प्रोटीन-जैसे नैनोकण बढ़ते क्रिस्टल के अंदर स्वयं-व्यवस्थित होते हैं, नियंत्रित रिलीज को सक्षम करते हैं

परिचय: हाइब्रिड सामग्रियों के लिए प्रकृति का खाका

हड्डी की उल्लेखनीय लचीलापन, दांतों की कठोरता, और सीप के गोले की इंद्रधनुषी सुंदरता सभी प्रकृति की नरम कार्बनिक अणुओं को कठोर अकार्बनिक क्रिस्टल के साथ मिलाने की क्षमता से उत्पन्न होती है। हड्डी में, लचीले कोलेजन फाइबर एक मचान प्रदान करते हैं जो कठोर कैल्शियम फॉस्फेट क्रिस्टल द्वारा प्रबलित होता है, जिसके परिणामस्वरूप एक ऐसी सामग्री बनती है जो मजबूत और हल्की दोनों होती है। कार्बनिक और अकार्बनिक घटकों का यह जटिल मिश्रण, जिसे बायोमिनरलाइजेशन के रूप में जाना जाता है, ने लंबे समय से वैज्ञानिकों को इन प्राकृतिक कंपोजिट की नकल करने वाली सिंथेटिक सामग्री बनाने के लिए प्रेरित किया है।

अब, शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस लक्ष्य की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम उठाया है, यह प्रदर्शित करके कि विशेष रूप से डिज़ाइन किए गए पॉलिमर नैनोकण बढ़ते कैल्साइट क्रिस्टल के भीतर अलग-अलग क्षेत्रों में खुद को क्रमबद्ध कर सकते हैं, जैसे प्राकृतिक बायोमिनरल्स में प्रोटीन करते हैं। नेचर कम्युनिकेशंस में प्रकाशित निष्कर्ष, दवा वितरण, उत्प्रेरण, और अन्य अनुप्रयोगों के लिए नियंत्रित रिलीज गुणों वाली नई सामग्री बना सकते हैं।

बायोमिनरल्स की नकल करने की चुनौती

सिंथेटिक कंपोजिट बनाना जो प्राकृतिक बायोमिनरल्स के सटीक संगठन को दोहराते हैं, एक कठिन चुनौती है। प्रकृति में, प्रोटीन और अन्य कार्बनिक अणु अत्यधिक नियंत्रित तरीके से क्रिस्टल में शामिल होते हैं, जिसके परिणामस्वरूप अक्सर उल्लेखनीय यांत्रिक गुणों वाली सामग्री बनती है। उदाहरण के लिए, नैक्रे (मोती की माँ) अपनी ताकत अर्गोनाइट प्लेटलेट्स और कार्बनिक मैट्रिक्स की परतदार संरचना के माध्यम से प्राप्त करता है।

सिंथेटिक क्रिस्टल में कार्बनिक अणुओं को शामिल करने के पिछले प्रयासों के परिणामस्वरूप अक्सर यादृच्छिक वितरण हुआ है, जिसमें प्रकृति में देखी गई स्थानिक संगठन की कमी है। आदेश प्राप्त करने की कुंजी कार्बनिक योजक और बढ़ते क्रिस्टल सतह के बीच बातचीत में निहित है। योजक के आकार, आकृति और सतह रसायन को ट्यून करके, उनके समावेश और व्यवस्था को नियंत्रित करना संभव हो सकता है।

प्रोटीन-जैसे नैनोकणों को डिजाइन करना

इस अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने दो प्रकार के डिब्लॉक कॉपोलीमर नैनोकणों को इंजीनियर किया जो प्रोटीन के आकार और सतह गुणों की नकल करते हैं। पहले प्रकार, जिसे S56B500 कहा जाता है, लगभग 100 नैनोमीटर व्यास वाले ठोस गोले थे। उनमें पॉली (बेंज़िल मेथैक्रिलेट) कोर और लाल फ्लोरोसेंट डाई के साथ टैग की गई सल्फेट युक्त पॉलिमर श्रृंखलाओं का एक खोल शामिल था। दूसरे प्रकार, M54B200, लगभग 300 नैनोमीटर के पार, खोखले, पुटिका जैसे कण थे, जिनमें एक ही पॉलिमर कोर था लेकिन हरे फ्लोरोसेंट डाई के साथ टैग की गई कार्बोक्सिलेट युक्त बाहरी शेल थी।

इन नैनोकणों को अलग-अलग सतह रसायनों के लिए डिज़ाइन किया गया था: गोले पर सल्फेट समूह दृढ़ता से नकारात्मक रूप से चार्ज होते हैं, जबकि पुटिकाओं पर कार्बोक्सिलेट समूह भी नकारात्मक रूप से चार्ज होते हैं लेकिन कैल्शियम आयनों के लिए अलग बंधन आत्मीयता के साथ। यह अंतर नैनोकणों के बढ़ते कैल्साइट क्रिस्टल के साथ बातचीत करने के तरीके को प्रभावित करने की उम्मीद थी।

क्रिस्टल विकास के दौरान स्व-सॉर्टिंग

जब दोनों प्रकार के नैनोकणों के मिश्रण की उपस्थिति में कैल्साइट क्रिस्टल उगाए गए, तो शोधकर्ताओं ने एक उल्लेखनीय घटना देखी: नैनोकणों ने क्रिस्टल के भीतर अलग-अलग क्षेत्रों में खुद को क्रमबद्ध किया। लाल-फ्लोरोसेंट गोले कुछ क्षेत्रों में केंद्रित थे, जबकि हरे-फ्लोरोसेंट पुटिकाओं ने अन्य क्षेत्रों पर कब्जा कर लिया। यह स्व-सॉर्टिंग व्यवहार सतह रसायन विज्ञान में अंतर से प्रेरित था, जिसने क्रिस्टल सतह के लिए नैनोकणों की आत्मीयता और उनकी समावेशन दर को प्रभावित किया।

कन्फोकल फ्लोरेसेंस माइक्रोस्कोपी का उपयोग करके, टीम ने क्रिस्टल के भीतर नैनोकणों के वितरण की कल्पना की। छवियों ने स्पष्ट रूप से लाल और हरे फ्लोरेसेंस के अलग-अलग डोमेन दिखाए, यह दर्शाता है कि नैनोकण बेतरतीब ढंग से मिश्रित नहीं हुए बल्कि संगठित पैटर्न बनाए। यह सिंथेटिक क्रिस्टल प्रणाली में इस तरह के स्व-सॉर्टिंग का पहला प्रदर्शन है।

स्व-सॉर्टिंग के पीछे तंत्र

स्व-सॉर्टिंग तंत्र नैनोकण गोले की कैल्साइट सतह के लिए अलग-अलग बंधन आत्मीयता से उत्पन्न होने के लिए सोचा जाता है। गोले पर सल्फेट समूहों में कैल्शियम आयनों के लिए उच्च आत्मीयता होती है, जो बढ़ती क्रिस्टल सतह पर प्रचुर मात्रा में होते हैं, जिससे कुछ विकास चरणों में उनका तरजीही समावेश होता है। इसके विपरीत, पुटिकाओं पर कार्बोक्सिलेट समूहों में कम आत्मीयता होती है, जिससे वे अलग-अलग साइटों पर या धीमी दर से शामिल होते हैं।

इसके अतिरिक्त, दो प्रकार के नैनोकणों के बीच आकार का अंतर एक भूमिका निभा सकता है। छोटे गोले नैनोस्केल गुहाओं या किनारे के चरणों में फिट हो सकते हैं जो बड़े पुटिकाओं के लिए दुर्गम हैं। यह आकार-चयनात्मक समावेश स्थानिक अलगाव में और योगदान दे सकता है।

शोधकर्ताओं ने यह भी पाया कि नैनोकण केवल बेतरतीब ढंग से फंसे नहीं थे बल्कि सक्रिय रूप से क्रिस्टल जाली में शामिल थे, जैसा कि फ्लोरेसेंस पैटर्न से स्पष्ट है जो क्रिस्टल की आंतरिक संरचना का पालन करते थे। यह बताता है कि नैनोकण नियंत्रित तरीके से बंद हैं, संभावित रूप से अनुरूप गुणों वाले क्रिस्टल के डिजाइन की अनुमति देते हैं।

नियंत्रित रिलीज के लिए निहितार्थ

इस स्व-सॉर्टिंग घटना के सबसे रोमांचक अनुप्रयोगों में से एक नियंत्रित रिलीज सिस्टम में है। नैनोकणों को शामिल करके जो विशिष्ट परिस्थितियों में अपने कार्गो को छोड़ने के लिए ट्रिगर किए जा सकते हैं, ऐसी सामग्री बनाना संभव हो सकता है जो दवाओं, रंगों या उत्प्रेरकों को नियंत्रित तरीके से छोड़ते हैं। उदाहरण के लिए, यदि नैनोकणों को एक चिकित्सीय एजेंट के साथ लोड किया जाता है, तो क्रिस्टल एक सुरक्षात्मक खोल के रूप में काम कर सकता है जो समय के साथ खराब हो जाता है, धीरे-धीरे एजेंट को जारी करता है।

विभिन्न प्रकार के नैनोकणों को अलग-अलग क्षेत्रों में रखने की क्षमता बहु-चरण रिलीज प्रोफाइल को सक्षम कर सकती है, जहां एक प्रकार का नैनोकण पहले अपना पेलोड जारी करता है, उसके बाद दूसरा। यह दवा वितरण प्रणालियों में उपयोगी हो सकता है जिन्हें कई दवाओं के अनुक्रमिक रिलीज की आवश्यकता होती है।

इसके अलावा, नैनोकणों को पीएच, तापमान या प्रकाश जैसी बाहरी उत्तेजनाओं का जवाब देने के लिए डिज़ाइन किया जा सकता है, जिससे मांग पर रिलीज की अनुमति मिलती है। स्व-सॉर्टिंग तंत्र इन कार्यात्मक नैनोकणों को एक मजबूत अकार्बनिक मैट्रिक्स के भीतर व्यवस्थित करने का एक तरीका प्रदान करता है, जिससे स्मार्ट सामग्रियों का एक नया वर्ग बनता है।

व्यापक अनुप्रयोग और भविष्य की दिशाएँ

नियंत्रित रिलीज के अलावा, ये बायोमिमेटिक कंपोजिट उत्प्रेरण, सेंसिंग और संरचनात्मक सामग्रियों में अनुप्रयोग पा सकते हैं। क्रिस्टल में कार्यात्मक नैनोकणों का समावेश नए गुणों को जन्म दे सकता है, जैसे बढ़ी हुई यांत्रिक शक्ति, ऑप्टिकल गतिविधि, या उत्प्रेरक गतिविधि। उदाहरण के लिए, उत्प्रेरक गुणों वाले नैनोकणों को क्रिस्टल समर्थन में एम्बेड किया जा सकता है, जिससे एक स्थिर और पुन: प्रयोज्य उत्प्रेरक बनता है।

स्व-सॉर्टिंग तंत्र प्राकृतिक बायोमिनरल्स की नकल करने वाली जटिल, पदानुक्रमित संरचनाओं वाली सामग्री बनाने की संभावनाओं को भी खोलता है। नैनोकणों के आकार, आकृति और सतह रसायन को सावधानीपूर्वक डिजाइन करके, और भी परिष्कृत व्यवस्था प्राप्त करना संभव हो सकता है, जैसे कि वैकल्पिक परतें या ग्रेडिएंट।

भविष्य के शोध संभवतः स्व-सॉर्टिंग को चलाने वाले सटीक आणविक इंटरैक्शन को समझने और इस दृष्टिकोण को अन्य क्रिस्टल सिस्टम तक विस्तारित करने पर केंद्रित होंगे। शोधकर्ता प्राप्त करने योग्य संरचनाओं की सीमा का विस्तार करने के लिए विभिन्न पॉलिमर रसायन विज्ञान और नैनोकण ज्यामिति के उपयोग का पता लगाने की भी योजना बना रहे हैं।

निष्कर्ष

यह अध्ययन बायोमिमेटिक सामग्रियों के क्षेत्र में एक महत्वपूर्ण प्रगति का प्रतिनिधित्व करता है। यह प्रदर्शित करके कि प्रोटीन-जैसे नैनोकण बढ़ते क्रिस्टल के भीतर स्वयं-व्यवस्थित हो सकते हैं, शोधकर्ताओं ने संगठित कार्बनिक-अकार्बनिक हाइब्रिड सामग्री बनाने के लिए एक नई रणनीति प्रदान की है। नियंत्रित रिलीज और उससे परे संभावित अनुप्रयोग विशाल हैं, और यह काम सिंथेटिक सामग्रियों के डिजाइन का मार्ग प्रशस्त करता है जो प्राकृतिक बायोमिनरल्स की जटिलता और कार्यक्षमता को टक्कर देते हैं।

यह लेख Phys.org द्वारा रिपोर्टिंग पर आधारित है। मूल लेख पढ़ें।