Ортопедиялық имплантациялық операциядан өткен пациенттер үшін бактериялық инфекциялар және инфекциядан туындаған иммундық жауаптар әрқашан өмірге қауіп төндіретін қауіп болып табылады.Кәдімгі биологиялық материалдар биологиялық ластануға сезімтал, бұл бактериялардың жарақаттанған аймаққа енуіне және операциядан кейінгі инфекцияның пайда болуына себеп болады.Сондықтан ортопедиялық имплантаттар үшін инфекцияға қарсы және иммундық қашу жабындарын әзірлеудің шұғыл қажеттілігі бар.Мұнда біз ортопедиялық имплантаттар үшін майланған ортопедиялық импланттың беті (LOIS) деп аталатын жетілдірілген бетті модификациялау технологиясын әзірледік, ол құмыра зауытының құмыраларының тегіс бетінен шабыттандырады.LOIS әртүрлі сұйықтықтар мен биологиялық заттарға (соның ішінде жасушаларға, ақуыздарға, кальцийге және бактерияларға) ұзақ және күшті сұйықтық репеллентіне ие.Сонымен қатар, біз in vitro хирургиясы кезінде сөзсіз зақымдануды модельдеу арқылы сызаттар мен бекіту күштеріне қарсы механикалық төзімділікті растадық.Қоян сүйек кемігінің қабыну жамбас сынуы моделі LOIS-тің антибиологиялық масштабтау және инфекцияға қарсы қабілетін мұқият зерттеу үшін пайдаланылды.Біз биологиялық ластануға қарсы қасиеттері мен механикалық беріктігі бар LOIS инфекциясыз ортопедиялық хирургиядағы алға қадам деп ойлаймыз.
Бүгінгі таңда жалпы қартаюға байланысты ортопедиялық аурулармен (мысалы, егде жастағы сынықтар, буындардың дегенеративті аурулары, остеопороз) зардап шегетін науқастардың саны айтарлықтай өсті (1, 2).Сондықтан емдеу мекемелері ортопедиялық хирургияға, оның ішінде бұрандалардың, пластинкалардың, шегелердің және жасанды буындардың ортопедиялық имплантанттарына үлкен мән береді (3, 4).Дегенмен, дәстүрлі ортопедиялық импланттардың хирургиялық араласудан кейін хирургиялық аймақ инфекциясын (SSI) тудыруы мүмкін бактериялық адгезияға және биофильмнің пайда болуына сезімтал екендігі хабарланды (5, 6).Ортопедиялық импланттың бетінде биопленка пайда болғаннан кейін, антибиотиктердің үлкен дозаларын қолданғанда да биофильмді жою өте қиын болады.Сондықтан әдетте операциядан кейінгі ауыр инфекцияларға әкеледі (7, 8).Жоғарыда аталған мәселелерге байланысты жұқтырған импланттарды емдеу қайта операцияны, оның ішінде барлық импланттарды және айналасындағы тіндерді алып тастауды қамтуы керек;сондықтан науқас қатты ауырсынуды және кейбір қауіптерді сезінеді (9, 10).
Осы мәселелердің кейбірін шешу үшін бетіне бекітілген бактерияларды жою арқылы инфекцияның алдын алу үшін дәрілік ортопедиялық имплантанттар жасалды (11, 12).Дегенмен, стратегия әлі де бірнеше шектеулерді көрсетеді.Дәрі-дәрмек шығаратын импланттарды ұзақ уақыт бойы имплантациялау қоршаған тіндерге зақым келтіріп, некрозға әкелуі мүмкін қабынуды тудырғаны туралы хабарланған (13, 14).Бұған қоса, АҚШ-тың Азық-түлік және дәрі-дәрмек басқармасы қатаң тыйым салған, дәрі-дәрмек шығаратын ортопедиялық импланттарды өндіру процесінен кейін болуы мүмкін органикалық еріткіштер оның стандарттарына сәйкес келу үшін қосымша тазарту қадамдарын талап етеді (15).Дәрі-дәрмек шығаратын имплантанттар дәрілік заттардың бақыланатын шығарылуына қиындық тудырады және олардың шектеулі дәрілік жүктемесіне байланысты препаратты ұзақ уақыт қолдану мүмкін емес (16).
Басқа кең таралған стратегия - биологиялық заттар мен бактериялардың бетіне жабысуын болдырмау үшін имплантантты ластануға қарсы полимермен жабу (17).Мысалы, цвиттерионды полимерлер плазма ақуыздарымен, жасушалармен және бактериялармен байланыста болған кезде олардың жабыспайтын қасиеттеріне байланысты назар аударды.Дегенмен, оның ұзақ мерзімді тұрақтылық пен механикалық төзімділікке байланысты кейбір шектеулері бар, бұл оның ортопедиялық имплантаттарда практикалық қолданылуына кедергі келтіреді, әсіресе хирургиялық процедуралар кезінде механикалық қырыну (18, 19).Сонымен қатар, оның жоғары биоүйлесімділігіне, жою хирургиясының қажеттілігінің болмауына және коррозия арқылы бетті тазарту қасиеттеріне байланысты биологиялық ыдырайтын материалдардан жасалған ортопедиялық имплантаттар қолданылды (20, 21).Коррозия кезінде полимер матрицасы арасындағы химиялық байланыстар бұзылып, бетінен ажырайды, ал адгеренттер бетті тазартады.Дегенмен, бетті тазалау арқылы антибиологиялық ластану қысқа мерзімде тиімді.Сонымен қатар, поли(сүт қышқылы-гликоль қышқылы сополимері) (PLGA), полилактикалық қышқылы (PLA) және магний негізіндегі қорытпаларды қоса алғанда, сіңірілетін материалдардың көпшілігі денеде біркелкі емес биодеградацияға және эрозияға ұшырайды, бұл механикалық тұрақтылыққа теріс әсер етеді.(жиырма екі).Сонымен қатар, биологиялық ыдырайтын пластинаның фрагменттері бактериялар үшін орынды қамтамасыз етеді, бұл ұзақ мерзімді перспективада инфекция ықтималдығын арттырады.Бұл механикалық деградация мен инфекция қаупі пластикалық хирургияның практикалық қолданылуын шектейді (23).
Лотос жапырақтарының иерархиялық құрылымын имитациялайтын супергидрофобты (SHP) беттер ластануға қарсы беттер үшін әлеуетті шешім болды (24, 25).SHP беті сұйықтыққа батырылған кезде, ауа көпіршіктері ұсталып қалады, осылайша ауа қалталары пайда болады және бактериялардың адгезиясын болдырмайды (26).Дегенмен, соңғы зерттеулер SHP бетінің механикалық төзімділікке және ұзақ мерзімді тұрақтылыққа байланысты кемшіліктері бар екенін көрсетті, бұл оны медициналық импланттарда қолдануға кедергі келтіреді.Сонымен қатар, ауа қалталары ериді және ластануға қарсы қасиеттерін жоғалтады, осылайша SHP бетінің үлкен ауданына байланысты кеңірек бактериялық адгезияға әкеледі (27, 28).Жақында Айзенберг және оның әріптестері Nepenthes құмыра зауытынан шабыттандырылған тегіс бетті әзірлеу арқылы биологиялық ластануға қарсы бетті жабудың инновациялық әдісін енгізді (29, 30).Тегіс беті гидравликалық жағдайларда ұзақ мерзімді тұрақтылықты көрсетеді, биологиялық сұйықтықтарға өте сұйық репеллент және өзін-өзі қалпына келтіретін қасиеттерге ие.Дегенмен, күрделі пішінді медициналық имплантқа жабынды жағу әдісі де жоқ, имплантациядан кейін зақымдалған тіннің жазылу процесін қолдайтыны да дәлелденбеген.
Мұнда біз майланған ортопедиялық имплант бетін (LOIS), микро/наноқұрылымды ортопедиялық импланттың бетін және оны пластикалық хирургиямен байланыстырудың алдын алу үшін жұқа майлау қабатымен тығыз біріктірілгенін енгіземіз. Сынықты бекіту сияқты бактериялық инфекциялар.Фтормен функционалды микро/нанодеңгейлі құрылым майлау материалын құрылымға мықтап бекітетіндіктен, әзірленген LOIS әртүрлі сұйықтықтардың адгезиясын толығымен жоя алады және ластануға қарсы өнімділікті ұзақ уақыт сақтай алады.LOIS жабындары сүйек синтезіне арналған әртүрлі пішіндегі материалдарға қолданылуы мүмкін.LOIS биопленкалы бактерияларға [Pseudomonas aeruginosa және метициллинге төзімді алтын стафилококк (MRSA)] және биологиялық заттарға (жасушалар, ақуыздар және кальций) қарсы тамаша биологиялық қоқыстарды жою қасиеттері in vitro расталды.Негізге экстенсивті адгезияның адгезия жылдамдығы 1% -дан аз.Сонымен қатар, бетті сызату сияқты механикалық кернеулер орын алғаннан кейін де, еніп кететін майлаушыдан туындаған өзін-өзі қалпына келтіру оның ластануға қарсы қасиеттерін сақтауға көмектеседі.Механикалық төзімділік сынақтарының нәтижелері құрылымдық және химиялық модификациядан кейін де жалпы беріктік айтарлықтай төмендемейтінін көрсетеді.Сонымен қатар, LOIS пластикалық хирургия кезінде пайда болатын әртүрлі механикалық кернеулерге төтеп бере алатынын дәлелдеу үшін хирургиялық ортадағы механикалық кернеуді модельдейтін in vitro эксперименті жүргізілді.Соңында, біз қоян негізіндегі in vivo сан сүйегінің сыну үлгісін қолдандық, ол LOIS-тің жоғары бактерияға қарсы қасиеттері мен биоүйлесімділігі бар екенін дәлелдеді.Рентгенологиялық және гистологиялық нәтижелер имплантациядан кейін 4 апта ішінде тұрақты майлау әрекеті мен антибиоқозғыштық қасиеттері сүйектің жазылу процесін кешіктірмей тиімді инфекцияға қарсы және иммундық құтылу көрсеткіштеріне қол жеткізе алатынын растады.
1А-суретте оның тамаша антибиологиялық ластану мен инфекцияға қарсы қасиеттерін растау үшін қоянның жамбас сүйегінің сыну үлгісінде микро/нано-масштабты құрылымдармен имплантацияланған әзірленген LOIS схемалық диаграммасы көрсетілген.Биомиметикалық әдіс су өсіретін зауыттың бетін имитациялау үшін және беттің микро/нано құрылымына майлау қабатын енгізу арқылы биологиялық ластануды болдырмау үшін жүзеге асырылады.Майлаушы инъекцияланған бет биологиялық заттар мен бет арасындағы жанасуды азайтады.Сондықтан, бетінде тұрақты химиялық байланыстардың пайда болуына байланысты, ол тамаша ластануға қарсы өнімділікке және ұзақ мерзімді тұрақтылыққа ие.Нәтижесінде майлау бетінің антибиологиялық қасиеттері биомедициналық зерттеулерде әртүрлі практикалық қолдануға мүмкіндік береді.Дегенмен, бұл ерекше беттің денеде өзара әрекеттесуі туралы кең ауқымды зерттеулер әлі аяқталған жоқ.Альбуминді және биофильмді бактерияларды пайдалана отырып, LOIS-ті жалаңаш субстраттармен in vitro салыстыру арқылы LOIS-тің жабыспайтындығын растауға болады (1В-сурет).Сонымен қатар, көлбеу жалаңаш субстрат пен LOIS субстратындағы су тамшыларын домалату арқылы (S1 және Фильм S1 суреті) биологиялық ластану өнімділігін көрсетуге болады.Флуоресценциялық микроскоптың суретінде көрсетілгендей, белок пен бактерия суспензиясында инкубацияланған ашық субстрат бетіне жабысқан биологиялық материалдың үлкен мөлшерін көрсетті.Дегенмен, тамаша биологиялық ластануға қарсы қасиеттерінің арқасында LOIS флуоресценцияны әрең көрсетеді.Оның антибиологиялық және инфекцияға қарсы қасиеттерін растау үшін LOIS сүйек синтезіне арналған ортопедиялық импланттардың бетіне (пластиналар мен бұрандалар) қолданылды және қоян сыну үлгісіне орналастырылды.Имплантациядан бұрын жалаңаш ортопедиялық имплант пен LOIS бактериялық суспензияда 12 сағат бойы инкубацияланды.Алдын ала инкубация салыстыру үшін ашық импланттың бетінде биофильмнің пайда болуын қамтамасыз етеді.1С суретте имплантациядан кейінгі 4 аптадан кейін сынған жердің фотосы көрсетілген.Сол жақта жалаңаш ортопедиялық импланты бар қоян импланттың бетінде биопленканың пайда болуына байланысты қабынудың ауыр деңгейін көрсетті.LOIS имплантацияланған қояндарда қарама-қарсы нәтиже байқалды, яғни LOIS айналасындағы тіндер инфекция белгілерін де, қабыну белгілерін де көрсетпеді.Бұған қоса, сол жақтағы оптикалық кескін ашық имплантпен қоянның хирургиялық орнын көрсетеді, бұл LOIS бетінде ашық импланттың бетінде көп желім табылмағанын көрсетеді.Бұл LOIS ұзақ мерзімді тұрақтылыққа ие екенін және оның биологиялық ластану мен адгезияға қарсы қасиеттерін сақтай алатынын көрсетеді.
(A) LOIS схемалық диаграммасы және оны қоянның сан сүйегінің сыну үлгісіне имплантациялау.(B) Жалаңаш беттегі және LOIS субстратындағы ақуыздың және бактериялық биофильмнің флуоресцентті микроскопиялық кескіні.Имплантациядан кейін 4 аптадан кейін (C) сынған жердің фотосуреті және (D) рентгендік сурет (қызыл төртбұрышпен бөлінген).Суреттің сыпайылығы: Кёмин Чае, Йонсей университеті.
Зарарсыздандырылған, теріс имплантацияланған қояндар қабыну немесе инфекция белгілерінсіз сүйектің қалыпты жазылу процесін көрсетті.Екінші жағынан, бактериялық суспензияда алдын ала инкубацияланған SHP импланттары қоршаған тіндерде инфекцияға байланысты қабынуды көрсетеді.Бұл оның ұзақ уақыт бойы бактериялық адгезияны тежей алмауымен байланысты болуы мүмкін (S2 сурет).LOIS емдеу процесіне әсер етпейтінін, бірақ имплантацияға байланысты ықтимал инфекцияларды тежейтінін дәлелдеу үшін сынған жердегі оң матрица мен LOIS рентгендік суреттері салыстырылды (1D сурет).Жалаңаш оң импланттың рентгендік суреті сүйектің толық жазылмағанын көрсететін тұрақты остеолиз сызықтарын көрсетті.Бұл инфекциямен байланысты қабынуға байланысты сүйекті қалпына келтіру процесі айтарлықтай кешіктірілуі мүмкін екенін көрсетеді.Керісінше, бұл LOIS имплантацияланған қояндардың сауығып кеткенін және ешқандай айқын сыну орнын көрсетпегенін көрсетті.
Ұзақ мерзімді тұрақтылығы мен функционалдығы (соның ішінде биологиялық ластануға төзімділігі) бар медициналық импланттарды әзірлеу үшін көптеген күш-жігер жұмсалды.Бірақ әртүрлі биологиялық заттардың болуы және тіндердің адгезия динамикасы олардың клиникалық сенімді әдістерінің дамуын шектейді.Осы кемшіліктерді жою үшін біз микро/нано қабатты құрылымды және химиялық түрлендірілген бетті әзірледік, ол жоғары капиллярлық күш пен химиялық жақындықтың арқасында оңтайландырылған, ең тегіс жағармайды барынша жоғары деңгейде ұстау үшін.2А суретінде LOIS жалпы өндіріс процесі көрсетілген.Алдымен, медициналық дәрежелі баспайтын болаттан (SS) 304 субстратын дайындаңыз.Екіншіден, микро/нано құрылым SS субстратында фторлы қышқыл (HF) ерітіндісін қолданып химиялық өңдеу арқылы қалыптасады.СС коррозияға төзімділігін қалпына келтіру үшін өрнектелген субстратты өңдеу үшін азот қышқылы (HNO3) ерітіндісі (31) қолданылады.Пассивация SS субстратының коррозияға төзімділігін арттырады және LOIS жалпы өнімділігін төмендетуі мүмкін коррозия процесін айтарлықтай баяулатады.Содан кейін, 1H, 1H, 2H, 2H-перфтороктилтриетоксисилан (POTS) бар өздігінен құрастырылған моноқабатты (SAM) қалыптастыру арқылы бет пен тегіс майлаушы Afinity арасындағы химиялық әрекеттесуді жақсарту үшін бет химиялық түрде өзгертіледі.Беттік модификация тегіс жағармайдың беттік энергиясына сәйкес келетін дайындалған микро/нано масштабты құрылымдық беттің беттік энергиясын айтарлықтай төмендетеді.Бұл майлау материалын толығымен ылғалдандыруға мүмкіндік береді, осылайша бетінде тұрақты майлау қабатын құрайды.Модификацияланған бет күшейтілген гидрофобтылықты көрсетеді.Нәтижелер тайғақ жағармайдың микро/нано құрылымнан туындаған жоғары химиялық жақындық пен капиллярлық күшке байланысты LOIS-те тұрақты әрекетті көрсететінін көрсетеді (32, 33).Беттік модификациядан және майлаушы инъекциядан кейінгі СС бетіндегі оптикалық өзгерістер зерттелді.Бетінде қалыптасқан микро/нано қабатты құрылым визуалды өзгерістерді тудыруы және бетті қараңғылауы мүмкін.Бұл құбылыс кедір-бұдыр бетке күшейтілген жарық шашырау әсеріне байланысты, бұл жарықты ұстау механизмі (34) тудыратын диффузиялық шағылуды арттырады.Сонымен қатар, майлаушы инъекциядан кейін LOIS қараңғы болады.Майлау қабаты субстраттан аз жарық шағылыстырады, осылайша LOIS-ті қараңғы етеді.Микроқұрылымды/наноқұрылымды ең аз сырғанау бұрышын (SA) көрсету үшін биоқоқыстануға қарсы өнімділікке қол жеткізу үшін сканерлеуші ​​электронды микроскопия (SEM) және атомдық жұптар әртүрлі HF өңдеу уақыттарын орындау үшін пайдаланылды (0, 3)., 15 және 60 минут) Күштік микроскоп (AFM) (2В-сурет).SEM және AFM кескіндері қысқа уақыт бойы оюдан кейін (3 минуттық ою) жалаңаш субстрат біркелкі емес нано-масштабты кедір-бұдыр түзгенін көрсетеді.Бетінің кедір-бұдырлығы өрнек уақытына қарай өзгереді (S3 сурет).Уақыт бойынша өзгеретін қисық беттің кедір-бұдырлығының ұлғаюын жалғастырып, 15 минутта оюлаудың шыңына жететінін көрсетеді, содан кейін 30 минуттық өрнекте кедір-бұдырлық мәнінің шамалы төмендеуі байқалады.Осы кезде нано-деңгейдегі кедір-бұдыр жойылады, ал микродеңгейдегі кедір-бұдыр қарқынды дамып, кедір-бұдырдың өзгеруін тұрақтырақ етеді.30 минуттан астам оюдан кейін кедір-бұдырдың одан әрі жоғарылауы байқалады, ол келесідей егжей-тегжейлі түсіндіріледі: СС темір, хром, никель, молибден және басқа да көптеген элементтерді қамтитын элементтермен легирленген болаттан тұрады.Осы элементтердің ішінде темір, хром және молибден HF ою арқылы СС-де микрон/нано масштабты кедір-бұдырды қалыптастыруда маңызды рөл атқарады.Коррозияның бастапқы кезеңдерінде негізінен темір мен хром коррозияға ұшырайды, өйткені молибден молибденге қарағанда коррозияға төзімділігі жоғары.Офорттау процесі жүріп жатқанда, оюлау ерітіндісі жергілікті шамадан тыс қанығуға жетеді, оюдан туындаған фторидтер мен оксидтерді түзеді.Фторид пен оксид тұнбаға түсіп, ақырында бетінде қайта шөгіп, микрон/нано диапазонында беттің кедір-бұдырын құрайды (31).Бұл микро/нано-деңгейдегі кедір-бұдырлық LOIS-тің өзін-өзі емдеу қасиеттерінде маңызды рөл атқарады.Қос шкала беті капиллярлық күшті айтарлықтай арттыра отырып, синергетикалық әсер береді.Бұл құбылыс жағармайдың бетіне тұрақты түрде енуіне мүмкіндік береді және өзін-өзі емдеу қасиеттеріне ықпал етеді (35).Кедір-бұдырдың пайда болуы өрнектеу уақытына байланысты.10 минуттық оюлау кезінде бетте тек нано-масштабты кедір-бұдырлық бар, ол биологиялық ластануға төзімділікке ие болу үшін жеткілікті майлауды ұстауға жеткіліксіз (36).Екінші жағынан, ою уақыты 30 минуттан асатын болса, темір мен хромның қайта тұндыруынан пайда болған наномасштабты кедір-бұдырлық жойылып, молибденге байланысты тек микро масштабты кедір-бұдырлық қалады.Шамадан тыс оюланған беттің нано масштабты кедір-бұдыры жоқ және екі сатылы кедір-бұдырдың синергетикалық әсерін жоғалтады, бұл LOIS-тің өзін-өзі қалпына келтіру сипаттамаларына теріс әсер етеді.SA өлшемдері ластануға қарсы өнімділікті дәлелдеу үшін әртүрлі өңдеу уақыттары бар субстраттарда орындалды.Тұтқырлық пен беттік энергия негізінде сұйықтықтардың әртүрлі түрлері таңдалды, соның ішінде ионсыздандырылған (DI) су, қан, этиленгликоль (EG), этанол (EtOH) және гексадекан (HD) (S4 сурет).Уақыт бойынша өзгеретін сызу үлгісі әр түрлі беттік энергиясы мен тұтқырлығы бар әртүрлі сұйықтықтар үшін 15 минуттық өрнектен кейінгі LOIS SA ең төмен екенін көрсетеді.Сондықтан, LOIS микронды және нано-масштабты кедір-бұдырды қалыптастыру үшін 15 минут бойы тегістеу үшін оңтайландырылған, бұл майлаудың беріктігін және ластануға қарсы тамаша қасиеттерді тиімді сақтауға жарамды.
(A) LOIS төрт сатылы өндіріс процесінің схемалық диаграммасы.Кірістіру субстратта қалыптасқан SAM көрсетеді.(B) SEM және AFM кескіндері, әр түрлі өңдеу уақытында субстраттың микро/нано құрылымын оңтайландыру үшін пайдаланылады.Рентгендік фотоэлектрондық спектроскопия (XPS) (C) Cr2p және (D) F1s спектрлері беттік пассивациядан және SAM жабынынан кейін.au, ерікті бірлік.(E) Жалаңаш, сызылған, SHP және LOIS субстраттарындағы су тамшыларының репрезентативті суреттері.(F) SHP және LOIS бойынша әртүрлі беттік керілулері бар сұйықтықтардың жанасу бұрышы (CA) және SA өлшемі.Деректер орташа ± SD ретінде көрсетіледі.
Содан кейін беттің химиялық қасиеттерінің өзгеруін растау үшін әрбір бетті жабудан кейін астар бетінің химиялық құрамының өзгеруін зерттеу үшін рентгендік фотоэлектрондық спектроскопия (XPS) қолданылды.2С суретінде HF өңделген беттің және HNO 3 өңделген бетінің XPS өлшеу нәтижелері көрсетілген.587,3 және 577,7 эВ екі негізгі шыңы хром оксиді қабатында бар Cr-O байланысына жатқызылуы мүмкін, бұл HF өңделген бетінен негізгі айырмашылығы болып табылады.Бұл негізінен темір мен хром фторидінің беткі қабатында HNO3 арқылы тұтынылуымен байланысты.HNO3 негізіндегі оюлау хромның бетінде пассивтенетін оксид қабатын қалыптастыруға мүмкіндік береді, бұл өрнектелген СС қайтадан коррозияға төзімді етеді.2D-суретте, тіпті EG, қан және EtOH үшін өте жоғары сұйық репелленттілігі бар SAM жабынынан кейін бетінде фторкөміртекті негізіндегі силан пайда болғанын растау үшін XPS спектрлері алынды.SAM жабыны силанның функционалдық топтарын плазмалық өңдеу нәтижесінде түзілген гидроксил топтарымен әрекеттесу арқылы аяқталады.Нәтижесінде CF2 және CF3 шыңдарының айтарлықтай өсуі байқалды.286 және 296 эВ арасындағы байланыс энергиясы химиялық модификацияның SAM жабыны арқылы сәтті аяқталғанын көрсетеді.SHP салыстырмалы түрде үлкен CF2 (290,1 эВ) және CF3 (293,3 эВ) шыңдарын көрсетеді, олар бетінде түзілген фторкөміртек негізіндегі силаннан туындайды.2E суреті жалаңаш, сызылған, SHP және LOIS-пен жанасатын ионсыздандырылған судың әртүрлі топтары үшін жанасу бұрышының (CA) өлшемдерінің репрезентативті оптикалық кескіндерін көрсетеді.Бұл суреттер иондалған судың құрылымға сіңуі үшін химиялық ою арқылы түзілген микро/нано құрылымға байланысты өрнектелген беттің гидрофильді болатынын көрсетеді.Дегенмен, субстрат SAM-мен қапталғанда, субстрат күшті су өткізбейтіндігін көрсетеді, сондықтан беткі SHP пайда болады және су мен беттің байланыс аймағы аз болады.Ақырында, LOIS-те CA төмендеуі байқалды, бұл майлаудың микроқұрылымға енуіне байланысты болуы мүмкін, осылайша жанасу аймағын арттырады.Бетінің тамаша сұйықтық репелленттігі мен жабыспайтын қасиеттері бар екенін дәлелдеу үшін LOIS әртүрлі сұйықтықтарды пайдаланып CA және SA өлшеу арқылы SHP субстратымен салыстырылды (2F сурет).Тұтқырлық пен беттік энергия негізінде сұйықтықтардың әртүрлі түрлері таңдалды, соның ішінде ионсыздандырылған су, қан, EG, EtOH және HD (S4 сурет).CA өлшеу нәтижелері көрсеткендей, CA HD-ге бейім болғанда, CA азаяды, мұнда CA беттік энергиясы ең төмен.Сонымен қатар, жалпы СА-ның LOIS төмен.Дегенмен, SA өлшемі мүлдем басқа құбылысты көрсетеді.Иондалған судан басқа барлық сұйықтықтар SHP субстратына сырғып кетпей жабысады.Екінші жағынан, LOIS өте төмен SA көрсетеді, онда барлық сұйықтық 10°-тан 15°-қа төмен бұрышта қисайған кезде барлық сұйықтық ағып кетеді.Бұл LOIS желімсіздігінің SHP бетінен жақсырақ екенін көрсетеді.Сонымен қатар, LOIS жабындары титан (Ti), полифенилсульфон (PPSU), полиоксиметилен (POM), полиэфирлі кетон (PEEK) және биосіңірілетін полимерлер (PLGA) сияқты материалдардың әртүрлі түрлеріне қолданылады, олар имплантацияланатын ортопедиялық материалдар болып табылады (сурет). S5)).LOIS өңдеген материалдағы тамшылардың дәйекті кескіндері LOIS-тің биоқоспаға қарсы қасиеттері барлық негіздерде бірдей екенін көрсетеді.Сонымен қатар, CA және SA өлшеу нәтижелері LOIS-тің жабыспайтын қасиеттерін басқа материалдарға қолдануға болатындығын көрсетеді.
LOIS-тің ластануға қарсы қасиеттерін растау үшін субстраттардың әртүрлі түрлері (соның ішінде жалаңаш, оюланған, SHP және LOIS) Pseudomonas aeruginosa және MRSA инкубацияланды.Бұл екі бактерия клиникалық репрезентативті бактериялар ретінде таңдалды, бұл биофильмдердің пайда болуына әкелуі мүмкін, бұл SSI (37).3-суретте (А және В) флуоресцентті микроскоптың суреттері және тиісінше қысқа мерзімді (12 сағат) және ұзақ мерзімді (72 сағат) бактериялық суспензияда инкубацияланған субстраттардың колония түзетін бірлігін (CFU) өлшеу нәтижелері көрсетілген.Қысқа уақыт ішінде бактериялар шоғырлар түзіп, көлемі ұлғаяды, шырыш тәрізді заттармен жабылады және олардың жойылуын болдырмайды.Дегенмен, 72 сағаттық инкубация кезінде бактериялар пісіп, көбірек колониялар немесе кластерлер қалыптастыру үшін оңай таралады.Сондықтан 72 сағаттық инкубация ұзақ мерзімді және бетінде күшті биоқабық түзу үшін қолайлы инкубация уақыты деп санауға болады (38).Қысқа уақыт ішінде сызылған бет пен SHP бетінде бактериялық адгезия пайда болды, ол жалаңаш субстратпен салыстырғанда шамамен 25% -дан 50% -ға дейін төмендеді.Дегенмен, LOIS тамаша антибиофолингтік өнімділігі мен тұрақтылығына байланысты қысқа және ұзақ мерзімді перспективада бактериялық биопленканың адгезиясын көрсетпеді.Схематикалық диаграмма (3С-сурет) SHP және LOIS лак ерітіндісінің антибиологиялық ластану механизмін түсіндіруді сипаттайды.Гидрофильді қасиеттері бар оюланған субстрат жалаңаш субстратқа қарағанда үлкенірек бетінің ауданы болады деген болжам.Демек, өңделген субстратта бактериялық адгезия көбірек болады.Дегенмен, жалаңаш субстратпен салыстырғанда, оюланған субстрат бетінде түзілген биоқабықша айтарлықтай азырақ.Өйткені су молекулалары гидрофильді бетке мықтап жабысып, су үшін майлаушы ретінде әрекет етеді, осылайша қысқа мерзімде бактериялардың адгезиясына кедергі жасайды (39).Дегенмен, су молекулаларының қабаты өте жұқа және бактериялық суспензияларда ериді.Сондықтан судың молекулалық қабаты ұзақ уақыт бойы жойылып, кең бактериялық адгезияға және пролиферацияға әкеледі.SHP үшін, оның қысқа мерзімді ылғалдандырмайтын қасиеттеріне байланысты, бактериялық адгезия тежеледі.Азайған бактериялық адгезияны қабатты құрылымда ұсталған ауа қалталарына және беттік энергияның төмендеуіне жатқызуға болады, осылайша бактериялық суспензия мен бет арасындағы жанасуды азайтады.Дегенмен, SHP-де экстенсивті бактериалды адгезия байқалды, өйткені ол ұзақ уақыт бойы ластанудан қорғайтын қасиеттерін жоғалтты.Бұл негізінен гидростатикалық қысымның әсерінен ауа қалталарының жоғалып кетуіне және ауаның суда еруіне байланысты.Бұл, негізінен, ерітуге байланысты ауа қалталарының жоғалып кетуіне және адгезия үшін үлкен бетті қамтамасыз ететін қабатты құрылымға байланысты (27, 40).Ұзақ мерзімді тұрақтылыққа маңызды әсер ететін осы екі субстраттан айырмашылығы, LOIS құрамындағы майлау майы микро/нано құрылымға енгізіледі және ұзақ мерзімді перспективада да жоғалып кетпейді.Микро/нано құрылымдармен толтырылған майлау материалдары өте тұрақты және олардың жоғары химиялық жақындығына байланысты бетіне қатты тартылады, осылайша ұзақ уақыт бойы бактериялардың адгезиясын болдырмайды.S6 суретінде фосфатты буферленген тұзды ерітіндіге (PBS) батырылған майлаушы инфузияланған субстраттың шағылыстыратын конфокальды микроскоптағы кескіні көрсетілген.Үздіксіз кескіндер 120 сағаттық аздап шайқаудан кейін де (120 айн/мин) LOIS-тегі майлау қабаты өзгеріссіз қалатынын көрсетеді, бұл ағын жағдайында ұзақ мерзімді тұрақтылықты көрсетеді.Бұл фтор негізіндегі SAM жабыны мен перфторкөміртегі негізіндегі жағармай арасындағы жоғары химиялық жақындыққа байланысты, осылайша тұрақты майлау қабаты пайда болады.Осылайша, ластануға қарсы өнімділік сақталады.Сонымен қатар, субстрат плазмадағы, иммундық функциямен тығыз байланысты жасушалар (макрофагтар мен фибробласттар) және сүйек түзілуімен байланысты өкілдік ақуыздарға (альбумин және фибриноген) қарсы сыналған.Кальцийдің мөлшері өте жоғары.(3D, 1 және 2-сурет және S7-сурет) (41, 42).Сонымен қатар, фибриноген, альбумин және кальций үшін адгезия сынағының флуоресцентті микроскоптағы суреттері әр субстрат тобының әртүрлі адгезия сипаттамаларын көрсетті (S8 сурет).Сүйек түзілу кезінде жаңадан пайда болған сүйек және кальций қабаттары ортопедиялық имплантты қоршап алуы мүмкін, бұл алып тастауды қиындатып қана қоймайды, сонымен қатар алу процесінде пациентке күтпеген зиян келтіруі мүмкін.Сондықтан сүйек тақталары мен бұрандалардағы кальций шөгінділерінің төмен деңгейі имплантты алып тастауды қажет ететін ортопедиялық хирургия үшін пайдалы.Флуоресценция қарқындылығы мен жасушалар санына негізделген бекітілген аумақтың сандық көрсеткіштеріне сүйене отырып, біз LOIS басқа субстраттармен салыстырғанда барлық биологиялық заттар үшін тамаша антибиологиялық қасиет көрсететінін растадық.In vitro эксперименттерінің нәтижелеріне сәйкес, антибиологиялық ластану LOIS ортопедиялық импланттарға қолданылуы мүмкін, ол биофильмді бактериялар тудыратын инфекцияларды тежеп қана қоймайды, сонымен қатар дененің белсенді иммундық жүйесінен туындаған қабынуды азайтады.
(A) Pseudomonas aeruginosa және MRSA суспензияларында 12 және 72 сағат бойы инкубацияланған әрбір топтың (жалаңаш, сызылған, SHP және LOIS) флуоресцентті микроскоптың суреттері.(B) Әр топтың бетіндегі Pseudomonas aeruginosa және MRSA жабысқан CFU саны.(C) Қысқа мерзімді және ұзақ мерзімді оюдың, SHP және LOIS антибиологиялық ластану механизмінің схемалық диаграммасы.(D) (1) Әрбір субстратқа жабысқан фибробласттардың саны және жалаңаш және LOIS-ке жабысқан жасушалардың флуоресцентті микроскоп кескіндері.(2) Иммундық байланысты белоктардың, альбумин мен кальцийдің сүйек сауығу процесіне қатысатын адгезия сынағы (* P <0,05, ** P <0,01, *** P <0,001 және **** P <0,0001).ns, маңызды емес.
Еріксіз шоғырланған кернеулер жағдайында механикалық төзімділік әрқашан ластануға қарсы жабындарды қолданудың басты мәселесі болды.Дәстүрлі ағынды суларға қарсы гель әдістері суда ерігіштігі мен сынғыштығы төмен полимерлерге негізделген.Сондықтан олар әдетте биомедициналық қолданбаларда механикалық кернеуге сезімтал.Сондықтан, механикалық төзімді ластануға қарсы жабындар ортопедиялық имплантаттар сияқты қолданбалар үшін қиындық тудырады (43, 44).4А(1) суретте ортопедиялық импланттарға қолданылатын кернеудің екі негізгі түрі көрсетілген, соның ішінде қысқыштар арқылы жасалған зақымдалған импланттың оптикалық кескінімен сызат (қию кернеуі) және қысу.Мысалы, бұранда бұрауышпен тартылғанда немесе хирург сүйек пластинасын пинцетпен мықтап ұстап, қысу күшін қолданғанда, пластикалық сүйек пластина макро және микро/нано шкалаларында зақымдалады және сызылады (4А-сурет, 2) .Жасалған LOIS пластикалық хирургия кезінде осы зақымдарға төтеп бере алатынын тексеру үшін микро/нано құрылымның механикалық қасиеттерін зерттеу үшін микро/нано шкаладағы жалаңаш субстрат пен LOIS қаттылығын салыстыру үшін нанодентация жасалды (сурет) 4B).Схематикалық диаграмма микро/нано құрылымдардың болуына байланысты LOIS деформациясының әртүрлі әрекетін көрсетеді.Нано шегініс нәтижелері бойынша күш-орын ауыстыру қисығы салынды (4С-сурет).Көк сурет 0,26 мкм шегіністің максималды тереңдігі арқылы көрінетін шамалы деформацияны көрсететін жалаңаш субстратты білдіреді.Екінші жағынан, LOIS-те (қызыл қисық) байқалған нано шегініс күші мен орын ауыстырудың бірте-бірте өсуі механикалық қасиеттердің төмендеуінің белгілерін көрсетуі мүмкін, нәтижесінде 1,61 мкм нано шегініс тереңдігі пайда болады.Себебі LOIS-те бар микро/нано құрылым наноинденердің ұшы үшін тереңірек ілгерілеу кеңістігін қамтамасыз етеді, сондықтан оның деформациясы жалаң субстратқа қарағанда үлкенірек.Конста-Гдутос және т.б.(45) наноқұрылымдардың болуына байланысты нано шегініс және микро/нано кедір-бұдырлық тұрақты емес нано шегініс қисықтарына әкеледі деп есептейді.Көлеңкелі аймақ наноқұрылымға жатқызылған тұрақты емес деформация қисығына сәйкес келеді, ал көлеңкеленбеген аймақ микроқұрылымға жатады.Бұл деформация ұстайтын жағармайдың микроқұрылымын/наноқұрылымын зақымдауы және оның ластануға қарсы жұмысына теріс әсер етуі мүмкін.Зақымданудың LOIS-ке әсерін зерттеу үшін пластикалық хирургия кезінде денеде микро/нано құрылымдардың сөзсіз зақымдалуы қайталанды.Қан мен ақуыздың адгезиясы сынақтарын қолдану арқылы in vitro-дан кейін LOIS-тің антибиологиялық қасиеттерінің тұрақтылығын анықтауға болады (4D-сурет).Оптикалық кескіндер сериясы әрбір субстраттың тесіктерінің жанында орын алған зақымдарды көрсетеді.Механикалық зақымның биологиялық ластануға қарсы жабынға әсерін көрсету үшін қанның адгезиясы сынағы жасалды (4E сурет).SHP сияқты, ластануға қарсы қасиеттер зақымдану салдарынан жоғалады, ал LOIS қанды итермелеу арқылы тамаша ластануға қарсы қасиеттерді көрсетеді.Себебі, беттік энергия зақымдалған аймақты қамтитын капиллярлық әрекет арқылы қозғалатындықтан, микроқұрылымды майлаушы майдағы ағын ластануға қарсы қасиеттерді қалпына келтіреді (35).Дәл осындай тенденция альбуминді қолдану арқылы протеиннің адгезиясын тексеруде байқалды.Зақымдалған аймақта SHP бетіндегі ақуыздың адгезиясы кеңінен байқалады және оның аумақты жабуын өлшеу арқылы оны жалаңаш негіздің адгезия деңгейінің жартысы ретінде сандық түрде анықтауға болады.Екінші жағынан, LOIS адгезияны тудырмай, биологиялық ластануға қарсы қасиеттерін сақтап қалды (сурет 4, F және G).Сонымен қатар, бұранданың беті жиі бұрғылау сияқты күшті механикалық кернеуге ұшырайды, сондықтан біз in vitro жағдайында LOIS жабынының бұрандада өзгеріссіз қалу мүмкіндігін зерттедік.4H суретте әртүрлі бұрандалардың оптикалық кескіндері көрсетілген, соның ішінде жалаңаш, SHP және LOIS.Қызыл тіктөртбұрыш сүйек имплантациясы кезінде күшті механикалық кернеу пайда болатын мақсатты аймақты білдіреді.Пластинаның ақуыз адгезиясын сынау сияқты, флуоресцентті микроскоп ақуыздың адгезиясын бейнелеу және LOIS жабынының тұтастығын, тіпті күшті механикалық кернеу кезінде де дәлелдеу үшін жабу аймағын өлшеу үшін қолданылады (4-сурет, I және J).LOIS өңделген бұрандалар ластануға қарсы тамаша өнімділікті көрсетеді және бетіне ақуыз жабыспайды.Екінші жағынан, протеиннің адгезиясы жалаң бұрандалар мен SHP бұрандаларында байқалды, мұнда SHP бұрандаларының аумағы жалаң бұрандалардың үштен бір бөлігін құрады.Сонымен қатар, бекіту үшін қолданылатын ортопедиялық имплант 4K суретте көрсетілгендей, сынған жерге түсірілген кернеуге төтеп беру үшін механикалық берік болуы керек.Сондықтан химиялық модификацияның механикалық қасиеттерге әсерін анықтау үшін иілу сынағы жүргізілді.Бұған қоса, бұл импланттан бекітілген кернеуді сақтау үшін жасалады.Имплант толығымен бүктелгенше және кернеу-деформация қисығы алынғанша тік механикалық күшті қолданыңыз (4L, 1-сурет).Механикалық беріктігінің көрсеткіштері ретінде жалаңаш және LOIS астарлары арасында Янг модулі мен иілу беріктігін қоса екі қасиет салыстырылды (сурет 4L, 2 және 3).Янг модулі материалдың механикалық өзгерістерге төтеп беру қабілетін көрсетеді.Әрбір субстраттың Янг модулі сәйкесінше 41,48±1,01 және 40,06±0,96 ГПа;байқалған айырмашылық шамамен 3,4% құрайды.Сонымен қатар, материалдың қаттылығын анықтайтын иілу күші жалаңаш негіз үшін 102,34±1,51 ГПа, ал ШП үшін 96,99±0,86 ГПа болатыны хабарланады.Жалаңаш субстрат шамамен 5,3% жоғары.Механикалық қасиеттердің аздап төмендеуі ойық әсерінен туындауы мүмкін.Кетік әсерінде микро/нано кедір-бұдыры жергілікті кернеу концентрациясына әкелетін және импланттың механикалық қасиеттеріне әсер ететін ойықтар жиынтығы ретінде әрекет етуі мүмкін (46).Дегенмен, адамның кортикальды сүйегінің қаттылығы 7,4 және 31,6 ГПа арасында және өлшенген LOIS модулі адамның қыртысты сүйегінен (47) асып түсетініне сүйене отырып, LOIS сынықты және оның жалпы деңгейін қолдау үшін жеткілікті. механикалық қасиеттерге бетінің модификациясы аз әсер етеді.
(A) (1) операция кезінде ортопедиялық имплантқа түсірілген механикалық кернеудің және (2) зақымдалған ортопедиялық импланттың оптикалық бейнесінің схемалық диаграммасы.(B) Наномеханикалық қасиеттерді нано шегініспен және жалаңаш беттегі LOIS арқылы өлшеудің схемалық диаграммасы.(C) Жалаңаш беттің және LOIS-тің нано шегініс күші-орын ауыстыру қисығы.(D) in vitro эксперименттерінен кейін операция кезінде туындаған механикалық кернеуді имитациялау үшін ортопедиялық пластиналардың әртүрлі түрлерінің оптикалық кескіндерін имитациялаңыз (зақымданған аймақ қызыл тіктөртбұрышпен ерекшеленеді).(E) Қанның адгезиясы сынағы және (F) зақымдалған ортопедиялық пластиналар тобының ақуыз адгезиясы сынағы.(G) Пластинаға жабысатын ақуыздың аумақты жабуын өлшеңіз.(H) In vitro экспериментінен кейінгі әртүрлі ортопедиялық бұрандалардың оптикалық кескіндері.(I) Әртүрлі жабындардың тұтастығын зерттеу үшін ақуыздың адгезиясы сынағы.(J) Бұрандаға жабысатын ақуыздың аумақты жабуын өлшеңіз.(K) Қоянның қозғалысы сынған сүйекке бекітілген кернеуді тудыруға арналған.(L) (1) Иілуге ​​дейін және иілуден кейінгі иілу сынағының нәтижелері мен оптикалық кескіндер.Жалаң имплант пен SHP арасындағы (2) Янг модулінің және (3) иілу күші арасындағы айырмашылық.Деректер орташа ± SD (*P<0,05, **P<0,01, ***P<0,001 және ****P<0,0001) ретінде көрсетіледі.Суреттің сыпайылығы: Кёмин Чае, Йонсей университеті.
Клиникалық жағдайларда бактериялардың биологиялық материалдармен және жара учаскелерімен байланысының көпшілігі жетілген, жетілген биофильмдерден келеді (48).Сондықтан АҚШ-тың Ауруларды бақылау және алдын алу орталықтары адам жұқтырғандардың 65%-ы биофильмдермен байланысты деп есептейді (49).Бұл жағдайда импланттың бетінде дәйекті биоқабықша түзілуін қамтамасыз ететін in vivo эксперименттік дизайнды қамтамасыз ету қажет.Сондықтан біз қоянның жамбас сүйегінің сыну үлгісін жасадық, онда ортопедиялық имплантаттар бактериялық суспензияда алдын ала инкубацияланып, содан кейін LOIS in vivo ластануға қарсы қасиеттерін зерттеу үшін қоян жамбас сүйектеріне имплантацияланды.Келесі үш маңызды фактіге байланысты бактериялық инфекциялар бактериялық суспензияларды тікелей енгізуден гөрі алдын ала өсіру арқылы туындайды: (i) қояндардың иммундық жүйесі табиғи түрде адамдарға қарағанда күштірек;сондықтан бактериялық суспензияларды және планктонды бактерияларды инъекциялау мүмкін. Бұл биофильмдердің пайда болуына әсер етпейді.(II) Планктондық бактериялар антибиотиктерге көбірек сезімтал және антибиотиктер әдетте операциядан кейін қолданылады;ақырында, (iii) планктонды бактериялардың суспензиясы жануардың дене сұйықтықтарымен сұйылтылуы мүмкін (50).Имплантантты бактериалды суспензияға имплантациялау алдында алдын ала өсіру арқылы біз бактериялық инфекцияның және бөтен дене реакциясының (FBR) сүйектің жазылу процесіне зиянды әсерін мұқият зерттей аламыз.Қояндар имплантациядан кейін 4 аптадан кейін құрбандыққа шалынды, өйткені сүйектің жазылу процесіне қажетті оссеоинтеграция 4 апта ішінде аяқталады.Содан кейін имплантаттар төменгі ағынды зерттеу үшін қояндардан алынды.5А суретте бактериялардың көбею механизмі көрсетілген.Инфекцияланған ортопедиялық имплант денеге енгізіледі.Бактериялық суспензияда алдын ала инкубациялау нәтижесінде жалаңаш импланттармен имплантацияланған алты қоянның алтауы жұқтырылған, ал LOIS-пен өңделген имплантаттар имплантацияланған қояндардың ешқайсысы жұқтырылған жоқ.Бактериялық инфекциялар өсу, жетілу және дисперсия сияқты үш сатыда жүреді (51).Біріншіден, жабысқан бактериялар жер бетінде көбейіп, өседі, содан кейін бактериялар жасушадан тыс полимерді (ЭПС), амилоидты және жасушадан тыс ДНҚ-ны бөліп шығарғанда биоқабықша түзеді.Биопленка антибиотиктердің енуіне кедергі келтіріп қана қоймайды, сонымен қатар антибиотиктерді ыдырататын ферменттердің (мысалы, β-лактамаза) жинақталуына ықпал етеді (52).Соңында биопленка жетілген бактерияларды қоршаған тіндерге таратады.Сондықтан инфекция пайда болады.Сонымен қатар, бөтен дене ағзаға енген кезде, күшті иммундық реакция тудыруы мүмкін инфекция қатты қабынуды, ауырсынуды және иммунитеттің төмендеуін тудыруы мүмкін.5В-суретте бактериялық инфекциядан туындаған иммундық жауап емес, ортопедиялық имплантты енгізуден туындаған FBR шолуы берілген.Иммундық жүйе енгізілген имплантты бөтен дене ретінде таниды, содан кейін жасушалар мен тіндердің бөгде денені инкапсуляциялау үшін реакциясын тудырады (53).ФБР алғашқы күндерінде ортопедиялық импланттардың бетінде жеткізу матрицасы пайда болды, соның нәтижесінде фибриногеннің адсорбциясы болды.Содан кейін адсорбцияланған фибриноген лейкоциттердің бекінуіне ықпал ететін өте тығыз фибриндік тор түзеді (54).Фибриндік желі пайда болғаннан кейін нейтрофилдердің инфильтрациясына байланысты жедел қабыну пайда болады.Бұл қадамда ісік некрозының факторы-α (TNF-α), интерлейкин-4 (IL-4) және IL-β сияқты әртүрлі цитокиндер шығарылады, ал моноциттер имплантация алаңына еніп, алып жасушаларға дифференциациялана бастайды.Фаг (41, 55, 56).FBR азайту әрқашан қиын болды, өйткені шамадан тыс FBR өткір және созылмалы қабынуды тудыруы мүмкін, бұл өлімге әкелетін асқынуларға әкелуі мүмкін.Жалаңаш имплантты және LOIS айналасындағы тіндерге бактериялық инфекциялардың әсерін бағалау үшін гематоксилин және эозин (H&E) және Массон трихромы (МТ) бояуы қолданылды.Жалаңаш субстраттармен имплантацияланған қояндар үшін ауыр бактериялық инфекциялар дамыды және H&E тінінің слайдтары қабынудан туындаған абсцесстер мен некроздарды анық көрсетті.Екінші жағынан, LOIS өте күшті биологиялық ластануға қарсы беті бактериялардың адгезиясын тежейді, сондықтан ол инфекция белгілерін көрсетпейді және қабынуды азайтады (5С-сурет).МТ бояуының нәтижелері де осындай үрдісті көрсетті.Дегенмен, MT бояуы сонымен қатар LOIS имплантацияланған қояндарда ісінуді көрсетті, бұл қалпына келтірудің жақындап қалғанын көрсетеді (5D-сурет).Иммундық жауап дәрежесін зерттеу үшін иммундық жауапқа қатысты TNF-α және IL-6 цитокиндерін қолдану арқылы иммуногистохимиялық (IHC) бояу жүргізілді.Бактерияларға ұшырамаған жалаңаш теріс имплант бактерияларға ұшыраған, бірақ бактериялық инфекция болмаған жағдайда емдеу процесін зерттеу үшін жұқтырмаған LOIS-пен салыстырылды.5Е суретте TNF-α-ны білдіретін IHC слайдының оптикалық кескіні көрсетілген.Қоңыр аймақ иммундық жауапты білдіреді, бұл LOIS-тегі иммундық жауаптың аздап төмендегенін көрсетеді.Сонымен қатар, LOIS-тегі IL-6 экспрессиясы стерильді жалаңаштың теріс көрінісінен айтарлықтай аз болды (5F-сурет).Цитокиннің экспрессиясы цитокинге сәйкес келетін антиденелердің бояу аймағын өлшеу арқылы сандық түрде анықталды (5G-сурет).Теріс импланттарға ұшыраған қояндармен салыстырғанда, LOIS имплантацияланған қояндардың экспрессия деңгейлері айтарлықтай айырмашылықты көрсетті.Цитокиндер экспрессиясының төмендеуі LOIS-тің ұзақ мерзімді, тұрақты ластануға қарсы қасиеттері тек бактериялық инфекцияларды тежеумен ғана емес, сонымен қатар субстратқа жабысатын макрофагтармен индукцияланған FBR төмендеуімен де байланысты екенін көрсетеді (53, 57 , 58).Сондықтан, LOIS иммундық жалтару қасиеттеріне байланысты төмендеген иммундық жауап имплантациядан кейінгі жанама әсерлерді шешуі мүмкін, мысалы, пластикалық хирургиядан кейінгі шамадан тыс иммундық жауап.
(A) Инфекцияланған ортопедиялық импланттың бетінде биоқабықша түзілу және таралу механизмінің принципиалды диаграммасы.eDNA, жасушадан тыс ДНҚ.(B) Ортопедиялық имплантты енгізуден кейінгі иммундық жауаптың схемалық диаграммасы.(C) H&E бояуы және (D) ортопедиялық импланттардың қоршаған тіндерін жалаң оң және LOIS арқылы MT бояуы.Иммундық байланысты цитокиндердің IHC (E) TNF-α және (F) IL-6 - жалаңаш теріс және LOIS имплантацияланған қояндардың боялған кескіндері.(G) Аймақты қамтуды өлшеу арқылы цитокин экспрессиясының сандық көрсеткіші (** P <0,01).
LOIS биоүйлесімділігі және оның сүйек емдеу процесіне әсері диагностикалық бейнелеу [рентген және микрокомпьютерлік томография (КТ)] және остеокласт IHC көмегімен in vivo зерттелді.6А суретінде үш түрлі кезеңді қамтитын сүйектің жазылу процесі көрсетілген: қабыну, жөндеу және қайта құру.Сынық пайда болған кезде қабыну жасушалары мен фибробласттар сынған сүйекке еніп, тамыр тініне өсе бастайды.Қалпына келтіру кезеңінде тамырлы тіндердің ішке өсуі сынған жердің жанында таралады.Тамыр тіндері каллус деп аталатын жаңа сүйектің пайда болуы үшін қоректік заттармен қамтамасыз етеді.Сүйек сауығу процесінің соңғы кезеңі - қалпына келтіру кезеңі, онда белсендірілген остеокластар деңгейінің жоғарылауы арқылы каллус мөлшері қалыпты сүйек өлшеміне дейін азаяды (59).Әр топтағы каллус түзілу деңгейіндегі айырмашылықтарды байқау үшін микро-КТ сканерлеу арқылы сынық орнын үш өлшемді (3D) қалпына келтіру орындалды.Сынған сүйекті қоршап тұрған каллустың қалыңдығын байқау үшін сан сүйегінің көлденең қимасын бақылаңыз (6-сурет, В және С).Әр топтағы сүйек регенерациясының әртүрлі процестерін бақылау үшін апта сайын барлық топтардың сынған жерлерін зерттеу үшін рентген сәулелері де қолданылды (S9 сурет).Каллус пен жетілген сүйектер сәйкесінше көк/жасыл және піл сүйегімен көрсетілген.Жұмсақ тіндердің көпшілігі алдын ала белгіленген шекпен сүзіледі.Жалаңаш оң және SHP сынған жердің айналасында аз мөлшерде каллус түзілуін растады.Екінші жағынан, LOIS-тің ашық терісі және сыну орны қалың каллуспен қоршалған.Микро-КТ суреттері каллустың пайда болуына бактериялық инфекция және инфекциямен байланысты қабыну кедергі келтіретінін көрсетті.Бұл иммундық жүйе сүйектерді қалпына келтіруден гөрі инфекциямен байланысты қабынудан туындаған септикалық жарақаттарды емдеуге басымдық береді (60).Остеокласт белсенділігі мен сүйек резорбциясын байқау үшін IHC және тартратқа төзімді қышқыл фосфатаза (TRAP) бояуы орындалды (6D-сурет) (61).Жалаңаш позитивтерде және SHP-де күлгін түске боялған бірнеше белсендірілген остеокласттар ғана табылды.Екінші жағынан, LOIS жалаңаш оң және жетілген сүйектерінің жанында көптеген белсендірілген остеокласттар байқалды.Бұл құбылыс остеокласттардың қатысуымен сынық жерінің айналасындағы каллустың күшті қайта құрылымдалу процесінен өтіп жатқанын көрсетеді (62).Сүйек көлемі мен каллустың остеокласт экспрессия аймағы микро-КТ және IHC нәтижелерін сандық бағалау үшін барлық топтардағы сынық аймағының айналасында каллус түзілу деңгейін салыстыру үшін өлшенді (6E, 1 және 2-сурет).Күтілгендей, LOIS-те жалаңаш теріс және каллус түзілу басқа топтарға қарағанда айтарлықтай жоғары болды, бұл сүйектің оң қайта құрылуының орын алғанын көрсетеді (63).S10 суретте хирургиялық аймақтың оптикалық кескіні, бұранданың жанында жиналған тіннің MT бояу нәтижесі және бұрандалы сүйек интерфейсін ерекшелейтін TRAP бояу нәтижесі көрсетілген.Жалаңаш субстратта күшті каллус пен фиброздың түзілуі байқалды, ал LOIS өңделген имплант салыстырмалы түрде жабыспаған бетті көрсетті.Сол сияқты, жалаңаш терістермен салыстырғанда, ақ көрсеткілер көрсеткендей, LOIS имплантацияланған қояндарда төменгі фиброз байқалды.Сонымен қатар, қатты ісіну (көк көрсеткі) LOIS иммундық жалтару қасиеттеріне жатқызылуы мүмкін, осылайша ауыр қабынуды азайтады.Импланттың айналасындағы жабыспайтын бет және фиброздың азаюы алып тастау процесінің оңай екенін көрсетеді, бұл әдетте басқа сынықтарға немесе қабынуға әкеледі.Бұранданы алып тастағаннан кейін сүйектің жазылу процесі бұранда-сүйек интерфейсіндегі остеокласт белсенділігімен бағаланды.Жалаңаш сүйек те, LOIS имплантының интерфейсі де сүйектің одан әрі жазылуы үшін остеокласттардың ұқсас деңгейін сіңірді, бұл LOIS жабыны сүйектің жазылуына немесе иммундық жауапқа теріс әсер етпейтінін көрсетеді.LOIS-те орындалған беттік модификация сүйектерді емдеу процесіне кедергі келтірмейтінін растау үшін, рентгендік зерттеу қояндардың сүйектерінің жазылуын ашық теріс иондармен және LOIS имплантациясының 6 аптасымен салыстыру үшін пайдаланылды (сурет 6F).Нәтижелер жұқтырмаған жалаңаш оң топпен салыстырғанда, LOIS сүйектің жазылу дәрежесін бірдей көрсетті және екі топта да сынудың айқын белгілері (үздіксіз остеолиз сызығы) жоқ екенін көрсетті.
(A) Сынғаннан кейінгі сүйектің жазылу процесінің схемалық диаграммасы.(B) Әрбір беттік топтың каллус түзілу дәрежесінің айырмашылығы және (C) сынған жердің көлденең қимасының кескіні.(D) Остеокласт белсенділігі мен сүйек резорбциясын визуализациялау үшін TRAP бояуы.TRAP белсенділігіне сүйене отырып, кортикальды сүйектің сыртқы каллусының қалыптасуы (E) (1) микро-КТ және (2) остеокласт белсенділігі арқылы сандық түрде талданды.(F) Имплантациядан кейін 6 аптадан кейін ашылған терістің сынған сүйегінің рентгендік суреттері (қызыл сызықты тіктөртбұрышпен бөлінген) және LOIS (көк сызықты тіктөртбұрышпен белгіленген).Статистикалық талдау дисперсияның бір жақты талдауы (ANOVA) арқылы жүргізілді.* P <0,05.** P <0,01.
Қысқаша айтқанда, LOIS ортопедиялық имплантаттар үшін бактерияға қарсы инфекция стратегиясының жаңа түрін және иммундық жабынды ұсынады.SHP функционализациясы бар кәдімгі ортопедиялық имплантаттар қысқа мерзімді антибиологиялық қасиет көрсетеді, бірақ олардың қасиеттерін ұзақ уақыт сақтай алмайды.Субстраттың супергидрофобтылығы бактериялар мен субстрат арасындағы ауа көпіршіктерін ұстайды, осылайша ауа қалталарын қалыптастырады, осылайша бактериялық инфекцияның алдын алады.Дегенмен, ауаның диффузиясына байланысты бұл ауа қалталары оңай жойылады.Екінші жағынан, LOIS биофильмдермен байланысты инфекциялардың алдын алу қабілетін жақсы дәлелдеді.Сондықтан, қабатталған микро/наноқұрылым бетіне енгізілетін майлаушы қабаттың бас тартуға қарсы қасиеттерінің арқасында инфекциямен байланысты қабынудың алдын алуға болады.LOIS өндіріс шарттарын оңтайландыру үшін SEM, AFM, XPS және CA өлшемдерін қоса, әртүрлі сипаттама әдістері қолданылады.Сонымен қатар, LOIS PLGA, Ti, PE, POM және PPSU сияқты ортопедиялық бекіту жабдықтарында жиі қолданылатын әртүрлі биологиялық материалдарға да қолданылуы мүмкін.Содан кейін LOIS иммундық жауапқа байланысты бактериялар мен биологиялық заттарға қарсы биоқоқыстарды жоюға қарсы қасиеттерін дәлелдеу үшін in vitro сынақтан өтті.Нәтижелер оның жалаң имплантпен салыстырғанда өте жақсы бактерияға қарсы және антибиологиялық әсерге ие екенін көрсетеді.Сонымен қатар, LOIS механикалық кернеуді қолданғаннан кейін де механикалық күшті көрсетеді, бұл пластикалық хирургияда сөзсіз.Микро/наноқұрылым бетіндегі жағармайдың өзін-өзі емдеу қасиеттерінің арқасында LOIS өзінің антибиологиялық ластану қасиеттерін сәтті сақтап қалды.LOIS in vivo биоүйлесімділігі мен бактерияға қарсы қасиеттерін зерттеу үшін LOIS қоянның жамбас сүйегіне 4 апта бойы имплантацияланды.LOIS имплантацияланған қояндарда бактериялық инфекция байқалмады.Сонымен қатар, IHC қолдану жергілікті иммундық жауаптың төмендеген деңгейін көрсетті, бұл LOIS сүйектерді емдеу процесін тежемейтінін көрсетеді.LOIS тамаша антибактериалды және иммундық жалтару қасиеттерін көрсетеді және ортопедиялық хирургияға дейін және кезінде, әсіресе сүйек синтезі үшін биоқабықша түзілуінің тиімді алдын алатыны дәлелденген.Қоян сүйек кемігінің қабыну феморының сыну үлгісін пайдалану арқылы алдын ала инкубацияланған имплантаттар арқылы туындаған сүйекті емдеу процесіне биофильмге байланысты инфекциялардың әсері терең зерттелді.Болашақ зерттеу ретінде имплантациядан кейін мүмкін болатын инфекцияларды зерттеу үшін бүкіл емдеу процесі кезінде биофильмге байланысты инфекцияларды толық түсіну және алдын алу үшін жаңа in vivo моделі қажет.Сонымен қатар, остеоиндукция LOIS-пен интеграцияда әлі шешілмеген мәселе болып табылады.Қиындықты жеңу үшін остеоиндуктивті жасушалардың немесе регенеративті медицинаның селективті адгезиясын LOIS-пен біріктіру үшін қосымша зерттеулер қажет.Тұтастай алғанда, LOIS механикалық беріктігі мен тамаша антибиологиялық қасиеттері бар перспективті ортопедиялық имплант жабыны болып табылады, ол SSI мен иммундық жанама әсерлерді азайтады.
Ластаушы заттарды кетіру үшін 15 мм x 15 мм x 1 мм 304 SS субстратын (Dong Kang M-Tech Co., Корея) ацетон, EtOH және DI суда 15 минут бойы жуыңыз.Бетінде микро/нано-деңгейлі құрылымды қалыптастыру үшін тазартылған субстрат 50°C температурада 48%-51% HF ерітіндісіне (DUKSAN Corp., Оңтүстік Корея) батырылады.Оңалту уақыты 0-ден 60 минутқа дейін өзгереді.Содан кейін сызылған субстрат ионсыздандырылған сумен тазартылды және бетінде хром оксиді пассивация қабатын қалыптастыру үшін 50 ° C температурада 65% HNO3 (Korea DUKSAN Corp.) ерітіндісіне 30 минутқа орналастырылды.Пассивациядан кейін субстрат ионсыздандырылған сумен жуылады және қабатталған құрылымды субстрат алу үшін кептіріледі.Содан кейін субстрат оттегі плазмасына (100 Вт, 3 минут) әсер етті және дереу 12 сағат бойы бөлме температурасында 8,88 мМ POTS (Сигма-Алдрих, Германия) ерітіндісіне батырылды.Содан кейін POTS-пен қапталған субстрат EtOH-мен тазартылды және тығыз POTS SAM алу үшін 150°C температурада 2 сағат бойы күйдірілді.SAM жабынынан кейін жүк көлемі 20 мкм/см 2 болатын перфторполиэфирлі майлау материалын (Krytox 101; DuPont, АҚШ) қолдану арқылы субстратта жағармай қабаты пайда болды. Қолданар алдында майлау материалын 0,2 микрон сүзгі арқылы сүзіңіз.Артық майлауды 15 минут бойы 45° бұрышпен еңкейту арқылы алып тастаңыз.Дәл осындай өндіріс процедурасы 304 SS (құлыптау тақтасы және кортикальды құлыптау бұрандасы; Dong Kang M-Tech Co., Корея) жасалған ортопедиялық имплантаттар үшін қолданылды.Барлық ортопедиялық имплантаттар қоянның жамбас сүйегінің геометриясына сәйкес келетіндей етіп жасалған.
Субстрат пен ортопедиялық импланттардың беткі морфологиясы далалық эмиссиялық SEM (Inspect F50, FEI, АҚШ) және AFM (XE-100, Park Systems, Оңтүстік Корея) арқылы тексерілді.Бетінің кедір-бұдырлығы (Ra, Rq) 20 мкм ауданды 20 мкм (n=4) көбейту арқылы өлшенеді.Бетінің химиялық құрамын талдау үшін дақ өлшемі 100 мкм2 болатын Al Kα рентгендік көзімен жабдықталған XPS (PHI 5000 VersaProbe, ULVAC PHI, Жапония) жүйесі пайдаланылды.Сұйық CA және SA өлшеу үшін динамикалық суретке түсіру камерасымен (SmartDrop, FEMTOBIOMED, ​​Оңтүстік Корея) жабдықталған CA өлшеу жүйесі пайдаланылды.Әрбір өлшеу үшін CA-ны өлшеу үшін бетіне 6-10 мкл тамшылар (деиондандырылған су, жылқы қаны, EG, 30% этанол және HD) орналастырылады.Субстраттың көлбеу бұрышы 2°/с жылдамдықпен өскенде (n = 4), тамшы құлаған кезде SA өлшенеді.
Pseudomonas aeruginosa [American Type Culture Collection (ATCC) 27853] және MRSA (ATCC 25923) ATCC (Манасас, Вирджиния, АҚШ) компаниясынан сатып алынды және қор дақылы -80°C температурада сақталды.Қолданар алдында мұздатылған мәдениет трипсинмен ерітілген соя сорпасында (Комед, Корея) 37°C температурада 18 сағат бойы инкубацияланды, содан кейін оны белсендіру үшін екі рет ауыстырылды.Инкубациядан кейін культураны 4°C температурада 10 минут бойы 10000 айн/мин центрифугалады және PBS (рН 7,3) ерітіндісімен екі рет жуды.Содан кейін центрифугаланған дақыл қанды агар пластиналарында (BAP) субкультураланады.MRSA және Pseudomonas aeruginosa түнде дайындалып, Лурия-Бертани сорпасында өсірілді.Инокуляциядағы Pseudomonas aeruginosa және MRSA концентрациясы агардағы сериялық сұйылтулардағы суспензияның CFU арқылы сандық түрде анықталды.Содан кейін бактерия концентрациясын 0,5 McFarland стандартына реттеңіз, ол 108 КҚБ/мл-ге тең.Содан кейін жұмыс істейтін бактериялық суспензияны 100 рет 106 КҚБ/мл дейін сұйылтыңыз.Бактерияға қарсы адгезия қасиеттерін тексеру үшін субстрат қолданар алдында 121°C температурада 15 минут бойы зарарсыздандырылды.Содан кейін субстрат 25 мл бактериялық суспензияға ауыстырылды және 12 және 72 сағат бойы қатты шайқаумен (200 айн / мин) 37 ° C температурада инкубацияланды.Инкубациядан кейін әрбір субстрат инкубатордан шығарылды және бетіндегі кез келген қалқымалы бактерияларды жою үшін PBS көмегімен 3 рет жуылды.Субстраттағы биофильмді байқау үшін биопленка метанолмен бекітіліп, 1 мл кримидин апельсинмен 2 минут бойы боялған.Содан кейін флуоресцентті микроскоп (BX51TR, Olympus, Жапония) боялған биофильмді суретке түсіру үшін пайдаланылды.Субстраттағы биофильмнің мөлшерін анықтау үшін бекітілген жасушалар субстраттан моншақ құйынды әдісімен бөлінді, бұл бекітілген бактерияларды жоюдың ең қолайлы әдісі болып саналды (n = 4).Стерильді қысқыштарды пайдаланып, өсу ортасынан субстратты алыңыз және артық сұйықтықты кетіру үшін ұңғыма тақтасын түртіңіз.Стерильді PBS көмегімен екі рет жуу арқылы бос бекітілген жасушалар жойылды.Содан кейін әрбір субстрат 9 мл 0,1% протеин-эпт тұзы (PSW) және 2 г 20-дан 25-ке дейін стерильді шыны түйіршіктері (диаметрі 0,4-0,5 мм) бар стерильді пробиркаға ауыстырылды.Содан кейін үлгіден жасушаларды ажырату үшін 3 минут бойы құйынды.Құйындыдан кейін суспензия 0,1% PSW-мен 10 есе сұйылтылған, содан кейін әрбір сұйылтудан 0,1 мл BAP-ға егілді.37°C температурада 24 сағат инкубациядан кейін КҚБ қолмен есептелді.
Жасушалар үшін тінтуірдің NIH/3T3 (CRL-1658; американдық ATCC) фибробласттары және RAW 264.7 (TIB-71; американдық ATCC) тінтуір макрофагтары пайдаланылды.Тышқан фибробласттарын өсіру үшін Дулбекконың өзгертілген Eagle ортасын (DMEM; LM001-05, Welgene, Корея) пайдаланыңыз және 10% бұзау сарысуымен (S103-01, Welgene) және 1% пенициллин-стрептомицинмен (PS ; LS202-02, Welgene) толықтырыңыз. 10% ұрықтың сарысуымен (S001-01, Welgene) және 1% PS қосылған тінтуірдің макрофагтарын өсіру үшін DMEM пайдаланыңыз. Жасушалар түнде 37°C және 5% CO2 температурасында инкубацияланды, жасушалар 20 минут бойы 4% параформальдегидпен бекітілді және 0,5% Triton X инкубатында 5 минут бойы -100 тетраметилродаминге батырылды 37°C температурада 30 минут бойы инкубациялау процесі аяқталғаннан кейін субстратты 4′,6-диамин-2-фенилиндол (H -1200, Vector Laboratories, Ұлыбритания) VECTASHIELD бекіту ортасымен пайдаланыңыз (ақуыз үшін n = 4). , флуоресцеин, флуоресцеин изотиоцианат-альбумин (A9771, Sigma-Aldrich, Германия) және адам плазмасы Alexa Fluor 488 конъюгацияланған фибриноген (F13191, Invitrogen, АҚШ) PBS (10 мМ, рН 74) ішінде ерітілді.Альбумин мен фибриногеннің концентрациясы сәйкесінше 1 және 150 мкг/мл болды.Субстраттан кейін Протеин ерітіндісіне батырмас бұрын, бетті ылғалдандыру үшін оларды PBS ерітіндісімен шайыңыз.Содан кейін барлық субстраттарды құрамында ақуыз ерітіндісі бар алты шұңқырлы пластинаға батырыңыз және 37°C температурада 30 және 90 минут бойы инкубациялаңыз.Инкубациядан кейін субстрат ақуыз ерітіндісінен шығарылды, PBS 3 рет ақырын жуылды және 4% параформальдегидпен бекітілді (әр ақуыз үшін n = 4).Кальций үшін натрий хлориді (0,21 М) және калий фосфаты (3,77 мМ) ) ионсыздандырылған суда ерітілді.Гидрохлорид ерітіндісін (1М) қосу арқылы ерітіндінің рН мәні 2,0-ге дейін реттелді.Содан кейін ерітіндіде кальций хлориді (5,62 мМ) ерітілді.1М трис(гидроксиметил)-аминометан қосу арқылы ерітіндінің рН мәнін 7,4-ке дейін реттейді.Барлық субстраттарды 1,5× кальций фосфат ерітіндісімен толтырылған алты шұңқырлы пластинаға батырыңыз және 30 минуттан кейін ерітіндіден шығарыңыз.Бояу үшін 2 г Alizarin Red S (CI 58005) 100 мл ионсыздандырылған сумен араластырыңыз.Содан кейін рН мәнін 4-ке реттеу үшін 10% аммоний гидроксидін пайдаланыңыз. Субстратты Ализарин қызыл ерітіндісімен 5 минут бойы бояңыз, содан кейін артық бояуды шайқаңыз және дақ қойыңыз.Шайқау процесінен кейін субстратты алыңыз.Материал сусыздандырылады, содан кейін ацетонға 5 минутқа батырылады, содан кейін ацетон-ксилол (1:1) ерітіндісіне 5 минутқа батырылады, ең соңында ксилолмен (n = 4) жуылады.×10 және ×20 объективті линзалары бар флуоресцентті микроскоп (Axio Imager) пайдаланылады..A2m, Zeiss, Германия) барлық субстраттарды бейнелейді.ImageJ/FIJI (https://imagej.nih.gov/ij/) төрт түрлі бейнелеу аймағының әрбір тобында биологиялық заттардың адгезия деректерін сандық анықтау үшін пайдаланылды.Барлық кескіндерді субстратты салыстыру үшін бекітілген шектері бар екілік кескіндерге түрлендіру.
Зейсс LSM 700 конфокальды микроскоп шағылысу режимінде PBS-тегі майлау қабатының тұрақтылығын бақылау үшін пайдаланылды.Майлаушы қабаты бар фтор негізіндегі SAM қапталған шыны үлгісі PBS ерітіндісіне батырылды және жұмсақ шайқау жағдайында (120 айн/мин) орбитальды шайқағышты (SHO-1D; Daihan Scientific, Оңтүстік Корея) пайдаланып сынады.Содан кейін үлгіні алыңыз және шағылысқан жарықтың жоғалуын өлшеу арқылы майлаудың жоғалуын бақылаңыз.Шағылысу режимінде флуоресценциялық кескіндерді алу үшін үлгі 633 нм лазердің әсеріне ұшырап, содан кейін жиналады, өйткені жарық үлгіден кері шағылысатын болады.Үлгілер 0, 30, 60 және 120 сағаттық уақыт аралықтарында өлшенді.
Беттік модификация процесінің ортопедиялық импланттардың наномеханикалық қасиеттеріне әсерін анықтау үшін наноиндедионды өлшеу үшін үш жақты пирамида тәрізді Беркович алмаз ұшымен жабдықталған наноиндентер (TI 950 TriboIndenter, Hysitron, АҚШ) пайдаланылды.Ең жоғары жүктеме 10 мН және ауданы 100μmx 100μm.Барлық өлшемдер үшін тиеу және түсіру уақыты 10 с, ал ең жоғары шегініс жүктемесі кезінде ұстау уақыты 2 с.Бес түрлі жерден өлшем алыңыз және орташа мәнді алыңыз.Жүктеме кезіндегі механикалық беріктік көрсеткіштерін бағалау үшін әмбебап сынау машинасының (Instron 5966, Instron, АҚШ) көмегімен көлденең үш нүктелі иілу сынағы жүргізілді.Неғұрлым жоғары жүктеме кезінде субстрат 10 Н/с тұрақты жылдамдықпен қысылады.Bluehill Universal бағдарламалық құралы (n = 3) иілу модулі мен максималды қысу кернеуін есептеу үшін пайдаланылды.
Операция процесін және операция кезінде туындаған механикалық зақымдануды имитациялау үшін операция процесі in vitro жүргізілді.Жамбас сүйектері өлім жазасына кесілген Жаңа Зеландия ақ қояндарынан алынған.Сан сүйегі 4% параформальдегидте 1 апта бойы тазартылып, бекітілді.Жануарлар тәжірибесі әдісінде сипатталғандай, бекітілген сан сүйегіне хирургиялық операция жасалды.Операциядан кейін ортопедиялық имплант механикалық зақымданудан кейін қанның адгезиясының пайда болуын растау үшін 10 секунд бойы қанға (жылқы қаны, KISAN, Корея) батырылды (n = 3).
Жаңа Зеландияның 24 еркек ақ қояндары (салмағы 3,0-3,5 кг, орташа жасы 6 ай) кездейсоқ түрде төрт топқа бөлінді: жалаңаш теріс, жалаңаш оң, SHP және LOIS.Жануарларға қатысты барлық процедуралар Институционалдық жануарларды күту және пайдалану комитетінің этикалық стандарттарына сәйкес орындалды (IACUC мақұлданды, KOREA-2017-0159).Ортопедиялық имплант сынықты бекітуге арналған бес тесігі бар құлыптау тақтасынан (ұзындығы 41 мм, ені 7 мм және қалыңдығы 2 мм) және кортикальды бекіткіш бұрандалардан (ұзындығы 12 мм, диаметрі 2,7 мм) тұрады.Жалаң теріс топта пайдаланылған плиталар мен бұрандаларды қоспағанда, барлық тақталар мен бұрандалар MRSA суспензиясында (106 CFU/мл) 12 сағат бойы инкубацияланды.Жалаңаш-теріс топ (n=6) инфекцияға теріс бақылау ретінде бактериялық суспензияға әсер етпей, жалаңаш беттік импланттармен өңделген.Жалаңаш оң топ (n = 6) инфекцияға оң бақылау ретінде бактериялардың әсеріне ұшыраған жалаңаш беттік имплантпен өңделген.SHP тобы (n = 6) бактерияға ұшыраған SHP имплантаттарымен өңделген.Соңында, LOIS тобы бактерияға ұшыраған LOIS имплантаттарымен өңделді (n = 6).Барлық жануарларды торда ұстайды, азық-түлік пен суды көп береді.Операция алдында қояндар 12 сағат бойы аштықта болды.Жануарлар ксилазинді (5 мг/кг) бұлшықет ішіне енгізу және индукция үшін паклитакселді (3 мг/кг) көктамыр ішіне енгізу арқылы жансыздандырылды.Осыдан кейін анестезияны сақтау үшін тыныс алу жүйесі арқылы 2% изофлуран және 50% - 70% медициналық оттегі (ағын жылдамдығы 2 л/мин) жіберіңіз.Ол бүйір феморға тікелей жақындау арқылы имплантацияланады.Теріні эпиляциядан және повидон-йодпен дезинфекциялаудан кейін сол жақ ортаңғы сан сүйегінің сыртқы жағынан ұзындығы 6 см-дей тілік жасалды.Жамбас сүйектерін жауып тұрған бұлшықеттер арасындағы саңылауларды ашу арқылы сан сүйегі толық ашылады.Пластинаны жамбас білігінің алдына қойып, төрт бұрандамен бекітіңіз.Бекітілгеннен кейін екінші тесік пен төртінші тесік арасындағы аймақта жасанды түрде сынуды жасау үшін ара дискісін (қалыңдығы 1 мм) пайдаланыңыз.Операция соңында жара физиологиялық ерітіндімен жуылып, тігіспен жабылған.Әрбір қоянға физиологиялық ерітіндіде үштен бір бөлігін сұйылтылған энрофлоксацин (5 мг/кг) тері астына енгізді.Операциядан кейінгі сан сүйегінің рентгенографиясы барлық жануарларда (0, 7, 14, 21, 28 және 42 күн) сүйек остеотомиясын растау үшін алынды.Терең жансыздандырылғаннан кейін барлық жануарлар 28 және 42 күнде тамырға KCl (2 ммоль/кг) енгізу арқылы өлтірілді.Орындаудан кейін сүйектің жазылу процесін және төрт топ арасындағы жаңа сүйек түзілуін бақылау және салыстыру үшін сан сүйегі микро-КТ арқылы сканерленді.
Орындаудан кейін ортопедиялық имплантаттармен тікелей байланыста болған жұмсақ тіндер жиналды.Тін түні бойы 10% бейтарап буферлі формалинге бекітіліп, содан кейін EtOH-да сусыздандырылды.Сусыздандырылған тін парафинге салынып, микротомды (400CS; EXAKT, Германия) пайдаланып 40 мкм қалыңдығымен кесінді.Инфекцияны визуализациялау үшін H&E бояуы және MT бояуы орындалды.Хосттың жауабын тексеру үшін кесілген тін қоянға қарсы TNF-α бастапқы антиденесі (AB6671, Abcam, АҚШ) және қоянға қарсы IL-6 (AB6672; Abcam, АҚШ) инкубацияланды, содан кейін желкекпен өңделеді.Оксидаза.Өндірушінің нұсқауларына сәйкес бөлімдерге авидин-биотин кешені (ABC) бояу жүйесін жағыңыз.Қоңыр реакция өнімі ретінде көріну үшін барлық бөліктерде 3,3-диаминобэнзидин қолданылды.Барлық кесінділерді визуализациялау үшін сандық слайд сканері (Pannoramic 250 Flash III, 3DHISTECH, Венгрия) пайдаланылды және әр топтағы кемінде төрт субстрат ImageJ бағдарламалық құралы арқылы талданды.
Операциядан кейін барлық жануарларда және сынықтардың жазылуын бақылау үшін әр апта сайын рентгендік суреттер алынды (әр топқа n=6).Орындаудан кейін сауығудан кейін жамбас айналасындағы каллустың пайда болуын есептеу үшін жоғары ажыратымдылықтағы микро-КТ пайдаланылды.Алынған жамбас сүйектері тазартылып, 4% параформальдегидте 3 күн бойы бекітіліп, 75% этанолда сусыздандырылды.Содан кейін сусызданған сүйектер сүйек үлгісінің 3D воксельдік кескіндерін (2240×2240 пиксель) жасау үшін микро-КТ (SkyScan 1173, Brooke Micro-CT, Kandy, Бельгия) арқылы сканерленді.Сигнал шуын азайту және барлық сканерлеуге жоғары ажыратымдылықты қолдану үшін 1,0 мм Al сүзгісін пайдаланыңыз (E = 133 кВп, I = 60 мкА, біріктіру уақыты = 500 мс).Nrecon бағдарламалық құралы (1.6.9.8 нұсқасы, Bruker microCT, Kontich, Бельгия) алынған 2D бүйірлік проекциясынан сканерленген үлгінің 3D көлемін жасау үшін пайдаланылды.Талдау үшін 3D қалпына келтірілген кескін сыну орнына сәйкес 10мм×10мм×10мм текшелерге бөлінеді.Кортикальды сүйектің сыртындағы каллусты есептеңіз.Сканерленген сүйек көлемін сандық түрде қайта бағыттау үшін DataViewer (1.5.1.2 нұсқасы; Bruker microCT, Kontich, Бельгия) бағдарламалық құралы, талдау үшін CT-Analyzer (1.14.4.1 нұсқасы; Bruker microCT, Kontich, Бельгия) бағдарламалық құралы пайдаланылды.Жетілген сүйек пен каллустағы салыстырмалы рентгендік жұту коэффициенттері олардың тығыздығы бойынша ажыратылады, содан кейін каллус көлемі сандық түрде анықталады (n = 4).LOIS биоүйлесімділігі сүйектердің жазылу процесін кешіктірмейтінін растау үшін екі қоянға қосымша рентген және микро-КТ талдаулары жүргізілді: жалаңаш-теріс және LOIS топтары.Екі топ 6-шы аптада өлім жазасына кесілді.
Құрбандыққа шалынған малдың жамбас сүйектері жиналып, 4% параформальдегидте 3 күн бойы бекітілді.Содан кейін ортопедиялық имплант фемордан мұқият алынып тасталады.Сан сүйегі 0,5 М EDTA (EC-900, Ұлттық диагностика корпорациясы) қолдану арқылы 21 күн бойы кальцификацияланды.Содан кейін декальцификацияланған сан сүйегі оны сусыздандыру үшін EtOH-ға батырылды.Сусыздандырылған жамбас сүйегі ксилолда алынып, парафинге салынған.Содан кейін үлгі қалыңдығы 3 мкм болатын автоматты айналмалы микротоммен (Leica RM2255, Leica Biosystems, Германия) кесілген.TRAP бояуы үшін (F6760, Sigma-Oldrich, Германия) кесілген үлгілер парафинсіздендірілді, регидратацияланды және TRAP реагентінде 37°C температурада 1 сағат бойы инкубацияланды.Кескіндер слайд сканері (Pannoramic 250 Flash III, 3DHISTECH, Венгрия) арқылы алынды және боялған аймақтың аумақты қамтуын өлшеу арқылы саны анықталды.Әрбір экспериментте әр топтағы кемінде төрт субстрат ImageJ бағдарламалық құралы арқылы талданды.
Статистикалық маңыздылық талдауы GraphPad Prism (GraphPad Software Inc., АҚШ) көмегімен орындалды.Бағалау топтары арасындағы айырмашылықтарды тексеру үшін жұпталмаған t-тест және дисперсияның бір жақты талдауы (ANOVA) қолданылды.Маңыздылық деңгейі суретте келесідей көрсетілген: *P<0,05, **P<0,01, ***P<0,001 және ****P<0,0001;NS, айтарлықтай айырмашылық жоқ.
Осы мақалаға арналған қосымша материалдарды http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/44/eabb0025/DC1 қараңыз.
Бұл Creative Commons Attribution-Коммерциялық емес лицензиясының шарттары бойынша таратылатын ашық қол жетімді мақала, ол кез келген ортада пайдалануға, таратуға және көбейтуге мүмкіндік береді, егер пайдалану коммерциялық пайда үшін болмаса және алғышарт түпнұсқа болып табылады. жұмыс дұрыс.Анықтама.
Ескертпе: Сіз бетке ұсынатын адам электрондық поштаны көргіңіз келетінін және электрондық поштаның спам емес екенін білуі үшін тек электрондық пошта мекенжайын беруіңізді сұраймыз.Біз ешқандай электрондық пошта мекенжайларын түсірмейміз.
Бұл сұрақ адам келушілер екеніңізді тексеру және автоматты түрде спам жіберуді болдырмау үшін пайдаланылады.
Чо Кён Мин, О Ён Джан, Пак Джун Джун, Ли Джин Хёк, Ким Хён Чеол, Ли Кын Мун, Ли Чанг Кю, Ли Ен Тэк, Ли Сун Ук, Чон Моруи
Ортопедиялық импланттардың бактерияға қарсы және иммундық жабындары инфекциялардан туындаған инфекциялар мен иммундық жауаптарды азайтады.
Чо Кён Мин, О Ён Джан, Пак Джун Джун, Ли Джин Хёк, Ким Хён Чеол, Ли Кын Мун, Ли Чанг Кю, Ли Ен Тэк, Ли Сун Ук, Чон Моруи
Ортопедиялық импланттардың бактерияға қарсы және иммундық жабындары инфекциялардан туындаған инфекциялар мен иммундық жауаптарды азайтады.
©2021 Ғылымды дамыту жөніндегі Америка қауымдастығы.барлық құқықтар сақталған.AAAS - HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef және COUNTER серіктестері.ScienceAdvances ISSN 2375-2548.