Ceramic biomedical หรือ Biocompatible ceramics คือ วัสดุที่ใช้ทางการแพทย์ ที่เรารู้จักกันหรือคุ้นชินในชื่อ “bioceramics” เป็นผลิตภัณฑ์ที่ทำจากเซรามิกชนิดต่างๆ ผสมกับสารประกอบออกซิเจนและแร่ธาตุ เช่น ไฮดรอกซีแอปาไทต์ (Hydroxyapatite) ซิลิกาออกไซด์ (Silica Oxide) และอลูมิเนียมออกไซด์ (Aluminum Oxide) เป็นต้น ในส่วนของกระบวนการขึ้นรูปก็มีหลายวิธี ส่วนเทคโนโลยี Ceramic 3D Printing เป็นอีกหนึ่งเทคโนโลยีที่น่าสนใจ และให้ผลลัพธ์ได้อย่างเหมาะสม
Bioceramics ได้รับการเสนอเพื่อใช้ในการรักษาผู้ป่วยโรคมะเร็ง โดยวิธีการรักษาจะใช้สองวิธีร่วมกัน ซึ่งได้รับการเสนอให้ใช้ hyperthermia และรังสีบำบัด การรักษาด้วย hyperthermia เกี่ยวข้องกับการปลูกฝังวัสดุ bioceramic ที่มีเฟอร์ไรต์หรือวัสดุแม่เหล็กอื่นๆ จากนั้นพื้นที่จะถูกสัมผัสกับสนามแม่เหล็กไฟฟ้ากระแสสลับ ซึ่งทำให้รากเทียมและบริเวณโดยรอบนั้นร้อนขึ้น อีกทางเลือกหนึ่งคือวัสดุ bioceramic สามารถฝังเข้าไปในพื้นที่ที่เป็นมะเร็งได้
การใช้งานเซรามิกสำหรับงานด้านชีวการแพทย์นั้นมีเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ เช่นเดียวกับจำนวนของผู้วิจัยที่กำลังศึกษาและพัฒนา โดยเฉพาะอย่างยิ่งการพัฒนาวัสดุชีวภาพให้รวมกับวัสดุอื่นๆ และส่งผลต่อปัจจัยทางชีวภาพเพื่อกระตุ้นการรักษาที่เร็วขึ้น อย่างไรก็ตามการวิจัยมีอย่างกว้างขวางเกี่ยวกับ bioceramics ที่ยังคงใช้งานอยู่เป็นอย่างมาก อันที่จริงแล้วเซรามิกของ bioinert มีคุณสมบัติที่เหมาะสมในการแทนที่โลหะ เพื่อลดการรับน้ำหนักมากเกินไป
Bioceramic เป็นวัสดุชีวภาพส่วนใหญ่จะใช้สำหรับการใช้งานเกี่ยวกับศัลยกรรมกระดูก เป็นวัสดุที่ใช้ในการซ่อมแซมและทดแทนส่วนที่เป็นโรคและระบบกล้ามเนื้อของกระดูกที่เสียหายไป เป็นส่วนที่สำคัญของวัสดุชีวภาพ อีกทั้งยังมีความหลากหลายทางชีวภาพ เนื่องจากความสามารถในการเข้ากันได้ทางชีวภาพของร่างกายมนุษย์ โดยเซรามิกออกไซด์จะทำหน้าที่เป็นสารเฉื่อยในร่างกายไปจนถึงวัสดุที่ดูดซับอื่นๆ ได้ซึ่งในที่สุดจะถูกแทนที่โดยกระดูกของร่างกาย หลังจากที่ได้รับการซ่อมแซมด้วยวัสดุ bioceramics ในปัจจุบันถูกนำมาใช้ในกระบวนการทางการแพทย์หลายประเภท โดยทั่วไปจะใช้ Bioceramics เป็นวัสดุแข็งตัวในการผ่าตัดรากฟันเทียม แม้ว่า Bioceramics จะมีความยืดหยุ่นอยู่บ้าง แต่วัสดุเซรามิกที่ใช้ไม่เหมือนกับวัสดุเซรามิกประเภทพอร์ซเลน ค่อนข้างจะมีความเป็นวัสดุชีวภาพโดยตัวเองอยู่แล้ว หรือเป็นออกไซด์ของโลหะที่ทนทานและมีความเป็นมิตรกับร่างกายอย่างยิ่ง
ผู้ป่วยและสัตว์ที่มีกระดูกหายไปอันเนื่องมาจากการบาดเจ็บหรือเกิดจากโรคกระดูก จำเป็นต้องใช้วัสดุทดแทนกระดูก อย่างเช่น ceramic-biomedical สำหรับการปลูกถ่ายกระดูกเพื่อแทนในส่วนที่เกิดความเสียหาย กระดูกจัดอยู่ในประเภทวัสดุเซามิกชนิดหนึ่งตามธรรมชาติ มีขนาดจำเพาะกับสรีระของมนุษย์และสัตว์ การผลิตวัสดุทดแทนกระดูกที่มีขนาด รูปร่าง และความพรุน พอดีกับกระดูกที่เสียหายนั้นสามารถใช้ความก้าวหน้าของเทคโนโลยี ด้วย 3d printer โดยเป็นเทคโนโลยีได้รับความนิยมในการสร้างโมเดลเสมือนจริงการขึ้นรูปชิ้นงานนั้นมีความเหมาะสมหลายประการสำหรับอุตสาหกรรมการแพทย์ เช่น การผลิตกระดูกเทียม การผลิตอวัยวะเทียม เนื่องจากธรรมชาติของร่างกายมนุษย์แต่ละคนไม่เหมือนกัน และต้องมีการออกแบบที่จำเฉพาะเจาะจงสำหรับแต่ละคน แขนและขาเทียมสามารถผลิตได้ตามขนาดที่พอดีสำหรับผู้ใช้งานแต่ละคน
การขึ้นรูป Bioceramic ด้วย 3D Printing
การใช้เซรามิกมีมานานกว่า 20 ปี สำหรับผลิตภัณฑ์ที่เป็นออร์โธพีดิกส์ เนื่องจากมีที่สัมผัสที่สามารถรับน้ำหนักแผ่กระจายที่เชื่อมต่อกับชิ้นส่วนเซรามิก เซรามิกมีค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานต่ำและอัตราการสึกหรอต่ำ เมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุประเภทโลหะ (สแตนเลส, ไททาเนียมและโครเมียม –โคบอลต์อัลลอย) การใช้ Ceramic 3D Printing สำหรับการใช้งานด้านชีวการแพทย์ หรือ ceramic-biomedical สามารถทนความร้อนได้สูงถึง 1600 °C มักจะใช้กระบวนการขึ้นรูปดังนี้
อย่างไรก็ตามความเปราะของวัสดุเซรามิกนั้นสูงกว่าโลหะมาก ซึ่งเป็นการจำกัดการใช้งานวัสดุเซรามิกทางการแพทย์ สำหรับใช้กับข้อต่อสะโพกหรือข้อเข่า วัสดุชีวภาพอาจถูกกำหนดให้เป็นวัสดุวิศวกรรมที่ใช้สำหรับงานทางการแพทย์โดยเฉพาะ และวัสดุชีวภาพนั้นใช้ร่วมกับวัสดุวิศวกรรมอื่นๆ ได้ เช่น โลหะ เซรามิก พอลิเมอร์ และคอมโพสิต
วัสดุ Bioceramic ทางการแพทย์ วัสดุที่ทำจากเซรามิกสำหรับวัสดุทางการแพทย์หรือวัสดุชีวการแพทย์จะแบ่งเป็น 2 ส่วนหลักๆ คือ implants และ bioactivity โดยต้องสามารถเข้ากับร่างกายได้ดี ไม่เป็นพิษ และมีสมบัติเด่นในการช่วยปรับปรุงสมบัติเชิงกลให้กับวัสดุชีวภาพ โดยนิยมใช้ดังนี้
1. Hydroxyapatite (HA / HAp) และ Tricalcium Phosphates ไฮดรอกซีแอปาไทต์ ถือว่าเป็นวัสดุที่มีโครงสร้างลักษณะทางเคมีคล้ายกับโครงสร้างทางเคมีของกระดูกของสัตว์มีกระดูกสันหลังทั่วไป ยังเป็นวัสดุที่มีสมบัติความเข้ากันได้ทางชีวภาพ (Biocompatibility) อย่างดีเยี่ยมกับเนื้อเยื่อแข็งของมนุษย์ (Human hard tissue) วัสดุชนิดนี้จึงถูกนำมาใช้ประโยชน์เป็นวัสดุแทนที่กระดูก (Bone replacement material) วัสดุเหล่านี้ช่วยเพิ่มความแข็งแรงเชิงกลในโครงสร้าง เหนี่ยวนำให้มีการสร้างกระดูกขึ้นใหม่ และเนื้อเยื่อมายึดเกาะได้
2. Zirconia (ZrO2) เป็นวัสดุที่มีความเข้ากันได้ดีกับกระดูกและเนื้อเยื่อโดยรอบ ยังเป็นวัสดุที่มีสมบัติเชิงกลที่ดีมากในอุณหภูมิต่ำและอุณหภูมิสูง การนำความร้อนเกิดได้น้อยมาก มีความแข็งและความเหนียว ทนต่อการสึกหรอ ทนต่อสารเคมี, มีความต้านทานการกัดกร่อนของโลหะได้อย่างดี
3. Alumina (Al2O3) เสมือนวัสดุพื้นฐานที่มีประโยชน์ในการใช้งานหลายอย่างสำหรับเซรามิก เนื่องจากสมบัติของอะลูมินาที่มีค่าความแข็งสูง มีความหนาแน่นสูง มีความต้านทานต่อการขัดสีและสึกกร่อนสูง ทนต่อสารเคมี จึงได้รับความนิยมนำมาผลิตเป็นผลิตภัณฑ์ในหลายประเภท เช่น เครื่องมือตัดแต่ง อุปกรณ์ทางการแพทย์ อวัยวะเทียม เป็นต้น
4. Alumina Toughened Zirconia (ATZ) เป็นที่รู้จักสำหรับความเข้ากันได้ทางชีวภาพของร่างกาย และมีความต้านทานต่อการสึกหรอ และทนต่อความเสียหายที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างกะทันหัน เหมาะสำหรับการใช้งานด้านชีวการแพทย์และอุตสาหกรรมทางการแพทย์
5. Silicon nitride (Si3N4) เป็นเซรามิกที่แข็งและทนมากที่สุดชนิดหนึ่ง ซึ่งมีความหนาแน่นต่ำมาก มีความต้านทานต่อแรงกระแทก ทนต่อความเสียหายที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลัน ทนต่อการกัดกร่อน สัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนต่ำ และเป็นฉนวนไฟฟ้าที่ดีมาก
6. Silica (SiO2) เป็นเซรามิกที่เหมาะสมเกี่ยวกับการใช้งานด้านแสง
เครื่อง 3D Printer ที่รองรับวัสดุเซรามิกส์
- รอการอัพเดดข้อมูลปี 2026
ที่มาและแหล่งอ้างอิง
- แม้น อมรสิทธิ์ และสมชัย อัครทิวา. วัสดุวิศวกรรม
- M. Bengisu. 2013. Engineering ceramics
- Gibson et al., 2014. Additive manufacturing technologies: 3D printer, rapid prototyping,and direct digital manufacturing
- Zhangwei Chen et al., 2018. 3D printer of ceramics: A review
- Ridhish Kumar et al., 2018. 3D Printer in Biomedical Applications
- Qian Yan et al., 2018. A Review of 3D Printer Technology for Medical Applications
- https://www.3dnatives.com/en/ceramic-3d-printer-market-growth
- https://3dfabprint.com/3d-printer-ceramics-how-does-this-technology-work
- https://www.sculpteo.com
- http://3dceram.com/en/materiaux-ceramique-impression-3d/
){kind=link}