เส้นใย เป็นคำนิยามลักษณะทางกายภาพของสิ่งที่พบเห็นได้ทั่วไป ไม่ว่าจะเป็น เส้นใยผ้า เส้นผม ใยไหม ใยแมงมุม ก่อนจะมีการค้นพบพอลิเมอร์สังเคราะห์ มนุษย์ก็ใช้เส้นใยจากธรรมชาติมาใช้ประโยชน์ในชีวิตประจำวัน โดยเส้นไหมที่เกิดขึ้นจากสายโปรตีนไฟโบรอิน โปรตีนเฉพาะที่เกิดขึ้นในตัวหนอนไหม หรือเส้นใยที่สร้างขึ้นจากแมงมุม ล้วนแล้วแต่เป็นโปรตีนจากธรรมชาติ ที่มีคุณสมบัติช่วยลดโอกาสเกิดการแพ้ได้ เนื่องจากมีความเข้ากันได้กับเซลล์มนุษย์สูง (Biocompatibility) จึงมีการนำใยไหมมาทำเป็นไหมเย็บแผลตั้งแต่หลายพันปีก่อนจนถึงปัจจุบัน

กลไกการสร้างเส้นใยจากโปรตีนธรรมชาติของสัตว์นี้เอง สร้างแรงบันดาลใจให้นักวิทยาศาสตร์ พัฒนาเส้นใยโปรตีนหรือเซลล์เนื้อเยี่อ เพื่อสร้างเป็นอวัยวะเทียม ซึ่งถูกวิจัยและพัฒนาต่อเนื่องมาเป็นระยะเวลาหลายสิบปี ในขณะเดียวกันแนวคิดเรื่องการสร้างสรรค์อวัยวะเทียมสุดล้ำ ก็ถูกนำเสนอผ่านภาพยนตร์แนว Sci-Fi หลายเรื่อง และหนึ่งในเรื่องที่มีชื่อเสียงและถ่ายทอดภาพของเทคโนโลยีสุดไฮเทคเกินจินตนาการคงหนีไม่พ้นภาพยนตร์จากค่าย Marvel Studio ซึ่งวันนี้เราจะพามารู้จัก “เทคโนโลยี Regeneration Cradle อุปกรณ์รักษาบาดแผลด้วยการพิมพ์เนื้อเยื่อแบบ 3 มิติ” จากภาพยนตร์ “Avengers: Age of Ultron” ในปี ค.ศ. 2015

หลังจากที่ฮอว์ค อาย หรือ คลินท์ บาร์ตัน ได้รับบาดเจ็บจากการต่อสู้ เหล่า Avengers จึงได้พาเขาไปรักษากับหมอโช ผู้เป็นเจ้าของเทคโนโลยี Regeneration Cradle อุปกรณ์การแพทย์ที่สามารถรักษาบาดแผลได้ด้วยการพิมพ์เนื้อเยื่อให้กับผู้ป่วย โดยระหว่างที่บาร์ตันนอนอยู่ในเครื่องนั้น จะมีหัวฉีดพ่นเซลล์เนื้อเยื่อเป็นเส้นใยลงไปที่แผล โดยบาร์ตันก็สามารถฟื้นตัวได้อย่างรวดเร็วหลังจากการรักษา

ซึ่งตามหลักการทางวิทยาศาสตร์กระบวนการสังเคราะห์เนื้อเยื่อแบ่งเป็น 2 รูปแบบ คือ
1. แบบไม่ใช้การฉีดพ่น (Non-jet) เช่น การสร้างลายหรือช่องว่างลงบนวัสดุปลูกเซลล์ด้วยแสง (Photo-lithography) หรือการขูด (Dip-pen lithography)
2. แบบที่ใช้การฉีดพ่น (Jet) ซึ่งมีลักษณะเดียวกับเครื่อง Regeneration Cradle โดยใช้หัวฉีด เช่น เข็ม หรืออุปกรณ์ที่มีช่องขนาดเล็กระดับไมครอน ฉีดของเหลวไปบนพื้นผิวเพื่อสร้างเป็นเส้นใยโดยไม่ต้องสัมผัสกับพื้นผิว (ในที่นี่คือแผล) และหนึ่งในเทคโนโลยีแบบหัวฉีดที่ได้รับความนิยมก็คือ “Electrospinning”

หลักการของเทคโนโลยี Electrospinning คือ การส่งกระแสไฟฟ้าไปที่ของเหลวในเข็มโลหะจนประจุไฟฟ้าแน่นเต็มพื้นผิวของของเหลวนั้น จนเกิดการผลักกันของประจุไฟฟ้า ทำให้พื้นผิวของเหลวยืดออกกลายเป็นเส้นใยขนาดเล็กที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางตั้งแต่ระดับไมโครเมตรลงไปจนถึงระดับนาโนเมตร แล้วไปรวมอยู่บนฉากรับอีกฝั่งหนึ่งของสนามไฟฟ้า โดยตัวทำละลายในของเหลวจะระเหยไประหว่างกระบวนการ

แผ่นเส้นใยที่ได้จากเทคโนโลยี Electrospinning จะมีพื้นที่ผิวและรูพรุนสูงมาก เหมาะแก่การกรองวัตถุขนาดเล็กหรือแม้กระทั่งไอออนในน้ำ สามารถเป็นเส้นใยรองรับตัวเร่งปฏิกริยาเคมีได้ ทำให้ตัวเร่งปฏิกิริยาขนาดนาโนที่เอาไปติดกับเส้นใยไม่เกาะกันเป็นก้อนและรักษาประสิทธิภาพไว้ได้นาน หรือในทางการแพทย์ เส้นใยขนาดเล็กที่พื้นผิวสูงนี้ก็สามารถเป็นโครงสร้างให้เซลล์มาเกาะได้

ในการซ่อมแซมเซลล์เนื้อเยื่อมนุษย์สามารถใช้การสร้างเส้นใยพอลิเมอร์หรือโปรตีนที่มีความเข้ากันได้ต่อเซลล์ร่างกายสูง เพื่อเป็นโครงสร้าง (Scaffold) ให้ร่างกายสร้างเซลล์ใหม่มาเกาะเร็วขึ้น และสลายตัวไประหว่างที่เนื้อเยื่อใหม่สร้างขึ้นมา อีกทั้งทิศทางของเส้นใยก็ยังสามารถกำหนดทิศทางของการเจริญของเซลล์ได้ด้วย โดยเส้นใยที่เรียงตัวแบบสุ่ม ทำให้เซลล์เจริญแบบสุ่มตามไปด้วย ส่วนเส้นใยเรียงตัวเป็นทิศทางเดียวกัน เซลล์ก็จะเจริญตามทิศทางของเส้นใยและยังมีความเร็วการเจริญที่สูงขึ้นด้วย หรือแม้กระทั่งการพ่นเซลล์เนื้อเยื่อที่ห่อด้วยพอลิเมอร์ออกมาเป็นเส้นใยก็สามารถทอเป็นเนื้อเยื่อใหม่ขึ้นมา ซึ่งวิธีเหล่านี้ทำได้โดยใช้หลักการของ Electrospinning

อย่างไรก็ตาม การที่ Ultron บังคับหมอโชให้สร้างเนื้อเยื่อใหม่ขึ้นมาบนร่างกายที่เป็นหุ่นยนต์ของตนนั้นอาจจะเป็นเรื่องที่ยังห่างไกลจากความเป็นไปได้อย่างมาก เนื่องจากเซลล์ที่เพิ่มเข้าไปจะมีชีวิตอยู่จนสามารถเพิ่มจำนวนผสานกันกลายเป็นเนื้อเยื่อ เกี่ยวพันกันจนเป็นอวัยวะได้นั้น ต้องอาศัยปัจจัยอีกมากมายเพื่อให้ร่างกายของมนุษย์ทำขึ้นมาเองเป็นอัตโนมัติ และเทคโนโลยีทางการแพทย์ในปัจจุบันยังไม่สามารถเลียนแบบได้อย่างสมบูรณ์

จะเห็นได้ว่าธรรมชาติสร้างสรรค์กลไกการประดิษฐ์ที่ซับซ้อนรอให้มนุษย์เข้าไปเรียนรู้และนำมาปรับใช้ด้านต่าง ๆ ได้มากมาย ในอนาคตเมื่อมีการศึกษาและพัฒนาการสร้างเนื้อเยื่อสังเคราะห์มากขึ้น Regeneration Cradle อาจจะกลายเป็นอุปกรณ์การแพทย์ที่ใช้ทั่วไปตามโรงพยาบาลก็เป็นได้

แหล่งข้อมูลอ้างอิง

(1)       Vepari, C.; Kaplan, D. L. Silk as a Biomaterial. Prog. Polym. Sci. 2007, 32 (8), 991–1007. https://doi.org/10.1016/j.progpolymsci.2007.05.013.

(2)       Moy, R. L.; Lee, A.; Zalka, A. Commonly Used Suture Materials in Skin Surgery. Am. Fam. Physician 1991, 44 (6), 2123–2128.

(3)       Regeneration Cradle. Marvel Cinematic Universe Wiki. https://marvelcinematicuniverse.fandom.com/wiki/Regeneration_Cradle (accessed 2024-11-28).

(4)       Elveren, B.; Kurečič, M.; Maver, T.; Maver, U. Cell Electrospinning: A Mini-Review of the Critical Processing Parameters and Its Use in Biomedical Applications. Adv. Biol. 2023, 7 (10), 2300057. https://doi.org/10.1002/adbi.202300057.

(5)       Jammalamadaka, U.; Tappa, K. Recent Advances in Biomaterials for 3D Printing and Tissue Engineering. J. Funct. Biomater. 2018, 9 (1), 22. https://doi.org/10.3390/jfb9010022.

(6)       Xue, J.; Wu, T.; Dai, Y.; Xia, Y. Electrospinning and Electrospun Nanofibers: Methods, Materials, and Applications. Chem. Rev. 2019, 119 (8), 5298–5415. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.8b00593.

(7)       Liu, Y.; Franco, A.; Huang, L.; Gersappe, D.; Clark, R. A. F.; Rafailovich, M. H. Control of Cell Migration in Two and Three Dimensions Using Substrate Morphology. Exp. Cell Res. 2009, 315 (15), 2544–2557. https://doi.org/10.1016/j.yexcr.2009.05.013.

(8)       Mi, H.-Y.; Salick, M. R.; Jing, X.; Crone, W. C.; Peng, X.-F.; Turng, L.-S. Electrospinning of Unidirectionally and Orthogonally Aligned Thermoplastic Polyurethane Nanofibers: Fiber Orientation and Cell Migration. J. Biomed. Mater. Res. A 2015, 103 (2), 593–603. https://doi.org/10.1002/jbm.a.35208.

Created by