Resumen de la tesis que presenta Tonatzin Zertuche Arias como requisito parcial para la obtención
del grado de Doctora en Ciencias en Nanociencias
Development and evaluation of hydrogels for the delivery of compounds with the potential to promote bone remodeling
Resumen aprobado por:
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Dra. Ana Bertha Castro Ceseña
Codirectora de tesis
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Dra. Patricia Juárez Camacho
Codirectora de tesis
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Resumen en español
La regeneración ósea es un proceso complejo que coordina la regulación de la inflamación, la
La regeneración ósea es un proceso complejo que coordina la regulación de la inflamación, la
angiogénesis y la remodelación de la matriz extracelular. Aunque los autoinjertos siguen siendo el
estándar de oro en la reparación ósea por su compatibilidad biológica y potencial osteogénico,
presentan limitaciones como la morbilidad del sitio donador, disponibilidad restringida e integración
variable. Alternativas como los aloinjertos y los dispositivos de fijación también conllevan desafíos
clínicos, entre ellos el riesgo de rechazo inmunológico, fibrosis y reabsorción ósea. Para abordar estas
limitaciones, los hidrogeles inyectables basados en polímeros naturales han emergido como
alternativas mínimamente invasivas capaces de adaptarse a defectos irregulares y funcionar
simultáneamente como andamios estructurales y sistemas de liberación. En esta tesis se diseñaron
hidrogeles compuestos por gelatina y quitosano metacrilados, entrecruzados mediante
fotopolimerización, para la entrega de N-acetilcisteína (NAC) y del péptido pro-adrenomedulina
(PAMP). Se formularon cuatro variantes: una sin compuestos bioactivos (GC), y otras funcionalizadas
con NAC (GCN), PAMP (GCP) o ambos (GCNP). Los materiales se caracterizaron mediante FTIR, SEM,
ensayos mecánicos, de hinchamiento, degradación enzimática y celular, y perfil de liberación. Además,
se evaluó su efecto sobre la viabilidad y mineralización de células preosteoblásticas MC3T3-E1, así
como su comportamiento en cultivo ex vivo de calvaria. Mediante FTIR se confirmó la metacrilación de
los polímeros y su interacción con NAC, lo que se demostró al observar por SEM el aumento
significativo en el tamaño de poro al incorporar NAC, de 24.49 ± 14.19 µm (GC) a 200.49 ± 80.42 µm
(GCN). GCNP presentó mayor hinchamiento y degradación acelerada: en presencia de lisozima, la
pérdida de masa a 14 días fue de 97.53 ± 4.23 %, y en cocultivo con macrófagos RAW 264.7 durante 7
días alcanzó el 87.14 ± 4.29 %. El perfil de liberación mostró un comportamiento bifásico en GCNP, con
un 86.60 ± 6.00 % liberado a los 7 días. En cuanto a propiedades mecánicas, GCN alcanzó la mayor
resistencia a la compresión (151.79 ± 44.81 kPa), mientras que GCNP exhibió el módulo de Young más
alto (55.26 ± 5.79 kPa). A nivel biológico, la viabilidad celular se evaluó mediante MTT (in vitro) y
Live/Dead Kit (ex vivo), observándose que GCNP promovió un efecto sinérgico al incrementar la
actividad metabólica de células MC3T3-E1 a los 1,3 y 7 días, así como la proliferación celular en el tejido
circundante del modelo ex vivo de defecto crítico de calvaria a los 14 días. La mineralización,
determinada por tinción con rojo de Alizarin S, se duplicó in vitro respecto al control, y también fue
evidente ex vivo mediante fluorescencia. Estos hallazgos demuestran que la incorporación combinada
de NAC y PAMP no solo mejora la bioactividad del material, sino que también modula favorablemente
su arquitectura, degradación y respuesta celular. En conjunto, los resultados confieren a los hidrogeles
GCNP una funcionalidad dual como soporte temporal y como vehículo de liberación, favoreciendo la
mineralización en las primeras etapas de la regeneración ósea, lo que sugiere su potencial aplicación
biomédica en el tratamiento de defectos óseos complejos.
Palabras clave: Hidrogeles, regeneración ósea, N-acetilcisteína, péptido pro-adrenomedulina
Resumen en inglés
Bone regeneration in non-load-bearing defects involves highly coordinated processes, including Bone
Bone regeneration in non-load-bearing defects involves highly coordinated processes, including Bone
regeneration is a complex process that coordinates inflammation regulation, angiogenesis, and
extracellular matrix remodeling. Although autografts remain the gold standard in bone repair due to
their biological compatibility and osteogenic potential, they present limitations such as donor site
morbidity, restricted availability, and variable integration. Alternatives such as allografts and fixation
devices also pose clinical challenges, including risks of immune rejection, fibrosis, and bone resorption.
To address these limitations, injectable hydrogels based on natural polymers have emerged as
minimally invasive alternatives capable of adapting to irregular defects and functioning simultaneously
as structural scaffolds and delivery systems. In this thesis, hydrogels composed of methacrylated
gelatin and methacrylated chitosan were developed and crosslinked via photopolymerization to
deliver N-acetylcysteine (NAC) and the pro-adrenomedullin peptide (PAMP). Four formulations were
prepared: one without bioactive compounds (GC) and three functionalized with NAC (GCN), PAMP
(GCP), or both (GCNP). The materials were characterized by FTIR, SEM, mechanical testing, swelling
behavior, enzymatic and cellular degradation, and release profiles. Their effect on the viability and
mineralization of MC3T3-E1 preosteoblastic cells was also evaluated, along with their behavior in an
ex vivo calvarial culture model. FTIR confirmed the methacrylation of the polymers and their
interaction with NAC, which was supported by SEM analysis showing a significant increase in pore size
upon NAC incorporation, from 24.49 ± 14.19 µm (GC) to 200.49 ± 80.42 µm (GCN). GCNP exhibited
enhanced swelling and accelerated degradation: in the presence of lysozyme, mass loss after 14 days
reached 97.53 ± 4.23 %, and in coculture with RAW 264.7 macrophages for 7 days it reached
87.14 ± 4.29 %. The release profile of GCNP showed biphasic behavior, with 86.60 ± 6.00 % released
by day 7. Regarding mechanical properties, GCN exhibited the highest compressive strength
(151.79 ± 44.81 kPa), whereas GCNP had the highest Young’s modulus (55.26 ± 5.79 kPa). Biologically,
cell viability was assessed using MTT (in vitro) and Live/Dead Kit (ex vivo). GCNP demonstrated a
synergistic effect by enhancing the metabolic activity of MC3T3-E1 cells on days 1, 3, and 7, and by
promoting cell proliferation in the surrounding tissue of the ex vivo critical-sized calvarial defect at day
14. Mineralization, determined by Alizarin Red S staining, doubled in vitro compared to the control and
was also evident ex vivo by fluorescence. These findings demonstrate that the combined incorporation
of NAC and PAMP not only improves the material’s bioactivity but also favorably modulates its
architecture, degradation, and cellular response. Altogether, the results confer GCNP hydrogels a dual
functionality as temporary structural support and delivery vehicle, promoting mineralization in the
early stages of bone regeneration, and suggesting their potential for biomedical application in the
treatment of complex bone defects.
Palabras clave: Hydrogels, bone remodeling, N-acetylcystein, pro-adrenomedullin peptide