10 Minute
Hydrogeluri fungice ca oportunitate pentru biomateriale
Cercetătorii investighează o sursă neașteptată pentru pansamentele de următoarea generație: rețele fungice vii. Un mucegai de sol denumit Marquandomyces marquandii a demonstrat capacitatea de a forma hidrogeluri robuste, capabile să rețină cantități mari de apă, cu microstructuri stratificate și poroase care seamănă în anumite privințe cu țesuturile moi umane. Aceste hidrogeluri derivate din fungi pot evolua, în viitor, în scaffolduri biocompatibile pentru repararea țesuturilor, culturi celulare, bioelectronice purtabile sau chiar ca șabloane mineralizate pentru regenerarea osoasă.
Biologia și știința materialelor se întâlnesc: ce este un hidrogel condus de miceliu?
Majoritatea oamenilor recunosc fungi prin ciuperci sau mucegaiuri pufoase, dar marea majoritate a masei unui fung este reprezentată de o rețea interconectată de filamente numită miceliu. Miceliul este alcătuit în mare parte din chitină, un polizaharid structural întâlnit și în exoscheletele insectelor sau în carapacea crustaceelor. Deoarece rețelele miceliene se dezvoltă ca filamente lungi, ramificate, care formează straturi încrucișate, specialiștii în știința materialelor văd un potențial semnificativ de a valorifica această arhitectură ca hidrogel „viu”.
La Universitatea din Utah, inginerii au utilizat fermentația lichidă în stat pentru a cultiva M. marquandii și au observat un rezultat remarcabil: colonii care formează foi groase, multilayer de miceliu capabile să rețină un conținut de apă foarte ridicat. În aceste condiții de creștere submersă, fungul a generat benzi alternative cu porozități diferite, dând naștere unui material compozit cu regiuni spongioase și zone mai compacte — caracteristici utile pentru imitarea proprietăților viscoelastice și de transport ale pielii și ale altor țesuturi moi.
Detalii experimentale și proprietăți materiale cheie
Cultivat în cultură lichidă staționară, M. marquandii a produs o matrice miceliană asemănătoare unui hidrogel, capabilă să rețină până la 83% apă în volum. Investigațiile microscopice și analizele de porozitate au evidențiat o structură stratificată: straturi de suprafață cu aproximativ 40% porozitate, alternate cu benzi interne care prezentau porozități de circa 90% și 70%. Autorii studiului atribuie acest model variațiilor în strategia de creștere fungică — filamentele apropiate de suprafață prioritizând expansiunea laterală și formarea unor straturi mai dense, pe când regiunile scufundate cresc mai filamentar și generează benzi foarte poroase.
Analizele experimentale au inclus microscopie optică, imagistică electronică de înaltă rezoluție (SEM), examene ale porozității prin metode de porozimetrie și, în unele cazuri, micro-tomografie (µCT) pentru a reconstrui arhitectura 3D. Proprietățile de reținere a apei au fost evaluate gravimetric, iar caracterul viscoelastic al rețelei miceliene a fost investigat prin teste reologice și măsurători ale răspunsului la deformare. Aceste investigații indică un comportament tipic al hidrogelurilor moi: capacitate de umflare, recuperare parțială după deformare și un echilibru între elasticitate și amortizare, aspecte critice pentru interfețele biologice.
Mai mult, cercetătorii au arătat că microstructura hidrogelului poate fi reglata prin controlul parametrilor de cultură: disponibilitatea oxigenului, temperatura, concentrația de nutrienți, pH-ul mediului și durata fermentației influențează porozitatea relatată și proprietățile mecanice. Ajustarea acestor parametri oferă un instrument pentru personalizarea proprietăților de transport (difuzie, permeabilitate), rigiditate și capacitate de susținere celulară, elemente esențiale pentru designul scaffoldurilor în ingineria tisulară.
Progresia săptămânală a creșterii M. marquandii în supă dextroză din cartof, în condiții de fermentație lichidă staționară pe parcursul a 4 săptămâni. (Agrawal et al., JOM, 2025)
Aceste diferențe de porozitate au implicații practice pentru proiectarea biomedicală. Straturile mai dense pot furniza integritate structurală și pot reduce ratele de transfer de masă, ceea ce este util pentru protecția mecanică sau pentru eliberarea lentă a agenților terapeutici. În contrast, benzile cu porozitate mare pot acomoda numărul mare de celule, favoriza vascularizarea, permit difuzia rapidă a nutrienților și pot facilita migrarea celulară. Combinația de regiuni dense și poroase oferă posibilitatea construirii unor scaffolduri funcțional stratificate, cu rol diferențiat pe grosime: o față exterioară protector‑barieră și un miez poros optim pentru colonizarea celulară și schimbul metabolic.
Pe lângă caracterizarea structurii, sunt esențiale măsurători ale coeficienților de difuzie pentru diverse molecule (nutrienți, oxigen, factori de creștere) și teste biologice de compatibilitate — evaluări care determină practicabilitatea hidrogelurilor miceliene pentru aplicații clinice sau in vitro. De asemenea, explorarea strategiilor de decelularizare sau de imobilizare a componentelor bioactive oferă rute pentru transformarea materialului viu într-un produs cu risc redus, menținând proprietățile mecanice și arhitecturale dorite.
Aplicații biomedicale potențiale
Hidrogelurile bio-integrate urmăresc reproducerea proprietăților stratificate și viscoelastice ale pielii, cartilajului și altor țesuturi moi. Dat fiind faptul că miceliul este în multe cazuri biocompatibil și intrinsec poros, hidrogelurile produse de M. marquandii ar putea servi ca:
- Pansamente pentru răni care mențin un mediu umed optim pentru vindecare, drenează exudatul și oferă suport mecanic local.
- Scaffolduri pentru inginerie tisulară și medicină regenerativă, în care celulele sunt însămânțate în matrice miceliene pentru a forma țesuturi funcționale ex vivo.
- Șabloane pentru mineralizare care să conducă la obținerea de structuri asemănătoare osului, cu porozitate favorabilă pentru formarea matricei minerale.
- Materiale pentru dispozitive bioelectronice purtabile sau bioreactoare celulare care necesită interfețe moi, hidratate și compatibile cu activitățile electrofiziologice sau de biosensing.
Pe lângă aceste aplicații, hidrogelurile miceliene pot fi adaptate pentru eliberare controlată de medicamente, encapsulare celulară pentru terapii celulare, susținerea culturilor 3D pentru modelare tisulară și platforme pentru testarea farmacologică. Originea regenerabilă și potențiala biodegradabilitate a miceliului adaugă un argument în favoarea utilizării sale ca alternativa sustenabilă la polimerii sintetici tradiționali.
Inginerul în materiale Steven Naleway de la Universitatea din Utah a remarcat că „straturile miceliene mari și robuste" produse de M. marquandii sunt în principal chitinoase, oferind o combinație de spongiozitate și biocompatibilitate atractivă pentru aceste utilizări. Aceste proprietăți naturale pot reduce necesarul de adaosuri sintetice, iar capacitatea de a regla microstructura prin parametrii de cultură oferă o flexibilitate importantă pentru proiectare.
Securitate, limitări și priorități de cercetare
Transpunerea unui material fungic viu în domeniul clinic impune teste de siguranță exhaustive. Deși M. marquandii nu este cunoscut ca un patogen uman comun, componente fungice precum chitina pot provoca reacții alergice la anumite persoane, iar contaminanții microbieni sau produsele secundare metabolice (de exemplu, compuși microbieni cu activitate toxică în anumite specii) trebuie excluse. Sunt necesare studii pe modele animale și teste imunologice pentru a evalua potențialul alergic, inflamația locală și răspunsurile sistemice.
Stabilitatea pe termen lung, sterilitatea și controlul creșterii reprezintă obstacole practice semnificative. Orice pansament „viu" trebuie să fie controlabil — fie prin folosirea de celule inactivate termic sau decelularizate, fie prin incorporarea unor mecanisme de oprire a creșterii (de exemplu, compuși antimicotici în stratul exterior sau design genetico‑bioengineering pentru auto-limitare). Alternativele la materialul viu includ utilizarea matricelor miceliene decelularizate, care păstrează arhitectura dar reduc riscul de proliferare fungică. De asemenea, trebuie evaluate metodele de sterilizare compatibile (radiații, filtrare, tratamente chimice) care nu distrug proprietățile mecanice sau arhitecturale ale hidrogelului.
Prioritățile de cercetare includ validarea interacțiunii hidrogelurilor fungice cu celulele umane (epiteliale, fibroblaste, osteoblaste, celule endoteliale), reproducibilitatea protocoalelor de creștere la scară pilot, studiile de biodegradare controlată și dezvoltarea strategiilor de conținere care să elimine riscul proliferării necontrolate. Este nevoie, de asemenea, de date privind farmacocinetica locală a factorilor eliberați, testarea siguranței pe termen lung și studii clinice pilot care să clarifice potențialul terapeutic real.
Tecnologii conexe și perspective de viitor
Miceliul fungic e deja studiat intens în domeniul materialelor durabile — pentru ambalaje, izolații, panouri compozite și mobilier — deoarece oferă o cale regenerabilă și cu consum energetic redus pentru obținerea de materiale structurate. Extinderea acestui concept către hidrogeluri fungice vii aduce aceste inovații în zona biomedicală. Integrarea creșterii miceliene cu tehnici precum mineralizarea controlată, bioprintarea 3D, functionalizarea biochimică (pentru atașarea factorilor de creștere sau a peptidelor adezive) și încorporarea de nanostructuri funcționale poate conduce la scaffolduri hibride adaptate pentru țesuturi specifice.
Din perspectiva industrială, scalarea proceselor implică dezvoltarea de bioreactoare adecvate (batch, fed-batch sau continuu), optimizarea downstream-ului (recuperare, prelucrare, conservare), metode de uscare sau liofilizare pentru stocare și logistica lanțului de aprovizionare. Evaluări economice și analize ale ciclului de viață (LCA) vor fi necesare pentru a compara impactul ecologic și costurile cu alternativele existente.
În afară de utilizările clinice, hidrogelurile miceliene pot servi ca platforme pentru cercetarea in vitro: scaffolduri pentru culturi 3D care reproduc proprietăți mecanice și de transfer de masă ale țesuturilor, platforme pentru screening de medicamente și sisteme educaționale pentru studiul interacțiunilor celulă‑material. Aceste aplicații pot accelera adoptarea tehnologiei, oferind totodată rute de validare și optimizare înainte de încercările clinice.
Perspectiva expertului
Dr. Lina Ortega, inginer biomedical specializat în biomateriale, a comentat: „Cel mai interesant aspect al hidrogelurilor pe bază de miceliu este structura lor ierarhică intrinsecă. Dacă putem regla în mod fiabil porozitatea și proprietățile biochimice ale suprafeței, aceste materiale ar putea oferi o alternativă scalabilă și cu costuri reduse la scaffoldurile sintetice pentru o gamă largă de aplicații regenerative. Provocarea va fi demonstrarea siguranței și performanței reproductibile in vivo.”
Specialista a subliniat și necesitatea colaborării interdisciplinare: microbiologi, ingineri de materiale, clinicieni, specialiști în reglementare și producție trebuie să lucreze împreună pentru a avansa conceptul de la laborator la aplicație clinică. În plus, analize economice, studii pilot și evaluări de impact asupra mediului sunt componente esențiale pentru o tranziție responsabilă către produse medicale comerciale.
Concluzie
Marquandomyces marquandii arată că anumite fungi pot produce hidrogeluri vii, stratificate, cu conținut ridicat de apă și porozitate reglabilă — proprietăți direct relevante pentru vindecarea rănilor și ingineria tisulară. Drumul până la utilizarea clinică rămâne lung și va necesita eforturi extinse în domeniile siguranței, imunologiei, standardizării protocoalelor și reglementării. Cu toate acestea, hidrogelurile fungice reprezintă o punte promițătoare între microbiologie și știința materialelor, combinând arhitecturi naturale cu oportunități de personalizare prin controlul culturii și functionalizare tehnologică.
Continuarea cercetărilor privind controlul creșterii, functionalizarea biochimică, metodele de sterilizare compatibile și studiile preclinice robuste ar putea transforma materialele derivate din miceliu într-o opțiune valoroasă pentru portofoliul viitor de biomateriale. Prin standardizare, optimizare industrială și colaborare interdisciplinară, aceste hidrogeluri bio‑integrate au potențialul de a contribui semnificativ la dezvoltarea unor soluții medicale mai sustenabile, eficiente și adaptabile.
Sursa: sciencealert
Lasă un Comentariu