ไฮโดรเจล (Hydrogels) เจลมหัศจรรย์


ไฮโดรเจล (Hydrogels) เจลมหัศจรรย์

ที่ร้านขายอุปกรณ์เกี่ยวกับต้นไม้จะมีสารชนิดหนึ่งบรรจุอยู่ในถุงพลาสติก มีลักษณะคล้ายเยลลี่สีสันสดใสซึ่งสามารถนำมาใส่ในแก้วหรือภาชนะแล้วปลูกต้นไม้ได้ เจลเหล่านั้นจัดเป็น ไฮโดรเจลประเภทหนึ่ง

ไฮโดรเจล (Hydrogels) มีชื่อเรียกอื่น ๆ อีกหลายชื่อ เช่น Water gel, Water crystal, Gel crystal มีคุณสมบัติหรือความสามารถพิเศษในการดูดซับน้ำ โดยสามารถดูดซับน้ำไว้ได้ถึงประมาณ 600 เท่าของน้ำหนักตัวเอง ซึ่งลักษณะของ ไฮโดรเจล ก่อนจะดูดซับน้ำจะคล้ายผลึกควอร์ซ ชิ้นเล็ก ๆ แต่เมื่อดูดซับน้ำแล้ว จะพองตัวและอ่อนนุ่มคล้ายกับเยลลี่

ไฮโดรเจล เป็นสารประเภทพอลิเมอร์ละลายน้ำได้ บางครั้งพบเป็นลักษณะ เจลคอลลอยด์ (colloidal) ในน้ำ ตัวอย่างของสารองค์ประกอบใน ไฮโดรเจล เช่น polyvinyl alcohol, sodium polyacrylate, acrylate polymer หรือ copolymer ซึ่งมีหมู่ที่รักน้ำ (hydrophilic) เช่น ไฮดรอกซิล (hydroxyl, OH) หรือ คาร์บอกซิล (carboxy, COOH) เป็นโครงสร้างอยู่เป็นจำนวนมาก โดยการสังเคราะห์ ไฮโดรเจล มีดังนี้
นำ Polyvinyl alcohol ซึ่งเป็นสารชนิดเดียวกันกับที่ใช้ในการสังเคราะห์ Vinylon fiber มาละลายในน้ำให้มีความเข้มข้น และความหนืดสูงมาก จนกระทั่งไม่สามารถไหลไปมาได้ จากนั้นนำสารละลายที่ได้มาส่องด้วยลำแสงอิเล็คตรอน เพื่อกระตุ้นให้โมเลกุลของ polyvinyl alcohol เกิดการเชื่อมกัน (Cross linkge) ซึ่งเมื่อเกิดการเชื่อมกันของโมเลกุลจะทำให้ polyvinyl alcohol มีโครงสร้างเป็นช่องว่างที่สามารถดูดซับน้ำได้จำนวนมากได้กลายเป็น ไฮโดรเจล

ด้วยความสามารถในการดูดซับน้ำ จึงถูกนำมาใช้ในหลาย ๆ ด้าน เช่น ด้านเกษตรกรรม โดยเติมลงในดินทำให้ดินมีคุณสมบัติที่เอื้ออำนวยต่อการเจริญเติบโตของพืช ช่วยอุ้มน้ำในดิน ทำให้ดินมีความชุ่มชื้นสูง เมื่อพืชใช้น้ำในดินหมด ไฮโดรเจลจะค่อย ๆ ปล่อยน้ำที่ดูดไว้ออกมา นอกจากนี้ยังช่วยดูดซับแร่ธาตุต่างๆ ในดินไม่ใช้ถูกชะลงไปที่ดินชั้นล่างทำให้พืชสามารถได้รับประโยชน์จากแร่ธาตุหรือปุ๋ยในดินได้ดีขึ้น ทั้งยังสามารถนำมาใช้แทนดินในการเลี้ยงต้นไม้ประเภทไม้กระถาง และพลูด่าง

ไฮโดรเจลช่วยยืดอายุของไม้ดอกที่ตัดมา ให้คงความสดได้นานด้วยการแช่ส่วนปลายของดอกไม้ลงใน ไฮโดรเจลซึ่งจะช่วยให้การขนส่งดอกไม้มีความสะดวกขึ้น

ไฮโดรเจล ถูกนำมาไปประยุกต์ใช้ในด้านการแพทย์ เนื่องจาก สามารถเข้ากันได้กับร่างกายมนุษย์ เช่น การใช้เป็นแผ่นปิดแผลไฟไหม้ น้ำร้อนลวก เนื่องจากมีความชุ่มชื้นสูง ช่วยดูดซับน้ำเหลือง และของเหลวที่ไหลออกมาจากแผลได้ดี ในขณะเดียวกันออกซิเจนสามารถผ่านรูพรุนของเจลได้ ทำให้ร่างกายสามารถสร้างเนื้อเยื่อได้ดีกว่าปกติ และด้วยความใสทำให้สังเกตความเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นกับแผลได้เป็นอย่างดี
ใช้ทำคอนเทคเลนส์ ที่ให้ความสบายต่อดวงตา ลดการระคายเคือง บางยี่ห้อสามารถสวมใส่ได้ตลอด 30 วัน โดยไม่ต้องถอดเลย หรือใช้แทนซิลิโคนในการศัลยกรรมตกแต่งได้อีกด้วย
ปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์มีความสนใจ ไฮโดรเจลในแง่ของการเป็นสารนำส่งยา หรือ Drug delivery system ด้วยคุณสมบัติในการดูดซับของเหลวได้ดีจึงน่าจะดูดซับยาเก็บไว้แล้วปลดปล่อยยาออกมาในปริมาณที่ต้องการได้
ศาสตราจารย์ ดร. Zhibing Hu ผู้เชี่ยวชาญสาขาฟิสิกส์แห่งมหาวิทยาลัย North Texas ซึ่งเป็นหนึ่งในนักวิทยาศาสตร์ 100 คนของโลกที่ทำการศึกษา และพัฒนาไฮโดรเจลมาตั้งแต่ปี 1990 ได้ทำการสังเคราะห์ นาโนไฮโดรเจล (Nanohydrogel) ขึ้น เพื่อใช้ นาโนไฮโดรเจล เป็นสารนำส่งยาที่สามารถตอบสนองสภาวะต่าง ๆ ที่เปลี่ยนไปได้ เนื่องจากนาโนไฮโดรเจล สามารถดูดซับยาได้ในปริมาณมากและมีความเข้ากันได้ทางชีวภาพกับร่างกาย (Biocompatibility) และร่างกายสามารถย่อยสลายหรือกำจัดออกไปได้เอง
นาโนไฮโดรเจล (Nanohydrogel) คือ ไฮโดรเจลที่มีโครงสร้างขนาดรูพรุนขนาดน้อยกว่า 200 นาโนเมตร โดย ดร. Hu สังเคราะห์ ไฮโดรเจล อนุภาคนาโนs โดยการผสมสารเคมี และน้ำกับไนโตรเจนได้ ไฮโดรเจลอนุภาคนาโนที่มีลักษณะเป็นทรงกลม จากนั้นก็แยก ไฮโดรเจลอนุภาคนาโน ที่ได้ออกมาโดยการปั่นแยกทิ้งไว้ ไฮโดรเจลอนุภาคนาโน จะจับตัวกันเป็นผลึกด้วยพันธะเคมี ซึ่งขั้นตอนในการจับตัวกันเป็นผลึกนั้นสามารถควบคุมขนาดช่องว่างภายใน นาโนไฮโดรเจล ได้ ขึ้นอยู่กับการควบคุมสภาวะแวดล้อมของ ไฮโดรเจลอนุภาคนาโน ที่กำลังจับตัวกัน จากขั้นตอนนี้จะส่งผลให้ได้ผลึก นาโนไฮโดรเจล ที่มีรูพรุนระดับนาโนเมตรที่แตกต่างกัน และขนาดรูพรุนเหล่านี้เองที่มีผลต่อการปลดปล่อยยา และทำให้ นาโนไฮโดรเจล มีความไวต่อสภาวะแวดล้อมต่าง ๆ เช่น ค่าความเป็นกรดด่าง เช่น นาโนไฮโดรเจล บางชนิดมีความฉลาดเพียงพอที่จะรอจนกระทั่งผ่านกระเพาะอาหารซึ่งมีความเป็นกรดสูงเมื่อไปยังลำไส้เล็กซึ่งค่าความเป็นด่างเพิ่มขึ้นแล้วจึงจะทำการปลดปล่อยยาออกมา เพื่อป้องกันผลข้างเคียงไม่พึงประสงค์จากการใช้ยาเช่น ทำให้เกิดการปวดท้อง หรือ บางชนิดไวต่ออุณหภูมิ เช่น เมื่อฉีดนาโนไฮโดรเจล ที่มียาอยู่เข้าสู่กระแสเลือด เมื่อร่างกายมีอุณหภูมิสูงขึ้น ในกรณีที่เป็นไข้ นาโนไฮโดรเจล ก็จะปลดปล่อยยาออกมา แต่เมื่อไข้ลดอุณหภูมิร่างกายต่ำลง นาโนไฮโดรเจล ก็จะกักเก็บยาไว้ภายใน การทดลองเหล่านี้เป็นก้าวแรกในการตั้งโปรแกรม นาโนไฮโดรเจล ให้มีความฉลาดเพื่อใช้ในการนำส่งยาในบริเวณที่เฉพาะเจาะจงตามส่วนต่าง ๆ ของร่างกาย ดร. Hu เชื่อว่าจะสามารถพัฒนา นาโนไฮโดรเจล ที่สามารถฉีดเข้าสู่ร่างกายมนุษย์ได้อย่างปลอดภัย และถูกร่างกายกำจัดออกได้ เมื่อสิ้นสุดระยะเวลาที่ใช้งาน เช่นภายใน 1 เดือน หรือแม้กระทั่ง 1วัน

ภาพ ดร. Hu และไฮโดรเจลที่สามารถตอบสนองต่ออุณหภูมิได้
นอกจากนี้งานวิจัยของ ดร. Hu ยังได้รับการสนับสนุน จากบริษัท Kimberly Clark อีกด้วย เนื่องจากบริษัทต้องการจะใช้คุณสมบัติพิเศษของ นาโนไฮโดรเจล เป็นองค์ประกอบของผ้าอ้อมสำเร็จรูป โดยผ้าอ้อมในอนาคตจะสามารถตอบสนองต่ออุณหภูมิและความชื้นได้ เช่นเมื่อเด็กปัสสาวะออกมาจะมีความร้อนและชื้น นาโนไฮโดรเจล ภายในผ้าอ้อมก็จะดูดซับของเหลวไว้ภายใน และเมื่อดูดซับของเหลวจนหมดแล้ว อุณหภูมิก็จะลดลงส่งผลให้เกิดการกักเก็บของเหลวไว้ภายใน นอกจากนี้ยังพบว่า นาโนไฮโดรเจล มีความสามารถในการขยายตัว และหดตัวได้ จึงสามารถนำมาสร้างกล้ามเนื้อเทียม โดย นาโนไฮโดรเจล จะถูกโปรแกรมให้เกิดการตอบสนองต่อกระแสประสาทเหมือนกับกล้ามเนื้อปกติ โดยการยืด และหดตัวของ นาโนไฮโดรเจล จะสามารถทำให้แขนงอเข้าและยืดออกได้ ซึ่งในอนาคตคาดว่าจะพัฒนา นาโนไฮโดรเจล ให้ทำงานทดแทนกล้ามเนื้อร่างกายที่สูญเสียไปได้ และตอบสนองต่อสภาวะความเป็นกรดด่าง อุณหภูมิ เพื่อใช้ควบคุมการปลดปล่อยแร่ธาตุ หรือสารที่จำเป็นต่อพืชทำให้พืชเจริญเติบโตได้ดีแม้สภาพดินจะเปลี่ยนแปลงไป
จากคุณสมบัติอันน่ามหัศจรรย์นี้ในอนาคต ไฮโดรเจล น่าจะได้รับการพัฒนาและผลักดันให้เข้ามามีส่วนเกี่ยวข้องกับวิถีการใช้ชีวิตของคนเรามากยิ่งขึ้นอย่างแน่นอน

แหล่งข้อมูล และภาพประกอบ
– www.jaeri.go.jp
– www.allaboutvision.com
– www.tre.umm.edu
– www.unt.edu

Update : 20-12-2007


Add a Comment

Your email address will not be published. Required fields are marked *