ท่อนาโนคาร์บอนช่วยผู้ป่วยที่กระดูกเกิดความเสียหาย

ท่อนาโนคาร์บอนช่วยผู้ป่วยที่กระดูกเกิดความเสียหาย

 

 บทความนี้เผยแพร่ที่

http://www.mtec.or.th/index.php?option=com_content&task=view&id=64&Itemid=59

แปลและเรียบเรียงโดย : มาริสา คุณธนวงศ์

เป็นครั้งแรกที่นักวิทยาศาสตร์ค้นพบว่า เซลล์กระดูกสามารถเจริญบนท่อนาโนคาร์บอนได้ ในปัจจุบันท่อนาโนคาร์บอน เป็นหนึ่งในวัสดุที่มีความแข็งที่สุดเท่าที่เคยพบมา ผู้เชี่ยวชาญให้ความเห็นว่าท่อนาโนคาร์บอนนั้นสามารถนำมาพัฒนา เพื่อให้เนื้อเยื่อปลูกถ่ายมีความแข็งแรงและยืดหยุ่น เหมาะสำหรับผู้ป่วยที่จำเป็นต้องปลูกถ่ายกระดูก เนื่องมาจากกระดูกแตกหักหรือผู้ที่เป็นโรค เช่น โรคกระดูกพรุนหรือมะเร็งที่กระดูก

กระดูกประกอบด้วยส่วนที่เป็นแร่ธาตุหรือสารอนินทรีย์และ ส่วนที่เป็นเนื้อเยื่อ ส่วนประกอบหลักๆได้แก่ ผลึกของไฮดรอกซีแอปาไทต์ที่มีแคลเซียมจำนวนมาก และ เส้นใยคอลลาเจน

วารสาร Nano Letters ฉบับที่ 8 มีนาคม 2006 ของl,k8, American Chemical Society ตีพิมพ์งานวิจัยของ Laura Zanello ผู้ช่วยศาสตราจารย์ทางชีวเคมี ที่ UCR (University of California at Riverside) และทีมงาน ได้แก่ Bin Zhao และ Hui Hu นักศึกษาปริญญาโท และศาสตราจารย์ Robert C. Haddon ที่มีความเชี่ยวชาญทางเคมี,วิศวกรรมเคมีและสิ่งแวดล้อม โดย Haddon มีผลงานวิจัยที่แสดงถึงความเข้ากันได้ทางเคมีของท่อนาโนคาร์บอน กับเซลล์กระดูก Haddon และทีมงาน พบว่าท่อนาโนคาร์บอนที่มีผนังชั้นเดียว ซึ่งใส่สารตัวเติมเป็นโมเลกุลของสารอินทรีย์ที่อุดมไปด้วย ซัลเฟอรัส หรือฟอสฟอรัส สามารถเลียนแบบบทบาทของเส้นใยคอลลาเจนทำหน้าที่เป็นโครง (scaffold) ให้ผลึกไฮดรอกซีแอปาไทต์ (hydroxyapatite) เจริญเป็นกระดูกได้

นักวิทยาศาสตร์ทั่วโลกมุ่งที่จะพัฒนาวัสดุที่ทำหน้าที่ เป็นโครงสำหรับการปลูกถ่ายกระดูกเพื่อช่วยให้กระดูกเจริญ Haddon กล่าวว่า เมื่อเปรียบเทียบกันระหว่างท่อนาโนคาร์บอนกับวัสดุโครงชนิดอื่น เช่น พลาสติก พบว่าท่อนาโนคาร์บอนมีความแข็งแรงสูงกว่า ความยืดหยุ่นดีเยี่ยม และความหนาแน่นต่ำ ด้วยสมบัติต่างๆที่เหนือกว่าเหล่านี้ ทำให้การสร้างวัสดุที่มีน้ำหนักเบา มีความแข็งแรงสูง อย่างกระดูก เป็นไปได้ตามอุดมคติ

การทดลองของ Zanello เป็นการต่อยอดงานวิจัยของ Haddon โดย Zanello ทดสอบและพบว่าท่อนาโนคาร์บอนเป็นโครงที่ด ีสำหรับให้เซลล์กระดูกเจริญ มีการทดสอบเปรียบเทียบว่าท่อนาโนคาร์บอนชนิดใด ที่เข้ากับเซลล์สร้างกระดูก(osteoblast) ได้ดีที่สุด โดยใช้ท่อนาโนคาร์บอนที่ได้รับการปรับสมบัติทางเคมี และท่อนาโนคาร์บอนที่ไม่ได้รับการปรับสมบัติทางเคมี ผลปรากฏว่า ท่อนาโนคาร์บอนที่ไม่ได้รับการปรับและมีค่าทางไฟฟ้าเป็นกลาง เป็นท่อนาโนคาร์บอนที่เหมาะสม ดีที่สุดสำหรับการเจริญของกระดูก

เนื่องจากท่อนาโนคาร์บอนเป็นวัสดุที่ย่อยสลายไม่ได้ มันประพฤติตัวเป็นโครงสร้างที่เสถียร และไม่ถูกต่อต้านจากร่างกายพฤติกรรมดังกล่าวนี้ ทำให้เซลล์สร้างกระดูกสามารถเจริญเข้าไปในท่อ เหมือนกับการสร้างกระดูกตามธรรมชาติได้ และสามารถทำงานได้เหมือนกระดูกที่เกิดตามธรรมชาติ

ชาวอเมริกันประสบปัญหากระดูกหักแตกร้าว ถึง 5.6 ล้านรายต่อปี และ ศัลยแพทย์ต้องศัลยกรรมกระดูกเกือบครึ่งล้านรายต่อปี เนื้อเยื่อกระดูกเป็นวัสดุปลูกถ่ายที่มีความต้องการใช้มากเป็นลำดับที่สอง รองจากโลหิต(การถ่ายโลหิต)

งานวิจัยนี้เป็นแนวทางที่ดีในการเยียวยารักษาผู้ป่วยที่กระดูกเกิดความ เสียหายอันเนื่องมาจากหลากหลายสาเหตุ เช่น จากการตัดก้อนเนื้อ จากการบาดเจ็บ จากการพัฒนาของกระดูกผิดปรกติ และสามารถใช้ในการปลูกถ่ายกระดูกในทางทันตกรรมได้อีกด้วย

จากภาพแสดงให้เห็นว่าไฮดรอกซีแอปาไทต์จัดระเบียบโครงสร้างได้อย่างดี เหมาะสมที่จะให้กระดูกเจริญตามธรรมชาติ

Ref: http://www.devicelink.com/mddi/archive/05/10/SingleWallNanotubes3.jpg

จากภาพแสดงให้เห็น กระดูกที่เจริญบนโครงของท่อนาโนคาร์บอน

Ref: University of California at Riverside

โครงสร้างท่อนาโนคาร์บอน

Ref:Penn State University

ข้อมูลเพิ่มเติม

ข่าวจาก University of California, Riverside Mar 24, 2006
ที่มา

• http://www.bio.com/newsfeatures/newsfeatures_research.jhtml;jsessionid=3ZNRXXCMUT3NVR3FQLMCFEWHUWBNSIV0?cid=17800027

• http://science.monstersandcritics.com/features/article_1149853.php/Nano_World_Bone_cells_grow_on_nanotubes
  

• http://www.sciencentral.com/articles/view.php3?article_id=218392763&cat=1_1

ท่อนาโนคาร์บอน ค้นพบครั้งแรก เมื่อปี พ.ศ.2534 โดยนักวิทยาศาสตร์ชาวญี่ปุ่น ชื่อ  สุมิโอะ อีจิมะ (Sumio Iijima)

1. โครงสร้างของนาโนคาร์บอน

 โมเลกุลของท่อนาโนคาร์บอนประกอบขึ้นจาก ธาตุคาร์บอนเช่นเดียวกับ เพชร แกรไฟต์ ถ่าน และฟูลเลอรีนส์ (Fullerenes) แต่มีโครงสร้างการจัดเรียงอะตอมที่แตกต่างกัน  โครงสร้างของท่อนาโนคาร์บอนมีลักษณะเป็นแผ่นเกิดจากการเรียงตัวของคาร์บอน แบบโมเลกุลเดี่ยวเป็นแถวยาว และม้วนตัวเป็นท่อซึ่งมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางน้อยมาก เสมือนเป็นเส้นยาวๆในแนว 1 มิติ ท่อนาโนคาร์บอนยังแบ่งได้เป็น 2 ประเภท ได้แก่ ท่อนาโนคาร์บอนผนังชั้นเดียว (Single wall nanotube, SWNT) และ ผนังหลายชั้น (Multi-wall nanotube, SWNT)

2. สมบัติของท่อนาโนคาร์บอน

ท่อนาโนคาร์บอนมีน้ำหนักเบา มีค่าความหนาแน่นเพียง 1.33-1.40 กรัม/ลูกบาศก์เซนติเมตร และยังเป็นคาร์บอนที่มีพื้นที่ผิวมากถึง 1,250 ตารางเซนติเมตร/กรัม มากกว่าแอคทีฟคาร์บอน หรือคาร์บอนที่ว่องไวต่อปฏิกิริยาถึง 2 เท่า
มีความยืดหยุ่นเป็นพิเศษ หรือมีค่าโมดูลัสของยังสูง (Young?s Modulus) มีความแข็งแกร่งกว่าเหล็กกล้า มีความทนทานต่อแรงดึง (Tensile Strength)  มีสมบัติการนำไฟฟ้าได้ดีกว่าตัวนำไฟฟ้าทุกชนิด มีสมบัติเป็นสารกึ่งตัวนำคล้ายกับซิลิกอน มีสมบัติการนำความร้อนได้และยังมีสมบัติพิเศษอื่นๆอีกด้วย เช่น สามารถหดโค้งงอได้เหมือนสปริง สามารถหดกลับจากรูปหนึ่งไปยังอีกรูปหนึ่งอย่างฉับพลัน

3. การประยุกต์ใช้ท่อนาโนคาร์บอน

ใช้ทำโพรบวัด (probing tip) เพื่อเพิ่มความสามารถแยกแยะ (resolution)ให้กับกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม
ใช้เป็นส่วนประกอบใน รถยนต์ เครื่องบิน สิ่งปลูกสร้างต่างๆ หรือแม้กระทั่งใช้ทำเสื้อเกราะกันกระสุน หรือทำเบ้าหล่อวัสดุเซรามิก (nanoceramic fibers) ในปัจจุบัน นักวิจัยคิดค้นเพื่อที่จะนำท่อนาโนคาร์บอนไปประยุกต์ใช้เพื่อเพิ่มศักยภาพ ให้กับอุปกรณ์หรือสิ่งประดิษฐ์ต่างๆ อีกมากมาย 

แหล่งข้อมูลเพิ่มเติม

ไฮดรอกซีแอปาไทต์ (Hydroxyapatite) วัสดุทดแทนกระดูก:

http://www.mtec.or.th/Th/news/cool_stuff/cool2.html

นาโนเทคโนโลยี :

http://www.tiche.org/nano.pdf

ท่อนาโนคาร์บอน :

• http://www.azom.com/details.asp?ArticleID=1290
• วารสารไฟฟ้าและอุตสาหกรรม ปีที่12 เล่ม3 , ปีที่12 เล่ม4
• Industrial Technology Review 2543 ฉบับ 69

 
ข่าวโดย : มาริสา คุณธนวงศ์