जैवपदार्थ व ऊतक अभियांत्रिकी: पदार्थ वर्ग, प्रत्यारोपण विशेषताएँ, अभिलक्षणन, स्कैफ़ोल्ड व अभियांत्रिक अंग

GATE जैव-चिकित्सा अभियांत्रिकी (BM) पेपर का खंड 10, जैवपदार्थ व ऊतक अभियांत्रिकी, और उसका अंतिम खंड। यह पाँच पदार्थ वर्गों — धात्विक, सिरैमिक, बहुलकी, कार्बन-आधारित व संयुक्त — के मूल गुण; प्रत्यारोपणों की मूल विशेषताएँ — जैवसंगतता, जैवसक्रियता व जैवनिम्नीकरणीयता; ऊतक अभियांत्रिकी के मूल; तीन अभिलक्षणन तकनीकें — परमाणु बल सूक्ष्मदर्शिकी, इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शिकी व फुरिये-रूपांतर अवरक्त स्पेक्ट्रमिकी; तीन स्कैफ़ोल्ड-निर्माण तकनीकें — विद्युत्-कताई, 3D मुद्रण व जैव-मुद्रण; तथा कृत्रिम अंग, ऑर्गनॉइड व ऑर्गन-ऑन-चिप युक्तियाँ नामित करता है। अध्याय इन्हें उसी क्रम में, पदार्थ वर्गों व सिद्धांतों के स्तर पर लेता है: प्रत्येक वर्ग किसमें अच्छा व किसमें दुर्बल है, शरीर प्रत्यारोपण पर कैसी अनुक्रिया करता है, प्रत्येक उपकरण अपना संकेत कैसे बनाता है, और कोशिकाओं को वहन करने हेतु स्कैफ़ोल्ड कैसे बनाया जाता है।

1. जैवपदार्थ के पाँच वर्ग

प्रत्येक वर्ग के मूल गुण
वर्गसामान्य पदार्थगुणदुर्बलताएँउपयोग
धात्विक316L स्टेनलेस स्टील, कोबाल्ट–क्रोमियम मिश्रधातुएँ, टाइटेनियम व Ti-6Al-4V, नाइटिनॉल (Ni–Ti)उच्च सामर्थ्य, कठोरता व श्रांति प्रतिरोध; निष्क्रिय ऑक्साइड परत (Cr₂O₃, TiO₂) संक्षारण रोकती हैअस्थि से कहीं अधिक दृढ़ (टाइटेनियम लगभग 110 GPa, स्टील व Co–Cr लगभग 200 GPa या अधिक), संक्षारण व आयन मोचन, प्रतिबिंबन विरूपणसंधि प्रतिस्थापन, अस्थि पट्टिकाएँ व पेंच, दंत प्रत्यारोपण, स्टेंट (आकार स्मृति व अतिप्रत्यास्थता हेतु नाइटिनॉल)
सिरैमिकजैव-निष्क्रिय ऐलुमिना व ज़िर्कोनिया; जैवसक्रिय हाइड्रॉक्सीऐपटाइट व जैवसक्रिय काँच (45S5); पुनरवशोष्य ट्राइकैल्शियम फ़ॉस्फ़ेटकठोर, घिसाव-प्रतिरोधी, उच्च संपीडी सामर्थ्य, रासायनिक रूप से स्थिर या अस्थि-बंधकभंगुर, निम्न तनन सामर्थ्य व विभंग कठोरताऊर्विका शीर्ष, अस्थि-निरोप विकल्प, धातु प्रत्यारोपणों पर लेपन, दंत पुनर्स्थापन
बहुलकीUHMWPE, PMMA, सिलिकॉन, PTFE व प्रसारित PTFE, पॉलियूरेथेन, PEEK, हाइड्रोजेल; निम्नीकरणीय PLA, PGA, PLGA, PCLसहज आकार्य, समायोज्य दृढ़ता व निम्नीकरण, निम्न घनत्वनिम्न सामर्थ्य व दृढ़ता, विसर्पण, घिसाव मलबा, निक्षालनीय योज्यश्रोणि-उलूखल अस्तर (UHMWPE), अस्थि सीमेंट व अंतर्नेत्र लेंस (PMMA), संवहनी निरोप (ePTFE), टाँके व स्कैफ़ोल्ड (PLA, PGA)
कार्बन-आधारितताप-अपघटित कार्बन, कार्बन तंतु, हीरक-सदृश कार्बन लेपन, ग्रैफ़ीन व कार्बन नैनोनलिकाएँअच्छी रक्त संगतता (ताप-अपघटित कार्बन), घिसाव प्रतिरोध, सामर्थ्य, नैनोकार्बनों की विद्युत चालकताभंगुरता; नैनोकणों के दीर्घकालिक प्रभाव अनिश्चितयांत्रिक हृद्-कपाट पत्रक, घिसाव-प्रतिरोधी लेपन, स्कैफ़ोल्ड में चालक व प्रबलक प्रावस्थाएँ
संयुक्तकार्बन-तंतु-प्रबलित PEEK, हाइड्रॉक्सीऐपटाइट–बहुलक संयुक्त, दंत राल संयुक्तप्रावस्थाओं के बीच गुण अनुकूलित; अस्थि की दृढ़ता से मेल खा सकते हैंअंतरापृष्ठ विबंधन, विषमदैशिकताकम प्रतिबल परिरक्षण वाले भार-वाही प्रत्यारोपण, भराव

संयुक्त पदार्थ की दृढ़ता मिश्रण के दो नियमों से परिबद्ध है। संरेखित तंतुओं के अनुदिश भारित होने पर प्रावस्थाएँ विकृति बाँटती हैं (समविकृति) और E_c = V_f E_f + V_m E_m, ऊपरी सीमा; उनके आर-पार भारित होने पर वे प्रतिबल बाँटती हैं (समप्रतिबल) और 1/E_c = V_f/E_f + V_m/E_m, निचली सीमा। दोनों के बीच का बड़ा अंतर ही कारण है कि तंतु संयुक्त अत्यधिक विषमदैशिक हैं, और कि संयुक्त प्रत्यारोपण अस्थि के अक्ष के अनुदिश दृढ़ व उसके आर-पार अनुवर्ती अभिकल्पित किया जा सकता है।

2. प्रत्यारोपण विशेषताएँ: जैवसंगतता, जैवसक्रियता व जैवनिम्नीकरणीयता

जैवसंगतता किसी पदार्थ की विशिष्ट अनुप्रयोग में उपयुक्त पोषी अनुक्रिया के साथ कार्य करने की क्षमता है — पदार्थ का उसके उपयोग में गुण, केवल पदार्थ का नहीं: कैथेटर के रूप में उत्कृष्ट बहुलक संवहनी निरोप के रूप में विफल हो सकता है। पोषी अनुक्रिया सेकंडों में आरंभ होती है जब प्रोटीन सतह पर अधिशोषित होते हैं (और समय के साथ विनिमित होते हैं, व्रोमन प्रभाव), फिर तीव्र व दीर्घकालिक शोथ, बृहत्भक्षकों व बाह्य-पिंड विशाल कोशिकाओं से होकर चलती है, और प्रायः प्रत्यारोपण के तंतुमय संपुट से घिरने पर समाप्त होती है। रक्त-संपर्की पदार्थों को घनास्रता व रक्तलयन से भी बचना होता है।

ऊतक–प्रत्यारोपण अन्योन्यक्रिया के चार प्रकार
व्यवहारक्या होता हैउदाहरण
जैव-निष्क्रियन्यूनतम अन्योन्यक्रिया; पतला तंतुमय संपुट बनता हैऐलुमिना, ज़िर्कोनिया, टाइटेनियम
जैवसक्रियअस्थि-सदृश ऐपटाइट की सतही परत बनकर अस्थि से रासायनिक बंधन करती हैहाइड्रॉक्सीऐपटाइट, 45S5 जैवसक्रिय काँच
जैव-पुनरवशोष्यपदार्थ घुलकर या निम्नीकृत होकर क्रमशः ऊतक से प्रतिस्थापित होता हैट्राइकैल्शियम फ़ॉस्फ़ेट, PLA, PGA
विषाक्तआसपास का ऊतक मरता हैकोशिका-विषी आयन या एकलक मुक्त करने वाले पदार्थ

जैवनिम्नीकरणीयता। PLA, PGA व उनके सहबहुलक PLGA जैसे पॉलिएस्टर एस्टर बंधों के जलअपघटन से लैक्टिक व ग्लाइकोलिक अम्ल में निम्नीकृत होते हैं, जिन्हें शरीर उपापचयित करता है। PGA, PLA से अधिक जलरागी है और सप्ताहों में सामर्थ्य खोता है, PLA महीनों से वर्षों में, PCL और भी धीरे; सहबहुलक अनुपात दर समायोजित करता है। स्थूल अपरदन में जल बंधों के टूटने से तीव्र पैठता है, अतः पूरी युक्ति एक साथ आणविक भार खोती है और द्रव्यमान देर से व अचानक (PLA व PGA में सामान्य); सतही अपरदन में बंध जल के पैठने से तीव्र टूटते हैं, अतः युक्ति साबुन की टिकिया की भाँति बाहर से पतली होती है (पॉलिऐनहाइड्राइड में सामान्य), जो स्थिर औषधि मोचन हेतु उपयुक्त है। अम्लीय निम्नीकरण उत्पाद स्थूल-अपरदी युक्ति के भीतर संचित होकर उसे त्वरित कर सकते हैं। धातुएँ इसके स्थान पर विद्युत-रासायनिक रूप से संक्षारित होती हैं, और उनके घिसाव कण संधि प्रतिस्थापनों के चारों ओर शोथ व अस्थि-क्षय (ऑस्टियोलाइसिस) उत्तेजित करते हैं।

⚠️ प्रतिबल परिरक्षण दृढ़ता की समस्या है, सामर्थ्य की नहीं
टाइटेनियम तना ऊर्विका हेतु बहुत प्रबल नहीं; बहुत दृढ़ है। अधिकांश भार वहन करते हुए यह आसपास की अस्थि को अल्प-विकृत छोड़ता है, और वुल्फ़ नियम से वह अस्थि पुनरवशोषित होती है और प्रत्यारोपण ढीला पड़ता है। निम्न-मापांक मिश्रधातुएँ, सरंध्र धातुएँ व संयुक्त पदार्थ मापांक असमानता पर प्रहार करते हैं, सामर्थ्य पर नहीं।

3. अभिलक्षणन: AFM, इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शिकी व FTIR

परमाणु बल सूक्ष्मदर्शिकी (AFM) लचीली कैंटिलीवर पर एक तीक्ष्ण नोक को सतह पर प्रसर्पित करती है; कैंटिलीवर के पृष्ठ से स्थिति-संवेदी फ़ोटोडायोड पर परावर्तित लेज़र उसका विक्षेप मापता है, और पुनर्निवेश पाश अन्योन्यक्रिया स्थिर रखने हेतु दाबविद्युत प्रसर्पक चलाता है, नैनोमीटर विभेदन से स्थलाकृति अंकित करते हुए। बल हुक नियम F = kx का पालन करता है, k कैंटिलीवर स्प्रिंग नियतांक है। संपर्क विधा नोक को सतह पर घसीटती है; टैपिंग (आंतरायिक-संपर्क) विधा उसे अनुनाद के निकट दोलित करती है ताकि वह केवल संक्षेप में छुए, जो मृदु जैविक प्रतिदर्शों को फटने से बचाती है; असंपर्क विधा ठीक ऊपर से आकर्षी बल संवेदित करती है। AFM वायु या द्रव में अचालक प्रतिदर्शों पर कार्य करती है, और बल–दूरी वक्र (नैनो-अंतर्वेधन) स्थानीय दृढ़ता व आसंजन देते हैं।

इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शिकी इलेक्ट्रॉन किरणपुंज प्रयोग करती है, जिसकी तरंगदैर्ध्य प्रकाश से कहीं छोटी है, अतः विभेदन नैनोमीटर तक पहुँचता है। क्रमवीक्षण इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी (SEM) निर्वात में फ़ोकसित किरणपुंज को सतह पर प्रसर्पित करता है: द्वितीयक इलेक्ट्रॉन बड़ी क्षेत्र-गहराई सहित स्थलाकृतिक प्रतिबिंब देते हैं, पश्च-प्रकीर्णित इलेक्ट्रॉन परमाणु क्रमांक के साथ बढ़ने वाला विपर्यास देते हैं, और प्रतिदर्श में उत्तेजित अभिलाक्षणिक एक्स-किरणें ऊर्जा-प्रकीर्णी स्पेक्ट्रमिकी (EDS) द्वारा तात्विक संघटन देती हैं। बहुलक व ऊतक जैसे अचालक प्रतिदर्श सुखाकर आवेशन रोकने हेतु सोने या कार्बन की पतली परत से स्पटर-लेपित किए जाते हैं। पारगमन इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी (TEM) किरणपुंज को लगभग 100 nm से पतले काट से गुज़ारता है और आंतरिक संरचना को परमाणु पैमाने तक विभेदित करता है।

फुरिये-रूपांतर अवरक्त स्पेक्ट्रमिकी (FTIR) रासायनिक बंधों को उन अवरक्त आवृत्तियों से पहचानती है जिन पर वे कंपन करते हैं। चल दर्पण वाला माइकलसन व्यतिकरणमापी एक साथ सभी तरंगदैर्ध्यों वाला व्यतिकरणलेख बनाता है, और उसका फुरिये रूपांतर वर्णक्रम देता है — एक-एक तरंगदैर्ध्य प्रसर्पित करने से तीव्र व बेहतर संकेत-शोर अनुपात सहित। वर्णक्रम तरंगसंख्या ν̃ = 1/λ के सापेक्ष cm⁻¹ में, प्रायः 4000 से 400 cm⁻¹ तक, अंकित होते हैं (10 µm तरंगदैर्ध्य 1000 cm⁻¹ है)। अभिलाक्षणिक बैंडों में लगभग 3200–3600 cm⁻¹ पर चौड़ा O–H तनन, लगभग 1700 cm⁻¹ पर C=O तनन, लगभग 1650 cm⁻¹ पर प्रोटीन ऐमाइड I व लगभग 1550 cm⁻¹ पर ऐमाइड II बैंड, और लगभग 1000–1100 cm⁻¹ पर हाइड्रॉक्सीऐपटाइट के फ़ॉस्फ़ेट बैंड सम्मिलित हैं। क्षीणित पूर्ण परावर्तन (ATR) प्रतिदर्श के केवल ऊपरी माइक्रोमीटरों की जाँच करता है, जो प्रत्यारोपणों के सतही रूपांतरण हेतु उपयुक्त है।

4. ऊतक अभियांत्रिकी के मूल, व स्कैफ़ोल्ड निर्माण

ऊतक अभियांत्रिकी तीन अवयवों — कोशिकाएँ, स्कैफ़ोल्ड व संकेत (वृद्धि कारक तथा यांत्रिक या विद्युत संकेत) — को संयोजित करती है, प्रायः पोषक, ऑक्सीजन व यांत्रिक अनुकूलन देने वाले जैव-अभिक्रियक (बायोरिएक्टर) में परिपक्व करके, ताकि क्षतिग्रस्त ऊतक की मरम्मत या प्रतिस्थापन करने वाला सजीव ऊतक बने। कोशिकाएँ स्वजात (रोगी की अपनी, कोई अस्वीकृति नहीं), सजातीय (अन्य मानव दाता) या विजातीय (अन्य जाति) हो सकती हैं; स्टेम-कोशिका स्रोतों में भ्रूणीय स्टेम कोशिकाएँ, वयस्क मध्योतक स्टेम कोशिकाएँ व वयस्क कोशिकाओं से पुनःक्रमित प्रेरित बहुशक्त स्टेम कोशिकाएँ (iPSC) सम्मिलित हैं।

  • स्कैफ़ोल्ड जैवसंगत होना चाहिए; अत्यधिक सरंध्र, अंतर्संबद्ध छिद्रों सहित जो कोशिकाओं के प्रवसन व पोषकों तथा अपशिष्ट के विसरण हेतु पर्याप्त बड़े हों (अस्थि अंतर्वृद्धि को लगभग 100 µm या अधिक कोटि के छिद्र चाहिए); नए ऊतक निर्माण से मेल खाती दर पर निम्नीकरणीय; अपने स्थल हेतु यांत्रिक रूप से पर्याप्त; और ऐसे सतही रसायन वाला जिससे कोशिकाएँ जुड़ें। सरंध्रता = 1 − (आभासी घनत्व/ठोस घनत्व)।
  • परंपरागत विधियों में कणीय निक्षालन सहित विलायक ढलाई (छिद्र छोड़ने हेतु लवण क्रिस्टल घोलकर निकाले जाते हैं), हिम-शुष्कन व गैस फेनन सम्मिलित हैं।
तीन नामित निर्माण तकनीकें
तकनीकसिद्धांतमुख्य प्राचल व परिणाम
विद्युत्-कताईबहुलक विलयन पर उच्च वोल्टता (प्रायः 10–30 kV) सुई-नोक पर टेलर शंकु से धार खींचती है; धार कोड़े जैसी लहराती व खिंचती है, विलायक वाष्पित होता है, और तंतु भू-संपर्कित लक्ष्य पर एकत्र होते हैंवोल्टता, प्रवाह दर, नोक-से-संग्राहक दूरी, विलयन सांद्रता व श्यानता, आर्द्रता; निम्न सांद्रता मनकेदार तंतु, उच्चतर सांद्रता मोटे व एकसमान तंतु देती है; बाह्यकोशिकीय आधात्री की नकल करते नैनोमीटर-से-माइक्रोमीटर तंतु; घूर्णी संग्राहक उन्हें संरेखित करता है
3D मुद्रण (योगात्मक निर्माण)डिजिटल मॉडल से परत-दर-परत स्कैफ़ोल्ड बनाता है — तापसुघट्य तंतु का संगलित निक्षेपण, प्रकाश-उपचार्य राल की स्टीरियोलिथोग्राफ़ी, चूर्ण का चयनात्मक लेज़र सिंटरन, पेस्ट का बहिर्वेधनछिद्र आकार, आकृति व अंतर्संबंध का यथार्थ नियंत्रण; CT या MRI आँकड़ों से रोगी-विशिष्ट आकृतियाँ
जैव-मुद्रणजैव-स्याही (ऐल्जिनेट, जिलेटिन मेथैक्रिलेट, कोलेजन जैसे हाइड्रोजेल) के भीतर सजीव कोशिकाओं को बहिर्वेधन, इंकजेट (बूँद) या लेज़र-सहायित स्थानांतरण से मुद्रित करता हैशारीरिक ताप व निर्जर्म स्थितियों में कार्य करना होता है; उच्च दाब पर नोज़ल अपरूपण प्रतिबल कोशिका जीवनक्षमता घटाता है; जैव-स्याही को मुद्रणीयता और फिर आकार बनाए रखने हेतु तिर्यक-बंधन चाहिए

5. कृत्रिम अंग, ऑर्गनॉइड व ऑर्गन-ऑन-चिप

कृत्रिम अंग एक अभियांत्रिक युक्ति है जो प्राकृतिक अंग के कार्य को प्रतिस्थापित या समर्थित करती है। अपोहक (कृत्रिम वृक्क) व हृद्-फुप्फुस यंत्र का झिल्ली ऑक्सीजनित्र द्रव्यमान-स्थानांतरण युक्तियाँ हैं; निलय सहायक युक्तियाँ व पूर्ण कृत्रिम हृदय पम्प हैं; कर्णावर्त प्रत्यारोपण श्रवण तंत्रिका को विद्युत रूप से उद्दीप्त करते हैं; और बंद-पाश कृत्रिम अग्न्याशय नियंत्रण एल्गोरिथ्म द्वारा सतत ग्लूकोज़ संवेदक को इंसुलिन पम्प से जोड़ता है। हृद्-कपाट पदार्थ समझौते को स्पष्ट दिखाते हैं: ताप-अपघटित कार्बन पत्रकों वाले यांत्रिक कपाट दशकों चलते हैं पर आजीवन स्कंदन-रोधन माँगते हैं, जबकि ग्लूटेरैल्डिहाइड-स्थिरीकृत सूअर कपाट या गोजातीय हृदयावरण के जैव-कृत्रिम कपाट अल्प स्कंदन-रोधन माँगते हैं पर घिस जाते हैं।

ऑर्गनॉइड स्टेम कोशिकाओं (बहुशक्त या वयस्क ऊतक स्टेम कोशिकाएँ) से सहायक जेल आधात्री में उगाया गया त्रि-विमीय, स्व-संगठित पुंज है, जो किसी अंग के अनेक कोशिका प्रकारों में विभेदित होकर उसकी कुछ संरचना व कार्य पुनरुत्पादित करता है — आंत्र, प्रमस्तिष्क, वृक्क व यकृत ऑर्गनॉइड उनमें हैं। ये विकास व रोग का प्रतिरूपण करते हैं और रोगी की अपनी कोशिकाओं पर औषधि परीक्षण संभव करते हैं, पर इनमें रक्तवाहिकाएँ नहीं होतीं, अतः इनका आकार विसरण से सीमित है और परिपक्वता भिन्न होती है।

ऑर्गन-ऑन-चिप एक सूक्ष्मतरलीय युक्ति है, प्रायः पारदर्शी, गैस-पारगम्य सिलिकॉन PDMS में ढली, जिसकी नलिकाएँ नियंत्रित प्रवाह — और प्रायः यांत्रिक संकेतों — के अधीन सजीव कोशिकाएँ रखती हैं ताकि किसी अंग की कार्यात्मक इकाई पुनरुत्पादित हो। उदाहरणार्थ, फुप्फुस-ऑन-चिप सरंध्र झिल्ली के दोनों ओर फुप्फुस उपकला व केशिका अंतःकला उगाता है और श्वसन की नकल हेतु उसे चक्रीय रूप से खींचता है। चिपों को क्रम में जोड़कर बहु-अंग तंत्र बनाए जा सकते हैं, और ये मानव कोशिकाओं से औषधि प्रभाव व विषाक्तता परखने हेतु प्रयुक्त होते हैं, जिससे पशु मॉडलों पर निर्भरता घटती है।

ℹ️ शरीर के बाहर ऊतक कार्य रखने के तीन मार्ग
कृत्रिम अंग युक्ति से कार्य प्रतिस्थापित करता है; ऑर्गनॉइड अल्प बाह्य संरचना के साथ कोशिकाओं से कार्य उगाता है; ऑर्गन-ऑन-चिप कोशिकाओं पर अभियांत्रिक संरचना व प्रवाह आरोपित करता है। पहला आज रोगियों का उपचार करता है; अन्य दो मुख्यतः अनुसंधान व औषधि-परीक्षण उपकरण हैं।

मुख्य बिंदु

  • धातुएँ: प्रबल व कठोर पर अस्थि से कहीं अधिक दृढ़; सिरैमिक: कठोर व भंगुर, जैव-निष्क्रिय या जैवसक्रिय; बहुलक: आकार्य, दुर्बलतर, कुछ निम्नीकरणीय; कार्बन: रक्त-संगत व घिसाव-प्रतिरोधी; संयुक्त: अपनी प्रावस्थाओं के बीच अनुकूलित।
  • जैवसंगतता विशिष्ट अनुप्रयोग में उपयुक्त पोषी अनुक्रिया है; जैवसक्रिय पदार्थ अस्थि से बंधन करते हैं; प्रतिबल परिरक्षण मापांक असमानता से आता है।
  • PGA, PLA से तीव्र निम्नीकृत होता है, PCL सबसे धीमा; स्थूल अपरदन देर से द्रव्यमान खोता है, सतही अपरदन स्थिर रूप से पतला करता है।
  • AFM: F = kx, मृदु प्रतिदर्शों हेतु टैपिंग विधा; SEM: स्थलाकृति हेतु द्वितीयक, Z विपर्यास हेतु पश्च-प्रकीर्णित इलेक्ट्रॉन, तत्वों हेतु EDS; FTIR: ν̃ = 1/λ, लगभग 1650 cm⁻¹ पर ऐमाइड I।
  • कोशिकाएँ + स्कैफ़ोल्ड + संकेत; टेलर शंकु से विद्युत्-कताई, परत-दर-परत 3D मुद्रण, कोशिका-युक्त जैव-स्याहियों से जैव-मुद्रण; ऑर्गनॉइड स्व-संगठित होते हैं, ऑर्गन-ऑन-चिप सूक्ष्मतरलीय हैं।

अभ्यास प्रश्न (17)

उत्तर खोलने से पहले प्रत्येक प्रश्न हल करें। हर व्याख्या सही विकल्प के साथ लुभावना गलत विकल्प भी बताती है, क्योंकि अंक वहीं जाते हैं।

  1. कौन-सा सिरैमिक जैवसक्रिय है, जो अस्थि से प्रत्यक्ष रासायनिक बंधन बनाता है?

    1. हाइड्रॉक्सीऐपटाइट
    2. ऐलुमिना
    3. ज़िर्कोनिया
    4. सिलिकॉन कार्बाइड
    उत्तर देखें

    उत्तर: A — हाइड्रॉक्सीऐपटाइट

    हाइड्रॉक्सीऐपटाइट रासायनिक रूप से अस्थि खनिज के निकट है, और उस पर अस्थि-सदृश ऐपटाइट परत बनकर अस्थि से बंधन करती है। ऐलुमिना व ज़िर्कोनिया जैव-निष्क्रिय हैं — वे बंधन के स्थान पर पतले तंतुमय संपुट से घिर जाते हैं, इसीलिए वे स्थिरीकरण के बजाय घिसाव सतहों हेतु प्रयुक्त होते हैं।

  2. धात्विक कूल्हा तने के चारों ओर प्रतिबल परिरक्षण मुख्यतः किसके कारण होता है?

    1. प्रत्यारोपण का आसपास की अस्थि से कहीं अधिक दृढ़ होना
    2. प्रत्यारोपण सतह का संक्षारण
    3. प्रत्यारोपण का अस्थि से दुर्बल होना
    4. प्रत्यारोपण पर प्रोटीन अधिशोषण
    उत्तर देखें

    उत्तर: A — प्रत्यारोपण का आसपास की अस्थि से कहीं अधिक दृढ़ होना

    वल्कुटी अस्थि के कई गुना मापांक वाला तना अधिकांश भार वहन करता है, अतः उसके चारों ओर की अस्थि अल्प-विकृत रहती है और, वुल्फ़ नियम से, पुनरवशोषित होती है — प्रत्यारोपण ढीला करती हुई। संक्षारण आयन मोचन व शोथ कराता है, और प्रोटीन अधिशोषण पोषी अनुक्रिया का पहला चरण है; दोनों में से कोई प्रतिबल परिरक्षण नहीं।

  3. एक एकदिशीय संयुक्त में E = 200 GPa वाले तंतु आयतन से 30% हैं, E = 4 GPa वाली आधात्री में। मिश्रण नियम से तंतुओं के अनुदिश उसका मापांक (GPa में), एक दशमलव स्थान तक, ____ है।

    संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।

    उत्तर देखें

    उत्तर: 62.8

    तंतुओं के अनुदिश दोनों प्रावस्थाएँ समान विकृति लेती हैं, अतः E_c = V_fE_f + V_mE_m = 0.3 × 200 + 0.7 × 4 = 60 + 2.8 = 62.8 GPa। समप्रतिबल सूत्र, जो तंतुओं के आर-पार लागू है, केवल 5.67 GPa देता है।

  4. उसी संयुक्त (E = 4 GPa की आधात्री में E = 200 GPa के 30% तंतु) हेतु तंतुओं के लंबवत मापांक (GPa में), समप्रतिबल नियम से, दो दशमलव स्थानों तक, ____ है।

    संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।

    उत्तर देखें

    उत्तर: 5.67

    1/E_c = V_f/E_f + V_m/E_m = 0.3/200 + 0.7/4 = 0.0015 + 0.175 = 0.1765, अतः E_c = 5.67 GPa — आधात्री से मुश्किल से ऊपर, क्योंकि मृदु प्रावस्था पूरा प्रतिबल वहन कर प्रभावी रहती है। समविकृति (समांतर) नियम लेने पर 62.8 GPa आता है, तंतुओं के अनुदिश का मान।

  5. एक FTIR अवशोषण बैंड 6 µm तरंगदैर्ध्य पर है। उसकी तरंगसंख्या (cm⁻¹ में), निकटतम पूर्णांक तक, ____ है।

    संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।

    उत्तर देखें

    उत्तर: 1667

    ν̃ = 1/λ = 1/(6 × 10⁻⁴ cm) = 1666.7 cm⁻¹ ≈ 1667 cm⁻¹, ऐमाइड I व C=O क्षेत्र में। λ को मीटर में लेने पर 166 667 m⁻¹ आता है, जो गलत इकाई में सही मान है।

  6. 0.1 N/m स्प्रिंग नियतांक वाली एक AFM कैंटिलीवर 20 nm विक्षेपित होती है। नोक पर बल (nN में) ____ है।

    संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।

    उत्तर देखें

    उत्तर: 2

    F = kx = 0.1 N/m × 20 × 10⁻⁹ m = 2 × 10⁻⁹ N = 2 nN — बल का वह पैमाना जो जैविक प्रतिदर्शों हेतु मृदु कैंटिलीवर आवश्यक बनाता है। गुणा के स्थान पर भाग देने पर 5 × 10⁶ आता है, संकेत कि संबंध उलट गया है।

  7. क्रमवीक्षण इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी में मुख्यतः प्रतिदर्श के परमाणु क्रमांक पर निर्भर प्रतिबिंब विपर्यास किससे आता है?

    1. पश्च-प्रकीर्णित इलेक्ट्रॉन
    2. द्वितीयक इलेक्ट्रॉन
    3. पारगमित इलेक्ट्रॉन
    4. सोने का स्पटर लेपन
    उत्तर देखें

    उत्तर: A — पश्च-प्रकीर्णित इलेक्ट्रॉन

    भारी नाभिक किरणपुंज का अधिक भाग प्रत्यास्थ रूप से प्रतिदर्श से वापस प्रकीर्णित करते हैं, अतः पश्च-प्रकीर्णित-इलेक्ट्रॉन प्रतिबिंब संघटनात्मक (Z) विपर्यास दिखाते हैं। द्वितीयक इलेक्ट्रॉन ऊपरी कुछ नैनोमीटरों से निम्न-ऊर्जा इलेक्ट्रॉन हैं और स्थलाकृति देते हैं; पारगमित इलेक्ट्रॉन TEM संकेत हैं; लेपन केवल आवेशन रोकता है।

  8. विद्युत्-कताई के विषय में कौन-से कथन सही हैं?

    1. बहुलक सांद्रता व श्यानता बढ़ाना मनके दबाता है और तंतु व्यास बढ़ाता है
    2. यह उच्च वोल्टता प्रयोग करता है, प्रायः दसियों किलोवोल्ट की कोटि की
    3. धार निकलने से पहले सुई-नोक पर टेलर शंकु बनता है
    4. यह केवल मिलीमीटर परास के तंतु बनाता है
    उत्तर देखें

    उत्तर: A — बहुलक सांद्रता व श्यानता बढ़ाना मनके दबाता है और तंतु व्यास बढ़ाता है; B — यह उच्च वोल्टता प्रयोग करता है, प्रायः दसियों किलोवोल्ट की कोटि की; C — धार निकलने से पहले सुई-नोक पर टेलर शंकु बनता है

    विद्युत क्षेत्र बूँद को टेलर शंकु में विकृत कर धार खींचता है जो लहराते व सूखते हुए पतली होती है; उच्च सांद्रता पर अधिक शृंखला उलझाव मनकों में टूटने का प्रतिरोध करता है और मोटे तंतु देता है। तंतु प्रायः दसियों नैनोमीटर से कुछ माइक्रोमीटर चौड़े होते हैं — बाह्यकोशिकीय आधात्री का पैमाना — मिलीमीटर नहीं।

  9. समान स्थितियों में पॉली(ग्लाइकोलिक अम्ल) व पॉली(लैक्टिक अम्ल) के निम्नीकरण की तुलना करने पर,

    1. PGA तीव्र निम्नीकृत होता है, अधिक जलरागी होने से
    2. PLA तीव्र निम्नीकृत होता है, अधिक जलरागी होने से
    3. दोनों समान दर से निम्नीकृत होते हैं
    4. शरीर में दोनों में से कोई निम्नीकृत नहीं होता
    उत्तर देखें

    उत्तर: A — PGA तीव्र निम्नीकृत होता है, अधिक जलरागी होने से

    PLA की प्रत्येक पुनरावृत्त इकाई पर मेथिल समूह उसे अधिक जलविरागी बनाता है, जल ग्रहण व एस्टर जलअपघटन धीमा करता है, अतः PGA सप्ताहों में सामर्थ्य खोता है जबकि PLA महीनों या अधिक चलता है। दोनों निम्नीकृत होते हैं, ग्लाइकोलिक व लैक्टिक अम्ल में, इसीलिए दर समायोजित करने हेतु उनका सहबहुलक PLGA प्रयुक्त होता है।

  10. जैवनिम्नीकरणीय बहुलकों के विषय में कौन-से कथन सही हैं?

    1. स्थूल अपरदन में जल बहुलक के निम्नीकरण से तीव्र पैठता है, अतः आणविक भार पूरी युक्ति में गिरता है
    2. पॉलिऐनहाइड्राइड प्रायः सतही अपरदन से गुज़रते हैं
    3. PLGA के निम्नीकरण उत्पाद शरीर द्वारा उपापचयित होते हैं
    4. PCL, PGA से तीव्र निम्नीकृत होता है
    उत्तर देखें

    उत्तर: A — स्थूल अपरदन में जल बहुलक के निम्नीकरण से तीव्र पैठता है, अतः आणविक भार पूरी युक्ति में गिरता है; B — पॉलिऐनहाइड्राइड प्रायः सतही अपरदन से गुज़रते हैं; C — PLGA के निम्नीकरण उत्पाद शरीर द्वारा उपापचयित होते हैं

    जब जलअपघटन जल-प्रवेश से धीमा हो तो पूरी युक्ति साथ निम्नीकृत होती है (स्थूल अपरदन, PLA, PGA व PLGA में सामान्य); अत्यंत अभिक्रियाशील ऐनहाइड्राइड बंध जल के प्रवेश से पहले सतह पर टूटते हैं, अतः पॉलिऐनहाइड्राइड बाहर से अपरदित होते हैं। लैक्टिक व ग्लाइकोलिक अम्ल सामान्य उपापचय में प्रवेश करते हैं। PCL सामान्य पॉलिएस्टरों में सबसे धीमे में से है, वर्ष लेता है, जबकि PGA सप्ताह।

  11. ऑर्गन-ऑन-चिप का सर्वोत्तम वर्णन है

    1. एक सूक्ष्मतरलीय युक्ति जिसमें नियंत्रित प्रवाह के अधीन सजीव मानव कोशिकाएँ किसी अंग के कार्य पुनरुत्पादित करती हैं
    2. एक प्रत्यारोपित इलेक्ट्रॉनिक चिप जो किसी अंग को प्रतिस्थापित करती है
    3. किसी अंग का कंप्यूटर अनुकरण
    4. बर्फ़ पर संरक्षित पूरा दाता अंग
    उत्तर देखें

    उत्तर: A — एक सूक्ष्मतरलीय युक्ति जिसमें नियंत्रित प्रवाह के अधीन सजीव मानव कोशिकाएँ किसी अंग के कार्य पुनरुत्पादित करती हैं

    ऑर्गन-ऑन-चिप कोशिकाओं को सूक्ष्मनलिकाओं, प्रायः PDMS, में प्रवाह व चक्रीय खिंचाव जैसे यांत्रिक संकेतों के साथ संवर्धित करते हैं, ताकि औषधि व विषाक्तता परीक्षण हेतु अंग की कार्यात्मक इकाई पुनरुत्पादित हो। ये न प्रत्यारोपण हैं न अनुकरण; कार्य प्रतिस्थापित करने वाली प्रत्यारोपित युक्ति कृत्रिम अंग है।

  12. ऑर्गनॉइड है

    1. स्टेम कोशिकाओं से उगाई गई त्रि-विमीय, स्व-संगठित संरचना जो किसी अंग की विशेषताओं की नकल करती है
    2. कोशिका-रहित संश्लिष्ट बहुलक स्कैफ़ोल्ड
    3. हृदय को सहारा देने वाला यांत्रिक पम्प
    4. एकल कोशिका प्रकार की द्वि-विमीय एकल परत
    उत्तर देखें

    उत्तर: A — स्टेम कोशिकाओं से उगाई गई त्रि-विमीय, स्व-संगठित संरचना जो किसी अंग की विशेषताओं की नकल करती है

    ऑर्गनॉइड तब बनते हैं जब सहायक जेल में स्टेम कोशिकाएँ विभेदित होकर स्वयं को किसी अंग के अनेक कोशिका प्रकारों व उसकी कुछ संरचना में व्यवस्थित करती हैं। कोशिका-रहित स्कैफ़ोल्ड केवल साँचा है, पम्प कृत्रिम अंग है, और समतल एकल परत में ठीक वही त्रि-विमीय संगठन नहीं जो ऑर्गनॉइड को परिभाषित करता है।

  13. एक बहुलक स्कैफ़ोल्ड 1 cm³ स्थूल आयतन घेरता है और उसका द्रव्यमान 0.26 g है; ठोस बहुलक घनत्व 1.3 g/cm³ है। उसकी सरंध्रता (% में) ____ है।

    संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।

    उत्तर देखें

    उत्तर: 80

    ठोस आयतन = 0.26/1.3 = 0.2 cm³, अतः सरंध्रता = 1 − 0.2/1 = 0.8 = 80%, ऊतक-अभियांत्रिकी स्कैफ़ोल्ड हेतु सामान्य मान। 20% बताना ठोस अंश देना है; घनत्व को द्रव्यमान से भाग देना निरर्थक 5 देता है।

  14. एक स्थूल-अपरदी बहुलक संख्या-औसत आणविक भार प्रथम-कोटि बलगतिकी से 4 सप्ताह की अर्धायु के साथ खोता है। 8 सप्ताह बाद उसके प्रारंभिक आणविक भार का शेष अंश (% में) ____ है।

    संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।

    उत्तर देखें

    उत्तर: 25

    आठ सप्ताह दो अर्धायु है, अतः M_n = M_n0 × (½)² = प्रारंभिक मान का 25% (k = ln 2/4 प्रति सप्ताह, e−2 ln 2 = ¼)। प्रति अर्धायु प्रारंभिक मान का आधा रैखिक रूप से खोना 0% देगा, जो प्रथम-कोटि व्यवहार नहीं है।

  15. जैव-मुद्रण के विषय में कौन-से कथन सही हैं?

    1. जैव-स्याहियाँ सजीव कोशिकाएँ वहन करती हैं, प्रायः हाइड्रोजेल में
    2. बहिर्वेधन जैव-मुद्रण में नोज़ल में अपरूपण प्रतिबल उच्च दाबों पर कोशिका जीवनक्षमता घटा सकता है
    3. इंकजेट जैव-मुद्रण जैव-स्याही को बूँदों के रूप में निक्षेपित करता है
    4. जैव-मुद्रण सामान्यतः 200 °C से ऊपर के तापों पर चलता है
    उत्तर देखें

    उत्तर: A — जैव-स्याहियाँ सजीव कोशिकाएँ वहन करती हैं, प्रायः हाइड्रोजेल में; B — बहिर्वेधन जैव-मुद्रण में नोज़ल में अपरूपण प्रतिबल उच्च दाबों पर कोशिका जीवनक्षमता घटा सकता है; C — इंकजेट जैव-मुद्रण जैव-स्याही को बूँदों के रूप में निक्षेपित करता है

    जैव-स्याही कोशिका-युक्त पदार्थ है, प्रायः ऐल्जिनेट, जिलेटिन मेथैक्रिलेट या कोलेजन; उसे संकरे नोज़ल से धकेलना कोशिकाओं पर अपरूपण डालता है, अतः दाब व नोज़ल आकार विभेदन का जीवनक्षमता से समझौता करते हैं; इंकजेट शीर्ष पृथक बूँदें निकालते हैं। कोशिकाएँ 200 °C पर जीवित नहीं रहेंगी — वह तापसुघट्य संगलित-निक्षेपण मुद्रण का क्षेत्र है, जो कोशिका-रहित स्कैफ़ोल्ड मुद्रित करता है।

  16. ताप-अपघटित कार्बन पत्रकों वाला यांत्रिक हृद्-कपाट, जैव-कृत्रिम ऊतक कपाट की तुलना में, प्रायः

    1. अधिक चलता है पर आजीवन स्कंदन-रोधन माँगता है
    2. शीघ्र घिसता है पर स्कंदन-रोधन नहीं माँगता
    3. ग्लूटेरैल्डिहाइड-स्थिरीकृत हृदयावरण से बना होता है
    4. ऊतक भरने के बाद घुल जाता है
    उत्तर देखें

    उत्तर: A — अधिक चलता है पर आजीवन स्कंदन-रोधन माँगता है

    ताप-अपघटित कार्बन अत्यंत टिकाऊ और सर्वाधिक रक्त-संगत ठोसों में है, फिर भी दृढ़ कपाट प्रवाह को इतना विक्षुब्ध करता है कि थक्के बनें, अतः रोगी आजीवन स्कंदन-रोधी लेते हैं। ग्लूटेरैल्डिहाइड-स्थिरीकृत पशु ऊतक जैव-कृत्रिम कपाट है, जो अल्प स्कंदन-रोधन माँगता है पर अपक्षयित होता है; कोई हृद्-कपाट घुलने हेतु अभिकल्पित नहीं होता।

  17. मृदु जैविक प्रतिदर्शों के प्रतिबिंबन हेतु AFM टैपिंग विधा को संपर्क विधा पर मुख्यतः इसलिए वरीयता दी जाती है कि यह

    1. नोक द्वारा प्रतिदर्श पर लगाए गए पार्श्व (अपरूपण) बलों को बहुत घटाती है
    2. नोक के स्थान पर इलेक्ट्रॉन किरणपुंज प्रयोग करती है
    3. प्रतिदर्श का सोने से लेपन आवश्यक करती है
    4. केवल निर्वात में कार्य करती है
    उत्तर देखें

    उत्तर: A — नोक द्वारा प्रतिदर्श पर लगाए गए पार्श्व (अपरूपण) बलों को बहुत घटाती है

    कैंटिलीवर को इस प्रकार दोलित करना कि नोक प्रत्येक चक्र के निचले छोर पर केवल संक्षेप में सतह छुए, उसे प्रतिदर्श पर घसीटने से बचाता है, जो संपर्क विधा में मृदु कोशिकाओं व प्रोटीनों को फाड़ या खिसका सकता है। AFM यांत्रिक नोक प्रयोग करती है, चालक लेपन नहीं माँगती और द्रव में कार्य करती है — सोने का लेपन व निर्वात इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शिकी के हैं।