การขึ้นรูป และปรับปรุงวัสดุฝังในชนิดโลหะผสมไทเทเนียม เพื่อเพิ่มสมบัติเชิงวิศวกรรม และการเข้ากันได้ทางชีวภาพ

โครงการย่อยที่ 1 การพัฒนาวัสดุ Gum Metal สำหรับประยุกต์ใช้งานทางการแพทย์

วัสดุทางการแพทย์สำหรับรักษาโรคกระดูกจำพวกโลหะผสมในปัจจุบันนั้นมีข้อจำกัดในเรื่อง ของมอดูลัสความยืดหยุ่นที่มากกว่ากระดูกจริงของมนุษย์ มีความแข็งแรงไม่เพียงพอ อีกทั้งยังมี ส่วนประกอบที่เป็นพิษต่อร่างกาย โดยงานวิจัยนี้จะทำการศึกษาตัวแปรที่ใช้ในการสร้างโลหะผสม ไทเทเนียมที่มีส่วนประกอบของไนโอเบียม, แทนทาลัม, เซอร์โคเนียม และออกซิเจนสำหรับ ประยุกต์ใช้งานทางการแพทย์ หรือที่มีชื่อเรียกว่า “กัมเมทัล” อันได้แก่การศึกษาอิทธิพลของการรีด เย็น อิทธิพลของส่วนประกอบออกซิเจน และเซอร์โคเนียม ตลอดจนอุณหภูมิที่ใช้ในกระบวนการบ่มที่ มีต่อสมบัติของโลหะกัมเมทัล โดยเริ่มจากกระบวนการหลอมชิ้นงานด้วยวิธี Arc Melting โดยจะทำ การกำหนดส่วนผสมทางเคมีที่ Ti-(30, 33)Nb-2Ta-(1-5)Zr-(0.3-0.7)O (wt%) จากนั้นจะทำ Homogenization ที่อุณหภูมิ 1,473K เป็นเวลา 60 นาที ทำการรีดเย็นที่ 30% ถึง 90% และบ่มที่ อุณหภูมิ 523K, 623K และ 723K เป็นเวลา 10 นาที ซึ่งชิ้นงานที่สร้างขึ้นนั้นจะถูกทำการตรวจสอบ ส่วนประกอบทางเคมี และโครงสร้างผลึก ทดสอบสมบัติทางกล ความต้านทานการกัดกร่อน ตลอดจนความเป็นพิษต่อเนื้อเยื่อของวัสดุที่สร้างขึ้น เพื่อทำการศึกษาอิทธิพลของตัวแปรที่มีผลต่อ สมบัติของวัสดุ จากผลการตรวจสอบด้วย X-Ray Diffraction (XRD) พบว่าโลหะกัมเมทัลที่สร้างขึ้น นั้นมีโครงสร้างเป็นแบบ Body Centered Cubic (BCC) และจากการทดสอบ Tensile Test ที่ อุณหภูมิห้องพบว่าวัสดุจะเกิดการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างผลึกแบบ Stress-induced Martensite เมื่อได้รับความเค้น และพบว่าอิทธิพลของปริมาณออกซิเจน และเซอร์โคเนียมนั้นมีผลต่อสมบัติทาง กลของวัสดุทั้งก่อน และหลังการบ่ม นอกจากนั้นยังพบว่าการบ่มนั้นจะทำให้เกิดตะกอนขึ้นภายใน โครงสร้างผลึกซึ่งมีผลต่อสมบัติทางกลของชิ้นงาน โดยเงื่อนไขที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการบ่มคือที่ อุณหภูมิ 623K เป็นเวลา 10 นาที ซึ่งชิ้นงานที่มีส่วนประกอบทางเคมี Ti-33Nb-2Ta-3Zr-0.7O (wt %) ก่อนทำการบ่ม และ Ti-33Nb-2Ta-3Zr-0.5O (wt %) ที่ผ่านการบ่มที่ 623K เป็นเวลา 10 นาทีนั้นมีความเหมาะสมแก่การนำไปประยุกต์ใช้งานทางการแพทย์มากที่สุด โดยชิ้นงานทั้งสองนั้นมี ค่า Tensile Strength สูงกว่า 1,400 MPa, Yield Strength สูงกว่า 1,200 MPa และ Elastic Modulus ไม่เกิน 42 GPa ซึ่งใกล้เคียงกับกระดูกจริงของมนุษย์ และเมื่อเปรียบเทียบสมบัติของวัสดุ ง ที่ใช้งานในเชิงพาณิชย์ในปัจจุบันได้แก่เหล็กกล้าไร้สนิมเกรด SUS316L และโลหะผสมไทเทเนียม Ti- 6Al-4V แล้วพบว่าโลหะกัมเมทัลที่ผลิตได้นั้นมีความแข็งแรงสูงกว่า อีกทั้งยังมีความยืดหยุ่นที่ใกล้เคียง กับกระดูกจริงของมนุษย์มากกว่าอีกด้วย

โรคหลอดเลือดหัวใจตีบนนั้นเป็นหนึ่งในสาเหตุการเสียชีวิตของคนในประเทศไทยอันดับต้น ๆ ซึ่งเกิดจากการที่ไขมันไปฝังตัวในผนังหลอดเลือดกีดขวางการไหลเวียนของเลือดทำให้กล้ามเนื้อ หัวใจได้รับสารอาหารและออกซเจนไม่เพียงพอ ซึ่งวิธีในการรักษาที่นิยมในปัจจุบันคือการใช้สายสวน หัวใจโดยสอดขดลวดค้ำยันร่วมด้วยเพื่อขยายหลอดเลือดที่ตีบตันนั้น ซึ่งขดลวดค้ำยันในปัจจุบันต้อง นำเข้าจากต่างประเทศและมีราคาสูงมาก ดังนั้นการผลิตสร้างขดลวดค้ำยันภายในประเทศจึงเป็นอีก หนึ่งทางเลือก ซึ่งงานวิจัยนี้จะมุ่งเน้นทำการออกแบบและผลิตขดลวดค้ำยันจากโลหะผสมจำรูป นิกเกิลไทเทเนียมด้วยกระบวนการสาน ซึ่งจะทำการศึกษาตัวแปรที่มีผลกระทบต่อสมบัติเชิงกลได้แก่ จำนวนเส้นลวดที่ใช้ ขนาดของเส้นลวด และมุมที่ใช้ในการสาน โดยปัจจุบันได้ทำการเลือกขนาดลวด และทำการสานเพื่อทดสอบสมบัติความเป็นขดลวดค้ำยันแล้ว

โครงการย่อยที่ 2 การขึ้นรูปขดลวดค้ำยันสำหรับรักษาโรคหลอดเลือดแดงโคโรนารีตีบ โรคหลอดเลือดหัวใจตีบนนั้นเป็นหนึ่งในสาเหตุการเสียชีวิตของคนในประเทศไทยอันดับต้น ๆ ซึ่งเกิดจากการที่ไขมันไปฝังตัวในผนังหลอดเลือดกีดขวางการไหลเวียนของเลือดทำให้กล้ามเนื้อ หัวใจได้รับสารอาหารและออกซเจนไม่เพียงพอ ซึ่งวิธีในการรักษาที่นิยมในปัจจุบันคือการใช้สายสวน หัวใจโดยสอดขดลวดค้ำยันร่วมด้วยเพื่อขยายหลอดเลือดที่ตีบตันนั้น ซึ่งขดลวดค้ำยันในปัจจุบันต้อง นำเข้าจากต่างประเทศและมีราคาสูงมาก ดังนั้นการผลิตสร้างขดลวดค้ำยันภายในประเทศจึงเป็นอีก หนึ่งทางเลือก ซึ่งงานวิจัยนี้จะมุ่งเน้นทำการออกแบบและผลิตขดลวดค้ำยันจากโลหะผสมจำรูป นิกเกิลไทเทเนียมด้วยกระบวนการสาน ซึ่งจะทำการศึกษาตัวแปรที่มีผลกระทบต่อสมบัติเชิงกลได้แก่ จำนวนเส้นลวดที่ใช้ ขนาดของเส้นลวด และมุมที่ใช้ในการสาน โดยปัจจุบันได้ออกแบบเครื่องสำหรับ สานลวดโลหะผสมจำรูป และทำการสั่งซื้อโลหะผสมจำรูปหลังจากที่ได้ทำการทดสอบสมบัติทางการ จำรูปและสมบัติทางกลเป็นที่เรียบร้อยแล้ว โดยได้วางเป้าหมายเพื่อสามารถผลิตขดลวดค้ำยันชนิด Self-Expandable ใช้เองได้ใน 2 ส่วนหลักๆคือ หัวใจ และสมอง นอกจากนี้ ได้ออกแบบอุปกรณ์ ทดสอบขดลวดค้ำยัน เพื่อให้สามารถเป็นไปตามมาตรฐานการทดสอบที่ถูกรับรองโดย ASTM โดยมี การออกแบบอุปกรณ์ทดสอบแรงดันกลับ อุปกรณ์ทดสอบแรงดัดโค้ง อุปกรณ์ทดสอบความสามารถ ในการดัดงอ เป็นต้น โดยในปีต่อไปก็จะเริ่มดำเนินการสร้างขดลวดค้ำยัน และทำการทดสอบสมบัติ เพื่อให้เหมาะสมต่อการนำไปใช้งานจริง ต่อไป นอกจากนี้ ยังได้กำหนดให้มีการทดสอบการใช้งานใน สัตว์เพื่อให้มั่นใจได้ถึงคุณภาพและประสิทธิภาพของการนำไปใช้งาน ก่อนที่แพทย์จะนำไปทดสอบกับ คนไข้ต่อไป