Για τους ασθενείς που υποβάλλονται σε χειρουργική επέμβαση ορθοπεδικών εμφυτευμάτων, οι βακτηριακές λοιμώξεις και οι προκαλούμενες από λοιμώξεις ανοσοαποκρίσεις ήταν πάντα απειλητικοί για τη ζωή τους.Τα συμβατικά βιολογικά υλικά είναι ευαίσθητα σε βιολογική μόλυνση, η οποία προκαλεί τα βακτήρια να εισβάλλουν στην τραυματισμένη περιοχή και να προκαλούν μετεγχειρητική μόλυνση.Ως εκ τούτου, υπάρχει επείγουσα ανάγκη να αναπτυχθούν αντι-λοιμώξεις και επικαλύψεις διαφυγής του ανοσοποιητικού για ορθοπεδικά εμφυτεύματα.Εδώ, έχουμε αναπτύξει μια προηγμένη τεχνολογία τροποποίησης επιφάνειας για ορθοπεδικά εμφυτεύματα που ονομάζεται Lubricated Orthopedic Implant Surface (LOIS), η οποία είναι εμπνευσμένη από την λεία επιφάνεια των στάμνων φυτών στάμνας.Το LOIS έχει μακράς διαρκείας και ισχυρή υγροαπωθητικότητα σε μια ποικιλία υγρών και βιολογικών ουσιών (συμπεριλαμβανομένων κυττάρων, πρωτεϊνών, ασβεστίου και βακτηρίων).Επιπλέον, επιβεβαιώσαμε τη μηχανική αντοχή στις γρατσουνιές και τη δύναμη στερέωσης προσομοιώνοντας την αναπόφευκτη βλάβη κατά τη διάρκεια της in vitro χειρουργικής επέμβασης.Το μοντέλο φλεγμονώδους μηριαίου κατάγματος μυελού των οστών κουνελιού χρησιμοποιήθηκε για τη διεξοδική μελέτη της αντιβιολογικής απολέπισης και της ικανότητας κατά της μόλυνσης του LOIS.Οραματιζόμαστε ότι το LOIS, το οποίο έχει αντιβιορυπατικές ιδιότητες και μηχανική αντοχή, είναι ένα βήμα μπροστά στην ορθοπεδική χειρουργική χωρίς λοιμώξεις.
Σήμερα, λόγω της συνολικής γήρανσης, ο αριθμός των ασθενών που πάσχουν από ορθοπεδικά νοσήματα (όπως κατάγματα ηλικιωμένων, εκφυλιστικές παθήσεις των αρθρώσεων και οστεοπόρωση) έχει αυξηθεί σημαντικά (1, 2).Ως εκ τούτου, τα ιατρικά ιδρύματα αποδίδουν μεγάλη σημασία στην ορθοπεδική χειρουργική, συμπεριλαμβανομένων των ορθοπεδικών εμφυτευμάτων βιδών, πλακών, νυχιών και τεχνητών αρθρώσεων (3, 4).Ωστόσο, τα παραδοσιακά ορθοπεδικά εμφυτεύματα έχουν αναφερθεί ότι είναι ευαίσθητα σε βακτηριακή προσκόλληση και σχηματισμό βιοφίλμ, που μπορεί να προκαλέσει μόλυνση του χειρουργικού σημείου (SSI) μετά την επέμβαση (5, 6).Μόλις σχηματιστεί το βιοφίλμ στην επιφάνεια του ορθοπεδικού εμφυτεύματος, η αφαίρεση του βιοφίλμ γίνεται εξαιρετικά δύσκολη ακόμη και με τη χρήση μεγάλων δόσεων αντιβιοτικών.Ως εκ τούτου, συνήθως οδηγεί σε σοβαρές μετεγχειρητικές λοιμώξεις (7, 8).Λόγω των παραπάνω προβλημάτων, η θεραπεία των μολυσμένων εμφυτευμάτων θα πρέπει να περιλαμβάνει επανεγχείρηση, συμπεριλαμβανομένης της αφαίρεσης όλων των εμφυτευμάτων και των γύρω ιστών.Επομένως, ο ασθενής θα υποφέρει έντονο πόνο και κάποιους κινδύνους (9, 10).
Για την επίλυση ορισμένων από αυτά τα προβλήματα, έχουν αναπτυχθεί ορθοπεδικά εμφυτεύματα που εκλούουν φάρμακα για την πρόληψη της μόλυνσης εξαλείφοντας τα βακτήρια που είναι προσκολλημένα στην επιφάνεια (11, 12).Ωστόσο, η στρατηγική εξακολουθεί να παρουσιάζει αρκετούς περιορισμούς.Έχει αναφερθεί ότι η μακροχρόνια εμφύτευση εμφυτευμάτων που εκλούουν φάρμακα έχει προκαλέσει βλάβη στους περιβάλλοντες ιστούς και έχει προκαλέσει φλεγμονή, η οποία μπορεί να οδηγήσει σε νέκρωση (13, 14).Επιπλέον, οι οργανικοί διαλύτες που ενδέχεται να υπάρχουν μετά τη διαδικασία κατασκευής ορθοπεδικών εμφυτευμάτων με έκλουση φαρμάκων, οι οποίοι απαγορεύονται αυστηρά από την Υπηρεσία Τροφίμων και Φαρμάκων των ΗΠΑ, απαιτούν πρόσθετα βήματα καθαρισμού για να πληρούν τα πρότυπά της (15).Τα εμφυτεύματα με έκλουση φαρμάκων αποτελούν πρόκληση για την ελεγχόμενη απελευθέρωση φαρμάκων και λόγω της περιορισμένης φόρτισης φαρμάκων, η μακροχρόνια εφαρμογή του φαρμάκου δεν είναι εφικτή (16).
Μια άλλη κοινή στρατηγική είναι η επίστρωση του εμφυτεύματος με ένα αντιρυπαντικό πολυμερές για να αποτραπεί η προσκόλληση βιολογικών ουσιών και βακτηρίων στην επιφάνεια (17).Για παράδειγμα, τα αμφιτεριονικά πολυμερή έχουν προσελκύσει την προσοχή λόγω των μη συγκολλητικών ιδιοτήτων τους όταν έρχονται σε επαφή με πρωτεΐνες πλάσματος, κύτταρα και βακτήρια.Ωστόσο, έχει ορισμένους περιορισμούς που σχετίζονται με τη μακροπρόθεσμη σταθερότητα και τη μηχανική αντοχή, που εμποδίζουν την πρακτική εφαρμογή του στα ορθοπεδικά εμφυτεύματα, ειδικά λόγω της μηχανικής απόξεσης κατά τη διάρκεια χειρουργικών επεμβάσεων (18, 19).Επιπλέον, λόγω της υψηλής βιοσυμβατότητάς του, της έλλειψης ανάγκης για χειρουργική επέμβαση αφαίρεσης και των ιδιοτήτων καθαρισμού της επιφάνειας λόγω διάβρωσης, έχουν χρησιμοποιηθεί ορθοπεδικά εμφυτεύματα κατασκευασμένα από βιοδιασπώμενα υλικά (20, 21).Κατά τη διάβρωση, οι χημικοί δεσμοί μεταξύ της πολυμερούς μήτρας διασπώνται και αποσπώνται από την επιφάνεια και οι προσκολλητές καθαρίζουν την επιφάνεια.Ωστόσο, η αντιβιολογική ρύπανση με καθαρισμό επιφανειών είναι αποτελεσματική σε σύντομο χρονικό διάστημα.Επιπλέον, τα περισσότερα απορροφήσιμα υλικά όπως πολυ(γαλακτικό οξύ-συμπολυμερές γλυκολικού οξέος) (PLGA), πολυγαλακτικό οξύ (PLA) και κράματα με βάση το μαγνήσιο θα υποστούν άνιση βιοαποδόμηση και διάβρωση στο σώμα, γεγονός που θα επηρεάσει αρνητικά τη μηχανική σταθερότητα.(είκοσι δύο).Επιπλέον, τα βιοαποδομήσιμα θραύσματα πλάκας παρέχουν ένα μέρος για την προσκόλληση βακτηρίων, γεγονός που αυξάνει την πιθανότητα μόλυνσης μακροπρόθεσμα.Αυτός ο κίνδυνος μηχανικής υποβάθμισης και μόλυνσης περιορίζει την πρακτική εφαρμογή της πλαστικής χειρουργικής (23).
Οι υπερυδρόφοβες (SHP) επιφάνειες που μιμούνται την ιεραρχική δομή των φύλλων του λωτού έχουν γίνει μια πιθανή λύση για επιφάνειες κατά των ρύπων (24, 25).Όταν η επιφάνεια του SHP βυθιστεί σε υγρό, παγιδεύονται φυσαλίδες αέρα, σχηματίζοντας έτσι θύλακες αέρα και αποτρέποντας την προσκόλληση βακτηρίων (26).Ωστόσο, πρόσφατες μελέτες έχουν δείξει ότι η επιφάνεια του SHP έχει μειονεκτήματα που σχετίζονται με τη μηχανική αντοχή και τη μακροχρόνια σταθερότητα, γεγονός που εμποδίζει την εφαρμογή του σε ιατρικά εμφυτεύματα.Επιπλέον, οι θύλακες αέρα θα διαλυθούν και θα χάσουν τις αντιρρυπαντικές τους ιδιότητες, με αποτέλεσμα την ευρύτερη βακτηριακή πρόσφυση λόγω της μεγάλης επιφάνειας της επιφάνειας του SHP (27, 28).Πρόσφατα, ο Aizenberg και οι συνεργάτες του εισήγαγαν μια καινοτόμο μέθοδο αντι-βιορρύπανσης επιφανειακής επίστρωσης αναπτύσσοντας μια λεία επιφάνεια εμπνευσμένη από το φυτό στάμνας Nepenthes (29, 30).Η λεία επιφάνεια παρουσιάζει μακροχρόνια σταθερότητα κάτω από υδραυλικές συνθήκες, είναι εξαιρετικά υγροαπωθητική σε βιολογικά υγρά και έχει αυτοεπισκευαστικές ιδιότητες.Ωστόσο, δεν υπάρχει ούτε μέθοδος για την εφαρμογή επικάλυψης σε ιατρικό εμφύτευμα σε σχήμα πολύπλοκου, ούτε έχει αποδειχθεί ότι υποστηρίζει τη διαδικασία επούλωσης κατεστραμμένου ιστού μετά την εμφύτευση.
Εδώ, εισάγουμε μια λιπανμένη ορθοπεδική επιφάνεια εμφυτεύματος (LOIS), μια επιφάνεια ορθοπεδικού εμφυτεύματος με μικρο/νανοδομή και στενά συνδυασμένη με ένα λεπτό λιπαντικό στρώμα για να αποτρέψει τη συσχέτιση της με πλαστική χειρουργική Βακτηριακές λοιμώξεις, όπως η στερέωση κατάγματος.Επειδή η δομή μικρο/νανοεπιπέδου με λειτουργικό φθόριο στερεώνει σταθερά το λιπαντικό στη δομή, το αναπτυγμένο LOIS μπορεί να απωθήσει πλήρως την πρόσφυση διαφόρων υγρών και να διατηρήσει την αντιρρυπαντική απόδοση για μεγάλο χρονικό διάστημα.Οι επικαλύψεις LOIS μπορούν να εφαρμοστούν σε υλικά διαφόρων σχημάτων που προορίζονται για οστική σύνθεση.Οι εξαιρετικές αντιβιορρυπαντικές ιδιότητες του LOIS έναντι βακτηρίων βιοφίλμ [Pseudomonas aeruginosa και ανθεκτικός στη μεθικιλλίνη Staphylococcus aureus (MRSA)] και βιολογικών ουσιών (κύτταρα, πρωτεΐνες και ασβέστιο) έχουν επιβεβαιωθεί in vitro.Ο ρυθμός πρόσφυσης της εκτεταμένης πρόσφυσης στο υπόστρωμα είναι μικρότερος από 1%.Επιπλέον, ακόμη και μετά από μηχανική καταπόνηση, όπως γρατσουνιές στην επιφάνεια, η αυτο-ίαση που προκαλείται από το διεισδυτικό λιπαντικό βοηθά στη διατήρηση των αντιρυπαντικών ιδιοτήτων του.Τα αποτελέσματα των δοκιμών μηχανικής αντοχής δείχνουν ότι ακόμη και μετά από δομική και χημική τροποποίηση, η συνολική αντοχή δεν θα μειωθεί σημαντικά.Επιπλέον, ένα πείραμα in vitro που προσομοιώνει τη μηχανική καταπόνηση στο χειρουργικό περιβάλλον πραγματοποιήθηκε για να αποδειχθεί ότι το LOIS μπορεί να αντέξει διάφορες μηχανικές καταπονήσεις που συμβαίνουν κατά τη διάρκεια της πλαστικής χειρουργικής.Τέλος, χρησιμοποιήσαμε ένα in vivo μοντέλο μηριαίου κατάγματος βασισμένο σε κουνέλι, το οποίο απέδειξε ότι το LOIS έχει ανώτερες αντιβακτηριακές ιδιότητες και βιοσυμβατότητα.Τα ακτινολογικά και ιστολογικά αποτελέσματα επιβεβαίωσαν ότι η σταθερή λιπαντική συμπεριφορά και οι αντιβιορευματικές ιδιότητες εντός 4 εβδομάδων μετά την εμφύτευση μπορούν να επιτύχουν αποτελεσματική απόδοση κατά της μόλυνσης και διαφυγής του ανοσοποιητικού χωρίς να καθυστερήσει η διαδικασία επούλωσης των οστών.
Το Σχήμα 1Α δείχνει ένα σχηματικό διάγραμμα του ανεπτυγμένου LOIS, το οποίο εμφυτεύεται με δομές μικρο/νανοκλίμακας στο μοντέλο κατάγματος μηριαίου οστού κουνελιού για να επιβεβαιωθούν οι εξαιρετικές αντιβιολογικές ιδιότητες ρύπανσης και κατά της μόλυνσης.Πραγματοποιείται μια βιομιμητική μέθοδος για την προσομοίωση της επιφάνειας ενός φυτού σε γλάστρα νερού και για την αποφυγή βιορρύπανσης με την ενσωμάτωση ενός λιπαντικού στρώματος στη μικρο/νανο δομή της επιφάνειας.Η επιφάνεια που εγχέεται με λιπαντικό μπορεί να ελαχιστοποιήσει την επαφή μεταξύ βιολογικών ουσιών και της επιφάνειας.Ως εκ τούτου, λόγω του σχηματισμού σταθερών χημικών δεσμών στην επιφάνεια, έχει εξαιρετική αντιρρυπαντική απόδοση και μακροχρόνια σταθερότητα.Ως αποτέλεσμα, οι αντι-βιορυπαντικές ιδιότητες της λιπαντικής επιφάνειας επιτρέπουν διάφορες πρακτικές εφαρμογές στη βιοϊατρική έρευνα.Ωστόσο, η εκτεταμένη έρευνα για το πώς αλληλεπιδρά αυτή η ειδική επιφάνεια στο σώμα δεν έχει ακόμη ολοκληρωθεί.Συγκρίνοντας το LOIS με γυμνά υποστρώματα in vitro χρησιμοποιώντας αλβουμίνη και βακτήρια βιοφίλμ, μπορεί να επιβεβαιωθεί η μη κολλητική ικανότητα του LOIS (Εικόνα 1Β).Επιπλέον, ξετυλίγοντας τα σταγονίδια νερού στο κεκλιμένο γυμνό υπόστρωμα και στο υπόστρωμα LOIS (Εικόνα S1 και Movie S1), μπορεί να αποδειχθεί η απόδοση βιολογικής μόλυνσης.Όπως φαίνεται στην εικόνα μικροσκοπίου φθορισμού, το εκτεθειμένο υπόστρωμα που επωάστηκε σε ένα εναιώρημα πρωτεΐνης και βακτηρίων έδειξε μεγάλη ποσότητα βιολογικού υλικού να προσκολλάται στην επιφάνεια.Ωστόσο, λόγω των εξαιρετικών αντιβιορρυπαντικών ιδιοτήτων του, το LOIS δεν εμφανίζει σχεδόν καθόλου φθορισμό.Προκειμένου να επιβεβαιωθούν οι αντιβιορυπαίνουσες και αντι-λοιμώξεις ιδιότητές του, το LOIS εφαρμόστηκε στην επιφάνεια ορθοπεδικών εμφυτευμάτων για οστική σύνθεση (πλάκες και βίδες) και τοποθετήθηκε σε μοντέλο κατάγματος κουνελιού.Πριν από την εμφύτευση, το γυμνό ορθοπεδικό εμφύτευμα και το LOIS επωάστηκαν σε βακτηριακό εναιώρημα για 12 ώρες.Η προεπώαση διασφαλίζει ότι σχηματίζεται ένα βιοφίλμ στην επιφάνεια του εκτεθειμένου εμφυτεύματος για σύγκριση.Το Σχήμα 1Γ δείχνει μια φωτογραφία της θέσης του κατάγματος 4 εβδομάδες μετά την εμφύτευση.Αριστερά, ένα κουνέλι με γυμνό ορθοπεδικό εμφύτευμα εμφάνισε σοβαρό επίπεδο φλεγμονής λόγω του σχηματισμού βιοφίλμ στην επιφάνεια του εμφυτεύματος.Το αντίθετο αποτέλεσμα παρατηρήθηκε σε κουνέλια που είχαν εμφυτευθεί με LOIS, δηλαδή οι περιβάλλοντες ιστοί του LOIS δεν έδειξαν ούτε σημάδια μόλυνσης ούτε σημεία φλεγμονής.Επιπλέον, η οπτική εικόνα στα αριστερά υποδεικνύει τη χειρουργική θέση του κουνελιού με το εκτεθειμένο εμφύτευμα, υποδεικνύοντας ότι δεν βρέθηκαν πολλαπλές κόλλες στην επιφάνεια του εκτεθειμένου εμφυτεύματος στην επιφάνεια του LOIS.Αυτό δείχνει ότι το LOIS έχει μακροπρόθεσμη σταθερότητα και έχει την ικανότητα να διατηρεί τις αντιβιολογικές ρυπαντικές και αντικολλητικές του ιδιότητες.
(Α) Σχηματικό διάγραμμα LOIS και εμφύτευσή του σε μοντέλο κατάγματος μηριαίου κουνελιού.(Β) Εικόνα μικροσκοπίας φθορισμού πρωτεΐνης και βακτηριακού βιοφίλμ σε γυμνή επιφάνεια και υπόστρωμα LOIS.4 εβδομάδες μετά την εμφύτευση, (Γ) μια φωτογραφική εικόνα της θέσης του κατάγματος και (Δ) μια εικόνα ακτίνων Χ (επισημασμένη από ένα κόκκινο ορθογώνιο).Ευγένεια εικόνας: Kyomin Chae, Πανεπιστήμιο Yonsei.
Τα αποστειρωμένα, εκτεθειμένα αρνητικά εμφυτευμένα κουνέλια έδειξαν μια φυσιολογική διαδικασία επούλωσης των οστών χωρίς σημάδια φλεγμονής ή μόλυνσης.Από την άλλη πλευρά, τα εμφυτεύματα SHP που έχουν προεπωαστεί σε βακτηριακό εναιώρημα εμφανίζουν φλεγμονή που σχετίζεται με μόλυνση στους περιβάλλοντες ιστούς.Αυτό μπορεί να αποδοθεί στην αδυναμία του να αναστέλλει τη βακτηριακή προσκόλληση για μεγάλο χρονικό διάστημα (Εικόνα S2).Προκειμένου να αποδειχθεί ότι το LOIS δεν επηρεάζει τη διαδικασία επούλωσης, αλλά αναστέλλει πιθανές λοιμώξεις που σχετίζονται με την εμφύτευση, συγκρίθηκαν εικόνες ακτίνων Χ της εκτεθειμένης θετικής μήτρας και LOIS στο σημείο του κατάγματος (Εικόνα 1Δ).Η εικόνα ακτίνων Χ του γυμνού θετικού εμφυτεύματος έδειξε επίμονες γραμμές οστεόλυσης, υποδεικνύοντας ότι το οστό δεν είχε επουλωθεί πλήρως.Αυτό υποδηλώνει ότι η διαδικασία ανάκτησης των οστών μπορεί να καθυστερήσει πολύ λόγω φλεγμονής που σχετίζεται με τη μόλυνση.Αντίθετα, έδειξε ότι τα κουνέλια που εμφυτεύτηκαν με LOIS είχαν επουλωθεί και δεν παρουσίαζαν εμφανές σημείο κατάγματος.
Προκειμένου να αναπτυχθούν ιατρικά εμφυτεύματα με μακροπρόθεσμη σταθερότητα και λειτουργικότητα (συμπεριλαμβανομένης της αντοχής στη βιορρύπανση), έχουν γίνει πολλές προσπάθειες.Ωστόσο, η παρουσία διαφόρων βιολογικών ουσιών και η δυναμική της προσκόλλησης των ιστών περιορίζει την ανάπτυξη των κλινικά αξιόπιστων μεθόδων τους.Προκειμένου να ξεπεραστούν αυτές οι αδυναμίες, έχουμε αναπτύξει μια δομή με μικρο/νανοστρώσεις και χημικά τροποποιημένη επιφάνεια, η οποία βελτιστοποιείται λόγω της υψηλής τριχοειδούς δύναμης και της χημικής συγγένειας για να διατηρεί το πιο λείο λιπαντικό στο μέγιστο βαθμό.Το Σχήμα 2Α δείχνει τη συνολική διαδικασία κατασκευής του LOIS.Αρχικά, ετοιμάστε ένα υπόστρωμα ιατρικής ποιότητας από ανοξείδωτο χάλυβα (SS) 304.Δεύτερον, η μικρο/νανο δομή σχηματίζεται στο υπόστρωμα SS με χημική χάραξη χρησιμοποιώντας διάλυμα υδροφθορικού οξέος (HF).Προκειμένου να αποκατασταθεί η αντίσταση στη διάβρωση του SS, χρησιμοποιείται ένα διάλυμα νιτρικού οξέος (HNO3) (31) για την επεξεργασία του χαραγμένου υποστρώματος.Η παθητικοποίηση ενισχύει την αντίσταση στη διάβρωση του υποστρώματος SS και επιβραδύνει σημαντικά τη διαδικασία διάβρωσης που μπορεί να μειώσει τη συνολική απόδοση του LOIS.Στη συνέχεια, σχηματίζοντας μια αυτοσυναρμολογημένη μονοστιβάδα (SAM) με 1Η, 1Η, 2Η, 2Η-υπερφθοροοκτυλοτριαιθοξυσιλάνιο (POTS), η επιφάνεια τροποποιείται χημικά για να βελτιωθεί η χημική αλληλεπίδραση μεταξύ της επιφάνειας και της συγγένειας λείου λιπαντικού.Η τροποποίηση της επιφάνειας μειώνει σημαντικά την επιφανειακή ενέργεια της κατασκευασμένης δομημένης επιφάνειας μικρο/νανοκλίμακας, η οποία ταιριάζει με την επιφανειακή ενέργεια του λείου λιπαντικού.Αυτό επιτρέπει στο λιπαντικό να διαβρέχεται πλήρως, σχηματίζοντας έτσι ένα σταθερό λιπαντικό στρώμα στην επιφάνεια.Η τροποποιημένη επιφάνεια παρουσιάζει ενισχυμένη υδροφοβικότητα.Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι το ολισθηρό λιπαντικό παρουσιάζει σταθερή συμπεριφορά στο LOIS λόγω της υψηλής χημικής συγγένειας και της τριχοειδούς δύναμης που προκαλείται από τη δομή μικρο/νανο (32, 33).Μελετήθηκαν οι οπτικές αλλαγές στην επιφάνεια του SS μετά την τροποποίηση της επιφάνειας και την έγχυση λιπαντικού.Η δομή με μικρο/νανοστρώσεις που σχηματίζεται στην επιφάνεια μπορεί να προκαλέσει οπτικές αλλαγές και να σκουρύνει την επιφάνεια.Αυτό το φαινόμενο αποδίδεται στην ενισχυμένη επίδραση σκέδασης φωτός στην τραχιά επιφάνεια, η οποία αυξάνει τη διάχυτη ανάκλαση που προκαλείται από τον μηχανισμό παγίδευσης φωτός (34).Επιπλέον, μετά την έγχυση του λιπαντικού, το LOIS γίνεται πιο σκούρο.Το λιπαντικό στρώμα προκαλεί λιγότερο φως που ανακλάται από το υπόστρωμα, με αποτέλεσμα να σκουραίνει το LOIS.Προκειμένου να βελτιστοποιηθεί η μικροδομή/νανοδομή ώστε να δείχνει τη μικρότερη γωνία ολίσθησης (SA) για την επίτευξη απόδοσης κατά της βιορρύπανσης, χρησιμοποιήθηκε ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (SEM) και ατομικά ζεύγη για την εκτέλεση διαφορετικών χρόνων χάραξης HF (0, 3)., 15 και 60 λεπτά) Μικροσκόπιο δύναμης (AFM) (Εικόνα 2Β).Οι εικόνες SEM και AFM δείχνουν ότι μετά από σύντομο χρόνο χάραξης (3 λεπτά χάραξης), το γυμνό υπόστρωμα έχει σχηματίσει άνιση τραχύτητα νανοκλίμακας.Η τραχύτητα της επιφάνειας αλλάζει με το χρόνο χάραξης (Εικόνα S3).Η χρονικά μεταβαλλόμενη καμπύλη δείχνει ότι η τραχύτητα της επιφάνειας συνεχίζει να αυξάνεται και φτάνει στο μέγιστο στα 15 λεπτά χάραξης, και στη συνέχεια παρατηρείται μόνο μια ελαφρά μείωση στην τιμή τραχύτητας στα 30 λεπτά χάραξης.Σε αυτό το σημείο, η τραχύτητα νανο-επίπεδου είναι χαραγμένη, ενώ η τραχύτητα μικροεπιπέδου αναπτύσσεται έντονα, καθιστώντας την αλλαγή τραχύτητας πιο σταθερή.Μετά από χάραξη για περισσότερα από 30 λεπτά, παρατηρείται περαιτέρω αύξηση της τραχύτητας, η οποία εξηγείται αναλυτικά ως εξής: Το SS αποτελείται από χάλυβα, κράμα με στοιχεία όπως σίδηρος, χρώμιο, νικέλιο, μολυβδαίνιο και πολλά άλλα στοιχεία.Μεταξύ αυτών των στοιχείων, ο σίδηρος, το χρώμιο και το μολυβδαίνιο διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στο σχηματισμό τραχύτητας κλίμακας micron/νανο στο SS με χάραξη HF.Στα πρώτα στάδια της διάβρωσης, ο σίδηρος και το χρώμιο διαβρώνονται κυρίως επειδή το μολυβδαίνιο έχει μεγαλύτερη αντοχή στη διάβρωση από το μολυβδαίνιο.Καθώς η χάραξη προχωρά, το διάλυμα χάραξης φτάνει σε τοπικό υπερκορεσμό, σχηματίζοντας φθοριούχα και οξείδια που προκαλούνται από τη χάραξη.Το φθόριο και το οξείδιο κατακρημνίζονται και τελικά αποτίθενται εκ νέου στην επιφάνεια, σχηματίζοντας μια τραχύτητα επιφάνειας στην περιοχή micron/nano (31).Αυτή η τραχύτητα μικρο/νανοεπιπέδου παίζει σημαντικό ρόλο στις αυτοθεραπευτικές ιδιότητες του LOIS.Η επιφάνεια διπλής κλίμακας παράγει ένα συνεργιστικό αποτέλεσμα, αυξάνοντας σημαντικά την τριχοειδική δύναμη.Αυτό το φαινόμενο επιτρέπει στο λιπαντικό να διεισδύει στην επιφάνεια σταθερά και συμβάλλει στις ιδιότητες αυτοθεραπείας (35).Ο σχηματισμός τραχύτητας εξαρτάται από το χρόνο χάραξης.Κάτω από 10 λεπτά χάραξης, η επιφάνεια περιέχει μόνο τραχύτητα νανοκλίμακας, η οποία δεν αρκεί για να συγκρατήσει αρκετό λιπαντικό ώστε να έχει αντίσταση στη βιορρύπανση (36).Από την άλλη πλευρά, εάν ο χρόνος χάραξης υπερβαίνει τα 30 λεπτά, η τραχύτητα νανοκλίμακας που σχηματίζεται από την επανααπόθεση σιδήρου και χρωμίου θα εξαφανιστεί και μόνο η τραχύτητα μικροκλίμακας θα παραμείνει λόγω του μολυβδαινίου.Η υπερβολικά χαραγμένη επιφάνεια στερείται τραχύτητας νανοκλίμακας και χάνει τη συνεργική επίδραση της τραχύτητας δύο σταδίων, η οποία επηρεάζει αρνητικά τα χαρακτηριστικά αυτοθεραπείας του LOIS.Πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις SA σε υποστρώματα με διαφορετικούς χρόνους χάραξης για να αποδειχθεί η αντιρρυπαντική απόδοση.Επιλέχθηκαν διάφοροι τύποι υγρών με βάση το ιξώδες και την επιφανειακή ενέργεια, συμπεριλαμβανομένων απιονισμένου (DI) νερού, αίματος, αιθυλενογλυκόλης (EG), αιθανόλης (EtOH) και δεκαεξανίου (HD) (Εικόνα S4).Το χρονικά μεταβαλλόμενο μοτίβο χάραξης δείχνει ότι για διάφορα υγρά με διαφορετικές επιφανειακές ενέργειες και ιξώδη, το SA του LOIS μετά από 15 λεπτά χάραξης είναι το χαμηλότερο.Ως εκ τούτου, το LOIS είναι βελτιστοποιημένο για να χαράσσεται για 15 λεπτά για να σχηματίζει τραχύτητα micron και νανοκλίμακα, η οποία είναι κατάλληλη για την αποτελεσματική διατήρηση της ανθεκτικότητας του λιπαντικού και τις εξαιρετικές αντιρρυπαντικές ιδιότητες.
(Α) Σχηματικό διάγραμμα της διαδικασίας κατασκευής τεσσάρων βημάτων του LOIS.Το ένθετο δείχνει το SAM που σχηματίζεται στο υπόστρωμα.(Β) Εικόνες SEM και AFM, που χρησιμοποιούνται για τη βελτιστοποίηση της μικρο/νανο δομής του υποστρώματος σε διαφορετικούς χρόνους χάραξης.Φασματοσκοπία φωτοηλεκτρονίου ακτίνων Χ (XPS) φάσματα (C) Cr2p και (D) F1s μετά από παθητικοποίηση επιφανειών και επίστρωση SAM.au, αυθαίρετη μονάδα.(Ε) Αντιπροσωπευτικές εικόνες σταγονιδίων νερού σε γυμνά, χαραγμένα, SHP και LOIS υποστρώματα.(ΣΤ) Η μέτρηση γωνίας επαφής (CA) και SA υγρών με διαφορετικές επιφανειακές τάσεις σε SHP και LOIS.Τα δεδομένα εκφράζονται ως μέσος όρος ± SD.
Στη συνέχεια, προκειμένου να επιβεβαιωθεί η αλλαγή στις χημικές ιδιότητες της επιφάνειας, χρησιμοποιήθηκε φασματοσκοπία φωτοηλεκτρονίου ακτίνων Χ (XPS) για τη μελέτη της αλλαγής στη χημική σύσταση της επιφάνειας του υποστρώματος μετά από κάθε επικάλυψη επιφάνειας.Το Σχήμα 2Γ δείχνει τα αποτελέσματα μέτρησης XPS της χαραγμένης επιφάνειας HF και της επιφάνειας που έχει υποστεί επεξεργασία με HNO 3.Οι δύο κύριες κορυφές στα 587,3 και 577,7 eV μπορούν να αποδοθούν στον δεσμό Cr-O που υπάρχει στη στιβάδα οξειδίου του χρωμίου, η οποία είναι η κύρια διαφορά από την χαραγμένη επιφάνεια HF.Αυτό οφείλεται κυρίως στην κατανάλωση σιδήρου και φθοριούχου χρωμίου στην επιφάνεια από HNO3.Η χάραξη με βάση το HNO3 επιτρέπει στο χρώμιο να σχηματίσει ένα παθητικό στρώμα οξειδίου στην επιφάνεια, το οποίο καθιστά το χαραγμένο SS και πάλι ανθεκτικό στη διάβρωση.Στο Σχήμα 2D, ελήφθησαν φάσματα XPS για να επιβεβαιωθεί ότι σχηματίστηκε σιλάνιο με βάση φθοράνθρακα στην επιφάνεια μετά την επίστρωση SAM, η οποία έχει εξαιρετικά υψηλή υγροαπωθητικότητα ακόμη και για EG, αίμα και EtOH.Η επίστρωση SAM ολοκληρώνεται με αντίδραση λειτουργικών ομάδων σιλανίου με ομάδες υδροξυλίου που σχηματίζονται με επεξεργασία πλάσματος.Ως αποτέλεσμα, παρατηρήθηκε σημαντική αύξηση στις κορυφές CF2 και CF3.Η ενέργεια δέσμευσης μεταξύ 286 και 296 eV υποδεικνύει ότι η χημική τροποποίηση έχει ολοκληρωθεί με επιτυχία από την επίστρωση SAM.Το SHP εμφανίζει σχετικά μεγάλες κορυφές CF2 (290,1 eV) και CF3 (293,3 eV), οι οποίες προκαλούνται από το σιλάνιο με βάση φθοράνθρακα που σχηματίζεται στην επιφάνεια.Το σχήμα 2Ε δείχνει αντιπροσωπευτικές οπτικές εικόνες μετρήσεων γωνίας επαφής (CA) για διαφορετικές ομάδες απιονισμένου νερού σε επαφή με γυμνά, χαρακτικά, SHP και LOIS.Αυτές οι εικόνες δείχνουν ότι η χαραγμένη επιφάνεια γίνεται υδρόφιλη λόγω της μικρο/νανο δομής που σχηματίζεται από τη χημική χάραξη έτσι ώστε το απιονισμένο νερό να απορροφάται στη δομή.Ωστόσο, όταν το υπόστρωμα επικαλύπτεται με SAM, το υπόστρωμα παρουσιάζει ισχυρή υδατοαπωθητικότητα, έτσι σχηματίζεται μια επιφάνεια SHP και η περιοχή επαφής μεταξύ του νερού και της επιφάνειας είναι μικρή.Τέλος, παρατηρήθηκε μείωση της CA στο LOIS, η οποία μπορεί να αποδοθεί στη διείσδυση του λιπαντικού στη μικροδομή, αυξάνοντας έτσι την περιοχή επαφής.Προκειμένου να αποδειχθεί ότι η επιφάνεια έχει εξαιρετική υγροαπωθητικότητα και μη κολλητικές ιδιότητες, το LOIS συγκρίθηκε με το υπόστρωμα SHP με μέτρηση CA και SA χρησιμοποιώντας διάφορα υγρά (Εικόνα 2F).Επιλέχθηκαν διάφοροι τύποι υγρών με βάση το ιξώδες και την επιφανειακή ενέργεια, συμπεριλαμβανομένων απιονισμένου νερού, αίματος, EG, EtOH και HD (Εικόνα S4).Τα αποτελέσματα της μέτρησης CA δείχνουν ότι όταν η CA τείνει σε HD, η τιμή μείωσης της CA, όπου η CA έχει τη χαμηλότερη επιφανειακή ενέργεια.Επιπλέον, το LOIS της συνολικής ΑΠ είναι χαμηλό.Ωστόσο, η μέτρηση SA δείχνει ένα εντελώς διαφορετικό φαινόμενο.Εκτός από το ιονισμένο νερό, όλα τα υγρά προσκολλώνται στο υπόστρωμα SHP χωρίς να γλιστράουν.Από την άλλη πλευρά, το LOIS δείχνει ένα πολύ χαμηλό SA, όπου όταν όλο το υγρό έχει κλίση σε γωνία μικρότερη από 10° έως 15°, όλο το υγρό θα κυλήσει.Αυτό δείχνει έντονα ότι η μη κολλητική ικανότητα του LOIS είναι καλύτερη από αυτή της επιφάνειας SHP.Επιπλέον, οι επικαλύψεις LOIS εφαρμόζονται επίσης σε διάφορους τύπους υλικών, όπως τιτάνιο (Ti), πολυφαινυλοσουλφόνη (PPSU), πολυοξυμεθυλένιο (POM), κετόνη πολυαιθέρα (PEEK) και βιοαπορροφήσιμα πολυμερή (PLGA), είναι εμφυτεύσιμα ορθοπεδικά υλικά (Εικόνα S5)).Οι διαδοχικές εικόνες των σταγονιδίων στο υλικό που έχει υποστεί επεξεργασία από το LOIS δείχνουν ότι οι ιδιότητες κατά της βιορρύπανσης του LOIS είναι ίδιες σε όλα τα υποστρώματα.Επιπλέον, τα αποτελέσματα των μετρήσεων των CA και SA δείχνουν ότι οι μη συγκολλητικές ιδιότητες του LOIS μπορούν να εφαρμοστούν και σε άλλα υλικά.
Προκειμένου να επιβεβαιωθούν οι αντιρυπαντικές ιδιότητες του LOIS, επωάστηκαν διάφοροι τύποι υποστρωμάτων (συμπεριλαμβανομένων γυμνών, χαρακτικών, SHP και LOIS) με Pseudomonas aeruginosa και MRSA.Αυτά τα δύο βακτήρια επιλέχθηκαν ως αντιπροσωπευτικά νοσοκομειακά βακτήρια, τα οποία μπορούν να οδηγήσουν στο σχηματισμό βιοφίλμ, οδηγώντας σε SSI (37).Το Σχήμα 3 (Α και Β) δείχνει τις εικόνες μικροσκοπίου φθορισμού και τα αποτελέσματα μέτρησης της μονάδας σχηματισμού αποικίας (CFU) των υποστρωμάτων που επωάστηκαν στο βακτηριακό εναιώρημα για βραχυπρόθεσμη (12 ώρες) και μακροπρόθεσμη (72 ώρες), αντίστοιχα.Σε σύντομο χρονικό διάστημα, τα βακτήρια θα σχηματίσουν συστάδες και θα μεγαλώσουν σε μέγεθος, καλύπτοντας τον εαυτό τους με ουσίες που μοιάζουν με βλέννα και εμποδίζοντας την απομάκρυνσή τους.Ωστόσο, κατά τη διάρκεια της επώασης των 72 ωρών, τα βακτήρια θα ωριμάσουν και θα διασπαρούν εύκολα για να σχηματίσουν περισσότερες αποικίες ή συστάδες.Επομένως, μπορεί να θεωρηθεί ότι η επώαση 72 ωρών είναι μακροχρόνια και είναι ο κατάλληλος χρόνος επώασης για να σχηματιστεί ένα ισχυρό βιοφίλμ στην επιφάνεια (38).Σε σύντομο χρονικό διάστημα, η χαραγμένη επιφάνεια και η επιφάνεια του SHP παρουσίασαν βακτηριακή πρόσφυση, η οποία μειώθηκε κατά περίπου 25% έως 50% σε σύγκριση με το γυμνό υπόστρωμα.Ωστόσο, λόγω της εξαιρετικής αντιβιορρύπανσης και σταθερότητάς του, το LOIS δεν έδειξε προσκόλληση στο βακτηριακό βιοφίλμ βραχυπρόθεσμα και μακροπρόθεσμα.Το σχηματικό διάγραμμα (Εικόνα 3Γ) περιγράφει την εξήγηση του αντιβιολογικού μηχανισμού ρύπανσης του διαλύματος χάραξης, SHP και LOIS.Η υπόθεση είναι ότι το χαραγμένο υπόστρωμα με υδρόφιλες ιδιότητες θα έχει μεγαλύτερη επιφάνεια από το γυμνό υπόστρωμα.Επομένως, θα προκύψει περισσότερη βακτηριακή προσκόλληση στο χαραγμένο υπόστρωμα.Ωστόσο, σε σύγκριση με το γυμνό υπόστρωμα, το χαραγμένο υπόστρωμα έχει σημαντικά λιγότερο βιοφίλμ που σχηματίζεται στην επιφάνεια.Αυτό συμβαίνει επειδή τα μόρια του νερού συνδέονται σταθερά με την υδρόφιλη επιφάνεια και λειτουργούν ως λιπαντικό για το νερό, παρεμποδίζοντας έτσι την προσκόλληση των βακτηρίων βραχυπρόθεσμα (39).Ωστόσο, το στρώμα των μορίων του νερού είναι πολύ λεπτό και διαλυτό σε βακτηριακά εναιωρήματα.Επομένως, το μοριακό στρώμα του νερού εξαφανίζεται για μεγάλο χρονικό διάστημα, οδηγώντας σε εκτεταμένη βακτηριακή προσκόλληση και πολλαπλασιασμό.Για το SHP, λόγω των βραχυπρόθεσμων μη διαβρεκτικών ιδιοτήτων του, η βακτηριακή προσκόλληση αναστέλλεται.Η μειωμένη βακτηριακή πρόσφυση μπορεί να αποδοθεί σε θύλακες αέρα που παγιδεύονται στην πολυεπίπεδη δομή και στην ενέργεια της χαμηλότερης επιφάνειας, ελαχιστοποιώντας έτσι την επαφή μεταξύ του βακτηριακού αιωρήματος και της επιφάνειας.Ωστόσο, παρατηρήθηκε εκτεταμένη βακτηριακή πρόσφυση στο SHP επειδή έχασε τις αντιρρυπαντικές του ιδιότητες για μεγάλο χρονικό διάστημα.Αυτό οφείλεται κυρίως στην εξαφάνιση των θυλάκων αέρα λόγω της υδροστατικής πίεσης και στη διάλυση του αέρα στο νερό.Αυτό οφείλεται κυρίως στην εξαφάνιση των θυλάκων αέρα λόγω της διάλυσης και στην πολυεπίπεδη δομή που παρέχει μεγαλύτερη επιφάνεια για πρόσφυση (27, 40).Σε αντίθεση με αυτά τα δύο υποστρώματα που έχουν σημαντική επίδραση στη μακροπρόθεσμη σταθερότητα, το λιπαντικό που περιέχεται στο LOIS εγχέεται στη δομή micro/nano και δεν θα εξαφανιστεί ακόμη και μακροπρόθεσμα.Τα λιπαντικά γεμάτα με μικρο/νανοδομές είναι πολύ σταθερά και έλκονται έντονα στην επιφάνεια λόγω της υψηλής χημικής τους συγγένειας, αποτρέποντας έτσι τη βακτηριακή πρόσφυση για μεγάλο χρονικό διάστημα.Το Σχήμα S6 δείχνει μια εικόνα ομοεστιακού μικροσκοπίου ανάκλασης ενός υποστρώματος που έχει εγχυθεί με λιπαντικό βυθισμένο σε αλατούχο διάλυμα ρυθμισμένο με φωσφορικά (PBS).Οι συνεχείς εικόνες δείχνουν ότι ακόμη και μετά από 120 ώρες ελαφρού ανακινούμενου (120 rpm), το λιπαντικό στρώμα στο LOIS παραμένει αμετάβλητο, υποδεικνύοντας μακροπρόθεσμη σταθερότητα υπό συνθήκες ροής.Αυτό οφείλεται στην υψηλή χημική συγγένεια μεταξύ της επικάλυψης SAM με βάση το φθόριο και του λιπαντικού με βάση υπερφθοράνθρακα, έτσι ώστε να μπορεί να σχηματιστεί ένα σταθερό λιπαντικό στρώμα.Επομένως, διατηρείται η αντιρρυπαντική απόδοση.Επιπλέον, το υπόστρωμα δοκιμάστηκε έναντι αντιπροσωπευτικών πρωτεϊνών (λευκωματίνη και ινωδογόνο), οι οποίες βρίσκονται στο πλάσμα, κύτταρα που σχετίζονται στενά με την ανοσολογική λειτουργία (μακροφάγα και ινοβλάστες) και εκείνων που σχετίζονται με τον σχηματισμό οστού.Η περιεκτικότητα σε ασβέστιο είναι πολύ υψηλή.(Εικόνα 3D, 1 και 2, και Εικόνα S7) (41, 42).Επιπλέον, οι εικόνες μικροσκοπίου φθορισμού της δοκιμής πρόσφυσης για ινωδογόνο, λευκωματίνη και ασβέστιο έδειξαν διαφορετικά χαρακτηριστικά πρόσφυσης για κάθε ομάδα υποστρώματος (Εικόνα S8).Κατά τη διάρκεια του σχηματισμού οστού, νεοσχηματισμένα στρώματα οστού και ασβεστίου μπορεί να περιβάλλουν το ορθοπεδικό εμφύτευμα, γεγονός που όχι μόνο δυσκολεύει την αφαίρεση, αλλά μπορεί επίσης να προκαλέσει απροσδόκητη βλάβη στον ασθενή κατά τη διαδικασία αφαίρεσης.Επομένως, τα χαμηλά επίπεδα εναποθέσεων ασβεστίου σε οστικές πλάκες και βίδες είναι ευεργετικά για ορθοπεδικές επεμβάσεις που απαιτούν αφαίρεση εμφυτεύματος.Με βάση τον ποσοτικό προσδιορισμό της προσκολλημένης περιοχής με βάση την ένταση φθορισμού και τον αριθμό των κυττάρων, επιβεβαιώσαμε ότι το LOIS εμφανίζει εξαιρετικές αντιβιορρυπαντικές ιδιότητες για όλες τις βιολογικές ουσίες σε σύγκριση με άλλα υποστρώματα.Σύμφωνα με τα αποτελέσματα πειραμάτων in vitro, το αντι-βιολογικό ρύπανσης LOIS μπορεί να εφαρμοστεί σε ορθοπεδικά εμφυτεύματα, τα οποία όχι μόνο μπορούν να αναστείλουν λοιμώξεις που προκαλούνται από βακτήρια βιοφίλμ, αλλά και να μειώσουν τη φλεγμονή που προκαλείται από το ενεργό ανοσοποιητικό σύστημα του σώματος.
(Α) Εικόνες με μικροσκόπιο φθορισμού κάθε ομάδας (γυμνές, χαραγμένες, SHP και LOIS) που επωάστηκαν σε εναιωρήματα Pseudomonas aeruginosa και MRSA για 12 και 72 ώρες.(Β) Ο αριθμός των προσκολλημένων CFU των Pseudomonas aeruginosa και MRSA στην επιφάνεια κάθε ομάδας.(Γ) Σχηματικό διάγραμμα του αντιβιολογικού μηχανισμού ρύπανσης βραχυπρόθεσμης και μακροπρόθεσμης χάραξης, SHP και LOIS.(Δ) (1) Ο αριθμός των ινοβλαστών που προσκολλήθηκαν σε κάθε υπόστρωμα και οι εικόνες μικροσκοπίου φθορισμού των κυττάρων που προσκολλήθηκαν στο γυμνό και στο LOIS.(2) Δοκιμή προσκόλλησης πρωτεϊνών που σχετίζονται με το ανοσοποιητικό, λευκωματίνης και ασβεστίου που εμπλέκονται στη διαδικασία επούλωσης των οστών (* P <0,05, ** P <0,01, *** P <0,001 και **** P <0,0001).ns, δεν είναι σημαντικό.
Στην περίπτωση αναπόφευκτων συγκεντρωμένων τάσεων, η μηχανική αντοχή ήταν πάντα η κύρια πρόκληση για την εφαρμογή αντιρρυπαντικών επιστρώσεων.Οι παραδοσιακές μέθοδοι γέλης κατά των λυμάτων βασίζονται σε πολυμερή με χαμηλή υδατοδιαλυτότητα και ευθραυστότητα.Ως εκ τούτου, είναι συνήθως ευαίσθητα σε μηχανική καταπόνηση σε βιοϊατρικές εφαρμογές.Επομένως, οι μηχανικά ανθεκτικές αντιρρυπαντικές επικαλύψεις παραμένουν πρόκληση για εφαρμογές όπως τα ορθοπεδικά εμφυτεύματα (43, 44).Το Σχήμα 4Α(1) δείχνει τους δύο κύριους τύπους καταπόνησης που εφαρμόζονται στα ορθοπεδικά εμφυτεύματα, συμπεριλαμβανομένου του γρατζουνίσματος (διάτμηση) και της συμπίεσης με την οπτική εικόνα του κατεστραμμένου εμφυτεύματος που παράγεται από τη λαβίδα.Για παράδειγμα, όταν η βίδα σφίγγεται με ένα κατσαβίδι ή όταν ο χειρουργός κρατά σφιχτά την οστική πλάκα με τσιμπιδάκια και εφαρμόζει δύναμη συμπίεσης, η πλαστική οστική πλάκα θα καταστραφεί και θα γρατσουνιστεί τόσο στη ζυγαριά macro όσο και στη μικρο/νανο κλίμακα (Εικόνα 4Α, 2) .Προκειμένου να ελεγχθεί εάν το κατασκευασμένο LOIS μπορεί να αντέξει αυτές τις ζημιές κατά τη διάρκεια της πλαστικής χειρουργικής, πραγματοποιήθηκε νανο-εσοχή για να συγκριθεί η σκληρότητα του γυμνού υποστρώματος και το LOIS στην κλίμακα μικρο/νανο για να μελετηθούν οι μηχανικές ιδιότητες της μικρο/νανο δομής Κρούση (Εικόνα 4Β).Το σχηματικό διάγραμμα δείχνει τη διαφορετική συμπεριφορά παραμόρφωσης του LOIS λόγω της παρουσίας μικρο/νανοδομών.Σχεδιάστηκε μια καμπύλη δύναμης-μετατόπισης με βάση τα αποτελέσματα της νανοεισόδωσης (Εικόνα 4Γ).Η μπλε εικόνα αντιπροσωπεύει το γυμνό υπόστρωμα, το οποίο παρουσιάζει μόνο μικρή παραμόρφωση, όπως φαίνεται από το μέγιστο βάθος εσοχής 0,26 μm.Από την άλλη πλευρά, η σταδιακή αύξηση της δύναμης και της μετατόπισης της νανοχαράξεως που παρατηρείται στο LOIS (κόκκινη καμπύλη) μπορεί να δείξει σημάδια μειωμένων μηχανικών ιδιοτήτων, με αποτέλεσμα ένα βάθος νανοεισδύσεων 1,61μm.Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η δομή μικρο/νανο που υπάρχει στο LOIS παρέχει ένα βαθύτερο χώρο προώθησης για την άκρη του νανοοδοντωτή, επομένως η παραμόρφωσή του είναι μεγαλύτερη από αυτή του γυμνού υποστρώματος.Κώνστα-Γδούτος κ.ά.(45) πιστεύει ότι λόγω της παρουσίας νανοδομών, η νανοχαρακτηρισμός και η μικρο/νανο τραχύτητα οδηγούν σε ακανόνιστες καμπύλες νανοοδοντώσεων.Η σκιασμένη περιοχή αντιστοιχεί στην καμπύλη ακανόνιστης παραμόρφωσης που αποδίδεται στη νανοδομή, ενώ η μη σκιασμένη περιοχή αποδίδεται στη μικροδομή.Αυτή η παραμόρφωση μπορεί να βλάψει τη μικροδομή/νανοδομή του λιπαντικού συγκράτησης και να επηρεάσει αρνητικά την αντιρρυπαντική του απόδοση.Προκειμένου να μελετηθεί ο αντίκτυπος της βλάβης στο LOIS, αναπόφευκτη βλάβη σε μικρο/νανοδομές αναπαράχθηκε στο σώμα κατά τη διάρκεια της πλαστικής χειρουργικής.Με τη χρήση δοκιμών πρόσφυσης αίματος και πρωτεϊνών, μπορεί να προσδιοριστεί η σταθερότητα των ιδιοτήτων αντιβιορρύπανσης του LOIS μετά από in vitro (Εικόνα 4Δ).Μια σειρά οπτικών εικόνων δείχνει τη ζημιά που σημειώθηκε κοντά στις οπές κάθε υποστρώματος.Πραγματοποιήθηκε μια δοκιμή πρόσφυσης αίματος για να καταδειχθεί η επίδραση της μηχανικής βλάβης στην επίστρωση κατά της βιορρύπανσης (Εικόνα 4Ε).Όπως το SHP, οι αντιρρυπαντικές ιδιότητες χάνονται λόγω βλάβης και το LOIS παρουσιάζει εξαιρετικές αντιρρυπαντικές ιδιότητες απωθώντας το αίμα.Αυτό συμβαίνει επειδή, επειδή η επιφανειακή ενέργεια καθοδηγείται από την τριχοειδή δράση που καλύπτει την περιοχή που έχει υποστεί ζημιά, η ροή στο λιπαντικό λιπαντικού μικροδομής αποκαθιστά τις αντιρρυπαντικές ιδιότητες (35).Η ίδια τάση παρατηρήθηκε στη δοκιμή προσκόλλησης πρωτεΐνης με χρήση λευκωματίνης.Στην κατεστραμμένη περιοχή, η πρόσφυση της πρωτεΐνης στην επιφάνεια του SHP παρατηρείται ευρέως και με τη μέτρηση της κάλυψης της περιοχής, μπορεί να ποσοτικοποιηθεί ως το ήμισυ του επιπέδου πρόσφυσης του γυμνού υποστρώματος.Από την άλλη πλευρά, το LOIS διατήρησε τις αντιβιορρυπαντικές του ιδιότητες χωρίς να προκαλεί πρόσφυση (Εικόνα 4, F και G).Επιπλέον, η επιφάνεια της βίδας υπόκειται συχνά σε ισχυρές μηχανικές καταπονήσεις, όπως διάτρηση, έτσι μελετήσαμε την ικανότητα της επίστρωσης LOIS να παραμένει ανέπαφη στη βίδα in vitro.Το σχήμα 4Η δείχνει οπτικές εικόνες διαφορετικών βιδών, συμπεριλαμβανομένων των γυμνών, SHP και LOIS.Το κόκκινο ορθογώνιο αντιπροσωπεύει την περιοχή στόχο όπου εμφανίζεται ισχυρή μηχανική καταπόνηση κατά την εμφύτευση οστού.Παρόμοια με τη δοκιμή πρόσφυσης πρωτεΐνης της πλάκας, χρησιμοποιείται ένα μικροσκόπιο φθορισμού για την απεικόνιση της προσκόλλησης πρωτεΐνης και τη μέτρηση της περιοχής κάλυψης για να αποδειχθεί η ακεραιότητα της επικάλυψης LOIS, ακόμη και υπό ισχυρή μηχανική καταπόνηση (Εικόνα 4, I και J).Οι βίδες που έχουν υποστεί επεξεργασία με LOIS παρουσιάζουν εξαιρετική απόδοση κατά της ρύπανσης και σχεδόν καμία πρωτεΐνη δεν προσκολλάται στην επιφάνεια.Από την άλλη πλευρά, η πρόσφυση πρωτεΐνης παρατηρήθηκε σε γυμνές βίδες και βίδες SHP, όπου η κάλυψη της περιοχής των βιδών SHP ήταν το ένα τρίτο αυτής των γυμνών βιδών.Επιπλέον, το ορθοπεδικό εμφύτευμα που χρησιμοποιείται για στερέωση πρέπει να είναι μηχανικά ισχυρό για να αντέχει την πίεση που ασκείται στο σημείο του κατάγματος, όπως φαίνεται στο Σχήμα 4Κ.Ως εκ τούτου, πραγματοποιήθηκε μια δοκιμή κάμψης για να προσδιοριστεί η επίδραση της χημικής τροποποίησης στις μηχανικές ιδιότητες.Επιπλέον, αυτό γίνεται για να διατηρηθεί η σταθερή πίεση από το εμφύτευμα.Εφαρμόστε κάθετη μηχανική δύναμη έως ότου το εμφύτευμα αναδιπλωθεί πλήρως και επιτευχθεί μια καμπύλη τάσης-παραμόρφωσης (Εικόνα 4L, 1).Δύο ιδιότητες συμπεριλαμβανομένου του συντελεστή του Young και της αντοχής σε κάμψη συγκρίθηκαν μεταξύ γυμνών υποστρωμάτων και υποστρωμάτων LOIS ως δείκτες της μηχανικής τους αντοχής (Εικόνα 4L, 2 και 3).Ο συντελεστής Young δείχνει την ικανότητα ενός υλικού να αντέχει τις μηχανικές αλλαγές.Ο συντελεστής Young για κάθε υπόστρωμα είναι 41,48±1,01 και 40,06±0,96 GPa, αντίστοιχα.η παρατηρούμενη διαφορά είναι περίπου 3,4%.Επιπλέον, αναφέρεται ότι η αντοχή σε κάμψη, που καθορίζει τη σκληρότητα του υλικού, είναι 102,34±1,51 GPa για το γυμνό υπόστρωμα και 96,99±0,86 GPa για το SHP.Το γυμνό υπόστρωμα είναι περίπου 5,3% υψηλότερο.Η ελαφρά μείωση των μηχανικών ιδιοτήτων μπορεί να προκληθεί από το φαινόμενο εγκοπής.Στο φαινόμενο εγκοπής, η μικρο/νανο τραχύτητα μπορεί να λειτουργήσει ως ένα σύνολο εγκοπών, οδηγώντας σε τοπική συγκέντρωση τάσεων και επηρεάζοντας τις μηχανικές ιδιότητες του εμφυτεύματος (46).Ωστόσο, με βάση το γεγονός ότι η ακαμψία του ανθρώπινου φλοιού οστού αναφέρεται ότι είναι μεταξύ 7,4 και 31,6 GPa και ο μετρούμενος συντελεστής LOIS υπερβαίνει αυτόν του ανθρώπινου φλοιώδους οστού (47), το LOIS είναι αρκετό για να υποστηρίξει το κάταγμα και τη συνολική του Οι μηχανικές ιδιότητες επηρεάζονται ελάχιστα από την τροποποίηση της επιφάνειας.
(Α) Σχηματικό διάγραμμα (1) της μηχανικής καταπόνησης που ασκείται στο ορθοπεδικό εμφύτευμα κατά τη διάρκεια της επέμβασης και (2) της οπτικής εικόνας του κατεστραμμένου ορθοπεδικού εμφυτεύματος.(Β) Σχηματικό διάγραμμα μέτρησης νανο-μηχανικών ιδιοτήτων με νανο-εσοχή και LOIS στη γυμνή επιφάνεια.(Γ) Καμπύλη δύναμης-μετατόπισης νανοοδοντώσεων γυμνής επιφάνειας και LOIS.(Δ) Μετά από πειράματα in vitro, προσομοιώστε τις οπτικές εικόνες διαφορετικών τύπων ορθοπεδικών πλακών (η κατεστραμμένη περιοχή επισημαίνεται με ένα κόκκινο ορθογώνιο) για να προσομοιώσετε τη μηχανική καταπόνηση που προκαλείται κατά τη διάρκεια της επέμβασης.(Ε) Δοκιμή προσκόλλησης αίματος και (F) δοκιμή προσκόλλησης πρωτεΐνης της κατεστραμμένης ομάδας ορθοπεδικής πλάκας.(Ζ) Μετρήστε την περιοχή κάλυψης της πρωτεΐνης που προσκολλάται στο πιάτο.(Η) Οπτικές εικόνες διαφορετικών τύπων ορθοπεδικών βιδών μετά το πείραμα in vitro.(I) Δοκιμή πρόσφυσης πρωτεΐνης για τη μελέτη της ακεραιότητας διαφορετικών επικαλύψεων.(J) Μετρήστε την περιοχή κάλυψης της πρωτεΐνης που προσκολλάται στη βίδα.(K) Η κίνηση του κουνελιού έχει σκοπό να δημιουργήσει μια σταθερή τάση στο σπασμένο οστό.(L) (1) Λυγίστε τα αποτελέσματα των δοκιμών και τις οπτικές εικόνες πριν και μετά την κάμψη.Η διαφορά σε (2) συντελεστή Young και (3) αντοχή σε κάμψη μεταξύ γυμνού εμφυτεύματος και SHP.Τα δεδομένα εκφράζονται ως μέσος όρος ± SD (*Ρ<0,05, **Ρ<0,01, ***Ρ<0,001 και ****Ρ<0,0001).Ευγένεια εικόνας: Kyomin Chae, Πανεπιστήμιο Yonsei.
Σε κλινικές καταστάσεις, η περισσότερη βακτηριακή επαφή με βιολογικά υλικά και θέσεις πληγών προέρχεται από ώριμα, ώριμα βιοφίλμ (48).Ως εκ τούτου, τα Κέντρα Ελέγχου και Πρόληψης Νοσημάτων των ΗΠΑ εκτιμούν ότι το 65% όλων των ανθρώπινων λοιμώξεων σχετίζονται με βιοφίλμ (49).Σε αυτή την περίπτωση, είναι απαραίτητο να παρέχεται ένας in vivo πειραματικός σχεδιασμός που να παρέχει σταθερό σχηματισμό βιοφίλμ στην επιφάνεια του εμφυτεύματος.Ως εκ τούτου, αναπτύξαμε ένα μοντέλο μηριαίου κατάγματος κουνελιού στο οποίο ορθοπεδικά εμφυτεύματα προεπωάστηκαν σε βακτηριακό εναιώρημα και στη συνέχεια εμφυτεύτηκαν σε μηριαία οστά κουνελιού για να μελετήσουμε τις ιδιότητες κατά της ρύπανσης του LOIS in vivo.Λόγω των ακόλουθων τριών σημαντικών γεγονότων, οι βακτηριακές λοιμώξεις προκαλούνται από την προκαλλιέργεια και όχι με την άμεση έγχυση βακτηριακών εναιωρημάτων: (i) Το ανοσοποιητικό σύστημα των κουνελιών είναι φυσικά ισχυρότερο από αυτό των ανθρώπων.Επομένως, είναι δυνατή η έγχυση βακτηριακών εναιωρημάτων και πλαγκτονικών βακτηρίων Δεν έχει καμία επίδραση στον σχηματισμό βιοφίλμ.(Ii) Τα πλαγκτονικά βακτήρια είναι πιο ευαίσθητα στα αντιβιοτικά και τα αντιβιοτικά χρησιμοποιούνται συνήθως μετά από χειρουργική επέμβαση.Τέλος, (iii) το εναιώρημα πλαγκτονικών βακτηρίων μπορεί να αραιωθεί από τα σωματικά υγρά του ζώου (50).Με την προκαλλιέργεια του εμφυτεύματος σε ένα βακτηριακό εναιώρημα πριν από την εμφύτευση, μπορούμε να μελετήσουμε διεξοδικά τις επιβλαβείς επιπτώσεις της βακτηριακής μόλυνσης και της αντίδρασης ξένου σώματος (FBR) στη διαδικασία επούλωσης των οστών.Τα κουνέλια θυσιάστηκαν 4 εβδομάδες μετά την εμφύτευση, επειδή η οστεοενσωμάτωση που είναι απαραίτητη για τη διαδικασία επούλωσης των οστών θα ολοκληρωθεί εντός 4 εβδομάδων.Στη συνέχεια, τα εμφυτεύματα αφαιρέθηκαν από τα κουνέλια για κατάντη μελέτες.Το Σχήμα 5Α δείχνει τον μηχανισμό πολλαπλασιασμού των βακτηρίων.Το μολυσμένο ορθοπεδικό εμφύτευμα εισάγεται στο σώμα.Ως αποτέλεσμα της προεπώασης σε βακτηριακό εναιώρημα, έξι από τα έξι κουνέλια που εμφυτεύτηκαν με γυμνά εμφυτεύματα μολύνθηκαν, ενώ κανένα από τα κουνέλια που εμφυτεύτηκαν με εμφυτεύματα που είχαν υποστεί αγωγή με LOIS δεν μολύνθηκε.Οι βακτηριακές λοιμώξεις προχωρούν σε τρία στάδια, συμπεριλαμβανομένης της ανάπτυξης, της ωρίμανσης και της διασποράς (51).Πρώτα, τα προσκολλημένα βακτήρια αναπαράγονται και αναπτύσσονται στην επιφάνεια και στη συνέχεια τα βακτήρια σχηματίζουν ένα βιοφίλμ όταν εκκρίνουν εξωκυτταρικό πολυμερές (EPS), αμυλοειδές και εξωκυτταρικό DNA.Το βιοφίλμ όχι μόνο παρεμβαίνει στη διείσδυση των αντιβιοτικών, αλλά προάγει επίσης τη συσσώρευση ενζύμων αποικοδόμησης των αντιβιοτικών (όπως η β-λακταμάση) (52).Τέλος, το βιοφίλμ εξαπλώνει τα ώριμα βακτήρια στους περιβάλλοντες ιστούς.Επομένως, εμφανίζεται μόλυνση.Επιπλέον, όταν ένα ξένο σώμα εισέρχεται στο σώμα, μια λοίμωξη που μπορεί να προκαλέσει ισχυρή ανοσολογική απόκριση μπορεί να προκαλέσει σοβαρή φλεγμονή, πόνο και μειωμένη ανοσία.Το Σχήμα 5Β παρέχει μια επισκόπηση του FBR που προκαλείται από την εισαγωγή ενός ορθοπεδικού εμφυτεύματος, αντί της ανοσοαπόκρισης που προκαλείται από μια βακτηριακή μόλυνση.Το ανοσοποιητικό σύστημα αναγνωρίζει το εισαγόμενο εμφύτευμα ως ξένο σώμα και στη συνέχεια αναγκάζει τα κύτταρα και τους ιστούς να αντιδράσουν για να εγκλωβίσουν το ξένο σώμα (53).Στις πρώτες ημέρες του FBR, σχηματίστηκε μια μήτρα τροφοδοσίας στην επιφάνεια των ορθοπεδικών εμφυτευμάτων, η οποία είχε ως αποτέλεσμα την προσρόφηση του ινωδογόνου.Το προσροφημένο ινωδογόνο στη συνέχεια σχηματίζει ένα εξαιρετικά πυκνό δίκτυο ινώδους, το οποίο προάγει την προσκόλληση των λευκοκυττάρων (54).Μόλις σχηματιστεί το δίκτυο ινώδους, θα εμφανιστεί οξεία φλεγμονή λόγω της διείσδυσης ουδετερόφιλων.Σε αυτό το βήμα, μια ποικιλία κυτοκινών όπως ο παράγοντας νέκρωσης όγκου-α (TNF-α), η ιντερλευκίνη-4 (IL-4) και η IL-β απελευθερώνονται και τα μονοκύτταρα αρχίζουν να διεισδύουν στη θέση εμφύτευσης και να διαφοροποιούνται σε γιγαντιαία κύτταρα.Φάγος (41, 55, 56).Η μείωση του FBR ήταν πάντα μια πρόκληση, επειδή η υπερβολική FBR μπορεί να προκαλέσει οξεία και χρόνια φλεγμονή, η οποία μπορεί να οδηγήσει σε θανατηφόρες επιπλοκές.Προκειμένου να εκτιμηθεί ο αντίκτυπος των βακτηριακών λοιμώξεων στους ιστούς που περιβάλλουν το γυμνό εμφύτευμα και το LOIS, χρησιμοποιήθηκαν χρώση αιματοξυλίνης και ηωσίνης (H&E) και Masson trichrome (MT).Για τα κουνέλια που εμφυτεύτηκαν με γυμνά υποστρώματα, οι σοβαρές βακτηριακές λοιμώξεις προχώρησαν και οι διαφάνειες ιστών H&E έδειξαν ξεκάθαρα αποστήματα και νέκρωση που προκλήθηκαν από φλεγμονή.Από την άλλη πλευρά, η εξαιρετικά ισχυρή αντι-βιορρυπαντική επιφάνεια LOIS αναστέλλει τη βακτηριακή πρόσφυση, επομένως δεν δείχνει σημάδια μόλυνσης και μειώνει τη φλεγμονή (Εικόνα 5Γ).Τα αποτελέσματα της χρώσης ΜΤ έδειξαν την ίδια τάση.Ωστόσο, η χρώση ΜΤ έδειξε επίσης οίδημα σε κουνέλια που εμφυτεύτηκαν με LOIS, υποδεικνύοντας ότι πρόκειται να συμβεί ανάκαμψη (Εικόνα 5Δ).Προκειμένου να μελετηθεί ο βαθμός ανοσοαπόκρισης, πραγματοποιήθηκε ανοσοϊστοχημική χρώση (IHC) χρησιμοποιώντας κυτοκίνες TNF-α και IL-6 που σχετίζονται με την ανοσοαπόκριση.Ένα γυμνό αρνητικό εμφύτευμα που δεν είχε εκτεθεί σε βακτήρια συγκρίθηκε με ένα LOIS που εκτέθηκε σε βακτήρια αλλά δεν είχε μολυνθεί για τη μελέτη της διαδικασίας επούλωσης απουσία βακτηριακής μόλυνσης.Το Σχήμα 5Ε δείχνει μια οπτική εικόνα μιας διαφάνειας IHC που εκφράζει τον TNF-α.Η καφέ περιοχή αντιπροσωπεύει την ανοσολογική απόκριση, υποδεικνύοντας ότι η ανοσοαπόκριση στο LOIS είναι ελαφρώς μειωμένη.Επιπλέον, η έκφραση της IL-6 στο LOIS ήταν σημαντικά μικρότερη από την αρνητική έκφραση του αποστειρωμένου γυμνού (Εικόνα 5F).Η έκφραση της κυτοκίνης ποσοτικοποιήθηκε με μέτρηση της περιοχής χρώσης αντισωμάτων που αντιστοιχεί στην κυτοκίνη (Εικόνα 5G).Σε σύγκριση με τα κουνέλια που εκτέθηκαν στα αρνητικά εμφυτεύματα, τα επίπεδα έκφρασης των κουνελιών που εμφυτεύτηκαν με LOIS ήταν χαμηλότερα, δείχνοντας σημαντική διαφορά.Η μείωση στην έκφραση της κυτοκίνης δείχνει ότι οι μακροπρόθεσμες, σταθερές αντιρυπαντικές ιδιότητες του LOIS δεν σχετίζονται μόνο με την αναστολή βακτηριακών λοιμώξεων, αλλά και με τη μείωση του FBR, η οποία προκαλείται από τα μακροφάγα που προσκολλώνται στο υπόστρωμα (53, 57, 58).Επομένως, η μειωμένη ανοσολογική απόκριση λόγω των ιδιοτήτων ανοσοδιαφυγής του LOIS μπορεί να λύσει τις παρενέργειες μετά την εμφύτευση, όπως η υπερβολική ανοσολογική απόκριση μετά από πλαστική χειρουργική.
(Α) Σχηματικό διάγραμμα του μηχανισμού σχηματισμού βιοφίλμ και εξάπλωσης στην επιφάνεια ενός μολυσμένου ορθοπεδικού εμφυτεύματος.eDNA, εξωκυτταρικό DNA.(Β) Σχηματικό διάγραμμα ανοσοαπόκρισης μετά την τοποθέτηση ορθοπεδικού εμφυτεύματος.(Γ) χρώση H&E και (Δ) χρώση ΜΤ των γύρω ιστών ορθοπεδικών εμφυτευμάτων με γυμνό θετικό και LOIS.Το IHC των σχετιζόμενων με το ανοσοποιητικό κυτοκινών (Ε) TNF-α και (F) IL-6 είναι χρωματισμένες εικόνες κουνελιών γυμνών αρνητικών και εμφυτευμένων με LOIS.(Ζ) Ποσοτικοποίηση της έκφρασης κυτοκίνης με μέτρηση κάλυψης περιοχής (** P <0,01).
Η βιοσυμβατότητα του LOIS και η επίδρασή του στη διαδικασία επούλωσης των οστών εξετάστηκαν in vivo χρησιμοποιώντας διαγνωστική απεικόνιση [ακτινογραφία και μικρο-υπολογιστική τομογραφία (CT)] και οστεοκλάστες IHC.Το Σχήμα 6Α δείχνει τη διαδικασία επούλωσης των οστών που περιλαμβάνει τρία διαφορετικά στάδια: φλεγμονή, επισκευή και αναδιαμόρφωση.Όταν συμβεί ένα κάταγμα, τα φλεγμονώδη κύτταρα και οι ινοβλάστες θα διεισδύσουν στο σπασμένο οστό και θα αρχίσουν να αναπτύσσονται στον αγγειακό ιστό.Κατά τη φάση αποκατάστασης, η εσωτερική ανάπτυξη του αγγειακού ιστού εξαπλώνεται κοντά στο σημείο του κατάγματος.Ο αγγειακός ιστός παρέχει θρεπτικά συστατικά για το σχηματισμό νέου οστού, το οποίο ονομάζεται κάλος.Το τελικό στάδιο της διαδικασίας επούλωσης των οστών είναι το στάδιο της αναδιαμόρφωσης, στο οποίο το μέγεθος του τύλου μειώνεται στο μέγεθος του φυσιολογικού οστού με τη βοήθεια της αύξησης του επιπέδου των ενεργοποιημένων οστεοκλαστών (59).Πραγματοποιήθηκε τρισδιάστατη (3D) ανακατασκευή της θέσης του κατάγματος με τη χρήση μικρο-CT σαρώσεων για την παρατήρηση των διαφορών στο επίπεδο σχηματισμού τύλου σε κάθε ομάδα.Παρατηρήστε τη διατομή του μηριαίου οστού για να παρατηρήσετε το πάχος του τύλου που περιβάλλει το κάταγμα του οστού (Εικόνα 6, Β και Γ).Χρησιμοποιήθηκαν επίσης ακτίνες Χ για την εξέταση των σημείων κατάγματος όλων των ομάδων κάθε εβδομάδα για την παρατήρηση των διαφορετικών διαδικασιών αναγέννησης των οστών σε κάθε ομάδα (Εικόνα S9).Ο κάλος και τα ώριμα οστά παρουσιάζονται σε μπλε/πράσινο και ιβουάρ, αντίστοιχα.Οι περισσότεροι μαλακοί ιστοί φιλτράρονται με ένα προκαθορισμένο όριο.Γυμνό θετικό και το SHP επιβεβαίωσε το σχηματισμό μικρής ποσότητας τύλου γύρω από το σημείο του κατάγματος.Από την άλλη πλευρά, το εκτεθειμένο αρνητικό του LOIS και η θέση του κατάγματος περιβάλλονται από παχύ κάλο.Οι εικόνες Micro-CT έδειξαν ότι ο σχηματισμός τύλου παρεμποδίστηκε από βακτηριακή μόλυνση και φλεγμονή που σχετίζεται με τη μόλυνση.Αυτό οφείλεται στο ότι το ανοσοποιητικό σύστημα δίνει προτεραιότητα στην επούλωση των σηπτικών τραυματισμών που προκαλούνται από φλεγμονή που σχετίζεται με λοιμώξεις, παρά στην αποκατάσταση των οστών (60).Πραγματοποιήθηκε χρώση IHC και ανθεκτική σε τρυγική όξινη φωσφατάση (TRAP) για να παρατηρηθεί η δραστηριότητα των οστεοκλαστών και η απορρόφηση των οστών (Εικόνα 6D) (61).Μόνο λίγοι ενεργοποιημένοι οστεοκλάστες που βάφτηκαν μωβ βρέθηκαν σε γυμνά θετικά και SHP.Από την άλλη πλευρά, πολλοί ενεργοποιημένοι οστεοκλάστες παρατηρήθηκαν κοντά στα γυμνά θετικά και ώριμα οστά του LOIS.Αυτό το φαινόμενο υποδεικνύει ότι παρουσία οστεοκλαστών, ο κάλος γύρω από τη θέση του κατάγματος υφίσταται μια βίαιη διαδικασία αναδιαμόρφωσης (62).Ο όγκος των οστών και η περιοχή έκφρασης των οστεοκλαστών του τύλου μετρήθηκαν για να συγκριθεί το επίπεδο σχηματισμού τύλου γύρω από τη θέση του κατάγματος σε όλες τις ομάδες, έτσι ώστε να ποσοτικοποιηθούν τα αποτελέσματα της μικρο-CT και IHC (Εικόνα 6Ε, 1 και 2).Όπως ήταν αναμενόμενο, τα γυμνά αρνητικά και ο σχηματισμός τύλου στο LOIS ήταν σημαντικά υψηλότερα από ό,τι στις άλλες ομάδες, υποδεικνύοντας ότι συνέβη θετική αναδιαμόρφωση των οστών (63).Το Σχήμα S10 δείχνει την οπτική εικόνα της χειρουργικής θέσης, το αποτέλεσμα χρώσης ΜΤ του ιστού που συλλέγεται κοντά στη βίδα και το αποτέλεσμα χρώσης TRAP που υπογραμμίζει τη διεπαφή βίδας-οστού.Στο γυμνό υπόστρωμα, παρατηρήθηκε σχηματισμός ισχυρού τύλου και ίνωσης, ενώ το εμφύτευμα που υποβλήθηκε σε επεξεργασία με LOIS έδειξε σχετικά μη προσκολλημένη επιφάνεια.Ομοίως, σε σύγκριση με τα γυμνά αρνητικά, χαμηλότερη ίνωση παρατηρήθηκε σε κουνέλια που εμφυτεύτηκαν με LOIS, όπως υποδεικνύεται από τα λευκά βέλη.Επιπλέον, το σταθερό οίδημα (μπλε βέλος) μπορεί να αποδοθεί στις ιδιότητες ανοσοδιαφυγής του LOIS, μειώνοντας έτσι τη σοβαρή φλεγμονή.Η αντικολλητική επιφάνεια γύρω από το εμφύτευμα και η μειωμένη ίνωση υποδηλώνουν ότι η διαδικασία αφαίρεσης είναι ευκολότερη, η οποία συνήθως οδηγεί σε άλλα κατάγματα ή φλεγμονή.Η διαδικασία επούλωσης των οστών μετά την αφαίρεση του κοχλία αξιολογήθηκε από τη δραστηριότητα των οστεοκλαστών στη διεπιφάνεια βίδας-οστού.Τόσο το γυμνό οστό όσο και η διεπαφή εμφυτεύματος LOIS απορρόφησαν παρόμοια επίπεδα οστεοκλαστών για περαιτέρω επούλωση των οστών, υποδεικνύοντας ότι η επικάλυψη LOIS δεν έχει αρνητική επίδραση στην επούλωση των οστών ή στην ανοσολογική απόκριση.Προκειμένου να επιβεβαιωθεί ότι η τροποποίηση της επιφάνειας που πραγματοποιήθηκε στο LOIS δεν παρεμβαίνει στη διαδικασία επούλωσης των οστών, χρησιμοποιήθηκε εξέταση με ακτίνες Χ για να συγκριθεί η επούλωση των οστών των κουνελιών με εκτεθειμένα αρνητικά ιόντα και 6 εβδομάδες εμφύτευσης LOIS (Εικόνα 6F).Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι σε σύγκριση με τη μη μολυσμένη γυμνή θετική ομάδα, το LOIS έδειξε τον ίδιο βαθμό επούλωσης των οστών και δεν υπήρχαν εμφανή σημάδια κατάγματος (γραμμή συνεχούς οστεόλυσης) και στις δύο ομάδες.
(Α) Σχηματικό διάγραμμα της διαδικασίας επούλωσης των οστών μετά από κάταγμα.(Β) Η διαφορά στο βαθμό σχηματισμού τύλου κάθε ομάδας επιφανειών και (Γ) η εικόνα διατομής της θέσης του κατάγματος.(Δ) Χρώση TRAP για οπτικοποίηση της δραστηριότητας των οστεοκλαστών και της οστικής απορρόφησης.Με βάση τη δραστηριότητα TRAP, ο σχηματισμός εξωτερικού κάλους του φλοιώδους οστού αναλύθηκε ποσοτικά με (E) (1) micro-CT και (2) δραστηριότητα οστεοκλαστών.(ΣΤ) 6 εβδομάδες μετά την εμφύτευση, εικόνες ακτίνων Χ του σπασμένου οστού του εκτεθειμένου αρνητικού (που επισημαίνεται από το κόκκινο διακεκομμένο ορθογώνιο) και του LOIS (τονίζεται από το μπλε διακεκομμένο ορθογώνιο).Η στατιστική ανάλυση πραγματοποιήθηκε με μονόδρομη ανάλυση διακύμανσης (ANOVA).* P <0,05.** P <0,01.
Εν ολίγοις, το LOIS παρέχει έναν νέο τύπο στρατηγικής αντιβακτηριδιακών λοιμώξεων και επίστρωση ανοσολογικής διαφυγής για ορθοπεδικά εμφυτεύματα.Τα συμβατικά ορθοπεδικά εμφυτεύματα με λειτουργικότητα SHP επιδεικνύουν βραχυπρόθεσμες αντιβιορευματικές ιδιότητες, αλλά δεν μπορούν να διατηρήσουν τις ιδιότητές τους για μεγάλο χρονικό διάστημα.Η υπερυδροφοβία του υποστρώματος παγιδεύει φυσαλίδες αέρα μεταξύ των βακτηρίων και του υποστρώματος, σχηματίζοντας έτσι θύλακες αέρα, αποτρέποντας έτσι τη βακτηριακή μόλυνση.Ωστόσο, λόγω της διάχυσης του αέρα, αυτοί οι θύλακες αέρα αφαιρούνται εύκολα.Από την άλλη πλευρά, το LOIS έχει αποδείξει καλά την ικανότητά του να αποτρέπει λοιμώξεις που σχετίζονται με το βιοφίλμ.Ως εκ τούτου, λόγω των ιδιοτήτων κατά της απόρριψης του λιπαντικού στρώματος που εγχέεται στην πολυεπίπεδη επιφάνεια μικρο/νανοδομής, η φλεγμονή που σχετίζεται με τη μόλυνση μπορεί να αποτραπεί.Διάφορες μέθοδοι χαρακτηρισμού, συμπεριλαμβανομένων των μετρήσεων SEM, AFM, XPS και CA χρησιμοποιούνται για τη βελτιστοποίηση των συνθηκών κατασκευής LOIS.Επιπλέον, το LOIS μπορεί επίσης να εφαρμοστεί σε διάφορα βιολογικά υλικά που χρησιμοποιούνται συνήθως σε εξοπλισμό ορθοπεδικής στερέωσης, όπως PLGA, Ti, PE, POM και PPSU.Στη συνέχεια, το LOIS δοκιμάστηκε in vitro για να αποδείξει τις αντιβιορρυπαντικές του ιδιότητες έναντι βακτηρίων και βιολογικών ουσιών που σχετίζονται με την ανοσολογική απόκριση.Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι έχει εξαιρετική αντιβακτηριδιακή και αντιβιορυπατική δράση σε σύγκριση με το γυμνό εμφύτευμα.Επιπλέον, το LOIS παρουσιάζει μηχανική αντοχή ακόμη και μετά την εφαρμογή μηχανικής καταπόνησης, κάτι που είναι αναπόφευκτο στην πλαστική χειρουργική.Λόγω των αυτοθεραπευτικών ιδιοτήτων του λιπαντικού στην επιφάνεια της δομής micro/nano, το LOIS διατήρησε με επιτυχία τις αντιβιολογικές ρυπογόνες του ιδιότητες.Προκειμένου να μελετηθεί η βιοσυμβατότητα και οι αντιβακτηριακές ιδιότητες του LOIS in vivo, το LOIS εμφυτεύτηκε σε μηριαίο οστό κουνελιού για 4 εβδομάδες.Δεν παρατηρήθηκε βακτηριακή λοίμωξη σε κουνέλια που εμφυτεύτηκαν με LOIS.Επιπλέον, η χρήση του IHC έδειξε μειωμένο επίπεδο τοπικής ανοσοαπόκρισης, υποδεικνύοντας ότι το LOIS δεν αναστέλλει τη διαδικασία επούλωσης των οστών.Το LOIS παρουσιάζει εξαιρετικές αντιβακτηριακές και ανοσοδιαφυγές ιδιότητες και έχει αποδειχθεί ότι αποτρέπει αποτελεσματικά το σχηματισμό βιοφίλμ πριν και κατά τη διάρκεια της ορθοπεδικής χειρουργικής, ειδικά για την οστική σύνθεση.Χρησιμοποιώντας ένα μοντέλο φλεγμονώδους μηριαίου κατάγματος μυελού των οστών κουνελιού, μελετήθηκε σε βάθος η επίδραση των λοιμώξεων που σχετίζονται με το βιοφίλμ στη διαδικασία επούλωσης των οστών που προκαλείται από προεπωασμένα εμφυτεύματα.Ως μελλοντική μελέτη, απαιτείται ένα νέο μοντέλο in vivo για τη μελέτη πιθανών λοιμώξεων μετά την εμφύτευση για την πλήρη κατανόηση και πρόληψη των λοιμώξεων που σχετίζονται με το βιοφίλμ κατά τη διάρκεια ολόκληρης της διαδικασίας επούλωσης.Επιπλέον, η οστεοεπαγωγή εξακολουθεί να είναι μια ανεπίλυτη πρόκληση στην ενσωμάτωση με το LOIS.Απαιτείται περαιτέρω έρευνα για να συνδυαστεί η επιλεκτική προσκόλληση οστεοεπαγωγικών κυττάρων ή η αναγεννητική ιατρική με το LOIS για να ξεπεραστεί η πρόκληση.Συνολικά, το LOIS αντιπροσωπεύει μια πολλά υποσχόμενη ορθοπεδική επίστρωση εμφυτευμάτων με μηχανική στιβαρότητα και εξαιρετικές ιδιότητες κατά της βιορρύπανσης, που μπορεί να μειώσει το SSI και τις ανεπιθύμητες ενέργειες του ανοσοποιητικού.
Πλύνετε το υπόστρωμα 15mm x 15mm x 1mm 304 SS (Dong Kang M-Tech Co., Korea) σε ακετόνη, EtOH και νερό DI για 15 λεπτά για να αφαιρέσετε τους ρύπους.Προκειμένου να σχηματιστεί μια δομή μικρο/νανοεπιπέδου στην επιφάνεια, το καθαρισμένο υπόστρωμα βυθίζεται σε διάλυμα HF 48% έως 51% (DUKSAN Corp., Νότια Κορέα) στους 50°C.Ο χρόνος χάραξης κυμαίνεται από 0 έως 60 λεπτά.Στη συνέχεια, το χαραγμένο υπόστρωμα καθαρίστηκε με απιονισμένο νερό και τοποθετήθηκε σε διάλυμα 65% HNO3 (Korea DUKSAN Corp.) στους 50°C για 30 λεπτά για να σχηματιστεί ένα στρώμα παθητικοποίησης οξειδίου του χρωμίου στην επιφάνεια.Μετά την παθητικοποίηση, το υπόστρωμα πλένεται με απιονισμένο νερό και ξηραίνεται για να ληφθεί ένα υπόστρωμα με δομή σε στρώματα.Στη συνέχεια, το υπόστρωμα εκτέθηκε σε πλάσμα οξυγόνου (100 W, 3 λεπτά) και αμέσως βυθίστηκε σε ένα διάλυμα 8,88 mM POTS (Sigma-Aldrich, Γερμανία) σε τολουόλιο σε θερμοκρασία δωματίου για 12 ώρες.Στη συνέχεια, το υπόστρωμα επικαλυμμένο με POTS καθαρίστηκε με EtOH και ανόπτηθηκε στους 150°C για 2 ώρες για να ληφθεί ένα πυκνό POTS SAM.Μετά την επίστρωση SAM, σχηματίστηκε μια στρώση λιπαντικού στο υπόστρωμα με την εφαρμογή λιπαντικού υπερφθοροπολυαιθέρα (Krytox 101; DuPont, ΗΠΑ) με όγκο φόρτωσης 20 μm/cm 2. Πριν από τη χρήση, διηθήστε το λιπαντικό μέσω φίλτρου 0,2 micron.Αφαιρέστε την περίσσεια λιπαντικού γείροντας υπό γωνία 45° για 15 λεπτά.Η ίδια διαδικασία κατασκευής χρησιμοποιήθηκε για ορθοπεδικά εμφυτεύματα κατασκευασμένα από 304 SS (πλάκα ασφάλισης και βίδα ασφάλισης του φλοιού, Dong Kang M-Tech Co., Κορέα).Όλα τα ορθοπεδικά εμφυτεύματα έχουν σχεδιαστεί για να ταιριάζουν στη γεωμετρία του μηριαίου οστού του κουνελιού.
Η επιφανειακή μορφολογία του υποστρώματος και των ορθοπεδικών εμφυτευμάτων επιθεωρήθηκε με εκπομπές πεδίου SEM (Inspect F50, FEI, USA) και AFM (XE-100, Park Systems, Νότια Κορέα).Η τραχύτητα της επιφάνειας (Ra, Rq) μετριέται πολλαπλασιάζοντας την περιοχή των 20 μm επί 20 μm (n=4).Ένα σύστημα XPS (PHI 5000 VersaProbe, ULVAC PHI, Ιαπωνία) εξοπλισμένο με πηγή ακτίνων Χ Al Kα με μέγεθος κηλίδας 100μm2 χρησιμοποιήθηκε για την ανάλυση της χημικής σύνθεσης της επιφάνειας.Ένα σύστημα μέτρησης CA εξοπλισμένο με κάμερα δυναμικής λήψης εικόνας (SmartDrop, FEMTOBIOMED, ​​Νότια Κορέα) χρησιμοποιήθηκε για τη μέτρηση υγρών CA και SA.Για κάθε μέτρηση, 6 έως 10 μl σταγονιδίων (απιονισμένο νερό, αίμα αλόγου, EG, 30% αιθανόλη και HD) τοποθετούνται στην επιφάνεια για τη μέτρηση της CA.Όταν η γωνία κλίσης του υποστρώματος αυξάνεται με ταχύτητα 2°/s (n = 4), το SA μετράται όταν πέφτει το σταγονίδιο.
Pseudomonas aeruginosa [American Type Culture Collection (ATCC) 27853] και MRSA (ATCC 25923) αγοράστηκαν από την ATCC (Manassas, Βιρτζίνια, ΗΠΑ) και η αποθεματική καλλιέργεια διατηρήθηκε στους -80°C.Πριν από τη χρήση, η κατεψυγμένη καλλιέργεια επωάστηκε σε ζωμό σόγιας αποψυγμένο με τρυψίνη (Komed, Κορέα) στους 37°C για 18 ώρες και στη συνέχεια μεταφέρθηκε δύο φορές για να ενεργοποιηθεί.Μετά την επώαση, η καλλιέργεια φυγοκεντρήθηκε στις 10.000 rpm για 10 λεπτά στους 4°C και πλύθηκε δύο φορές με διάλυμα PBS (ρΗ 7,3).Η φυγοκεντρημένη καλλιέργεια στη συνέχεια υποκαλλιεργείται σε τρυβλία με άγαρ αίματος (ΒΑΡ).Το MRSA και το Pseudomonas aeruginosa παρασκευάστηκαν όλη τη νύχτα και καλλιεργήθηκαν σε ζωμό Luria-Bertani.Η συγκέντρωση Pseudomonas aeruginosa και MRSA στο εμβόλιο προσδιορίστηκε ποσοτικά από την CFU του εναιωρήματος σε σειριακές αραιώσεις σε άγαρ.Στη συνέχεια, προσαρμόστε τη συγκέντρωση των βακτηρίων στο πρότυπο 0,5 McFarland, που ισοδυναμεί με 108 CFU/ml.Στη συνέχεια, αραιώστε το λειτουργικό βακτηριακό εναιώρημα 100 φορές σε 106 CFU/ml.Για να ελεγχθούν οι αντιβακτηριακές ιδιότητες πρόσφυσης, το υπόστρωμα αποστειρώθηκε στους 121°C για 15 λεπτά πριν από τη χρήση.Το υπόστρωμα στη συνέχεια μεταφέρθηκε σε 25 ml βακτηριακού εναιωρήματος και επωάστηκε στους 37°C με έντονη ανακίνηση (200 rpm) για 12 και 72 ώρες.Μετά την επώαση, κάθε υπόστρωμα αφαιρέθηκε από τον επωαστήρα και πλύθηκε 3 φορές με PBS για να απομακρυνθούν τυχόν επιπλέοντα βακτήρια στην επιφάνεια.Προκειμένου να παρατηρηθεί το βιοφίλμ στο υπόστρωμα, το βιοφίλμ στερεώθηκε με μεθανόλη και χρωματίστηκε με 1 ml πορτοκαλί κριμιδίνης για 2 λεπτά.Στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκε μικροσκόπιο φθορισμού (BX51TR, Olympus, Japan) για τη λήψη φωτογραφιών του χρωματισμένου βιοφίλμ.Προκειμένου να ποσοτικοποιηθεί το βιοφίλμ στο υπόστρωμα, τα προσκολλημένα κύτταρα διαχωρίστηκαν από το υπόστρωμα με τη μέθοδο στροβιλισμού σφαιριδίων, η οποία θεωρήθηκε ως η καταλληλότερη μέθοδος για την απομάκρυνση των προσκολλημένων βακτηρίων (n = 4).Χρησιμοποιώντας αποστειρωμένη λαβίδα, αφαιρέστε το υπόστρωμα από το μέσο ανάπτυξης και χτυπήστε την πλάκα του φρεατίου για να αφαιρέσετε την περίσσεια υγρού.Τα χαλαρά συνδεδεμένα κύτταρα απομακρύνθηκαν με πλύσιμο δύο φορές με στείρο PBS.Κάθε υπόστρωμα στη συνέχεια μεταφέρθηκε σε έναν αποστειρωμένο δοκιμαστικό σωλήνα που περιείχε 9 ml 0,1% αλατούχου ορού πρωτεΐνης ept (PSW) και 2 g 20 έως 25 αποστειρωμένων γυάλινων σφαιριδίων (διαμέτρου 0,4 έως 0,5 mm).Στη συνέχεια στροβιλίστηκε για 3 λεπτά για να αποσπαστούν τα κύτταρα από το δείγμα.Μετά το στροβιλισμό, το εναιώρημα αραιώθηκε σειριακά 10 φορές με 0,1% PSW και στη συνέχεια 0,1 ml από κάθε αραίωση εμβολιάστηκε σε ΒΑΡ.Μετά από 24 ώρες επώασης στους 37°C, η CFU μετρήθηκε χειροκίνητα.
Για τα κύτταρα, χρησιμοποιήθηκαν ινοβλάστες ποντικού ΝΙΗ/3Τ3 (CRL-1658; American ATCC) και μακροφάγα ποντικού RAW 264.7 (TIB-71, American ATCC).Χρησιμοποιήστε το τροποποιημένο υλικό Eagle της Dulbecco (DMEM; LM001-05, Welgene, Κορέα) για την καλλιέργεια ινοβλαστών ποντικού και συμπληρώστε με 10% ορό μόσχου (S103-01, Welgene) και 1% πενικιλλίνη-στρεπτομυκίνη (PS ; LS202-02, Wegenel Χρησιμοποιήστε DMEM για την καλλιέργεια μακροφάγων ποντικού, συμπληρωμένο με 10% βόειο ορό (S001-01, Welgene) και 1% PS Τοποθετήστε το υπόστρωμα σε πλάκα κυτταρικής καλλιέργειας έξι φρεατίων και εμβολιάστε τα κύτταρα στα 105 κύτταρα/cm2. Τα κύτταρα επωάστηκαν κατά τη διάρκεια της νύχτας στους 37°C και 5% CO2 στους 37°C για 30 λεπτά, χρησιμοποιήστε το υπόστρωμα με 4',6-διαμινο-2-φαινυλινδόλη (H -1200, Vector Laboratories, UK) μέσο στερέωσης VECTASHIELD (n = 4 ανά κύτταρο). , φλουορεσκεΐνη, ισοθειοκυανική φλουορεσκεΐνη-λευκωματίνη (Α9771, Sigma-Aldrich, Γερμανία) και ανθρώπινο πλάσμα Το συζευγμένο με Alexa Fluor 488 ινωδογόνο (F13191, Invitrogen, USA) διαλύθηκε σε PBS (10.7 mM, pH).Οι συγκεντρώσεις της λευκωματίνης και του ινωδογόνου ήταν 1 και 150 μg/ml, αντίστοιχα.Μετά το υπόστρωμα Πριν από τη βύθιση στο διάλυμα πρωτεΐνης, ξεπλύνετε τα με PBS για να ενυδατώσετε ξανά την επιφάνεια.Στη συνέχεια βυθίστε όλα τα υποστρώματα σε μια πλάκα έξι φρεατίων που περιέχει το διάλυμα πρωτεΐνης και επωάστε στους 37°C για 30 και 90 λεπτά.Μετά την επώαση, το υπόστρωμα στη συνέχεια απομακρύνθηκε από το διάλυμα πρωτεΐνης, πλύθηκε απαλά με PBS 3 φορές και σταθεροποιήθηκε με 4% παραφορμαλδεΰδη (n = 4 για κάθε πρωτεΐνη).Για το ασβέστιο, χλωριούχο νάτριο (0,21 Μ) και φωσφορικό κάλιο (3,77 mM) διαλύθηκαν σε απιονισμένο νερό.Το ρΗ του διαλύματος ρυθμίστηκε στο 2,0 με προσθήκη υδροχλωρικού διαλύματος (1Μ).Στη συνέχεια διαλύθηκε χλωριούχο ασβέστιο (5,62 mM) στο διάλυμα.Με την προσθήκη 1Μ τρις(υδροξυμεθυλ)-αμινο μεθάνιο ρυθμίζει το pH του διαλύματος στο 7,4.Βυθίστε όλα τα υποστρώματα σε μια πλάκα έξι φρεατίων γεμάτη με διάλυμα φωσφορικού ασβεστίου 1,5× και αφαιρέστε από το διάλυμα μετά από 30 λεπτά.Για χρώση, 2 g Alizarin Red S (CI 58005) Αναμίξτε με 100 ml απιονισμένου νερού.Στη συνέχεια, χρησιμοποιήστε 10% υδροξείδιο του αμμωνίου για να ρυθμίσετε το pH στο 4. Βάψτε το υπόστρωμα με διάλυμα Alizarin Red για 5 λεπτά και, στη συνέχεια, ανακινήστε την περίσσεια βαφής και κηλίδα.Μετά τη διαδικασία ανακίνησης, αφαιρέστε το υπόστρωμα.Το υλικό αφυδατώνεται, μετά βυθίζεται σε ακετόνη για 5 λεπτά, μετά βυθίζεται σε διάλυμα ακετόνης-ξυλενίου (1:1) για 5 λεπτά και τέλος πλένεται με ξυλόλιο (n = 4).Χρησιμοποιείται μικροσκόπιο φθορισμού (Axio Imager) με αντικειμενικούς φακούς ×10 και ×20..A2m, Zeiss, Γερμανία) απεικονίζει όλα τα υποστρώματα.Το ImageJ/FIJI (https://imagej.nih.gov/ij/) χρησιμοποιήθηκε για την ποσοτικοποίηση των δεδομένων προσκόλλησης βιολογικών ουσιών σε κάθε ομάδα τεσσάρων διαφορετικών περιοχών απεικόνισης.Μετατρέψτε όλες τις εικόνες σε δυαδικές εικόνες με σταθερά κατώφλια για σύγκριση υποστρωμάτων.
Ένα ομοεστιακό μικροσκόπιο Zeiss LSM 700 χρησιμοποιήθηκε για την παρακολούθηση της σταθερότητας του στρώματος λιπαντικού στο PBS σε λειτουργία ανάκλασης.Το δείγμα γυαλιού επικαλυμμένο με SAM με βάση το φθόριο με ένα εγχυμένο λιπαντικό στρώμα βυθίστηκε σε διάλυμα PBS και δοκιμάστηκε χρησιμοποιώντας τροχιακό αναδευτήρα (SHO-1D; Daihan Scientific, Νότια Κορέα) υπό ήπιες συνθήκες ανακίνησης (120 rpm).Στη συνέχεια, πάρτε το δείγμα και παρακολουθήστε την απώλεια λιπαντικού μετρώντας την απώλεια ανακλώμενου φωτός.Για τη λήψη εικόνων φθορισμού σε λειτουργία ανάκλασης, το δείγμα εκτίθεται σε λέιζερ 633 nm και στη συνέχεια συλλέγεται, επειδή το φως θα ανακλάται πίσω από το δείγμα.Τα δείγματα μετρήθηκαν σε χρονικά διαστήματα 0, 30, 60 και 120 ωρών.
Προκειμένου να προσδιοριστεί η επίδραση της διαδικασίας τροποποίησης της επιφάνειας στις νανομηχανικές ιδιότητες των ορθοπεδικών εμφυτευμάτων, χρησιμοποιήθηκε ένας νανοοδοντωτής (TI 950 TriboIndenter, Hysitron, USA) εξοπλισμένος με μια τρίπλευρη άκρη διαμαντιού Berkovich σε σχήμα πυραμίδας για τη μέτρηση της νανοϊνδενδιόνης.Το μέγιστο φορτίο είναι 10 mN και η περιοχή είναι 100μmx 100μm.Για όλες τις μετρήσεις, ο χρόνος φόρτωσης και εκφόρτωσης είναι 10 δευτ. και ο χρόνος διατήρησης κάτω από το μέγιστο φορτίο εσοχής είναι 2 δευτ.Κάντε μετρήσεις από πέντε διαφορετικές τοποθεσίες και λάβετε τον μέσο όρο.Προκειμένου να αξιολογηθεί η απόδοση της μηχανικής αντοχής υπό φορτίο, πραγματοποιήθηκε μια εγκάρσια δοκιμή κάμψης τριών σημείων χρησιμοποιώντας μια μηχανή δοκιμών γενικής χρήσης (Instron 5966, Instron, ΗΠΑ).Το υπόστρωμα συμπιέζεται με σταθερό ρυθμό 10 N/s με αυξημένο φορτίο.Το πρόγραμμα λογισμικού Bluehill Universal (n = 3) χρησιμοποιήθηκε για τον υπολογισμό του συντελεστή κάμψης και της μέγιστης θλιπτικής τάσης.
Για την προσομοίωση της διαδικασίας λειτουργίας και της σχετικής μηχανικής βλάβης που προκλήθηκε κατά τη διάρκεια της επέμβασης, η διαδικασία της επέμβασης πραγματοποιήθηκε in vitro.Τα μηριαία οστά συλλέχθηκαν από τα εκτελεσμένα λευκά κουνέλια της Νέας Ζηλανδίας.Το μηριαίο οστό καθαρίστηκε και στερεώθηκε σε 4% παραφορμαλδεΰδη για 1 εβδομάδα.Όπως περιγράφεται στη μέθοδο πειράματος σε ζώα, το σταθεροποιημένο μηριαίο οστό χειρουργήθηκε χειρουργικά.Μετά την επέμβαση, το ορθοπεδικό εμφύτευμα βυθίστηκε σε αίμα (αίμα αλόγου, KISAN, Κορέα) για 10 δευτερόλεπτα για να επιβεβαιωθεί εάν εμφανίστηκαν συμφύσεις αίματος μετά την εφαρμογή του μηχανικού τραυματισμού (n = 3).
Συνολικά 24 αρσενικά λευκά κουνέλια Νέας Ζηλανδίας (βάρος 3,0 έως 3,5 κιλά, μέση ηλικία 6 μηνών) χωρίστηκαν τυχαία σε τέσσερις ομάδες: γυμνά αρνητικά, γυμνά θετικά, SHP και LOIS.Όλες οι διαδικασίες που αφορούσαν ζώα πραγματοποιήθηκαν σύμφωνα με τα δεοντολογικά πρότυπα της Επιτροπής Θεσμικής Φροντίδας και Χρήσης Ζώων (εγκεκριμένη από την IACUC, KOREA-2017-0159).Το ορθοπεδικό εμφύτευμα αποτελείται από μια πλάκα ασφάλισης με πέντε οπές (μήκος 41 mm, πλάτος 7 mm και πάχος 2 mm) και φλοιώδεις βίδες ασφάλισης (μήκος 12 mm, διάμετρος 2,7 mm) για στερέωση κατάγματος.Εκτός από εκείνες τις πλάκες και τις βίδες που χρησιμοποιήθηκαν στην ομάδα των γυμνών αρνητικών, όλες οι πλάκες και οι βίδες επωάστηκαν σε εναιώρημα MRSA (106 CFU/ml) για 12 ώρες.Η γυμνή-αρνητική ομάδα (n=6) υποβλήθηκε σε θεραπεία με εμφυτεύματα γυμνής επιφάνειας χωρίς έκθεση σε βακτηριακό εναιώρημα, ως αρνητικός έλεγχος για μόλυνση.Η γυμνή θετική ομάδα (n = 6) υποβλήθηκε σε θεραπεία με ένα εμφύτευμα γυμνής επιφάνειας που εκτέθηκε σε βακτήρια ως θετικός έλεγχος για μόλυνση.Η ομάδα SHP (n = 6) υποβλήθηκε σε θεραπεία με βακτηριακά εκτεθειμένα εμφυτεύματα SHP.Τέλος, η ομάδα LOIS υποβλήθηκε σε θεραπεία με εμφυτεύματα LOIS που εκτέθηκαν σε βακτήρια (n = 6).Όλα τα ζώα κρατούνται σε ένα κλουβί, και παρέχεται πολλή τροφή και νερό.Πριν την επέμβαση τα κουνέλια ήταν νηστικά για 12 ώρες.Τα ζώα αναισθητοποιήθηκαν με ενδομυϊκή ένεση ξυλαζίνης (5 mg/kg) και ενδοφλέβια ένεση πακλιταξέλης (3 mg/kg) για επαγωγή.Μετά από αυτό, χορηγήστε 2% ισοφλουράνιο και 50% έως 70% ιατρικό οξυγόνο (ρυθμός ροής 2 L/min) μέσω του αναπνευστικού συστήματος για να διατηρήσετε την αναισθησία.Εμφυτεύεται μέσω άμεσης προσέγγισης στο πλάγιο μηριαίο οστό.Μετά την αποτρίχωση και την απολύμανση του δέρματος με ιωδιούχο ποβιδόνη, έγινε μια τομή μήκους περίπου 6 εκατοστών στο εξωτερικό του αριστερού μέσου μηριαίου οστού.Ανοίγοντας το διάκενο μεταξύ των μυών που καλύπτουν το μηριαίο οστό, το μηριαίο οστό εκτίθεται πλήρως.Τοποθετήστε την πλάκα μπροστά από τον μηριαίο άξονα και στερεώστε την με τέσσερις βίδες.Μετά τη στερέωση, χρησιμοποιήστε μια λεπίδα πριονιού (πάχους 1 mm) για να δημιουργήσετε τεχνητά ένα κάταγμα στην περιοχή μεταξύ της δεύτερης και της τέταρτης οπής.Στο τέλος της επέμβασης το τραύμα πλύθηκε με φυσιολογικό ορό και κλείστηκε με ράμματα.Σε κάθε κουνέλι εγχύθηκε υποδορίως ενροφλοξασίνη (5 mg/kg) αραιωμένη κατά το ένα τρίτο σε φυσιολογικό ορό.Μετεγχειρητικές ακτινογραφίες του μηριαίου οστού λήφθηκαν σε όλα τα ζώα (0, 7, 14, 21, 28 και 42 ημερών) για να επιβεβαιωθεί η οστεοτομία του οστού.Μετά από βαθιά αναισθησία, όλα τα ζώα θανατώθηκαν με ενδοφλέβια KCl (2 mmol/kg) στις 28 και 42 ημέρες.Μετά την εκτέλεση, το μηριαίο οστό σαρώθηκε με μικρο-CT για να παρατηρηθεί και να συγκριθεί η διαδικασία επούλωσης των οστών και ο σχηματισμός νέου οστού μεταξύ των τεσσάρων ομάδων.
Μετά την εκτέλεση, συλλέχθηκαν οι μαλακοί ιστοί που ήταν σε άμεση επαφή με τα ορθοπεδικά εμφυτεύματα.Ο ιστός σταθεροποιήθηκε σε 10% ουδέτερη φορμαλίνη με ρυθμιστικό διάλυμα όλη τη νύχτα και στη συνέχεια αφυδατώθηκε σε EtOH.Ο αφυδατωμένος ιστός ενσωματώθηκε σε παραφίνη και τεμαχίστηκε σε πάχος 40 μm χρησιμοποιώντας μικροτόμο (400CS, EXAKT, Γερμανία).Προκειμένου να οπτικοποιηθεί η μόλυνση, πραγματοποιήθηκε χρώση H&E και χρώση ΜΤ.Προκειμένου να ελεγχθεί η απόκριση του ξενιστή, ο τεμαχισμένος ιστός επωάστηκε με πρωτεύον αντίσωμα κουνελιού αντι-ΤΝΡ-α (AB6671, Abcam, USA) και αντι-IL-6 κουνελιού (AB6672, Abcam, USA) και στη συνέχεια υποβλήθηκε σε επεξεργασία με χρένο.Οξειδάση.Εφαρμόστε το σύστημα χρώσης του συμπλέγματος αβιδίνης-βιοτίνης (ABC) στις τομές σύμφωνα με τις οδηγίες του κατασκευαστή.Για να εμφανιστεί ως καφέ προϊόν αντίδρασης, χρησιμοποιήθηκε 3,3-διαμινοβενζιδίνη σε όλα τα μέρη.Ένας ψηφιακός σαρωτής διαφανειών (Pannoramic 250 Flash III, 3DHISTECH, Hungary) χρησιμοποιήθηκε για την οπτικοποίηση όλων των τμημάτων και τουλάχιστον τέσσερα υποστρώματα σε κάθε ομάδα αναλύθηκαν με λογισμικό ImageJ.
Ελήφθησαν εικόνες ακτίνων Χ σε όλα τα ζώα μετά την επέμβαση και κάθε εβδομάδα για την παρακολούθηση της επούλωσης των καταγμάτων (n=6 ανά ομάδα).Μετά την εκτέλεση, χρησιμοποιήθηκε μικρο-CT υψηλής ανάλυσης για τον υπολογισμό του σχηματισμού τύλου γύρω από το μηριαίο οστό μετά την επούλωση.Το ληφθέν μηριαίο οστό καθαρίστηκε, σταθεροποιήθηκε σε 4% παραφορμαλδεΰδη για 3 ημέρες και αφυδατώθηκε σε 75% αιθανόλη.Στη συνέχεια, τα αφυδατωμένα οστά σαρώθηκαν χρησιμοποιώντας μικρο-CT (SkyScan 1173, Brooke Micro-CT, Kandy, Βέλγιο) για τη δημιουργία τρισδιάστατων εικόνων voxel (2240×2240 pixel) του δείγματος οστού.Χρησιμοποιήστε φίλτρο Al 1,0 mm για να μειώσετε το θόρυβο του σήματος και εφαρμόστε υψηλή ανάλυση σε όλες τις σαρώσεις (E = 133 kVp, I = 60 μA, χρόνος ολοκλήρωσης = 500 ms).Το λογισμικό Nrecon (έκδοση 1.6.9.8, Bruker microCT, Kontich, Βέλγιο) χρησιμοποιήθηκε για τη δημιουργία ενός τρισδιάστατου όγκου του σαρωμένου δείγματος από την αποκτηθείσα 2D πλευρική προβολή.Για ανάλυση, η τρισδιάστατη ανακατασκευασμένη εικόνα χωρίζεται σε κύβους 10mm×10mm×10mm ανάλογα με τη θέση του κατάγματος.Υπολογίστε τον κάλο έξω από το φλοιώδες οστό.Το λογισμικό DataViewer (έκδοση 1.5.1.2· Bruker microCT, Kontich, Βέλγιο) χρησιμοποιήθηκε για ψηφιακή ανακατεύθυνση του σαρωμένου όγκου οστού και το λογισμικό CT-Analyzer (έκδοση 1.14.4.1· Bruker microCT, Kontich, Βέλγιο) χρησιμοποιήθηκε για ανάλυση.Οι σχετικοί συντελεστές απορρόφησης ακτίνων Χ σε ώριμο οστό και κάλλος διακρίνονται από την πυκνότητά τους και στη συνέχεια ποσοτικοποιείται ο όγκος του τύλου (n = 4).Προκειμένου να επιβεβαιωθεί ότι η βιοσυμβατότητα του LOIS δεν καθυστερεί τη διαδικασία επούλωσης των οστών, διεξήχθη πρόσθετη ανάλυση ακτίνων Χ και μικρο-CT σε δύο κουνέλια: τις ομάδες γυμνού-αρνητικού και LOIS.Και οι δύο ομάδες εκτελέστηκαν την 6η εβδομάδα.
Τα μηριαία οστά από τα θυσιασμένα ζώα συλλέχθηκαν και σταθεροποιήθηκαν σε 4% παραφορμαλδεΰδη για 3 ημέρες.Στη συνέχεια, το ορθοπεδικό εμφύτευμα αφαιρείται προσεκτικά από το μηριαίο οστό.Το μηριαίο οστό απασβεστώθηκε για 21 ημέρες χρησιμοποιώντας 0,5 M EDTA (EC-900, National Diagnostics Corporation).Στη συνέχεια το απασβεστωμένο μηριαίο οστό βυθίστηκε σε EtOH για να αφυδατωθεί.Το αφυδατωμένο μηριαίο οστό αφαιρέθηκε σε ξυλόλιο και ενσωματώθηκε σε παραφίνη.Στη συνέχεια το δείγμα κόπηκε σε φέτες με αυτόματο περιστροφικό μικροτόμο (Leica RM2255, Leica Biosystems, Γερμανία) με πάχος 3 μm.Για τη χρώση TRAP (F6760, Sigma-Aldrich, Γερμανία), τα τεμαχισμένα δείγματα αποπαραφινώθηκαν, επανυδατώθηκαν και επωάστηκαν σε αντιδραστήριο TRAP στους 37°C για 1 ώρα.Οι εικόνες ελήφθησαν χρησιμοποιώντας έναν σαρωτή διαφανειών (Pannoramic 250 Flash III, 3DHISTECH, Ουγγαρία) και ποσοτικοποιήθηκαν με μέτρηση της κάλυψης περιοχής της λεκιασμένης περιοχής.Σε κάθε πείραμα, τουλάχιστον τέσσερα υποστρώματα σε κάθε ομάδα αναλύθηκαν με λογισμικό ImageJ.
Η στατιστική ανάλυση σημαντικότητας πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας GraphPad Prism (GraphPad Software Inc., USA).Το μη ζευγαρωμένο t-test και η μονόδρομη ανάλυση διακύμανσης (ANOVA) χρησιμοποιήθηκαν για τον έλεγχο των διαφορών μεταξύ των ομάδων αξιολόγησης.Το επίπεδο σημαντικότητας υποδεικνύεται στο σχήμα ως εξής: *P<0,05, **P<0,01, ***P<0,001 και ****P<0,0001;NS, καμία σημαντική διαφορά.
Για συμπληρωματικό υλικό για αυτό το άρθρο, ανατρέξτε στη διεύθυνση http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/44/eabb0025/DC1
Αυτό είναι ένα άρθρο ανοιχτής πρόσβασης που διανέμεται υπό τους όρους της άδειας Creative Commons Attribution-Non-Commercial, η οποία επιτρέπει τη χρήση, διανομή και αναπαραγωγή σε οποιοδήποτε μέσο, ​​εφόσον η χρήση δεν είναι για εμπορικό όφελος και η προϋπόθεση είναι ότι το πρωτότυπο η δουλειά είναι σωστή.Αναφορά.
Σημείωση: Σας ζητάμε μόνο να δώσετε μια διεύθυνση email, ώστε το άτομο που προτείνετε στη σελίδα να γνωρίζει ότι θέλετε να δει το email και ότι το μήνυμα ηλεκτρονικού ταχυδρομείου δεν είναι ανεπιθύμητο.Δεν θα καταγράψουμε καμία διεύθυνση email.
Αυτή η ερώτηση χρησιμοποιείται για να ελέγξει αν είστε άνθρωπος επισκέπτης και για να αποτρέψει την αυτόματη υποβολή ανεπιθύμητων μηνυμάτων.
Choe Kyung Min, Oh Young Jang, Park Jun Joon, Lee Jin Hyuk, Kim Hyun Cheol, Lee Kyung Moon, Lee Chang Kyu, Lee Yeon Taek, Lee Sun-uck, Jeong Morui
Οι αντιβακτηριακές και ανοσολογικές επικαλύψεις διαφυγής των ορθοπεδικών εμφυτευμάτων μπορούν να μειώσουν τις λοιμώξεις και τις ανοσολογικές αποκρίσεις που προκαλούνται από λοιμώξεις.
Choe Kyung Min, Oh Young Jang, Park Jun Joon, Lee Jin Hyuk, Kim Hyun Cheol, Lee Kyung Moon, Lee Chang Kyu, Lee Yeon Taek, Lee Sun-uck, Jeong Morui
Οι αντιβακτηριακές και ανοσολογικές επικαλύψεις διαφυγής των ορθοπεδικών εμφυτευμάτων μπορούν να μειώσουν τις λοιμώξεις και τις ανοσολογικές αποκρίσεις που προκαλούνται από λοιμώξεις.
©2021 American Association for the Advancement of Science.Όλα τα δικαιώματα διατηρούνται.Η AAAS είναι συνεργάτης των HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef και COUNTER.ScienceAdvances ISSN 2375-2548.