1. परिचय

In bone tissue engineering, bioactive ceramics (such as carbonated hydroxyapatite, cHAP) are important alternatives to autografts and allografts. cHAP is the main inorganic component of natural bone and teeth, constituting 50-70% of the mineral content. Its bioactivity is enhanced by the substitution of carbonate ions for phosphate (Type B) or hydroxyl (Type A) ions in the apatite lattice, which increases the dissolution rate and osteoconductivity compared to pure hydroxyapatite. This study focuses on combining nanocrystalline cHAP with the biodegradable polymer polylactic acid (PLA) to develop a composite material, and subsequently using direct laser writing technology to create controlled surface topography, aiming to guide cell behavior and improve implant integration.

2. सामग्री एवं विधियाँ

2.1 नैनोक्रिस्टलाइन cHAP का संश्लेषण

नैनोक्रिस्टलीय कार्बोनेटेड हाइड्रॉक्सीएपेटाइट पाउडर को गीली रासायनिक विधि द्वारा संश्लेषित किया गया। अग्रदूतों में कैल्शियम एसीटेट और डाईअमोनियम हाइड्रोजन फॉस्फेट शामिल थे। कार्बनिक योजक — पॉलीइथाइलीन ग्लाइकॉल (PEG), पॉलीविनाइल अल्कोहल (PVA), और ट्राईइथेनॉलमाइन — क्रॉस-लिंकिंग एजेंट और कॉम्प्लेक्सिंग एजेंट के रूप में कार्य करते हैं, जो कण आकृति को नियंत्रित करने और समूहन को रोकने के लिए उपयोग किए गए। बनने वाले जेल के तापीय अपघटन और cHAP के क्रिस्टलीकरण प्रक्रिया की निगरानी के लिए थर्मल विश्लेषण (TGA/DTA), मास स्पेक्ट्रोमेट्री और थर्मल डाइलेटोमेट्री का उपयोग किया गया।

2.2 PLA-cHAP कंपोजिट सामग्री का निर्माण

PLA-cHAP कम्पोजिट सामग्री को 220–235 °C के तापमान सीमा में, संश्लेषित नैनोक्रिस्टलीय cHAP पाउडर को पिघले हुए PLA पॉलिमर के साथ यांत्रिक रूप से मिलाकर तैयार किया गया। इस प्रक्रिया का उद्देश्य जैव-अपघटनीय पॉलिमर मैट्रिक्स में जैव-सक्रिय सिरामिक फिलर का समान रूप से वितरण सुनिश्चित करना था।

2.3 सतह संरचनाकरण के लिए प्रत्यक्ष लेखन लेजर तकनीक

PLA-cHAP कंपोजिट की सतह आकृति संरचनाकरण डायरेक्ट-राइट लेजर तकनीक का उपयोग करके किया गया। यह तकनीक केंद्रित लेजर बीम का उपयोग करके सामग्री की सतह को चुनिंदा रूप से अपघटित या संशोधित करती है, जिससे सटीक माइक्रोमीटर-स्केल खांचे और पैटर्न बनाए जाते हैं। परिवर्तित किए गए प्रमुख पैरामीटर में लेजर शक्ति और गति (स्कैन गति) शामिल हैं।

2.4 अभिलक्षण प्रौद्योगिकी

संश्लेषित cHAP और अंतिम मिश्रित सामग्री का अभिलक्षणीकरण निम्नलिखित तकनीकों का उपयोग करके किया गया:

  • X-ray diffraction (XRD):विश्लेषणात्मक चरण शुद्धता और क्रिस्टलीयता के लिए।
  • फूरियर ट्रांसफॉर्म इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रोस्कोपी (FT-IR):कार्बोनेट और अन्य कार्यात्मक समूहों की उपस्थिति की पुष्टि के लिए।
  • स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (SEM):कणों और समग्र सामग्रियों की आकृति, एपेटाइट वितरण और लेजर-लिखित खांचों की गुणवत्ता का मूल्यांकन करने के लिए उपयोग किया जाता है।
  • ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप:सतह की सूक्ष्म संरचना के प्रारंभिक मूल्यांकन के लिए उपयोग किया जाता है।

3. Results and Discussion

3.1 Characterization of Synthesized cHAP

XRD विश्लेषण ने शुद्ध फेज वाले नैनोक्रिस्टलीय कार्बोनेटेड हाइड्रॉक्सीएपेटाइट के निर्माण की पुष्टि की। FT-IR स्पेक्ट्रा ने फॉस्फेट ($\text{PO}_4^{3-}$) और कार्बोनेट ($\text{CO}_3^{2-}$) आयनों के विशिष्ट अवशोषण बैंड दिखाए, जो सफल टाइप-B प्रतिस्थापन को दर्शाते हैं। SEM छवियों से पता चला कि कार्बनिक योजक (PEG, PVA) ने कण आकार को प्रभावी ढंग से प्रभावित किया और समूहन को कम किया।

3.2 PLA-cHAP समग्र सामग्री के गुण

समग्र सामग्री सफलतापूर्वक तैयार की गई। SEM विश्लेषण ने PLA मैट्रिक्स में cHAP नैनोपार्टिकल्स के वितरण को प्रकट किया। वितरण की एकरूपता मिश्रण मापदंडों और cHAP सांद्रता से प्रभावित थी।

3.3 DLW प्रसंस्करण के बाद की सतह स्थलाकृति

DLW ने कंपोजिट सामग्री की सतह पर सफलतापूर्वक स्पष्ट माइक्रो-ग्रूव्स का निर्माण किया। ऑप्टिकल और SEM सूक्ष्मदर्शी अवलोकन से पता चलता है कि पैटर्न का आकार और गुणवत्ता सीधे लेजर प्रसंस्करण मापदंडों पर निर्भर करती है।

3.4 प्रक्रिया मापदंडों का प्रभाव

इस अध्ययन ने निम्नलिखित कारकों के प्रभाव का व्यवस्थित रूप से अन्वेषण किया:

  • cHAP डोपिंग सांद्रता:यह समग्र सामग्री की एकरूपता और लेजर अंतःक्रिया को प्रभावित करता है। उच्च फिलर सामग्री अब्लेशन सीमा को परिवर्तित कर सकती है।
  • लेजर शक्ति:उच्च शक्ति से गहरी और चौड़ी खांचें बनती हैं, लेकिन PLA सबस्ट्रेट को अत्यधिक तापीय क्षति पहुँचने का जोखिम रहता है।
  • गति:तेज स्कैनिंग गति उथली खांचे उत्पन्न करती है, जो विशेषता आकारों के सूक्ष्म नियंत्रण के लिए एक साधन प्रदान करती है।
अध्ययन ने एक इष्टतम पैरामीटर विंडो निर्धारित की है जो समग्र सामग्री की अखंडता को नुकसान पहुंचाए बिना स्पष्ट और सुस्पष्ट सूक्ष्म संरचना प्राप्त करने में सक्षम बनाती है।

4. मुख्य अंतर्दृष्टि

बढ़ी हुई जैव सक्रियता

शुद्ध HAP की तुलना में, B-प्रकार के कार्बोनेटेड हाइड्रॉक्सीएपेटाइट के समावेश से शारीरिक वातावरण में समग्र सामग्री की जैविक गतिविधि और अवशोषण दर में उल्लेखनीय वृद्धि होने की उम्मीद है।

प्रक्रिया सहक्रियात्मक प्रभाव

यह अध्ययन एक व्यवहार्य दो-चरण प्रक्रिया प्रदर्शित करता है: (1) अनुकूलित बायोसेरामिक पाउडर का आर्द्र रासायनिक संश्लेषण, और (2) सतह कार्यात्मकता के लिए एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग (DLW)।

पैरामीटर संवेदनशीलता

पॉलिमर-सेरामिक समग्र सामग्री पर DLW प्रसंस्करण, दोनों सामग्री संरचना (cHAP सामग्री) और लेजर पैरामीटर (शक्ति, गति) के प्रति अत्यधिक संवेदनशील है, जिसके लिए सटीक अंशांकन की आवश्यकता होती है।

5. तकनीकी विवरण एवं गणितीय सूत्र

प्रकार B कार्बोनेटेड हाइड्रॉक्सीएपेटाइट के निर्माण के लिए मुख्य रासायनिक अभिक्रिया को संकल्पनात्मक रूप से इस प्रकार व्यक्त किया जा सकता है:

$10\, \text{Ca}^{2+} + (6-y)\, \text{PO}_4^{3-} + y\, \text{CO}_3^{2-} + (2-x)\, \text{OH}^- \rightarrow \text{Ca}_{10-y}(\text{PO}_4)_{6-y}(\text{CO}_3)_y(\text{OH})_{2-x}$

जहाँ $0 \leq y \leq 2$ कार्बोनेट द्वारा फॉस्फेट के प्रतिस्थापन की डिग्री को दर्शाता है। DLW प्रक्रिया के दौरान स्थानांतरित ऊर्जा घनत्व ($E_d$) अपक्षरण गहराई निर्धारित करने वाला एक महत्वपूर्ण पैरामीटर है, जिसकी अभिव्यक्ति है:

$E_d = \frac{P}{v \cdot d}$

जहाँ $P$ लेजर शक्ति है, $v$ स्कैनिंग गति है, और $d$ बीम स्पॉट व्यास है। यह सूत्र स्कैनिंग गति और ऊर्जा निक्षेप के बीच व्युत्क्रमानुपाती संबंध को उजागर करता है।

6. Experimental Results and Chart Descriptions

चित्र 1 (पाठ्य आधारित परिकल्पना के आधार पर): संश्लेषित cHAP और मानक हाइड्रॉक्सीएपेटाइट (JCPDS 09-0432) के XRD पैटर्न की तुलना। cHAP पैटर्न चोटी चौड़ीकरण (नैनो-क्रिस्टलीय प्रकृति को दर्शाता है) और $\text{CO}_3^{2-}$ समावेशन के कारण जालक विरूपण के अनुरूप मामूली चोटी विस्थापन प्रदर्शित करता है।

चित्र 2: DLW प्रसंस्करण के बाद PLA-cHAP मिश्रित सामग्री की सतह का SEM सूक्ष्मफोटो। (A) इष्टतम लेजर शक्ति और गति पर, साफ खांचे दिखाई देते हैं जिनके किनारे स्पष्ट और समानांतर हैं। (B) लेजर शक्ति अत्यधिक होने पर, खांचे पिघले हुए किनारे और मलबा दिखाते हैं, जो PLA में ऊष्मीय क्षति का संकेत देता है। (C) cHAP सामग्री बहुत अधिक होने पर, असमान अब्लेशन के कारण खांचों की स्पष्टता अनियमित हो जाती है।

चित्र 3: लेजर ऊर्जा घनत्व ($\text{J/cm}^2$) के विरुद्ध खांचे की गहराई (µm) का ग्राफ। डेटा दर्शाता है कि एक सीमा तक पहुंचने से पहले, गहराई ऊर्जा घनत्व के साथ लगभग रैखिक रूप से बढ़ती है, जिसके बाद गहराई स्थिर हो जाती है और सतह क्षति बढ़ जाती है।

7. विश्लेषणात्मक ढांचा: केस अध्ययन

केस: लक्षित खांचा ज्यामिति के लिए DLW पैरामीटर का अनुकूलन।

उद्देश्य: PLA-10wt% cHAP कंपोजिट पर 20 µm चौड़ी और 5 µm गहरी खांचे प्राप्त करना।

फ्रेमवर्क अनुप्रयोग:

  1. सामग्री अभिलक्षण: एकल-पल्स प्रयोगों के माध्यम से समग्र सामग्री के अब्लेशन थ्रेशोल्ड का निर्धारण।
  2. पैरामीटर स्क्रीनिंग: प्रायोगिक डिजाइन पद्धति का उपयोग करते हुए, स्पॉट आकार ($d$) को स्थिर रखते हुए, लेजर पावर ($P$) और स्कैनिंग गति ($v$) को परिवर्तित किया गया।
  3. प्रतिक्रिया मापन: प्रत्येक ($P$, $v$) संयोजन के तहत खांचे की चौड़ाई और गहराई को प्रोफाइलोमीटर या SEM का उपयोग करके मापें।
  4. मॉडल फिटिंग: डेटा को एक रिस्पांस सरफेस मॉडल में फिट करें, उदाहरण के लिए: गहराई = $k_1 \cdot \frac{P}{v} + k_2$, ताकि लक्ष्य गहराई उत्पन्न करने वाले ($P$, $v$) संयोजनों का पता लगाया जा सके।
  5. सत्यापन: पूर्वानुमानित इष्टतम पैरामीटर चलाएं, और खांचे के आयाम एवं गुणवत्ता का सत्यापन करें।
यह व्यवस्थित ढांचा, हालांकि कोड शामिल नहीं करता, नई बायोमटीरियल लेजर सतह इंजीनियरिंग के लिए प्रक्रिया अनुकूलन की एक प्रतिलिपि योग्य पद्धति प्रदान करता है।

8. मौलिक विश्लेषण: मुख्य अंतर्दृष्टि, तार्किक क्रम, शक्तियाँ एवं कमियाँ, व्यावहारिक सुझाव

मुख्य अंतर्दृष्टि: यह कार्य केवल एक और हड्डी प्रत्यारोपण समग्र सामग्री बनाने के बारे में नहीं है; यह एक रणनीतिक पहल है जिसका उद्देश्य पाटना हैबल्क सामग्री गुण与सतह-मध्यस्थ जैविक प्रतिक्रियाके बीच की खाई। वास्तविक नवाचार DLW को एक पोस्ट-प्रोसेसिंग टूल के रूप में उपयोग करने में निहित है, जो बायोडिग्रेडेबल, बायोएक्टिव कम्पोजिट सामग्रियों पर नियंत्रित, कोशिका-मार्गदर्शक टोपोग्राफी लागू करता है। यह निष्क्रिय बायोकम्पेटिबिलिटी से आगे बढ़कर सक्रिय ऊतक पुनर्जनन मार्गदर्शन की ओर जाता है, एक अवधारणा जो तेजी से महत्व प्राप्त कर रही है, जैसा कि ग्राफीन ऑक्साइड-पॉलिमर कम्पोजिट्स के तंत्रिका इंटरफेस अनुप्रयोगों के अध्ययनों में देखा गया है (Nature Reviews Materials, 2021)।

तार्किक संरचना: 逻辑清晰且具有递进性：1）合成一种更优的生物陶瓷（cHAP > HAP）。2）将其整合到一种成熟的可生物降解基体（PLA）中。3）使用先进制造技术（DLW）增加关键的表面功能。每一步都建立在前一步的基础上，旨在获得一种具有增强骨传导性、可控降解性和形貌引导功能的最终产品。

लाभ और सीमाएँ:

  • लाभ: पाउडर संश्लेषण से लेकर सतह इंजीनियरिंग तक की समग्र पद्धति प्रशंसनीय है। cHAP के आकारिकी को नियंत्रित करने के लिए कार्बनिक योजकों का उपयोग सॉल-जेल रसायन विज्ञान से उधार ली गई एक सरल और स्केलेबल रणनीति है।
  • मुख्य कमियाँ: यह शोध पत्र एक हैप्रसंस्करण和अभिलक्षणनअध्ययन किया गया, लेकिन कोई जैविक डेटा प्रदान नहीं किया गया। बिना किसी इन विट्रो सेल परीक्षण (जैसे, ऑस्टियोब्लास्ट-जैसी MG-63 कोशिकाओं का उपयोग करके) के "संभावित जैव चिकित्सा अनुप्रयोगों" का दावा करना स्पष्ट रूप से अतिशयोक्तिपूर्ण है। यह एक नया इंजन डिजाइन करने जैसा है लेकिन इसे कभी चालू नहीं करना। जैसा कि टाइटेनियम सतह पैटर्निंग पर अग्रणी कार्य (जैसे, गोथेनबर्ग विश्वविद्यालय के शोध) द्वारा स्थापित किया गया है, इस क्षेत्र को स्थलाकृति और कोशिका आसंजन/प्रसार के बीच संबंध स्थापित करने की आवश्यकता होती है।
  • तकनीकी कमियाँ: 220–235°C पर PLA और cHAP का यांत्रिक मिश्रण, PLA के थर्मल अपघटन का जोखिम पैदा करता है, जो इसके आणविक भार और यांत्रिक गुणों को हानि पहुंचा सकता है - यह भार-वहन करने वाले प्रत्यारोपण के लिए एक महत्वपूर्ण कारक है। इसका उल्लेख नहीं किया गया है।
व्यावहारिक सुझाव:
  1. तत्काल अगला कदम: लेखकों को इन विट्रो जैविक प्रयोग करने होंगे। एक सरल प्रयोग, जैसे कोशिकाओं को संरचित बनाम असंरचित सतहों पर बोना, मुख्य परिकल्पना को सत्यापित करेगा और पेपर के प्रभाव को काफी बढ़ाएगा।
  2. सामग्री अनुकूलन: बेहतर cHAP फैलाव और PLA के तापीय इतिहास को न्यूनतम करने के लिए कंपोजिट सामग्री तैयार करने हेतु ट्विन-स्क्रू एक्सट्रूडर के उपयोग का अन्वेषण।
  3. तकनीकी लीवर: एकीकृत सिमुलेशन। DLW प्रक्रिया के दौरान लेजर-पदार्थ अंतःक्रिया और तापीय प्रतिबल क्षेत्रों का अनुकरण करने के लिए परिमित तत्व विश्लेषण (जैसे ANSYS या COMSOL) का उपयोग, ताकि तापीय क्षति क्षेत्रों का पूर्वानुमान और परिहार किया जा सके।
संक्षेप में, यह अगली पीढ़ी के बायोमटेरियल प्लेटफॉर्म के लिए एक तकनीकी रूप से ठोस आधार रखता है। हालांकि, इसकी जैविक प्रभावकारिता साबित होने से पहले, यह अभी भी एक अधूरा प्रोटोटाइप है। शैक्षणिक समुदाय को इसे एक आशाजनक पद्धति संबंधी शोध पत्र के रूप में देखना चाहिए, न कि निर्णायक अनुप्रयोगात्मक शोध के रूप में।

9. भविष्य के अनुप्रयोग और विकास की दिशाएँ

  • Patient-specific implants: PLA-cHAP कंपोजिट को 3D प्रिंटिंग (जैसे, फ्यूज्ड डिपोजिशन मॉडलिंग) के साथ मैक्रोस्कोपिक आकार निर्माण के लिए संयोजित करना, और फिर माइक्रो-सतह पैटर्निंग के लिए DLW का उपयोग करना, जिससे पूरी तरह से अनुकूलित हड्डी प्रत्यारोपण प्राप्त होता है।
  • दवा नियंत्रित रिलीज संरचना: माइक्रो-ग्रूव्स विकास कारकों (जैसे BMP-2) या एंटीबायोटिक्स के स्थानीय वितरण के लिए रिजर्वायर के रूप में कार्य कर सकते हैं, जिससे बहु-कार्यात्मक प्रत्यारोपण बनते हैं।
  • ग्रेडिएंट इंटरफेस: DLW का उपयोग करके सतह गुणों में ग्रेडिएंट (जैसे, पूरी सतह पर खांचे की घनत्व या गहराई बदलकर) बनाना, ताकि हड्डी-उपास्थि इंटरफेस पर विभिन्न प्रकार की कोशिकाओं को विभेदित रूप से निर्देशित किया जा सके।
  • ऑर्थोपेडिक क्षेत्र से परे: इस समग्र और संरचनात्मक दृष्टिकोण को दंत प्रत्यारोपण में लागू करना, यहां तक कि उन्नत इन विट्रो ऊतक मॉडल के लिए संरचनात्मक स्कैफोल्ड के रूप में भी उपयोग करना।
  • इंटेलिजेंट मशीनिंग: वास्तविक समय गुणवत्ता नियंत्रण और अनुकूली पैरामीटर समायोजन को सक्षम करने के लिए DLW प्रक्रिया में इन-सीटू मॉनिटरिंग (उदाहरण के लिए, ऑप्टिकल कोहेरेंस टोमोग्राफी) को एकीकृत करना।

10. संदर्भ सूची

  1. LeGeros, R. Z. (2008). कैल्शियम फॉस्फेट-आधारित ऑस्टियोइंडक्टिव सामग्री। Chemical Reviews, 108(11), 4742-4753.
  2. Fleet, M. E. (2015). कार्बोनेटेड हाइड्रॉक्सीएपेटाइट: सामग्री, संश्लेषण और अनुप्रयोग। CRC Press.
  3. Barralet, J., et al. (2000). Effect of carbonate content on the sintering of hydroxyapatite. Journal of Materials Science: Materials in Medicine, 11(11), 719-724.
  4. Landi, E., et al. (2003). Carbonated hydroxyapatite as bone substitute. Journal of the European Ceramic Society, 23(15), 2931-2937.
  5. Malinauskas, M., et al. (2016). फोटोपॉलिमर का अल्ट्राफास्ट लेजर नैनोस्ट्रक्चरिंग: एक दशक की प्रगति। Physics Reports, 533(1), 1-31.
  6. Bose, S., et al. (2012). 3D प्रिंटिंग का उपयोग कर हड्डी ऊतक इंजीनियरिंग। Materials Today, 15(12), 496-504.
  7. Hutmacher, D. W. (2000). Scaffolds in tissue engineering bone and cartilage. Biomaterials, 21(24), 2529-2543.
  8. वेब स्रोत: नेशनल इंस्टीट्यूट ऑफ बायोमेडिकल इमेजिंग एंड बायोइंजीनियरिंग (NIBIB)। "टिशू इंजीनियरिंग एंड रिजेनरेटिव मेडिसिन।" https://www.nibib.nih.gov/science-education/science-topics/tissue-engineering-and-regenerative-medicine