วัสดุชีวภาพการแพทย์ออร์โธปิดิกส์ โดย ศ.นพ.พิบูลย์ อิทธิระวิวงศ์

ศ.นพ.พิบูลย์  อิทธิระวิวงศ์

วัสดุชีวภาพที่ใช้ในทางการแพทย์ออร์โธปิดิกส์', 'วิวัฒนาการของวัสดุที่ใช้ในทางการแพทย์ ได้มีการเปลี่ยนแปลงไปอย่างมาก ในตลอดระยะเวลา  20 ปีที่ผ่านมา ในยุคแรก ๆ ของการใช้วัสดุนี้จะเป็นเรื่องของแบบพิมพ์ต่าง ๆ ทางด้านวิศวกรรม วัสดุที่ใช้คือโลหะไร้สนิม (stainless steel) แต่ในยุคปัจจุบันวัสดุที่ใช้ในการแพทย์มีถึงกว่า 40 ชนิดที่ผลิตเป็นวัสดุชีวภาพและเครื่องมือใช้ในผู้ป่วย ..  

  วัสดุยุคแรก ๆ  มีคุณลักษณะขอให้เป็นแค่เพียงวัสดุที่ใช้แล้วไม่เกิดปฏิกิริยาต่อต้านจากเนื้อเยื่อข้างเคียงก็เพียงพอ แต่ปัจจุบันสิ่งที่สำคัญยิ่งยวด คือ ต้องดูถึงปฏิกิริยาผิวสัมผัส (interfacial reaction)ระหว่างวัสดุที่ใช้กับอวัยวะข้างเคียงที่รองรับ   ในอดีตวัสดุที่เคยใช้ขอให้อยู่คงทนได้นานแค่หลายปีก็พอ แต่ปัจจุบันควรมีจุดมุ่งหมายที่ใช้ให้ได้คงทนถึง 20 ปี ทั้งนี้เพื่อประโยชน์สูงสุดของผู้ป่วย

 ในยุคก่อนนี้การตรวจทดสอบวัสดุที่ใช้ในทางการแพทย์มีน้อย แต่ในปัจจุบันการที่จะได้มาซึ่งวัสดุใหม่ ๆ ที่ใช้การได้ดีนั้นต้องผ่านการทดสอบทั้งในแง่กลศาสตร์ ในสัตว์ทดลองและการทดสอบในแบบจำลองเหมือนอวัยวะของจริงในมนุษย์เพื่อให้ได้มาซึ่งความแน่นอนว่าวัสดุนั้นมีพิษต่อร่างกายหรือเข้ากันได้ดีกับเนื้อเยื่อข้างเคียงหรือไม่ การศึกษาในห้องทดลองและจากร่างกายของผู้ตายใหม่ ๆ ในเรื่องของการเปลี่ยนแปลงของผิววัสดุที่ใช้หรือการเปลี่ยนแปลงของเนื้อเยื่อระหว่างผิววัสดุและอวัยวะที่รองรับช่วยให้เกิดความเข้าใจกระจ่างขึ้นเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงทางด้านเคมี และปฏิกิริยาของอวัยวะที่มีต่อวัสดุที่ใช้

 จุดประสงค์ของการใช้วัสดุทางการแพทย์ก็คือ ใช้ทดแทนส่วนอวัยวะและหรือทำหน้าที่ของอวัยวะที่เสียไป ในขณะเดียวกันต้องเป็นวิธีการที่ปลอดภัย เชื่อถือได้ ประหยัด และไม่เป็นอันตรายต่อร่างกาย  การที่จะบรรลุวัตถุประสงค์ดังกล่าวได้ก็ต้องขึ้นอยู่กับความมั่นคง ความคงทนถาวรของปฏิกิริยาที่เกิดขึ้น ระหว่างผิววัสดุที่ใช้กับอวัยวะที่รองรับ ต้องมีความเข้าใจว่าผิวสัมผัสของเนื้อเยื่อและวัสดุ (biomaterial-tissue interface) เปลี่ยนแปลงอยู่เสมอ ฉะนั้นจึงต้องมีการศึกษาถึงความเปลี่ยนแปลงทั้งในแง่เคมีและเซลล์ที่เกิดขึ้นเมื่อนำวัสดุไปฝังแทนอวัยวะส่วนนั้น ๆ เช่น จำเป็นต้องเรียนรู้เคมีพื้นผิว (surface chemistry), การสึกกร่อนของโลหะ (metal corrosion), ปฏิกิริยาต่อโพลีเมอร์ (polymer reaction), และพฤติกรรมพื้นผิวของเซรามิคและแก้ว (ceramic & glass surface behavior)  ในปีหนึ่ง ๆ จากตัวเลขที่ปรากฏการใช้วัสดุทางการแพทย์ในอเมริกาและยุโรปรวมกันมีถึง 4-5 ล้าน ชิ้นส่วนจากวัสดุที่ต่างกันกว่า 40 ชนิดที่กำลังใช้อยู่  วัสดุทางการแพทย์สามารถแบ่งออกได้เป็น 4 ชนิดใหญ่ ๆ โดยพิจารณาในแง่ของปฏิกิริยาเนื้อเยื่อโต้ตอบต่อการกระตุ้นที่ผิวสัมผัส (interfacial response)

● ชนิดที่ 1 ปฏิกิริยาผิวสัมผัสเฉื่อย, พื้นผิวสัมผัสของวัสดุเรียบ (inert, smooth surface)
● ชนิดที่ 2 ปฏิกิริยาผิวสัมผัสเฉื่อย, พื้นผิววัสดุมีรูพรุนเล็ก ๆ (inert, microporous surface)
● ชนิดที่ 3 ปฏิกิริยาเคมีที่ผิวสัมผัสควบคุมได้ (controlled chemical reactive surface)
● ชนิดที่ 4 ปฏิกิริยาดูดซึมที่ผิวสัมผัส (resorbable)

ชนิดที่ 1  ได้แก่ วัสดุทางการแพทย์ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในปัจจุบัน วัสดุในกลุ่มนี้ สามารถเข้ากันได้ดีกับอวัยวะที่ยึดหรือทดแทนและเนื้อเยื่อข้างเคียง แต่อย่างไรก็ตามต้องเกิดมีปฏิกิริยาเนื้อเยื่อต่อวัสดุที่ใช้ โดยเกิดเป็นเนื้อเยื่อแผ่นบาง ๆ (fibrous capsule) หนา 0.1-10 µm ขึ้นเสมอโดยแทรกระหว่างวัสดุที่ใช้กับอวัยวะที่รองรับ ถึงแม้ว่าเนื้อเยื่อดังกล่าวจะแนบชิดติดกับวัสดุก็ตาม แต่ก็ไม่ได้ต่อกันสนิท จึงเกิดมีการเคลื่อนไหวระหว่างตัววัสดุที่ใช้กับอวัยวะรองรับโดยเฉพาะเมื่อมีแรงมากระทำ ลักษณะเช่นนี้ทำให้ความคงทนถาวรของวัสดุที่ใช้มีขีดจำกัด ตัวอย่างเช่น แผ่นโลหะและสกรูยึดกระดูกหัก

ชนิดที่ 2 เป็นวัสดุที่เกิดขึ้นจากการวิจัยเพื่อให้มีคุณภาพดีกว่าชนิดที่ 1 ในแง่ของความมั่นคงผิวสัมผัส (interfacial stability) วัสดุในกลุ่มนี้มีรูพรุนเป็นตะข่ายที่กำหนดรูปแบบได้ (controlled network of porosity) ตรงบริเวณผิววัสดุเพื่อให้เนื้อเยื่อสามารถเจริญเติบโตเข้าไปในรูพรุนที่ผิววัสดุนี้ คล้าย ๆ กับเนื้อเยื่อบริเวณเชื่อมต่อระหว่างเอ็นและกระดูก หรือฟันกับเยื่อหุ้มหากฟันตัวอย่างเช่น ข้อตะโพกเที่ยมชนิดผิวโลหะมีรูพรุน

ชนิดที่ 3  เป็นวัสดุที่วิจัยขึ้นเพื่อเมื่อใช้แล้วก่อให้เกิดปฏิกิริยาเคมี บริเวณผิววัสดุกับเนื้อเยื่อรองรับผลลัพธ์ที่เกิดขึ้นคือผิวสัมผัสจะประสานกันได้สนิทเหมือนธรรมชาติ ตัวอย่างเช่น glass-ceramics, hydroxyapatite

ชนิดที่ 4  เป็นวัสดุทางการแพทย์ที่เมื่อใช้แทนหรือฝังในอวัยวะของส่วนร่างกายนั้น ๆ แล้ว เมื่อถึงเวลาที่ทำหน้าที่ครบถ้วนสมบูรณ์แล้วจะเกิดการเสื่อมสลายสภาพของวัสดุ และ         ไม่ปรากฏร่องรอยของ ปฏิกิริยาระหว่างผิวพื้นวัสดุกับอวัยวะที่รองรับเลย วัสดุในกลุ่มนี้ถือว่าเป็นวัสดุที่ต้องการที่สุด แต่การผลิตทำได้ยากมาก และที่มีอยู่ในปัจจุบันก็มีน้อยชนิดมาก ตัวอย่างเช่น tricalcium phosphate ceramics.

วัสดุที่ใช้ในโรคกระดูกและข้อ
วัสดุทางการแพทย์ทั้ง 4 ชนิดดังกล่าวไม่ว่าจะเป็นแบบใดก็ตาม เมื่อใช้ฝังหรือทดแทนอวัยวะในร่างกายแล้ว ปฏิกิริยาเนื้อเยื่อระหว่างวัสดุและอวัยวะที่รองรับจะเป็นแบบใดก็ตามขึ้นกับชนิดของวัสดุนั้น ๆ วัสดุนั้นจะคงไว้ซึ่งคุณสมบัติประจำของตัวมันเองไว้ เพื่อทำหน้าที่ต่อไปในร่างกายให้นานเท่านานที่จะเป็นไปได้ ทั้งนี้เพื่อประโยชน์สูงสุดของผู้ป่วย   ฉะนั้นถ้าคำนึงในแง่ประโยชน์และคุณสมบัติของการใช้วัสดุทางการแพทย์ในวิชาโรคกระดูกและข้อ วัสดุที่ใช้แบ่งออกเป็นชนิดใหญ่ ๆ ดัง ตารางที่ 1 

ตารางที่ 1  แสดงคุณสมบัติและการใช้งานของวัสดุทางการแพทย์
ชนิด คุณสมบัติ การใช้
โลหะ (Metals) แข็งแรง, หยุ่น, เหนียว แต่ปล่อยไอออนออกมาได้ สึกกร่อนได้ และมีโมดูลัสความยืดหยุ่นสูง แผ่นโลหะยึดกระดูก, ข้อต่อ, ลวด
โพลีเมอร์
(Polymers) ปั้นเป็นรูปร่างได้ง่าย, เหนียว, ปรับรูปไปมาได้ แต่ไม่ค่อยแข็งแรงและเสื่อมสภาพได้ ไหมเย็บ, ซีเมนต์หล่อกระดูก, หลังคาข้อเทียม, ข้อต่อมีเดือย
เซรามิกส์
(Ceramics) เฉื่อย, แข็ง, ต้านต่อการสึกหรอได้ดี  ขึ้นรูปค่อนข้างยาก, เปราะ, และมีโมดูลัสความยืดหยุ่นสูง หัวข้อกระดูกเทียม,  ฉาบผิวโลหะ     ใช้ทดแทนกระดูก
วัสดุผสมประกอบ
(Composite) เหนียว, ปรับรูปไปมาได้, ขึ้นรูปค่อนข้างยาก และคุณสมบัติมักไม่สม่ำเสมอ ฉาบผิวก้านข้อต่อกระดูกเทียม, ใช้ทดแทนกระดูกแก้ม, กะโหลกศีรษะ