ความเป็นมาของการนำวัสดุการแพทย์มาใช้งาน

      มนุษย์ได้นำวัสดุชนิดต่าง ๆ มาใช้งานในการรักษาทางการแพทย์ตั้งแต่อดีตแล้ว จากหลักฐานทางโบราณคดีพบว่าเมื่อ ๒,๐๐๐ กว่าปีมาแล้ว ชาวโรมัน ชาวอียิปต์ ชาวอินคา และชาวจีนได้ใช้ทองคำ แก้ว และไม้ มาประดิษฐ์เป็นอุปกรณ์หรือชิ้นส่วนอวัยวะเทียม เพื่อประโยชน์ในการรักษาทางการแพทย์ไม่ว่าจะเป็นฟันปลอม ลูกนัยน์ตาเทียม และขาเทียม อย่างไรก็ตามการนำวัสดุต่าง ๆ มาใช้งานทางการแพทย์นั้นไม่ได้ทำอย่างจริงจังจนกระทั่งใน พ.ศ. ๒๔๐๓ ได้มีการคิดค้นเทคนิคการผ่าตัดแบบปลอดเชื้อ โดย โจเซฟ ลิสเตอร์ (Joseph Lister) แพทย์ชาวอังกฤษ ซึ่งก่อนหน้านี้การผ่าตัดทางการแพทย์มักจะประสบปัญหาการติดเชื้อในระหว่างการผ่าตัดทำให้ไม่ค่อยประสบความสำเร็จยิ่งต้องมีการนำเอาวัสดุแปลกปลอมจากนอกร่างกายเข้าไปใช้งานร่วมในร่างกายด้วยแล้วโอกาสและความรุนแรงของการติดเชื้อในการผ่าตัดยิ่งเพิ่มมากขึ้น ดังนั้นการทดลองใช้งานวัสดุการแพทย์ในช่วงก่อนหน้านี้จึงมักไม่ค่อยประสบความสำเร็จมากนัก แต่หลังจากการค้นพบเทคนิคการผ่าตัดแบบปลอดเชื้อได้แล้วโอกาสและอัตราความสำเร็จของการนำวัสดุประเภทต่าง ๆ มาใช้งานทางการแพทย์จึงเพิ่มมากขึ้น

      ในอดีตการนำวัสดุมาใช้งานทางการแพทย์นั้น ส่วนใหญ่เลือกจากวัสดุที่มีการใช้งานทั่วไปอยู่แล้วและมีสมบัติที่ใกล้เคียงกับความต้องการที่จะนำมาประยุกต์ใช้งานในทางการแพทย์ เช่น พลาสติกไนลอน ซึ่งนำมาใช้เป็นหลอดเลือดเทียมนั้น เริ่มจากการนำผืนผ้าไนลอนจากร้านขายผ้าทั่วไปมาทดลองใช้ผลิตเป็นหลอดเลือดเทียมได้เป็นผลสำเร็จ แต่บางครั้งการลองผิดลองถูกดังกล่าวก็อาจพบกับความล้มเหลวได้หรืออาจเลือกวัสดุที่ไม่มีสมบัติที่เหมาะสมในการใช้งานอย่างแท้จริงก็ได้ เช่น แผ่นเหล็กดามกระดูก เริ่มนำมาใช้งานในช่วง พ.ศ. ๒๔๔๓ โดยผ่าตัดฝังเข้าไปยึดตรึงกระดูกที่หักเพื่อจำกัดการเคลื่อนที่ของกระดูกในบริเวณดังกล่าวและเพื่อให้เนื้อเยื่อกระดูกสามารถรักษาและประสานแผลเองได้ แต่แผ่นเหล็กดามกระดูกในยุคแรกนี้ได้เกิดการแตกหักในระหว่างการใช้งานจำนวนมากซึ่งเป็นผลมาจากความไม่เข้าใจในการใช้งานอย่างแท้จริงทำให้มีการออกแบบรูปร่างที่ผิดพลาด เช่น มีขนาดบางเกินไป และมีมุมต่าง ๆ ที่เป็นจุดด้อยซึ่งง่ายต่อการแตกหัก  นอกจากนี้ยังพบว่าวัสดุที่ถูกเลือกมาใช้งานก็ไม่มีความเหมาะสมเช่นกัน เช่น เหล็กวาเนเดียม (vanadium steel) ที่นำมาใช้ผลิตเป็นแผ่นดามกระดูกนั้นถึงแม้ว่าจะมีความแข็งแรง แต่เกิดการกัดกร่อนหรือเป็นสนิมได้ง่ายมาก เมื่อถูกใช้งานในร่างกายทำให้ประสิทธิภาพในการใช้งานลดลงบางครั้งก็มีการค้นพบวัสดุการแพทย์โดยอุบัติเหตุหรือความบังเอิญ อย่างเช่น ในช่วงสงครามโลกครั้งที่ ๒ แพทย์พบว่า เมื่อนักบินเครื่องบินขับไล่ได้รับบาดเจ็บจากการสู้รบเศษของกระจกฝาครอบเครื่องบินซึ่งผลิตขึ้นจากพลาสติกใสประเภทพอลิเมทิลเมทาคริเลตหรือที่เรียกกันทั่วไปว่า อะคริลิก ได้แตกและกระเด็นเข้าไปฝังอยู่ในนัยน์ตาและตามส่วนต่าง ๆ ของร่างกาย แต่ก็ไม่เกิดปฏิกิริยาต่อต้านหรือเกิดความเป็นพิษแต่อย่างใด จากนั้นเป็นต้นมาจึงเริ่มมีการนำพลาสติกอะคริลิกดังกล่าวมาใช้งานทางการแพทย์เพิ่มมากขึ้น เช่น ใช้ทดแทนแก้วตา หรือใช้เป็นแผ่นวัสดุสำหรับการปิดคลุมส่วนของกะโหลกศีรษะที่เสียหาย  

      จะเห็นได้ว่ามีการนำวัสดุการแพทย์มาใช้งานเป็นระยะเวลานานแล้ว แต่ถ้ากล่าวถึงจุดเริ่มต้นของวัสดุการแพทย์ยุคใหม่อาจจะถือได้ว่าถือกำเนิดขึ้นเมื่อ พ.ศ. ๒๕๐๓ โดยได้มีการจัดการประชุมวิชาการที่เกี่ยวข้องกับศาสตร์ด้านนี้ซึ่งได้รวบรวมผู้ที่มีความสนใจและทำงานในด้านการนำวัสดุไปใช้งานรักษาในทางการแพทย์ขึ้นเป็นครั้งแรกที่มหาวิทยาลัยเคลมสัน (Clemson University) ประเทศสหรัฐอเมริกา  ผลจากการประชุมในครั้งนั้นได้นำไปสู่การจัดตั้งสมาคมวัสดุการแพทย์ (Biomaterials Society) ขึ้นใน พ.ศ. ๒๕๑๘ ตั้งแต่นั้นมาวิทยาการทางด้านวัสดุการแพทย์จึงได้เริ่มต้นขึ้นอย่างจริงจังทั่วโลก  โดยมีนักวิทยาศาสตร์ แพทย์ วิศวกร นักชีวเคมี นักวัสดุศาสตร์ และนักชีววิทยา ที่ทำงานจริงจังในด้านการวิจัยและการพัฒนาที่เกี่ยวข้องกับการออกแบบ การเลือกใช้ และการสังเคราะห์วัสดุการแพทย์ชนิดใหม่ ๆ เพื่อการใช้งานรักษาทางการแพทย์โดยเฉพาะ
       เราอาจจะแบ่งพัฒนาการของวัสดุการแพทย์ออกได้เป็น ๓ ยุคด้วยกัน คือ

       ในช่วง พ.ศ. ๒๕๐๓  -  ๒๕๒๓ เป็นยุคแรกของการแสวงหาวัสดุการแพทย์สำหรับการใช้งานภายในร่างกายโดยมีจุดประสงค์หลักเพื่อค้นหาวัสดุที่มีสมบัติทางกายภาพที่ใกล้เคียงกับเนื้อเยื่อหรืออวัยวะภายในร่างกายมนุษย์ที่ต้องการนำไปซ่อมแซมสร้างเสริมหรือทดแทน โดยไม่ก่อให้เกิดความเป็นพิษหรือเป็นอันตรายต่อร่างกาย ลักษณะสำคัญของวัสดุการแพทย์ในยุคแรก คือ ความเฉื่อยต่อสภาพแวดล้อมภายในร่างกายมีปฏิกิริยาหรือก่อให้เกิดปฏิกิริยากับเนื้อเยื่อภายในร่างกายต่ำมาก

       ใน พ.ศ. ๒๕๒๓ พบว่า มีอุปกรณ์ฝังในมากกว่า ๕๐ ชนิดได้รับการพัฒนาขึ้นและมีการใช้วัสดุการแพทย์กว่า ๔๐ ชนิด สำหรับการผลิตอุปกรณ์ดังกล่าว เรามักเรียกวัสดุรุ่นแรกนี้ว่าวัสดุเฉื่อยทางชีวภาพ (bioinert material) ตัวอย่างวัสดุในกลุ่มนี้ ได้แก่ โลหะชนิดต่าง ๆ พลาสติกจำพวกพอลิเอทิลีน เทฟลอน ไนลอน อะคริลิก และเซรามิก ประเภทอะลูมินา

      หลังจาก พ.ศ. ๒๕๒๓ เป็นต้นมา พัฒนาการของวัสดุการแพทย์เริ่มก้าวเข้าสู่ยุคที่ ๒ เมื่อความต้องการสภาพเฉื่อยในการใช้งานของวัสดุการแพทย์ภายในร่างกายเริ่มได้รับความสนใจลดน้อยลง แต่เพิ่มความสนใจในการพัฒนาให้วัสดุการแพทย์มีความสามารถในการก่อให้เกิดปฏิกิริยาที่ควบคุมได้และเป็นผลดีต่อการเจริญเติบโตของเนื้อเยื่อภายในร่างกายบริเวณใกล้เคียง วัสดุที่มีความสำคัญในยุคที่ ๒ นี้ ได้แก่ วัสดุว่องไวทางชีวภาพ  (bioactive material) ซึ่งเป็นวัสดุที่สามารถสร้างพันธะขึ้นกับเนื้อเยื่อ โดยรอบได้ทำให้เกิดเสถียรภาพในการใช้งานและส่งผลดีต่อการรักษาตัวของบาดแผลด้วย  ตัวอย่างวัสดุในกลุ่มนี้ได้แก่ เซรามิก จำพวกไบโอกลาสส์ (Bioglass) ไฮดรอกซีแอปาไทต์ (hydroxyapatite) และคอมโพสิตต่าง ๆ ที่มีส่วนผสมของสารเหล่านี้  นอกจากนั้นวัสดุอีกกลุ่มที่ประสบความสำเร็จไม่ยิ่งหย่อนกว่ากันสำหรับยุคที่ ๒ ของวัสดุการแพทย์ ได้แก่ วัสดุที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพ  ซึ่งหมายถึงกลุ่มวัสดุที่สามารถจะสลายตัวเมื่อถูกนำไปใช้งานในร่างกายภายในกำหนดระยะเวลาหนึ่งโดยในขณะที่สลายตัวก็จะมีเนื้อเยื่อตามธรรมชาติที่เจริญเติบโตเข้ามาแทนที่จนในที่สุดวัสดุดังกล่าวจะหายไปจากร่างกายเหลือไว้แต่เพียงเนื้อเยื่อตามธรรมชาติที่ถูกสร้างขึ้นทดแทน ตัวอย่างของวัสดุในกลุ่มนี้ ได้แก่ พอลิแลกติก พอลิไกลโคลิก และโคพอลิเมอร์ของวัสดุทั้ง ๒ ชนิด ซึ่งถูกนำไปใช้งาเป็นไหมละลาย แผ่นดามกระดูก และสกรูขนาดเล็กต่าง ๆ
      ถึงแม้จะประสบความสำเร็จในการใช้งาน แต่วัสดุการแพทย์ทั้ง ๒ ยุคนี้ยังคงมีอายุการใช้งานที่สั้นเกินไป โดยส่วนใหญ่สามารถทำงานอย่างดีได้เพียง ๑๐ - ๒๕ ปี เท่านั้น หลังจากนั้นแล้วจะต้องมีการผ่าตัดเพื่อเปลี่ยนทดแทนเป็นครั้งที่ ๒ ซึ่งจะเป็นปัญหาอย่างมากสำหรับผู้ป่วยที่มีอายุยืนยาวหรือผู้ป่วยหนุ่มสาว  ถึงแม้จะมีความพยายามในการที่จะปรับปรุงและพัฒนาวัสดุเหล่านี้ให้มีอายุการใช้งานเพิ่มมากขึ้น แต่ไม่ค่อยประสบผลสำเร็จมากนักทั้งนี้เป็นเพราะขีดจำกัดของวัสดุการแพทย์ที่นำมาใช้งานซึ่งเป็นวัสดุสังเคราะห์ไม่สามารถที่จะตอบสนองหรือเปลี่ยนแปลงสภาพหรือสมบัติต่อการกระตุ้นหรือสภาพภายในร่างกายที่มีการเปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลา  ดังเช่นเนื้อเยื่อหรืออวัยวะตามธรรมชาติสิ่งเหล่านี้เองทำให้หลายฝ่ายมีความคิดว่าน่าจะต้องมีการพัฒนาในยุคที่ ๓ ของวัสดุการแพทย์ที่ตั้งอยู่บนพื้นฐานของวัสดุในธรรมชาติในการนำมารักษาผู้ป่วยในอนาคตปัจจุบันถือได้ว่ากำลังอยู่ในช่วงของการเปลี่ยนถ่ายจากยุคที่ ๒ สู่ยุคที่ ๓ ของวัสดุการแพทย์
      วัสดุการแพทย์ในยุคที่ ๓ จะทำหน้าที่หลักในการสร้างเสริม (regeneration) แทนที่จะเป็นการทดแทน (replacement) ดังเช่นวัสดุในยุคก่อน  โดยทำหน้าที่ช่วยเหลือร่างกายในการซ่อมแซมส่วนที่สึกหรอและสามารถกระตุ้นการตอบสนองของเซลล์ภายในร่างกายในระดับโมเลกุลในอนาคตแทนที่จะผลิตวัสดุสำเร็จสำหรับการใช้งาน  เราอาจเพียงแต่ผลิตวัสดุที่มีองค์ประกอบเฉพาะที่ถูกต้อง และเหมาะสมกับการซ่อมแซมที่ต้องการ จากนั้นองค์ประกอบเหล่านี้จะไปกระตุ้นให้ระบบยีนภายในร่างกายมนุษย์ควบคุมการซ่อมแซมเนื้อเยื่อในบริเวณนั้น ๆ ทำให้เนื้อเยื่อที่ถูกสร้างเสริมขึ้นมีชีวิต และสามารถตอบสนอง  ต่อการเปลี่ยนแปลงของสภาวะภายในร่างกายได้เช่นเดียวกับเนื้อเยื่อในธรรมชาติ ตัวอย่างของเทคโนโลยียุคที่ ๓ นี้ ได้แก่ วิศวกรรมเนื้อเยื่อ (tissue engineering) ซึ่งเป็นการปลูกฝังเซลล์บางกลุ่มลงไปบนโครงสร้างของวัสดุการแพทย์ที่เหมาะสมเพื่อให้เซลล์เกิดการแบ่งตัวและเจริญเติบโตก่อนที่จะนำไปปลูกถ่ายในร่างกายเพื่อให้ทำหน้าที่ต่อไป