Fir Patienten, déi orthopädesch Implantatoperatioune maachen, sinn bakteriell Infektiounen an Infektioun-induzéiert Immunreaktiounen ëmmer liewensgeféierlech Risiken.Konventionell biologesch Materialien sinn ufälleg fir biologesch Kontaminatioun, wat Bakterien verursaacht fir de verletzte Gebitt z'invaséieren an eng postoperativ Infektioun ze verursaachen.Dofir gëtt et en dréngende Bedierfnes fir Anti-Infektioun an Immun Fluchbeschichtungen fir orthopädesch Implantater z'entwéckelen.Hei hu mir eng fortgeschratt Uewerflächemodifikatiounstechnologie fir orthopädesch Implantate entwéckelt, genannt Lubricated Orthopedic Implant Surface (LOIS), déi inspiréiert ass vun der glater Uewerfläch vu pitcher-Planzepitcher.LOIS huet laang dauerhafter a staark Flëssegkeetsabweisung fir eng Vielfalt vu Flëssegkeeten a biologesche Substanzen (inklusiv Zellen, Proteinen, Kalzium a Bakterien).Zousätzlech hu mir d'mechanesch Haltbarkeet géint Kratzer a Fixéierungskraaft bestätegt andeems Dir den inévitabele Schued während der In vitro Chirurgie simuléiert.Den Kanéngchen Knochenmark entzündlech femoral Frakturmodell gouf benotzt fir d'antibiologesch Skaléieren an d'Anti-Infektiounsfäegkeet vum LOIS grëndlech ze studéieren.Mir stellen eis vir, datt de LOIS, deen anti-Biofouling-Eegeschafte a mechanesch Haltbarkeet huet, e Schrëtt no vir an der Infektiounsfräi orthopädescher Chirurgie ass.
Haut, duerch allgemeng Alterung, ass d'Zuel vun de Patienten, déi un orthopädesche Krankheeten leiden (wéi eeler Frakturen, degenerative Gelenkkrankheeten an Osteoporose) staark eropgaange sinn (1, 2).Dofir leeën medizinesch Institutiounen eng grouss Bedeitung fir orthopädesch Chirurgie, dorënner orthopädesch Implantate vu Schrauwen, Placke, Nägel a kënschtlech Gelenker (3, 4).Wéi och ëmmer, traditionell orthopädesch Implantate goufen gemellt fir bakteriell Adhäsioun a Biofilmbildung ufälleg ze sinn, wat d'chirurgesch Site Infektioun (SSI) no der Operatioun verursaache kann (5, 6).Wann de Biofilm op der Uewerfläch vum orthopädesche Implantat geformt gëtt, gëtt d'Entfernung vum Biofilm extrem schwéier och mat der Benotzung vu groussen Dosen Antibiotike.Dofir féiert et normalerweis zu schwéieren postoperativen Infektiounen (7, 8).Wéinst den uewe genannte Probleemer sollt d'Behandlung vun infizéierte Implantate Reoperatioun enthalen, och d'Entfernung vun all Implantate an Ëmgéigend Gewëss;dofir, wäert de Patient schwéier Péng an e puer Risiken leiden (9, 10).
Fir e puer vun dëse Problemer ze léisen, Drogen-eluerende orthopädesch Implantate goufen entwéckelt fir Infektioun ze vermeiden andeems Bakterien op der Uewerfläch befestegt ginn (11, 12).Wéi och ëmmer, d'Strategie weist nach ëmmer verschidde Aschränkungen.Et gouf gemellt datt laangfristeg Implantatioun vun Drogen-eluerende Implantate Schued un Ëmgéigend Gewëss verursaacht huet an Entzündung verursaacht huet, wat zu Nekrose féiere kann (13, 14).Zousätzlech erfuerderen déi organesch Léisungsmëttel, déi nom Fabrikatiounsprozess vun Drogen-eluerende orthopädesche Implantater, déi vun der US Food and Drug Administration strikt verbueden sinn, zousätzlech Reinigungsschrëtt fir seng Normen z'erreechen (15).Drogen-eluerende Implantate sinn Erausfuerderung fir d'kontrolléiert Verëffentlechung vun Drogen, a wéinst hirer limitéierter Drogenbelaaschtung ass laangfristeg Uwendung vum Medikament net machbar (16).
Eng aner gemeinsam Strategie ass den Implantat mat engem Antifouling-Polymer ze beschichten, fir datt biologesch Matière a Bakterien net un d'Uewerfläch hänken (17).Zum Beispill hunn zwitterionesch Polymere opmierksam gemaach wéinst hiren net-klebende Eegeschafte wa se a Kontakt mat Plasma Proteinen, Zellen a Bakterien sinn.Wéi och ëmmer, et huet e puer Aschränkungen am Zesummenhang mat laangfristeg Stabilitéit a mechanescher Haltbarkeet, déi seng praktesch Uwendung an orthopädesche Implantate behënneren, besonnesch wéinst mechanesche Schrauwen während chirurgeschen Prozeduren (18, 19).Zousätzlech, wéinst senger héijer Biokompatibilitéit, Mangel un Bedierfnes fir Entfernungschirurgie, an Uewerflächereinigungseigenschaften duerch Korrosioun, goufen orthopädesch Implantater aus biodegradéierbaren Materialien benotzt (20, 21).Wärend der Korrosioun ginn déi chemesch Bindungen tëscht der Polymermatrix ofgebrach an vun der Uewerfläch getrennt, an d'Anhänger botzen d'Uewerfläch.Wéi och ëmmer, anti-biologesch Fouling duerch Surface Botzen ass effektiv a kuerzer Zäit.Zousätzlech ginn déi meescht absorbéierbar Materialien, dorënner Poly(Milchsäure-Glykolsäure Copolymer) (PLGA), Polymilksäure (PLA) a Magnesium-baséiert Legierungen, ongläiche Biodegradatioun an Erosioun am Kierper ënnergoen, wat d'mechanesch Stabilitéit negativ beaflosst.(zwanzeg zwee).Zousätzlech bidden déi biodegradéierbar Plackfragmenter eng Plaz fir Bakterien ze befestigen, wat d'Chance vun enger Infektioun op laang Siicht erhéicht.Dëse Risiko vu mechanescher Degradatioun an der Infektioun limitéiert d'praktesch Uwendung vu Plastesch Chirurgie (23).
Superhydrophobe (SHP) Flächen, déi d'hierarchesch Struktur vu Lotusblieder mimikéieren, sinn eng potenziell Léisung fir Anti-Fouling Flächen ginn (24, 25).Wann d'SHP Uewerfläch a Flëssegkeet ënnerdaucht ass, ginn Loftblasen gefaangen, doduerch Lofttaschen bilden a bakteriell Adhäsioun (26) verhënnert.Wéi och ëmmer, rezent Studien hu gewisen datt d'SHP Uewerfläch Nodeeler am Zesummenhang mat der mechanescher Haltbarkeet a laangfristeg Stabilitéit huet, wat seng Applikatioun a medizinesche Implantate behënnert.Ausserdeem wäerten d'Lofttaschen opléisen an hir Anti-Fouling-Eegeschafte verléieren, sou datt et zu enger méi breeder bakterieller Adhäsioun wéinst der grousser Uewerfläch vun der SHP-Uewerfläch (27, 28) resultéiert.Viru kuerzem hunn Aizenberg a Kollegen eng innovativ Method fir Anti-Biofouling Uewerflächbeschichtung agefouert andeems eng glat Uewerfläch entwéckelt inspiréiert vun der Nepenthes pitcher Planz (29, 30).Déi glat Uewerfläch weist laangfristeg Stabilitéit ënner hydraulesche Bedéngungen, ass extrem flësseg repellent fir biologesch Flëssegkeeten, an huet selbstreparéierend Eegeschaften.Wéi och ëmmer, et gëtt weder eng Method fir eng Beschichtung op e komplexe geformte medizinesche Implantat z'applizéieren, nach ass et bewisen fir den Heelprozess vu beschiedegten Tissue no der Implantatioun z'ënnerstëtzen.
Hei presentéiere mir eng geschmiert orthopädesch Implantatfläch (LOIS), eng mikro/nano-strukturéiert orthopädesch Implantatfläche a fest kombinéiert mat enger dënnter Schmierschicht, fir ze verhënneren, datt se mat Plastesch Chirurgie verbonne sinn Bakteriell Infektiounen, wéi Frakturfixatioun.Well d'fluorfunktionaliséierter Mikro / Nano-Niveau Struktur fest de Schmierstoff op d'Struktur fixéiert, kann de entwéckelte LOIS d'Adhäsioun vu verschiddene Flëssegkeete komplett ofsträichen an d'Anti-Fouling-Performance fir eng laang Zäit behalen.LOIS Beschichtungen kënnen op Materialien vu verschiddene Formen applizéiert ginn fir Knochensynthese geduecht.Déi exzellent Anti-Biofouling Eegeschafte vu LOIS géint Biofilm Bakterien [Pseudomonas aeruginosa a methicillin-resistente Staphylococcus aureus (MRSA)] a biologesch Substanzen (Zellen, Proteinen a Kalzium) goufen in vitro bestätegt.D'Adhäsiounsquote vun der extensiv Adhäsioun zum Substrat ass manner wéi 1%.Zousätzlech, och no mechanesche Stress wéi Surface Kratzer geschitt, hëlleft d'Selbstheilung, déi duerch de penetréierende Schmierstoff verursaacht gëtt, seng Anti-Fouling Eegeschaften z'erhalen.Déi mechanesch Haltbarkeetstestresultater weisen datt och no struktureller a chemescher Modifikatioun d'Gesamtstäerkt net wesentlech reduzéiert gëtt.Zousätzlech gouf en In vitro Experiment dat de mechanesche Stress am chirurgeschen Ëmfeld simuléiert fir ze beweisen datt LOIS verschidde mechanesch Belaaschtunge widderstoen kann, déi während Plastesch Chirurgie optrieden.Schlussendlech hu mir en Kanéngchen-baséiert in vivo femoral Frakturmodell benotzt, wat bewisen huet datt LOIS superior antibakteriell Eegeschaften a Biokompatibilitéit huet.Radiologesch an histologesch Resultater hunn bestätegt datt stabil Schmierstoffverhalen an Anti-Biofouling-Eegeschafte bannent 4 Wochen no der Implantatioun effektiv Anti-Infektioun an Immun-Escape-Performance erreechen kënnen ouni de Knochenheilungsprozess ze verzögeren.
Figur 1A weist e schemateschen Diagramm vum entwéckelte LOIS, dee mat Mikro / Nano-Skala Strukturen am Kanéngchen femoral Frakturmodell implantéiert ass fir seng exzellent anti-biologesch Fouling an Anti-Infektiounseigenschaften ze bestätegen.Eng biomimetesch Method gëtt duerchgefouert fir d'Uewerfläch vun enger Waasserdëppeplanz ze simuléieren, a Biofouling ze vermeiden andeems eng Schmierschicht an der Mikro / Nano Struktur vun der Uewerfläch integréiert ass.D'Uewerfläch, déi mat Schmierstoff injizéiert gëtt, kann de Kontakt tëscht biologesche Substanzen an der Uewerfläch miniméieren.Dofir, wéinst der Bildung vu stabile chemesche Bindungen op der Uewerfläch, huet et eng exzellente Antifouling-Leeschtung a laangfristeg Stabilitéit.Als Resultat erlaben d'Anti-Biofouling Eegeschafte vun der Schmierfläche verschidde praktesch Uwendungen an der biomedizinescher Fuerschung.Wéi och ëmmer, extensiv Fuerschung iwwer wéi dës speziell Uewerfläch am Kierper interagéiert ass nach net ofgeschloss.Andeems LOIS mat plakeg Substrate in vitro mat Albumin a Biofilm Bakterien vergläicht, kann d'Net-Adhesivitéit vum LOIS bestätegt ginn (Dorënner 1B).Zousätzlech, andeems d'Waasserdrëpsen op de schräg bloe Substrat an dem LOIS Substrat (Figure S1 a Movie S1) ofrollen, kann d'biologesch Kontaminatiounsleistung bewisen ginn.Wéi am Fluoreszenzmikroskopbild gewisen, huet de exponéierte Substrat, deen an enger Suspension vu Protein a Bakterien inkubéiert ass, eng grouss Quantitéit u biologescht Material un der Uewerfläch ugehalen.Wéi och ëmmer, duerch seng exzellent Anti-Biofouling Eegeschafte weist LOIS kaum Fluoreszenz.Fir seng Anti-Biofouling an Anti-Infektiounseigenschaften ze bestätegen, gouf LOIS op d'Uewerfläch vun orthopädesche Implantate fir Knochensynthese (Placken a Schrauwen) applizéiert an an engem Kanéngchen Frakturmodell plazéiert.Virun der Implantatioun gouf de plakeg orthopädesche Implantat an de LOIS an enger bakterieller Suspension fir 12 Stonnen inkubéiert.D'Pre-Inkubatioun garantéiert datt e Biofilm op der Uewerfläch vum exponéierten Implantat zum Verglach geformt gëtt.Figur 1C weist eng Foto vun der Frakturplaz 4 Wochen no der Implantatioun.Op der lénkser Säit huet e Kanéngchen mat engem bloe orthopädesche Implantat e schwéieren Niveau vun der Entzündung gewisen wéinst der Bildung vun engem Biofilm op der Uewerfläch vum Implantat.De Géigendeel Resultat gouf bei Kanéngercher observéiert, déi mat LOIS implantéiert sinn, dat heescht, d'Ëmgéigend Stoffer vum LOIS weisen weder Unzeeche vun der Infektioun nach Unzeeche vun der Entzündung.Zousätzlech weist d'optesch Bild op der lénkser Säit d'chirurgesch Plaz vum Kanéngchen mat dem exponéierten Implantat un, wat beweist datt keng multiple Klebstoff op der Uewerfläch vum exponéierten Implantat op der Uewerfläch vum LOIS fonnt goufen.Dëst weist datt LOIS laangfristeg Stabilitéit huet an d'Fäegkeet huet seng anti-biologesch Fouling an Anti-Adhäsiounseigenschaften z'erhalen.
(A) Schematesch Diagramm vum LOIS a seng Implantatioun an engem Kanéngchen femoral Frakturmodell.(B) Fluoreszenzmikroskopie Bild vu Protein a bakterielle Biofilm op bloer Uewerfläch a LOIS Substrat.4 Wochen no der Implantatioun, (C) e fotografeschen Bild vun der Frakturplaz an (D) e Röntgenbild (beliicht duerch e roude Rechteck).Bild Ugedriwwe: Kyomin Chae, Yonsei Universitéit.
Déi steriliséiert, ausgesat negativ implantéiert Huesen hunn en normale Knueweleprozess gewisen ouni Unzeeche vun Entzündung oder Infektioun.Op der anerer Säit weisen SHP Implantater vir-inkubéiert an enger bakterieller Suspension Infektioun-verbonne Entzündung op den Ëmgéigend Stoffer.Dëst kann zu senger Onméiglechkeet zougeschriwwen ginn bakteriell Adhäsioun fir eng laang Zäit ze inhibit (Dorënner S2).Fir ze beweisen datt LOIS den Heelprozess net beaflosst, awer méiglech Infektiounen am Zesummenhang mat der Implantatioun hemmt, goufen Röntgenbilder vun der ausgesater positiver Matrix an der LOIS op der Frakturplaz verglach (Figure 1D).D'Röntgenbild vum bloe positiven Implantat huet persistent Osteolyselinnen gewisen, wat beweist datt de Knach net komplett geheelt gouf.Dëst hindeit datt de Schanken Erhuelungsprozess staark verspéit ka ginn wéinst der Infektiounsbezunnen Entzündung.Am Géigendeel, et huet gewisen datt d'Huesen, déi mam LOIS implantéiert waren, geheelt hunn a keng offensichtlech Frakturplaz weisen.
Fir medizinesch Implantate mat laangfristeg Stabilitéit a Funktionalitéit (och Resistenz géint Biofouling) z'entwéckelen, goufen vill Efforte gemaach.Wéi och ëmmer, d'Präsenz vu verschiddene biologesche Substanzen an d'Dynamik vun der Tissue Adhäsioun limitéiert d'Entwécklung vun hire klinesch zouverléissege Methoden.Fir dës Mängel ze iwwerwannen, hu mir eng Mikro / Nano-Schichtstruktur a chemesch modifizéiert Uewerfläch entwéckelt, déi duerch héich Kapillarkraaft a chemesch Affinitéit optiméiert ass fir de glatte Schmierstoff am gréissten Ausmooss ze halen.Figur 2A weist de globale Fabrikatioun Prozess vun LOIS.Als éischt preparéiert e medizinesche Grad Edelstahl (SS) 304 Substrat.Zweetens gëtt d'Mikro / Nano Struktur um SS Substrat geformt duerch chemesch Ätzen mat Hëllef vu Fluorsäure (HF) Léisung.Fir d'Korrosiounsbeständegkeet vu SS ze restauréieren, gëtt eng Salpetersäure (HNO3) Léisung (31) benotzt fir den geätzten Substrat ze veraarbecht.Passivatioun verbessert d'Korrosiounsbeständegkeet vum SS-Substrat a verlangsamt de Korrosiounsprozess wesentlech, deen d'Gesamtleistung vum LOIS reduzéiere kann.Dann, andeems en selbstversammlungen Monolayer (SAM) mat 1H, 1H, 2H, 2H-perfluoroctyltriethoxysilane (POTS) bilden, gëtt d'Uewerfläch chemesch modifizéiert fir d'chemesch Interaktioun tëscht der Uewerfläch an der glater Schmierstoff Affinitéit ze verbesseren.D'Uewerflächemodifikatioun reduzéiert d'Uewerflächenergie vun der fabrizéierter Mikro / Nano-Skala strukturéierter Uewerfläch bedeitend, déi mat der Uewerflächenergie vum glatte Schmierstoff entsprécht.Dëst erlaabt datt de Schmierstoff komplett befeucht gëtt, an doduerch eng stabil Schmierschicht op der Uewerfläch bilden.Déi modifizéiert Uewerfläch weist eng verstäerkte Hydrophobitéit.D'Resultater weisen datt de glatte Schmierstoff stabilt Verhalen op LOIS weist wéinst der héijer chemescher Affinitéit a Kapillarkraaft verursaacht duerch d'Mikro / Nano Struktur (32, 33).Déi optesch Verännerungen op der Uewerfläch vum SS no Uewerflächemodifikatioun a Schmierstoffinjektioun goufen studéiert.D'Mikro / Nano-Schichtstruktur, déi op der Uewerfläch geformt gëtt, kann visuell Ännerungen verursaachen an d'Uewerfläch däischter maachen.Dëst Phänomen gëtt dem verstäerkten Liichtstreeteffekt op der rauer Uewerfläch zougeschriwwen, wat d'diffuséiert Reflexioun erhéicht duerch de Liichtfangmechanismus (34).Zousätzlech, nodeems de Schmierstoff injizéiert ass, gëtt de LOIS méi däischter.D'Schmierschicht bewierkt datt manner Liicht vum Substrat reflektéiert gëtt, doduerch d'LOIS däischter gëtt.Fir d'Mikrostruktur / Nanostruktur ze optimiséieren fir de klengste Rutschwénkel (SA) ze weisen fir d'Anti-Biofouling Performance z'erreechen, goufen d'Scannerelektronenmikroskopie (SEM) an d'Atompaar benotzt fir verschidden HF Ätzzäiten (0, 3) auszeféieren., 15 an 60 Minutten) Force Mikroskop (AFM) (Dorënner 2B).SEM- an AFM-Biller weisen datt no enger kuerzer Ätzzäit (3 Minutte Ätz) de bloe Substrat ongläiche Nano-Skala Rauhheet geformt huet.D'Uewerflächenrauheet ännert sech mat der Ätzzäit (Figure S3).D'Zäit-variéierend Kurve weist datt d'Uewerflächrauheet weider eropgeet an en Héichpunkt bei 15 Minutte Ätzen erreecht, an da gëtt nëmmen e liicht Ofsenkung vum Rauhwäert bei 30 Minutte Ätzen observéiert.Zu dësem Zäitpunkt gëtt d'Nano-Niveau Rauhegkeet ewechgeätzt, während d'Mikro-Niveau Rauhegkeet kräfteg entwéckelt, wat d'Rauwheet méi stabil mécht.No der Ässung fir méi wéi 30 Minutten gëtt eng weider Erhéijung vun der Rauheet beobachtet, déi am Detail wéi follegt erkläert gëtt: SS besteet aus Stol, legeréiert mat Elementer dorënner Eisen, Chrom, Néckel, Molybdän a vill aner Elementer.Ënnert dësen Elementer spillen Eisen, Chrom a Molybdän eng wichteg Roll bei der Bildung vun der Mikron/Nano-Skala Rauheet op der SS duerch HF Ätzen.An de fréie Stadien vun der Korrosioun sinn Eisen a Chrom haaptsächlech korrodéiert well Molybdän méi héich Korrosiounsbeständegkeet huet wéi Molybdän.Wéi d'Ätzen viru geet, erreecht d'Ätsléisung lokal Iwwersaturatioun, a formt Fluoriden an Oxide verursaacht duerch Ätzen.Fluorid an Oxid fällt aus a schliisslech nees op der Uewerfläch, a bilden eng Uewerflächrauheet am Mikron / Nano-Beräich (31).Dës Mikro / Nano-Niveau Rauhegkeet spillt eng wichteg Roll an de selbstheilende Properties vum LOIS.Déi duebel Skala Uewerfläch produzéiert e synergisteschen Effekt, wat d'Kapillarkraaft staark erhéicht.Dëst Phänomen erlaabt d'Schmierstoff stabil an d'Uewerfläch ze penetréieren an dréit zur Selbstheilungseigenschaften bäi (35).D'Bildung vu Rauhegkeet hänkt vun der Ätszäit of.Ënner 10 Minutte vun Ätzen enthält d'Uewerfläch nëmmen Nano-Skala Rauhegkeet, wat net genuch ass fir genuch Schmierstoff ze halen fir Biofouling Resistenz ze hunn (36).Op der anerer Säit, wann d'Ätszäit méi wéi 30 Minutten iwwerschreift, verschwannen d'Nano-Skala Rauheet, déi duerch d'Wiederdepositioun vun Eisen a Chrom geformt gëtt, an nëmmen d'Mikroskala Rauheet bleift wéinst Molybdän.D'over-etched Uewerfläch feelt Nano-Skala Rauhheet a verléiert de synergisteschen Effekt vun der Zweestufeg Rauhheet, wat negativ op d'Selbstheilungseigenschaften vum LOIS beaflosst.SA Miessunge goufen op Substrate mat verschiddene Ätzzäite gemaach fir d'Anti-Fouling Leeschtung ze beweisen.Verschidden Zorte vu Flëssegkeeten goufen ausgewielt baséiert op Viskositéit an Uewerfläch Energie, dorënner deionized (DI) Waasser, Blutt, Ethylen glycol (EG), Ethanol (EtOH) an Hexadecane (HD) (Figure S4).D'Zäit-variéierend Ätzmuster weist datt fir verschidde Flëssegkeete mat ënnerschiddlechen Uewerflächenenergien a Viskositéiten d'SA vum LOIS no 15 Minutte Ätzen am niddregsten ass.Dofir ass LOIS optiméiert fir 15 Minuten ze ätzen fir Mikron- an Nano-Skala Rauhheet ze bilden, wat gëeegent ass fir effektiv d'Haltbarkeet vum Schmierstoff an exzellente Anti-Fouling-Eegeschaften z'erhalen.
(A) Schematesch Diagramm vum Véier-Schrëtt Fabrikatiounsprozess vu LOIS.Den Inset weist de SAM geformt um Substrat.(B) SEM an AFM Biller, benotzt fir d'Mikro / Nano Struktur vum Substrat ënner verschidden Ätzzäiten ze optimiséieren.Röntgenfotoelektronenspektroskopie (XPS) Spektrum vun (C) Cr2p an (D) F1s no Uewerflächepassivatioun an SAM Beschichtung.au, arbiträr Eenheet.(E) Representativ Biller vu Waasserdrëpsen op bloen, geätzten, SHP a LOIS Substrater.(F) De Kontaktwénkel (CA) an SA Miessung vu Flëssegkeete mat verschiddene Uewerflächespannungen op SHP a LOIS.D'Donnéeë ginn als Moyenne ± SD ausgedréckt.
Dann, fir d'Verännerung vun de chemeschen Eegeschafte vun der Uewerfläch ze bestätegen, gouf Röntgenfotoelektronenspektroskopie (XPS) benotzt fir d'Verännerung vun der chemescher Zesummesetzung vun der Substratfläch no all Uewerflächbeschichtung ze studéieren.Figur 2C weist d'XPS Miessresultater vun der HF geätzt Uewerfläch an der HNO 3 behandelt Uewerfläch.Déi zwee Haaptpeaks bei 587,3 a 577,7 eV kënnen un d'Cr-O Bindung zougeschriwwe ginn, déi an der Chromoxidschicht existéiert, wat den Haaptunterschied vun der HF geätzter Uewerfläch ass.Dëst ass haaptsächlech wéinst dem Verbrauch vun Eisen a Chromfluorid op der Uewerfläch duerch HNO3.D'HNO3-baséiert Ätzen erlaabt Chrom eng passivéierend Oxidschicht op der Uewerfläch ze bilden, wat d'Ätscht SS nees resistent géint Korrosioun mécht.An der Figur 2D goufen XPS Spektre kritt fir ze bestätegen datt Fluorocarbon-baséiert Silan op der Uewerfläch no der SAM-Beschichtung geformt gouf, déi extrem héich Flëssegkeetsrepelenz och fir EG, Blutt an EtOH huet.D'SAM Beschichtung gëtt ofgeschloss andeems Silane funktionell Gruppen mat Hydroxylgruppen reagéiert ginn duerch Plasmabehandlung.Als Resultat gouf eng bedeitend Erhéijung vun CF2 an CF3 Peaks observéiert.D'Verbindungsenergie tëscht 286 an 296 eV weist datt d'chemesch Modifikatioun erfollegräich vun der SAM Beschichtung ofgeschloss ass.SHP weist relativ grouss CF2 (290.1 ​​eV) an CF3 (293.3 eV) Peaks, déi duerch de Fluorocarbon-baséiert Silan verursaacht ginn op der Uewerfläch.Figur 2E weist representativ optesch Biller vun Kontakt Wénkel (CA) Miessunge fir verschidde Gruppe vun deionized Waasser a Kontakt mat blot, etched, SHP, an LOIS.Dës Biller weisen datt d'Ätscht Uewerfläch hydrophil gëtt duerch d'Mikro/Nano Struktur, déi duerch chemesch Ätzen geformt gëtt, sou datt deioniséiert Waasser an d'Struktur absorbéiert gëtt.Wéi och ëmmer, wann de Substrat mat SAM beschichtet ass, weist de Substrat staark Waasserabweisung, sou datt eng Uewerfläch SHP geformt gëtt an de Kontaktgebitt tëscht Waasser an der Uewerfläch kleng ass.Schlussendlech gouf eng Ofsenkung vum CA am LOIS beobachtet, wat un d'Penetratioun vu Schmierstoff an d'Mikrostruktur zougeschriwwe ka ginn, an doduerch d'Kontaktgebitt erhéijen.Fir ze beweisen datt d'Uewerfläch eng exzellente Flëssegkeet-Repellenz an net-klebstänneg Eegeschaften huet, gouf de LOIS mam SHP-Substrat verglach andeems CA an SA mat verschiddene Flëssegkeete gemooss goufen (Figure 2F).Verschidden Zorte vu Flëssegkeete goufen ausgewielt baséiert op Viskositéit an Uewerfläch Energie, dorënner deionized Waasser, Blutt, EG, EtOH an HD (Figure S4).CA Mooss Resultater weisen, datt wann CA éischter HD, der Reduktioun Wäert vun CA, wou CA déi ënnescht Uewerfläch Energie huet.Zousätzlech ass de LOIS vum Gesamt CA niddereg.D'SA Miessung weist awer e ganz anere Phänomen.Ausser dem ioniséierte Waasser hänken all Flëssegkeeten un de SHP Substrat ouni ze rutschen.Op der anerer Säit weist de LOIS e ganz nidderegen SA, wou wann all d'Flëssegkeet an engem Winkel manner wéi 10 ° bis 15 ° gekippt ass, all Flëssegkeet rullt.Dëst weist staark datt d'Net-Adhesivitéit vum LOIS besser ass wéi déi vun der SHP Uewerfläch.Zousätzlech ginn LOIS Beschichtungen och op verschidden Aarte vu Materialien applizéiert, dorënner Titan (Ti), Polyphenylsulfon (PPSU), Polyoxymethylen (POM), Polyetheretherketon (PEEK) a bioabsorbéierbare Polymeren (PLGA), Si sinn implantéierbar orthopädesch Materialien (Figure). S5)).Déi sequentiell Biller vun den Drëpsen op dem Material behandelt vum LOIS weisen datt d'Anti-Biofouling Eegeschafte vum LOIS d'selwecht sinn op all Substrate.Zousätzlech weisen d'Messresultater vu CA a SA datt d'Net-klebstoffeigenschaften vum LOIS op aner Materialien applizéiert kënne ginn.
Fir d'Anti-Fouling-Eegeschafte vum LOIS ze bestätegen, goufen verschidden Aarte vu Substrate (dorënner blo, etched, SHP a LOIS) mat Pseudomonas aeruginosa a MRSA inkubéiert.Dës zwee Bakterien goufen als representativ Spidol Bakterien ausgewielt, wat zu der Bildung vu Biofilme féieren kann, wat zu SSI féiert (37).Figur 3 (A a B) weist de Fluoreszenz Mikroskop Biller an der Kolonie bilden Eenheet (CFU) Miessunge Resultater vun de Substrate incubated an der bakteriell Suspension fir kuerzfristeg (12 Stonnen) a laangfristeg (72 Stonnen), respektiv.An enger kuerzer Zäit bilden Bakterien Cluster a wuessen a Gréisst, iwwerdecken sech mat mucusähnleche Substanzen a verhënnert hir Entfernung.Wéi och ëmmer, wärend der 72-Stonnen Inkubatioun wäerten d'Bakterien reife a ginn einfach ze verspreet fir méi Kolonien oder Cluster ze bilden.Dofir kann et ugesi ginn datt 72-Stonnen Inkubatioun laangfristeg ass an déi passend Inkubatiounszäit ass fir e staarke Biofilm op der Uewerfläch ze bilden (38).An enger kuerzer Zäit huet d'Ätscht Uewerfläch an d'Uewerfläch vum SHP bakteriell Adhäsioun gewisen, déi ëm ongeféier 25% op 50% am Verglach zum bloe Substrat reduzéiert gouf.Wéi och ëmmer, wéinst senger exzellenter Anti-Biofouling Leeschtung a Stabilitéit, huet LOIS keng bakteriell Biofilm Adhäsioun op kuerz a laangfristeg gewisen.De schemateschen Diagramm (Dorënner 3C) beschreift d'Erklärung vum anti-biologesche Foulingmechanismus vun der Ätzléisung, SHP a LOIS.D'Annahme ass datt den geätzten Substrat mat hydrophilen Eegeschaften eng méi grouss Uewerfläch huet wéi de bloe Substrat.Dofir wäert méi bakteriell Adhäsioun um geätzten Substrat optrieden.Wéi och ëmmer, am Verglach mam bloe Substrat, huet den Ätschte Substrat wesentlech manner Biofilm op der Uewerfläch geformt.Dëst ass well Waassermoleküle fest un d'hydrophil Uewerfläch binden an als Schmierstoff fir Waasser handelen, sou datt d'Adhäsioun vu Bakterien kuerzfristeg stéiert (39).Wéi och ëmmer, d'Schicht vu Waassermoleküle ass ganz dënn a löslech a bakterielle Suspensionen.Dofir verschwënnt d'Waassermolekulareschicht fir eng laang Zäit, wat zu enger extensiv bakterieller Adhäsioun a Verbreedung féiert.Fir SHP, duerch seng kuerzfristeg net-befeuchtend Eegeschaften, gëtt bakteriell Adhäsioun hemmt.Déi reduzéiert bakteriell Adhäsioun kann un d'Lofttaschen zougeschriwwe ginn, déi an der geschichtter Struktur an der ënneschter Uewerflächenergie gefaange sinn, an doduerch de Kontakt tëscht der bakterieller Suspension an der Uewerfläch miniméiert.Wéi och ëmmer, extensiv bakteriell Adhäsioun gouf am SHP beobachtet well et seng Anti-Fouling Eegeschafte fir eng laang Zäit verluer huet.Dëst ass haaptsächlech wéinst der Verschwanne vu Lofttaschen duerch hydrostateschen Drock an der Opléisung vun der Loft am Waasser.Dëst ass haaptsächlech wéinst der Verschwanne vu Lofttaschen duerch Opléisung an der Schichtenstruktur, déi eng méi grouss Uewerfläch fir d'Haftung gëtt (27, 40).Am Géigesaz zu dësen zwee Substrater, déi e wichtegen Effekt op d'laangfristeg Stabilitéit hunn, gëtt de Schmierschmierstoff, deen am LOIS enthale sinn, an d'Mikro / Nano Struktur injizéiert a wäert och op laang Dauer net verschwannen.Schmiermëttel gefëllt mat Mikro / Nano Strukturen si ganz stabil a si staark op d'Uewerfläch ugezunn wéinst hirer héijer chemescher Affinitéit, doduerch datt bakteriell Adhäsioun fir eng laang Zäit verhënnert gëtt.Figur S6 weist e Reflexiounskonfokalmikroskopbild vun engem Schmierstoff-infuséierte Substrat, deen an phosphatgebufferter Salzlinn (PBS) ënnerdaucht ass.Kontinuéierlech Biller weisen datt och no 120 Stonnen liicht Schüttelen (120 RPM) d'Schmierstoffschicht op der LOIS onverännert bleift, wat op laangfristeg Stabilitéit ënner Flowbedéngungen bezeechent.Dëst ass wéinst der héijer chemescher Affinitéit tëscht der Fluor-baséierter SAM-Beschichtung an dem Perfluorocarbon-baséierte Schmierstoff, sou datt eng stabil Schmierschicht geformt gëtt.Dofir gëtt d'Anti-Fouling Leeschtung behalen.Zousätzlech gouf de Substrat géint representativ Proteine ​​​​getest (Albumin a Fibrinogen), déi am Plasma sinn, Zellen enk mat der Immunfunktioun (Makrophagen a Fibroblasten) an déi mat der Schankenbildung verbonnen.Den Inhalt vu Kalzium ass ganz héich.(Dorënner 3D, 1 an 2, an Figur S7) (41, 42).Ausserdeem hunn d'Fluoreszenzmikroskopbilder vum Haftungstest fir Fibrinogen, Albumin a Kalzium verschidde Adhäsiounseigenschaften vun all Substratgrupp gewisen (Dorënner S8).Wärend der Schankenbildung kënnen nei geformte Knach- a Kalziumschichten den orthopädesche Implantat ëmginn, wat net nëmmen d'Entfernung schwiereg mécht, mee och de Patient onerwaart Schued während dem Entfernungsprozess verursaachen.Dofir sinn niddereg Niveaue vu Kalziumablagerungen op Schankenplacken a Schrauwen gutt fir orthopädesch Chirurgie déi Implantatentfernung erfuerdert.Baséierend op der Quantifizéierung vum befestegt Gebitt baséiert op der Fluoreszenzintensitéit an der Zellzuel, hu mir bestätegt datt LOIS exzellent Anti-Biofouling-Eegeschafte fir all biologesch Substanzen am Verglach mat anere Substrate weist.Laut de Resultater vun In vitro Experimenter kann den anti-biologesche Fouling LOIS op orthopädesch Implantate applizéiert ginn, déi net nëmmen Infektiounen, déi vu Biofilm Bakterien verursaacht ginn, hemmen, awer och d'Entzündung reduzéieren, déi duerch den aktiven Immunsystem vum Kierper verursaacht gëtt.
(A) Fluoreszenz Mikroskop Biller vun all Grupp (plakeg, etched, SHP an LOIS) incubated zu Pseudomonas aeruginosa an MRSA suspensions fir 12 an 72 Stonnen.(B) D'Zuel vun adherent CFU vun Pseudomonas aeruginosa an MRSA op der Uewerfläch vun all Grupp.(C) Schematesch Diagramm vum anti-biologesche Foulingmechanismus vu kuerzfristeg a laangfristeg Ätzen, SHP a LOIS.(D) (1) D'Zuel vun fibroblasts un all Substrat an fluorescence microscope Biller vun den Zellen ageklemmt un der blot an LOIS.(2) Adhäsiounstest vun immun-relatéierte Proteinen, Albumin a Kalzium involvéiert am Knuewelekhelungsprozess (* P <0.05, ** P <0.01, *** P <0.001 an **** P <0.0001).ns, net wichteg.
Am Fall vun onvermeidlechen konzentréierte Spannungen ass d'mechanesch Haltbarkeet ëmmer d'Haaptfuerderung fir d'Applikatioun vun antifouling-Beschichtungen.Traditionell Anti-Kläranlag Gel Methoden baséieren op Polymere mat gerénger Waasserléislechkeet a Zerbriechlechkeet.Dofir si se normalerweis u mechanesche Stress a biomedizineschen Uwendungen ufälleg.Dofir bleiwen mechanesch haltbar antifouling Beschichtungen eng Erausfuerderung fir Uwendungen wéi orthopädesch Implantater (43, 44).Figur 4A (1) weist déi zwou Haaptarten vu Stress, déi op orthopädesch Implantate applizéiert ginn, dorënner Kratzen (Schéierstress) a Kompressioun mam opteschen Bild vum beschiedegten Implantat, deen vun der Pincet produzéiert gëtt.Zum Beispill, wann d'Schraube mat engem Schrauendrénger festgehal gëtt, oder wann de Chirurg d'Knachplack fest mat Pinzette hält an d'Kompressiounskraaft applizéiert, gëtt d'Plastik Knochenplack beschiedegt a kraazt souwuel op de Makro- a Mikro / Nano-Skalen (Figure 4A, 2).Fir ze testen ob de fabrizéierte LOIS dës Schied während Plastesch Chirurgie widderstoen kann, gouf Nanoindentatioun gemaach fir d'Häert vum bloe Substrat an de LOIS op der Mikro / Nano Skala ze vergläichen fir d'mechanesch Eegeschafte vun der Mikro / Nano Struktur Impakt ze studéieren (Figure). 4B).De schemateschen Diagramm weist dat ënnerschiddlech Verformungsverhalen vum LOIS wéinst der Präsenz vu Mikro / Nano Strukturen.Eng Kraaft-Verschiebungskurve gouf op Basis vun de Resultater vun der Nanoindentatioun gezeechent (Dorënner 4C).De bloe Bild representéiert de bloe Substrat, deen nëmme liicht Verformung weist, wéi se vun der maximaler Indentatiounsdéift vun 0,26-μm gesi ginn.Op der anerer Säit kann déi graduell Erhéijung vun der Nanoindentatiounskraaft an der Verschiebung observéiert am LOIS (rout Curve) Unzeeche vu reduzéierter mechanesche Eegeschafte weisen, wat zu enger Nanoindentatiounsdéift vun 1.61μm resultéiert.Dëst ass well d'Mikro / Nano Struktur präsent am LOIS e méi déif Fortschrëttsraum fir den Tipp vum Nanoindenter bitt, sou datt seng Deformatioun méi grouss ass wéi déi vum bloe Substrat.Konsta-Gdoutos et al.(45) mengt datt duerch d'Präsenz vun Nanostrukturen, Nanoindentatioun a Mikro / Nano Rauhheet zu onregelméissegen Nanoindentatiounskurven féieren.Dat schattegt Gebitt entsprécht der onregelméisseger Verformungskurve, déi un der Nanostruktur zougeschriwwe gëtt, während dat net-schattéiert Gebitt un der Mikrostruktur zougeschriwwe gëtt.Dës Verformung kann d'Mikrostruktur / Nanostruktur vum Haltschmierstoff beschiedegen an hir Anti-Fouling-Leeschtung negativ beaflossen.Fir den Impakt vum Schued op LOIS ze studéieren, gouf inévitabel Schued u Mikro / Nano Strukturen am Kierper während Plastesch Chirurgie replizéiert.Andeems Dir Blutt a Protein Adhäsiounstester benotzt, kann d'Stabilitéit vun den Anti-Biofouling Eegeschafte vum LOIS no in vitro bestëmmt ginn (Figur 4D).Eng Serie vun opteschen Biller weist de Schued, deen no bei de Lächer vun all Substrat geschitt ass.E Blutt Adhäsiounstest gouf gemaach fir den Effet vum mechanesche Schued op der Anti-Biofouling Beschichtung (Dorënner 4E) ze weisen.Wéi SHP, sinn d'Anti-Fouling Eegeschafte verluer wéinst Schued, an LOIS weist exzellent Anti-Fouling Eegeschaften andeems se Blutt ofstinn.Dëst ass well, well d'Uewerflächenergie duerch d'Kapillaraktioun gedriwwe gëtt, déi de beschiedegte Gebitt ofdeckt, de Flux am mikrostrukturéierte Schmierstoff Schmierstoff restauréiert d'Anti-Fouling Eegeschafte (35).Deeselwechten Trend gouf am Protein Adhäsiounstest mat Albumin observéiert.Am beschiedegt Gebitt gëtt d'Adhäsioun vum Protein op der Uewerfläch vum SHP wäit beobachtet, an duerch d'Messung vun der Gebittsdeckung kann et als d'Halschent vum Adhäsiounsniveau vum bloe Substrat quantifizéiert ginn.Op der anerer Säit huet LOIS seng Anti-Biofouling Eegeschafte behalen ouni Adhäsioun ze verursaachen (Figure 4, F a G).Zousätzlech ass d'Uewerfläch vun der Schraube dacks staark mechanesch Belaaschtung ënnerworf, wéi zB Bueraarbechten, sou datt mir d'Fäegkeet vun der LOIS Beschichtung studéiert hunn intakt op der Schraube in vitro ze bleiwen.Figur 4H weist optesch Biller vu verschiddene Schrauwen, dorënner kaal, SHP an LOIS.De roude Rechteck stellt d'Zilgebitt duer, wou e staarke mechanesche Stress während der Knochenimplantatioun geschitt.Ähnlech wéi de Protein Adhäsiounstest vun der Plack gëtt e Fluoreszenzmikroskop benotzt fir d'Protein Adhäsioun ze bilden an d'Ofdeckungsgebitt ze moossen fir d'Integritéit vun der LOIS Beschichtung ze beweisen, och ënner staarke mechanesche Stress (Figure 4, I an J).D'LOIS-behandelt Schrauwen weisen exzellent Anti-Fouling-Leeschtung, a bal kee Protein hält sech un d'Uewerfläch.Op der anerer Säit gouf d'Protein Adhäsioun a bloe Schrauwen a SHP Schrauwen observéiert, wou d'Gebittdeckung vun SHP Schrauwen en Drëttel vun deem vun bloe Schrauwen war.Zousätzlech muss den orthopädesche Implantat, dee fir d'Fixatioun benotzt gëtt, mechanesch staark sinn fir de Stress op der Frakturplaz ze widderstoen, wéi an der Figur 4K.Dofir gouf e Béietest gemaach fir den Effekt vun der chemescher Modifikatioun op mechanesch Eegeschaften ze bestëmmen.Zousätzlech gëtt dëst gemaach fir de fixe Stress vum Implantat z'erhalen.Vertikal mechanesch Kraaft applizéiert bis den Implantat komplett geklappt ass an eng Stress-Belaaschtungskurve kritt gëtt (Figure 4L, 1).Zwou Eegeschafte dorënner Young d'Modul an flexural Kraaft sech tëscht blo an LOIS Substrate als Indicateuren vun hirer mechanesch Kraaft Verglach (Dorënner 4L, 2 an 3).Young's Modul weist d'Fäegkeet vun engem Material fir mechanesch Verännerungen ze widderstoen.De Young's Modulus vun all Substrat ass 41,48±1,01 respektiv 40,06±0,96 GPa;den observéierten Ënnerscheed ass ongeféier 3,4%.Zousätzlech gëtt bericht datt d'Biegekraaft, déi d'Zähegkeet vum Material bestëmmt, 102,34±1,51 GPa fir de bloe Substrat an 96,99±0,86 GPa fir SHP ass.De bloe Substrat ass ongeféier 5,3% méi héich.Déi liicht Ofsenkung vun de mechanesche Eegeschafte kann duerch den Notch Effekt verursaacht ginn.Am Notch-Effekt kann d'Mikro / Nano Rauhegkeet als Set vu Notches handelen, wat zu lokaler Stresskonzentratioun féiert an d'mechanesch Eegeschafte vum Implantat (46) beaflosst.Wéi och ëmmer, baséiert op der Tatsaach, datt d'Steifheet vum mënschleche kortikale Knach tëscht 7,4 an 31,6 GPa gemellt gëtt, an de gemoossene LOIS-Modul méi wéi dee vum mënschleche kortikale Knach (47), ass de LOIS genuch fir d'Fraktur a seng Gesamt ze ënnerstëtzen. mechanesch Eegeschafte sinn minimal vun Uewerfläch Modifikatioun betraff.
(A) Schematesch Diagramm vun (1) de mechanesche Stress, deen op den orthopädesche Implantat während der Operatioun applizéiert gëtt, an (2) d'optesch Bild vum beschiedegten orthopädesche Implantat.(B) Schematesch Diagramm vun Nano-mechanesch Eegeschafte Messung duerch Nanoindentatioun a LOIS op der bloer Uewerfläch.(C) Nanoindentatioun Kraaft-Verschiebungskurve vun der bloer Uewerfläch a LOIS.(D) No In vitro Experimenter, simuléiert d'optesch Biller vu verschiddenen Typen vun orthopädesche Placken (de beschiedegt Gebitt gëtt mat engem roude Rechteck markéiert) fir de mechanesche Stress ze simuléieren deen während der Operatioun verursaacht gëtt.(E) Blutt Adhäsiounstest an (F) Protein Adhäsiounstest vun der beschiedegter orthopädescher Plackgrupp.(G) Mooss d'Gebittdeckung vum Protein deen un d'Plack hänken.(H) Optesch Biller vu verschiddenen Typen vun orthopädesche Schrauwen nom In vitro Experiment.(I) Protein Adhäsiounstest fir d'Integritéit vu verschiddene Beschichtungen ze studéieren.(J) Mooss d'Gebittdeckung vum Protein un der Schraube hänken.(K) D'Bewegung vum Kanéngchen soll e fixe Stress op de gebrochene Knach generéieren.(L) (1) Biegen Test Resultater an optesch Biller virun an no Béie.Den Ënnerscheed am (2) Young's Modulus an (3) Béiekraaft tëscht bloe Implantat a SHP.D'Donnéeë ginn als Mëttel ± SD ausgedréckt (*P<0,05, **P<0,01, ***P<0,001 an ****P<0,0001).Bild Ugedriwwe: Kyomin Chae, Yonsei Universitéit.
A klineschen Situatiounen kommen déi meescht bakterielle Kontakt mat biologesche Materialien a Woundplazen aus reife, reife Biofilmen (48).Dofir schätzen d'US Centers for Disease Control and Prevention datt 65% vun all mënschlechen Infektiounen mat Biofilme verbonne sinn (49).An dësem Fall ass et néideg en in vivo experimentellen Design ze bidden deen konsequent Biofilmbildung op der Uewerfläch vum Implantat ubitt.Dofir hu mir e Kanéngchen femoral Frakturmodell entwéckelt, an deem orthopädesch Implantater an enger bakterieller Suspension vir-inkubéiert goufen an duerno an Kanéngchen Femuren implantéiert goufen fir d'Anti-Fouling-Eegeschafte vum LOIS in vivo ze studéieren.Wéinst den folgenden dräi wichtegen Fakten, bakteriell Infektiounen sinn duerch Pre-Kultur anstatt direkter Injektioun vu bakteriell Suspensionen induzéiert: (i) Den Immunsystem vun Huesen ass natierlech méi staark wéi dee vu Mënschen;Dofir ass d'Injektioun vu bakterielle Suspensionen a Planktonesche Bakterien méiglech Et huet keen Effekt op d'Bildung vu Biofilmen.(Ii) Planktonesch Bakterien si méi ufälleg fir Antibiotike, an Antibiotike ginn normalerweis no der Operatioun benotzt;endlech, (iii) der planktonesch Bakterien Suspensioun kann duerch d'Déier Kierper Flëssegkeeten verdënntem ginn (50).Andeems Dir den Implantat an enger bakterieller Suspension virum Implantatioun pre-culturéiert, kënne mir déi schiedlech Auswierkunge vun der bakterieller Infektioun an der Auslännerkierperreaktioun (FBR) op de Knuewehelprozess grëndlech studéieren.D'Huesen goufen 4 Wochen no der Implantatioun geaffert, well d'Osseointegratioun essentiell fir de Knuewehelprozess bannent 4 Wochen ofgeschloss ass.Duerno goufen d'Implantate vun den Huesen fir Downstream Studien ofgeschaaft.Figur 5A weist d'Prolifératioun Mechanismus vun Bakterien.Den infizéierte orthopädesche Implantat gëtt an de Kierper agefouert.Als Resultat vun der Pre-Inkubatioun an der bakterieller Suspension, goufen sechs vun de sechs Huesen, déi mat plakege Implantate implantéiert goufen, infizéiert, während keng vun den Huesen, déi mat LOIS-behandelten Implantater implantéiert goufen, infizéiert waren.Bakteriell Infektiounen ginn an dräi Schrëtt weider, dorënner Wuesstum, Reifung an Dispersioun (51).Als éischt reproduzéieren déi befestegt Bakterien a wuessen op der Uewerfläch, an dann bilden d'Bakterien e Biofilm wa se extrazelluläre Polymer (EPS), Amyloid an extrazellulär DNA ausscheeden.Biofilm stéiert net nëmmen d'Penetratioun vun Antibiotike, mee fördert och d'Akkumulation vun Antibiotik-degradéierend Enzymen (wéi β-Laktamase) (52).Schlussendlech verdeelt de Biofilm déi reife Bakterien an d'Ëmgéigend Stoffer.Dofir geschitt Infektioun.Ausserdeem, wann en auslännesche Kierper de Kierper erakënnt, kann eng Infektioun déi eng staark Immunantwort verursaachen, schwéier Entzündung, Schmerz a reduzéierter Immunitéit verursaachen.Figur 5B liwwert en Iwwerbléck iwwer de FBR verursaacht duerch d'Insertioun vun engem orthopädesche Implantat, anstatt d'Immunreaktioun, déi duerch eng bakteriell Infektioun verursaacht gëtt.Den Immunsystem erkennt den agebaute Implantat als en auslännesche Kierper, a verursaacht dann d'Zellen an d'Gewëss ze reagéieren fir den auslännesche Kierper ze kapsuléieren (53).An de fréie Deeg vum FBR gouf eng Versuergungsmatrix op der Uewerfläch vun orthopädesche Implantate geformt, wat zu der Adsorptioun vu Fibrinogen gefouert huet.Den adsorbéierten Fibrinogen bildt dann en héich dichte Fibrinnetz, wat d'Befestegung vu Leukozyten fördert (54).Wann d'Fibrin-Netzwierk geformt ass, wäert eng akuter Entzündung optrieden wéinst der Infiltratioun vun Neutrophilen.An dësem Schrëtt ginn eng Vielfalt vun Zytokine wéi Tumornekrosefaktor-α (TNF-α), Interleukin-4 (IL-4) an IL-β fräigelooss, a Monocyte fänken un d'Implantatiounsplaz ze infiltréieren an sech a rieseg Zellen z'ënnerscheeden.Phage (41, 55, 56).D'Reduktioun vun FBR war ëmmer eng Erausfuerderung, well exzessiv FBR kann akuter a chronesch Entzündung verursaachen, wat zu fatale Komplikatioune féieren kann.Fir den Impakt vu bakteriellen Infektiounen an de Stoffer ronderëm de bloe Implantat a LOIS ze bewäerten, goufen Hämatoxylin an Eosin (H&E) a Masson Trichrome (MT) Faarwen benotzt.Fir Huesen, déi mat bloe Substrate implantéiert sinn, hu schwéier bakteriell Infektiounen fortgeschratt, an H&E Tissue Rutschen hunn kloer Abscesse an Nekrose gewisen, déi duerch Entzündung verursaacht goufen.Op der anerer Säit, déi extrem staark Anti-Biofouling Uewerfläch LOIS hemmt bakteriell Adhäsioun, sou datt et keng Unzeeche vun enger Infektioun weist an d'Entzündung reduzéiert (Dorënner 5C).D'Resultater vun MT staining weisen déi selwecht Trend.Wéi och ëmmer, MT-Faarwen huet och Ödem an Kanéngercher gewisen, déi mat LOIS implantéiert waren, wat beweist datt d'Erhuelung amgaang ass ze geschéien (Dorënner 5D).Fir de Grad vun der Immunantwort ze studéieren, gouf immunhistochemesch (IHC) Faarfung mat Zytokine TNF-α an IL-6 am Zesummenhang mat der Immunantwort gemaach.En plakeg negativ Implantat, deen net Bakterien ausgesat war, gouf mat engem LOIS verglach, deen Bakterien ausgesat war awer net infizéiert war fir den Heelprozess an der Verontreiung vu bakterieller Infektioun ze studéieren.Figure 5E weist en opteschen Bild vun engem IHC Rutsch deen TNF-α ausdréckt.De brong Gebitt representéiert d'Immunreaktioun, wat beweist datt d'Immunantwort am LOIS liicht reduzéiert ass.Zousätzlech, war den Ausdrock vun IL-6 zu LOIS vill manner wéi den negativen Ausdrock vun steril plakeg (Dorënner 5F).Den Ausdrock vun Zytokin gouf quantifizéiert andeems d'Gebitt vun der Antikörperfärung entsprécht dem Zytokin (Dorënner 5G) moosst.Am Verglach mat den Huesen, déi den negativen Implantate ausgesat waren, waren d'Ausdrockniveauen vun den Huesen, déi mat LOIS implantéiert goufen, méi niddereg, wat e bedeitende Ënnerscheed weist.D'Ofsenkung vum Zytokin-Expressioun weist datt déi laangfristeg, stabil Anti-Fouling-Eegeschafte vum LOIS net nëmme mat der Inhibitioun vu bakteriellen Infektiounen verbonne sinn, awer och mat der Ofsenkung vum FBR, wat duerch Makrophagen induzéiert gëtt, déi un de Substrat hänken (53, 57, 58).Dofir kann déi reduzéiert Immunreaktioun wéinst den Immunevasiounseigenschaften vum LOIS d'Nebenwirkungen no der Implantatioun léisen, sou wéi exzessiv Immunantwort no Plastesch Chirurgie.
(A) E schematesch Diagramm vum Mechanismus vun der Biofilmbildung a Verbreedung op der Uewerfläch vun engem infizéierte orthopädesche Implantat.eDNA, extrazellulär DNA.(B) Schematesch Diagramm vun der Immunantwort no der orthopädescher Implantatioun.(C) H&E-Faarwen an (D) MT-Faarwen vun den Ëmgéigendgewebe vun orthopädesche Implantate mat bloe positiven a LOIS.IHC vun immun-Zesummenhang Zytokine (E) TNF-α an (F) IL-6 si gefierft Biller vun plakeg-negativ an LOIS-implantéiert Huesen.(G) Quantifikatioun vum Zytokin Ausdrock duerch Gebittsdeckungsmessung (** P <0.01).
D'Biokompatibilitéit vum LOIS a säin Effekt op de Knochenheilungsprozess goufen in vivo iwwerpréift mat diagnostescher Imaging [Röntgen- a Mikro-Computertomographie (CT)] an Osteoklast IHC.Figur 6A weist de Knochenheilungsprozess mat dräi verschiddene Stadien: Entzündung, Reparatur a Remodeling.Wann e Fraktur geschitt, wäerten entzündlech Zellen a Fibroblasten an de gebrochene Knach penetréieren a fänken un an de vaskuläre Tissu ze wuessen.Wärend der Reparaturphase verbreet sech d'Ingrowth vu vaskuläre Tissue bei der Frakturplaz.Vaskulär Tissu liwwert Nährstoffer fir d'Bildung vun neie Knach, wat Callus genannt gëtt.Déi lescht Etapp vum Knochenheilungsprozess ass d'Remodelingstadium, an där d'Gréisst vum Callus op d'Gréisst vum normale Knach reduzéiert gëtt mat der Hëllef vun enger Erhéijung vum Niveau vun aktivéierten Osteoklasten (59).Dräidimensional (3D) Rekonstruktioun vun der Frakturplaz gouf mat Mikro-CT Scans gemaach fir d'Ënnerscheeder am Niveau vun der Callusbildung an all Grupp ze beobachten.Beobachtet de Querschnitt vum Femur fir d'Dicke vum Callus ronderëm de gebrochene Knach ze beobachten (Figure 6, B an C).Röntgenstrahlen goufen och benotzt fir d'Frakturplazen vun alle Gruppen all Woch z'ënnersichen fir déi verschidde Knochenregeneratiounsprozesser an all Grupp ze beobachten (Dorënner S9).Callus a reife Schanken ginn a blo / gréng respektiv Elfebeen gewisen.Déi meescht mëll Stoffer gi mat engem virausgesate Schwell gefiltert.Nude Positiv an SHP bestätegt d'Bildung vun enger klenger Quantitéit Callus ronderëm de Frakturplaz.Op der anerer Säit sinn déi ausgesat Negativ vum LOIS an der Frakturplaz vun décke Callus ëmgi.Mikro-CT Biller weisen datt d'Bildung vu Kallus duerch bakteriell Infektioun an Infektiounsbezunnen Entzündung behënnert gouf.Dëst ass well den Immunsystem d'Heelung vu septesche Verletzungen prioritär verursaacht duerch Infektiounsbezunnen Entzündung, anstatt Schanken Erhuelung (60).IHC an Tartrate-resistente Seier Phosphatase (TRAP) staining goufen gesuergt osteoclast Aktivitéit a Schanken resorption ze observéieren (Dorënner 6D) (61).Nëmmen e puer aktivéiert Osteoklaste purpurroude gefierft goufen an plakeg Positiven a SHP fonnt.Op der anerer Säit goufe vill aktivéiert Osteoklaste bei de plakege positiven a reife Schanken vum LOIS observéiert.Dëst Phänomen weist datt an der Präsenz vun Osteoklasten de Kallus ronderëm d'Frakturplaz e gewaltege Remodelingprozess erlieft (62).De Knochenvolumen an den Osteoklastausdrockgebitt vum Callus goufe gemooss fir den Niveau vun der Callusbildung ronderëm de Frakturplaz an alle Gruppen ze vergläichen, fir de Mikro-CT Scan an IHC Resultater ze quantifizéieren (Figure 6E, 1 an 2).Wéi erwaart waren déi plakeg Negativer an d'Callusbildung am LOIS wesentlech méi héich wéi an den anere Gruppen, wat beweist datt d'positiv Knochenremodeling geschitt ass (63).Figur S10 weist d'optesch Bild vun der Chirurgie Site, der MT staining Resultat vun der Otemschwieregkeeten gesammelt bei der Schraube, an der TRAP staining Resultat Highlight der Schraube-Schanken Interface.Am bloe Substrat gouf staark Callus a Fibrosebildung beobachtet, während de LOIS-behandelt Implantat eng relativ net adheréiert Uewerfläch huet.Ähnlech, am Verglach mat plakeg Negativer, gouf manner Fibrose bei Kanéngercher beobachtet, déi mat LOIS implantéiert goufen, wéi mat de wäisse Pfeile uginn.Zousätzlech kann de festen Ödem (bloe Pfeil) un d'Immunevasiounseigenschaften vum LOIS zougeschriwwe ginn, doduerch eng schwéier Entzündung ze reduzéieren.D'Net-Stick Uewerfläch ronderëm den Implantat a reduzéierter Fibrose suggeréieren datt den Entfernungsprozess méi einfach ass, wat normalerweis zu anere Frakturen oder Entzündung resultéiert.De Knochenheilungsprozess no der Schraubentfernung gouf vun der Osteoklastaktivitéit an der Schraube-Knach-Interface bewäert.Souwuel de bloe Knach wéi och d'LOIS Implantat-Interface absorbéiert ähnlech Niveauen vun Osteoklasten fir weider Knachheelung, wat beweist datt d'LOIS Beschichtung keen negativen Effekt op d'Knachheilung oder d'Immunreaktioun huet.Fir ze bestätegen datt d'Uewerflächemodifikatioun, déi op der LOIS gemaach gëtt, net mam Knochenheilungsprozess stéiert, gouf Röntgenuntersuchung benotzt fir d'Knachheilung vun den Huesen mat exponéierten negativen Ionen a 6 Wochen LOIS Implantatioun ze vergläichen (Figure 6F).D'Resultater weisen datt am Verglach mat der oninfizéierter nackte positiver Grupp de LOIS deeselwechte Grad vu Knueweleheilung gewisen huet, an et waren keng offensichtlech Unzeeche vu Fraktur (kontinuéierlech Osteolyselinn) a béide Gruppen.
(A) Schematesch Diagramm vum Knochenheilungsprozess nom Fraktur.(B) Den Ënnerscheed am Grad vun der Callusbildung vun all Uewerflächegrupp an (C) dem Querschnittbild vun der Frakturplaz.(D) TRAP-Faarwen fir d'Osteoklastaktivitéit a Knochenresorption ze visualiséieren.Baséierend op TRAP Aktivitéit, gouf d'Bildung vun externen Callus vum kortikale Knach quantitativ duerch (E) (1) Mikro-CT an (2) Osteoklast Aktivitéit analyséiert.(F) 6 Wochen no der Implantatioun, Röntgenbilder vum gebrochene Knach vum exponéierten Negativ (beliicht duerch de roude gestreckte Rechteck) a LOIS (markéiert duerch de bloe strecken Rechteck).Statistesch Analyse war vun eent-Manéier Analyse vun Varianz (ANOVA) gesuergt.*P <0,05.**P <0,01.
Kuerz gesot, LOIS bitt eng nei Aart vun antibakteriell Infektiounsstrategie an Immun Fluchbeschichtung fir orthopädesch Implantater.Konventionell orthopädesch Implantate mat SHP Funktionaliséierung weisen kuerzfristeg Anti-Biofouling Eegeschaften, awer kënnen hir Eegeschafte fir eng laang Zäit net erhalen.D'Superhydrophobizitéit vum Substrat fällt Loftblasen tëscht de Bakterien an dem Substrat, a bilden doduerch Lofttaschen, an doduerch bakteriell Infektioun verhënnert.Wéi och ëmmer, duerch d'Diffusioun vun der Loft ginn dës Lofttaschen einfach ewechgeholl.Op der anerer Säit huet LOIS seng Fäegkeet gutt bewisen fir Biofilm-verbonne Infektiounen ze vermeiden.Dofir, wéinst den Anti-Oflehnungseigenschaften vun der Schmierstoffschicht, déi an d'schichtete Mikro / Nano Struktur Uewerfläch injizéiert gëtt, kann d'Infektiounsbezunnen Entzündung verhënnert ginn.Verschidde Charakteriséierungsmethoden abegraff SEM, AFM, XPS a CA Miessunge gi benotzt fir LOIS Fabrikatiounsbedéngungen ze optimiséieren.Zousätzlech kann LOIS och op verschidde biologesch Materialien applizéiert ginn, déi allgemeng an orthopädesche Fixatiounsausrüstung benotzt ginn, wéi PLGA, Ti, PE, POM a PPSU.Duerno gouf LOIS in vitro getest fir seng Anti-Biofouling Eegeschafte géint Bakterien a biologesch Substanzen am Zesummenhang mat der Immunantwort ze beweisen.D'Resultater weisen datt et exzellent antibakteriell an anti-biofouling Effekter am Verglach zum bloe Implantat huet.Zousätzlech weist LOIS mechanesch Kraaft och no der Applikatioun vum mechanesche Stress, wat an der Plastesch Chirurgie onvermeidbar ass.Duerch d'Selbheilungseigenschaften vum Schmierstoff op der Uewerfläch vun der Mikro/Nano-Struktur huet LOIS seng anti-biologesch Foulingseigenschaften erfollegräich behalen.Fir d'Biokompatibilitéit an d'antibakteriell Eegeschafte vum LOIS in vivo ze studéieren, gouf LOIS fir 4 Wochen a Kanéngchen femur implantéiert.Keng bakteriell Infektioun gouf bei Huesen observéiert, déi mat LOIS implantéiert goufen.Zousätzlech huet d'Benotzung vun IHC e reduzéierten Niveau vun der lokaler Immunantwort bewisen, wat beweist datt LOIS de Knochenheilungsprozess net hemmt.LOIS weist exzellent antibakteriell an immunevasiounseigenschaften, a gouf bewisen fir effektiv d'Biofilmbildung virun a während orthopädescher Chirurgie ze verhënneren, besonnesch fir Knochensynthese.Duerch d'Benotzung vun engem Kanéngchen Knochenmark entzündlechen Femoral Frakturmodell, gouf den Effekt vu Biofilm-verwandte Infektiounen op de Knueweleprozess, deen duerch pre-inkubéiert Implantater induzéiert gouf, déif studéiert.Als zukünfteg Studie ass en neien in vivo Modell gebraucht fir méiglech Infektiounen no der Implantatioun ze studéieren fir Biofilm-verbonne Infektiounen während dem ganzen Heelprozess voll ze verstoen an ze vermeiden.Zousätzlech ass d'Osteoinduktioun nach ëmmer eng ongeléist Erausfuerderung an der Integratioun mam LOIS.Weider Fuerschung ass gebraucht fir selektiv Adhäsioun vun osteoinduktiven Zellen oder regenerativ Medizin mat LOIS ze kombinéieren fir d'Erausfuerderung ze iwwerwannen.Insgesamt stellt LOIS eng verspriechend orthopädesch Implantatbeschichtung mat mechanescher Robustheet an exzellenten Anti-Biofouling-Eegeschafte duer, wat SSI an Immun-Nebenwirkungen reduzéiere kann.
Wash den 15 mm x 15 mm x 1 mm 304 SS Substrat (Dong Kang M-Tech Co., Korea) an Aceton, EtOH an DI Waasser fir 15 Minutten fir Verschmotzungen ze entfernen.Fir eng Mikro / Nano-Niveau Struktur op der Uewerfläch ze bilden, gëtt de gereinegt Substrat an enger 48% bis 51% HF Léisung (DUKSAN Corp., Südkorea) bei 50 ° C ënnerdaach.D'Ätszäit variéiert vun 0 bis 60 Minutten.Duerno gouf de geätzten Substrat mat deioniséiertem Waasser gereinegt an an enger 65% HNO3 (Korea DUKSAN Corp.) Léisung bei 50 ° C fir 30 Minutten plazéiert fir eng Chromoxidpassivatiounsschicht op der Uewerfläch ze bilden.No der Passivatioun gëtt de Substrat mat deioniséiertem Waasser gewascht a getrocknegt fir e Substrat mat enger Schichtstruktur ze kréien.Duerno gouf de Substrat mat Sauerstoffplasma (100 W, 3 Minutten) ausgesat an direkt an enger Léisung vun 8,88 mM POTS (Sigma-Aldrich, Däitschland) an Toluen bei Raumtemperatur fir 12 Stonnen ënnerdaach.Duerno gouf de Substrat, deen mat POTS beschichtet ass, mat EtOH gereinegt, an 2 Stonnen bei 150 ° C annealéiert fir en dichte POTS SAM ze kréien.No SAM Beschichtung gouf eng Schmierschicht op de Substrat geformt andeems en Perfluoropolyether Schmierstoff (Krytox 101; DuPont, USA) mat engem Laaschtvolumen vun 20 μm / cm 2. Virum Gebrauch filtert de Schmierstoff duerch en 0,2 Mikronfilter.Entfernt iwwerschësseg Schmierstoff andeems Dir 15 Minutten an engem Wénkel vun 45° kippt.Déi selwescht Fabrikatiounsprozedur gouf fir orthopädesch Implantater aus 304 SS benotzt (Sperrplack a kortikale Sperrschraube; Dong Kang M-Tech Co., Korea).All orthopädesch Implantate sinn entwéckelt fir d'Geometrie vum Kanéngchen Femur ze passen.
D'Uewerflächemorphologie vum Substrat an orthopädesche Implantate gouf duerch Feldemissioun SEM (Inspect F50, FEI, USA) an AFM (XE-100, Park Systems, Südkorea) iwwerpréift.D'Uewerflächenrauheet (Ra, Rq) gëtt gemooss andeems d'Gebitt vun 20 μm mat 20 μm (n=4) multiplizéiert gëtt.En XPS (PHI 5000 VersaProbe, ULVAC PHI, Japan) System ausgestatt mat enger Al Kα Röntgenquell mat enger Fleckgréisst vun 100μm2 gouf benotzt fir d'Uewerflächchemesch Zesummesetzung ze analyséieren.E CA Miesssystem ausgestatt mat enger dynamescher Bildopfangkamera (SmartDrop, FEMTOBIOMED, ​​Südkorea) gouf benotzt fir flësseg CA an SA ze moossen.Fir all Miessung ginn 6 bis 10 μl Drëpsen (deioniséiertem Waasser, Päerdsblutt, EG, 30% Ethanol, an HD) op der Uewerfläch gesat fir CA ze moossen.Wann den Neigungswénkel vum Substrat mat enger Geschwindegkeet vun 2 ° / s (n = 4) eropgeet, gëtt d'SA gemooss wann den Drëps fällt.
Pseudomonas aeruginosa [American Type Culture Collection (ATCC) 27853] an MRSA (ATCC 25923) goufen aus ATCC (Manassas, Virginia, USA) kaaft, an d'Aktiekultur war bei -80 ° C erhale gelooss.Virun der Benotzung gouf d'gefruerene Kultur an trypsin-thawed Sojabouillon (Komed, Korea) bei 37 ° C fir 18 Stonnen inkubéiert an dann zweemol transferéiert fir se ze aktivéieren.No der Inkubatioun gouf d'Kultur bei 10.000 rpm fir 10 Minutten bei 4 ° C centrifugéiert an zweemol mat enger PBS (pH 7,3) Léisung gewäsch.Déi centrifugéiert Kultur gëtt dann op Blutt Agar Placke (BAP) subkulturéiert.MRSA a Pseudomonas aeruginosa goufen Iwwernuechtung virbereet an an Luria-Bertani Bouillon kultivéiert.D'Konzentratioun vu Pseudomonas aeruginosa a MRSA am Inokulum gouf quantitativ duerch d'CFU vun der Suspensioun a Serienverdünnungen op Agar bestëmmt.Da passt d'bakteriell Konzentratioun op 0,5 McFarland Standard un, wat gläichwäerteg ass mat 108 CFU /ml.Dann verdünnt d'Aarbechtsbakteriensuspension 100 Mol op 106 CFU / ml.Fir d'antibakteriell Adhäsiounseigenschaften ze testen, gouf de Substrat bei 121 ° C fir 15 Minutte virum Gebrauch steriliséiert.De Substrat gouf dann op 25 ml bakteriell Suspensioun transferéiert a bei 37 ° C mat kräftege Rüschen (200 RPM) fir 12 an 72 Stonnen inkubéiert.No der Inkubatioun gouf all Substrat aus dem Inkubator geläscht an 3 Mol mat PBS gewascht fir schwiewend Bakterien op der Uewerfläch ze läschen.Fir de Biofilm um Substrat ze beobachten, gouf de Biofilm mat Methanol fixéiert a mat 1 ml Crimidin orange fir 2 Minutten gefierft.Duerno gouf e Fluoreszenzmikroskop (BX51TR, Olympus, Japan) benotzt fir Biller vum gefierfte Biofilm ze maachen.Fir de Biofilm op de Substrat ze quantifizéieren, goufen déi befestegt Zellen vum Substrat duerch d'Kierlewirbelmethod getrennt, déi als déi gëeegent Method ugesi gouf fir befestegt Bakterien ze entfernen (n = 4).Mat sterile Pincet, huelt de Substrat aus dem Wuesstumsmedium a tippt op d'Brunnplack fir iwwerschësseg Flëssegkeet ze entfernen.Looss befestegt Zellen goufen ofgeschaaft andeems se zweemol mat sterile PBS wäschen.All Substrat gouf dann op e sterile Reagenzglieser transferéiert, deen 9 ml 0,1% Protein ept Salins (PSW) enthält an 2 g vun 20 bis 25 sterile Glaspärelen (0,4 bis 0,5 mm Duerchmiesser).Et war dann fir 3 Minutten vortexed fir d'Zellen aus der Probe ze trennen.Nom Vortexing gouf d'Suspension seriell 10-fach verdünnt mat 0,1% PSW, an duerno gouf 0,1 ml vun all Verdünnung op BAP inokuléiert.No 24 Stonnen Inkubatioun bei 37 ° C gouf d'CFU manuell gezielt.
Fir d'Zellen, Mais fibroblasts NIH /3T3 (CRL-1658; American ATCC) a Maus macrophages RAW 264,7 (TIB-71; American ATCC) goufen benotzt.Benotzt Dulbecco's modifizéiert Eagle Medium (DMEM; LM001-05, Welgene, Korea) fir Mausfibroblasten ze kultivéieren an ergänzen mat 10% Kallefserum (S103-01, Welgene) an 1% Penicillin-Streptomycin (PS; LS202-02, Welgene (Welgene) Benotzt DMEM fir Mausmakrophagen ze kultivéieren, ergänzt mat 10% Fetal Bovine Serum (S001-01, Welgene) an 1% PS Place de Substrat an enger sechs-gutt Zellkulturplack, An inokuléiert d'Zellen op 105 Zellen /cm2. D'Zellen goufen Iwwernuechtung bei 37 ° C an 5% CO2 Fir Zell staining, goufen d'Zellen mat 4% paraformaldehyde fir 20 Minutten fix an 0,5% Triton X Incubate fir 5 Minutten an -100 Daucht de Substrat an 50nM tetramethylrhodamine bei 37 ° C fir 30 Minutten No der Inkubatiounsprozess, benotzt de Substrat mat 4',6-Diamino-2-Phenylindole (H -1200, Vector Laboratories, UK) VECTASHIELD Fixatiounsmedium (n = 4 pro Zell). , fluorescein, fluorescein isothiocyanate-albumin (A9771, Sigma-Aldrich, Däitschland) a mënschlech Plasma D'Alexa Fluor 488-conjugated fibrinogen (F13191, Invitrogen, USA) war an PBS (10 mM, pH 7,4) opgeléist.D'Konzentratioune vun Albumin a Fibrinogen waren 1 respektiv 150 μg/ml.Nom Substrat Virun Taucht an der Proteinléisung, spülen se mat PBS fir d'Uewerfläch ze rehydréieren.Daucht dann all d'Substrate an enger sechs-Well Plack mat der Proteinléisung an inkubéiert bei 37 ° C fir 30 an 90 Minutten.No der Inkubatioun gouf de Substrat dann aus der Proteinléisung geläscht, sanft mat PBS 3 Mol gewäsch a mat 4% Paraformaldehyd fixéiert (n = 4 fir all Protein).Fir Kalzium, Natriumchlorid (0,21 M) a Kaliumphosphat (3,77 mM) ) gouf an deioniséiertem Waasser opgeléist.De pH vun der Léisung gouf op 2,0 ugepasst andeems d'Hydrochloridléisung (1M) derbäigesat gouf.Duerno gouf Kalziumchlorid (5,62 mM) an der Léisung opgeléist.Andeems 1M Tris(Hydroxymethyl)-Amino Methan derbäigesat gëtt, passt de pH vun der Léisung op 7,4.Taucht all Substrate an enger sechs-gutt Plack gefüllt mat 1,5 × Kalziumphosphatléisung an huelt aus der Léisung no 30 Minutten.Fir d'Faarwen, 2 g Alizarin Red S (CI 58005) Mix mat 100 ml deioniséiertem Waasser.Dann benotzt 10% Ammoniumhydroxid fir de pH op 4 unzepassen. D'Substrat mat Alizarin Red Léisung fir 5 Minuten ze faarwen, a schütt dann d'iwwerschësseg Faarf a Blot.Nom Schüttelprozess, huelt de Substrat.D'Material gëtt dehydréiert, dann an Aceton fir 5 Minutten ënnerdaucht, dann an enger Aceton-Xylen (1:1) Léisung fir 5 Minutten ënnerdaucht, a schliisslech mat Xylen (n = 4) gewascht.Fluoreszenzmikroskop (Axio Imager) mat ×10 an ×20 Objektivlënse gëtt benotzt..A2m, Zeiss, Däitschland) Biller all Substrate.ImageJ / FIJI (https://imagej.nih.gov/ij/) gouf benotzt fir d'Adhäsiounsdaten vu biologesche Substanzen op all Grupp vu véier verschiddene Bildgebitt ze quantifizéieren.Konvertéiert all Biller op binär Biller mat fixe Schwellen fir Substratvergleich.
En Zeiss LSM 700 konfokalmikroskop gouf benotzt fir d'Stabilitéit vun der Schmierschicht am PBS am Reflexiounsmodus ze iwwerwaachen.D'Fluor-baséiert SAM-beschichtete Glasprobe mat enger injizéierter Schmierschicht gouf an enger PBS-Léisung ënnerdaach, a getest mat engem Orbital Shaker (SHO-1D; Daihan Scientific, Südkorea) ënner mëllen Schüttelbedingungen (120 rpm).Dann huelt d'Probe a iwwerwaacht de Verloscht vu Schmierstoff andeems Dir de Verloscht vu reflektéiertem Liicht moosst.Fir Fluoreszenzbilder am Reflexiounsmodus ze kréien, gëtt d'Probe un engem 633 nm Laser ausgesat an duerno gesammelt, well d'Liicht aus der Probe zréck reflektéiert gëtt.D'Proben goufen an Zäitintervalle vun 0, 30, 60 an 120 Stonnen gemooss.
Fir den Afloss vum Uewerflächemodifikatiounsprozess op d'nanomechanesch Eegeschafte vun orthopädesche Implantater ze bestëmmen, gouf e Nanoindenter (TI 950 TriboIndenter, Hysitron, USA) ausgestatt mat engem dreiseitegen Pyramid-förmlechen Berkovich Diamanttipp benotzt fir Nanoindenedion ze moossen.D'Spëtzlast ass 10 mN an d'Gebitt ass 100μmx 100μm.Fir all Miessunge ass d'Laascht- an Entluedzäit 10 s, an d'Haltzäit ënner der Spëtzentatiounslaascht ass 2 s.Maacht Miessunge vu fënnef verschiddene Plazen an huelt den Duerchschnëtt.Fir d'mechanesch Kraaftleistung ënner Belaaschtung ze evaluéieren, gouf e transversale Dräi-Punkt Béietest mat enger universeller Testmaschinn (Instron 5966, Instron, USA) gemaach.De Substrat gëtt mat enger konstanter Geschwindegkeet vun 10 N / s mat enger verstäerkter Belaaschtung kompriméiert.De Bluehill Universal Software Programm (n = 3) gouf benotzt fir de Flexural Modulus a maximalen Kompressiounsstress ze berechnen.
Fir den Operatiounsprozess an de verbonne mechanesche Schued während der Operatioun ze simuléieren, gouf den Operatiounsprozess in vitro gemaach.D'Féiwer goufen aus den ausgefouerten Neuseeland wäiss Huesen gesammelt.De Femur gouf gebotzt a fixéiert a 4% Paraformaldehyd fir 1 Woch.Wéi an der Déierexperimentmethod beschriwwen, gouf de fixe Femur chirurgesch operéiert.No der Operatioun gouf den orthopädesche Implantat am Blutt (Päerdsblutt, KISAN, Korea) fir 10 Sekonnen ënnerbruecht fir ze bestätegen, ob d'Blutadhäsiounen no der mechanescher Verletzung ugewannt goufen (n = 3).
Insgesamt 24 männlech Neiséiland wäiss Kanéngercher (Gewiicht 3,0 bis 3,5 kg, Duerchschnëttsalter 6 Méint) goufen zoufälleg a véier Gruppen opgedeelt: plakeg negativ, plakeg positiv, SHP a LOIS.All Prozedure mat Déieren goufen am Aklang mat den etheschen Norme vum Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC guttgeheescht, KOREA-2017-0159) gemaach.Den orthopädesche Implantat besteet aus enger Sperrplack mat fënnef Lächer (Längt 41 mm, Breet 7 mm an Dicke 2 mm) a kortikale Sperrschrauwen (Längt 12 mm, Duerchmiesser 2,7 mm) fir Frakturfixatioun.Ausser déi Placke a Schrauwen, déi an der blo-negativ Grupp benotzt goufen, goufen all Placke a Schrauwen an MRSA Suspension (106 CFU /ml) fir 12 Stonnen inkubéiert.Déi plakeg-negativ Grupp (n = 6) gouf mat plakeg Uewerflächimplantate behandelt ouni Bakteriensuspension ausgesat, als negativ Kontroll fir Infektioun.Déi blo positiv Grupp (n = 6) gouf mat engem bloe Uewerflächeimplantat behandelt, deen op Bakterien ausgesat ass als positiv Kontroll fir Infektioun.D'SHP Grupp (n = 6) war mat bakteriell ausgesat SHP implants behandelt.Endlech gouf d'LOIS Grupp mat bakteriell ausgesat LOIS Implantate behandelt (n = 6).All Déiere ginn an engem Käfeg gehal, a vill Iessen a Waasser gi gesuergt.Virun der Operatioun goufen d'Huesen 12 Stonnen gefest.D'Déieren goufen anesthetized vun intramuscular Sprëtz vun Xylazine (5mg /kg) an intravenous Sprëtz vun paclitaxel (3mg /kg) fir Aféierungs-.Duerno liwwert 2% Isofluran a 50% bis 70% medizinesche Sauerstoff (Flowrate 2 L / min) duerch den Atmungssystem fir Anästhesie z'erhalen.Et gëtt implantéiert duerch eng direkt Approche zum lateralen Femur.No Hoerentfernung an Povidon-Jod Desinfektioun vun der Haut, gouf e Schnëtt vu ronn 6 cm laang op der Äussewelt vum lénksen Mëttelfemur gemaach.Duerch d'Ouverture vun der Spalt tëscht de Muskelen, déi de Femur ofdecken, gëtt de Femur komplett ausgesat.Setzt d'Plack virun der femoral Schacht a fixéiert se mat véier Schrauwen.No der Fixatioun benotzt e Sägeblatt (1 mm déck) fir kënschtlech eng Fraktur am Beräich tëscht dem zweete Lach an dem véierte Lach ze kreéieren.Um Enn vun der Operatioun gouf d'Wonn mat Salzlinn gewascht a mat Nëss zougemaach.All Kanéngchen gouf subkutan injizéiert mat Enrofloxacin (5 mg / kg) verdünnt en Drëttel a Salzlinn.Postoperative X-Strahlen vun der femur goufen an all Déieren geholl (0, 7, 14, 21, 28, an 42 Deeg) der osteotomy vun de Schanken ze confirméieren.No déiwer Anästhesie goufen all Déieren duerch intravenös KCl (2 mmol / kg) op 28 an 42 Deeg ëmbruecht.No der Ausféierung gouf de Femur duerch Mikro-CT gescannt fir de Knochenheilungsprozess an d'nei Knochenbildung tëscht de véier Gruppen ze beobachten an ze vergläichen.
No der Ausféierung goufen déi Softgewebe gesammelt, déi am direkte Kontakt mat den orthopädesche Implantate waren.Den Tissu gouf an 10% neutral gebufferter Formalin iwwer Nuecht fixéiert an duerno an EtOH dehydréiert.D'dehydratiséiert Otemschwieregkeeten war am paraffin agebonne an Sectioned bei enger deck vun 40 μm engem microtome benotzt (400CS; EXAKT, Däitschland).Fir d'Infektioun ze visualiséieren, goufen H & E staining an MT staining gemaach.Fir d'Host Äntwert ze kontrolléieren, war de sectioned Otemschwieregkeeten incubated mat Kanéngchen Anti-TNF-α Primärschoul antibody (AB6671, Abcam, USA) an Kanéngchen Anti-IL-6 (AB6672; Abcam, USA), an dann mat horseradish behandelt.Oxidase.Fëllt den Avidin-Biotin Komplex (ABC) Faarfsystem op d'Sektiounen no den Instruktioune vum Hiersteller.Fir als brong Reaktiounsprodukt ze erschéngen, gouf 3,3-Diaminobenzidin an all Deeler benotzt.En digitale Rutschscanner (Pannoramic 250 Flash III, 3DHISTECH, Ungarn) gouf benotzt fir all Scheiwen ze visualiséieren, an op d'mannst véier Substrater an all Grupp goufen duerch ImageJ Software analyséiert.
Röntgenbilder goufen an all Déieren no der Chirurgie geholl an all Woch fir Frakturheilung ze iwwerwaachen (n = 6 pro Grupp).No der Ausféierung gouf High-Resolutioun Mikro-CT benotzt fir d'Bildung vu Callus ronderëm de Femur no Heelen ze berechnen.De kritt Femur gouf gebotzt, an 4% Paraformaldehyd fir 3 Deeg fixéiert an an 75% Ethanol dehydréiert.Déi dehydréiert Schanken goufen duerno gescannt mat Mikro-CT (SkyScan 1173, Brooke Micro-CT, Kandy, Belsch) fir 3D Voxel-Biller (2240 ​​× 2240 Pixel) vun der Knochenprobe ze generéieren.Benotzt 1,0 mm Al-Filter fir Signalgeräischer ze reduzéieren an héich Opléisung op all Scannen ze benotzen (E = 133 kVp, I = 60 μA, Integratiounszäit = 500 ms).Nrecon Software (Versioun 1.6.9.8, Bruker microCT, Kontich, Belsch) gouf benotzt fir en 3D Volumen vun der gescannter Probe aus der erfaasst 2D lateraler Projektioun ze generéieren.Fir d'Analyse gëtt dat 3D rekonstruéiert Bild an 10mm × 10mm × 10mm Wierfel opgedeelt no der Frakturplaz.Berechent de Callus ausserhalb vum kortikale Knach.DataViewer (Versioun 1.5.1.2; Bruker microCT, Kontich, Belsch) Software gouf benotzt fir de gescannte Knochenvolumen digital ze redirectéieren, an CT-Analyzer (Versioun 1.14.4.1; Bruker microCT, Kontich, Belsch) Software gouf fir Analyse benotzt.Déi relativ Röntgen-Absorptiounskoeffizienten am reife Knach a Kallus ginn duerch hir Dicht ënnerscheet, an da gëtt de Volume vum Callus quantifizéiert (n = 4).Fir ze bestätegen, datt d'Biokompatibilitéit vum LOIS de Knuewehelungsprozess net verspéit, goufen zousätzlech Röntgen- a Mikro-CT Analyse an zwee Kanéngercher gemaach: déi plakeg-negativ a LOIS Gruppen.Béid Gruppe goufen an der 6. Woch higeriicht.
D'Féiwer vun geaffert Déieren goufen gesammelt a fixéiert a 4% Paraformaldehyd fir 3 Deeg.Den orthopädesche Implantat gëtt dann virsiichteg aus dem Femur geläscht.D'Femur gouf fir 21 Deeg decalcified mat 0,5 M EDTA (EC-900, National Diagnostics Corporation) benotzt.Duerno gouf de decalcified Femur an EtOH ënnerdaucht fir et dehydréiert ze maachen.Déi dehydréiert Femur gouf am Xylen geläscht an a Paraffin agebonnen.Duerno gouf d'Probe mat engem automateschen rotativen Mikrotom (Leica RM2255, Leica Biosystems, Däitschland) mat enger Dicke vun 3 μm geschnidden.Fir TRAP staining (F6760, Sigma-Aldrich, Däitschland), goufen der sectioned Echantillon deparaffinized, rehydrated an TRAP reagent bei 37 ° C fir 1 Stonn incubated.D'Biller goufen mat engem Rutschscanner (Pannoramic 250 Flash III, 3DHISTECH, Ungarn) erfaasst a quantifizéiert andeems d'Gebittdeckung vum gefierfte Gebitt gemooss gouf.An all Experiment, op d'mannst véier Substrate an all Grupp goufen duerch ImageJ Software analyséiert.
Statistesch Bedeitung Analyse war vun benotzt GraphPad Prism gesuergt (GraphPad Software Inc., USA).Unpaired T-Test an One-Manéier Varianzanalyse (ANOVA) goufen benotzt fir d'Ënnerscheeder tëscht den Evaluatiounsgruppen ze testen.De Bedeitungsniveau gëtt an der Figur wéi follegt uginn: *P<0,05, **P<0,01, ***P<0,001 an ****P<0,0001;NS, kee groussen Ënnerscheed.
Fir Ergänzungsmaterial fir dësen Artikel, kuckt w.e.g. http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/44/eabb0025/DC1
Dëst ass en Open Access Artikel verdeelt ënner de Bedéngungen vun der Creative Commons Attribution-Non-Commercial License, déi d'Benotzung, Verdeelung a Reproduktioun an all Medium erlaabt, soulaang d'Benotzung net fir kommerziell Gewënn ass an d'Viraussetzung ass datt d'Original Aarbecht ass richteg.Referenz.
Bemierkung: Mir froen Iech nëmmen eng E-Mailadress unzeginn, sou datt déi Persoun, déi Dir op d'Säit recommandéiert, weess datt Dir wëllt datt se d'E-Mail gesinn an datt d'E-Mail kee Spam ass.Mir wäerten keng E-Mail Adressen erfaassen.
Dës Fro gëtt benotzt fir ze testen ob Dir e mënschleche Besucher sidd a fir automatesch Spam Soumissiounen ze vermeiden.
Choe Kyung Min, Oh Young Jang, Park Jun Joon, Lee Jin Hyuk, Kim Hyun Cheol, Lee Kyung Moon, Lee Chang Kyu, Lee Yeon Taek, Lee Sun-uck, Jeong Morui
Déi antibakteriell an immun Fluchtbeschichtungen vun orthopädesche Implantater kënnen Infektiounen an Immunreaktiounen duerch Infektiounen reduzéieren.
Choe Kyung Min, Oh Young Jang, Park Jun Joon, Lee Jin Hyuk, Kim Hyun Cheol, Lee Kyung Moon, Lee Chang Kyu, Lee Yeon Taek, Lee Sun-uck, Jeong Morui
Déi antibakteriell an immun Fluchtbeschichtungen vun orthopädesche Implantater kënnen Infektiounen an Immunreaktiounen duerch Infektiounen reduzéieren.
©2021 American Association for the Advancement of Science.all Rechter reservéiert.AAAS ass e Partner vun HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef a COUNTER.ScienceAdvances ISSN 2375-2548.