Wetenschappers aan de Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) heeft een nieuw biomateriaal ontwikkeld dat volledig is gemaakt van afgedankte brulkikkerhuid en vissenschubben dat kan helpen bij botherstel.

Het poreuze biomateriaal, die dezelfde verbindingen bevat die overheersend zijn in botten, fungeert als een steiger voor botvormende cellen om zich te hechten en zich te vermenigvuldigen, wat leidt tot de vorming van nieuw bot.

Door laboratoriumexperimenten, het NTU Singapore-team ontdekte dat menselijke botvormende cellen die op de biomateriaal-steiger waren gezaaid, zich met succes hechtten en zich begonnen te vermenigvuldigen - een teken van groei. Ze ontdekten ook dat het risico dat het biomateriaal een ontstekingsreactie veroorzaakt, laag is.

Zo'n stellage zou kunnen worden gebruikt om te helpen bij de regeneratie van botweefsel dat verloren is gegaan door ziekte of letsel, zoals kaakafwijkingen door trauma of kankerchirurgie. Het kan ook helpen bij de botgroei rond chirurgische implantaten zoals tandheelkundige implantaten.

De wetenschappers geloven dat het biomateriaal een veelbelovend alternatief is voor de huidige standaardpraktijk van het gebruik van eigen weefsels van een patiënt. waarvoor extra chirurgie nodig is voor botextractie. Tegelijkertijd, de productie van dit biomateriaal pakt het probleem van aquacultuurafval aan, zei assistent-professor Dalton Tay van de NTU School of Materials Science and Engineering (MSE), die het multidisciplinaire onderzoek leidde.

Meer dan 20 miljoen ton visserijbijproducten, zoals vinnen, schubben, en huiden, worden elk jaar weggegooid. In Singapore, de gecombineerde jaarlijkse consumptie van kikkervlees en vis wordt geschat op ongeveer 100 miljoen kilogram, het maken van brulkikkerhuid en vissenschubben twee van de grootste afvalstromen van de aquacultuur in Singapore.

Asst Prof Dalton Tay zei:"We hebben in onze studie de 'waste-to-resource'-benadering gevolgd en hebben we teruggooi omgezet in een hoogwaardig materiaal met biomedische toepassingen, het sluiten van de afvallus in het proces. Onze laboratoriumstudies toonden aan dat het biomateriaal dat we hebben ontwikkeld een veelbelovende optie kan zijn die helpt bij botherstel. Het potentieel voor dit biomateriaal is zeer breed, variërend van het herstellen van botdefecten als gevolg van letsel of veroudering, tot tandheelkundige toepassingen voor esthetiek. Ons onderzoek bouwt voort op NTU's oeuvre op het gebied van duurzaamheid en sluit aan bij Singapore's circulaire economie-aanpak naar een afvalvrije natie."

Professor Matthew Hu Xiao, de co-auteur van de studie en directeur van het Environmental Chemistry and Materials Centre, Nanyang Milieu- en Wateronderzoeksinstituut (NEWRI), toegevoegd:"Deze afvalstromen kunnen ook worden omgezet in groene chemicaliën en materialen voor milieusanering en een tijdige behandeling kan de verontreiniging van afvalwater verminderen."

Klinisch universitair hoofddocent Goh Bee Tin, Directeur voor onderzoek bij het National Dental Centre Singapore, die niet bij het onderzoek betrokken was, zei:"Het National Dental Centre Singapore is enthousiast over het gebruik van brulkikkerhuid als natuurlijk biomateriaal voor weefselregeneratie. We zien veel potentiële tandheelkundige toepassingen, variërend van de regeneratie van tandvlees bij parodontitis, tot bot voor plaatsing van tandheelkundige implantaten, naar het kaakbot na een tumoroperatie. Het wegnemen van de noodzaak voor aanvullende botafname-operaties vertaalt zich ook in tijd- en kostenbesparingen, en minder pijn voor patiënten."

De onderzoeksresultaten zijn online gepubliceerd in Materiaalwetenschappen en techniek C in april en zal in juli worden gepubliceerd in Volume 126 van het tijdschrift.

Het onderzoeksteam heeft patenten aangevraagd voor de toepassingen voor wondgenezing en botweefselengineering van het biomateriaal. Het team evalueert nu de veiligheid en werkzaamheid op lange termijn van het biomateriaal als tandheelkundige producten met een subsidie ​​van het China-Singapore International Joint Research Institute en heeft tot doel de technologische pijplijn van afval naar grondstof dichter bij commercialisering te brengen.

Afval in schatten veranderen

Met de gecombineerde jaarlijkse consumptie van kikkervlees en vis in Singapore geschat op ongeveer 100 miljoen kilogram, brulkikkerhuid en vissenschubben zijn twee van de grootste afvalstromen van de aquacultuur in Singapore. Het visserijafval dat door het NTU-team werd gebruikt, werd verzameld bij Khai Seng Fish Farm en Jurong Frog Farm.

Om het biomateriaal te maken, het team extraheerde eerst Type 1 tropocollageen (waarvan vele moleculen collageenvezels vormen) uit de afgedankte huiden van de Amerikaanse brulkikker, lokaal gekweekt en in grote aantallen in Singapore geïmporteerd voor consumptie; en hydroxyapatiet (een calciumfosfaatverbinding) uit de schubben van slangenkopvissen, algemeen bekend als de Toman-vis.

Collageen en hydroxyapatiet (HA) zijn twee overheersende componenten in botten, waardoor het biomateriaal een structuur krijgt, samenstelling, en het vermogen om celhechting te bevorderen die lijkt op het bot. Deze twee componenten maken het biomateriaal ook taai.

De wetenschappers verwijderden alle onzuiverheden van de brulkikkerhuid, vervolgens gemengd om een ​​dikke collagene pasta te vormen die wordt verdund met water. Collageen werd vervolgens uit dit mengsel geëxtraheerd. "Door deze aanpak te gebruiken, we waren in staat om de hoogste ooit gerapporteerde opbrengst aan collageen van ongeveer 70 procent uit kikkerhuid te halen, waardoor deze aanpak commercieel levensvatbaar wordt, " zei Asst Prof Tay, die ook van de NTU School of Biological Sciences (SBS) is.

HA werd geoogst uit afgedankte visschubben door middel van calcineren - een zuiveringsproces dat hoge temperaturen vereist - om het organische materiaal te verwijderen, en daarna aan de lucht gedroogd.

Het biomateriaal werd gesynthetiseerd door HA-poeder toe te voegen aan het geëxtraheerde collageen, vervolgens gegoten in een mal om een ​​3D poreuze steiger te produceren. Dit hele proces duurde minder dan twee weken en het team denkt dat het zowel verder kan worden verkort als opgeschaald.

Proof-of-concept-experiment

Om de biologische prestaties van de poreuze biomateriaalsteiger voor botherstel te beoordelen, de wetenschappers zaaiden botvormende cellen op de steiger.

In hun laboratoriumexperimenten, ze ontdekten dat het aantal cellen aanzienlijk toenam. Na een week, de cellen waren uniform verdeeld over de scaffold - een indicator dat de scaffold goede cellulaire activiteiten zou kunnen bevorderen en uiteindelijk tot de vorming van weefsels zou kunnen leiden. De wetenschappers ontdekten ook dat de aanwezigheid van HA in het biomateriaal de botvorming aanzienlijk verbeterde.

Het biomateriaal werd ook getest op zijn neiging om een ​​ontstekingsreactie te veroorzaken, wat gebruikelijk is nadat een biomateriaal in het lichaam is geïmplanteerd. Met behulp van real-time polymerasekettingreactie, de wetenschappers ontdekten dat het expressieniveau van pro-inflammatoire genen in menselijke immuuncellen die werden blootgesteld aan het biomateriaal "relatief bescheiden" bleef in vergelijking met een controle die werd blootgesteld aan endotoxinen, een verbinding waarvan bekend is dat deze de immuunrespons stimuleert, zei Asst Prof Tay.

Bijvoorbeeld, de expressie van het gen IL6 in de biomateriaalgroep was verwaarloosbaar en minstens 50 keer lager dan die van de aan endotoxinen blootgestelde immuuncellen. Dit suggereert dat het risico dat het door NTU ontwikkelde biomateriaal een overmatige acute ontstekingsreactie veroorzaakt, laag is.

Bij elkaar genomen, deze bevindingen tonen het potentieel van de biomateriaalsteiger aan, gesynthetiseerd uit afgedankte brulkikkerhuid en vissenschubben, als een veelbelovend bottransplantaatvervangingsmateriaal van afval naar grondstof voor botherstel en -regeneratie.

mevrouw Chelsea Wan, Regisseur, Jurong Frog Farm zei:"De aquacultuurindustrie is een belangrijke manier om te voldoen aan de wereldwijde groeiende vraag naar veilige en hoogwaardige zeevruchten, maar een grote uitdaging waar we voor staan, is de enorme verspilling en downcycling van waardevolle aquatische hulpbronnen. In Singapore, de gecombineerde jaarlijkse consumptie van kikkervlees en vis wordt geschat op ongeveer 100 miljoen kilogram, waardoor brulkikkerhuid en vissenschubben hier twee van de grootste afvalstromen van de aquacultuur zijn. De integratie van meerdere afvalstromen van zeevruchten in een enkel hoogwaardig product is een toonaangevend voorbeeld van duurzame innovatie voor de aquacultuurindustrie."

Vooruit gaan, het onderzoeksteam hoopt samen te werken met klinische en industriële partners aan dierstudies om erachter te komen hoe weefsels in het lichaam op lange termijn op dit biomateriaal zouden reageren, en het vermogen van het materiaal om botdefecten en huidwonden te herstellen, en om de volledige technologische pijplijn van afval naar grondstof dichter bij commercialisering te brengen.