Cientistas da Universidade Tecnológica de Nanyang, Cingapura (NTU Cingapura) desenvolveu um novo biomaterial feito inteiramente de pele de rã-touro e escamas de peixe descartadas que podem ajudar no reparo ósseo.

O biomaterial poroso, que contém os mesmos compostos que são predominantes nos ossos, atua como uma estrutura para as células formadoras de osso aderirem e se multiplicarem, levando à formação de um novo osso.

Por meio de experimentos de laboratório, a equipe da NTU Cingapura descobriu que as células formadoras de osso humanas semeadas na estrutura do biomaterial aderiram a si mesmas com sucesso e começaram a se multiplicar - um sinal de crescimento. Eles também descobriram que o risco do biomaterial desencadear uma resposta inflamatória é baixo.

Tal estrutura pode ser usada para ajudar na regeneração do tecido ósseo perdido por doença ou lesão, como defeitos da mandíbula por trauma ou cirurgia de câncer. Ele também pode auxiliar no crescimento ósseo ao redor de implantes cirúrgicos, como implantes dentários.

Os cientistas acreditam que o biomaterial é uma alternativa promissora à prática padrão atual de uso de tecidos do próprio paciente, que requer cirurgia adicional para extração óssea. Ao mesmo tempo, a produção deste biomaterial aborda o problema dos resíduos da aquicultura, disse o professor assistente Dalton Tay da Escola de Ciência e Engenharia de Materiais da NTU (MSE), que conduziu o estudo multidisciplinar.

Mais de 20 milhões de toneladas de subprodutos da pesca, como barbatanas, escalas, e peles, são descartados todos os anos. Em Singapura, o consumo anual combinado de carne de rã e peixes é estimado em cerca de 100 milhões de quilos, fazendo pele de rã-touro e escamas de peixe dois dos maiores riachos secundários de resíduos da aquicultura de Cingapura.

Asst Prof Dalton Tay disse:"Nós pegamos a abordagem de 'resíduos para recursos' em nosso estudo e transformamos os descartes em um material de alto valor com aplicações biomédicas, fechando o ciclo de resíduos no processo. Nossos estudos de laboratório mostraram que o biomaterial que projetamos pode ser uma opção promissora que ajuda no reparo ósseo. O potencial deste biomaterial é muito amplo, variando de reparar defeitos ósseos devido a lesões ou envelhecimento, para aplicações odontológicas para estética. Nossa pesquisa se baseia no trabalho da NTU na área de sustentabilidade e está alinhada com a abordagem da economia circular de Cingapura em direção a uma nação de desperdício zero. "

Professor Matthew Hu Xiao, o co-autor do estudo e diretor do Centro de Química e Materiais Ambientais, Instituto de Pesquisa Ambiental e Hídrica de Nanyang (NEWRI), acrescentou:"Esses fluxos de resíduos também podem ser convertidos em produtos químicos verdes e materiais para remediação ambiental e o tratamento oportuno pode reduzir a contaminação de águas residuais."

Professor Associado Clínico Goh Bee Tin, Diretor de Pesquisa do National Dental Centre Singapore, que não estava envolvido no estudo, disse:"O National Dental Centre Singapore está animado com o uso da pele de rã-touro como um biomaterial natural para regeneração de tecidos. Vemos muitas aplicações dentárias potenciais que vão desde a regeneração de tecidos gengivais em doenças periodontais, ao osso para a colocação de implantes dentários, ao osso maxilar após a cirurgia do tumor. Eliminar a necessidade de cirurgia adicional de colheita óssea também se traduz em economia de tempo e custos, e menos dor para os pacientes. "

Os resultados da pesquisa foram publicados online em Ciência e Engenharia de Materiais C em abril e será publicado no volume 126 da revista em julho.

A equipe de pesquisa entrou com pedido de patentes para aplicações de cura de feridas de biomaterial e engenharia de tecido ósseo. A equipe está agora avaliando a segurança e eficácia em longo prazo do biomaterial como produtos odontológicos sob uma concessão do Instituto de Pesquisa Conjunta Internacional China-Cingapura e tem como objetivo trazer o pipeline tecnológico de resíduos para recursos mais perto da comercialização.

Transformando lixo em tesouro

Com o consumo anual combinado de carne de rã e peixes em Cingapura estimado em cerca de 100 milhões de quilos, pele de rã-touro e escamas de peixe são dois dos maiores fluxos colaterais de resíduos da aquicultura de Cingapura. Os resíduos da pesca usados ​​pela equipe da NTU foram coletados na Fazenda de Peixes Khai Seng e na Fazenda de Sapos Jurong.

Para fazer o biomaterial, a equipe extraiu primeiro o tropocolágeno Tipo 1 (muitas moléculas das quais formam fibras de colágeno) das peles descartadas da rã-touro americana, cultivados localmente e importados para Cingapura em grandes números para consumo; e hidroxiapatita (um composto de fosfato de cálcio) das escamas de peixes cabeça de cobra, comumente conhecido como o peixe Toman.

Colágeno e hidroxiapatita (HA) são dois componentes predominantes encontrados nos ossos, conferindo assim ao biomaterial uma estrutura, composição, e capacidade de promover a fixação de células semelhantes ao osso. Esses dois componentes também tornam o biomaterial resistente.

Os cientistas removeram todas as impurezas da pele da rã-touro, em seguida, misture-o para formar uma pasta colágena espessa que é diluída com água. O colágeno foi então extraído dessa mistura. "Usando esta abordagem, fomos capazes de obter o maior rendimento já relatado de colágeno de aproximadamente 70 por cento da pele de rã, tornando esta abordagem comercialmente viável, "disse o professor assistente Tay, que também é da Escola de Ciências Biológicas NTU (SBS).

HA foi colhido de escamas de peixes descartadas por meio de calcinação - um processo de purificação que requer alto calor - para remover a matéria orgânica, e depois seco ao ar.

O biomaterial foi sintetizado pela adição de pó de HA ao colágeno extraído, em seguida, moldado em um molde para produzir um andaime poroso 3D. Todo esse processo levou menos de duas semanas e a equipe acredita que ele pode ser ainda mais reduzido e ampliado.

Experiência de prova de conceito

Para avaliar o desempenho biológico do andaime de biomaterial poroso para reparo ósseo, os cientistas semearam células formadoras de ossos no andaime.

Em seus experimentos de laboratório, eles descobriram que o número de células aumentou significativamente. Depois de uma semana, as células foram distribuídas uniformemente pelo andaime - um indicador de que o andaime poderia promover atividades celulares adequadas e, por fim, levar à formação de tecidos. Os cientistas também descobriram que a presença de HA no biomaterial aumentava significativamente a formação óssea.

O biomaterial também foi testado quanto à tendência de causar uma resposta inflamatória, o que é comum depois que um biomaterial é implantado no corpo. Usando a reação em cadeia da polimerase em tempo real, os cientistas descobriram que o nível de expressão de genes pró-inflamatórios em células imunes humanas expostas ao biomaterial permaneceu "relativamente modesto" quando comparado a um controle exposto a endotoxinas, um composto conhecido por estimular a resposta imune, disse Asst Prof Tay.

Por exemplo, a expressão do gene IL6 no grupo de biomateriais foi desprezível e pelo menos 50 vezes menor do que nas células imunes expostas a endotoxinas. Isso sugere que o risco de o biomaterial desenvolvido por NTU desencadear uma resposta inflamatória aguda excessiva é baixo.

Tomados em conjunto, esses achados demonstram o potencial do andaime de biomaterial, sintetizado a partir de pele de rã-touro e escamas de peixe descartadas, como um material substituto promissor de enxerto ósseo de resíduos para recursos para reparo e regeneração óssea.

Sra. Chelsea Wan, Diretor, Jurong Frog Farm disse:"A indústria da aquicultura é um caminho importante para atender à crescente demanda global por frutos do mar seguros e de qualidade, mas um grande desafio que enfrentamos é o enorme desperdício e degradação de valiosos recursos aquáticos. Em Singapura, o consumo anual combinado de carne de rã e peixes é estimado em cerca de 100 milhões de quilos, fazendo pele de rã-touro e escamas de peixe dois dos maiores fluxos colaterais de resíduos da aquicultura aqui. A integração de vários fluxos de resíduos de frutos do mar em um único produto de alto valor é um exemplo importante de inovação sustentável para a indústria de aquicultura. "

Daqui para frente, a equipe de pesquisa espera trabalhar com parceiros clínicos e industriais em estudos com animais para descobrir como os tecidos do corpo responderiam a este biomaterial a longo prazo, e a capacidade do material de reparar defeitos ósseos e feridas dérmicas, bem como aproximar todo o pipeline tecnológico de transformação de resíduos em recursos da comercialização.