เมื่อนักวิทยาศาสตร์ สังเคราะห์ส่วนที่แข็งที่สุด ในร่างกายมนุษย์!/ทะลุกรอบ ป๋วย อุ่นใจ

ทะลุกรอบ

ป๋วย อุ่นใจ

เมื่อนักวิทยาศาสตร์

สังเคราะห์ส่วนที่แข็งที่สุด

ในร่างกายมนุษย์!

ถึงคิวแล้วค่ะ… เสียงเรียกทำให้ผมสะดุ้งตื่นจากภวังค์ ผมเดินก้าวเข้าไปในห้องอย่างช้าๆ สายตาจับจ้องอยู่ที่หญิงสาวตรงหน้าที่กำลังยิ้มให้อย่างไม่ไว้วางใจ เธอบอกให้ผมค่อยๆ เอนกายลงบนโซฟากึ่งนั่งกึ่งนอน ก่อนจะเอาไฟฉายมาส่องหน้า

“อ้าปากกว้างๆ นะคะ” เสียงหวานๆ ผุดออกมาจากริมฝีปากคู่สวย แล้ว… เสียง “กร๋อออออววววววววว ตัว ว ยาวๆ ก็ดังขึ้น…”

หัวกรอที่คุณหมอค่อยๆ บรรจงจรดลงบนซี่ฟันกำลังกัดกินผิวฟันอย่างบ้าระห่ำ เป็นช่วงเวลาที่แสนทรมาน อุปมาราวกับว่ามีคนเอาสว่านเจาะถนนมาเจาะลงบนฟันจนปากสั่นไปหมดทั้งปาก

ใบหน้าสวยงามของคุณหมอช่างดูตั้งอกตั้งใจราวกับกำลังเสกสรรปั้นแต่งงานฝีมืองดงามชิ้นวิจิตร แต่แม้คุณหมอจะพยายามละเมียดเบามือสักเพียงไร ปากของผมก็ร้าวรานระบมไปหมดแล้ว ?

ผมเป็นหนึ่งในคนที่เกลียดการไปหาหมอฟันมาก แม้จะได้สอนและร่วมงานกับทันตแพทย์นักวิจัยอยู่บ้าง แต่ถ้าให้ไปหา แม้จะแค่ขูดหินปูน นี่คือต้องขอผลัดไปไว้โอกาสหน้าเสมอ…

เพราะแค่นึกถึงเสียงหัวกรอ…ก็เสียวสันหลังวาบแล้ว

ผมเคยตั้งคำถามตั้งแต่ตอนเป็นเด็ก ว่าเป็นไปได้ไหมที่เราจะสามารถฟื้นชีพเคลือบฟันขึ้นมาได้ ไม่ใช่แค่ขูดหินปูนแล้วเคลือบฟลูออไรด์ แต่แบบที่เจอฟันผุนิดหน่อย แล้วไม่ต้องอุด หาวัสดุเด็ดๆ ที่ทนทานไม่ต่างจากเคลือบฟันจริงๆ มาเคลือบเสริมความแข็งแกร่งแบบที่กินเท่าไรก็ไม่ผุได้เลย จะได้จัดเต็มของหวานได้แบบไม่ต้องบันยะบันยัง เพราะกังวลเรื่องฟันผุ… (แต่พอเริ่มมีอายุ ก็อาจจะจัดเต็มไม่ได้ตามที่หวัง เพราะยังต้องระวังคุณน้องเบาหวานจะมาถามหา)

พอลองค้นๆ ดูก็เลยพบว่าชั้นเคลือบฟัน หรืออีนาเมล (enamel) คือเนื้อเยื่อที่แข็งที่สุดในร่างกายมนุษย์ และมีความทนทานอย่างหาตัวจับยาก

อีนาเมลสามารถทนทานการกัดกร่อนของสภาวะกรดเบสที่เปลี่ยนแปลงไปของอาหาร การเติบโตของเชื้อจุลินทรีย์ในช่องปาก การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิแบบฉับพลัน หรือแม้แต่แรงกดบดกระแทกของการขบฟัน

ที่สำคัญ คนเรามีฟันแค่สองชุด และอีนาเมลของฟันแท้จะอยู่กับคุณไปตลอดชีวิต

ปัญหาก็คือ ในชั้นอีนาเมลนั้นไม่มีเซลล์หลงเหลืออยู่แล้ว ทันทีที่ฟันงอกทะลุเหงือกออกมา เซลล์ในร่างกายที่เรียกว่าอะมีโลบลาสตร์ (ameloblast) ที่มีหน้าที่ในการสร้างอีนาเมลนั้นก็จะตาย

นั่นหมายความว่าการสร้างอีนาเมลเคลือบฟันนั้น จะสร้างได้แค่ครั้งเดียว จบแล้วคือจบเลย ไม่มีการเพิ่มเติม เสริมแต่ง หรือซ่อมแซม

และเมื่อเวลาผ่านไป ผ่านการใช้งานอย่างทรหด ชั้นอีนาเมลก็จะค่อยๆ สึกหรอ ผุกร่อน และบางลงไปเรื่อยๆ ถ้าเสียหายมากก็อาจจะทำให้เกิดปัญหาในช่องปาก เกิดเป็นฟันผุได้

แม้ว่าความพยายามที่จะเสริมความแข็งเเกร่งของฟันจะมีมานานนับพันปี ก่อนที่ศาสตร์แห่งทันตกรรมจะเกิดเสียอีก

ปริศนาแห่งความทนทายาดของโครงสร้างอีนาเมลเพิ่งจะถูกเปิดเผยมาเมื่อไม่นานมานี้

อีนาเมลนั้นมีองค์ประกอบหลักเป็นแคลเซียมไฮดรอกซีอะพาไทต์ (calcium hydroxyapatite) ซึ่งเป็นผลึกของแคลเซียมฟอสเฟตแบบหนึ่ง

โครงสร้างของอะพาไทต์จะประกอบตัวกันเป็นแท่งผลึกหน้าตาละม้ายคล้ายหลอดขนาดจิ๋ว (บางคนเรียกหลอดนาโน หรือ nanorod) ที่เรียงกันเป็นฟ่อน อุปมาเหมือนเส้นสปาเกตตีแข็งๆ ในกล่อง

นักวิจัยสามารถตกผลึกอะพาไทต์ได้มาเนิ่นนานแล้ว แต่การจะเรียงผลึกหลอดนาโนฝีมือมนุษย์ให้ทนทานเหมือนกับชั้นอีนาเมลนั้นยังเป็นอะไรที่ทำได้ยาก

ผลึกที่สร้างขึ้นมาได้นั้นมักจะเปราะและกระเทาะได้ง่าย ถ้าเทียบความแข็งเเกร่งกันกับชั้นอีนาเมลนั้นเรียกว่ายังห่างไกลนัก

ในปี 2019 ปูปา กิลเบิร์ต (Pupa Gilbert) นักชีวฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยวิสคอนซิน แมดิสัน (University of Wisconsin-Madison) และทีมวิจัยของเขาได้ใช้รังสีเอ็กซ์เพื่อถ่ายภาพอีนาเมลด้วยเทคนิคพิเศษที่เรียกว่า polarization-dependent imaging contrast mapping หรือที่เรียกสั้นๆ ว่า PIC mapping

เทคนิคนี้จะช่วยให้เขาสามารถเห็นการเรียงตัวของผลึกอะพาไทต์แต่ละเเท่งในชั้นเคลือบฟันจริงๆ ของมนุษย์ได้อย่างชัดเจน

และสิ่งที่เขาค้นพบทำให้ทุกคนแปลกใจ

เพราะผลึกอะพาไทต์ไม่ได้เรียงกันอย่างเป็นระเบียบแนบชิดสนิทแนบอย่างที่คิด

แต่มีการบิดมุมเบี้ยวไปเล็กน้อย ที่ทางทีมเรียกว่า misorientation ซึ่งจะทำให้เกิดรอยต่อที่เป็นตัวกำหนดขอบเขตของแต่ละผลึกแยกออกจากกัน รอยต่อพวกนี้ เรียกว่า grain boundaries

การพบรอยต่อ หรือ grain boundaries นี้ทำให้มาร์คัส บิวห์เลอร์ (Markus Buehler) วิศวกรจากสถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ (Massachusetts Institute of Technology) แปลกใจเป็นอย่างมาก

เพราะปกติแล้วโลหะที่มีรอยต่อ จะทนทานน้อยกว่าโลหะที่ไม่มี การเห็นการบิดมุมที่พบในระบบทางชีวภาพนั้นจึงเป็นเรื่องเหนือความคาดหมาย

เพื่อให้เข้าใจว่าการเรียงตัวแบบบิดมุมเบี้ยวไปของผลึกอะพาไทต์นี้ส่งผลอย่างไรบ้างกับคุณสมบัติของอีนาเมล มาร์คัสสร้างแบบจำลองพลวัตเชิงโมเลกุล (Molecular Dynamics Simulation) ขึ้นมาในคอมพิวเตอร์ เขาพบว่ารอยต่อที่เกิดจากการเรียงตัวของผลึกที่บิดเบี้ยวไปนี้ช่วยแยกแท่งอะพาไทต์แต่ละผลึกออกจากกันอย่างเป็นเอกเทศ

และเมื่อเกิดรอยร้าวขึ้นมาในแท่งผลึกแท่งใดแท่งหนึ่ง รอยร้าวนั้นจะไม่ลาม ซึ่งจะต่างจากกรณีของผลึกสมบูรณ์แบบ ที่แค่รอยแยกเพียงนิดก็อาจจะทำให้เกิดการร้าวลุกลามไปทั่วจึงทำให้เปราะแตกหักง่ายกว่าอีนาเมลในเคลือบฟันจริงๆ

“ผลึกพวกนี้แหละที่ทำให้เคลือบฟันนั้นมีคุณสมบัติที่โดดเด่น” แจเน็ต โมราเดียน-โอลดัค (Janet Moradian-Oldak) นักชีวเคมีจากคณะทันตแพทยศาสตร์ มหาวิทยาลัยเซาเทิร์นแคลิฟอร์เนีย (University of Southern California) กล่าว

แจเน็ตเพียรพยายามมานานแล้วที่จะกระตุ้นการสร้างอีนาเมลขึ้นมาใหม่ โดยการใช้ไฮโดรเจลไคโตซาน (chitosan) ผสมกับส่วนของเปปไทด์อะมิโลเจนิน (amelogenin peptide) ที่เป็นส่วนหนึ่งของโปรตีนอะมีโลเจนิน (amelogenin) ซึ่งทำหน้าที่ช่วยในการสร้างชั้นอีนาเมล

และเพื่อทดสอบคุณสมบัติของไฮโดรเจลและเปปไทด์ของเธอ แจเน็ตใช้มีดเพชรผ่าฟันกราม (ที่ได้มาจากการถอนฟันคุด) ออกเป็นชิ้นๆ เคลือบด้วยน้ำยาทาเล็บจนทั่วเหลือเพียงช่องเล็กๆ ที่ต้องการทำให้ผุเท่านั้นที่ไม่ได้ถูกเคลือบ แล้วนำไปแช่ในกรดละลายแร่ธาตุออกจนเสื่อมสลายกลายเป็นรูฟันผุ

หลังจากนั้น ก็จะอุดหรือปะช่องฟันผุด้วยไฮโดรเจลผสมเปปไทด์สูตรของเธอ ก่อนที่จะนำไปแช่ไว้ในน้ำลายเทียมที่มีองค์ประกอบของแคลเซียมฟอสเฟตอยู่

ในเบื้องต้น แจเน็ตเผยว่าเธอได้เห็นโครงสร้างคล้ายชั้นเคลือบฟันถูกสร้างขึ้นมาแล้ว เพียงแต่ยังต้องมีการทดสอบต่อไปว่าเคลือบฟันไฮโดรเจลของเธอนั้น จะแข็งแกร่งได้เท่ากับเคลือบฟันจริงๆ หรือเปล่า

“ในที่สุดแล้ว ไอเดียของเราก็คือจะใช้เปปไทด์พวกนี้มาพัฒนาต่อไปเพื่อเป็นวัสดุอุดฟันแบบใหม่” แจเน็ตกล่าว

“เราไม่ได้เจตนาจะทำให้ทันตแพทย์ตกงาน คุณก็ยังต้องไปเจอทันตแพทย์อยู่ดี แต่ที่สำคัญคือการป้องกันการเสื่อมสลายของฟันด้วยการจัดการกับรอยโรคตั้งแต่เนิ่นๆ โดยการสร้างอีนาเมลที่สึกหรอไปขึ้นมาใหม่”

แม้จะฟังดูเหมือนว่าความฝันที่จะอยู่ให้ไกลหมอฟันของผมจะเข้ามาใกล้ แต่ในความเป็นจริง นอกจากฟ่อนผลึกอะพาไทต์แล้ว อีนาเมลยังประกอบไปด้วยสารเสริมโครงสร้างที่ไร้รูปทรง (amorphus) แทรกซึมและเคลือบผิวผลึกอยู่ภายนอก

พวกวัสดุไร้รูปพวกนี้คือส่วนสำคัญที่ช่วยเพิ่มความยืดหยุ่นและช่วยเสริมความแข็งแกร่งให้ผิวฟันอย่างมหาศาล

นิโคลัส โคทอฟ (Nicholas Kotov) วิศวกรเคมีจากมหาวิทยาลัยมิชิแกน (University of Michigan Ann Arbor) คืออีกหนึ่งหัวหอกสำคัญที่ผลักดันการพัฒนาวัสดุคล้ายอีนาเมล ผลงานวิจัยล่าสุดของเขาที่ทำร่วมกับมหาวิทยาลัยเบ่ยฮาง (Beihang University) ประเทศจีนที่เพิ่งตีพิมพ์เผยแพร่ในวารสาร Science กลายเป็นทอล์กออฟเดอะทาวน์ในวงการวัสดุศาสตร์

“ในอดีต นักวิจัยสามารถที่จะสร้างอีนาเมลขึ้นมาได้แล้วอย่างสมบูรณ์จากผลึกหลอดนาโน ซึ่งถือว่าใช้ได้ดีทีเดียว แต่ก็ยังเทียบไม่ได้กับแบบที่มีการเติมส่วนที่ไร้รูปเสริมลงไป” นิโคลัสกล่าว

เหอเว่ย โจว (Hewei Zhao) วิศวกรจากมหาวิทยาลัยเบ่ยฮางเสริมว่า “เพื่อสร้างอีนาเมลเคลือบฟันฝีมือมนุษย์ วิศวกรได้สร้างลวดนาโน (nanowire) ที่อัดตัวกันแน่นจากผลึกไฮดรอกซีอะพาไทต์แล้วเคลือบผิวด้วยเซอร์โคเนียมไดออกไซด์ (Zirconium dioxide) ซึ่งแข็งกว่าวัสดุไร้รูปแมกนีเซียม (ที่มักพบในฟัน) เสียอีก การปรับส่วนเติมเต็ม (หรือเคลือบ) นั้นจะทำให้อีนาเมลสังเคราะห์มีคุณสมบัติดีกว่าหรืออย่างน้อยก็ทัดเทียมกับอีนาเมลของคนได้”

อีนาเมลสังเคราะห์ของทีมเบ่ยฮางประสบผลสำเร็จอย่างน่าอลังการ

การทดสอบบ่งชี้ชัดว่าอีนาเมลสังเคราะห์ทนทานทัดเทียมหรืออาจจะดีกว่าอีนาเมลในเคลือบฟันของคนจริงๆ เสียด้วยซ้ำ

จนทำให้หลายคนเริ่มตื่นเต้นว่าอีนาเมลสังเคราะห์ made in China นี้อาจจะนำมาประยุกต์ใช้เป็นวัสดุฉลาดตัวต่อไปได้

นอกจากจะเอามาใช้เสริมเคลือบฟันแล้ว ยังอาจจะเอามาใช้เป็นกระดูกเทียม หรือแม้แต่จะเอามาฝังเซนเซอร์เพื่อตรวจสุขภาพ (ตรวจมะเร็ง เช็กเบาหวาน) ได้อีกด้วย

ติดอยู่นิดเดียวก็คือ ในกระบวนการสร้างอีนาเมล ทีมจีนจำเป็นต้องให้ความร้อนถึง 300 องศาเซลเซียส ก่อนจะนำไปแช่แข็งอย่างรวดเร็ว แล้วตกผลึกด้วยไวนิลแอลกอฮอล์

กระบวนการสังเคราะห์แบบ extreme ที่ไม่พบในธรรมชาติแบบที่ทีมจีนใช้เช่นนี้ อาจจะเป็นปัญหาในการนำมาประยุกต์ใช้จริงในงานทันตกรรม

แต่ถ้ามองดูอีกที เพียงแค่สองปี จากการไขปริศนาโครงสร้างของอีนาเมลในปลายปี 2019 ของปูปาและมาร์คัส มาสู่การสร้างอีนาเมลสังเคราะห์ที่แข็งแกร่งกว่าเคลือบฟันจริงๆ ได้ในหลอดทดลองของนิโคลัสและทีมเบ่ยฮาง ต้องยอมรับว่าเทคโนโลยีปัจจุบันนั้นก้าวไปไวจนน่ากังวล ยิ่งถ้ามองว่างานนี้ส่วนใหญ่เกิดขึ้นในช่วงวิกฤตโควิดที่ห้องแลบปิดๆ เปิดๆ ด้วยแล้ว ยิ่งน่าหวาดหวั่น

เพราะในเวลานี้ ใคร (หรือประเทศใด) คือคนแรกมีเทคโนโลยีอยู่ในมือ คนนั้นคือผู้ได้เปรียบ…(และส่วนใหญ่จะกินรวบทั้งวงการ)…

สำหรับยุคแห่งดิสรัปชั่น ที่ทุกคนวิ่งราวแข่งสี่คูณร้อย บางทีแค่การเดินก้าวไปข้างหน้า อาจจะไม่เพียงพออีกต่อไป…

ใต้ภาพ

1-การเรียงตัวของผลึกอะพาไทต์ในชั้นอีนาเมล (ซ้าย) ผลึกแบบสมบูรณ์ เมื่อร้าวจะร้าวลาม (ขวา) ผลึกแบบบิดมุมเบี้ยวเล็กน้อยทำให้รอยร้าวไม่ลาม (ภาพจาก Beniash et al. 2019 Nature Communications)

2-ภาพถ่ายผลึกอะพาไทต์ในชั้นอีนาเมลของมนุษย์จากเทคนิค PIC mapping (ภาพจาก Beniash et al. 2019 Nature Communications)