Da ếch và vảy cá: Từ chất thải thành vật liệu chữa xương người

Các nhà khoa học tại Đại học Công nghệ Nanyang (Nanyang Technological University - NTU) đã phát triển một loại vật liệu sinh học mới, được làm hoàn toàn từ da ếch đã bỏ đi và vảy cá, có thể giúp sửa chữa xương. Vật liệu sinh học xốp, chứa các hợp chất chủ yếu có trong xương, đóng vai trò như một giá đỡ cho các tế bào tạo xương bám vào và nhân lên, dẫn đến hình thành xương mới.

Chất thải thủy sản được thu gom từ Trang trại Cá Khai Seng và Trang trại Ếch Jurong. Để tạo ra vật liệu sinh học, trước tiên nhóm nghiên cứu đã chiết xuất tropocollagen loại 1 (nhiều phân tử tạo thành sợi collagen) từ da bị loại bỏ của một loài ếch (ễnh ương Mỹ - Lithobates catesbeianus) được nhập khẩu vào Singapore và được nuôi tại địa phương với số lượng lớn để tiêu thụ; và hydroxyapatite (một hợp chất canxi-photphat) từ vảy của cá lóc, thường được gọi là cá Toman (Toman fish: cá lóc bông).

Bà Chelsea Wan, Giám đốc trại Ếch Jurong, cho biết: “Ngành nuôi trồng thủy sản là một con đường quan trọng để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng trên toàn cầu về thủy hải sản an toàn và chất lượng, nhưng một thách thức lớn mà chúng tôi phải đối mặt là sự lãng phí lớn và sự suy giảm nguồn lợi thủy sản quý giá. Tại Singapore, lượng tiêu thụ thịt ếch và cá kết hợp hàng năm ước tính vào khoảng 100 triệu kg, khiến da ễnh ương và vảy cá trở thành hai trong số những dòng chất thải nuôi trồng thủy sản lớn nhất ở đây. Việc tích hợp nhiều dòng chất thải thủy sản thành một sản phẩm giá trị cao duy nhất là một ví dụ hàng đầu về đổi mới bền vững cho ngành nuôi trồng thủy sản.” 

Thông qua các thí nghiệm trong phòng lab, nhóm nguyên cứu của NTU ở Singapore đã phát hiện ra rằng các tế bào tạo xương của con người được nuôi cấy vào khung làm từ vật liệu sinh học đã tự gắn kết thành công và bắt đầu nhân lên - một dấu hiệu của sự tăng trưởng. Họ cũng phát hiện ra rằng nguy cơ vật liệu sinh học kích hoạt phản ứng viêm là thấp. Một giá đỡ như vậy có thể được sử dụng để giúp tái tạo mô xương bị mất do bệnh tật hoặc chấn thương, chẳng hạn như khuyết tật hàm do chấn thương hoặc phẫu thuật ung thư. Nó cũng có thể hỗ trợ sự phát triển của xương xung quanh cấy ghép phẫu thuật như cấy ghép nha khoa.

Các nhà khoa học tin rằng vật liệu sinh học là một giải pháp thay thế đầy hứa hẹn cho phương pháp tiêu chuẩn hiện tại là sử dụng mô của chính bệnh nhân, vốn yêu cầu phẫu thuật bổ sung để lấy xương. Đồng thời, việc sản xuất vật liệu sinh học này giải quyết vấn đề chất thải nuôi trồng thủy sản, phó giáo sư Dalton Tay của Trường Khoa học Vật liệu và Kỹ thuật NTU (MSE), người đứng đầu nghiên cứu đa ngành cho biết.

Giáo sư Tay cho biết: “Chúng tôi đã áp dụng cách tiếp cận từ chất thải thành tài nguyên trong nghiên cứu của mình và biến rác thải thành một vật liệu có giá trị cao với các ứng dụng y sinh học, khép lại vòng lặp chất thải trong quá trình này. Các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm của chúng tôi cho thấy rằng vật liệu sinh học mà chúng tôi đã chế tạo có thể là một lựa chọn đầy hứa hẹn giúp sửa chữa xương. Tiềm năng của vật liệu sinh học này rất rộng, từ việc sửa chữa các khuyết tật xương do chấn thương hoặc lão hóa, đến các ứng dụng nha khoa để thẩm mỹ. Nghiên cứu của chúng tôi được xây dựng dựa trên cơ sở hoạt động của NTU trong lĩnh vực bền vững và phù hợp với cách tiếp cận nền kinh tế vòng tròn của Singapore hướng tới một quốc gia không rác thải ”.

Ễnh ương Mỹ (Lithobates catesbeianus) được sử dụng trong thí nghiệm. Ảnh: Wiki common.

Phó giáo sư lâm sàng Goh Bee Tin, giám đốc nghiên cứu của Trung tâm Nha khoa Quốc gia Singapore, người không tham gia vào nghiên cứu, cho biết: “Trung tâm Nha khoa Quốc gia Singapore rất hào hứng với việc sử dụng da lưỡng cư làm vật liệu sinh học tự nhiên để tái tạo mô. Chúng tôi nhận thấy nhiều ứng dụng nha khoa tiềm năng khác nhau, từ việc tái tạo các mô nướu trong bệnh nha chu (Periodontal disease), đến xương để cấy ghép răng và  xương hàm sau khi phẫu thuật khối u. Việc loại bỏ nhu cầu phẫu thuật lấy xương bổ sung cũng đồng nghĩa với việc tiết kiệm thời gian và chi phí, đồng thời giảm bớt đau đớn cho bệnh nhân ”

Nhóm nghiên cứu đã nộp bằng sáng chế cho các ứng dụng chữa lành vết thương và kỹ thuật mô xương của vật liệu sinh học. Nhóm nghiên cứu hiện đang đánh giá thêm về tính an toàn và hiệu quả lâu dài của vật liệu sinh học làm sản phẩm nha khoa dưới sự tài trợ của Viện nghiên cứu hỗn hợp quốc tế ChinaSingapore và nhằm mục đích đưa hệ thống công nghệ chuyển hóa chất thải thành tài nguyên đến gần hơn với thương mại hóa.

Sắp tới, nhóm nghiên cứu hy vọng sẽ làm việc với các đối tác lâm sàng và công nghiệp trong các nghiên cứu trên động vật để tìm ra cách các mô trong cơ thể sẽ phản ứng với vật liệu sinh học này về lâu dài và khả năng của vật liệu để sửa chữa các khuyết tật xương và vết thương trên da, cũng như để đưa toàn bộ công nghệ chuyển hóa chất thải thành tài nguyên đến gần hơn với quá trình thương mại hóa.

Lược dịch từ: The Fish Site (2021). Singapore scientists use aquaculture waste for tissue repair, The Fish Site, Articles.