ทันตะ ม.อ. คิดวิธีสร้างกระดูกจากโครงร่างโพลิเมอร์สามมิติชนิดสลายตัวได้

ทีมนักวิจัยของมหาวิทยาลัยสงขลานครินทร์ ประกอบด้วยทันตแพทย์ นักวิทยาศาสตร์และช่างเทคนิค ร่วมคิดวิธีใหม่ในการผลิตโครงร่างโพลิเมอร์สามมิติชนิดสลายตัวได้ทดแทนกระดูก เพื่อจะไม่ต้องผ่าตัดนำกระดูกของผู้ป่วยเองมาปลูกในบริเวณที่มีการสูญเสียกระดูกไป จึงจะสามารถช่วยลดอัตราการบาดเจ็บและพิการของผู้ป่วยลงได้

ทีมวิจัยประกอบด้วย ผศ. ทพ. ณัฐวุฒิ เทือกสุบรรณ ภาควิชาศัลยศาสตร์ คณะทันตแพทยศาสตร์ อาจารย์วชิรพันธ์ พัฒนโชติ ภาควิชาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีวัสดุ คณะวิทยาศาสตร์ และ คุณ พิเชษฐ์ เจริญผล ช่างเทคนิคชำนาญการ ฝ่ายวิศวกรรมซ่อมบำรุง คณะทันตแพทยศาสตร์ ได้พัฒนาการผลิตโครงร่างโพลิเมอร์สามมิติชนิดสลายตัวได้ (Biodegradable polymeric three-dimensional Scaffold) ด้วยวิธี Melt Stretching and Multilayer Deposition (MSMD) โดยอาศัยเครื่องมือหลัก 4 ชนิดที่ประดิษฐ์ขึ้นใหม่ ซึ่งอยู่ระหว่างจดสิทธิบัตรของผลงานดังกล่าว ในอดีตการเสริมสร้างกระดูกบริเวณช่องปากและใบหน้าที่สูญเสียไปนิยมใช้วิธีการปลูกกระดูกจากตัวผู้ป่วยเอง (autogenous bone grafting) ซึ่งต้องทำการผ่าตัดเพื่อนำกระดูกปลูกมาใช้งาน เช่น การผ่าตัดกระดูกที่สะโพก มาเสริมสร้างบริเวณขากรรไกร อันเป็นการเพิ่มการบาดเจ็บและอัตราความ พิการกับผู้ป่วย ดังนั้นในระยะหลังจึงมีการใช้ความรู้ด้านวิศวกรรมเนื้อเยื่อกระดูก (Bone Tissue Engineering) มาช่วยแก้ไขปัญหาดังกล่าวโดยการพัฒนาโครงร่างทดแทน กระดูก (bone substitute scaffold) ขึ้น ซึ่งควรมีคุณสมบัติที่สำคัญคือ ต้องสลายตัวได้ด้วยกระบวนการทางชีวภาพ (biodegradable) โดยทำหน้าที่เป็นโครงร่างชั่วคราวสำหรับ การสร้างหลอดเลือดใหม่ และเป็นที่ยึดเกาะและเจริญเติบโตของ เซลสร้างกระดูก (osteoblast) โดยสามารถมีการสะสมแร่ธาตุ (extracellular matrix) ตามมาด้วยการสร้างกระดูกใหม่เกิดขึ้นได้ อัตราการสลายตัวของโครงร่างนี้ จำเป็นจะต้องสัมพันธ์กับอัตราการสร้างกระดูกใหม่ โดยยังคงรักษารูปร่าง และมีความแข็งแรงเพียงพอในช่วงเวลาดังกล่าว นอกจากนี้โครงร่างควรจะมีลักษณะเป็นสามมิติ (3D) ซึ่งมีขนาดของรูพรุน (pore-size) และความพรุน (porosity) ที่เหมาะสมในการเจริญเติบโตของเซลสร้างกระดูกและการส่งผ่านสารอาหารให้กับเซลภายในโครงร่างดังกล่าว

ในช่วงเวลาหลายปีที่ผ่านมาในต่างประเทศได้มีการพัฒนาโครงร่างทดแทนกระดูกอย่างต่อเนื่อง โดยใช้การผลิตโครงร่างสามมิติในหลาย ๆ วิธี อย่างไรก็ตามวิธีการเหล่านี้ส่วนใหญ่ยังคงต้องใช้สารตัวทำละลาย (solvents) หรือ สารที่ทำให้เกิดรูพรุน (porogens) ซึ่งอาจเป็นพิษต่อเซล จึงต้องมีกระบวนการกำจัดออกก่อนการนำไปใช้เพื่อไม่ให้เหลือตกค้าง บางวิธีต้องใช้เครื่องมือขึ้นรูปที่ควบคุมด้วยคอมพิวเตอร์ซึ่งต้องพึ่งพาเทคโนโลยีระดับสูงและมีราคาแพงมาก

วิธีการผลิตแบบ MSMD เป็นวิธีการที่ทีมวิจัยได้พัฒนาขึ้นใหม่เพื่อการผลิตโครงร่างแบบสามมิติชนิดสลายตัวได้ที่มีส่วนผสมระหว่าง โพลีคาร์โปรแลกโตน (poly ε-caprolactone; PCL) และ ไคโตซาน (chitosan; CS) ด้วยการหลอมผสมโพลีเมอร์ (melt blending) หลอม ในอัตราส่วนต่างๆโดยน้ำหนัก (รูปที่ 1-2) ซึ่งมีข้อดีหลายประการคือ เป็นวิธีที่สะอาดเนื่องจากการไม่ใช้ตัวทำละลายและสารที่ทำให้เกิดรุพรุนในขบวนการผลิต การผลิตไม่ยุ่งยาก มีต้นทุนต่ำ แต่สามารถผลิตโครงร่างดังกล่าวให้มีคุณสมบัติเหมาะสมในการใช้เป็นโครงร่างทดแทนกระดูกได้เป็นอย่างดี (รูปที่ 3) และสามารถประยุกต์ใช้ในการผลิตเชิงอุตสาหกรรมได้

เครื่องมือหลัก 4 ชนิดที่พัฒนาขึ้นเพื่อใช้ผลิตโครงร่างสามมิติด้วยวิธี MSMD ประกอบด้วย (รูปที่ 4) 1. เครื่องหลอม-ฉีดโพลีเมอร์ชนิดกระบอกหลอมถอดเปลี่ยนได้ (Melting-extruding machine with replaceable melting chambers) (รูปที่ 5) 2. เครื่องขึ้นรูปโครงร่างชั้นเดี่ยวจากเส้นโพลีเมอร์แบบกึ่งอัตโนมัติ (Semi-automatic machine for aligning monolayer scaffolds) 3. เครื่องกดโครงร่างชั้นเดี่ยว (Compressing plate for fabricating monolayer scaffolds) 4. ถังบรรจุน้ำชนิดปรับอุณหภูมิได้ (Temperature controlled water bath)

อาจารย์ ณัฐวุฒิ เปิดเผยว่า จากการทดสอบในห้องปฏิบัติการ พบว่าโครงร่างดังกล่าวไม่เป็นพิษต่อเซล โดยเซลสร้างกระดูกสามารถเข้ามายึดเกาะ และเติบโต จนมีการสร้างกระดูกได้เป็นอย่างดี การทดสอบหลังจากนี้จะนำโครงร่างไปใส่ในสัตว์ทดลองเพื่อดูการตอบสนอง การสลายตัว และการสร้างกระดูกใหม่ ภายในระยะเวลา 3 เดือน หากได้ผลดี ก็มีความเป็นไปได้ที่จะนำไปใช้กับผู้ป่วยต่อไป

รูปที่ 1. แสดงหลักการผลิตโครงร่างสามมิติด้วยวิธี MSMD A: ผลิตเส้นโพลีเมอร์ (monofilaments) ด้วยวิธีการหลอม (melting) และ ยืด (stretching) B: เรียงเส้นโพลีเมอร์ เป็นโครงร่างชั้นเดี่ยว (monolayer scaffold) ด้วยวิธีเชื่อมต่อ(depositing) ซึ่งโครงร่างจะมีขนาดของรูพรุนประมาณ 500 ไมครอน C-D: ขึ้นรูปเป็นโครงร่างสามมิติโดยการเรียงโครงร่างชั้นเดี่ยวเป็นชั้นๆ ด้วยวิธีเชื่อมต่อ รูปที่ 2 A: โครงร่าง MSMD: pure PCL B: โครงร่าง MSMD: PCL-CS รูปที่ 3 A-B: แสดงโครงร่างสามมิติที่ผลิตด้วยวิธี MSMD ซึ่งสามารถผลิตให้มีรูปร่างที่เหมาะสมสำหรับการใช้งานในบริเวณต่างๆ C: แสดงการประยุกต์ใช้ระบบโครงร่างที่ผลิตด้วยวิธี MSMD เพื่อเสริมสร้างกระดูกใหม่ในบริเวณขากรรไกรและใบหน้า รูปที่ 4 แสดงเครื่องมือที่ใช้ผลิตชิ้นงานที่สามารถนำมาประกอบเข้าด้วยกันเพื่อสะดวกในการเคลื่อนย้าย 1: เครื่องหลอมฉีดโพลีเมอร์ 2-3: ถังน้ำชนิดปรับอุณหภูมิได้ รูปที่ 5 แสดงการทำงานของเครื่องหลอมฉีดโพลีเมอร์
A: การ setting เครื่องเพื่อพร้อมใช้งาน
B: รูปขยายจากหมายเลข 2 แสดงกระบอกหลอมโพลีเมอร์ที่สามารถถอดเปลี่ยนได้ จึงใช้ผสมโพลีเมอร์ในอัตราส่วนต่างๆได้โดยไม่มีการปนเปื้อน
D: รูปขยายจากหมายเลข 3 แสดงแผงควบคุมอุณหภูมิเพื่อใช้หลอมโพลีเมอร์ในกระบอกหลอม
E: รูปขยายจากหมายเลข 5 แสดงแป้นน้ำหนักที่ใช้ให้แรงกดฉีดเส้นโพลีเมอร์ที่หลอมแล้วออกจากกระบอกหลอม