การเตรียมฟิล์มบางไทเทเนียมไดออกไซด์ สำหรับประยุกต์ทางการแพทย์

12 มีนาคม 2557

 

        ปัญหาอันตรายที่เกิดกับกระดูกจัดเป็นปัญหาสุขภาพที่ส่งผลโดยตรงต่อคุณภาพชีวิตของผู้ที่ได้รับบาดเจ็บอย่างมาก ในระยะเวลาไม่กี่ปีที่ผ่านมาได้มีการนำโลหะและโลหะผสมมาใช้ในการรักษาฟื้นฟูปัญหาดังกล่าว อย่างไรก็ดีมีวัสดุบางชนิดเท่านั้นที่สามารถใช้ฝังเข้าไปในร่างกายมนุษย์เพื่อใช้ในการรักษาพยาบาลได้ คือ โลหะและโลหะผสม ซึ่งส่วนใหญ่ที่นำไปใช้คือ เหล็กกล้าไร้สนิม, โคบอลท์ผสมโครเมียม, ไทเทเนียม และ โลหะผสมของไทเทเนียม โดยโลหะดังกล่าวข้างต้นพบว่า เหล็กกล้าไร้สนิมประเภทออสทินิติก (austenitic stainless steel) ชนิด 316L เป็นวัสดุที่ได้รับความนิยมในการนำมาใช้อย่างแพร่หลาย เนื่องจากมีต้นทุนในการผลิตต่ำ มีความต้านทานการกัดกร่อนได้ดี อย่างไรก็ดีจากการทดลองใช้ในทางการแพทย์พบว่าโลหะเหล่านี้ส่งผลกระทบต่อร่ายกายมนุษย์ในระยะยาว เนื่องจากเหล็กกล้าไร้สนิมชนิดนี้จะปลดปล่อยไอออนของโลหะ เช่น เหล็ก นิเกิล และโมลิบดีนัม ออกมา ซึ่งอาจรวมตัวกับเนื้อที่อยู่รอบๆ หรือ เคลื่อนย้ายไปยังส่วนอื่นของร่างกาย โดยไออนของโลหะที่ปลดปล่อยออกมานี้ส่วนหนึ่งเป็นผลมาจากการกัดกร่อนของเหล็กกล้าไร้สนิมประเภทออสทินิติกที่ใส่เข้าไปในร่างกายมนุษย์นั้นเอง ซึ่งเป็นสาเหตุทำให้เกิดแอนติเจนบนพื้นผิว lymphocyte ของมนุษย์ และยับยั้งการตอบสนองต่อการเกิด lymphocyte proliferation นอกจากนี้ยังพบว่าเนื้อเยื่อของคนไข้ที่สัมผัสกับโลหะไม่สามารถทนทานต่อสารพิษ อาการแพ้ สารก่อการกลายพันธุ์ หรือ การก่อเกิดเป็นมะเร็งอีกด้วย

 

        ทั้งนี้เป็นที่ยอมรับกันว่าไทเทเนียมและโลหะผสมของไทเทเนียมเป็นวัสดุที่สามารถเข้ากับเนื้อเยื่อของมนุษย์ได้ดี ทำให้มีการนำมาประยุกต์ใช้ในการรักษาพยาบาลเพิ่มมากขึ้น ส่วนหนึ่งเนื่องจากไทเทเนียมและโลหะผสมของไทเทเนียมเกิดชั้นของออกไซด์ที่ผิวหน้าซึ่งช่วยป้องกันการกัดกร่อนได้ระดับหนึ่ง แต่อย่างไรก็ดี ชั้นหรือฟิล์มออกไซด์ที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาตินั้นอาจไม่สามารถป้องกันผิวของวัสดุที่อยู่ในสภาพแวดล้อมทางชีวภาพได้อย่างเพียงพอ นอกจากนี้ยังมีรายงานว่าไทเทเนียมอาจทำให้เกิด hypersensitivity และอาการแพ้ อีกด้วย แนวทางหนึ่งในการแก้ปัญหาดังกล่าวคือ การเคลือบฟิล์มบางไทเทเนียมไดออกไซด์ (TiO2) ลงไปบนพื้นผิวของโลหะนั้นๆ โดยตรง ทั้งนี้การเตรียมฟิล์มบางไทเทเนียมไดออกไซด์สามารถทำได้หลายวิธี เช่น การเคลือบด้วยวิธีสปัตเตอริง (sputtering) การเคลือบด้วยไอทางเคมี (chemical vapor deposition) การเคลือบโดยใช้ลำไอออนช่วย (ion beam assisted deposition) การทำปฏิกิริยาจากการระเหยสาร (reactive evaporation) การระเหยสารโดยใช้เลเซอร์ช่วย (laser-assisted evaporation) กระบวนการโซล-เจล (sol-gel process) และ วิธีสเปรย์ไพโรไรซิส (spray pyrolysis) อย่างไรก็ดีการเคลือบด้วยวิธีสปัตเตอริงโดยเฉพาะอย่างยิ่งเทคนิคแมกนีตรอนสปัตเตอริง เป็นวิธีที่ได้รับความนิยมอย่างมาก เนื่องจากสามารถเตรียมชั้นเคลือบที่มีอัตราส่วนองค์ประกอบทางเคมีที่ถูกต้อง อีกทั้งยังเป็นกระบวนการที่มีพลังงานมากพอ ทำให้ชั้นเคลือบหรือฟิล์มที่ได้มีโครงสร้างที่หนาแน่นเพียงพอ และที่สำคัญเทคนิคนี้ยังสามารถควบคุมตัวแปรต่างๆ ในกระบวนการเคลือบได้อย่างง่ายดาย

 

        เมื่อไม่นานมานี้ Kokubo และคณะ ได้รายงานผลการวิจัยเกี่ยวกับการเตรียมสารประกอบอปาไทท์ที่มีโครงสร้างคล้ายกระดูก (bone-like apatite) จากการเหนี่ยวนำให้เกิดขึ้นบนไทเทเนียมที่ผ่านการปรับปรุงผิวไทเทเนียมด้วยกระบวนการอัลคาไล (alkali treatment) และกระบวนการความร้อน (thermal treatment) โดยนำไปจุ่มแช่ในสารละลาย simulated body fluid (SBF) ทั้งนี้ชั้นของอปาไทท์ที่เกิดขึ้นหลังจากการจุ่มแช่ในสารละลาย SBF มีองค์ประกอบทางเคมีเหมือนกับกระดูกของมนุษย์ ซึ่งมีประโยชน์และสำคัญสำหรับวัสดุเทียมที่จะนำมาใช้ในการประสานกระดูกสำหรับใช้ในการรักษาพยาบาลผู้ประสบปัญหาเกี่ยวกับกระดูกต่อไป

 

        งานวิจัยนี้ได้เคลือบฟิล์มบางไทเทเนียมไดออกไซด์ (TiO2) บนเหล็กกล้าไร้สนิมชนิด 316L ที่เป็นวัสดุรองรับ ด้วยเทคนิค อันบาลานซ์ ดีซี แมกนีตรอน สปัตเตอริง แล้วนำไปปรับปรุงผิวด้วย กระบวนการอัลคาไล และกระบวนการความร้อน จากนั้นนำชิ้นงานทั้งหมดไปจุ่มแช่ในสารละลาย SBF เพื่อตรวจสอบความสามารถในการเหนี่ยวนำให้เกิดสารประกอบอปาไทท์ที่มีโครงสร้างคล้ายกระดูกบนผิวของฟิล์มไทเทเนียมไดออกไซด์ซึ่งเคลือบอยู่บนชิ้นงานตัวอย่าง เพื่อศึกษาผลของการเตรียมผิวชิ้นงานที่มีต่อการเกิดสารประกอบอปาไทท์ที่มีโครงสร้างคล้ายกระดูกบนผิวหน้าของฟิล์มไทเทเนียมไดออกไซด์ ผลการศึกษาพบว่าสามารถเตรียมฟิล์มบางไทเทเนียมไดออกไซด์เฟสรูไทล์ด้วยเทคนิคอันบาลานซ์ ดีซี แมกนีตรอน สปัตเตอริงได้ (รูปที่ 1) จากนั้นนำไปผ่านกระบวนการอัลคาไล และกระบวนการความร้อน พบว่าฟิล์มชุดที่ผ่านกระบวนการอัลคาไลไม่แสดงรูปแบบการเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์เนื่องจากการเกิดชั้นของโซเดียมอะซิเตทอสัณฐาน (รูปที่ 2) เมื่อนำฟิล์มที่ได้ไปจุ่มแช่ในสารละลาย SBF พบว่าเกิดสารประกอบอปาไทท์บนผิวหน้าของฟิล์มไทเทเนียมไดออกไซด์ทั้งหมด โดยพบว่าฟิล์มไทเทเนียมไดออกไซด์ชุดที่ไม่ผ่านการปรับปรุงผิวสามารถเหนี่ยวนำให้เกิดสารประกอบ อปาไทท์ที่มีความหนาแน่นและสม่ำเสมอมากที่สุด (รูปที่ 3) ทั้งนี้จากผลการวิเคราะห์เชิงปริมาณด้วยเทคนิค EDX พบว่าชั้นของสารประกอบอปาไทท์ที่เกิดขึ้นทั้งหมด มีอัตราส่วน Ca/P ประมาณ 1.48 (รูปที่ 4) ซึ่งมีค่าใกล้เคียงอัตราส่วน Ca/P ของสารประกอบ อปาไทท์หรือกระดูกมนุษย์ (Ca/P =1.67)

 

 

รูปที่ 1 รูปแบบการเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์ของฟิล์มไทเทเนียมไดออกไซด์เคลือบบน 316L-SS ที่มีการปรับผิวต่างๆ (a) ไม่ปรับผิว (b) ปรับผิวด้วยกระบวนการความร้อน และ (c) ปรับผิวด้วยกระบวนการอัลคาไล

 

 

รูปที่ 2 รูปแบบการเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์ของฟิล์มไทเทเนียมไดออกไซด์เคลือบบน 316L-SS ที่มีการปรับผิวต่างๆ แช่ในสารละลาย SBF ที่อุณหภูมิ 37°C เป็นเวลา 7 วัน (a) ไม่ปรับผิว, (b) ปรับผิวด้วยกระบวนการความร้อน และ (c) ปรับผิวด้วยกระบวนการอัลคาไล

 

(a)

(b)

(c)

 
รูปที่ 3 โครงสร้างจุลภาคจากกล้อง SEM ของฟิล์มไทเทเนียมไดออกไซด์ที่มีการปรับผิวต่างๆ แช่ในสารละลาย SBF ที่อุณหภูมิ 37°C เป็นเวลา 7 วัน (a) ไม่ปรับผิว (b) ปรับผิวด้วยกระบวนการความร้อน และ (c) ปรับผิวด้วยกระบวนการอัลคาไล

 

(a)

(b)

(c)

 
รูปที่ 4 ผลการวิเคราะห์ด้วยเทคนิค EDX ของฟิล์มไทเทเนียมไดออกไซด์ที่มีการปรับผิวต่างๆ แช่ในสารละลาย SBF ที่อุณหภูมิ 37°C เป็นเวลา 7 วัน (a) ไม่ปรับผิว (b) ปรับผิวด้วยกระบวนการความร้อน และ (c) ปรับผิวด้วยกระบวนการอัลคาไล

 

รายงานโดย
ดร. ประเสริฐศักดิ์ เกษมอนันต์กูล, ดร. อดิศร บูรณวงศ์ และ ผู้ช่วยศาสตราจารย์. ดร. นิรันดร์ วิทิตอนันต์
ห้องปฏิบัติการวิจัยพลาสมาสำหรับวิทยาศาสตร์พื้นผิว
ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยบูรพา
โทรศัพท์/โทรสาร: 038-103-084
Email: nirun@buu.ac.th