บทท 1 บทน า

1.1 บทน า

เซรามก (Ceramics) [1] ถอไดวาเปนวสดทมนษยใชมานาน โดยปจจบนไดพฒนามาใชใน

งานจ าพวก อเลกโทรนค(electronic) ทางแสง(optical) งานทเกยวของกบพลงงาน(energy-related) และการน าไปประยกตใชทางการแพทย (medical application)การประยกตใชเซรามกในทางการแพทย น นไดรบความสนใจเปนอยางมากในชวงทศวรรษทผานมา เซรามกชวภาพ (Bioceramics) [2] คอเซรามกทสามารถน าไปใชงานในการเสรมหรอแทนทสวนตางๆในรางกาย โดยเฉพาะอยางยงในสวนของกระดก เนองจากเซรามกสามารถใชงานไดดกบรางกายของมนษยเพราะวามความเฉอยตอสภาพของไหลในรางกาย (inertness to the body fluids) มความแขงแรงตอการกดอดสง (high compressive strength) อกทงยงสามารถท าใหมความสวยงามซงน าไปสการประยกตใชทางดานทนตกรรม ในการประยกตการใชงานทางชวภาพหลายๆอยางกนยมน าเซรามกไปใชเปนตวเสรมแรงใหกบวสดผสมทใชส าหรบฝงในรางกายและในสวนทมการยด (tensile loading) เชน เอนหรอเสนเอนเทยม (artificial tendon and ligament) เซรามกทใชประดษฐเปนวสดส าหรบการฝงสามารถแบงออกเปนชนดหลกๆ ไดแก (1) เซรามกทมความเฉอยทางชวภาพหรอไมเกดการดดซม (bioinert or non-resorbable) เชน อลมนา (Al2O3) เซอรโคเนย (ZrO2) ซลกอนไนไตรด (Si3N4) และคารบอน (2) เซรามกทมสภาพกงเฉอยหรอการท าพนธะทแขงแรงกบเนอเยอ (bioactive or surface reactive) เชน แกวเซรามก (glass ceramic) และไฮดรอกซอะพาไทต (HA) (3) เซรามกทมการดดซมหรอไรความเฉอย (resorbable or non-bioinert) เชน แคลเซยมฟอสเฟต (Ca3(PO4)2) และแคลเซยมอลมเนต (CaO.Al2O3)

วสดตางๆทมโครงสรางในเรอนของนาโนเมตรมกจะมประสทธภาพในการใชงานทสงกวาวสดทมโครงสรางในเรอนของไมครอนเนองจากมพนทผวทมากกวาเมอเทยบในอตราสวนน าหนกทเทากน ในกรณของเซรามกจะแสดงใหเหนไดวามความเหนยว (ductility) เพมมากขนกอนทจะเกดการเสยหายอนเกดจากบรเวณขอบเกรนใน เซรามกชวภาพขนาดนาโนเมตรไดสงผลตอการเพมประสทธภาพในการยดตดเนอเยอกระดก (osteoblast adhesion) การแพรของเนอเยอ

(proliferation) การรวมเนอเยอ (osseointegration) และต าแหนงของแคลเซยมในแรบนผวของวสด [3] นอกจากนยงพบวาอณหภมทใชในการเผาซนเตอรยงลดลงซงสงผลใหสมบตเชงกล (mechanical properties) สมบตทางกายภาพ (physical properties) และสมบตทางชวภาพ (biological properties) ดงนนในปจจบนไดมการน านาโนเทคโนโลยเขามาประยกตใชในทางกระบวนการสงเคราะหแคลเซยมเซรามก โดยเฉพาะอยางยงไฮดรอกซอะพาไทตเนองจากวาไฮดรอกซอะพาไทตขนาดอนภาคนาโนเปนสวนประกอบหลกของกระดก โดยปกตทวไปผลกไฮดรอกซอะพาไทตจะมรปรางแบบแผน (plate) หรอแบบเขม (needle) มความยาวประมาณ 40-60 nm กวาง 20 nm และหนา 1.5-5 nm ดงนนจงมความจ าเปนอยางยงทจะตองควบคมปจจยตางๆไมวาจะเปนเรองของขนาด (size) รปราง (shape) การกระจายตวของอนภาค (particle distribution) และการจบตว (agglomeration) ซงปจจยทงหมดเหลานจ าเปนทจะตองควบคมเพอสงผลในการเพมพนทผว (surface area) ของอนภาคและลดขนาดของไฮดรอกซอะพาไทตสงเคราะหลงใหมขนาดใกลเคยงกบแรธาตในกระดกใหมากทสด [4]

ไฮดรอกซอะพาไทต Ca10(PO4)6(OH)2 (HAp) เปนหนงในเซรามกชวภาพทมความส าคญทสดชนดหนงส าหรบการประยกตใชในทางการแพทยอยางกวางขวาง เนองจากวามสมบตทงความสามารถเขากนไดดกบเนอเยอ (biocompatibility) และมความแขงแรงในการท าพนธะกบเนอเยอ (bioactivity) นอกจากนยงสามารถเหนยวน าการสรางกระดก (osteoconductivity) ทเกดความเสยหายไดอกดวย [2-5] การประยกตใชงานในทางการแพทยและอตสาหกรรมสขภาพโดยทวไปจะใชเปนวสดทดแทนเนอเยอแขง (hard tissue replacement) เชน กระดกและฟน [6-8] หรอบรเวณทไมมการรบแรง (non-load) เชน กระดกภายในหชนกลาง (ossicles of middle ears), การผาตดตอกระดก (orthopedic of bone grafting) เนองจากบรเวณเหลานมความแขงแรงเชงกลทต ามาก [9] นอกจากนไฮดรอกซอะพาไทตยงนยมใชในการเคลอบลงไปยงวสดทท าหนาทรบแรงอกดวย [10] การท าไฮดรอกซอะพาไทตพรน (porous hydroxyapatite) นนจะชวยเพมความสามารถในการยดระหวางตวเซลลกบพนผวของวสดและเหนยวน าการสรางกระดก ใหดยงขน [11] ซงอตราการประสานและปรมาณของกระดกทเกดขนมาใหมนนจะขนอยกบความพรน (porosity) ขนาดรพรน (pore size) และสวนของรพรนทมการเชอมตอกบเนอเยอ (path of pore connectivity) [12]

เสนใยนาโน (nanofibers)[13] เปนอกแนวทางหนงทไดน าเอาความรทางดานนาโนเทคโนโลย (nanotechnology) มาประยกตใชในการสงเคราะหเสนใยขนาดเลก ซงเสนใยทไดจะมขนาดทเลกในระดบนาโนเมตรถงระดบไมโครเมตร ขอดของการทเสนใยทไดมขนาดทเลกคอ มอตราสวนระหวางพนผวตอปรมาตร (surface-to-volume ratio) สง เชน เสนใยนาโนขนาดเสนผาน

2

ศนยกลาง 100 นาโนเมตร จะมขนาดเลกกวาและมอตราสวนพนผวตามความยาวของเสนใยตอปรมาตร เปน 1,000 เทาเมอเปรยบเทยบกบเสนผลทม นอกจากน เสนใยนาโนจะมขนาดของรพรน ทเลกดวย สงผลท าใหมสมบตพเศษตางๆ เชน สมบตเชงกล สมบตทางไฟฟา หรอสมบตทางชวภาพ ทดมาก ทงนขนกบวธและสารทน ามาใชประดษฐ

ปจจบนการศกษาเกยวกบการประดษฐวสดเพอใชส าหรบประยกตทางดานการแพทย และเภสชกรรมจะเปนทนยมอยางกวางขวางโดยหนงในวสดทส าคญกไดแกการประดษฐเสนใย ซงเทคนคทใชส าหรบประดษฐเสนใยมหลายเทคนคซงเทคนคทก าลงเปนทนยมอยางมากกไดแกเทคนคอเลกโทรสปนนง (electrospinning) หรอเปนเทคนคในการปนเสนใยดวยไฟฟาสถตนนเอง การทท าใหเทคนคนไดรบความนยมเปนอยางมากกเนองมาจาก เปนเทคนคทใชเครองมอนอย ไมยงยากซบซอนงายตอการจดหา และจดเตรยมอปกรณ และอกอยางทส าคญทท าใหเปนเทคนคทนาสนใจอยางมากกคอ สามารถทจะประดษฐเสนใยใหมขนาดเลกมาก โดยมขนาดเลกในระดบไมโครเมตร และยงสามารถประดษฐเสนใยไดเลกถงระดบนาโนเมตรอกดวย อเลกโทรสปนนงเปนเทคนคทใชส าหรบประดษฐเสนใยพอลเมอร [14] โดยพอลเมอรทใชเปนไดทงพอลเมอรทสงเคราะหขน หรอเปนพอลเมอรทางธรรมชาตกได [15] เทคนคนเปนเทคนคทอาศยศกยไฟฟาสงเพอเปนตวเหนยวน าสารละลายของพอลเมอร หรอพอลเมอรทหลอมเหลว ซงสามารถเหนยวน าใหขนาดของเสนใยเลกตงแตระดบไมโครเมตรจนเลกลงไปไดถงระดบนาโนเมตร [16-18] โดยเสนใยทเตรยมไดนโดยทวไปมกจะน าไปประยกตใชในทางดานการแพทย เภสชกรรม หรอไมกทางดานวศวกรรมเนอเยอ [19-22] ในการศกษาวจยทผานมาเทคนคอเลกโทรสปนนงใชในการประดษฐเสนใยของพอลเมอรชวภาพทสามารถยอยสลายเองได โดยมากจะเปน PLA PGA PLGA PVA และ PCL [23]

แปง (Starch)[24]ในปจจบนไดเรมมการคนควาวจยเพอน ามาประยกตใชในทางการแพทย และเภสชกรรมมากขน แตยงไมมการน าเอาแปงทไมไดท าการปรบปรงเปลยนแปลงคณสมบต หรอใชแปงบรสทธโดยไมมการผสมกบสารอนมาท าการประดษฐเปนเสนใยขนาดเลกเพอการประยกตใชทางดานวสดศาสตรหรองานอนๆ แปงซงเปนสารพอลเมอรธรรมชาตทอยในชวตประจ าวนของมนษยซงมหลายชนดดวยกน ทงนในประเทศไทยเปนประเทศทมการปลกขาวในทกพนทของประเทศ และยงมการปลกมนส าประรง มนส าปะหลงเปนผลผลตทใชส าหรบบรโภคภายในประเทศและสงออกอกดวย ดงนนแปงจากมนส าปะหลงจงหาไดงาย และยงมราคาถกอกดวย จงท าใหมแนวคดทจะน าเอาแปงทไดจากมนส าปะหลง มาประยกตโดยการใชเทคนค อเลกโทรสปนนงในการประดษฐเสนใยแปงมนส าปะหลงเพอท าโครงเลยงเซลลทมลกษณะพรน(porous scaffold)

3

วศวกรรมเนอเยอ[25] (tissue engineering) เปนกระบวนการสรางเนอเยอ (regeneration of functional tissues) เพอทดแทน ซอมแซม หรอปรบปรงการท างานของเนอเยอหรออวยวะทสญเสยหรอบาดเจบ ซงโดยปกตจะไมมการงอกใหมเองในมนษย ไดแก ผวหนงแท เสนประสาท กระดก กระดกออน กลามเนอหวใจ เปนตน กระบวนการสรางเนอเยอตองใชการพฒนาความรตางๆสามดานหลก ไดแก วศวกรรมของวสด ชววทยาของเซลล และวศวกรรมชวเคม โดยจะเรมจากการพฒนาชววสดวสดทเขากบรางกายไดด(biomaterials)เพอท าหนาทเปนโครงเลยงเซลล (scaffold) ซงสวนใหญนยมใชชววสดจากธรรมชาต เชน คอลลาเจน เจลาตน ไหมหรอวสดสงเคราะหขน เชน PLA PCL โครงเลยงเซลลจะถกน าไปใชเลยงเซลลทถกคดแยก และขยายพนธใหมปรมาณมากพอ แลวการชกน าใหเปลยนแปลง (differentiate) ไปเปนเนอเยอทตองการอยางสมบรณและสามารถท างานไดตามวตถประสงค ดวยการควบคมสภาวะแวดลอมภายนอกในเครองปฏกรณชวภาพ (bioreactor) หรอในรางกายสงมชวต (in vivo regeneration)

เซรามกรพรน (porous ceramics)[26] เปนวสดทมประโยชนอยางมาก และถกน าไปประยกตใชงานในหลายๆ ดาน ต งแตเปนวสดฉนวนความรอน เปนวสดกรอง ตลอดจนการน าไปใชงานทางการแพทย เชน การท ากระดกเทยมเปนตน การสรางรพรนภายในเซรามกอาจท าไดดวยวธการหลกๆ ดงน (1)วธการสรางตนแบบทสลายตวได (sacrificial template method) วธนจะท าการขนรปเซรามกรพรนโดยใสวสดทสลายตวได หรอทเรยกวา sacrificial materials เขาไปในสารตงตนเซรามก จากนนกท าการเผาทอณหภมสงกวา อณหภมการสลายตวของ Sacrificial materials และท าใหเกดรพรนทดแทน (2) วธท าใหเกดโฟมโดยตรง (direct foaming) วธนจะท าการพนฟองกาซเขาไปในสารละลายของสารตงตนทจะน าไปท าเซรามก เพอใหเกดโฟมหรอฟองโดยทว จากนนปลอยใหสารละลายแขงตว และน าไปเผาผนก จะท าใหเกดรพรนตามบรเวณทเกดฟองจากกาซทฉดเขาไป (3)วธการจ าลอง (replica) วธนจะท าโครงสรางของวสดทสลายตวไดงาย และมความพรนตวขนมากอน โดยสวนใหญแลวจะท าจากสารกลมโพลเมอร จากนนเอาโครงสรางทไดนไปดดซบเอาสารละลายของเซรามกแลวน าไปเผาไลโครงสรางเสนใยโพลเมอรออก วธนจะท าใหไดเซรามกรพรนทมโครงสรางเหมอนกบโครงสรางโพลเมอรตงตน ถงแมวาจะมวธทสามารถน าไปท าเซรามกรพรนหลายวธ แตยงคงมปญหาและอปสรรคทส าคญ คอ การควบคมขนาดและรพรนของเซรามกภายในโครงสราง ซงอาจท าการควบคมโดยวธการเปลยนวสดทใชเปนตวใหเกดฟอง (Pore former) และวธการเผาและการเตรยมเซรามก

ในงานวจยนผวจยจงใหความสนใจในการศกษาการประดษฐเซรามกชวภาพส าหรบใชเปนโครงเลยงเซลลแบบพรนจากไฮดรอกซอะพาไทตผสมกบเสนใยธรรมชาตแปงมนส าปะหลงทไดจากการเตรยมดวยเทคนคอเลกโทรสปนนง เพอท าการศกษาถงการประดษฐเซรามกชวภาพทเปน

4

โครงเลยงเซลลแบบพรนโดยใชเทคนควธการสรางตนแบบทสลายตวได (sacrificial template method) อกทงยงศกษาถงกระบวนการสงเคราะหไฮดรอกซอะพาไทตทเตรยมดวยวธตกตะกอนและกระบวนการผลตเสนใยแปงมนส าปะหลงโดยใชเทคนคอเลกโทรสปนนง โดยในชวงเรมตนในงานวจยไดท าการศกษาวธการสงเคราะหไฮดรอกซอะพาไทตจากกระดกววและน ามาผสมกบตวเชอมประสานทเปนเจลลาตนเพอสรางโครงรางเซลลอกวธหนงอกดวย โดยการศกษานจะท าใหทราบถงปจจยทสงผลตอลกษณะโครงสรางสณฐานวทยาและคณสมบตตางๆของโครงเลยงเซลลทประดษฐขน เพอน าไปประยกตใชในงานทางดาน เซรามกชวภาพ(bioceramics) งานทางดานวศวกรรมเนอเยอ (tissue engineering)และงานทางดานอนๆทเกยวของในล าดบตอไป 1.2 วตถประสงคของการศกษา

1. เพอศกษาการประดษฐเซรามกชวภาพ โครงเลยงเซลลแบบพรนทไดจากการน า

ไฮดรอกซอะพาไทตผสมกบเสนใยธรรมชาตทไดจากแปงมนส าปะหลงทเตรยมโดย วธอเลกโทรสปนนง

2. เพอศกษากระบวนการผลตเสนใยแปงมนส าปะหลงโดยใชเทคนคอเลกโทรสปนนง

1.3 ประโยชนทจะไดรบจากการศกษา เชงทฤษฎและ/หรอเชงประยกต

1. ทราบถงปจจยทสงผลตอลกษณะโครงสรางสณฐานวทยาของเลยงเซลลแบบพรนทไดจากการน าไฮดรอกซอะพาไทตผสมกบเสนใยธรรมชาตทไดจากแปงมนส าปะหลงทเตรยมโดยวธอเลกโทรสปนนง

2. ทราบถงอตราสวนทสงผลตอความคณสมบตเชงกลของโครงเลยงเซลลแบบพรนของ ไฮดรอกซอะพาไทตทผสมกบเสนใยแปงมนส าปะหลง

3. ทราบถงกระบวนการสงเคราะหไฮดรอกซอะพาไทต 4. ทราบถงกระบวนการเตรยมเสนใยธรรมชาตทท าไดจากแปงมนส าปะหลงโดยใช

เทคนคอเลกโทรสปนนง 5. ทราบถงกระบวนการประดษฐเซรามกพรนโดยวธสรางตนแบบทสลายตวได

5