मस्तिष्क को प्रिंट करने की दिशा में
"दो-फोटोन पॉलीमराइजेशन का उच्च रिज़ॉल्यूशन माइक्रो और नैनोमीटर रेंज में विवरण प्रिंट करना संभव बनाता है और इसलिए यह कपाल तंत्रिकाओं की इमेजिंग के लिए बहुत उपयुक्त है।"
वियेना चिकित्सा विश्वविद्यालय
चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग (MRI) शोध और नैदानिक सेटिंग्स दोनों में जीवित मानव मस्तिष्क की जांच के लिए एक अनिवार्य उपकरण बन गया है। हालाँकि, एक सीमा यह रही है कि ज्ञात स्वर्ण मानकों के विरुद्ध MRI निष्कर्षों को कठोरता से मान्य करने में कठिनाई होती है। अब, यूरोप में वैज्ञानिकों की एक टीम ने एक सफल समाधान का प्रदर्शन किया है - बायोमिमेटिक "ब्रेन फैंटम" बनाने के लिए उच्च परिशुद्धता 3D प्रिंटिंग का उपयोग करना जो प्रसार MRI (dMRI) जैसी MRI तकनीकों को मान्य करने के लिए ग्राउंड ट्रुथ मॉडल के रूप में काम कर सकता है। एडवांस्ड मैटेरियल्स टेक्नोलॉजीज में प्रकाशित उनके काम से पता चलता है कि मस्तिष्क संरचना और कनेक्टिविटी की गैर-आक्रामक जांच के रूप में MRI को आगे बढ़ाने की महत्वपूर्ण क्षमता है।
न्यूरोइमेजिंग परिणामों को मान्य करना महत्वपूर्ण है, लेकिन चुनौतीपूर्ण भी है, क्योंकि कई तरीकों का उपयोग करके एक ही मस्तिष्क ऊतक के नमूने पर वास्तव में "स्वर्ण मानक" तुलना करने के साथ स्पष्ट नैतिक चिंताएँ हैं, जिनमें से कुछ आक्रामक हैं। इसे संबोधित करने के लिए, शोधकर्ताओं ने "फैंटम" के रूप में जानी जाने वाली सरलीकृत कृत्रिम परीक्षण वस्तुओं को डिज़ाइन किया है जो ऊतक गुणों की नकल करते हैं। हालाँकि, पारंपरिक फैंटम निर्माण विधियाँ मानव MRI स्कैनर में प्रयोगों के लिए आवश्यक छोटे फीचर साइज़, माइक्रोस्ट्रक्चर पर सख्त नियंत्रण और बड़े नमूना आयामों के संयोजन को प्राप्त करने में असमर्थ थीं।
टू-फ़ोटॉन पॉलीमराइज़ेशन (2PP) 3D प्रिंटिंग में प्रवेश करें। माइक्रो- और नैनोस्केल एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग में अत्याधुनिक माने जाने वाले 2PP में, लिक्विड रेज़िन से परत दर परत, सिर्फ़ कुछ माइक्रोन के व्यास वाली ठोस वस्तुओं को आकार देने के लिए अल्ट्राफ़ास्ट लेज़र पल्स का उपयोग करके असाधारण रूप से उच्च रिज़ॉल्यूशन प्राप्त होता है। हालाँकि, पारंपरिक 2PP से निर्मित संरचनाएँ सिर्फ़ कुछ सौ माइक्रोमीटर के आकार तक ही सीमित हैं।
मेडिकल यूनिवर्सिटी ऑफ वियना और टीयू विएन की शोध टीम ने कई रणनीतियों के माध्यम से इस सीमा को पार किया। सबसे पहले, उन्होंने फोटोरेसिन को सीधे 3D प्रिंटर के फोकसिंग ऑब्जेक्टिव पर लगाया और इसे क्रमिक रूप से कम किया, जिससे संरचनाओं को लंबा बनाया जा सके। दूसरा, उन्होंने बड़े xy क्षेत्रों में फैले बिल्डिंग ब्लॉकों को एक साथ जोड़ने के लिए क्रमिक "टाइलिंग क्षेत्रों" में प्रिंट किया। इन तकनीकों को मिलाकर, उन्होंने मिलीमीटर पैमाने पर आयामों के साथ फैंटम हासिल किया - जो मानव एमआरआई के लिए काफी बड़ा है - जबकि 12 माइक्रोमीटर के रूप में छोटे माइक्रोस्केल फीचर्स को बनाए रखते हुए, सफेद पदार्थ में अक्षतंतु व्यास के बराबर।
अपनी अनुकूलित 2PP प्रक्रिया का उपयोग करते हुए, टीम ने दो प्रूफ-ऑफ-कॉन्सेप्ट फैंटम तैयार किए। "सैंडविच" फैंटम में तीन वैकल्पिक अभिविन्यास परतों में समानांतर चैनल शामिल थे, जबकि "वेफर" फैंटम में प्रत्येक वॉक्सेल वॉल्यूम के भीतर दो लंबवत दिशाओं के बीच वैकल्पिक चैनलों की पंक्तियाँ थीं। दोनों फैंटम में मानव श्वेत पदार्थ घनत्व की नकल करने और एमआरआई के लिए पर्याप्त संकेत प्रदान करने के लिए प्रत्येक में 14,000 से अधिक व्यक्तिगत चैनल शामिल थे।
इमेजिंग और विश्लेषण से पता चला कि 2PP फैंटम MRI के साथ संगत थे और उचित रूप से अनिसोट्रोपिक प्रसार हस्ताक्षर प्रदान करते थे। प्रत्येक फैंटम के भीतर, वॉक्सेल-वार बॉल-एंड-स्टिक मॉडलिंग ने पूर्वनिर्धारित चैनल अभिविन्यासों की सही पहचान की। जब फाइबर ट्रैकिंग एल्गोरिदम के साथ संसाधित किया गया, तो परिणाम डिज़ाइन किए गए समानांतर और क्रॉसिंग व्यवस्थाओं से सहमत थे। मापों ने पुष्टि की कि सामग्री ने नगण्य चुंबकीय क्षेत्र विकृतियों को प्रेरित किया।
2PP प्रिंटिंग क्षमताओं के प्रदर्शन के अलावा, ये प्रारंभिक फैंटम dMRI सत्यापन में सुधार के लिए दरवाजे खोलते हैं। भविष्य के काम में घुमावदार या चुंबन फाइबर ज्यामिति को शामिल किया जा सकता है जो मानव श्वेत पदार्थ की जटिलता का बेहतर अनुमान लगाती है। प्रत्येक अनुकूलित फैंटम तब ग्राउंड ट्रुथ के रूप में कार्य करेगा जिसके विरुद्ध MRI निष्कर्षों को बेंचमार्क किया जा सकता है। माइक्रोस्ट्रक्चरल मापदंडों पर इस स्तर का सख्त नियंत्रण dMRI फैंटम में पहले कभी संभव नहीं था।
शोधकर्ताओं के अनुसार, उनके परिणाम 3D बायोमिमेटिक मचानों के निर्माण के लिए नए मानक स्थापित करते हैं। 2PP निर्माण की बहुमुखी प्रतिभा अनिवार्य रूप से किसी भी मनमाने अक्षतंतु पथ ज्यामिति को वास्तविक तंत्रिका ऊतकों के करीब सटीकता के साथ दोहराने की अनुमति देती है। आगे के अनुकूलन के साथ, और भी बड़े और अधिक शारीरिक रूप से सटीक मस्तिष्क प्रेत प्राप्त किए जा सकते हैं।
सटीक dMRI ग्राउंड ट्रुथ मॉडलिंग को सक्षम करके, ऐसे फैंटम के दूरगामी निहितार्थ हैं। वे श्वेत पदार्थ सूक्ष्म संरचना के आधार पर रोग की स्थिति या अंतर का पता लगाने के लिए संवेदनशीलता और विशिष्टता निर्धारित करने के प्रयासों को बढ़ाएंगे। महत्वपूर्ण रूप से, वे श्वेत पदार्थ ट्रैक्टोग्राफी मैपिंग जैसी विशेष विश्लेषण तकनीकों को मान्य कर सकते हैं, जो आज नियंत्रित परीक्षण मामलों के बिना चुनौतीपूर्ण है। यह नैदानिक अनुप्रयोगों के लिए तर्कों को मजबूत करेगा और अधिक पुनरुत्पादनीय तंत्रिका विज्ञान अनुसंधान को बढ़ावा देगा। अंततः, नए मस्तिष्क फैंटम एमआरआई का उपयोग करके मानव मस्तिष्क कनेक्टिविटी की गैर-आक्रामक जांच करने के लिए ठोस सुधारों की घोषणा करते हैं।
परिष्कृत 3D प्रिंटिंग के रचनात्मक अनुप्रयोग के माध्यम से, यह शोध एक प्रमुख तकनीकी उपलब्धि को प्रदर्शित करता है और प्रसार एमआरआई के क्षेत्र में प्रमुख सत्यापन आवश्यकताओं को संबोधित करने के लिए एक रूपरेखा प्रदान करता है। सूक्ष्म संरचनात्मक गुणों पर अभूतपूर्व नियंत्रण के साथ सटीक बायोमिमेटिक ऊतक मॉडल तैयार करके, यह एक महत्वपूर्ण आधार स्थापित करता है जो इस शक्तिशाली न्यूरोइमेजिंग विधि को विकसित करने और लागू करने में प्रगति को बढ़ावा देना चाहिए। अब जब उन्होंने दो-फोटोन पॉलीमराइजेशन 3D प्रिंटिंग द्वारा उत्पादित उच्च-रिज़ॉल्यूशन ब्रेन फैंटम की व्यवहार्यता और उपयोगिता को दिखाया है, तो शोधकर्ता इस दृष्टिकोण को परिष्कृत करने की योजना बना रहे हैं ताकि इसकी पूरी क्षमता का एहसास हो सके। उनका काम इस बात का उदाहरण है कि कैसे एक बार बहुत सीमित मानी जाने वाली तकनीकों को नई वैज्ञानिक संभावनाओं को खोलने के लिए सरलता से अनुकूलित किया जा सकता है।
संदर्भ
- माइकल वोलेट्ज़, फ्रांज़िस्का चालुपा-गैंटनर, बेनेडिक्ट हेगर, अलेक्जेंडर रिके, सियावूश मोहम्मदी, स्टीफन बिंदर, स्टीफन बॉडिस, अलेक्जेंडर ओवसियानिकोव, क्रिश्चियन विंडिशबर्गर, ज़ोल्टन नागी। मस्तिष्क को प्रिंट करने की ओर: एमआरआई के लिए एक माइक्रोस्ट्रक्चरल ग्राउंड ट्रुथ फैंटम । एडवांस्ड मैटेरियल्स टेक्नोलॉजीज , 2024; 9 (3) DOI: 10.1002/admt.202300176
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