La regeneración ósea representa un desafío significativo en el campo de la ingeniería de tejidos, lo que ha llevado a una investigación continua para explorar estrategias innovadoras para una curación ósea efectiva. La integración de células madre y andamios de nanomaterial ha surgido como un enfoque prometedor, ofreciendo el potencial de mejorar los resultados regenerativos. Este estudio se centra en la aplicación de un andamio de nanomaterial cargado de células madre diseñado para la regeneración ósea en conejos. El estudio in vivo se llevó a cabo en treinta y seis conejos de Nueva Zelanda sanos y esqueléticamente maduros que fueron asignados aleatoriamente a seis grupos. El grupo A se consideró el control, en el que se creó un defecto crítico de 15 mm y se dejó así sin ningún tratamiento. En el grupo B, este defecto se llenó con un andamio de policaprolactona-hidroxiapatita (PCL + HAP), mientras que en el grupo C se utilizó un andamio de PCL + HAP-nanotubo de carbono de múltiples capas carboxilado (PCL + HAP + MWCNT-COOH). En el grupo D, se utilizó un andamio de PCL + HAP + MWCNT-COOH con inyección local de proteína morfogenética ósea-2 (BMP-2) en los días postoperatorios 30, 45 y 60. Las células madre mesenquimatosas derivadas de la médula ósea de conejo (rBMSCs) se sembraron en el andamio de PCL + HAP + MWCNT-COOH mediante el método centrífugo. En el grupo E, se utilizó un andamio de PCL + HAP + MWCNT-COOH sembrado con rBMSC junto con la inyección local de rBMSC en los días postoperatorios 7, 14 y 21. Para el grupo F, además del tratamiento dado al grupo E, se administró BMP-2 localmente en los días postoperatorios 30, 45 y 60. Las observaciones generales, la observación radiológica, la evaluación mediante microscopía electrónica de barrido y el estudio de evaluación histológica mostraron que el grupo F presentó las mejores propiedades de curación, seguido por el grupo E, grupo D, grupo C y B. El grupo A no mostró curación con extremos romos y tejido fibroso mínimo. La incorporación del factor de crecimiento BMP-2 en el constructo de nanocompuesto PCL + HAP + MWCNT-COOH cargado de rBMSC puede aumentar las propiedades osteoinductivas y osteoconductivas, mejorando así la curación en un defecto óseo de tamaño crítico. Este novedoso compuesto de células madre podría resultar valioso en el tratamiento de fracturas de no unión y unión retrasada en un futuro cercano.