Для пацыентаў, якія перанеслі аперацыю па артапедычнай імплантацыі, бактэрыяльныя інфекцыі і выкліканыя інфекцыямі імунныя рэакцыі заўсёды ўяўлялі небяспеку для жыцця.Звычайныя біялагічныя матэрыялы адчувальныя да біялагічнага забруджвання, якое прыводзіць да таго, што бактэрыі пранікаюць у пашкоджаную вобласць і выклікаюць пасляаперацыйную інфекцыю.Такім чынам, існуе вострая неабходнасць у распрацоўцы супрацьінфекцыйных і імунных пакрыццяў для артапедычных імплантатаў.Тут мы распрацавалі ўдасканаленую тэхналогію мадыфікацыі паверхні для артапедычных імплантатаў пад назвай Lubricated Orthopedic Implant Surface (LOIS), якая натхнёна гладкай паверхняй збаноў для раслін.LOIS мае працяглую і моцную здольнасць адштурхваць розныя вадкасці і біялагічныя рэчывы (у тым ліку клеткі, бялкі, кальцый і бактэрыі).Акрамя таго, мы пацвердзілі механічную ўстойлівасць да драпін і сілу фіксацыі, імітуючы непазбежныя пашкоджанні падчас аперацыі in vitro.Мадэль запаленчага пералому сцегнавой косткі трусінага касцявога мозгу была выкарыстана для дбайнага вывучэння здольнасці LOIS да антыбіялагічнага маштабавання і барацьбы з інфекцыямі.Мы мяркуем, што LOIS, які валодае ўласцівасцямі супраць біялагічнага абрастання і механічнай трываласцю, з'яўляецца крокам наперад у безінфекцыйнай артапедычнай хірургіі.
Сёння з-за агульнага старэння значна павялічылася колькасць пацыентаў, якія пакутуюць ад артапедычных захворванняў (такіх як пераломы ў пажылых людзей, дэгенератыўныя захворванні суставаў і астэапароз) (1, 2).Такім чынам, медыцынскія ўстановы надаюць вялікае значэнне артапедычнай хірургіі, уключаючы артапедычныя імплантаты шруб, пласцін, цвікоў і штучных суставаў (3, 4).Аднак паведамляецца, што традыцыйныя артапедычныя імплантаты схільныя бактэрыяльнай адгезіі і адукацыі біяплёнкі, што можа выклікаць інфекцыю ў месцы хірургічнага ўмяшання (SSI) пасля аперацыі (5, 6).Як толькі біяплёнка ўтворыцца на паверхні артапедычнага імплантата, выдаленне біяплёнкі становіцца надзвычай цяжкім нават пры выкарыстанні вялікіх доз антыбіётыкаў.Такім чынам, гэта звычайна прыводзіць да цяжкіх пасляаперацыйных інфекцый (7, 8).У сувязі з вышэйпералічанымі праблемамі лячэнне інфікаваных імплантатаў павінна ўключаць паўторную аперацыю, уключаючы выдаленне ўсіх імплантаў і навакольных тканін;такім чынам, пацыент будзе адчуваць моцную боль і некаторыя рызыкі (9, 10).
Каб вырашыць некаторыя з гэтых праблем, былі распрацаваны артапедычныя імплантаты з лекавым пакрыццём для прадухілення інфекцыі шляхам ліквідацыі бактэрый, прымацаваных да паверхні (11, 12).Аднак стратэгія па-ранейшаму паказвае некалькі абмежаванняў.Паведамлялася, што працяглая імплантацыя імплантатаў з лекавым пакрыццём выклікала пашкоджанне навакольных тканін і выклікала запаленне, якое можа прывесці да некрозу (13, 14).Акрамя таго, арганічныя растваральнікі, якія могуць існаваць пасля вытворчага працэсу артапедычных імплантатаў з лекавым пакрыццём, якія строга забаронены Упраўленнем па кантролі за прадуктамі і лекамі ЗША, патрабуюць дадатковых этапаў ачысткі, каб адпавядаць яго стандартам (15).Імплантаты з лекавым пакрыццём з'яўляюцца складанымі для кантраляванага вызвалення лекаў, і з-за іх абмежаванай загрузкі лекаў доўгатэрміновае прымяненне лекаў немагчыма (16).
Яшчэ адна распаўсюджаная стратэгія - пакрыць імплантат палімерам супраць абрастання, каб прадухіліць прыліпанне біялагічных рэчываў і бактэрый да паверхні (17).Напрыклад, цвитерионные палімеры прыцягнулі ўвагу дзякуючы сваім неадгезивным уласцівасцям пры кантакце з вавёркамі плазмы, клеткамі і бактэрыямі.Аднак ён мае некаторыя абмежаванні, звязаныя з доўгатэрміновай стабільнасцю і механічнай трываласцю, якія перашкаджаюць яго практычнаму прымяненню ў артапедычных імплантатах, асабліва з-за механічнага выскрабання падчас хірургічных працэдур (18, 19).Акрамя таго, з-за высокай біясумяшчальнасці, адсутнасці неабходнасці хірургічнага ўмяшання і ачысткі паверхні ад карозіі выкарыстоўваліся артапедычныя імплантаты з біяраскладальных матэрыялаў (20, 21).Падчас карозіі хімічныя сувязі паміж палімернай матрыцай разбураюцца і адрываюцца ад паверхні, а адгезіі чысцяць паверхню.Аднак антыбіялагічнае забруджванне шляхам ачысткі паверхні эфектыўна за кароткі прамежак часу.Акрамя таго, большасць матэрыялаў, якія рассмоктваюцца, у тым ліку супалімер полі(малочнай кіслаты і гліколевай кіслаты) (PLGA), полімалочная кіслата (PLA) і сплавы на аснове магнію, будуць падвяргацца нераўнамернаму біяраскладанню і эрозіі ў арганізме, што негатыўна паўплывае на механічную стабільнасць.(дваццаць два).Акрамя таго, біяраскладальныя фрагменты пласціны забяспечваюць месца для прымацавання бактэрый, што павялічвае верагоднасць заражэння ў доўгатэрміновай перспектыве.Гэты рызыка механічнай дэградацыі і інфекцыі абмяжоўвае практычнае прымяненне пластычнай хірургіі (23).
Супергідрафобныя (SHP) паверхні, якія імітуюць іерархічную структуру лісця лотаса, сталі патэнцыйным рашэннем для паверхняў супраць абрастання (24, 25).Калі паверхня SHP апускаецца ў вадкасць, бурбалкі паветра захопліваюцца, утвараючы такім чынам паветраныя кішэні і прадухіляючы адгезію бактэрый (26).Аднак нядаўнія даследаванні паказалі, што паверхня SHP мае недахопы, звязаныя з механічнай трываласцю і доўгатэрміновай стабільнасцю, што перашкаджае яе прымяненню ў медыцынскіх імплантатах.Больш за тое, паветраныя кішэні раствараюцца і губляюць свае ўласцівасці супраць абрастання, што прыводзіць да больш шырокай адгезіі бактэрый з-за вялікай плошчы паверхні SHP (27, 28).Нядаўна Айзенберг і яго калегі прадставілі інавацыйны метад нанясення пакрыцця супраць біялагічнага абрастання, распрацаваўшы гладкую паверхню, натхнёную раслінай Непентэс (29, 30).Гладкая паверхня паказвае доўгатэрміновую стабільнасць у гідраўлічных умовах, надзвычай адштурхвае біялагічныя вадкасці і валодае ўласцівасцямі самааднаўлення.Аднак не існуе ні спосабу нанясення пакрыцця на медыцынскі імплантат складанай формы, ні даказана, што ён падтрымлівае працэс гаення пашкоджанай тканіны пасля імплантацыі.
Тут мы прадстаўляем змазаную паверхню артапедычнага імплантата (LOIS), мікра/нанаструктураваную паверхню артапедычнага імплантата і шчыльна злучаную з тонкім пластом змазкі, каб прадухіліць яе сувязь з пластычнай хірургіяй Бактэрыяльныя інфекцыі, такія як фіксацыя пераломаў.Паколькі функцыяналізаваная фторам мікра/нанаўзроўневая структура трывала фіксуе змазку на структуры, распрацаваны LOIS можа цалкам адштурхоўваць адгезію розных вадкасцей і захоўваць характарыстыкі супраць абрастання на працягу доўгага часу.Пакрыцця LOIS можна наносіць на матэрыялы рознай формы, прызначаныя для сінтэзу костак.Выдатныя антыбіялагічныя ўласцівасці LOIS супраць біяплёнкавых бактэрый [Pseudomonas aeruginosa і метыцылін-ўстойлівага залацістага стафілакока (MRSA)] і біялагічных рэчываў (клетак, бялкоў і кальцыя) былі пацверджаны in vitro.Каэфіцыент адгезіі экстэнсіўнага счаплення з падкладкай складае менш за 1%.Акрамя таго, нават пасля механічнага ўздзеяння, напрыклад, драпін на паверхні, самааднаўленне, выкліканае пранікальнай змазкай, дапамагае захаваць яе ўласцівасці супраць абрастання.Вынікі выпрабаванняў на механічную трываласць паказваюць, што нават пасля структурнай і хімічнай мадыфікацыі агульная трываласць істотна не знізіцца.Акрамя таго, быў праведзены эксперымент in vitro, які імітуе механічнае напружанне ў хірургічным асяроддзі, каб даказаць, што LOIS можа вытрымліваць розныя механічныя нагрузкі, якія ўзнікаюць падчас пластычнай хірургіі.Нарэшце, мы выкарысталі мадэль пералому сцегнавой косткі in vivo на аснове труса, якая даказала, што LOIS валодае выдатнымі антыбактэрыйнымі ўласцівасцямі і біясумяшчальнасцю.Рэнтгеналагічныя і гісталагічныя вынікі пацвердзілі, што стабільныя паводзіны змазкі і ўласцівасці супраць біяабрастання на працягу 4 тыдняў пасля імплантацыі дазваляюць дасягнуць эфектыўнай барацьбы з інфекцыямі і імунітэту без затрымкі працэсу гаення костак.
На малюнку 1A паказана схематычная дыяграма распрацаванага LOIS, які імплантаваны з мікра/нанамаштабнымі структурамі ў мадэль пералому сцегнавой косткі труса, каб пацвердзіць яго выдатныя антыбіялагічныя ўласцівасці супраць забруджвання і інфекцыі.Біяміметычны метад праводзіцца для мадэлявання паверхні гаршковых раслін і прадухілення біялагічнага абрастання шляхам уключэння пласта змазкі ў мікра/нанаструктуру паверхні.Паверхня, у якую ўводзяць змазку, можа звесці да мінімуму кантакт паміж біялагічнымі рэчывамі і паверхняй.Такім чынам, дзякуючы адукацыі ўстойлівых хімічных сувязяў на паверхні, ён валодае выдатнымі характарыстыкамі супраць абрастання і доўгатэрміновай стабільнасцю.У выніку ўласцівасці змазачнай паверхні супраць біялагічнага абрастання дазваляюць выкарыстоўваць яе ў розных практычных мэтах у біямедыцынскіх даследаваннях.Аднак шырокія даследаванні таго, як гэтая асаблівая паверхня ўзаемадзейнічае ў арганізме, яшчэ не завершаны.Параўноўваючы LOIS з аголенымі субстратамі in vitro з выкарыстаннем альбуміна і біяплёнкі бактэрый, можна пацвердзіць, што LOIS не прыліпае (малюнак 1B).Акрамя таго, можна прадэманстраваць эфектыўнасць біялагічнага забруджвання шляхам скочвання кропель вады на нахіленую голую падкладку і падкладку LOIS (малюнак S1 і фільм S1).Як паказана на выяве флуарэсцэнтнага мікраскопа, адкрыты субстрат, інкубаваны ў суспензіі бялку і бактэрый, паказаў вялікую колькасць біялагічнага матэрыялу, які прыліп да паверхні.Тым не менш, з-за яго выдатных уласцівасцяў супраць біялагічнага абрастання, LOIS амаль не паказвае флюарэсцэнцыі.Каб пацвердзіць яго антыбіяграфічныя абрастанні і антыінфекцыйныя ўласцівасці, LOIS быў нанесены на паверхню артапедычных імплантатаў для сінтэзу костак (пласцін і шруб) і змешчаны ў мадэль пералому труса.Перад імплантацыяй аголены артапедычны імплантат і LOIS інкубавалі ў бактэрыяльнай завісі на працягу 12 гадзін.Папярэдняя інкубацыя забяспечвае адукацыю біяплёнкі на паверхні аголенага імплантата для параўнання.На малюнку 1C паказана фатаграфія месца пералому праз 4 тыдні пасля імплантацыі.Злева ў труса з аголеным артапедычным імплантатам было выяўлена моцнае запаленне з-за адукацыі біяплёнкі на паверхні імплантата.Супрацьлеглы вынік назіраўся ў трусоў, якім імплантавалі LOIS, гэта значыць навакольныя тканіны LOIS не выяўлялі ні прыкмет інфекцыі, ні прыкмет запалення.Акрамя таго, аптычная выява злева паказвае месца хірургічнага ўмяшання труса з аголеным імплантатам, што паказвае на тое, што на паверхні LOIS не было знойдзена мноства клеяў, якія прысутнічаюць на паверхні аголенага імплантата.Гэта паказвае, што LOIS мае доўгатэрміновую стабільнасць і мае здольнасць захоўваць свае антыбіялагічныя абрастанне і антыадгезійныя ўласцівасці.
(A) Прынцыповая дыяграма LOIS і яе імплантацыі ў мадэль пералому сцегнавой косткі труса.(B) Флуарэсцэнтная мікраскапія выява бялку і бактэрыяльнай біяплёнкі на голай паверхні і падкладцы LOIS.Праз 4 тыдні пасля імплантацыі (C) фотаздымак месца пералому і (D) рэнтгенаўскі здымак (выдзелены чырвоным прамавугольнікам).Выява прадастаўлена: Кёмін Чэ, Універсітэт Ёнсэй.
У стэрылізаваных агаленых трусоў з негатыўнай імплантацыяй назіраўся нармальны працэс гаення костак без якіх-небудзь прыкмет запалення або інфекцыі.З іншага боку, імплантаты SHP, папярэдне інкубаваныя ў бактэрыяльнай завісі, дэманструюць звязанае з інфекцыяй запаленне на навакольных тканінах.Гэта можна звязаць з яго няздольнасцю інгібіраваць адгезію бактэрый на працягу доўгага часу (малюнак S2).Для таго, каб даказаць, што LOIS не ўплывае на працэс гаення, але інгібіруе магчымыя інфекцыі, звязаныя з імплантацыяй, былі параўнаны рэнтгенаўскія здымкі аголенай станоўчай матрыцы і LOIS на месцы пералому (малюнак 1D).На рэнтгенаўскім здымку аголенага станоўчага імплантата былі выяўлены ўстойлівыя лініі астэалізу, што сведчыць аб тым, што костка не цалкам зажыла.Гэта сведчыць аб тым, што працэс аднаўлення касцяной тканіны можа моцна зацягнуцца з-за запалення, звязанага з інфекцыяй.Наадварот, гэта паказала, што трусы, імплантаваныя з LOIS, зажылі і не паказалі прыкметнага месца пералому.
Каб распрацаваць медыцынскія імплантаты з доўгатэрміновай стабільнасцю і функцыянальнасцю (уключаючы ўстойлівасць да біялагічнага абрастання), было зроблена шмат намаганняў.Аднак наяўнасць розных біялагічных субстанцый і дынаміка тканкавай адгезіі абмяжоўвае распрацоўку іх клінічна надзейных метадаў.Каб пераадолець гэтыя недахопы, мы распрацавалі мікра/нанаслаістую структуру і хімічна мадыфікаваную паверхню, якая аптымізавана за кошт высокай капілярнай сілы і хімічнага сродства для захавання самай гладкай змазкі ў найбольшай ступені.На малюнку 2A паказаны агульны працэс вытворчасці LOIS.Спачатку падрыхтуйце падкладку з нержавеючай сталі медыцынскага класа (SS) 304.Па-другое, мікра/нанаструктура фармуецца на падкладцы з нержавеючай сталі шляхам хімічнага тручэння з выкарыстаннем раствора плавікавай кіслаты (HF).Каб аднавіць каразійную ўстойлівасць нержавеючай сталі, для апрацоўкі вытраўленай падкладкі выкарыстоўваецца раствор азотнай кіслаты (HNO3) (31).Пасівацыя павышае каразійную ўстойлівасць падкладкі з нержавеючай сталі і значна запавольвае працэс карозіі, што можа знізіць агульную прадукцыйнасць LOIS.Затым шляхам фарміравання самазборнага монаслая (SAM) з 1H, 1H, 2H, 2H-перфторактылтрыэтаксісілану (POTS) паверхня хімічна мадыфікуецца для паляпшэння хімічнага ўзаемадзеяння паміж паверхняй і гладкай змазкай Affinity.Мадыфікацыя паверхні значна зніжае павярхоўную энергію вырабленай мікра/нанамаштабнай структураванай паверхні, якая адпавядае павярхоўнай энергіі гладкай змазкі.Гэта дазваляе цалкам намачыць змазку, утвараючы тым самым стабільны пласт змазкі на паверхні.Мадыфікаваная паверхня праяўляе павышаную гідрафобнасць.Вынікі паказваюць, што слізкая змазка дэманструе стабільныя паводзіны на LOIS з-за высокага хімічнага сродства і капілярнай сілы, выкліканых мікра/нанаструктурай (32, 33).Вывучаны аптычныя змены на паверхні SS пасля мадыфікацыі паверхні і ўвядзення змазкі.Слаістая структура мікра/нана, якая ўтварылася на паверхні, можа выклікаць візуальныя змены і пацямнець паверхню.Гэта з'ява звязана з узмоцненым эфектам рассейвання святла на шурпатай паверхні, што павялічвае дыфузнае адлюстраванне, выкліканае механізмам захопу святла (34).Акрамя таго, пасля ўвядзення змазкі LOIS становіцца цямней.Змазачны пласт памяншае святло, якое адлюстроўваецца ад падкладкі, тым самым зацямняючы LOIS.Каб аптымізаваць мікраструктуру/нанаструктуру, каб паказаць найменшы вугал слізгацення (SA) для дасягнення эфектыўнасці барацьбы з біяабрастаннем, сканіруючая электронная мікраскапія (SEM) і атамныя пары былі выкарыстаны для выканання розных часоў ВЧ-тручэння (0, 3)., 15 і 60 хвілін) Сілавы мікраскоп (АСМ) (малюнак 2B).SEM і AFM выявы паказваюць, што пасля кароткага часу тручэння (3 хвіліны тручэння) голая падкладка ўтварыла няроўныя нанамаштабныя шурпатасці.Шурпатасць паверхні змяняецца з часам тручэння (малюнак S3).Крывая, якая змяняецца ў часе, паказвае, што шурпатасць паверхні працягвае павялічвацца і дасягае піка праз 15 хвілін тручэння, а затым назіраецца толькі невялікае зніжэнне значэння шурпатасці праз 30 хвілін тручэння.У гэты момант шурпатасць нанаўзроўню выгравіравана, а шурпатасць на мікраўзроўні інтэнсіўна развіваецца, робячы змяненне шурпатасці больш стабільным.Пасля тручэння на працягу больш чым 30 хвілін назіраецца далейшае павелічэнне шурпатасці, што падрабязна тлумачыцца наступным чынам: SS складаецца са сталі, легіраванай элементамі, уключаючы жалеза, хром, нікель, малібдэн і многія іншыя элементы.Сярод гэтых элементаў жалеза, хром і малібдэн гуляюць важную ролю ў фарміраванні мікронных/нанамаштабных шурпатасцяў на SS шляхам ВЧ-тручэння.На ранніх стадыях карозіі жалеза і хром у асноўным падвяргаюцца карозіі, таму што малібдэн мае больш высокую каразійную ўстойлівасць, чым малібдэн.Па меры тручэння травільны раствор дасягае мясцовага перанасычэння, утвараючы фтарыды і аксіды, выкліканыя тручэннем.Фтор і аксід выпадаюць у асадак і ў канчатковым выніку зноў адкладаюцца на паверхні, утвараючы шурпатасць паверхні ў дыяпазоне мікран/нана (31).Гэтая шурпатасць мікра/нанаўзроўню гуляе важную ролю ў самааднаўленні ўласцівасці LOIS.Паверхня двайнога маштабу стварае сінэргічны эфект, значна павялічваючы капілярную сілу.Гэта з'ява дазваляе змазцы стабільна пранікаць на паверхню і спрыяе самааднаўленню (35).Адукацыя шурпатасцяў залежыць ад часу тручэння.Менш за 10 хвілін тручэння паверхня змяшчае толькі нанамаштабныя шурпатасці, якіх недастаткова для ўтрымання дастатковай колькасці змазкі, каб мець устойлівасць да біяабрастання (36).З іншага боку, калі час тручэння перавышае 30 хвілін, нанамаштабная шурпатасць, утвораная пераадкладаннем жалеза і хрому, знікне, і застанецца толькі мікрамаштабная шурпатасць з-за малібдэна.Вытравленая паверхня не мае нанамаштабнай шурпатасці і губляе сінэргетычны эфект двухступеньчатай шурпатасці, што негатыўна ўплывае на характарыстыкі самааднаўлення LOIS.Вымярэнні SA праводзіліся на падкладках з розным часам тручэння, каб пацвердзіць эфектыўнасць абароны ад абрастання.На аснове глейкасці і павярхоўнай энергіі былі выбраны розныя тыпы вадкасцей, у тым ліку дэіянізаваная (DI) вада, кроў, этыленгліколь (EG), этанол (EtOH) і гексадэкан (HD) (малюнак S4).Схема тручэння, якая змяняецца ў часе, паказвае, што для розных вадкасцей з рознай павярхоўнай энергіяй і глейкасцю SA LOIS пасля 15 хвілін тручэння з'яўляецца самым нізкім.Такім чынам, LOIS аптымізаваны для тручэння на працягу 15 хвілін з адукацыяй мікронных і нанамаштабных шурпатасцяў, якія падыходзяць для эфектыўнага падтрымання даўгавечнасці змазкі і выдатных уласцівасцей супраць абрастання.
(A) Прынцыповая дыяграма чатырохэтапнага вытворчага працэсу LOIS.На ўрэзцы паказаны SAM, сфармаваны на падкладцы.(B) SEM і AFM выявы, якія выкарыстоўваюцца для аптымізацыі мікра/нанаструктуры падкладкі пры розных часах тручэння.Спектры рэнтгенаўскай фотаэлектроннай спектраскапіі (XPS) (C) Cr2p і (D) F1s пасля пасівацыі паверхні і пакрыцця SAM.au, адвольная адзінка.(E) Рэпрэзентатыўныя выявы кропель вады на голых, вытраўленых, SHP і LOIS падкладках.(F) Вымярэнне кантактнага вугла (CA) і SA вадкасці з розным павярхоўным нацяжэннем на SHP і LOIS.Дадзеныя выяўляюцца як сярэдняе ± SD.
Затым, каб пацвердзіць змяненне хімічных уласцівасцей паверхні, была выкарыстаная рэнтгенаўская фотаэлектронная спектраскапія (XPS) для вывучэння змены хімічнага складу паверхні падкладкі пасля кожнага пакрыцця паверхні.На малюнку 2C паказаны вынікі XPS-вымярэнняў паверхні з ВЧ-тручэннем і паверхні, апрацаванай HNO3.Два асноўныя пікі пры 587,3 і 577,7 эВ можна аднесці да сувязі Cr-O, якая існуе ў пласце аксіду хрому, што з'яўляецца галоўным адрозненнем ад паверхні, вытраўленай ВЧ.У асноўным гэта звязана з спажываннем фтарыду жалеза і хрому на паверхні HNO3.Пратручванне на аснове HNO3 дазваляе хрому ўтвараць пасівуючы аксідны пласт на паверхні, што робіць вытраўлены SS зноў устойлівым да карозіі.На малюнку 2D былі атрыманы спектры XPS, каб пацвердзіць, што сілан на аснове фторвугляроду ўтварыўся на паверхні пасля пакрыцця SAM, якое мае надзвычай высокую здольнасць адштурхоўваць вадкасці нават для EG, крыві і EtOH.Пакрыццё SAM завяршаецца рэакцыяй сіланавых функцыянальных груп з гідраксільнымі групамі, якія ўтвараюцца ў выніку плазменнай апрацоўкі.У выніку назіралася значнае павелічэнне пікаў CF2 і CF3.Энергія сувязі паміж 286 і 296 эВ паказвае, што хімічная мадыфікацыя была паспяхова завершана пакрыццём SAM.SHP паказвае адносна вялікія пікі CF2 (290,1 ​​эВ) і CF3 (293,3 эВ), якія выкліканы сіланам на аснове фторвугляроду, які ўтвараецца на паверхні.На малюнку 2E паказаны рэпрэзентатыўныя аптычныя выявы вымярэнняў кантактнага вугла (CA) для розных груп дэіянізаванай вады ў кантакце з голай, вытраўленай, SHP і LOIS.Гэтыя выявы паказваюць, што вытраўленая паверхня становіцца гідрафільнай з-за мікра/нанаструктуры, утворанай хімічным тручэннем, так што дэіянізаваная вада ўбіраецца ў структуру.Аднак, калі падкладка пакрыта SAM, падкладка дэманструе моцную воданепрымальную здольнасць, таму на паверхні ўтвараецца SHP, а плошча кантакту паміж вадой і паверхняй малая.Нарэшце, зніжэнне CA назіралася ў LOIS, што можна звязаць з пранікненнем змазкі ў мікраструктуру, тым самым павялічваючы плошчу кантакту.Каб даказаць, што паверхня мае выдатную здольнасць адштурхоўваць вадкасць і не адгезійныя, LOIS параўналі з падкладкай SHP шляхам вымярэння CA і SA з выкарыстаннем розных вадкасцей (малюнак 2F).У залежнасці ад глейкасці і павярхоўнай энергіі былі выбраны розныя тыпы вадкасцей, у тым ліку дэіянізаваная вада, кроў, EG, EtOH і HD (малюнак S4).Вынікі вымярэння CA паказваюць, што калі CA імкнецца да HD, значэнне зніжэння CA, дзе CA мае самую нізкую паверхневую энергію.Акрамя таго, LOIS агульнага CA нізкі.Аднак вымярэнне SA паказвае зусім іншую з'яву.За выключэннем іянізаванай вады, усе вадкасці прыліпаюць да падкладкі SHP, не саслізгваючы.З іншага боку, LOIS паказвае вельмі нізкі SA, калі ўся вадкасць нахілена пад вуглом ніжэй за 10° да 15°, уся вадкасць будзе скочвацца.Гэта пераканаўча паказвае, што неадгезійнасць паверхні LOIS лепш, чым у паверхні SHP.Акрамя таго, пакрыцця LOIS таксама наносяцца на розныя тыпы матэрыялаў, у тым ліку на тытан (Ti), поліфенілсульфон (PPSU), поліаксіметылен (POM), поліэфірэтэркетон (PEEK) і біярассмоктвальныя палімеры (PLGA). Яны з'яўляюцца артапедычнымі матэрыяламі для імплантацыі (малюнак). S5)).Паслядоўныя выявы кропель на матэрыяле, апрацаваным LOIS, паказваюць, што ўласцівасці LOIS супраць абрастання аднолькавыя на ўсіх падкладках.Акрамя таго, вынікі вымярэнняў CA і SA паказваюць, што неадгезійныя ўласцівасці LOIS можна прымяніць да іншых матэрыялаў.
Каб пацвердзіць уласцівасці LOIS супраць абрастання, розныя тыпы субстратаў (у тым ліку голыя, вытраўленыя, SHP і LOIS) інкубавалі з сінегнойную палачкай і MRSA.Гэтыя дзве бактэрыі былі выбраны ў якасці рэпрэзентатыўных бальнічных бактэрый, якія могуць прывесці да адукацыі біяплёнак, што прыводзіць да SSI (37).На малюнку 3 (A і B) паказаны выявы флуарэсцэнтнага мікраскопа і вынікі вымярэння калоніі ўтваральнай адзінкі (КОЕ) субстратаў, інкубаваных у бактэрыяльнай завісі на працягу кароткага (12 гадзін) і доўгатэрміновага (72 гадзін), адпаведна.За кароткі прамежак часу бактэрыі ўтвараюць кластары і павялічваюцца ў памерах, пакрываючы сябе слізістымі рэчывамі і перашкаджаючы іх выдаленню.Аднак падчас 72-гадзіннай інкубацыі бактэрыі саспеюць, і іх будзе лёгка рассейваць, утвараючы новыя калоніі або кластары.Такім чынам, можна лічыць, што 72-гадзінная інкубацыя з'яўляецца доўгатэрміновай і з'яўляецца адпаведным часам інкубацыі для адукацыі трывалай біяплёнкі на паверхні (38).За кароткі прамежак часу вытраўленая паверхня і паверхня SHP праявілі бактэрыяльную адгезію, якая была зніжана прыкладна на 25% да 50% у параўнанні з голай падкладкай.Тым не менш, з-за сваёй выдатнай эфектыўнасці і стабільнасці супраць біяабрастання LOIS не паказаў адгезіі бактэрыяльнай біяплёнкі ў кароткатэрміновай і доўгатэрміновай перспектыве.Схематычная дыяграма (малюнак 3C) апісвае тлумачэнне механізму антыбіялагічнага забруджвання травільнага раствора, SHP і LOIS.Мяркуецца, што вытраўленая падкладка з гідрафільнымі ўласцівасцямі будзе мець большую плошчу паверхні, чым аголеная падкладка.Такім чынам, на вытраўленай падкладцы будзе адбывацца больш бактэрыяльнай адгезіі.Тым не менш, у параўнанні з голай падкладкай, вытраўленая падкладка мае значна менш біяплёнкі, якая ўтвараецца на паверхні.Гэта адбываецца таму, што малекулы вады трывала звязваюцца з гідрафільнай паверхняй і дзейнічаюць як змазка для вады, такім чынам, перашкаджаючы адгезіі бактэрый у кароткатэрміновай перспектыве (39).Аднак пласт малекул вады вельмі тонкі і растваральны ў бактэрыяльных завісях.Такім чынам, малекулярны пласт вады знікае надоўга, што прыводзіць да шырокай адгезіі і праліферацыі бактэрый.Для SHP з-за яго кароткачасовых уласцівасцей не змочвання бактэрыяльная адгезія інгібіруецца.Зніжэнне бактэрыяльнай адгезіі можа быць звязана з паветранымі кішэнямі, захопленымі ў слаістай структуры, і меншай павярхоўнай энергіяй, што мінімізуе кантакт паміж бактэрыяльнай завіссю і паверхняй.Аднак у SHP назіралася значная бактэрыяльная адгезія, таму што ён надоўга страціў свае ўласцівасці супраць абрастання.У асноўным гэта звязана са знікненнем паветраных кішэняў з-за гідрастатычнага ціску і растварэння паветра ў вадзе.У асноўным гэта адбываецца з-за знікнення паветраных кішэняў з-за растварэння і слаістай структуры, якая забяспечвае большую плошчу паверхні для адгезіі (27, 40).У адрозненне ад гэтых двух субстратаў, якія аказваюць важны ўплыў на доўгатэрміновую стабільнасць, змазачная змазка, якая змяшчаецца ў LOIS, уводзіцца ў мікра/нанаструктуру і не знікне нават у доўгатэрміновай перспектыве.Змазкі, напоўненыя мікра/нанаструктурамі, вельмі ўстойлівыя і моцна прыцягваюцца да паверхні з-за іх высокага хімічнага сродства, тым самым прадухіляючы адгезію бактэрый на працягу доўгага часу.На малюнку S6 паказаны малюнак з канфакальнага мікраскопа адлюстравання субстрата, напоўненага змазкай, пагружанага ў фасфатны буферны раствор (PBS).Бесперапынныя выявы паказваюць, што нават пасля 120 гадзін лёгкага ўстрэсвання (120 абаротаў у хвіліну) пласт змазкі на LOIS застаецца нязменным, што паказвае на доўгатэрміновую стабільнасць ва ўмовах патоку.Гэта звязана з высокім хімічным сродствам паміж пакрыццём SAM на аснове фтору і змазкай на аснове перфторвугляроду, так што можа ўтварыцца стабільны пласт змазкі.Такім чынам, эфектыўнасць абароны ад абрастання захоўваецца.Акрамя таго, субстрат быў пратэставаны на рэпрэзентатыўныя вавёркі (альбумін і фібрынаген), якія знаходзяцца ў плазме, клеткі, цесна звязаныя з імуннай функцыяй (макрафагі і фібрабласты), і тыя, якія звязаны з фарміраваннем костак.Змест кальцыя вельмі высокае.(Малюнак 3D, 1 і 2 і малюнак S7) (41, 42).Акрамя таго, флюарэсцэнтны мікраскоп малюнкаў тэсту адгезіі на фібрынаген, альбумін і кальцый паказаў розныя характарыстыкі адгезіі кожнай групы субстрата (малюнак S8).Падчас фарміравання касцяной тканіны нядаўна ўтвораная косць і кальцыевыя пласты могуць акружаць артапедычны імплантат, што не толькі абцяжарвае выдаленне, але і можа нанесці нечаканую шкоду пацыенту падчас працэсу выдалення.Такім чынам, нізкі ўзровень адкладаў кальцыя на касцяных пласцінах і шрубах карысны для артапедычных аперацый, якія патрабуюць выдалення імплантата.Грунтуючыся на колькаснай ацэнцы прымацаванай вобласці на аснове інтэнсіўнасці флуарэсцэнцыі і колькасці клетак, мы пацвердзілі, што LOIS паказвае выдатныя ўласцівасці супраць абрастання для ўсіх біялагічных рэчываў у параўнанні з іншымі субстратамі.Згодна з вынікамі эксперыментаў in vitro, антыбіялагічнае забруджванне LOIS можа прымяняцца да артапедычных імплантатаў, якія могуць не толькі інгібіраваць інфекцыі, выкліканыя бактэрыямі біяплёнкі, але і памяншаць запаленне, выкліканае актыўнай імуннай сістэмай арганізма.
(A) Флуарэсцэнтны мікраскоп выявы кожнай групы (голыя, выгравіраваныя, SHP і LOIS), інкубаваных у сінегнойную палачкі і завісях MRSA на працягу 12 і 72 гадзін.(B) Колькасць адгезійных КОЕ сінегнойную палачкі і MRSA на паверхні кожнай групы.(C) Прынцыповая дыяграма механізму антыбіялагічнага забруджвання кароткатэрміновага і доўгатэрміновага тручэння, SHP і LOIS.(D) (1) Колькасць фібрабластаў, прылепленых да кожнай падкладкі, і выявы клетак, прылепленых да аголенай паверхні і LOIS, атрыманыя флуарэсцэнтным мікраскопам.(2) Тэст на адгезію бялкоў, звязаных з імуннай сістэмай, альбуміна і кальцыя, якія ўдзельнічаюць у працэсе гаення костак (* P <0,05, ** P <0,01, *** P <0,001 і **** P <0,0001).ns, не важна.
У выпадку непазбежных канцэнтраваных напружанняў механічная даўгавечнасць заўсёды была галоўнай праблемай пры нанясенні антыабрастаючых пакрыццяў.Традыцыйныя гелевыя метады барацьбы з каналізацыяй заснаваны на палімерах з нізкай растваральнасцю ў вадзе і далікатнасцю.Такім чынам, яны звычайна ўспрымальныя да механічнага ўздзеяння ў біямедыцынскіх прымяненнях.Такім чынам, механічна трывалыя неабрастаючыя пакрыцця застаюцца праблемай для такіх прыкладанняў, як артапедычныя імплантаты (43, 44).Малюнак 4A (1) дэманструе два асноўныя тыпы нагрузак, якія прымяняюцца да артапедычных імплантатаў, у тым ліку драпіны (напружанне зруху) і сціск з аптычным відарысам пашкоджанага імплантата, створаным шчыпцамі.Напрыклад, калі шруба закручваецца адвёрткай або калі хірург моцна трымае касцяную пласціну пінцэтам і прыкладае сціскальную сілу, пластыкавая касцяная пласціна будзе пашкоджана і падрапана ў макра- і мікра/нана-маштабах (малюнак 4A, 2) .Каб праверыць, ці можа выраблены LOIS супрацьстаяць гэтым пашкоджанням падчас пластычнай хірургіі, было праведзена нанаіндэнтаванне для параўнання цвёрдасці аголенай падкладкі і LOIS у мікра/нана маштабе для вывучэння механічных уласцівасцей мікра/нанаструктуры Ўздзеянне (малюнак 4B).Схематычная дыяграма паказвае розныя паводзіны дэфармацыі LOIS з-за наяўнасці мікра/нанаструктур.На падставе вынікаў нанаіндэнтавання была складзена крывая сіла-зрушэнне (малюнак 4C).Сіні малюнак уяўляе голую падкладку, якая дэфармуе толькі невялікую дэфармацыю, што відаць па максімальнай глыбіні паглыблення 0,26 мкм.З іншага боку, паступовае павелічэнне сілы і зрушэння нанаіндэнта, якое назіраецца ў LOIS (чырвоная крывая), можа дэманстраваць прыкметы зніжэння механічных уласцівасцей, у выніку чаго глыбіня нанаіндэнта складае 1,61 мкм.Гэта таму, што мікра/нанаструктура, прысутная ў LOIS, забяспечвае больш глыбокую прастору для прасоўвання кончыка нанаіндэнтара, таму яго дэфармацыя большая, чым дэфармацыя аголенай падкладкі.Канста-Гдутос і інш.(45) лічыць, што з-за наяўнасці наноструктур, наноиндентации і мікра/нана шурпатасці прыводзяць да нерэгулярных крывых наноиндентации.Заштрыхаваная вобласць адпавядае нерэгулярнай крывой дэфармацыі, якая прыпісваецца нанаструктуры, у той час як незаштрыхаваная вобласць адносіцца да мікраструктуры.Гэтая дэфармацыя можа пашкодзіць мікраструктуру/нанаструктуру ўтрымлівальнай змазкі і негатыўна паўплываць на яе характарыстыкі супраць абрастання.Каб вывучыць уплыў пашкоджанняў на LOIS, непазбежныя пашкоджанні мікра/нанаструктур былі прайграныя ў целе падчас пластычнай хірургіі.З дапамогай аналізаў крыві і бялку на адгезію можна вызначыць стабільнасць уласцівасцей LOIS супраць біяабрастання пасля in vitro (малюнак 4D).Серыя аптычных малюнкаў паказвае пашкоджанні, якія адбыліся каля адтулін кожнай падкладкі.Тэст на адгезію крыві быў праведзены, каб прадэманстраваць уплыў механічных пашкоджанняў на пакрыццё супраць абрастання (малюнак 4E).Як і SHP, уласцівасці супраць абрастання губляюцца з-за пашкоджання, а LOIS дэманструе выдатныя ўласцівасці супраць абрастання, адштурхваючы кроў.Гэта адбываецца таму, што, паколькі павярхоўная энергія абумоўлена капілярным дзеяннем, якое ахоплівае пашкоджаную вобласць, паток мікраструктураванай змазкі аднаўляе ўласцівасці супраць абрастання (35).Тая ж тэндэнцыя назіралася ў тэсце адгезіі бялку з выкарыстаннем альбуміна.У пашкоджанай вобласці шырока назіраецца адгезія бялку на паверхні SHP, і, вымяраючы яе ахоп плошчы, яе можна колькасна вызначыць як палову ўзроўню адгезіі аголенай падкладкі.З іншага боку, LOIS захаваў свае ўласцівасці супраць абрастання, не выклікаючы адгезіі (малюнак 4, F і G).Акрамя таго, паверхня шрубы часта падвяргаецца моцным механічным нагрузкам, такім як свідраванне, таму мы вывучалі здольнасць пакрыцця LOIS заставацца некранутым на шрубе in vitro.На малюнку 4H паказаны аптычныя выявы розных шруб, у тым ліку голых, SHP і LOIS.Чырвоны прамавугольнік уяўляе мэтавую вобласць, дзе адбываецца моцнае механічнае напружанне падчас імплантацыі косткі.Падобна тэсту на адгезію бялку пласціны, флуарэсцэнтны мікраскоп выкарыстоўваецца для адлюстравання адгезіі бялку і вымярэння плошчы пакрыцця, каб даказаць цэласнасць пакрыцця LOIS, нават пры моцным механічным уздзеянні (малюнак 4, I і J).Апрацаваныя LOIS шрубы дэманструюць выдатныя характарыстыкі супраць абрастання, і бялок практычна не прыліпае да паверхні.З іншага боку, адгезія бялку назіралася ў голых шрубах і шрубах SHP, дзе плошча ахопу шруб SHP складала адну трэць ад плошчы аголеных шруб.Акрамя таго, артапедычны імплантат, які выкарыстоўваецца для фіксацыі, павінен быць механічна трывалым, каб вытрымліваць нагрузку на месца пералому, як паказана на малюнку 4K.Такім чынам, быў праведзены тэст на выгіб, каб вызначыць уплыў хімічнай мадыфікацыі на механічныя ўласцівасці.Акрамя таго, гэта робіцца для падтрымання фіксаванага напружання ад імплантата.Прыкладвайце вертыкальную механічную сілу, пакуль імплантат не будзе цалкам складзены і не будзе атрымана крывая напружанне-дэфармацыя (малюнак 4L, 1).Дзве ўласцівасці, уключаючы модуль Юнга і трываласць на выгіб, параўноўваліся паміж аголенымі падкладкамі і падкладкамі LOIS у якасці паказчыкаў іх механічнай трываласці (малюнкі 4L, 2 і 3).Модуль Юнга паказвае на здольнасць матэрыялу супрацьстаяць механічным зменам.Модуль Юнга кожнай падкладкі складае 41,48±1,01 і 40,06±0,96 ГПа адпаведна;назіраная розніца складае каля 3,4%.Акрамя таго, паведамляецца, што трываласць на выгіб, якая вызначае глейкасць матэрыялу, складае 102,34±1,51 ГПа для аголенай падкладкі і 96,99±0,86 ГПа для SHP.Аголеная падкладка вышэй прыкладна на 5,3%.Невялікае зніжэнне механічных уласцівасцяў можа быць выклікана эфектам надрэзу.У эфекце выемкі мікра/нана шурпатасць можа дзейнічаць як набор выемак, што прыводзіць да лакальнай канцэнтрацыі напружання і ўплывае на механічныя ўласцівасці імплантата (46).Аднак, зыходзячы з таго факту, што калянасць кортикальной косткі чалавека, як паведамляецца, складае ад 7,4 да 31,6 ГПа, а вымераны модуль LOIS перавышае модуль кары чалавечай косткі (47), LOIS дастаткова, каб падтрымаць пералом і яго агульную шкоду. механічныя ўласцівасці мінімальна залежаць ад мадыфікацыі паверхні.
(A) Схематычная дыяграма (1) механічнай нагрузкі, прымененай да артапедычнага імплантата падчас аперацыі, і (2) аптычнага малюнка пашкоджанага артапедычнага імплантата.(B) Прынцыповая дыяграма вымярэння нанамеханічных уласцівасцей шляхам нанаіндэнтавання і LOIS на голай паверхні.(C) Крывая сіла-зрушэнне наноиндентации аголенай паверхні і LOIS.(D) Пасля эксперыментаў in vitro змадэлюйце аптычныя выявы розных тыпаў артапедычных пласцін (пашкоджаная вобласць вылучана чырвоным прамавугольнікам), каб змадэляваць механічную нагрузку, выкліканую падчас аперацыі.(E) Тэст на адгезію крыві і (F) тэст на адгезію бялку групы пашкоджанай артапедычнай пласціны.(G) Вымерайце плошчу пакрыцця бялку, які прыліп да пласціны.(H) Аптычныя выявы розных тыпаў артапедычных шруб пасля эксперыменту in vitro.(I) Тэст на адгезію бялку для вывучэння цэласнасці розных пакрыццяў.(J) Вымерайце плошчу пакрыцця бялку, які прылягае да шрубы.(K) Рух труса прызначаны для стварэння фіксаванай нагрузкі на зламаную косць.(L) (1) Вынікі выпрабаванняў на выгіб і аптычныя выявы да і пасля згінання.Розніца ў (2) модулі Юнга і (3) трываласці на выгіб паміж голым імплантатам і SHP.Дадзеныя выражаны як сярэдняе ± SD (*P<0,05, **P<0,01, ***P<0,001 і ****P<0,0001).Выява прадастаўлена: Кёмін Чэ, Універсітэт Ёнсэй.
У клінічных сітуацыях большасць кантактаў бактэрый з біялагічнымі матэрыяламі і раневымі месцамі адбываецца са спелых біяплёнак (48).Такім чынам, Цэнтр па кантролі і прафілактыцы захворванняў ЗША лічыць, што 65% усіх інфекцый чалавека звязаны з біяплёнкамі (49).У гэтым выпадку неабходна забяспечыць эксперыментальны дызайн in vivo, які забяспечвае паслядоўнае адукацыю биопленки на паверхні імплантата.Такім чынам, мы распрацавалі мадэль пералому сцегнавой косткі труса, у якой артапедычныя імплантаты папярэдне інкубавалі ў бактэрыяльнай завісі, а затым імплантавалі ў сцегнавыя косткі труса для вывучэння ўласцівасцей LOIS супраць абрастання in vivo.У сувязі з наступнымі трыма важнымі фактамі бактэрыяльныя інфекцыі выклікаюцца папярэдняй культурай, а не непасрэднай ін'екцыяй бактэрыяльнай завісі: (i) імунная сістэма трусоў ад прыроды мацнейшая, чым імунная сістэма чалавека;таму магчыма ўвядзенне бактэрыяльных завісяў і планктонных бактэрый. Гэта не ўплывае на адукацыю біяплёнкі.(Ii) Планктонныя бактэрыі больш успрымальныя да антыбіётыкаў, і антыбіётыкі звычайна выкарыстоўваюцца пасля аперацыі;нарэшце, (iii) завісь планктонных бактэрый можа быць разбаўлена вадкасцямі цела жывёлы (50).Папярэдне культывуючы імплантат у бактэрыяльнай завісі перад імплантацыяй, мы можам дасканала вывучыць шкоднае ўздзеянне бактэрыяльнай інфекцыі і рэакцыі на іншароднае цела (FBR) на працэс гаення косткі.Трусы былі забітыя праз 4 тыдні пасля імплантацыі, таму што остеоинтеграция, неабходная для працэсу гаення костак, будзе завершана на працягу 4 тыдняў.Затым імплантаты былі выдаленыя з трусоў для наступных даследаванняў.На малюнку 5А паказаны механізм праліферацыі бактэрый.Інфікаваны артапедычны імплантат ўводзіцца ў арганізм.У выніку папярэдняй інкубацыі ў бактэрыяльнай завісі шэсць з шасці трусоў, якім імплантавалі голыя імплантаты, былі заражаныя, у той час як ні адзін з трусоў, якім імплантавалі апрацаваныя LOIS імплантаты, не быў заражаны.Бактэрыяльныя інфекцыі працякаюць у тры этапы, уключаючы рост, паспяванне і распаўсюджванне (51).Спачатку прымацаваныя бактэрыі размнажаюцца і растуць на паверхні, а затым бактэрыі ўтвараюць біяплёнку, калі вылучаюць пазаклеткавы палімер (EPS), амілоід і пазаклеткавую ДНК.Біяплёнка не толькі перашкаджае пранікненню антыбіётыкаў, але і спрыяе назапашванню ферментаў, якія расшчапляюць антыбіётыкі (напрыклад, β-лактамазы) (52).Нарэшце, біяплёнка распаўсюджвае спелыя бактэрыі ў навакольныя тканіны.Такім чынам, адбываецца заражэнне.Акрамя таго, калі іншароднае цела трапляе ў арганізм, інфекцыя, якая можа выклікаць моцны імунны адказ, можа выклікаць моцнае запаленне, боль і зніжэнне імунітэту.На малюнку 5B прадстаўлены агляд FBR, выкліканага ўстаўкай артапедычнага імплантата, а не імуннага адказу, выкліканага бактэрыяльнай інфекцыяй.Імунная сістэма распазнае ўстаўлены імплантат як іншароднае цела, а затым прымушае клеткі і тканіны рэагаваць на інкапсуляцыю іншароднага цела (53).У першыя дні FBR на паверхні артапедычных імплантаў утваралася матрыца харчавання, што прыводзіла да адсорбцыі фібрынаген.Затым адсарбаваны фібрынаген утварае вельмі шчыльную сетку фібрына, якая спрыяе прымацаванню лейкацытаў (54).Пасля таго, як фібрынавая сетка ўтворыцца, узнікне вострае запаленне з-за пранікнення нейтрофілов.На гэтым этапе вылучаюцца розныя цітокіны, такія як фактар ​​некрозу пухліны-α (TNF-α), інтэрлейкін-4 (IL-4) і IL-β, і манацыты пачынаюць пранікаць у месца імплантацыі і дыферэнцуюцца ў гіганцкія клеткі.Фаг (41, 55, 56).Зніжэнне FBR заўсёды было праблемай, таму што празмернае FBR можа выклікаць вострае і хранічнае запаленне, якое можа прывесці да смяротных ускладненняў.Для ацэнкі ўздзеяння бактэрыяльных інфекцый на тканіны, якія атачаюць аголены імплантат і LOIS, выкарыстоўвалася афарбоўванне гематаксілінам і эазінам (H&E) і трыхромам па Масане (MT).У трусоў, імплантаваных з аголенымі субстратамі, цяжкія бактэрыяльныя інфекцыі прагрэсавалі, і на слайдах тканін H&E выразна былі выяўленыя абсцэсы і некрозы, выкліканыя запаленнем.З іншага боку, надзвычай моцная паверхня LOIS супраць біяабрастання перашкаджае адгезіі бактэрый, таму не паказвае прыкмет інфекцыі і памяншае запаленне (малюнак 5C).Вынікі афарбоўвання МТ паказалі такую ​​ж тэндэнцыю.Тым не менш, афарбоўванне МТ таксама паказала ацёк у трусоў, якім імплантавалі LOIS, што паказвае на хуткае выздараўленне (малюнак 5D).Для таго, каб вывучыць ступень імуннага адказу, иммуногистохимические (IHC) афарбоўка была праведзена з выкарыстаннем цітокіны TNF-α і IL-6, звязаных з імунным адказам.Аголены адмоўны імплантат, які не падвяргаўся ўздзеянню бактэрый, параўноўвалі з LOIS, які падвяргаўся ўздзеянню бактэрый, але не быў інфікаваны, каб вывучыць працэс гаення пры адсутнасці бактэрыяльнай інфекцыі.На малюнку 5E паказаны аптычны малюнак слайда IHC, які экспрэсіруе TNF-α.Карычневая вобласць уяўляе сабой імунны адказ, паказваючы, што імунны адказ пры LOIS нязначна зніжаны.Акрамя таго, экспрэсія IL-6 у LOIS была значна меншай, чым адмоўная экспрэсія стэрыльных голых (малюнак 5F).Экспрэсію цітокіны колькасна вызначалі шляхам вымярэння плошчы афарбоўвання антыцелаў, якія адпавядаюць цітокінам (малюнак 5G).У параўнанні з трусамі, якія падвяргаліся ўздзеянню негатыўных імплантатаў, узровень экспрэсіі трусоў, якім імплантавалі LOIS, быў ніжэй, што сведчыць аб значнай розніцы.Зніжэнне экспрэсіі цітокіны паказвае на тое, што доўгатэрміновыя стабільныя ўласцівасці LOIS супраць абрастання звязаны не толькі з інгібіраваннем бактэрыяльных інфекцый, але і са зніжэннем FBR, якое выклікаецца макрафагамі, якія прыліпаюць да субстрата (53, 57, 58).Такім чынам, паніжаны імунны адказ з-за ўхілення ад імунітэту LOIS можа вырашыць пабочныя эфекты пасля імплантацыі, такія як празмерны імунны адказ пасля пластычнай аперацыі.
(А) Прынцыповая дыяграма механізму адукацыі і распаўсюджвання біяплёнкі на паверхні інфікаванага артапедычнага імплантата.еДНК, пазаклеткавая ДНК.(B) Схематычная дыяграма імуннага адказу пасля ўвядзення артапедычнага імплантата.(C) H&E афарбоўка і (D) MT афарбоўка навакольных тканін артапедычных імплантатаў з голым станоўчым і LOIS.IHC імуназалежных цітокінаў (E) TNF-α і (F) IL-6 - гэта афарбаваныя выявы голых адмоўных трусоў і трусоў з імплантацыяй LOIS.(G) Колькасная ацэнка экспрэсіі цітокіны шляхам вымярэння ахопу вобласці (** P <0,01).
Біясумяшчальнасць LOIS і яго ўплыў на працэс гаення костак былі даследаваны in vivo з дапамогай дыягнастычнай візуалізацыі [рэнтгенаўскай і мікракампутарнай тамаграфіі (КТ)] і остеокластов IHC.На малюнку 6A паказаны працэс гаення косткі, які ўключае тры розныя стадыі: запаленне, аднаўленне і рэканструкцыю.Калі адбываецца пералом, запаленчыя клеткі і фібрабласты пранікаюць у зламаную косць і пачынаюць прарастаць у сасудзістую тканіну.Падчас фазы аднаўлення ўрастанне сасудзістай тканіны распаўсюджваецца побач з месцам пералому.Судзінкавая тканіна забяспечвае пажыўныя рэчывы для фарміравання новай косткі, якая называецца мазаллю.Апошнім этапам працэсу гаення косткі з'яўляецца этап рэканструкцыі, на якім памер мазалі памяншаецца да памеру нармальнай косткі з дапамогай павелічэння ўзроўню актываваных остеокластов (59).Трохмерная (3D) рэканструкцыя месца пералому была праведзена з дапамогай мікра-КТ, каб назіраць адрозненні ва ўзроўні адукацыі мазалі ў кожнай групе.Паназірайце за папярочным разрэзам сцегнавой косткі, каб убачыць таўшчыню мазалі, якая атачае зламаную косць (малюнак 6, B і C).Рэнтгенаўскія прамяні таксама выкарыстоўваліся для агляду месцаў пераломаў ва ўсіх групах кожны тыдзень, каб назіраць за рознымі працэсамі рэгенерацыі костак у кожнай групе (малюнак S9).Мазоль і спелыя косці паказаны сінім/зялёным і слановай косцю адпаведна.Большасць мяккіх тканін адфільтроўваецца з загадзя зададзеным парогам.Станоўчы вынік і SHP пацвердзілі адукацыю невялікай колькасці мазалі вакол месца пералому.З іншага боку, аголены негатыў LOIS і месца пералому акружаны тоўстай мазалю.Выявы мікраКТ паказалі, што ўтварэнню мазалі перашкаджаюць бактэрыяльная інфекцыя і запаленне, звязанае з інфекцыяй.Гэта таму, што імунная сістэма аддае перавагу гаенню сэптычных пашкоджанняў, выкліканых запаленнем, звязаным з інфекцыяй, а не аднаўленню костак (60).Для назірання актыўнасці остеокластов і рэзорбцыі касцяной тканіны было праведзена афарбоўванне IHC і ўстойлівай да тартрату кіслай фасфатазы (TRAP) (Малюнак 6D) (61).Толькі некалькі актываваных астэакластаў, афарбаваных у фіялетавы колер, былі знойдзены ў голых пазітывах і SHP.З іншага боку, шмат актываваных остеокластов назіралася каля аголеных станоўчых і спелых костак LOIS.Гэта з'ява паказвае на тое, што ў прысутнасці астэакластаў мазоль вакол месца пералому падвяргаецца бурнаму працэсу перабудовы (62).Аб'ём косці і вобласць экспрэсіі астэакластаў у мазалі былі вымераны для параўнання ўзроўню адукацыі мазалі вакол месца пералому ва ўсіх групах, каб колькасна вызначыць вынікі мікра-КТ і ІГХ (малюнак 6E, 1 і 2).Як і чакалася, аголеныя негатывы і адукацыя мазалі ў LOIS былі значна вышэй, чым у іншых групах, што паказвае на станоўчае перабудова касцяной тканіны (63).На малюнку S10 паказаны аптычны відарыс месца хірургічнага ўмяшання, вынік афарбоўвання МТ тканіны, сабранай каля шрубы, і вынік афарбоўвання TRAP, які падкрэслівае мяжу шруба і косткі.На аголенай падкладцы назіралася моцнае ўтварэнне мазалі і фіброзу, у той час як імплантат, апрацаваны LOIS, паказаў адносна непрылепленую паверхню.Сапраўды гэтак жа, у параўнанні з голымі негатывамі, меншы фіброз назіраўся ў трусоў, імплантаваных LOIS, як паказана белымі стрэлкамі.Акрамя таго, цвёрды ацёк (сіняя стрэлка) можна аднесці да ўхіляючых імунітэт уласцівасцей LOIS, тым самым памяншаючы моцнае запаленне.Антіпрігарная паверхня вакол імплантата і паменшаны фіброз сведчаць пра тое, што працэс выдалення прасцей, што звычайна прыводзіць да іншых пераломаў або запаленняў.Працэс гаення косткі пасля выдалення шрубы ацэньвалі па актыўнасці остеокластов на мяжы шруба і косткі.Як аголеная костка, так і інтэрфейс імплантата LOIS паглынаюць аднолькавыя ўзроўні астэакластаў для далейшага гаення костак, што паказвае на тое, што пакрыццё LOIS не аказвае негатыўнага ўплыву на гаенне костак або імунны адказ.Каб пацвердзіць, што мадыфікацыя паверхні, праведзеная на LOIS, не перашкаджае працэсу гаення костак, было выкарыстана рэнтгенаўскае даследаванне для параўнання гаення костак трусоў з экспазіцыяй адмоўных іёнаў і 6 тыдняў імплантацыі LOIS (малюнак 6F).Вынікі паказалі, што ў параўнанні з неінфіцыраванай аголенай станоўчай групай, LOIS паказаў аднолькавую ступень гаення костак, і не было відавочных прыкмет пералому (бесперапынная лінія астэалізу) у абедзвюх групах.
(А) Прынцыповая схема працэсу гаення косткі пасля пералому.(B) Розніца ў ступені фарміравання мазалі кожнай групы паверхні і (C) малюнак папярочнага разрэзу месца пералому.(D) Афарбоўка TRAP для візуалізацыі актыўнасці остеокластов і рэзорбцыі косткі.Зыходзячы з актыўнасці TRAP, фарміраванне вонкавай мазалі кортикальной косткі было колькасна прааналізавана з дапамогай (E) (1) мікра-КТ і (2) актыўнасці остеокластов.(F) Праз 6 тыдняў пасля імплантацыі рэнтгенаўскія здымкі зламанай косткі аголенага негатыву (выдзелены чырвоным пункцірным прамавугольнікам) і LOIS (выдзелены сінім пункцірным прамавугольнікам).Статыстычны аналіз праводзіўся з дапамогай аднабаковага дысперсійнага аналізу (ANOVA).* Р <0,05.** P <0,01.
Карацей кажучы, LOIS забяспечвае новы тып стратэгіі антыбактэрыйнай інфекцыі і імуннага ахоўнага пакрыцця для артапедычных імплантатаў.Звычайныя артапедычныя імплантаты з функцыяналізацыяй SHP праяўляюць кароткачасовыя ўласцівасці супраць біяабрастання, але не могуць захоўваць свае ўласцівасці на працягу доўгага часу.Супергідрафобнасць субстрата затрымлівае бурбалкі паветра паміж бактэрыямі і субстратам, утвараючы такім чынам паветраныя кішэні, тым самым прадухіляючы бактэрыяльную інфекцыю.Аднак з-за дыфузіі паветра гэтыя паветраныя кішэні лёгка выдаляюцца.З іншага боку, LOIS добра даказаў сваю здольнасць прадухіляць інфекцыі, звязаныя з біяплёнкай.Такім чынам, дзякуючы ўласцівасцям супраць адрыньвання пласта змазкі, які ўводзіцца ў паверхню слаістай мікра/нанаструктуры, можна прадухіліць запаленне, звязанае з інфекцыяй.Для аптымізацыі ўмоў вытворчасці LOIS выкарыстоўваюцца розныя метады характарыстыкі, уключаючы вымярэнні SEM, AFM, XPS і CA.Акрамя таго, LOIS таксама можа прымяняцца да розных біялагічных матэрыялаў, якія звычайна выкарыстоўваюцца ў артапедычным фіксацыйным абсталяванні, такіх як PLGA, Ti, PE, POM і PPSU.Затым LOIS быў пратэставаны in vitro, каб даказаць яго ўласцівасці супраць біялагічнага абрастання супраць бактэрый і біялагічных рэчываў, звязаных з імунным адказам.Вынікі паказваюць, што ён валодае выдатным антыбактэрыйным і антыбіялагічным эфектам у параўнанні з голым імплантатам.Акрамя таго, LOIS паказвае механічную трываласць нават пасля прымянення механічнага ўздзеяння, якое непазбежна ў пластычнай хірургіі.Дзякуючы ўласцівасцям самааднаўлення змазкі на паверхні мікра/нанаструктуры, LOIS паспяхова захаваў свае антыбіялагічныя ўласцівасці абрастання.Каб вывучыць біясумяшчальнасць і антыбактэрыйныя ўласцівасці LOIS in vivo, LOIS імплантавалі ў сцегнавую косць труса на працягу 4 тыдняў.Ніякай бактэрыяльнай інфекцыі не назіралася ў трусоў, якім імплантавалі LOIS.Акрамя таго, выкарыстанне IHC прадэманстравала паніжаны ўзровень мясцовага імуннага адказу, што паказвае на тое, што LOIS не інгібіруе працэс гаення костак.LOIS дэманструе выдатныя антыбактэрыйныя ўласцівасці і ўхіляе імунітэт, і было даказана, што ён эфектыўна прадухіляе адукацыю біяплёнкі да і падчас артапедычных аперацый, асабліва для сінтэзу касцяной тканіны.З дапамогай мадэлі запаленчага пералому сцегнавой косткі касцявога мозгу труса быў глыбока вывучаны ўплыў інфекцый, звязаных з біяплёнкай, на працэс гаення костак, выкліканы папярэдне інкубаванымі імплантатамі.У якасці будучага даследавання патрэбна новая мадэль in vivo для вывучэння магчымых інфекцый пасля імплантацыі, каб цалкам зразумець і прадухіліць інфекцыі, звязаныя з біяплёнкай, на працягу ўсяго працэсу гаення.Акрамя таго, астэаіндукцыя ўсё яшчэ застаецца нявырашанай праблемай у інтэграцыі з LOIS.Неабходныя далейшыя даследаванні, каб аб'яднаць выбарачную адгезію остеоиндуктивных клетак або рэгенератыўную медыцыну з LOIS, каб пераадолець праблему.У цэлым LOIS уяўляе сабой перспектыўнае пакрыццё для артапедычных імплантатаў з механічнай устойлівасцю і выдатнымі ўласцівасцямі супраць абрастання, што можа паменшыць SSI і імунныя пабочныя эфекты.
Прамыйце падкладку 15 мм x 15 мм x 1 мм з нержавеючай сталі 304 (Dong Kang M-Tech Co., Карэя) у ацэтоне, EtOH і DI вадзе на працягу 15 хвілін, каб выдаліць забруджванні.Каб сфармаваць на паверхні структуру мікра/нанаўзроўню, вычышчаную падкладку апускаюць у раствор HF з канцэнтрацыяй ад 48% да 51% (DUKSAN Corp., Паўднёвая Карэя) пры тэмпературы 50°C.Час тручэння вар'іруецца ад 0 да 60 хвілін.Затым пратручваную падкладку ачысцілі дэіянізаванай вадой і змясцілі ў 65% раствор HNO3 (Karea DUKSAN Corp.) пры 50°C на 30 хвілін, каб утварыць на паверхні пасівацыйны пласт аксіду хрому.Пасля пасівацыі падкладку прамываюць дэіянізаванай вадой і сушаць, каб атрымаць падкладку са слаістай структурай.Затым падкладку падвяргалі ўздзеянню кіслароднай плазмы (100 Вт, 3 хвіліны) і неадкладна апускалі ў раствор 8,88 мМ POTS (Sigma-Aldrich, Германія) у талуоле пры пакаёвай тэмпературы на 12 гадзін.Затым падкладку, пакрытую POTS, ачышчалі EtOH і адпальвалі пры 150°C на працягу 2 гадзін, каб атрымаць шчыльны POTS SAM.Пасля нанясення SAM на падкладку быў утвораны пласт змазкі шляхам нанясення перфторполиэфирной змазкі (Krytox 101; DuPont, ЗША) з аб'ёмам загрузкі 20 мкм/см 2. Перад выкарыстаннем адфільтраваць змазку праз 0,2-мікронны фільтр.Выдаліце ​​лішкі змазкі, нахіліўшы пад вуглом 45° на 15 хвілін.Такая ж вытворчая працэдура выкарыстоўвалася для артапедычных імплантатаў з нержавеючай сталі 304 (фіксуючая пласціна і кортикальный фіксуючы шруба; Dong Kang M-Tech Co., Карэя).Усе артапедычныя імпланты распрацаваны ў адпаведнасці з геаметрыяй сцегнавой косткі труса.
Марфалогія паверхні падкладкі і артапедычных імплантатаў была праверана з дапамогай палявога эмісійнага СЭМ (Inspect F50, FEI, ЗША) і АСМ (XE-100, Park Systems, Паўднёвая Карэя).Шурпатасць паверхні (Ra, Rq) вымяраецца шляхам множання плошчы 20 мкм на 20 мкм (n=4).Для аналізу хімічнага складу паверхні выкарыстоўвалася сістэма XPS (PHI 5000 VersaProbe, ULVAC PHI, Японія), абсталяваная крыніцай рэнтгенаўскага выпраменьвання Al Kα з памерам плямы 100 мкм2.Для вымярэння вадкага CA і SA выкарыстоўвалася сістэма вымярэння CA, абсталяваная камерай дынамічнага захопу выявы (SmartDrop, FEMTOBIOMED, ​​​​Паўднёвая Карэя).Для кожнага вымярэння ад 6 да 10 мкл кропель (дэіянізаванай вады, конскай крыві, EG, 30% этанолу і HD) змяшчаюць на паверхню для вымярэння CA.Калі вугал нахілу падкладкі павялічваецца са хуткасцю 2°/с (n = 4), SA вымяраецца пры падзенні кроплі.
Pseudomonas aeruginosa [Амерыканская калекцыя тыпавых культур (ATCC) 27853] і MRSA (ATCC 25923) былі набыты ў ATCC (Манассас, штат Вірджынія, ЗША), а базавую культуру падтрымлівалі пры -80°C.Перад выкарыстаннем замарожаную культуру інкубавалі ў размарожаным трыпсінамі соевым булёне (Komed, Карэя) пры 37 ° C на працягу 18 гадзін, а затым двойчы пераносілі для яе актывацыі.Пасля інкубацыі культуру центрифугировали пры 10000 абаротаў у хвіліну на працягу 10 хвілін пры 4°C і двойчы прамывалі растворам PBS (pH 7,3).Затым цэнтрыфугаваная культура перасяваецца на пласціны з крывяным агарам (BAP).MRSA і Pseudomonas aeruginosa рыхтавалі на ноч і культывавалі ў булёне Лурыа-Бертані.Канцэнтрацыю сінегнойную палачкі і MRSA ў пасяўной матэрыяле колькасна вызначалі па КОЕ завісі ў серыйных развядзеннях на агар.Затым давядзіце канцэнтрацыю бактэрый да 0,5 стандарту Макфарланда, што эквівалентна 108 КОЕ/мл.Затым рабочую бактэрыяльную завісь разводзяць у 100 разоў да 106 КОЕ / мл.Для праверкі антыбактэрыйных уласцівасцяў адгезіі падкладку стэрылізавалі пры 121°C на працягу 15 хвілін перад выкарыстаннем.Затым субстрат пераносілі ў 25 мл бактэрыяльнай завісі і інкубавалі пры 37°C пры інтэнсіўным устрэсванні (200 абаротаў у хвіліну) на працягу 12 і 72 гадзін.Пасля інкубацыі кожны субстрат выдалялі з інкубатара і 3 разы прамывалі PBS, каб выдаліць любыя плаваючыя бактэрыі на паверхні.Каб назіраць за біяплёнкай на падкладцы, яе фіксавалі метанолам і афарбоўвалі 1 мл крымідзінавага аранжавага на працягу 2 хвілін.Затым флуарэсцэнтны мікраскоп (BX51TR, Olympus, Японія) быў выкарыстаны для здымкі афарбаванай біяплёнкі.Для колькаснай ацэнкі біяплёнкі на падкладцы прымацаваныя клеткі аддзялялі ад падкладкі віхравым метадам шарыкаў, які лічыўся найбольш прыдатным метадам для выдалення прымацаваных бактэрый (n = 4).Выкарыстоўваючы стэрыльныя шчыпцы, выдаліце ​​​​субстрат з асяроддзя росту і пастукайце па пласціне з лункамі, каб выдаліць лішкі вадкасці.Няшчыльна прымацаваныя клеткі выдалялі двойчы прамываннем стэрыльным PBS.Затым кожны субстрат пераносілі ў стэрыльную прабірку, якая змяшчае 9 мл 0,1% бялковага раствора ept (PSW) і 2 г 20-25 стэрыльных шкляных шарыкаў (0,4-0,5 мм у дыяметры).Затым яго змешвалі на працягу 3 хвілін, каб аддзяліць клеткі ад узору.Пасля вартэксавання завісь паслядоўна разводзяць у 10 разоў 0,1% PSW, а затым 0,1 мл кожнага развядзення засяваюць на BAP.Пасля 24 гадзін інкубацыі пры 37 ° C CFU падлічвалі ўручную.
Для клетак выкарыстоўваліся мышыныя фібрабласты NIH/3T3 (CRL-1658; амерыканскі ATCC) і мышыныя макрафагі RAW 264.7 (TIB-71; амерыканскі ATCC).Выкарыстоўвайце мадыфікаванае асяроддзе Дульбека Ігла (DMEM; LM001-05, Welgene, Карэя) для культывавання фібрабластаў мышэй і дадайце 10% сыроваткі цяля (S103-01, Welgene) і 1% пеніцылін-стрэптаміцын (PS; LS202-02, Welgene (Welgene) ). Выкарыстоўвайце DMEM для культывавання мышыных макрафагаў з даданнем 10% фетальной бычынай сыроваткі (S001-01, Welgene) і 1% PS у культуральны планшет з шасцю лункамі і засявайце клеткі пры 105 клетак/см2. Клеткі інкубавалі на працягу ночы пры 37°C і 5% CO2, клеткі фіксавалі 4% парафармальдэгідам на працягу 20 хвілін і змяшчалі ў 0,5% Triton X Incubate на 5 хвілін у -100°С пры 37°C на працягу 30 хвілін. Пасля працэсу інкубацыі выкарыстоўвайце субстрат з фіксацыйнай асяроддзем 4',6-дыяміно-2-феніліндол (H -1200, Vector Laboratories, Вялікабрытанія) (n = 4 на клетку для бялку). , флуоресцеин, флуоресцеин изотиоцианат-альбумін (A9771, Sigma-Aldrich, Германія) і плазма чалавека Alexa Fluor 488-кан'югаваны фібрынаген (F13191, Invitrogen, ЗША) раствараюць у PBS (10 ммоль, pH 7,4).Канцэнтрацыі альбуміна і фібрынаген складалі 1 і 150 мкг / мл адпаведна.Пасля падкладкі Перад апусканнем у бялковы раствор прамыйце іх PBS, каб увільгатніць паверхню.Затым пагрузіце ўсе субстраты ў шасцілункавы планшет, які змяшчае бялковы раствор, і інкубуйце пры 37°C на працягу 30 і 90 хвілін.Пасля інкубацыі субстрат выдаляюць з бялковага раствора, асцярожна прамываюць 3 разы PBS і фіксуюць 4% парафармальдэгідам (n = 4 для кожнага бялку).Для кальцыя хларыд натрыю (0,21 М) і фасфат калія (3,77 ммоль) раствараюць у дэіянізаванай вадзе.pH раствора даводзілі да 2,0 шляхам дадання раствора гідрахларыд (1М).Затым у растворы раствараюць хларыд кальцыя (5,62 ммоль).Пры даданні 1М трыс(гідраксіметыл)-аміна метану даводзяць pH раствора да 7,4.Апусціце ўсе субстраты ў шасцілункавы планшет, напоўнены 1,5 × растворам фасфату кальцыя, і выміце з раствора праз 30 хвілін.Для афарбоўвання 2 г алізарыну чырвонага S (CI 58005) змяшайце са 100 мл дэіянізаванай вады.Затым выкарыстоўвайце 10% гідраксід амонія, каб давесці рн да 4. Пафарбуйце субстрат растворам ализаринового чырвонага на працягу 5 хвілін, а затым страсіце лішкі фарбавальніка і прамакніце.Пасля працэсу ўстрэсвання прыбярыце падкладку.Матэрыял абязводжваюць, затым апускаюць у ацэтон на 5 хвілін, затым апускаюць у раствор ацэтон-ксілол (1:1) на 5 хвілін і, нарэшце, прамываюць ксілолам (n = 4).Выкарыстоўваецца люмінесцэнтны мікраскоп (Axio Imager) з аб'ектывамі ×10 і ×20..A2m, Zeiss, Германія) выявы ўсіх падкладак.ImageJ/FIJI (https://imagej.nih.gov/ij/) выкарыстоўваўся для колькаснай ацэнкі даных аб адгезіі біялагічных рэчываў у кожнай групе з чатырох розных абласцей візуалізацыі.Пераўтварыце ўсе выявы ў бінарныя выявы з фіксаванымі парогамі для параўнання падкладкі.
Канфакальны мікраскоп Zeiss LSM 700 выкарыстоўваўся для маніторынгу стабільнасці пласта змазкі ў PBS у рэжыме адлюстравання.Узор шкла з пакрыццём SAM на аснове фтору з уведзеным змазачным пластом быў пагружаны ў раствор PBS і пратэставаны з выкарыстаннем арбітальнага шейкера (SHO-1D; Daihan Scientific, Паўднёвая Карэя) ва ўмовах мяккага ўстрэсвання (120 абаротаў у хвіліну).Затым вазьміце пробу і адсочвайце страты змазкі шляхам вымярэння страт адлюстраванага святла.Каб атрымаць флуарэсцэнтныя выявы ў рэжыме адлюстравання, узор падвяргаецца ўздзеянню лазера з даўжынёй даўжыні 633 нм, а затым збіраецца, таму што святло будзе адбівацца ад узору.Узоры вымяраліся з інтэрваламі часу 0, 30, 60 і 120 гадзін.
Каб вызначыць уплыў працэсу мадыфікацыі паверхні на нанамеханічныя ўласцівасці артапедычных імплантатаў, для вымярэння нанаіндэндыёна выкарыстоўваўся нанаіндэнтар (TI 950 TriboIndenter, Hysitron, ЗША), абсталяваны трохграннай пірамідальнай алмазнай наканечніцай Берковіча.Пікавая нагрузка складае 10 мН, а плошча - 100 мкм × 100 мкм.Для ўсіх вымярэнняў час загрузкі і разгрузкі складае 10 с, а час вытрымкі пры пікавай нагрузцы на паглыбленне складае 2 с.Выканайце вымярэнні ў пяці розных месцах і абярыце сярэдняе значэнне.Для ацэнкі механічнай трываласці пад нагрузкай быў праведзены тэст на папярочны трохкропкавы выгіб з дапамогай універсальнай выпрабавальнай машыны (Instron 5966, Instron, ЗША).Субстрат сціскаецца з пастаяннай хуткасцю 10 Н/с з падвышанай нагрузкай.Універсальная праграма Bluehill Universal (n = 3) выкарыстоўвалася для разліку модуля пругкасці пры выгіне і максімальнага напружання пры сціску.
Для мадэлявання працэсу аперацыі і звязаных з ёй механічных пашкоджанняў, выкліканых падчас аперацыі, працэс аперацыі выконваўся in vitro.Сцегнавыя косткі былі сабраны ў пакараных новазеландскіх белых трусоў.Сцягно ачышчалі і фіксавалі ў 4% парафармальдэгід на працягу 1 тыдня.Як апісана ў метадзе эксперыменту на жывёл, фіксаваная сцегнавая костка была аперавана хірургічным шляхам.Пасля аперацыі артапедычны імплантат апускалі ў кроў (конская кроў, KISAN, Карэя) на 10 секунд, каб пацвердзіць, ці адбыліся знітоўкі крыві пасля нанясення механічнай траўмы (n = 3).
У агульнай складанасці 24 самцы новазеландскіх белых трусоў (вага ад 3,0 да 3,5 кг, сярэдні ўзрост 6 месяцаў) былі выпадковым чынам падзелены на чатыры групы: голыя негатыўныя, голыя станоўчыя, SHP і LOIS.Усе працэдуры з удзелам жывёл выконваліся ў адпаведнасці з этычнымі стандартамі Інстытуцыйнага камітэта па доглядзе і выкарыстанні жывёл (зацверджаны IACUC, KOREA-2017-0159).Артапедычны імплантат складаецца з фіксуючай пласціны з пяццю адтулінамі (даўжыня 41 мм, шырыня 7 мм і таўшчыня 2 мм) і кортикальные фіксуючыя шрубы (даўжыня 12 мм, дыяметр 2,7 мм) для фіксацыі пералому.За выключэннем пласцін і шруб, якія выкарыстоўваліся ў групе без адмоўнага аналізу, усе пласціны і шрубы інкубавалі ў завісі MRSA (106 КОЕ/мл) на працягу 12 гадзін.Аголеную адмоўную групу (n = 6) апрацоўвалі імплантатамі з аголенай паверхняй без уздзеяння бактэрыяльнай завісі ў якасці адмоўнага кантролю на наяўнасць інфекцыі.Аголенай станоўчай групе (n = 6) апрацоўвалі імплантат з аголенай паверхняй, падвергнуты ўздзеянню бактэрый, у якасці станоўчага кантролю на наяўнасць інфекцыі.Групу SHP (n = 6) лячылі бактэрыяльна экспанаванымі імплантатамі SHP.Нарэшце, група LOIS была апрацавана імплантатамі LOIS з уздзеяннем бактэрый (n = 6).Усе жывёлы ўтрымліваюцца ў клетцы, даюць шмат ежы і вады.Перад аперацыяй трусы галадалі 12 гадзін.Жывёл падвяргалі анестэзіі шляхам нутрацягліцавых ін'екцый ксілазіна (5 мг/кг) і нутравенных ін'екцый паклітаксела (3 мг/кг) для індукцыі.Пасля гэтага дастаўце 2% изофлурана і ад 50% да 70% медыцынскага кіслароду (хуткасць патоку 2 л/мін) праз дыхальную сістэму для падтрымання анестэзіі.Ён імплантуецца праз прамы доступ да латэральнай сцегнавой косткі.Пасля эпіляцыі і повидон-ёднай дэзінфекцыі скуры з вонкавага боку левай сярэдняй сцегнавой косткі зроблены разрэз даўжынёй каля 6 см.Адкрываючы шчыліну паміж цягліцамі, якія пакрываюць сцегнавую косць, сцегнавая костка цалкам агаляецца.Размесціце пласціну перад дыяфізам сцегнавой косткі і зафіксуйце яе чатырма шрубамі.Пасля фіксацыі дыскам пілы (таўшчынёй 1 мм) штучна стварыце залом у вобласці паміж другім і чацвёртым адтулінамі.Па заканчэнні аперацыі рану прамываюць фізіялагічным растворам і зашываюць швамі.Кожнаму трусу падскурна ўводзілі энрофлоксацин (5 мг/кг), разведзены на траціну фізіялагічным растворам.Пасляаперацыйная рэнтгенаграфія сцегнавой косткі была зроблена ўсім жывёлам (0, 7, 14, 21, 28 і 42 дні) для пацверджання остеотомии косткі.Пасля глыбокага наркозу ўсіх жывёл забівалі нутравенным увядзеннем KCl (2 ммоль / кг) на 28 і 42 дні.Пасля пакарання сцегнавую косць сканавалі з дапамогай мікра-КТ для назірання і параўнання працэсу гаення костак і фарміравання новай косткі ў чатырох групах.
Пасля выканання былі сабраны мяккія тканіны, якія знаходзіліся ў непасрэдным кантакце з артапедычнымі імплантатамі.Тканіну фіксавалі ў 10% нейтральным забуференным фармаліне на працягу ночы, а затым абязводжвалі ў EtOH.Абязводжаная тканіна была заліта ў парафін і нарэзана на зрэзы таўшчынёй 40 мкм з дапамогай микротома (400CS; EXAKT, Германія).Для таго каб візуалізаваць інфекцыю, былі выкананы афарбоўванне H&E і MT.Каб праверыць рэакцыю гаспадара, разрэзаную тканіну інкубавалі з першасным антыцелам супраць TNF-α труса (AB6671, Abcam, ЗША) і анты-IL-6 труса (AB6672; Abcam, ЗША), а затым апрацоўвалі хрэнам.Аксідаза.Вырабіце сістэму афарбоўвання авідын-біятынавы комплекс (ABC) на зрэзы ў адпаведнасці з інструкцыямі вытворцы.Для таго, каб выглядаць як карычневы прадукт рэакцыі, 3,3-диаминобензидин быў выкарыстаны ва ўсіх частках.Лічбавы слайд-сканер (Pannoramic 250 Flash III, 3DHISTECH, Венгрыя) быў выкарыстаны для візуалізацыі ўсіх зрэзаў, і па меншай меры чатыры падкладкі ў кожнай групе былі прааналізаваны праграмным забеспячэннем ImageJ.
Рэнтгенаўскія здымкі рабілі ўсім жывёлам пасля аперацыі і кожны тыдзень для кантролю гаення пераломаў (n=6 на групу).Пасля выканання мікра-КТ з высокім дазволам была выкарыстана для разліку адукацыі мазалі вакол сцегнавой косткі пасля гаення.Атрыманую сцегнавую косць чысцілі, фіксавалі ў 4% парафармальдэгіду на працягу 3 дзён і абязводжвалі ў 75% этаноле.Затым абязводжаныя косткі сканавалі з дапамогай мікра-КТ (SkyScan 1173, Brooke Micro-CT, Кандзі, Бельгія) для стварэння 3D-ваксельных малюнкаў (2240×2240 пікселяў) узору косткі.Выкарыстоўвайце алюмініевы фільтр 1,0 мм, каб паменшыць шум сігналу і прымяніць высокую раздзяляльнасць да ўсіх сканаванняў (E = 133 кВp, I = 60 мкА, час інтэграцыі = 500 мс).Праграмнае забеспячэнне Nrecon (версія 1.6.9.8, Bruker microCT, Kontich, Бельгія) выкарыстоўвалася для стварэння 3D-аб'ёму адсканаванага ўзору з атрыманай 2D-бакавой праекцыі.Для аналізу 3D-рэканструяваны малюнак дзеліцца на кубікі 10 мм × 10 мм × 10 мм у залежнасці ад месца пералому.Вылічыць мазоль па-за кортикальной косткі.Праграмнае забеспячэнне DataViewer (версія 1.5.1.2; Bruker microCT, Kontich, Бельгія) выкарыстоўвалася для лічбавага перанакіравання адсканаванага аб'ёму косткі, а праграмнае забеспячэнне CT-Analyzer (версія 1.14.4.1; Bruker microCT, Kontich, Бельгія) выкарыстоўвалася для аналізу.Адносныя каэфіцыенты паглынання рэнтгенаўскіх прамянёў у спелай косці і мазалі адрозніваюць па іх шчыльнасці, а затым колькасна вызначаюць аб'ём мазалі (n = 4).Для таго, каб пацвердзіць, што біясумяшчальнасць LOIS не затрымлівае працэс гаення костак, былі праведзены дадатковыя рэнтгенаўскія даследаванні і мікра-КТ у двух трусоў: у групе голых адмоўных трусоў і ў групе LOIS.Абедзве групы былі расстраляныя на 6-м тыдні.
Сцегнавыя косткі прынесеных у ахвяру жывёл збіралі і фіксавалі ў 4% парафармальдэгіду на працягу 3 дзён.Затым артапедычны імплантат акуратна выдаляюць з сцегнавой косткі.Сцягно декальцинировали на працягу 21 дня з дапамогай 0,5 М ЭДТА (EC-900, Нацыянальная дыягнастычная карпарацыя).Затым декальцинированную сцегнавую косць апускалі ў EtOH, каб зрабіць яе абязводжанай.Абязводжаная сцегнавая костка была выдаленая ў ксілоле і заліта ў парафін.Затым ўзор быў нарэзаны аўтаматычным ротарным микротомом (Leica RM2255, Leica Biosystems, Германія) таўшчынёй 3 мкм.Для афарбоўвання TRAP (F6760, Sigma-Aldrich, Германія) разрэзаныя ўзоры дэпарафінізавалі, рэгідратавалі і інкубавалі ў рэактыве TRAP пры 37°C на працягу 1 гадзіны.Выявы былі атрыманы з дапамогай слайд-сканера (Pannoramic 250 Flash III, 3DHISTECH, Венгрыя) і колькасна вымераны шляхам вымярэння плошчы ахопу афарбаванай вобласці.У кожным эксперыменце па меншай меры чатыры субстрата ў кожнай групе былі прааналізаваны праграмным забеспячэннем ImageJ.
Аналіз статыстычнай значнасці праводзіўся з дапамогай GraphPad Prism (GraphPad Software Inc., ЗША).Няпарны t-крытэрый і аднабаковы дысперсійны аналіз (ANOVA) выкарыстоўваліся для праверкі адрозненняў паміж ацэначнымі групамі.Узровень значнасці пазначаны на малюнку наступным чынам: *P<0,05, **P<0,01, ***P<0,001 і ****P<0,0001;NS, істотнай розніцы няма.
Для атрымання дадатковых матэрыялаў да гэтага артыкула, калі ласка, гл.
Гэта артыкул з адкрытым доступам, які распаўсюджваецца на ўмовах ліцэнзіі Creative Commons Attribution-Non-Commercial License, якая дазваляе выкарыстоўваць, распаўсюджваць і прайграваць на любых носьбітах пры ўмове, што выкарыстанне не з'яўляецца камерцыйнай выгадай і грунтуецца на тым, што арыгінал праца правільная.Даведка.
Заўвага: мы просім вас толькі ўказаць адрас электроннай пошты, каб чалавек, якога вы рэкамендуеце на старонку, ведаў, што вы хочаце, каб ён убачыў электронны ліст і што гэты ліст не з'яўляецца спамам.Мы не будзем захопліваць адрасы электроннай пошты.
Гэтае пытанне выкарыстоўваецца, каб праверыць, ці з'яўляецеся вы наведвальнікам, і прадухіліць аўтаматычную рассылку спаму.
Чхве Кён Мін, О Ён Чан, Пак Джун Джун, Лі Джын Хёк, Кім Хён Чхоль, Лі Кён Мун, Лі Чанг Кю, Лі Ён Тэк, Лі Сун Ук, Чон Моруі
Антыбактэрыйныя і імунныя пакрыцця артапедычных імплантатаў могуць паменшыць інфекцыі і імунныя рэакцыі, выкліканыя інфекцыямі.
Чхве Кён Мін, О Ён Чан, Пак Джун Джун, Лі Джын Хёк, Кім Хён Чхоль, Лі Кён Мун, Лі Чанг Кю, Лі Ён Тэк, Лі Сун Ук, Чон Моруі
Антыбактэрыйныя і імунныя пакрыцця артапедычных імплантатаў могуць паменшыць інфекцыі і імунныя рэакцыі, выкліканыя інфекцыямі.
©2021 Амерыканская асацыяцыя садзейнічання развіццю навукі.Усе правы ахоўваюцца.AAAS з'яўляецца партнёрам HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef і COUNTER.ScienceAdvances ISSN 2375-2548.