ด้วยสมบัติของสารเคลือบเส้นใยนาโนที่กล่าวมาข้างต้น ไม่เพียงแต่จะมีประโยชน์ในด้านการแพทย์เท่านั้น ยังสามารถนำมาประยุกต์ใช้ในสิ่งแวดล้อมที่เสี่ยงต่อการติดเชื้อ เช่น ใช้ในโรงพยาบาล หรือโรงงานอาหาร หรือแม้แต่ใช้กับทหารที่ได้รับบาดเจ็บ และต้องผ่าตัดทันทีในพื้นที่ปฏิบัติการ

สารเคลือบเส้นใยนาโน..ความก้าวหน้าของเทคโนโลยีวัสดุ ข่าวดี ของผู้ปลูกฝังอวัยวะเทียม

 

บทความนี้เผยแพร่ที่

http://www.mtec.or.th/index.php?option=com_content&task=view&id=58&Itemid=59

 แปลและเรียบเรียงโดย : มาริสา คุณธนวงศ์

        ปัจจุบันวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีมีความเจริญก้าวหน้ามากขึ้น เทคโนโลยีทางการแพทย ์เป็นวิทยาการหนึ่งที่นักวิทยาศาสตร์ให้ความสนใจ และพยายามคิดค้นสิ่งใหม่ๆ ทำให้เทคโนโลยีดังกล่าวได้รับการพัฒนาอย่างต่อเนื่องและกว้างขวาง เป็นผลให้แพทย์สามารถวินิจฉัย และรักษาโรคบางชนิดได้มีประสิทธิภาพยิ่งขึ้น

        เมื่อเร็วๆนี้มีงานวิจัยชิ้นหนึ่งที่นับว่าเป็นข่าวดีสำหรับผู้ป่วย ที่ต้องปลูกฝังอวัยวะเทียมเพื่อซ่อมแซมอวัยวะที่ขาดหายหรือชำรุด เช่น  กระดูกสะโพกเทียม รากฟันเทียม อุปกรณ์เทียมต่างๆทางด้านทันตกรรม หรือ ขดลวดขยายหลอดเลือด เป็นต้น  ปัจจุบันอวัยวะเทียมดังกล่าวมักทำจากวัสดุไทเทเนียม ซึ่งมีข้อดีเมื่อเทียบกับโลหะชนิดอื่นๆ  แต่ก็ยังพบปัญหากล้ามเนื้อยึดติดกับผิวไทเทเนียมได้ไม่ดีพอ

        เมื่อใส่อวัยวะเทียมที่ทำจากไทเทเนียมเข้าไปในร่างกาย เพื่อให้ร่างกายสร้างเนื้อเยื่อกล้ามเนื้อ  ผลการปลูกฝังอวัยวะเทียมนั้นมักล้มเหลวภายหลังสิบปี ทำให้ผู้ป่วยจำเป็นต้องผ่าตัดเป็นครั้งที่สอง ปัญหาเกิดจากพื้นผิวไทเทเนียมที่เรียบนั้น ทำให้เนื้อเยื่อกล้ามเนื้อยึดติดได้ไม่ดีพอ ปัญหาดังกล่าวจุดประกายให้นักวิจัยจากมหาวิทยาลัย อาร์คันซอส์ คิดค้นสารเคลือบผิวชนิดหนึ่งซึ่งผลิตได้ง่ายและมีต้นทุนที่ไม่สูง สารดังกล่าวทำจากวัสดุที่เรียกว่าเส้นใยนาโน (nanowire/nanofiber) เมื่อนำมันมาเคลือบที่ผิวของอุปกรณ์ทางการแพทย์ที่ทำจากไทเทเนียม มันจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการยึดติดของเนื้อเยื่อ และพื้นผิวได้ดียิ่งขึ้น สำหรับการสเตอริไลส์วัสดุนี้เพื่อให้ปราศจากจากเชื้อ ก็ใช้เพียงแสงยูวีและน้ำ หรือใช้เพียงเอทานอลเท่านั้น

        Z. Ryan Tian  ผู้ช่วยศาสตราจารย์ทางเคมีและชีวเคมี ในวิทยาลัยศิลปะและวิทยาศาสตร์ J. William Fulbright (J. William Fulbright College of Arts and Sciences) มหาวิทยาลัย อาร์คันซอส์ และทีมนักวิจัย ผลิตสารเคลือบเส้นใยนาโนเซรามิกส์ ที่มีไทเทเนียมออกไซด์เป็นส่วนประกอบหลัก โดยใช้ด่างและความร้อนในการผลิต  พวกเขานำสารเคลือบนี้มาเคลือบผิวของข้อต่อและนำมาทดลองกับหนู  โดยนำข้อต่อฝังเข้าไปในหนู หลังจาก 4 สัปดาห์ พวกเขาพบว่า เนื้อเยื่อสามารถยึดติดกับข้อต่อได้ และพวกเขายังพบอีกว่าเนื้อเยื่อสามารถเจริญได้ดี และมีเซลล์กล้ามเนื้อจำนวนมาก

        ผู้ป่วยโรคหลอดเลือดหัวใจตีบตัน และผู้ที่เสี่ยงต่อการอุดตันของเส้นเลือดที่ไปเลี้ยงสมอง จำเป็นต้องใช้อุปกรณ์ที่เรียกว่าขดลวดขยายหลอดเลือดหรือ สเต็นท์ (stent) Tian กล่าวว่า สารเคลือบดังกล่าวสามารถนำมาใช้เคลือบกับอุปกรณ์นี้ได้อีกด้วย เนื่องจากทีมวิจัยสามารถควบคุมความยาว ความสูง การเปิดของรูพรุน และปริมาตรของรูพรุนภายในโครงสร้าง (scaffold) ของเส้นใยนาโนได้โดยการปรับเปลี่ยนค่าของเวลา อุณหภูมิและความเข้มข้นของด่างในปฏิกิริยา

        สำหรับขดลวดขยายหลอดเลือดทั่วไป หลังจากใส่เข้าไปในร่างกายในบางครั้งจะพบว่ามีการอุดตันของไขมัน ขดลวดที่ใช้ในปัจจุบันส่วนมากที่พบปัญหานี้คือ ขดลวดที่มีการปลดปล่อยยาออกมาตามเวลา (drug-eluting stent) ขดลวดชนิดนี้จะมีสารเคลือบโพลิเมอร์ผสมกับตัวยา สารเคลือบโพลิเมอร์ดังกล่าวมีสมบัติแตกต่างกับสารเคลือบชนิดใหม ่เพราะสามารถถูกทำลายได้ง่ายจึงไม่สามารถทำงานได้ในระยะยาว ส่วนสารเคลือบที่ทำจากเส้นใยนาโนนี้จะไม่มีปัญหาดังกล่าว มันสามารถนำพาตัวยาช่วยรักษาหลอดเลือดหัวใจให้สะอาด ไม่มีการอุดตันของไขมันได้เป็นเวลานาน Tian กล่าวว่า การใช้ยาร่วมกับสารเคลือบนี้ สามารถนำมาใช้เคลือบผิวของสายหรือท่อสวน ที่มีบอลลูนอยู่บริเวณส่วนปลายเพื่อใช้ขยายหลอดเลือด ซึ่งเรียกวิธีการรักษานี้ว่า การทำบอลลูนเพื่อขยายหลอดเลือดหัวใจ

        การฆ่าเชื้อสามารถทำได้โดยวิธีง่ายๆ เพียงแค่ใช้น้ำชะล้าง และใช้แสงยูวีเพื่อฆ่าเชื้อที่พื้นผิวของอุปกรณ์เท่านั้น ก็สามารถทำให้แบคทีเรียบนพื้นผิวตายไปมากกว่า 99% กลไกดังกล่าวเกิดจากโฟตอนจากแสงทำให้เกิดการแยกประจุ โมเลกุลของน้ำจึงแตกตัวเป็นอนุมูลอิสระ (free radical) ซึ่งจะไปทำลายเชื้อแบคทีเรีย อีกวิธีหนึ่งที่สามารถฆ่าเชื้อได้อย่างสมบูรณ์ ก็คือการแช่อุปกรณ์ลงในเอทานอล 70% กรณีนี้จะใช้เพื่อเพาะเซลล์หรือเนื้อเยื่อให้เจริญบนอุปกรณ์/อวัยวะเทียมใน ห้องปฏิบัติการก่อนที่จะนำไปปลูกฝังในร่างกาย

        ด้วยสมบัติของสารเคลือบเส้นใยนาโนที่กล่าวมาข้างต้น ไม่เพียงแต่จะมีประโยชน์ในด้านการแพทย์เท่านั้น ยังสามารถนำมาประยุกต์ใช้ในสิ่งแวดล้อมที่เสี่ยงต่อการติดเชื้อ เช่น ใช้ในโรงพยาบาล หรือโรงงานอาหาร หรือแม้แต่ใช้กับทหารที่ได้รับบาดเจ็บ และต้องผ่าตัดทันทีในพื้นที่ปฏิบัติการ

 



จากภาพแสดง รูเซลล์ของโครงสร้างไทเทเนียมที่มีขนาดแตกต่างกัน และการเจริญของเนื้อเยื่อกระดูกบนโครงสร้างของไทเทเนียม

Credit : Images courtesy of Z. Ryan Tian

วัสดุน่ารู้

Angioplasty คือเทคโนโลยีการขยายหลอดเลือด ซึ่งมักจะใช้เทคโนโลยีนี้ในการรักษาผู้ป่วยที่มีหลอดเลือดหัวใจ(Coronary) อุดตัน เทคนิคดังกล่าว มีการพัฒนาออกมาในหลายรูปแบบ ในปี ค.ศ. 1977 เริ่มมีการขยายหลอดเลือดแดงโคโรนารี่ด้วยการใช้ลูกโป่ง(balloon) ผ่านทางผิวหนัง ต่อมา มีการใช้ขดลวดขยายหลอดเลือด หรือที่เรียกว่า สเต็นท์ (Stent)  มาช่วยให้การรักษามีประสิทธิภาพมากขึ้น แต่ก็ยังพบปัญหาภาวะอุดตันจึงมีการเคลือบผิวของขดลวดด้วยยา (drug eluting stent (DES)) ในปัจจุบัน นักวิทยาศาสตร์ ยังคงวิจัยและพัฒนาอย่างต่อเนื่อง


สเต็นท์ (Stent)อุปกรณ์ถ่างหรือขยายหลอดเลือด มีรูปร่างลักษณะเป็นขดลวดตาข่ายทรงกระบอก ผลิตจาก สเตนเลสหรือโลหะจำรูปก็ได้ ในกรณีที่เป็นสเต็นท์ที่ทำจากสเตนเลส แพทย์จะยึดอุปกรณ์นี้ติดกับลูกโป่งหรือบอลลูน (balloon) ด้วยลวดและสอดเข้าทางเส้นเลือดในร่างกาย จนถึงหลอดเลือดของอวัยวะเป้าหมาย จากนั้นแพทย์จะอัดลมเข้าไปในลูกโป่งเพื่อให้ลูกโป่งพองตัวออก เพื่อดันสเต็นท์ให้ขยายตัวออกติดผนังของหลอดเลือด จากนั้นแพทย์จะปล่อยลมออกจากลูกโป่ง และถอนเส้นลวดที่ยึดสเต็นท์ออกมา แต่ในกรณีสเต็นท์ที่ทำจากโลหะจำรูป แพทย์ไม่ต้องยึดสเต็นท์เข้ากับลูกโป่ง เพราะเมื่อเลือกใช้โลหะจำรูปที่ออกแบบให้มีการเปลี่ยนรูปร่าง ที่อุณหภูมิประมาณ 37 องศาเซลเซียสแล้ว สเต็นท์ที่เข้าไปอยู่ในร่างกาย จะขยายตัวออกมาดันติดผนังหลอดเลือดได้เอง

วัสดุที่ใช้ทำ stent มี 3 ประเภท คือ

1. stainless steel
2. tantalum
3. nitinol (nickle-titanium alloy) เป็นโลหะจำรูปชนิดหนึ่ง

 


จากภาพแสดงถึงวิธีการขยายหลอดเลือดโดยใช้ บอลลูน กับstent ที่ทำจากโลหะที่ไม่ใช่โลหะจำรูป

ภาพจาก http://www.unipv.it/dms/auricchio/cofin_02/moduli_progetto/modello_A.html
 


ลวดนำทาง (guide wire) ในการผ่าตัดที่ต้องสอดสายสวน (catheter) ผ่านทางเส้นเลือดนั้น ไม่สามารถใช้เส้นลวดโลหะทั่วไปได้ เนื่องจากโลหะทั่วไปจะแข็งและขาดความยืดหยุ่น จึงไม่สามารถโค้งงอเข้าไปตามเส้นเลือดได้ ดังนั้นจึงต้องเลือกใช้ลวดนำทาง ที่ทำจากโลหะจำรูปเพราะมีความยืดหยุ่นสูงกว่า

นิกเกิลไทเทเนียม (Nikel Titanium; NiTi) มีชื่อเรียกทางการค้าว่า ไนตินอล (Nitinol)  เป็นโลหะจำรูปชนิดหนึ่งซึ่งมีการใช้งานมากที่สุด มีองค์ประกอบหลักคือ นิกเกิล (nickel, Ni) และไทเทเนียม (titanium, Ti) อย่างละประมาณ 50% โดยจำนวนอะตอม ชื่อ Nitinol มาจาก Ni + Ti + NOL โดย NOL ย่อมาจาก Naval Ordnance Laboratory หรือห้องทดลองสรรพาวุธทหารเรือของสหรัฐอเมริกา ซึ่งเป็นห้องปฏิบัติการที่พัฒนาโลหะชนิดนี้ขึ้นมา

โลหะจำรูป(shape memory alloy) เป็นโลหะผสมซึ่งสามารถกลับคืนสู่รูปร่างเดิมก่อนถูกดัดงอ หากอุณหภูมิเปลี่ยนแปลงไปอย่างเหมาะสม เรียกย่อว่า SMA

 


Stent ที่ทำจากไนตินอล ซึ่งเป็นโลหะจำรูปจึงสามารถขยายหลอดเลือดได้ โดยไม่ต้องใช้บอลลูนช่วย

แหล่งข้อมูลเพิ่มเติม

ที่มาของข่าว : http://www.sciencedaily.com/releases/2007/08/070824173341.htm


ข่าวโดย : มาริสา คุณธนวงศ์