Singapur – Los científicos de la Nanyang Technological University (NTU) han desarrollado un nuevo biomaterial hecho completamente de piel de rana toro y escamas de pescado 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 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.
Los investigadores también encontraron que el riesgo de que el biomaterial desencadene una respuesta inflamatoria es bajo.
El “andamio” podría usarse para ayudar a la regeneración del tejido óseo perdido por una enfermedad o lesión, como defectos de la mandíbula por traumatismo o cirugía de cáncer; además de 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 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 School of Materials Science and Engineering (MSE) de NTU.
Descarte de subproductos pesqueros
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 carne de rana y pescado se estima en alrededor de 100 millones de kilogramos, lo que hace que la piel de la rana toro y las escamas de pescado sean los mayores desechos de la acuicultura.
El profesor adjunto Dalto 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 debido a lesiones o envejecimiento, hasta aplicaciones dentales para la estética. Nuestra investigación se basa en el trabajo de NTU en el área de la sostenibilidad y están en línea con el enfoque de economía circular de Singapur hacia una nación cero residuos”.
El profesor Matthew Hu Xiao, coautor del estudio y Director del Environmental Chemistry and Materials Centre, Nanyang Environment and Water Research Institute (NEWRI), agregó: “Estos 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 en el National Dental Centre Singapore, que no participó en el estudio, manifestó: “El National Dental Centre Singapore está entusiasmado con el uso de piel de rana toro como una biomaterial para la regeneración de tejido. Vemos muchas aplicaciones dentales potenciales 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. Obviando la necesidad de una cirugía adicional de extracción ósea, lo que se traduce en ahorro de tiempo y gastos, y menos dolor para los pacientes”.
Patente
El equipo de investigación ha presentado patentes para las aplicaciones de ingeniería de tejido óseo y curación de heridas del biomaterial. Los investigadores están evaluando la seguridad y eficacia a largo plazo del biomaterial como productos dentales bajo una subvención del China Singapore International Joint Research Institute y tiene como objetivo el llevar la tecnología a la comercialización.
Convirtiendo los desechos en tesoros
Los desechos de la acuicultura utilizados por el equipo de científicos de NTU se recolectaron en la piscigranja Khai Seng Fish Farm y en la granja de crianza de rana toro Jurong Frog Farm.
Para producir el biomaterial, el equipo primero extrajo tropocolágeno tipo 1 (muchas moléculas de las cuales se forman las fibras de colágeno) de las pieles desechadas de la rana toro americana, criada localmente, pero que también se importa en grandes cantidades para su consumo; e hidroxiapatita (un compuesto de fosfato de calcio) de las escamas del pez cabeza de serpiente, comúnmente conocido como pez Toman.
El colágeno e 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 pasta de colágeno espesa que se diluye con agua. A continuación, se extrajo colágeno de esta mezcla.
“Usando este enfoque, fuimos capaces de obtener el rendimiento más alto jamás reportado de colágeno de aproximadamente el 70% de la piel de rana, lo que hace que este enfoque sea comercialmente viable” dijo Tay, quien pertenece a NTU School of Biological Sciences (SBS).
HA se extrajo de las escamas de pescado 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 para producir un “andamio” poroso en 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 la cantidad de células aumentaba significativamente.
Después de una semana, las células se distribuyeron uniformemente a través del andamio, lo que indica que 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 las células inmunes humanas expuestas al biomaterial seguía siendo “relativamente modesto” en comparación con un control expuesto a endotoxinas, un compuesto conocido por estimular una respuesta inmune, dijo Tay.
De hecho, 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 NTU desencadene una respuesta inflamatoria excesivamente aguda.
En conjunto, estos hallazgos demuestran el potencial del andamio de biomaterial, sintetizado a partir de piel de rana toro y escamas de pescado, como un material sustituto del injerto óseo para la reparación y regeneración ósea.
Chelsea Wan, Directora de la Jurong Frog Farm, manifestó: “La industria de la acuicultura es una vía importante para satisfacer la creciente demanda mundial de pescados y mariscos seguros y de calidad, pero un gran desafío al que nos enfrentamos es el enorme desperdicio y reciclaje de valiosos recursos acuáticos”.
En el futuro, el equipo de investigación esperar 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.
Esta investigación multidisciplinaria es ejecutada por MSE, SBS, NEWRI, y el Energy Research Institute en NTU.
Referencia (acceso abierto):
Jun Kit Wang, Çigdem ? Çimenoglu, Nicole Mein Ji Cheam, Xiao Hu, Chor Yong Tay. 2021. Sustainable aquaculture side-streams derived hybrid biocomposite for bone tissue engineering. Materials Science & Engineering C and will be published in Volume 126, July 2021.
