ข้อเข่าเสื่อม คือ โรคที่พบบ่อยในกลุ่มผู้สูงอายุ สาเหตุเกิดจากน้ำหนักตัว การใช้ร่างกายผิดหลักการยศาสตร์ รวมทั้งการลดลงของไฮยาลูรอนิคแอซิด (Hyaluronic acid) ซึ่งเป็นสารหล่อลื่นในน้ำไขข้อ สำหรับโรคข้อเข่าเสื่อมในระยะรุนแรงจำเป็นต้องผ่าตัดปลูกถ่ายข้อเข่าเทียมเพื่อรักษาอาการเจ็บปวด ในทางวัสดุศาสตร์จึงพัฒนาต้องพัฒนาวัสดุที่เหมาะสมสำหรับใช้ทดแทนเข่า

หนึ่งในวัสดุที่ได้รับความสนใจคือ คือ เหล็กกล้าไร้สนิมเกรด 316L ซึ่งมีคุณสมบัติทางกลที่ดีและมีราคาถูกเมื่อเทียบกับโลหะอื่น ๆ แต่วัสดุนี้มีความต้านทานการกัดกร่อนแบบเฉพาะที่ (Localized corrosion) รุนแรงกว่าโลหะอื่นๆ เมื่อเหล็กกล้าไร้สนิมเกรด 316L สัมผัสกรดจะถูกกัดกร่อนเป็นจุดๆ ทำให้การนำไปใช้งานเป็นข้อเข่าอาจมีการสึกหรอร่วมด้วย และจะส่งผลให้เกิดความเสียหายที่รุนแรง

ดังนั้นคณะผู้วิจัยภายใต้การนำของ รองศาสตราจารย์ ดร.พรวสา วงศ์ปัญญา อาจารย์ประจำสาขาวิศวกรรมโลหการ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี ร่วมกับ ดร.กาญจนา ธรรมนู และ ดร.ชนรรค์ เอื้อรักสกุล นักวิจัยจากสถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน) จึงศึกษาวิจัยพัฒนาผิวข้อเข่าเสื่อมด้วยชั้นเคลือบคาร์บอนเสมือนเพชร (Diamond-like carbon) หรือ DLC เพื่อเพิ่มความต้านทานการกัดกร่อนและความเข้ากันได้ทางชีวภาพ

ทั้งนี้ การเคลือบชั้นเคลือบ DLC นับเป็นอีกทางเลือก เพื่อเพิ่มสมบัติความต้านทานการกัดกร่อน ลดการสึกหรอ มีความแข็งสูง ความเสียดทานต่ำ และไม่ทำปฏิกิริยาของข้อเข่าเทียม โดยใช้การเคลือบด้วยเทคนิคฟิลเตอร์คาร์โธดิกอาร์ก (Filtered cathodic vacuum arc, FCVA) เพื่อให้ได้โครงสร้างที่เป็นเพชรไปเสริมสมบัติด้านความแข็งของฟิล์ม

คณะวิจัยใช้แสงซินโครตรอนในการวิเคราะห์ข้อเข่าเทียมเคลือบ DLC โดยทดสอบความต้านทานการกัดกร่อน และทดสอบความเข้ากันได้ทางชีวภาพ พบว่า ชั้นโดยเฉพาะเคลือบ DLC ชิ้นงานที่เจือไทเทเนียมและรองพื้นด้วยไทเทเนียม สามารถเพิ่มความต้านทานการกัดกร่อน เนื่องจากการเกิดออกไซด์ของไทเทเนียม ทำให้ชะลอการกัดกร่อนได้ โดยทดสอบในสารละลายจำลองของเหลวในข้อเข่า และใช้เทคนิคการถ่ายภาพจุลทรรศน์โฟโตอิมิสชันอิเล็กตรอนรังสีเอกซ์ (X-ray Photoemission Electron Microscopy (X-PEEM) ในการวิเคราะห์ร่วมด้วย

ส่วนการทดสอบความเข้ากันได้ทางชีวภาพนั้น คณะวิจัยได้ใช้เทคนิคอินฟราเรดสเปกโตไมโครสโคปี (Synchrotron radiation-based IR spectromicroscopy) พิจารณาจากองค์ประกอบของไฮดรอกซีอะพาไทต์ที่เกิดขึ้นหลังจากแช่สารละลายจำลองของเหลวในร่างกาย โดยไฮดรอกซีอะพาไทต์คือสารประกอบแคลเซียมฟอสเฟตที่มีสมบัติเข้ากันได้กับเนื้อเยื่อในร่างกายมนุษย์ ซึ่งชิ้นงานที่เจือไทเทเนียมจะช่วยลดมุมผิวสัมผัสระหว่างของเหลวและของแข็ง จึงทำให้เกิดไฮดรอกซีอะพาไทต์ที่ผิวได้ง่าย

 

งานวิจัยชิ้นนี้แสดงให้เห็นว่า การเจือไทเทเนียมและรองพื้นไทเทเนียมสามารถเพิ่มประสิทธิภาพของชั้นเคลือบ DLC บนเหล็กกล้าไร้สนิมเกรด 316L ได้ ซึ่งเป็นประโยชน์ต่อการพัฒนาข้อเข่าเทียมที่ทนต่อการกัดกร่อนจากของเหลวในข้อเข่า และสามารถเข้ากับร่างกายขอผู้รับการปลูกถ่ายข้อเข่าเทียมได้

 

 

 

บทความโดย
รองศาสตราจารย์ ดร.พรวสา วงศ์ปัญญา อาจารย์ประจำสาขาวิศวกรรมโลหการ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี
ดร.กาญจนา ธรรมนู และ ดร.ชนรรค์ เอื้อรักสกุล นักวิจัยจากสถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน)
เรียบเรียงโดย ส่วนสื่อสารองค์กร

 

เอกสารอ้างอิง
Wongpanya, P., Pintitraratibodee, N., Thumanu, K., and Euaruksakul, C. (2021). Improvement of corrosion resistance and biocompatibility of 316L stainless steel for joint replacement application by Ti-doped and Ti-interlayered DLC films. Surface and Coatings Technology, 425, 127734