การพัฒนาเทคโนโลยีเคลือบผิวเส้นใยนุ่นดักจับฝุ่น และจุลินทรีย์ในละอองฝอย

การระบาดของไวรัสโคโรน่า-19 (COVID-19) ซึ่งเป็นโรคที่มีผลกระทบต่อระบบทางเดินหายใจ ขนาดของฝอยละออง (aerosol) ที่มาจากทางเดินหายใจ จะแบ่งเป็น 2 ขนาด คือ ฝอยละอองขนาดเล็กจะมีขนาดเล็กกว่า 5 ไมโครเมตร และฝอยละอองขนาดใหญ่จะมีขนาดใหญ่กว่า 5 ไมโครเมตร การฟุ้งของฝอยละอองขนาดเล็กในสิ่งแวดล้อม จะขึ้นอยู่กับปัจจัยต่าง เช่น ความชื้น อุณหภูมิ และอื่นๆ  แต่ฝอยละอองขนาดใหญ่จะสามารถตกด้วยแรงโน้มถ่วงของโลก แพร่กระจายในระยะทาง 1-2 เมตรจากแหล่งกำเนิด ส่วนปัญหาฝุ่นจิ๋ว (Particulate Matter 2.5, PM2.5) ฝจัดเป็นมลพิษในอากาศ ที่มีการรวมตัวของสารอันตราย เช่น ไนโตรเจนไดออกไซด์ (Nox) ซัลเฟอร์ไดออกไซด์ (Sox) โพลีอะโรมาติกไฮโดรคาร์บอน (PAH) แคดเมียม ปรอท และอาร์เซนิกส์ ก่อให้เกิดผลกระทบต่อสุขภาพ ขนาดของฝุ่นจิ๋วจะมีขนาด 2.5 ไมโครเมตร หรือเล็กกว่า ทั้งสองปัญหานี้ทำให้เกิดความต้องการหน้ากากสำหรับการป้องกันการแพร่ระบาดของเชื้อ และกรองฝุ่น

    การผลิตหน้ากากผ้าจากวัสดุในครัวเรือนเพื่อกรองฝุ่น และกรองไวรัส เพื่อทดแทนหน้ากากทางการแพทย์ในช่วงที่ผ่านมา หน้ากากผ้าที่ผลิตใช้ในครัวเรือนมีการทดสอบประสิทธิภาพการกักกั้นฝอยละอองและฝุ่น ผ้าที่ใช้ผลิตหน้ากากผ้ามีความสำคัญต่อประสิทธิภาพของการกรอง หน้ากากผ้าโดยทั่วไปจะผลิตจากผ้าฝ้ายที่ทอ 600 เส้นด้ายต่อตารางนิ้ว สามารถกรองละอองฝอยขนาดอนุภาค 10 นาโนเมตร ถึง 10 ไมโครเมตร หน้ากากผ้าฝ้ายชั้นเดียวมีประสิทธิภาพในการกรองอนุภาคขนาด 0.3 ไมโครเมตร ในช่วง 5-80 เปอร์เซนต์  และกรองฝอยละอองอนุภาคขนาดเล็กกว่า 0.3 ไมโครเมตร ได้ 79 เปอร์เซนต์ แต่หากนำมาซ้อนกับผ้าสักหลาด จะเป็นหน้ากากผ้าลูกผสม (hybrid) ระหว่างผ้าฝ้ายและผ้าสักหลาด ที่กรองฝอยละอองได้  97 เปอร์เซนต์  เนื่องจากผ้าสองชนิดสามารถสร้างไฟฟ้าสถิตย์ (electrostatic) ประกอบกับไวรัส Sars-CoV2 ที่ก่อให้เกิดโรคระบาดไวรัสโคโรน่า-19  มีสารประกอบกรดอะมิโน จะเกาะติด (attach) บนน้ำตาล (sugar) ที่มีประจุลบ ภายใต้สภาวะพีเอชที่เป็นกลาง ไวรัสนี้จึงสามารถเกาะติดเส้นใยเซลลูโลสที่มีองค์ประกอบของแป้ง (starch) ที่มีสนามไฟฟ้าสถิตย์ที่มาจากสารกลุ่มไฮดรอกซิล (hydroxyl groups) 

    ฝ้าย (cotton) เป็นเส้นใยที่ใช้ในการผลิตสิ่งทอ ผลผลิตฝ้ายส่วนใหญ่จะเป็นฝ้ายสายพันธุ์ Bt Cotton ที่จัดเป็นพืชที่ดัดแปลงพันธุกรรม (genetic modified organism, GMO) มีแบคทีเรีย Bacillus thruringiensis ที่สร้างสารพิษที่มีโปรตีนเป็นองค์ประกอบ Bt toxin สามารถฆ่าศัตรูพืชได้ การทดสอบความเป็นพิษของโปรตีนใน Bt toxin นั้นอาจไม่ก่อให้เกิดอันตรายในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม แต่ยังไม่มีผลยืนยันในระยะยาว ฝ้าย Bt cotton ส่วนใหญ่ที่ผลิตในสหรัฐอเมริกา และอินเดีย ราว 96 และ 95 เปอร์เซนต์ของผลผลิตฝ้าย ตามลำดับ

    เพื่อให้เกิดความปลอดภัยต่อสุขภาพ นุ่นจึงเป็นเส้นใยธรรมชาติที่จะนำมาผลิตหน้ากากแบบไม่ทอ (non-woven fabric) คณะผู้วิจัยจึงสนใจต่อยอดนวัตกรรมแผ่นนุ่น และการเคลือบเส้นใยนุ่น ด้วยกระบวนการลอกสารเคลือบบนผิวเส้นใยนุ่น จะทำให้เซลลูโลสแปรสภาพเป็นสารประกอบกลุ่มน้ำตาล แล้วจึงกระตุ้นให้เกิดสารประกอบเซลลูโลสอะซิเตท ที่มีคุณสมบัติเป็นกาวธรรมชาติ และเติมสารประกอบแมกนีเซียมเปอร์ออกไซด์ (MgO₂) ในกาวธรรมชาติ โดยสารประกอบแมกนีเซียมเปอร์ออกไซด์สามารถสร้างสารประกอบ reactive oxygen species (ROS) หรือ superoxide anions (O-) ที่สามารถยับยั้งเชื้อโรคได้ ทำให้แผ่นนุ่นนี้สามารถกรอง และกักฝุ่นได้ ระบายอากาศได้ดี เบา และสามารถฆ่าเชื้อโรคที่ฟุ้งกระจายในอากาศ ที่มากับฝอยละอองจากการไอและจาม

1. หลักการและเหตุผล (แสดงถึงบริบทของพื้นที่และระบุที่ไปที่มาของปัญหาและความต้องการของพื้นที่ (Situation Review) และอธิบายความจำเป็นและความสำคัญที่โครงการวิจัยจะเข้าไปแก้ไขปัญหาสำคัญ/พัฒนาศักยภาพที่สำคัญ และระบุคำถามงานวิจัยของโครงการวิจัย) (ไม่เกิน 3000 คำ)

    ตราบใดที่การระบาดของ COVID-19 ยังไม่หมดไป หน้ากากจัดเป็นอุปกรณ์ป้องกันที่ทุกคนจะต้องใช้ และประกอบกับปัญหาฝุ่นจิ๋ว ทำให้จำเป็นต้องสวมหน้ากากกรองฝุ่นจิ๋วเมื่ออกไปนอกอาคาร การประเมินความต้องการหน้ากากอนามัยโดยกรมการค้าภายใน (7 กุมภาพันธ์ 2563) พบว่าประชาชนมีการใช้หน้ากากอนามัยสูงถึง 40-50 ล้านชิ้น ต่อเดือน จึงทำให้เกิดการประกาศให้หน้ากากอนามัยเป็นสินค้าควบคุม และเกิดความขาดแคลนหน้ากากอนามัยในตลาด ทำให้ประชาชนต้องผลิตหน้ากากผ้าเพื่อนำมาใช้แทนหน้ากากอนามัย

    หน้ากากอนามัยที่ผลิตจากแผ่นใยเคลือบสารฆ่าเชื้อโรค และหน้ากาก N95 ที่ผลิตจากเส้นใยโพลีเอสเตอร์อัด (non-woven polyester) พบว่า ผู้ใช้หน้ากาก N95 หายใจลำบาก เนื่องจากความหนา และความแน่นของชั้นเส้นใยที่ทำให้เกิดช่องว่างขนาดเล็ก ส่วนหน้ากากอนามัย พบว่ามีความไม่กระชับของแผ่นหน้ากากกับใบหน้า ทำให้เกิดช่องว่างที่อากาศจะไหลผ่านโดยตรง ไม่ผ่านแผ่นกรองของหน้ากาก จึงส่งผลให้ประสิทธิภาพในการกรองฝุ่น หรือกักกั้นเชื้อโรค นั้นลดต่ำกว่าที่ผู้ผลิตกำหนด

    นอกจากนี้ หน้ากากอนามัย และ N95 นั้น ผลิตจากเส้นใยโพลีเอสเตอร์ที่ย่อยสลายยาก ทำให้การใช้หน้ากากดังกล่าว อาจก่อให้เกิดปัญหาขยะติดเชื้อล้นเมือง และกลายเป็นปัญหาขยะทะเลที่พบเห็นในภาพข่าวทั้งหลาย ที่ส่งผลต่อระบบนิเวศ หน้ากากอนามัยที่ใช้แล้วจัดเป็นขยะพลาสติก ที่ใช้เวลานานกว่าจะย่อยสลาย เมื่อขยะเหล่านี้ลอยในทะเลจะมีสาหร่ายและแบคทีเรียเจริญเติบโตที่ผิวของหน้ากาก จะทำให้เกิดกลิ่นที่เหมือนกับกลิ่นอาหารของเต่าทะเล บ่อยครั้งที่จะเห็นภาพเต่าทะเล หรือสัตว์ทะเล กินขยะหน้ากากเข้าไป หากขยะเหล่านี้ถูกแสงแดดและคลื่นซัด จะเกิดการแตกเป็นพลาสติกที่มีขนาดเล็กว่า 5 มิลลิเมตร หรือไมโครพลาสติกที่ปนเปื้อนในห่วงโซ่อาหาร

    หน้ากากผ้า ที่นิยมตัดเย็บมาจากผ้าฝ้ายนั้น อาจจะมีประสิทธิภาพในการกักกันฝุ่น และเชื้อโรคได้ไม่ดีเท่าหน้ากาก N95 และหน้ากากอนามัย เนื่องจากข้อจำกัดของการทอ (จำนวนเส้นด้าย) และฝ้ายที่ปลูกโดยส่วนใหญ่คือฝ้ายสายพันธุ์ Bt cotton ที่มีการตัดต่อพันธุกรรมของ Bacillus thruringiensis ที่สร้างสารพิษที่มีโปรตีนเป็นองค์ประกอบ Bt toxin สามารถฆ่าศัตรูพืชได้ ถึงแม้โปรตีนใน Bt toxin นั้นไม่มีผลต่อสุขภาพของมนุษย์ แต่ก็ยังไม่มีผลการศึกษาที่ยืนยันได้แน่ชัดในระยะยาว

    ดังนั้นคณะผู้วิจัยจึงเห็นว่าหน้ากาก หรือแผ่นกรอง อาจจะสามารถใช้เส้นใยธรรมชาติ โดยเฉพาะเส้นใยนุ่น ที่มีลักษณะโครงสร้างเป็นท่อกลวง ที่อากาศสามารถถ่ายเทได้งาย น้ำหนักเบา และสามารถสะท้อนน้ำได้ (water repellent) แต่เส้นใยนุ่นนั้นเป็นเส้นใยสั้นที่ไม่สามารถนำมาทักทอได้ ด้วยข้อจำกัดนี้ คณะผู้วิจัย (Bunsri et al. (2017a), Bunsri et al. (2017b), Bunsri et al. (2018), Bunsri (2020)) ได้พัฒนาเทคโนโลยีในการขึ้นรูปเส้นใยนุ่นเป็นแผ่น ด้วยการกระตุ้นผิวเส้นใยนุ่นให้เป็นกาวด้วยตนเอง จึงสามารถเชื่อมเส้นใยนุ่นให้เป็นแผ่นได้ โดยความหนาของชั้นแผ่นนุ่นที่สามารถขึ้นรูปได้อยู่ที่ 3 มิลลิเมตร แต่มีความเบากว่าหน้ากาก N95 กว่า 5 เท่า หากนำเส้นใยนุ่นมาเคลือบด้วยสารฆ่าเชื้อโรค ที่เกิดจากสารประกอบแมกนีเซียมเปอร์ออกไซด์ เมื่อนำเส้นใยนุ่นมาขึ้นรูปเป็นแผ่นนุ่นจะสามารถฆ่าเชื้อแบคทีเรีย และสามารถกรองฝุ่นได้ นอกจากนี้การทดสอบประสิทธิภาพในการกรองฝุ่นจิ๋ว และประสิทธิภาพในการยับยั้งจุลินทรีย์ และความคงทนของสารเคลือบหลังผ่านการซัก จะสามารถยืนยันถึงความเป็นไปได้เชิงเทคนิคที่จะทำให้แผ่นนุ่นที่ผ่านการเคลือบมีคุณสมบัติเป็นวัสดุกรองที่สามารถนำมาใช้ในการผลิตหน้ากาก หรือแผ่นกรอง