Forskere forvandler akvakulturaffald til nyt biomateriale til vævsreparation

Forskere ved Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) har udviklet et nyt biomateriale, der udelukkende er lavet af kasseret tyrefrøskind og fiskeskæl, som kan hjælpe med knoglereparation.

Det porøse biomateriale, som indeholder de samme forbindelser, som er fremherskende i knogler, fungerer som et stillads for knogledannende celler til at klæbe til og formere sig, fører til dannelse af ny knogle.

Gennem laboratorieforsøg, NTU Singapore-teamet fandt ud af, at menneskelige knogledannende celler, der blev podet på biomaterialestilladset, med succes fæstede sig og begyndte at formere sig - et tegn på vækst. De fandt også, at risikoen for, at biomaterialet udløser en inflammatorisk reaktion, er lav.

Et sådant stillads kunne bruges til at hjælpe med regenerering af knoglevæv tabt på grund af sygdom eller skade, såsom kæbedefekter fra traumer eller kræftkirurgi. Det kan også hjælpe knoglevækst omkring kirurgiske implantater såsom tandimplantater.

Forskerne mener, at biomaterialet er et lovende alternativ til den nuværende standardpraksis med at bruge en patients eget væv, hvilket kræver yderligere operation til knogleudtrækning. På samme tid, produktionen af ​​dette biomateriale løser problemet med akvakulturaffald, sagde adjunkt Dalton Tay fra NTU School of Materials Science and Engineering (MSE), der ledede det tværfaglige studie.

Mere end 20 millioner tons fiskeribiprodukter, såsom finner, vægte, og skind, kasseres hvert år. I Singapore, det samlede årlige forbrug af frøkød og fisk anslås at være omkring 100 millioner kg, laver tyrefrøskind og fiskeskæl til to af Singapores største akvakulturaffaldssidestrømme.

Asst Prof Dalton Tay sagde:"Vi tog 'affald-til-ressource' tilgangen i vores undersøgelse og forvandlede udsmid til et materiale af høj værdi med biomedicinske anvendelser, at lukke affaldskredsen i processen. Vores laboratorieundersøgelser viste, at det biomateriale, vi har konstrueret, kunne være en lovende mulighed, der hjælper med knoglereparation. Potentialet for dette biomateriale er meget bredt, lige fra reparation af knoglefejl på grund af skade eller aldring, til tandlægeapplikationer til æstetik. Vores forskning bygger på NTU's arbejde inden for bæredygtighed og er i tråd med Singapores cirkulære økonomis tilgang til en nul-affaldsnation."

Professor Matthew Hu Xiao, undersøgelsens medforfatter og direktør for Miljøkemi- og Materialecenteret, Nanyang Environment and Water Research Institute (NEWRI), tilføjet:"Disse affaldsstrømme kan også omdannes til grønne kemikalier og materialer til miljøsanering og rettidig behandling kan reducere spildevandsforurening."

Klinisk lektor Goh Bee Tin, Forskningsdirektør ved National Dental Center Singapore, som ikke var involveret i undersøgelsen, sagde:"National Dental Center Singapore er begejstret for brugen af ​​tyrefrøhud som et naturligt biomateriale til vævsregenerering. Vi ser mange potentielle dentale anvendelser lige fra regenerering af tandkødsvæv i periodontal sygdom, til knogle til placering af tandimplantater, til kæbeben efter tumoroperation. At undgå behovet for yderligere knoglehøstkirurgi betyder også tids- og omkostningsbesparelser, og mindre smerte for patienterne."

Forskningsresultaterne blev offentliggjort online i Materialevidenskab og teknik C i april og udkommer i bind 126 af tidsskriftet i juli.

Forskerholdet har indgivet patenter for biomaterialets sårheling og knoglevævsteknologiske anvendelser. Holdet evaluerer nu yderligere den langsigtede sikkerhed og effektivitet af biomaterialet som dentale produkter under en bevilling fra Kina-Singapore International Joint Research Institute og sigter mod at bringe den teknologiske pipeline fra affald til ressource tættere på kommercialisering.

At gøre affald til skat

Med det samlede årlige forbrug af frøkød og fisk i Singapore anslået til at være omkring 100 millioner kg, tyrefrøskind og fiskeskæl er to af Singapores største sidestrømme fra akvakulturaffald. Fiskeaffaldet brugt af NTU-holdet blev indsamlet fra Khai Seng Fish Farm og Jurong Frog Farm.

For at lave biomaterialet, holdet ekstraherede først Type 1 tropocollagen (hvoraf mange molekyler danner kollagenfibre) fra den amerikanske oksefrøs kasserede skind, lokalt opdrættet og importeret til Singapore i stort antal til forbrug; og hydroxyapatit (en calciumphosphatforbindelse) fra skæl fra slangehovedfisk, almindeligvis kendt som toman-fisken.

Kollagen og hydroxyapatit (HA) er to overvejende komponenter, der findes i knogler, således bibringer biomaterialet en struktur, sammensætning, og evne til at fremme cellevedhæftning, der er ligesom knoglen. Disse to komponenter gør også biomaterialet sejt.

Forskerne fjernede alle urenheder fra tyrefrøens hud, blandede det derefter til en tyk kollagenholdig pasta, der fortyndes med vand. Kollagen blev derefter ekstraheret fra denne blanding. "Ved at bruge denne tilgang, vi var i stand til at opnå det højeste nogensinde rapporterede udbytte af kollagen på cirka 70 procent fra frøhud, dermed gøre denne tilgang kommercielt levedygtig, " sagde Asst Prof Tay, som også er fra NTU School of Biological Sciences (SBS).

HA blev høstet fra kasserede fiskeskæl gennem kalcinering - en rensningsproces, der kræver høj varme - for at fjerne det organiske stof, og derefter lufttørret.

Biomaterialet blev syntetiseret ved at tilsætte HA-pulver til det ekstraherede kollagen, derefter støbt i en form for at fremstille et 3D porøst stillads. Hele denne proces tog mindre end to uger, og teamet mener, at den både kan forkortes yderligere og opskaleres.

Proof-of-concept eksperiment

For at vurdere den biologiske ydeevne af det porøse biomateriale stillads til knoglereparation, forskerne såede knogledannende celler på stilladset.

I deres laboratorieforsøg, de fandt ud af, at antallet af celler steg betydeligt. Efter en uge, cellerne var ensartet fordelt på tværs af stilladset - en indikator for, at stilladset kunne fremme korrekte cellulære aktiviteter og til sidst føre til dannelse af væv. Forskerne fandt også ud af, at tilstedeværelsen af ​​HA i biomaterialet betydeligt forbedrede knogledannelsen.

Biomaterialet blev også testet for dets tendens til at forårsage en inflammatorisk reaktion, hvilket er almindeligt efter et biomateriale er implanteret i kroppen. Ved brug af polymerasekædereaktion i realtid, forskerne fandt ud af, at ekspressionsniveauet af pro-inflammatoriske gener i humane immunceller udsat for biomaterialet forblev "relativt beskedent" sammenlignet med en kontrol udsat for endotoksiner, en forbindelse kendt for at stimulere immunrespons, sagde Asst Prof Tay.

For eksempel, ekspressionen af ​​genet IL6 i biomaterialegruppen var ubetydelig og mindst 50 gange lavere end ekspressionen af ​​de endotoksineksponerede immunceller. Dette tyder på, at risikoen for, at det NTU-udviklede biomateriale udløser en overdreven akut inflammatorisk respons er lav.

Taget sammen, disse fund viser potentialet i biomaterialestilladset, syntetiseret fra kasseret tyrefrøskind og fiskeskæl, som et lovende affald-til-ressource knogletransplantat-erstatningsmateriale til knoglereparation og -regenerering.

fru Chelsea Wan, Direktør, Jurong Frog Farm sagde:"Akvakulturindustrien er en vigtig vej til at imødekomme den globale voksende efterspørgsel efter sikker og kvalitets fisk og skaldyr, men en stor udfordring, vi står over for, er det enorme spild og downcycling af værdifulde akvatiske ressourcer. I Singapore, det samlede årlige forbrug af frøkød og fisk anslås at være omkring 100 millioner kg, laver tyrefrøskind og fiskeskæl til to af de største akvakulturaffaldssidestrømme her. Integrationen af ​​flere fisk- og skaldyrsaffaldsstrømme i et enkelt højværdiprodukt er et førende eksempel på bæredygtig innovation for akvakulturindustrien."

Fremadrettet, forskerholdet håber at arbejde med kliniske og industrielle partnere om dyreforsøg for at finde ud af, hvordan væv i kroppen ville reagere på dette biomateriale på lang sigt, og materialets evne til at reparere knogledefekter og dermale sår, samt at bringe hele den teknologiske pipeline af affald til ressource tættere på kommercialisering.