โลหะทางการแพทย์
กับการกัดกร่อนในร่างกาย
 
ดร. จินตมัย สุวรรณประทีป
ศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ
 
 
   
 
      ในทางการแพทย์นั้น โลหะถือได้ว่า เป็นวัสดุกลุ่มหนึ่ง ที่มีการนำมาใช้งาน ในการผลิต อุปกรณ์ต่าง ๆ มากมาย ทั้งอุปกรณ์ที่ช่วยในการผ่าตัด ไปจนถึงอุปกรณ์ที่ฝังเข้าไป ในร่างกาย เป็นเวลานาน เป็นที่ทราบกันดีว่า สภาพแวดล้อมภายในร่างกายมนุษย์ สามารถก่อให้เกิด การกัดกร่อนของอุปกรณ์ ที่ผลิตจากโลหะ ประเภทต่าง ๆ ได้ ถึงแม้ว่า โลหะที่นำมาใช้งาน จะถูกเลือกแล้วว่า สามารถทนทานต่อการกัดกร่อน ภายในร่างกายได้ก็ตาม แต่ปัญหา ของการกัดกร่อน เป็นสิ่งที่พบเห็นได้มาก มีผลทำให้ผลิตภัณฑ์ เกิดการแตกหักเสียหาย ก่อนเวลาอันควร หรือไม่เป็นไปตามอายุการใช้งานจริงที่ได้ออกแบบไว้ นอกจากนี้ การหลุดออกมาของเศษวัสดุเนื่องจากการกัดกร่อน อาจก่อให้เกิดปฏิกิริยา ต่อเนื้อเยื่อ ข้างเคียงได้ โดยบางครั้งถูกระบุว่า ก่อให้เกิดการเจ็บปวดหรือปวดบวม ในบริเวณ วัสดุฝังในแม้ปราศจากการติดเชื้อ นอกจากนี้ อาจส่งผลต่อการสลายตัว ของเนื้อกระดูก โดยรอบได้
   
   
  ประเภทของการกัดกร่อน
 
       การกัดกร่อนมีอยู่ด้วยกันหลายประเภท ตัวอย่างของการกัดกร่อน ที่พบในอุปกรณ์ฝังใน ทางการแพทย์ได้แก่
   
       1. การกัดกร่อนในที่อับ (crevice corrosion) เป็นการกัดกร่อนที่เกิดขึ้น เนื่องจาก พื้นผิวบาง บริเวณบนผลิตภัณฑ์ กลายเป็นแอโนดิก หรือมีปริมาณออกซิเจน ไม่สม่ำเสมอ โดยบริเวณที่มีออกซิเจนน้อยจะกลายเป็นแอโนดิก การกัดกร่อนประเภทนี้ มักจะพบได้ ในบริเวณที่เป็น แนวขอบประกบของอุปกรณ์ เช่น บริเวณระหว่างหัวสกรูและ แผ่นดาม กระดูก บริเวณรอยต่อระหว่างหัวกระดูกเทียม (conical head) และคอของก้านกระดูกขาเทียม (neck taper) ในข้อสะโพกเทียมแบบมอดูลาร์ เป็นต้น


       2. การกัดกร่อนแบบกัลวานิก (galvanic corrosion) เป็นการกัดกร่อนที่เกิดขึ้น เนื่องจาก การใช้งาน โดยนำโลหะสองประเภท ที่มีความแตกต่างทางเคมีไฟฟ้า มาต่อเข้าด้วยกัน ทำให้เกิดความต่างศักย์ขึ้นในวงจร ส่งผลให้โลหะหนึ่งประเภท จะเป็นแอโนดิก และเกิดการ กัดกร่อน ในขณะที่โลหะอีกประเภทหนึ่ง จะเป็นแคโทดิก และถูกป้องกันจากการกัดกร่อน เช่น การใช้ลวดสเตนเลสร่วมกับ ก้านกระดูกขาเทียม ที่ผลิตจากโลหะผสมของโคบอลต์ หรือไทเทเนียม การใช้หัวกระดูกเทียมโลหะผสม ของโคบอลต์ร่วมกับ ก้านกระดูกเทียม โลหะผสมของไทเทเนียม หรือการใช้สกรูไทเทเนียมร่วมกับ แผ่นดามกระดูกสเตนเลส นอกจากนี้ ในบางกรณีเศษวัสดุจาก เครื่องมือช่วยในการผ่าตัด หรือใส่อุปกรณ์ อาจจะ หลุดไปยังอุปกรณ์ฝังในได้เช่นกัน ตัวอย่างเช่น เศษโลหะจากไขควงไปยังหัวสกรู หรือจากสว่านเจาะไปยังแผ่นดามกระดูก เป็นต้น
   
   
 
       3. การกัดกร่อนแบบเฟรตติ้ง (fretting corrosion) การกัดกร่อนประเภทนี้ เกิดขึ้นเนื่องจาก การเสียหายของชั้นฟิล์มบางปกป้อง (protective film) บนผิวโลหะ เนื่องจากการสั่นสะเทือน อย่างต่อเนื่อง ในบริเวณรอยต่อระหว่างผิวอุปกรณ์ที่สัมผัสกัน ทำให้บริเวณดังกล่าว ขาดฟิล์มปกป้อง และเกิดการกัดกร่อนขึ้น ในบริเวณดังกล่าว ตัวอย่างของบริเวณที่พบการกัดกร่อนประเภทนี้ ในอุปกรณ์ฝังใน ได้แก่ บริเวณรอยต่อระหว่างสกรู และแผ่นดามกระดูกที่หัวสกรูเกิดการเคลื่อนที่
   
   
       4. การกัดกร่อนแบบจุด (pitting corrosion) การกัดกร่อนประเภทนี้ เริ่มเกิดจากบริเวณที่ ฟิล์มปกป้องถูกทำลาย ซึ่งความเสียหายของฟิล์มนี้ เกิดได้จาก หลายสาเหตุ ไม่ว่าจะเป็นแรงกระทำ สารเคมี หรือสิ่งปลอมปนในเนื้อโลหะ ทำให้เกิด การกัดกร่อน เป็นหลุม ในบริเวณดังกล่าว การกัดกร่อนนี้ มักจะพบในเหล็กสเตนเลส โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เหล็กที่ใช้กระบวนการผลิต ในอดีต ซึ่งการขจัดสิ่งปลอมปน ออกจากเนื้อโลหะ ยังไม่มีการควบคุมที่ดีพอ


       5. การกัดกร่อนร่วมกับความเค้น (stress corrosion cracking) เป็นลักษณะ ของการกัดกร่อน ซึ่งเกิดขึ้นเนื่องจาก ผลรวมของความเค้น และสภาวะการกัดกร่อน ในลักษณะที่ระดับความเค้น หรือการกัดกร่อนเพียงอย่างเดียว อาจไม่ก่อให้เกิด ความเสียหายรุนแรงได้ โดยระดับความเค้น อาจจะมีค่าต่ำมาก เช่น ความเค้นตกค้าง เท่านั้น ก็เป็นไปได้ ตัวอย่างของการกัดกร่อนประเภทนี้ได้แก่ แผ่นดามกระดูกที่ถูกดัดงอ ทำให้เกิดความเค้นดึง ที่ผิวด้านหนึ่ง และความเค้นอัดที่ผิวตรงข้าม จะส่งผลให้บริเวณนั้น มีสภาวะเป็นแอโนดิก เมื่อเปรียบเทียบกับบริเวณอื่น
   
   
   
   
  การควบคุมและป้องกันการกัดกร่อน
 
1. การเลือกใช้วัสดุ

       ในการเลือกใช้โลหะ สำหรับนำมาผลิต เป็นอุปกรณ์ฝังในทางการแพทย์นั้น สามารถ แบ่งออกได้เป็น 2 แนวทางคือการใช้โลหะมีค่า (noble metals) ซึ่งเมื่อเปรียบเทียบตาม อนุกรมไฟฟ้าเคมีแล้ว โลหะเหล่านี้ จะมีความทนทานต่อการกัดกร่อนสูงมาก กลุ่มของ โลหะเหล่านี้ได้แก่ ทอง เงินและแพลทินัม อย่างไรก็ตาม โลหะกลุ่มนี้ แม้จะมีความทนทาน ต่อการกัดกร่อนได้ดีหากแต่มีราคาสูงและมีสมบัติทางกลต่ำ จึงทำให้ไม่นิยมนำมา ผลิต อุปกรณ์ฝังในทางการแพทย์ ที่ต้องมีการรับแรงหรือเป็นโครงสร้างหลัก ยกเว้น การใช้งาน ทางทันตกรรม แนวทางที่สองของการเลือกใช้โลหะ คือการใช้กลุ่มโลหะที่มีความสามารถ ในการสร้างฟิล์มปกป้องพื้นผิวได้ (passivated metals) ซึ่งมีการใช้งาน อย่างกว้างขวาง และพบเห็นได้ง่ายในทางการแพทย์ ธาตุในกลุ่มที่สามารถสร้างฟิล์มได้ดี ได้แก่ อะลูมิเนียม โครเมียมและไทเทเนียม โดยอะลูมิเนียมไม่สามารถนำมาใช้งานได้ เนื่องจากเป็นพิษ ต่อร่างกาย โครเมียมไม่สามารถนำมาใช้ได้โดยตรง หากแต่ใช้ ในการผสมกับโลหะอื่น ได้แก่ เหล็กสเตนเลสและโลหะผสมของโคบอลต์-โครเมียม ซึ่งจะต้องมีปริมาณโครเมียม อย่างต่ำ 12 % ที่จะทำให้โลหะผสม สามารถป้องกัน การกัดกร่อนได้ดี และต้องมีปริมาณ โครเมียมอย่างต่ำ 18 % ที่จะทำให้โลหะผสม ต้านทานการกัดกร่อนได้อย่างดีเยี่ยม ไทเทเนียมสามารถนำมาใช้งานได้ ทั้งในรูปของ โลหะเดี่ยวหรือโลหะผสม

       เมื่อเปรียบเทียบกันแล้ว ไทเทเนียมจะมีความต้านทาน ต่อการกัดกร่อนดีที่สุด เนื่องจากชั้นฟิล์มไทเทเนียมไดออกไซด์ มีความแข็งแรงสูง และสามารถเกิดใหม่ เพื่อ ซ่อมแซมความเสียหายได้อย่างรวดเร็ว โลหะผสมของโคบอลต์จะมีความทนทานรองลงไป มักจะไม่เกิดการกัดกร่อนแบบจุด แต่อาจจะเกิดการกัดกร่อนในที่อับได้ เหล็กสเตนเลส จะมีความต้านทานการกัดกร่อนต่ำที่สุด และมักเกิดการกัดกร่อนแบบจุด และแบบ ในที่อับได้ง่าย



2. กระบวนการผลิต

       การควบคุมคุณภาพในการผลิต ไม่ว่าจะเป็นในแง่ของ องค์ประกอบทางเคมี ความสะอาด ความบริสุทธิ์ของเนื้อโลหะ สภาพผิวสำเร็จ ล้วนแล้วแต่ส่งผลต่อ ความ ต้านทานการกัดกร่อนของโลหะฝังใน ในด้านองค์ประกอบทางเคมีนั้น ตัวอย่างที่เห็นได้ชัด ได้แก่ เหล็กสเตนเลส เนื่องจากสามารถเกิดการกัดกร่อนได้ง่ายที่สุด ถึงแม้โครเมียม และโมลิบดินัมจะเป็นธาตุหลักที่ช่วยในการต้านทานการกัดกร่อน หากแต่เหล็กสเตนเลส จะต้องมีปริมาณคาร์บอนที่ต่ำ ร่วมด้วย ซึ่งโดยทั่วไปจะต้องต่ำกว่า 0.03 เปอร์เซ็นต์ โดยน้ำหนัก ส่วนในแง่ของความบริสุทธิ์นั้น สารมลทินต่าง ๆ เช่น ซิลิคอน ฟอสฟอรัส และกำมะถันจะต้องมีการขจัดออกเพื่อป้องกันการเกิดการกัดกร่อนแบบจุด กระบวน การผลิต ที่นิยมใช้ในการขจัดสารมลทิน ในปัจจุบันสำหรับ เหล็กสเตนเลส ได้แก่ การหลอมซ้ำในสุญญากาศ (vaccum remelted) นอกจากนี้ กระบวนการผลิต ในการ ปรับปรุงสภาพผิวของโลหะ เช่น การทำ passivation ของเหล็กสเตนเลส การฝังไอออน บนผิวโลหะ ด้วยคาร์บอน และไนโตรเจน เพื่อเพิ่มความแข็งผิว ทำให้ทนทานต่อการขัดสี และการกัดกร่อน และการเคลือบผิวด้วยวัสดุอื่น เป็นต้น ก็เป็นอีกหนึ่งกระบวนการ ที่ทำเพื่อเพิ่มความต้านทานการกัดกร่อน



3. การใช้งาน

       ลักษณะการใช้งาน ของอุปกรณ์ฝังใน ในห้องผ่าตัด เป็นอีกหนึ่งปัจจัย ที่สามารถส่งผล ถึงประสิทธิภาพ การทำงานของอุปกรณ์ได้ ข้อแนะนำต่อไปนี้ เป็นเพียงข้อแนะนำเบื้องต้น ที่ควรระมัดระวังในการใช้งานโลหะฝังใน

       • ควรหลีกเลี่ยงการก่อให้เกิดรอยขีดข่วน บนผิวอุปกรณ์ ในระหว่างการทำงาน ไม่ว่าจะเป็นการโยน การเขย่าไปมาในถาด การกระแทกกันระหว่างอุปกรณ์ ทั้งนี้ เนื่องจากรอยขีดข่วนดังกล่าวจะทำให้ฟิล์มปกป้องบนผิวโลหะเกิดความเสียหายได้ และจะเป็นบริเวณที่อ่อนแอต่อการเกิดการกัดกร่อน ดังนั้น จึงควรเก็บอุปกรณ์ ใน บรรจุภัณฑ์จนกว่าจะใช้งาน และทำงานอย่างระมัดระวัง

       • ควรหลีกเลี่ยงการใช้โลหะต่างประเภทในการทำงาน โดยเฉพาะการใช้อุปกรณ์ ที่ผลิตจากเหล็กสเตนเลส ร่วมกับโลหะประเภทอื่น เนื่องจากมีโอกาสที่จะ เกิดการกัดกร่อน แบบกัลวานิกได้

       • ควรหลีกเลี่ยงการทำงาน ที่จะถ่ายเทโลหะ จากอุปกรณ์ช่วยการผ่าตัด สู่ตัวอุปกรณ์ ฝังใน ตัวอย่างเช่น ควรใช้อุปกรณ์นำเจาะ (drill guide) สำหรับการเจาะ เพื่อป้องกัน การสัมผัสระหว่างหัวเจาะและแผ่นดามกระดูก ซึ่งอาจทำให้โลหะ จากหัวเจาะติดไปยัง แผ่นดามกระดูกได้ นอกจากนี้ การใช้อุปกรณ์ช่วยการผ่าตัด และโลหะฝังใน ที่ผลิตจาก วัสดุประเภทเดียวกัน จะช่วยลดโอกาสของการถ่ายเทโลหะต่างชนิดได้

       • ในอุปกรณ์ฝังในที่ต้องมีการประกอบร่วมกัน เช่น แผ่นดามกระดูกและสกรู จะต้อง ประกอบเข้าด้วยกันอย่างแน่นหนา การหลวมตัวและเคลื่อนที่ได้ของส่วนประกอบดังกล่าว จะก่อให้เกิดการกัดกร่อนบางประเภท เช่น การกัดกร่อนแบบเฟรตติ้งได้

       • ควรหลีกเลี่ยงการใช้อุปกรณ์ฝังในที่ผ่านการใช้งานมาแล้ว เนื่องจากอุปกรณ์ ดังกล่าวอาจอยู่ในสภาพที่เกิดความเสียหาย เช่น มีรอยขีดข่วน มีการเปลี่ยนแปลง รูปร่างจากความเค้น เป็นต้น ซึ่งความเสียหายดังกล่าวไม่อาจจะประเมินได้อย่างชัดเจน การนำมาใช้ใหม่ทำให้มีโอกาสเสี่ยงที่จะทำให้เกิดการเสียหายในการใช้งานได้

       • ควรเลือกใช้อุปกรณ์ที่ผลิตจากวัสดุ และกระบวนการผลิต ที่มีการควบคุมคุณภาพ อย่างเพียงพอ เนื่องจากการเสียหายของอุปกรณ์ ในหลายกรณีพบว่า เกิดจากการใช้ อุปกรณ์ ที่ผลิตจากวัสดุไม่ได้คุณภาพ
   
   
   
   
  เอกสารอ้างอิง
  1. Williams, D. F. & Williams, R. L. (1996). Degradative effects of the biological environment on metals and ceramics. In Ratner, B. D. (1996) (Eds), Biomaterials Science: An Introduction to Materials in Medicine, (pp. 260-266). San Diago: Academic Press.
2. Sharan, D. (1999), Orthopaedic Update (India), 9 (1),1-5.
3. Black, J. & Hastings, G. (1998), Handbook of Biomaterial Properties. London: Chapman & Hall.
4. Pearce, J. T. H. (2543) การกัดกร่อนของโลหะ, ศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ
5. http://www.uib.no/cris/dok1/
   
  การทำซ้ำ หรือเผยแพร่ส่วนหนึ่งหรือทั้งหมดของบทความ ต้องได้รับการอนุญาตจาก
ศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ (MTEC) เท่านั้น
โปรดติดต่อ งานประชาสัมพันธ์E-mail : mailto:ratchy@mtec.or.th
 

หน้าก่อน    หน้าถัดไป

สารบัญ

1. บทนำ

2. โลหะทางการแพทย์ กับการกัดกร่อนในร่างกาย

3. การกัดกร่อนทั่วผิวหน้า

4. การกัดกร่อนแบบกัลวานิ

5. การกัดกร่อนในที่อับ

6. การกัดกร่อนแบบรูเข็ม

7. การสูญเสียส่วนผสมบางตัว

8. การกัดกร่อนตามขอบเกรน

9. การกัดกร่อน-สึกกร่อน

10.การกัดกร่อน-ความล้า

11.การกัดกร่อนแบบถูครูด

12.การกัดกร่อนแบบรูพรุน

13.การกัดกร่อนร่วมกับความเค้น

14.การกัดกร่อนแบบใต้ชั้นเคลือบ

15.Graphitization

16.ตัวอย่างการกัดกร่อนแบบกัลวานิก

อ่านหนังสือ

กลับหน้าสารบัญ

กลับหน้าแรกโฮมเพจฟิสิกส์ราชมงคล

ครั้งที่

เซ็นสมุดเยี่ยม

โลหะวิทยา