Dha euslaintich a tha a’ faighinn obair-lannsa implant orthopédic, tha galairean bactaraidh agus freagairtean dìonachd air an adhbhrachadh le galair air a bhith nan cunnartan a tha a’ bagairt air beatha a-riamh.Tha stuthan bith-eòlasach gnàthach buailteach do thruailleadh bith-eòlasach, a bheir air bacteria ionnsaigh a thoirt air an raon leònte agus ag adhbhrachadh galar postoperative.Mar sin, tha feum èiginneach air còmhdach dìon-gabhaltach agus dìon-dìon a leasachadh airson implantan orthopédic.An seo, tha sinn air teicneòlas adhartach atharrachadh uachdar a leasachadh airson implantan orthopédic ris an canar Lubricated Orthopedic Implant Surface (LOIS), a tha air a bhrosnachadh le uachdar rèidh lannan planntrais pitcher.Tha ath-bhualadh làidir làidir aig LOIS gu measgachadh de lioftaichean agus stuthan bith-eòlasach (a’ toirt a-steach ceallan, pròtanan, calcium agus bacteria).A bharrachd air an sin, dhearbh sinn seasmhachd meacanaigeach an aghaidh sgrìoban agus feachd socrachadh le bhith a’ dèanamh atharrais air a’ mhilleadh do-sheachanta aig àm an lannsaireachd in vitro.Chaidh am modal bristeadh femoral smior cnàimh coineanach a chleachdadh gus sgrùdadh mionaideach a dhèanamh air sgèileadh an-aghaidh bith-eòlasach agus comas an-aghaidh gabhaltachd LOIS.Tha sinn a’ faicinn gu bheil LOIS, aig a bheil feartan an-aghaidh bith-chonnadh agus seasmhachd meacanaigeach, na cheum air adhart ann an lannsaireachd orthopédic gun ghalaran.
An-diugh, mar thoradh air a bhith a’ fàs nas sine, tha an àireamh de dh’euslaintich a tha a’ fulang le galairean orthopédic (leithid briseadh seann daoine, galairean co-ghnèitheach, agus osteoporosis) air a dhol suas gu mòr (1, 2).Mar sin, tha ionadan meidigeach a’ cur cuideam mòr air obair-lannsa orthopédic, a’ toirt a-steach implantan orthopédic de sgriothan, truinnsearan, ìnean agus joints fuadain (3, 4).Ach, thathas ag aithris gu bheil implantan orthopédic traidiseanta buailteach do ghleusadh bacterial agus cruthachadh biofilm, a dh’ fhaodadh galar làrach lannsaireachd (SSI) adhbhrachadh às deidh obair-lannsa (5, 6).Aon uair ‘s gu bheil am biofilm air a chruthachadh air uachdar an implant orthopédic, bidh e gu math duilich am biofilm a thoirt air falbh eadhon le bhith a’ cleachdadh dòsan mòra de antibiotaicean.Mar sin, mar as trice bidh e a’ leantainn gu fìor ghalaran postoperative (7, 8).Mar thoradh air na duilgheadasan gu h-àrd, bu chòir làimhseachadh implantan gabhaltach a bhith a’ toirt a-steach ath-obrachadh, a’ toirt a-steach toirt air falbh a h-uile implant agus maothran mun cuairt;mar sin, bidh an t-euslainteach a 'fulang pian mòr agus cuid de chunnartan (9, 10).
Gus fuasgladh fhaighinn air cuid de na duilgheadasan sin, chaidh implantan orthopédic le drogaichean a leasachadh gus casg a chuir air galar le bhith a’ cur às do na bacteria ceangailte ris an uachdar (11, 12).Ach, tha an ro-innleachd fhathast a’ nochdadh grunn chuingealachaidhean.Thathas air aithris gu bheil cuir a-steach fad-ùine air implantan eluting dhrogaichean air milleadh a dhèanamh air na figheagan mun cuairt agus air sèid adhbhrachadh, a dh’ fhaodadh leantainn gu necrosis (13, 14).A bharrachd air an sin, feumaidh na fuasglaidhean organach a dh’ fhaodadh a bhith ann às deidh pròiseas saothrachaidh implantan orthopédic le drogaichean, a tha air an toirmeasg gu teann le Rianachd Bidhe is Dhrugaichean na SA, ceumannan glanaidh a bharrachd gus na h-ìrean aige a choileanadh (15).Tha implantan eluting dhrogaichean dùbhlanach airson an leigeil ma sgaoil fo smachd dhrogaichean, agus mar thoradh air an luchdachadh cuibhrichte de dhrogaichean, chan eil e comasach an droga a chuir an sàs san fhad-ùine (16).
Is e ro-innleachd chumanta eile a bhith a’ còmhdach an implant le polymer antifouling gus casg a chuir air stuth bith-eòlasach agus bacteria bho bhith a’ cumail ris an uachdar (17).Mar eisimpleir, tha polymers zwitterionic air aire a tharraing air sgàth na feartan neo-adhesive aca nuair a bhios iad a ’conaltradh ri pròtanan plasma, ceallan, agus bacteria.Ach, tha cuid de chuingealachaidhean ann co-cheangailte ri seasmhachd fad-ùine agus seasmhachd meacanaigeach, a tha a’ cur bacadh air a bhith ga chleachdadh gu practaigeach ann an implantan orthopédic, gu sònraichte air sgàth sgrìobadh meacanaigeach rè modhan lannsaireachd (18, 19).A bharrachd air an sin, mar thoradh air a bhith-cho-fhreagarrachd àrd, dìth feum air obair-lannsa gluasaid, agus feartan glanadh uachdar tro chreachadh, chaidh implantan orthopédic de stuthan bith-mhillidh a chleachdadh (20, 21).Aig àm creimeadh, tha na ceanglaichean ceimigeach eadar am matrix polymer air am briseadh sìos agus air an sgaradh bhon uachdar, agus bidh an luchd-leantainn a ’glanadh an uachdar.Ach, tha salachadh an-aghaidh bith-eòlasach le glanadh uachdar èifeachdach ann an ùine ghoirid.A bharrachd air an sin, bidh a ’mhòr-chuid de stuthan so-ruigsinneach a’ toirt a-steach poly (copolymer searbhag lactach-glycolic acid) (PLGA), searbhag polylactic (PLA) agus aloidhean stèidhichte air magnesium tro bhith-mhilleadh neo-chòmhnard agus bleith anns a ’bhodhaig, a bheir droch bhuaidh air seasmhachd meacanaigeach.(fichead 's a dhà).A bharrachd air an sin, tha na pìosan truinnsear bith-mhillidh a’ toirt àite dha bacteria a cheangal, a tha a’ meudachadh an cothrom gabhaltachd san fhad-ùine.Tha an cunnart seo de mhilleadh meacanaigeach agus gabhaltachd a’ cuingealachadh cleachdadh practaigeach lannsaireachd plastaig (23).
Tha uachdar superhydrophobic (SHP) a tha coltach ri structar rangach duilleagan lotus air a thighinn gu bhith na fhuasgladh a dh’ fhaodadh a bhith ann airson uachdar an-aghaidh salachar (24, 25).Nuair a thèid uachdar SHP a bhogadh ann an leaghan, thèid builgeanan èadhair a ghlacadh, mar sin a’ cruthachadh phòcaidean adhair agus a’ cur casg air greimeachadh bacteriach (26).Ach, tha sgrùdaidhean o chionn ghoirid air sealltainn gu bheil eas-bhuannachdan aig uachdar SHP co-cheangailte ri seasmhachd meacanaigeach agus seasmhachd fad-ùine, a tha a ’cur bacadh air a bhith ga chleachdadh ann an implantan meidigeach.A bharrachd air an sin, sgaoilidh na pòcaidean adhair agus caillidh iad na feartan an-aghaidh salachar aca, agus mar sin a’ leantainn gu greimeachadh bacterial nas fharsainge mar thoradh air farsaingeachd uachdar uachdar SHP (27, 28).O chionn ghoirid, thug Aizenberg agus a cho-obraichean a-steach dòigh ùr-ghnàthach airson còmhdach uachdar an-aghaidh biofouling le bhith a’ leasachadh uachdar rèidh air a bhrosnachadh le planntrais Nepenthes pitcher (29, 30).Tha an uachdar rèidh a’ nochdadh seasmhachd fad-ùine fo chumhachan uisgeachaidh, tha e uamhasach leaghan ath-chuiridh gu lioftaichean bith-eòlasach, agus tha feartan fèin-chàradh aige.Ach, chan eil dòigh ann airson còmhdach a chuir an sàs ann an implant meidigeach cumadh iom-fhillte, agus chan eil e air a dhearbhadh gus taic a thoirt don phròiseas slànachaidh de stuth millte às deidh a chuir a-steach.
An seo, bidh sinn a’ toirt a-steach uachdar implant orthopédic lubricated (LOIS), uachdar implant orthopédic meanbh-structaraichte / nano-structar agus air a chur còmhla gu teann le còmhdach tana bealaidh gus casg a chuir air bho bhith co-cheangailte ri lannsaireachd plastaig Galaran bacterial, leithid socrachadh briste.Leis gu bheil an structar meanbh-ìre / nano-ìre gnìomh fluorine gu daingeann a’ socrachadh bealaidh air an structar, faodaidh an LOIS leasaichte làn ghleusadh diofar lioftaichean a chuir air ais agus coileanadh an-aghaidh salachadh a chumail airson ùine mhòr.Faodar còmhdach LOIS a chuir an sàs ann an stuthan de dhiofar chumaidhean airson synthesis cnàimh.Chaidh na feartan sàr-mhath an-aghaidh biofouling aig LOIS an aghaidh bacteria biofilm [Pseudomonas aeruginosa agus Staphylococcus aureus aureus (MRSA)] agus stuthan bith-eòlasach (ceallan, pròtainean agus calcium) a dhearbhadh ann an vitro.Tha an ìre adhesion de adhesion farsaing ris an t-substrate nas ìsle na 1%.A bharrachd air an sin, eadhon às deidh cuideam meacanaigeach leithid sgrìobadh uachdar a bhith a’ tachairt, bidh an fèin-slànachadh a dh ’adhbhraicheas an leann drùidhteach a’ cuideachadh le bhith a ’cumail suas na feartan an-aghaidh salachar.Tha toraidhean deuchainn seasmhachd meacanaigeach a’ sealltainn, eadhon às deidh atharrachadh structarail agus ceimigeach, nach tèid an neart iomlan a lughdachadh gu mòr.A bharrachd air an sin, chaidh deuchainn in vitro a tha coltach ris an cuideam meacanaigeach san àrainneachd obair-lannsa a dhèanamh gus dearbhadh gun urrainn dha LOIS seasamh ri diofar cuideaman meacanaigeach a thig an cois obair-lannsa plastaig.Mu dheireadh, chleachd sinn modal bristeadh femoral in vivo stèidhichte air coineanach, a dhearbh gu bheil feartan antibacterial nas fheàrr aig LOIS agus biocompatibility.Dhaingnich toraidhean rèididheachd agus eachdraidheil gum faod giùlan bealaidh seasmhach agus togalaichean an-aghaidh bith-chonnadh taobh a-staigh 4 seachdainean às deidh an toirt a-steach coileanadh èifeachdach an-aghaidh gabhaltachd agus teicheadh ​​​​dìonachd a choileanadh gun a bhith a’ cur dàil air a ’phròiseas slànachaidh cnàimh.
Tha Figear 1A a’ sealltainn diagram sgeamach den LOIS leasaichte, a tha air a chuir a-steach le structaran meanbh-sgèile / nano-sgèile anns a’ mhodal bristeadh femoral coineanach gus dearbhadh a dhèanamh air na feartan sàr-mhath a th’ ann an-aghaidh bith-eòlas agus an-aghaidh galair.Thathas a’ dèanamh dòigh biomimetic gus atharrais a dhèanamh air uachdar planntrais uisge, agus gus casg a chuir air biofouling le bhith a’ toirt a-steach còmhdach bealaidh taobh a-staigh structar meanbh / nano an uachdair.Faodaidh an uachdar a tha air a stealladh le bealaidh an conaltradh eadar stuthan bith-eòlasach agus an uachdar a lughdachadh.Mar sin, mar thoradh air a bhith a’ cruthachadh bannan ceimigeach seasmhach air an uachdar, tha coileanadh antifouling sàr-mhath aige agus seasmhachd fad-ùine.Mar thoradh air an sin, tha feartan anti-biofouling an uachdar lubricating a’ ceadachadh diofar thagraidhean practaigeach ann an rannsachadh bith-mheidigeach.Ach, chan eil rannsachadh farsaing air mar a tha an uachdar sònraichte seo ag eadar-obrachadh sa bhodhaig air a chrìochnachadh fhathast.Le bhith a’ dèanamh coimeas eadar LOIS agus fo-stratan rùisgte in vitro a’ cleachdadh bacteria albumin agus biofilm, faodar neo-adhesiveness LOIS a dhearbhadh (Figear 1B).A bharrachd air an sin, le bhith a’ cuir air falbh na boinneagan uisge air an t-substrate lom claon agus an substrate LOIS (Figear S1 agus Movie S1), faodar coileanadh truailleadh bith-eòlasach a nochdadh.Mar a chithear san ìomhaigh microsgop fluorescence, sheall an t-substrate fosgailte a chaidh a bhrosnachadh ann an casg pròtain agus bacteria tòrr stuth bith-eòlasach a’ cumail ris an uachdar.Ach, mar thoradh air na feartan sàr-mhath aige an-aghaidh biofouling, cha mhòr gu bheil LOIS a’ nochdadh fluorescence sam bith.Gus na togalaichean anti-biofouling agus an-aghaidh gabhaltachd a dhearbhadh, chaidh LOIS a chuir an sàs air uachdar implantan orthopédic airson synthesis cnàimh (plàtaichean agus sgriothan) agus a chuir ann am modail briste coineanach.Mus deach a chuir a-steach, chaidh an implant orthopédic rùisgte agus LOIS a thoirt a-steach ann an crochadh bactaraidh airson 12 uair.Bidh an ro-ghoir a’ dèanamh cinnteach gu bheil biofilm air a chruthachadh air uachdar an implant fosgailte airson coimeas a dhèanamh.Tha Figear 1C a’ sealltainn dealbh den làrach briste 4 seachdainean às deidh implantachadh.Air an taobh chlì, sheall coineanach le implant orthopedic lom fìor ìre de shèid mar thoradh air cruthachadh biofilm air uachdar an implant.Chaidh an toradh eile fhaicinn ann an coineanaich a chaidh a chuir a-steach le LOIS, is e sin, cha do sheall na figheagan timcheall air LOIS comharran gabhaltachd no comharran sèid.A bharrachd air an sin, tha an ìomhaigh optigeach air an taobh chlì a’ sealltainn làrach lannsa a’ choineanach leis an implant fosgailte, a’ nochdadh nach deach ioma-adhesives a bha an làthair air uachdar an implant fosgailte a lorg air uachdar an LOIS.Tha seo a’ sealltainn gu bheil seasmhachd fad-ùine aig LOIS agus gu bheil comas aige na togalaichean ana-bhith-eòlasach agus ana-adhesion aige a chumail suas.
(A) Diagram sgeamach de LOIS agus mar a chaidh a chur an sàs ann am modail bristeadh femoral coineanach.(B) Ìomhaigh microscopaidh flùraiseach de phròtain agus biofilm bacterial air uachdar lom agus substrate LOIS.4 seachdainean às deidh cuir a-steach, (C) dealbh deilbh den làrach briste agus (D) dealbh X-ray (air a chomharrachadh le ceart-cheàrnach dearg).Dealbh le cead: Kyomin Chae, Oilthigh Yonsei.
Sheall na coineanaich sterilized, fosgailte le droch implantachadh pròiseas slànachaidh cnàimh àbhaisteach gun chomharran sam bith de shèid no galair.Air an làimh eile, tha implantan SHP ro-ghoirte ann an crochadh bactaraidh a’ taisbeanadh sèid co-cheangailte ri galairean air na stuthan mun cuairt.Faodar seo a thoirt air sgàth cho neo-chomas aige casg a chuir air greimeachadh bacteriach airson ùine mhòr (Figear S2).Gus dearbhadh nach eil LOIS a 'toirt buaidh air a' phròiseas slànachaidh, ach a 'cur bacadh air galaran a dh'fhaodadh a bhith co-cheangailte ri bhith a' toirt a-steach, chaidh coimeas a dhèanamh eadar ìomhaighean X-ray den mhaitris dearbhach fosgailte agus LOIS aig an làrach briste (Figear 1D).Sheall an ìomhaigh X-ray den implant lom dearbhach loidhnichean osteolysis leantainneach, a 'sealltainn nach deach an cnàimh a shlànachadh gu tur.Tha seo a 'moladh gum faodadh dàil mhòr a bhith air a' phròiseas ath-bheothachaidh cnàimh mar thoradh air sèid co-cheangailte ri galaran.Air an làimh eile, sheall e gu robh na coineanaich a chaidh a chuir a-steach le LOIS air slànachadh agus nach do sheall iad làrach briste follaiseach.
Gus implantan meidigeach a leasachadh le seasmhachd agus gnìomhachd fad-ùine (a 'gabhail a-steach strì an aghaidh biofouling), chaidh mòran oidhirpean a dhèanamh.Ach, tha làthaireachd diofar stuthan bith-eòlasach agus daineamaigs gèilleadh clò a’ cuingealachadh leasachadh nan dòighean clionaigeach earbsach aca.Gus faighinn thairis air na h-uireasbhaidhean sin, tha sinn air structar le còmhdach micro / nano a leasachadh agus uachdar air atharrachadh gu ceimigeach, a tha air a bharrrachadh mar thoradh air feachd àrd capillary agus dàimh cheimigeach gus an lubricant as rèidh a chumail chun na h-ìre as motha.Tha Figear 2A a’ sealltainn pròiseas saothrachaidh iomlan LOIS.An toiseach, ullaich substrate 304 de stàilinn stainless ìre meidigeach (SS).San dàrna h-àite, tha an structar micro / nano air a chruthachadh air an substrate SS le bhith a’ sgrìobadh ceimigeach a ’cleachdadh fuasgladh searbhag hydrofluoric (HF).Gus strì an aghaidh creimeadh SS a thoirt air ais, thathas a’ cleachdadh fuasgladh searbhag nitric (HNO3) (31) gus an t-substrate eitseil a phròiseasadh.Bidh pasivation a’ cur ri strì an aghaidh creimeadh an t-substrate SS agus a’ slaodadh sìos gu mòr am pròiseas coirbeachd a dh’ fhaodadh coileanadh iomlan LOIS a lughdachadh.An uairsin, le bhith a’ cruthachadh monolayer fèin-chruinnichte (SAM) le 1H, 1H, 2H, 2H-perfluorooctyltriethoxysilane (POTS), tha an uachdar air atharrachadh gu ceimigeach gus an eadar-obrachadh ceimigeach eadar an uachdar agus an lubricant rèidh Affinity a leasachadh.Tha atharrachadh uachdar a’ lughdachadh gu mòr lùth uachdar an uachdar structaraichte meanbh / nano-sgèile, a tha a rèir lùth uachdar an lubricant rèidh.Leigidh seo leis an leann a bhith air a fhliuchadh gu tur, agus mar sin a’ cruthachadh còmhdach bealaidh seasmhach air an uachdar.Tha an uachdar atharraichte a’ nochdadh hydrophobicity leasaichte.Tha na co-dhùnaidhean a’ sealltainn gu bheil an leann sleamhainn a’ nochdadh giùlan seasmhach air LOIS mar thoradh air an dàimh cheimigeach àrd agus an fheachd capillary a dh’ adhbhraich an structar micro/nano (32, 33).Chaidh sgrùdadh a dhèanamh air na h-atharrachaidhean optigeach air uachdar SS às deidh atharrachadh uachdar agus in-stealladh bealaidh.Faodaidh an structar le còmhdach micro / nano a chaidh a chruthachadh air an uachdar atharrachaidhean lèirsinneach adhbhrachadh agus an uachdar a dhorchachadh.Tha an t-iongantas seo mar thoradh air a’ bhuaidh sgapaidh solais leasaichte air an uachdar garbh, a tha a’ meudachadh a’ mheòrachadh sgaoilte a tha air adhbhrachadh leis an inneal glacaidh solais (34).A bharrachd air an sin, às deidh an leann a bhith air a stealladh, bidh an LOIS a ’fàs nas dorcha.Bidh an còmhdach lubricating ag adhbhrachadh gum bi nas lugha de sholas air a nochdadh bhon t-substrate, agus mar sin a’ dorchachadh an LOIS.Gus am microstructure / nanostructure a bharrachadh gus an ceàrn sleamhnachaidh as lugha (SA) a nochdadh gus coileanadh an-aghaidh biofouling a choileanadh, chaidh sganadh microscopaidh dealanach (SEM) agus paidhrichean atamach a chleachdadh gus diofar amannan sgudail HF a dhèanamh (0, 3)., 15 agus 60 mionaidean) Microscope Feachd (AFM) (Figear 2B).Tha ìomhaighean SEM agus AFM a’ sealltainn gu bheil an t-substrate lom air garbh nano-sgèile neo-chòmhnard a chruthachadh às deidh ùine ghoirid de shnaidheadh ​​(3 mionaidean de shnìomh).Bidh garbhachd an uachdair ag atharrachadh leis an ùine sgudail (Figear S3).Tha an lùb eadar-dhealaichte ùine a’ sealltainn gu bheil garbhachd an uachdair a’ sìor dhol am meud agus a’ ruighinn àirde aig 15 mionaidean de shnìomh, agus an uairsin chan fhaicear ach lùghdachadh beag ann an luach garbh aig 30 mionaid de shnìomh.Aig an ìre seo, tha garbh na nano-ìre air a shnaidheadh ​​​​air falbh, fhad ‘s a tha an garbh meanbh-ìre a’ leasachadh gu làidir, a ’dèanamh an garbh atharrachadh nas seasmhaiche.Às deidh barrachd air 30 mionaid a bhith air a shnaidheadh, thathas a 'faicinn àrdachadh eile ann an garbh, a tha air a mhìneachadh gu mionaideach mar a leanas: Tha SS air a dhèanamh de stàilinn, air a chòmhdach le eileamaidean a' gabhail a-steach iarann, cromium, nicil, molybdenum agus mòran eileamaidean eile.Am measg nan eileamaidean sin, tha àite cudromach aig iarann, cromium agus molybdenum ann a bhith a’ cruthachadh garbhachd micron / nano-sgèile air an SS le searbhag HF.Anns na tràth ìrean de chreachadh, tha iarann ​​​​agus cromium air an corrachadh gu ìre mhòr leis gu bheil molybdenum nas àirde an aghaidh creimeadh na molybdenum.Mar a thèid an sgudal air adhart, bidh am fuasgladh sìolachaidh a’ ruighinn cus sùghaidh ionadail, a’ cruthachadh fluorides agus ocsaidean air adhbhrachadh le searbhag.Bidh fluoride agus ocsaid a 'sileadh agus mu dheireadh a' tasgadh air an uachdar, a 'cruthachadh garbh uachdar anns an raon micron / nano (31).Tha àite cudromach aig an garbhachd meanbh-ìre / nano-ìre seo ann am feartan fèin-slànachaidh LOIS.Bidh an uachdar sgèile dùbailte a ’toirt a-mach buaidh synergistic, a’ meudachadh gu mòr an fheachd capillary.Tha an t-iongantas seo a’ leigeil leis an leann a dhol a-steach don uachdar gu seasmhach agus a’ cur ri feartan fèin-slànachaidh (35).Tha cruthachadh garbh an urra ris an àm sìolachaidh.Fo 10 mionaidean de sgudal, chan eil anns an uachdar ach garbh nano-sgèile, nach eil gu leòr airson bealaidh gu leòr a chumail gus a bhith an-aghaidh biofouling (36).Air an làimh eile, ma tha an ùine sìolachaidh nas àirde na 30 mionaid, falbhaidh an garbh nano-sgèile a chaidh a chruthachadh le bhith ag ath-shuidheachadh iarann ​​​​agus cromium, agus cha bhith ach an garbh meanbh-sgèile air fhàgail mar thoradh air molybdenum.Chan eil garbhachd nano-sgèile air an uachdar a tha ro-shàthaichte agus bidh e a’ call buaidh synergistic garbh dà-ìre, a bheir droch bhuaidh air feartan fèin-slànachaidh LOIS.Chaidh tomhasan SA a dhèanamh air fo-stratan le diofar amannan sìolachaidh gus coileanadh an-aghaidh salachadh a dhearbhadh.Chaidh diofar sheòrsaichean de lioftaichean a thaghadh stèidhichte air slaodachd agus lùth uachdar, a’ toirt a-steach uisge deionized (DI), fuil, ethylene glycol (EG), ethanol (EtOH) agus hexadecane (HD) (Figear S4).Tha am pàtran sìolachaidh a tha eadar-dhealaichte bho àm gu àm a’ sealltainn gur e SA de LOIS às deidh 15 mionaidean de shnìomh an ìre as ìsle airson diofar lioftaichean le diofar lùths uachdar agus slaodachd.Mar sin, tha LOIS air a bharrrachadh gu etch airson 15 mionaidean gus garbhachd micron agus nano-sgèile a chruthachadh, a tha freagarrach airson a bhith a’ cumail suas seasmhachd an leann agus feartan sàr-mhath an-aghaidh salachar gu h-èifeachdach.
(A) Diagram sgeamach den phròiseas saothrachaidh ceithir-cheum aig LOIS.Tha an inset a’ sealltainn an SAM a chaidh a chruthachadh air an t-substrate.(B) Ìomhaighean SEM agus AFM, air an cleachdadh gus structar meanbh / nano an t-substrate a bharrachadh fo dhiofar amannan sgudail.Spectra X-ray photoelectron (XPS) de (C) Cr2p agus (D) F1n às deidh fulangas uachdar agus còmhdach SAM.au, aonad mi-riaghailteach.(E) Ìomhaighean riochdachail de boinneagan uisge air fo-stratan lom, eitseil, SHP agus LOIS.(F) An ceàrn conaltraidh (CA) agus tomhas SA de lioftaichean le teannachadh uachdar eadar-dhealaichte air SHP agus LOIS.Tha dàta air a chuir an cèill mar mheadhan ± SD.
An uairsin, gus an atharrachadh ann an feartan ceimigeach an uachdair a dhearbhadh, chaidh speactroscopaidh photoelectron X-ray (XPS) a chleachdadh gus sgrùdadh a dhèanamh air an atharrachadh ann an co-dhèanamh ceimigeach uachdar an t-substrate às deidh gach còmhdach uachdar.Tha Figear 2C a’ sealltainn toraidhean tomhais XPS an uachdar eitseil HF agus uachdar làimhseachadh HNO 3.Faodar an dà phrìomh stùc aig 587.3 agus 577.7 eV a thoirt air sgàth a’ cheangail Cr-O a tha ann an còmhdach chromium oxide, a tha na phrìomh eadar-dhealachadh bho uachdar eitseil HF.Tha seo gu ìre mhòr mar thoradh air caitheamh iarann ​​​​agus chromium fluoride air an uachdar le HNO3.Tha an sgrìobadh stèidhichte air HNO3 a’ leigeil le cromium còmhdach pasivating oxide a chruthachadh air an uachdar, a tha a’ fàgail an SS eitseil a-rithist an aghaidh creimeadh.Ann am Figear 2D, chaidh spectra XPS fhaighinn gus dearbhadh gun deach silane stèidhichte air fluorocarbon a chruthachadh air an uachdar às deidh còmhdach SAM, aig a bheil ath-bhualadh lionn fìor àrd eadhon airson EG, fuil agus EtOH.Tha an còmhdach SAM air a chrìochnachadh le bhith ag ath-fhreagairt buidhnean gnìomh silane le buidhnean hydroxyl air an cruthachadh le làimhseachadh plasma.Mar thoradh air an sin, chaidh àrdachadh mòr fhaicinn ann an stùcan CF2 agus CF3.Tha an lùth ceangail eadar 286 agus 296 eV a’ nochdadh gu bheil am mion-atharrachadh ceimigeach air a chrìochnachadh gu soirbheachail le còmhdach SAM.Tha SHP a 'sealltainn mullaichean coimeasach mòr CF2 (290.1 ​​eV) agus CF3 (293.3 eV), a tha air adhbhrachadh leis an silane stèidhichte air fluorocarbon a chaidh a chruthachadh air an uachdar.Tha Figear 2E a’ sealltainn ìomhaighean optigeach riochdachail de thomhasan ceàrn-conaltraidh (CA) airson diofar bhuidhnean de dh’uisge deionized ann an conaltradh le lom, eitseil, SHP, agus LOIS.Tha na h-ìomhaighean seo a’ sealltainn gu bheil an uachdar eitseil a’ fàs hydrophilic mar thoradh air an structar micro/nano a chaidh a chruthachadh le sgrìobadh ceimigeach gus am bi uisge deionized air a ghabhail a-steach don structar.Ach, nuair a tha an t-substrate air a chòmhdach le SAM, tha an t-substrate a ’nochdadh ath-bhualadh uisge làidir, agus mar sin tha SHP uachdar air a chruthachadh agus tha an raon conaltraidh eadar uisge agus an uachdar beag.Mu dheireadh, chaidh lùghdachadh ann an CA fhaicinn ann an LOIS, a dh’ fhaodar a thoirt air sgàth dol a-steach bealaidh a-steach don mhicro-structar, agus mar sin a’ meudachadh an àite conaltraidh.Gus dearbhadh gu bheil sàr shàr-ath-bhualadh leaghaidh agus feartan neo-adhesive aig an uachdar, chaidh an LOIS a choimeas ri substrate SHP le bhith a’ tomhas CA agus SA a’ cleachdadh diofar lioftaichean (Figear 2F).Chaidh diofar sheòrsaichean de lioftaichean a thaghadh stèidhichte air slaodachd agus lùth uachdar, a’ toirt a-steach uisge deionized, fuil, EG, EtOH agus HD (Figear S4).Tha toraidhean tomhais CA a 'sealltainn nuair a tha CA buailteach HD, luach lughdachadh CA, far a bheil an lùth uachdar as ìsle aig CA.A bharrachd air an sin, tha an LOIS den CA iomlan ìosal.Ach, tha tomhas na SA a’ nochdadh iongantas gu tur eadar-dhealaichte.A bharrachd air an uisge ionized, bidh a h-uile lioft a’ cumail ris an t-substrate SHP gun a bhith a ’sleamhnachadh dheth.Air an làimh eile, tha LOIS a’ sealltainn SA gu math ìosal, far am bi an leaghan gu lèir air a chlaonadh aig ceàrn nas ìsle na 10 ° gu 15 ° nuair a thèid an leaghan gu lèir a chuir dheth.Tha seo a’ sealltainn gu làidir gu bheil neo-adhesiveness LOIS nas fheàrr na uachdar SHP.A bharrachd air an sin, tha còmhdach LOIS cuideachd air a chuir an sàs ann an grunn sheòrsaichean de stuthan, a ’toirt a-steach titanium (Ti), polyphenylsulfone (PPSU), polyoxymethylene (POM), polyether ether ketone (PEEK) agus polymers bioabsorbable (PLGA), Tha iad nan stuthan orthopédic so-ghluasadach (Figear). S5)).Tha na h-ìomhaighean sreath de na boinneagan air an stuth a chaidh a làimhseachadh le LOIS a’ sealltainn gu bheil na feartan anti-biofouling aig LOIS an aon rud air a h-uile substrate.A bharrachd air an sin, tha toraidhean tomhais CA agus SA a’ sealltainn gum faodar feartan neo-adhesive LOIS a chuir an sàs ann an stuthan eile.
Gus feartan an-aghaidh salachadh LOIS a dhearbhadh, chaidh diofar sheòrsan de fho-stratan (a’ gabhail a-steach lom, eitseil, SHP agus LOIS) a bhrosnachadh le Pseudomonas aeruginosa agus MRSA.Chaidh an dà lobhag seo a thaghadh mar bacteria ospadail riochdachail, a dh ’fhaodadh leantainn gu cruthachadh biofilms, a’ leantainn gu SSI (37).Tha Figear 3 (A agus B) a’ sealltainn ìomhaighean miocroscop fluorescence agus toraidhean tomhais aonad cruthachaidh coloinidh (CFU) de na fo-stratan a chaidh a thoirt a-steach don chasg bactaraidh airson geàrr-ùine (12 uairean) agus fad-ùine (72 uair), fa leth.Ann an ùine ghoirid, bidh bacteria a 'cruthachadh chlàran agus a' fàs ann am meud, gan còmhdach fhèin le stuthan coltach ri mucus agus a 'cur casg air an toirt air falbh.Ach, rè an goir 72-uair, bidh na bacteria a’ tighinn gu ìre agus bidh iad furasta an sgapadh gus barrachd choloinidhean no cruinneachaidhean a chruthachadh.Mar sin, faodar beachdachadh gu bheil goir 72-uair san fhad-ùine agus gur e an ùine brosnachaidh iomchaidh airson biofilm làidir a chruthachadh air an uachdar (38).Ann an ùine ghoirid, sheall an uachdar eitseil agus uachdar an SHP adhesion bacterial, a chaidh a lughdachadh le timcheall air 25% gu 50% an taca ris an t-substrate lom.Ach, air sgàth a choileanadh sàr-mhath an-aghaidh biofouling agus seasmhachd, cha do sheall LOIS adhesion biofilm bacterial sa gheàrr-ùine agus san fhad-ùine.Tha an diagram sgeamach (Figear 3C) a’ toirt cunntas air a’ mhìneachadh air an dòigh salachadh an-aghaidh bith-eòlasach den fhuasgladh sgudail, SHP agus LOIS.Thathas den bheachd gum bi farsaingeachd uachdar nas motha aig an t-substrate eitsichte le feartan hydrophilic na an t-substrate lom.Mar sin, bidh barrachd greimeachadh bacteriach a’ tachairt air an t-substrate eitseil.Ach, an taca ris an t-substrate lom, tha mòran nas lugha de biofilm air an uachdar air an t-substrate eitseil.Tha seo air sgàth gu bheil moileciuilean uisge a’ ceangal gu daingeann ris an uachdar hydrophilic agus ag obair mar inneal airson uisge, agus mar sin a’ cur bacadh air greimeachadh bacteria sa gheàrr-ùine (39).Ach, tha an ìre de mholacilean uisge gu math tana agus so-sgaoilte ann an crochaidhean bactaraidh.Mar sin, bidh an còmhdach moileciuil uisge a ’dol à sealladh airson ùine mhòr, a’ leantainn gu greimeachadh farsaing de bacteria agus iomadachadh.Airson SHP, mar thoradh air na feartan geàrr-ùine neo-fhliuch aige, tha casg air greimeachadh bacterial.Faodar an adhesion bacterial lùghdaichte a thoirt air sgàth pòcaidean èadhair glaiste anns an structar sreathach agus lùth uachdar nas ìsle, agus mar sin a’ lughdachadh conaltradh eadar an crochadh bacteriach agus an uachdar.Ach, chaidh gèilleadh farsaing bacterial fhaicinn ann an SHP oir chaill e na feartan an-aghaidh salachar airson ùine mhòr.Tha seo gu ìre mhòr mar thoradh air mar a chaidh pòcaidean adhair à bith mar thoradh air cuideam uisgeachaidh agus sgaoileadh èadhair ann an uisge.Tha seo gu ìre mhòr mar thoradh air mar a chaidh pòcaidean adhair à bith mar thoradh air sgaoileadh agus an structar sreathach a tha a’ toirt seachad farsaingeachd uachdar nas motha airson adhesion (27, 40).Eu-coltach ris an dà fho-strat seo aig a bheil buaidh chudromach air seasmhachd san fhad-ùine, tha an leann bealaidh a tha ann an LOIS air a thoirt a-steach don structar micro / nano agus cha tèid e à sealladh eadhon san fhad-ùine.Tha bealaidh làn de structaran micro / nano gu math seasmhach agus air an tàladh gu làidir chun uachdar air sgàth an dàimh cheimigeach àrd aca, agus mar sin a’ cur casg air greimeachadh bacteriach airson ùine mhòr.Tha Figear S6 a’ sealltainn ìomhaigh miocroscop meòrachaidh de fho-strat le lionn air a bhogadh ann an saline buffered fosfáit (PBS).Tha ìomhaighean leantainneach a’ sealltainn, eadhon às deidh 120 uair de chrathadh beag (120 rpm), gu bheil an còmhdach bealaidh air an LOIS fhathast gun atharrachadh, a’ nochdadh seasmhachd fad-ùine fo chumhachan sruthadh.Tha seo mar thoradh air an dàimh àrd ceimigeach eadar an còmhdach SAM stèidhichte air fluorine agus an leann stèidhichte air perfluorocarbon, gus an tèid còmhdach bealaidh seasmhach a chruthachadh.Mar sin, thathas a’ cumail suas an coileanadh an-aghaidh salachar.A bharrachd air an sin, chaidh an t-substrate a dhearbhadh an aghaidh pròtainean riochdachail (albumin agus fibrinogen), a tha ann am plasma, ceallan a tha dlùth cheangailte ri gnìomh dìon (macrophages agus fibroblasts), agus an fheadhainn co-cheangailte ri cruthachadh cnàimh.Tha susbaint calcium gu math àrd.(Figear 3D, 1 agus 2, agus Figear S7) (41, 42).A bharrachd air an sin, sheall ìomhaighean microsgop fluorescence den deuchainn adhesion airson fibrinogen, albumin agus calcium feartan eadar-dhealaichte de gach buidheann substrate (Figear S8).Nuair a thèid cnàimh a chruthachadh, faodaidh sreathan cnàimh agus calcium a bhith timcheall air an implant orthopédic, a tha chan ann a-mhàin ga dhèanamh duilich a thoirt air falbh, ach a dh’ fhaodadh cron ris nach robh dùil a thoirt don euslainteach tron ​​​​phròiseas toirt air falbh.Mar sin, tha ìrean ìosal de thasgadh calcium air lannan cnàimh agus sgriothan buannachdail airson lannsaireachd orthopédic a dh’ fheumas toirt air falbh implant.Stèidhichte air tomhas na sgìre ceangailte stèidhichte air dian fluorescence agus an àireamh cheallan, dhearbh sinn gu bheil LOIS a’ nochdadh feartan sàr-mhath an-aghaidh bith-chonnadh airson a h-uile stuth bith-eòlasach an taca ri fo-stratan eile.A rèir toraidhean deuchainnean in vitro, faodar an LOIS salachar an-aghaidh bith-eòlasach a chuir an sàs ann an implantan orthopédic, a dh’ fhaodadh chan e a-mhàin casg a chuir air galairean air adhbhrachadh le bacteria biofilm, ach cuideachd lughdachadh sèid a dh ’adhbhraicheas siostam dìon gnìomhach na buidhne.
(A) Ìomhaighean microsgop fluorescence de gach buidheann (rùisgte, eitseil, SHP agus LOIS) air an gortachadh ann an stadan Pseudomonas aeruginosa agus MRSA airson 12 agus 72 uairean.(B) An àireamh de CFU leantainneach de Pseudomonas aeruginosa agus MRSA air uachdar gach buidheann.(C) Diagram sgeamach den uidheamachd salachadh an-aghaidh bith-eòlasach airson sìoladh geàrr-ùine is fad-ùine, SHP agus LOIS.(D) (1) Bha an àireamh de fibroblasts a ’cumail ri gach substrate agus ìomhaighean microsgop fluorescence de na ceallan a’ cumail ris an lom agus LOIS.(2) Deuchainn adhesion de phròtainean co-cheangailte ri dìonachd, albumin agus calcium a tha an sàs anns a 'phròiseas slànachaidh cnàimh (* P <0.05, ** P <0.01, *** P <0.001 agus **** P <0.0001).ns, chan eil e cudromach.
A thaobh cuideaman dùmhail nach gabh a sheachnadh, tha seasmhachd meacanaigeach air a bhith na phrìomh dhùbhlan a-riamh airson a bhith a’ cleachdadh chòtaichean antifouling.Tha modhan gel traidiseanta an-aghaidh òtrachas stèidhichte air polymers le sùbailteachd uisge ìosal agus cugallachd.Mar sin, mar as trice bidh iad buailteach do chuideam meacanaigeach ann an tagraidhean bith-mheidigeach.Mar sin, tha còmhdach antifouling a tha seasmhach gu meacanaigeach fhathast na dhùbhlan airson tagraidhean leithid implantan orthopédic (43, 44).Tha Figear 4A(1) a’ sealltainn an dà phrìomh sheòrsa cuideam a chuirear an sàs ann an implantan orthopédic, a’ toirt a-steach sgrìobadh (cuideam rùsgaidh) agus teannachadh le ìomhaigh optigeach an implant millte a rinn na feachdan.Mar eisimpleir, nuair a tha an sgriubha air a theannachadh le screwdriver, no nuair a bhios an lannsair a’ cumail a’ phlàta cnàimh gu teann le tweezers agus a’ cur an sàs feachd teannachaidh, thèid am plàta cnàimh plastaig a mhilleadh agus a sgrìobadh air an dà chuid na lannan macro agus meanbh / nano (Figear 4A, 2).Gus deuchainn a dhèanamh an urrainn don LOIS saothraichte seasamh an aghaidh na milleadh sin rè obair-lannsa plastaig, chaidh nanoindentation a dhèanamh gus coimeas a dhèanamh eadar cruas an t-substrate lom agus an LOIS air an sgèile micro / nano gus sgrùdadh a dhèanamh air feartan meacanaigeach structar meanbh / nano Buaidh (Figear). 4B).Tha an diagram sgeamach a’ sealltainn giùlan mì-atharrachaidh eadar-dhealaichte LOIS air sgàth gu bheil structaran micro/nano ann.Chaidh lùb gluasad feachd a tharraing stèidhichte air toraidhean nan anoindentation (Figear 4C).Tha an ìomhaigh ghorm a’ riochdachadh an t-substrate lom, nach eil a’ sealltainn ach beagan deformachadh, mar a chithear leis an doimhneachd indentation as àirde de 0.26-μm.Air an làimh eile, faodaidh an àrdachadh mean air mhean ann am feachd nanoindentation agus gluasad a chaidh fhaicinn ann an LOIS (lùb dearg) comharran de fheartan meacanaigeach nas lugha a nochdadh, a’ leantainn gu doimhneachd nanoindentation de 1.61μm.Tha seo air sgàth gu bheil an structar micro / nano a tha an làthair anns an LOIS a’ toirt seachad àite adhartais nas doimhne airson bàrr an nanoindenter, agus mar sin tha an deformachadh aige nas motha na an t-substrate lom.Konsta-Gdoutos et al.(45) den bheachd gu bheil mar thoradh air làthaireachd nanostructures, nanoindentation agus garbh micro / nano a’ leantainn gu lùban nanoindentation neo-riaghailteach.Tha an raon dubhar a’ freagairt ris an lùb deformation neo-riaghailteach a tha air a thoirt don nanostructure, fhad ‘s a tha an raon gun sgàil air a thoirt don mhicro-structar.Dh’ fhaodadh an deformachadh seo milleadh a dhèanamh air microstructure / nanostructure an leann gleidhidh agus droch bhuaidh a thoirt air a choileanadh an-aghaidh salachar.Gus sgrùdadh a dhèanamh air buaidh milleadh air LOIS, chaidh milleadh do-sheachanta air structaran micro / nano ath-aithris sa bhodhaig rè obair-lannsa plastaig.Le bhith a’ cleachdadh deuchainnean fala agus pròtain adhesion, faodar seasmhachd feartan anti-biofouling LOIS às deidh in vitro a dhearbhadh (Figear 4D).Tha sreath de dhealbhan optigeach a’ sealltainn a’ mhillidh a thachair faisg air tuill gach substrate.Chaidh deuchainn adhesion fala a dhèanamh gus buaidh milleadh meacanaigeach air a’ chòmhdach an-aghaidh biofouling (Figear 4E) a nochdadh.Coltach ri SHP, tha na feartan an-aghaidh salachadh air an call mar thoradh air milleadh, agus tha LOIS a’ taisbeanadh deagh fheartan an-aghaidh salachar le bhith a’ toirt air falbh fuil.Tha seo air sgàth, leis gu bheil lùth an uachdar air a stiùireadh leis a’ ghnìomhachd capillary a tha a’ còmhdach an àite a tha air a mhilleadh, gu bheil an t-sruth anns an inneal bealaidh microstructured ag ath-nuadhachadh feartan an-aghaidh salachar (35).Chaidh an aon ghluasad fhaicinn anns an deuchainn adhesion pròtain a’ cleachdadh albumin.Anns an raon a tha air a mhilleadh, thathas a ’cumail sùil gu farsaing air gèilleadh pròtain air uachdar SHP, agus le bhith a’ tomhas a chòmhdach sgìre, faodar a thomhas mar leth de ìre adhesion an t-substrate lom.Air an làimh eile, chùm LOIS na feartan anti-biofouling aige gun a bhith ag adhbhrachadh gèilleadh (Figear 4, F agus G).A bharrachd air an sin, bidh uachdar an sgriubha gu tric fo uallach làidir meacanaigeach, leithid drileadh, agus mar sin rinn sinn sgrùdadh air comas còmhdach LOIS fuireach slàn air an sgriubha in vitro.Tha Figear 4H a 'sealltainn ìomhaighean optigeach de dhiofar sgriothan, a' gabhail a-steach lom, SHP agus LOIS.Tha an ceart-cheàrnach dearg a’ riochdachadh an raon targaid far a bheil cuideam làidir meacanaigeach a’ tachairt nuair a thèid cnàimh a chuir a-steach.Coltach ri deuchainn adhesion pròtain a ’phlàta, thathas a’ cleachdadh miocroscop fluorescence gus ìomhaigh a dhèanamh air adhesion pròtain agus gus an raon còmhdaich a thomhas gus ionracas còmhdach LOIS a dhearbhadh, eadhon fo chuideam làidir meacanaigeach (Figear 4, I agus J).Tha na sgriothan air an làimhseachadh le LOIS a’ taisbeanadh coileanadh sàr-mhath an-aghaidh salachar, agus cha mhòr nach eil pròtain sam bith a’ cumail ris an uachdar.Air an làimh eile, chaidh gèilleadh pròtain a choimhead ann an sgriothan rùisgte agus sgriothan SHP, far an robh còmhdach sgìre sgriothan SHP an treas cuid de na sgriothan lom.A bharrachd air an sin, feumaidh an implant orthopédic a thathar a’ cleachdadh airson socrachadh a bhith làidir gu meacanaigeach gus seasamh an aghaidh an cuideam a chuirear air làrach briste, mar a chithear ann am Figear 4K.Mar sin, chaidh deuchainn cromadh a dhèanamh gus faighinn a-mach dè a’ bhuaidh a tha aig atharrachadh ceimigeach air feartan meacanaigeach.A bharrachd air an sin, tha seo air a dhèanamh gus an cuideam stèidhichte bhon implant a chumail suas.Cuir feachd meacanaigeach dìreach an sàs gus am bi an implant làn fhillte agus gum faighear lùb cuideam-cuideam (Figear 4L, 1).Chaidh dà thogalach a’ gabhail a-steach modulus Young agus neart sùbailte a choimeas eadar fo-stratan lom agus LOIS mar chomharran air an neart meacanaigeach aca (Figear 4L, 2 agus 3).Tha modulus Young a 'comharrachadh comas stuth gus atharrachaidhean meacanaigeach a sheasamh.Is e modulus Young de gach substrate 41.48 ± 1.01 agus 40.06 ± 0.96 GPa, fa leth;Tha an eadar-dhealachadh a chaidh fhaicinn timcheall air 3.4%.A bharrachd air an sin, thathar ag aithris gur e an neart cromadh, a tha a’ dearbhadh cruas an stuth, 102.34 ± 1.51 GPa airson an t-substrate lom agus 96.99 ± 0.86 GPa airson SHP.Tha an t-substrate lom timcheall air 5.3% nas àirde.Dh’ fhaodadh an lùghdachadh beag ann an feartan meacanaigeach a bhith air adhbhrachadh leis a’ bhuaidh notch.Anns a ’bhuaidh notch, faodaidh an garbh micro / nano a bhith mar sheata de notaichean, a’ leantainn gu dùmhlachd cuideam ionadail agus a ’toirt buaidh air feartan meacanaigeach an implant (46).Ach, stèidhichte air an fhìrinn gu bheilear ag aithris gu bheil stiffness cnàimh cortical daonna eadar 7.4 agus 31.6 GPa, agus gu bheil am modulus LOIS tomhaiste nas àirde na cnàimh cortical daonna (47), tha an LOIS gu leòr gus taic a thoirt don bhriseadh agus an ìre iomlan aige. chan eil ach glè bheag de bhuaidh aig atharrachadh uachdar air feartan meacanaigeach.
(A) Diagram sgeamach de (1) an cuideam meacanaigeach a chuirear air an implant orthopédic rè an obrachaidh, agus (2) ìomhaigh optigeach an implant orthopédic millte.(B) Diagram sgeamach de fheartan nano-meacanaigeach a’ tomhas le nanoindentation agus LOIS air an uachdar lom.(C) Nanoindentation force-displacement lùb de uachdar lom agus LOIS.(D) Às deidh deuchainnean in vitro, atharrais air na h-ìomhaighean optigeach de dhiofar sheòrsan lannan orthopédic (tha an raon millte air a chomharrachadh le ceart-cheàrnach dearg) gus atharrais air an cuideam meacanaigeach a dh’ adhbhraicheas rè an obrachaidh.(E) Deuchainn gluasaid fala agus (F) deuchainn adhesion pròtain den bhuidheann truinnsear orthopédic millte.(G) Tomhais còmhdach sgìre a’ phròtain a tha a’ cumail ris a’ phlàta.(H) Ìomhaighean optigeach de dhiofar sheòrsan sgriothan orthopédic às deidh an deuchainn in vitro.(I) Deuchainn adhesion pròtain gus sgrùdadh a dhèanamh air ionracas diofar chòtaichean.(J) Tomhais còmhdach sgìre a ’phròtain a’ cumail ris an sgriubha.(K) Tha gluasad a’ choineanach an dùil cuideam stèidhichte a ghineadh air a’ chnàimh briste.(L) (1) Bend toraidhean deuchainn agus ìomhaighean optigeach ro agus às deidh lùbadh.An diofar ann an (2) modulus Young agus (3) neart cromadh eadar implant lom agus SHP.Tha dàta air a chuir an cèill mar mheadhan ± SD (*P <0.05, **P <0.01, ***P <0.001 agus ****P <0.0001).Dealbh le cead: Kyomin Chae, Oilthigh Yonsei.
Ann an suidheachaidhean clionaigeach, tha a ‘mhòr-chuid de chonaltradh bacterial le stuthan bith-eòlasach agus làraich leòn a’ tighinn bho biofilms aibidh, aibidh (48).Mar sin, tha Ionadan na SA airson Smachd agus Bacadh Galaran a’ dèanamh a-mach gu bheil 65% de ghalaran daonna co-cheangailte ri biofilms (49).Anns a ’chùis seo, feumar dealbhadh deuchainneach in vivo a thoirt seachad a bheir seachad cruthachadh biofilm cunbhalach air uachdar an implant.Mar sin, leasaich sinn modal bristeadh femoral coineanach anns an robh implantan orthopédic air an toirt a-steach ro-làimh ann an casg bactaraidh agus an uairsin air an cuir a-steach ann am femurs coineanach gus sgrùdadh a dhèanamh air feartan an-aghaidh salachar LOIS in vivo.Mar thoradh air na trì fìrinnean cudromach a leanas, tha galairean bactaraidh air an adhbhrachadh le ro-chultar seach a bhith a’ toirt a-steach casgan bactaraidh gu dìreach: (i) Tha siostam dìon choineanaich gu nàdarrach nas làidire na siostam dhaoine;mar sin, tha e comasach casg a chuir air bacaidhean bactaraidh agus bacteria planctanach Chan eil buaidh sam bith aige air cruthachadh biofilms.(Ii) Tha bacteria planktonic nas buailtiche do antibiotics, agus mar as trice bidh antibiotics air an cleachdadh às deidh lannsaireachd;mu dheireadh, (iii) faodar an crochadh bactaraidh planctanach a lagachadh le lionntan corp an ainmhidh (50).Le bhith a’ ro-àiteachadh an implant ann an crochadh bactaraidh mus tèid a chuir a-steach, is urrainn dhuinn sgrùdadh mionaideach a dhèanamh air na buaidhean cronail a tha aig galairean bactaraidh agus ath-bhualadh bodhaig cèin (FBR) air a’ phròiseas slànachaidh chnàmhan.Chaidh na coineanaich a thoirt seachad 4 seachdainean às deidh an toirt a-steach, oir thèid an osseointegration a tha riatanach airson pròiseas slànachaidh cnàimh a chrìochnachadh taobh a-staigh 4 seachdainean.An uairsin, chaidh na h-implantan a thoirt air falbh bho na coineanaich airson sgrùdaidhean sìos an abhainn.Tha Figear 5A a’ sealltainn uidheamachd iomadachaidh bacteria.Tha an implant orthopedic gabhaltach air a thoirt a-steach don bhodhaig.Mar thoradh air ro-ghoir ann an casg bactaraidh, bha sia de na sia coineanaich a chaidh a chuir a-steach le implantan rùisgte air an galar, agus cha robh gin de na coineanaich a chaidh a chuir a-steach le implantan air an làimhseachadh le LOIS air an galar.Bidh galairean bacteriach a’ dol air adhart ann an trì ceumannan, a’ toirt a-steach fàs, aibidh agus sgapadh (51).An toiseach, bidh na bacteria ceangailte a 'gintinn agus a' fàs air an uachdar, agus an uairsin bidh na bacteria a 'dèanamh biofilm nuair a bhios iad a' toirt a-mach polymer extracellular (EPS), amyloid agus DNA extracellular.Chan e a-mhàin gu bheil Biofilm a’ cur bacadh air dol a-steach antibiotics, ach bidh e cuideachd a’ brosnachadh cruinneachadh de dh’ einnseanan a tha a’ lughdachadh antibiotic (leithid β-lactamase) (52).Mu dheireadh, bidh am biofilm a’ sgaoileadh na bacteria aibidh a-steach do na stuthan mun cuairt.Mar sin, tha galar a 'tachairt.A bharrachd air an sin, nuair a thig buidheann cèin a-steach don bhodhaig, faodaidh galar a dh’ fhaodadh freagairt dìon làidir adhbhrachadh gu mòr sèid, pian, agus lughdachadh dìonachd.Tha Figear 5B a’ toirt sealladh farsaing air an FBR air adhbhrachadh le bhith a’ cuir a-steach implant orthopédic, seach an fhreagairt dìon air adhbhrachadh le galar bactaraidh.Tha an siostam dìon ag aithneachadh an implant a chaidh a chuir a-steach mar bhuidheann cèin, agus an uairsin ag adhbhrachadh gum bi na ceallan agus na figheagan a ’freagairt gus a’ bhuidheann cèin a ghlacadh (53).Anns na làithean tràtha de FBR, chaidh matrix solarachaidh a chruthachadh air uachdar implantan orthopédic, a lean gu bhith a ’toirt a-steach fibrinogen.Bidh an fibrinogen adsorbed an uairsin a’ cruthachadh lìonra fibrin gu math dùmhail, a bhrosnaicheas ceangal leukocytes (54).Aon uair ‘s gu bheil an lìonra fibrin air a chruthachadh, bidh sèid gann a’ tachairt mar thoradh air in-shìoladh neutrophils.Anns a 'cheum seo, tha measgachadh de cytokines leithid tumor necrosis factor-α (TNF-α), interleukin-4 (IL-4) agus IL-β air an leigeil ma sgaoil, agus bidh monocytes a' tòiseachadh a 'toirt a-steach làrach an in-ghabhail agus ag eadar-dhealachadh gu ceallan mòra.Phage (41, 55, 56).Tha lughdachadh FBR air a bhith na dhùbhlan a-riamh oir faodaidh cus FBR sèid gruamach agus leantainneach adhbhrachadh, a dh’ fhaodadh duilgheadasan marbhtach adhbhrachadh.Gus measadh a dhèanamh air buaidh ghalaran bactaraidh anns na stuthan timcheall air an implant lom agus LOIS, chaidh staining hematoxylin agus eosin (H&E) agus Masson trichrome (MT) a chleachdadh.Airson coineanaich air an cuir a-steach le fo-stratan lom, chaidh fìor ghalaran bactaraidh air adhart, agus sheall sleamhnagan clò H&E gu soilleir abscesses agus necrosis air adhbhrachadh le sèid.Air an làimh eile, tha an uachdar làidir an-aghaidh biofouling LOIS a’ cur bacadh air greimeachadh bacteriach, agus mar sin chan eil e a’ nochdadh comharran gabhaltachd agus a’ lughdachadh sèid (Figear 5C).Sheall toraidhean staining MT an aon ghluasad.Ach, sheall staining MT edema ann an coineanaich a chaidh a chuir a-steach le LOIS, a ’nochdadh gu bheil ath-bheothachadh gu bhith a’ tachairt (Figear 5D).Gus sgrùdadh a dhèanamh air an ìre de fhreagairt dìon, chaidh staining immunohistochemical (IHC) a dhèanamh a 'cleachdadh cytokines TNF-α agus IL-6 co-cheangailte ri freagairt dìon.Chaidh implant àicheil rùisgte nach robh fosgailte do bacteria a choimeas ri LOIS a bha fosgailte do bacteria ach nach robh air a ghalachadh gus sgrùdadh a dhèanamh air a’ phròiseas slànachaidh às aonais galar bactaraidh.Tha Figear 5E a 'sealltainn ìomhaigh optigeach de shleamhnag IHC a tha a' cur an cèill TNF-α.Tha an raon donn a’ riochdachadh an fhreagairt dìon, a’ nochdadh gu bheil am freagairt dìon ann an LOIS air a lughdachadh beagan.A bharrachd air an sin, bha an abairt IL-6 ann an LOIS gu math nas lugha na an abairt àicheil de rùisgte sterile (Figear 5F).Chaidh an abairt cytokine a thomhas le bhith a’ tomhas farsaingeachd staining antibody a rèir an cytokine (Figear 5G).An coimeas ris na coineanaich a bha fosgailte do na h-implantan àicheil, bha ìrean faireachdainn nan coineanaich a chaidh a chuir a-steach le LOIS nas ìsle, a’ nochdadh eadar-dhealachadh brìoghmhor.Tha an lùghdachadh ann an abairt cytokine a’ nochdadh gu bheil na feartan fad-ùine, seasmhach an-aghaidh mealladh LOIS chan ann a-mhàin co-cheangailte ri casg air galairean bactaraidh, ach cuideachd ri lùghdachadh FBR, a tha air a bhrosnachadh le macrophages a’ cumail ris an t-substrate (53, 57, 58).Mar sin, dh’ fhaodadh an fhreagairt dìon lùghdaichte mar thoradh air feartan seachnaidh dìonachd LOIS na fo-bhuaidhean fhuasgladh às deidh cuir a-steach, leithid cus freagairt dìonach às deidh lannsaireachd plastaig.
(A) Diagram sgeamach den uidheamachd airson cruthachadh biofilm agus sgaoileadh air uachdar implant orthopédic gabhaltach.eDNA, DNA extracellular.(B) Diagram sgeamach de fhreagairt dìon às deidh cuir a-steach implant orthopédic.(C) staining H&E agus (D) staining MT de na stuthan timcheall air implantan orthopédic le lom dearbhach agus LOIS.Tha IHC de cytokines co-cheangailte ri dìon (E) TNF-α agus (F) IL-6 nan ìomhaighean dathte de choineanaich rùisgte-àicheil agus LOIS.(G) Meudachadh abairt cytokine a rèir tomhas còmhdach sgìre (** P <0.01).
Chaidh biocompatibility LOIS agus a bhuaidh air pròiseas slànachaidh cnàimh a sgrùdadh ann an vivo a’ cleachdadh ìomhaighean breithneachaidh [x-ray agus tomagrafaidheachd meanbh-choimpiutair (CT)] agus osteoclast IHC.Tha Figear 6A a’ sealltainn a’ phròiseas slànachaidh cnàimh anns a bheil trì ìrean eadar-dhealaichte: sèid, càradh, agus ath-dhealbhadh.Nuair a thachras bristeadh, thèid ceallan sèid agus fibroblasts a-steach don chnàmh briste agus tòisichidh iad a’ fàs a-steach don inneal falamh.Rè an ìre càraidh, bidh an t-sruth de stuth falamh a 'sgaoileadh faisg air làrach briste.Bidh maothran falamh a 'toirt seachad mathachadh airson cnàimh ùr a chruthachadh, ris an canar callus.Is e an ìre mu dheireadh den phròiseas slànachaidh cnàimh an ìre ath-dhealbhachaidh, anns a bheil meud an callus air a lùghdachadh gu meud cnàimh àbhaisteach le cuideachadh bho àrdachadh ann an ìre osteoclasts gnìomhaichte (59).Chaidh ath-thogail trì-thaobhach (3D) den làrach briste a dhèanamh a’ cleachdadh sganaidhean meanbh-CT gus na h-eadar-dhealachaidhean ann an ìre cruthachadh callus anns gach buidheann fhaicinn.Thoir sùil air crois-earrann an fhùirneis gus sùil a thoirt air tiugh an callus timcheall air a’ chnàimh briste (Figear 6, B agus C).Chaidh X-ghathan a chleachdadh cuideachd airson sgrùdadh a dhèanamh air làraich briste de gach buidheann gach seachdain gus sùil a thoirt air na diofar phròiseasan ath-nuadhachadh cnàimh anns gach buidheann (Figear S9).Tha callus agus cnàmhan aibidh air an sealltainn ann an gorm/uaine agus ìbhri, fa leth.Tha a’ mhòr-chuid de stuthan bog air an sìoladh a-mach le stairsneach ro-shuidhichte.Dhearbh Nude positive agus SHP gun deach beagan callus a chruthachadh timcheall air an làrach briste.Air an làimh eile, tha an àicheil fosgailte de LOIS agus an làrach briste air an cuairteachadh le callus tiugh.Sheall ìomhaighean meanbh-CT gun robh cruthachadh callus air a bhacadh le galairean bactaraidh agus sèid co-cheangailte ri galairean.Tha seo air sgàth gu bheil an siostam dìon a’ toirt prìomhachas do shlànachadh leòn septic air adhbhrachadh le sèid co-cheangailte ri galairean, seach faighinn air ais cnàimh (60).Chaidh staining Acid Phosphatase (TRAP) a tha an aghaidh tartrate agus IHC a dhèanamh gus sùil a chumail air gnìomhachd osteoclast agus ath-nuadhachadh cnàimh (Figear 6D) (61).Cha deach ach beagan osteoclasts gnìomhaichte le dath purpaidh a lorg ann an nithean rùisgte agus SHP.Air an làimh eile, chaidh mòran osteoclasts gnìomhaichte fhaicinn faisg air cnàmhan rùisgte agus aibidh LOIS.Tha an t-iongantas seo a’ nochdadh, ann an làthaireachd osteoclasts, gu bheil an callus timcheall air an làrach briste a’ dol tro phròiseas ath-dhealbhachaidh fòirneartach (62).Chaidh tomhas-lìonaidh cnàimh agus raon faireachdainn osteoclast den callus a thomhas gus coimeas a dhèanamh eadar an ìre de chruthachadh callus timcheall air an làrach briste anns a h-uile buidheann, gus tomhas a dhèanamh air toraidhean scan micro-CT agus IHC (Figear 6E, 1 agus 2).Mar a bhiodh dùil, bha na àicheil rùisgte agus cruthachadh callus ann an LOIS gu math nas àirde na anns na buidhnean eile, a’ nochdadh gun do thachair ath-dhealbhadh cnàimh adhartach (63).Tha Figear S10 a’ sealltainn ìomhaigh optigeach an làraich lannsaireachd, toradh staining MT den stuth a chaidh a chruinneachadh faisg air an sgriubha, agus toradh staining TRAP a’ soilleireachadh an eadar-aghaidh cnàimh-sgriubha.Anns an t-substrate lom, chaidh callus làidir agus cruthachadh fibrosis a choimhead, fhad ‘s a bha an implant a chaidh a làimhseachadh le LOIS a’ nochdadh uachdar an ìre mhath neo-ghlèidhte.San aon dòigh, an taca ri àicheil rùisgte, chaidh fibrosis nas ìsle fhaicinn ann an coineanaich air an cuir a-steach le LOIS, mar a chithear leis na saighdean geal.A bharrachd air an sin, faodar an edema daingeann (saighead ghorm) a thoirt air sgàth feartan dìon-dìon LOIS, agus mar sin a’ lughdachadh sèid mòr.Tha an uachdar neo-mhaide timcheall an implant agus fibrosis lùghdaichte a’ moladh gu bheil am pròiseas toirt air falbh nas fhasa, a bhios mar as trice a’ leantainn gu briseadh no sèid eile.Chaidh am pròiseas slànachaidh cnàimh às deidh toirt air falbh sgriubha a mheasadh le gnìomhachd osteoclast aig an eadar-aghaidh sgriubha-cnàimh.Ghabh an dà chuid cnàimh lom agus eadar-aghaidh implant LOIS a-steach ìrean co-chosmhail de osteoclasts gus tuilleadh slànachadh cnàimh, a’ nochdadh nach eil droch bhuaidh aig còmhdach LOIS air slànachadh cnàimh no freagairt dìon.Gus dearbhadh nach eil an atharrachadh uachdar a chaidh a dhèanamh air an LOIS a 'cur bacadh air a' phròiseas slànachaidh cnàimh, chaidh sgrùdadh X-ray a chleachdadh gus coimeas a dhèanamh eadar slànachadh cnàimh nan coineanaich le ionsan àicheil fosgailte agus 6 seachdainean de chuir a-steach LOIS (Figear 6F).Sheall na toraidhean, an coimeas ris a’ bhuidheann nude dearbhach gun dìon, gun do sheall LOIS an aon ìre de shlànachadh chnàmhan, agus cha robh comharran follaiseach ann de bhriseadh (loidhne osteolysis leantainneach) anns an dà bhuidheann.
(A) Diagram sgeamach de phròiseas slànachaidh cnàimh às deidh briseadh.(B) An eadar-dhealachadh anns an ìre de chruthachadh callus de gach buidheann uachdar agus (C) an ìomhaigh tar-roinneil den làrach briste.(D) staining TRAP gus gnìomhachd osteoclast agus faochadh cnàimh fhaicinn.Stèidhichte air gnìomhachd TRAP, chaidh cruthachadh callus taobh a-muigh de chnàmh cortical a sgrùdadh gu cainneachdail le gnìomhachd (E) (1) meanbh-CT agus (2) osteoclast.(F) 6 seachdainean às deidh an toirt a-steach, ìomhaighean X-ray de chnàmh briste an àicheil nochdte (air a chomharrachadh leis an ceart-cheàrnach dearg briste) agus LOIS (air a chomharrachadh leis an ceart-cheàrnach gorm).Chaidh mion-sgrùdadh staitistigeil a dhèanamh le mion-sgrùdadh aon-shligheach air caochlaidheachd (ANOVA).* P <0.05.** P <0.01.
Ann an ùine ghoirid, tha LOIS a’ toirt seachad seòrsa ùr de ro-innleachd gabhaltachd antibacterial agus còmhdach teicheadh ​​​​dìonach airson implantan orthopédic.Bidh implantan orthopédic àbhaisteach le gnìomhachd SHP a’ nochdadh feartan geàrr-ùine an-aghaidh biofouling, ach chan urrainn dhaibh na feartan aca a chumail suas airson ùine mhòr.Bidh superhydrophobicity an t-substrate a ’glacadh builgeanan èadhair eadar na bacteria agus an t-substrate, mar sin a’ cruthachadh phòcaidean èadhair, agus mar sin a ’cur casg air galairean bacteriach.Ach, mar thoradh air sgaoileadh èadhair, tha na pòcaidean adhair sin furasta an toirt air falbh.Air an làimh eile, tha LOIS air dearbhadh gu bheil comas aige casg a chuir air galairean co-cheangailte ri biofilm.Mar sin, mar thoradh air feartan an-aghaidh diùltadh an t-sreath bealaidh a chaidh a chuir a-steach don uachdar structar micro / nano le còmhdach, faodar casg a chuir air sèid co-cheangailte ri galairean.Thathas a’ cleachdadh diofar dhòighean caractar a’ toirt a-steach tomhasan SEM, AFM, XPS agus CA gus suidheachadh saothrachaidh LOIS a bharrachadh.A bharrachd air an sin, faodar LOIS a chuir an sàs ann an grunn stuthan bith-eòlasach a thathas a’ cleachdadh gu cumanta ann an uidheamachd socrachadh orthopédic, leithid PLGA, Ti, PE, POM agus PPSU.An uairsin, chaidh LOIS a dhearbhadh in vitro gus na feartan anti-biofouling aige a dhearbhadh an-aghaidh bacteria agus stuthan bith-eòlasach co-cheangailte ri freagairt dìon.Tha na toraidhean a’ sealltainn gu bheil buaidhean antibacterial agus anti-biofouling sàr-mhath aige an taca ris an implant lom.A bharrachd air an sin, tha LOIS a’ sealltainn neart meacanaigeach eadhon às deidh cuideam meacanaigeach a chuir an sàs, rud nach gabh a sheachnadh ann an lannsaireachd plastaig.Mar thoradh air feartan fèin-slànachaidh an leann air uachdar an structair micro / nano, chùm LOIS gu soirbheachail na feartan salachar an-aghaidh bith-eòlasach aige.Gus sgrùdadh a dhèanamh air biocompatibility agus feartan antibacterial LOIS in vivo, chaidh LOIS a chuir a-steach do fhùirneis coineanach airson 4 seachdainean.Cha deach galar bactaraidh sam bith fhaicinn ann an coineanaich a chaidh a chuir a-steach le LOIS.A bharrachd air an sin, sheall cleachdadh IHC ìre nas lugha de fhreagairt dìon ionadail, a 'sealltainn nach eil LOIS a' cur bacadh air a 'phròiseas slànachaidh cnàimh.Tha LOIS a’ taisbeanadh feartan dìon antibacterial agus dìonachd sàr-mhath, agus chaidh a dhearbhadh gun cuir e casg èifeachdach air cruthachadh biofilm ro agus rè obair-lannsa orthopédic, gu sònraichte airson synthesis cnàimh.Le bhith a’ cleachdadh modal bristeadh femoral smior cnàimh coineanach, chaidh sgrùdadh domhainn a dhèanamh air a’ bhuaidh a bh’ aig galairean co-cheangailte ri biofilm air a’ phròiseas slànachaidh chnàmhan a tha air adhbhrachadh le implantan ro-ghoirte.Mar sgrùdadh san àm ri teachd, tha feum air modal in vivo ùr gus sgrùdadh a dhèanamh air galairean a dh’ fhaodadh a bhith ann às deidh an cuir a-steach gus làn thuigse agus casg a chuir air galairean co-cheangailte ri biofilm tron ​​​​phròiseas slànachaidh gu lèir.A bharrachd air an sin, tha osteoinduction fhathast na dhùbhlan gun fhuasgladh ann an amalachadh le LOIS.Tha feum air tuilleadh rannsachaidh gus greimeachadh roghnach de cheallan osteoinductive no leigheas ath-nuadhachail a thoirt còmhla le LOIS gus faighinn thairis air an dùbhlan.Gu h-iomlan, tha LOIS a’ riochdachadh còmhdach implant orthopédic gealltanach le neart meacanaigeach agus feartan sàr-mhath an-aghaidh biofouling, a dh’ fhaodadh SSI agus fo-bhuaidhean dìonachd a lughdachadh.
Nigh an substrate 15mm x 15mm x 1mm 304 SS (Dong Kang M-Tech Co., Korea) ann an uisge acetone, EtOH agus DI airson 15 mionaidean gus truailleadh a thoirt air falbh.Gus structar meanbh-ìre / nano-ìre a chruthachadh air an uachdar, tha an t-substrate glanaidh air a bhogadh ann am fuasgladh 48% gu 51% HF (DUKSAN Corp., Korea a-Deas) aig 50 ° C.Bidh an ùine gluasaid ag atharrachadh bho 0 gu 60 mionaid.An uairsin, chaidh an t-substrate eitseil a ghlanadh le uisge deionized agus a chuir ann am fuasgladh 65% HNO3 (Korea DUKSAN Corp.) aig 50 ° C airson 30 mionaidean gus còmhdach pasivation chromium oxide a chruthachadh air an uachdar.Às deidh pasivation, thèid an t-substrate a nighe le uisge deionized agus a thiormachadh gus substrate fhaighinn le structar sreathach.An uairsin, bha an t-substrate fosgailte do phlasma ocsaidean (100 W, 3 mionaidean), agus sa bhad air a bhogadh ann am fuasgladh de 8.88 mM POTS (Sigma-Aldrich, A’ Ghearmailt) ann an toluene aig teòthachd an t-seòmair airson 12 uairean.An uairsin, chaidh an t-substrate còmhdaichte le POTS a ghlanadh le EtOH, agus a chuir a-steach aig 150 ° C airson 2 uair gus POTS SAM dùmhail fhaighinn.Às deidh còmhdach SAM, chaidh còmhdach bealaidh a chruthachadh air an t-substrate le bhith a’ cur inneal perfluoropolyether (Krytox 101; DuPont, USA) an sàs le tomhas luchdaidh de 20 μm / cm 2. Mus tèid a chleachdadh, sìolaich an leann tro shìoltachan 0.2 micron.Thoir air falbh cus bealaidh le bhith a 'lùbadh aig ceàrn 45 ° airson 15 mionaidean.Chaidh an aon mhodh saothrachaidh a chleachdadh airson implantan orthopédic air an dèanamh le 304 SS (plàta glasaidh agus sgriubha glasaidh cortical; Dong Kang M-Tech Co., Korea).Tha a h-uile implant orthopédic air a dhealbhadh gus freagairt air geoimeatraidh femur coineanach.
Chaidh morf-eòlas uachdar an t-substrate agus implantan orthopédic a sgrùdadh le sgaoilidhean achaidh SEM (Inspect F50, FEI, USA) agus AFM (XE-100, Park Systems, Korea a-Deas).Tha garbh an uachdar (Ra, Rq) air a thomhas le bhith ag iomadachadh farsaingeachd 20 μm le 20 μm (n = 4).Chaidh siostam XPS (PHI 5000 VersaProbe, ULVAC PHI, Iapan) uidheamaichte le stòr X-ray Al Kα le meud spot de 100μm2 a chleachdadh gus sgrùdadh a dhèanamh air co-dhèanamh ceimigeach uachdar.Chaidh siostam tomhais CA uidheamaichte le camara glacadh ìomhaigh fiùghantach (SmartDrop, FEMTOBIOMED, ​​Coirea a Deas) a chleachdadh gus CA agus SA leaghaidh a thomhas.Airson gach tomhas, thèid 6 gu 10 μl de boinneagan (uisge deionized, fuil each, EG, 30% ethanol, agus HD) a chuir air an uachdar gus CA a thomhas.Nuair a dh’ èiricheas ceàrn claon an t-substrate aig astar 2 ° / s (n = 4), tha an SA air a thomhas nuair a thuiteas an droplet.
Chaidh Pseudomonas aeruginosa [Cruinneachadh Cultar Seòrsa Ameireagaidh (ATCC) 27853] agus MRSA (ATCC 25923) a cheannach bho ATCC (Manassas, Virginia, USA), agus chaidh cultar nan stoc a chumail aig -80 ° C.Mus deach a chleachdadh, chaidh a’ chultar reòta a thoirt a-steach ann am broth soybean air a leaghadh le trypsin (Komed, Korea) aig 37 ° C airson 18 uairean agus an uairsin air a ghluasad dà uair gus a ghnìomhachadh.Às deidh goir, chaidh a’ chultar a mheadhanachadh aig 10,000 rpm airson 10 mionaidean aig 4 ° C agus a nighe dà uair le fuasgladh PBS (pH 7.3).Tha an cultar centrifuged an uairsin air a fo-chultar air lannan agar fala (BAP).Chaidh MRSA agus Pseudomonas aeruginosa ullachadh thar oidhche agus air an àiteachadh ann am broth Luria-Bertani.Chaidh an ìre de Pseudomonas aeruginosa agus MRSA anns an inoculum a dhearbhadh gu cainneachdail leis an CFU den chasg ann an lagachadh sreathach air agar.An uairsin, atharraich an dùmhlachd bacterial gu ìre 0.5 McFarland, a tha co-ionann ri 108 CFU / ml.An uairsin lughdaich an crochadh bactaraidh obrach 100 uair gu 106 CFU / ml.Gus na feartan adhesion antibacterial a dhearbhadh, chaidh an t-substrate a sterilachadh aig 121 ° C airson 15 mionaidean mus deach a chleachdadh.Chaidh an t-substrate an uairsin a ghluasad gu 25 ml de chasg bactaraidh agus a bhrosnachadh aig 37 ° C le crathadh làidir (200 rpm) airson 12 agus 72 uairean.Às deidh goir, chaidh gach substrate a thoirt a-mach às an goireadair agus a nighe 3 tursan le PBS gus bacteria fleòdraidh sam bith air an uachdar a thoirt air falbh.Gus am biofilm fhaicinn air an t-substrate, chaidh am biofilm a cheangal le methanol agus a dhath le 1 ml de orains crimidine airson 2 mhionaid.An uairsin chaidh miocroscop flùraiseach (BX51TR, Olympus, Iapan) a chleachdadh gus dealbhan a thogail den biofilm dhathte.Gus am biofilm air an t-substrate a thomhas, chaidh na ceallan ceangailte a sgaradh bhon t-substrate leis an dòigh bead vortex, a bhathas den bheachd gur e seo an dòigh as freagarraiche airson bacteria ceangailte a thoirt air falbh (n = 4).Le bhith a’ cleachdadh geòlan sterile, thoir air falbh an t-substrate bhon mheadhan fàis agus tap air truinnsear an tobair gus cus lionn a thoirt air falbh.Chaidh ceallan le ceangal sgaoilte a thoirt air falbh le bhith a’ nighe dà uair le PBS sterile.Chaidh gach substrate an uairsin a ghluasad gu tiùb deuchainn sterile anns an robh 9 ml de 0.1% pròtain ept saline (PSW) agus 2 g de 20 gu 25 grìogagan glainne sterile (0.4 gu 0.5 mm ann an trast-thomhas).An uairsin chaidh a vortexed airson 3 mionaidean gus na ceallan a sgaradh bhon sampall.Às deidh vortexing, chaidh an crochadh a lagachadh gu sreathach 10-fhillte le 0.1% PSW, agus an uairsin chaidh 0.1 ml de gach caolachadh a thoirt a-steach air BAP.Às deidh 24 uair de ghoir aig 37 ° C, chaidh an CFU a chunntadh le làimh.
Airson na ceallan, chaidh fibroblasts luchag NIH / 3T3 (CRL-1658; American ATCC) agus macrophages luchag RAW 264.7 (TIB-71; American ATCC) a chleachdadh.Cleachd meadhan Iolaire atharraichte Dulbecco (DMEM; LM001-05, Welgene, Korea) gus fibroblasts luchag cultarach agus cuir ris le serum laogh 10% (S103-01, Welgene) agus 1% penicillin-streptomycin (PS; LS202-02, Welgene (Welgene) ). Chaidh na ceallan a bhrosnachadh thar oidhche aig 37 ° C agus 5% CO2 Airson staining cealla, chaidh na ceallan a shocrachadh le 4% paraformaldehyde airson 20 mionaidean agus an cur ann an 0.5% Triton X Incubate airson 5 mionaidean ann an -100 aig 37 ° C airson 30 mionaidean An dèidh a 'phròiseas goir, cleachd an t-substrate le 4 ′, 6-diamino-2-phenylindole (H -1200, Vector Laboratories, RA) VECTASHIELD meadhanach rèiteachaidh (n = 4 gach cealla). , fluorescein, fluorescein isothiocyanate-albumin (A9771, Sigma-Aldrich, a’ Ghearmailt) agus plasma daonna Chaidh an fibrinogen Alexa Fluor 488-conjugated (F13191, Invitrogen, USA) a sgaoileadh ann am PBS (10 mM, pH 7.4).B’ e na cuibhreannan de albumin agus fibrinogen 1 agus 150 μg / ml, fa leth.Às deidh an t-substrate Mus bogadh thu ann am fuasgladh pròtain, nigh iad le PBS gus an uachdar ath-hydradachadh.An uairsin bog na fo-stratan gu lèir ann am plàta sia-tobar anns a bheil am fuasgladh pròtain agus goir aig 37 ° C airson 30 agus 90 mionaidean.Às deidh goir, chaidh an t-substrate an uairsin a thoirt a-mach às an fhuasgladh pròtain, a nighe gu socair le amannan PBS 3, agus a shuidheachadh le 4% paraformaldehyde (n = 4 airson gach pròtain).Airson calcium, sodium chloride (0.21 M) agus potassium phosphate (3.77 mM) ) Chaidh a sgaoileadh ann an uisge deionized.Chaidh pH an fhuasglaidh atharrachadh gu 2.0 le bhith a’ cur fuasgladh hydrochloride (1M).An uairsin chaidh calcium chloride (5.62 mM) a sgaoileadh anns an fhuasgladh.Le bhith a’ cur 1M tris (hydroxymethyl) -amino Methane ag atharrachadh pH an fhuasglaidh gu 7.4.Cuir a-steach a h-uile substrate ann am plàta sia-tobar air a lìonadh le fuasgladh calcium phosphate 1.5 × agus cuir às an fhuasgladh às deidh 30 mionaidean.Airson staining, 2 g Alizarin Red S (CI 58005) Measgachadh le 100 ml de uisge deionized.An uairsin, cleachd 10% ammonium hydroxide gus am pH atharrachadh gu 4. Cuir dath air an t-substrate le fuasgladh Alizarin Red airson 5 mionaidean, agus an uairsin crathadh dheth an còrr dath agus blot.Às deidh a 'phròiseas crathadh, cuir às an t-substrate.Tha an stuth air a dhì-uisgeachadh, an uairsin air a bhogadh ann an acetone airson 5 mionaidean, an uairsin air a bhogadh ann am fuasgladh acetone-xylene (1: 1) airson 5 mionaidean, agus mu dheireadh air a nighe le xylene (n = 4).Bithear a’ cleachdadh miocroscop fluorescence (Axio Imager) le lionsan amas ×10 agus ×20..A2m, Zeiss, a’ Ghearmailt) ìomhaighean a h-uile substrate.ImageJ/FIJI (https://imagej.nih.gov/ij/) air a chleachdadh gus dàta adhesion stuthan bith-eòlasach a thomhas air gach buidheann de cheithir raointean ìomhaigheachd eadar-dhealaichte.Tionndaidh a h-uile dealbh gu ìomhaighean dà-chànanach le stairsnich stèidhichte airson coimeas substrate.
Chaidh miocroscop confocal Zeiss LSM 700 a chleachdadh gus sùil a chumail air seasmhachd an t-sreath bealaidh anns a’ PBS ann am modh meòrachaidh.Chaidh an sampall glainne còmhdaichte le SAM stèidhichte air fluorine le còmhdach lubricating stealladh a bhogadh ann am fuasgladh PBS, agus chaidh a dhearbhadh le bhith a ’cleachdadh crathadh orbital (SHO-1D; Daihan Scientific, Korea a-Deas) fo chumhachan crathadh tlàth (120 rpm).An uairsin gabh an sampall agus cùm sùil air call bealaidh le bhith a’ tomhas call an t-solais ri fhaicinn.Gus ìomhaighean fluorescence fhaighinn ann am modh meòrachaidh, tha an sampall fosgailte do leusair 633 nm agus an uairsin air a chruinneachadh, oir bidh an solas air a nochdadh air ais bhon sampall.Chaidh na sampallan a thomhas aig amannan 0, 30, 60, agus 120 uairean.
Gus faighinn a-mach dè a’ bhuaidh a bhios aig pròiseas atharrachaidh uachdar air feartan nanomechanical de implantan orthopédic, chaidh nanoindenter (TI 950 TriboIndenter, Hysitron, USA) uidheamaichte le tip daoimean Berkovich ann an cumadh pioramaid trì-thaobhach a chleachdadh gus nanoindenedione a thomhas.Is e an luchd as àirde 10 mN agus is e an sgìre 100μmx 100μm.Airson a h-uile tomhas, is e 10 s an ùine luchdachadh is luchdachadh, agus is e an ùine cumail fo luchd indentation as àirde 2 s.Gabh tomhasan bho chòig àiteachan eadar-dhealaichte agus gabh a’ chuibheasachd.Gus measadh a dhèanamh air coileanadh neart meacanaigeach fo luchd, chaidh deuchainn cromadh trì-phuingean transverse a dhèanamh a’ cleachdadh inneal deuchainn uile-choitcheann (Instron 5966, Instron, USA).Tha an t-substrate air a dhlùthadh aig ìre sheasmhach de 10 N / s le barrachd luchd.Chaidh prògram bathar-bog Bluehill Universal (n = 3) a chleachdadh gus modal sùbailte agus cuideam teannachaidh as àirde obrachadh a-mach.
Gus atharrais a dhèanamh air a’ phròiseas obrachaidh agus am milleadh meacanaigeach co-cheangailte ris a chaidh a dhèanamh rè an obrachaidh, chaidh am pròiseas obrachaidh a dhèanamh in vitro.Chaidh na femurs a chruinneachadh bho na coineanaich gheala a chaidh a chur gu bàs ann an Sealan Nuadh.Chaidh am femur a ghlanadh agus a shuidheachadh ann am paraformaldehyde 4% airson 1 seachdain.Mar a chaidh a mhìneachadh anns an dòigh deuchainn bheathaichean, chaidh am femur stèidhichte a dhèanamh le lannsaireachd.Às deidh na h-obrachaidh, chaidh an implant orthopédic a bhogadh ann am fuil (fuil each, KISAN, Korea) airson 10 s gus dearbhadh an do thachair adhesions fala às deidh an dochann meacanaigeach a chuir an sàs (n = 3).
Chaidh 24 coineanaich geal fireann Sealan Nuadh (cuideam 3.0 gu 3.5kg, aois chuibheasach 6 mìosan) a roinn air thuaiream ann an ceithir buidhnean: nude àicheil, nude dearbhach, SHP agus LOIS.Chaidh a h-uile modh-obrach co-cheangailte ri beathaichean a dhèanamh a rèir inbhean beusanta Comataidh Institiud Cùram is Cleachdadh Bheathaichean (aontachadh IACUC, KOREA-2017-0159).Tha an implant orthopédic air a dhèanamh suas de phlàta glasaidh le còig tuill (fad 41 mm, leud 7 mm agus tighead 2 mm) agus sgriothan glasaidh cortical (fad 12 mm, trast-thomhas 2.7 mm) airson socrachadh briste.A bharrachd air na truinnsearan agus na sgriothan sin a chaidh a chleachdadh anns a’ bhuidheann lom-àicheil, chaidh a h-uile truinnsear agus sgriothan a thoirt a-steach ann an crochadh MRSA (106 CFU / ml) airson 12 uairean.Chaidh a’ bhuidheann rùisgte-àicheil (n = 6) a làimhseachadh le implantan uachdar rùisgte gun a bhith fosgailte do chasg bacterial, mar smachd àicheil airson galairean.Chaidh dèiligeadh ris a’ bhuidheann lom dearbhach (n = 6) le implant uachdar lom a bha fosgailte do bacteria mar smachd adhartach air galairean.Chaidh dèiligeadh ris a’ bhuidheann SHP (n = 6) le implantan SHP fosgailte le bacteria.Mu dheireadh, chaidh dèiligeadh ris a’ bhuidheann LOIS le implantan LOIS fosgailte le bacteria (n = 6).Bithear a’ cumail a h-uile beathach ann an cèidse, agus tha tòrr biadh is uisge air a thoirt seachad.Ron obair-lannsa, bha na coineanaich air an fastadh airson 12 uair a thìde.Chaidh na beathaichean anesthetized le in-stealladh intramuscular de xylazine (5mg / kg) agus in-stealladh intravenous de paclitaxel (3mg / kg) airson inntrigeadh.Às deidh sin, lìbhrig 2% isoflurane agus 50% gu 70% ocsaidean meidigeach (ìre sruthadh 2 L / min) tron ​​​​t-siostam analach gus anesthesia a chumail suas.Tha e air a chuir a-steach tro dhòigh dhìreach air an fhùirneis taobhach.Às deidh toirt air falbh falt agus dì-ghalarachadh povidone-iodine den chraiceann, chaidh incrise mu 6 cm a dh’ fhaid a dhèanamh air taobh a-muigh an fhùirneis meadhan clì.Le bhith a 'fosgladh a' bheàirn eadar na fèithean a tha a 'còmhdach an fhùirneis, tha am femur làn fosgailte.Cuir a 'phlàta air beulaibh a' chrann femoral agus ceangail e le ceithir sgriothan.Às deidh an socrachadh, cleachd lann sàbhaidh (1 mm tiorma) gus briseadh a chruthachadh gu saor-thoileach san àite eadar an dàrna toll agus an ceathramh toll.Aig deireadh na h-obrach, chaidh an lot a nighe le saline agus dùnadh le claisean.Chaidh gach coineanach a thoirt a-steach gu subcutaneously le enrofloxacin (5 mg / kg) air a lagachadh trian ann an saline.Chaidh X-ghathan postoperative den fhùirneis a ghabhail anns a h-uile beathach (0, 7, 14, 21, 28, agus 42 latha) gus osteotomy cnàimh a dhearbhadh.Às deidh anesthesia domhainn, chaidh a h-uile beathach a mharbhadh le KCl intravenous (2 mmol / kg) air 28 agus 42 latha.Às deidh a chur gu bàs, chaidh am femur a sganadh le meanbh-CT gus sùil a thoirt air agus coimeas a dhèanamh eadar pròiseas slànachaidh cnàimh agus cruthachadh cnàimh ùr eadar na ceithir buidhnean.
Às deidh an cur gu bàs, chaidh na stuthan bog a bha ann an conaltradh dìreach ris na h-implantan orthopédic a chruinneachadh.Chaidh an clò a shuidheachadh ann am formalin bufair 10% neodrach thar oidhche agus an uairsin air a dhì-mhurtachadh ann an EtOH.Chaidh an stuth dì-hydradach a stèidheachadh ann am paraffin agus a roinn aig tiugh de 40 μm a’ cleachdadh microtome (400CS; EXAKT, a’ Ghearmailt).Gus an galar fhaicinn, chaidh staining H&E agus staining MT a dhèanamh.Gus sùil a thoirt air freagairt an neach-aoigheachd, chaidh an stuth sgaoilte a thoirt a-steach le antibody bun-sgoile an-aghaidh TNF-α coineanach (AB6671, Abcam, USA) agus coineanach anti-IL-6 (AB6672; Abcam, USA), agus an uairsin air a làimhseachadh le horseradish.Ocsaidean.Cuir a-steach an siostam staining avidin-biotin complex (ABC) gu na h-earrannan a rèir stiùireadh an neach-dèanamh.Gus nochdadh mar thoradh ath-bhualadh donn, chaidh 3,3-diaminobenzidine a chleachdadh anns a h-uile pàirt.Chaidh sganair sleamhnag didseatach (Pannoramic 250 Flash III, 3DHISTECH, An Ungair) a chleachdadh gus na sliseagan uile fhaicinn, agus chaidh co-dhiù ceithir fo-stratan anns gach buidheann a sgrùdadh le bathar-bog ImageJ.
Chaidh ìomhaighean X-ray a thogail anns a h-uile beathach às deidh obair-lannsa agus gach seachdain gus sùil a chumail air slànachadh briste (n = 6 gach buidheann).Às deidh a chuir gu bàs, chaidh meanbh-CT àrd-rèiteachaidh a chleachdadh gus obrachadh a-mach cruthachadh callus timcheall air an fhùirneis às deidh slànachadh.Chaidh am femur a fhuaireadh a ghlanadh, a shuidheachadh ann am paraformaldehyde 4% airson 3 latha, agus a dhì-hydradachadh ann an 75% ethanol.Chaidh na cnàmhan dì-mhàthaichte an uairsin a sganadh le bhith a’ cleachdadh meanbh-CT (SkyScan 1173, Brooke Micro-CT, Kandy, a’ Bheilg) gus ìomhaighean 3D voxel (2240 ​​× 2240 piogsail) den sampall cnàimh a ghineadh.Cleachd sìoltachan Al 1.0 mm gus fuaim chomharran a lughdachadh agus cuir an sàs àrd-rùn air a h-uile sgan (E = 133 kVp, I = 60 μA, ùine amalachaidh = 500 ms).Chaidh bathar-bog Nrecon (dreach 1.6.9.8, Bruker microCT, Kontich, a’ Bheilg) a chleachdadh gus meud 3D den sampall a chaidh a sganadh a ghineadh bhon ro-mheasadh taobhach 2D a chaidh fhaighinn.Airson mion-sgrùdadh, tha an ìomhaigh ath-chruthaichte 3D air a roinn ann an ciùban 10mm × 10mm × 10mm a rèir làrach briste.Obraich a-mach an callus taobh a-muigh na cnàimh cortical.Chaidh bathar-bog DataViewer (dreach 1.5.1.2; Bruker microCT, Kontich, a’ Bheilg) a chleachdadh gus an tomhas cnàimh a chaidh a sganadh ath-stiùireadh gu didseatach, agus chaidh bathar-bog CT-Analyzer (dreach 1.14.4.1; Bruker microCT, Kontich, a’ Bheilg) a chleachdadh airson mion-sgrùdadh.Tha na co-èifeachdan in-ghabhail x-ghath ann an cnàimh aibidh agus callus air an comharrachadh leis an dùmhlachd aca, agus an uairsin tha meud callus air a thomhas (n = 4).Gus dearbhadh nach eil biocompatibility LOIS a 'cur dàil air a' phròiseas slànachaidh cnàimh, chaidh mion-sgrùdadh X-ray agus micro-CT a bharrachd a dhèanamh ann an dà choineanaich: na buidhnean lomnochd-àicheil agus LOIS.Chaidh an dà bhuidheann a chur gu bàs san 6mh seachdain.
Chaidh femurs bho bheathaichean a chaidh a thoirt seachad a chruinneachadh agus a chàradh ann am paraformaldehyde 4% airson 3 latha.An uairsin thèid an implant orthopédic a thoirt air falbh gu faiceallach bhon fhùirneis.Chaidh am femur a dhì-calcachadh airson 21 latha le bhith a’ cleachdadh 0.5 M EDTA (EC-900, National Diagnostics Corporation).An uairsin chaidh am femur decalcified a bhogadh ann an EtOH gus a dhèanamh dehydrated.Chaidh am femur dehydrated a thoirt air falbh ann an xylene agus a chuir a-steach ann am paraffin.An uairsin chaidh an sampall a ghearradh le microtome rothlach fèin-ghluasadach (Leica RM2255, Leica Biosystems, A’ Ghearmailt) le tiugh de 3 μm.Airson staining TRAP (F6760, Sigma-Aldrich, a’ Ghearmailt), chaidh na sampallan earrannan a dhì-phapadh, ath-hydradachadh agus an gortachadh ann an reactant TRAP aig 37 ° C airson 1 uair.Chaidh ìomhaighean fhaighinn le bhith a’ cleachdadh sganair sleamhnag (Pannoramic 250 Flash III, 3DHISTECH, An Ungair) agus air an tomhas le bhith a’ tomhas còmhdach sgìre an àite dhathte.Anns gach deuchainn, chaidh co-dhiù ceithir fo-stratan anns gach buidheann a sgrùdadh le bathar-bog ImageJ.
Chaidh mion-sgrùdadh cudromachd staitistigeil a dhèanamh le bhith a’ cleachdadh GraphPad Prism (GraphPad Software Inc., USA).Chaidh deuchainn-t gun chàradh agus mion-sgrùdadh caochlaideachd (ANOVA) a chleachdadh gus na h-eadar-dhealachaidhean eadar na buidhnean measaidh a dhearbhadh.Tha an ìre brìgh air a chomharrachadh san fhigear mar a leanas: *P<0.05, **P<0.01, ***P<0.001 agus ****P<0.0001;NS, chan eil eadar-dhealachadh mòr ann.
Airson stuthan a bharrachd airson an artaigil seo, faic http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/44/eabb0025/DC1
Is e artaigil ruigsinneachd fosgailte a tha seo air a chuairteachadh fo chumhachan a’ cheadachais Creative Commons Attribution-Neo-mhalairteach, a leigeas le cleachdadh, cuairteachadh agus ath-riochdachadh ann am meadhan sam bith, fhad ‘s nach eil an cleachdadh airson buannachd malairteach agus gur e am bun-bheachd gur e an dreach tùsail. tha an obair ceart.Iomradh.
Nota: Chan iarr sinn ort ach seòladh puist-d a thoirt seachad gus am bi fios aig an neach a mholas tu don duilleag gu bheil thu airson gum faic iad am post-d agus nach e spam a th’ anns a’ phost-d.Cha ghlac sinn seòlaidhean puist-d sam bith.
Tha a’ cheist seo air a chleachdadh gus dearbhadh a bheil thu nad neach-tadhail daonna agus gus casg a chuir air tagraidhean spam fèin-ghluasadach.
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
Faodaidh còmhdach teicheadh ​​antibacterial agus dìonach implantan orthopédic galairean agus freagairtean dìonachd adhbhrachadh le galairean a lughdachadh.
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
Faodaidh còmhdach teicheadh ​​antibacterial agus dìonach implantan orthopédic galairean agus freagairtean dìonachd adhbhrachadh le galairean a lughdachadh.
©2021 Comann Ameireagaidh airson Adhartachadh Saidheans.Còraichean uile glèidhte.Tha AAAS na chom-pàirtiche de HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef agus COUNTER.SaidheansAdvances ISSN 2375-2548.