เมื่อวัสดุฉลาด (SMA; nitinol) ที่ฝังอยู่ในร่างกายถูกโจมตีจากการกัดกร่อน

จากที่กล่าวในบทความก่อนที่ว่า shape memory alloys - SMA ซึ่งจัดเป็นหนึ่งในวัสดุฉลาด ด้วยเหตุที่วัสดุสามารถเปลี่ยนแปลงรูปร่างได้เมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลงถึงระดับหนึ่ง และที่นิยมใช้กันอย่างมากในทางการแพทย์ คือ โลหะจำรูปผสมระหว่างไทเทเนียมและนิกเกิล (Nitinol) นั้น แม้จะมีสมบัติที่ดี แต่ก็ด้วยกฏไตรลักษณ์ มันก็เสื่อมสลายไปตามกาลเวลา ซึ่งปัจจัยเร่งก็มีมากมาย ดังที่จะกล่าวต่อไปนี้


ความไม่เป็นพิษต่อร่างกายและการพิจารณาว่าวัสดุฝังใน TiNi ในร่างกายมนุษย์จะทำปฏิกิริยากับสิ่งแวดล้อมที่อยู่รอบข้างอย่างไร ร่างกายมนุษย์สามารถต่อต้านวัสดุที่ฝังในร่างกายและ TiNi ก็มีสมบัติทางกลและทางเคมีที่ดี และค่อนข้างจะมีความต้านทานการกัดกร่อนที่สูง ปฏิกิริยาและผลข้างเคียงของผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากการกัดกร่อนของวัสดุต่อร่างกายมนุษย์ เป็นรายการที่นำมาพิจารณาเป็นอันดับแรกในระหว่างขั้นตอนการเลือกใช้วัสดุ (material selection)

Ni ไอออนที่อยู่ในโลหะผสม TiNi สามารถทำความเสียหายต่อร่างกายได้อย่างรุนแรง อย่างไรก็ตาม คุณลักษณะของโลหะผสม TiNi ที่จะใช้เป็นวัสดุทางการแพทย์ในร่างกายนั้นมีความเชื่อว่าสามารถควบคุมได้ คุณสมบัติทางกลที่ไม่ปกติของ TiNi สามารถที่จะปรับปรุงส่วนผสมทางเคมี เพื่อให้ใช้ประโยชน์ได้มากที่สุด ด้วยการให้ความร้อนและกระบวนการทางกลที่แตกต่างกัน

การกัดกร่อนของวัสดุฝังในร่างกาย

โดยทั่วไป การเสียดสี การสึกหรอ และการฉีกขาด ทำให้วัสดุฝังในทางการแพทย์เกิดการแตกหักได้ กลไกอื่นๆ ที่สามารถทำให้วัสดุฝังในร่างกายเกิดการเสียหายจากการกัดกร่อนจากของเหลว การกัดกร่อนเป็นสิ่งที่ไม่สามารถหลีกเลี่ยงได้ เนื่องจากในร่างกายมีสารละลายที่เป็นของเหลวที่มีไอออนต่างๆ มากมาย และสารอินทรีย์ ทำให้เกิดเป็นสารละลายอิเล็กโตรไลต์ การเปลี่ยนแปลงความเป็นกรด-ด่าง ของสารละลายภายในร่างกาย จะขึ้นอยู่กับปริมาณและชนิดของไอออน และอุณหภูมิของร่างกาย โดยค่าความเป็นกรด-ด่างภายในร่างกายจะอยู่ในช่วงประมาณ 7.4 ที่อุณหภูมิร่างกายประมาณ 38 C ไอออนที่ปรากฏสามารถรวมอยู่ในรูปของไอออนลบ และไอออนบวก ไอออนลบหลักๆ จะอยู่ในรูปของคลอไรด์ ฟอสเฟต ไบคาร์บอเนต และออกซิเจนที่ละลาย ส่วนไอออนบวกจะมีองค์ประกอบหลัก Na+, K+, Ca2+ และ Mg2+, และไอออนบวกอื่นๆ ที่มีปริมาณเล็กน้อย ไอออนเหล่านี้จะทำปฏิกิริยาทางเคมีไฟฟ้าที่ผิวหน้าของวัสดุโลหะทางการแพทย์ นำไปสู่ปัญหาการกัดกร่อน

มี 2 ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นจากกระบวนการกัดกร่อน คือ ปฏิกิริยาอะโนดิกและแคโธดิก โดยปฏิกิริยาแคโธดิกจะเกี่ยวกับการเกิดออกซิเดชันของวัสดุทางการแพทย์และให้ไอออนของโลหะ ส่วนปฏิกิริยาแคโธดิกจะขึ้นอยู่กับธรรมชาติของสารอิเล็กโตรไลต์ (สารละลายในร่างกาย) เกี่ยวข้องกับกระบวนการรีดัคชันและทำปฏิกิริยากับอิเล็กตรอนที่ได้จากปฏิกิริยาอะโนดิก อัตราการเกิดปฏิกิริยาอะโนดิก จะต้องเท่ากับอัตราการเกิดปฏิกิริยาแคโธดิกสำหรับการกัดกร่อนที่เกิดขึ้นกับโลหะ จากหลักการเบื้องต้นที่กล่าวมา เราสามารถป้องกันการกัดกร่อนไม่ให้เกิดขึ้น โดยการควบคุมปฏิกิริยาออกซิเดชันและรีดักชัน

การกัดกร่อนสามารถสังเกตได้จากฟิล์มที่ได้จากการถ่ายภาพด้วยรังสี ไม่ว่าจะเป็นการแตกร้าวหรือลอกเป็นแผ่น ผลิตภัณฑ์ที่ได้จะทำให้มีผลกระทบต่อร่างกายรอบๆ วัสดุฝังใน ในบางกรณีอาจทำให้เกิดการเจ็บปวด ส่วนชิ้นส่วนที่เกิดการหลุดลอกออกมาจากผิวหน้าวัสดุ สามารถที่จะฝังในเนื้อเยื่อ และทำให้เกิดการเจ็บปวดและบวม โลหะที่เลือกใช้สำหรับเป็นวัสดุฝังในร่างกายจะต้องไม่เป็นอันตรายต่อร่างกาย

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

การประยุกต์ใช้งานของ TiNi ในการปลูกฝังในร่างกายคือ endovascular stents ซึ่งใช้ในการหดรัดของเส้นเลือดแดงและเส้นหลอดเลือดแดงใหญ่ แต่ก่อน stent ผลิตจากเหล็กกล้าไร้สนิม แต่ TiNi ได้ถูกพัฒนาขึ้นมาแทนที่เหล็กกล้าไร้สนิม ในรูปของ วัสดุทางการแพทย์ที่เป็น stentor และอุปกรณ์ทางการแพทย์อื่นๆ สมบัติ superelastic ของ TiNi ค่อนข้างจะมีข้อดีมากกว่าวัสดุที่ใช้อยู่ในปัจจุบัน TiNi (atomic% –50Ti–50Ni) มีค่า elastic strain ประมาณ 8% ซึ่งมากกว่าเหล็กกล้าไร้สนิมที่มีแค่ 0.5% เท่านั้น TiNi ทำหน้าที่คล้ายกับเหล็กกล้าไร้สนิม ความสามารถที่ยืดหยุ่นได้สูงของ TiNi ทำให้สามารถขยายตัวได้ดี จึงเข้าไปในผนังหลอดเลือดโดยปราศจากการเปลี่ยนแปลงรูปร่างอย่างถาวรและรอยร้าวบนเนื้อวัสดุ จึงทำให้คาดหวังได้ว่าจะมีอายุการใช้งานต่อการล้าที่สูง และลดความเสี่ยงต่อการเสียหาย นอกจากนั้นยังมีข้อดีความแกร่ง

การกลึงด้วยเลเซอร์เป็นวิธีที่นิยมใช้กันในการเจียรนัยตกแต่ง stent ซึ่งกระบวนการนี้ทำให้เกิดรอยร้าวขนาดเล็กบนผิวหน้าชิ้นงาน ซึ่งมีขนาดอยู่ในช่วงระหว่าง 5-20 ไมครอน รอยร้าวที่เกิดขึ้นนี้สามารถนำไปสู่การเกิดการแตกร้าวเนื่องจากความเค้นร่วมกับการกัดกร่อน เนื่องจากแรงกระทำที่มีลักษณะเป็นคาบที่เกิดขึ้นจากความดันเลือดที่เป็นแบบ systolic/diastolic และการหดตัวของกล้ามเนื้อหัวใจจะทำให้เกิดความเค้นกระทำต่อ TiNi stents เนื่องจาก stent มีขนาดเล็ก อายุการใช้งานของ slent จะถูกกำหนดโดยค่า fatigue threshold แทนที่จะเป็นเวลาที่ใช้ในการเกิดรอยร้าวที่เกิดการกัดกร่อนจนเสียหาย ดังนั้นการทำนายอายุการใช้งานของอุปกรณ์ดังกล่าว การออกแบบ TiNi slent จำเป็นต้องนำมาพิจารณาค่า fatigue threshold และอัตราการกัดกร่อน

ล่าสุด อุปกรณ์ TiNi stentor และ aortic endografts ที่ฝังในร่างกายของมนุษย์ ถูกตรวจสอบว่าเกิดการเสียหายหรือไม่สามารถใช้งานต่อไปได้ในช่วงระยะเวลา 5-46 เดือนหลังจากปลูกฝังในร่างกาย ทางเลือกใหม่ของการประกอบติดตั้งอุปกรณ์ TiNi กำลังศึกษาและทดสอบ เพื่อปรับปรุงความเสถียรภาพที่ผิวหน้าของอุปกรณ์ที่อยู่ในร่างกาย

การแตกร้าวเนื่องจากความเค้นร่วมกับการกัดกร่อน ในวัสดุทางการแพทย์ที่ฝังในร่างกายสามารถทำให้เกิดการสูญเสียความสมบูรณ์ของโครงสร้างและความสามารถในการใช้งาน ผลที่เกิดจากการกัดกร่อนของวัสดุทำให้เป็นพิษต่อเนื้อเยื่อในร่างกาย การวิจารณ์ผลได้สรุปว่าการกัดกร่อนเป็นปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นที่ผิวหน้าชิ้นงาน ซึ่งอายุการใช้งานของชิ้นส่วนสามารถปรับปรุงหรือเพิ่มได้โดย การปรับปรุงที่ผิวหน้าด้วยกระบวนการทางความร้อนของวัสดุระหว่างกระบวนการผลิต