El biomaterial poroso actúa como un andamio para que las células formadoras de hueso se adhieran y se multipliquen
Científicos de la Universidad Tecnológica de Nanyang, Singapur (NTU Singapur) han desarrollado un nuevo biomaterial hecho completamente de 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 predominan en los huesos, actúa como un andamio para que las células formadoras de hueso se adhieran y se multipliquen, lo que lleva 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 es bajo el riesgo de que el biomaterial desencadene una respuesta inflamatoria.
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 actual práctica estándar de utilizar los propios tejidos del paciente, que requiere una cirugía adicional para la extracción del hueso. Al mismo tiempo, la producción de este biomaterial aborda el problema de los desechos 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.
Cada año se descartan más de 20 millones de toneladas de subproductos pesqueros, como aletas, escamas y pieles. En Singapur, el consumo anual combinado de pescado y carne de rana se estima en alrededor de 100 millones de kilogramos, lo que hace que la piel de rana toro y las escamas de pescado sean dos de las corrientes secundarias de desechos de la acuicultura más grandes de Singapur.
Los científicos de NTUsg convirtieron los desechos de la acuicultura en un nuevo biomaterial para la reparación de tejidos. Crédito: NTU Singapur
El profesor adjunto Dalton Tay dijo: "En nuestro estudio, adoptamos el enfoque de 'conversión de residuos en recursos' 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, desde la reparación de defectos óseos debidos a lesiones o envejecimiento, hasta aplicaciones dentales para la estética. Nuestra investigación se basa en el trabajo de la NTU en el área de la sostenibilidad y está en línea con el enfoque de economía circular de Singapur hacia una nación sin residuos".
El profesor Matthew Hu Xiao, coautor del estudio y director del Centro de Química y Materiales Ambientales del 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".
El 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 potenciales aplicaciones dentales que van desde la regeneración de los tejidos de las encías en la enfermedad periodontal hasta el hueso para la colocación de implantes dentales y el hueso de la mandíbula después de una cirugía tumoral. Evitar la necesidad de una cirugía adicional de extracción de hueso también se traduce en ahorros de tiempo y costos, y menos dolor para los pacientes".
El equipo de investigación ha presentado patentes para las aplicaciones de ingeniería de tejido óseo y curación de heridas del biomaterial. El equipo está evaluando ahora 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.
Convertir los desechos en tesoros
Con el consumo anual combinado de pescado y carne de rana en Singapur que se estima en alrededor de 100 millones de kilogramos, la piel de rana toro y las escamas de pescado son dos de los flujos secundarios 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 primero extrajo tropocolágeno tipo 1 (muchas moléculas de las cuales forman fibras de colágeno) de las pieles desechadas de la rana toro americana (Rana catesbeiana), cultivada localmente e importada a Singapur en grandes cantidades para el consumo; e hidroxiapatita (un compuesto de fosfato de calcio) de las escamas del pez cabeza de serpiente (Channa micropeltes), comúnmente conocido como pez Toman.
El colágeno y la hidroxiapatita (HA) son dos componentes predominantes que se encuentran en los huesos, lo que confiere al biomaterial una estructura, composición y capacidad para promover la unión celular que es 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 y luego la mezclaron para formar una espesa pasta de colágeno que se diluye con agua. A continuación, se extrajo colágeno de esta mezcla. "Con este enfoque, pudimos obtener el rendimiento más alto jamás informado de colágeno de aproximadamente el 70 por ciento de la piel de rana, lo que hace que este enfoque sea comercialmente viable", dijo Asst Prof Tay, quien también es de la Escuela de Ciencias Biológicas de la NTU ( SBS).
La HA se extrajo de las escamas de pescado desechadas mediante calcinación, un proceso de purificación que requiere mucho calor, para eliminar la materia orgánica y luego se secó al aire.
El biomaterial se sintetizó agregando HA en polvo al colágeno extraído, luego se moldeó 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 en el andamio células formadoras de hueso.
En sus experimentos de laboratorio, encontraron que la cantidad de células aumentaba significativamente. Después 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. Utilizando 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 inmunitaria, 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 es bajo el riesgo de que el biomaterial desarrollado por la NTU desencadene una excesiva respuesta inflamatoria aguda.
En conjunto, estos hallazgos demuestran el potencial del andamio de biomaterial, sintetizado a partir de piel de rana toro y escamas de pescado desechadas, como un material sustituto de injerto óseo prometedor para la reparación y regeneración ósea.
Chelsea Wan, directora de 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 de rana y pescado se estima en alrededor de 100 millones de kilogramos, lo que hace que la piel de rana toro y las escamas de pescado sean dos de las corrientes laterales de desechos de la acuicultura más grandes. 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".
En el futuro, el equipo de investigación espera trabajar con socios clínicos e industriales en estudios con animales para descubrir cómo responderían a largo plazo los tejidos del cuerpo a este biomaterial, y la capacidad del material para reparar defectos óseos y heridas dérmicas, así como para acercar todo el proceso tecnológico de residuos a recursos a la comercialización.
Los hallazgos de la investigación se publicaron en línea en Materials Science and Engineering C en abril y se publicarán en el volumen 126 de la revista en julio: Sustainable aquaculture side-streams derived hybrid biocomposite for bone tissue engineering
