การพัฒนาสมบัติของวัสดุพรุนประเภทเซรามิกจากของเหลือทิ้งจากอุตสาหกรรมเพื่อการผลิตเป็นวัสดุเชื่อมต่อกระดูก

ปัจจุบันวิวัฒนาการทางการแพทย์มีความก้าวหน้าอย่างรวดเร็ว เนื่องจากความก้าวหน้าทางเทคโนโลยี และการบูรณาการองค์ความรู้ในหลายสาขามาร่วมในการพัฒนาและช่วยเหลือในการพัฒนา และอำนวยความสะดวกในทางการแพทย์เพิ่มมากขึ้น เช่น การนำองค์ความรู้ทางด้านเครื่องกล ด้านอิเล็กทรอนิกส์ และด้านคอมพิวเตอร์มาใช้ในการสร้างเครื่องมือในการผ่าตัด ยิงเลเซอร์ หรือใช้ในงานต่างๆ มากมาย ซึ่งทำให้ขนาดของแผลและระยะเวลาในการพักฟื้นของมนุษย์ลงลด ซึ่งรวมไปถึงการรักษาอาการที่เกิดขึ้นจากการเกิดอุบัติเหตุด้วย ซึ่งระดับความอันตรายของการเกิดอุบัติเหตุก็จะทำให้การรักษาพยาบาลมีความแตกต่างกันออกไป โดยเฉพาะอย่างยิ่งอุบัติเหตุที่ก่อให้เกิดความเสียหายแก่กระดูก โดยเฉพาะผู้ที่อยู่ในวัยสูงอายุ หรือวัยกลางคน การกระสานของการแตกหักของกระดูกเป็นไปได้อย่างช้ามาก และยิ่งไปกว่านั้นการเกิดอุบัติเหตุที่ทำให้เกิดการแตกหักของกระดูกในขั้นที่ไม่สามารถต่อได้ก็จะต้องมีการนำโลหะบางชนิดที่ไม่เป็นอันตรายต่อมนุษย์มาดาม เพื่อให้เกิดการประสาน  หรือใช้โลหะนั้นแทนกระดูกเป็นต้น ซึ่งจากวิวัฒนาการด้านการรักษานั้น จะใช้กระดูกเทียมมาใช้ทดแทน ซึ่งส่วนใหญ่ผลิตจากโลหะประเภท ไทเทเยีนมผสมแก้วเซรามิก ไฮดรอกซีอะพาไทต์  เป็นต้น

     วัสดุประเภท เซรามิก จึงเป็นทางเลือกหนึ่งในการนำมาพัฒนาเป็นวัสดุที่มีสมบัติทางชีวภาพที่เหมาะสมกับการทดแทนกระดูก โดยในปัจจุบันวัสดุเซรามิกที่นำมาใช้เป็นวัสดุทดแทนกระดูกนั้นเป็นสารจำพวก อะลูมิน่า ไฮดรอกซี่อาพาไทด์ เซอร์โคเนีย และ ซิลิกอนไนเตรต โดยในกระบวนการผลิตต้องมีการอัดขึ้นรูป ซึ่งทำให้วัสดุมีความพรุนลดลง และมีรูปร่างที่ไม่หลากหลายจึงทำให้มีข้อจำกัดในการใช้งาน ทำให้การใช้งานเหมาะสมกับการนำมาใช้ทดแทนกระดูกส่วนที่ขาดหายไป ประกอบกับการขึ้นรูปที่ต้องอาศัยแรงในการอัดขึ้นรูปอาจจะทำให้ความพรุนของวัสดุลดลง ซึ่งจะทำให้การใช้ประโยชน์ในส่วนที่เป็นวัสดุเชื่อมต่อระหว่างกระดูกเก่ากับกระดูกเก่า หรือกระดูกเก่ากับกระดูกใหม่นั้นสามารถที่จะเกิดการสร้างกระดูกในวัสดุนั้นลดลง เนื่องจากความพรุนของวัสดุมีปริมาณลดลง ทำให้อัตราการเจริญเติบโตของกระดูกในการต่อเชื่อมลดลง ดังนั้นในการพัฒนาวัสดุเชื่อต่อกระดูกนั้นจะต้องสมบัติทางวิศวกรรมที่สูง และมีความพรุนที่สูงตามไปด้วย โดยพฤติกรรมของวัสดุทุกชนิดที่เมื่อความพรุนในเนื้อวัสดุเพิ่มขึ้นจะทำให้สมบัติทางวิศวกรรมลดลง ซึ่งในงานวิจัยนี้จะต้องเลือกอัตราส่วนที่เหมาะสมที่ให้สมบัติทางวิศวกรรมที่ต้องการ และมีความพรุนที่สูงตามไปด้วย 

วัสดุพรุนประเภทเซรามิกจากเถ้าลอยและซิลิก้าฟูมประเภทแคลเซียมซิลิเกต และแคลเซียมอลูมิเนต ซึ่งเป็นส่วนผสมของสารประกอบของซิลิกา อลูมินา  และแคลเซียมเป็นองค์เป็นประกอบหลัก โดยวัสดุปอซโซลานที่นำมาใช้ในงานวิจัยนี้มาจาก 2 แหล่ง คือ ของเสียจากอุตสาหกรรมต่างๆ เช่น เถ้าลอยจากถ่านหิน ซิลิก้าฟูม หรือวัสดุปอซโซลานจากธรรมชาติที่ผ่านการเผาได้แก่ เถ้าแกลบ ดินขาวเผา เป็นต้น วัสดุปอซโซลานเป็นสารที่ไม่ทำปฏิกิริยาด้วยตนเอง ดังนั้นจะต้องมีการกระตุ้นด้วยด่าง เพื่อทำให้เกิดปฏิกิริยาและเกิดเป็นสารประกอบที่มีความสามรถในการยึดประสาน และมีสมบัติทางวิศวกรรมที่สูงได้ ในปัจจุบันวัสดุซีเมนต์-ปอซโซลานได้ถูกนำมาใช้ประโยชน์ในงานต่างๆ อย่างหลากหลาย เช่น วัสดุทนความร้อน วัสดุทนไฟ วัสดุตกแต่งอาคาร เป็นต้น นอกจากนั้นวัสดุซีเมนต์-ปอซโซลานยังได้ถูกพัฒนาเพื่อเป็นวัสดุชีวภาพ (bioactive materials) ที่สามารถใช้แทนที่ หรือซ่อมแซมกระดูกที่ได้รับบาดเจ็บ ซึ่งวัสดุที่มีลักษณะทางชีวภาพสามารถเกิดกระดูกที่มีองค์ประกอบของไฮดรอกซีอะพาไทต์ (Hydroxyl apatite) โดยการทำปฏิกิริยากับน้ำเลือด(blood plasma) ในสิ่งมีชีวิต และไม่ก่อให้เกิดอันตรายต่อเซลล์ต่างๆในร่างกายมนุษย์ และสัตว์ 

            ดังนั้นในโครงการวิจัยนี้จึงมีการพัฒนาสมบัติทางวิศวกรรม และทางเคมี ของวัสดุพรุนประเภทเซรามิกจากเถ้าลอยและซิลิก้าฟูมเพื่อใช้เป็นวัสดุเชื่อมต่อกระดูก โดยทำการศึกษาอัตราส่วนที่เหมาะสมในการผสมวัสดุปอซโซลานทั้งเถ้าลอย และซิลิก้าฟูม ในวัสดุยึดประสานเซรามิก จากนั้นทำการศึกษากระบวนการทางเคมีและกระบวนการทางความร้อนในการเพิ่มความพรุนในเนื้อวัสดุ  และปรับปรุงสมบัติทางวิศวกรรม และทางเคมีของวัสดุพรุนประเภทเซรามิกจากเถ้าลอยและซิลิก้าฟูม  และทำการวิเคราะห์เปรียบเทียบสมบัติทางด้วยการรับกำลังอัด และแรงดัด สมบัติทางกายภาพได้แก่ ความพรุน สมบัติทางเคมีจะวิเคราะห์การชะละลายของสารประกอบในวัสดุซีเมนต์-ปอซโซลานในสารละลายจำลองของเหลวในมนุษย์ และทำการศึกษาโครงสร้างผลึก และโครงสร้างระดับจุลภาคที่เปลี่ยนแปลง ส่วนสมบัติทางชีวภาพจะทำการศึกษาปริมาณอยู่รอดของเซลล์ที่เกาะที่ผิวของวัสดุพรุนประเภทเซรามิกจากเถ้าลอยและซิลิก้าฟูม ซึ่งจะเป็นการทดสอบสมบัติเบื้องต้นก่อนที่จะมีการนำวัสดุพรุนประเภทเซรามิกจากเถ้าลอยและซิลิก้าฟูมไปทำการศึกษาสมบัติความเข้ากันทางชีวภาพ ก่อนที่จะนำมาทดลองใช้จริงในสัตว์ทดลอง หรือในมนุษย์ เพื่อเป็นแนวทางในการสร้างวัสดุทดแทนกระดูที่มีราคาถูก และมีสมบัติทางชีวภาพที่มีความเหมาะสม อีกทั้งยังเป็นอีกอีกทางเลือกหนึ่งในอนาคตในการรักษาอาการบาดเจ็บที่มีอันตรายโดยตรงต่อกระดูกที่หัก หรือกระดูกที่แตกละเอียด  โดยวัสดุพรุนประเภทเซรามิกจากเถ้าลอยและซิลิก้าฟูมที่ผลิตขึ้นจะเป็นตัวต่อเชื่อมกับกระดูกเก่าได้ ทำให้การรักษาในอนาคตมีค่าใช้จ่ายที่ลดลง และเกิดประโยชน์สูงสุดแก่ประชาชนในชาติ และยังสามารถตอบโจทย์ทางด้านการจัดการสิ่วแวดล้อมในเรื่องการนำของเหลือทิ้งมาทำการเพิ่มมูลค่าได้อีกทางหนึ่งด้วยซึ่งสอดคล้องกับนโยบายการพัฒนาประเทศแบบ BCG โมเดล