आर्थोपेडिक इम्प्लांट सर्जरी कराने वाले रोगियों के लिए, जीवाणु संक्रमण और संक्रमण-प्रेरित प्रतिरक्षा प्रतिक्रियाएं हमेशा जीवन के लिए खतरा रही हैं।पारंपरिक जैविक सामग्री जैविक संदूषण के प्रति संवेदनशील होती है, जिसके कारण बैक्टीरिया घायल क्षेत्र पर आक्रमण करते हैं और ऑपरेशन के बाद संक्रमण का कारण बनते हैं।इसलिए, आर्थोपेडिक प्रत्यारोपण के लिए संक्रमण-रोधी और प्रतिरक्षा से बचने वाली कोटिंग विकसित करने की तत्काल आवश्यकता है।यहां, हमने लुब्रिकेटेड ऑर्थोपेडिक इंप्लांट सरफेस (एलओआईएस) नामक आर्थोपेडिक प्रत्यारोपण के लिए एक उन्नत सतह संशोधन तकनीक विकसित की है, जो पिचर प्लांट पिचर की चिकनी सतह से प्रेरित है।एलओआईएस में विभिन्न प्रकार के तरल पदार्थों और जैविक पदार्थों (कोशिकाओं, प्रोटीन, कैल्शियम और बैक्टीरिया सहित) के लिए लंबे समय तक चलने वाली और मजबूत तरल प्रतिरोधी क्षमता होती है।इसके अलावा, हमने इन विट्रो सर्जरी के दौरान अपरिहार्य क्षति का अनुकरण करके खरोंच और फिक्सिंग बल के खिलाफ यांत्रिक स्थायित्व की पुष्टि की।खरगोश अस्थि मज्जा सूजन ऊरु फ्रैक्चर मॉडल का उपयोग एलओआईएस की जैविक-विरोधी स्केलिंग और संक्रमण-विरोधी क्षमता का गहन अध्ययन करने के लिए किया गया था।हम कल्पना करते हैं कि एलओआईएस, जिसमें एंटी-बायोफॉलिंग गुण और यांत्रिक स्थायित्व है, संक्रमण-मुक्त आर्थोपेडिक सर्जरी में एक कदम आगे है।
आज, समग्र उम्र बढ़ने के कारण, आर्थोपेडिक रोगों (जैसे बुजुर्ग फ्रैक्चर, अपक्षयी संयुक्त रोग और ऑस्टियोपोरोसिस) से पीड़ित रोगियों की संख्या में काफी वृद्धि हुई है (1, 2)।इसलिए, चिकित्सा संस्थान आर्थोपेडिक सर्जरी को बहुत महत्व देते हैं, जिसमें स्क्रू, प्लेट, नाखून और कृत्रिम जोड़ों के आर्थोपेडिक प्रत्यारोपण शामिल हैं (3, 4)।हालाँकि, पारंपरिक आर्थोपेडिक प्रत्यारोपणों को बैक्टीरिया के आसंजन और बायोफिल्म निर्माण के प्रति संवेदनशील बताया गया है, जो सर्जरी के बाद सर्जिकल साइट संक्रमण (एसएसआई) का कारण बन सकता है (5, 6)।एक बार जब बायोफिल्म आर्थोपेडिक इम्प्लांट की सतह पर बन जाती है, तो एंटीबायोटिक दवाओं की बड़ी खुराक के उपयोग के साथ भी बायोफिल्म को हटाना बेहद मुश्किल हो जाता है।इसलिए, यह आमतौर पर गंभीर पोस्टऑपरेटिव संक्रमण (7, 8) का कारण बनता है।उपरोक्त समस्याओं के कारण, संक्रमित प्रत्यारोपण के उपचार में पुन: ऑपरेशन शामिल होना चाहिए, जिसमें सभी प्रत्यारोपण और आसपास के ऊतकों को हटाना शामिल है;इसलिए, रोगी को गंभीर दर्द और कुछ जोखिमों का सामना करना पड़ेगा (9, 10)।
इनमें से कुछ समस्याओं को हल करने के लिए, सतह से जुड़े बैक्टीरिया को खत्म करके संक्रमण को रोकने के लिए ड्रग-एल्यूटिंग ऑर्थोपेडिक प्रत्यारोपण विकसित किए गए हैं (11, 12)।हालाँकि, रणनीति अभी भी कई सीमाएँ दिखाती है।यह बताया गया है कि ड्रग-एल्यूटिंग इम्प्लांट के लंबे समय तक प्रत्यारोपण से आसपास के ऊतकों को नुकसान हुआ है और सूजन हुई है, जिससे नेक्रोसिस हो सकता है (13, 14)।इसके अलावा, कार्बनिक सॉल्वैंट्स जो ड्रग-एल्यूटिंग ऑर्थोपेडिक प्रत्यारोपण की निर्माण प्रक्रिया के बाद मौजूद हो सकते हैं, जो अमेरिकी खाद्य एवं औषधि प्रशासन द्वारा सख्ती से प्रतिबंधित हैं, उन्हें अपने मानकों (15) को पूरा करने के लिए अतिरिक्त शुद्धिकरण चरणों की आवश्यकता होती है।ड्रग-एल्यूटिंग इम्प्लांट दवाओं के नियंत्रित रिलीज के लिए चुनौतीपूर्ण हैं, और उनके सीमित ड्रग लोडिंग के कारण, दवा का दीर्घकालिक अनुप्रयोग संभव नहीं है (16)।
एक अन्य सामान्य रणनीति जैविक पदार्थ और बैक्टीरिया को सतह पर चिपकने से रोकने के लिए इम्प्लांट को एंटीफ्लिंग पॉलिमर से कोट करना है (17)।उदाहरण के लिए, प्लाज्मा प्रोटीन, कोशिकाओं और बैक्टीरिया के संपर्क में आने पर ज़्विटरियोनिक पॉलिमर ने अपने गैर-चिपकने वाले गुणों के कारण ध्यान आकर्षित किया है।हालाँकि, इसमें दीर्घकालिक स्थिरता और यांत्रिक स्थायित्व से संबंधित कुछ सीमाएँ हैं, जो आर्थोपेडिक प्रत्यारोपण में इसके व्यावहारिक अनुप्रयोग में बाधा डालती हैं, विशेष रूप से सर्जिकल प्रक्रियाओं के दौरान यांत्रिक स्क्रैपिंग के कारण (18, 19)।इसके अलावा, इसकी उच्च जैव-अनुकूलता, निष्कासन सर्जरी की आवश्यकता की कमी और जंग के माध्यम से सतह की सफाई के गुणों के कारण, बायोडिग्रेडेबल सामग्रियों से बने आर्थोपेडिक प्रत्यारोपण का उपयोग किया गया है (20, 21)।संक्षारण के दौरान, पॉलिमर मैट्रिक्स के बीच रासायनिक बंधन टूट जाते हैं और सतह से अलग हो जाते हैं, और अनुयायी सतह को साफ करते हैं।हालाँकि, सतह की सफाई द्वारा जैविक प्रदूषण-रोधी कम समय में प्रभावी होता है।इसके अलावा, पॉली (लैक्टिक एसिड-ग्लाइकोलिक एसिड कॉपोलीमर) (पीएलजीए), पॉलीलैक्टिक एसिड (पीएलए) और मैग्नीशियम-आधारित मिश्र धातुओं सहित अधिकांश अवशोषित सामग्री शरीर में असमान बायोडिग्रेडेशन और क्षरण से गुजरेंगी, जो यांत्रिक स्थिरता को नकारात्मक रूप से प्रभावित करेगी।(बाईस)।इसके अलावा, बायोडिग्रेडेबल प्लेट के टुकड़े बैक्टीरिया को जुड़ने के लिए जगह प्रदान करते हैं, जिससे लंबे समय में संक्रमण की संभावना बढ़ जाती है।यांत्रिक क्षरण और संक्रमण का यह जोखिम प्लास्टिक सर्जरी के व्यावहारिक अनुप्रयोग को सीमित करता है (23)।
सुपरहाइड्रोफोबिक (एसएचपी) सतहें जो कमल के पत्तों की पदानुक्रमित संरचना की नकल करती हैं, एंटी-फाउलिंग सतहों (24, 25) के लिए एक संभावित समाधान बन गई हैं।जब एसएचपी सतह को तरल में डुबोया जाता है, तो हवा के बुलबुले फंस जाएंगे, जिससे हवा की जेबें बन जाएंगी और बैक्टीरिया के आसंजन को रोका जा सकेगा (26)।हालाँकि, हाल के अध्ययनों से पता चला है कि SHP सतह में यांत्रिक स्थायित्व और दीर्घकालिक स्थिरता से संबंधित नुकसान हैं, जो चिकित्सा प्रत्यारोपण में इसके अनुप्रयोग में बाधा डालते हैं।इसके अलावा, एयर पॉकेट घुल जाएंगे और अपने एंटी-फाउलिंग गुणों को खो देंगे, जिसके परिणामस्वरूप एसएचपी सतह (27, 28) के बड़े सतह क्षेत्र के कारण व्यापक जीवाणु आसंजन होगा।हाल ही में, एज़ेनबर्ग और उनके सहयोगियों ने नेपेंथेस पिचर प्लांट (29, 30) से प्रेरित एक चिकनी सतह विकसित करके एंटी-बायोफ्लिंग सतह कोटिंग की एक अभिनव विधि पेश की।चिकनी सतह हाइड्रोलिक स्थितियों के तहत दीर्घकालिक स्थिरता दिखाती है, जैविक तरल पदार्थों के लिए अत्यधिक तरल प्रतिरोधी है, और इसमें स्वयं-मरम्मत करने के गुण हैं।हालाँकि, जटिल आकार के मेडिकल इम्प्लांट पर कोटिंग लगाने की न तो कोई विधि है, न ही यह इम्प्लांटेशन के बाद क्षतिग्रस्त ऊतकों की उपचार प्रक्रिया का समर्थन करने में सिद्ध है।
यहां, हम एक लुब्रिकेटेड ऑर्थोपेडिक इम्प्लांट सतह (एलओआईएस), एक सूक्ष्म/नैनो-संरचित ऑर्थोपेडिक इम्प्लांट सतह पेश करते हैं और इसे प्लास्टिक सर्जरी जैसे फ्रैक्चर फिक्सेशन जैसे जीवाणु संक्रमण से जुड़े होने से रोकने के लिए एक पतली स्नेहक परत के साथ कसकर जोड़ा जाता है।क्योंकि फ्लोरीन-कार्यात्मक सूक्ष्म/नैनो-स्तरीय संरचना संरचना पर स्नेहक को मजबूती से ठीक करती है, विकसित एलओआईएस विभिन्न तरल पदार्थों के आसंजन को पूरी तरह से रोक सकता है और लंबे समय तक एंटी-फाउलिंग प्रदर्शन को बनाए रख सकता है।LOIS कोटिंग्स को हड्डी संश्लेषण के लिए इच्छित विभिन्न आकृतियों की सामग्रियों पर लागू किया जा सकता है।बायोफिल्म बैक्टीरिया [स्यूडोमोनास एरुगिनोसा और मेथिसिलिन-प्रतिरोधी स्टैफिलोकोकस ऑरियस (एमआरएसए)] और जैविक पदार्थों (कोशिकाओं, प्रोटीन और कैल्शियम) के खिलाफ एलओआईएस के उत्कृष्ट एंटी-बायोफ्लिंग गुणों की इन विट्रो में पुष्टि की गई है।सब्सट्रेट पर व्यापक आसंजन की आसंजन दर 1% से कम है।इसके अलावा, सतह को खरोंचने जैसे यांत्रिक तनाव के बाद भी, मर्मज्ञ स्नेहक के कारण होने वाला स्व-उपचार इसके एंटी-फाउलिंग गुणों को बनाए रखने में मदद करता है।यांत्रिक स्थायित्व परीक्षण के परिणाम बताते हैं कि संरचनात्मक और रासायनिक संशोधन के बाद भी, कुल ताकत में उल्लेखनीय कमी नहीं होगी।इसके अलावा, एक इन विट्रो प्रयोग जो सर्जिकल वातावरण में यांत्रिक तनाव का अनुकरण करता है, यह साबित करने के लिए किया गया था कि एलओआईएस प्लास्टिक सर्जरी के दौरान होने वाले विभिन्न यांत्रिक तनावों का सामना कर सकता है।अंत में, हमने खरगोश-आधारित इन विवो फेमोरल फ्रैक्चर मॉडल का उपयोग किया, जिसने साबित किया कि एलओआईएस में बेहतर जीवाणुरोधी गुण और जैव-अनुकूलता है।रेडियोलॉजिकल और हिस्टोलॉजिकल परिणामों ने पुष्टि की है कि आरोपण के बाद 4 सप्ताह के भीतर स्थिर स्नेहक व्यवहार और एंटी-बायोफ्लिंग गुण हड्डी की उपचार प्रक्रिया में देरी किए बिना प्रभावी संक्रमण-विरोधी और प्रतिरक्षा से बचने के प्रदर्शन को प्राप्त कर सकते हैं।
चित्र 1ए विकसित एलओआईएस का एक योजनाबद्ध आरेख दिखाता है, जिसे इसके उत्कृष्ट एंटी-बायोलॉजिकल फाउलिंग और एंटी-संक्रमण गुणों की पुष्टि करने के लिए खरगोश ऊरु फ्रैक्चर मॉडल में सूक्ष्म/नैनो-स्केल संरचनाओं के साथ प्रत्यारोपित किया गया है।पानी के बर्तन के पौधे की सतह का अनुकरण करने और सतह की सूक्ष्म/नैनो संरचना के भीतर एक स्नेहक परत को शामिल करके जैव प्रदूषण को रोकने के लिए एक बायोमिमेटिक विधि अपनाई जाती है।चिकनाई युक्त सतह जैविक पदार्थों और सतह के बीच संपर्क को कम कर सकती है।इसलिए, सतह पर स्थिर रासायनिक बंधनों के निर्माण के कारण, इसमें उत्कृष्ट एंटीफ्लिंग प्रदर्शन और दीर्घकालिक स्थिरता है।परिणामस्वरूप, चिकनाई वाली सतह के जैव-विरोधी गुण जैव-चिकित्सा अनुसंधान में विभिन्न व्यावहारिक अनुप्रयोगों की अनुमति देते हैं।हालाँकि, यह विशेष सतह शरीर में कैसे संपर्क करती है, इस पर व्यापक शोध अभी तक पूरा नहीं हुआ है।एल्ब्यूमिन और बायोफिल्म बैक्टीरिया का उपयोग करके इन विट्रो में नग्न सब्सट्रेट्स के साथ एलओआईएस की तुलना करके, एलओआईएस की गैर-चिपकने वाली क्षमता की पुष्टि की जा सकती है (चित्रा 1 बी)।इसके अलावा, झुके हुए नंगे सब्सट्रेट और एलओआईएस सब्सट्रेट (चित्रा एस 1 और मूवी एस 1) पर पानी की बूंदों को रोल करके, जैविक संदूषण प्रदर्शन का प्रदर्शन किया जा सकता है।जैसा कि प्रतिदीप्ति माइक्रोस्कोप छवि में दिखाया गया है, प्रोटीन और बैक्टीरिया के निलंबन में ऊष्मायन किए गए उजागर सब्सट्रेट ने सतह पर बड़ी मात्रा में जैविक सामग्री का पालन किया।हालाँकि, अपने उत्कृष्ट जैव-विरोधी गुणों के कारण, LOIS शायद ही कोई प्रतिदीप्ति प्रदर्शित करता है।इसके जैव-विरोधी और संक्रमण-रोधी गुणों की पुष्टि करने के लिए, LOIS को हड्डी संश्लेषण (प्लेट और स्क्रू) के लिए आर्थोपेडिक प्रत्यारोपण की सतह पर लगाया गया और एक खरगोश फ्रैक्चर मॉडल में रखा गया।आरोपण से पहले, नग्न आर्थोपेडिक प्रत्यारोपण और एलओआईएस को 12 घंटे के लिए जीवाणु निलंबन में रखा गया था।प्री-इनक्यूबेशन यह सुनिश्चित करता है कि तुलना के लिए उजागर इम्प्लांट की सतह पर एक बायोफिल्म बनाई गई है।चित्र 1सी आरोपण के 4 सप्ताह बाद फ्रैक्चर स्थल की तस्वीर दिखाता है।बाईं ओर, नंगे आर्थोपेडिक इम्प्लांट वाले एक खरगोश में इम्प्लांट की सतह पर बायोफिल्म के गठन के कारण सूजन का गंभीर स्तर दिखाई दिया।एलओआईएस प्रत्यारोपित खरगोशों में विपरीत परिणाम देखा गया, यानी एलओआईएस के आसपास के ऊतकों में न तो संक्रमण के लक्षण दिखे और न ही सूजन के।इसके अलावा, बाईं ओर की ऑप्टिकल छवि उजागर प्रत्यारोपण के साथ खरगोश की सर्जिकल साइट को इंगित करती है, यह दर्शाता है कि उजागर प्रत्यारोपण की सतह पर मौजूद कोई भी एकाधिक चिपकने वाला एलओआईएस की सतह पर नहीं पाया गया।इससे पता चलता है कि एलओआईएस में दीर्घकालिक स्थिरता है और इसमें अपने जैविक-विरोधी दूषण और चिपकने-विरोधी गुणों को बनाए रखने की क्षमता है।
(ए) एलओआईएस का योजनाबद्ध आरेख और खरगोश ऊरु फ्रैक्चर मॉडल में इसका आरोपण।(बी) नंगे सतह और एलओआईएस सब्सट्रेट पर प्रोटीन और बैक्टीरियल बायोफिल्म की प्रतिदीप्ति माइक्रोस्कोपी छवि।आरोपण के 4 सप्ताह बाद, (सी) फ्रैक्चर साइट की एक फोटोग्राफिक छवि और (डी) एक एक्स-रे छवि (एक लाल आयत द्वारा हाइलाइट की गई)।छवि सौजन्य: क्योमिन चाए, योनसेई विश्वविद्यालय।
निष्फल, उजागर नकारात्मक रूप से प्रत्यारोपित खरगोशों में सूजन या संक्रमण के किसी भी लक्षण के बिना हड्डी की सामान्य उपचार प्रक्रिया देखी गई।दूसरी ओर, एसएचपी प्रत्यारोपण एक जीवाणु निलंबन में पूर्व-ऊष्मायन होता है जो आसपास के ऊतकों पर संक्रमण से संबंधित सूजन प्रदर्शित करता है।इसे लंबे समय तक बैक्टीरिया के आसंजन को रोकने में असमर्थता के लिए जिम्मेदार ठहराया जा सकता है (चित्र S2)।यह साबित करने के लिए कि एलओआईएस उपचार प्रक्रिया को प्रभावित नहीं करता है, लेकिन आरोपण से संबंधित संभावित संक्रमण को रोकता है, फ्रैक्चर साइट पर उजागर सकारात्मक मैट्रिक्स और एलओआईएस की एक्स-रे छवियों की तुलना की गई (चित्रा 1 डी)।नंगे सकारात्मक प्रत्यारोपण की एक्स-रे छवि में लगातार ऑस्टियोलाइसिस रेखाएं दिखाई दीं, जो दर्शाता है कि हड्डी पूरी तरह से ठीक नहीं हुई थी।इससे पता चलता है कि संक्रमण से संबंधित सूजन के कारण हड्डी की रिकवरी प्रक्रिया में काफी देरी हो सकती है।इसके विपरीत, इससे पता चला कि एलओआईएस प्रत्यारोपित खरगोश ठीक हो गए थे और कोई स्पष्ट फ्रैक्चर साइट नहीं दिखी थी।
दीर्घकालिक स्थिरता और कार्यक्षमता (बायोफ़ूलिंग के प्रतिरोध सहित) के साथ चिकित्सा प्रत्यारोपण विकसित करने के लिए, कई प्रयास किए गए हैं।हालाँकि, विभिन्न जैविक पदार्थों की उपस्थिति और ऊतक आसंजन की गतिशीलता उनके नैदानिक ​​​​रूप से विश्वसनीय तरीकों के विकास को सीमित करती है।इन कमियों को दूर करने के लिए, हमने एक सूक्ष्म/नैनो स्तरित संरचना और रासायनिक रूप से संशोधित सतह विकसित की है, जो सबसे चिकनी स्नेहक को सबसे बड़ी सीमा तक बनाए रखने के लिए उच्च केशिका बल और रासायनिक बन्धुता के कारण अनुकूलित है।चित्र 2ए एलओआईएस की समग्र विनिर्माण प्रक्रिया को दर्शाता है।सबसे पहले, एक मेडिकल ग्रेड स्टेनलेस स्टील (एसएस) 304 सब्सट्रेट तैयार करें।दूसरे, हाइड्रोफ्लोरोइक एसिड (एचएफ) समाधान का उपयोग करके रासायनिक नक़्क़ाशी द्वारा एसएस सब्सट्रेट पर सूक्ष्म/नैनो संरचना बनाई जाती है।एसएस के संक्षारण प्रतिरोध को बहाल करने के लिए, नक़्क़ाशीदार सब्सट्रेट को संसाधित करने के लिए एक नाइट्रिक एसिड (HNO3) समाधान (31) का उपयोग किया जाता है।पैसिवेशन एसएस सब्सट्रेट के संक्षारण प्रतिरोध को बढ़ाता है और संक्षारण प्रक्रिया को काफी धीमा कर देता है जो एलओआईएस के समग्र प्रदर्शन को कम कर सकता है।फिर, 1H, 1H, 2H, 2H-perfluorooctyltriethxysilane (POTS) के साथ एक स्व-इकट्ठे मोनोलेयर (SAM) बनाकर, सतह और चिकनी स्नेहक एफ़िनिटी के बीच रासायनिक संपर्क को बेहतर बनाने के लिए सतह को रासायनिक रूप से संशोधित किया जाता है।सतह संशोधन से निर्मित सूक्ष्म/नैनो-स्केल संरचित सतह की सतह ऊर्जा काफी कम हो जाती है, जो चिकनी स्नेहक की सतह ऊर्जा से मेल खाती है।यह स्नेहक को पूरी तरह से गीला करने की अनुमति देता है, जिससे सतह पर एक स्थिर स्नेहक परत बन जाती है।संशोधित सतह बढ़ी हुई हाइड्रोफोबिसिटी प्रदर्शित करती है।नतीजे बताते हैं कि फिसलन वाला स्नेहक सूक्ष्म/नैनो संरचना (32, 33) के कारण उच्च रासायनिक आत्मीयता और केशिका बल के कारण एलओआईएस पर स्थिर व्यवहार प्रदर्शित करता है।सतह संशोधन और स्नेहक इंजेक्शन के बाद एसएस की सतह पर ऑप्टिकल परिवर्तनों का अध्ययन किया गया।सतह पर बनी सूक्ष्म/नैनो स्तरित संरचना दृश्य परिवर्तन का कारण बन सकती है और सतह को काला कर सकती है।इस घटना को खुरदरी सतह पर बढ़े हुए प्रकाश प्रकीर्णन प्रभाव के लिए जिम्मेदार ठहराया जाता है, जो प्रकाश फँसाने वाले तंत्र (34) के कारण होने वाले विसरित प्रतिबिंब को बढ़ाता है।इसके अलावा, स्नेहक इंजेक्ट करने के बाद, LOIS गहरा हो जाता है।चिकनाई परत के कारण सब्सट्रेट से कम प्रकाश परावर्तित होता है, जिससे LOIS काला हो जाता है।एंटी-बायोफ्लिंग प्रदर्शन को प्राप्त करने के लिए सबसे छोटे स्लाइडिंग कोण (एसए) को दिखाने के लिए माइक्रोस्ट्रक्चर/नैनोस्ट्रक्चर को अनुकूलित करने के लिए, अलग-अलग एचएफ नक़्क़ाशी समय (0, 3) करने के लिए स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (एसईएम) और परमाणु जोड़े का उपयोग किया गया था।, 15 और 60 मिनट) फोर्स माइक्रोस्कोप (एएफएम) (चित्र 2बी)।एसईएम और एएफएम छवियां दिखाती हैं कि नक़्क़ाशी के थोड़े समय (नक़्क़ाशी के 3 मिनट) के बाद, नंगे सब्सट्रेट ने असमान नैनो-स्केल खुरदरापन का गठन किया है।सतह का खुरदरापन नक़्क़ाशी के समय के साथ बदलता है (चित्र S3)।समय-परिवर्तनशील वक्र से पता चलता है कि सतह का खुरदरापन बढ़ता जा रहा है और 15 मिनट की नक़्क़ाशी पर चरम पर पहुँच जाता है, और फिर 30 मिनट की नक़्क़ाशी पर खुरदरापन मूल्य में केवल थोड़ी सी कमी देखी जाती है।इस बिंदु पर, नैनो-स्तरीय खुरदरापन दूर हो जाता है, जबकि सूक्ष्म-स्तरीय खुरदरापन तीव्रता से विकसित होता है, जिससे खुरदरापन परिवर्तन अधिक स्थिर हो जाता है।30 मिनट से अधिक समय तक नक़्क़ाशी करने के बाद, खुरदरेपन में और वृद्धि देखी गई है, जिसे इस प्रकार विस्तार से बताया गया है: एसएस स्टील से बना है, जिसमें लोहा, क्रोमियम, निकल, मोलिब्डेनम और कई अन्य तत्व शामिल हैं।इन तत्वों में लोहा, क्रोमियम और मोलिब्डेनम एचएफ नक़्क़ाशी द्वारा एसएस पर माइक्रोन/नैनो-स्केल खुरदरापन बनाने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं।संक्षारण के प्रारंभिक चरण में, लोहे और क्रोमियम का मुख्य रूप से संक्षारण होता है क्योंकि मोलिब्डेनम में मोलिब्डेनम की तुलना में अधिक संक्षारण प्रतिरोध होता है।जैसे-जैसे नक़्क़ाशी आगे बढ़ती है, नक़्क़ाशी का घोल स्थानीय अतिसंतृप्ति तक पहुँच जाता है, जिससे नक़्क़ाशी के कारण फ्लोराइड और ऑक्साइड बनते हैं।फ्लोराइड और ऑक्साइड अवक्षेपित होते हैं और अंततः सतह पर पुनः जमा हो जाते हैं, जिससे माइक्रोन/नैनो रेंज (31) में सतह खुरदरापन बन जाता है।यह सूक्ष्म/नैनो-स्तरीय खुरदरापन एलओआईएस के स्व-उपचार गुणों में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है।दोहरी पैमाने की सतह एक सहक्रियात्मक प्रभाव पैदा करती है, जिससे केशिका बल में काफी वृद्धि होती है।यह घटना स्नेहक को सतह में स्थिर रूप से प्रवेश करने की अनुमति देती है और स्व-उपचार गुणों में योगदान करती है (35)।खुरदरापन का बनना नक़्क़ाशी के समय पर निर्भर करता है।10 मिनट की नक़्क़ाशी के तहत, सतह में केवल नैनो-स्केल खुरदरापन होता है, जो जैव-ईंधन प्रतिरोध (36) के लिए पर्याप्त स्नेहक रखने के लिए पर्याप्त नहीं है।दूसरी ओर, यदि नक़्क़ाशी का समय 30 मिनट से अधिक हो जाता है, तो लोहे और क्रोमियम के पुनः जमाव से बनी नैनो-स्केल खुरदरापन गायब हो जाएगी, और मोलिब्डेनम के कारण केवल सूक्ष्म-स्केल खुरदरापन रहेगा।अधिक नक़्क़ाशीदार सतह में नैनो-स्केल खुरदरापन का अभाव है और दो-चरण खुरदरेपन के सहक्रियात्मक प्रभाव को खो देता है, जो एलओआईएस की स्व-उपचार विशेषताओं को नकारात्मक रूप से प्रभावित करता है।एंटी-फाउलिंग प्रदर्शन को साबित करने के लिए अलग-अलग नक़्क़ाशी समय के साथ सब्सट्रेट्स पर एसए माप किए गए थे।चिपचिपाहट और सतह ऊर्जा के आधार पर विभिन्न प्रकार के तरल पदार्थों का चयन किया गया, जिनमें विआयनीकृत (डीआई) पानी, रक्त, एथिलीन ग्लाइकॉल (ईजी), इथेनॉल (ईटीओएच) और हेक्साडेकेन (एचडी) (चित्रा एस 4) शामिल हैं।समय-भिन्न नक़्क़ाशी पैटर्न से पता चलता है कि विभिन्न सतह ऊर्जा और चिपचिपाहट वाले विभिन्न तरल पदार्थों के लिए, 15 मिनट की नक़्क़ाशी के बाद एलओआईएस का एसए सबसे कम है।इसलिए, एलओआईएस को माइक्रोन और नैनो-स्केल खुरदरापन बनाने के लिए 15 मिनट के लिए खोदने के लिए अनुकूलित किया गया है, जो स्नेहक के स्थायित्व और उत्कृष्ट एंटी-फाउलिंग गुणों को प्रभावी ढंग से बनाए रखने के लिए उपयुक्त है।
(ए) एलओआईएस की चार-चरणीय निर्माण प्रक्रिया का योजनाबद्ध आरेख।इनसेट सब्सट्रेट पर बने एसएएम को दर्शाता है।(बी) एसईएम और एएफएम छवियां, विभिन्न नक़्क़ाशी समय के तहत सब्सट्रेट की सूक्ष्म/नैनो संरचना को अनुकूलित करने के लिए उपयोग की जाती हैं।सतह निष्क्रियता और एसएएम कोटिंग के बाद (सी) सीआर2पी और (डी) एफ1एस का एक्स-रे फोटोइलेक्ट्रॉन स्पेक्ट्रोस्कोपी (एक्सपीएस) स्पेक्ट्रा।एयू, मनमानी इकाई।(ई) नंगे, नक़्क़ाशीदार, एसएचपी और एलओआईएस सबस्ट्रेट्स पर पानी की बूंदों की प्रतिनिधि छवियां।(एफ) एसएचपी और एलओआईएस पर विभिन्न सतह तनाव वाले तरल पदार्थों का संपर्क कोण (सीए) और एसए माप।डेटा को माध्य ± SD के रूप में व्यक्त किया जाता है।
फिर, सतह के रासायनिक गुणों में परिवर्तन की पुष्टि करने के लिए, प्रत्येक सतह कोटिंग के बाद सब्सट्रेट सतह की रासायनिक संरचना में परिवर्तन का अध्ययन करने के लिए एक्स-रे फोटोइलेक्ट्रॉन स्पेक्ट्रोस्कोपी (एक्सपीएस) का उपयोग किया गया था।चित्र 2सी एचएफ नक़्क़ाशीदार सतह और एचएनओ 3 उपचारित सतह के एक्सपीएस माप परिणाम दिखाता है।587.3 और 577.7 ईवी पर दो मुख्य चोटियों को क्रोमियम ऑक्साइड परत में मौजूद सीआर-ओ बांड के लिए जिम्मेदार ठहराया जा सकता है, जो एचएफ नक़्क़ाशीदार सतह से मुख्य अंतर है।यह मुख्य रूप से HNO3 द्वारा सतह पर लौह और क्रोमियम फ्लोराइड की खपत के कारण है।HNO3-आधारित नक़्क़ाशी क्रोमियम को सतह पर एक निष्क्रिय ऑक्साइड परत बनाने की अनुमति देती है, जो नक़्क़ाशीदार एसएस को फिर से संक्षारण प्रतिरोधी बनाती है।चित्र 2डी में, एक्सपीएस स्पेक्ट्रा यह पुष्टि करने के लिए प्राप्त किया गया था कि एसएएम कोटिंग के बाद सतह पर फ्लोरोकार्बन-आधारित सिलेन का गठन किया गया था, जिसमें ईजी, रक्त और ईटीओएच के लिए भी अत्यधिक उच्च तरल प्रतिरोधी क्षमता है।एसएएम कोटिंग प्लाज्मा उपचार द्वारा गठित हाइड्रॉक्सिल समूहों के साथ सिलेन कार्यात्मक समूहों पर प्रतिक्रिया करके पूरी की जाती है।परिणामस्वरूप, CF2 और CF3 चोटियों में उल्लेखनीय वृद्धि देखी गई।286 और 296 ईवी के बीच बंधन ऊर्जा इंगित करती है कि एसएएम कोटिंग द्वारा रासायनिक संशोधन सफलतापूर्वक पूरा कर लिया गया है।SHP अपेक्षाकृत बड़े CF2 (290.1 ​​​​eV) और CF3 (293.3 eV) शिखर दिखाता है, जो सतह पर बनने वाले फ्लोरोकार्बन-आधारित सिलेन के कारण होते हैं।चित्र 2ई नंगे, नक़्क़ाशीदार, एसएचपी और एलओआईएस के संपर्क में विआयनीकृत पानी के विभिन्न समूहों के लिए संपर्क कोण (सीए) माप की प्रतिनिधि ऑप्टिकल छवियां दिखाता है।इन छवियों से पता चलता है कि रासायनिक नक़्क़ाशी द्वारा बनाई गई सूक्ष्म/नैनो संरचना के कारण नक़्क़ाशीदार सतह हाइड्रोफिलिक हो जाती है ताकि विआयनीकृत पानी संरचना में अवशोषित हो जाए।हालाँकि, जब सब्सट्रेट को एसएएम के साथ लेपित किया जाता है, तो सब्सट्रेट मजबूत जल विकर्षक प्रदर्शित करता है, इसलिए एक सतह एसएचपी बनता है और पानी और सतह के बीच संपर्क क्षेत्र छोटा होता है।अंत में, एलओआईएस में सीए में कमी देखी गई, जिसका श्रेय माइक्रोस्ट्रक्चर में स्नेहक के प्रवेश को दिया जा सकता है, जिससे संपर्क क्षेत्र में वृद्धि होती है।यह साबित करने के लिए कि सतह में उत्कृष्ट तरल प्रतिरोधी और गैर-चिपकने वाले गुण हैं, एलओआईएस की तुलना विभिन्न तरल पदार्थों (चित्रा 2एफ) का उपयोग करके सीए और एसए को मापकर एसएचपी सब्सट्रेट से की गई थी।चिपचिपाहट और सतह ऊर्जा के आधार पर विभिन्न प्रकार के तरल पदार्थों का चयन किया गया, जिनमें विआयनीकृत पानी, रक्त, ईजी, ईटीओएच और एचडी (चित्रा एस 4) शामिल हैं।सीए माप परिणाम दर्शाते हैं कि जब सीए एचडी की ओर झुकता है, तो सीए का कमी मूल्य, जहां सीए की सतह ऊर्जा सबसे कम होती है।इसके अलावा, समग्र सीए का एलओआईएस कम है।हालाँकि, SA माप एक पूरी तरह से अलग घटना दिखाता है।आयनीकृत पानी को छोड़कर, सभी तरल पदार्थ बिना फिसले एसएचपी सब्सट्रेट से चिपक जाते हैं।दूसरी ओर, एलओआईएस बहुत कम एसए दिखाता है, जहां जब सारा तरल 10° से 15° से कम कोण पर झुका होता है, तो सारा तरल लुढ़क जाएगा।यह दृढ़ता से दर्शाता है कि एलओआईएस की गैर-चिपकने की क्षमता एसएचपी सतह की तुलना में बेहतर है।इसके अलावा, एलओआईएस कोटिंग्स विभिन्न प्रकार की सामग्रियों पर भी लागू की जाती हैं, जिनमें टाइटेनियम (टीआई), पॉलीफेनिलसल्फोन (पीपीएसयू), पॉलीऑक्सीमेथिलीन (पीओएम), पॉलीथर ईथर कीटोन (पीईईके) और बायोएब्जॉर्बेबल पॉलिमर (पीएलजीए) शामिल हैं, वे इम्प्लांटेबल ऑर्थोपेडिक सामग्री हैं (चित्रा) S5)).एलओआईएस द्वारा उपचारित सामग्री पर बूंदों की अनुक्रमिक छवियां दर्शाती हैं कि एलओआईएस के जैव-विरोधी गुण सभी सब्सट्रेट्स पर समान हैं।इसके अलावा, सीए और एसए के माप परिणाम बताते हैं कि एलओआईएस के गैर-चिपकने वाले गुणों को अन्य सामग्रियों पर लागू किया जा सकता है।
एलओआईएस के एंटी-फाउलिंग गुणों की पुष्टि करने के लिए, विभिन्न प्रकार के सब्सट्रेट्स (नंगे, नक़्क़ाशीदार, एसएचपी और एलओआईएस सहित) को स्यूडोमोनस एरुगिनोसा और एमआरएसए के साथ जोड़ा गया था।इन दो बैक्टीरिया को प्रतिनिधि अस्पताल बैक्टीरिया के रूप में चुना गया था, जो बायोफिल्म के निर्माण का कारण बन सकता है, जिससे एसएसआई (37) हो सकता है।चित्र 3 (ए और बी) क्रमशः अल्पकालिक (12 घंटे) और दीर्घकालिक (72 घंटे) के लिए जीवाणु निलंबन में ऊष्मायन सब्सट्रेट के प्रतिदीप्ति माइक्रोस्कोप छवियों और कॉलोनी बनाने वाली इकाई (सीएफयू) माप परिणामों को दिखाता है।थोड़े समय में, बैक्टीरिया समूह बना लेंगे और आकार में बढ़ जाएंगे, खुद को बलगम जैसे पदार्थों से ढक लेंगे और उनके निष्कासन को रोक देंगे।हालाँकि, 72 घंटे के ऊष्मायन के दौरान, बैक्टीरिया परिपक्व हो जाएगा और अधिक कालोनियों या समूहों को बनाने के लिए फैलाना आसान हो जाएगा।इसलिए, यह माना जा सकता है कि 72 घंटे का ऊष्मायन दीर्घकालिक है और सतह पर एक मजबूत बायोफिल्म बनाने के लिए उपयुक्त ऊष्मायन समय है (38)।थोड़े समय में, नक़्क़ाशीदार सतह और एसएचपी की सतह ने जीवाणु आसंजन प्रदर्शित किया, जो नंगे सब्सट्रेट की तुलना में लगभग 25% से 50% तक कम हो गया था।हालाँकि, अपने उत्कृष्ट एंटी-बायोफॉलिंग प्रदर्शन और स्थिरता के कारण, LOIS ने छोटी और लंबी अवधि में बैक्टीरियल बायोफिल्म आसंजन नहीं दिखाया।योजनाबद्ध आरेख (चित्रा 3सी) नक़्क़ाशी समाधान, एसएचपी और एलओआईएस के जैविक-विरोधी दूषण तंत्र की व्याख्या का वर्णन करता है।धारणा यह है कि हाइड्रोफिलिक गुणों वाले नक़्क़ाशीदार सब्सट्रेट का सतह क्षेत्र नंगे सब्सट्रेट की तुलना में बड़ा होगा।इसलिए, नक़्क़ाशीदार सब्सट्रेट पर अधिक जीवाणु आसंजन होगा।हालाँकि, नंगे सब्सट्रेट की तुलना में, नक़्क़ाशीदार सब्सट्रेट की सतह पर काफी कम बायोफिल्म बनती है।ऐसा इसलिए है क्योंकि पानी के अणु हाइड्रोफिलिक सतह से मजबूती से जुड़ते हैं और पानी के लिए स्नेहक के रूप में कार्य करते हैं, इस प्रकार अल्पावधि में बैक्टीरिया के आसंजन में हस्तक्षेप करते हैं (39)।हालाँकि, पानी के अणुओं की परत बहुत पतली होती है और जीवाणु निलंबन में घुलनशील होती है।इसलिए, पानी की आणविक परत लंबे समय तक गायब रहती है, जिससे व्यापक जीवाणु आसंजन और प्रसार होता है।एसएचपी के लिए, इसके अल्पकालिक गैर-गीला गुणों के कारण, जीवाणु आसंजन बाधित होता है।कम बैक्टीरिया आसंजन को स्तरित संरचना में फंसी हवा की जेब और निचली सतह ऊर्जा के लिए जिम्मेदार ठहराया जा सकता है, जिससे बैक्टीरिया निलंबन और सतह के बीच संपर्क कम हो जाता है।हालाँकि, SHP में व्यापक जीवाणु आसंजन देखा गया क्योंकि इसने लंबे समय तक अपने एंटी-फाउलिंग गुणों को खो दिया था।यह मुख्य रूप से हाइड्रोस्टेटिक दबाव और पानी में हवा के घुलने के कारण हवा की जेबों के गायब होने के कारण होता है।यह मुख्य रूप से विघटन के कारण हवा की जेबों के गायब होने और स्तरित संरचना के कारण होता है जो आसंजन के लिए एक बड़ा सतह क्षेत्र प्रदान करता है (27, 40)।इन दो सब्सट्रेट्स के विपरीत, जिनका दीर्घकालिक स्थिरता पर महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ता है, एलओआईएस में निहित स्नेहक को सूक्ष्म/नैनो संरचना में इंजेक्ट किया जाता है और लंबी अवधि में भी गायब नहीं होगा।सूक्ष्म/नैनो संरचनाओं से भरे स्नेहक बहुत स्थिर होते हैं और अपनी उच्च रासायनिक बन्धुता के कारण सतह पर दृढ़ता से आकर्षित होते हैं, जिससे लंबे समय तक बैक्टीरिया के आसंजन को रोका जा सकता है।चित्र S6 फॉस्फेट बफर्ड सेलाइन (पीबीएस) में डूबे एक स्नेहक-संक्रमित सब्सट्रेट की प्रतिबिंब कन्फोकल माइक्रोस्कोप छवि दिखाता है।निरंतर छवियों से पता चलता है कि 120 घंटे के हल्के झटकों (120 आरपीएम) के बाद भी, एलओआईएस पर स्नेहक परत अपरिवर्तित रहती है, जो प्रवाह स्थितियों के तहत दीर्घकालिक स्थिरता का संकेत देती है।यह फ्लोरीन-आधारित एसएएम कोटिंग और पेरफ्लूरोकार्बन-आधारित स्नेहक के बीच उच्च रासायनिक समानता के कारण है, ताकि एक स्थिर स्नेहक परत बनाई जा सके।इसलिए, दूषण-विरोधी प्रदर्शन कायम रहता है।इसके अलावा, सब्सट्रेट का परीक्षण प्रतिनिधि प्रोटीन (एल्ब्यूमिन और फाइब्रिनोजेन) के खिलाफ किया गया था, जो प्लाज्मा में होते हैं, कोशिकाएं प्रतिरक्षा कार्य (मैक्रोफेज और फाइब्रोब्लास्ट) से निकटता से संबंधित होती हैं, और जो हड्डी के निर्माण से संबंधित होती हैं।इसमें कैल्शियम की मात्रा बहुत अधिक होती है।(चित्र 3डी, 1 और 2, और चित्र एस7) (41, 42)।इसके अलावा, फ़ाइब्रिनोजेन, एल्ब्यूमिन और कैल्शियम के आसंजन परीक्षण की प्रतिदीप्ति माइक्रोस्कोप छवियों ने प्रत्येक सब्सट्रेट समूह की अलग-अलग आसंजन विशेषताओं को दिखाया (चित्र S8)।हड्डी के निर्माण के दौरान, नवगठित हड्डी और कैल्शियम की परतें ऑर्थोपेडिक इम्प्लांट को घेर सकती हैं, जिससे न केवल निकालना मुश्किल हो जाता है, बल्कि हटाने की प्रक्रिया के दौरान रोगी को अप्रत्याशित नुकसान भी हो सकता है।इसलिए, हड्डी की प्लेटों और स्क्रू पर जमा कैल्शियम का निम्न स्तर आर्थोपेडिक सर्जरी के लिए फायदेमंद होता है जिसमें प्रत्यारोपण हटाने की आवश्यकता होती है।प्रतिदीप्ति तीव्रता और सेल गिनती के आधार पर संलग्न क्षेत्र की मात्रा के आधार पर, हमने पुष्टि की कि एलओआईएस अन्य सब्सट्रेट्स की तुलना में सभी जैविक पदार्थों के लिए उत्कृष्ट एंटी-बायोफ्लिंग गुण दिखाता है।इन विट्रो प्रयोगों के परिणामों के अनुसार, एंटी-बायोलॉजिकल फाउलिंग एलओआईएस को आर्थोपेडिक प्रत्यारोपण पर लागू किया जा सकता है, जो न केवल बायोफिल्म बैक्टीरिया के कारण होने वाले संक्रमण को रोक सकता है, बल्कि शरीर की सक्रिय प्रतिरक्षा प्रणाली के कारण होने वाली सूजन को भी कम कर सकता है।
(ए) प्रत्येक समूह (नग्न, नक़्क़ाशीदार, एसएचपी और एलओआईएस) की प्रतिदीप्ति माइक्रोस्कोप छवियों को स्यूडोमोनास एरुगिनोसा और एमआरएसए निलंबन में 12 और 72 घंटों के लिए ऊष्मायन किया गया।(बी) प्रत्येक समूह की सतह पर स्यूडोमोनास एरुगिनोसा और एमआरएसए के अनुयाई सीएफयू की संख्या।(सी) अल्पकालिक और दीर्घकालिक नक़्क़ाशी, एसएचपी और एलओआईएस के जैविक-विरोधी दूषण तंत्र का योजनाबद्ध आरेख।(डी) (1) प्रत्येक सब्सट्रेट से जुड़े फ़ाइब्रोब्लास्ट की संख्या और नंगे और एलओआईएस से जुड़ी कोशिकाओं की प्रतिदीप्ति माइक्रोस्कोप छवियां।(2) हड्डी उपचार प्रक्रिया में शामिल प्रतिरक्षा-संबंधी प्रोटीन, एल्ब्यूमिन और कैल्शियम का आसंजन परीक्षण (* पी <0.05, ** पी <0.01, *** पी <0.001 और **** पी <0.0001)।एनएस, महत्वपूर्ण नहीं.
अपरिहार्य संकेंद्रित तनावों के मामले में, यांत्रिक स्थायित्व हमेशा एंटीफ्लिंग कोटिंग्स के आवेदन के लिए मुख्य चुनौती रही है।पारंपरिक एंटी-सीवेज जेल विधियां कम पानी में घुलनशीलता और नाजुकता वाले पॉलिमर पर आधारित होती हैं।इसलिए, वे आमतौर पर बायोमेडिकल अनुप्रयोगों में यांत्रिक तनाव के प्रति संवेदनशील होते हैं।इसलिए, यांत्रिक रूप से टिकाऊ एंटीफ्लिंग कोटिंग्स आर्थोपेडिक प्रत्यारोपण (43, 44) जैसे अनुप्रयोगों के लिए एक चुनौती बनी हुई हैं।चित्र 4ए(1) आर्थोपेडिक प्रत्यारोपण पर लागू होने वाले दो मुख्य प्रकार के तनाव को दर्शाता है, जिसमें खरोंच (कतरनी तनाव) और संदंश द्वारा उत्पादित क्षतिग्रस्त प्रत्यारोपण की ऑप्टिकल छवि के साथ संपीड़न शामिल है।उदाहरण के लिए, जब स्क्रू को स्क्रूड्राइवर से कस दिया जाता है, या जब सर्जन हड्डी की प्लेट को चिमटी से कसकर पकड़ता है और संपीड़न बल लगाता है, तो प्लास्टिक की हड्डी की प्लेट क्षतिग्रस्त हो जाएगी और मैक्रो और माइक्रो/नैनो स्केल दोनों पर खरोंच आ जाएगी (चित्र 4ए, 2) .यह जांचने के लिए कि निर्मित एलओआईएस प्लास्टिक सर्जरी के दौरान इन नुकसानों का सामना कर सकता है या नहीं, सूक्ष्म/नैनो संरचना के यांत्रिक गुणों का अध्ययन करने के लिए सूक्ष्म/नैनो पैमाने पर नंगे सब्सट्रेट और एलओआईएस की कठोरता की तुलना करने के लिए नैनोइंडेंटेशन किया गया था। प्रभाव (चित्रा) 4बी).योजनाबद्ध आरेख सूक्ष्म/नैनो संरचनाओं की उपस्थिति के कारण एलओआईएस के विभिन्न विरूपण व्यवहार को दर्शाता है।नैनोइंडेंटेशन के परिणामों के आधार पर एक बल-विस्थापन वक्र खींचा गया था (चित्र 4सी)।नीली छवि नंगे सब्सट्रेट का प्रतिनिधित्व करती है, जो केवल मामूली विरूपण दिखाती है, जैसा कि 0.26-μm की अधिकतम इंडेंटेशन गहराई से देखा जाता है।दूसरी ओर, एलओआईएस (लाल वक्र) में देखे गए नैनोइंडेंटेशन बल और विस्थापन में क्रमिक वृद्धि कम यांत्रिक गुणों के संकेत दिखा सकती है, जिसके परिणामस्वरूप नैनोइंडेंटेशन गहराई 1.61μm हो सकती है।ऐसा इसलिए है क्योंकि एलओआईएस में मौजूद सूक्ष्म/नैनो संरचना नैनोइंडेंटर की नोक के लिए गहरी उन्नति की जगह प्रदान करती है, इसलिए इसका विरूपण नंगे सब्सट्रेट की तुलना में अधिक होता है।कॉन्स्टा-गडौटोस एट अल।(45) का मानना ​​है कि नैनोसंरचनाओं की उपस्थिति के कारण, नैनोइंडेंटेशन और सूक्ष्म/नैनो खुरदरापन अनियमित नैनोइंडेंटेशन वक्रों को जन्म देता है।छायांकित क्षेत्र नैनोस्ट्रक्चर के लिए जिम्मेदार अनियमित विरूपण वक्र से मेल खाता है, जबकि गैर-छायांकित क्षेत्र माइक्रोस्ट्रक्चर के लिए जिम्मेदार है।यह विकृति धारण करने वाले स्नेहक की माइक्रोस्ट्रक्चर/नैनोस्ट्रक्चर को नुकसान पहुंचा सकती है और इसके एंटी-फाउलिंग प्रदर्शन को नकारात्मक रूप से प्रभावित कर सकती है।एलओआईएस पर क्षति के प्रभाव का अध्ययन करने के लिए, प्लास्टिक सर्जरी के दौरान शरीर में सूक्ष्म/नैनो संरचनाओं की अपरिहार्य क्षति को दोहराया गया था।रक्त और प्रोटीन आसंजन परीक्षणों का उपयोग करके, इन विट्रो के बाद एलओआईएस के एंटी-बायोफ्लिंग गुणों की स्थिरता निर्धारित की जा सकती है (चित्रा 4डी)।ऑप्टिकल छवियों की एक श्रृंखला प्रत्येक सब्सट्रेट के छिद्रों के पास हुई क्षति को दर्शाती है।एंटी-बायोफ्लिंग कोटिंग पर यांत्रिक क्षति के प्रभाव को प्रदर्शित करने के लिए एक रक्त आसंजन परीक्षण किया गया था (चित्रा 4ई)।एसएचपी की तरह, क्षति के कारण एंटी-फाउलिंग गुण नष्ट हो जाते हैं, और एलओआईएस रक्त को विकर्षित करके उत्कृष्ट एंटी-फाउलिंग गुण प्रदर्शित करता है।ऐसा इसलिए है, क्योंकि सतह की ऊर्जा क्षतिग्रस्त क्षेत्र को कवर करने वाली केशिका क्रिया द्वारा संचालित होती है, माइक्रोस्ट्रक्चर्ड स्नेहक स्नेहक में प्रवाह एंटी-फाउलिंग गुणों को बहाल करता है (35)।एल्ब्यूमिन का उपयोग करके प्रोटीन आसंजन परीक्षण में भी यही प्रवृत्ति देखी गई।क्षतिग्रस्त क्षेत्र में, एसएचपी की सतह पर प्रोटीन का आसंजन व्यापक रूप से देखा जाता है, और इसके क्षेत्र कवरेज को मापकर, इसे नंगे सब्सट्रेट के आसंजन स्तर के आधे के रूप में निर्धारित किया जा सकता है।दूसरी ओर, एलओआईएस ने आसंजन पैदा किए बिना अपने जैव-विरोधी गुणों को बनाए रखा (चित्रा 4, एफ और जी)।इसके अलावा, स्क्रू की सतह अक्सर ड्रिलिंग जैसे मजबूत यांत्रिक तनाव के अधीन होती है, इसलिए हमने इन विट्रो में स्क्रू पर बरकरार रहने के लिए एलओआईएस कोटिंग की क्षमता का अध्ययन किया।चित्र 4H नंगे, SHP और LOIS सहित विभिन्न स्क्रू की ऑप्टिकल छवियां दिखाता है।लाल आयत उस लक्ष्य क्षेत्र का प्रतिनिधित्व करता है जहां हड्डी प्रत्यारोपण के दौरान मजबूत यांत्रिक तनाव होता है।प्लेट के प्रोटीन आसंजन परीक्षण के समान, एक प्रतिदीप्ति माइक्रोस्कोप का उपयोग प्रोटीन आसंजन की छवि बनाने और कवरेज क्षेत्र को मापने के लिए किया जाता है ताकि मजबूत यांत्रिक तनाव (चित्रा 4, आई और जे) के तहत भी एलओआईएस कोटिंग की अखंडता को साबित किया जा सके।एलओआईएस-उपचारित स्क्रू उत्कृष्ट एंटी-फाउलिंग प्रदर्शन प्रदर्शित करते हैं, और लगभग कोई भी प्रोटीन सतह पर नहीं चिपकता है।दूसरी ओर, नंगे स्क्रू और एसएचपी स्क्रू में प्रोटीन आसंजन देखा गया, जहां एसएचपी स्क्रू का क्षेत्र कवरेज नंगे स्क्रू का एक तिहाई था।इसके अलावा, फिक्सेशन के लिए उपयोग किया जाने वाला आर्थोपेडिक इम्प्लांट फ्रैक्चर साइट पर लागू तनाव को झेलने के लिए यांत्रिक रूप से मजबूत होना चाहिए, जैसा कि चित्र 4K में दिखाया गया है।इसलिए, यांत्रिक गुणों पर रासायनिक संशोधन के प्रभाव को निर्धारित करने के लिए एक झुकने वाला परीक्षण किया गया था।इसके अलावा, इम्प्लांट से निश्चित तनाव बनाए रखने के लिए ऐसा किया जाता है।जब तक इम्प्लांट पूरी तरह से मुड़ न जाए और एक तनाव-तनाव वक्र प्राप्त न हो जाए, तब तक ऊर्ध्वाधर यांत्रिक बल लागू करें (चित्र 4L, 1)।यंग के मापांक और फ्लेक्सुरल ताकत सहित दो गुणों की तुलना नंगे और एलओआईएस सब्सट्रेट्स के बीच उनकी यांत्रिक शक्ति के संकेतक के रूप में की गई थी (चित्रा 4 एल, 2 और 3)।यंग का मापांक किसी सामग्री की यांत्रिक परिवर्तनों को झेलने की क्षमता को इंगित करता है।प्रत्येक सब्सट्रेट का यंग मापांक क्रमशः 41.48±1.01 और 40.06±0.96 GPa है;देखा गया अंतर लगभग 3.4% है।इसके अलावा, यह बताया गया है कि झुकने की ताकत, जो सामग्री की कठोरता को निर्धारित करती है, नंगे सब्सट्रेट के लिए 102.34±1.51 GPa और SHP के लिए 96.99±0.86 GPa है।नंगे सब्सट्रेट लगभग 5.3% अधिक है।यांत्रिक गुणों में मामूली कमी नॉच प्रभाव के कारण हो सकती है।नॉच प्रभाव में, सूक्ष्म/नैनो खुरदरापन नॉच के एक सेट के रूप में कार्य कर सकता है, जिससे स्थानीय तनाव एकाग्रता हो सकती है और इम्प्लांट के यांत्रिक गुणों को प्रभावित किया जा सकता है (46)।हालाँकि, इस तथ्य के आधार पर कि मानव कॉर्टिकल हड्डी की कठोरता 7.4 और 31.6 GPa के बीच बताई गई है, और मापा गया LOIS मापांक मानव कॉर्टिकल हड्डी (47) से अधिक है, LOIS फ्रैक्चर और उसके समग्र समर्थन के लिए पर्याप्त है। सतह संशोधन से यांत्रिक गुण न्यूनतम रूप से प्रभावित होते हैं।
(ए) योजनाबद्ध आरेख (1) ऑपरेशन के दौरान आर्थोपेडिक प्रत्यारोपण पर लागू यांत्रिक तनाव, और (2) क्षतिग्रस्त आर्थोपेडिक प्रत्यारोपण की ऑप्टिकल छवि।(बी) नंगे सतह पर नैनोइंडेंटेशन और एलओआईएस द्वारा नैनो-मैकेनिकल गुणों के माप का योजनाबद्ध आरेख।(सी) नंगी सतह और एलओआईएस का नैनोइंडेंटेशन बल-विस्थापन वक्र।(डी) इन विट्रो प्रयोगों के बाद, ऑपरेशन के दौरान होने वाले यांत्रिक तनाव का अनुकरण करने के लिए विभिन्न प्रकार की ऑर्थोपेडिक प्लेटों (क्षतिग्रस्त क्षेत्र को लाल आयत के साथ हाइलाइट किया गया है) की ऑप्टिकल छवियों का अनुकरण करें।(ई) रक्त आसंजन परीक्षण और (एफ) क्षतिग्रस्त ऑर्थोपेडिक प्लेट समूह का प्रोटीन आसंजन परीक्षण।(जी) प्लेट से चिपके प्रोटीन के क्षेत्र कवरेज को मापें।(एच) इन विट्रो प्रयोग के बाद विभिन्न प्रकार के ऑर्थोपेडिक स्क्रू की ऑप्टिकल छवियां।(I) विभिन्न कोटिंग्स की अखंडता का अध्ययन करने के लिए प्रोटीन आसंजन परीक्षण।(जे) पेंच का पालन करने वाले प्रोटीन के क्षेत्र कवरेज को मापें।(के) खरगोश की हरकत का उद्देश्य टूटी हुई हड्डी पर एक निश्चित तनाव उत्पन्न करना है।(एल) (1) झुकने से पहले और बाद में परीक्षण के परिणाम और ऑप्टिकल छवियां मोड़ें।नंगे प्रत्यारोपण और एसएचपी के बीच (2) यंग मापांक और (3) झुकने की ताकत में अंतर।डेटा को माध्य ± SD (*P<0.05, **P<0.01, ***P<0.001 और ****P<0.0001) के रूप में व्यक्त किया जाता है।छवि सौजन्य: क्योमिन चाए, योनसेई विश्वविद्यालय।
नैदानिक ​​स्थितियों में, जैविक सामग्रियों और घाव स्थलों के साथ अधिकांश जीवाणु संपर्क परिपक्व, परिपक्व बायोफिल्म्स (48) से होता है।इसलिए, यूएस सेंटर फॉर डिजीज कंट्रोल एंड प्रिवेंशन का अनुमान है कि सभी मानव संक्रमणों में से 65% बायोफिल्म्स (49) से संबंधित हैं।इस मामले में, एक इन विवो प्रायोगिक डिज़ाइन प्रदान करना आवश्यक है जो प्रत्यारोपण की सतह पर लगातार बायोफिल्म निर्माण प्रदान करता है।इसलिए, हमने एक खरगोश ऊरु फ्रैक्चर मॉडल विकसित किया जिसमें आर्थोपेडिक प्रत्यारोपण को एक जीवाणु निलंबन में पूर्व-ऊष्मायन किया गया और फिर विवो में एलओआईएस के एंटी-फाउलिंग गुणों का अध्ययन करने के लिए खरगोश मादाओं में प्रत्यारोपित किया गया।निम्नलिखित तीन महत्वपूर्ण तथ्यों के कारण, जीवाणु संक्रमण जीवाणु निलंबन के सीधे इंजेक्शन के बजाय पूर्व-संस्कृति से प्रेरित होता है: (i) खरगोशों की प्रतिरक्षा प्रणाली स्वाभाविक रूप से मनुष्यों की तुलना में अधिक मजबूत होती है;इसलिए, बैक्टीरियल सस्पेंशन और प्लवकटोनिक बैक्टीरिया का इंजेक्शन संभव है, इसका बायोफिल्म के निर्माण पर कोई प्रभाव नहीं पड़ता है।(ii) प्लैंकटोनिक बैक्टीरिया एंटीबायोटिक दवाओं के प्रति अधिक संवेदनशील होते हैं, और एंटीबायोटिक दवाओं का उपयोग आमतौर पर सर्जरी के बाद किया जाता है;अंत में, (iii) प्लैंकटोनिक बैक्टीरिया सस्पेंशन को जानवर के शरीर के तरल पदार्थ (50) द्वारा पतला किया जा सकता है।इम्प्लांट से पहले इम्प्लांट को बैक्टीरियल सस्पेंशन में प्री-कल्चर करके, हम हड्डी के उपचार की प्रक्रिया पर बैक्टीरियल संक्रमण और विदेशी शरीर प्रतिक्रिया (एफबीआर) के हानिकारक प्रभावों का गहन अध्ययन कर सकते हैं।प्रत्यारोपण के 4 सप्ताह बाद खरगोशों की बलि दी गई, क्योंकि हड्डी के उपचार की प्रक्रिया के लिए आवश्यक ऑसियोइंटीग्रेशन 4 सप्ताह के भीतर पूरा हो जाएगा।फिर, डाउनस्ट्रीम अध्ययन के लिए खरगोशों से प्रत्यारोपण हटा दिए गए।चित्र 5ए बैक्टीरिया के प्रसार तंत्र को दर्शाता है।संक्रमित आर्थोपेडिक इम्प्लांट को शरीर में डाला जाता है।बैक्टीरियल सस्पेंशन में पूर्व-ऊष्मायन के परिणामस्वरूप, नग्न प्रत्यारोपण के साथ प्रत्यारोपित किए गए छह खरगोशों में से छह संक्रमित थे, जबकि एलओआईएस-उपचारित प्रत्यारोपण के साथ प्रत्यारोपित किए गए खरगोशों में से कोई भी संक्रमित नहीं था।जीवाणु संक्रमण तीन चरणों में होता है, जिसमें वृद्धि, परिपक्वता और फैलाव शामिल है (51)।सबसे पहले, संलग्न बैक्टीरिया सतह पर प्रजनन करते हैं और बढ़ते हैं, और फिर बैक्टीरिया एक बायोफिल्म बनाते हैं जब वे बाह्य कोशिकीय बहुलक (ईपीएस), अमाइलॉइड और बाह्य कोशिकीय डीएनए उत्सर्जित करते हैं।बायोफिल्म न केवल एंटीबायोटिक दवाओं के प्रवेश में हस्तक्षेप करता है, बल्कि एंटीबायोटिक-डिग्रेडिंग एंजाइमों (जैसे β-लैक्टामेज़) (52) के संचय को भी बढ़ावा देता है।अंत में, बायोफिल्म परिपक्व बैक्टीरिया को आसपास के ऊतकों में फैला देती है।इसलिए संक्रमण होता है.इसके अलावा, जब कोई विदेशी शरीर शरीर में प्रवेश करता है, तो एक संक्रमण जो एक मजबूत प्रतिरक्षा प्रतिक्रिया का कारण बन सकता है, गंभीर सूजन, दर्द और प्रतिरक्षा में कमी का कारण बन सकता है।चित्र 5बी जीवाणु संक्रमण के कारण होने वाली प्रतिरक्षा प्रतिक्रिया के बजाय आर्थोपेडिक प्रत्यारोपण के सम्मिलन के कारण होने वाले एफबीआर का एक सिंहावलोकन प्रदान करता है।प्रतिरक्षा प्रणाली डाले गए प्रत्यारोपण को एक विदेशी शरीर के रूप में पहचानती है, और फिर कोशिकाओं और ऊतकों को विदेशी शरीर को घेरने के लिए प्रतिक्रिया करने के लिए प्रेरित करती है (53)।एफबीआर के शुरुआती दिनों में, आर्थोपेडिक प्रत्यारोपण की सतह पर एक आपूर्ति मैट्रिक्स का गठन किया गया था, जिसके परिणामस्वरूप फाइब्रिनोजेन का सोखना हुआ।अधिशोषित फ़ाइब्रिनोजेन फिर एक अत्यधिक सघन फ़ाइब्रिन नेटवर्क बनाता है, जो ल्यूकोसाइट्स (54) के जुड़ाव को बढ़ावा देता है।एक बार जब फाइब्रिन नेटवर्क बन जाता है, तो न्यूट्रोफिल की घुसपैठ के कारण तीव्र सूजन हो जाएगी।इस चरण में, विभिन्न प्रकार के साइटोकिन्स जैसे ट्यूमर नेक्रोसिस फैक्टर-α (TNF-α), इंटरल्यूकिन-4 (IL-4) और IL-β जारी होते हैं, और मोनोसाइट्स इम्प्लांटेशन साइट में घुसपैठ करना शुरू कर देते हैं और विशाल कोशिकाओं में विभेदित हो जाते हैं।फेज (41, 55, 56)।एफबीआर को कम करना हमेशा एक चुनौती रही है क्योंकि अत्यधिक एफबीआर तीव्र और पुरानी सूजन का कारण बन सकता है, जिससे घातक जटिलताएं हो सकती हैं।नंगे प्रत्यारोपण और एलओआईएस के आसपास के ऊतकों में जीवाणु संक्रमण के प्रभाव का आकलन करने के लिए, हेमटॉक्सिलिन और ईओसिन (एच एंड ई) और मैसन ट्राइक्रोम (एमटी) धुंधला का उपयोग किया गया था।नंगे सबस्ट्रेट्स के साथ प्रत्यारोपित खरगोशों के लिए, गंभीर जीवाणु संक्रमण बढ़ गया, और एच एंड ई ऊतक स्लाइड में सूजन के कारण फोड़े और परिगलन स्पष्ट रूप से दिखाई दिए।दूसरी ओर, बेहद मजबूत एंटी-बायोफॉलिंग सतह LOIS बैक्टीरिया के आसंजन को रोकती है, इसलिए यह संक्रमण का कोई संकेत नहीं दिखाती है और सूजन को कम करती है (चित्र 5C)।एमटी स्टेनिंग के नतीजों में भी यही प्रवृत्ति दिखी।हालाँकि, एमटी स्टेनिंग ने एलओआईएस के साथ प्रत्यारोपित खरगोशों में एडिमा भी दिखाई, जो दर्शाता है कि रिकवरी होने वाली है (चित्रा 5डी)।प्रतिरक्षा प्रतिक्रिया की डिग्री का अध्ययन करने के लिए, प्रतिरक्षा प्रतिक्रिया से संबंधित साइटोकिन्स टीएनएफ-α और आईएल -6 का उपयोग करके इम्यूनोहिस्टोकेमिकल (आईएचसी) धुंधला प्रदर्शन किया गया था।बैक्टीरिया के संक्रमण की अनुपस्थिति में उपचार प्रक्रिया का अध्ययन करने के लिए एक नग्न नकारात्मक प्रत्यारोपण जो बैक्टीरिया के संपर्क में नहीं था, उसकी तुलना उस एलओआईएस से की गई जो बैक्टीरिया के संपर्क में था लेकिन संक्रमित नहीं था।चित्र 5E एक IHC स्लाइड की ऑप्टिकल छवि दिखाता है जो TNF-α को व्यक्त करता है।भूरा क्षेत्र प्रतिरक्षा प्रतिक्रिया का प्रतिनिधित्व करता है, यह दर्शाता है कि एलओआईएस में प्रतिरक्षा प्रतिक्रिया थोड़ी कम हो गई है।इसके अलावा, एलओआईएस में आईएल-6 की अभिव्यक्ति बाँझ नग्न (चित्रा 5एफ) की नकारात्मक अभिव्यक्ति से काफी कम थी।साइटोकिन की अभिव्यक्ति को साइटोकिन (चित्र 5G) के अनुरूप एंटीबॉडी धुंधला क्षेत्र को मापकर निर्धारित किया गया था।नकारात्मक प्रत्यारोपण के संपर्क में आने वाले खरगोशों की तुलना में, एलओआईएस के साथ प्रत्यारोपित खरगोशों का अभिव्यक्ति स्तर कम था, जो एक सार्थक अंतर दर्शाता है।साइटोकिन अभिव्यक्ति में कमी से संकेत मिलता है कि एलओआईएस के दीर्घकालिक, स्थिर एंटी-फाउलिंग गुण न केवल जीवाणु संक्रमण के निषेध से संबंधित हैं, बल्कि एफबीआर की कमी से भी संबंधित हैं, जो सब्सट्रेट का पालन करने वाले मैक्रोफेज द्वारा प्रेरित होता है (53, 57 , 58).इसलिए, एलओआईएस के प्रतिरक्षा चोरी गुणों के कारण कम प्रतिरक्षा प्रतिक्रिया प्रत्यारोपण के बाद होने वाले दुष्प्रभावों को हल कर सकती है, जैसे प्लास्टिक सर्जरी के बाद अत्यधिक प्रतिरक्षा प्रतिक्रिया।
(ए) एक संक्रमित आर्थोपेडिक प्रत्यारोपण की सतह पर बायोफिल्म के गठन और प्रसार के तंत्र का एक योजनाबद्ध आरेख।ईडीएनए, बाह्यकोशिकीय डीएनए।(बी) आर्थोपेडिक प्रत्यारोपण सम्मिलन के बाद प्रतिरक्षा प्रतिक्रिया का योजनाबद्ध आरेख।(सी) एच एंड ई स्टेनिंग और (डी) नंगे सकारात्मक और एलओआईएस के साथ आर्थोपेडिक प्रत्यारोपण के आसपास के ऊतकों की एमटी स्टेनिंग।प्रतिरक्षा-संबंधी साइटोकिन्स (ई) टीएनएफ-α और (एफ) आईएल-6 की आईएचसी नग्न-नकारात्मक और एलओआईएस-प्रत्यारोपित खरगोशों की दागदार छवियां हैं।(जी) क्षेत्र कवरेज माप द्वारा साइटोकिन अभिव्यक्ति की मात्रा का ठहराव (** पी <0.01)।
एलओआईएस की बायोकम्पैटिबिलिटी और हड्डी उपचार प्रक्रिया पर इसके प्रभाव की जांच विवो में डायग्नोस्टिक इमेजिंग [एक्स-रे और माइक्रो-कंप्यूटेड टोमोग्राफी (सीटी)] और ऑस्टियोक्लास्ट आईएचसी का उपयोग करके की गई थी।चित्र 6ए हड्डी के उपचार की प्रक्रिया को दर्शाता है जिसमें तीन अलग-अलग चरण शामिल हैं: सूजन, मरम्मत और रीमॉडलिंग।जब फ्रैक्चर होता है, तो सूजन वाली कोशिकाएं और फ़ाइब्रोब्लास्ट टूटी हुई हड्डी में प्रवेश कर जाएंगी और संवहनी ऊतक में बढ़ने लगेंगी।मरम्मत चरण के दौरान, संवहनी ऊतक की अंतर्वृद्धि फ्रैक्चर स्थल के पास फैल जाती है।संवहनी ऊतक नई हड्डी के निर्माण के लिए पोषक तत्व प्रदान करता है, जिसे कैलस कहा जाता है।हड्डी उपचार प्रक्रिया का अंतिम चरण रीमॉडलिंग चरण है, जिसमें सक्रिय ऑस्टियोक्लास्ट (59) के स्तर में वृद्धि की मदद से कैलस का आकार सामान्य हड्डी के आकार तक कम हो जाता है।प्रत्येक समूह में कैलस गठन के स्तर में अंतर देखने के लिए माइक्रो-सीटी स्कैन का उपयोग करके फ्रैक्चर साइट का त्रि-आयामी (3डी) पुनर्निर्माण किया गया था।टूटी हुई हड्डी के आसपास के कैलस की मोटाई का निरीक्षण करने के लिए फीमर के क्रॉस-सेक्शन का निरीक्षण करें (चित्रा 6, बी और सी)।प्रत्येक समूह में विभिन्न हड्डी पुनर्जनन प्रक्रियाओं का निरीक्षण करने के लिए हर सप्ताह सभी समूहों के फ्रैक्चर स्थलों की जांच करने के लिए एक्स-रे का भी उपयोग किया गया (चित्र S9)।कैलस और परिपक्व हड्डियों को क्रमशः नीले/हरे और हाथीदांत में दिखाया गया है।अधिकांश कोमल ऊतकों को एक पूर्व निर्धारित सीमा के साथ फ़िल्टर किया जाता है।न्यूड पॉजिटिव और एसएचपी ने फ्रैक्चर स्थल के आसपास थोड़ी मात्रा में कैलस के गठन की पुष्टि की।दूसरी ओर, एलओआईएस के उजागर नकारात्मक और फ्रैक्चर साइट मोटे कैलस से घिरे हुए हैं।माइक्रो-सीटी छवियों से पता चला कि बैक्टीरिया के संक्रमण और संक्रमण से संबंधित सूजन के कारण कैलस का निर्माण बाधित हो गया था।ऐसा इसलिए है क्योंकि प्रतिरक्षा प्रणाली हड्डी की रिकवरी (60) के बजाय संक्रमण से संबंधित सूजन के कारण होने वाली सेप्टिक चोटों के उपचार को प्राथमिकता देती है।ऑस्टियोक्लास्ट गतिविधि और हड्डी पुनर्वसन (चित्र 6D) (61) का निरीक्षण करने के लिए IHC और टार्ट्रेट-प्रतिरोधी एसिड फॉस्फेट (TRAP) धुंधलापन किया गया।नग्न सकारात्मकता और एसएचपी में बैंगनी रंग के केवल कुछ सक्रिय ऑस्टियोक्लास्ट पाए गए।दूसरी ओर, एलओआईएस की नग्न सकारात्मक और परिपक्व हड्डियों के पास कई सक्रिय ऑस्टियोक्लास्ट देखे गए।यह घटना इंगित करती है कि ऑस्टियोक्लास्ट की उपस्थिति में, फ्रैक्चर साइट के आसपास कैलस एक हिंसक रीमॉडलिंग प्रक्रिया (62) से गुजर रहा है।सभी समूहों में फ्रैक्चर साइट के आसपास कैलस गठन के स्तर की तुलना करने के लिए कैलस की हड्डी की मात्रा और ऑस्टियोक्लास्ट अभिव्यक्ति क्षेत्र को मापा गया, ताकि माइक्रो-सीटी स्कैन और आईएचसी परिणामों को निर्धारित किया जा सके (चित्र 6ई, 1 और 2)।जैसा कि अपेक्षित था, एलओआईएस में नग्न नकारात्मक और कैलस गठन अन्य समूहों की तुलना में काफी अधिक था, यह दर्शाता है कि सकारात्मक हड्डी रीमॉडलिंग हुई (63)।चित्र S10 सर्जिकल साइट की ऑप्टिकल छवि, स्क्रू के पास एकत्रित ऊतक के एमटी स्टेनिंग परिणाम और स्क्रू-बोन इंटरफ़ेस को उजागर करने वाले TRAP स्टेनिंग परिणाम को दर्शाता है।नंगे सब्सट्रेट में, मजबूत कैलस और फ़ाइब्रोसिस का गठन देखा गया, जबकि एलओआईएस-उपचारित प्रत्यारोपण में अपेक्षाकृत बिना चिपकी सतह दिखाई दी।इसी तरह, नग्न नकारात्मक की तुलना में, एलओआईएस के साथ प्रत्यारोपित खरगोशों में कम फाइब्रोसिस देखा गया, जैसा कि सफेद तीरों से संकेत मिलता है।इसके अलावा, फर्म एडिमा (नीला तीर) को एलओआईएस के प्रतिरक्षा चोरी गुणों के लिए जिम्मेदार ठहराया जा सकता है, जिससे गंभीर सूजन कम हो जाती है।इम्प्लांट के चारों ओर नॉन-स्टिक सतह और कम फाइब्रोसिस से पता चलता है कि हटाने की प्रक्रिया आसान है, जिसके परिणामस्वरूप आमतौर पर अन्य फ्रैक्चर या सूजन होती है।स्क्रू हटाने के बाद हड्डी की उपचार प्रक्रिया का मूल्यांकन स्क्रू-बोन इंटरफ़ेस पर ऑस्टियोक्लास्ट गतिविधि द्वारा किया गया था।नंगी हड्डी और एलओआईएस इम्प्लांट इंटरफ़ेस दोनों ने हड्डी के उपचार को आगे बढ़ाने के लिए ऑस्टियोक्लास्ट के समान स्तर को अवशोषित किया, यह दर्शाता है कि एलओआईएस कोटिंग का हड्डी के उपचार या प्रतिरक्षा प्रतिक्रिया पर कोई नकारात्मक प्रभाव नहीं पड़ता है।यह पुष्टि करने के लिए कि एलओआईएस पर किया गया सतह संशोधन हड्डी की उपचार प्रक्रिया में हस्तक्षेप नहीं करता है, एक्स-रे परीक्षा का उपयोग खरगोशों की हड्डी के उपचार की तुलना उजागर नकारात्मक आयनों और एलओआईएस प्रत्यारोपण के 6 सप्ताह (चित्र 6F) से करने के लिए किया गया था।परिणामों से पता चला कि असंक्रमित नग्न सकारात्मक समूह की तुलना में, एलओआईएस ने हड्डी के उपचार की समान डिग्री दिखाई, और दोनों समूहों में फ्रैक्चर (निरंतर ऑस्टियोलाइसिस लाइन) के कोई स्पष्ट संकेत नहीं थे।
(ए) फ्रैक्चर के बाद हड्डी ठीक होने की प्रक्रिया का योजनाबद्ध आरेख।(बी) प्रत्येक सतह समूह के कैलस गठन की डिग्री में अंतर और (सी) फ्रैक्चर साइट की क्रॉस-अनुभागीय छवि।(डी) ऑस्टियोक्लास्ट गतिविधि और हड्डी के अवशोषण को देखने के लिए ट्रैप स्टेनिंग।टीआरएपी गतिविधि के आधार पर, कॉर्टिकल हड्डी के बाहरी कैलस के गठन का मात्रात्मक विश्लेषण (ई) (1) माइक्रो-सीटी और (2) ऑस्टियोक्लास्ट गतिविधि द्वारा किया गया था।(एफ) आरोपण के 6 सप्ताह बाद, उजागर नकारात्मक (लाल धराशायी आयत द्वारा हाइलाइट किया गया) और एलओआईएस (नीले धराशायी आयत द्वारा हाइलाइट किया गया) की खंडित हड्डी की एक्स-रे छवियां।सांख्यिकीय विश्लेषण विचरण के एक-तरफ़ा विश्लेषण (एनोवा) द्वारा किया गया था।* पी <0.05.** पी <0.01.
संक्षेप में, एलओआईएस आर्थोपेडिक प्रत्यारोपण के लिए एक नई प्रकार की जीवाणुरोधी संक्रमण रणनीति और प्रतिरक्षा एस्केप कोटिंग प्रदान करता है।एसएचपी क्रियाशीलता के साथ पारंपरिक आर्थोपेडिक प्रत्यारोपण अल्पकालिक एंटी-बायोफ्लिंग गुण प्रदर्शित करते हैं, लेकिन लंबे समय तक अपने गुणों को बनाए नहीं रख सकते हैं।सब्सट्रेट की सुपरहाइड्रोफोबिसिटी बैक्टीरिया और सब्सट्रेट के बीच हवा के बुलबुले को फँसाती है, जिससे हवा की जेब बनती है, जिससे बैक्टीरिया के संक्रमण को रोका जा सकता है।हालाँकि, हवा के प्रसार के कारण, ये एयर पॉकेट आसानी से निकल जाते हैं।दूसरी ओर, एलओआईएस ने बायोफिल्म-संबंधित संक्रमणों को रोकने की अपनी क्षमता को अच्छी तरह से साबित कर दिया है।इसलिए, स्तरित सूक्ष्म/नैनो संरचना सतह में इंजेक्ट की गई स्नेहक परत के अस्वीकृति-विरोधी गुणों के कारण, संक्रमण से संबंधित सूजन को रोका जा सकता है।एलओआईएस विनिर्माण स्थितियों को अनुकूलित करने के लिए एसईएम, एएफएम, एक्सपीएस और सीए माप सहित विभिन्न लक्षण वर्णन विधियों का उपयोग किया जाता है।इसके अलावा, एलओआईएस को आमतौर पर आर्थोपेडिक निर्धारण उपकरण, जैसे पीएलजीए, टीआई, पीई, पीओएम और पीपीएसयू में उपयोग की जाने वाली विभिन्न जैविक सामग्रियों पर भी लागू किया जा सकता है।फिर, प्रतिरक्षा प्रतिक्रिया से संबंधित बैक्टीरिया और जैविक पदार्थों के खिलाफ इसके एंटी-बायोफ्लिंग गुणों को साबित करने के लिए एलओआईएस का इन विट्रो में परीक्षण किया गया।नतीजे बताते हैं कि इसमें नंगे प्रत्यारोपण की तुलना में उत्कृष्ट जीवाणुरोधी और एंटी-बायोफ्लिंग प्रभाव हैं।इसके अलावा, LOIS यांत्रिक तनाव लागू करने के बाद भी यांत्रिक शक्ति दिखाता है, जो प्लास्टिक सर्जरी में अपरिहार्य है।सूक्ष्म/नैनो संरचना की सतह पर स्नेहक के स्व-उपचार गुणों के कारण, एलओआईएस ने अपने जैविक-विरोधी दूषण गुणों को सफलतापूर्वक बनाए रखा।विवो में एलओआईएस की जैव-अनुकूलता और जीवाणुरोधी गुणों का अध्ययन करने के लिए, एलओआईएस को 4 सप्ताह के लिए खरगोश की जांघ की हड्डी में प्रत्यारोपित किया गया था।एलओआईएस प्रत्यारोपित खरगोशों में कोई जीवाणु संक्रमण नहीं देखा गया।इसके अलावा, IHC के उपयोग ने स्थानीय प्रतिरक्षा प्रतिक्रिया के कम स्तर को प्रदर्शित किया, जो दर्शाता है कि LOIS हड्डी की उपचार प्रक्रिया को बाधित नहीं करता है।एलओआईएस उत्कृष्ट जीवाणुरोधी और प्रतिरक्षा चोरी गुणों को प्रदर्शित करता है, और विशेष रूप से हड्डी संश्लेषण के लिए आर्थोपेडिक सर्जरी से पहले और उसके दौरान बायोफिल्म गठन को प्रभावी ढंग से रोकने में सिद्ध हुआ है।खरगोश अस्थि मज्जा सूजन ऊरु फ्रैक्चर मॉडल का उपयोग करके, प्री-इनक्यूबेटेड प्रत्यारोपण से प्रेरित हड्डी उपचार प्रक्रिया पर बायोफिल्म-संबंधित संक्रमण के प्रभाव का गहराई से अध्ययन किया गया था।भविष्य के अध्ययन के रूप में, संपूर्ण उपचार प्रक्रिया के दौरान बायोफिल्म से संबंधित संक्रमणों को पूरी तरह से समझने और रोकने के लिए प्रत्यारोपण के बाद संभावित संक्रमणों का अध्ययन करने के लिए एक नए इन विवो मॉडल की आवश्यकता है।इसके अलावा, एलओआईएस के साथ एकीकरण में ऑस्टियोइंडक्शन अभी भी एक अनसुलझी चुनौती है।चुनौती पर काबू पाने के लिए ऑस्टियोइंडक्टिव कोशिकाओं या पुनर्योजी चिकित्सा के चयनात्मक आसंजन को एलओआईएस के साथ संयोजित करने के लिए और अधिक शोध की आवश्यकता है।कुल मिलाकर, एलओआईएस यांत्रिक मजबूती और उत्कृष्ट एंटी-बायोफ्लिंग गुणों के साथ एक आशाजनक ऑर्थोपेडिक इम्प्लांट कोटिंग का प्रतिनिधित्व करता है, जो एसएसआई और प्रतिरक्षा दुष्प्रभावों को कम कर सकता है।
दूषित पदार्थों को हटाने के लिए 15 मिमी x 15 मिमी x 1 मिमी 304 एसएस सब्सट्रेट (डोंग कांग एम-टेक कंपनी, कोरिया) को एसीटोन, EtOH और DI पानी में 15 मिनट तक धोएं।सतह पर एक सूक्ष्म/नैनो-स्तरीय संरचना बनाने के लिए, साफ किए गए सब्सट्रेट को 50°C पर 48% से 51% HF घोल (DUKSAN Corp., दक्षिण कोरिया) में डुबोया जाता है।नक़्क़ाशी का समय 0 से 60 मिनट तक भिन्न होता है।फिर, नक़्क़ाशीदार सब्सट्रेट को विआयनीकृत पानी से साफ किया गया और सतह पर क्रोमियम ऑक्साइड निष्क्रियता परत बनाने के लिए 30 मिनट के लिए 50 डिग्री सेल्सियस पर 65% एचएनओ 3 (कोरिया डुक्सन कॉर्प) समाधान में रखा गया।निष्क्रियता के बाद, सब्सट्रेट को विआयनीकृत पानी से धोया जाता है और एक स्तरित संरचना वाला सब्सट्रेट प्राप्त करने के लिए सुखाया जाता है।इसके बाद, सब्सट्रेट को ऑक्सीजन प्लाज्मा (100 डब्ल्यू, 3 मिनट) के संपर्क में लाया गया, और तुरंत 12 घंटे के लिए कमरे के तापमान पर टोल्यूनि में 8.88 मिमी पॉट्स (सिग्मा-एल्ड्रिच, जर्मनी) के घोल में डुबोया गया।फिर, POTS के साथ लेपित सब्सट्रेट को EtOH से साफ किया गया, और घने POTS SAM प्राप्त करने के लिए 2 घंटे के लिए 150°C पर एनील्ड किया गया।एसएएम कोटिंग के बाद, 20 माइक्रोन/सेमी 2 की लोडिंग मात्रा के साथ पेरफ्लूरोपॉलीथर स्नेहक (क्रिटॉक्स 101; ड्यूपॉन्ट, यूएसए) लगाने से सब्सट्रेट पर एक स्नेहक परत बनाई गई थी। उपयोग से पहले, स्नेहक को 0.2 माइक्रोन फिल्टर के माध्यम से फ़िल्टर करें।15 मिनट के लिए 45° के कोण पर झुकाकर अतिरिक्त चिकनाई हटा दें।304 एसएस (लॉकिंग प्लेट और कॉर्टिकल लॉकिंग स्क्रू; डोंग कांग एम-टेक कंपनी, कोरिया) से बने आर्थोपेडिक प्रत्यारोपण के लिए उसी निर्माण प्रक्रिया का उपयोग किया गया था।सभी आर्थोपेडिक प्रत्यारोपण खरगोश की जांघ की हड्डी की ज्यामिति में फिट होने के लिए डिज़ाइन किए गए हैं।
सब्सट्रेट और आर्थोपेडिक प्रत्यारोपण की सतह आकृति विज्ञान का निरीक्षण क्षेत्र उत्सर्जन SEM (निरीक्षण F50, FEI, यूएसए) और AFM (XE-100, पार्क सिस्टम्स, दक्षिण कोरिया) द्वारा किया गया था।सतह का खुरदरापन (Ra, Rq) 20 μm के क्षेत्रफल को 20 μm (n=4) से गुणा करके मापा जाता है।सतह की रासायनिक संरचना का विश्लेषण करने के लिए 100μm2 के स्पॉट आकार के साथ अल Kα एक्स-रे स्रोत से सुसज्जित एक XPS (PHI 5000 VersaProbe, ULVAC PHI, जापान) प्रणाली का उपयोग किया गया था।तरल सीए और एसए को मापने के लिए एक गतिशील छवि कैप्चर कैमरा (स्मार्टड्रॉप, फेमटोबायोमेड, दक्षिण कोरिया) से सुसज्जित सीए माप प्रणाली का उपयोग किया गया था।प्रत्येक माप के लिए, सीए को मापने के लिए 6 से 10 μl बूंदें (विआयनीकृत पानी, घोड़े का रक्त, ईजी, 30% इथेनॉल और एचडी) सतह पर रखी जाती हैं।जब सब्सट्रेट का झुकाव कोण 2°/s (n = 4) की गति से बढ़ता है, तो बूंद गिरने पर SA मापा जाता है।
स्यूडोमोनास एरुगिनोसा [अमेरिकन टाइप कल्चर कलेक्शन (एटीसीसी) 27853] और एमआरएसए (एटीसीसी 25923) एटीसीसी (मानसस, वर्जीनिया, यूएसए) से खरीदे गए थे, और स्टॉक कल्चर को -80 डिग्री सेल्सियस पर बनाए रखा गया था।उपयोग से पहले, जमे हुए कल्चर को ट्रिप्सिन-पिघले हुए सोयाबीन शोरबा (कोमेड, कोरिया) में 18 घंटे के लिए 37 डिग्री सेल्सियस पर ऊष्मायन किया गया था और फिर इसे सक्रिय करने के लिए दो बार स्थानांतरित किया गया था।ऊष्मायन के बाद, संस्कृति को 10,000 आरपीएम पर 10 मिनट के लिए 4 डिग्री सेल्सियस पर सेंट्रीफ्यूज किया गया और पीबीएस (पीएच 7.3) समाधान के साथ दो बार धोया गया।सेंट्रीफ्यूज्ड संस्कृति को फिर रक्त अगर प्लेटों (बीएपी) पर उपसंस्कृत किया जाता है।एमआरएसए और स्यूडोमोनास एरुगिनोसा को रात भर तैयार किया गया और लुरिया-बर्टानी शोरबा में संवर्धित किया गया।इनोकुलम में स्यूडोमोनस एरुगिनोसा और एमआरएसए की सांद्रता मात्रात्मक रूप से अगर पर क्रमिक कमजोर पड़ने में निलंबन के सीएफयू द्वारा निर्धारित की गई थी।फिर, बैक्टीरिया की सघनता को 0.5 मैकफ़ारलैंड मानक पर समायोजित करें, जो 108 सीएफयू/एमएल के बराबर है।फिर कार्यशील जीवाणु निलंबन को 100 गुना 106 सीएफयू/एमएल तक पतला करें।जीवाणुरोधी आसंजन गुणों का परीक्षण करने के लिए, सब्सट्रेट को उपयोग से पहले 15 मिनट के लिए 121 डिग्री सेल्सियस पर निष्फल किया गया था।फिर सब्सट्रेट को 25 मिलीलीटर बैक्टीरियल सस्पेंशन में स्थानांतरित किया गया और 12 और 72 घंटों के लिए जोरदार झटकों (200 आरपीएम) के साथ 37 डिग्री सेल्सियस पर ऊष्मायन किया गया।ऊष्मायन के बाद, प्रत्येक सब्सट्रेट को इनक्यूबेटर से हटा दिया गया और सतह पर तैरते किसी भी बैक्टीरिया को हटाने के लिए पीबीएस के साथ 3 बार धोया गया।सब्सट्रेट पर बायोफिल्म का निरीक्षण करने के लिए, बायोफिल्म को मेथनॉल के साथ तय किया गया था और 2 मिनट के लिए 1 मिलीलीटर क्रिमिडीन ऑरेंज के साथ दाग दिया गया था।फिर दागदार बायोफिल्म की तस्वीरें लेने के लिए एक प्रतिदीप्ति माइक्रोस्कोप (BX51TR, ओलंपस, जापान) का उपयोग किया गया।सब्सट्रेट पर बायोफिल्म की मात्रा निर्धारित करने के लिए, संलग्न कोशिकाओं को बीड भंवर विधि द्वारा सब्सट्रेट से अलग किया गया था, जिसे संलग्न बैक्टीरिया (एन = 4) को हटाने के लिए सबसे उपयुक्त विधि माना जाता था।बाँझ संदंश का उपयोग करके, विकास माध्यम से सब्सट्रेट हटा दें और अतिरिक्त तरल निकालने के लिए वेल प्लेट को टैप करें।बाँझ पीबीएस के साथ दो बार धोने से ढीली जुड़ी कोशिकाओं को हटा दिया गया।फिर प्रत्येक सब्सट्रेट को एक बाँझ टेस्ट ट्यूब में स्थानांतरित किया गया जिसमें 9 मिलीलीटर 0.1% प्रोटीन ईपीटी सलाइन (पीएसडब्ल्यू) और 2 ग्राम 20 से 25 बाँझ ग्लास मोती (0.4 से 0.5 मिमी व्यास) थे।फिर नमूने से कोशिकाओं को अलग करने के लिए इसे 3 मिनट तक घुमाया गया।भंवर के बाद, निलंबन को क्रमिक रूप से 0.1% पीएसडब्ल्यू के साथ 10 गुना पतला किया गया था, और फिर प्रत्येक कमजोर पड़ने के 0.1 मिलीलीटर को बीएपी पर टीका लगाया गया था।37 डिग्री सेल्सियस पर 24 घंटे के ऊष्मायन के बाद, सीएफयू की गणना मैन्युअल रूप से की गई।
कोशिकाओं के लिए, माउस फ़ाइब्रोब्लास्ट NIH/3T3 (CRL-1658; अमेरिकन ATCC) और माउस मैक्रोफेज RAW 264.7 (TIB-71; अमेरिकन ATCC) का उपयोग किया गया।माउस फ़ाइब्रोब्लास्ट के संवर्धन के लिए डुलबेको के संशोधित ईगल माध्यम (डीएमईएम; एलएम001-05, वेल्जीन, कोरिया) का उपयोग करें और 10% बछड़ा सीरम (एस103-01, वेल्जीन) और 1% पेनिसिलिन-स्ट्रेप्टोमाइसिन (पीएस; एलएस202-02, वेलजीन (वेल्जीन) के साथ पूरक करें। ) 10% भ्रूण गोजातीय सीरम (एस001-01, वेलजीन) और 1% पीएस के साथ संवर्धित माउस मैक्रोफेज के लिए डीएमईएम का उपयोग करें, सब्सट्रेट को छह-अच्छी तरह से सेल कल्चर प्लेट में रखें, और कोशिकाओं को 105 कोशिकाओं/सेमी2 पर टीका लगाएं। कोशिकाओं को रात भर 37°C और 5% CO2 पर इनक्यूबेट किया गया। सेल स्टेनिंग के लिए, कोशिकाओं को 20 मिनट के लिए 4% पैराफॉर्मलडिहाइड के साथ फिक्स किया गया और 0.5% ट्राइटन एक्स इनक्यूबेट में 5 मिनट के लिए -100 में सब्सट्रेट को डुबोया गया 30 मिनट के लिए 37 डिग्री सेल्सियस पर, ऊष्मायन प्रक्रिया के बाद, 4′,6-डायमिनो-2-फेनिलइंडोल (एच -1200, वेक्टर प्रयोगशालाएं, यूके) वेक्टशील्ड निर्धारण माध्यम (एन = 4 प्रति सेल) के साथ सब्सट्रेट का उपयोग करें , फ्लोरेसिन, फ्लोरेसिन आइसोथियोसाइनेट-एल्ब्यूमिन (ए9771, सिग्मा-एल्ड्रिच, जर्मनी) और मानव प्लाज्मा एलेक्सा फ्लोर 488-संयुग्मित फाइब्रिनोजेन (एफ13191, इनविट्रोजन, यूएसए) पीबीएस (10 मिमी, पीएच 7.4) में भंग कर दिया गया था।एल्ब्यूमिन और फ़ाइब्रिनोजेन की सांद्रता क्रमशः 1 और 150 μg/ml थी।सब्सट्रेट के बाद प्रोटीन समाधान में डुबोने से पहले, सतह को पुनः हाइड्रेट करने के लिए उन्हें पीबीएस से कुल्ला करें।फिर सभी सबस्ट्रेट्स को प्रोटीन घोल वाली छह-अच्छी प्लेट में डुबोएं और 37°C पर 30 और 90 मिनट के लिए इनक्यूबेट करें।ऊष्मायन के बाद, सब्सट्रेट को प्रोटीन समाधान से हटा दिया गया, पीबीएस के साथ 3 बार धीरे से धोया गया, और 4% पैराफॉर्मलडिहाइड (प्रत्येक प्रोटीन के लिए एन = 4) के साथ तय किया गया।कैल्शियम के लिए, सोडियम क्लोराइड (0.21 एम) और पोटेशियम फॉस्फेट (3.77 एमएम) को विआयनीकृत पानी में घोल दिया गया था।हाइड्रोक्लोराइड घोल (1M) मिलाकर घोल का pH 2.0 पर समायोजित किया गया।फिर कैल्शियम क्लोराइड (5.62 एमएम) को घोल में घोला गया।1M ट्रिस (हाइड्रॉक्सीमेथाइल)-अमीनो मीथेन मिलाने से घोल का pH 7.4 पर समायोजित हो जाता है।सभी सबस्ट्रेट्स को 1.5× कैल्शियम फॉस्फेट घोल से भरी छह-अच्छी प्लेट में डुबोएं और 30 मिनट के बाद घोल से हटा दें।धुंधलापन के लिए, 2 ग्राम एलिज़ारिन रेड एस (सीआई 58005) को 100 मिलीलीटर विआयनीकृत पानी के साथ मिलाएं।फिर, पीएच को 4 पर समायोजित करने के लिए 10% अमोनियम हाइड्रॉक्साइड का उपयोग करें। सब्सट्रेट को 5 मिनट के लिए एलिज़ारिन रेड घोल से रंगें, और फिर अतिरिक्त डाई को हटा दें और दाग दें।हिलाने की प्रक्रिया के बाद, सब्सट्रेट को हटा दें।सामग्री को निर्जलित किया जाता है, फिर 5 मिनट के लिए एसीटोन में डुबोया जाता है, फिर 5 मिनट के लिए एसीटोन-ज़ाइलीन (1:1) घोल में डुबोया जाता है, और अंत में जाइलीन (n = 4) से धोया जाता है।×10 और ×20 ऑब्जेक्टिव लेंस के साथ प्रतिदीप्ति माइक्रोस्कोप (एक्सियो इमेजर) का उपयोग किया जाता है।.A2m, Zeiss, जर्मनी) सभी सबस्ट्रेट्स की छवियां बनाता है।ImageJ/FIJI (https://imagej.nih.gov/ij/) का उपयोग चार अलग-अलग इमेजिंग क्षेत्रों के प्रत्येक समूह पर जैविक पदार्थों के आसंजन डेटा को निर्धारित करने के लिए किया गया था।सब्सट्रेट तुलना के लिए सभी छवियों को निश्चित सीमा के साथ बाइनरी छवियों में परिवर्तित करें।
प्रतिबिंब मोड में पीबीएस में स्नेहक परत की स्थिरता की निगरानी के लिए एक ज़ीस एलएसएम 700 कन्फोकल माइक्रोस्कोप का उपयोग किया गया था।इंजेक्टेड चिकनाई परत के साथ फ्लोरीन-आधारित एसएएम-लेपित ग्लास का नमूना एक पीबीएस समाधान में डुबोया गया था, और हल्के झटकों की स्थिति (120 आरपीएम) के तहत एक कक्षीय शेकर (एसएचओ -1 डी; दाइहान वैज्ञानिक, दक्षिण कोरिया) का उपयोग करके परीक्षण किया गया था।फिर नमूना लें और परावर्तित प्रकाश के नुकसान को मापकर स्नेहक के नुकसान की निगरानी करें।प्रतिबिंब मोड में प्रतिदीप्ति छवियों को प्राप्त करने के लिए, नमूने को 633 एनएम लेजर के संपर्क में लाया जाता है और फिर एकत्र किया जाता है, क्योंकि प्रकाश नमूने से वापस परिलक्षित होगा।नमूनों को 0, 30, 60 और 120 घंटों के समय अंतराल पर मापा गया।
आर्थोपेडिक प्रत्यारोपण के नैनोमैकेनिकल गुणों पर सतह संशोधन प्रक्रिया के प्रभाव को निर्धारित करने के लिए, नैनोइंडेनडियोन को मापने के लिए तीन-तरफा पिरामिड के आकार के बर्कोविच डायमंड टिप से सुसज्जित एक नैनोइंडेंटर (टीआई 950 ट्राइबोइंडेंटर, हाइसिट्रॉन, यूएसए) का उपयोग किया गया था।अधिकतम भार 10 mN है और क्षेत्रफल 100μmx 100μm है।सभी मापों के लिए, लोडिंग और अनलोडिंग का समय 10 सेकंड है, और पीक इंडेंटेशन लोड के तहत होल्डिंग समय 2 सेकंड है।पांच अलग-अलग स्थानों से माप लें और औसत लें।लोड के तहत यांत्रिक शक्ति प्रदर्शन का मूल्यांकन करने के लिए, एक सार्वभौमिक परीक्षण मशीन (इंस्ट्रॉन 5966, इंस्ट्रॉन, यूएसए) का उपयोग करके एक अनुप्रस्थ तीन-बिंदु झुकने का परीक्षण किया गया था।सब्सट्रेट को बढ़े हुए भार के साथ 10 N/s की स्थिर दर पर संपीड़ित किया जाता है।फ्लेक्सुरल मापांक और अधिकतम संपीड़न तनाव की गणना के लिए ब्लूहिल यूनिवर्सल सॉफ्टवेयर प्रोग्राम (एन = 3) का उपयोग किया गया था।
ऑपरेशन प्रक्रिया और ऑपरेशन के दौरान होने वाली संबंधित यांत्रिक क्षति का अनुकरण करने के लिए, ऑपरेशन प्रक्रिया इन विट्रो में की गई थी।फीमर को न्यूजीलैंड के मारे गए सफेद खरगोशों से एकत्र किया गया था।फीमर को साफ किया गया और 1 सप्ताह के लिए 4% पैराफॉर्मल्डिहाइड में स्थिर किया गया।जैसा कि पशु प्रयोग विधि में बताया गया है, स्थिर फीमर का शल्य चिकित्सा द्वारा ऑपरेशन किया गया।ऑपरेशन के बाद, ऑर्थोपेडिक इम्प्लांट को 10 सेकंड के लिए रक्त (घोड़े के रक्त, किसान, कोरिया) में डुबोया गया ताकि यह पुष्टि हो सके कि यांत्रिक चोट लगने के बाद रक्त आसंजन हुआ है या नहीं (एन = 3)।
कुल 24 नर न्यूजीलैंड सफेद खरगोश (वजन 3.0 से 3.5 किलोग्राम, औसत आयु 6 महीने) को यादृच्छिक रूप से चार समूहों में विभाजित किया गया था: नग्न नकारात्मक, नग्न सकारात्मक, एसएचपी और एलओआईएस।जानवरों से जुड़ी सभी प्रक्रियाएं संस्थागत पशु देखभाल और उपयोग समिति (IACUC अनुमोदित, कोरिया-2017-0159) के नैतिक मानकों के अनुसार की गईं।ऑर्थोपेडिक इम्प्लांट में फ्रैक्चर फिक्सेशन के लिए पांच छेद (लंबाई 41 मिमी, चौड़ाई 7 मिमी और मोटाई 2 मिमी) और कॉर्टिकल लॉकिंग स्क्रू (लंबाई 12 मिमी, व्यास 2.7 मिमी) वाली एक लॉकिंग प्लेट होती है।नंगे-नकारात्मक समूह में उपयोग की जाने वाली उन प्लेटों और स्क्रू को छोड़कर, सभी प्लेटों और स्क्रू को 12 घंटे के लिए MRSA सस्पेंशन (106 CFU/ml) में इनक्यूबेट किया गया था।संक्रमण के नकारात्मक नियंत्रण के रूप में, नग्न-नकारात्मक समूह (एन = 6) को जीवाणु निलंबन के संपर्क के बिना नग्न सतह प्रत्यारोपण के साथ इलाज किया गया था।संक्रमण के सकारात्मक नियंत्रण के रूप में नंगे सकारात्मक समूह (एन = 6) को बैक्टीरिया के संपर्क में आने वाले नंगे सतह प्रत्यारोपण के साथ इलाज किया गया था।एसएचपी समूह (एन = 6) का इलाज बैक्टीरिया से प्रभावित एसएचपी प्रत्यारोपण के साथ किया गया था।अंत में, एलओआईएस समूह का इलाज बैक्टीरिया-उजागर एलओआईएस प्रत्यारोपण (एन = 6) के साथ किया गया।सभी जानवरों को एक पिंजरे में रखा जाता है, और ढेर सारा भोजन और पानी उपलब्ध कराया जाता है।ऑपरेशन से पहले खरगोशों को 12 घंटे तक भूखा रखा गया।जानवरों को ज़ाइलाज़िन (5 मिलीग्राम/किग्रा) के इंट्रामस्क्यूलर इंजेक्शन और प्रेरण के लिए पैक्लिटैक्सेल (3 मिलीग्राम/किग्रा) के अंतःशिरा इंजेक्शन द्वारा संवेदनाहारी किया गया था।उसके बाद, एनेस्थीसिया बनाए रखने के लिए श्वसन प्रणाली के माध्यम से 2% आइसोफ्लुरेन और 50% से 70% मेडिकल ऑक्सीजन (प्रवाह दर 2 एल/मिनट) वितरित करें।इसे पार्श्व फीमर तक सीधे पहुंच के माध्यम से प्रत्यारोपित किया जाता है।बालों को हटाने और त्वचा के पोविडोन-आयोडीन कीटाणुशोधन के बाद, बाईं मध्य जांघ के बाहर लगभग 6 सेमी लंबा चीरा लगाया गया था।फीमर को ढकने वाली मांसपेशियों के बीच के अंतर को खोलकर, फीमर पूरी तरह से उजागर हो जाता है।प्लेट को ऊरु शाफ्ट के सामने रखें और इसे चार स्क्रू से ठीक करें।निर्धारण के बाद, दूसरे छेद और चौथे छेद के बीच के क्षेत्र में कृत्रिम रूप से फ्रैक्चर बनाने के लिए एक आरा ब्लेड (1 मिमी मोटी) का उपयोग करें।ऑपरेशन के अंत में, घाव को सेलाइन से धोया गया और टांके लगाकर बंद कर दिया गया।प्रत्येक खरगोश को चमड़े के नीचे एनरोफ्लोक्सासिन (5 मिलीग्राम/किग्रा) का इंजेक्शन लगाया गया, जिसे एक तिहाई खारा घोल में मिलाया गया।हड्डी के ऑस्टियोटॉमी की पुष्टि के लिए सभी जानवरों (0, 7, 14, 21, 28 और 42 दिन) में फीमर का पोस्टऑपरेटिव एक्स-रे लिया गया।गहरे एनेस्थीसिया के बाद, सभी जानवरों को 28 और 42 दिनों में अंतःशिरा KCl (2 mmol/kg) द्वारा मार दिया गया।निष्पादन के बाद, चार समूहों के बीच हड्डी की उपचार प्रक्रिया और नई हड्डी के गठन का निरीक्षण और तुलना करने के लिए फीमर को माइक्रो-सीटी द्वारा स्कैन किया गया था।
निष्पादन के बाद, नरम ऊतक जो आर्थोपेडिक प्रत्यारोपण के सीधे संपर्क में थे, एकत्र किए गए।ऊतक को रात भर 10% तटस्थ बफर्ड फॉर्मेलिन में स्थिर किया गया और फिर EtOH में निर्जलित किया गया।निर्जलित ऊतक को पैराफिन में एम्बेडेड किया गया था और एक माइक्रोटोम (400CS; EXAKT, जर्मनी) का उपयोग करके 40 माइक्रोन की मोटाई पर विभाजित किया गया था।संक्रमण की कल्पना करने के लिए, एच एंड ई स्टेनिंग और एमटी स्टेनिंग का प्रदर्शन किया गया।मेजबान प्रतिक्रिया की जांच करने के लिए, खंडित ऊतक को खरगोश विरोधी टीएनएफ-α प्राथमिक एंटीबॉडी (एबी 6671, एबकैम, यूएसए) और खरगोश विरोधी आईएल -6 (एबी 6672; एबकैम, यूएसए) के साथ ऊष्मायन किया गया था, और फिर हॉर्सरैडिश के साथ इलाज किया गया था।ऑक्सीडेज।निर्माता के निर्देशों के अनुसार एविडिन-बायोटिन कॉम्प्लेक्स (एबीसी) स्टेनिंग सिस्टम को अनुभागों पर लागू करें।भूरे रंग के प्रतिक्रिया उत्पाद के रूप में प्रकट होने के लिए, सभी भागों में 3,3-डायमिनोबेंज़िडाइन का उपयोग किया गया था।सभी स्लाइस को देखने के लिए एक डिजिटल स्लाइड स्कैनर (पैनोरैमिक 250 फ्लैश III, 3DHISTECH, हंगरी) का उपयोग किया गया था, और प्रत्येक समूह में कम से कम चार सबस्ट्रेट्स का ImageJ सॉफ्टवेयर द्वारा विश्लेषण किया गया था।
सर्जरी के बाद और फ्रैक्चर हीलिंग (n=6 प्रति समूह) की निगरानी के लिए हर हफ्ते सभी जानवरों की एक्स-रे छवियां ली गईं।निष्पादन के बाद, उपचार के बाद फीमर के आसपास कैलस के गठन की गणना करने के लिए उच्च-रिज़ॉल्यूशन माइक्रो-सीटी का उपयोग किया गया था।प्राप्त फीमर को साफ किया गया, 3 दिनों के लिए 4% पैराफॉर्मल्डिहाइड में स्थिर किया गया, और 75% इथेनॉल में निर्जलित किया गया।हड्डी के नमूने की 3डी वोक्सल छवियां (2240×2240 पिक्सल) उत्पन्न करने के लिए निर्जलित हड्डियों को माइक्रो-सीटी (स्काईस्कैन 1173, ब्रुक माइक्रो-सीटी, कैंडी, बेल्जियम) का उपयोग करके स्कैन किया गया था।सिग्नल शोर को कम करने और सभी स्कैन पर उच्च रिज़ॉल्यूशन लागू करने के लिए 1.0 मिमी अल फिल्टर का उपयोग करें (ई = 133 केवीपी, आई = 60 μA, एकीकरण समय = 500 एमएस)।Nrecon सॉफ़्टवेयर (संस्करण 1.6.9.8, ब्रुकर माइक्रोसीटी, कोंटिच, बेल्जियम) का उपयोग अधिग्रहीत 2डी पार्श्व प्रक्षेपण से स्कैन किए गए नमूने की 3डी मात्रा उत्पन्न करने के लिए किया गया था।विश्लेषण के लिए, 3डी पुनर्निर्मित छवि को फ्रैक्चर साइट के अनुसार 10 मिमी × 10 मिमी × 10 मिमी क्यूब्स में विभाजित किया गया है।कॉर्टिकल हड्डी के बाहर कैलस की गणना करें।डेटाव्यूअर (संस्करण 1.5.1.2; ब्रुकर माइक्रोसीटी, कोंटिच, बेल्जियम) सॉफ्टवेयर का उपयोग स्कैन की गई हड्डी की मात्रा को डिजिटल रूप से पुनर्निर्देशित करने के लिए किया गया था, और सीटी-एनालाइजर (संस्करण 1.14.4.1; ब्रुकर माइक्रोसीटी, कोंटिच, बेल्जियम) सॉफ्टवेयर का उपयोग विश्लेषण के लिए किया गया था।परिपक्व हड्डी और कैलस में सापेक्ष एक्स-रे अवशोषण गुणांक को उनके घनत्व से अलग किया जाता है, और फिर कैलस की मात्रा निर्धारित की जाती है (एन = 4)।यह पुष्टि करने के लिए कि एलओआईएस की जैव-अनुकूलता हड्डी की उपचार प्रक्रिया में देरी नहीं करती है, दो खरगोशों में अतिरिक्त एक्स-रे और माइक्रो-सीटी विश्लेषण किया गया: नग्न-नकारात्मक और एलओआईएस समूह।दोनों समूहों को छठे सप्ताह में मार डाला गया।
बलि चढ़ाए गए जानवरों की जांघों को एकत्र किया गया और 3 दिनों के लिए 4% पैराफॉर्मल्डिहाइड में रखा गया।फिर आर्थोपेडिक इम्प्लांट को फीमर से सावधानीपूर्वक हटा दिया जाता है।0.5 एम ईडीटीए (ईसी-900, नेशनल डायग्नोस्टिक्स कॉर्पोरेशन) का उपयोग करके फीमर को 21 दिनों के लिए डीकैल्सीफाई किया गया था।फिर डीकैल्सीफाइड फीमर को निर्जलित करने के लिए EtOH में डुबोया गया।निर्जलित फीमर को ज़ाइलीन में हटा दिया गया और पैराफिन में एम्बेडेड किया गया।फिर नमूने को 3 माइक्रोन की मोटाई के साथ एक स्वचालित रोटरी माइक्रोटोम (Leica RM2255, Leica Biosystems, जर्मनी) से काटा गया।TRAP स्टेनिंग (F6760, सिग्मा-एल्ड्रिच, जर्मनी) के लिए, खंडित नमूनों को 1 घंटे के लिए 37°C पर TRAP अभिकर्मक में डीपराफिनाइज़ किया गया, पुनर्जलीकरण किया गया और इनक्यूबेट किया गया।छवियाँ एक स्लाइड स्कैनर (पैनोरैमिक 250 फ़्लैश III, 3DHISTECH, हंगरी) का उपयोग करके प्राप्त की गईं और दाग वाले क्षेत्र के क्षेत्र कवरेज को मापकर मात्रा निर्धारित की गईं।प्रत्येक प्रयोग में, ImageJ सॉफ़्टवेयर द्वारा प्रत्येक समूह में कम से कम चार सबस्ट्रेट्स का विश्लेषण किया गया।
सांख्यिकीय महत्व विश्लेषण ग्राफपैड प्रिज्म (ग्राफपैड सॉफ्टवेयर इंक, यूएसए) का उपयोग करके किया गया था।मूल्यांकन समूहों के बीच अंतर का परीक्षण करने के लिए अयुग्मित टी-परीक्षण और विचरण के एक-तरफ़ा विश्लेषण (एनोवा) का उपयोग किया गया था।महत्व स्तर को चित्र में इस प्रकार दर्शाया गया है: *P<0.05, **P<0.01, ***P<0.001 और ****P<0.0001;एनएस, कोई खास अंतर नहीं.
इस लेख की पूरक सामग्री के लिए, कृपया http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/44/eabb0025/DC1 देखें
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चोए क्यूंग मिन, ओह यंग जांग, पार्क जून जून, ली जिन ह्युक, किम ह्यून चेओल, ली क्यूंग मून, ली चांग क्यू, ली येओन ताएक, ली सन-उक, जियोंग मोरुई
आर्थोपेडिक प्रत्यारोपण की जीवाणुरोधी और प्रतिरक्षा एस्केप कोटिंग संक्रमण के कारण होने वाले संक्रमण और प्रतिरक्षा प्रतिक्रियाओं को कम कर सकती है।
चोए क्यूंग मिन, ओह यंग जांग, पार्क जून जून, ली जिन ह्युक, किम ह्यून चेओल, ली क्यूंग मून, ली चांग क्यू, ली येओन ताएक, ली सन-उक, जियोंग मोरुई
आर्थोपेडिक प्रत्यारोपण की जीवाणुरोधी और प्रतिरक्षा एस्केप कोटिंग संक्रमण के कारण होने वाले संक्रमण और प्रतिरक्षा प्रतिक्रियाओं को कम कर सकती है।
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