การสังเคราะห์กระดูกเทียมจากจีโอโพลิเมอร์
นักวิจัย มก. วิจัยหาวัสดุทดแทนกระดูกผลิตจากวัสดุจีโอโพลีเมอร์เพื่อใช้แทนกระดูกเทียมที่เป็นโลหะ
วัสดุทดแทนกระดูก หรือกระดูกเทียม ที่ใช้กันอยู่ในปัจจุบันเป็นวัสดุที่ผลิตจากโลหะ ได้แก่ สเตนเลสสตีล ไทเทเนียม และโลหะผสมระหว่างไทเทเนียมและโคบอลต์ ซึ่งโลหะเหล่านี้เมื่ออยู่ในร่างกายมนุษย์ในระยะยาวจะเกิดการกัดกร่อน เนื่องจากภายในร่างกายมีสภาวะเป็นกรดอ่อนๆ และยังอาจจะมีปัญหาเรื่องกระดูกเทียมที่ทำจากโลหะจะเริ่มหลวงเมื่อเวลาผ่านไป
ผศ.ดร.ดวงฤดี ฉายสุวรรณ อาจารย์ประจำภาควิชาวิศวกรรมวัสดุ คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ จึงทำการวิจัยและพัฒนาในการหาวัสดุชนิดใหม่ที่สามารถใช้ทดแทนกระดูกเทียมจากโลหะ มีความเข้ากันได้ทางชีวภาพกับร่างกายมนุษย์ และไม่มีผลข้างเคียงในระยะยาว
วัสดุจีโอโพลีเมอร์ คือวัสดุชนิดใหม่ที่สังเคราะห์มาจากวัสดุปอซโซลานและสารละลายอัลคาไล วัสดุจีโอโพลีเมอร์มักนิยมใช้ทำเป็นวัสดุก่อสร้างทดแทนวัสดุจากปูนซีเมนต์ แต่เมื่อวิเคราะห์องค์ประกอบของจีโอโพลีเมอร์ พบว่า จีโอโพลีเมอร์มีสารประกอบจำพวกซิลิกาและอะลูมินาอยู่ภายในโครงสร้าง เช่นเดียวกันกับองค์ประกอบของวัสดุเซรามิกชีวภาพ จึงมีแนวคิดที่จะทำการสังเคราะห์วัสดุจีโอโพลีเมอร์เพื่อนำไปใช้ในงานวัสดุชีวภาพในการทดแทนกระดูกเทียมที่ทำจากโลหะ
ในงานวิจัยนี้ เริ่มจากการเตรียมและวิเคราะห์วัสดุปอซโซลานโดยใช้วัตถุดิบดินขาวซึ่งเป็นเคโอลิน (Kaolin) สะอาดที่ผ่านการล้าง บด และคัดขนาดมาแล้ว หาอุณหภูมิและเวลาที่เหมาะสมในการเผาเปลี่ยนเฟสจากเคโอลิน เป็นเมตาเคโอลิน วิเคราะห์ขนาดและรูปร่างอนุภาค องค์ประกอบทางเคมี คำนวณหาอัตราส่วนระหว่างซิลิกอนต่ออลูมิเนียม (Si/Al) โพแทสเซียมต่ออลูมิเนียม (K/Al) และโพแทสเซียมต่อซิลิกอน (K/Si) เตรียมสารละลายอัลคาไลที่ความเข้มข้นต่างๆเพื่อใช้ทดสอบหาส่วนผสมที่เหมาะสมที่สุด ทำการผสมจีโอโพลีเมอร์โดยการผสมเมตาเคโอลินและสารละลายอัลคาไล คนผสมจนเข้าเป็นเนื้อเดียวกัน แล้วจึงเทลงแม่พิมพ์ เมื่อครบ 24 ชั่วโมงจึงนำแม่พิมพ์เข้าเตาเผา โดยหาอุณหภูมิและเวลาที่เหมาะสม จึงถอดชิ้นงานจีโอโพลีเมอร์ออกจากแม่พิมพ์
โดยการทดลองนี้ได้ดำเนินงานเป็น 3 ส่วน คือ 1) สังเคราะห์วัสดุจีโอโพลีเมอร์จากเมตาเคโอลินโดยใช้ความเข้มข้นของสารละลายโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ที่แตกต่างกัน 2) สังเคราะห์วัสดุจีโอโพลีเมอร์จากเมตาเคโอลินผสมแคลเซียมไฮดรอกไซด์ และ 3) สังเคราะห์วัสดุจีโอโพลีเมอร์จากเมตาเคโอลินผสมแคลเซียมไฮดรอกไซด์และโพลีแลคติคแอซิด โดยชิ้นงานจีโอโพลีเมอร์ที่ผลิตได้จะต้องผ่านกระบวนการเผาที่อุณหภูมิและระยะเวลาที่เหมาะสม เพื่อลดค่าความเป็นกรด-ด่าง และเพิ่มรูพรุนให้กับชิ้นงาน จากนั้นนำชิ้นงานมาแบ่งเป็น 2 กลุ่มเพื่อแช่และไม่แช่ชิ้นงานในสารละลายจำลองของเหลวของร่างกายมนุษย์ในช่วงเวลาต่างๆ เพื่อทดสอบสมบัติทางด้านความว่องไวทางชีวภาพด้วยการวิเคราะห์การเกิดของคาร์บอเนตอาปาไทต์บนผิวของชิ้นงานจีโอโพลีเมอร์ นอกจากนี้ยังทดสอบสมบัติทางกล ทางกายภาพ และทางเคมี เช่น การทดสอบค่ากำลังรับแรงอัด กำลังรับแรงดัด วิเคราะห์โครงสร้างทางจุลภาค องค์ประกอบทางเคมี หาหมู่ฟังก์ชั่น การดูดซึมน้ำ ความหนาแน่น ความพรุนตัวของชิ้นงานจีโอโพลีเมอร์ด้วย
ผลการทดลองพบว่า จีโอโพลีเมอร์จากเมตาเคโอลินที่ใช้ความเข้มข้นของโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ 10 โมลาร์ แคลเซียมไฮดรอกไซด์ 20% และ โพลีแลคติค 40% โดยน้ำหนัก เหมาะสมที่สุดในการขึ้นรูปจีโอโพลีเมอร์เพื่องานชีวภาพ โดยจะให้ค่ากำลังรับแรงอัดที่สูงที่สุด นอกจากนี้ยังพบว่า การเติมแคลเซียมไฮดรอกไซด์ลงในจีโอโพลีเมอร์ยังช่วยให้เกิดคาร์บอเนตอาปาไทต์บนผิวของชิ้นงานที่ดีอีกด้วย
การสังเคราะห์วัสดุทดแทนกระดูกจากจีโอโพลีเมอร์ชนิดเมตาเคโอลินผสม ที่ใช้คาร์บอเนตอาปาไทต์เป็นสารชีวภาพ จำต้องให้ความสำคัญในเรื่องของความเข้ากันได้ทางชีวภาพกับร่างกายมนุษย์ ระหว่างกระดูกจริงกับวัสดุทดแทนกระดูก ซึ่งยังต้องทำการทดสอบเพิ่มเติม เช่นการเทียบกับมาตรฐานกระดูกเทียมจากโลหะที่ใช้อยู่ในปัจจุบันต่อไป
ขอขอบคุณที่ท่านเข้ามาอ่านบทความวิจัยนี้ และขอความกรุณาสละเวลาตอบแบบสอบถามการให้บริการข้อมูล เพื่อการปรับปรุงต่อไปด้วย จะขอบคุณยิ่ง
คลิกที่นี่เพื่อตอบแบบสอบถาม—> https://goo.gl/forms/hcBXc1080pJmdUmF3
ผศ.ดร.ดวงฤดี ฉายสุวรรณ
|
ที่มาข้อมูล : โครงการวิจัยทุนอุดหนุนวิจัย มก. หัวหน้าโครงการ : ผศ.ดร.ดวงฤดี ฉายสุวรรณ ภาควิชาวิศวกรรมวัสดุ คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ เรียบเรียง/สื่อเผยแพร่ : วันเพ็ญ นภาทิวาอำนวย ฝ่ายเผยแพร่งานวิจัย สถาบันวิจัยและพัฒนาแห่ง มก. โทร. 02 561 1474 e-mail : rdiwan@ku.ac.th |