变废为宝！NTU科学家将牛蛙皮和鱼鳞用于骨骼修复

NTU科学家开发了一种将水产养殖废弃物转化为用于组织修复的新生物材料的方法。该方法让废弃的牛蛙皮和鱼鳞变废为宝，并可以帮助骨骼修复。

NTU研究团队，来源：NTU

NTU研究团队使用从当地水产养殖场获得的废弃的牛蛙皮和鱼鳞，开发了一种新的生物材料来辅助骨骼修复。

多孔生物材料包含与骨骼中相同的化合物，可作为骨骼形成细胞粘附和繁殖的支架，从而促进新骨骼的形成。实验表明，播种在生物材料支架上的人类骨形成细胞成功地自我附着并开始繁殖——这是生长的迹象。同时，生物材料引发炎症反应的风险很低。

这种支架可用于帮助恢复因疾病或伤害而丢失的骨组织，例如因创伤或癌症手术造成的颌骨缺损。它还可以协助外科植入物（例如牙科植入物）周围的骨骼生长。

研究人员认为，这种生物材料很有希望作为主流方法的替代方法。另一方面，负责多学科研究的南大材料科学与工程学院的助理教授Dalton Tay表示，这种生物材料的生产解决了水产养殖废物的问题。

骨骼修复技术受好评

这种支架可用于帮助恢复骨组织，例如因创伤或癌症手术造成的颌骨缺损。它还可以协助外科植入物（例如牙科植入物）周围的骨骼生长。

达尔顿·泰（Talton Tay）助理教授说：“我们在研究中采用了变废为宝的方法，将废物转化为具有生物医学应用的高价值材料，从而遏制了废物循环。实验室研究表明，我们设计的生物材料可能是有助于骨骼修复的选择。这种生物材料的潜力非常广泛，从修复由于损伤或老化引起的骨缺损，到美观的牙科应用。”

该研究的合著者，NTU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，以便及时进行环境修复，减少废水污染。”

技术流程简述，来源：海峡时报

未参加这项研究的新加坡国家牙科中心临床主任吴比田教授说：“新加坡国家牙科中心对这项研究感到兴奋。我们看到许多潜在的牙科应用，从牙周疾病中的牙龈组织再生到用于植入牙科植入物的骨骼，再到肿瘤手术后的颚骨。无需进行额外的骨收集手术，还可以节省时间和成本，并减轻患者的痛苦。”

该研究团队已经为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，团队成员正在进一步评估生物材料作为牙科产品的长期安全性和功效，旨在使废物资源化技术应用更接近商业化。

变废为宝

新加坡每年丢弃超过2000万吨的渔业副产品，例如鳍，鱼鳞和鱼皮。牛蛙皮和鱼鳞是新加坡最大的两个水产养殖废物副流，年消耗量约为1亿公斤。NTU团队使用的渔业废料是从Khai Seng养鱼场和裕廊蛙场收集的。

胶原蛋白和羟磷灰石（HA）是骨骼中发现的两个主要成分，因此赋予生物材料类似骨骼的结构，成分和促进细胞附着的能力。这两个成分也使生物材料坚韧。

变废为宝过程，来源：发表论文

科学家从牛蛙皮肤上去除了所有杂质，然后将其掺混在一起，形成了粘稠的胶原糊状物，用水将其稀释。然后从该混合物中提取胶原蛋白。NTU生物科学学院的助理教授Tay说：“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70％），从而使这种方法具有商业可行性。”

通过将HA粉添加到提取的胶原蛋白中来合成生物材料，然后将其浇铸到模具中以生产3D多孔支架。整个过程用了不到两周的时间，团队认为整个流程还可以改进，其规模也可以再扩大。

概念验证实验

为了评估多孔生物材料支架用于骨修复的生物学性能，科学家将骨形成细胞播种到支架上。

在实验中，他们发现细胞数量显著增加。一周后，细胞在支架上均匀分布——这表明支架可以促进适当的细胞活动，并最终帮助组织形成。科学家们还发现，生物材料中HA的存在显著增强了骨骼的形成。

研究人员对生物材料引起炎症反应的趋势进行了测试。通过实时聚合酶链反应，科学家发现，暴露于生物材料的人类免疫细胞中促炎基因的表达水平与暴露于内毒素的对照相比仍“相对适度”。这意味着，这种生物材料引发过度的急性炎症反应的风险很低。

第一作者Jun KitWang，来源：谷歌学术

综上所述，这证明了由废弃的牛蛙皮和鱼鳞合成的生物材料支架的潜力，作为一种有前途的骨移植替代材料，可用于骨骼修复和再生。

裕廊蛙养殖场负责人Wan Chelsea女士说：“水产养殖业是满足全球对安全和优质海产品不断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生资源的大量浪费和资源再利用。”

展望未来，研究小组希望与动物研究的临床和工业合作伙伴合作，以发现体内组织将长期对这种生物材料产生反应，以及该材料修复骨缺损和皮肤伤口的能力，使整个废物资源化技术管道更接近商业化。

参考文献：

1. "Bullfrog skin and fish scales for bone repair" NTU Media Release;

2. Paper ‘Sustainable aquaculture side-streams derived hybrid biocomposite for bone tissue engineering’ published online in Materials Science & Engineering C and will be published in Volume 126, July 2021.