NTU科學家開發了一種將水產養殖廢棄物轉化為用於組織修復的新生物材料的方法。該方法讓廢棄的牛蛙皮和魚鱗變廢為寶，並可以幫助骨骼修復。
NTU研究團隊，來源：NTU
NTU研究團隊使用從當地水產養殖場獲得的廢棄的牛蛙皮和魚鱗，開發了一種新的生物材料來輔助骨骼修復。
多孔生物材料包含與骨骼中相同的化合物，可作為骨骼形成細胞粘附和繁殖的支架，從而促進新骨骼的形成。實驗表明，播種在生物材料支架上的人類骨形成細胞成功地自我附著並開始繁殖——這是生長的跡象。同時，生物材料引發炎症反應的風險很低。
這種支架可用於幫助恢復因疾病或傷害而丟失的骨組織，例如因創傷或癌症手術造成的頜骨缺損。它還可以協助外科植入物（例如牙科植入物）周圍的骨骼生長。
研究人員認為，這種生物材料很有希望作為主流方法的替代方法。另一方面，負責多學科研究的南大材料科學與工程學院的助理教授Dalton Tay表示，這種生物材料的生產解決了水產養殖廢物的問題。
骨骼修復技術受好評
這種支架可用於幫助恢復骨組織，例如因創傷或癌症手術造成的頜骨缺損。它還可以協助外科植入物（例如牙科植入物）周圍的骨骼生長。
達爾頓·泰（Talton Tay）助理教授說：「我們在研究中採用了變廢為寶的方法，將廢物轉化為具有生物醫學應用的高價值材料，從而遏制了廢物循環。實驗室研究表明，我們設計的生物材料可能是有助於骨骼修復的選擇。這種生物材料的潛力非常廣泛，從修復由於損傷或老化引起的骨缺損，到美觀的牙科應用。」
該研究的合著者，NTU環境與水研究所（NEWRI）環境化學與材料中心主任Matthew Hu Xiao教授補充說：「這些廢物流也可以轉化為綠色化學物質和材料，以便及時進行環境修復，減少廢水污染。」
技術流程簡述，來源：海峽時報
未參加這項研究的新加坡國家牙科中心臨床主任吳比田教授說：「新加坡國家牙科中心對這項研究感到興奮。我們看到許多潛在的牙科應用，從牙周疾病中的牙齦組織再生到用於植入牙科植入物的骨骼，再到腫瘤手術後的顎骨。無需進行額外的骨收集手術，還可以節省時間和成本，並減輕患者的痛苦。」
該研究團隊已經為生物材料的傷口癒合和骨組織工程應用申請了專利。在中國-新加坡國際聯合研究所的資助下，團隊成員正在進一步評估生物材料作為牙科產品的長期安全性和功效，旨在使廢物資源化技術應用更接近商業化。
變廢為寶
新加坡每年丟棄超過2000萬噸的漁業副產品，例如鰭，魚鱗和魚皮。牛蛙皮和魚鱗是新加坡最大的兩個水產養殖廢物副流，年消耗量約為1億公斤。NTU團隊使用的漁業廢料是從Khai Seng養魚場和裕廊蛙場收集的。
膠原蛋白和羥磷灰石（HA）是骨骼中發現的兩個主要成分，因此賦予生物材料類似骨骼的結構，成分和促進細胞附著的能力。這兩個成分也使生物材料堅韌。
變廢為寶過程，來源：發表論文
科學家從牛蛙皮膚上去除了所有雜質，然後將其摻混在一起，形成了粘稠的膠原糊狀物，用水將其稀釋。然後從該混合物中提取膠原蛋白。NTU生物科學學院的助理教授Tay說：「使用這種方法，我們能夠從青蛙皮膚中獲得有史以來最高的膠原蛋白產量（約70％），從而使這種方法具有商業可行性。」
通過將HA粉添加到提取的膠原蛋白中來合成生物材料，然後將其澆鑄到模具中以生產3D多孔支架。整個過程用了不到兩周的時間，團隊認為整個流程還可以改進，其規模也可以再擴大。
概念驗證實驗
為了評估多孔生物材料支架用於骨修復的生物學性能，科學家將骨形成細胞播種到支架上。
在實驗中，他們發現細胞數量顯著增加。一周後，細胞在支架上均勻分布——這表明支架可以促進適當的細胞活動，並最終幫助組織形成。科學家們還發現，生物材料中HA的存在顯著增強了骨骼的形成。
研究人員對生物材料引起炎症反應的趨勢進行了測試。通過實時聚合酶鏈反應，科學家發現，暴露於生物材料的人類免疫細胞中促炎基因的表達水平與暴露於內毒素的對照相比仍「相對適度」。這意味著，這種生物材料引發過度的急性炎症反應的風險很低。
第一作者Jun KitWang，來源：谷歌學術
綜上所述，這證明了由廢棄的牛蛙皮和魚鱗合成的生物材料支架的潛力，作為一種有前途的骨移植替代材料，可用於骨骼修復和再生。
裕廊蛙養殖場負責人Wan Chelsea女士說：「水產養殖業是滿足全球對安全和優質海產品不斷增長的需求的重要途徑，但我們面臨的一大挑戰是寶貴的水生資源的大量浪費和資源再利用。」
展望未來，研究小組希望與動物研究的臨床和工業合作夥伴合作，以發現體內組織將長期對這種生物材料產生反應，以及該材料修復骨缺損和皮膚傷口的能力，使整個廢物資源化技術管道更接近商業化。
參考文獻：
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.
