Кости из риса: разработан дешевый и экологически чистый метод преобразования сельхозотходов в биоматериалы

8 октября 2020 г., Москва — Биокерамика для производства имплантатов и регенерации костных дефектов разработана международной группой материаловедов в Центре композиционных материалов НИТУ «МИСиС». Биоматериалы, полученные из сельскохозяйственных отходов — рисовой шелухи — показали отличную биоминерализацию и совместимость с клетками крови млекопитающих. Результаты работы были опубликованы в международном научном журнале Materials Science and Engineering C: Materials for Biological A pplications.

Легкодоступность, дешевизна и естественное происхождение сельскохозяйственных отходов мотивируют ученых превращать их в ценный продукт.  Шелуха риса, например, богата диоксидом кремния. Высокое содержание кальция в яичной скорлупе делает ее конкурентоспособным сырьем для производства биоматериалов. Эта стратегия переработки отходов в продукт с добавленной стоимостью для создания биомедицинских приложений является экономически выгодной и при этом экологически чистой.

Команда молодых материаловедов Центра композиционных материалов НИТУ «МИСиС» использовала сырую яичную скорлупу и рисовую шелуху – отход сельскохозяйственного производства — для изготовления трех различных видов силикатной биокерамики   — диопсида, волластонита и форстерита. Материалы отличаются наличием разных химических элементов. Было показано, что химические составляющие исходного сырья и растворение в физиологической среде играют ключевую роль в формировании биологической активности материала. Именно от биоактивности материала зависит успешность операций в имплантологии.

«Наше исследование направлено на решение актуальной во всем мире задачи переработки биоотходов в материалы и изделия, в том числе, для использования в медицине», — пояснила соавтор разработки, студентка программы iPhD «Биоматериаловедение» НИТУ «МИСиС» Инна Булыгина.

Исследователи также подчеркнули, что заменить основные химические элементы, необходимые для ускорения регенерации костей, в синтетических биоматериалах — очень сложно. В своей работе ученые использовали биогенные сельскохозяйственные отходы, которые естественным образом «унаследовали» ионы натрия, магния, калия, кремния и других. Такой природоподобный подход может помочь в увеличении скорости остеогенеза – формирования костной ткани взамен утраченной при травмах и заболеваниях.

«Наилучшие результаты показал диопсид (CaMgSi₂O₆) — он показал самую высокую гемосовместимость при всех концентрациях (62,5, 125, 250 мкг / мл) даже после 24 часов инкубации. «Инкубация мультипотентных мезенхимальных стромальных клеток (ММСК) мышей с диопсидом в целом не приводит к увеличению уровня апоптоза в культуре клеток по сравнению с контролем», —сказал один из авторов, постдок НИТУ «МИСИС» Раджан Чоудхари.

«Мы предложили простой метод извлечения чистого диоксида кремния из рисовой шелухи. В процессе испытаний мы показали, что полученный таким способом материал не ухудшает жизнеспособность контактирующих с ним клеток», — добавил руководитель iPhD «Биоматериаловедение»  НИТУ «МИСиС», к.ф.-м.н  Фёдор Сенатов.

В настоящее время разработчики пошли дальше и изучают возможность воспроизведения архитектуры нативных тканей путем изготовления скаффолдов с использованием аддитивного производства.