อุปกรณ์ยึดกระดูกที่ทำด้วยพอลิเอสเทอร์สังเคราะห์ที่สามารถสลายตัวได้ทางชีวภาพ (Bone Fixative Devices P
บทนำ
การรักษาผู้ป่วยที่กระดูกร้าวหรือแตกหักโดยไม่สามารถทำการยึดกระดูกด้วยอุปกรณ์ภายนอกร่างกายได้ แพทย์ต้องรักษาโดยยึดกระดูกบริเวณนั้นไว้ในตำแหน่งที่ต้องการโดยใช้อุปกรณ์โลหะที่มีรูปร่างเป็นแท่ง (rods) แผ่น (plates) หรือตะปูเกลียว (screws) เพื่อไม่ให้กระดูกที่ร้าวหรือแตกหักนั้นเกิดการเคลื่อนที่ จนกระทั่งเนื้อเยื่อกระดูกเกิดการเจริญเติบโตและประสานกัน จากนั้นจึงทำการผ่าตัดเพื่อนำเอาอุปกรณ์โลหะที่ช่วยยึดกระดูกออกภายหลัง อย่างไรก็ตามการใช้อุปกรณ์โลหะนี้มีข้อเสียที่สำคัญคือ ต้องมีการผ่าตัดซ้ำอีกครั้งเพื่อนำเอาอุปกรณ์โลหะออกภายหลัง ทำให้ต้องสูญเสียเวลาและค่าใช้จ่ายเพิ่มขึ้น และกระดูกที่ประสานกันแล้วมักมีความแข็งแรงน้อย เนื่องจากการที่มีอุปกรณ์โลหะช่วยยึดกระดูกอยู่จะมีแรงช่วยยึดอยู่ตลอดระยะเวลาของการรักษา กระดูกที่เกิดการประสานกันจึงมีความแข็งแรงและทนต่อแรงกระแทกน้อย และมีโอกาสที่กระดูกบริเวณนั้นอาจเกิดการร้าวหรือแตกหักอีกครั้งได้ง่าย
ในปัจจุบันได้มีการศึกษาวิจัยเกี่ยวกับการประยุกต์ใช้พอลิเอสเทอร์สังเคราะห์ที่สามารถสลายตัวและดูดซึมได้ทางชีวภาพ (synthetic biodegradable and bioabsorbable polyesters) สำหรับใช้เป็นวัสดุทางการแพทย์และเภสัชกรรม ได้แก่ ไหมเย็บแผลชนิดดูดซึมได้ทางชีวภาพ (bioabsorbable sutures) ระบบนำส่งยา (drug delivery systems) และอุปกรณ์ยึดกระดูก (bone fixation devices) เป็นต้น
ในบทความนี้จะได้กล่าวถึงรายละเอียดเกี่ยวกับการประยุกต์ใช้พอลิเอสเทอร์เหล่านี้เป็นอุปกรณ์ยึดกระดูก ซึ่งมีข้อดีคือไม่ต้องทำการผ่าตัดซ้ำอีกครั้งเมื่อกระดูกประสานกันดีแล้ว เพราะพอลิเอสเทอร์เหล่านี้สามารถสลายตัวและดูดซึมได้ในร่างกายสิ่งมีชีวิต และกระดูกที่ประสานกันแล้วจะมีความแข็งแรงมากกว่าการใช้โลหะเป็นอุปกรณ์ยึดกระดูก เนื่องจากความแข็งแรงในการช่วยยึดกระดูกของอุปกรณ์ที่ทำด้วยพอลิเอสเทอร์เหล่านี้จะค่อยๆ ลดลงเนื่องจากการสลายตัวของพอลิเอสเทอร์เหล่านี้ และขณะเดียวกัน กระดูกที่เริ่มเกิดการประสานกันต้องเพิ่มความแข็งแรงขึ้นด้วยตัวเองเพื่อให้สามารถประสานกันอยู่ได้โดยไม่ต้องมีอุปกรณ์ยึดกระดูกอีกต่อไป อย่างไรก็ตาม พอลิเอสเทอร์เหล่านี้มีความแข็งแรงน้อยกว่าโลหะจึงเหมาะสมในการใช้ยึดกระดูกในบริเวณที่ไม่ต้องมีการรับแรงมากนัก ได้แก่ กระดูกบริเวณมือ ศีรษะ ใบหน้า และช่องปาก เป็นต้น โดยยังมีการศึกษาวิจัยอย่างต่อเนื่องเพื่อทำให้พอลิเอสเทอร์เหล่านี้มีความแข็งแรงเพิ่มมากขึ้น โดยเฉพาะวิธีการเตรียมเป็นพอลิเมอร์เสริมแรง (reinforced polymers) ซึ่งเป็นพอลิเมอร์ที่ประกอบด้วยสารเพิ่มเนื้อ (fillers) ที่แยกเฟสหรือพอลิเมอร์คอมพอสิต (composite polymers) ประเภทหนึ่ง
พอลิเอสเทอร์สังเคราะห์ที่สามารถสลายตัวได้ทางชีวภาพ
พอลิเอสเทอร์สังเคราะห์ที่สามารถสลายตัวได้ทางชีวภาพที่ใช้เตรียมอุปกรณ์ยึดกระดูก ได้แก่ พอลิ(แอล-แลคไทด์) [poly(L-lactide), PLL] พอลิ(ดีแอล-แลคไทด์) [poly(D,L-lactide), PDLL] พอลิ(ไกลโคไลด์) [poly(gylcolide), PG] และพอลิเมอร์ร่วม (copolymers) ของพอลิเอสเทอร์เหล่านี้ พอลิ(แอล-แลคไทด์) และพอลิ(ไกลโคไลด์) เป็นพอลิเมอร์กึ่งผลึก (semi-crystalline polymers) ขณะที่พอลิ(ดีแอล-แลคไทด์) เป็นพอลิเมอร์อสัณฐาน (amorphous polymer) ที่ไม่มีความเป็นผลึก โดยพอลิ(ดีแอล-แลคไทด์) และพอลิ(ไกลโคไลด์) มีอุณหภูมิการหลอมเหลว (melting temperature, Tm) อยู่ในช่วง 173-178 และ 225-230 องศาเซลเซียสตามลำดับ พอลิเอสเทอร์เหล่านี้สามารถสลายตัวได้ด้วยปฏิกิริยาไฮโดรไลซีสที่พันธะเอสเทอร์ (ester bonds, -COO-) โดยพอลิ(แอล-แลคไทด์) พอลิ(ดีแอล-แลคไทด์) และพอลิ(ไกลโคไลด์) มีระยะเวลาการสลายตัวทางชีวภาพอย่างสมบูรณ์ภายในร่างกายสิ่งมีชีวิตประมาณ 3 ปี 1 ปี และ 6 เดือนตามลำดับ เนื่องจากพอลิ(แอล-แลคไทด์) มีหมู่แทนที่เป็นหมู่เมทธิล (-CH3) ซึ่งทำให้โมเลกุลของน้ำเข้าไปสลายพันธะเอสเทอร์ได้เร็วกว่าพอลิ(แอล-แลคไทด์) ดังนั้นพอลิ(แอล-แลคไทด์) จึงมีความเหมาะสมในการใช้เป็นอุปกรณ์ยึดกระดูกบริเวณที่ต้องการระยะเวลาการรักษาที่นานกว่า สำหรับพอลิเอสเทอร์ร่วมพบว่ามีระยะเวลาการสลายตัวอย่างสมบูรณ์อยู่ระหว่างระยะเวลาในการสลายตัวของพอลิเอสเทอร์แต่ละชนิดขึ้นอยู่กับอัตราส่วนของพอลิเอสเทอร์ สำหรับพฤติกรรมการสลายตัวด้วยปฏิกิริยาไฮโดรไลซีสของพอลิเอสเทอร์ภายในร่างกายสิ่งมีชีวิต ผลิตภัณฑ์ที่ได้จากการสลายตัวเป็นผลิตภัณฑ์ที่ไม่เป็นพิษต่อร่างกายและสามารถถูกกำจัดออกจากร่างกายได้
อุปกรณ์ยึดกระดูก
อุปกรณ์ยึดกระดูกส่วนใหญ่มีรูปร่างเป็นแผ่นและตะปูเกลียว โดยแผ่นยึดกระดูกสามารถดัดโค้งงอให้เหมาะสมกับรูปร่างของกระดูกและบริเวณที่ใช้งานได้ การดัดแผ่นยึดกระดูกอาจมีการใช้ความร้อนเพื่อให้ได้รูปร่างตามต้องการ หรือใช้อุปกรณ์ในการดัดโดยไม่ใช้ความร้อน ขึ้นอยู่กับชนิดของพอลิเอสเทอร์ที่ใช้ ในการใช้งานอาจใช้ตะปูเกลียวยึดกระดูกโดยตรง หรือใช้ตะปูเกลียวยึดแผ่นพอลิเมอร์เข้ากับกระดูก โดยก่อนที่จะนำมาใช้กับมนุษย์ได้มีการศึกษาการใช้งานในสัตว์ทดลองต่างๆ ก่อน ได้แก่ หนู กระต่าย ลิง และสุนัข เป็นต้น
ได้มีการศึกษาการใช้ตะปูเกลียวที่ทำด้วยพอลิ(แอล-แลคไทด์) ในการยึดกระดูกบริเวณหัวเข่าของผู้ป่วยที่มีอายุในช่วง 16-46 ปี จำนวน 46 คน เป็นระยะเวลา 20 เดือน พบว่าไม่มีการเกิดอาการข้างเคียงที่ไม่พึงประสงค์จากการสลายตัวของพอลิ(แอล-แลคไทด์) ซึ่งแสดงถึงศักยภาพของการใช้อุปกรณ์ยึดกระดูกที่ทำด้วยพอลิ(แอล-แลคไทด์) ในการรักษาผู้ป่วย ขณะที่ A.C. Stahelin และคณะ (1997) ได้รายงานถึงการเปรียบเทียบการใช้ตะปูเกลียวที่ทำด้วยพอลิ(แอล-แลคไทด์) และพอลิ(ดีแอล-แลคไทด์) ในการยึดกระดูกในร่างกายมนุษย์ พบว่าตะปูเกลียวที่ทำด้วยพอลิ(แอล-แลคไทด์) มีการแตกหักของอุปกรณ์เมื่อมีการสลายตัว โดยส่วนที่แตกหักทำให้เกิดการระคายเคืองกับเนื้อเยื่อบริเวณนั้นได้ ขณะที่ตะปูเกลียวที่ทำด้วยพอลิ(ดีแอล-แลคไทด์) ไม่พบการแตกหักดังกล่าว
สำหรับบริเวณที่มีการสูญเสียเนื้อกระดูกจะเกิดช่องว่างระหว่างกระดูกที่แตกหัก การใช้อุปกรณ์ยึดกระดูกเพียงอย่างเดียวอาจไม่สามารถทำให้กระดูกเกิดการประสานได้ เนื่องจากเนื้อเยื่อบริเวณรอบๆ อาจยุบตัวเข้ามาปิดกั้นการประสานของกระดูกได้ จึงจำเป็นต้องมีการใช้อุปกรณ์ป้องกันการยุบตัวของเนื้อเยื่อบริเวณนั้น โดยอุปกรณ์ป้องกันนี้จะเป็นวัสดุทางชีวภาพที่มีรูพรุน (porous biomaterials) ที่ทำด้วยพอลิเอสเทอร์ที่สามารถสลายตัวได้ทางชีวภาพเพื่อให้เซลล์กระดูกเกิดการเกาะติดและเจริญเติบโตได้ภายในรูพรุน โดยมีการทดลองใช้อุปกรณ์ยึดกระดูกและอุปกรณ์ป้องกันเนื้อเยื่อยุบตัวควบคู่กัน พบว่ากระดูกมีการประสานกันได้ในสัปดาห์ที่ 4
การรักษากระดูกที่มีการสูญเสียเนื้อเยื่อกระดูกจะใช้เวลาในการรักษาที่มากขึ้น ดังนั้นจึงมีการบรรจุโปรตีนที่เหนี่ยวนำการสร้างกระดูก (bone morphogenetic protein, BMP) ในอุปกรณ์ป้องกันเนื้อเยื่อยุบตัวที่มีรูพรุนด้วยซึ่งพบว่าสามารถทำให้เนื้อเยื่อกระดูกเกิดการเจริญเติบโตเร็วขึ้น
พอลิเอสเทอร์เสริมแรง
อุปกรณ์ยึดกระดูกในช่วงแรกๆ ที่ทำด้วยพอลิ(แอล-แลคไทด์) พบปัญหาว่าหากต้องการให้แผ่นยึดกระดูกมีความแข็งแรงมากจะต้องผลิตแผ่นยึดที่มีความหนามากซึ่งไม่เหมาะสมสำหรับใช้ในงานที่ต้องการแผ่นยึดที่มีลักษณะบางและสามารถดัดโค้งได้ง่าย นอกจากนี้แผ่นพอลิ(แอล-แลคไทด์) ที่มีความหนามากจะสลายตัวช้ามากจึงไม่เหมาะในการใช้งานยึดกระดูกบางส่วนของร่างกายหรือของเด็กที่กระดูกสามารถประสานกันได้เร็ว ดังนั้นจึงได้มีงานวิจัยเพื่อที่ทำให้แผ่นพอลิเอสเทอร์มีความแข็งแรงมากขึ้น
การเตรียมแผ่นพอลิ(แอล-แลคไทด์) ให้มีความแข็งแรงมากขึ้นสามารถทำโดยการเตรียมชิ้นพอลิ(แอล-แลคไทด์) ให้อยู่ในรูปของพอลิเมอร์ที่มีการเสริมแรง (reinforced polymers) แบบต่างๆ ขึ้น แบบแรกคือการเสริมแรงด้วยพอลิ(แอล-แลคไทด์) ที่มีลักษณะเป็นเส้นหรือผลึกตามแนวยาวในแผ่น เรียกว่าพอลิเมอร์ที่เสริมแรงด้วยตัวเอง (self-reinforced polymers) สามารถทำได้โดยทำการดึงยืดแผ่นพอลิ(แอล-แลคไทด์) ทำให้เกิดผลึกในทิศทางการดึงมากขึ้น แบบที่สองเป็นการเสริมแรงด้วยสารเซรามิกชีวภาพ (bioceramic) ได้แก่ อนุภาคของไฮดรอกซีแอปาไทต์ (hydroxylapatite, HAP) เป็นต้น ไฮดรอกซีแอปาไทต์เป็นสารประกอบอนินทรีย์ของแคลเซียมฟอสเฟต [Ca10(PO4)6(OH)2] ที่มีความเข้ากันได้กับเนื้อเยื่อสิ่งมีชีวิต (biocompatible) มีทั้งชนิดที่ได้จากธรรมชาติและชนิดสังเคราะห์
อย่างไรก็ตาม พบว่าพอลิ(แอล-แลคไทด์) เสริมแรง (reinforced PLL) ที่ผสมอนุภาคของไฮดรอกซีแอปาไทต์ (PLL/HAP) มีการถ่ายเทแรงระหว่างพอลิ(แอล-แลคไทด์) กับอนุภาคของไฮดรอกซีแอปาไทต์ที่ไม่ดีจึงทำให้พอลิ(แอล-แลคไทด์) เสริมแรงที่ได้มีความแข็งแรงในการทนต่อแรงดึง (tensile strength) ลดลง เมื่อเปรียบเทียบกับพอลิ(แอล-แลคไทด์) ที่ไม่ได้เสริมแรง และความแข็งแรงในการทนต่อแรงดึงยังมีค่าลดลงเมื่อปริมาณอนุภาคของไฮดรอกซีแอปาไทต์เพิ่มขึ้น ดังนั้นจึงได้มีการปรับปรุงผิวของอนุภาคไฮดรอกซีแอปาไทต์ด้วยการเชื่อมต่อโมเลกุล (grafting) ของพอลิ(แอล-แลคไทด์) ที่ผิวของอนุภาคของไฮดรอกซีแอปาไทต์ (g-HAP) ก่อนทำการผสมกับพอลิ(แอล-แลคไทด์) (PLL/g-HAP) โดยพบว่าทำให้ความแข็งแรงในการทนต่อแรงดึงของพอลิ(แอล-แลคไทด์) เสริมแรงมีค่ามากกว่าการผสมอนุภาคของไฮดรอกซีแอปาไทต์ที่ไม่ได้ทำการเชื่อมต่อโมเลกุลของพอลิ(แอล-แลคไทด์) ที่พื้นผิวอนุภาค ทั้งนี้เนื่องจากโมเลกุลพอลิ(แอล-แลคไทด์) ที่ผิวอนุภาคของไฮดรอกซีแอปาไทต์สามารถรวมเป็นเฟสเดียวกันกับพอลิ(แอล-แลคไทด์) ได้ จึงทำให้มีการถ่ายเทแรงระหว่างเฟสของพอลิ(แอล-แลคไทด์) และอนุภาคไฮดรอกซีแอปาไทต์ได้มากขึ้น
อย่างไรก็ตาม พอลิ(แอล-แลคไทด์) ที่เสริมแรงด้วยอนุภาคของไฮดรอกซีแอปาไทต์ที่ทำการเชื่อมต่อโมเลกุลของพอลิ(แอล-แลคไทด์) ที่พื้นผิวอนุภาคไม่ได้ทำให้การทนต่อแรงดึงมีค่าเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งยังต้องทำการศึกษาวิจัยถึงปัจจัยต่างๆ ต่อไปเพื่อทำให้พอลิ(แอล-แลคไทด์) เสริมแรงมีความแข็งแรงเพิ่มมากขึ้น นอกจากนี้พบว่าพอลิ(แอล-แลคไทด์) เสริมแรงที่มีการผสมอนุภาคไฮดรอกซีแอปาไทต์ทำให้มีการเกาะติดของเซลล์ที่ผิวของอุปกรณ์มากขึ้นเมื่อทำการทดลองฝังภายในร่างกายของหนู ซึ่งเป็นการปรับปรุงพื้นผิวของพอลิ(แอล-แลคไทด์) ให้มีความเข้ากันได้กับเนื้อเยื่อของสิ่งมีชีวิตมากขึ้น
นอกจากนี้ยังมีการศึกษาการบรรจุยาต้านแบคทีเรียในอุปกรณ์ยึดกระดูกเพื่อควบคุมการปลดปล่อยด้วย ได้แก่ ยาไซโพรโฟซาซิน (ciprofloxacin) ในพอลิ(ดีแอล-แลคไทด์) เสริมแรงที่ขึ้นรูปด้วยเทคนิคการอัด (compression method) ที่อุณหภูมิห้อง พบว่าอัตราการปลดปล่อยยาไซโพรซาซินในกระต่ายมีค่าลดลงเมื่อความดันในการอัดขึ้นรูปเพิ่มขึ้นและอัตราส่วนของพอลิ(ดีแอล-แลคไทด์) มีค่าลดลง
สรุป
พอลิ(แอล-แลคไทด์) พอลิ(ดีแอล-แลคไทด์) พอลิ(ไกลโคไลด์) และพอลิเมอร์ร่วมของพอลิเอสเทอร์เหล่านี้เป็นพอลิเอสเทอร์ที่สามารถสลายตัวได้ทางชีวภาพที่มีศักยภาพในการประยุกต์ใช้เป็นอุปกรณ์ยึดกระดูก โดยอัตราการสลายตัวทางชีวภาพขึ้นอยู่กับอัตราส่วนของพอลิเอสเทอร์แต่ละชนิด นอกจากนี้พอลิเอสเทอร์เหล่านี้ยังสามารถใช้เตรียมอุปกรณ์ป้องกันการยุบตัวของเนื้อเยื่อบริเวณรอบๆ กระดูกที่แตกหักได้ โดยการผลิตเป็นวัสดุที่มีรูพรุนขนาดไมครอน และสามารถบรรจุโปรตีนที่เหนี่ยวนำการสร้างกระดูกไว้ภายในได้ เทคนิคการเสริมแรงอุปกรณ์ยึดกระดูกที่ทำด้วยพอลิเอสเทอร์เหล่านี้ที่มีการศึกษาวิจัย ได้แก่ พอลิเมอร์ที่เสริมแรงด้วยตัวเองและพอลิเมอร์เสริมแรงด้วยการผสมอนุภาคเซรามิกชีวภาพ และได้มีการบรรจุยาต้านแบคทีเรียในอุปกรณ์ยึดกระดูกที่ทำด้วยพอลิเอสเทอร์เสริมแรงซึ่งสามารถควบคุมอัตราการปลดปล่อยได้
บทความวิจัยโดยยอดธง ใบมาก มังกร ศรีสะอาด น้อย เนียมสา และเยาวลักษณ์ ศรีสุวรรณ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยมหาสารคาม ตีพิมพ์ในวารสารวิทยาศาสตร์บูรพา ปีที่ 13 ฉบับที่ 1 มกราคม-มิถุนายน 2551 หน้า 98-105 อ่านบทความฉบับเต็ม Click
Beautiful Quietness: เงียบแต่ไม่เหงา! ดินแดนแห่งการอ่านและพื้นที่ทางความคิด โลกของนักอ่านและพรมแดนแห่งความรู้ การอ่านสะท้อนความคิด ความคิดสะท้อนตัวตน ตัวตนสะท้อนจิตวิญญาณ pruetsara.wixsite.com