4D Printing สำคัญอย่างไรต่อวงการแพทย์ ?
4D Printing คือ นวัตกรรมการผลิตใหม่ที่ผู้ใช้สามารถควบคุมและกำหนดการทำงานให้เป็นไปตามที่ต้องการได้ โดยวัสดุที่ใช้ในกลุ่มนี้เรียกว่า Smart Materials หรือ วัสดุอัจฉริยะ บางแหล่งอาจจะใช้คำว่า วัสดุฉลาด (Intelligence Materials) หรือเรียกทับศัพท์ว่า วัสดุสมาร์ท ข้อมูลเบื้องต้นอื่น ๆ สามารถอ่านได้ในบทความนี้
มีการคาดการณ์ว่าเทคโนโลยีและวัสดุดังกล่าวจะมีผลต่ออุตสาหกรรมการแพทย์สูงมาก เนื่องจากความซับซ้อนของร่างกายมนุษย์ ปัจจัยภายในและนอกที่หลากหลาย ทำให้การรักษาต้องศึกษาเป็นกรณีไป ดังนั้น จึงใช้ระยะเวลานานมาก โดยเฉพาะการรักษาที่ต้องอาศัยการผ่าตัด ยิ่งต้องใช้ความละเอียดในทุกขั้นตอน ตั้งแต่การวางแผนจนถึงลงมือหน้างาน วัสดุที่สามารถปรับเปลี่ยนรูปร่างหรือสมบัติที่ทีมแพทย์สามารถกำหนดค่าได้ จะช่วยเพิ่มอัตราสำเร็จในการรักษาให้สูงขึ้นอีกมาก บทความนี้จะรวบรวม Application ทางการแพทย์ที่กำลังศึกษาวิจัยและมีความน่าจะเป็นไปได้ในอนาคตมาให้ทำความเข้าใจกัน
หลอดเลือดเทียม (Smart Stent)
สำหรับผู้ป่วยโรคหัวใจที่มีเส้นเลือดตีบ หรือมีสิ่งกีดขวางทางเดินของเลือด แพทย์มีวิธีรักษาโดยการผ่าตัดทำบายพาสซึ่งเสี่ยงและอันตราย หรือทำบอลลูนซึ่งทำง่ายกว่าเพราะไม่ต้องผ่าตัด เพื่อขยายทางเดินป้องกันหัวใจวาย ผู้ป่วยแต่ละรายมีเงื่อนไขที่แตกต่างกันออกไป ขณะที่ในเทคโนโลยีการพิมพ์ 4 มิติ หลอดเลือดจะมีข้อดีตรงรูปร่างที่เปลี่ยนแปลงได้ตามตัวแปรที่กำหนดไว้ เช่น
- สามารถขยายหรือหดตัวได้ตามรูปร่างหลอดเลือดเดิมผู้ป่วย หรือตามช่องทางการไหลรอบข้าง
- ขนาดสามารถเปลี่ยนแปลงได้ตามแรงดัน อุณหภูมิ และเวลา ตามความเหมาะสม
Recovery shape stent
Programmed shape stent
สำหรับกระบวนการผลิตขนาดเล็กในปัจจุบัน ด้วยเทคโนโลยีระดับนาโนและไมโครปริ้น ทาง ETH Zurich สามารถจำลองหลอดเลือดเทียมที่มีขนาดระดับ 50 ไมโครเมตรได้แล้ว ดังนั้น จะเหลือการพัฒนาทางวัสดุให้สอดคล้องกับความต้องการใช้งานเท่านั้น
หลอดเลือดความยาว 50 ไมโครเมตร
3D Printing จากสแตนเลสรูปร่างเหมือนหลอดเลือด สามารถโปรแกรมได้
ระยะยาวมนุษย์จะมีชีวิตที่ยืนยาวมากขึ้น เนื่องจากส่วนเล็ก ๆ ในระดับเส้นเลือดสามารถผ่าตัดเปลี่ยนของเทียมใส่เข้าไปแทนได้ แม้ปัจจุบันยังห่างไกล แต่มีความเป็นไปได้สูงมากในอนาคตที่นวัตกรรมเหล่านี้ จะเป็นกระบวนการรักษาตามมาตรฐานการแพทย์ต่อไป
กระดูกหลอดลม (Airway Splint)
กรณีศึกษาจากผู้ป่วยที่เป็นเด็กทารก 3 คน มีความผิดปกติของกระดูกอ่อนหลอดลม ทำให้หายใจได้ลำบาก (โอกาสเกิด 1 ต่อ 2000) มีโอกาสที่จะเสียชีวิตสูงมาก ดังนั้น ทีมแพทย์และวิศวกรจึงได้ออกแบบและผลิตกระดูกหลอดลมเทียมผ่าตัดช่วยเหลือ นับว่าเป็นงานแรกของโลกจากเทคโนโลยี 3D Printing (ที่มา: https://www.livescience.com)
อย่างไรก็ตาม การผลิตชิ้นงานจาก 3D Print มักเป็นขนาดตามที่ออกแบบไว้เสมอ ขณะที่ทารกเติบโตขึ้น ทุกอย่างในร่างกายต้องมีการขยายใหญ่ขึ้น กระดูกหลอดลมเทียมที่ผ่าตัดไว้จึงมีประสิทธิภาพและขนาดเริ่มไม่เหมาะสม ต้องปรับเปลี่ยนตามอายุของทารก การเข้ามาของ Smart Materials จะช่วยในทีมแพทย์ได้มากขึ้น เนื่องจากการผ่าตัดเปลี่ยนในแต่ละครั้งคือความเสี่ยงของผู้ป่วย หากกระดูกดังกล่าวสามารถจะขยายตัวได้ตามการเติบโต หรือมีอายุการใช้งานที่ยาวนานขึ้น โอกาสที่จะต้องเข้ารับการผ่าตัดอีกครั้งก็จะลดลง
Image credit: Morrison et al., Science Translational Medicine (2015)
การปลูกถ่ายเนื้อเยื่ออวัยวะ
ปัญหาของการสร้างชิ้นส่วนต่าง ๆ เพื่อนำไปประกอบกับฐานหรือสิ่งเดิมนั้น “ขนาด” และ “ความเข้ากันได้” เป็นสิ่งที่สำคัญมากที่สุด โดยเฉพาะการผลิตเนื้อเยื่อหรืออวัยวะจาก 3D Printing ซึ่งถือเป็นเรื่องใหม่ และยังพบอุปสรรครวมถึงหลักจริยธรรมมากมายที่ต้องศึกษากันอีกนาน
เนื้อเยื่อจาก 3D Print ที่เปลี่ยนรูปร่างได้
ที่มา: https://physicsworld.com/a/4d-smart-scaffolds-for-tissue-engineering/
บทความนี้เราพูดกันเรื่องขนาดของอวัยวะที่ผลิตขึ้น ซึ่งต้องมีความพอดีกับร่างกายเดิม นอกจากนี้ความเข้ากันได้ของ DNA (genetic code) ก็ต้องสอดคล้องกันอีก เช่น หมู่เลือดต้องเข้ากันได้ ไม่ใช่แค่ตรงกัน ดังนั้น ตอนเริ่มผลิต Smart Materials สามารถมีพฤติกรรมปรับขนาดให้เข้ากับสิ่งเดิม (perfect fit) หรือยืดหยุ่นปรับเปลี่ยนได้ (flexibility) เมื่อเวลาผ่านไป เช่น กระดูกในข้อบน เป็นต้น
หลอดเลือดเทียมเปลี่ยนรูปร่างได้
ผิวหนังเทียมที่เปลี่ยนสีได้ (Coloring Skin Graft)
การปลูกถ่ายผิวหนังใหม่ มักเกิดขึ้นในผู้ป่วยที่เกี่ยวข้องกับไฟไหม้ ถูกสารเคมี หรือการผ่าตัด ในปัจจุบันมีการวิจัยโดยใช้เทคโนโลยี 3D Printing ในการช่วยให้ผิวหนังสมานตัวกันได้ดีขึ้น หากให้ร่างกายรักษาเองจะใช้เวลานาน และระหว่างนั้นผู้ป่วยก็ต้องทรมานกับแผล ไม่รวมถึงโอกาสในการติดเชื้อที่อาจเกิดตามมา โดยวัสดุที่ใช้จะเป็นพวก Bioink หากลงลึกด้านเทคนิค คือ Keratinocytes, Fibroblasts และ Collagen ซึ่งช่วยให้ผู้ป่วยฟื้นตัวได้ไวขึ้น
ตัวอย่างการปลูกถ่ายผิวหนังในหนูทดลอง
ที่มา: Bioprinting of skin constructs for wound healing
ปัจจุบันแม้การรักษาจะสมบูรณ์ ผู้ป่วยสามารถใช้ชีวิตประจำวันได้ตามปกติ แต่ผิวหนังที่เกิดจากการปลูกถ่ายจะมีสีที่แตกต่างจากผิวเดิม หากเป็นวัสดุ Bioprinting สามารถกำหนดสีให้เปลี่ยนแปลงตามสีของสภาวะรอบข้างได้ ช่วยให้ผลการรักษาสมบูรณ์มากยิ่งขึ้น
Smart Medical Device
สิ่งที่เป็นอุปสรรค์อีกอย่างของการแพทย์ คือ การขาดแคลนเครื่องมือที่เหมาะสมกับการใช้งาน หากเป็นเครื่องมือทั่วไปคงไม่ยากในกระบวนการผลิต เพียงแค่ราคาอาจจะสูง แต่ในกรณีของการผ่าตัดจะมีความลำบากขึ้น เนื่องจากร่างกายคนเรามีความเฉพาะแตกต่างกัน จึงต้องมีอุปกรณ์หลายชนิด หลายขนาด แต่การพิมพ์ 4 มิติ หากวัสดุสามารถเปลี่ยนรูปร่าง ถูกกำหนดเงื่อนไข หรือถูกสั่งการขณะใช้งานได้ จะถือเป็นสิ่งที่จำเป็นมากที่สุด
ตัวอย่างวัสดุหนึ่งที่สามารถจะควบคุมการใช้งานได้ และมีการวิจัยออกมาแล้ว คือ พอลิยูรีเทน (Polyurethane, PU) หลายคนอาจจะคุ้นเคยว่าเป็นกาว ฉนวน หรือพลาสติก ซึ่งจัดอยู่ในกลุ่มเดียวกัน ทั้งนี้ วัสดุ PU ตัวนี้สามารถยืดได้เมื่อมีแรงดึง และคืนรูปได้อย่างช้า ๆ เมื่อเวลาผ่านไป หรือเรียกว่า Shape Memory ส่วน Application ที่ใช้ได้จะเป็นเครื่องมือยึดจับต่าง ๆ แล้วแต่การออกแบบ หรือซีล ประเก็นในเครื่องมือแพทย์ที่กำหนดรูปร่างตามปัจจัยภายนอก
ที่มา: 4D printing of shape memory polyurethane via stereolithography
อนาคตของ 4D Printing
เทคโนโลยียังอยู่ในช่วงเริ่มต้นของการศึกษาและวิจัย โดยเน้นหนักไปที่วัสดุศาสตร์ (Material Science) ที่จะกำหนดความสัมพันธ์ระหว่าง พฤติกรรม สมบัติ รูปร่างให้สอดคล้องและควบคุมได้จากปัจจัยภายนอกที่เข้ามากระทำ นับว่าเป็นเรื่องยากพอสมควร Ultimate Goal ของผู้เขียนคิดว่าเราคงมีชุด Suit อย่าง Iron Man สวมใส่แบบในหนังที่มีทั้งโปรแกรมในตัววัสดุได้
