อังคาร, กันยายน 26, 2017
   
Text Size

ความเป็นมา

 

ความเป็นมา, ความเป็นมาขององค์ความรู้

          ภารกิจหลักของหน่วยวิจัยชีวเทคโนโลยีของกลศาสตร์ไฟฟ้าคือประยุกต์องค์ความรู้กลศาสตร์ไฟฟ้า(electromechanics) เพื่อชีวเทคโนโลยี ทั้งนี้เพื่ออธิบายพฤติกรรมการเคลื่อนที่ของเซลล์ชีวภาพ วัสดุชีวภาพ และอนุภาคไดอิเล็กทริกขนาดไมครอนที่แขวนลอยอยู่ภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้าแบบไม่เอกรูป (non-uniform electric field) ตามปรากฏการณ์สายโซ่ (pearl chain) ไดอิเล็กโทรฟอเรซิส(dielectrophoresis) หมุนตัว (electrorotation) ยืดตัว (electroelongation) จัดเรียงตัวเองตามทิศทางของสนามไฟฟ้า(electroorientation) และเพื่อนำไปสู่การประมาณสมบัติไฟฟ้าของเซลล์ชีวภาพเพื่อประโยชน์ด้านการรวมเซลล์ด้วยสนามไฟฟ้า(cell electro-fusion)(Zimmermann, 1982; Sowers, 1987) ปรับปรุงเซลล์สายพันธ์ใหม่ (Zimmermann, 1982; Sowers, 1987) คัดแยกเซลล์แขวนลอยที่ปนเปื้อน (contaminated cell separation) เซลล์เป็นเซลล์ตาย (dead and living cells) (Lapizco-Encinas et al., 2004a and 2004b; Kang and Park, 2005; Doh and Cho, 2005; Zhou et al., 2005and Lungu, 2006) เพื่อประโยชน์ด้านวิทยาศาสตร์การแพทย์ และใช้เพื่อวินิจฉัยความผิดปกติเมื่อเซลล์ปนเปื้อนโลหะหนัก (Zhou et al., 1996; Raicu et al., 1998 and Wanichapichart et al., 2007) ซึ่งหมายรวมถึงการนำไปประยุกต์ใช้กับงานวิจัยด้านการจัดการคุณภาพสิ่งแวดล้อม เพื่อบ่งชี้คุณภาพแหล่งน้ำจากสมบัติไฟฟ้าของเซลล์แขวนลอยที่อาศัยปะปนอยู่ในแหล่งน้ำตามธรรมชาติ เพื่อการอนุบาลเซลล์สัตว์ ไข่ปลา ไข่กุ้ง โรติเฟอร์ ฯลฯ ให้ปราศจากเซลล์ปนเปื้อนและปลอดเชื้อในขณะเพาะเลี้ยงด้วยเทคนิกไดอิเล็กทรอฟอเรซิสและไดอิเล็กทรอฟอเรซิสแบบคลื่นเดินทาง (travelling wave dielectrophoresis) อย่างไรก็ดี ภายใต้กรอบแนวคิดดังกล่าวจำเป็นต้องดำเนินการวิจัยทั้งภาคทฤษฎีและปฏิบัติควบคู่กันอันได้แก่ (1) งานพัฒนาแบบจำลองแรงทางไฟฟ้าสำหรับอนุภาคชีวภาพทั้งแบบการวิเคราะห์แบบไดอิเล็กโทรฟอเรซิสแบบดั้งเดิม (conventional dielectrophoresis) แบบไดอิเล็กโทรฟอเรซิสแบบคลื่นเดินทาง (travelling wave dielectrophoresis) และแบบร่วมสมัย (contemporary analysis) ที่จะพัฒนาขึ้นจากวิธีวิเคราะห์วงจรไฟฟ้าแบบเครือข่าย (Net work circuit model) เพื่อใช้กับเซลล์ชีวภาพ (เซลล์พืชและสัตว์) ออร์กาเนล ไวรัส แบคทีเรีย และอนุภาคอื่นที่มีโมเลกุลของโปรตีนหรือดีเอ็นเอเป็นองค์ประกอบ ทั้งนี้เพื่อให้เกิดความเป็นพลวัตร (dynamic) และถึงพร้อมด้วยแบบจำลองทั้งแบบเซลล์กลุ่ม (suspensions model) และแบบเซลล์เดี่ยว (single cell model) ที่มีรูปทรงต่างๆ โดยเน้นรูปทรง (a) "non-spherical multiple shell shape" สำหรับแพลงก์ตอนบางชนิดและไข่ปลา ฯลฯ (b) "biconcave shape" สำหรับเซลล์เม็ดเลือดแดง ซึ่งมีลักษณะรีและบุ่ม (c) "helical and rod-shaped structure" สำหรับไวรัส และ(d) "prolate icosahedrons with 30 facets shape" สำหรับ T4 Bacterial virus บางประเภท ทั้งนี้เพื่อต้องการให้มีแบบจำลองฯ ที่มีลักษณะทางกายภาพที่สอดคล้องและใกล้เคียงกับเซลล์ต้นแบบที่จะศึกษามากที่สุด (2) งานพัฒนาขั้วไฟฟ้าขนาดไมครอน (microelectrode) เพื่อให้กำเนิดสนามไฟฟ้าแบบไม่เอกรูป (non-uniform electric field) ที่มีสัญญาณสองและสี่เฟส ที่มีรูปทรงต่างๆ งานในส่วนนี้หมายรวมถึงการพัฒนารูปแบบการจัดวางขั้วไฟฟ้าขนาดไมครอนที่เหมาะสม ละการพัฒนาอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้เหนี่ยวนำอนุภาคชีวภาพด้วยสนามไฟฟ้าแบบเข้มเพื่อพัฒนาไปสู่งานวิจัยด้าน "focusing dielectrophoresis" เพื่อการนับและวัดเซลล์ (microcytometry applications) สำหรับงานด้าน"Micro total-analysis systems, µTAS" (Jones, 2003) และพัฒนาขั้วไฟฟ้าขนาดไมครอนที่มีระบบไหลเวียนของไหล(micro-fluidic system) เพื่องานคัดแยกอนุภาคชีวภาพให้สะอาดและบริสุทธ์ อันจะนำไปสู่การพัฒนาไมโครชิพคัดแยกเซลล์ "a continuous cell separation chip" (Do and Cho, 2005)(3) งานจำลองข้อมูลด้วยวิธีการคำนวณเชิงตัวเลข (numerical simulation) สำหรับวิเคราะห์ตัวแปรทางคณิตศาสตร์จากแบบจำลองทางไฟฟ้าที่พัฒนาขึ้น เพื่อคำนวณ ความเข้มสนามไฟฟ้าและกำหนด "profile" ของสนามไฟฟ้าแต่ละ "layer" ที่กำเนิดจากขั้วไฟฟ้าที่มีโครงสร้างที่เล็กระดับไมครอนที่มีความหนาบางที่แตกต่างกันและมีจำนวนหลายขั้วไฟฟ้า อาทิ ขั้วไฟฟ้าแบบ 8 คู่ 16 ขั้ว ไมโครอินเทอร์ดิจิเทต (an octa-pair microinterdigitated electrode) แทนวิธีวิเคราะห์แบบดั้งเดิม (analytical analysis) เพื่อให้ได้ผลการคำนวณที่ละเอียดและแม่นยำ และ (4) งานทดลองเก็บข้อมูลผลการทดลอง (data bank) เพื่องานวิจัยด้านเทคโนโลยีและสิ่งแวดล้อม หาเงื่อนไขการเกิดไดอิเล็กโทรฟอเรซิสแบบคลื่นเดินทาง เพื่อต่อยอดสำหรับงานคัดแยกขนาดของไข่สัตว์น้ำและประเมินสุขภาพของไข่ปลา ศึกษาความเป็นไปได้กับงานแปลงเพศไข่ปลาบางชนิดโดยการกระตุ้นด้วยสนามไฟฟ้าแบบคลื่นเดินทาง รวมถึงประยุกต์ใช้ในงานวิจัยด้านโลหิตวิทยา เพื่อวินิจฉัยความผิดปกติของเซลล์เม็ดเลือดและระบุจำแนกชนิด(type)ของผู้ป่วยที่เป็นลูคีเมีย ที่ยังเป็นประเด็นเปิดที่รอการพิสูจน์ผ่านงานวิจัยด้านโลหิตวิทยา งานเพาะเลี้ยงเซลล์และเนื้อเยื่อชีวภาพ เพื่อติดตามผลการเหนี่ยวนำเซลล์ด้วยสนามไฟฟ้า เป็นต้น

          งานพัฒนาขั้วไฟฟ้าขนาดไมครอนนั้นเป็นผลสืบเนื่องจากการพัฒนาขั้วไฟฟ้าในอดีต ทั้งนี้เพื่อลดปัญหาจากงานวิจัย ทำให้เกิดขั้วไฟฟ้าแบบใหม่ที่เรียกว่า "อินเทอร์ดิจิเทต" (interdigitated electrode) ซึ่งถือเป็นแนวคิดใหม่เมื่อนำมาประยุกต์ใช้เหนี่ยวนำให้เซลล์เกิดไดอิเล็กโทรฟอเรซิส ทั้งนี้เพราะสามารถบังคับให้เซลล์เคลื่อนที่ได้ในสนามไฟฟ้าแบบสามมิติ (three-dimensional dielectrophoresis, 3-D DEP) (Yu et al., 2005) ซึ่งหน่วยวิจัยฯจะต่อยอดจากแบบคล้ายนิ้วมือประสานสองแถวคู่ขนาน "two-array interdigitated electrode" (Fuhr et al., 1991; Hagedorn et al. 1992; Wang et al., 1995; Talarly et al., 1996; Fu et al., 2004) (Fig. 1) เพราะมีลักษณะพิเศษที่เอื้อต่อการบังคับควบคุมจัดการเซลล์ให้เคลื่อนที่ตามช่องกลางระหว่างสองแถวขั้วไฟฟ้า (central channel) เพื่อเหนี่ยวนำให้เซลล์เกิดไดอิเล็กโทรฟอเรซิสได้ทั้งแบบบวก (positive DEP) และแบบลบ (negative DEP) ทำให้เซลล์เคลื่อนที่เกาะและผลักออกจากขั้วไฟฟ้าได้ตามลำดับ ส่วนในกรณีหลัง เซลล์จะถูกแรงทางไฟฟ้ากระทำให้เคลื่อนที่เข้าสู่บริเวณ "ช่องกลาง" ที่ความถี่ของสนามไฟฟ้ามีค่าเฉพาะ และถูกแรงทางไฟฟ้าอีกแนวแรงที่ตั้งฉากกระทำในแนวเฉือน ทำให้เคลื่อนที่ไปตามช่องกลางดังกล่าวพร้อมกับสารละลายที่ใช้แขวนลอยเซลล์ โดยเรียกพฤติกรรมตามการเคลื่อนที่แบบหลังว่า"ไดอิเล็กโทรฟอเรซิสแบบคลื่นเดินทาง" (travelling wave dielectrophoresis, twDEP)

history1

Fig. 1 Two-array interdigitated electrodes fabricated by using (a) photolithography and (b) laser beam techniques, respectively.


          ทั้งนี้หากผนวกแรงไฟฟ้าตั้งฉากทั้งสองนี้ได้จะมีประโยชน์ต่องานคัดแยกเซลล์แขวนลอยปนเปื้อน นั่นหมายถึงการประยุกต์ใช้กับอนุภาคไดอิเล็กทริกและอนุภาคชีวภาพปนเปื้อนที่มีลักษณะเดียวกันแต่มีสมบัติไดอิเล็กทริกต่างกัน(ที่ไม่สามารถแยกความแตกต่างได้ด้วยตาเปล่า) และเพื่อขยายผลกับเซลล์และหรืออนุภาคชีวภาพที่มีขนาดเล็กกว่า 5 ไมครอน อาทิ ไวรัสและแบคทีเรีย เพื่อวินิจฉัยความผิดปกติของเซลล์เม็ดเลือด เซลล์เป็นเซลล์ตาย และเซลล์ที่ปนเปื้อนสารพิษ ด้วยวิธีกำหนดสมบัติไดอิเล็กทริกของเซลล์ได้ในที่สุด

 

แนวทางการพัฒนาอุปกรณ์วิจัยฯ

          นอกเหนือจากงานเชิงทฤษฎีแล้ว หน่วยวิจัยฯ มีเป้าประสงค์จะพัฒนาขั้วไฟฟ้าขนาดไมครอน (microelectrode) ที่มีระบบไหลเวียนของไหล (micro-fluidic system) และพัฒนาอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้เหนี่ยวนำเซลล์ชีวภาพแขวนลอยด้วยสนามไฟฟ้าฯ เพื่อปรับปรุงขั้วไฟฟ้าอินเทอร์ดิจิเทตที่มีอยู่ให้มีขนาดที่เล็กลง มีความแข็งแรงทนทานมากยิ่งขึ้น และพัฒนาให้มีระบบนำส่งของเหลวผ่านช่องกลางซึ่งมีขนาดไมครอน ซึ่งหมายรวมถึงการพัฒนาระบบนำสายสัญญาณให้ต่อเข้ากับตัวขั้วไฟฟ้า ทั้งหมดที่กล่าวต้องพัฒนาควบคู่กับการพัฒนาระบบควบคุมจังหวะการป้อนสัญญาณไฟฟ้า เพราะขั้วไฟฟ้าแบบเดิมที่ผู้วิจัยประดิษฐ์ด้วยวิธี “photolithography process” (ประดิษฐ์ร่วมกับห้องวิจัย MEMS-NECTEC) เป็นลายวงจรทองคำหนาประมาณ 0.2 ไมครอน ฉาบอยู่บนกระจกสไลด์ ดัง Fig. 1a ซึ่งถือว่าบางมากเมื่อเทียบกับขนาดของเซลล์ชีวภาพซึ่งมีค่าประมาณ 10 ไมครอน ในขณะที่ตัวขั้วมีความกว้างและวางห่างกัน 100 ไมครอน ทำให้สนามไฟฟ้ามีเกรเดียนต์ต่ำ ต้องอาศัยศักย์ไฟฟ้าสูงเพื่อให้กำเนิดสนามไฟฟ้าที่มีความเข้ม กอปรกับขั้วไฟฟ้าดังกล่าวขาดความคงทนและถอดล้างทำความสะอาดไม่ได้ (Bunthawin, 2008) จึงไม่เอื้อต่องานคัดแยกเซลล์ ทั้งนี้หากสั่งทำขั้วไฟฟ้าตามแบบที่มีขายจากต่างประเทศ จะใช้ค่าใช้จ่ายหลายแสนบาท อาจไม่เหมาะกับการวิจัยในระยะเริ่มต้นที่มีงบประมาณจำกัด นอกจากนี้ หน่วยวิจัยจะดำเนินการพัฒนาขั้วไฟฟ้าขนาดไมครอนแบบที่มีช่องของเหลวไหลผ่านได้ (microfluidic interdigitated electrode) ด้วยวิธีการเปลี่ยนฐานการผลิตขั้วไฟฟ้า (platform) จากเดิมซึ่งเป็นกระจก (glass slide) ไปเป็นแบบวงจรไฟฟ้าและไมโครชิพ โดยจะอาศัยความร่วมมือจากนักวิจัยจากภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่ ซึ่งจะประดิษฐ์ขั้วไฟฟ้าด้วยวิธียิงแสงเลเซอร์ (laser beam) ลงบนแผ่นวงจรไฟฟ้าเพื่อกัดลายให้ได้วงจรขั้วไฟฟ้าขนาดไมครอนดังต้นแบบที่ปรากฏใน Fig. 1b ทำให้ได้ขั้วไฟฟ้าต้นแบบที่มีขนาดเล็กลงกว่าแบบเดิมถึงสองเท่า(โดยประมาณ) และมีความหนามากขึ้นกว่าเดิมหลายสิบเท่า ซึ่งการลดขนาดขั้วไฟฟ้าฯจะช่วยเสริมแรงไดอิเล็กโทร-

history2

 

          ฟอเรติกแบบคลื่นเดินทางให้เข้มขึ้น และการเพิ่มความหนาของขั้วไฟฟ้าฯ จะมีผลต่อเกรเดียนต์ของสนามไฟฟ้า ทั้งนี้เพื่อให้เหมาะสมกับงานเหนี่ยวนำเซลล์ชีวภาพที่มีขนาดไม่เกิน 10 ไมครอน ขั้วไฟฟ้าควรมีความกว้างของขั้วใกล้เคียงกับขนาดของเซลล์ ประเด็นดังกล่าวนี้ เป็นผลสืบเนื่องจากการหาเงื่อนไขการเหนี่ยวนำเซลล์ให้เกิดไดอิเล็กโทรฟอเรซิสแบบคลื่นเดินทาง ทั้งนี้เพื่อพัฒนาขั้วไฟฟ้าควบคู่กับ platform บนกระจก (ใช้กับกล้องจุลทรรศน์หัวกลับ) และพัฒนาบน platform ที่เป็นพลาสติกเพราะต้องการให้ยึดติดบนฐานยึดแบบไมโครชิพได้มั่นคงและแข็งแรง รวมถึงจะพัฒนา อุปกรณ์แยก/สลับเฟสสัญญาณสี่เฟสตั้งฉาก (quadrature phase shift switcher) (อุปกรณ์ดังกล่าวประดิษฐ์โดยผู้วิจัยร่วมกับนักวิจัยจาก NECTECซึ่งได้รับอนุสิทธิบัตรประเทศไทยแล้ว) ให้เปลี่ยนความต่างเฟสเป็นค่าอื่นได้อย่างอิสระแบบอัตโนมัติ เพราะแบบเดิมที่ผู้วิจัยประดิษฐ์ (Fig. 2) สามารถสลับเฟสแบบอัตโนมัติได้แต่เฉพาะมุมเฟสหลัก history3 เรเดียน เท่านั้น จึงทำให้ไม่สามารถนำไปใช้ทดสอบแบบจำลองแรงทางไฟฟ้าที่กระทำต่อเซลล์ทรงรีสนามไฟฟ้าแบบคลื่นเดินทางที่มีความต่างเฟสอื่นได้

 

บทสรุปความเป็นมา

          หน่วยวิจัยฯจะดำเนินการวิจัยด้านกลศาสตร์ไฟฟ้าสำหรับอนุภาคชีวภาพเพื่องานด้านชีวเทคโนโลยี ได้แก่

        (1) งานวิจัยคำนวณเชิงทฤษฎี (theoretical models and simulations) เพื่อพัฒนาแบบจำลองแรงทางไฟฟ้าของอนุภาคชีวภาพ และจำลองรูปแบบสนามไฟฟ้า (electric field distributions) สำหรับออกแบบขั้วไฟฟ้าขนาดไมครอน
         (2) งานทดลองเก็บข้อมูล (experimentation) เพื่อหาเงื่อนไขที่แจ้งชัดสำหรับเหนี่ยวนำอนุภาคชีวภาพให้เกิดไดอิเล็กโทรฟอเรซิสและไดอิเล็กโทรฟอเรซิสแบบคลื่นเดินทาง โดยอาศัยขั้วไฟฟ้าที่ออกแบบและพัฒนาขึ้น เพราะต้องการต่อยอดเพื่อยกระดับองค์ความรู้ไปสู่งานวิจัยระดับมหภาคสำหรับงานด้านชีวเทคโนโลยี สิ่งแวดล้อม และเกษตร อาทิ งานคัดแยกอนุภาคชีวภาพปนเปื้อนสารพิษและโลหะหนัก การวินิจฉัยความผิดปกติของเซลล์ในทางโลหิตวิทยา การขยายรูเมมเบรนด้วยสนามไฟฟ้า งานคัดกรองคุณภาพเซลล์ ไข่ปลา ไข่กุ้ง ฯลฯ และ
         (3) งานพัฒนาชุดอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับขั้วไฟฟ้าแบบสองและสี่เฟสตั้งฉาก และงานพัฒนาขั้วไฟฟ้าขนาดไมครอนที่มีระบบไหลเวียนของไหล (micro-fluidic system) ในประเด็นที่ (2) สามารถพัฒนาให้เชื่อมโยงกับบัณฑิตศึกษาของคณะเทคโนโลยีและสิ่งแวดล้อม กอปรกับในขณะนี้ ผู้วิจัยได้รับการสนับสนุนในเรื่องสถานที่ห้องวิจัยจากทางคณะฯซึ่งในขณะนี้ได้จัดเป็นห้องวิจัยชีวฟิสิกส์ (Biophysics laboratory) โดยมีครุภัณฑ์และเครื่องมือวิจัยบางส่วนที่ยืมจากสถานวิจัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีเมมเบรน ทำให้การเรียนการสอนระดับบัณฑิตศึกษาสามารถดำเนินงานได้ตามศักยภาพที่มีอยู่

หน่วยวิจัยชีวเทคโนโลยีของกลศาสตร์ไฟฟ้า (Biotechnology of Electromechanics, BTEM)
ชั้น 3 ห้อง 1308 คณะเทคโนโลยีและสิ่งแวดล้อม มหาวิทยาลัยสงขลานครินทร์ วิทยาเขตภูเก็ต เลขที่ 80 หมู่ 1 ถ.วิชิตสงคราม ต.กะทู้ อ.กะทู้ จ.ภูเก็ต 83120
โทรศัพท์ 0-7627-6154  Email: BTEM@phuket.psu.ac.th  Website: www.btem.phuket.psu.ac.th
พัฒนาโดย งานเทคโนโลยีสารสนเทศ ศูนย์การเรียนรู้(LC)
Best View on Mozilla Firefox.

footer-logo

Login Form