Síntesis y Caracterización de Aerogeles de Colágeno para Aplicaciones en Injertos Óseos

Abstract

El tratamiento de defectos óseos graves mediante sustitutos biológicos supone un gran reto para la ingeniería biomecánica. Los aerogeles de colágeno tipo I son candidatos prometedores como andamios para la regeneración ósea debido a su porosidad, biocompatibilidad y capacidad para imitar la matriz extracelular ósea. Sin embargo, su producción mediante secado supercrítico—el método de referencia— requiere equipos de alta presión cuyo coste limita su uso en entornos con recursos limitados, como Colombia. La liofilización es una alternativa técnicamente accesible, pero a menudo da lugar a materiales con menor integridad estructural. En este estudio, se sintetizaron aerogeles de colágeno tipo I a partir de tendón bovino utilizando el método sol-gel con liofilización, empleando equipos disponibles en la Universidad Industrial de Santander. El protocolo de extracción incluyó desengrasado, digestión enzimática con pepsina, precipitación selectiva con NaCl y etanol, y filtración. La solución de colágeno purificada se gelificó a 37 °C en moldes impresos en 3D, se congeló a -80 °C y se liofilizó durante 24-48 horas. El material se colapsó durante el secado, lo que impidió realizar ensayos de compresión convencionales. En respuesta a ello, se implementó un marco de validación dual: caracterización morfológica experimental junto con simulación multifísica mediante modelo digital. Las micrografías de SEM revelaron una estructura porosa heterogénea (macroporos, mesoporos y microporos) con poros interconectados y una rugosidad superficial adecuada. El análisis EDS confirmó la composición elemental del colágeno tipo I (C: 36,30 %, N: 5,03 %, O: 30,53 %). El análisis morfométrico con Fiji de 261 partículas arrojó un diámetro de Feret medio de 6,74 ± 14,23 μm y una porosidad del 52,19%. Se construyó un modelo digital de 204 × 188 × 204 vóxeles y se analizó mediante homogeneización FFT en el clúster HPC GUANE, prediciendo una conductividad térmica de 0,084 W/(m·K), un módulo elástico de 22,94 MPa y una permeabilidad de 3,18 × 10⁻¹² m², en consonancia con los rangos de la bibliografía. Este estudio demuestra que la homogeneización computacional FFT aplicada a modelos digitales es una herramienta válida para predecir las propiedades multifísicas de los aerogeles cuando el colapso estructural impide la realización de ensayos experimentales.