<%@ Language=VBScript %><% response.buffer=true %>News : MTEC2004
สาระน่ารู้
 
วัสดุทางการแพทย์ที่มีความ..พิเศษ!
ดร. มาลินี ประสิทธิ์ศิลป์ 
ศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ(เอ็มเทค)
 
ภาพนิ้วเท้าเทียมจากไม้ ในสมัยอียิปต์
       การใช้วัสดุการแพทย์ในอดีต แพทย์มักจะนำวัสดุที่สามารถหาได้ง่ายหรือมีอยู่แล้วมาใช้งาน ตัวอย่างเช่น ชาวอียิปต์โบราณและชาวกรีกใช้เส้นใยจากพืชหรือสัตว์ในการเย็บบาดแผล และใช้ไม้ ทำเป็นแขน ขาเทียม ต่อมาราวต้นศตวรรษที่แล้วเริ่มมีการนำโลหะชนิดต่างๆ มาใช้งานทาง ทันตกรรม และเมื่อมีเหล็กสเตนเลส (stainless steel) ซึ่งเป็นโลหะผสมที่มีความทนทานต่อการ กัดกร่อนได้ดี จึงมีการนำมาใช้เป็นอวัยวะเทียมต่างๆ เช่นเดียวกันกับในอดีต แพทย์ปัจจุบันมักจะ เสาะหาวิธีการต่างๆ เพื่อรักษาหรือพัฒนาคุณภาพชีวิตของผู้ป่วยให้ดีขึ้น ด้วยการหาสิ่งทดแทน ส่วนต่างๆ ของร่างกายที่สูญเสียไป หรือไม่สามารถทำหน้าที่ของมันได้อย่างสมบูรณ์ เมื่อไม่นานมานี้ แพทย์มีความจำเป็นที่จะต้องใช้วัสดุทั่วไป ที่ไม่ได้ผลิตมาสำหรับการใช้งานทางการแพทย์ เช่น หัวใจเทียมในระยะแรกๆ ต้องใช้โพลิยูรีเทนที่ใช้ทำชุดชั้นในสตรี ซึ่งมีความยืดหยุ่น ดัดงอได้ดี มีสมบัติตามต้องการ และหลังจากที่วัสดุชนิดนี้ถูกเลือกมาใช้เป็นวัสดุฝังในทรวงอกแล้ว ก็ได้มีการนำวัสดุชนิดนี้มาใช้เป็นวัสดุยัดไส้ที่นอนต่างๆ

        จากความต้องการวัสดุที่มีลักษณะพิเศษสำหรับการใช้งานด้านการแพทย์ ทำให้เกิดแรงจูงใจ ในกลุ่มนักวิจัยด้านวัสดุ เคมี เคมีวิศวกรรม และนักวิจัยสาขาอื่นๆ และหันมาให้ความสนใจ ในการพัฒนาหรือประดิษฐ์วัสดุทางการแพทย์ที่มีสมบัติพิเศษ เหมาะสำหรับการใช้งานเฉพาะอย่าง วัสดุสังเคราะห์ใหม่ๆ ที่นำมาใช้งาน ได้แก่ วัสดุโพลิเมอร์ที่ย่อยสลายได้ และวัสดุที่ได้จากการดัดแปร สารจากธรรมชาติ ซึ่งจะออกแบบมาเพื่อการใช้งานต่างๆ เช่น การใช้งานด้านกระดูกและข้อ ทันตกรรม ระบบการปลดปล่อยยา และใช้เป็นวัสดุโครงสร้าง (scaffold) สำหรับงานด้านวิศวกรรม เนื้อเยื่อ เป็นต้น
 
       ชาวอเมริกันมากกว่า 10 ล้านคน มีวัสดุหรืออุปกรณ์ทางการแพทย์ในร่างกายอย่างน้อย 1 ชนิด อุตสาหกรรมด้านวัสดุและอุปกรณ์ ทางการแพทย์นี้มียอดขายประมาณ 5 หมื่นล้านเหรียญสหรัฐฯต่อปี ทั้งๆ ที่ตลาดมีขนาดใหญ่แต่นักประดิษฐ์ผลิตภัณฑ์ด้านนี้ส่วนใหญ่ ถูกบังคับให้ทำงานกับวัสดุทางการแพทย์แบบดั้งเดิมที่เป็นที่รู้จักกันดี เช่น เหล็กสเตนเลส โลหะผสมโครเมียม เซรามิกส์ คอมโพสิท บางชนิด และ พลาสติกในอุตสาหกรรม เป็นต้น Joachim B. Kohn แห่ง Rutgers University ชี้แจงว่า พื้นผิวของวัสดุเหล่านี้ไม่มีสมบัติ ทางชีวภาพที่เหมาะสมสำหรับเนื้อเยื่อที่อยู่ล้อมรอบมัน จึงมักเกิดปฏิกิริยาตอบสนองจากร่างกาย ที่เรียกว่า foreign-body response เล็กน้อยในบริเวณที่ฝังวัสดุ

        "วัสดุทางการแพทย์ที่ต้องการ ควรเป็นวัสดุชนิดใหม่ที่ออกแบบจากความเข้าใจในเรื่องกลไกการควบคุมปฏิกิริยา ระหว่างวัสดุและเซลล์" Dr. Kohn จาก New Jersey Center for Biomaterials กล่าว ทีมวิจัยของเขากำลังทำวิจัยเกี่ยวกับการ เตรียมวัสดุฝังในรุ่นใหม่ ให้มีทั้งสมบัติทางกายภาพ เชิงกล และทางเคมี ใกล้เคียงกับความต้องการในแต่ละการใช้งานมากที่สุด วัสดุชนิดใหม่ล่าสุดที่ได้จะนำมา ทำเป็นโครงสร้างสำหรับส่งเสริมการเจริญของเนื้อเยื่อ ซึ่งมีลักษณะเป็นโครงสร้าง 3 มิติที่เซลล์ชอบที่จะ เจริญเข้าไปข้างใน โครงสร้าง ของวัสดุนั้น หลังจากที่เซลล์สามารถเจริญเข้าไปแล้ว จะจัดเรียงโครงสร้างของเนื้อเยื่อ และทำหน้าที่ของ เนื้อเยื่อชนิดนั้นต่อไป

       โพลิเมอร์ที่ย่อยสลายได้ในร่างกายกำลังเป็นที่ต้องการสำหรับการใช้งานหลายชนิด เช่น การรักษาโรคกระดูกและข้อ ใช้เป็นวัสดุ โครงสร้างสำหรับวิศวกรรมเนื้อเยื่อ หรือการใช้งานด้านอื่นๆ การรักษากระดูกบางครั้งแพทย์ต้องการใช้วัสดุดังกล่าว เป็นตัวยึดกระดูก ให้อยู่กับที่เป็นการชั่วคราว จนกว่าร่างกายจะสมานแผลได้เองทำให้กระดูกเชื่อมติดกัน โดยต้องการให้วัสดุนั้นค่อยๆ สลายตัวไป โดยไม่ต้องทำการผ่าตัดเอาวัสดุตัวยึดออกหลังจากแผลหายดีแล้ว ซึ่งวิธีการนี้จะทำให้ผู้ป่วยประหยัดค่าใช้จ่าย รวมทั้งลดความเจ็บปวด และความเสี่ยงต่างๆ จากการผ่าตัดครั้งที่สอง นอกจากนี้ Dr. Kohn ชี้ให้เห็นว่าวัสดุที่ย่อยสลายได้ในร่างกาย ดูจะเป็นทางเลือกเดียว ในบางกรณี เช่น ศัลยกรรมหลอดเลือดต้องการวัสดุที่ย่อยสลายได้ในร่างกาย เนื่องจากวัสดุที่ไม่ย่อยสลายนั้นจะกินเนื้อที่ทำให้การ เจริญของเนื่อเยื่อใหม่เป็นไปอย่างไม่สมบูรณ์ อย่างไรก็ตาม วัสดุที่ย่อยสลายได้ชนิดใหม่ๆ ควรจะผ่านการศึกษาความเป็นพิษ อย่างละเอียดเนื่องจากผลิตภัณฑ์ที่ได้จากการย่อยสลายจะเข้าสู่ร่างกายผู้ป่วย

       ไหมละลายสังเคราะห์รุ่นแรกๆ ที่ผลิตสู่เชิงพาณิชย์เริ่มตั้งแต่ปี ค.ศ. 1970 เป็นสารประเภท poly(glycolic acid) (PGA) จะย่อยสลาย ในร่างกายและมีความแข็งแรงลดลงภายในระยะเวลา 2-4 สัปดาห์ เท่านั้นซึ่งเร็วเกินไปสำหรับการใช้งานในบางกรณี เพื่อขยาย ขอบเขตการใช้งานให้มากขึ้นจึงมีการพัฒนาเป็นโคโพลิเมอร์ของ PGA และ poly(lactic acid) (PLA) ซึ่ง PLA เป็นโมเลกุลที่ชอบ น้ำน้อยกว่า PGA จะเป็นตัวช่วยควบคุมปริมาณการดูดน้ำของโคโพลิเมอร์ชนิดนี้ ซึ่งจะสามารถลดอัตราเร็วของการสลายตัวของ โพลิเมอร์ได้เมื่อเทียบกับ PGA ปัจจุบัน PLA, PGA และโคโพลิเมอร์ของสองตัวนี้ เป็นวัสดุเชิงพาณิชย์ที่แพร่หลายมากกว่า โพลิเมอร์ที่ย่อยสลายได้ชนิดอื่นๆ ซึ่งวัสดุในกลุ่มนี้มีการนำมาใช้เป็นเข็มยึดกระดูก เป็นเมมเบรนสำหรับรักษาโรคเหงือก และอื่นๆ แต่วัสดุกลุ่มนี้อาจจะไม่เหมาะนักสำหรับทำเป็นวัสดุโครงสร้างที่ใช้งานด้านวิศวกรรมเนื้อเยื่อ

       การเสาะหาวัสดุโครงสร้างที่เหมาะสมสำหรับวิศวกรรมเนื้อเยื่อ เป็นงานวิจัยที่นักวิจัยหลายกลุ่มให้ความสนใจ ทีมงานของ Dr. Kohn กำลังศึกษาการใช้ polycarbonates ตัวใหม่ในการรักษากระดูก ซึ่งทดลองในสัตว์ พบว่า polycarbonates ที่ได้จาก desaminotyrosyltyrosine ethyl ester [poly(DTE carbonate)] และ โพลิเมอร์ที่ได้จาก hexyl ester analog สนับสนุนการเจริญ ของกระดูกใหม่ตลอด 1 ปีที่ติดตามผล ซึ่งแตกต่างจากตัวอย่าง PLA ที่ใช้เป็นวัสดุอ้างอิง กลุ่มผู้วิจัยได้รายงานว่า PLA ทำให้เกิด foreign-body response เล็กน้อย และเกิดชั้นของเนื้อเยื่อที่มีลักษณะเป็นเส้นใย (fibrous tissue) ล้อมรอบชิ้นงาน PLA ที่ฝังไว้ ส่งผลให้ กระดูกไม่สามารถเชื่อมติดกับวัสดุได้ ลักษณะการตอบสนองของเนื้อเยื่อในลักษณะนี้จะไม่พบเมื่อใช้ polycarbonate ฝังในกระดูก การศึกษาในลักษณะที่ใกล้เคียงกันโดยนักวิจัยจาก New Jersey Medical School พบว่าความแตกต่างของโครงสร้าง ของโพลิเมอร์ เพียงเล็กน้อยมีผลกระทบอย่างมากต่อปฏิกิริยาระหว่างกระดูกกับพื้นผิวของวัสดุฝังใน หากเปรียบเทียบเข็มยึดกระดูกที่ทำด้วย poly(DTE carbonate) กับ butyl, hexyl และ octyl ester analogs คณะวิจัยพบความแตกต่างที่คาดไม่ถึงของโพลิเมอร์เหล่านี้ ถึงแม้ว่าโพลิเมอร์ทั้ง 4 ชนิดนี้จะมีโครงสร้างทางเคมีที่คล้ายคลึงกัน แต่ poly(DTE carbonate) ให้ผลการตอบสนองของกระดูกที่ดีที่สุด วัสดุชนิดใหม่นี้กำลังอยู่ในระหว่างการพิจารณาโดย FDA เพื่อการใช้งานในคลินิกต่อไป
 
 
ภาพ จมูกเทียมผลิตจาก เซลล์ต้นกำเนิด (stem cell)
       Dr. Robert S. Langer แห่ง MIT กล่าวว่าปัญหาการยึดเกาะของเซลล์บนโคโพลิเมอร์ของ PLA-PGA สามารถแก้ไขได้โดยการใช้พอลิเมอร์ชนิดใหม่ ที่มีลักษณะเฉพาะสำหรับ การยึดเกาะของเซลล์ที่ต้องการ หรือที่เรียกว่า "built-in adhesion sites" Langer และคณะได้สังเคราะห์โคโพลิเมอร์ของ lactic acid และ lysine ที่มี amino group ห้อยกับ polymer backbone พวกเขาเชื่อม peptides โดยใช้ amino group ใน lysine โพลิเมอร์ที่ได้จะพอดี กับลำดับของกรดอะมิโน (amino acid sequences) ที่สามารถชักนำพฤติกรรมของเซลล์ ที่ต้องการได้ หากโพลิเมอร์สามารถทำหน้าที่ได้อย่างมีประสิทธิภาพ และสามารถนำมาขึ้นรูป เลียนแบบอวัยวะต่างๆ ก็จะทำให้วัสดุที่สังเคราะห์ขึ้นนี้สามารถทำหน้าที่แทนเนื้อเยื่อ ที่บกพร่องไปได้ Langer และคณะประสบความสำเร็จแล้วในหลายกรณีโดยใช้แนวความคิดนี้ ตัวอย่างเช่น การศึกษาในคลินิกโดยใช้เซลล์จากกระดูกอ่อนเพาะเลี้ยงบนโพลิเมอร์ ที่เป็นวัสดุ โครงสร้างโดยขึ้นรูปให้มีลักษณะคล้ายกรงเป็นซี่ และนำไปฝังในทรวงอก ที่มีรูปร่างผิดปกติของ เด็กชายคนหนึ่ง วิธีการนี้สามารถทำให้กระดูกอ่อนใหม่เจริญขึ้นปกคลุมวัสดุนั้น ช่วยป้องกัน หัวใจได้ อีกตัวอย่างหนึ่งคือ การใช้ท่อโพลิเมอร์ที่เพาะเลี้ยงเซลล์ urothelial cells และใช้แทนอวัยวะที่บกพร่อง หรือใช้เทคนิคนี้เพื่อเพาะเลี้ยงหลอดเลือดในสัตว์ทดลอง
 
       โพลิไพโรล (polypyrrole) เป็นโพลิเมอร์ที่นำไฟฟ้าและเป็นอีกตัวอย่างหนึ่งที่กลุ่มของ Langer กำลังทดลองใช้เป็นวัสดุสำหรับ การเพาะเลี้ยงเส้นประสาท เขาทดลองใช้โพลิเมอร์ที่นำไฟฟ้าได้ เนื่องจากโคโพลิเมอร์ของ PLA-PGA ไม่สนับสนุนการยึดเกาะ ของเซลล์ประสาท ผลการทดสอบพบว่า โพลิไพโรลเป็นวัสดุที่เหมาะสำหรับการใช้งานนี้ คือมีการเจริญของเส้นประสาทเพิ่มขึ้น เท่าตัวเมื่อใส่ความต่างศักย์เพียงเล็กน้อยให้กับฟิล์มโพลิเมอร์

        โพลิแอนไฮไดรด์ (polyanhydrides) ชนิดใหม่เป็นวัสดุอีกชนิดหนึ่งที่กำลังมีบทบาทสำคัญมากต่อวัสดุทางการแพทย์ เนื่องจากเป็นส่วนหนึ่งของระบบการส่งตัวยา ทีมวิจัยของ Langer อีกเช่นกันได้ออกแบบและสังเคราะห์ โพลิแอนไฮไดรด์ที่มี น้ำหนักโมเลกุลสูงที่ประกอบด้วย carboxyphenoxypropane และ sebacic acid วัสดุชนิดนี้ถูกออกแบบเพื่อควบคุมกลไกและ อัตราการสลายตัว รวมทั้งมีสมบัติทางกายภาพที่เหมาะสมอีกด้วย ปัจจุบันบริษัท Guilford Pharmaceuticals เป็นผู้จำหน่าย polyanhydride Gliadel wafers ที่ใช้ในการรักษามะเร็งในสมองชนิดหนึ่ง ที่เรียกว่า gliobla stoma multiforme ซึ่งเป็นมะเร็ง ที่มีความรุนแรงมากชนิดหนึ่ง wafers ที่ว่านี้ประกอบด้วยโพลิเมอร์ชนิดใหม่ห่อหุ้มตัวยา carmustine ซึ่งเป็นยาที่เป็นพิษ และมีฤทธิ์ต้านมะเร็ง วิธีการใช้งานคือฝัง wafer ที่มีตัวยานี้ในบริเวณที่เป็นมะเร็ง ตัวยาจะแพร่ออกมาในสมองบริเวณที่ต้องการ โดยที่ตัวยาจะไม่ก่อให้เกิดอันตรายต่อตับและไตเหมือนการให้ยาทางเส้นเลือด

       การปิดบาดแผลโดยไม่ต้องเย็บแผล เป็นวิธีการใหม่ที่ทำได้โดยการใช้วัสดุที่สามารถเกิดปฏิกิริยาเป็นโพลิเมอร์ และสามารถ ปิดบาดแผลได้ในขณะเดียวกัน Dr. Mark W. Grinstaff แห่ง Duke University และคณะ ได้เตรียมไฮโดรเจล ที่มีความยืดหยุ่นโดยใช้ โพลีแซกคาไรด์ชื่อ hyaluronan ที่เกิดเป็นโพลิเมอร์ที่มีโครงสร้างเป็นร่างแหได้ด้วยแสง (photo-cross-linking) วัสดุชนิดนี้มีศักยภาพ ในการปิดบาดแผลที่มีรูปร่างไม่แน่นอนด้วยวิธีที่ทำลายบาดแผลน้อยที่สุด โดยหลักการแล้วขอบเขตของการเกิดโครงสร้าง ร่างแห สามารถควบคุมได้ เพื่อให้ได้ไฮโดรเจลที่มีสมบัติเหมาะสมกับการใช้งานแต่ละกรณี วิธีการนี้ได้ทดลองใช้แล้วและได้ผลดีในการปิด corneal perforation ในสัตว์ทดลอง
 
 
 
ภาพ โครงสร้าง 3 มิติ สำหรับวิศวกรรมเนื้อเยื่อ
       นอกจากวัสดุที่เป็นสารอินทรีย์แล้ว สารประกอบอนินทรีย์ที่สามารถย่อยสลายได้ ก็มีบทบาทสำคัญต่อการวิจัยพัฒนาวัสดุทางการแพทย์เช่นกัน ตัวอย่างเช่น b-tricalcium phosphate ถูกนำมาใช้ในการรักษาหรือแก้ไขข้อบกพร่องของกระดูกที่มีช่องว่าง กระดูกสันหลัง สะโพก รวมทั้งแขนขาและนิ้ว ซึ่งบริษัท Orthovita เป็นผู้จำหน่าย ทางบริษัทให้ข้อมูลว่าการผลิตวัสดุชนิดนี้โดยการตกตะกอนที่อุณหภูมิต่ำ (low temperature redox precipitation process) จะได้อนุภาคที่มีขนาดเล็กมากในระดับนาโนเมตร ซึ่งสามารถ นำมาใช้ผลิตเป็นวัสดุโครงสร้างที่มีรูพรุนเชื่อมต่อกันถึง 90% รูพรุนของวัสดุโครงร่างนี้ จะทำให้เซลล์ เลือด และสารอาหารต่างๆ ไหลเข้าไปสู่ส่วนที่ให้การรักษาได้ จะช่วยให้ การสมานแผลเป็นไปอย่างปกติและเกิดกระบวนการเปลี่ยน calcium phosphate เป็นกระดูกใหม่ในที่สุด

       วัสดุทางการแพทย์ทำให้การรักษาโรคในช่องปากก้าวหน้าไปมากเช่นกัน เช่น การใช้ท่อ โพลิเมอร์ที่มียาปฏิชีวนะฝังในเหงือกผู้ป่วยเพื่อป้องกันโรคเหงือก เมื่อประมาณ 5-10 ปี ที่ผ่านมา การปลดปล่อยตัวยาจากวัสดุเป็นไปค่อนข้างเร็วทำให้ควบคุมการใช้งานยาก แต่ปัจจุบันมีการพัฒนาที่ดีขึ้นมาก ในทำนองเดียวกันการใช้วัสดุสังเคราะห์ เพื่อทดแทน กระดูกเมื่อ 10 ปีที่แล้ว มักพบปัญหาความเป็นพิษของวัสดุ แต่ปัจจุบันทันตแพทย์สามารถ รักษาผู้ป่วยโดยใช้โพลิเมอร์ที่ย่อยสลายได้ซึ่งห่อหุ้ม growth factor ที่สนับสนุนการสร้าง เนื้อเยื่อ นอกจากนี้ Dr. Neil M. Blumenthal แห่ง University of Illinois กล่าวว่า ในอนาคตอาจจะมีโพลิเมอร์แบบหลายชั้นที่สามารถควบคุมการปลดปล่อย growth factor ชนิดต่างๆ ในช่วงเวลาต่างๆ ได้ตามต้องการ

        วัสดุทางการแพทย์มีผลกระทบอย่างมากต่อการรักษาพยาบาลในปัจจุบัน อย่างไรก็ตาม เทคโนโลยีทางวิศวกรรมเนื้อเยื่อและสาขาที่เกี่ยวข้องอื่นๆ ทำให้งานวิจัยพัฒนาวัสดุทางการ แพทย์เป็นงานวิจัยที่ท้าทายและมีแนวโน้ม ที่จะเปลี่ยนรูปแบบการรักษาพยาบาลผู้ป่วย จากโรคหลายชนิด ซึ่งปัจจุบันยังไม่มีวิธีการรักษาที่มีประสิทธิภาพนัก เช่น อาการตับวาย ในบางกรณี อัมพาต และความผิดปกติของหัวใจในหลายลักษณะ เป็นต้น
 
 
เอกสารอ้างอิง
       1. Jacoby M. "Custom-made biomaterials." Chemical & Engineering News: Science & Technology February 5, 2001. Vol.79(6), pp30-35.
       2. http://www.mtec.or.th/th/news/cool_stuff/2.%20http://pubs.acs.org/cen/coverstory/7906/7906sci2.html
 
 

Copyright © 1997-2005,MTEC,NSTDA. All rights reserved.