न्यूरॉन्स के चारों ओर आराम से लपेटकर, ये उपकरण वैज्ञानिकों को मस्तिष्क के उपकोशिकीय क्षेत्रों की जांच करने में मदद कर सकते हैं, और मस्तिष्क के कुछ कार्यों को बहाल करने में भी मदद कर सकते हैं।
स्मार्टवॉच और फिटनेस ट्रैकर जैसे पहनने योग्य उपकरण हमारी हृदय गति या नींद के चरण जैसी आंतरिक प्रक्रियाओं को मापने और सीखने के लिए हमारे शरीर के कुछ हिस्सों के साथ बातचीत करते हैं।
अब, एमआईटी शोधकर्ताओं ने पहनने योग्य उपकरण विकसित किए हैं जो शरीर के अंदर व्यक्तिगत कोशिकाओं के लिए समान कार्य करने में सक्षम हो सकते हैं।
नरम पॉलिमर से बने ये बैटरी-मुक्त, उपकोशिकीय आकार के उपकरण, प्रकाश के साथ वायरलेस सक्रियण पर, कोशिकाओं को नुकसान पहुंचाए बिना, न्यूरॉन्स के विभिन्न हिस्सों, जैसे एक्सॉन और डेंड्राइट, के चारों ओर धीरे से लपेटने के लिए डिज़ाइन किए गए हैं। न्यूरोनल प्रक्रियाओं को आराम से लपेटकर, उनका उपयोग उपकोशिकीय स्तर पर न्यूरॉन की विद्युत और चयापचय गतिविधि को मापने या संशोधित करने के लिए किया जा सकता है।
क्योंकि ये उपकरण वायरलेस और फ्री-फ्लोटिंग हैं, शोधकर्ताओं ने कल्पना की है कि किसी दिन हजारों छोटे उपकरणों को इंजेक्ट किया जा सकता है और फिर प्रकाश का उपयोग करके बिना किसी आक्रामक तरीके से सक्रिय किया जा सकता है। शोधकर्ता शरीर के बाहर से चमकने वाली रोशनी की खुराक में हेरफेर करके सटीक रूप से नियंत्रित करेंगे कि पहनने योग्य वस्तुएं कोशिकाओं के चारों ओर धीरे से कैसे लपेटती हैं, जो ऊतक में प्रवेश करेगी और उपकरणों को सक्रिय करेगी।
न्यूरॉन्स और शरीर के अन्य हिस्सों के बीच विद्युत आवेगों को प्रसारित करने वाले अक्षतंतु को घेरकर, ये पहनने योग्य उपकरण मल्टीपल स्केलेरोसिस जैसी बीमारियों में होने वाले कुछ न्यूरोनल क्षरण को बहाल करने में मदद कर सकते हैं। लंबे समय में, उपकरणों को छोटे सर्किट बनाने के लिए अन्य सामग्रियों के साथ एकीकृत किया जा सकता है जो व्यक्तिगत कोशिकाओं को माप और मॉड्यूलेट कर सकते हैं।
एमआईटी मीडिया लैब और सेंटर फॉर न्यूरोबायोलॉजिकल इंजीनियरिंग में एटी एंड टी कैरियर डेवलपमेंट असिस्टेंट प्रोफेसर, नैनो के प्रमुख देबलीना सरकार कहते हैं, “जो अवधारणा और प्लेटफ़ॉर्म तकनीक हम यहां पेश कर रहे हैं वह एक आधारशिला की तरह है जो भविष्य के अनुसंधान के लिए अपार संभावनाएं लाती है।” साइबरनेटिक बायोट्रेक लैब, और इस तकनीक पर एक पेपर के वरिष्ठ लेखक।
पेपर में सरकार के साथ प्रमुख लेखिका मार्ता जी ऐराघी लेकार्डी भी शामिल हैं, जो पूर्व एमआईटी पोस्टडॉक हैं और अब नोवार्टिस इनोवेशन फेलो हैं; बेनोइट एक्सई डेस्बिओल्स, एक एमआईटी पोस्टडॉक; अन्ना वाई. हद्दाद '23, जो काम के दौरान एमआईटी स्नातक शोधकर्ता थे; और एमआईटी स्नातक छात्र बाजू सी. जॉय और चेन सॉन्ग। शोध आज सामने आया है प्रकृति संचार रसायन शास्त्र .
कोशिकाओं को आराम से लपेटना
मस्तिष्क कोशिकाओं में जटिल आकार होते हैं, जिससे एक बायोइलेक्ट्रॉनिक प्रत्यारोपण बनाना बेहद मुश्किल हो जाता है जो न्यूरॉन्स या न्यूरोनल प्रक्रियाओं के अनुरूप हो सकता है। उदाहरण के लिए, अक्षतंतु पतली, पूंछ जैसी संरचनाएं हैं जो न्यूरॉन्स के कोशिका शरीर से जुड़ी होती हैं, और उनकी लंबाई और वक्रता व्यापक रूप से भिन्न होती है।
साथ ही, अक्षतंतु और अन्य सेलुलर घटक नाजुक होते हैं, इसलिए उनके साथ इंटरफेस करने वाला कोई भी उपकरण इतना नरम होना चाहिए कि उन्हें नुकसान पहुंचाए बिना अच्छा संपर्क बना सके।
इन चुनौतियों पर काबू पाने के लिए, एमआईटी शोधकर्ताओं ने एज़ोबेंजीन नामक नरम बहुलक से पतली-फिल्म उपकरण विकसित किए, जो उन कोशिकाओं को नुकसान नहीं पहुंचाते हैं जो वे घेरते हैं।
भौतिक परिवर्तन के कारण, एज़ोबेंजीन की पतली चादरें प्रकाश के संपर्क में आने पर लुढ़क जाएंगी, जिससे वे कोशिकाओं के चारों ओर लपेटने में सक्षम हो जाएंगी। शोधकर्ता प्रकाश की तीव्रता और ध्रुवीकरण के साथ-साथ उपकरणों के आकार को बदलकर रोलिंग की दिशा और व्यास को सटीक रूप से नियंत्रित कर सकते हैं।
पतली फिल्में एक माइक्रोमीटर से कम व्यास वाले छोटे सूक्ष्मनलिकाएं बना सकती हैं। यह उन्हें धीरे से, लेकिन आराम से, अत्यधिक घुमावदार अक्षतंतु और डेन्ड्राइट के चारों ओर लपेटने में सक्षम बनाता है।
सरकार बताते हैं, “रोलिंग के व्यास को बहुत सूक्ष्मता से नियंत्रित करना संभव है। यदि आप किसी विशेष आयाम तक पहुंचते हैं तो प्रकाश ऊर्जा को तदनुसार समायोजित करके आप रुक सकते हैं।”
शोधकर्ताओं ने एक ऐसी प्रक्रिया खोजने के लिए कई निर्माण तकनीकों का प्रयोग किया जो स्केलेबल थी और जिसके लिए सेमीकंडक्टर साफ कमरे के उपयोग की आवश्यकता नहीं होगी।
सूक्ष्म पहनने योग्य वस्तुएं बनाना
वे पानी में घुलनशील पदार्थ से बनी बलि की परत पर एज़ोबेंजीन की एक बूंद जमा करके शुरू करते हैं। फिर शोधकर्ता बलि की परत के ऊपर हजारों छोटे उपकरणों को ढालने के लिए पॉलिमर की बूंद पर एक मोहर दबाते हैं। स्टैम्पिंग तकनीक उन्हें आयतों से लेकर फूलों की आकृतियों तक, जटिल संरचनाएँ बनाने में सक्षम बनाती है।
बेकिंग चरण यह सुनिश्चित करता है कि सभी विलायक वाष्पित हो जाएं और फिर वे व्यक्तिगत उपकरणों के बीच बची किसी भी सामग्री को खुरचने के लिए नक़्क़ाशी का उपयोग करते हैं। अंत में, वे बलि की परत को पानी में घोल देते हैं, जिससे हजारों सूक्ष्म उपकरण तरल में स्वतंत्र रूप से तैरने लगते हैं।
एक बार जब उनके पास फ्री-फ्लोटिंग उपकरणों का समाधान हो गया, तो उन्होंने उपकरणों को रोल करने के लिए प्रेरित करने के लिए वायरलेस रूप से प्रकाश के साथ उपकरणों को सक्रिय किया। उन्होंने पाया कि मुक्त-तैरती संरचनाएँ रोशनी बंद होने के बाद भी कई दिनों तक अपना आकार बनाए रख सकती हैं।
शोधकर्ताओं ने यह सुनिश्चित करने के लिए प्रयोगों की एक श्रृंखला आयोजित की कि संपूर्ण विधि जैव-संगत है।
रोलिंग को नियंत्रित करने के लिए प्रकाश के उपयोग को पूरा करने के बाद, उन्होंने चूहे के न्यूरॉन्स पर उपकरणों का परीक्षण किया और पाया कि वे बिना किसी नुकसान के अत्यधिक घुमावदार अक्षतंतु और डेंड्राइट को भी कसकर लपेट सकते हैं।
“इन कोशिकाओं के साथ अंतरंग इंटरफेस रखने के लिए, उपकरणों को नरम होना चाहिए और इन जटिल संरचनाओं के अनुरूप होने में सक्षम होना चाहिए। यही वह चुनौती है जिसे हमने इस काम में हल किया है। हम यह दिखाने वाले पहले व्यक्ति थे कि एज़ोबेंजीन जीवित कोशिकाओं के चारों ओर भी लपेट सकता है,” वह कहती हैं। कहते हैं.
उनके सामने सबसे बड़ी चुनौतियों में से एक स्केलेबल फैब्रिकेशन प्रक्रिया विकसित करना था जिसे एक साफ कमरे के बाहर निष्पादित किया जा सके। उन्होंने उपकरणों के लिए आदर्श मोटाई पर भी विचार किया, क्योंकि उन्हें बहुत अधिक मोटा बनाने से रोल करने पर उनमें दरारें पड़ जाती हैं।
क्योंकि एज़ोबेंजीन एक इन्सुलेटर है, एक प्रत्यक्ष अनुप्रयोग क्षतिग्रस्त अक्षतंतु के लिए सिंथेटिक माइलिन के रूप में उपकरणों का उपयोग कर रहा है। माइलिन एक इन्सुलेशन परत है जो अक्षतंतु को लपेटती है और विद्युत आवेगों को न्यूरॉन्स के बीच कुशलतापूर्वक यात्रा करने की अनुमति देती है।
मल्टीपल स्केलेरोसिस जैसी गैर-माइलिनेटिंग बीमारियों में, न्यूरॉन्स कुछ इन्सुलेटिंग माइलिन शीट खो देते हैं। इन्हें पुनर्जीवित करने का कोई जैविक तरीका नहीं है। सिंथेटिक माइलिन के रूप में कार्य करके, पहनने योग्य वस्तुएं एमएस रोगियों में न्यूरोनल फ़ंक्शन को बहाल करने में मदद कर सकती हैं।
शोधकर्ताओं ने यह भी प्रदर्शित किया कि कैसे उपकरणों को ऑप्टोइलेक्ट्रिकल सामग्रियों के साथ जोड़ा जा सकता है जो कोशिकाओं को उत्तेजित कर सकते हैं। इसके अलावा, परमाणु रूप से पतली सामग्री को उपकरणों के शीर्ष पर पैटर्न किया जा सकता है, जो अभी भी बिना टूटे माइक्रोट्यूब बनाने के लिए रोल कर सकता है। इससे उपकरणों में सेंसर और सर्किट को एकीकृत करने के अवसर खुलते हैं।
इसके अलावा, क्योंकि वे कोशिकाओं के साथ इतना घनिष्ठ संबंध बनाते हैं, कोई भी उपकोशिकीय क्षेत्रों को उत्तेजित करने के लिए बहुत कम ऊर्जा का उपयोग कर सकता है। यह एक शोधकर्ता या चिकित्सक को मस्तिष्क रोगों के इलाज के लिए न्यूरॉन्स की विद्युत गतिविधि को नियंत्रित करने में सक्षम बना सकता है।
सरकार कहते हैं, “एक सेल के साथ एक कृत्रिम उपकरण के इस सहजीवन को अभूतपूर्व रिज़ॉल्यूशन पर प्रदर्शित करना रोमांचक है। हमने दिखाया है कि यह तकनीक संभव है।”
इन अनुप्रयोगों की खोज के अलावा, शोधकर्ता डिवाइस की सतहों को अणुओं के साथ कार्यात्मक बनाने का प्रयास करना चाहते हैं जो उन्हें विशिष्ट सेल प्रकारों या उपसेलुलर क्षेत्रों को लक्षित करने में सक्षम बनाएगा।
पेपर: “उपकोशिकीय न्यूरोनल संरचनाओं को लपेटने के लिए एज़ोबेंजीन पॉलिमर पतली फिल्मों का प्रकाश-प्रेरित रोलिंग”
