可持续性与再生疗法：将海胆废物升级利用为仿生胶原蛋白-羟基磷灰石支架

《Biomaterials Advances》：Sustainability and regenerative therapies: Upcycling sea urchin waste into biomimetic collagen-hydroxyapatite scaffolds

　　

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  利用海胆废弃物制备的仿生支架可促进可持续生物材料的发展。
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  以镁掺杂羟基磷灰石矿化的海洋来源胶原蛋白模拟天然骨结构
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  高孔隙率的三维结构促进细胞黏附和组织长入。
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  体外和体内实验证实了良好的生物相容性和整合能力。
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  环保型平台推进骨再生的循环经济策略。

引言

近年来，源自多种来源的食物垃圾（FW）在全球环境意识中日益突出，被视为一个规模巨大且紧迫的问题。据估计，全球每年产生约13亿吨食物垃圾，其中工业、消费和零售废弃物是主要来源。这些食物垃圾通常被直接丢弃，没有可行的替代应用，最终被填埋处理[1]。为了减轻这些不利影响，提出的一项行动方案是进行食物垃圾的升级再造，主要目的是将废弃材料重新利用为功能性产品。目前正在研究多种方法，旨在提取多种生物聚合物，从而能够生成可用于生产医疗产品的生物材料。这一日益增长的兴趣尤其集中在寻找源自食品工业副产品和废物的来源上。这符合循环经济原则，即不断循环利用和再利用材料及组件，而非一次性使用后丢弃的线性模式。通过采用减少、再利用和再制造食物垃圾的循环经济策略，可以从原本会污染生态系统的废物中产生初创企业、金融和就业收益[2]。这种被称为食物垃圾升级再造的做法已成为多个学科领域中的热点研究方向，其目标是将这些废弃材料转化为有价值的产品。事实上，已在多种天然来源中鉴定出生物分子，包括植物、动物和微生物，这些生物分子已被用于制造称为生物材料的新产品。已被证明能够转化为生物材料的食物垃圾例子包括木质素、纤维素、壳聚糖、果胶、胶原蛋白和羟基磷灰石[3]。其中，胶原蛋白因其生物学相关性、生物相容性和可生物降解性，在组织再生支架的开发中扮演着关键角色。胶原蛋白可以说是最合适的生物材料，因为它是细胞外基质（ECM）的主要蛋白质成分，在结缔组织中发挥着重要的结构、功能和力学作用[4]。它也是骨的主要成分之一，骨是一种高度复杂的矿化组织，由约30 wt%的胶原蛋白基质组成，并由准无定形羟基磷灰石（位于纤维内和纤维间隙中的纳米晶体）增强[5]。因此，胶原蛋白被广泛用作实验室生物矿化过程中的聚合物基质。在该过程中，由羟基磷灰石（HA）组成的纳米结构矿物相沉积在胶原纤维上，以开发模拟骨组成的混合水凝胶和三维支架[6]，[7]，[8]，[9]，[10]，[11]。这种有机和无机组分的杂化整合，基于其内在特性产生了独特的行为：有机相提供弹性和弯曲强度，而无机相则贡献硬度和抗压强度。这些组分的结合赋予了生物材料优异的力学和生物学性能，而这些性能是传统合成材料难以实现的[8]，[12]。然而，胶原蛋白的主要来源通常来自动物皮肤和肌腱，面临成本高、来源困难以及因宗教和文化信仰而在某些人群中受限等局限性。因此，近年来寻找替代胶原蛋白来源的研究数量稳步增加[13]，[14]，[15]。在食物垃圾（FW）升级再造的背景下，海洋无脊椎动物，特别是海胆等棘皮动物，在以下方面提供了有前景的胶原蛋白来源：（i）能够以天然构象提取胶原原纤维，（ii）能够天然获得糖胺聚糖（GAG）修饰的胶原原纤维，以及（iii）能够从食品工业（餐厅和海产品公司）的海胆废弃物中提取纤维状胶原蛋白，从而遵循循环经济原则并显著降低成本[16]。利用海胆来源的胶原蛋白合成生物矿化支架，旨在复制骨的杂化特性，结合有机和无机相以获得独特的生物活性和力学性能。这种方法不仅通过增值化食物垃圾解决了可持续性问题，还为传统胶原蛋白来源提供了生物学相关的替代品，可能增强骨组织工程应用的效能[15]，[17]。

在此背景下，本研究提出开发基于创新且可持续的海洋来源胶原蛋白的仿生骨样支架。从海胆食物废弃物中回收的天然、纤维状且天然GAG修饰的胶原蛋白，参与仿生矿化过程，其中镁掺杂羟基磷灰石直接成核在胶原纤维上，有机/无机比例接近骨细胞外基质。这种方法能够将可再生的海洋副产品增值化为均质的有机-无机复合材料生物材料，同时保留天然胶原蛋白的独特生物学特征，并生成稳定且高孔隙率的三维结构。因此，本研究旨在探讨这种非常规海洋胶原蛋白是否能作为传统胶原蛋白来源的宝贵替代品，用于开发具有骨组织工程应用潜力的细胞相容性支架。通过Ad-MSC存活率、增殖和成骨分化（qRT-PCR）评估UCollMgHA支架的生物学潜力，同时评估在医用水蛭模型中的早期宿主整合、细胞浸润和新生血管形成。总体而言，所开发的平台被提议作为一种可持续且仿生的材料，在非承重骨组织工程和再生策略中具有潜在应用价值。

章节片段

支架的制备

胶原蛋白使用先前建立的方案从海胆中分离，这些方案保证了其超分子纤维状组织（包括GAG修饰）的保存，如Ferrario等人所述[16]，[18]。简而言之，海胆废弃物由米兰大学附近的一家当地餐厅提供，冷冻的围口膜（围绕口部的富含胶原蛋白的膜）被分离出来，在人工海水中冲洗，并机械刮除以去除体腔

结果与讨论

本工作聚焦于基于从海胆食物废弃物中回收的天然胶原蛋白，并用镁掺杂羟基磷灰石纳米颗粒（MgHA）矿化的仿生支架的开发，旨在为骨组织工程建立一个可持续且生物学相关的材料平台。该方法的一个显著特征是增值化一个非常规且可再生的海洋来源，以获得天然纤维状胶原蛋白，该胶原蛋白天然装饰有GAG，从而

结论

本研究展示了一种仿生且可持续的方法，用于制造基于从海胆食物废弃物中回收的天然GAG修饰胶原蛋白，并用镁掺杂羟基磷灰石（MgHA）生物矿化的杂化支架。通过增值化这一非常规且可再生的海洋来源胶原蛋白，所提出的策略保留了天然细胞外基质的关键结构和生物学特征，同时促进胶原原纤维生成和MgHA

CRediT作者贡献声明

坎波多尼·伊丽莎白：概念化。 维奇内利·盖亚：数据管理。 玛格丽塔·龙科罗尼：概念化。 斯特凡尼亚·马尔佐拉蒂：概念化。 阿莱西亚·帕诺基亚：数据管理。 洛伦佐·阿波罗尼：数据管理。 西尔维亚·潘塞里：监督。 乔治亚·科斯坦蒂尼：数据管理。 劳拉·普尔泽：概念化。 尼科洛·巴兰齐尼：概念化。 安娜丽莎·格里马尔迪：概念化。 米凯拉·苏尼：概念化。 莫妮卡·桑德里：概念化。

未引用文献

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利益冲突声明

作者声明，他们不存在已知的竞争经济利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本论文中报告的工作。

致谢

本工作得到了国家恢复与韧性计划（NRRP）的资助，任务04组件2投资1.5——NextGenerationEU，招标编号n. 3277，日期2021年12月30日，获奖编号：0001052，日期2022年6月23日，GRAM子项目隶属于ECOSISTER项目，并得到PNRR MUR项目ECS_00000033_ECOSISTER的资助。本工作由MUR支持：任务4组件2，投资3.3创新博士项目（DM 630），G.大学研究。

坎波多尼·伊丽莎白|维奇内利·盖亚|玛格丽塔·龙科罗尼|斯特凡尼亚·马尔佐拉蒂|阿莱西亚·帕诺基亚|洛伦佐·阿波罗尼|西尔维亚·潘塞里|乔治亚·科斯坦蒂尼|劳拉·普尔泽|尼科洛·巴兰齐尼|安娜丽莎·格里马尔迪|米凯拉·苏尼|莫妮卡·桑德里