9 دقیقه
هیدروژلهای قارچی بهعنوان فرصت در بیومواد
پژوهشگران اکنون به منبعی دور از انتظار برای پانسمانهای نسل آینده توجه کرده‌اند: شبکه‌های زندهٔ قارچی. کپکی خاکی با نام Marquandomyces marquandii توانایی شکل‌دادن به هیدروژلهای مقاوم و نگهدارندهٔ آب را نشان داده است که دارای ساختارهای میکرو متخلخل لایه‌ای هستند و بعضی ویژگیهای بافت نرم انسان را بازتولید میکنند. این هیدروژلهای مشتق از قارچ میتوانند در نهایت بهعنوان داربستهای زیست‌سازگار برای ترمیم بافت، کشت سلولی، دستگاههای پوشیدنی بیوالکترونیک یا حتی قالب‌های معدنیسازی شده برای ساختارهای شبهاستخوانی مورد استفاده قرار گیرند. چنین رویکردی می‌تواند افق‌های جدیدی در حوزهٔ بیومواد، مهندسی بافت و پانسمان زخم فراهم کند.
همگرایی زیست‌شناسی و علم مواد: هیدروژل مایسیلیومی چیست؟
اغلب مردم قارچ را به‌صورت کلاهک قارچ یا کپ‌های پف کرده می‌شناسند، اما بخش عمدهٔ ساختار یک قارچ شبکه‌ای درهم‌تنیده از رشته‌ها است که به آن مایسیلیوم می‌گویند. مایسیلیوم به‌طور عمده از کیتین تشکیل شده است؛ یک پلی‌ساکارید ساختاری که در اسکلت بیرونی حشرات و سخت‌پوستان هم یافت میشود. از آنجا که شبکه‌های مایسیلیومی به‌صورت رشته‌های بلند و شاخه‌دار رشد میکنند و لایه‌هایی متقاطع می‌سازند، دانشمندان مواد پتانسیل استفاده از این معماری را بهعنوان هیدروژل زنده می‌بینند. ویژگیهای ساختاری مانند تخلخل سلسلهمراتبی، قابلیت نگهداری آب و انعطاف‌پذیری مکانیکی، مایسیلیوم را به یک گزینهٔ جالب در طراحی بیومواد تبدیل کرده است.
در دانشگاه یوتا، مهندسان با استفاده از فرمنتاسیون ایستای مایع M. marquandii را کشت دادند و نتیجه‌ای قابل توجه مشاهده کردند: کلونی‌هایی که ورقه‌های مایسیلیومی ضخیم و چندلایه تشکیل دادند و قادر به نگهداری مقدار بالایی آب بودند. در این شرایط رشد غوطه‌وری، قارچ نوارهای متناوب با تخلخلهای متفاوت ایجاد کرد و مادهٔ کامپوزیتی با نواحی اسفنجی و متراکم را پدید آورد — ویژگی‌هایی که برای شبیه‌سازی خواص ویسکوالاستیک و انتقالی پوست و دیگر بافت‌های نرم با اهمیت‌اند. این ساختار لایه‌ای می‌تواند در طراحی پانسمانهای زخم، داربستهای مهندسی بافت و رابطهای نرم برای ابزارهای پوشیدنی بسیار مفید باشد.
جزئیات آزمایش و خواص کلیدی ماده
وقتی M. marquandii در کشت ایستای مایع رشد کرد، ماتریکسی مایسیلیومی شبیه هیدروژل تولید شد که قادر به نگهداری تا 83 درصد آب به‌صورت حجمی بود. مشاهدات میکروسکوپی و تحلیل تخلخل نشان‌دهندهٔ ساختاری لایه‌ای بودند: لایههای سطحی حدود 40 درصد تخلخل داشتند، در حالی که نوارهای داخلی متناوب به ترتیب تقریباً 90 درصد و 70 درصد تخلخل نشان دادند. پژوهشگران این الگو را ناشی از تغییر در استراتژی رشد قارچ می‌دانند — رشته‌های نزدیک سطح رشد جانبی را در اولویت قرار می‌دهند و لایههای متراکمی شکل می‌دهند، در حالی که نواحی غوطه‌ور رشدِ رشته‌وارتر دارند و نوارهایی بسیار متخلخل پدید می‌آورند. این تفکیک فضایی رشد می‌تواند موجب ایجاد خواص مکانیکی و انتقالی متفاوت در طول ماده شود.
پیشرفت رشد هفتگی M. marquandii روی محیط عصارهٔ سیب‌زمینی-دکستروز زیر فرمنتاسیون مایع ایستا در طول ۴ هفته. (Agrawal et al., JOM, 2025)
این اختلاف در تخلخل‌ها برای طراحی‌های پزشکی اهمیت دارد. لایههای متراکم میتوانند یکپارچگی ساختاری فراهم کنند و انتقال جرم را کندتر سازند، در حالی که نوارهای با تخلخل بالا میتوانند میزبان سلولها، مواد غذایی یا مایعات باشند و از نفوذ سریع و تبادل مناسب پشتیبانی کنند. تیم تحقیقاتی همچنین مشاهده کرد که تغییر شرایط فرهنگی—دسترس‌پذیری اکسیژن، دما، غلظت مواد مغذی—می‌تواند میکروساختار هیدروژل را تنظیم کند و به‌تبع آن رفتار مکانیکی و انتقالی ماده را تحت تأثیر قرار دهد. این قابلیت تنظیم پارامترها برای تولید هیدروژلهای سفارشی‌شده با خواص مشخص (مثلاً سختی، الاستیسیته، نرخ نفوذ یا پایداری طولانی‌مدت) اهمیت زیادی دارد.
کاربردهای بالقوه در پزشکی
هیدروژلهای یکپارچه با زیست میتوانند خواص چندلایه و ویسکوالاستیک پوست، غضروف و سایر بافت‌ها را بازتولید کنند. از آنجا که مایسیلیوم زیست‌سازگار و ذاتاً متخلخل است، هیدروژلهای M. marquandii میتوانند بهعنوان:
- پانسمانهای زخم که محیط مرطوب التیام را حفظ میکنند و هم‌زمان پشتیبانی ساختاری ارائه می‌دهند.
- داربست‌هایی برای مهندسی بافت و پزشکی بازساختی که در آن سلولها در ماتریکس‌های مایسیلیومی نشاندار می‌شوند و رشد میکنند.
- قالب‌هایی برای معدنیسازی جهت تولید داربستهای شبهاستخوانی با قابلیت نفوذ و تخلخل مناسب برای نفوذ رگ‌ها و کلسیم‌سازی.
- مواد برای دستگاههای بیوالکترونیک پوشیدنی یا بیورآکتورهای سلولی که به رابطهای نرم، هیدراته و سازگار با سلول نیاز دارند.
مهندس مواد دانشگاه یوتا، Steven Naleway، اشاره کرده است که «لایههای مایسیلیومی بزرگ و قوی» تولیدشده توسط M. marquandii عمدتاً کیتینی هستند و ترکیبی از نرمی اسفنجی و زیستسازگاری را ارائه می‌دهند که برای این مصارف جذاب است. این ترکیب می‌تواند هزینه‌های تولید را کاهش دهد و مسیر تازه‌ای برای مواد پایدار و قابل تولید انبوه در مهندسی بافت فراهم سازد.
ایمنی، محدودیت‌ها و اولویت‌های پژوهشی
ترجمهٔ مادهٔ زندهٔ قارچی به کاربرد بالینی مستلزم آزمایشهای ایمنی دقیق است. تا کنون M. marquandii بهعنوان پاتوژن انسانی شناخته نشده است، اما کیتین و اجزای قارچی ممکن است در برخی افراد واکنشهای آلرژیک ایجاد کنند. مطالعات حیوانی و آزمون‌های ایمنی‌شناسی برای درک پتانسیل آلرژیک یا التهابی ضروری‌اند. پایداری طولانی‌مدت، استریل بودن و کنترل رشد نیز از موانع مهم هستند: هر پانسمان زنده باید ایمن، قابل کنترل و سازگار با روشهای استریلیزاسیون طبی و چارچوب‌های مقرراتی موجود باشد.
پژوهشگران بر نیاز به نمایش تعامل هیدروژلهای قارچی با سلولها و بافت‌های انسانی تأکید میکنند، بهینه‌سازی پروتکل‌های رشد تا خواص مطلوب قابل تکرار شوند، و طراحی راهبردهای مهار که خطر تکثیر غیرقابل کنترل قارچ را از بین ببرند — گام‌های اساسی پیش از هر کاربرد بالینی. برای مثال، ممکن است لازم باشد ساختارهای مایسیلیومی غیرفعال شوند یا فرایندهایی برای حذف عوامل زنده پیش از استفاده در بدن توسعه داده شود؛ یا بالعکس، اگر هیدروژل بهعنوان یک مادهٔ زنده باقی بماند، باید مکانیسم‌های کنترلی دقیق در سطح بیورآکتور و فرآیندهای نگهداری وجود داشته باشد.
علاوه بر این، انطباق با استانداردهای زیست‌پزشکی و مقرراتی، از جمله آزمون‌های سم‌شناسی، رفتار ایمنی ایمنی‌شناختی و ارزیابی خطر بیولوژیکی، جزو اولویت‌ها قرار دارد. توسعهٔ روشهای استریلسازی سازگار با حفظ خواص مکانیکی و ساختاری هیدروژل ـ مثلاً استفاده از استریلیزاسیون با گاز اتیلن اکساید یا اشعهٔ ایکس با تنظیمات کنترل‌شده ـ نیازمند پژوهش است تا ویژگیهای ماده در فرآیند حفظ شوند.
فناوری‌های مرتبط و چشم‌انداز آینده
مایسیلیوم قارچی پیش از این در علم مواد پایدار مورد بررسی قرار گرفته است — برای نمونه در بسته‌بندی، عایق‌بندی و پنل‌های کامپوزیتی — زیرا مسیر تجدیدپذیر و با انرژی پایین‌تری برای تولید بیومواد ساختاری فراهم میکند. حرکت به‌سوی هیدروژلهای قارچی زنده این برنامه را به حوزهٔ زیست‌پزشکی گسترش می‌دهد. ادغام رشد مایسیلیومی با تکنیک‌هایی مانند معدنیسازی کنترل‌شده، چاپ سه‌بعدی زیستی (3D bioprinting) یا عملکرددهی بیوشیمیایی می‌تواند داربستهای هیبریدی‌ای را امکان‌پذیر کند که برای بافت‌های مشخصی طراحی شده‌اند.
علاوه بر کاربردهای بالینی، هیدروژلهای مایسیلیومی میتوانند از پژوهشهای in vitro نیز حمایت کنند: داربستهای کشت سلولی و بیورآکتورهایی که مکانیک و خواص انتقالی بافت را تقلید میکنند در حالی که پایدارتر از پلیمرهای مصنوعی باقی می‌مانند. این رویکرد می‌تواند هزینه‌ها را کاهش دهد و ردپای زیست‌محیطی کشت سلولی و تولید بیومواد را کمتر کند. از سوی دیگر، ترکیب‌های عملکردی مانند اتصال فاکتورهای رشد، پوشش‌های آنتی‌باکتریال یا کنترل معدنیسازی می‌تواند دامنهٔ کاربردها را گسترش دهد — از مدل‌سازی رشد استخوان تا رابطهای حساس برای دستگاههای پوشیدنی پزشکی.
بینش کارشناسی
دکتر Lina Ortega، مهندس بیومواد که در زمینهٔ بیومواد تخصص دارد، اظهار کرده است: "هیجان‌انگیزترین جنبهٔ هیدروژلهای مبتنی بر مایسیلیوم ساختار سلسلهمراتبی ذاتی آن‌هاست. اگر بتوانیم به‌طور قابل‌اعتماد تخلخل و خصوصیات سطحی بیوشیمیایی را تنظیم کنیم، این مواد میتوانند جایگزینی کم‌هزینه و مقیاس‌پذیر برای داربستهای مصنوعی در طیف وسیعی از کاربردهای بازساختی فراهم کنند. چالش اصلی نشان‌دادن ایمنی و عملکرد قابل تکرار در مدل‌های درون‌جسمی خواهد بود." این ارزیابی بر اهمیت ترکیب داده‌های مکانیکی، آزمون‌های زیستسازگاری و پژوهشهای طولانی‌مدت برای ارتقای اعتماد در این فناوری تأکید میکند.
نتیجه‌گیری
Marquandomyces marquandii نشان می‌دهد که برخی قارچها میتوانند هیدروژلهای زنده و چندلایه با محتوای آب بالا و تخلخل قابل تنظیم تولید کنند — ویژگی‌هایی که برای بهبود روندهای التیام زخم و مهندسی بافت اهمیت دارند. اگرچه مسیر دست‌یابی به کاربرد بالینی طولانی است و مستلزم کار وسیع در حوزهٔ ایمنی، ایمنی‌شناسی و مقررات خواهد بود، هیدروژلهای قارچی نمایانگر تقاطع امیدوارکننده‌ای میان میکروبیولوژی و علم مواد هستند. ادامهٔ پژوهش‌ها در زمینهٔ رشد کنترل‌شده، کارکرددهی سطحی (functionalization) و زیستسازگاری می‌تواند مواد مشتق از مایسیلیوم را به افزوده‌ای مهم در مجموعهٔ ابزارهای بیومواد آینده تبدیل کند. ترکیب قابلیت‌های تنظیم ساختاری، قابلیت‌های تولید پایدار و امکان هم‌افزایی با تکنیک‌های پیشرفتهٔ مهندسی بافت، این حوزه را به یکی از محورهای پژوهشی جذاب و عملی در سال‌های آینده بدل خواهد کرد.
منبع: sciencealert
ارسال نظر