Científicos de la Universidad Tecnológica de Nanyang, Singapur (NTU Singapur) ha desarrollado un nuevo biomaterial hecho completamente con piel de rana toro y escamas de pescado desechadas que podría ayudar en la reparación ósea.

El biomaterial poroso, que contiene los mismos compuestos que son predominantes en los huesos, actúa como un andamio para que las células formadoras de hueso se adhieran y se multipliquen, que conduce a la formación de hueso nuevo.

A través de experimentos de laboratorio, El equipo de NTU Singapur descubrió que las células formadoras de hueso humano sembradas en el andamio de biomaterial se adhirieron con éxito y comenzaron a multiplicarse, una señal de crecimiento. También encontraron que el riesgo de que el biomaterial desencadene una respuesta inflamatoria es bajo.

Tal andamio podría usarse para ayudar con la regeneración del tejido óseo perdido por una enfermedad o lesión, como defectos de la mandíbula por traumatismo o cirugía de cáncer. También podría ayudar al crecimiento óseo alrededor de implantes quirúrgicos como los implantes dentales.

Los científicos creen que el biomaterial es una alternativa prometedora a la práctica estándar actual de utilizar los propios tejidos del paciente. que requiere una cirugía adicional para la extracción de hueso. Al mismo tiempo, la producción de este biomaterial aborda el problema de los residuos de la acuicultura, dijo el profesor asistente Dalton Tay de la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales (MSE) de la NTU, quien dirigió el estudio multidisciplinario.

Más de 20 millones de toneladas de subproductos pesqueros, como las aletas, escamas, y pieles, se descartan todos los años. En Singapur, el consumo anual combinado de carne y pescado de rana se estima en alrededor de 100 millones de kilogramos, hacer piel de rana toro y escamas de pescado, dos de las corrientes laterales de desechos de la acuicultura más grandes de Singapur.

El profesor adjunto Dalton Tay dijo:"Adoptamos el enfoque de 'conversión de residuos en recursos' en nuestro estudio y convertimos los descartes en un material de alto valor con aplicaciones biomédicas, cerrando el ciclo de residuos en el proceso. Nuestros estudios de laboratorio demostraron que el biomaterial que diseñamos podría ser una opción prometedora que ayude con la reparación ósea. El potencial de este biomaterial es muy amplio, que van desde la reparación de defectos óseos debidos a lesiones o envejecimiento, a las aplicaciones dentales para la estética. Nuestra investigación se basa en el trabajo de NTU en el área de la sostenibilidad y está en línea con el enfoque de economía circular de Singapur hacia una nación sin residuos ".

Profesor Matthew Hu Xiao, el coautor del estudio y director del Centro de Química y Materiales Ambientales, Instituto de Investigación del Agua y el Medio Ambiente de Nanyang (NEWRI), agregó:"Estas corrientes de desechos también se pueden convertir en productos químicos y materiales ecológicos para la remediación ambiental y el tratamiento oportuno puede reducir la contaminación de las aguas residuales".

Profesor clínico asociado Goh Bee Tin, Director de Investigación del Centro Dental Nacional de Singapur, que no participó en el estudio, dijo:"El Centro Dental Nacional de Singapur está entusiasmado con el uso de piel de rana toro como biomaterial natural para la regeneración de tejidos. Vemos muchas aplicaciones dentales potenciales que van desde la regeneración de los tejidos de las encías en la enfermedad periodontal, al hueso para la colocación de implantes dentales, a la mandíbula después de una cirugía tumoral. Evitar la necesidad de una cirugía de extracción ósea adicional también se traduce en ahorros de tiempo y costos, y menos dolor para los pacientes ".

Los hallazgos de la investigación se publicaron en línea en Ciencia e Ingeniería de Materiales C en abril y se publicará en el volumen 126 de la revista en julio.

El equipo de investigación ha presentado patentes para las aplicaciones de ingeniería de tejido óseo y curación de heridas del biomaterial. El equipo ahora está evaluando aún más la seguridad y eficacia a largo plazo del biomaterial como productos dentales bajo una subvención del Instituto Internacional de Investigación Conjunta China-Singapur y tiene como objetivo acercar la línea tecnológica de residuos a recursos a la comercialización.

Convirtiendo los desechos en tesoros

Con el consumo anual combinado de carne y pescado de rana en Singapur estimado en alrededor de 100 millones de kilogramos, La piel de rana toro y las escamas de pescado son dos de las corrientes secundarias de desechos de la acuicultura más grandes de Singapur. Los desechos de la pesca utilizados por el equipo de NTU se recolectaron de Khai Seng Fish Farm y Jurong Frog Farm.

Para hacer el biomaterial, El equipo extrajo por primera vez tropocolágeno tipo 1 (muchas moléculas de las cuales forman fibras de colágeno) de las pieles desechadas de la rana toro estadounidense. cultivados localmente e importados a Singapur en grandes cantidades para el consumo; e hidroxiapatita (un compuesto de fosfato de calcio) de las escamas del pez cabeza de serpiente, comúnmente conocido como el pez Toman.

El colágeno y la hidroxiapatita (HA) son dos componentes predominantes que se encuentran en los huesos, confiriendo así al biomaterial una estructura, composición, y capacidad para promover la unión de células que son como el hueso. Estos dos componentes también hacen que el biomaterial sea resistente.

Los científicos eliminaron todas las impurezas de la piel de la rana toro, luego se mezcla para formar una pasta de colágeno espesa que se diluye con agua. Luego se extrajo colágeno de esta mezcla. "Con este enfoque, pudimos obtener el rendimiento más alto jamás reportado de colágeno de aproximadamente el 70 por ciento de la piel de rana, haciendo que este enfoque sea comercialmente viable, "dijo el profesor asistente Tay, quien también es de la Escuela de Ciencias Biológicas de la NTU (SBS).

El HA se extrajo de las escamas de pescado desechadas mediante calcinación, un proceso de purificación que requiere altas temperaturas, para eliminar la materia orgánica. y luego secar al aire.

El biomaterial se sintetizó agregando HA en polvo al colágeno extraído, luego moldear en un molde para producir un andamio poroso 3D. Todo este proceso tomó menos de dos semanas y el equipo cree que se puede acortar y ampliar aún más.

Experimento de prueba de concepto

Para evaluar el rendimiento biológico del andamio de biomaterial poroso para la reparación ósea, los científicos sembraron células formadoras de hueso en el andamio.

En sus experimentos de laboratorio, encontraron que el número de células aumentó significativamente. Despues de una semana, las células se distribuyeron uniformemente a través del andamio, un indicador de que el andamio podría promover las actividades celulares adecuadas y eventualmente conducir a la formación de tejidos. Los científicos también encontraron que la presencia de HA en el biomaterial mejoró significativamente la formación de hueso.

El biomaterial también se probó por su tendencia a causar una respuesta inflamatoria, que es común después de que se implanta un biomaterial en el cuerpo. Usando la reacción en cadena de la polimerasa en tiempo real, Los científicos encontraron que el nivel de expresión de genes proinflamatorios en células inmunes humanas expuestas al biomaterial seguía siendo "relativamente modesto" en comparación con un control expuesto a endotoxinas. un compuesto conocido por estimular la respuesta inmune, dijo el profesor asistente Tay.

Por ejemplo, la expresión del gen IL6 en el grupo de biomateriales fue insignificante y al menos 50 veces menor que la de las células inmunes expuestas a endotoxinas. Esto sugiere que el riesgo de que el biomaterial desarrollado por NTU desencadene una respuesta inflamatoria aguda excesiva es bajo.

Tomados en conjunto, Estos hallazgos demuestran el potencial del andamio de biomaterial, sintetizado a partir de piel de rana toro descartada y escamas de pescado, como un prometedor material sustituto de injerto óseo de desperdicio a recurso para la reparación y regeneración ósea.

Sra. Chelsea Wan, Director, Jurong Frog Farm dijo:"La industria de la acuicultura es una vía importante para satisfacer la creciente demanda mundial de productos del mar seguros y de calidad". pero un gran desafío al que nos enfrentamos es el enorme desperdicio y reciclaje de valiosos recursos acuáticos. En Singapur, el consumo anual combinado de carne y pescado de rana se estima en alrededor de 100 millones de kilogramos, haciendo piel de rana toro y escamas de pescado, dos de las corrientes laterales de desechos de la acuicultura más grandes aquí. La integración de múltiples corrientes de desechos de productos del mar en un solo producto de alto valor es un ejemplo destacado de innovación sostenible para la industria de la acuicultura ".

Avanzando, El equipo de investigación espera trabajar con socios clínicos e industriales en estudios con animales para descubrir cómo los tejidos del cuerpo responderían a este biomaterial a largo plazo. y la capacidad del material para reparar defectos óseos y heridas dérmicas, así como acercar todo el proceso tecnológico de residuos a recursos a la comercialización.