Sustainable 3D printed hydroxyapatite scaffolds and bioceramics for biomedical applications obtained from fish industry waste

In the last 60 years, fish products consumption has seen a huge increase following their recognition as key components of a balanced diet and healthy lifestyle. Based on FAO (Food and Agricultural Organization) statistics, total fisheries and aquaculture production has shown a considerable increase of more than eightfold, reporting a global fishery production that exceeds 170 million tons. Consequently, the amount of fish wastes has undergone a dramatic increase across the world, and their disposal poses several environmental issues. However, the residues and waste can be used to produce a variety of different useful compounds; for example, through the harvesting, cleaning and calcination of fish bones it was possible to create hydroxyapatite bioceramics and 3D printed bone implants and scaffolds. Hydroxyapatite (HAp) is a natural mineral form of calcium apatite with the formula Ca10(PO4)6(OH)2 and it is the main component of bones and teeth. In recent years, HAp has increasingly gained interest as a ceramic biomaterial for treating bone diseases or creating scaffolds for bone replacements due to its mechanical properties, biocompatibility and biodegradability/resorbability. Natural biogenic HAp is actually usually a mixture of HAp and β-tricalcium phosphate (β-TCP, Ca3(PO4)2), and his typically has improved resorbability compared to pure HAp. This study focuses on the production and characterisation of bioceramics and robocast 3D-printed scaffolds made of biogenic hydroxyapatite, designed to mimic the natural structure of bones and support cell adhesion and growth. The biogenic hydroxyapatite was obtained from food local Italian fish wastes. In particular, the wastes of the following fish were used: salmon, sword fish, cod fish, sea bass and gilt-head bream. In order to produce an ink of a printable rheological character for 3D printing, (hydroxypropyl) methyl cellulose (circa 1 wt%) and distilled water were mixed with HAp, to obtained inks with 25-40 vol% bioceramics loading. To compare the characteristics of different formulations, the pore-forming agent PMMA was also employed in one case to create scaffolds with enhanced internal porosity. This is the first time that bioceramics derived from fish wastes have been 3D printed. The bioactivity of the scaffolds was assessed by soaking them in simulated body fluid (SBF) solution, evaluating the formation of new HAp crystals on the surface through the analysis with Scanning Electron Microscopy (SEM). The conjugation with human immunoglobulins G (IgG) was studied by using the Lowry method, and the amount of remained IgGs was measured through UV-Vis Spectroscopy. UV-Vis spectroscopy was also used for the evaluation of the optical band gap, applying the Kubelka-Munk function. Optical microscopy (OM) has also been used to delve deeper into the morphology of the scaffold. X-Ray Diffraction (XRD) was used for phase composition, while Attenuated Total Reflectance Fourier Transform Infrared Spectroscopy (ATR-FTIR) was used for chemical groups present. The mechanical strength of the scaffolds was assessed via compression tests.

Negli ultimi 60 anni, il consumo di prodotti ittici ha registrato un enorme aumento in seguito al loro riconoscimento come componenti chiave di una dieta equilibrata e di uno stile di vita sano. Sulla base delle statistiche della FAO (Organizzazione per l’alimentazione e l’agricoltura), la produzione totale della pesca e dell’acquacoltura ha mostrato un aumento considerevole di oltre otto volte, riportando una produzione ittica globale che supera i 170 milioni di tonnellate. Di conseguenza, la quantità di rifiuti ittici ha subito un drammatico aumento in tutto il mondo e il loro smaltimento pone diversi problemi ambientali. Tuttavia, i residui e gli scarti possono essere utilizzati per produrre una varietà di composti utili diversi; ad esempio, attraverso la raccolta, la pulizia e la calcinazione delle lische di pesce è stato possibile creare bioceramiche di idrossiapatite e impianti e impalcature ossee stampate in 3D. L'idrossiapatite (HAp) è una forma minerale naturale di apatite di calcio con formula Ca10(PO4)6(OH)2 ed è il componente principale delle ossa e dei denti. Negli ultimi anni, l'HAp ha suscitato sempre più interesse come biomateriale ceramico per il trattamento di patologie ossee o per la creazione di impalcature per la sostituzione ossea, grazie alle sue proprietà meccaniche, alla biocompatibilità e alla biodegradabilità/riassorbibilità. L'HAp biogenico naturale è in realtà solitamente una miscela di HAp e β-fosfato tricalcico (β-TCP, Ca3(PO4)2) e solitamente presenta una migliore riassorbibilità rispetto all'HAp puro. Questo studio si concentra sulla produzione e caratterizzazione di bioceramiche e impalcature robocast stampate in 3D realizzate in idrossiapatite biogenica, progettate per imitare la struttura naturale delle ossa e supportare l'adesione e la crescita cellulare. L'idrossiapatite biogenica è stata ottenuta da scarti alimentari locali di pesce italiano. In particolare sono stati utilizzati gli scarti dei seguenti pesci: salmone, pesce spada, merluzzo, spigola e orata. Per produrre un inchiostro di carattere reologico stampabile per la stampa 3D, la (idrossipropil)metilcellulosa (circa l'1% in peso) e l'acqua distillata sono state miscelate con HAp, ottenendo inchiostri con un carico di bioceramica del 25-40% in volume. Per confrontare le caratteristiche di diverse formulazioni, in un caso è stato impiegato anche l'agente formante pori PMMA per creare impalcature con porosità interna migliorata. È la prima volta che le bioceramiche ricavate dagli scarti ittici vengono stampate in 3D. La bioattività degli scaffold è stata valutata immergendoli in una soluzione di fluido corporeo simulato (SBF), valutando la formazione di nuovi cristalli di HAp sulla superficie attraverso l'analisi con microscopia elettronica a scansione (SEM). La coniugazione con le immunoglobuline G umane (IgG) è stata studiata utilizzando il metodo Lowry e la quantità di IgG rimanenti è stata misurata tramite spettroscopia UV-Vis. Per la valutazione del band gap ottico è stata utilizzata anche la spettroscopia UV-Vis, applicando la funzione di Kubelka-Munk. La microscopia ottica (OM) è stata utilizzata anche per approfondire la morfologia dell'impalcatura. Per la composizione di fase è stata utilizzata la diffrazione dei raggi X (XRD), mentre per i gruppi chimici presenti è stata utilizzata la spettroscopia infrarossa a trasformata di Fourier a riflettanza totale attenuata (ATR-FTIR). La resistenza meccanica delle impalcature è stata valutata tramite prove di compressione.