หนังสือเล่มนี้อธิบายความหมายของ วัสดุชีวภาพ พร้อมทั้งชี้ให้เห็นถึงความเหมือนและความต่างของวัสดุชีวภาพกับ พลาสติกชีวภาพพอลิเมอร์ย่อยสลายได้ทางชีวภาพ และพลาสติกซึ่งมีความสำคัญต่อการนำไปประยุกต์ใช้ด้านการแพทย์ ทันตกรรมกระดูก และวิศวกรรมเนื้อเยื่อเพื่อเรียนรู้แหล่งกำเนิดของวัสดุชีวภาพชนิดต่าง ๆ ประวัติความเป็นมาจากอดีตถึงปัจจุบันการจำแนกประเภทของวัสดุชีวภาพ เช่น พอลิเมอร์ โลหะ และเซรามิก รวมทั้งเทคนิคการขึ้นรูปวัสดุโครงเลี้ยงเซลล์ เช่น อิเล็กโทรสปินนิ่ง การพิมพ์แบบสามมิติ ตลอดจนการวิเคราะห์สมบัติ ด้านสัณฐานวิทยา สมบัติเชิงกล และการทดสอบเซลล์
หนังสือ “วัสดุชีวภาพ” (Biomaterials) นี้ เพื่อใช้ให้เกิดประโยชน์ต่อนิสิต นักศึกษา และผู้สนใจในงานทางด้านวัสดุชีวภาพ โดยมุ่งให้นิสิตสามารถอ่าน ทำความรู้ ความเข้าใจเกี่ยวกับวัสดุชีวภาพ สมบัติและการใช้งานของวัสดุชีวภาพทางการแพทย์ นิสิตจะได้เรียนรู้เกี่ยวพอลิเมอร์ โลหะและเซรามิกที่ใช้ในทางการแพทย์ อาทิ งานทางด้านวิศวกรรมเนื้อเยื่อ การนำส่งยา การซ่อมแซมจากการผ่าตัด และการซ่อมแซมบาดแผล เป็นต้น โดยเนื้อหาภายในมีทั้งหมด 8 บทจะประกอบไปด้วย
1. บทนำเกี่ยวกับวัสดุชีวภาพ
ในช่วงตันของศตวรรษที่ 21 ตั้งแต่ปี ค.ศ 2001 เป็นต้นมาจนถึงปัจจุบัน วัสดุชีวภาพได้รับความนิยมนำมา ใช้งานด้านการแพทย์ (medicine) งานด้านทันตกรรม (dentistry) และเทคโนโลยีชีวภาพ (biotechnology) เป็นอย่างมาก โดยหากย้อนไปในสมัยกว่าสองพันปีก่อนหน้านี้ในยุคโรมัน จีน และแอซเท็ก (Aztec) มีการนำโลหะทอง มาใช้ในงานทางด้านทันตกรรม การใช้ลูกตาที่ทำจากแก้ว (glass eyes) การใช้ฟันปลอมที่ทำจากไม้ (wooden teeth) และในหนึ่งร้อยปีที่ผ่านมา คำว่า “วัสดุชีวภาพ” (biomaterials) ยังไม่เป็นคำที่ถูกใช้ โดยในสมัยนั้นยังคงไม่มีอุปกรณ์ ทางการแพทย์ ยกเว้น พวกกายอุปกรณ์ที่ใช้ภายนอก (external prosthetics) เช่น แขนขา อุปกรณ์ที่ใช้ยึดตรึงอวัยวะ ที่แตกหัก และอุปกรณ์ที่ใช้เกี่ยวกับทันตกรรม ในระยะเวลาต่อมา พลาสติกที่สังเคราะห์ได้จากผลิตภัณฑ์จากปิโตรเลียม และปิโตรเคมีได้ถูกสังเคราะห์ขึ้นและถูกนำมาใช้งานอย่างต่อเนื่อง โดยเฉพาะงานทางด้านการปลูกฝัง (implantation) แต่อย่างไรก็ตาม ในสมัยนั้นก็ยังคงไม่มีกระบวนการเพื่อใช้วัสดุเหล่านี้อย่างเป็นทางการ และก็ยังคงไม่มีความเข้าใจถึง คำว่า “ความสามารถในการเข้ากันได้ทางชีวภาพ” (biocompatibility) รูปที่ 1.1 แสดงภาพช่วงเวลาการค้นพบ และการพัฒนาการใช้งานของวัสดุชีวภาพตั้งแต่ปี ค.ศ. 1800 ถึงปัจจุบัน
2. ที่มาของพลาสติกชีวภาพ
จากอดีตจนถึงปัจจุบัน เราคงปฏิเสธไม่ได้ว่า “พลาสติก” (Plastics) ถูกนำมาใช้และเกี่ยวข้อง กับชีวิตประจำวันของเราอย่างมากมาย พลาสติกถูกนำมาใช้ขึ้นรูปเป็นของใช้ในชีวิตประจำวันตั้งแต่เราตื่นนอนมา เช่น ด้ามแปรงสีฟัน หลอดยาสีฟัน หวี่ เมื่อเราขับรถไปทำงาน ส่วนประกอบของรถ ไม่ว่าจะเป็นรถยนต์ รถจักรยานยนต์ มีส่วนประกอบที่ทำจากพลาสติกหลาย ๆ ชิ้น เช่น โครงรถภายในและภายนอก กรอบกระจก แบตเตอรี่ เป็นต้น หรือแม้กระทั่งโทรศัพท์มือถือ ปากกา โต๊ะทำงาน เครื่องปรับอากาศ เครื่องคอมพิวเตอร์ ล้วนแล้วมีองค์ประกอบ ที่ทำมาจากพลาสติกทั้งสิ้น ในโลกปัจจุบันที่มีการเปลี่ยนแปลงเทคโนโลยีอย่างรวดเร็ว ความสำคัญของพลาสติก จึงมีเพิ่มมากขึ้นอย่างต่อเนื่อง บุคคลทั่วไปจะเข้าใจความหมายของคำว่าพลาสติก คือ วัสดุที่สามารถขึ้นรูป ได้เป็นเครื่องใช้ บรรจุภัณฑ์ หรืออุปกรณ์ต่าง ๆ ที่เราเห็นกันทั่วไป เช่น ขวดน้ำพลาสติก ถังพลาสติก โต๊ะเก้าอี้พลาสติก ฯลฯ โดยความหมายในเชิงวิชาการแล้ว พลาสติกเป็นวัสดุชนิดหนึ่งที่มีโมเลกุลของสารไฮโดรคาร์บอน เรียงต่อกันแบบช้ำ ๆ หลาย ๆ หน่วยเป็นสายโซโมเลกุล ดังนั้นในสายโชโมเลกุลจึงมีองค์ประกอบหลักเป็น ธาตุคาร์บอน (C) ไฮโดรเจน (H) และอื่น ๆ คือ ออกซิเจน (O) ไนโตรเจน (N) กำมะถัน (S) ฟลูออรีน (F) คลอรีน (CI เป็นต้น โดยการเรียงต่อกันเป็นสายโซ่ที่ยาวทำให้พลาสติกมีน้ำหนักโมเลกุลที่สูงกว่าสารอินทรีย์ทั่วไปอย่างมาก ส่งผลทำให้ พลาสติกมีความแข็งแรง ยืดหยุ่น มีสมบัติเชิงกลขึ้นอยู่กับการจัดเรียงตัวของสายโซ่ โดยส่วนใหญ่ การนำพลาสติก มาใช้งานจะมีการเติมสารเติมแต่งต่าง ๆ เพื่อให้สามารถนำไปขึ้นรูปและใช้งานได้
3.พลาสติกชีวภาพ
พลาดตกชวภาพ พลาสติกชีวภาพ (bioplastics) เป็นพอลิเมอร์ชนิดหนึ่งซึ่งมีแหล่งที่มาของมอนอเมอร์เริ่มต้นจากสารชีวโมเลกุล ที่ได้จากธรรมชาติ โดยในปัจจุบัน พลาสติกชีวภาพได้รับความสนใจนำมาใช้ในอุตสาหกรรมต่าง ๆ อย่างมากมาย อาทิ ภาชนะบรรจุอาหาร ผลิตภัณฑ์ทางการแพทย์ เช่น ไหมเย็บแผล วัสดุโครงเลี้ยงเซลล์ ระบบการนำส่งยา ทั้งนี้เพื่อลดปริมาณ การใช้ปิโตรเลียม และลดปัญหาสิ่งแวดล้อมอันเกิดจากพลาสติกซึ่งผลิตจากผลิตภัณฑ์เริ่มต้นจากปิโตรเลียมซึ่งส่วนใหญ่ ไม่สามารถย่อยสลายได้ทางธรรมชาติ พลาสติกชีวภาพที่สำคัญและมีการนำมาใช้อย่างแพร่หลาย ได้แก่ พอลิเมอร์ ในกลุ่มของพอลิเอสเทอร์สายโซ่ตรง (aliphatic polyesters) ทั้งนี้เนื่องจากพอลิเฮสเทอร์เป็นพอลิเมอร์ที่สามารถ ย่อยสลายได้ทางชีวภาพ (biodegradable polymers) จากการมีองค์ประกอบของพันธะเอสเทอร์ในโครงสร้าง สายโซ่หลักที่สามารถเกิดการแตกหักได้ด้วยกระบวนการไฮโดรไลชิส (hydrolysis)
4. ชนิดของวัสดุชีวภาพที่ใช้ในทางการแพทย์
จากที่กล่าวมาแล้วในบทก่อนหน้านี้ว่า ชนิดของวัสดุชีวภาพ (Biomaterials) มีหลากหลายประเภทด้วยกัน โดยในบทที่ 2 และ 3 ได้กล่าวถึง วัสดุชีวภาพประเภทพอลิเมอร์ย่อยสลายได้ทางชีวภาพ ที่มีการใช้งานและเป็นที่นิยม ใช้ในทางการแพทย์ในปัจจุบัน ส่วนในบทนี้จะกล่าวถึงวัสดุชีวภาพชนิดอื่น ๆ คือ พอลิเมอร์ชนิดอื่น ๆ ซึ่งรวมไปถึง ไฮโดรเจล พอลิเมอร์อัจฉริยะ วัสดุจากธรรมชาติ โลหะ และเซรามิก ซึ่งวัสดุเหล่านี้มีสถานะเป็นของแข็ง มีการจัดเรียงตัว ของอะตอมและโมเลกุลที่มีความแข็งแรงแตกต่างกันไป ทำให้มีสมบัติแตกต่างกันไปด้วย ด้วยเหตุนี้การนำวัสดุชีวภาพ มาใช้งานทางการแพทย์จึงขึ้นอยู่กับจุดประสงค์หลักของการรักษาโดยแพทย์ผู้เชี่ยวชาญ วัสดุชีวภาพที่ถูกนำมา ใช้ควรมีสมบัติทางกายภาพ สมบัติทางเคมี และสมบัติเชิงกลที่เหมาะต่อการใช้งานประเภทต่าง ๆ ตารางที่ 4.1 แสดงตัวอย่างของวัสดุชีวภาพและการใช้งาน
5. วัสดุชีวภาพจากธรรมชาติ
วัสดุชีวิภาพจาก กธรรมชาติ วัสดุที่ได้จากธรรมชาตินั้นมีข้อดีต่าง ๆ มากมายที่จะนำมาใช้ในทางการแพทย์ ทั้งนี้เนื่องจากมีองค์ประกอบ ทางชีววิทยาที่สามารถเข้ากับร่างกายมนุษย์ได้ในอดีตนั้นวัสดุธรรมชาติมีข้อบกพร่องในการนำมาใช้งานหลาย ๆ อย่าง อาทิ ไม่มีสมบัติเชิงกลที่มากพอ มีโครงสร้างที่ค่อนข้างซับซ้อน รวมถึงมีผลต่อภาวะภูมิคุ้มกันของร่างกาย การพัฒนาการใช้งาน ของวัสดุธรรมชาติทางการแพทย์จึงมีการพัฒนามาอย่างต่อเนื่อง โดยในปัจจุบัน วัสดุที่ได้จากธรรมชาติ อาทิ อัลจิเนต (alginate) ไคโตซาน (chitosan) ไหม (silk) คอลลาเจน (collagen) เจลาติน (gelatin) ไฮเอลูโรนิกแอซิด (hyaluronic acid) ฮีพาริน (heparin) อิลาสติน (elastin) อิลาสตินเหมือนเปปไทด์ (elastin-like peptides) ไฟบริน และไฟบริโนเจน (fbrin/fibrinogen) คอนโดรทิน ซัลเฟต (chondroitin sulfate) เนื้อเยื่อดีเซลลูไลท์ (decellularized tissue) สามารถนำมาใช้งานทางด้านการแพทย์ได้หลากหลายประเภทตามสมบัติของวัสดุเหล่านี้ โดยวัสดุเหล่านี้อาจถูกนำมาพัฒนาหรือปรับปรุงโครงสร้างทางเคมี หรือด้วยการเชื่อมโยงโครงสร้างโมเลกุล ด้วยสมบัติ ที่สามารถเกิดการย่อยสลายได้ด้วยเอนไซม์ (enzymatic degradation) หรือน้ำ (hydrolytic degradation) ภายในร่างกายมนุษย์ ทำให้วัสดุธรรมชาติเหล่านี้เหมาะต่อการนำไปใช้งานประเภทที่ใช้เวลาสั้นในการปลูกถ่าย (short-term implants) เช่น ใช้ในระบบนำส่งยา การบำบัดเซลล์ ไม่เหมาะสมสำหรับงานที่ใช้เวลาปลูกถ่ายยาวนาน เช่น การปลูกถ่ายสะโพก เป็นต้น
6. เทคนิคการขึ้นรูปวัสดุโครงเลี้ยงเซลล์ทางวิศวกรรมเนื้อเยื่อ
วัสดุโครงเลี้ยงเซลล์ทางวิศวกรรมเนื้อเยื่อ หรือวิศวกรรมการเพาะเลี้ยงเซลล์ (tissue engineering scaffolds) ที่ทำจากพอลิเมอร์เป็นทางเลือกหนึ่งที่ยังเป็นที่น่าสนใจในการศึกษาขึ้นรูปและการวิเคราะห์ลักษณะเฉพาะ เพื่อใช้ประโยชน์ทางการแพทย์ เนื่องจากความสามารถในการทำหน้าที่คล้ายเมทริกซ์ภายนอกให้กับเซลล์ (extracellular matric; ECM) ทำให้เซลล์เจริญเติบโตได้ โดยลักษณะเฉพาะของวัสดุโครงเลี้ยงเซลล์ทางวิศวกรรม เนื้อเยื่อนี้ต้องเป็นวัสดุที่สามารถเข้ากันกับร่างกายได้ (biocompatible) มีโครงสร้างที่ทำให้เซลล์เกิดการเกาะติด (cell attachment) เจริญเติบโต (proliferation) และมีการพัฒนาการ (differentiation) ได้ มีสมบัติเชิงกลที่เหมาะสม ต่อการใช้งาน สามารถควบคุมอัตราการย่อยสลายทางชีววิทยาได้ การขึ้นรูปวัสดุโครงเลี้ยงเซลล์ในทางวิศวกรรมเนื้อเยื่อ สามารถทำได้หลายรูปแบบ อาทิ โครงสร้างที่มีรูพรุน โครงสร้างไฮโดรเจล เส้นใยขนาดนาโนเมตร โครงสร้างแผ่นตะแกรง ตัวอย่างเช่น โครงสร้างแผ่นตะแกรง (mesh scaffold) ของ PLGA/PLA ที่เคลือบด้วย BMP-2 (bone morphogenic protein) และ hFDM (human lung fibroblasts) สามารถทำให้เกิดการสร้างกระดูกขึ้นมาใหม่ได้เป็นอย่างดี
7. เทคนิคการตรวจสอบสมบัติการผสมเข้ากันได้ของพอลิเมอร์และการวิเคราะห์สมบัติของวัสดุโครงเลี้ยงเซลล์
สมบัติการผสมเข้ากันได้ หรือ “miscibility” นั้น เป็นสมบัติที่สำคัญสำหรับพอลิเมอร์ผสมโดยความสามารถ ในการผสมเข้ากันได้มากน้อยเพียงใดของพอลิแมอร์ผสมที่ใช้ จะส่งผลไปถึงความสมบัติทางกายภาพ และสมบัติเชิงกล ของพอลิเมอร์ผสมนั้นๆโดยตรง ดังนั้น ในส่วนแรกของบทนี้จะกล่าวถึง วิธีการเลือกพอลิเมอร์ซึ่งเป็นวัสดุชีวภาพ ที่มีการนำมาใช้งานมาผสมกัน ทั้งนี้ การวิเคราะห์สมบัติการผสมเข้ากันได้นี้ จะวิเคราะห์จากค่าความสามารถในการละลาย (solubility parameter) ระหว่างพอลิเมอร์ที่ใช้ในการผสมขึ้นรูป และในส่วนที่สอง จะกล่าวถึงเทคนิคทั่วไปที่ใช้ ในการวิเคราะห์สมบัติของวัสดุโครงเลี้ยงเซลล์ หรืออวัยวะเทียมที่ขึ้นรูปหรือพิมพ์ก่อนการนำไปใช้งานในทางการแพทย์ อาทิ สัณฐานวิทยา (morphology) ด้วยเทคนิคกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (scanning electron micros- copy: SEM) เทคนิคกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่าน (transmission electron microscopy: TEM) เทคนิคกล้องจุลทรรศน์แบบคอนโฟคอล (confocal microscopy สมบัติเชิงความร้อนด้วยเทคนิคการวิเคราะห์ ความแตกต่างของพลังงาน (differential scanning calorimetry: DSC) สมบัติเชิงกล (mechanical properties) การทดสอบเซลล์ในห้องปฏิบัติการ การทดสอบในสัตว์ เป็นต้น
8. วัสดุชีวภาพกับการใช้ประโยชน์
ตามที่กล่าวมาแล้วในบทที่ 4 ว่า “วัสดุชีวภาพ” (biomaterials)” มีอยู่ 3 ประเภทใหญ่ๆด้วยกัน คือ โลหะ (metal) พอลิเมอร์ (polymers) และเซรามิก (ceranics) สามารถถูกนำไปใช้ประโยชน์ในทางการแพทย์ อย่างมากมาย โดยในบทก่อนหน้านี้ได้เน้นถึงการนำไปใช้ประโยชน์ทางด้านวิศวกรรมเนื้อเยื่อ (tissue engineering) เป็นส่วนใหญ่ และวัสดุชีวภาพที่กล่าวถึงมากที่สุดในหนังสือเล่มนี้ ก็คือ พอลิเมอร์ชีวภาพ (biopolymers) แต่อย่างไร ก็ตาม ในบทนี้จะเน้นให้ผู้อ่านได้ทราบถึงประโยชน์ของการนำวัสดุชีวภาพไปใช้งานในด้านต่างๆให้มากขึ้น โดยวัสดุชีวภาพ ถูกนำไปใช้เป็นวัสดุสำหรับอุปกรณ์ทางการแพทย์ (medical devices) หลากหลายชนิดที่ใช้สำหรับร่างกายมนุษย์ หรือการนำไปปลูกฝังในร่างกายมนุษย์ (implantation) เพื่อแก้ปัญหาที่เกิดขึ้นกับผู้ป่วย เช่น อุปกรณ์ทางการแพทย์ ที่ใช้กับหัวใจ หลอดเลือด ไต กระดูก ผิวหนัง หู ฟัน เป็นต้น จากข้อมูลในปี ค.ศ. 2000 พบว่ามีผู้ป่วยประมาณถึง 20 ล้านคนที่ต้องมีการผ่าตัดปลูกฝังอุปกรณ์ทางการแพทย์ และจะมีแนวโน้มเพิ่มมากขึ้นอย่างต่อเนื่อง โดย 5 อันดับแรก ของอุปกรณ์ทางการแพทย์ที่ปลูกฝังในผู้ป่วย คือ เลนส์ตาเทียม ท่อในหูที่ช่วยให้ความดันเท่ากัน สเต็นท์สำหรับ หลอดเลือดหัวใจตีบ ข้อเข่าเทียม และสุดท้ายคือ การใส่โลหะประเภทสกรู หมุด แผ่น และท่อ
