《Journal of Cleaner Production》：Waste valorization by methacrylation of fish skin collagen for bioprinting of neural stem cells
编辑推荐：
•成功从石斑鱼皮中提取出胶原蛋白，实现了废弃物的资源化利用。•对胶原蛋白的分子结构及其构象特征进行了全面分析。•合成了甲基丙烯酰化胶原蛋白（ColMA），并优化了其性能，以便用于复杂形状的高精度打印。•利用神经干细胞进行的体外研究显示该材料具有较高的存活率，体现了其在神经组织工程
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成功从石斑鱼皮中提取出胶原蛋白，实现了废弃物的资源化利用。
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对胶原蛋白的分子结构及其构象特征进行了全面分析。
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合成了甲基丙烯酰化胶原蛋白（ColMA），并优化了其性能，以便用于复杂形状的高精度打印。
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利用神经干细胞进行的体外研究显示该材料具有较高的存活率，体现了其在神经组织工程中的应用潜力。
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ColMA水凝胶能够促进间充质干细胞的神经分化，进一步证明了其作为可持续生物材料的适用性。
引言
在渔业中通常被视为废弃物的鱼皮，其实富含胶原蛋白——这种蛋白质在生物材料工程领域有着广泛的应用（Govindharaj等人，2019；Selvakumar等人，2021）。从鱼皮中提取并重新利用胶原蛋白，不仅为废物管理提供了可持续的解决方案，还带来了低成本且可再生的高质量生物材料来源。这种方法符合清洁生产和废物资源化的理念，能够将副产品转化为有价值的资源。
鱼源胶原蛋白与人类胶原蛋白的生物相容性及相似性，使其在医疗和化妆品领域具有特殊价值。其低免疫原性以及较高的强度和柔韧性，使其非常适合用于各种生物医学应用，如植入物、医用缝合线以及组织重建等。先前的研究已经证明了鱼胶原蛋白的多样性，以及其对皮肤健康、关节功能和骨骼健康的积极影响（Alfaro等人，2015）。
为克服胶原蛋白机械性能较差和降解难以控制等缺点，可通过甲基化处理将其转化为甲基丙烯酰化胶原蛋白（ColMA）。与天然胶原蛋白相比，由鱼皮胶原蛋白制成的ColMA具有更好的机械性能、生物活性和降解性（Jafari等人，2020）。此外，ColMA生物墨水因其可调节的甲基化程度和光交联特性而具有很高的灵活性，非常适合用于构建具有精确结构与细胞分布的3D生物打印组织支架。
其光交联特性在生物打印领域，尤其是数字光处理技术下的生物打印中，具有重要的战略意义。数字光处理生物打印具有极高的精度和快速的打印速度，是3D生物打印的理想技术。它能够在温和的打印条件下操作，从而最大程度减少对含有细胞、生物因子和生物材料的功能性水凝胶的损害。该技术能够确保在整个打印过程中细胞的存活率，这对于制造结构复杂的活体组织至关重要。凭借其在高分辨率下实现复杂几何结构的强大能力，这项技术有助于开发出具有精确结构与复杂设计的组织构造物。
目前，人们已经使用牛源、肌腱源或商业来源的胶原蛋白，在基于数字光处理的生物打印技术中探索其作为通用支架材料的应用。而本研究则通过整合可持续的材料来源、废物资源化以及利用从海鲜加工废弃物中提取的鱼皮胶原蛋白进行高效生产，进一步推动了基于ColMA的数字光处理生物打印技术的发展。这种方法通过减少对土地密集型动物源的依赖，同时实现生物墨水的规模化制备，完全符合清洁生产的理念。
神经干细胞在神经组织再生过程中起着至关重要的作用。将神经干细胞与ColMA这类生物材料相结合，为修复受损的神经组织提供了一种极具前景的方法。ColMA独特的性能，比如能够促进神经元生长，还能为神经组织的构建提供理想的柔软仿生环境，使其成为制造神经支架的理想材料。这种仿生策略凸显了天然来源的柔软生物墨水在促进神经修复和组织再生方面的巨大潜力。
本研究重点探讨了如何可持续地利用鱼皮副产品来提取和表征胶原蛋白，合成ColMA水凝胶，并优化ColMA墨水以用于数字光处理打印。研究表明，ColMA生物墨水非常适合用于打印含有神经干细胞的生物构造物，充分证明了天然来源的柔软生物墨水在维持神经干细胞存活方面的优势。将鱼皮副产品转化为ColMA生物墨水，是生物材料工程领域迈向更清洁生产和可持续发展的重要一步。通过重新利用废弃物资源，这项研究不仅推动了组织工程技术的进步，同时也遵循了环保的理念。
章节要点
材料
过氧化氢（H2O2）、甲基丙烯酸酐（MA）、氯化钠（NaCl）、胃蛋白酶A、醋酸、重水（99.9原子百分比D）、苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰)锂磷酸酯（LAP）、氢氧化钠（NaOH）以及杜尔贝克磷酸盐缓冲液（DPBS）均购自法国圣康坦-法拉维耶的Sigma Aldrich公司。Alamar Blue试剂盒（产品编号A50101）则从美国马萨诸塞州沃尔瑟姆的Invitrogen公司购买。此外还使用了LIVE/DEAD细胞活力/细胞毒性检测试剂盒、L-谷氨酰胺、青霉素等。
鱼胶原蛋白的提取与表征
为了确保最终产品的纯度和质量，研究人员对从鱼皮中提取胶原蛋白的全过程进行了精细的操作（见图1(a)）。首先对鱼皮进行清洗和手工研磨，然后使用0.1?M的NaOH溶液处理，之后再多次更换水，这些步骤旨在去除杂质并为后续处理做好准备（Jafari等人，2020）。随后加入1%的过氧化氢溶液，并在4℃下搅拌，以此来漂白和清洁鱼皮，最终得到白色的
结论与未来展望
总之，这项研究展现了甲基化鱼胶原蛋白（ColMA）在基于数字光处理的3D生物打印领域的应用潜力。在现有ColMA化学成分的基础上，本研究提出的鱼皮来源的ColMA是一种可持续获取且适合数字光处理打印的生物材料，其优势在于废物资源化、材料性能优异以及良好的细胞相容性。利用渔业中常常被忽视的鱼皮副产品，进一步凸显了废物资源化以及可持续发展的重要性
作者贡献说明
Kaushik Sunder：数据整理、正式分析、实验研究、方法设计、软件应用、结果可视化、初稿撰写。Gopinathan Janarthanan：概念构思、数据整理、正式分析、实验研究、方法设计、软件应用、项目监督、结果验证、结果可视化、修订润色。Kamil Elkhoury：概念构思、数据整理、正式分析、实验研究、方法设计、软件应用、项目监督、结果验证、结果可视化、修订润色。Rashik Chand：
利益冲突声明
所有作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。
致谢
本研究的部分工作是在纽约大学阿布扎比分校的核心技术平台支持下完成的。KS感谢Jiarui Zhou在细胞培养研究中的帮助，也感谢Abhay Menon和Meenakshi Ajayan在鱼皮胶原蛋白提取及表征相关实验中的协助，同时感谢Susheem Kanwar在压缩测试分析方面的支持。此外，还要感谢Galadari实验室的Siraj Pallichankandy博士在SDS-PAGE实验中的帮助，以及Ayyadurai Niraikulam博士提供的
Kaushik Sunder|Gopinathan Janarthanan|Kamil Elkhoury|Rashik Chand|Vinod Nagarajan|Sanjairaj Vijayavenkataraman
