การพัฒนาเส้นพลาสติกผสมสำหรับเครื่องพิมพ์ 3 มิติเพื่อประยุกต์ใช้ทางด้านวิศวกรรมเนื้อเยื่อกระดูก

บทคัดย่อ (abstract)

ปัจจุบันนี้เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติมีบทบาทสำคัญในทุกภาคส่วนของอุตสากรรม รวมทั้งงานทางด้านการแพทย์ที่มีส่วนช่วยในการจำลองการรักษาเพื่อช่วยให้แพทย์สามารถทำความเข้าใจในอวัยวะของผู้ป่วยและจัดทำอุปกรณ์การรักษาได้อย่างเหมาะสมกับรายบุคคล ส่งผลให้การรักษามีประสิทธิภาพมากขึ้น ลดการผิดพลาดและเวลาในการรักษาผู้ป่วย โดยเฉพาะอย่างยิ่งทางด้านศัลยกรรมกระดูก (orthopedic) การรักษานั้นจะมีความซับซ้อน อีกทั้งการแตกหักของกระดูกก็มีลักษณะจำเพาะเจาะจงที่แตกต่างกันไป แต่อย่างไรก็ตามการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติยังไม่ตอบโจทย์ในทางการแพทย์ได้อย่างครอบคลุมและเป็นรูปธรรมเนื่องจากเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติยังคงใช้เส้นพลาสติกในการขึ้นรูปเป็นชิ้นงานวัสดุทดแทนซึ่งไม่สามารถนำชิ้นงานที่ขึ้นรูปนั้นไปปลูกถ่ายในร่างกายของผู้ป่วยได้จริงเพราะเส้นพลาสติกยังขาดสมบัติในด้านการเจริญเติบโตของเซลล์เนื้อเยื่อต่าง ๆ รวมทั้งเซลล์กระดูก ดังนั้นการพัฒนาและปรับปรุงเส้นพลาสติกให้มีสมบัติเหมือนวัสดุทดแทนที่สามารถนำชิ้นงานมาปลูกถ่ายในร่างกายหลังจากการขึ้นรูป โดยเส้นพลาสติกต้องมีสมบัติความเข้ากันได้ทางชีวภาพ (biocompatibility) การออกฤทธิ์ทางชีวภาพ (bioactivity) การสลายตัวทางชีวภาพ (bio degradation) และการยับยั้งการเจริญเติบโตของแบคทีเรีย (antibacterial activity) เป็นต้น ซึ่งการพัฒนาเส้นพลาสติกให้เป็นเส้นพลาสติกผสมเพื่อให้มีสมบัติที่หลากหลายดังกล่าวข้างต้นเพื่อประยุกต์ใช้ในงานด้านศัลยกรรมกระดูกนั้นสามารถทำได้โดยการเติมสารเติมแต่งจำพวกผงกระดูกเทียมและผงแคลเซียมที่สามารถสังเคราะห์ได้จากกระบวนการตกตะกอนทางเคมี (chemical precipitation process) จากวัสดุเหลือทิ้งเข้าไปในกระบวนการฉีดขึ้นรูปเส้นพลาสติก โดยวัสดุเหลือทิ้งจำพวกเปลือกไข่ เปลือกหอย และเกล็ดปลา เป็นต้น ซึ่งเป็นวัสดุชีวภาพที่มีอยู่มากมายในภาคการเกษตรของไทยที่ถูกให้ความสำคัญตามโมเดลเศรษฐกิจใหม่ (BCG economy) แต่อย่างไรก็ตามการเติมสารเติมแต่งในเส้นพลาสติกผสมเพื่อให้ได้สมบัติตามต้องการ จำเป็นต้องศึกษาสัดส่วนที่เหมาะสมในการเติมสารเติมแต่งในเส้นพลาสติกผสม ศึกษาปัจจัยที่เหมาะสมในการฉีดขึ้นรูปเส้นพลาสติกผสม ได้แก่ อุณหภูมิ และอัตราเร็วในการฉีด เป็นต้น ศึกษาความสามารถในการขึ้นรูปด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติ ศึกษาสมบัติทางกายภาพและสมบัติเชิงกลของเส้นพลาสติกผสมที่พัฒนาขึ้น ตลอดจนศึกษาสมบัติการออกฤทธิ์ทางชีวภาพและการยับยั้งการเจริญเติบโตของแบคทีเรียของเส้นพลาสติกผสมสำหรับการประยุกต์ใช้งานวิศวกรรมเนื้อเยื่อกระดูกในการศัลยกรรมกระดูก ซึ่งผลการศึกษาทั้งหมดนี้จะได้องค์ความรู้จากกระบวนการสังเคราะห์ผงกระดูกเทียมได้เองภายในห้องปฏิบัติการ กระบวนการผลิตเส้นพลาสติกที่ผสมผงกระดูกเทียมและผงแคลเซียมที่มีสมบัติการเจริญเติบโตของกระดูกได้อย่างสมบูรณ์และมีการยับยั้งการเจริญเติบโตของแบคทีเรีย ซึ่งเป็นผลผลิตจากห้องปฏิบัติการวิจัยที่เป็นการพัฒนาวัสดุให้รองรับการใช้งานที่หลากหลาย ซึ่งแสดงให้เห็นถึงความเข้มแข็งและขีดความสามารถที่เพิ่มขึ้นทางด้านทักษะวิจัยของบุคลากรและนักศึกษาของมหาวิทยาลัยรวมถึงสามารถนำองค์ความรู้ที่ได้จากการวิจัยมาแลกเปลี่ยนและเผยแพร่ให้แก่นักวิจัยทั้งในประเทศและต่างประเทศในรูปแบบบทความวิจัย หลังจากโครงการวิจัยนี้สำเร็จเบื้องต้นจะพัฒนาต่อยอดขอทุนวิจัยร่วมกับผู้ประกอบการเพื่อพัฒนาให้การผลิตเส้นพลาสติกผสมที่สามารถใช้ในงานด้านศัลยกรรมกระดูกที่ใช้งานอย่างเป็นรูปธรรมและสามารถพัฒนาสู่อุตสาหกรรมการผลิตเชิงพาณิชย์เพื่อรองรับการพัฒนาประเทศในเรื่องของอุตสาหกรรมแห่งอนาคตและการแพทย์ครบวงจร เพิ่มขีดความสามารถในการผลิตใช้เองในอนาคตเพื่อลดการนำเข้าจากต่างประเทศส่งเสริมให้เกิดการพัฒนาประเทศอย่างยั่งยืนต่อไปตามแผนพัฒนาเศรษฐกิจและสังคมแห่งชาติ ฉบับที่ 13 ของประเทศ

หลักการและเหตุผล/ปัญหา/โจทย์การวิจัย

ด้วยความเจริญก้าวหน้าและเทคโนโลยีทางการแพทย์ส่งผลให้ประชากรของโลกมีค่าอายุเฉลี่ยที่มากขึ้น ประกอบกับลักษณะการดำรงชีวิตของประชากรที่มีความรักอิสระอันเป็นผลให้มีอัตราการเกิดของประชากรลดน้อยลง ซึ่งจะนำให้ประชากรในทุกประเทศรวมทั้งประเทศไทยจะเริ่มเข้าสู่สภาวะสังคมผู้สูงอายุ (Aging Society) โดยประชากรผู้สูงอายุที่จะสามารถช่วยขับเคลื่อนเศรษฐกิจของประเทศแทนประชากรกลุ่มวัยกลางคนที่เป็นกลุ่มแรงงานหลักของประเทศได้อย่างมีประสิทธิภาพนั้น ดังนั้นเทคโนโลยีทางการแพทย์ที่ก้าวหน้าจะมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อประชากรผู้สูงอายุในการชะลอหรือลดความเสื่อมของร่างกาย โดยเฉพาะอย่างยิ่งอวัยวะเทียมและการปลูกถ่ายอวัยวะต้องมีความพร้อมและง่ายต่อการเข้าถึง อวัยวะเทียมที่มีใช้อยู่ทั่วไปส่วนใหญ่ทำมาจากโลหะเนื่องจากมีความแข็งแรง สามารถรองรับน้ำหนักได้ และทนทาน แต่มีความเข้ากันได้ทางชีวภาพต่ำ ไม่สามารถย่อยสลายได้เองตามธรรมชาติส่งผลต่อความกังวลใจของผู้ป่วยที่มีโลหะอยู่ภายในร่างกาย อีกทั้งต้นทุนของวัสดุ ชิ้นอวัยวะเทียม และกระบวนการรักษามีราคาค่อนข้างสูง ด้วยเหตุนี้เทคโนโลยีทางการแพทย์จึงให้ความสนใจในการปรับเปลี่ยนวัสดุในการผลิตอวัยวะเทียม พลาสติกเป็นวัสดุที่ได้รับความนิยมเป็นอย่างมากที่นำมาประยุกต์ใช้ทางด้านการแพทย์เนื่องจากพลาสติกมีความโดดเด่ดในเรื่องของความเข้ากันได้ทางชีวภาพ มีความยืดหยุ่นสูง น้ำหนักเบา อีกทั้งพลาสติกบางชนิด เช่น พลาสติกชีวภาพยังมีสมบัติในการย่อยสลายได้เองตามธรรมชาติ นอกจากนี้ยังสามารถแปรรูปหรือขึ้นรูปได้ง่ายตามลักษณะรูปร่างจำเพาะเจาะจงหรือรูปร่างที่มีความซับซ้อนได้ ซึ่งอวัยวะเทียมหรือวัสดุทดแทนที่นิยมใช้ในปัจจุบันมีการนำเข้าจากต่างประเทศซึ่งถูกสร้างมาจากลักษณะรูปร่างและขนาดของอวัยวะของประชากรในประเทศผู้ผลิตส่งผลให้ในระหว่างกระบวนการถ่ายเปลี่ยนอวัยวะหรือรักษาต้องมีการปรับแต่งหรือตัดชิ้นส่วนให้เข้ากับผู้ป่วย อันจะเพิ่มความเสี่ยงในการรักษาทั้งระยะเวลาการเปลี่ยนถ่ายอวัยวะที่เพิ่มขึ้นและความเข้ากันได้ของชิ้นส่วนกับร่างกาย ซึ่งการลดระยะเวลาในการเปลี่ยนถ่ายอวัยวะหรือความผิดพลาดในการรักษาผู้ป่วยนั้น ปัจจุบันนี้ได้มีการจำลองการรักษาโดยใช้เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติ เพื่อให้แพทย์สามารถทำความเข้าใจในอวัยวะของผู้ป่วยและจัดทำอุปกรณ์การรักษาได้อย่างเหมาะสมกับรายบุคคล แต่อย่างไรก็ตามการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติในทางการแพทย์จะใช้อย่างกว้างขวางในส่วนของการจำลองการรักษาเท่านั้น ดังนั้นเพื่อให้การประยุกต์ใช้เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติตอบโจทย์ในทางการแพทย์ได้อย่างครอบคลุมและเป็นรูปธรรมมากขึ้น การพัฒนาชิ้นส่วนวัสดุทดแทนจากพลาสติกแทนการใช้โลหะโดยอาศัยเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติในการขึ้นรูปวัสดุให้มีความจำเพาะเจาะจงในการรักษา โดยเฉพาะอย่างยิ่งในด้านศัลยกรรมกระดูก (orthopedic) ยังคงเป็นความท้าทายในวงการพัฒนาวัสดุเพื่อใช้ในทางการแพทย์ทั้งในประเทศไทยและต่างประเทศ อันเป็นเป้าหมายที่สำคัญของแผนพัฒนาเศรษฐกิจและสังคมแห่งชาติ ฉบับที่ 13 ของประเทศในการพัฒนาวัสดุให้สามารถประยุกต์ใช้งานได้หลากหลายด้าน (multi-function application) รวมถึงเพิ่มขีดความสามารถในการผลิตซึ่งนำไปสู่อุตสาหกรรมแห่งอนาคตและการแพทย์ครบวงจร ซึ่งเส้นพลาสติกที่ใช้กับเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติในปัจจุบันนั้นยังขาดสมบัติที่จำเป็นสำหรับใช้เป็นวัสดุทดแทน ได้แก่ ความเข้ากันได้ทางชีวภาพ (biocompatibility) การออกฤทธิ์ทางชีวภาพ (bioactivity) การสลายตัวทางชีวภาพ (biodegradation) และการยับยั้งการเจริญเติบโตของแบคทีเรีย (antibacterial activity) เป็นต้น ซึ่งในกระบวนการพัฒนาและผลิตเส้นพลาสติกให้มีสมบัติดังกล่าวข้างต้น ดังนั้นงานวิจัยนี้ต้องการที่จะพัฒนาเส้นพลาสติกให้เป็นเส้นพลาสติกผสม (composite plastic filament) ที่สามารถใช้ในการขึ้นรูปชิ้นส่วนวัสดุทดแทนด้วยเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติ โดยการเติมสารเติมแต่งที่เป็นผงกระดูกเทียมและผงแคลเซียมที่สังเคราะห์ได้จากวัสดุเหลือทิ้งจำพวก เปลือกไข่ เปลือกหอย และเกล็ดปลา สำหรับประยุกต์ใช้ในงานศัลยกรรมกระดูก ซึ่งเริ่มจาการศึกษาการฉีดขึ้นรูปเส้นพลาสติกของพลาสติกชนิดที่แตกต่างกัน พร้อมทั้งศึกษาสัดส่วนที่เหมาะสมในการเติมสารเติมแต่งในเส้นพลาสติกผสม ศึกษาปัจจัยที่เหมาะสมในการฉีดขึ้นรูปเส้นพลาสติกผสม ได้แก่ อุณหภูมิ และอัตราเร็วในการฉีด เป็นต้น ศึกษาความสามารถในการขึ้นรูปด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติ ศึกษาสมบัติทางกายภาพและสมบัติเชิงกลของเส้นพลาสติกผสมที่พัฒนาขึ้น ตลอดจนศึกษาสมบัติการออกฤทธิ์ทางชีวภาพและการยับยั้งการเจริญเติบโตของแบคทีเรียของเส้นพลาสติกผสมสำหรับการประยุกต์ใช้งานวิศวกรรมเนื้อเยื่อกระดูกในการศัลยกรรมกระดูกต่อไป