‘Andamio’ de grafeno recluta células óseas y ayuda al organismo a regenerar fracturas

Estructuras desarrolladas por un equipo de la Universidad de São Paulo y de la Facultad Albert Einstein se combinan con polímeros de origen orgánico y también pueden recuperar pérdidas o malformaciones óseas

Por Reinaldo José Lopes  |  Agência FAPESP – Experimentos realizados en Brasil con ratas de laboratorio mostraron que estructuras basadas en grafeno (“láminas” del elemento químico carbono de apenas un átomo de espesor) pueden funcionar como un aliado poderoso en la regeneración ósea, ayudando a reparar fracturas o pérdidas de hueso. En las pruebas, la matriz biocompatible que incluía grafeno promovió una reparación de casi el 90 % del daño sufrido por los animales un mes después de la fractura inducida en laboratorio, un desempeño superior al de otros materiales utilizados en la investigación.

El análisis del desempeño del biomaterial fue publicado en la revista Scientific Reports. El estudio fue coordinado por Daniela Franco Bueno, de la Facultad Israelita de Ciencias de la Salud Albert Einstein, y Guilherme Lenz e Silva, de la Escuela Politécnica de la Universidad de São Paulo (Poli-USP).

Para Bueno, los resultados generan buenas expectativas de que el enfoque avance hacia su uso en pacientes humanos en un futuro no muy lejano. “Esta tecnología se encuentra en una fase avanzada de desarrollo preclínico”, resume. “Hay un camino claro hacia su aplicación en estudios clínicos en los próximos pasos.”

Como materia prima para los experimentos, el equipo utilizó licor negro, un subproducto de la industria del papel y la celulosa que contiene, entre otros componentes, residuos de madera disuelta y otras moléculas orgánicas, formando una solución oscura (de ahí su nombre).

El carbono obtenido mediante el procesamiento del licor negro fue asociado con diferentes materiales de estructura nanométrica (del orden de milmillonésimas de metro), entre ellos el grafeno propiamente dicho, el óxido de grafeno y el nanografito. El último componente en incorporarse a esta combinación son los polímeros a base de quitosana-xantana, moléculas orgánicas complejas derivadas, respectivamente, de crustáceos y bacterias.

Bueno explica que biomateriales como estos no se comportan como prótesis permanentes inertes, como las metálicas, pero tampoco son simplemente reabsorbidos por el organismo, como ocurre con algunos polímeros biodegradables conocidos desde hace mucho tiempo.

“En el contexto de la ingeniería de tejidos, estos materiales actúan principalmente como scaffolds [‘andamios’] bioactivos”, señala. “Son estructuras temporales que orientan, estimulan y aceleran la regeneración del tejido óseo. A medio y largo plazo, lo que ocurre no es una permanencia pasiva del material, sino una interacción dinámica con el organismo.”

Todo dependerá de factores como la forma exacta de las estructuras de carbono, el tamaño de las partículas y su asociación con otros materiales. Esto influirá en la interacción del biomaterial con células del organismo, como los macrófagos (células de defensa), los osteoclastos (responsables de la reabsorción ósea) y las células madre (que dan origen a distintos tipos de estructuras celulares). En distintos casos, el material puede degradarse o remodelarse, ser sustituido gradualmente por la formación de nuevo tejido óseo o permanecer en cantidades residuales sin provocar inflamación, actuando como refuerzo estructural.

“El éxito del biomaterial consiste precisamente en dejar de ser el protagonista y dar paso al tejido regenerado”, afirma la investigadora. Siguiendo esta lógica, la combinación de quitosana con grafeno es estratégica, ya que cada uno de estos materiales influye en diferentes aspectos del proceso de regeneración del hueso lesionado.

Por un lado, la quitosana es más moldeable y se degrada de forma controlada en el organismo, además de ser más biocompatible (es decir, no es rechazada por el cuerpo). Por otro lado, el grafeno favorece la adhesión celular en el sitio, la vascularización (formación de nuevos vasos sanguíneos) y la diferenciación osteogénica, proceso mediante el cual los distintos tipos de células óseas adquieren funciones especializadas.

“Esta sinergia crea una estructura tridimensional que no es solo un soporte físico, sino un entorno biológicamente activo, capaz de estimular a las células a formar hueso de manera más rápida, organizada y funcional”, explica Bueno.

Para que este proceso ocurra efectivamente, es necesario regular factores como la microarquitectura de los biomateriales, de modo que presenten poros con tamaño y conectividad adecuados para permitir la entrada de vasos sanguíneos y células, así como el intercambio de nutrientes. También deben considerarse propiedades como la rigidez y la resistencia, para que sean compatibles con el tejido óseo. Todo ello se controla mediante métodos de producción en laboratorio y el uso de impresión 3D.

En los experimentos descritos en el trabajo, apoyado por la FAPESP (procesos 20/12954-2 y 18/18890-6), el equipo utilizó los biomateriales, con diferentes formulaciones, para promover la regeneración de fracturas inducidas en las tibias (huesos de la pierna) de 16 ratas macho. Todos los tipos de scaffolds registraron tasas significativas de recuperación ósea, siendo el grafeno el que presentó el mejor desempeño.

La expectativa es que el enfoque sea útil tanto para fracturas como para la reconstrucción de pérdidas óseas o problemas congénitos en los que exista malformación del hueso. Para ello, el plan de los investigadores es combinar los biomateriales con células madre, como las derivadas de la pulpa de dientes deciduos (de leche), algo que el equipo también está evaluando.

“La asociación de células madre con los biomateriales acelera la formación ósea, orquestando la vascularización y la integración del tejido y haciendo el proceso más eficiente y biológicamente inteligente. No estamos sustituyendo tejidos, sino enseñando al cuerpo a regenerarlos”, explica la autora del estudio.

El artículo Structural and biological characterization of carbon–graphene biomaterials derived from black liquor with functional properties for bone tissue engineering puede leerse en: nature.com/articles/s41598-025-29606-x.