Exploring Collagen–Nanocellulose Hydrogels as Scaffolds: A Mechanical and Biocompatibility Approach for Cartilage Repair

Abstract

Introducción: La ingeniería de tejidos representa una estrategia prometedora para la reparación del cartílago, un tejido con limitada capacidad de autoreparación debido a su naturaleza avascular. En este contexto, los hidrogeles elaborados a partir de biomateriales naturales destacan por su biocompatibilidad, alta retención de agua y similitud estructural con la matriz extracelular. Este proyecto se enfocó en el desarrollo de hidrogeles compuestos por colágena (COL) extraída de escamas de pescado y nanocelulosa (CNC) derivada del algodón, con el objetivo de crear un entorno tridimensional favorable para el crecimiento y funcionalidad de los condrocitos. Objetivo: Evaluar las propiedades mecánicas de los hidrogeles antes y después de la siembra de condrocitos humanos, así como determinar la biocompatibilidad de las formulaciones propuestas. Materiales y Métodos: Se prepararon hidrogeles con diferentes concentraciones de colágena y CNC, entrecruzados químicamente. La biocompatibilidad se evaluó mediante ensayos de viabilidad celular (Live/Dead) y análisis por microscopía de fluorescencia, utilizando condrocitos humanos cultivados durante 7 y 14 días. La caracterización mecánica se realizó mediante ensayos de compresión confinada en una máquina universal de ensayos (Shimadzu AGS-X 10 kN). Se aplicó una precarga (0.5–1 N) para asegurar contacto uniforme entre el pistón y el hidrogel, seguida de dos deformaciones escalonadas (10 % y 20 %) a una velocidad de 0.5 mm/s. Las muestras se dividieron en tres grupos: control, hidrogeles sin condrocitos e hidrogeles con condrocitos. Resultados: Los ensayos de viabilidad demostraron que los hidrogeles no fueron citotóxicos y permitieron la adhesión y proliferación de condrocitos tanto en la superficie como en el interior del andamio. Los ensayos mecánicos mostraron que el incremento en la concentración de CNC mejoró significativamente el módulo de Young y la resistencia a la deformación. Además, los hidrogeles cargados con condrocitos presentaron un comportamiento mecánico más robusto, lo que indica una contribución estructural de las células a la matriz del hidrogel. Conclusiones: La incorporación de nanocelulosa dio lugar a hidrogeles altamente porosos que favorecieron la migración y colonización celular. Esta interacción célula-matriz resultó en una mejora significativa de las propiedades mecánicas, especialmente en los hidrogeles con condrocitos. En conjunto, estos resultados confirman el potencial de los hidrogeles COL-CNC como andamios biocompatibles y funcionales para la reparación del cartílago.