การวิเคราะห์ไฟไนต์เอลิเมนต์ของการแทงไมโครนีดเดิลชนิดพอลิเมอร์เข้าสู่ผิวหนัง

ทีมนักวิจัยจากห้องปฏิบัติการชีวฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยมหิดล ร่วมกับนักวิจัยจาก UCD Centre for Biomedical Engineering, School of Mechanical and Materials Engineering, UCD Charles Institute of Dermatology และ The Conway Institute of Biomolecular and Biomedical Research, University College Dublin ประเทศไอร์แลนด์ ศึกษาวิจัยเชิงคำนวณด้านกลศาสตร์การแทงไมโครนีดเดิลชนิดพอลิเมอร์เข้าสู่ผิวหนัง เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการออกแบบไมโครนีดเดิลสำหรับการนำส่งยาและวัคซีนผ่านผิวหนัง

ไมโครนีดเดิลชนิดพอลิเมอร์ (polymeric microneedles) เป็นเทคโนโลยีที่มีศักยภาพในการนำส่งยาและวัคซีนผ่านผิวหนังแบบไม่รุกราน แต่ความแข็งแรงเชิงกลยังคงเป็นความท้าทายสำคัญ งานวิจัยนี้ใช้วิธีไฟไนต์เอลิเมนต์แบบสองมิติ (2D finite element method) ด้วยโปรแกรม ABAQUS/EXPLICIT เพื่อจำลองการแทงไมโครนีดเดิลชนิดพอลิเมอร์ เข้าสู่แบบจำลองผิวหนังแบบสองชั้น (hyperelastic bilayer) ประกอบด้วยชั้นหนังกำพร้า (epidermis) และชั้นหนังแท้ (dermis) โดยจำลองไมโครนีดเดิลเป็นวัตถุที่เปลี่ยนรูปได้ (deformable body) ร่วมกับอัลกอริทึมการลบอิลิเมนต์ (element deletion algorithm) และเกณฑ์ความเสียหายแบบ von Mises stress เพื่อจำลองการทะลุผ่านของผิวหนัง โดยศึกษาผลกระทบของรูปทรงเข็ม อัตราส่วนความสูงต่อเส้นผ่านศูนย์กลาง ขนาดปลายเข็ม ระยะห่างระหว่างเข็ม ความโค้งของผิวหนัง มุมการแทงที่ไม่ตรงแนว และคุณสมบัติของวัสดุพอลิเมอร์ 4 ชนิด ได้แก่ โพลีสไตรีน (PS) โพลีคาร์บอเนต (PC) กรดโพลีแลกติก (PLA) และกรดไฮยาลูโรนิก (HA) ต่อกลศาสตร์การแทงเข็มเข้าสู่ผิวหนัง

ผลการศึกษาพบว่า การแทงเข็มที่เอียงเพียง 5 องศาจากแนวตั้งฉากสามารถทำให้ความเค้นที่ฐานเข็มเกินค่าความแข็งแรงของโพลีสไตรีนได้ ซึ่งเป็นสาเหตุของการหักและความล้มเหลวของเข็ม ความโค้งของผิวหนังส่งผลให้เกิดแรงดัดที่ไม่สม่ำเสมอบนเข็มด้านนอกของแถวเข็ม การเพิ่มระยะห่างระหว่างเข็มจาก 0.75 เป็น 1.50 มิลลิเมตร ช่วยลดแรงแทงได้ 12% และเพิ่มประสิทธิภาพการแทงได้ สำหรับวัสดุพอลิเมอร์ เข็มจาก PS, PC และ PLA สามารถแทงผ่านผิวหนังได้สำเร็จ แต่เข็มจาก HA ล้มเหลวเนื่องจากค่าโมดูลัสยืดหยุ่นต่ำเกินไป ผลการวิจัยนี้ให้ข้อมูลสำคัญสำหรับการออกแบบไมโครนีดเดิลชนิดพอลิเมอร์ที่เหมาะสม เพื่อเพิ่มความแข็งแรงเชิงกลและความน่าเชื่อถือในการแทงผ่านผิวหนังสำหรับการนำส่งยาและวัคซีน

งานวิจัยนี้สอดคล้องกับ

SDG 3: Good Health and Well-being การมีสุขภาพและความเป็นอยู่ที่ดี

งานวิจัยนี้มีผลกระทบสำคัญต่อวงการวิชาการและอุตสาหกรรมการแพทย์ โดยให้ข้อมูลเชิงลึกที่เป็นประโยชน์ต่อการออกแบบและพัฒนาไมโครนีดเดิลชนิดพอลิเมอร์ที่มีอัตราส่วนความสูงต่อเส้นผ่านศูนย์กลางสูง เพื่อเพิ่มความแข็งแรงเชิงกลในการนำส่งยาและวัคซีนผ่านผิวหนัง ซึ่งจะช่วยพัฒนาระบบการนำส่งยาแบบไม่รุกรานที่มีประสิทธิภาพยิ่งขึ้น

ผู้สนใจสามารถอ่านเพิ่มเติมได้ที่

https://doi.org/10.1016/j.matdes.2025.114936

การอ้างอิงของงานวิจัย

Noppamas Yolai, Wenting Shu, Eoin D. O’cearbhaill, Charin Modchang, and Aisling Ní Annaidh. (2025). Finite element analysis of polymeric microneedle insertion into skin. Materials & Design, 259, 114936.

งานวิจัยถูกตีพิมพ์ในวารสาร Materials & Design (Q1 Scopus, Impact Factor 7.9)

Published: October 2025

รายชื่อนักวิจัย

นางสาวนพมาศ โยลัย และ รศ.ดร.ชรินทร์ โหมดชัง สังกัดห้องปฏิบัติการชีวฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยมหิดล ร่วมกับ Prof. Dr. Aisling Ní Annaidh, Dr. Eoin D. O’cearbhaill, and Dr. Wenting Shu สังกัด UCD Centre for Biomedical Engineering, and School of Mechanical and Materials Engineering, University College Dublin ประเทศไอร์แลนด์

รูปที่ 1: รูปทรงไมโครนีดเดิล การกำหนดแบบจำลอง และเงื่อนไขขอบเขต

รูปที่ 2: การเปรียบเทียบการกระจายตัวของความเค้นและแรงปฏิกิริยาระหว่างแบบจำลองเข็มแบบ rigid และแบบ deformable

รูปที่ 3: การเปรียบเทียบการกระจายตัวของความเค้นฟอนไมเซสจากไมโครนีดเดิลที่ทำจากวัสดุพอลิเมอร์ต่างชนิดกัน ได้แก่ โพลีสไตรีน (PS) โพลีคาร์บอเนต (PC) กรดโพลีแลกติก (PLA) และกรดไฮยาลูโรนิก (HA)