สื่อหลายแห่งรายงานว่า นักวิจัยชาวจีนมีความคืบหน้าสำคัญในด้านวัสดุไฮโดรเจลเชิงฟังก์ชัน โดยพัฒนาไฮโดรเจลชนิดใหม่ที่สามารถเปลี่ยนรูปร่างได้เองและเติบโตต่อเนื่องได้ ตลอดกระบวนการเติบโต วัสดุนี้ยังคงมีความเข้ากันได้ดีกับเซลล์ (cytocompatibility) และไม่ก่อให้เกิดอันตรายต่อเซลล์ที่มีชีวิตโดยรอบ จึงถูกมองว่ามีศักยภาพในการประยุกต์ใช้ทางการแพทย์อย่างกว้างขวาง ผลงานนี้นำโดยทีมวิจัยจากมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีจีนใต้ (South China University of Technology) ร่วมกับโรงพยาบาลซีจิง (Xijing Hospital) โดยบทความวิจัยเรื่อง "Non-Equilibrium Hydrogel Demonstrates Cytocompatible and Seamless Heterotrophic Self-Growth" ได้รับการตีพิมพ์ในวารสารวัสดุศาสตร์ชั้นนำ Advanced Functional Materials บทความนี้มีผู้เขียนรวม 9 คน จาก 4 สถาบัน รวมถึงมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีจีนใต้และโรงพยาบาลซีจิง โดยมีผู้เขียนที่ติดต่อได้ (corresponding author) รวมถึงศาสตราจารย์เปี้ยน หลีหมิง (Bian Liming) ผู้ได้รับตำแหน่ง Changjiang Scholar และจางข่าย (Zhang Kai) ของมหาวิทยาลัยดังกล่าว

มาเป็นเวลานานแล้วที่การทำให้วัสดุสังเคราะห์ "เติบโต" ได้เหมือนเนื้อเยื่อมีชีวิตเป็นประเด็นสำคัญในสาขาวัสดุชีวภาพ เนื้อเยื่อตามธรรมชาติสามารถขยายขนาดได้อย่างต่อเนื่องผ่านการแบ่งเซลล์และการสะสมของเมทริกซ์ ขณะที่ไฮโดรเจลแบบดั้งเดิมเมื่อผลิตเสร็จแล้ว รูปร่างและปริมาตรจะคงที่เป็นส่วนใหญ่ ทำให้ยากที่จะปรับตัวให้เข้ากับความต้องการเชิงพื้นที่ที่เปลี่ยนแปลงอยู่เสมอในระหว่างการเจริญเติบโตของร่างกายหรือกระบวนการซ่อมแซมเนื้อเยื่อ ปัญหา "ขนาดไม่สอดคล้องกัน" นี้เห็นได้ชัดเจนเป็นพิเศษในการซ่อมแซมเนื้อเยื่อของผู้ป่วยเด็กเล็กและวัยรุ่น หากวัสดุที่ฝังไว้ไม่สามารถขยายตัวให้สอดคล้องกับการเจริญเติบโตของผู้ป่วยได้ ก็มักต้องผ่าตัดซ้ำหลายครั้งเพื่อเปลี่ยนวัสดุให้มีขนาดใหญ่ขึ้น ซึ่งไม่เพียงเพิ่มความเสี่ยงจากการผ่าตัดและการติดเชื้อ แต่ยังเพิ่มค่าใช้จ่ายทางการแพทย์อย่างมากด้วย

ก่อนหน้านี้มีทีมวิจัยพยายามทำให้ไฮโดรเจล "เติบโตได้เอง" ผ่านปฏิกิริยาเคมีแบบพันธะโควาเลนต์ กล่าวคือให้วัสดุดูดซับมอนอเมอร์จากภายนอกอย่างต่อเนื่องแล้วเกิดปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชันภายในเพื่อขยายปริมาตร หรือใช้ไฮโดรเจลแบบเครือข่ายคู่ (double-network) ที่แข็งแรงขึ้นและขยายตัวได้เมื่อได้รับแรงกระทำทางกลซ้ำ ๆ แต่ระบบการเติบโตได้เองที่อาศัยพันธะโควาเลนต์หรือการกระตุ้นทางกลที่รุนแรงเช่นนี้ มักต้องใช้สารเริ่มต้นปฏิกิริยา แสงอัลตราไวโอเลต ความเข้มข้นของไอออนที่เฉพาะเจาะจง หรือการรับแรงกลซ้ำ ๆ ซึ่งเงื่อนไขเหล่านี้ไม่เป็นมิตรต่อการอยู่รอดของเซลล์ และเป็นข้อจำกัดต่อการนำวัสดุไปใช้โดยตรงในเนื้อเยื่อมีชีวิตหรือสภาพแวดล้อมการเพาะเลี้ยงเซลล์ กล่าวอีกนัยหนึ่งคือ ไฮโดรเจลที่เติบโตได้เองในอดีต แม้จะ "เติบโต" ได้ แต่ก็ยากที่จะบรรจุเซลล์มีชีวิตไว้อย่างปลอดภัยไปพร้อมกับการเติบโตนั้น

เพื่อแก้ปัญหาคอขวดนี้ ทีมวิจัยจากมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีจีนใต้ได้เสนอแนวคิดการออกแบบใหม่ คือการใช้แรงยึดเหนี่ยวแบบโคออร์ดิเนชันที่อ่อนโยนระหว่างไอออนแคลเซียมกับโมเลกุลเพกทิน (pectin) ที่ถูกดัดแปลงด้วยหมู่บิสฟอสโฟเนต เพื่อสร้างระบบไฮโดรเจลที่เติบโตได้เองในสภาวะไม่สมดุล (non-equilibrium) เพกทินเป็นพอลิแซ็กคาไรด์ที่พบตามธรรมชาติในผนังเซลล์พืช มีความเข้ากันได้ทางชีวภาพและย่อยสลายได้ดี หลังจากดัดแปลงด้วยหมู่บิสฟอสโฟเนตแล้ว นักวิจัยทำให้มันสามารถเกิดพันธะโคออร์ดิเนชันแบบผันกลับได้กับไอออนแคลเซียม ในการทดลอง นักวิจัยเตรียมไฮโดรเจล "เมล็ด" (seed) ที่มีรูปทรงกำหนดไว้ก่อน แล้วนำไปแช่ในสารละลายที่มีพอลิเมอร์ที่มาจากเพกทินละลายอยู่ จากนั้นเจลเมล็ดจะดูดซับพอลิเมอร์ใหม่จากสารละลายโดยรอบอย่างต่อเนื่อง และผ่านการเชื่อมขวางแบบโคออร์ดิเนชันของไอออนแคลเซียม ทำให้พอลิเมอร์ที่ดูดซับเข้ามาใหม่นี้รวมเข้ากับโครงข่ายเดิมได้อย่างไร้รอยต่อ ส่งผลให้ปริมาตรและมวลโดยรวมของเจลเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง ทีมวิจัยเปรียบกระบวนการ "ดูดซับวัตถุดิบจากสิ่งแวดล้อมภายนอกเพื่อเติบโต" นี้กับปรากฏการณ์ทางชีววิทยาที่เรียกว่า "heterotrophy" หรือการดำรงชีวิตแบบอาศัยสารอินทรีย์จากภายนอกแทนการสังเคราะห์เอง จึงตั้งชื่อวัสดุนี้ว่า "ไฮโดรเจลเติบโตได้เองแบบเฮเทอโรโทรฟิก" เนื่องจากปฏิกิริยาโคออร์ดิเนชันของไอออนแคลเซียมเกิดขึ้นในสภาวะที่อ่อนโยน ไม่ต้องพึ่งกรดแก่ เบสแก่ แสงอัลตราไวโอเลต หรือสารเริ่มต้นปฏิกิริยาที่เป็นพิษ กระบวนการเติบโตทั้งหมดจึงสามารถเกิดขึ้นในสภาวะที่ใกล้เคียงกับสภาพแวดล้อมทางสรีรวิทยาได้ ซึ่งนักวิจัยระบุว่าเป็นกุญแจสำคัญที่ทำให้งานวิจัยนี้สามารถบรรลุ "การเติบโตได้เองที่เข้ากันได้กับเซลล์"

ทีมวิจัยเน้นย้ำว่า ในระหว่างการเติบโต วัสดุใหม่และวัสดุเดิมของไฮโดรเจลนี้สามารถเชื่อมต่อกันได้อย่างไร้รอยต่อ โดยไม่ทิ้งข้อบกพร่องเชิงโครงสร้างหรือจุดอ่อนไว้ที่ขอบเขตการเติบโต ซึ่งหมายความว่าวัสดุยังคงความสมบูรณ์เชิงกลไว้ได้ดีแม้ผ่านการเติบโตซ้ำหลายครั้งหรือใช้งานในระยะยาว และไม่แตกหักง่ายที่รอยต่อระหว่างวัสดุเก่ากับใหม่เมื่อได้รับแรงกระทำ ที่สำคัญยิ่งกว่านั้นคือ เนื่องจากสภาวะการเติบโตอ่อนโยน เซลล์มีชีวิตจึงสามารถถูกบรรจุไว้ล่วงหน้าภายในเจลเมล็ด และยังคงมีชีวิตอยู่รอดและเพิ่มจำนวนต่อไปได้ในขณะที่วัสดุเติบโต ซึ่งเปิดแนวทางที่เป็นไปได้ในการสร้างวัสดุชีวภาพเชิงประกอบที่มีเซลล์มีชีวิตอยู่ภายใน และสามารถปรับรูปทรงและปริมาตรได้เองตามความต้องการเชิงฟังก์ชัน นับเป็นก้าวสำคัญที่ทำให้แนวคิด "วัสดุเติบโตไปพร้อมกับเซลล์" เคลื่อนจากความคิดเชิงแนวคิดไปสู่การพิสูจน์ด้วยการทดลองจริง

ในด้านการประยุกต์ใช้ ไฮโดรเจลที่สามารถเติบโตไปพร้อมกับเซลล์และยังคงความมั่นคงเชิงกลไว้ได้นี้ ถูกมองว่ามีศักยภาพสำคัญในด้านวิศวกรรมเนื้อเยื่อ เวชศาสตร์ฟื้นฟู และอุปกรณ์การแพทย์ชนิดนิ่ม ตัวอย่างเช่น ในการซ่อมแซมความบกพร่องของเนื้อเยื่อในทารกหรือวัยรุ่น วัสดุฝังที่มีขนาดคงที่แบบดั้งเดิมมักไม่สามารถตามให้ทันขนาดเนื้อเยื่อที่เปลี่ยนแปลงไปตามการเจริญเติบโตของผู้ป่วยได้ ขณะที่ไฮโดรเจลที่มีความสามารถในการเติบโตได้เองนั้น ในทางทฤษฎีสามารถ "เติบโต" ไปพร้อมกับเนื้อเยื่อโดยรอบได้ ช่วยลดความจำเป็นในการผ่าตัดซ้ำเพื่อเปลี่ยนวัสดุ นอกจากนี้ วัสดุชนิดนี้ยังอาจนำไปใช้สร้างโครงสำหรับการเพาะเลี้ยงออร์แกนอยด์นอกร่างกาย ตัวพาสำหรับการปลดปล่อยยาแบบควบคุม หรือเป็นวัสดุฐานสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ชีวภาพแบบสวมใส่ที่โค้งงอได้ อย่างไรก็ตาม ทีมวิจัยยอมรับว่าผลงานนี้ยังอยู่ในขั้นห้องปฏิบัติการ และยังต้องมีการทดลองในสัตว์เพิ่มเติม รวมถึงการประเมินความปลอดภัยในระยะยาว ก่อนจะสามารถสรุปได้ว่าวัสดุนี้เหมาะสมสำหรับการซ่อมแซมเนื้อเยื่อในมนุษย์จริงหรือไม่

ที่น่าสังเกตคือ ไฮโดรเจลที่เติบโตและเปลี่ยนรูปร่างได้เองกลายเป็นทิศทางงานวิจัยแนวหน้าที่ทีมวิจัยจีนหลายทีมให้ความสนใจในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา และยังเป็นประเด็นร้อนในวงการวัสดุศาสตร์ระดับนานาชาติด้วย ตัวอย่างเช่น มหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งประเทศจีน (USTC) เคยรายงานไฮโดรเจลที่ตอบสนองต่อแสง ซึ่งรูปทรงสามมิติสามารถขยายและปรับเปลี่ยนรูปร่างได้อย่างรวดเร็วและมากภายใต้แสง และถูกนำไปใช้ขับเคลื่อนโครงสร้างหุ่นยนต์นิ่มขนาดจิ๋วแบบหมุน ส่วนทีมวิจัยจากมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีปักกิ่ง (Beijing Institute of Technology) ก็เคยรายงานวิธีการผลิตไฮโดรเจลที่เติบโตได้เองโดยได้แรงบันดาลใจจากธรรมชาติผ่านการพอลิเมอไรเซชันที่พื้นผิวสัมพันธ์ ในระดับนานาชาติ นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีนันยาง (NTU) ของสิงคโปร์ และมหาวิทยาลัยคาร์เนกีเมลลอนของสหรัฐฯ ก็เคยรายงานเช่นกันว่า การควบคุมความเข้มข้นของออกซิเจนในระบบสามารถชี้นำให้ไฮโดรเจลเติบโตตามแนวทางที่กำหนดไว้ล่วงหน้า จนเกิดเป็นรูปทรงสามมิติที่ซับซ้อนคล้ายเนื้อเยื่อพืชและสัตว์ตามธรรมชาติ แนวทางวิจัยเหล่านี้ต่างมีจุดเน้นต่างกัน บางส่วนเน้นการเปลี่ยนรูปอย่างรวดเร็วภายใต้สนามภายนอกเช่นแสงหรือแม่เหล็ก บางส่วนเน้นการเติบโตร่วมกันในระยะยาวระหว่างวัสดุกับเนื้อเยื่อมีชีวิต ซึ่งรวมกันสร้างภาพรวมที่หลากหลายของงานวิจัยไฮโดรเจลอัจฉริยะในปัจจุบัน และยังสะท้อนถึงความทุ่มเทอย่างต่อเนื่องและความสามารถในการแข่งขันระดับนานาชาติของทีมวิจัยจีนในสาขาสหวิทยาการที่กำลังเกิดใหม่นี้

นักวิจัยระบุว่า ขั้นต่อไปจะมุ่งเน้นการตรวจสอบความเสถียรในการเติบโตของระบบไฮโดรเจลนี้ในสภาพแวดล้อมของร่างกายสัตว์ ความปลอดภัยทางชีวภาพในระยะยาว และประสิทธิภาพในการรวมตัวกับส่วนต่อประสานของเนื้อเยื่อจริง เพื่อผลักดันระบบวัสดุนี้จากห้องปฏิบัติการไปสู่ขั้นการวิจัยก่อนการทดลองทางคลินิก แม้ว่าการนำไปใช้ทางการแพทย์จริงยังอยู่ห่างไกลพอสมควร แต่ผลงานนี้แสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ในการใช้การออกแบบระดับโมเลกุลเพื่อให้วัสดุสังเคราะห์เลียนแบบคุณสมบัติ "การเติบโต" ของสิ่งมีชีวิต ซึ่งเป็นพื้นฐานทางวิทยาศาสตร์และต้นแบบการออกแบบที่สำคัญสำหรับการพัฒนาวัสดุชีวการแพทย์รุ่นต่อไปที่สามารถเติบโต ปรับตัว และพัฒนาไปพร้อมกับเนื้อเยื่อมนุษย์ได้