Scienziati della Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) ha sviluppato un nuovo biomateriale realizzato interamente con pelle di rana toro scartata e squame di pesce che potrebbe aiutare nella riparazione delle ossa.

Il biomateriale poroso, che contiene gli stessi composti che predominano nelle ossa, funge da impalcatura per consentire alle cellule che formano l'osso di aderire e moltiplicarsi, portando alla formazione di nuovo osso.

Attraverso esperimenti di laboratorio, il team di NTU Singapore ha scoperto che le cellule che formano le ossa umane seminate sull'impalcatura del biomateriale si sono attaccate con successo e hanno iniziato a moltiplicarsi, un segno di crescita. Hanno anche scoperto che il rischio che il biomateriale scateni una risposta infiammatoria è basso.

Tale impalcatura potrebbe essere utilizzata per aiutare con la rigenerazione del tessuto osseo perso a causa di malattie o lesioni, come difetti della mascella da traumi o interventi chirurgici sul cancro. Potrebbe anche aiutare la crescita ossea intorno a impianti chirurgici come gli impianti dentali.

Gli scienziati ritengono che il biomateriale sia un'alternativa promettente all'attuale pratica standard di utilizzare i tessuti di un paziente, che richiede un ulteriore intervento chirurgico per l'estrazione ossea. Allo stesso tempo, la produzione di questo biomateriale affronta il problema degli scarti dell'acquacoltura, ha affermato l'assistente professore Dalton Tay della NTU School of Materials Science and Engineering (MSE), che ha condotto lo studio multidisciplinare.

Oltre 20 milioni di tonnellate di sottoprodotti della pesca, come pinne, bilancia, e pelli, vengono scartati ogni anno. A Singapore, il consumo annuo combinato di carne e pesce di rana è stimato intorno ai 100 milioni di chilogrammi, producendo pelle di rana toro e squame di pesce due dei più grandi flussi laterali di rifiuti dell'acquacoltura di Singapore.

Asst Prof Dalton Tay ha dichiarato:"Nel nostro studio abbiamo adottato l'approccio "da rifiuti a risorsa" e abbiamo trasformato gli scarti in un materiale di alto valore con applicazioni biomediche, chiudendo il ciclo dei rifiuti nel processo. I nostri studi di laboratorio hanno dimostrato che il biomateriale che abbiamo progettato potrebbe essere un'opzione promettente che aiuta con la riparazione ossea. Il potenziale di questo biomateriale è molto ampio, che vanno dalla riparazione di difetti ossei dovuti a lesioni o invecchiamento, alle applicazioni odontoiatriche per l'estetica. La nostra ricerca si basa sul lavoro di NTU nell'area della sostenibilità ed è in linea con l'approccio dell'economia circolare di Singapore verso una nazione a rifiuti zero".

Professor Matthew Hu Xiao, il coautore dello studio e direttore del Centro di chimica e materiali ambientali, Nanyang Environment and Water Research Institute (NEWRI), ha aggiunto:"Questi flussi di rifiuti possono anche essere convertiti in prodotti chimici verdi e materiali per il risanamento ambientale e un trattamento tempestivo può ridurre la contaminazione delle acque reflue".

Professore associato clinico Goh Bee Tin, Direttore per la ricerca presso il National Dental Center Singapore, chi non è stato coinvolto nello studio, ha dichiarato:"Il National Dental Center Singapore è entusiasta dell'uso della pelle di rana toro come biomateriale naturale per la rigenerazione dei tessuti. Vediamo molte potenziali applicazioni dentali che vanno dalla rigenerazione dei tessuti gengivali nella malattia parodontale, all'osso per il posizionamento di impianti dentali, alla mandibola dopo un intervento chirurgico al tumore. L'eliminazione della necessità di un ulteriore intervento chirurgico di prelievo osseo si traduce anche in risparmi di tempo e costi, e meno dolore per i pazienti".

I risultati della ricerca sono stati pubblicati online in Scienza e ingegneria dei materiali C ad aprile e sarà pubblicato nel volume 126 della rivista a luglio.

Il team di ricerca ha depositato i brevetti per la guarigione delle ferite del biomateriale e le applicazioni di ingegneria del tessuto osseo. Il team sta ora valutando ulteriormente la sicurezza e l'efficacia a lungo termine del biomateriale come prodotti dentali grazie a una sovvenzione del China-Singapore International Joint Research Institute e mira ad avvicinare alla commercializzazione la pipeline tecnologica dal rifiuto alla risorsa.

Trasformare i rifiuti in tesori

Con il consumo annuale combinato di carne e pesce di rana a Singapore stimato in circa 100 milioni di chilogrammi, pelle di rana toro e squame di pesce sono due dei più grandi flussi collaterali di rifiuti dell'acquacoltura di Singapore. I rifiuti della pesca utilizzati dal team NTU sono stati raccolti da Khai Seng Fish Farm e Jurong Frog Farm.

Per realizzare il biomateriale, il team ha prima estratto il tropocollagene di tipo 1 (molte molecole delle quali formano fibre di collagene) dalle pelli scartate della rana toro americana, coltivato localmente e importato in gran numero a Singapore per il consumo; e idrossiapatite (un composto calcio-fosfato) dalle scaglie del pesce serpente, comunemente noto come il pesce Toman.

Il collagene e l'idrossiapatite (HA) sono due componenti predominanti che si trovano nelle ossa, conferendo così al biomateriale una struttura, composizione, e capacità di promuovere l'attaccamento delle cellule che sono come l'osso. Questi due componenti rendono anche il biomateriale resistente.

Gli scienziati hanno rimosso tutte le impurità dalla pelle della rana toro, poi mescolato per formare una pasta densa di collagene che viene diluita con acqua. Il collagene è stato quindi estratto da questa miscela. "Utilizzando questo approccio, siamo stati in grado di ottenere la più alta resa mai riportata di collagene di circa il 70% dalla pelle di rana, rendendo così commercialmente possibile questo approccio, "ha detto Asst Prof Tay, che proviene anche dalla Scuola di Scienze Biologiche NTU (SBS).

L'HA è stato raccolto dalle squame di pesce scartate attraverso la calcinazione, un processo di purificazione che richiede un calore elevato, per rimuovere la materia organica, e poi essiccato all'aria.

Il biomateriale è stato sintetizzato aggiungendo polvere di HA al collagene estratto, quindi colato in uno stampo per produrre un'impalcatura porosa 3D. L'intero processo ha richiesto meno di due settimane e il team ritiene che possa essere ulteriormente accorciato e ampliato.

Esperimento di prova di concetto

Per valutare le prestazioni biologiche dello scaffold di biomateriali porosi per la riparazione ossea, gli scienziati hanno seminato cellule che formano le ossa sull'impalcatura.

Nei loro esperimenti di laboratorio, hanno scoperto che il numero di cellule è aumentato in modo significativo. Dopo una settimana, le cellule erano distribuite uniformemente attraverso l'impalcatura, un indicatore che l'impalcatura potrebbe promuovere attività cellulari adeguate e alla fine portare alla formazione di tessuti. Gli scienziati hanno anche scoperto che la presenza di HA nel biomateriale ha notevolmente migliorato la formazione ossea.

Il biomateriale è stato anche testato per la sua tendenza a provocare una risposta infiammatoria, che è comune dopo che un biomateriale è stato impiantato nel corpo. Utilizzando la reazione a catena della polimerasi in tempo reale, gli scienziati hanno scoperto che il livello di espressione dei geni pro-infiammatori nelle cellule immunitarie umane esposte al biomateriale è rimasto "relativamente modesto" rispetto a un controllo esposto alle endotossine, un composto noto per stimolare la risposta immunitaria, ha detto Asst Prof Tay.

Ad esempio, l'espressione del gene IL6 nel gruppo biomateriale era trascurabile e almeno 50 volte inferiore a quella delle cellule immunitarie esposte alle endotossine. Ciò suggerisce che il rischio del biomateriale sviluppato da NTU di innescare una risposta infiammatoria acuta eccessiva è basso.

Presi insieme, questi risultati dimostrano il potenziale dello scaffold dei biomateriali, sintetizzato da pelle di rana toro scartata e squame di pesce, come un promettente materiale sostitutivo da scarto a risorsa per innesti ossei per la riparazione e la rigenerazione ossea.

Signora Chelsea Wan, Direttore, Jurong Frog Farm ha dichiarato:"L'industria dell'acquacoltura è una strada importante per soddisfare la crescente domanda globale di prodotti ittici sicuri e di qualità, ma una grande sfida che dobbiamo affrontare è l'enorme spreco e il downcycling di preziose risorse acquatiche. A Singapore, il consumo annuale combinato di carne e pesce di rana è stimato intorno ai 100 milioni di chilogrammi, facendo pelle di rana toro e squame di pesce due dei più grandi flussi laterali di rifiuti dell'acquacoltura qui. L'integrazione di più flussi di rifiuti ittici in un unico prodotto di alto valore è un esempio importante di innovazione sostenibile per il settore dell'acquacoltura".

Andando avanti, il team di ricerca spera di lavorare con partner clinici e industriali su studi sugli animali per scoprire come i tessuti del corpo risponderebbero a questo biomateriale a lungo termine, e la capacità del materiale di riparare i difetti ossei e le ferite cutanee, nonché per avvicinare alla commercializzazione l'intera filiera tecnologica del waste-to-resource.