Modelización del comportamiento mecánico de hidrogeles de colágeno a partir de su microestructura

Resumen

Los hidrogeles son estructuras tridimensionales reticulares, compuestas por cadenas de polímeros
hidrófilos capaces de absorber grandes cantidades de agua. Esta propiedad les permite cambiar de
volumen, lo cual es útil en aplicaciones como la administración de fármacos o la ingeniería de
tejidos. Según su origen, los hidrogeles pueden ser naturales o sintéticos. Un ejemplo natural es el
colágeno, la proteína estructural más abundante en mamíferos, de naturaleza fibrosa y responsable
de mantener unidos los tejidos conectivos.

Por su parte, la reología es una disciplina clave para caracterizar mecánicamente los hidrogeles
de colágeno, midiendo la deformación que experimentan bajo una tensión de cizalladura aplicada.
Este método permite estudiar su comportamiento mecánico, que es altamente no lineal y muy
dependiente de su microestructura. En este trabajo, se ha desarrollado una metodología para
reproducir in silico el comportamiento mecánico obtenido mediante un ensayo reológico en un
hidrogel a base de colágeno bovino con una concentración de 0.8 mg/ml.

La metodología propuesta reconstruye computacionalmente la red fibrilar real de colágeno,
simulando las diferentes longitudes y tortuosidades de las fibras, a partir de imágenes de
microscopía del hidrogel obtenidas con la técnica Focused Ion Beam - Scanning Electron
Microscopy (FIB - SEM). Posteriormente, para reproducir in silico el ensayo de reología, se utiliza
un modelo multiescala que permite obtener el comportamiento mecánico macroscópico de una
matriz de fibras a partir de la interacción micromecánica de las fibras. La simulación
computacional de la red fibrilar reconstruida es capaz de reproducir la respuesta mecánica no
lineal observada en la prueba experimental.

Esta metodología permite obtener computacionalmente las propiedades reológicas de hidrogeles o
redes de fibras, pudiendo ser una herramienta útil para comprender su comportamiento mecánico.