Ортопедийн суулгацын мэс засал хийлгэж буй өвчтөнүүдийн хувьд бактерийн халдвар, халдвараас үүдэлтэй дархлааны хариу урвал нь амь насанд аюултай эрсдэл байсаар ирсэн.Уламжлалт биологийн материалууд нь биологийн бохирдолд өртөмтгий байдаг бөгөөд энэ нь гэмтсэн хэсэгт бактери нэвтэрч, мэс заслын дараах халдварыг үүсгэдэг.Иймд ортопедийн суулгацыг халдварын эсрэг, дархлааг хамгаалах бүрээсийг яаралтай гаргах шаардлагатай байна.Энд бид тосолгоотой ортопед суулгацын гадаргуу (LOIS) хэмээх ортопедийн суулгацын гадаргууг өөрчлөх дэвшилтэт технологийг боловсруулсан бөгөөд энэ нь лонхтой ургамлын савны гөлгөр гадаргуугаас санаа авсан юм.LOIS нь олон төрлийн шингэн болон биологийн бодисыг (эс, уураг, кальци, бактери гэх мэт) удаан хугацаанд, хүчтэй шингэний зэвүүн шинж чанартай.Нэмж дурдахад, бид in vitro хагалгааны үед зайлшгүй гарах эвдрэлийг загварчлах замаар зураас болон бэхэлгээний хүчийг эсэргүүцэх механик бат бөх чанарыг баталгаажуулсан.Туулайн ясны чөмөгний үрэвсэлт гуяны хугарлын загварыг LOIS-ийн биологийн эсрэг масштаб, халдварын эсрэг чадварыг нарийвчлан судлахад ашигласан.Био бохирдлын эсрэг үйлчилгээтэй, механик бат бөх чанар бүхий LOIS нь халдваргүй ортопедийн мэс засалд нэг алхам урагшилна гэж бид төсөөлж байна.
Өнөө үед нийт хөгшрөлтөөс шалтгаалж ортопедийн өвчнөөр (хөгшрөлтийн хугарал, үе мөчний дегенератив өвчин, ясны сийрэгжилт гэх мэт) өвчлөгсдийн тоо эрс нэмэгдсэн (1, 2).Иймээс эмнэлгийн байгууллагууд ортопедийн мэс засал, тэр дундаа эрэг, хавтан, хадаас, хиймэл үений ортопед суулгацыг ихээхэн ач холбогдол өгдөг (3, 4).Гэсэн хэдий ч уламжлалт ортопед суулгацууд нь бактерийн наалдац, био хальс үүсэхэд мэдрэмтгий байдаг тул мэс заслын дараа мэс заслын талбайн халдвар (SSI) үүсгэдэг (5, 6).Ортопедийн суулгацын гадаргуу дээр био хальс үүссэний дараа их хэмжээний антибиотик хэрэглэсэн ч био хальсыг арилгахад маш хэцүү болно.Тиймээс энэ нь ихэвчлэн мэс заслын дараах хүнд хэлбэрийн халдварт хүргэдэг (7, 8).Дээрх асуудлуудын улмаас халдвар авсан суулгацыг эмчлэхдээ бүх суулгац болон эргэн тойрны эдийг зайлуулах зэрэг дахин мэс засал хийх шаардлагатай;иймээс өвчтөн хүндээр өвдөж, зарим эрсдэлд орно (9, 10).
Эдгээр асуудлуудын заримыг шийдвэрлэхийн тулд гадаргуу дээр наалдсан бактерийг устгах замаар халдвараас урьдчилан сэргийлэх зорилгоор эм агуулсан ортопед суулгацыг бүтээжээ (11, 12).Гэсэн хэдий ч стратеги нь хэд хэдэн хязгаарлалттай хэвээр байна.Мансууруулах бодис агуулсан имплантыг удаан хугацаагаар суулгаснаар эргэн тойрны эд эсийг гэмтээж, үрэвслийг үүсгэж улмаар үхжил үүсгэж болзошгүй гэж мэдээлсэн (13, 14).Нэмж дурдахад, АНУ-ын Хүнс, Эмийн Захиргааны газраас хатуу хориглодог эмээр ялгардаг ортопед суулгацыг үйлдвэрлэсний дараа байж болох органик уусгагч нь стандартад нийцүүлэхийн тулд нэмэлт цэвэршүүлэх алхмуудыг шаарддаг (15).Мансууруулах бодис агуулсан имплант нь эмийг хяналттай ялгаруулахад бэрхшээлтэй байдаг бөгөөд эмийн ачаалал хязгаарлагдмал тул эмийг удаан хугацаагаар хэрэглэх боломжгүй байдаг (16).
Өөр нэг түгээмэл стратеги бол биологийн бодис, бактери гадаргууд наалдахаас сэргийлж суулгацыг бохирдуулагч полимерээр бүрэх явдал юм (17).Жишээлбэл, zwitterionic полимерүүд нь сийвэнгийн уураг, эс, бактеритай харьцахдаа наалдамхай шинж чанараараа анхаарал татсан.Гэсэн хэдий ч энэ нь урт хугацааны тогтвортой байдал, механик бат бөх байдалтай холбоотой зарим хязгаарлалттай байдаг бөгөөд энэ нь ортопедийн суулгацанд практикт хэрэглэхэд саад болдог, ялангуяа мэс заслын үйл ажиллагааны явцад механик хусдаг (18, 19).Түүнчлэн биологийн нийцтэй байдал өндөр, арилгах мэс засал хийх шаардлагагүй, гадаргууг зэврэлтээр цэвэрлэх шинж чанартай тул био задралд ордог материалаар хийсэн ортопед суулгацыг ашиглаж байна (20, 21).Зэврэлтийн үед полимер матрицын хоорондох химийн холбоо эвдэрч, гадаргуугаас салж, наалдамхай бодис нь гадаргууг цэвэрлэнэ.Гэсэн хэдий ч гадаргууг цэвэрлэх замаар биологийн бохирдлыг арилгах нь богино хугацаанд үр дүнтэй байдаг.Нэмж дурдахад поли(сүүн хүчлийн гликолийн хүчил сополимер) (PLGA), полилактийн хүчил (PLA) болон магнийн хайлш зэрэг ихэнх шингэдэг материалууд бие махбодид жигд бус био задрал, элэгдэлд орох бөгөөд энэ нь механик тогтвортой байдалд сөргөөр нөлөөлнө.(хорин хоёр).Нэмж дурдахад, биологийн задралын хавтангийн хэлтэрхийнүүд нь нянгийн наалдацыг бий болгодог бөгөөд энэ нь удаан хугацаанд халдвар авах магадлалыг нэмэгдүүлдэг.Механик эвдрэл, халдварын эрсдэл нь хуванцар мэс заслын практик хэрэглээг хязгаарладаг (23).
Бадамлянхуа навчны шаталсан бүтцийг дуурайдаг супергидрофобик (SHP) гадаргуу нь бохирдлоос хамгаалах гадаргуугийн боломжит шийдэл болсон (24, 25).SHP гадаргууг шингэнд дүрэх үед агаарын бөмбөлөгүүд баригдаж, улмаар агаарын халаас үүсгэж, бактерийн наалдацаас сэргийлнэ (26).Гэсэн хэдий ч сүүлийн үеийн судалгаагаар SHP гадаргуу нь механик бат бөх, удаан хугацааны тогтвортой байдалтай холбоотой сул талуудтай бөгөөд энэ нь эмнэлгийн суулгацанд хэрэглэхэд саад болж байгааг харуулж байна.Түүнчлэн, агаарын халаасууд уусаж, бохирдуулах шинж чанараа алддаг тул SHP-ийн гадаргуугийн талбай том тул бактерийн наалдац илүү өргөн болно (27, 28).Саяхан Айзенберг болон түүний хамтрагчид Nepenthes лонхтой ургамлаас санаа авч гөлгөр гадаргууг бүтээж, биологийн бохирдлын эсрэг гадаргууг бүрэх шинэлэг аргыг нэвтрүүлсэн (29, 30).Гөлгөр гадаргуу нь гидравлик нөхцөлд удаан хугацааны тогтвортой байдлыг харуулдаг, биологийн шингэнд маш их шингэн зэвүүн, өөрөө өөрийгөө засах шинж чанартай байдаг.Гэсэн хэдий ч цогц хэлбэрийн эмнэлгийн суулгацыг бүрэх арга байхгүй, суулгацын дараа гэмтсэн эдийг эдгээх процессыг дэмждэг нь нотлогдоогүй байна.
Энд бид тосолгоотой ортопед суулгацын гадаргуу (LOIS), бичил/нано бүтэцтэй ортопед суулгацын гадаргууг танилцуулж, нимгэн тосолгооны давхаргатай нягт хослуулж, хуванцар мэс засал хийх зэрэг бактерийн халдвар, тухайлбал хугарлыг бэхлэхээс сэргийлж байна.Фторын функциональ бичил/нано түвшний бүтэц нь тосолгооны материалыг бүтэц дээр нягт бэхэлдэг тул боловсруулсан LOIS нь янз бүрийн шингэний наалдацыг бүрэн дарж, бохирдлоос хамгаалах үйл ажиллагааг удаан хугацаанд хадгалж чаддаг.LOIS бүрээсийг ясны нийлэгжилтэнд зориулагдсан янз бүрийн хэлбэрийн материалд хэрэглэж болно.LOIS-ийн био хальс бактери [Pseudomonas aeruginosa ба метициллинд тэсвэртэй алтан стафилококк (MRSA)] болон биологийн бодис (эс, уураг, кальци) эсрэг маш сайн биологийн бохирдлын эсрэг шинж чанар нь in vitro батлагдсан.Субстратад өргөн наалдсан наалдац нь 1% -иас бага байна.Нэмж дурдахад, гадаргуугийн зураас гэх мэт механик нөлөөллийн дараа ч нэвчсэн тосолгооны улмаас үүссэн өөрийгөө эдгээх нь бохирдлоос хамгаалах шинж чанарыг хадгалахад тусалдаг.Механик бат бөх байдлын туршилтын үр дүнгээс харахад бүтцийн болон химийн өөрчлөлтийн дараа ч нийт хүч чадал мэдэгдэхүйц буурахгүй.Нэмж дурдахад LOIS нь хуванцар мэс заслын үед үүсдэг янз бүрийн механик стрессийг тэсвэрлэх чадвартай болохыг батлахын тулд мэс заслын орчин дахь механик стрессийг дуурайлган хийсэн in vitro туршилтыг хийсэн.Эцэст нь бид туулайнд суурилсан гуяны хугарлын загварыг ашигласан бөгөөд энэ нь LOIS нь нянгийн эсрэг шинж чанар, био нийцтэй гэдгийг нотолсон.Рентген болон гистологийн үр дүн нь суулгац суулгаснаас хойш 4 долоо хоногийн дотор тогтвортой тосолгооны шинж чанар, биологийн бохирдлын эсрэг шинж чанар нь ясны эдгэрэлтийг удаашруулахгүйгээр халдварын эсрэг үр дүнтэй, дархлааг хамгаалах чадвартай болохыг баталсан.
Биологийн бохирдол, халдварын эсрэг маш сайн шинж чанарыг батлахын тулд туулайн гуяны хугарлын загварт бичил/нано хэмжээний бүтцийг суулгасан боловсруулсан LOIS-ийн бүдүүвч диаграммыг Зураг 1А-д үзүүлэв.Усны савны ургамлын гадаргууг дуурайж, гадаргуугийн микро/нано бүтцэд тосолгооны материалын давхаргыг оруулах замаар био бохирдлоос сэргийлэхийн тулд биомиметик аргыг хэрэгжүүлдэг.Тосолгооны материал тарьсан гадаргуу нь биологийн бодис ба гадаргуугийн хоорондох холбоог багасгах боломжтой.Тиймээс гадаргуу дээр тогтвортой химийн холбоо үүсдэг тул энэ нь маш сайн бохирдуулах үйлчилгээтэй, удаан хугацаанд тогтвортой байдаг.Үүний үр дүнд тосолгооны гадаргуугийн биологийн бохирдлын эсрэг шинж чанар нь биоанагаахын судалгаанд янз бүрийн практик хэрэглээг зөвшөөрдөг.Гэсэн хэдий ч энэхүү онцгой гадаргуу нь бие махбодид хэрхэн нөлөөлдөг талаар өргөн хүрээтэй судалгаа хараахан дуусаагүй байна.Альбумин ба биофильм бактери ашиглан LOIS-ийг нүцгэн субстраттай in vitro харьцуулснаар LOIS-ийн наалдамхай чанарыг баталгаажуулж болно (Зураг 1B).Нэмж хэлэхэд, налуу нүцгэн субстрат болон LOIS субстрат (Зураг S1 ба Кино S1) дээрх усны дуслыг өнхрүүлснээр биологийн бохирдлын гүйцэтгэлийг харуулж болно.Флюресценцийн микроскопын зурагт үзүүлснээр уураг, бактерийн суспензэнд өсгөвөрлөсөн ил гарсан субстрат нь гадаргуу дээр наалдсан их хэмжээний биологийн материалыг харуулсан.Гэсэн хэдий ч биологийн бохирдлын эсрэг маш сайн шинж чанартай тул LOIS нь флюресценцийг бараг харуулдаггүй.Био бохирдуулах болон халдварын эсрэг шинж чанарыг баталгаажуулахын тулд LOIS-ийг ясны нийлэгжилтэнд зориулсан ортопед суулгацын гадаргуу дээр (хавтан ба эрэг) түрхэж, туулайн хугарлын загварт байрлуулсан.Суулгахын өмнө нүцгэн ортопед суулгац болон LOIS-ийг бактерийн суспензэнд 12 цагийн турш өсгөвөрлөсөн.Урьдчилсан инкубаци нь харьцуулах зорилгоор ил суулгацын гадаргуу дээр био хальс үүсэхийг баталгаажуулдаг.Зураг 1С нь суулгац хийснээс хойш 4 долоо хоногийн дараа хугарлын талбайн зургийг харуулж байна.Зүүн талд, нүцгэн ортопед суулгацтай туулай нь суулгацын гадаргуу дээр био хальс үүссэний улмаас хүнд хэлбэрийн үрэвслийг харуулсан.LOIS суулгасан туулайнд эсрэг үр дүн ажиглагдсан, өөрөөр хэлбэл LOIS-ийн эргэн тойрон дахь эдэд халдварын шинж тэмдэг, үрэвслийн шинж тэмдэг илрээгүй.Нэмж дурдахад, зүүн талд байгаа оптик дүрс нь ил суулгацтай туулайн мэс заслын талбайг харуулж байгаа нь LOIS-ийн гадаргуу дээр ил суулгацын гадаргуу дээр олон тооны наалдамхай бодис илрээгүй болохыг харуулж байна.Энэ нь LOIS нь удаан хугацааны тогтвортой байдал, биологийн бохирдол, наалдамхай шинж чанарыг хадгалах чадвартай болохыг харуулж байна.
(A) LOIS-ийн бүдүүвч диаграмм ба түүнийг туулайн гуяны хугарлын загварт суулгах.(B) Нүцгэн гадаргуу болон LOIS субстрат дээрх уураг ба бактерийн био хальсны флюресцент микроскопийн зураг.Суулгацын дараа 4 долоо хоногийн дараа (C) хугарлын талбайн гэрэл зургийн зураг, (D) рентген зураг (улаан тэгш өнцөгтөөр тодруулсан).Зургийн эелдэг: Кёмин Чае, Йонсей их сургууль.
Ариутгасан, ил гарсан сөрөг суулгацтай туулайн ясны эдгэрэлтийн процесс нь үрэвсэл, халдварын шинж тэмдэггүй байсан.Нөгөөтэйгүүр, бактерийн суспензэнд урьдчилан өсгөвөрлөсөн SHP суулгац нь хүрээлэн буй эдэд халдвартай холбоотой үрэвслийг харуулдаг.Энэ нь бактерийн наалдацыг удаан хугацаанд дарангуйлах чадваргүйтэй холбоотой байж болно (Зураг S2).LOIS нь эдгэрэлтийн процесст нөлөөлдөггүй, харин суулгацтай холбоотой болзошгүй халдварыг дарангуйлдаг болохыг батлахын тулд ил гарсан эерэг матрицын рентген зураг болон хугарлын талбайн LOIS-ийн зургийг харьцуулсан (Зураг 1D).Нүцгэн эерэг имплантын рентген зураг дээр остеолизийн шугамууд үргэлжилсэн байсан нь яс бүрэн эдгэрээгүй байгааг харуулж байна.Энэ нь халдвартай холбоотой үрэвслийн улмаас ясыг нөхөн сэргээх үйл явц ихээхэн удааширч болзошгүйг харуулж байна.Харин ч эсрэгээрээ LOIS суулгасан туулай эдгэрч, хугарал илрээгүй болохыг харуулсан.
Урт хугацааны тогтвортой байдал, ажиллагаатай (био бохирдолд тэсвэртэй гэх мэт) эмнэлгийн суулгацыг бий болгохын тулд олон хүчин чармайлт гаргасан.Гэсэн хэдий ч янз бүрийн биологийн бодисууд, эд эсийн наалдацын динамик байдал нь тэдний эмнэлзүйн найдвартай аргуудыг хөгжүүлэх боломжийг хязгаарладаг.Эдгээр дутагдлуудыг арилгахын тулд бид хамгийн гөлгөр тосолгооны материалыг хамгийн их хэмжээгээр хадгалахын тулд хялгасан судасны өндөр хүч, химийн нөлөөгөөр оновчтой болгосон бичил/нано давхаргат бүтэц, химийн хувьд өөрчлөгдсөн гадаргууг бүтээсэн.Зураг 2А нь LOIS-ийн үйлдвэрлэлийн ерөнхий үйл явцыг харуулж байна.Эхлээд эмнэлгийн зэрэглэлийн зэвэрдэггүй ган (SS) 304 субстрат бэлтгэнэ.Хоёрдугаарт, гидрофторын хүчлийн (HF) уусмалыг ашиглан химийн сийлбэр хийх замаар SS субстрат дээр микро/нано бүтцийг бий болгодог.SS-ийн зэврэлтэнд тэсвэртэй байдлыг сэргээхийн тулд сийлсэн субстратыг боловсруулахад азотын хүчлийн (HNO3) уусмалыг (31) ашигладаг.Идэвхгүй болгох нь SS субстратын зэврэлтэнд тэсвэртэй байдлыг нэмэгдүүлж, LOIS-ийн ерөнхий гүйцэтгэлийг бууруулж болох зэврэлтийн процессыг ихээхэн удаашруулдаг.Дараа нь 1H, 1H, 2H, 2H-perfluorooctyltriethoxysilane (POTS) бүхий өөрөө угсарсан нэг давхарга (SAM) үүсгэснээр гадаргуу болон гөлгөр тосолгооны материалын Affinity хоорондын химийн харилцан үйлчлэлийг сайжруулахын тулд гадаргууг химийн аргаар өөрчилдөг.Гадаргуугийн өөрчлөлт нь гөлгөр тосолгооны гадаргуугийн энергитэй тохирч байгаа бичил/нано хэмжээний бүтэцтэй гадаргуугийн гадаргуугийн энергийг ихээхэн бууруулдаг.Энэ нь тосолгооны материалыг бүрэн норгох боломжийг олгодог бөгөөд ингэснээр гадаргуу дээр тогтвортой тосолгооны давхарга үүсгэдэг.Өөрчлөгдсөн гадаргуу нь сайжруулсан гидрофобик чанарыг харуулдаг.Үр дүнгээс харахад гулгамтгай тосолгооны материал нь микро/нано бүтцээс үүдэлтэй химийн өндөр нягтрал, хялгасан судасны хүчээс шалтгаалан LOIS дээр тогтвортой үйл ажиллагаа явуулдаг болохыг харуулж байна (32, 33).Гадаргууг өөрчлөх, тосолгооны материал тарьсны дараа SS-ийн гадаргуу дээрх оптик өөрчлөлтийг судалсан.Гадаргуу дээр үүссэн микро/нано давхаргат бүтэц нь харааны өөрчлөлтийг үүсгэж, гадаргууг харанхуйлдаг.Энэ үзэгдэл нь барзгар гадаргуу дээр гэрэл цацах нөлөөг сайжруулсантай холбоотой бөгөөд энэ нь гэрэл барих механизмаас үүдэлтэй сарнисан тусгалыг нэмэгдүүлдэг (34).Үүнээс гадна тосолгооны материал тарьсны дараа LOIS нь бараан өнгөтэй болдог.Тосолгооны давхарга нь субстратаас бага гэрлийг тусгахад хүргэдэг бөгөөд ингэснээр LOIS-ийг харанхуй болгодог.Биологийн бохирдлын эсрэг гүйцэтгэлд хүрэхийн тулд хамгийн бага гулсах өнцгийг (SA) харуулахын тулд бичил бүтэц/нано бүтцийг оновчтой болгохын тулд электрон микроскоп (SEM) болон атомын хосыг өөр өөр HF сийлбэр хийх хугацааг ашигласан (0, 3)., 15 ба 60 минут) Хүчний микроскоп (AFM) (Зураг 2Б).SEM болон AFM зургуудаас харахад богино хугацаанд сийлбэр хийсний дараа (3 минут сийлбэр) нүцгэн субстрат жигд бус нано хэмжээний барзгаржилт үүссэнийг харуулж байна.Гадаргуугийн барзгар байдал нь сийлбэр хийх хугацаанаас хамаарч өөрчлөгддөг (Зураг S3).Хугацааны өөрчлөлтийн муруйгаас харахад гадаргуугийн барзгар байдал тасралтгүй нэмэгдэж, сийлбэр хийхэд 15 минутын дараа дээд цэгтээ хүрдэг ба дараа нь сийлбэр хийхэд 30 минутын дараа барзгаржилтын үнэ бага зэрэг буурч байгааг харуулж байна.Энэ үед нано түвшний барзгар байдал арилдаг бол микро түвшний барзгаржилт эрчимтэй хөгжиж, барзгаржилтын өөрчлөлтийг илүү тогтвортой болгодог.30 минутаас илүү хугацаанд сийлбэрлэсний дараа барзгар байдал нэмэгдэж байгааг дараах байдлаар дэлгэрэнгүй тайлбарлав: SS нь төмөр, хром, никель, молибден болон бусад олон элементүүдтэй хайлштай гангаас бүрддэг.Эдгээр элементүүдийн дотор төмөр, хром, молибден нь HF сийлбэрээр SS дээр микрон/нано хэмжээний барзгаржилт үүсгэхэд чухал үүрэг гүйцэтгэдэг.Зэврэлтийн эхний үе шатанд молибден нь молибденээс илүү зэврэлтэнд тэсвэртэй тул төмөр, хром ихэвчлэн зэврдэг.Сийлбэрийн явц ахих тусам сийлбэрийн уусмал нь орон нутгийн хэт ханалтад хүрч, сийлбэрээс үүссэн фторид, исэл үүсгэдэг.Фтор ба исэл нь тунадасжиж, эцэст нь гадаргуу дээр дахин хуримтлагдаж, микрон/нано мужид гадаргуугийн барзгаржилт үүсгэдэг (31).Энэхүү микро/нано түвшний барзгар байдал нь LOIS-ийн өөрийгөө эдгээх шинж чанарт чухал үүрэг гүйцэтгэдэг.Хос масштабтай гадаргуу нь синергетик нөлөөг бий болгож, хялгасан судасны хүчийг ихээхэн нэмэгдүүлдэг.Энэ үзэгдэл нь тосолгооны материалыг гадаргуу дээр тогтвортой нэвтэрч, өөрийгөө эдгээх шинж чанарыг бий болгодог (35).Барзгаржилт үүсэх нь сийлбэр хийх хугацаанаас хамаарна.10 минутын дотор сийлбэр хийхэд гадаргуу нь зөвхөн нано хэмжээний барзгаржилтыг агуулдаг бөгөөд энэ нь био бохирдлыг эсэргүүцэх хангалттай тосолгооны материалыг барихад хангалтгүй юм (36).Нөгөөтэйгүүр сийлбэр хийх хугацаа 30 минутаас хэтэрвэл төмөр, хромын дахин тунадасжилтаас үүссэн нано хэмжээний барзгар байдал арилж, молибдений улмаас зөвхөн микро масштабын барзгар байдал үлдэнэ.Хэт сийлсэн гадаргуу нь нано хэмжээний барзгаржилтгүй бөгөөд хоёр үе шаттай барзгаржилтын синергетик нөлөөг алддаг бөгөөд энэ нь LOIS-ийн өөрийгөө эдгээх шинж чанарт сөргөөр нөлөөлдөг.SA хэмжилтийг өөр өөр сийлбэр хийх хугацаатай субстрат дээр хийж, бохирдлоос хамгаалах үйл ажиллагааг нотолсон.Ионгүйжүүлсэн (DI) ус, цус, этилен гликол (EG), этанол (EtOH) болон гексадекан (HD) зэрэг янз бүрийн төрлийн шингэнийг зуурамтгай чанар, гадаргуугийн энерги дээр үндэслэн сонгосон (Зураг S4).Цаг хугацааны хувьд өөрчлөгддөг сийлбэрийн загвар нь янз бүрийн гадаргуугийн энерги, зуурамтгай чанар бүхий янз бүрийн шингэний хувьд 15 минутын сийлбэр хийсний дараа LOIS-ийн SA нь хамгийн бага байгааг харуулж байна.Тиймээс LOIS нь микрон болон нано хэмжээний барзгаржилтыг бий болгохын тулд 15 минутын турш сийлбэрлэх боломжтой бөгөөд энэ нь тосолгооны материалын бат бөх чанарыг үр дүнтэй хадгалах, бохирдлоос хамгаалах маш сайн шинж чанартай.
(A) LOIS-ийн дөрвөн үе шаттай үйлдвэрлэлийн үйл явцын бүдүүвч диаграм.Дотор нь субстрат дээр үүссэн SAM-ийг харуулж байна.(B) SEM болон AFM зургууд нь янз бүрийн сийлбэр хийх хугацаанд субстратын микро/нано бүтцийг оновчтой болгоход ашигладаг.Гадаргууг идэвхгүйжүүлэх ба SAM бүрэх дараа (C) Cr2p ба (D) F1-ийн рентген фотоэлектрон спектроскопи (XPS) спектр.au, дурын нэгж.(E) Нүцгэн, сийлбэртэй, SHP болон LOIS субстрат дээрх усны дуслын төлөөлөл зураг.(F) SHP болон LOIS дээр өөр өөр гадаргуугийн хурцадмал байдал бүхий шингэний контактын өнцөг (CA) ба SA хэмжилт.Өгөгдлийг дундаж ± SD гэж илэрхийлнэ.
Дараа нь гадаргуугийн химийн шинж чанарын өөрчлөлтийг баталгаажуулахын тулд гадаргууг бүрэх бүрийн дараа субстратын гадаргуугийн химийн найрлага дахь өөрчлөлтийг судлахын тулд рентген фотоэлектрон спектроскопи (XPS) ашигласан.Зураг 2C нь HF сийлсэн гадаргуу болон HNO 3-аар боловсруулсан гадаргуугийн XPS хэмжилтийн үр дүнг харуулж байна.587.3 ба 577.7 эВ-ийн хоёр гол оргил нь хромын ислийн давхаргад байгаа Cr-O бондтой холбоотой бөгөөд энэ нь ЭМС-ийн сийлсэн гадаргуугаас гол ялгаа юм.Энэ нь голчлон гадаргуу дээрх төмөр, хромын хайлуур жоншны HNO3-ийн хэрэглээтэй холбоотой юм.HNO3 дээр суурилсан сийлбэр нь хром нь гадаргуу дээр идэвхгүй ислийн давхарга үүсгэх боломжийг олгодог бөгөөд энэ нь сийлсэн SS-ийг зэврэлтэнд дахин тэсвэртэй болгодог.Зураг 2D-д EG, цус, EtOH-ийн хувьд ч маш өндөр шингэн зэвүүн шинж чанартай SAM бүрээсний дараа гадаргуу дээр фторкарбонд суурилсан силан үүссэн болохыг баталгаажуулахын тулд XPS спектрийг авсан.Силаны функциональ бүлгүүдийг сийвэнгийн боловсруулалтаар үүссэн гидроксил бүлгүүдтэй урвалд оруулснаар SAM бүрэх ажил дуусна.Үүний үр дүнд CF2 болон CF3 оргилуудын мэдэгдэхүйц өсөлт ажиглагдсан.286 ба 296 эВ-ийн хоорондох холболтын энерги нь химийн өөрчлөлтийг SAM бүрээсээр амжилттай гүйцэтгэсэн болохыг харуулж байна.SHP нь харьцангуй том CF2 (290.1 ​​eV) ба CF3 (293.3 eV) оргилуудыг харуулдаг бөгөөд энэ нь гадаргуу дээр үүссэн фторкарбонд суурилсан силанаас үүсдэг.Зураг 2E нь нүцгэн, сийлбэртэй, SHP, LOIS-тэй харьцах өөр өөр бүлгүүдийн ионгүйжүүлсэн усны контактын өнцгийн (CA) хэмжилтийн оптик дүрслэлийг үзүүлэв.Эдгээр зургуудаас харахад сийлсэн гадаргуу нь химийн сийлбэрээр үүссэн микро/нано бүтцээс болж гидрофиль болж, улмаар ионгүйжүүлсэн ус бүтцэд шингэдэг.Гэсэн хэдий ч, субстратыг SAM-аар бүрсэн үед субстрат нь хүчтэй ус зэвүүн шинж чанартай байдаг тул гадаргуугийн SHP үүсч, ус ба гадаргуугийн хоорондох холбоо бага байдаг.Эцэст нь LOIS-д CA-ийн бууралт ажиглагдсан бөгөөд энэ нь тосолгооны материалыг бичил бүтцэд нэвчиж, улмаар контактын талбайг нэмэгдүүлсэнтэй холбоотой юм.Гадаргуу нь маш сайн шингэний зэвүүн, наалдамхай шинж чанартай болохыг батлахын тулд LOIS-ийг янз бүрийн шингэн ашиглан CA ба SA-г хэмжих замаар SHP субстраттай харьцуулсан (Зураг 2F).Ионгүйжүүлсэн ус, цус, EG, EtOH, HD (Зураг S4) зэрэг янз бүрийн төрлийн шингэнийг зуурамтгай чанар, гадаргуугийн энергид үндэслэн сонгосон.CA хэмжилтийн үр дүнгээс харахад CA нь HD рүү чиглэх үед CA нь гадаргуугийн энерги багатай байдаг CA-ийн бууралтын утга байна.Үүнээс гадна, нийт CA-ийн LOIS бага байна.Гэсэн хэдий ч SA хэмжилт нь огт өөр үзэгдлийг харуулж байна.Ионжуулсан уснаас бусад бүх шингэн нь SHP-ийн субстрат дээр гулсахгүйгээр наалддаг.Нөгөөтэйгүүр, LOIS нь маш бага SA-г харуулж байгаа бөгөөд бүх шингэнийг 10°-аас 15°-аас бага өнцгөөр хазайлгахад бүх шингэн нь өнхрөх болно.Энэ нь LOIS-ийн наалдамхай чанар нь SHP гадаргуугаас илүү сайн болохыг харуулж байна.Нэмж дурдахад LOIS бүрээсийг титан (Ti), полифенилсульфон (PPSU), полиоксиметилен (POM), полиэфирийн кетон (PEEK) болон био шингэдэг полимер (PLGA) зэрэг янз бүрийн төрлийн материалд хэрэглэдэг. Эдгээр нь суулгацын ортопед материал юм (Зураг S5)).LOIS-ээр эмчилсэн материал дээрх дуслын дараалсан зургуудаас харахад LOIS-ийн биологийн бохирдлын эсрэг шинж чанар нь бүх субстрат дээр ижил байдаг.Үүнээс гадна CA ба SA-ийн хэмжилтийн үр дүнгээс харахад LOIS-ийн наалдамхай бус шинж чанарыг бусад материалд хэрэглэж болно.
LOIS-ийн бохирдлоос хамгаалах шинж чанарыг батлахын тулд янз бүрийн төрлийн субстратыг (нүцгэн, сийлбэртэй, SHP болон LOIS гэх мэт) Pseudomonas aeruginosa болон MRSA-тай өсгөвөрлөсөн.Эдгээр хоёр бактерийг эмнэлгийн төлөөлөгчөөр сонгосон ба энэ нь био хальс үүсгэж, SSI-д хүргэдэг (37).Зураг 3 (А ба В) нь бактерийн суспензэнд богино хугацаанд (12 цаг) болон урт хугацааны (72 цаг) өсгөвөрлөсөн субстратын флюресцент микроскопын зураг болон колони үүсгэгч нэгжийн (CFU) хэмжилтийн үр дүнг харуулав.Богино хугацаанд бактери нь бөөгнөрөл үүсгэж, томорч, салст төст бодисоор бүрхэж, тэдгээрийг зайлуулахаас сэргийлнэ.Гэсэн хэдий ч 72 цагийн инкубацийн явцад нянгууд боловсорч, илүү олон колони эсвэл кластер үүсгэхийн тулд тараахад хялбар болно.Иймээс 72 цагийн инкубаци нь урт хугацааны бөгөөд гадаргуу дээр хүчтэй био хальс үүсгэх тохиромжтой инкубацийн хугацаа гэж үзэж болно (38).Богино хугацаанд сийлсэн гадаргуу болон SHP-ийн гадаргуу нь нянгийн наалдацыг харуулсан бөгөөд энэ нь нүцгэн субстраттай харьцуулахад ойролцоогоор 25% -иас 50% -иар буурсан байна.Гэсэн хэдий ч LOIS нь биологийн бохирдлын эсрэг маш сайн гүйцэтгэл, тогтвортой байдлын улмаас богино болон урт хугацаанд бактерийн био хальсанд наалдсан шинж тэмдэг илрээгүй.Схемийн диаграмм (Зураг 3C) нь сийлбэрийн уусмал, SHP болон LOIS-ийн биологийн бохирдлын эсрэг механизмын тайлбарыг тайлбарласан болно.Гидрофил шинж чанартай сийлсэн дэвсгэр нь нүцгэн субстратаас илүү том гадаргуутай байх болно гэсэн таамаглал юм.Тиймээс сийлсэн субстрат дээр илүү их бактерийн наалдац үүсэх болно.Гэсэн хэдий ч нүцгэн субстраттай харьцуулахад сийлсэн субстрат нь гадаргуу дээр бага хэмжээний био хальс үүсгэдэг.Учир нь усны молекулууд нь гидрофиль гадаргуутай нягт холбогдож усыг тослох материал болж богино хугацаанд нянгийн наалдацыг саатуулдаг (39).Гэсэн хэдий ч усны молекулуудын давхарга нь маш нимгэн бөгөөд бактерийн суспензэнд уусдаг.Тиймээс усны молекулын давхарга нь удаан хугацааны туршид алга болж, бактерийн наалдац, үржилд хүргэдэг.SHP-ийн хувьд богино хугацаанд чийгшүүлэхгүй шинж чанартай тул бактерийн наалдацыг дарангуйлдаг.Бактерийн наалдац багассан нь давхаргын бүтэц дэх агаарын халаас, гадаргуугийн энерги багассантай холбоотой байж болох бөгөөд ингэснээр бактерийн суспенз ба гадаргуугийн хоорондох холбоог багасгадаг.Гэсэн хэдий ч SHP-д удаан хугацааны туршид бохирдлоос хамгаалах шинж чанараа алдсан тул бактерийн өргөн наалдац ажиглагдсан.Энэ нь гол төлөв гидростатик даралтаас болж агаарын халаас алга болж, агаар усанд ууссантай холбоотой юм.Энэ нь голчлон ууссанаас болж агаарын халаас алга болж, наалдсан гадаргуугийн илүү том талбайг хангадаг давхаргат бүтэцтэй холбоотой юм (27, 40).Урт хугацааны тогтвортой байдалд чухал нөлөө үзүүлдэг эдгээр хоёр субстратаас ялгаатай нь LOIS-д агуулагдах тосолгооны материалыг микро/нано бүтцэд шахдаг бөгөөд урт хугацаанд ч алга болохгүй.Микро/нано бүтцээр дүүргэсэн тосолгооны материалууд нь маш тогтвортой бөгөөд химийн өндөр нягтралтай тул гадаргууд хүчтэй татагддаг тул бактерийн наалдацыг удаан хугацаанд хамгаалдаг.Зураг S6 нь фосфатын буфержүүлсэн давсны уусмалд (PBS) дүрсэн тосолгооны материалаар дүүргэсэн субстратын тусгалын төвлөрсөн микроскопын зургийг харуулж байна.Тасралтгүй зургуудаас харахад 120 цаг бага зэрэг сэгсэрсэн (120 эрг / мин) ч гэсэн LOIS дээрх тосолгооны давхарга өөрчлөгдөөгүй хэвээр байгаа нь урсгалын нөхцөлд удаан хугацааны тогтвортой байдлыг харуулж байна.Энэ нь фторын суурьтай SAM бүрэх ба перфторкарбонд суурилсан тосолгооны материалын хоорондох химийн харилцан хамаарал өндөртэй холбоотой бөгөөд ингэснээр тогтвортой тосолгооны давхарга үүсэх боломжтой.Тиймээс бохирдлоос хамгаалах үйл ажиллагаа хадгалагдана.Нэмж дурдахад, субстратыг цусны сийвэн дэх төлөөллийн уураг (альбумин ба фибриноген), дархлааны үйл ажиллагаатай нягт холбоотой эсүүд (макрофаг ба фибробластууд), яс үүсэхтэй холбоотой эсүүдээр туршиж үзсэн.Кальцийн агууламж маш өндөр байдаг.(Зураг 3D, 1 ба 2, Зураг S7) (41, 42).Нэмж дурдахад фибриноген, альбумин, кальцийн наалдацын туршилтын флюресцент микроскопоор хийсэн зургууд нь субстратын бүлэг тус бүрийн наалдацын өөр өөр шинж чанарыг харуулсан (Зураг S8).Яс үүсэх явцад шинээр үүссэн яс, кальцийн давхаргууд нь ортопед суулгацыг хүрээлдэг бөгөөд энэ нь тайрахад хүндрэл учруулдаг төдийгүй зайлуулах явцад өвчтөнд гэнэтийн хохирол учруулж болзошгүй юм.Тиймээс ясны хавтан, эрэг дээрх кальцийн бага хэмжээний хуримтлал нь суулгацыг зайлуулах шаардлагатай ортопедийн мэс засалд тустай.Флюресценцийн эрч хүч, эсийн тоонд тулгуурлан наасан талбайн тоон үзүүлэлтэд үндэслэн бид LOIS нь бусад субстраттай харьцуулахад бүх биологийн бодисуудад биологийн бохирдлын эсрэг маш сайн шинж чанартай болохыг баталсан.In vitro туршилтын үр дүнгээс үзэхэд биологийн бохирдлын эсрэг LOIS-ийг ортопедийн суулгацанд түрхэх боломжтой бөгөөд энэ нь био хальсны бактерийн улмаас үүссэн халдварыг дарангуйлахаас гадна биеийн идэвхтэй дархлааны тогтолцооноос үүдэлтэй үрэвслийг бууруулдаг.
(A) Pseudomonas aeruginosa болон MRSA суспензүүдэд 12 ба 72 цагийн турш өсгөвөрлөсөн бүлэг тус бүрийн (нүцгэн, сийлсэн, SHP ба LOIS) флюресцент микроскопоор авсан зургууд.(B) Бүлэг бүрийн гадаргуу дээрх Pseudomonas aeruginosa ба MRSA-ийн наалдсан CFU-ийн тоо.(C) Богино болон урт хугацааны сийлбэр, SHP болон LOIS-ийн биологийн бохирдлын эсрэг механизмын бүдүүвч диаграмм.(D) (1) Субстрат тус бүрт наалдсан фибробластуудын тоо, нүцгэн болон LOIS-д наалдсан эсийн флюресцент микроскопын зураг.(2) Ясны эдгэрэлтийн процесст оролцдог дархлаатай холбоотой уураг, альбумин, кальцийн наалдацын тест (* P <0.05, ** P <0.01, *** P <0.001 ба **** P <0.0001).ns, чухал биш.
Зайлшгүй төвлөрсөн стрессийн үед механик бат бөх чанар нь бохирдуулагч бүрээсийг түрхэхэд гол бэрхшээл байсаар ирсэн.Ариутгах татуургын эсрэг гельний уламжлалт аргууд нь усанд уусах чадвар, эмзэг чанар багатай полимер дээр суурилдаг.Тиймээс тэд биоанагаахын хэрэглээнд ихэвчлэн механик стресст өртөмтгий байдаг.Иймээс механикаар бат бөх антифуллинг бүрэх нь ортопед суулгац гэх мэт хэрэглээнд бэрхшээлтэй хэвээр байна (43, 44).Зураг 4А(1) нь хямсаагаар үүсгэгдсэн гэмтсэн имплантын оптик дүрс бүхий маажих (хэсгэлтийн ачаалал) болон шахалт зэрэг ортопедийн суулгацад үзүүлэх хоёр үндсэн стрессийг харуулж байна.Жишээлбэл, боолтыг халиваар чангалах эсвэл мэс засалч ясны хавтанг хямсаагаар чанга барьж, шахалтын хүч хэрэглэх үед хуванцар ясны хавтан макро болон микро/нано масштабын аль алинд нь гэмтэж, зураастай болно (Зураг 4А, 2) .Үйлдвэрлэсэн LOIS нь хуванцар мэс заслын явцад эдгээр эвдрэлийг тэсвэрлэж чадах эсэхийг шалгахын тулд микро/нано бүтцийн механик шинж чанарыг судлахын тулд нүцгэн субстратын хатуулаг болон LOIS-ийг микро/нано масштабаар харьцуулах зорилгоор наноиндентаци хийсэн. 4B).Схемийн диаграмм нь микро/нано бүтэцтэй тул LOIS-ийн янз бүрийн хэв гажилтын зан үйлийг харуулж байна.Наноиндентацийн үр дүнд тулгуурлан хүчний шилжилтийн муруйг зурсан (Зураг 4C).Цэнхэр зураг нь нүцгэн субстратыг төлөөлдөг бөгөөд энэ нь зөвхөн бага зэргийн хэв гажилтыг харуулдаг бөгөөд хамгийн их доголын гүн нь 0.26-μm байна.Нөгөөтэйгүүр, LOIS (улаан муруй) -д ажиглагдсан нанодонтацийн хүч ба шилжилтийн аажмаар нэмэгдэж байгаа нь механик шинж чанар буурах шинж тэмдгийг харуулж, улмаар 1.61μm нано доголын гүнд хүргэдэг.Учир нь LOIS-д агуулагдах микро/нано бүтэц нь наноиндетерийн үзүүрийг гүнзгийрүүлэх зайг хангадаг тул түүний хэв гажилт нь нүцгэн субстратынхаас их байдаг.Конста-Гдоутос нар.(45) нано бүтэц байгаа тул нанодонтаци болон микро/нано барзгар байдал нь жигд бус нанодонтацийн муруй үүсгэдэг гэж үздэг.Сүүдэрлэсэн хэсэг нь нано бүтцэд хамаарах жигд бус хэв гажилтын муруйтай тохирч байгаа бол сүүдэргүй хэсэг нь бичил бүтэцтэй холбоотой.Энэхүү хэв гажилт нь тосолгооны материалын микро бүтэц/нано бүтцийг гэмтээж, бохирдлоос хамгаалах үйл ажиллагаанд сөргөөр нөлөөлж болзошгүй.Гэмтлийн LOIS-д үзүүлэх нөлөөллийг судлахын тулд хуванцар мэс заслын явцад микро/нано бүтцэд зайлшгүй гэмтэл учруулсан.Цус, уургийн наалдамхай тестийг ашиглан in vitro-ийн дараа LOIS-ийн биологийн бохирдлын эсрэг шинж чанарын тогтвортой байдлыг тодорхойлж болно (Зураг 4D).Цуврал оптик зургууд нь субстрат бүрийн нүхний ойролцоо үүссэн эвдрэлийг харуулж байна.Биологийн бохирдлын эсрэг бүрхүүлд механик гэмтлийн үр нөлөөг харуулахын тулд цусны наалдамхай тест хийсэн (Зураг 4E).SHP-ийн нэгэн адил бохирдлын эсрэг шинж чанар нь гэмтлийн улмаас алдагддаг бөгөөд LOIS нь цусыг үргээх замаар бохирдуулахаас хамгаалах маш сайн шинж чанартай байдаг.Учир нь гадаргуугийн энерги нь гэмтсэн хэсгийг хамарсан хялгасан судасны үйлчлэлээр хөдөлдөг тул бичил бүтэцтэй тосолгооны материал дахь урсгал нь бохирдлоос хамгаалах шинж чанарыг сэргээдэг (35).Альбуминыг ашиглан уургийн наалдацыг шалгахад ижил хандлага ажиглагдсан.Гэмтсэн хэсэгт SHP-ийн гадаргуу дээрх уургийн наалдамхай байдал өргөн ажиглагдаж байгаа бөгөөд түүний талбайн хамрах хүрээг хэмжсэнээр нүцгэн субстратын наалдамхай түвшний хагастай тэнцэх хэмжээний хэмжигдэхүүнийг тодорхойлж болно.Нөгөөтэйгүүр, LOIS нь наалдац үүсгэхгүйгээр биологийн бохирдлын эсрэг шинж чанараа хадгалсан (Зураг 4, F ба G).Үүнээс гадна шурагны гадаргуу нь ихэвчлэн өрөмдлөг гэх мэт хүчтэй механик ачаалалд өртдөг тул бид LOIS бүрхүүлийг in vitro нөхцөлд шураг дээр хэвээр үлдээх чадварыг судалсан.Зураг 4H нь нүцгэн, SHP болон LOIS зэрэг янз бүрийн эрэгний оптик дүрсийг харуулж байна.Улаан тэгш өнцөгт нь яс суулгах үед хүчтэй механик ачаалал үүсдэг зорилтот хэсгийг илэрхийлдэг.Хавтан дээрх уургийн наалдацын туршилтын нэгэн адил флюресцент микроскопоор уургийн наалдацыг дүрсэлж, хамрах хүрээг хэмжиж, механик ачаалал ихтэй байсан ч LOIS бүрхүүлийн бүрэн бүтэн байдлыг нотлоход ашигладаг (Зураг 4, I, J).LOIS-ээр боловсруулсан эрэг нь бохирдлын эсрэг маш сайн гүйцэтгэлтэй бөгөөд гадаргуу дээр бараг ямар ч уураг наалддаггүй.Нөгөөтэйгүүр, уургийн наалдац нь нүцгэн эрэг болон SHP эрэгт ажиглагдсан бөгөөд SHP эрэгний талбайн хамрах хүрээ нь нүцгэн эрэгний гуравны нэг байв.Нэмж хэлэхэд, бэхэлгээнд ашигладаг ортопед суулгац нь 4K-р зурагт үзүүлсэн шиг хугарлын хэсэгт үзүүлэх ачааллыг тэсвэрлэх механик бат бөх байх ёстой.Тиймээс механик шинж чанарт химийн өөрчлөлтийн нөлөөг тодорхойлохын тулд гулзайлтын туршилтыг хийсэн.Үүнээс гадна суулгацаас тогтсон стрессийг хадгалахын тулд үүнийг хийдэг.Суулгацыг бүрэн нугалж, хүчдэлийн суналтын муруй гарах хүртэл босоо механик хүчийг хэрэглэнэ (Зураг 4L, 1).Янгийн модуль ба гулзайлтын бат бэх зэрэг хоёр шинж чанарыг нүцгэн болон LOIS субстратуудын хооронд механик бат бэхийн үзүүлэлт болгон харьцуулсан (Зураг 4L, 2, 3).Янгийн модуль нь материалын механик өөрчлөлтийг тэсвэрлэх чадварыг илэрхийлдэг.Субстрат бүрийн Янгийн модуль нь 41.48±1.01 ба 40.06±0.96 GPa;ажиглагдсан ялгаа нь ойролцоогоор 3.4% байна.Түүнчлэн материалын бат бөх чанарыг тодорхойлдог гулзайлтын бат бэх нь нүцгэн субстратын хувьд 102.34±1.51 ГПа, SHP-ийн хувьд 96.99±0.86 ГПа байна гэж мэдээлж байна.Нүцгэн субстрат нь ойролцоогоор 5.3% илүү байна.Механик шинж чанар бага зэрэг буурсан нь ховилын нөлөөнөөс үүдэлтэй байж болно.Ховилын эффектийн хувьд микро/нано барзгар нь олон тооны ховилын үүрэг гүйцэтгэж, орон нутгийн стрессийг төвлөрүүлж, суулгацын механик шинж чанарт нөлөөлдөг (46).Гэсэн хэдий ч хүний ​​кортикал ясны хөшүүн чанар 7.4-31.6 ГПа хооронд байдаг ба хэмжсэн LOIS модуль нь хүний ​​кортикал ясны хөшүүн чанараас давж байна (47) дээр үндэслэн LOIS нь хугарал болон түүний ерөнхий байдлыг дэмжихэд хангалттай. механик шинж чанар нь гадаргуугийн өөрчлөлтөд хамгийн бага нөлөө үзүүлдэг.
(A) (1) мэс заслын явцад ортопедийн суулгацад үзүүлсэн механик ачаалал, (2) гэмтсэн ортопед суулгацын оптик дүрсийн бүдүүвч диаграм.(B) Нүцгэн гадаргуу дээрх нано-механик шинж чанарыг наноиндентаци болон LOIS-ээр хэмжих бүдүүвч диаграмм.(C) Нүцгэн гадаргуу ба LOIS-ийн наноиндентацийн хүч-шилжилтийн муруй.(D) In ​​vitro туршилт хийсний дараа янз бүрийн төрлийн ортопедийн хавтангийн оптик дүрсийг дуурайж (гэмтсэн хэсгийг улаан тэгш өнцөгтөөр тодруулсан) үйл ажиллагааны явцад үүссэн механик стрессийг дуурайлгана.(E) Гэмтсэн ортопедийн хавтангийн бүлгийн цусны наалдац ба (F) уургийн наалдацын сорил.(G) Хавтан дээр наалдсан уургийн хамрах хүрээг хэмжинэ.(H) In vitro туршилтын дараа янз бүрийн төрлийн ортопедийн эрэгний оптик зураг.(I) Янз бүрийн бүрхүүлийн бүрэн бүтэн байдлыг судлах уургийн наалдацын сорил.(J) Шурганд наалдсан уургийн талбайн хамрах хүрээг хэмжинэ.(K) Туулайны хөдөлгөөн нь хугарсан ясанд тогтмол ачаалал үүсгэх зорилготой.(L) (1) Гулзайлтын өмнө ба дараа нугалах туршилтын үр дүн болон оптик дүрслэл.Нүцгэн суулгац ба SHP-ийн хоорондох (2) Янгийн модуль ба (3) гулзайлтын бат бэхийн ялгаа.Өгөгдлийг дундаж ± SD (*P<0.05, **P<0.01, ***P<0.001 ба ****P<0.0001) хэлбэрээр илэрхийлнэ.Зургийн эелдэг: Кёмин Чае, Йонсей их сургууль.
Эмнэлзүйн нөхцөлд биологийн материал болон шархны талбайтай ихэнх бактерийн холбоо нь боловсорч гүйцсэн, боловсорч гүйцсэн био хальснаас үүсдэг (48).Тиймээс АНУ-ын Өвчний хяналт, урьдчилан сэргийлэх төвийн тооцоолсноор хүний ​​халдварын 65% нь био хальстай холбоотой байдаг (49).Энэ тохиолдолд суулгацын гадаргуу дээр тууштай био хальс үүсэх боломжийг олгодог in vivo туршилтын загварыг хангах шаардлагатай.Тиймээс бид туулайн гуяны ясны хугарлын загварыг боловсруулсан бөгөөд үүнд ортопед суулгацыг бактерийн суспензээр урьдчилан өсгөвөрлөж, дараа нь туулайн гуяны ясанд суулгаж, LOIS-ийн бохирдлоос хамгаалах шинж чанарыг in vivo судалсан.Дараах гурван чухал баримтын улмаас нянгийн халдвар нь бактерийн суспензийг шууд тарихаас илүүтэйгээр урьдчилан өсгөвөрлөх замаар өдөөгддөг: (i) туулайн дархлаа нь хүнийхээс илүү хүчтэй байдаг;Тиймээс бактерийн суспенз ба планктон бактерийг тарих боломжтой Энэ нь био хальс үүсэхэд ямар ч нөлөө үзүүлэхгүй.(II) Планктон бактери нь антибиотикт илүү мэдрэмтгий байдаг ба антибиотикийг ихэвчлэн мэс заслын дараа хэрэглэдэг;эцэст нь (iii) планктон бактерийн суспензийг амьтны биеийн шингэнээр шингэлж болно (50).Суулгацыг суулгахын өмнө нянгийн суспензээр урьдчилан өсгөвөрлүүлснээр ясны эдгэрэлтийн үйл явцад бактерийн халдвар болон гадны биетийн урвалын (FBR) хортой нөлөөг сайтар судлах боломжтой.Ясны эдгэрэлтэнд зайлшгүй шаардлагатай ясны интеграци нь 4 долоо хоногийн дотор дуусах тул туулайг суулгаснаас хойш 4 долоо хоногийн дараа тахил болгосон.Дараа нь доод талын судалгаанд зориулж суулгацыг туулайнаас гаргаж авсан.Зураг 5А нь бактерийн үржих механизмыг харуулж байна.Халдвартай ортопед суулгацыг биед нэвтрүүлдэг.Бактерийн суспензийг урьдчилан өсгөвөрлөсний үр дүнд нүцгэн суулгац суулгасан зургаан туулайн зургаа нь халдвар авсан бол LOIS-ээр эмчилсэн суулгац суулгасан туулайд халдвар аваагүй байна.Бактерийн халдвар нь өсөлт, боловсрох, тархах зэрэг гурван үе шаттайгаар явагддаг (51).Нэгдүгээрт, наалдсан бактери нь гадаргуу дээр үржиж, үрждэг ба дараа нь бактери нь эсийн гаднах полимер (EPS), амилоид болон эсийн гаднах ДНХ-г ялгаруулахдаа био хальс үүсгэдэг.Био хальс нь антибиотикийг нэвтрүүлэхэд саад учруулаад зогсохгүй антибиотикийг задалдаг ферментийн (β-лактамаза гэх мэт) хуримтлалыг дэмждэг (52).Эцэст нь био хальс нь боловсорч гүйцсэн бактерийг хүрээлэн буй эдэд тараадаг.Тиймээс халдвар үүсдэг.Үүнээс гадна гадны биет бие махбодид ороход дархлааны хүчтэй хариу үйлдэл үзүүлэх халдвар нь хүчтэй үрэвсэл, өвдөлт, дархлааг бууруулдаг.Зураг 5В нь бактерийн халдвараас үүдэлтэй дархлааны хариу урвалаас илүү ортопед суулгацыг суулгаснаар үүссэн FBR-ийн тоймыг харуулсан болно.Дархлааны систем нь суулгасан суулгацыг гадны биет гэж хүлээн зөвшөөрч, улмаар эс, эд эсүүд гадны биетийг бүрхэх урвалд оруулдаг (53).FBR-ийн эхний өдрүүдэд ортопед суулгацын гадаргуу дээр нийлүүлэлтийн матриц үүссэн бөгөөд энэ нь фибриногенийг шингээхэд хүргэсэн.Дараа нь шингэсэн фибриноген нь маш нягт фибриний сүлжээ үүсгэдэг бөгөөд энэ нь лейкоцитын хавсралтыг дэмждэг (54).Фибриний сүлжээ үүссэний дараа нейтрофилийн нэвчилтээс болж цочмог үрэвсэл үүснэ.Энэ үе шатанд хавдрын үхжилийн фактор-α (TNF-α), интерлейкин-4 (IL-4), IL-β зэрэг олон төрлийн цитокинууд ялгарч, моноцитууд суулгацын талбайд нэвчиж, аварга том эсүүдэд ялгарч эхэлдэг.Фаж (41, 55, 56).Хэт их FBR нь цочмог болон архаг үрэвслийг үүсгэж улмаар үхлийн үр дагаварт хүргэж болзошгүй тул FBR-ийг бууруулах нь үргэлж бэрхшээлтэй байсаар ирсэн.Нүцгэн суулгац болон LOIS орчмын эдэд бактерийн халдварын нөлөөллийг үнэлэхийн тулд гематоксилин ба эозин (H&E), Массон трихром (MT) будгийг ашигласан.Нүцгэн субстратаар суулгасан туулайнуудын хувьд нянгийн хүнд халдварууд даамжирч, H&E-ийн эд эсийн слайдад үрэвслийн улмаас үүссэн буглаа, үхжил тодорхой харагдаж байв.Нөгөөтэйгүүр биологийн бохирдлын эсрэг маш хүчтэй гадаргуутай LOIS нь бактерийн наалдацыг дарангуйлдаг тул халдварын шинж тэмдэггүй, үрэвслийг бууруулдаг (Зураг 5С).MT будгийн үр дүн ижил чиг хандлагыг харуулсан.Гэсэн хэдий ч MT будалт нь LOIS суулгасан туулайнд хаван байгааг харуулсан нь эдгэрэх гэж байгааг харуулж байна (Зураг 5D).Дархлааны хариу урвалын түвшинг судлахын тулд дархлааны хариу урвалтай холбоотой TNF-α ба IL-6 цитокинуудыг ашиглан иммуногистохимийн (IHC) будалтыг хийсэн.Бактерт өртөөгүй нүцгэн сөрөг имплантыг бактерийн халдваргүй үед эдгэрэлтийн процессыг судлахын тулд нянтай боловч халдвар аваагүй LOIS-тэй харьцуулсан.Зураг 5E нь TNF-α-г илэрхийлэх IHC слайдын оптик дүрсийг харуулж байна.Хүрэн хэсэг нь дархлааны хариу урвалыг илэрхийлдэг бөгөөд энэ нь LOIS дахь дархлааны хариу урвал бага зэрэг буурч байгааг харуулж байна.Нэмж дурдахад LOIS дахь IL-6-ийн илэрхийлэл нь ариутгасан нүцгэн дэх сөрөг илэрхийллээс хамаагүй бага байв (Зураг 5F).Цитокины илэрхийлэлийг цитокинд харгалзах эсрэгбиеийн будгийн талбайг хэмжих замаар тодорхойлсон (Зураг 5G).Сөрөг суулгацанд өртсөн туулайнуудтай харьцуулахад LOIS суулгасан туулайнуудын илэрхийлэлийн түвшин бага байсан нь мэдэгдэхүйц ялгааг харуулж байна.Цитокины илэрхийлэл буурч байгаа нь LOIS-ийн удаан хугацааны, тогтвортой бохирдлоос хамгаалах шинж чанар нь зөвхөн бактерийн халдварыг дарангуйлахаас гадна субстраттай наалдсан макрофагуудаар өдөөгдсөн FBR-ийн бууралттай холбоотой болохыг харуулж байна (53, 57, 58).Тиймээс LOIS-ийн дархлаанаас зайлсхийх шинж чанараас шалтгаалж дархлааны хариу урвал буурсан нь суулгацын дараах гаж нөлөө, тухайлбал пластик мэс заслын дараах дархлааны хариу урвалыг шийдэж чадна.
(A) Халдвартай ортопед суулгацын гадаргуу дээр био хальс үүсэх, тархах механизмын бүдүүвч диаграмм.eDNA, эсийн гаднах ДНХ.(B) Ортопедийн суулгацыг суулгасны дараа дархлааны хариу урвалын бүдүүвч зураг.(C) Нүцгэн эерэг ба LOIS бүхий ортопедийн суулгацын эргэн тойрон дахь эдийг H&E будалт ба (D) MT будалт.Дархлаатай холбоотой цитокинуудын IHC (E) TNF-α ба (F) IL-6 нь нүцгэн сөрөг болон LOIS суулгацтай туулайн будагдсан зураг юм.(G) Талбайн хамрах хүрээний хэмжилтээр цитокины илэрхийлэлийн тоон үзүүлэлт (** P <0.01).
LOIS-ийн био нийцтэй байдал ба ясны эдгэрэлтийн үйл явцад үзүүлэх нөлөөг оношилгооны дүрслэл [рентген болон микро-компьютер томографи (CT)] болон остеокласт IHC ашиглан in vivo байдлаар шалгасан.Зураг 6А нь ясны эдгэрэлтийн процессыг үрэвсэх, засах, шинэчлэх гэсэн гурван өөр үе шаттайгаар үзүүлэв.Ясны хугарал үүсэх үед үрэвслийн эсүүд болон фибробластууд нь хугарсан яс руу нэвтэрч, судасны эдэд ургаж эхэлдэг.Засварын үе шатанд судасны эд эсийн дотогш ургах нь хугарлын талбайн ойролцоо тархдаг.Судасны эд нь каллус гэж нэрлэгддэг шинэ ясыг үүсгэх шим тэжээлээр хангадаг.Ясны эдгэрэлтийн эцсийн шат нь сэргээн засварлах үе шат бөгөөд идэвхжүүлсэн остеокластуудын түвшинг нэмэгдүүлснээр каллусын хэмжээ хэвийн ясны хэмжээ хүртэл буурдаг (59).Бүлэг тус бүр дэх каллус үүсэх түвшний ялгааг ажиглахын тулд микро-CT сканнерыг ашиглан хугарлын талбайг гурван хэмжээст (3D) сэргээн засварлав.Хагарсан ясыг тойрсон ясны зузааныг ажиглахын тулд гуяны ясны хөндлөн огтлолыг ажиглана (Зураг 6, B, C).Бүлэг тус бүрийн ясны нөхөн төлжилтийн янз бүрийн үйл явцыг ажиглахын тулд долоо хоног бүр бүх бүлгийн хугарлын газрыг рентген туяагаар шалгасан (Зураг S9).Каллус болон боловсорч гүйцсэн ясыг хөх/ногоон, зааны ясан өнгөөр ​​тус тус үзүүлэв.Ихэнх зөөлөн эдийг урьдчилан тогтоосон босгогоор шүүдэг.Нүцгэн эерэг ба SHP нь хугарлын талбайн эргэн тойронд бага хэмжээний каллус үүссэнийг баталсан.Нөгөөтэйгүүр, LOIS-ийн ил гарсан сөрөг хэсэг болон хугарлын талбай нь зузаан каллусаар хүрээлэгдсэн байдаг.Микро-CT зураг нь нянгийн халдвар, халдвартай холбоотой үрэвсэлээс болж каллус үүсэхэд саад болж байгааг харуулсан.Учир нь дархлааны тогтолцоо нь ясыг нөхөн сэргээхээс илүүтэй халдвараас үүдэлтэй үрэвслээс үүдэлтэй септик гэмтлийг эдгээхийг чухалчилдаг (60).Остеокластын идэвхжил, ясны шингээлтийг ажиглахын тулд IHC болон Тартратын тэсвэртэй хүчил фосфатаза (TRAP) будалтыг хийсэн (Зураг 6D) (61).Нүцгэн эерэг ба SHP-ээс нил ягаан өнгөөр ​​будагдсан цөөн хэдэн идэвхжүүлсэн остеокласт олдсон.Нөгөөтэйгүүр, LOIS-ийн нүцгэн эерэг, боловсорсон ясны ойролцоо олон идэвхжүүлсэн остеокласт ажиглагдсан.Энэ үзэгдэл нь остеокласт байгаа тохиолдолд хугарлын талбайн эргэн тойронд каллус хүчтэй өөрчлөгддөг болохыг харуулж байна (62).Ясны хэмжээ болон ясны остеокластын илэрхийлэлийн талбайг бүх бүлгүүдийн хугарлын талбайн эргэн тойронд каллус үүсэх түвшинг харьцуулж, микро-CT скан болон IHC-ийн үр дүнг тодорхойлох зорилгоор хэмжсэн (Зураг 6E, 1, 2).Хүлээгдэж байсанчлан LOIS-ийн нүцгэн сөрөг болон каллус үүсэх нь бусад бүлгүүдээс хамаагүй өндөр байсан нь ясны эерэг өөрчлөлтийг харуулж байна (63).Зураг S10 нь мэс заслын талбайн оптик дүрс, шурагны ойролцоо цуглуулсан эд эсийн MT будгийн үр дүн, шураг-ясны интерфэйсийг онцолсон TRAP будалтын үр дүнг харуулж байна.Нүцгэн субстрат дээр хүчтэй каллус, фиброз үүсэх нь ажиглагдсан бол LOIS-ээр эмчилсэн суулгац нь харьцангуй наалдаагүй гадаргуутай байв.Үүний нэгэн адил, нүцгэн сөрөгтэй харьцуулахад LOIS суулгасан туулайнд бага фиброз ажиглагдсан бөгөөд үүнийг цагаан сумаар харуулсан байна.Нэмж дурдахад, хатуу хаван (цэнхэр сум) нь LOIS-ийн дархлаанаас зайлсхийх шинж чанартай холбоотой байж болох бөгөөд ингэснээр хүнд үрэвслийг бууруулдаг.Суулгацын эргэн тойронд наалддаггүй гадаргуу, фиброз багассан нь арилгах үйл явц нь илүү хялбар болохыг харуулж байгаа бөгөөд энэ нь ихэвчлэн бусад хугарал эсвэл үрэвслийг үүсгэдэг.Шургийг авсны дараа ясны эдгэрэлтийн процессыг шураг-ясны интерфэйс дэх остеокластын идэвхжилээр үнэлэв.Нүцгэн яс болон LOIS суулгацын интерфейс хоёулаа ясны эдгэрэлтийг сайжруулахын тулд ижил түвшний остеокластуудыг шингээсэн нь LOIS бүрхүүл нь ясны эдгэрэлт, дархлааны хариу урвалд сөрөг нөлөө үзүүлэхгүйг харуулж байна.LOIS дээр хийсэн гадаргуугийн өөрчлөлт нь ясны эдгэрэлтийн үйл явцад саад болохгүй гэдгийг батлахын тулд рентген шинжилгээгээр туулайн ясны эдгэрэлтийг ил гарсан сөрөг ион ба LOIS суулгацын 6 долоо хоногтой харьцуулсан (Зураг 6F).Үр дүн нь халдваргүй нүцгэн эерэг бүлэгтэй харьцуулахад LOIS нь ясны эдгэрэлтийн түвшин ижил байгааг харуулсан бөгөөд хоёр бүлэгт хугарлын тодорхой шинж тэмдэг (тасралтгүй остеолизийн шугам) илрээгүй байна.
(A) Ясны хугарлын дараа эдгэрэх үйл явцын бүдүүвч зураг.(B) Гадаргуугийн бүлэг тус бүрийн каллус үүсэх түвшний ялгаа ба (C) хугарлын талбайн хөндлөн огтлолын зураг.(D) Остеокластын үйл ажиллагаа болон ясны шингээлтийг дүрслэн харуулах TRAP будалт.TRAP-ийн идэвхжилд үндэслэн кортикал ясны гадаад каллус үүсэхийг (E) (1) микро-CT ба (2) остеокластын идэвхжилээр тоон байдлаар шинжилсэн.(F) Суулгацын дараа 6 долоо хоногийн дараа ил гарсан сөрөг (улаан тасархай тэгш өнцөгтөөр тодруулсан) болон LOIS (цэнхэр тасархай тэгш өнцөгтөөр тодруулсан) хугарсан ясны рентген зураг.Статистикийн шинжилгээг нэг талын дисперсийн шинжилгээгээр (ANOVA) хийсэн.* P <0.05.** P <0.01.
Товчхондоо, LOIS нь ортопед суулгацын эсрэг бактерийн эсрэг халдварын шинэ төрлийн стратеги, дархлааг хамгаалах бүрхүүлээр хангадаг.SHP-ийн үйл ажиллагаа бүхий уламжлалт ортопед суулгацууд нь богино хугацаанд биологийн бохирдлын эсрэг шинж чанартай байдаг ч удаан хугацааны туршид шинж чанараа хадгалж чаддаггүй.Субстратын супергидрофобик чанар нь бактери ба субстратын хооронд агаарын бөмбөлгийг барьж, улмаар агаарын халаас үүсгэж, улмаар бактерийн халдвараас сэргийлдэг.Гэсэн хэдий ч агаарын тархалтаас болж эдгээр агаарын халаасыг амархан арилгадаг.Нөгөөтэйгүүр, LOIS нь био хальстай холбоотой халдвараас урьдчилан сэргийлэх чадвартай гэдгээ нотолсон.Иймд давхаргын микро/нано бүтцийн гадаргууд тарьсан тосолгооны давхарга нь татгалзахаас хамгаалах шинж чанартай тул халдвартай холбоотой үрэвслээс урьдчилан сэргийлэх боломжтой.LOIS үйлдвэрлэлийн нөхцлийг оновчтой болгохын тулд SEM, AFM, XPS, CA хэмжилт зэрэг шинж чанарын янз бүрийн аргуудыг ашигладаг.Нэмж дурдахад LOIS-ийг PLGA, Ti, PE, POM, PPSU гэх мэт ортопедийн бэхэлгээний тоног төхөөрөмжид түгээмэл хэрэглэгддэг төрөл бүрийн биологийн материалд хэрэглэж болно.Дараа нь LOIS нь дархлааны хариу урвалтай холбоотой бактери, биологийн бодисуудын эсрэг биологийн бохирдлын эсрэг шинж чанарыг батлахын тулд in vitro туршилт хийсэн.Үр дүн нь нүцгэн суулгацтай харьцуулахад бактерийн эсрэг болон биологийн бохирдлын эсрэг маш сайн нөлөөтэй болохыг харуулж байна.Нэмж дурдахад, LOIS нь механик стрессийг хэрэглэсний дараа ч механик хүчийг харуулдаг бөгөөд энэ нь хуванцар мэс засал хийхээс зайлсхийх боломжгүй юм.Микро/нано бүтцийн гадаргуу дээрх тосолгооны материал нь өөрийгөө эдгээх шинж чанартай тул LOIS нь биологийн бохирдлын эсрэг шинж чанараа амжилттай хадгалж чадсан.LOIS-ийн био нийцтэй байдал, бактерийн эсрэг шинж чанарыг in vivo судлахын тулд 4 долоо хоногийн турш туулайн гуяны ясанд LOIS суулгасан.LOIS суулгасан туулайнд бактерийн халдвар илрээгүй.Нэмж дурдахад IHC-ийн хэрэглээ нь орон нутгийн дархлааны хариу урвалын түвшин буурч байгааг харуулсан нь LOIS нь ясны эдгэрэлтийн процессыг саатуулдаггүй болохыг харуулж байна.LOIS нь нянгийн эсрэг болон дархлааны эсрэг маш сайн шинж чанартай бөгөөд ортопедийн мэс заслын өмнө болон мэс заслын явцад, ялангуяа ясны синтезийн үед био хальс үүсэхээс үр дүнтэй сэргийлдэг нь батлагдсан.Туулайны ясны чөмөгний үрэвсэлт гуяны хугарлын загварыг ашиглан урьдчилан өсгөвөрлөсөн суулгацын улмаас үүссэн ясны эдгэрэлтийн процесст био хальстай холбоотой халдварын нөлөөг гүнзгий судалсан.Ирээдүйн судалгааны хувьд бүх эдгэрэлтийн явцад био хальстай холбоотой халдварыг бүрэн ойлгож, урьдчилан сэргийлэхийн тулд суулгацын дараа болзошгүй халдварыг судлах шинэ in vivo загвар шаардлагатай.Нэмж дурдахад osteoinduction нь LOIS-тэй нэгтгэхэд шийдэгдээгүй асуудал хэвээр байна.Сорилтыг даван туулахын тулд остеоиндукт эсийн сонгомол наалдац эсвэл нөхөн төлжих эмийг LOIS-тэй хослуулахын тулд нэмэлт судалгаа хийх шаардлагатай байна.Ерөнхийдөө LOIS нь SSI болон дархлааны гаж нөлөөг бууруулж чадах механик бат бөх, биологийн бохирдлын эсрэг маш сайн шинж чанартай, ирээдүйтэй ортопед суулгацыг төлөөлдөг.
15мм x 15мм x 1мм хэмжээтэй 304 SS субстратыг (Солонгос Dong Kang M-Tech Co.) ацетон, EtOH болон DI усаар 15 минутын турш угааж, бохирдуулагч бодисыг зайлуулна.Гадаргуу дээр микро/нано түвшний бүтцийг бий болгохын тулд цэвэрлэсэн субстратыг 48% -аас 51% HF уусмалд (DUKSAN Corp., Өмнөд Солонгос) 50 ° C температурт дүрнэ.Сийлбэр хийх хугацаа 0-60 минутын хооронд хэлбэлздэг.Дараа нь сийлсэн субстратыг ионгүйжүүлсэн усаар цэвэрлэж, 65% HNO3 (Korea DUKSAN Corp.) уусмалд 50°C температурт 30 минутын турш байрлуулж, гадаргуу дээр хромын ислийн идэвхгүй давхарга үүсгэв.Идэвхгүйжүүлсний дараа субстратыг ионгүйжүүлсэн усаар угааж хатааж, давхаргатай бүтэцтэй субстратыг авна.Дараа нь субстратыг хүчилтөрөгчийн плазмд (100 Вт, 3 минут) үзүүлж, 12 цагийн турш өрөөний температурт толуолд 8.88 мм POTS (Сигма-Алдрих, Герман) уусмалд нэн даруй дүрнэ.Дараа нь POTS-ээр бүрсэн субстратыг EtOH-ээр цэвэрлэж, нягт POTS SAM авахын тулд 150 ° C-т 2 цагийн турш хатаана.SAM бүрээсний дараа 20 мкм/см 2 ачааллын эзэлхүүнтэй перфторполиэтер тосолгооны материал (Krytox 101; DuPont, АНУ) түрхэж, тосолгооны материал давхарга үүссэн. Хэрэглэхийн өмнө тосолгооны материалыг 0.2 микрон шүүлтүүрээр шүүнэ.Илүүдэл тосолгооны материалыг 15 минутын турш 45 ° өнцгөөр хазайлгаж арилгана.Үүнтэй ижил үйлдвэрлэлийн процедурыг 304 SS (түгжих хавтан ба кортикал цоож боолт; Dong Kang M-Tech Co., Солонгос) хийсэн ортопед суулгацад ашигласан.Бүх ортопед суулгацууд нь туулайн гуяны геометрт тохирсон байдаг.
Субстрат болон ортопедийн суулгацын гадаргуугийн морфологийг хээрийн ялгаралтын SEM (Inspect F50, FEI, АНУ) болон AFM (XE-100, Park Systems, Өмнөд Солонгос) ашиглан шалгасан.Гадаргуугийн барзгар байдлыг (Ra, Rq) 20 мкм талбайг 20 мкм (n = 4) үржүүлэх замаар хэмждэг.Гадаргуугийн химийн найрлагад дүн шинжилгээ хийхэд 100μm2 спот хэмжээтэй Al Kα рентген туяаны эх үүсвэрээр тоноглогдсон XPS (PHI 5000 VersaProbe, ULVAC PHI, Япон) системийг ашигласан.Шингэн CA ба SA-г хэмжихийн тулд динамик зураг авах камер (SmartDrop, FEMTOBIOMED, ​​Өмнөд Солонгос) тоноглогдсон CA хэмжилтийн системийг ашигласан.Хэмжилт бүрт 6-10 мкл дусал (ионгүйжүүлсэн ус, адууны цус, EG, 30% этилийн спирт, HD) гадаргуу дээр байрлуулж, CA хэмжинэ.Субстратын хазайлтын өнцөг 2°/с (n = 4) хурдтай нэмэгдэхэд дусал унах үед SA хэмжинэ.
Pseudomonas aeruginosa [American Type Culture Collection (ATCC) 27853] болон MRSA (ATCC 25923)-ийг ATCC (Манас, Виржиниа, АНУ)-аас худалдан авсан бөгөөд нөөцийн өсгөвөрийг -80°C хэмд хадгалсан.Хэрэглэхийн өмнө хөлдөөсөн өсгөвөрийг трипсин гэсгээсэн шар буурцгийн шөлөнд (Комед, Солонгос) 18 цагийн турш 18 цагийн турш өсгөвөрлөж, идэвхжүүлэхийн тулд хоёр удаа шилжүүлэн суулгасан.Өсгөвөрлөсний дараа өсгөвөрийг 40С-т 10 минутын турш 10000 эрг / мин-д центрифуг хийж, PBS (рН 7.3) уусмалаар хоёр удаа угаана.Центрифугжүүлсэн өсгөвөрийг дараа нь цусны агар хавтан (BAP) дээр дэд өсгөвөрлөнө.MRSA болон Pseudomonas aeruginosa-г нэг шөнийн дотор бэлтгэж, Луриа-Бертани шөлөнд өсгөвөрлөв.Тарилга дахь Pseudomonas aeruginosa болон MRSA-ийн концентрацийг агар дээр цуваа шингэрүүлсэн суспензийн CFU-ээр тоон байдлаар тодорхойлсон.Дараа нь бактерийн концентрацийг 108 CFU/ml-тэй тэнцэх 0.5 Макфарландын стандартад тохируулна.Дараа нь ажиллаж байгаа бактерийн суспензийг 100 удаа 106 CFU / мл хүртэл шингэлнэ.Бактерийн эсрэг наалдамхай шинж чанарыг шалгахын тулд субстратыг хэрэглэхээс өмнө 15 минутын турш 121 хэмд ариутгасан.Дараа нь субстратыг 25 мл бактерийн суспенз рүү шилжүүлж, 12 ба 72 цагийн турш хүчтэй сэгсэрч (200 эрг / мин) 37 ° C-д өсгөвөрлөнө.Инкубацийн дараа субстрат бүрийг инкубатороос гаргаж аваад гадаргуу дээрх хөвөгч бактерийг арилгахын тулд PBS-ээр 3 удаа угаана.Субстрат дээрх био хальсыг ажиглахын тулд био хальсыг метанолоор бэхэлж, 1 мл кримидин жүржээр 2 минутын турш будсан.Дараа нь флюресцент микроскопоор (BX51TR, Olympus, Япон) будагдсан био хальсны зургийг авсан.Субстрат дээрх био хальсыг тодорхойлохын тулд бэхлэгдсэн эсүүдийг ирмэгийн эргүүлгийн аргаар субстратаас тусгаарласан бөгөөд энэ нь наалдсан бактерийг арилгах хамгийн тохиромжтой арга гэж үзсэн (n = 4).Ариутгасан хямсаа ашиглан ургалтын орчноос субстратыг зайлуулж, илүүдэл шингэнийг зайлуулахын тулд худгийн хавтанг товшино.Сул наалдсан эсийг ариутгасан PBS-ээр хоёр удаа угааж арилгасан.Дараа нь субстрат бүрийг 9 мл 0.1% уургийн давсны уусмал (PSW) болон 2 г 20-25 ариутгасан шилэн сувсыг (0.4-0.5 мм диаметртэй) агуулсан ариутгасан туршилтын хоолойд шилжүүлэв.Дараа нь дээжээс эсийг салгахын тулд 3 минутын турш эргүүлэв.Хуйвалдасны дараа суспензийг 0.1% PSW-ээр 10 дахин шингэлж, дараа нь шингэрүүлэлт бүрээс 0.1 мл-ийг BAP дээр тарьсан.37°С-т 24 цагийн инкубацийн дараа CFU-г гараар тоолсон.
Эсийн хувьд хулганы фибробластуудыг NIH/3T3 (CRL-1658; Америкийн ATCC) болон хулганы макрофаг RAW 264.7 (TIB-71; American ATCC) ашигласан.Хулганы фибробластыг өсгөвөрлөхийн тулд Dulbecco-ийн өөрчилсөн Eagle орчин (DMEM; LM001-05, Welgene, Солонгос) хэрэглэж, 10% тугалын ийлдэс (S103-01, Welgene) болон 1% пенициллин-стрептомицин (PS; LS202-02, Welgene) нэмнэ. DMEM-ийг 10%-ийн ургийн сийвэн (S001-01, Welgene) болон 1%-ийн PS-ээр баяжуулж өсгөвөрлөж, субстратыг зургаан цооногтой эсийн өсгөвөрлөх хавтанд хийж, эсийг 105 эс/см2-д тарина. Эсийг 37°C температурт, 5%-ийн CO2-ийн температурт нэг шөнийн турш өсгөвөрлөсөн бөгөөд эсийг 4% параформальдегидээр 20 минутын турш тогтоон, 0.5% Triton X-д 5 минутын турш -100 нМ тетраметилродаминд дүрнэ 37°C-т 30 минутын турш инкубацийн процессын дараа 4′,6-диамин-2-фенилиндол (H -1200, Vector Laboratories, UK) бүхий субстратыг ашиглана (нэг эсэд n = 4). , флуоресцеин, флуоресцеин изотиоцианат-альбумин (A9771, Сигма-Алдрих, Герман) ба хүний ​​сийвэн Alexa Fluor 488-тэй холбосон фибриноген (F13191, Invitrogen, АНУ) нь PBS (10 mM, pH7) -д ууссан.Альбумин ба фибриногений концентраци нь 1 ба 150 мкг/мл байв.Субстратын дараа Уургийн уусмалд дүрэхийн өмнө гадаргууг дахин чийгшүүлэхийн тулд тэдгээрийг PBS-ээр зайлж угаана.Дараа нь бүх субстратыг уургийн уусмал агуулсан зургаан цооногийн хавтанд дүрж, 37°С-т 30 ба 90 минутын турш өсгөвөрлөнө.Инкубацийн дараа субстратыг уургийн уусмалаас салгаж, PBS-ээр 3 удаа зөөлөн угааж, 4% параформальдегидээр (уураг тус бүрд n = 4) бэхэлсэн.Кальцийн хувьд натрийн хлорид (0.21 М) ба калийн фосфат (3.77 мМ) ) ионгүйжүүлсэн усанд ууссан.Уусмалын рН-ийг гидрохлоридын уусмал (1М) нэмснээр 2.0 болгож тохируулсан.Дараа нь кальцийн хлорид (5.62 мм) уусмалд ууссан.1M tris(hydroxymethyl)-amino-г нэмснээр метан нь уусмалын рН-ийг 7.4 болгож тохируулна.Бүх субстратыг 1.5 × кальцийн фосфатын уусмалаар дүүргэсэн зургаан цооногийн хавтанд дүрж, 30 минутын дараа уусмалаас зайлуулна.Будгийн хувьд 2 г Ализарин Улаан S (CI 58005) 100 мл ионгүйжүүлсэн усаар холино.Дараа нь 10% аммонийн гидроксидыг ашиглан рН-ийг 4 болгож тохируулна. 5 минутын турш субстратыг Ализарины улаан уусмалаар будаж, дараа нь илүүдэл будгийг сэгсэрч, толбо хийнэ.Сэгсрэх процессын дараа субстратыг зайлуулна.Материалыг усгүйжүүлж, дараа нь ацетон дотор 5 минутын турш дүрж, дараа нь ацетон-ксилол (1: 1) уусмалд 5 минутын турш дүрж, эцэст нь ксилолоор (n = 4) угаана.×10 ба ×20 объектив линз бүхий флюресцент микроскопыг (Axio Imager) ашигладаг..A2m, Zeiss, Герман) бүх субстратыг дүрсэлсэн.ImageJ/FIJI (https://imagej.nih.gov/ij/)-ийг дөрвөн өөр дүрслэлийн талбайн бүлэг тус бүр дээр биологийн бодисын наалдацын өгөгдлийн хэмжээг тодорхойлоход ашигласан.Бүх зургийг субстратыг харьцуулахын тулд тогтмол босго бүхий хоёртын дүрс рүү хөрвүүлнэ.
Zeiss LSM 700 конфокал микроскопыг тусгалын горимд PBS дахь тосолгооны давхаргын тогтвортой байдлыг хянахад ашигласан.Тарилгын тосолгооны давхарга бүхий фторын суурьтай SAM бүрсэн шилэн дээжийг PBS уусмалд дүрж, бага зэргийн сэгсрэх нөхцөлд (120 эрг/мин) тойрог замын сэгсрэгч (SHO-1D; Daihan Scientific, Өмнөд Солонгос) ашиглан туршсан.Дараа нь дээж авч, ойсон гэрлийн алдагдлыг хэмжих замаар тосолгооны материалын алдагдлыг хянана.Тусгалын горимд флюресценцийн дүрсийг авахын тулд дээжийг 633 нм лазерт өртөж, дараа нь цуглуулдаг, учир нь гэрэл нь дээжээс буцаж тусах болно.Дээжийг 0, 30, 60, 120 цагийн интервалаар хэмжсэн.
Гадаргууг өөрчлөх үйл явц нь ортопед суулгацын наномеханик шинж чанарт үзүүлэх нөлөөг тодорхойлохын тулд наноиндедионыг хэмжихэд гурван талт пирамид хэлбэртэй Берковичийн алмаазан үзүүрээр тоноглогдсон наноиндентер (TI 950 TriboIndenter, Hysitron, АНУ) ашигласан.Оргил ачаалал нь 10 мН, талбай нь 100μmx 100μm байна.Бүх хэмжилтийн хувьд ачих, буулгах хугацаа 10 секунд, доголын оргил ачааллын үед барих хугацаа 2 секунд байна.Таван өөр газраас хэмжилт хийж, дундажийг авна уу.Ачааллын дор механик бат бэхийн гүйцэтгэлийг үнэлэхийн тулд бүх нийтийн туршилтын машин (Instron 5966, Instron, АНУ) ашиглан хөндлөн гурван цэгийн гулзайлтын туршилтыг хийсэн.Субстрат нь ачаалал ихэссэнээр 10 Н/с тогтмол хурдтайгаар шахагдана.Bluehill Universal программ хангамжийг (n = 3) гулзайлтын модуль ба хамгийн их шахалтын дарамтыг тооцоолоход ашигласан.
Үйл ажиллагааны явц болон үйл ажиллагааны явцад үүссэн механик гэмтлийг дуурайхын тулд үйл ажиллагааны процессыг in vitro байдлаар гүйцэтгэсэн.Гуяны ясыг цаазалсан Шинэ Зеландын цагаан туулайнаас цуглуулсан.Гуяны ясыг цэвэрлэж, 4% параформальдегидээр 1 долоо хоног бэхэлсэн.Амьтны туршилтын аргад дурьдсанчлан тогтсон гуяны ясыг мэс заслын аргаар хийсэн.Хагалгааны дараа ортопедийн суулгацыг 10 секундын турш цусанд (морины цус, KISAN, Солонгос) дүрж, механик гэмтэл авсны дараа цусны наалдац үүссэн эсэхийг баталгаажуулсан (n = 3).
Шинэ Зеландын нийт 24 эр цагаан туулайг (3.0-3.5 кг жинтэй, дундаж нас 6 сартай) санамсаргүй байдлаар нүцгэн сөрөг, нүцгэн эерэг, SHP болон LOIS гэсэн дөрвөн бүлэгт хуваасан.Амьтныг хамарсан бүх процедурыг Байгууллагын Амьтдыг арчлах, ашиглах хорооны ёс зүйн стандартын дагуу гүйцэтгэсэн (IACUC батлагдсан, СОЛОНГОС-2017-0159).Ортопедийн суулгац нь хугарлыг бэхлэх зориулалттай таван цооногтой (урт 41 мм, өргөн 7 мм, зузаан 2 мм) цоожны хавтан ба кортикаль түгжих эрэг (урт 12 мм, диаметр 2.7 мм) зэргээс бүрдэнэ.Нүцгэн сөрөг бүлэгт ашигласан хавтан ба боолтыг эс тооцвол бүх хавтан ба боолтыг MRSA суспензэнд (106 CFU/мл) 12 цагийн турш өсгөвөрлөсөн.Нүцгэн-сөрөг бүлэг (n=6) нь халдварын эсрэг сөрөг хяналт болгон бактерийн суспензид өртөхгүйгээр нүцгэн гадаргуутай суулгацаар эмчилсэн.Нүцгэн эерэг бүлгийг (n = 6) халдварын эерэг хяналт болгон бактерийн нөлөөнд автсан нүцгэн гадаргуутай суулгацаар эмчилсэн.SHP бүлэг (n = 6) бактерийн нөлөөлөлд өртсөн SHP суулгацаар эмчилсэн.Эцэст нь LOIS бүлэгт бактерийн өртсөн LOIS суулгацаар эмчилсэн (n = 6).Бүх амьтдыг торонд байлгаж, их хэмжээний хоол, усаар хангадаг.Хагалгааны өмнө туулайг 12 цагийн турш өлсгөжээ.Амьтдыг булчинд ксилазин (5 мг/кг) тарьж, индукцийн зорилгоор паклитаксел (3 мг/кг) судсаар тарьж мэдээ алдуулав.Үүний дараа мэдээ алдуулалтыг хадгалахын тулд 2% изофлуран, 50% -аас 70% эмнэлгийн хүчилтөрөгч (урсгалын хурд 2 л/мин) амьсгалын системээр дамжуулна.Энэ нь гуяны хажуугийн яс руу шууд хандах замаар суулгадаг.Үс авч, арьсанд повидон-иодоор халдваргүйжүүлэлт хийсний дараа зүүн дунд гуяны гадна талд 6 см орчим зүсэлт хийсэн.Гуяны ясыг бүрхсэн булчингийн завсрыг нээснээр гуяны яс бүрэн ил гардаг.Хавтанг гуяны голын урд байрлуулж, дөрвөн боолтоор бэхлэнэ.Бэхэлгээ хийсний дараа хөрөөний ир (1 мм зузаантай) ашиглан хоёр дахь нүх ба дөрөв дэх нүхний хоорондох хэсэгт ан цавыг зохиомлоор үүсгэнэ.Хагалгааны төгсгөлд шархыг давсны уусмалаар угааж, оёдолоор битүүмжилсэн.Туулай тус бүрд физиологийн уусмалд гуравны нэгээр шингэлсэн энрофлоксациныг (5 мг/кг) арьсан дор тарьсан.Хагалгааны дараах гуяны ясны рентген зургийг бүх амьтдад (0, 7, 14, 21, 28, 42 хоног) авч ясны остеотомитой эсэхийг баталгаажуулсан.Гүн мэдээ алдуулалтын дараа бүх амьтдыг 28, 42 хоногт судсаар KCl (2 ммоль/кг) тарьж устгасан.Цаазаар авсны дараа гуяны ясыг микро-CT-ээр шалгаж, дөрвөн бүлгийн хооронд ясны эдгэрэлт, шинэ яс үүсэхийг ажиглаж, харьцуулсан.
Гүйцэтгэлийн дараа ортопедийн суулгацтай шууд харьцдаг зөөлөн эдийг цуглуулсан.Эд эсийг 10% саармагжуулсан формалинд шөнийн турш бэхлээд дараа нь EtOH-д усгүйжүүлсэн.Хуурайшсан эдийг парафинд хийж, микротом (400CS; EXAKT, Герман) ашиглан 40 μм зузаантай хэсэгчилсэн.Халдварыг нүдээр харуулахын тулд H&E будалт, MT будалт хийсэн.Эзэмшигчдийн хариу урвалыг шалгахын тулд зүссэн эдийг туулайн анти-TNF-α анхдагч эсрэгбие (AB6671, Abcam, АНУ) болон туулайн эсрэг IL-6 (AB6672; Abcam, USA) -аар өсгөвөрлөж, дараа нь тунхууны аргаар эмчилсэн.Оксидаза.Авидин-биотины цогцолбор (ABC) будгийн системийг үйлдвэрлэгчийн зааврын дагуу хэсгүүдэд хэрэглэнэ.Бор урвалын бүтээгдэхүүн болохын тулд бүх хэсэгт 3,3-диаминобензидин ашигласан.Бүх зүсмэлүүдийг дүрслэхийн тулд дижитал слайд сканнер (Pannoramic 250 Flash III, 3DHISTECH, Унгар) ашигласан бөгөөд бүлэг тус бүрт дор хаяж дөрвөн субстратыг ImageJ програм хангамжаар шинжилсэн.
Хагалгааны дараа бүх амьтдад рентген зураг авч, хугарлын эдгэрэлтийг хянах зорилгоор долоо хоног бүр (нэг бүлэгт n=6).Гүйцэтгэлийн дараа өндөр нарийвчлалтай микро-CT ашиглан эдгэрсний дараа гуяны эргэн тойронд каллус үүсэхийг тооцоолсон.Олж авсан гуяны ясыг цэвэрлэж, 4% параформальдегид 3 хоногийн турш бэхэлж, 75% этилийн спиртээр усгүйжүүлсэн.Дараа нь усгүйжүүлсэн ясыг микро-CT (SkyScan 1173, Brooke Micro-CT, Канди, Бельги) ашиглан сканердаж, ясны дээжээс 3D воксел дүрсийг (2240×2240 пиксел) гаргаж авсан.Дохионы чимээ шуугианыг багасгахын тулд 1.0 мм-ийн Al шүүлтүүрийг ашиглан бүх сканнерд өндөр нарийвчлалыг хэрэглэнэ (E = 133 kVp, I = 60 μA, нэгтгэх хугацаа = 500 мс).Nrecon програм хангамжийг (хувилбар 1.6.9.8, Bruker microCT, Kontich, Бельги) олж авсан 2 хэмжээст хажуугийн проекцоос сканнердсан дээжийн 3 хэмжээст хэмжээг гаргахад ашигласан.Шинжилгээний хувьд 3D дахин бүтээгдсэн зургийг хугарлын талбайн дагуу 10мм × 10 мм × 10 мм шоо болгон хуваана.Кортикал ясны гаднах каллусыг тооцоол.DataViewer (хувилбар 1.5.1.2; Bruker microCT, Kontich, Бельги) программ хангамжийг сканнердсан ясны хэмжээг дижитал байдлаар дахин чиглүүлэх, CT-Analyzer (хувилбар 1.14.4.1; Bruker microCT, Kontich, Бельги) программыг шинжилгээнд ашигласан.Боловсорч гүйцсэн яс болон каллусын харьцангуй рентген шингээлтийн коэффициентийг нягтралаар нь ялгаж, дараа нь каллусын эзлэхүүнийг (n = 4) тодорхойлно.LOIS-ийн био нийцтэй байдал нь ясны эдгэрэлтийг удаашруулдаггүй гэдгийг батлахын тулд нүцгэн сөрөг ба LOIS бүлэг гэсэн хоёр туулайнд нэмэлт рентген болон микро-CT шинжилгээг хийсэн.Хоёр бүлэг 6 дахь долоо хоногт цаазлагдсан.
Тахилын малын гуяны ясыг цуглуулж 4%-ийн параформальдегидэд 3 хоног бэхэлсэн.Дараа нь ортопед суулгацыг гуяны яснаас болгоомжтой арилгана.Гуяны ясыг 0.5 М EDTA (EC-900, National Diagnostics Corporation) ашиглан 21 хоногийн турш шохойгүйжүүлсэн.Дараа нь шохойгүйжүүлсэн гуяны ясыг EtOH-д дүрж усгүйжүүлсэн.Хуурайшсан гуяны ясыг ксилолд зайлуулж, парафинд шингээсэн.Дараа нь дээжийг 3 мкм зузаантай автомат эргэлтэт микротомоор (Leica RM2255, Leica Biosystems, Герман) хэрчсэн.TRAP будгийн хувьд (F6760, Сигма-Алдрих, Герман) зүсэгдсэн дээжийг парафинжуулж, шингэнийг нь сэргээж, TRAP урвалжид 37°С-т 1 цагийн турш өсгөвөрлөсөн.Зургийг слайд сканнер (Pannoramic 250 Flash III, 3DHISTECH, Унгар) ашиглан авч, будагдсан хэсгийн хамрах хүрээг хэмжих замаар тоон хэмжээг тодорхойлсон.Туршилт бүрт бүлэг тус бүрт дор хаяж дөрвөн субстратыг ImageJ программ хангамжаар шинжилсэн.
Статистикийн ач холбогдлын шинжилгээг GraphPad Prism (GraphPad Software Inc., АНУ) ашиглан хийсэн.Үнэлгээний бүлгүүдийн хоорондын ялгааг шалгахын тулд хосгүй t-тест ба нэг талын дисперсийн шинжилгээ (ANOVA) ашигласан.Ач холбогдлын түвшинг зурагт дараах байдлаар харуулав: *P<0.05, **P<0.01, ***P<0.001 ба ****P<0.0001;NS, мэдэгдэхүйц ялгаа байхгүй.
Энэ нийтлэлийн нэмэлт материалыг http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/44/eabb0025/DC1 үзнэ үү.
Энэ бол Creative Commons Attribution-Арилжааны бус лицензийн нөхцлийн дагуу түгээгдсэн нээлттэй хандалттай нийтлэл бөгөөд арилжааны зорилгоор ашиглахгүй, эх хувь нь гэсэн үндэслэлтэй бол ямар ч хэвлэл мэдээллийн хэрэгслээр ашиглах, түгээх, хуулбарлахыг зөвшөөрдөг. ажил зөв.Лавлагаа.
Тайлбар: Энэ хуудсанд санал болгож буй хүн таныг имэйлийг харахыг хүсэж байгаа бөгөөд энэ имэйл нь спам биш гэдгийг мэдэхийн тулд бид зөвхөн имэйл хаягаа өгөхийг танаас хүсч байна.Бид ямар ч имэйл хаяг авахгүй.
Энэ асуултыг таныг хүн зочин мөн эсэхийг шалгах, автоматаар спам илгээхээс сэргийлэх зорилгоор ашигладаг.
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
Ортопедийн суулгацын бактерийн эсрэг болон дархлааны хамгаалалтын бүрхүүл нь халдвараас үүдэлтэй халдвар, дархлааны хариу урвалыг бууруулж чадна.
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
Ортопедийн суулгацын бактерийн эсрэг болон дархлааны хамгаалалтын бүрхүүл нь халдвараас үүдэлтэй халдвар, дархлааны хариу урвалыг бууруулж чадна.
©2021 Америкийн шинжлэх ухааны дэвшлийн нийгэмлэг.бүх эрх хуулиар хамгаалагдсан.AAAS нь HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef, COUNTER хамтлагуудын түнш юм.ScienceAdvances ISSN 2375-2548.