El biomaterial poroso, que contiene los mismos compuestos que predominan en los huesos, actúa como un soporte 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 soporte de biomaterial se unieron con éxito y comenzaron a multiplicarse, una señal de crecimiento. También encontraron que el riesgo de que el biomaterial desencadene una respuesta inflamatoria es bajo. Tal soporte 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 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 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 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 secundarias de desechos de la acuicultura más grandes de Singapur.
El profesor asistente Dalton Tay dijo:
“Adoptamos el enfoque de ‘conversión de residuos en recursos’ en nuestro estudio y convertimos los desechos 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 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 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 desechos de la industria acuícola como biomaterial natural para la regeneración de tejidos. 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 la cirugía tumoral. Evitar la necesidad de una cirugía adicional de extracción ósea también se traduce en ahorros de tiempo y costos, y menos dolor para los pacientes ”.
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. El equipo de investigación ha presentado patentes para aplicaciones de ingeniería de tejido óseo y curación de heridas del biomaterial. El equipo ahora está evaluando aún más la seguridad y eficacia a largo plazo del biomaterial como productos dentales gracias a una subvención del Instituto Internacional de Investigación Conjunta ChinaSingapore y tiene como objetivo acercar la tubería tecnológica de residuos a recursos a la comercialización.
Los desechos de la pesca utilizados por el equipo de NTU se recolectaron de la granja de peces Khai Seng y la granja de ranas Jurong. 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 estadounidense, 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, comúnmente conocido como pez Tomán. 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 son 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. Luego se extrajo colágeno de esta mezcla
«Con este enfoque, pudimos obtener el rendimiento más alto jamás reportado de colágeno de aproximadamente el 70 por ciento de la piel de la 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).
El 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.
Para evaluar el rendimiento biológico del soporte de biomaterial poroso para la reparación ósea, los científicos sembraron células formadoras de hueso en el soporte. 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 soporte, un indicador de 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 la respuesta inmunitaria, dijo Asst. Prof 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 el riesgo de que el biomaterial desarrollado por NTU desencadene una respuesta inflamatoria aguda excesiva es bajo. Tomados 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 de desecho prometedor para la reparación y regeneración ósea.
En el futuro, el equipo de investigación espera 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.
