Forskare vid Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) har utvecklat ett nytt biomaterial helt tillverkat av kasserat bullgrodskinn och fiskfjäll som kan hjälpa till med benreparation.

Det porösa biomaterialet, som innehåller samma föreningar som är dominerande i ben, fungerar som en ställning för benbildande celler att fästa vid och föröka sig, leder till bildandet av nytt ben.

Genom laboratorieförsök, NTU Singapore-teamet fann att mänskliga benbildande celler som såddes på biomaterialställningen framgångsrikt fäste sig och började föröka sig - ett tecken på tillväxt. De fann också att risken för att biomaterialet utlöser ett inflammatoriskt svar är låg.

En sådan ställning skulle kunna användas för att hjälpa till med regenereringen av benvävnad som förlorats på grund av sjukdom eller skada, såsom käkdefekter från trauma eller cancerkirurgi. Det kan också hjälpa till bentillväxt runt kirurgiska implantat som tandimplantat.

Forskarna tror att biomaterialet är ett lovande alternativ till den nuvarande standardpraxisen att använda en patients egna vävnader, vilket kräver ytterligare operation för benextraktion. På samma gång, produktionen av detta biomaterial tar itu med problemet med vattenbruksavfall, sa assisterande professor Dalton Tay från NTU School of Materials Science and Engineering (MSE), som ledde den tvärvetenskapliga studien.

Mer än 20 miljoner ton fiskbiprodukter, såsom fenor, vågar, och skinn, kasseras varje år. I Singapore, den sammanlagda årliga konsumtionen av grodkött och fisk uppskattas till cirka 100 miljoner kilogram, gör oxgrodskinn och fiskfjäll till två av Singapores största sidoströmmar för vattenbruksavfall.

Ast Prof Dalton Tay sa:"Vi tog "avfall-till-resurs"-metoden i vår studie och förvandlade utkast till ett högvärdigt material med biomedicinska tillämpningar, stänga avfallsslingan i processen. Våra labbstudier visade att biomaterialet vi har konstruerat kan vara ett lovande alternativ som hjälper till med benreparation. Potentialen för detta biomaterial är mycket bred, allt från att reparera bendefekter på grund av skada eller åldrande, till dentala tillämpningar för estetik. Vår forskning bygger på NTU:s verksamhet inom hållbarhetsområdet och är i linje med Singapores cirkulära ekonomistrategi mot en nation med noll avfall."

Professor Matthew Hu Xiao, studiens medförfattare och chef för Environmental Chemistry and Materials Centre, Nanyang Environment and Water Research Institute (NEWRI), tillade:"Dessa avfallsströmmar kan också omvandlas till gröna kemikalier och material för miljösanering och snabb behandling kan minska förorening av avloppsvatten."

Klinisk docent Goh Bee Tin, Forskningschef vid National Dental Center Singapore, som inte var involverad i studien, sa:"National Dental Center Singapore är entusiastiska över användningen av bullgrodhud som ett naturligt biomaterial för vävnadsregenerering. Vi ser många potentiella dentala tillämpningar som sträcker sig från regenerering av tandköttsvävnad vid periodontal sjukdom, till ben för placering av tandimplantat, till käkbenet efter tumöroperation. Att undanröja behovet av ytterligare benskördningskirurgi leder också till tids- och kostnadsbesparingar, och mindre smärta för patienterna."

Forskningsresultaten publicerades online i Materialvetenskap och teknik C i april och kommer att publiceras i volym 126 av tidskriften i juli.

Forskargruppen har lämnat in patent för biomaterialets sårläkning och benvävnadsteknik. Teamet utvärderar nu ytterligare den långsiktiga säkerheten och effektiviteten av biomaterialet som dentala produkter under ett anslag från Kina-Singapore International Joint Research Institute och syftar till att föra den tekniska pipelinen avfall-till-resurs närmare kommersialisering.

Att förvandla avfall till skatt

Med den sammanlagda årliga konsumtionen av grodkött och fisk i Singapore uppskattad till cirka 100 miljoner kilo, bullgrodskinn och fiskfjäll är två av Singapores största sidoströmmar för vattenbruksavfall. Fiskeavfallet som användes av NTU-teamet samlades in från Khai Seng Fish Farm och Jurong Frog Farm.

För att tillverka biomaterialet, teamet extraherade först typ 1-tropokollagen (av vilka många molekyler bildar kollagenfibrer) från de kasserade skinnen på den amerikanska bullgrodan, lokalt odlad och importerad till Singapore i stort antal för konsumtion; och hydroxiapatit (en kalciumfosfatförening) från fjällen hos ormhuvudfiskar, allmänt känd som tomanfisken.

Kollagen och hydroxiapatit (HA) är två dominerande komponenter som finns i ben, på så sätt ger biomaterialet en struktur, sammansättning, och förmåga att främja cellvidhäftning som är som benet. Dessa två komponenter gör också biomaterialet segt.

Forskarna tog bort alla orenheter från oxgrodans hud, blandade sedan till en tjock kollagenpasta som späds ut med vatten. Kollagen extraherades sedan från denna blandning. "Med detta tillvägagångssätt, vi kunde få det högsta någonsin rapporterade utbytet av kollagen på cirka 70 procent från grodhud, vilket gör detta tillvägagångssätt kommersiellt gångbart, " sa Asst Prof Tay, som också är från NTU School of Biological Sciences (SBS).

HA skördades från kasserade fiskfjäll genom kalcinering - en reningsprocess som kräver hög värme - för att avlägsna det organiska materialet, och lufttorkas sedan.

Biomaterialet syntetiserades genom att tillsätta HA-pulver till det extraherade kollagenet, gjutas sedan i en form för att producera en 3D-porös ställning. Hela den här processen tog mindre än två veckor och teamet tror att den kan både förkortas och skalas upp ytterligare.

Proof-of-concept experiment

För att bedöma den biologiska prestandan hos den porösa biomaterialställningen för benreparation, forskarna sådde benbildande celler på ställningen.

I sina laboratorieexperiment, de fann att antalet celler ökade betydligt. Efter en vecka, cellerna var jämnt fördelade över ställningen – en indikator på att ställningen kunde främja korrekt cellulära aktiviteter och så småningom leda till bildandet av vävnader. Forskarna fann också att närvaron av HA i biomaterialet avsevärt förbättrade benbildningen.

Biomaterialet testades också för dess tendens att orsaka ett inflammatoriskt svar, vilket är vanligt efter att ett biomaterial har implanterats i kroppen. Genom att använda polymeraskedjereaktion i realtid, forskarna fann att uttrycksnivån av pro-inflammatoriska gener i mänskliga immunceller exponerade för biomaterialet förblev "relativt blygsam" jämfört med en kontroll exponerad för endotoxiner, en förening som är känd för att stimulera immunsvar, sa Asst Prof Tay.

Till exempel, uttrycket av genen IL6 i biomaterialgruppen var försumbart och minst 50 gånger lägre än det hos de endotoxiner-exponerade immuncellerna. Detta tyder på att risken för att det NTU-utvecklade biomaterialet utlöser ett överdrivet akut inflammatoriskt svar är låg.

Tagen tillsammans, dessa fynd visar potentialen hos biomaterialställningen, syntetiserad från kasserat bullgrodskinn och fiskfjäll, som ett lovande avfall-till-resurs bentransplantatersättningsmaterial för benreparation och regenerering.

Ms Chelsea Wan, Direktör, Jurong Frog Farm sa:"Vattenbruksindustrin är en viktig väg för att möta den globala växande efterfrågan på säkra och kvalitativa skaldjur, men en stor utmaning vi står inför är det enorma slöseriet och nedåtgående kretsloppet av värdefulla vattenresurser. I Singapore, den sammanlagda årliga konsumtionen av grodkött och fisk uppskattas till cirka 100 miljoner kilogram, gör oxgrodskinn och fiskfjäll till två av de största sidoströmmarna från vattenbruksavfall här. Integreringen av flera avfallsströmmar från skaldjur i en enda högvärdig produkt är ett ledande exempel på hållbar innovation för vattenbruksindustrin."

Går framåt, forskargruppen hoppas kunna arbeta med kliniska och industriella partners på djurstudier för att ta reda på hur vävnader i kroppen skulle svara på detta biomaterial på lång sikt, och materialets förmåga att reparera bendefekter och dermala sår, samt att föra hela den tekniska pipelinen avfall till resurs närmare kommersialisering.