जबकि 3D-प्रिंटेड एल्गिनेट उनके लिए एक अस्थायी समर्थन प्रदान करता है।

अतिरिक्त जानकारी:

• बायो-इंक: बायो-इंक जीवित कोशिकाओं और संगत आधार जैसे कोलाजन, जिलेटिन, ह्यालूरोनन, सिल्क, एल्गिनेट या नैनोसेलुलोज का एक संयोजन है। एक संगत आधार कोशिकाओं के जीवित रहने के लिए और उसके पोषक तत्वों को बढ़ने में मदद के लिए पाड़ प्रदान करता है। पूर्ण पदार्थ, रोगी पर आधारित है और कार्य-विशिष्ट होता है।

निष्कर्ष:

जैसा कि देखा जा सकता है कि 2022 का आगामी वर्ष 3D प्रिंटेड मानव अंगों की क्रांति का वर्ष हो सकता है। योजक (ऐडिटिव) विनिर्माण वास्तव में चिकित्सा उद्योग का परिदृश्य बदलने की शक्ति रखता है। शैक्षिक मॉडल से लेकर, 3D प्रिंटेड हृदय, यकृत और हड्डियों तक, डॉक्टर और वैज्ञानिक लाखों लोगों की जान बचाने के लिए 3D प्रिंटिंग के लिए एक नए दृष्टिकोण का उपयोग कर रहे हैं।

मुख्य परीक्षा अभ्यास प्रश्न:

चिकित्सा जगत में 3D प्रिंटिंग द्वारा जनित अंगों से जुड़े लाभ और हानि क्या हैं? क्या इसे चिकित्सा विज्ञान में चौथी क्रांति कहा जा सकता है?