मूंगफली की भूसी-पीएलए समग्र से एंटीमाइक्रोबियल 3डी प्रिंटिंग फिलामेंट का विकास एवं विश्लेषण

विषय सूची

1. परिचय एवं अवलोकन

यह शोध पॉलीलैक्टिक एसिड (पीएलए) पॉलिमर मैट्रिक्स में मूंगफली की भूसी पाउडर (अरेचिस हाइपोगिया एल. कण - एएचएल) को सम्मिलित करके एक नवीन 3डी प्रिंटिंग फिलामेंट के विकास को प्रस्तुत करता है। प्राथमिक उद्देश्य एक सतत समग्र पदार्थ का निर्माण करना है जो मूंगफली की भूसी बायोमास की प्रचुरता का लाभ उठाकर मानक पीएलए फिलामेंट को विशिष्ट गुण प्रदान करता है। इस समग्र का लक्ष्य फिलामेंट के यांत्रिक प्रोफाइल, विशेष रूप से इसके प्रत्यास्थता मापांक को बढ़ाना है, साथ ही साथ अंतर्निहित एंटीमाइक्रोबियल विशेषताएँ प्रदान करना है—एक ऐसी विशेषता जो शुद्ध पीएलए में नहीं पाई जाती। यह कार्य योगात्मक निर्माण में उन पदार्थों की बढ़ती मांग को संबोधित करता है जो न केवल उच्च प्रदर्शन करने वाले और फ्यूज्ड फिलामेंट फैब्रिकेशन (एफएफएफ) के माध्यम से प्रिंट करने योग्य हैं, बल्कि जैवचिकित्सा उपकरणों, खाद्य-सुरक्षित पैकेजिंग और अन्य स्वच्छता-क्रांतिक क्षेत्रों में अनुप्रयोगों के लिए पर्यावरण-सचेत और कार्यात्मक रूप से उन्नत भी हैं।

2. कार्यप्रणाली एवं पदार्थ संश्लेषण

2.1 अरेचिस हाइपोगिया एल. (एएचएल) कणों का निर्माण

मूंगफली की भूसी प्राप्त की गई, साफ की गई और नमी हटाने के लिए सुखाई गई। फिर उन्हें यांत्रिक रूप से पीसकर छलनी किया गया ताकि एक समान कण आकार वितरण प्राप्त हो सके, जो पॉलिमर पिघलाव के भीतर एकसमान फैलाव के लिए महत्वपूर्ण है। पीएलए मैट्रिक्स के साथ अंतरापृष्ठीय आसंजन में सुधार के लिए पाउडर को संभावित रूप से उपचारित किया गया (जैसे, क्षार या सिलेन उपचार के माध्यम से), हालांकि पीडीएफ इसे एक भविष्य के अनुकूलन चरण के रूप में सुझाता है।

2.2 समग्र फिलामेंट निर्माण प्रक्रिया

पीएलए पेलेट्स और एएचएल पाउडर को पूर्वनिर्धारित द्रव्यमान अंशों (जैसे, 1%, 3%, 5% wt.) पर शुष्क-मिश्रित किया गया। फिर मिश्रण को पिघलाव संयोजन के लिए एक ट्विन-स्क्रू एक्सट्रूडर में डाला गया। प्रक्रिया पैरामीटर—तापमान प्रोफाइल, स्क्रू गति, और निवास समय—को पीएलए के उचित पिघलने और एएचएल कणों के ऊष्मीय अपघटन के बिना सजातीय फैलाव सुनिश्चित करने के लिए अनुकूलित किया गया। संयोजित पदार्थ को बाद में पेलेटाइज्ड किया गया और फिर 1.75 ± 0.05 मिमी व्यास वाली फिलामेंट का उत्पादन करने के लिए एक सिंगल-स्क्रू फिलामेंट एक्सट्रूडर के माध्यम से पुनः एक्सट्रूड किया गया, जो मानक एफएफएफ 3डी प्रिंटर के लिए उपयुक्त है।

3. पदार्थ अभिलक्षण एवं परिणाम

3.1 यांत्रिक गुणों का विश्लेषण

शुद्ध पीएलए और पीएलए-एएचएल समग्र फिलामेंट दोनों पर एएसटीएम डी638 के अनुसार तन्यता परीक्षण किए गए। परिणामों ने एक प्रमुख समझौता दर्शाया:

• प्रत्यास्थता मापांक वृद्धि: एएचएल कणों का समावेश एक प्रबलन के रूप में कार्य करता है, जिससे समग्र की कठोरता (प्रत्यास्थता मापांक) बढ़ जाती है। इसे ऊपरी सीमा के लिए मिश्रण के नियम द्वारा संकल्पनात्मक रूप से मॉडल किया जा सकता है: $E_c = V_f E_f + V_m E_m$, जहाँ $E_c$, $E_f$, और $E_m$ क्रमशः समग्र, भराव और मैट्रिक्स के मापांक हैं, और $V$ आयतन अंशों का प्रतिनिधित्व करता है।
• भंग कर्षण कमी: एएचएल द्रव्यमान अंश में वृद्धि के साथ, भंग कर्षण और अंतिम तन्य शक्ति में मामूली कमी देखी गई। इसे कण-मैट्रिक्स अंतरापृष्ठ के आसपास सूक्ष्म रिक्तियों और प्रतिबल संकेंद्रण बिंदुओं की शुरूआत के लिए जिम्मेदार ठहराया जाता है, जिससे पदार्थ अधिक भंगुर हो जाता है। भंगुर भंग के लिए ग्रिफ़िथ मानदंड, $\sigma_f = \sqrt{\frac{2E\gamma}{\pi a}}$, इस बात पर प्रकाश डालता है कि दोष (आकार $a$) भंग प्रतिबल ($\sigma_f$) को कैसे कम करते हैं।

3.2 भौतिक एवं आकृतिक गुण

भंग सतहों की स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (एसईएम) विश्लेषण ने समग्र में एक खुरदरी बनावट और सूक्ष्म रिक्तियों की उपस्थिति को प्रकट किया, जो कम कर्षण के साथ सहसंबद्ध है। सरंध्रता, पिघल प्रवाह सूचकांक (एमएफआई), और सतह गीलापन (संपर्क कोण) के मापन किए गए। एएचएल जोड़ने के साथ एमएफआई में कमी आई, जो उच्च पिघल श्यानता को दर्शाता है, जो प्रिंट करने की क्षमता को प्रभावित करता है। सतह खुरदरापन बढ़ गया, जो जैवचिकित्सा संदर्भों में कुछ कोशिका आसंजन के लिए लाभकारी हो सकता है लेकिन चिकनी सतह परिष्करण प्राप्त करने के लिए हानिकारक हो सकता है।

3.3 एंटीमाइक्रोबियल प्रभावकारिता मूल्यांकन

एंटीमाइक्रोबियल गुणों का मूल्यांकन सामान्य ग्राम-पॉजिटिव और ग्राम-नेगेटिव बैक्टीरिया (जैसे, ई. कोलाई, एस. ऑरियस) के खिलाफ निरोध क्षेत्र परीक्षण या प्रत्यक्ष संपर्क परखों का उपयोग करके किया गया। पीएलए-एएचएल फिलामेंट से बने 3डी-प्रिंटेड नमूनों ने एक स्पष्ट निरोधी प्रभाव प्रदर्शित किया, जिससे पुष्टि हुई कि मूंगफली की भूसी के भीतर बायोएक्टिव यौगिक (संभवतः फेनोलिक्स या अन्य द्वितीयक उपापचय) 3डी प्रिंटिंग के ऊष्मीय प्रसंस्करण के बाद भी सक्रिय रहे। यह एक महत्वपूर्ण खोज है, क्योंकि कई प्राकृतिक योजक उच्च-तापमान प्रसंस्करण के दौरान अपनी कार्यक्षमता खो देते हैं।

4. तकनीकी विश्लेषण एवं रूपरेखा

4.1 मूल अंतर्दृष्टि

यह केवल एक और "हरित" समग्र नहीं है; यह एक रणनीतिक पदार्थ पुनः अभियांत्रिकी है जो सफलतापूर्वक एक सीमांत, अक्सर अति-निर्दिष्ट गुण (स्थैतिक अनुप्रयोगों में अंतिम तन्य शक्ति) का दो उच्च-मूल्य, बाजार-विभेदक विशेषताओं के लिए व्यापार करता है: बढ़ी हुई कठोरता और अंतर्निर्मित एंटीमाइक्रोबियल गतिविधि। यह शोध कार्यक्षमता जोड़ने के लिए एक अल्प-उपयोगित, शून्य-लागत कृषि अपशिष्ट धारा का चतुराई से दोहन करता है, सामान्य स्थिरता की कथा से परे जाकर प्रदर्शन वृद्धि की ओर बढ़ता है। सादे पीएलए और एबीएस से संतृप्त बाजार में, यह एक स्पष्ट विशिष्ट स्थान बनाता है।

4.2 तार्किक प्रवाह

अध्ययन का तर्क औद्योगिक रूप से ठोस है: 1) संदिग्ध बायोएक्टिव गुणों वाले एक अपशिष्ट बायोमास की पहचान करें (मूंगफली की भूसी)। 2) इसकी दोहरी भूमिका एक यांत्रिक प्रबलन और कार्यात्मक एजेंट के रूप में परिकल्पना करें। 3) समग्र बनाने के लिए मानक पॉलिमर संयोजन और फिलामेंट एक्सट्रूज़न—एक स्केलेबल, कम-पूंजीगत व्यय प्रक्रिया—का उपयोग करें। 4) यांत्रिक, भौतिक और जैविक गुणों का परीक्षण करके परिकल्पना का व्यवस्थित रूप से सत्यापन करें। यह प्रवाह लकड़ी-पीएलए या कार्बन फाइबर-पीएलए पर कार्यों में देखे गए स्थापित समग्र विकास प्रोटोकॉल को दर्पण करता है, लेकिन जैव-कार्यक्षमता की ओर एक जानबूझकर मोड़ के साथ। एफएफएफ का उपयोग करने का निर्णय, सबसे सुलभ योगात्मक निर्माण तकनीक, संभावित व्यावसायीकरण के लिए एक उत्कृष्ट चाल है।

4.3 सामर्थ्य एवं कमियाँ

सामर्थ्य: पदार्थ की अद्वितीय बिक्री प्रस्ताव (यूएसपी) निर्विवाद है: एक ही, सस्ते भराव से एक साथ कठोरता सुधार और एंटीमाइक्रोबियल क्रिया। प्रक्रिया स्केलेबल है और मौजूदा निर्माण अवसंरचना के साथ संगत है। मैट्रिक्स के रूप में पीएलए का उपयोग यह सुनिश्चित करता है कि आधार पदार्थ जैवअपघटनीय और नवीकरणीय संसाधनों से बना रहे, जो ईएसजी-केंद्रित निवेशकों और उपभोक्ताओं को आकर्षित करता है।

कमियाँ: कर्षण का समझौता एक वास्तविक अभियांत्रिकी सीमा है। सूक्ष्म रिक्तियों और सतह खुरदरापन में रिपोर्ट की गई वृद्धि अपर्याप्त अंतरापृष्ठीय बंधन और संभावित कण समूहन का सुझाव देती है—कणिका समग्रों में शास्त्रीय समस्याएं। प्रस्तुत अध्ययन में, संभवतः दीर्घकालिक स्थिरता डेटा का अभाव है: क्या एंटीमाइक्रोबियल यौगिक रिसते हैं? क्या पदार्थ का प्रदर्शन आर्द्रता या यूवी एक्सपोजर के साथ क्षीण होता है? इसके अलावा, एंटीमाइक्रोबियल तंत्र का संकेत दिया गया है लेकिन गहराई से स्पष्ट नहीं किया गया है; क्या यह संपर्क-आधारित है या रिसाव के माध्यम से? चिकित्सा उपकरणों में विनियामक अनुमोदन के लिए यह अस्पष्टता महत्वपूर्ण है।

4.4 क्रियान्वयन योग्य अंतर्दृष्टि

आरएंडडी टीमों के लिए: तत्काल अगला कदम अंतरापृष्ठ अभियांत्रिकी है। आसंजन में सुधार करने, रिक्ति निर्माण को कम करने और संभावित रूप से कर्षण हानि को कम करने के लिए एएचएल कणों पर सतह उपचार (सिलेन्स, मेलिक एनहाइड्राइड ग्राफ्टेड पीएलए) लागू करें। संकर भराव प्रणालियों का अन्वेषण करें—एएचएल को नैनो-सेल्यूलोज या इलास्टोमर्स की थोड़ी मात्रा के साथ मिलाकर—एक अधिक संतुलित गुण प्रोफाइल बनाने के लिए।

उत्पाद प्रबंधकों के लिए: ऐसे अनुप्रयोगों को लक्षित करें जहाँ कठोरता और संक्रमण नियंत्रण सर्वोपरि हों, और सतह परिष्करण गौण हो। विचार करें: कस्टम आर्थोपेडिक ब्रेसिज़, अस्पताल उपकरण हैंडल, प्रोस्थेटिक लाइनर्स, या खाद्य प्रसंस्करण उपकरण घटक। उच्च प्रभाव प्रतिरोध या प्रकाशीय स्पष्टता की आवश्यकता वाले अनुप्रयोगों से बचें।

निवेशकों के लिए: यह एक प्लेटफॉर्म तकनीक है। मूल अवधारणा—पॉलिमर में कार्यात्मक कृषि अपशिष्ट का उपयोग करना—विस्तारित की जा सकती है। अगले फंडिंग राउंड को पायलट-स्केल उत्पादन, आईएसओ मानक यांत्रिक/जैविक परीक्षण, और क्लास I चिकित्सा उपकरणों के लिए एफडीए/सीई विनियामक संवाद शुरू करने पर ध्यान केंद्रित करना चाहिए।

5. भविष्य के अनुप्रयोग एवं विकास दिशाएँ

पीएलए-एएचएल फिलामेंट के लिए संभावित अनुप्रयोग महत्वपूर्ण हैं, विशेष रूप से स्वच्छता और स्थिरता की मांग करने वाले क्षेत्रों में:

• जैवचिकित्सा उपकरण: कस्टम, रोगी-विशिष्ट शल्य चिकित्सा मार्गदर्शक, गैर-प्रत्यारोपण योग्य कृत्रिम अंग, या अस्पताल उपकरण घटकों को प्रिंट करना जो सूक्ष्मजीवी बसाव का प्रतिरोध करते हैं।
• खाद्य पैकेजिंग एवं हैंडलिंग: जैवअपघटनीय, एंटीमाइक्रोबियल कंटेनर, बर्तन, या खाद्य प्रसंस्करण मशीनरी के लिए कस्टम ग्रिप बनाना।
• उपभोक्ता वस्तुएँ: खिलौने, रसोई के बर्तन, या व्यक्तिगत देखभाल वस्तुओं के हैंडल जहाँ एंटीमाइक्रोबियल गुण मूल्य जोड़ते हैं।
• भविष्य के शोध दिशाएँ:
  1. अंतरापृष्ठीय बंधन को बढ़ाने और कर्षण में सुधार करने के लिए कण सतह उपचार को अनुकूलित करें।
  2. एंटीमाइक्रोबियल यौगिकों की दीर्घकालिक स्थिरता और रिसाव प्रोफाइल की जाँच करें।
  3. अन्य कार्यात्मक भरावों के साथ एएचएल की सहक्रिया का अन्वेषण करें (जैसे, शक्ति के लिए सेल्यूलोज नैनोक्रिस्टल, बढ़े हुए जीवाणुनाशक प्रभाव के लिए तांबे के कण)।
  4. बहु-पदार्थ 3डी प्रिंटिंग रणनीतियाँ विकसित करें जहाँ केवल सतह परत में एएचएल समग्र होता है, लागत और प्रदर्शन दक्षता के लिए।
  5. पारंपरिक एंटीमाइक्रोबियल प्लास्टिक की तुलना में पर्यावरणीय लाभों को मात्रात्मक रूप से निर्धारित करने के लिए पूर्ण जीवन-चक्र मूल्यांकन (एलसीए) आयोजित करें।

6. संदर्भ

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