सरलीकृत डिजिटल माइक्रोफ्लुइडिक प्रौद्योगिकी के साथ 3डी सेल संस्कृति में क्रांति लाना

मानव शरीर में अधिकांश कोशिकाएँ जटिल त्रि-आयामी वातावरण में मौजूद हैं, फिर भी उनका अध्ययन आमतौर पर सपाट प्लास्टिक के व्यंजनों पर किया जाता है। ये द्वि-आयामी संस्कृतियाँ कोशिका व्यवहार को विकृत करती हैं, जिससे वास्तविक ऊतकों में जैविक प्रतिक्रियाओं की भविष्यवाणी के लिए उनकी प्रासंगिकता सीमित हो जाती है। माइक्रोफ्लुइडिक प्रौद्योगिकियों ने कोशिका संवर्धन स्थितियों पर नियंत्रण में सुधार किया है, लेकिन कई प्रणालियाँ निरंतर द्रव प्रवाह, बाहरी पंप और जटिल निर्माण प्रक्रियाओं पर निर्भर करती हैं। डिजिटल माइक्रोफ्लुइडिक्स सटीक बूंद-स्तर हेरफेर प्रदान करता है लेकिन ऑन-चिप माइक्रोस्ट्रक्चर की अनुपस्थिति के कारण वास्तविक 3डी सेल विकास का समर्थन करने के लिए संघर्ष कर रहा है। इन चुनौतियों के आधार पर, सरल, एकीकृत प्लेटफार्मों की स्पष्ट आवश्यकता है जो शारीरिक रूप से प्रासंगिक 3डी सेल संस्कृति के साथ सटीक नियंत्रण को जोड़ते हैं।

प्रकाशित एक अध्ययन में (DOI: 10.1038/s41378-025-01098-9) माइक्रोसिस्टम्स और नैनोइंजीनियरिंग 2025 में, मकाऊ विश्वविद्यालय के शोधकर्ता और सहयोगी विशेष रूप से 3डी सेल संस्कृति के लिए डिज़ाइन किए गए एक एकीकृत डिजिटल माइक्रोफ्लुइडिक प्लेटफॉर्म का वर्णन करते हैं। टीम ने सीधे माइक्रोफ्लुइडिक इलेक्ट्रोड पर त्रि-आयामी माइक्रोस्ट्रक्चर बनाने के लिए एक-चरण वाली माइक्रो-नैनो 3डी प्रिंटिंग प्रक्रिया का उपयोग किया। परिणामी चिप नियंत्रित बूंदों की गति, कुशल सेल कैप्चर और 3डी सेल स्फेरोइड के तेजी से गठन को सक्षम बनाती है। प्रयोगों ने 72 घंटों तक स्थिर संचालन और उच्च सेल व्यवहार्यता दिखाई, जो उन्नत जैविक अध्ययन के लिए मंच की व्यावहारिकता को प्रदर्शित करता है।

प्लेटफ़ॉर्म के केंद्र में एक विनिर्माण रणनीति है जो डिजिटल माइक्रोफ्लुइडिक्स और 3डी माइक्रोस्ट्रक्चर को एक ही डिवाइस में विलय कर देती है। मल्टी-स्टेप लिथोग्राफी और क्लीनरूम फैब्रिकेशन पर भरोसा करने के बजाय, शोधकर्ताओं ने ढांकता हुआ परत, कारावास बाड़ और माइक्रो-वेल एरेज़ को एक चरण में मुद्रित करने के लिए प्रक्षेपण स्टीरियोलिथोग्राफी का उपयोग किया। यह दृष्टिकोण 3डी सेलुलर माइक्रोएन्वायरमेंट पर सटीक नियंत्रण की अनुमति देते हुए चिप उत्पादन को नाटकीय रूप से सरल बनाता है।

टीम ने प्रमुख मापदंडों को अनुकूलित किया जो वोल्टेज, इलेक्ट्रोड ज्यामिति और माइक्रोस्ट्रक्चर ऊंचाई सहित छोटी बूंद सक्रियण को नियंत्रित करते हैं। चिप ने विश्वसनीय रूप से आवश्यक डिजिटल माइक्रोफ्लुइडिक संचालन जैसे छोटी बूंद परिवहन, विभाजन और फ्लैट और 3 डी दोनों सतहों पर विलय का समर्थन किया। महत्वपूर्ण बात यह है कि सेल सस्पेंशन को उच्च परिशुद्धता के साथ सूक्ष्म कुओं में निर्देशित किया जा सकता है।

एक बार 3डी माइक्रोस्ट्रक्चर के भीतर सीमित होने के बाद, कोशिकाएं तेजी से कॉम्पैक्ट गोलाकार में स्व-इकट्ठी हो जाती हैं। पारंपरिक द्वि-आयामी संस्कृतियों की तुलना में, इन गोलाकारों ने सेल-सेल इंटरैक्शन और अधिक ऊतक-जैसे संगठन को बढ़ाया। व्यवहार्यता और प्रसार परीक्षणों ने पुष्टि की कि कोशिकाएं 24, 48 और 72 घंटों तक स्वस्थ रहीं। इमेजिंग विश्लेषण से घने बहुकोशिकीय आर्किटेक्चर का पता चला है जो कि विवो ऊतक संरचनाओं से काफी मिलता-जुलता है, जो प्लेटफॉर्म की जैविक प्रासंगिकता को रेखांकित करता है।

शोधकर्ताओं ने ध्यान दिया कि 3डी माइक्रोस्ट्रक्चर को सीधे डिजिटल माइक्रोफ्लुइडिक चिप में एकीकृत करने से माइक्रोफ्लुइडिक सेल कल्चर में लंबे समय से चली आ रही बाधा का समाधान होता है। वे इस बात पर जोर देते हैं कि जटिल निर्माण वर्कफ़्लो से बचते हुए, प्लेटफ़ॉर्म जैविक रूप से प्रासंगिक 3 डी वातावरण के साथ सटीक बूंद नियंत्रण को जोड़ता है। टीम के अनुसार, सादगी और कार्यक्षमता के बीच यह संतुलन उन्नत 3डी सेल कल्चर टूल को व्यापक उपयोग में लाने में मदद कर सकता है, खासकर उन प्रयोगशालाओं में जहां विशेष माइक्रोफैब्रिकेशन सुविधाओं तक पहुंच का अभाव है।

नए प्लेटफ़ॉर्म का उन क्षेत्रों पर तत्काल प्रभाव पड़ता है जहां यथार्थवादी सेल मॉडल आवश्यक हैं। दवा स्क्रीनिंग में, 3डी सेल स्फेरोइड अक्सर फ्लैट संस्कृतियों की तुलना में दवा प्रभावकारिता और विषाक्तता की अधिक सटीक भविष्यवाणी प्रदान करते हैं। चिप बहुकोशिकीय संरचनाओं के नियंत्रित गठन को सक्षम करके कैंसर जीव विज्ञान, ऊतक इंजीनियरिंग और ऑर्गन-ऑन-चिप विकास में अनुसंधान का भी समर्थन कर सकती है। आगे देखते हुए, शोधकर्ता ऑपरेटिंग वोल्टेज को और कम करने और सेंसिंग और मल्टी-सेल सह-संस्कृति क्षमताओं को एकीकृत करने की योजना बना रहे हैं। इस तरह की प्रगति लंबी अवधि की संस्कृति और अधिक जटिल ऊतक मॉडल की अनुमति दे सकती है, जिससे प्रयोगशाला प्रयोगों और जीवित प्रणालियों के बीच अंतर कम हो सकता है।