กระดูก ชีวจักรกล และหอไอเฟล เกี่ยวข้องกันอย่างไร?

          ผู้อ่านเคยประสบอุบัติเหตุจนกระดูกหักไหมครับ? ผู้เขียนเคยมีประสบการณ์เรื่องนี้เพราะความซนของตัวเองจนตกลงมาจากที่สูงทำให้แขนซ้ายหักเมื่อสมัยยังเป็นเด็ก แม้จะไม่เจ็บนัก แต่พอเห็นว่าแขนของตัวเองบิดไปผิดรูปผิดทางก็รู้สึกตกใจมาก หลังจากรีบรุดไปโรงพยาบาลให้คุณหมอเอกซ์เรย์และใส่เฝือก ผู้เขียนก็ต้องทนใส่เฝือกที่ทั้งแข็งและคันยุบยิบอยู่นานหลายเดือนจนกระดูกแขนเชื่อมติดกันในที่สุด การศึกษาเกี่ยวกับกระดูกเรียกว่า กระดูกวิทยา (Osteology) ส่วนศาสตร์ด้านการแพทย์ที่ศึกษาเกี่ยวกับกระดูก ข้อต่อ กล้ามเนื้อ และเส้นเอ็นเรียกว่า ออร์โทปิดิกส์ (Orthopedic)


          กระดูกเป็นวัสดุประกอบ (Composite Material) ที่เกิดจากสารอินทรีย์คือคอลลาเจน (Collagen) และสารอนินทรีย์คือแคลเซียมไฮดรอกซีอะพาไทต์ (Calcium Hydroxyapatite) โดยโครงสร้างของกระดูกระดับมหภาค (Macrostructure) ประกอบด้วยกระดูกเนื้อแน่น (Cortical Bone หรือ Compact Bone) และกระดูกเนื้อโปร่ง (Cancellous Bone หรือ Trabecular Bone) ที่มีลักษณะคล้ายฟองน้ำซึ่งประกอบด้วยชิ้นส่วนคล้ายร่างแหเล็กๆ บางๆ มีรูพรุน และเป็นที่อยู่ของไขกระดูก (Bone Marrow) ซึ่งกระดูกในแต่ละตำแหน่งของร่างกายจะมีส่วนประกอบทั้งสองในอัตราส่วนที่แตกต่างกันตามสมบัติเชิงกลซึ่งสัมพันธ์กับความหยุ่นหนืด (Viscoelastic) ของเอ็นยึดข้อต่อ (Ligament) ที่ยึดโยงข้อต่อต่างๆ ของร่างกายเอาไว้ด้วยกัน           แม้กระดูกจะเป็นวัสดุที่แข็ง แต่เมื่อมีแรงภายนอกมากระทำก็สามารถเปลี่ยนแปลงขนาด บิดงอ หรือยืดหดได้เล็กน้อย ไม่ต่างจากวัสดุทางวิศวกรรมชนิดอื่น เมื่อมีแรงจากภายนอกมากระทำให้กระดูกเกิดการยืดหรือหดตัว กระดูกจะส่งแรงต้านโดยมีพฤติกรรมเป็นไปตามกฎของฮุก (Hook’s Law) และทำให้เกิดความเค้น (Stress) กับความเครียด (Strain) ต่อกระดูกชิ้นนั้น หากแรงกระทำมีค่าน้อยและกระทำต่อกระดูกเพียงระยะเวลาสั้นๆ กระดูกจะสามารถคืนรูปสู่สภาพเดิมโดยไม่เกิดความเสียหาย เนื่องจากสัดส่วนระหว่างความเค้นและความเครียดมีค่าต่ำกว่าขีดจำกัดความยืดหยุ่น (Elastic Limit) ของกระดูก แต่ถ้ามีแรงกระทำต่อกระดูกมากจนเกินไป กระดูกจะเริ่มสูญเสียสภาพจนถึงจุดแตกหัก (Fracture Point) ในที่สุด           สาเหตุของกระดูกหักส่วนใหญ่มักเกิดจากการถูกชนหรือการตกกระแทกอย่างแรงจากที่สูงในช่วงเวลาสั้นๆ ทำให้แรงดล (Impulsive Force) จากการเปลี่ยนแปลงโมเมนตัมมีค่ามาก นอกจากนี้ยังมีสาเหตุการแตกหักของกระดูกอีกรูปแบบหนึ่งที่มีโอกาสเกิดน้อยกว่าสองรูปแบบแรก นั่นคือการแตกหักเนื่องจากแรงบิด (Torque) ที่ทำให้มุมบิดของกระดูกมีค่ามากจนกระดูกปริแตกและไม่สามารถคืนสภาพได้           นักฟิสิกส์และนักวัสดุศาสตร์ไม่ได้ศึกษาการยืดหดและการบิดงอของกระดูกเพียงอย่างเดียว เพราะบางครั้งผู้ป่วยที่เข้ารับการรักษาต้องใส่แผ่นโลหะดามกระดูก (Bone Plate) เพื่อทำหน้าที่ผ่อนแรงและตรึงกระดูกให้อยู่นิ่งจนกว่ากระดูกที่หักจะประสานตัวตามเดิม โดยเฉพาะกระดูกต้นขา (Femur) ที่ต้องแบกรับน้ำหนักตัวของผู้ป่วยขณะทำกิจกรรมต่างๆ เมื่อกระดูกของมนุษย์เกิดความเสียหายทั้งแบบชั่วคราวและแบบถาวร การซ่อมแซมกระดูกที่เสียหายจึงต้องพึ่งพาวิชาวัสดุศาสตร์ (Material Science) โดยวัสดุที่ทำหน้าที่แทนส่วนหนึ่งของกระดูก อวัยวะ และสัมผัสกับสารชีวเคมีในร่างกายจะเรียกว่า วัสดุชีวภาพ (Biomaterial) ได้แก่ โลหะชีวภาพ (Biometal) พอลิเมอร์ชีวภาพ (Biopolymer) เซรามิกชีวภาพ (Bioceramic) และวัสดุในกลุ่มอื่นๆ ที่สามารถเข้ากันได้กับร่างกายของสิ่งมีชีวิต (Biocompatibility) โดยไม่ส่งผลกระทบหรือมีผลกระทบเพียงเล็กน้อย วัสดุเหล่านี้จะต้องมีความเสถียรทางเคมี ทนทานต่อการกัดกร่อน ไม่ก่อมะเร็ง ไม่เป็นพิษ สามารถรองรับแรงกระทำภายในร่างกายมนุษย์และกิจกรรมต่างๆ ได้


          ปัจจุบันมีการพัฒนากระดูกเทียม (Artificial Bone) ที่ทำจากวัสดุชีวภาพ รวมถึงแคลเซียมซึ่งเป็นองค์ประกอบของกระดูกตามธรรมชาติมาใช้งานร่วมกับเทคโนโลยีเครื่องพิมพ์สามมิติ (3-D Printer) ทำให้กระดูกเทียมสมัยใหม่มีความคล้ายคลึงและเข้ากันได้เป็นอย่างดีกับกระดูกของผู้ป่วยจริงๆ ซึ่งหากเทคโนโลยีพัฒนาไปไกลมากกว่านี้ มนุษย์อาจสามารถสร้างกระดูกในห้องทดลองที่มีสมบัติเหมือนกระดูกจริงทุกประการเพื่อใช้ทดแทนกระดูกที่เสียหายหรือขาดหายไป           นอกจากเทคโนโลยีในการสร้างกระดูกเทียม วิธีใหม่ๆ ในการซ่อมแซมกระดูกก็สำคัญเช่นกัน เมื่อเดือนเมษายน ค.ศ.2020 ที่ผ่านมา ทีมนักวิจัยด้านวัสดุชีวภาพและทันตแพทย์จาก UCLA School of Dentistry ได้ตีพิมพ์งานวิจัยใหม่ลงในวารสาร Science Advances ซึ่งงานวิจัยดังกล่าวเกี่ยวกับการพัฒนาอนุภาคนาโนสำหรับรักษาและซ่อมแซมความเสียหายที่เกิดขึ้นกับกระดูก           ปกติแล้วความบกพร่องที่เกิดกับกระดูกจะมีสาเหตุมาจากการบาดเจ็บ การติดเชื้อโรคบางชนิด การเป็นโรคกระดูกพรุน รวมถึงการกำจัดเนื้องอก ในกลุ่มผู้สูงอายุ อาการเหล่านี้ยากต่อการรักษาและอาจต้องทำการปลูกถ่ายกระดูก (Bone Graft) โดยการนำกระดูกจากส่วนอื่นของร่างกายมาปลูกถ่ายในบริเวณที่เสียหาย แต่การปลูกถ่ายกระดูกอาจมีผลข้างเคียงบางประการ เช่น ภาวะแทรกซ้อน การติดเชื้อ เลือดออก และเส้นประสาทเสียหาย จากผลกระทบดังกล่าว หลังปี ค.ศ.1990 นักวิจัยจึงหันไปใช้ Liposome ซึ่งเป็นอนุภาคที่มีขนาดเล็กกว่าระดับไมครอน มีลักษณะเป็นถุงทรงกลมที่ประกอบขึ้นจากไขมัน มีความสามารถในการเป็นพาหนะขนส่งสารอาหารและยาเพื่อใช้รักษาโรคมะเร็งและโรคติดเชื้อ รวมถึงกระบวนการด้านวิศวกรรมเนื้อเยื่อของกระดูก อย่างไรก็ตาม Liposome มีข้อจำกัดในการทำงาน เพราะมันเป็นโครงสร้างที่ไม่เสถียรและควบคุมการทำงานได้ยาก นักวิจัยจึงใช้เทคโนโลยีด้านวัสดุชีวภาพระดับนาโน (Bionanomaterial) ในการพัฒนา Liposome ชนิดใหม่ที่เรียกว่า Sterosome โดยการแทนที่ Cholesterol ด้วย Oxysterol ที่มีหน้าที่ในการสร้างซ่อมแซมและเสริมสร้างกระดูก เมื่อทำการทดสอบในหนูทดลองที่มีกระดูกบกพร่อง นักวิจัยพบว่า Sterosome สามารถกระตุ้นการงอกของกระดูกได้โดยไม่ต้องใช้ยารักษา หลังจากนั้น นักวิจัยได้บรรจุโมเลกุลของเล็กของ Purmorphamine ที่เกี่ยวข้องกับการเจริญเติบโตของกระดูกลงไปใน Sterosome เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการทำงาน ผลปรากฏว่าหนูทดลองที่มีกระดูกบกพร่องมีอาการดีขึ้นถึง 50 เปอร์เซ็นต์ภายใน 6 สัปดาห์!


          นอกจากวัสดุชีวภาพจะมีบทบาทในการทำหน้าที่ ซ่อมแซม และทดแทนกระดูกกับอวัยวะของจริง ในอนาคตอันใกล้ เมื่อผนวกรวมความรู้ทางวัสดุชีวภาพ วิศวกรรมอิเล็กทรอนิกส์ และวิศวกรรมเนื้อเยื่อ (Tissue Engineering) ร่างกายของมนุษย์อาจถูกปรับเปลี่ยนไปสู่สิ่งที่เรียกว่า ชีวจักรกล (Bionics) ซึ่งอวัยวะบางส่วนจะถูกปรับเปลี่ยนเป็นวัสดุชีวภาพและวงจรอิเล็กทรอนิกส์ เพื่อเพิ่มศักยภาพหรือทดแทนศักยภาพที่สูญเสียไป เนื่องจากธรรมชาติสรรสร้างสิ่งต่างๆ ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ศาสตร์ที่เรียกว่า ชีวลอกเลียน (Biomimicry) จึงถูกพัฒนาขึ้นและทำให้วิศวกรโครงสร้างนามว่า กูสตาฟว์ แอแฟล (Gustave Eiffel) นำความรู้เกี่ยวกับคุณสมบัติในการรับน้ำหนักของกระดูกต้นขาไปใช้ในการออกแบบหอไอเฟล (Eiffel Tower) ด้วยเหตุนี้ หอไอเฟลจึงมีส่วนเว้าส่วนโค้งซึ่งเกิดจากโลหะชิ้นเล็กชิ้นน้อยจำนวนมากมาประกอบรวมกัน           ก่อนจบบทความ ผู้เขียนขอแถมเกร็ดความรู้ว่าในสมัยที่รถยนต์และเกราะกันกระสุนเพิ่งถูกพัฒนาขึ้นมาไม่นาน นักวิจัยของมหาวิทยาลัยและกองทัพในต่างประเทศได้มีการนำศพของมนุษย์และสัตว์มาทดลองเกี่ยวกับความแข็งแรงของอุปกรณ์ในรถยนต์ รวมถึงประสิทธิภาพของเกราะกันกระสุนและอาวุธอีกด้วย จากเนื้อหาทั้งหมด กระดูก ชีวจักรกล และหอไอเฟล (รวมถึงการนำศพมาทดลอง) ก็เกี่ยวข้องกันด้วยเหตุนี้เอง

 

อ้างอิง

• [1] บทความวิชาการ On the Physics of the Bone Fracture โดย Martin G. Abrahamyan
• [2] หนังสือ ฟิสิกส์วิทยาศาสตร์ชีวภาพ (LIFE SCIENCE PHYSICS) โดย ชัยวิทย์ ศิลาวัชนาไนย
• [3] หนังสือ ความเสียหายของวัสดุทางวิศวกรรม โดย ดร.ชาวสวน กาญจโนมัย
• [4] หนังสือ Stiff เรื่องลับที่ไม่รู้ของ “ศพ” เขียนโดย Mary Roach แปลโดย สุกิจ และ วิรงรอง ตรีไตรลักษณะ
• [5] https://phys.org/news/2020-04-scientists-nanoparticle-treatment-bone-defects.html?fbclid=IwAR3Xh-LTy1rIQZmElFSG_pcR-8wME2ytpJiQdDx2c8cxGGtZjCvYFk9jdSo
• [6] http://personal.strath.ac.uk/j.wood/Biomimetics/inspirtational%20designs/Eiffel%20Tower_files/Eiffel%20Tower.htm?fbclid=IwAR1Ym8UFH1Q5QAKuNGVdnoyapxp5SB0ERn8oXwvkvYk4ps8A3825PNc-VYo