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