水产养殖废弃物成为骨修复生物材料

新加坡南洋理工大学(NTU Singapore)的科学家们已经开发出一种完全由废弃牛蛙皮肤和鱼鳞制成的新型生物材料，可以帮助骨骼修复。

这种多孔生物材料含有与骨骼中主要成分相同的化合物，可以作为骨形成细胞粘附和繁殖的支架，从而形成新的骨骼。

通过实验室实验，南洋理工大学新加坡团队发现，植入生物材料支架上的人类骨形成细胞成功地附着并开始繁殖——这是生长的标志。他们还发现，这种生物材料引发炎症反应的风险很低。

这种支架可用于帮助因疾病或损伤而丢失的骨组织的再生，例如创伤或癌症手术造成的颌骨缺损。它还可以帮助手术植入物(如牙科植入物)周围的骨骼生长。

科学家们认为，这种生物材料是目前使用患者自身组织的标准做法的一种有前途的替代方案，这需要额外的手术来提取骨骼。同时，这种生物材料的生产解决了水产养殖废物的问题，南洋理工大学材料科学与工程学院(MSE)的助理教授Dalton Tay说，他领导了多学科研究。

每年有超过2000万吨的渔业副产品，如鱼鳍、鳞片和鱼皮被丢弃。在新加坡，蛙肉和鱼的年消费量加起来估计约为1亿公斤，牛蛙皮和鱼鳞成为新加坡最大的水产养殖废物。

助理教授Dalton Tay说:“在我们的研究中，我们采取了‘废物转化为资源’的方法，将垃圾转化为具有生物医学应用价值的高价值材料，在这个过程中关闭了废物循环。我们的实验室研究表明，我们设计的生物材料可能是一个有前途的选择，有助于骨骼修复。这种生物材料的潜力非常广泛，从修复损伤或衰老引起的骨缺损，到用于牙科美容。我们的研究建立在南洋理工大学在可持续发展领域的工作基础上，符合新加坡实现零废物国家的循环经济方法。”

该研究的合著者、南洋环境与水研究所(NEWRI)环境化学与材料中心主任Matthew Hu Xiao教授补充说:“这些废物流也可以转化为绿色化学物质和材料，用于环境修复，及时处理可以减少废水污染。”

新加坡国立牙科中心研究主任、临床副教授吴碧田(Goh Bee Tin)没有参与这项研究，他说:“新加坡国立牙科中心对使用牛蛙皮肤作为组织再生的天然生物材料感到兴奋。我们看到了许多潜在的牙科应用，从牙周病的牙龈组织再生，到用于种植牙的骨骼，再到肿瘤手术后的颌骨。无需进行额外的骨采集手术也可以节省时间和成本，减轻患者的痛苦。”

该研究结果已于4月在线发表在《材料科学与工程C》杂志上，并将于7月发表在该杂志第126卷上。

该研究团队已经为该生物材料的伤口愈合和骨组织工程应用申请了专利。在中国-新加坡国际联合研究所的资助下，该团队目前正在进一步评估生物材料作为牙科产品的长期安全性和有效性，旨在使废物转化为资源的技术管道更接近商业化。

变废为宝

据估计，新加坡每年消耗的蛙肉和鱼加起来约为1亿公斤，牛蛙皮和鱼鳞是新加坡最大的两个水产养殖废物。南大团队使用的渔业废物来自启胜渔场和裕廊蛙场。

为了制造这种生物材料，该团队首先从美国牛蛙的废弃皮肤中提取出1型对位胶原蛋白(其中许多分子形成胶原纤维)。美国牛蛙在当地养殖，并大量进口到新加坡供消费;以及从通常被称为托曼鱼的蛇头鱼的鳞片中提取的羟基磷灰石(一种钙磷酸盐化合物)。

胶原蛋白和羟基磷灰石(HA)是骨骼中发现的两种主要成分，因此赋予生物材料结构、组成和促进细胞附着的能力，就像骨头一样。这两个成分也使生物材料坚韧。

科学家们从牛蛙皮肤中去除所有杂质，然后将其混合成一种厚厚的胶原糊，然后用水稀释。然后从这种混合物中提取胶原蛋白。“使用这种方法，我们能够从青蛙皮肤中获得有史以来最高的胶原蛋白产量，约为70%，从而使这种方法在商业上可行，”来自南洋理工大学生物科学学院(SBS)的助理教授Tay说。

HA是从废弃的鱼鳞中通过煅烧(一种需要高热的净化过程)获得的，以去除有机物，然后风干。

该生物材料是通过向提取的胶原蛋白中添加HA粉来合成的，然后将其铸造到模具中以生成3D多孔支架。整个过程花了不到两周的时间，团队相信它可以进一步缩短和扩大。

概念验证实验

为了评估用于骨修复的多孔生物材料支架的生物学性能，科学家们在支架上植入了骨形成细胞。

在实验室实验中，他们发现细胞数量显著增加。一周后，细胞均匀地分布在支架上——这表明支架可以促进适当的细胞活动，并最终导致组织的形成。科学家们还发现，生物材料中HA的存在显著促进了骨形成。

该生物材料还测试了其引起炎症反应的倾向，这在生物材料植入体内后很常见。Tay助理教授表示，通过实时聚合酶链式反应，科学家们发现，与暴露于内毒素(一种已知能刺激免疫反应的化合物)的对照组相比，暴露于生物材料的人类免疫细胞中促炎基因的表达水平仍然“相对温和”。

例如，在生物材料组中，IL6基因的表达可以忽略不计，至少比内毒素暴露的免疫细胞低50倍。这表明ntu开发的生物材料引发过度急性炎症反应的风险很低。

总之，这些发现证明了生物材料支架的潜力，由废弃的牛蛙皮肤和鱼鳞合成，作为一种有前途的废物转化为资源的骨移植替代材料，用于骨修复和再生。

裕廊蛙场主任Chelsea Wan女士说:“水产养殖业是满足全球对安全和优质海产品日益增长的需求的重要途径，但我们面临的一大挑战是宝贵的水产资源的巨大浪费和下降循环。在新加坡，蛙肉和鱼的年消费量加起来估计约为1亿公斤，牛蛙皮和鱼鳞成为新加坡最大的水产养殖废弃物。将多种海鲜废物流整合成单一的高价值产品，是水产养殖业可持续创新的领先典范。”

展望未来，研究团队希望与临床和工业伙伴合作进行动物研究，以找出体内组织对这种生物材料的长期反应，以及该材料修复骨缺损和皮肤伤口的能力，以及使整个废物转化为资源的技术管道更接近商业化。

这项多学科研究由MSE、SBS、NEWRI和南洋理工大学能源研究所进行。

参考
王建科等。用于骨组织工程的可持续水产养殖侧流衍生的混合生物复合材料。垫,科学。和英:C，第126卷，2021年7月，112104。https://doi.org/10.1016 / j.msec.2021.112104

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