4D Printing สำคัญอย่างไรต่อวงการแพทย์ ?
4D Printing คือนวัตกรรมการผลิตใหม่ที่ผู้ใช้สามารถที่จะโปรแกรม หรือกำหนดรูปร่าง (shape) สมบัติ (properties) การทำงานให้เป็นไปตามที่ต้องการได้โดยวัสดุที่ใช้ในกลุ่มนี้เรียกว่าว่า Smart Materials หรือวัสดุอัจฉริยะ บางแหล่งข้อมูลอาจจะใช้คำว่าวัสดุฉลาด (intelligence materials) หรือเรียกทับศัพท์ว่าวัสดุสมาร์ท ข้อมูลเบื้องต้นอื่นๆ สามารถอ่านได้จากบทความนี้ (4D Printing คืออะไร)
โดยเทคโนโลยีและวัสดุดังกล่าว มีการคาดการณ์ว่าจะมีผลต่ออุตสาหกรรมการแพทย์สูงมาก เนื่องจากความซับซ้อนของร่างกายมนุษย์ ปัจจัยภายในและนอกที่หลากหลาย ทำให้การรักษาต้องศึกษาเป็นกรณีๆไป ดังนั้นการรักษาจึงใช้ระยะเวลานานมาก โดยเฉพาะการรักษาที่ต้องผ่าตัด ยิ่งต้องใช้ความละเอียดในทุกขั้นตอน ตั้งแต่การวางแผนจนถึงหน้างาน ดังนั้นการเข้ามาของวัสดุที่สามารถปรับเปลี่ยนรูปร่าง หรือสมบัติ ที่ทีมแพทย์กำหนดค่าได้ จะช่วยเพิ่มอัตราความสำเร็จในการรักษาให้สูงขึ้นอีกมาก บทความนี้รวบรวม Application ทางการแพทย์ที่กำลังศึกษา วิจัย และเป็นไปได้ในอนาคตไว้เป็นข้อมูลกัน
ตลาดของอุตสาหกรรม 4D Printing ด้าน Healthcare จะมีมูลค่าสูงถึง 32 ล้านเหรียญสหรัฐ (ประมาณ 1 พันล้านบาท)ในปี 2026
หลอดเลือดเทียม (smart stent)
สำหรับผู้ป่วยโรคหัวใจที่มีเส้นเลือดตีบ หรือมีสิ่งกีดขวางทางเดินของเลือด แพทย์มีวิธีรักษาโดยการผ่าตัดทำบายพาส (เสี่ยงและอันตราย) หรือทำบอลลูน (ทำง่ายกว่า ไม่ต้องผ่าตัด) เพื่อขยายทางเดิน ป้องกันหัวใจวายนั้น ผู้ป่วยแต่ละรายก็มีเงื่อนไข รูปร่างภายใน ที่แตกต่างกันออก ในขณะที่เทคโนโลยีการพิมพ์ 4 มิติ นั้น หลอดเลือดที่ว่า มีข้อดีตรงรูปร่างที่เปลี่ยนแปลงได้ตามตัวแปรที่กำหนดไว้ เช่น
- สามารถขยายหรือหดตัวได้ตามรูปร่างหลอดเลือดเดิมตามผู้ป่วย หรือตามช่องทางการไหลรอบข้าง
- ขนาดสามารถเปลี่ยนแปลงได้ตามแรงดัน อุณหภูมิ หรือเวลา ตามความเหมาะสม ตามที่ต้องการ
- ปัจจัยที่กล่าวมา สามารถเพิ่มความสำเร็จในการผ่าตัดมากขึ้น และประสิทธิภาพในการใช้งานดีกว่าเดิม
สำหรับกระบวนการผลิตขนาดเล็กในปัจจุบัน ด้วยเทคโนโลยีระดับนาโนและไมโครปริ้น นั้นทาง ETH Zurich สามารถจำลองหลอดเลือดเทียมที่มีขนาดระดับ 50 ไมโครเมตร ได้แล้ว ดังนั้นจึงเหลือการพัฒนาทางวัสดุให้สอดคล้องกับความต้องการใช้งาน
ผมสำเร็จในระยะยาวผู้เขียนคิดว่า มนุษย์จะมีชีวิตที่ยืนยาวมากขึ้น เนื่องจากส่วนเล็กๆในระดับเส้นเลือกสามารถที่จะผ่าตัดเปลี่ยนของเทียมใส่เข้าไปแทน ถึงแม้ปัจจุบัน ยังห่างไกลกับกับรักษาจริงในโรงพยาบาล หรือกับบุคลทั่วไป แต่ก็มีความเป็นไปได้สูงมากในอนาคต ที่จะเป็นกระบวนการรักษาตามมาตรฐานการแพทย์
กระดูกหลอดลม (airway splint)
กรณีศึกษานี้มาจากผู้ป่วยที่เป็นเด็กทารก 3 คนที่มีความผิดปกติของกระดูกอ่อนหลอดลม ทำให้หายใจได้ลำบาก (โอกาสเกิด 1 ต่อ 2000) ซึ่งมีโอกาสที่จะเสียชีวิตสูงมาก ดังนั้นทีมแพทย์และวิศวกรจึงได้ออกแบบและผลิตกระดูกหลอดลมเทียมขึ้น และผ่าตัดช่วยเหลือทารกดังกล่าว ซึ่งนับว่าเป็นงานแรกของโลกจากเทคโนโลยี 3D Printing (ที่มา https://www.livescience.com) อย่างไรก็ตามการผลิตชิ้นงานจาก 3D Print ก็จะเป็นขนาดเดิมตามที่ออกแบบไว้เสมอ แต่ในขณะที่ทารกเติบโตขึ้น ทุกอย่างในร่างกายมีการขยายใหญ่ขึ้น กระดูกหลอดลมเทียมที่ผ่าตัดไว้มีประสิทธิภาพและขนาดที่เริ่มไม่เหมาะสม ต้องปรับเปลี่ยนตามอายุของทารก ไม่อย่างนั้นปัญหาด้านการหายใจก็จะกลับมาอีก ดังนั้นการเข้ามาของ Smart Materials จะช่วยในทีมแพทย์ได้มากขึ้น เนื่องจากการผ่าตัดเปลี่ยนในแต่ละครั้งคือความเสี่ยงของผู้ป่วย ดังนั้นหากกระดูกดังกล่าวสามารถจะขยายตัวได้ตามการเติบโต หรือมีอายุการใช้งานที่ยาวนานขึ้น โอกาสที่จะต้องเข้ารับการผ่าตัดอีกครั้งก็ลดลง
การปลูกถ่ายเนื้อเยื่อ อวัยวะ
กลุ่มนี้ยกมารวมๆกัน เพราะหากแบ่งตามอวัยวะจะมีหลากหลาย เช่น ไต (kidney) ตับ (liver) หรือกระดูก (bone) ที่ได้กล่าวมาแล้ว โดยปัญหาของการสร้างสิ่งของใหม่ๆ เพื่อนำไปประกอบกับฐานหรือสิ่งเดิมนั้น “ขนาด” และ “ความเข้ากันได้” เป็นสิ่งที่สำคัญมากที่สุด โดยเฉพาะการผลิตเนื้อเยื่อ หรืออวัยวะจาก 3D Printing นั้น เป็นเรื่องใหม่ ยังมีปัญหาและอุปสรรค รวมถึงหลักจริยธรรมมากมาย ที่ต้องศึกษากันอีกนาน
บทความนี้เราพูดกันเรื่องขนาด ของอวัยวะที่ผลิตขึ้น ซึ่งต้องมีความพอดี กับร่างกายคนเดิม นอกจากนี้ความเข้ากันได้ของ DNA (genetic code) ก็ต้องสอดคล้องกันอีก (เหมือนเช่นการให้เลือกที่หมู่เลือดต้องเข้ากันได้ ไม่ใช้แค่ตรงกัน) ดังนั้นเจ้า Smart Materials ที่ตอนเริ่มผลิตสามารถที่จะมีพฤติกรรมปรับขนาดให้เข้ากับสิ่งเดิม(perfect fit) หรือยืดหยุ่น ปรับเปลี่ยนได้ (flexibility) เช่น กระดูกในข้อบน ได้เมื่อเวลาผ่านไป เป็นสิ่งที่ทางแพทย์ ต้องการมากที่สุด
ผิวหนังเทียมที่เปลี่ยนสีได้ (coloring skin graft)
การปลูกถ่ายผิวหนังใหม่ มักเกิดขึ้นในผู้ป่วยที่เกี่ยวข้องกับการไฟไหม้ สารเคมี หรือการผ่าตัด ในปัจจุบันมีการวิจัยโดยใช้เทคโนโลยี 3D Printing ในการช่วยให้ผิวหนังสมานตัวกันได้ดีขึ้น โดยวัสดุที่ใช้เป็นพวก Bioink ทั้งหลาย หากลงลึกด้านเทคนิคก็คือ Keratinocytes, Fibroblasts และ Collagen ซึ่งช่วยให้ผู้ป่วยรักษาตัวได้ไวมากขึ้น (หากให้ร่างกายรักษาเองจะใช้เวลานาน และระหว่างนั้นผู้ป่วยก็ต้องทรมาณกับแผลที่จุดนั้น ไม่รวมไปถึงโอกาสการติดเชื้อที่อาจเกิดตามมา)
ทั้งนี้ปัจจุบันถึงแม้การรักษาจะสมบูรณ์ ผู้ป่วยสามารถใช้ชีวิตประจำวันได้ตามปกติ แต่ผิวหนังที่เกิดจากการปลูกถ่ายจะมีสีที่แตกต่างจากผิวเดิม ซึ่งหากเป็นวัสดุ Bioprinting ที่สามารถกำหนดสีให้เปลี่ยนแปลงตามสีของสภาวะรอบข้างได้ ก็จะช่วยให้การรักษาสมบูรณ์มากยิ่งขึ้น
smart medical device
สิ่งที่เป็นอุปสรรค์อีกอย่างของการแพทย์คือ การขาดแคลนเครื่องไม้ เครื่องมือที่เหมาะสมกับการใช้งาน ซึ่งหากเป็นเครื่องมือทั่วๆไป คงไม่ยากในกระบวนการผลิต (แต่ราคาอาจจะสูง) แต่ในกรณีของการผ่าตัด หรือการที่ต้องเข้าไปสำรวจในร่างกายคน เริ่มจะมีความลำบากขึ้น เนื่องจากร่างกายคนเราแตกต่างกันออกไป จึงต้องมีอุปกรณ์หลายชนิด หลายขนาด แต่การพิมพ์ 4 มิติ ที่วัสดุสามารถจะเปลี่ยนรูปร่าง หรือทีมแพทย์สามารถกำหนดเงื่อนไข หรือมีวงจรที่สั่งการขณะใช้งานได้นั้น เป็นสิ่งที่ต้องการมากที่สุด
ตัวอย่างวัสดุหนึ่งที่สามารถจะโปรแกรมใช้งานได้ ซึ่งมีการวิจัยออกมาแล้วคือ พอลิยูรีเทน (Polyurethane, PU) ซึ่งหลายคนอาจจะคุ้นเคยว่าเป็นกาว เป็นฉนวน หรือพลาสติก ซึ่งก็จัดอยู่ในกลุ่มเดียวกัน ทั้งนี้มีวัสดุ PU ตัวนี้สามารถที่จะยืดได้ เมื่อมีแรงดึง และคืนรูปได้อย่างช้าๆ เมื่อเวลาผ่านไป หรือที่เรียกว่า Shape Memory ส่วน Application ที่เอาไปใช้ได้ก็เป็นพวกเครื่องมือยึดจับต่างๆ ตามแต่การออกแบบ หรือซีล ประเก็นในเครื่องมือแพทย์ที่กำหนดรูปร่างตามต้องการตามปัจจัยภายนอก
หรือกรณีของเครื่องมือในห้องผ่าตัด ที่ 1 ชิ้นต้องมีความหลากหลายในการใช้งาน อาจจะรวมกันหลายๆ ชิ้นเป็น 1 อุปกรณ์เพื่อลดระยะเวลาในการผ่านตัดลง ซึ่งปัจจุบันมีหลายบริษัทกำลังศึกษาพัฒนา และเรียนรู้กัน ลองดูการบรรยายจากคลิบด้านล่าง ที่พูดถึงแนวโน้มของเครื่องมือแพทย์
อนาคตของ 4D Printing
เทคโนโลยียังอยู่ในช่วงเริ่มต้นของการศึกษาและวิจัย โดยเน้นหนักไปที่วัสดุศาสตร์ (material science) ที่จะกำหนดความสำพันธ์ระหว่าง พฤติกรรม สมบัติต่างๆ รูปร่าง ให้สอดคล้อง และควบคุมได้ จากปัจจัยภายนอกที่เข้ามากระทำ ซึ่งนับว่าเป็นเรื่องยากพอสมควร Ultimate Goal ของผู้เขียนคิดว่าเราคงมีชุด Suit แบบ Iron man แบบในหนัง ที่มีทั้งโปรแกรมในตัววัสดุเลย
ส่วนความเป็นจริงเอาแค่ตัดชุดที่พอสวมใส่แล้วเข้ารูป เข้าทรงอัตโนมัติก็พอแล้วครับ ยังศึกษากันอยู่เลยตามคลิบด้านล่าง
บทความนี้หากมีข้อผิดพลาด หรือขาดตกบกพร่องประการใด โปรดติดต่อ [email protected] ได้ เพื่อให้ข้อมูลที่ออกมาถูกต้องและเป็นประโยชน์ต่อผู้อ่านมากที่สุด
