เส้นใยนำแสงไฮโดรเจลความเหนียวสูงสำหรับการใช้งานทางการตรวจรักษาทางการแพทย์
ดร.จินตมัย สุวรรณประทีป ศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ (เอ็มเทค)
ปัจจุบันงานวิจัยทางการกระตุ้นเซลล์ด้วยแสงนั้นได้รับความสนใจเป็นอย่างมาก โดยเฉพาะการกระตุ้นเซลล์ประสาทด้วยการใช้เส้นใยขนาดจิ๋วที่สอดเข้าไปในสมองเพื่อนำส่งแสงไปยังส่วนที่ต้องการ เนื่องจากเป็นการกระตุ้นเฉพาะที่จึงส่งผลให้ได้ประสิทธิภาพสูง อย่างไรก็ตาม โดยทั่วไปแล้วเส้นใยขนาดจิ๋วที่ใช้งานนั้นหากไม่มีความแข็งมากเกินไปจนอาจจะไปทำลายเนื้อเยื่อข้างเคียงในขณะใช้งาน ก็จะมีความแข็งแรงต่ำหรือมีความเปราะเกินไปและอาจจะเกิดความเสียหายต่อตัวเส้นใยเองภายหลังจากการใส่เข้าไปในเนื้อเยื่อเพื่อใช้งานเมื่อเนื้อเยื่อหรือร่างกายมีการเคลื่อนไหว
ไฮโดรเจลเป็นพอลิเมอร์ชอบน้ำที่มีโครงสร้างโมเลกุลเป็นแบบโครงร่างตาข่าย มีความสามารถในการกักเก็บน้ำหรือของเหลวไว้ในโครงสร้างดังกล่าวไว้ได้จำนวนมาก ทำให้มีความนิ่มและยืดหยุ่นคล้ายกับเนื้อเยื่อในร่างกาย จึงได้รับความนิยมในการนำมาใช้งานเป็นวัสดุการแพทย์ในการใช้งานลักษณะต่าง ๆ ตัวอย่างเช่น วิศวกรรมเนื้อเยื่อ ระบบนำส่งยา และวัสดุปิดแผล เป็นต้น ในงานทางด้านการใช้เส้นใยขนาดจิ๋วสำหรับการกระตุ้นด้วยแสงนั้น ก็มีความสนใจในการนำเอาไฮโดรเจลมาประยุกต์ใช้งานเช่นกัน เพื่อที่จะใช้ประโยชน์จากลักษณะสมบัติที่นิ่มและยืดหยุ่นของไฮโดรเจลในการป้องกันความเสียหายของเนื้อเยื่อในบริเวณใช้งาน อย่างไรก็ตาม ไฮโดรเจลสังเคราะห์ทั่วไปส่วนใหญ่นั้นมีความแข็งแรงที่ต่ำและเปราะบาง สามารถเกิดความเสียหายได้ง่ายเมื่อได้รับแรงกระทำหรือเกิดการเปลี่ยนแปลงรูปร่าง ทำให้ยังคงเป็นข้อจำกัดของการใช้งานไฮโดรเจลในลักษณะดังกล่าว
โครงสร้างโมเลกุลแบบโครงร่างตาข่ายของไฮโดรเจลทั่วไปซึ่งช่วยในการกักเก็บของเหลวในโครงสร้างได้สูง[1]
ภาพตัวอย่างการใช้งานไฮโดรเจลเป็นวัสดุปิดแผล[2]
ไฮโดรเจลแบบไฮบริดนั้นถือได้ว่าเป็นไฮโดรเจลรุ่นใหม่ที่ประกอบไปด้วยโครงสร้างร่างแหทั้งที่มีพันธะแบบโควาเลนต์และอิออนิกผสมรวมกัน ทำให้ไฮโดรเจลแบบไฮบริดประเภทนี้มีความสามารถในการยืดตัวได้สูงมากที่เป็นผลมาจากความแข็งแรงของพันธะแบบโควาเลนต์ และยังมีความเหนียวสูงซึ่งเป็นผลมาจากความสามารถในการเปลี่ยนแปลงรูปแบบโครงสร้างของพันธะอิออนิกซึ่งส่งผลให้เกิดการกระจายแรงทางกลที่ได้รับออกไปได้มาก ทีมวิจัยจากสถาบันเทคโนโลยีแห่งแมสซาชูเซตส์ประเทศสหรัฐอเมริกา ได้ประยุกต์ใช้ไฮโดรเจลแบบไฮบริดประเภทใหม่นี้ในกลุ่มของอัลจิเนต-พอลิอะคริลาไมด์ เพื่อพัฒนาเป็นเส้นใยขนาดจิ๋วสำหรับการนำส่งแสง โดยออกแบบให้มีลักษณะส่วนที่เป็นแกนกลางที่ทำหน้าที่ในการนำส่งแสงและส่วนผนังล้อมรอบ ซึ่งทั้งสองส่วนนั้นผลิตขึ้นจากไฮโดรเจลชนิดเดียวกันแต่มีองค์ประกอบที่ต่างกันเพื่อให้มีดัชนีการหักเหของแสงและสมบัติทางกลที่ต่างกัน เพื่อให้การนำส่งแสงมีประสิทธิภาพที่สุดและยังคงสมบัติของการยืดตัวและความเหนียวสูง โดยบริเวณแกนกลางนั้นจะมีปริมาณพอลิอะคริลาไมด์และดัชนีการหักเหแสงที่สูงกว่าส่วนของผนังล้อมรอบ
ภาพแสดงขั้นตอนกระบวนการผลิตเส้นใยนำแสงขนาดจิ๋วจากไฮโดรเจลแบบไฮบริด[4]
ภาพแสดงเส้นใยนำแสงไฮโดรเจลแบบไฮบริดที่ผลิตขึ้นที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางต่าง ๆ[4]
จากการทดสอบในห้องปฏิบัติการพบว่าเส้นใยนำแสงไฮโดรเจลที่ผลิตขึ้นสามารถนำส่งแสงที่ฉายในบริเวณแกนกลางได้ระยะทางที่ไกลโดยไม่ลดความเข้มลงมากนัก นอกจากนี้ยังคงความสามารถในการยืดตัวได้สูงถึง 7 เท่าของความยาวเริ่มต้นโดยไม่เกิดความเสียหาย นอกจากนี้เมื่อนำไปยืดและปล่อยออก พบว่าเส้นใยนำแสงไฮโดรเจลแบบไฮบริดนี้สามารถคืนตัวกลับสู่ความยาวเดิมได้โดยไม่เกิดความเสียหายถึงแม้ว่าทำการยืดและปล่อยสลับไปมากว่าร้อยรอบ ทั้งนี้ด้วยสมบัติดังกล่าวทำให้คาดว่าจะสามารถนำไปประยุกต์ใช้งานเป็นเส้นใยนำแสงสำหรับการกระตุ้น วัด หรือรักษาทางการแพทย์ที่ฝังอยู่ในเนื้อเยื่อของผู้ป่วยต่อไปในอนาคตได้โดยลดความเสียหายที่จะเกิดขึ้นจากการใช้งาน ซึ่งจะช่วยลดข้อจำกัดของเส้นใยนำแสงแบบไฮโดรเจลในอดีตลงได้ นอกจากนี้ทีมวิจัยยังพบว่าเมื่อใส่สีประเภทต่าง ๆ ลงไปในบริเวณต่าง ๆ ของเส้นใยนั้น และนำไปทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงรูปร่างแล้ว จะพบการเปลี่ยนแปลงของรูปแบบและลักษณะของการนำแสงไป ซึ่งคาดว่าสามารถนำมาประยุกต์ใช้งานเป็นเกจวัดความเครียดขนาดเล็กได้ ที่สามารถฝังเข้าไปในเนื้อเยื่อเพื่อทำการตรวจวัดการเปลี่ยนแปลงรูปร่างที่เกิดขึ้นในเนื้อเยื่อต่าง ๆ ได้ ซึ่งยังคงต้องมีการพัฒนาต่อไป จะเห็นได้ว่ายังคงมีโอกาสและการประยุกต์ใช้งานอีกมากที่รอให้ค้นพบสำหรับเส้นใยนำแสงไฮโดรเจลแบบไฮบริดนี้ ซึ่งเราคงจะต้องรอดูต่อไปว่าทีมวิจัยจะพัฒนาออกมาเพื่อใช้งานได้จริงเมื่อไร
ภาพแสดงความสามารถในการยืดตัวได้สูงของเส้นใยนำแสงไฮโดรเจลแบบไฮบริดที่ผลิตขึ้นถึงแม้จะมีการยืดออกและปล่อยให้คืนตัวจำนวนกว่าร้อยรอบ[4]
ภาพแสดงโครงสร้างแบบไฮบริดของไฮโดรเจลและลักษณะรูปทรงของเส้นใยจิ๋วที่พัฒนาขึ้นซึ่งประกอบไปด้วยส่วนแกนและส่วนผนังล้อมรอบเมื่อได้รับแรงกระทำและเกิดการยืดตัว[4]
เอกสารอ้างอิง
- http://www.oyenlab.org/research/hydrogels/
- http://www.polymerscience.com/products/hydrogel/
- https://www.sciencedaily.com/releases/2016/10/161017151212.htm
- J. Guo, X. Liu, N. Jiang, A. K. Yetisen, H. Yuk, C. Yang, A. Khademhosseini, X. Zhao and S. K. Yun (2016) Adv. Mater., DOI: 10.1002/adma.201603160.
