नैनोफाइबर

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कोशिका्युलोज नैनोफाइबर जालक्रम का उदाहरण।

नैनोफाइबर नैनोमीटर परास में व्यास वाले तंतु होते हैं (सामान्यतः, 1 एनएम और 1 माइक्रोन के मध्य)। नैनोफाइबर विभिन्न बहुलक से उत्पन्न हो सकते हैं और इसलिए विभिन्न भौतिक गुण और अनुप्रयोग क्षमताएं होती हैं। प्राकृतिक बहुलक के उदाहरणों में कोलेजन, कोशिका्यूलोज, रेशम फाइब्रोइन, केरातिन , जेलाटीन और पॉलिसैक्राइड जैसे काइटोसन और एल्जिनेट सम्मिलित हैं।[1][2] संश्लिष्ट बहुलक के उदाहरणों में (पॉलिलेक्टिक अम्ल) (PLA), पॉलिकैप्रोलैक्टोन (PCL)[3] पॉलीयूरेथेन (PU), पॉली (लैक्टिक-सह-ग्लाइकोलिक अम्ल) (PLGA), पॉली (3-हाइड्रॉक्सीब्यूटाइरेट-सह-3-हाइड्रॉक्सीवेलरेट) (PHBV), और पॉली (एथिलीन-सह-विनाइलसेटेट) (PEVA) सम्मिलित हैं।[1][2]बहुलक श्रृंखलाएं सहसंयोजक बंधों के माध्यम से जुड़ी हुई हैं।[4] नैनोफाइबर के व्यास उपयोग किए गए बहुलक के प्रकार और उत्पादन की विधि पर निर्भर करता हैं।[5] सभी बहुलक नैनोफाइबर अपने माइक्रोफ़ाइबर समकक्षों की तुलना में अपने बड़े सतह क्षेत्र-से-आयतन अनुपात, उच्च सरंध्रता, प्रशंसनीय यांत्रिक ऊर्जा और कार्यात्मकता में सुनम्यता के लिए अद्वितीय हैं।[1][2][6]

नैनोफाइबर बनाने के लिए कई अलग-अलग विधिया उपस्थित हैं, जिनमें आरेखण, इलेक्ट्रोस्पिनिंग, स्वयंजोड़ित, रूपदा संश्लेषण और ऊष्मा-प्रेरित चरण पृथक्करण सम्मिलित हैं। नोफाइबर उत्पन्न करने के लिए इलेक्ट्रोस्पिनिंग सबसे अधिक उपयोग की जाने वाली विधि है क्योंकि सरल व्यवस्थापन, विभिन्न बहुलक से निरंतर नैनोफाइबर का बड़े पैमाने पर उत्पादन करने की क्षमता, और नियंत्रित व्यास, रचनाओं और अभिविन्यासो के साथ अतितनु तंतु उत्पन्न करने की क्षमता है। [6]यह सुनम्यता तंतुओं के आकार और व्यवस्था को नियंत्रित करने की अनुमति देता है ताकि विभिन्न संरचनाओं (अर्थात खोखले, सपाट और पट्टी के आकार) को इच्छित अनुप्रयोग उद्देश्यों के आधार पर निर्मित किया जा सकता है। औद्योगिक बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए उपयुक्त एक अभिनव गलित प्रसंस्करण विधि का उपयोग करते हुए, मिनेसोटा विश्वविद्यालय के वैज्ञानिक और अभियन्ता नैनोफाइबर को केवल 36 एनएम जितना पतला बनाने में सक्षम हैं।[7]

नैनोफाइबर की कई संभावित प्रौद्योगिकी और व्यावसायिक अनुप्रयोग हैं। उनका उपयोग ऊतक अभियांत्रिकी,[1][2][8]दवा वितरण,[9][10][11]बीज विलेपन सामग्री,[12][13][14] कैंसर निदान,[15][16][17]लिथियम-वायुवाहित बैटरी,[18][19][20]प्रकाशिक संवेदक,[21][22][23]वायु निस्पंदन,[24][25][26]अपचयोपचय-प्रवाह बैटरी [27] और समग्र सामग्री[28] में किया जाता है।


नैनोफाइबर उत्पादन का इतिहास

नैनोफाइबर का उत्पादन प्रथम बार चार शताब्दियों से भी पूर्व इलेक्ट्रोस्पिनिंग के माध्यम से किया गया था।[29][30] इलेक्ट्रोस्पिनिंग विधि के विकास के साथ प्रारम्भ करते हुए, अंग्रेजी भौतिक विज्ञानी विलियम गिल्बर्ट (खगोलविद) (1544-1603) ने प्रथम बार एक प्रयोग तैयार करके द्रव पदार्थों के मध्य स्थिरवैद्युत आकर्षण का दस्तावेजीकरण किया, जिसमें उन्होंने एक शुष्क सतह पर एक गोलीय जल की बूंद को एक शंकु के आकार में देखा जब यह एक विद्युत आवेशित एम्बर के नीचे आयोजित किया गया था।[31] इस विकृति को बाद में टेलर शंकु के नाम से जाना जाने लगा।[32] 1882 में, अंग्रेजी भौतिक विज्ञानी लॉर्ड रेले (1842-1919) ने विद्युत रूप से आवेशित द्रव बूंदों की अस्थिर अवस्थाओं का विश्लेषण किया, और विख्यात किया कि पृष्ठीय तनाव और स्थिरवैद्युत बल के मध्य संतुलन स्थापित होने पर द्रव को छोटे जेट में बाहर निकाल दिया गया था।[33] 1887 में, ब्रिटिश भौतिक विज्ञानी चार्ल्स वर्नोन बॉयज़ (1855-1944) ने नैनोफाइबर के विकास और उत्पादन के विषय में एक पांडुलिपि प्रकाशित की।[34] 1900 में, अमेरिकी आविष्कारक जॉन फ्रांसिस कूली (1861-1903) ने प्रथम आधुनिक इलेक्ट्रोस्पिनिंग एकस्व दर्ज किया।[35]

एंटोन फॉर्महेल्स 1934 और 1944 के मध्य नैनोफाइबर उत्पादन का प्रयास करने वाले प्रथम व्यक्ति थे और नैनोफाइबर के प्रयोगात्मक उत्पादन का वर्णन करने वाले प्रथम एकस्व को प्रकाशित किया।[30]1966 में, हेरोल्ड सिमंस ने एक ऐसे उपकरण के लिए एक एकस्व प्रकाशित किया, जो विविध रूपांकनों के साथ पतले और हल्के नैनोफाइबर कपड़े का उत्पादन कर सकता है।[36]

केवल 20वीं शताब्दी के अंत में इलेक्ट्रोस्पिनिंग और नैनोफाइबर शब्द वैज्ञानिकों और शोधकर्ताओं के मध्य सामान्य भाषा बन गयी हैं।[29][30]इलेक्ट्रोसपिनिंग का विकास आज भी प्रचलित है।

संश्लेषण की विधि

नैनोफाइबर तैयार करने के लिए कई रासायनिक और यांत्रिक प्रविधि उपस्थित हैं।

इलेक्ट्रोस्पिनिंग

Main article: इलेक्ट्रोस्पिनिंग
टेलर शंकु जिसमें से बहुलक विलयन की धारा निकलती है।

नैनोफाइबर बनाने के लिए इलेक्ट्रोस्पिनिंग सबसे अधिक उपयोग की जाने वाली विधि है।[37][6][38][39][40]इलेक्ट्रोसपिनिंग के लिए आवश्यक उपकरणों में एक उच्च वोल्टता आपूर्तिकर्ता, एक छोटे व्यास की नलिका या सूचिक के साथ एक केशिका नली, और एक धातु संग्रह जालक सम्मिलित है। एक विद्युदग्र को बहुलक विलयन में रखा जाता है और दूसरा विद्युदग्र संग्रहकर्ता से जुड़ा होता है। केशिका नली के अंत में एक विद्युत क्षेत्र लगाया जाता है जिसमें इसके पृष्ठीय तनाव द्वारा आयोजित बहुलक विलयन होता है और द्रव की सतह पर एक चार्ज बनाता है। जैसे-जैसे विद्युत क्षेत्र की तीव्रता बढ़ती है, केशिका नली के छोर पर द्रव की गोलार्द्धीय सतह एक शंक्वाकार आकार बनाने के लिए लम्बी हो जाती है जिसे टेलर शंकु कहा जाता है। विद्युत क्षेत्र में और वृद्धि होने पर एक क्रांतिक मान प्राप्त होता है जिसमें प्रतिकारक स्थिरवैद्युत बल पृष्ठीय तनाव पर प्रवीणता प्राप्त कर लेते है और द्रव पदार्थ का आवेशित जेट टेलर शंकु के छोर से बाहर निकल जाता है। मुक्त बहुलक विलयन जेट अस्थिर है और इसके परिणामस्वरूप लम्बा हो जाता है, जिससे जेट बहुत लंबा और पतला हो जाता है। चार्ज किए गए बहुलक तंतु विलायक वाष्पीकरण के साथ जम जाते हैं।[6][41] संग्राहक पर यादृच्छिक रूप से उन्मुख नैनोफाइबर एकत्र किए जाते हैं। घूर्णी नली, [42]धातु प्रधार,[43] या दो समानांतर पट्टिका प्रणाली जैसे विशिष्ट संग्राहकों का उपयोग करके नैनोफाइबर को अत्यधिक अनुयोजित अनुक्रम में भी एकत्र किया जा सकता है।[44] जेट प्रवाह गतिविधि और बहुलक सान्द्रता जैसे मापदंडों को एकसमान व्यास और आकृतिविज्ञान के साथ नैनोफाइबर का उत्पादन करने के लिए नियंत्रित किया जाना है।[45]

इलेक्ट्रोसपिनिंग प्रविधि कई प्रकार के बहुलक को नैनोफाइबर में परिवर्तित कर देती है। एक इलेक्ट्रोसपुन नैनोफाइबर जालक्रम बाह्य आधात्री (ECM) के समान दिखता है।[6][46][47] यह समानता इलेक्ट्रोसपिनिंग का एक प्रमुख लाभ है क्योंकि यह तंतु व्यास, उच्च सरंध्रता और यांत्रिक गुणों के संबंध में ईसीएम के अनुकरण करने की संभावना को मुक्त करता है। एक-एक करके निरंतर नैनोफाइबर के बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए इलेक्ट्रोस्पिनिंग को और अधिक विकसित किया जा रहा है।[46]


तापीय-प्रेरित चरण पृथक्करणतापीय

तापीय-प्रेरित चरण पृथक्करण ऊष्मागतिक परिवर्तनों के माध्यम से एक समरूप बहुलक विलयन को बहु-चरण प्रणाली में पृथक करता है।[1][8][48] इस प्रक्रिया में पाँच चरण सम्मिलित हैं: बहुलक विघटन (रसायन विज्ञान), द्रव-द्रव या द्रव-ठोस चरण पृथक्करण, बहुलक जैलीकरण, जल के साथ जेल से विलायक का निष्कर्षण, और निर्वात के अंतर्गत हिमीकरण और हिम शुष्कन है।[1][8]ऊतक पुनर्जनन के लिए मंचक उत्पन्न करने के लिए तापीय-प्रेरित चरण पृथक्करण विधि का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है।[48]

प्रथम चरण में समरूप बहुलक विलयन ऊष्मागतिक रूप से अस्थिर है और उचित तापमान के अंतर्गत बहुलक-उर्वर और बहुलक-तनु प्रावस्था में पृथक हो जाते है। अंततः विलायक निष्कासन के पश्चात, बहुलक-उर्वर चरण आधात्री बनाने के लिए जम जाता है और बहुलक-तनु प्रावस्था छिद्रों में विकसित हो जाते है।[citation needed] आगे, वांछित प्रतिरुप के आधार पर बहुलक विलयन पर दो प्रकार के चरण पृथक्करण किए जा सकते हैं। द्रव-द्रव पृथक्करण का उपयोग सामान्यतः द्विअर्थी चरण संरचनाएं बनाने के लिए किया जाता है जबकि द्रव-ठोस चरण पृथक्करण का उपयोग मणिभ संरचनाएं बनाने के लिए किया जाता है। नैनोफिब्रस मेट्रिसेस के संरध्र आकृति विज्ञान को नियंत्रित करने में जैलीकरण चरण महत्वपूर्ण भूमिका निभाते है। जैलीकरण तापमान, बहुलक एकाग्रता और विलायक गुणों से प्रभावित होते है।[48]तापमान तंतु जालक्रम की संरचना को नियंत्रित करता है: कम जैलीकरण तापमान के परिणामस्वरूप नैनो पैमाने तंतु जालक्रम का निर्माण होता है जबकि उच्च जैलीकरण तापमान पट्टिकाणु जैसी संरचना का निर्माण होता है।[1]बहुलक सांद्रता तंतु गुणों को प्रभावित करती है: बहुलक सांद्रता में वृद्धि सरंध्रता को कम करती है और तन्य ऊर्जा जैसे यांत्रिक गुणों को बढ़ाती है। विलायक गुण मंचक के आकृति विज्ञान को प्रभावित करते हैं। जैलीकरण के पश्चात, विलायक विनिमय के लिए जेल को आसुत जल में रखा जाता है। बाद में, जेल को जल से निकाल दिया जाता है और हिमीकरण और हिम शुष्कन के माध्यम से चला जाता है। इसके पश्चात अभिलक्षणन तक एक जलशुष्कक में संग्रहीत किया जाता है।

आरेखण

आरेखण विधि एक बार में नैनोफाइबर के लंबे एकल तंतु का उत्पादन करती है। अभिकर्षण की प्रक्रिया जमने के साथ होती है, जो घुलित प्रचक्रण सामग्री को ठोस तंतु में परिवर्तित कर देती है।[46][49] शुष्क प्रचक्रण की स्थिति में गलित प्रचक्रण और विलायक के वाष्पीकरण की स्थिति में एक शीतलन चरण आवश्यक है। हालाँकि, एक सीमा यह है कि केवल एक श्यानताप्रत्यस्थ सामग्री जो अभिकर्षण के पर्यन्त विकसित तनावों से बचने के लिए पर्याप्त सामंजस्य रखते हुए व्यापक विकृति से गुजर सकती है, इस प्रक्रिया के माध्यम से नैनोफाइबर में बनाई जा सकती है।[46][50]


रूपदा संश्लेषण

तंतुओं (ठोस नैनोफाइबर) और नलिकाएं (खोखले नैनोफाइबर) बनाने के लिए रूपदा संश्लेषण विधि एक समान व्यास के बेलनाकार छिद्रों से बना एक नैनोपोरस झिल्ली रूपदा का उपयोग करती है।[51][52] इस पद्धति का उपयोग धातु, अर्धचालक और विद्युतीय रूप से प्रवाहकीय बहुलक सहित कई प्रकार की सामग्रियों के तंतुओं और नलिकाओं को तैयार करने के लिए किया जा सकता है।[51][52]समान छिद्र तंतुओं के आयामों को नियंत्रित करने की अनुमति देते हैं इसलिए इस विधि के माध्यम से बहुत छोटे व्यास वाले नैनोफाइबर का उत्पादन किया जा सकता है। हालाँकि, इस पद्धति की एक कमी यह है कि यह एक बार में एक सतत नैनोफाइबर नहीं बना सकता है।

स्वयंजोड़ित

स्वयंजोड़ित प्रविधि का उपयोग पेप्टाइड नैनोफाइबर और पेप्टाइड उभयरागी उत्पन्न करने के लिए किया जाता है। यह विधि अद्वितीय त्रि-आयामी संरचनाओं के साथ प्रोटीन बनाने के लिए एमिनो अम्ल अवशेषों की प्राकृतिक वलन प्रक्रिया से प्रेरित थी।[53] पेप्टाइड नैनोफाइबर की स्वयंजोड़ित प्रक्रिया में विभिन्न ड्राइविंग बल जैसे कि जलविरागी अन्योन्यक्रिया, स्थिरवैद्युत बल, हाइड्रोजन आबंधन और वान्डर वाल्स बल सम्मिलित हैं और यह आयनिक ऊर्जा और पीएच जैसी बाहरी स्थितियों से प्रभावित होती है।[54]


बहुलक सामग्री

घने संयोजी ऊतक के क्रॉस-सेक्शनल क्षेत्र में कोलेजन तंतु।

उनके उच्च सरंध्रता और बड़े सतह क्षेत्र-से-आयतन अनुपात के कारण, जैविक अनुप्रयोगों के लिए मंचको के निर्माण के लिए नैनोफाइबर का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है।[1][2]मंचक उत्पादन में उपयोग किए जाने वाले प्राकृतिक बहुलक के प्रमुख उदाहरण कोलेजन, कोशिका्युलोज, रेशम फाइब्रोइन, केराटिन, जिलेटिन और पॉलीसेकेराइड जैसे कि चिटोसन और एल्गिनेट हैं। कोलेजन कई संयोजी ऊतकों का एक प्राकृतिक बाह्य घटक है। इसकी रेशेदार संरचना, जो व्यास में 50-500 एनएम से भिन्न होती है, कोशिका पहचान, संलगन, प्रसार और विभेदीकरण के लिए महत्वपूर्ण है।[2]इलेक्ट्रोस्पिनिंग, शिह एट अल के माध्यम से उत्पादित टाइप I कोलेजन नैनोफिबर्स के उपयोग में पाया गया कि अभियन्ता कोलेजन मंचक तंतु व्यास बढ़ने के साथ कोशिका आसंजन में वृद्धि और कोशिका अभिगमन में कमी आई।[55] हड्डी के ऊतकों के पुनर्जनन, किम एट अल के विकास के लिए एक परिदर्शक के रूप में रेशम मंचक का उपयोग करना हैं। 8 सप्ताह के पश्चात पूर्ण अस्थि संयोग और 12 सप्ताह के पश्चात दोषों का पूर्ण उपचार देखा गया, जबकि जिस नियंत्रण में हड्डी में मंचक नहीं था, उसी समय अवधि में दोषों का सीमित सुधार प्रदर्शित हुआ।[56] इसी प्रकार, केराटिन, जिलेटिन, चिटोसन और एल्गिनेट मचानों में उत्कृष्ट जैव-अनुकूलता और जैव-सक्रियता प्रदर्शित करते हैं।[2]

हालांकि, प्राकृतिक बहुलक की कोशिकीय पहचान सरलता से एक प्रतिरक्षा प्रतिक्रिया आरंभ कर सकती है।[2][47]फलस्वरूप, संश्लिष्ट बहुलक जैसे पॉली (लैक्टिक अम्ल) (PLA), पॉलीकैप्रोलैक्टोन (PCL), पॉलीयूरेथेन (PU), पॉली (लैक्टिक-सह-ग्लाइकोलिक अम्ल) (PLGA), पॉली (एल-लैक्टाइड) (PLLA) , और पॉली(एथिलीन-सह-विनाइलऐसेटेट) (PEVA) को मचान में एकीकरण के विकल्प के रूप में विकसित किया गया है। जैवनिम्नीकरणीय और जैव संगत होने के कारण, इन संश्लिष्ट बहुलक का उपयोग नैनोमीटर परास के भीतर तंतु व्यास के साथ मेट्रिसेस बनाने के लिए किया जा सकता है। इन संश्लिष्ट बहुलक में से पीसीएल ने शोधकर्ताओं में अधिक उत्साह उत्पन्न किया है।[57] पीसीएल एक प्रकार का जैवनिम्नीकरणीय पॉलिएस्टर है जिसे उत्प्रेरक का उपयोग करके ε-कैप्रोलैक्टोन के वलय विवर्तक बहुलकन के माध्यम से तैयार किया जा सकता है। यह कम विषाक्तता, कम लागत और धीमी गिरावट दर्शाता है। विभेदन और बहुजनन क्षमता (2, 17) में सुधार के लिए पीसीएल को अन्य सामग्रियों जैसे जिलेटिन, कोलेजन, चिटोसन और कैल्शियम फॉस्फेट के साथ जोड़ा जा सकता है।[2][57]PLLA एक अन्य लोकप्रिय संश्लिष्ट बहुलक है। पीएलएलए अपने उन्नत यांत्रिक गुणों, जैवनिम्ननीयता और जैव के लिए जाना जाता है। यह अपने उच्च स्थानिक परस्पर, उच्च सरंध्रता और नियंत्रित संरेखण के कारण कुशल कोशिका अभिगमन क्षमता दर्शाता है।[58] पीएलएलए और पीएलजीए मचान परिवेश के मिश्रण ने उचित बायोमिमेटिक संरचना, अच्छी यांत्रिक ऊर्जा और अनुकूल जैव सक्रियता दिखाई है।

अनुप्रयोग

ऊतक अभियांत्रिकी

अस्थि आधात्री कोलेजन तंतुओं से बना है। नैनोफाइबर मंचकऐसी संरचना की नकल करने में सक्षम हैं।

ऊतक अभियांत्रिकी में, कोशिका वृद्धि और ऊतक पुनर्जनन का समर्थन और मार्गदर्शन करने के लिए एक अत्यधिक संरध्र कृत्रिम बाह्य परिवेश की आवश्यकता होती है।[1][2][59][60] ऐसे मचान बनाने के लिए प्राकृतिक और संश्लिष्ट जैवनिम्नीकरणीय बहुलक का उपयोग किया गया है।[1][2]

साइमन ने 1988 की एनआईएच एसबीआईआर अनुदान प्रतिवेदन में दर्शाया कि इलेक्ट्रोसपिनिंग का उपयोग नैनो और सबमाइक्रोन-पैमाना पॉलीस्टाइरीन और पॉलीकार्बोनेट रेशेदार मैट के उत्पादन के लिए किया जा सकता है, जो विशेष रूप से इन विट्रो कोशिका अवस्तर के रूप में उपयोग के लिए अभिप्रेत है। कोशिका संवर्धन और ऊतक अभियांत्रिकी के लिए इलेक्ट्रोस्पन रेशेदार जाली के इस आरंभिक उपयोग से ज्ञात हुआ कि मानव अग्रच्छद रेशकोरक (HFF), रूपांतरित मानव उपकलार्बुद (HEp-2), और मिंक श्वासकोश उपकला (MLE) तंतुओं का पालन और प्रसार करेंगे।[61][62]

नैनोफाइबर मचानों का उपयोग हड्डी के ऊतक अभियांत्रिकी में हड्डियों के प्राकृतिक बाह्य परिवेश को अनुहारक करने के लिए किया जाता है।[8] हड्डी के ऊतकों को या तो एक सघन या आबंधक प्रतिरूप में व्यवस्थित किया जाता है और संगठित संरचनाओं से बना होता है, जो सेंटीमीटर परिसर से लेकर नैनोमीटर पैमाने तक की लंबाई में भिन्न होता है। गैर-खनिज कार्बनिक घटक (अर्थात टाइप 1 कोलेजन), खनिजयुक्त अकार्बनिक घटक (अर्थात हाइड्रॉक्सियापटाइट), और कई अन्य गैर-कोलेजेनस परिवेश प्रोटीन (अर्थात ग्लाइकोप्रोटीन और प्रोटीओग्लिएकन्स) हड्डी ईसीएम की नैनोकम्पोजिट संरचना बनाते हैं।[59]कार्बनिक कोलेजन तंतु और अकार्बनिक खनिज लवण ईसीएम को क्रमशः सुनम्यता और कठोरता प्रदान करते हैं।

हालांकि हड्डी एक गतिशील ऊतक है जो मामुली चोट लगने पर अपने आप ठीक हो सकता है, यह हड्डी के अर्बुद के उच्छेदन (सर्जरी) और गंभीर असंयोग अस्थिभंग जैसे बड़े दोषों का अनुभव करने के पश्चात् पुन: उत्पन्न नहीं हो सकता है क्योंकि इसमें उपयुक्त रूपदा का अभाव है।[1][8] वर्तमान में, मानक उपचार स्वरोपण है जिसमें रोगी के अपने शरीर में एक गैर-महत्वपूर्ण और सरलता से सुगम्य स्थिति (अर्थात इलियाक क्रेस्ट) से दाता की हड्डी प्राप्त करना और इसे दोषपूर्ण स्थिति में प्रतिरोपण करना सम्मिलित है। स्वजात हड्डी के प्रत्यारोपण का सबसे अच्छा नैदानिक ​​परिणाम है क्योंकि यह परपोषी हड्डी के साथ दृढ़ता से एकीकृत होता है और प्रतिरक्षा प्रणाली के साथ जटिलताओं से बच सकता है।[63] परन्तु इसका उपयोग इसकी कम आपूर्ति और सस्य प्रक्रिया से जुड़े दाता स्थल रुग्णता द्वारा सीमित है।[59]इसके अतिरिक्त, स्वरोपण हड्डियां असंतुलित होती हैं और इसलिए पोषक तत्वों के प्रसार पर निर्भर होती हैं, जो मेजबान में उनकी व्यवहार्यता को प्रभावित करती हैं।[63]शरीर में उच्च रीमॉडेलिंग दरों के कारण अस्थिजनन पूरा होने से पहले ग्राफ्ट को भी पुनर्जीवित किया जा सकता है।[59][63]हड्डी की गंभीर क्षति के इलाज के लिए एक और रणनीति एलोग्राफ़्ट है जो मानव शव से काटी गई हड्डियों का प्रत्यारोपण करती है। हालांकि, एलोग्राफ्ट्स मेजबान में बीमारी और संक्रमण के जोखिम का परिचय देते हैं।[63]

अस्थि ऊतक अभियांत्रिकी हड्डी की चोटों और विकृतियों के इलाज के लिए एक बहुमुखी प्रतिक्रिया प्रस्तुत करती है। इलेक्ट्रोसपिनिंग के माध्यम से उत्पादित नैनोफिबर्स विशेष रूप से प्राकृतिक बाह्य आधात्री की वास्तुकला और विशेषताओं की नकल करते हैं। इन मचानों का उपयोग बायोएक्टिव एजेंटों को वितरित करने के लिए किया जा सकता है जो ऊतक पुनर्जनन को बढ़ावा देते हैं।[2]ये बायोएक्टिव सामग्री आदर्श रूप से हड्डियों मे परिवर्तन, बोन ग्राफ्टिंग और ओसियोइंटीग्रेशन होनी चाहिए।[59]ऑटोलॉगस या एलोजेनिक हड्डी को परिवर्तित करने के उद्देश्य से अस्थि स्थानापन्न सामग्री में बायोएक्टिव सिरेमिक, बायोएक्टिव ग्लास और जैविक और संश्लिष्ट बहुलक सम्मिलित हैं। बोन टिश्यू अभियांत्रिकी का आधार यह है कि सामग्री को फिर से अवशोषित किया जाएगा और समय के साथ शरीर के अपने नए पुनर्जीवित जैविक ऊतक द्वारा प्रतिस्थापित किया जाएगा।[60]

ऊतक अभियांत्रिकी केवल हड्डी तक ही सीमित नहीं है: बड़ी मात्रा में अनुसंधान उपास्थि के लिए समर्पित है,[64] बंधन,[65] कंकाल की मांसपेशी,[66] त्वचा,[67] नस,[68] और तंत्रिका ऊतक अभियांत्रिकी[69] भी।

दवा वितरण

ड्रग्स और बायोबहुलक्स को सरल सोखना, नैनोकणों के सोखने और मल्टीलेयर असेंबली के माध्यम से नैनोफाइबर पर लोड किया जा सकता है।

निर्धारित लक्ष्य तक चिकित्सा विज्ञान की सफल डिलीवरी अधिक हद तक दवा वाहक की पसंद पर निर्भर करती है। एक आदर्श दवा वाहक के मानदंड में लक्ष्य अंग तक दवा की डिलीवरी पर अधिकतम प्रभाव, अंग तक पहुंचने की प्रक्रिया में शरीर की प्रतिरक्षा प्रणाली की चोरी, चिकित्सीय अणुओं को प्रारंभिक चरणों से अंतिम वितरण तक बनाए रखना सम्मिलित है। दवा, और इच्छित चिकित्सीय प्रभाव के परिश्रम के लिए दवा का उचित विमोचन।[9] नैनोफाइबर संभावित दवा वाहक उम्मीदवार के रूप में अध्ययन कर रहे हैं।[10][11][70] जिलेटिन और एल्गिनेट जैसे प्राकृतिक बहुलक वाहक नैनोफाइबर के लिए अच्छे फैब्रिकेशन बायोमटेरियल बनाते हैं क्योंकि उनकी जैव अनुकूलता और जैव-निम्नीकरण के परिणामस्वरूप क्रमशः मेजबान के ऊतक को कोई नुकसान नहीं होता है और मानव शरीर में कोई जहरीला संचय नहीं होता है। उनके बेलनाकार आकृति विज्ञान के कारण, नैनोफिबर्स में एक उच्च सतह क्षेत्र-से-आयतन अनुपात होता है। फलस्वरूप, तंतु में उच्च दवा-लोडिंग क्षमता होती है और बड़े सतह क्षेत्र में उपचारात्मक अणुओं को छोड़ सकते हैं।[9][47]जबकि सतह क्षेत्र से आयतन अनुपात को केवल गोलाकार पुटिकाओं के लिए त्रिज्या को समायोजित करके नियंत्रित किया जा सकता है, लंबाई और क्रॉस-अनुभागीय त्रिज्या दोनों को अलग करके अनुपात को नियंत्रित करने में नैनोफाइबर की स्वतंत्रता की अधिक डिग्री होती है। दवा वितरण प्रणाली में उनके आवेदन के लिए यह समायोजन महत्वपूर्ण है जिसमें कार्यात्मक मापदंडों को ठीक से नियंत्रित करने की आवश्यकता होती है।[9]

प्रारंभिक अध्ययनों से संकेत मिलता है कि इलेक्ट्रोसपिनिंग से पहले बहुलक विलयन में दवा जोड़कर एंटीबायोटिक्स और एंटीकैंसर दवाओं को इलेक्ट्रोस्पन नैनोफिबर्स में समझाया जा सकता है।[71][72] सरफेस-लोडेड नैनोफाइबर स्कैफोल्ड सर्जरी के बाद आंतरिक अंगों और ऊतकों के मध्य एडहेसिव बैरियर के रूप में उपयोगी होते हैं।[73][74] आसंजन उपचार प्रक्रिया के पर्यन्त होता है और पुराने दर्द और पुनर्संयोजन विफलता जैसी जटिलताओं को ला सकता है।[73][74][75]


कैंसर निदान

यद्यपि विकृति विज्ञान ट्यूमर में बायोमार्कर की उपस्थिति के परीक्षण में आणविक लक्षण वर्णन के लिए वर्तमान मानक विधि है, ये एकल-नमूना विश्लेषण ट्यूमर की विविध जीनोमिक प्रकृति के लिए जिम्मेदार नहीं हैं।[15] आक्रामक प्रकृति, मनोवैज्ञानिक तनाव, और रोगियों में बार-बार ट्यूमर बायोप्सी से उत्पन्न वित्तीय बोझ को ध्यान में रखते हुए, बायोमार्कर जिन्हें कम से कम इनवेसिव प्रक्रियाओं के माध्यम से आंका जा सकता है, जैसे कि रक्त ड्रॉ, सटीक दवा में प्रगति का अवसर बनता है।

द्रव बायोप्सी एक विकल्प है जो ठोस ट्यूमर बायोप्सी के विकल्प के रूप में तेजी से लोकप्रिय हो रहा है।[15][16] यह केवल एक रक्त ड्रॉ है जिसमें परिसंचारी ट्यूमर कोशिकाएं (CTCs) होती हैं जो ठोस ट्यूमर से रक्तप्रवाह में बहा दी जाती हैं। मेटास्टेटिक कैंसर वाले मरीजों के रक्तप्रवाह में पता लगाने योग्य सीटीसी होने की संभावना अधिक होती है, परन्तु स्थानीय बीमारियों वाले रोगियों में भी सीटीसी उपस्थित होते हैं। यह पाया गया है कि मेटास्टैटिक प्रोस्टेट और कोलोरेक्टल कैंसर वाले रोगियों के रक्तप्रवाह में उपस्थित सीटीसी की संख्या ट्यूमर के समग्र अस्तित्व का पूर्वानुमान है।[17][76] सीटीसी को रोग के प्रारंभिक चरणों में पूर्वानुमान की सूचना देने के लिए भी प्रदर्शित किया गया है।[77]

तीसरी पीढ़ी के थर्मोरेस्पॉन्सिव चिप का सीटीसी कैप्चर और रिलीज मैकेनिज्म।

हाल ही में, के एट अल। एक NanoVelcro चिप विकसित की है जो रक्त के नमूनों से CTCs को कैप्चर करती है।[16]जब रक्त चिप के माध्यम से पारित किया जाता है, तो प्रोटीन एंटीबॉडी के साथ लेपित नैनोफाइबर कैंसर कोशिकाओं की सतह पर व्यक्त प्रोटीन से जुड़ जाते हैं और विश्लेषण के लिए सीटीसी को फंसाने के लिए वेल्क्रो की तरह कार्य करते हैं। NanoVelcro CTC विकास की तीन पीढ़ियों से गुज़रा है। पहली पीढ़ी की नैनो वेल्क्रो चिप कैंसर के पूर्वानुमान, मंचन और गतिशील निगरानी के लिए सीटीसी गणना के लिए बनाई गई थी।[78] दूसरी पीढ़ी के NanoVelcro-LCM को सिंगल-कोशिका CTC आइसोलेशन के लिए विकसित किया गया था।[79][80] व्यक्तिगत रूप से पृथक सीटीसी को एकल-सीटीसी जीनोटाइपिंग के अधीन किया जा सकता है। सीटीसी शुद्धिकरण के लिए तीसरी पीढ़ी के थर्मोरेस्पॉन्सिव चिप की अनुमति है।[16][81] नैनोफाइबर बहुलक ब्रश सीटीसी को पकड़ने और जारी करने के लिए तापमान पर निर्भर गठनात्मक परिवर्तन से गुजरते हैं।

लिथियम-एयर बैटरी

कई उन्नत इलेक्ट्रोकेमिकल ऊर्जा भंडारण उपकरणों में, रिचार्जेबल लिथियम-एयर बैटरी | लिथियम-एयर बैटरी उनकी अधिक ऊर्जा भंडारण क्षमता और उच्च ऊर्जा घनत्व के कारण विशेष रुचि रखते हैं।[18][19] चूंकि बैटरी का उपयोग किया जा रहा है, लिथियम आयन वायु से ऑक्सीजन के साथ मिलकर लिथियम ऑक्साइड के कण बनाते हैं, जो विद्युदग्र पर कार्बन तंतु से जुड़ते हैं। रिचार्जिंग के पर्यन्त, लिथियम ऑक्साइड फिर से लिथियम और ऑक्सीजन में अलग हो जाते हैं जो वापस वातावरण में छोड़े जाते हैं। यह रूपांतरण अनुक्रम अत्यधिक अक्षम है क्योंकि आउटपुट वोल्टता और बैटरी के चार्जिंग वोल्टता के मध्य 1.2 वोल्ट से अधिक का महत्वपूर्ण वोल्टता अंतर है, जिसका अर्थ है कि बैटरी चार्ज होने पर लगभग 30% विद्युत ऊर्जा गर्मी के रूप में खो जाती है।[18]इसके अतिरिक्त गैसीय और ठोस अवस्था के मध्य ऑक्सीजन के निरंतर रूपांतरण के परिणामस्वरूप होने वाली बड़ी मात्रा में परिवर्तन विद्युदग्र पर तनाव डालता है और इसके जीवनकाल को सीमित करता है।

लिथियम-एयर बैटरी का योजनाबद्ध। नैनोफाइबर आधारित लिथियम-एयर बैटरी के लिए, कैथोड कार्बन नैनोफाइबर से बना होगा।

इन बैटरियों का प्रदर्शन कैथोड बनाने वाली सामग्री की विशेषताओं पर निर्भर करता है। कार्बन सामग्री को उनके उत्कृष्ट विद्युत चालकता, बड़े सतह क्षेत्रों और रासायनिक स्थिरता के कारण व्यापक रूप से कैथोड के रूप में उपयोग किया जाता है।[20][82] लिथियम-एयर बैटरी के लिए विशेष रूप से प्रासंगिक, कार्बन सामग्री धातु ऑक्साइड का समर्थन करने के लिए सबस्ट्रेट्स के रूप में कार्य करती है। बाइंडर-मुक्त इलेक्ट्रोस्पन कार्बन नैनोफाइबर विशेष रूप से लिथियम-ऑक्सीजन बैटरी में विद्युदग्र में उपयोग किए जाने वाले अच्छे संभावित उम्मीदवार हैं क्योंकि उनके पास कोई बाइंडर्स नहीं है, खुली मैक्रोपोरस संरचनाएं हैं, कार्बन हैं जो ऑक्सीजन में कमी प्रतिक्रियाओं का समर्थन करते हैं और उत्प्रेरित करते हैं, और बहुमुखी प्रतिभा रखते हैं।[83]

झू एट अल। एक नया कैथोड विकसित किया जो लिथियम और ऑक्सीजन को विद्युदग्र में संग्रहीत कर सकता है जिसे उन्होंने नैनोलिथिया नाम दिया है जो समय-समय पर कोबाल्ट ऑक्साइड नैनोपार्टिकल्स के साथ एम्बेडेड कार्बन नैनोफाइबर का एक आधात्री है।[84] ये कोबाल्ट ऑक्साइड सामान्य रूप से अस्थिर सुपरऑक्साइड युक्त नैनोलिथिया को स्थिरता प्रदान करते हैं। इस डिज़ाइन में ऑक्सीजन को LiO के रूप में संग्रहित किया जाता है2 और चार्जिंग और मुक्तिंग के पर्यन्त गैसीय और ठोस रूपों के मध्य परिवर्तित नहीं होता है। जब बैटरी मुक्त हो रही होती है, तो नैनोलिथिया में लिथियम आयन और ली बनाने के लिए आधात्री सुपरऑक्साइड ऑक्सीजन के साथ प्रतिक्रिया करते हैं2O2, और ली2O. इन रूपों के मध्य संक्रमण के पर्यन्त ऑक्सीजन अपनी ठोस अवस्था में रहती है। इन संक्रमणों की रासायनिक प्रतिक्रियाएं विद्युत ऊर्जा प्रदान करती हैं। चार्ज करने के पर्यन्त, संक्रमण रिवर्स में होता है।

प्रकाशिक संवेदक

बहुलक प्रकाशिक तंतु ने हाल के वर्षों में बढ़ती रुचि पैदा की है।[21][22] कम लागत, संचालन में सरलता, लंबी तरंग दैर्ध्य पारदर्शिता, महान लचीलापन और जैव अनुकूलता के कारण, बहुलक प्रकाशिक तंतु कम दूरी की जालक्रमिंग, प्रकाशिक सेंसिंग और पावर डिलीवरी के लिए अधिक संभावनाएं दिखाते हैं।[23][85]

इलेक्ट्रोस्पन नैनोफाइबर प्रकाशिक संवेदक के लिए विशेष रूप से उपयुक्त हैं क्योंकि संवेदक की संवेदनशीलता प्रति इकाई द्रव्यमान में बढ़ते सतह क्षेत्र के साथ बढ़ती है। प्रतिदीप्ति शमन के माध्यम से आयनों और ब्याज के अणुओं का पता लगाकर प्रकाशिक सेंसिंग कार्य करता है। वांग एट अल। धातु आयन (Fe3+ और पारा2+) और 2,4-डाइनिट्रोटोलुइन|2,4-डाइनिट्रोटोलुइन (DNT) इलेक्ट्रोसपिनिंग प्रविधि का उपयोग करके पता लगाना।[21]

क्वांटम डॉट्स उच्च प्रकाशिक लाभ और फोटोकैमिकल रिएक्शन स्थिरता सहित उपयोगी प्रकाशिक और विद्युत गुण दिखाते हैं। बहुलक नैनोफाइबर में विभिन्न प्रकार के क्वांटम डॉट्स को सफलतापूर्वक सम्मिलित किया गया है।[86] मेंग एट अल। दिखाया गया है कि नमी का पता लगाने के लिए क्वांटम डॉट-डोप्ड बहुलक नैनोफाइबर संवेदक कम बिजली की खपत की आवश्यकता होने पर तेजी से प्रतिक्रिया, उच्च संवेदनशीलता और दीर्घकालिक स्थिरता दिखाता है।[87]

केली एट अल। एक संवेदक विकसित किया जो पहले उत्तरदाताओं को चेतावनी देता है जब उनके श्वासयंत्र में कार्बन निस्यंदक जहरीले धुएं के कणों से संतृप्त हो जाते हैं।[24] श्वासयंत्र में सामान्यतः सक्रिय लकड़ी का कोयला होता है जो वायुजनित विषाक्त पदार्थों को फँसाता है। जैसे-जैसे निस्यंदक संतृप्त होते जाते हैं, रसायन गुजरने लगते हैं और श्वासयंत्र बेकार हो जाते हैं। फ़िल्टर कब खर्च किया जाता है यह सरलता से निर्धारित करने के लिए, केली और उनकी टीम ने कार्बन नैनोफाइबर से बने संवेदक से लैस एक मुखौटा विकसित किया जो फोटोनिक क्रिस्टल नामक संरचनाओं को दोहराता है जो प्रकाश की विशिष्ट तरंग दैर्ध्य को दर्शाता है। संवेदक एक इंद्रधनुषी रंग प्रदर्शित करते हैं जो तब परिवर्तित करता है जब तंतु विषाक्त पदार्थों को अवशोषित करते हैं।

वायु निस्पंदन

फर्नीचर पर पेंट और सुरक्षात्मक कोटिंग्स में टोल्यून और फॉर्मल्डेहाइड जैसे वाष्पशील कार्बनिक यौगिक होते हैं।

इलेक्ट्रोस्पन नैनोफाइबर वायुमंडल से वाष्पशील कार्बनिक यौगिक (वीओसी) को हटाने के लिए उपयोगी होते हैं। शोल्टेन एट अल। पता चला है कि इलेक्ट्रोसपुन नैनोफिब्रस झिल्ली द्वारा वीओसी का सोखना और उजाड़ना पारंपरिक सक्रिय कार्बन की दरों की तुलना में तेज था।[25]

खनन उपकरण के कर्मियों के केबिन में वायुई संदूषण खनन श्रमिकों, खनन उद्योगों और खान सुरक्षा और स्वास्थ्य प्रशासन (एमएसएचए) जैसी सरकारी एजेंसियों के लिए चिंता का विषय है। खनन उपकरण निर्माताओं और MSHA के साथ हाल के कार्य से पता चला है कि नैनोफाइबर निस्यंदक मीडिया मानक कोशिका्यूलोज निस्यंदक मीडिया की तुलना में केबिन की धूल की सघनता को अधिक हद तक कम कर सकता है।[26] लोगों को वाइरस , जीवाणु , धुंध, धूल, एलर्जी और अन्य कणों से बचाने के लिए मास्क में नैनोफाइबर का उपयोग किया जा सकता है। निस्पंदन दक्षता लगभग 99.9% है और निस्पंदन का सिद्धांत यांत्रिक है। नैनोफाइबर वेब में वायु के कण छिद्रों से बड़े होते हैं, परन्तु ऑक्सीजन के कण इतने छोटे होते हैं कि वे सरलता से निकल जाते हैं।

तेल-जल जुदाई

नैनोफाइबर में तेल-जल पृथक्करण की क्षमता होती है, विशेष रूप से सोखने की प्रक्रिया में जब उपयोग की जाने वाली सामग्री में ओलेओफिलिक और हाइड्रोफोबिक सतहें होती हैं। ये विशेषताएँ नैनोफाइबर को एक उपकरण के रूप में उपयोग करने में सक्षम बनाती हैं - घरेलू घरेलू और औद्योगिक गतिविधियों से तैलीय अपशिष्ट जल, या तेल परिवहन गतिविधियों से तेल नीचे समुद्र में चला जाता है और एक जहाज पर तेल टैंक की सफाई।< रेफरी नाम = सरबतली आर। 2016 8-16 />

सामान्य वस्त्र उद्योग

नैनोफाइबर झिल्लिका के साथ सामान्य वस्त्र उद्योग आधुनिक नैनोफाइबर प्रविधि पर आधारित है, जहां झिल्लिका के कोर में मानव बाल की तुलना में 1000 × पतले व्यास वाले तंतु होते हैं। प्रति वर्ग सेंटीमीटर 2,5 बिलियन से अधिक छिद्रों वाली यह अत्यधिक घनी छलनी वाष्प हटाने के साथ अधिक कुशलता से कार्य करती है और जल प्रतिरोध का उन्नत स्तर लाती है। संख्याओं की भाषा में, नैनोफाइबर वस्त्र उद्योग निम्नलिखित मापदण्ड लाते है:

·       RET 1.0 वाष्प पारगम्यता और 10,000 मिमी जल स्तंभ (श्वास-योग्यता को वरीयता प्रदान करने वाला संस्करण)

·       RET 4.8 वाष्प पारगम्यता और 30,000 मिमी जल स्तंभ (जल प्रतिरोध को वरीयता प्रदान करने वाला संस्करण)

नैनोफाइबर परिधान और जूते की झिल्लियों में पॉलीयुरेथेन होता है इसलिए इसका उत्पादन प्रकृति के लिए हानिकारक नहीं है। नैनोफाइबर से बने सामान्य वस्त्र से लेकर झिल्लिका को पुनर्चक्रण किया जा सकता है।

यह भी देखें

संदर्भ

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