Científicos de Singapur convierten residuos acuícolas en un biopolímero que repara tejidos óseos humanos

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Científicos de la Universidad Tecnológica de Nanyang, en Singapur (NTU Singapur) han desarrollado un nuevo biomaterial completamente elaborado a partir del descarte de la piel de la rana toro y escamas de pescado que podría ayudar a la reparación ósea de las personas.

El biomaterial, 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 regeneración de la estructura de los huesos.

A través de experimentos de laboratorio, el equipo de NTU Singapur descubrió que las células formadoras de hueso humano sembradas en el andamio fabricado con el biomaterial se adhirieron con éxito y comenzaron a multiplicarse, lo que indica una señal de crecimiento. También encontraron que el riesgo de que el biomaterial desencadene una respuesta inflamatoria es bajo.

Tal andamio podría utilizarse 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. 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 NTU, quien dirigió el estudio multidisciplinario.

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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 pescado y de rana 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 dos de las corrientes secundarias de desechos acuícolas más grandes del país.

Tay dijo que “Adoptamos el enfoque de ‘conversión de residuos en recursos’ en nuestro estudio 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 cuerpo de trabajo de NTU en el área de sostenibilidad y está en línea con el enfoque de economía circular de Singapur hacia una nación sin desperdicios».

Los hallazgos de la investigación se publicaron online en Materials Science and Engineering en abril y se publicarán en el volumen 126 de la revista en julio.

El equipo de investigación ha presentado patentes para las aplicaciones de ingeniería de tejido óseo y curación de heridas. El equipo ahora está evaluando 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 comerciales.

El proceso

Para elaborar 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 su consumo; e hidroxiapatita (un compuesto de fosfato de calcio) que se encuentra en las escamas del pez cabeza de serpiente, comúnmente conocido como pez Tomán.

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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 pasta de colágeno espesa que se diluye con agua. A continuación, 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.

Experimento de prueba conceptual

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, 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.

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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.

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.

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.

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 comerciales.

 
 
 
 
 

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