ऑर्थोपेडिक इम्प्लांट शस्त्रक्रिया करणाऱ्या रूग्णांसाठी, जीवाणूजन्य संसर्ग आणि संसर्ग-प्रेरित रोगप्रतिकारक प्रतिसाद नेहमीच जीवघेणा धोका असतो.पारंपारिक जैविक सामग्री जैविक दूषित होण्यास संवेदनाक्षम असतात, ज्यामुळे जिवाणू जखमी क्षेत्रावर आक्रमण करतात आणि पोस्टऑपरेटिव्ह संसर्गास कारणीभूत ठरतात.त्यामुळे, ऑर्थोपेडिक इम्प्लांटसाठी अँटी-इन्फेक्शन आणि इम्यून एस्केप कोटिंग विकसित करण्याची तातडीने गरज आहे.येथे, आम्ही ल्युब्रिकेटेड ऑर्थोपेडिक इम्प्लांट सरफेस (LOIS) नावाचे ऑर्थोपेडिक इम्प्लांटसाठी पृष्ठभाग सुधारण्याचे तंत्रज्ञान विकसित केले आहे, जे पिचर प्लांट पिचरच्या गुळगुळीत पृष्ठभागाद्वारे प्रेरित आहे.LOIS मध्ये विविध प्रकारचे द्रव आणि जैविक पदार्थ (पेशी, प्रथिने, कॅल्शियम आणि बॅक्टेरियासह) दीर्घकाळ टिकणारे आणि मजबूत द्रव प्रतिकारशक्ती आहे.याव्यतिरिक्त, इन विट्रो शस्त्रक्रियेदरम्यान अपरिहार्य नुकसानाचे अनुकरण करून आम्ही स्क्रॅच आणि फिक्सिंग फोर्सविरूद्ध यांत्रिक टिकाऊपणाची पुष्टी केली.ससा बोन मॅरो इन्फ्लॅमेटरी फेमोरल फ्रॅक्चर मॉडेलचा वापर LOIS च्या अँटी-बायोलॉजिकल स्केलिंग आणि अँटी-इन्फेक्शन क्षमतेचा सखोल अभ्यास करण्यासाठी केला गेला.आमची कल्पना आहे की LOIS, ज्यामध्ये बायोफॉलिंग-विरोधी गुणधर्म आणि यांत्रिक टिकाऊपणा आहे, हे संक्रमण-मुक्त ऑर्थोपेडिक शस्त्रक्रियेसाठी एक पाऊल आहे.
आज, एकूणच वृद्धत्वामुळे, ऑर्थोपेडिक रोगांनी (जसे की वृद्ध फ्रॅक्चर, डीजनरेटिव्ह संयुक्त रोग आणि ऑस्टियोपोरोसिस) ग्रस्त रुग्णांची संख्या खूप वाढली आहे (1, 2).म्हणून, वैद्यकीय संस्था ऑर्थोपेडिक शस्त्रक्रियेला खूप महत्त्व देतात, ज्यामध्ये स्क्रू, प्लेट्स, नखे आणि कृत्रिम सांधे (3, 4) च्या ऑर्थोपेडिक रोपण समाविष्ट आहेत.तथापि, पारंपारिक ऑर्थोपेडिक प्रत्यारोपण जीवाणू आसंजन आणि बायोफिल्म निर्मितीसाठी संवेदनाक्षम असल्याचे नोंदवले गेले आहे, ज्यामुळे शस्त्रक्रियेनंतर सर्जिकल साइट इन्फेक्शन (SSI) होऊ शकते (5, 6).ऑर्थोपेडिक इम्प्लांटच्या पृष्ठभागावर बायोफिल्म तयार झाल्यानंतर, प्रतिजैविकांच्या मोठ्या डोसच्या वापरासह बायोफिल्म काढून टाकणे अत्यंत कठीण होते.त्यामुळे, हे सहसा गंभीर पोस्टऑपरेटिव्ह संक्रमण (7, 8) ठरतो.वरील समस्यांमुळे, संक्रमित इम्प्लांट्सच्या उपचारांमध्ये सर्व रोपण आणि आसपासच्या ऊती काढून टाकण्यासह, पुन्हा ऑपरेशन समाविष्ट केले पाहिजे;म्हणून, रुग्णाला तीव्र वेदना आणि काही धोके सहन करावे लागतील (9, 10).
यापैकी काही समस्यांचे निराकरण करण्यासाठी, पृष्ठभागाशी संलग्न बॅक्टेरिया (11, 12) नष्ट करून संसर्ग टाळण्यासाठी औषध-इल्युटिंग ऑर्थोपेडिक रोपण विकसित केले गेले आहेत.तथापि, धोरण अजूनही अनेक मर्यादा दर्शविते.असे नोंदवले गेले आहे की ड्रग-इल्युटिंग इम्प्लांट्सच्या दीर्घकालीन रोपणामुळे आसपासच्या ऊतींचे नुकसान झाले आहे आणि जळजळ झाली आहे, ज्यामुळे नेक्रोसिस (13, 14) होऊ शकते.याव्यतिरिक्त, ऑर्थोपेडिक इम्प्लांट्सच्या उत्पादन प्रक्रियेनंतर अस्तित्वात असलेले सेंद्रिय सॉल्व्हेंट्स, ज्यांना यूएस फूड अँड ड्रग ॲडमिनिस्ट्रेशनने कठोरपणे प्रतिबंधित केले आहे, त्यांच्या मानकांची पूर्तता करण्यासाठी अतिरिक्त शुद्धीकरण चरणांची आवश्यकता आहे (15).ड्रग-इल्युटिंग इम्प्लांट औषधांच्या नियंत्रित प्रकाशनासाठी आव्हानात्मक आहेत आणि त्यांच्या मर्यादित औषध लोडिंगमुळे, औषधाचा दीर्घकालीन वापर व्यवहार्य नाही (16).
जैविक पदार्थ आणि जीवाणूंना पृष्ठभागावर चिकटून राहण्यापासून रोखण्यासाठी प्रत्यारोपणाला अँटीफॉलिंग पॉलिमरने कोट करणे ही दुसरी सामान्य रणनीती आहे (17).उदाहरणार्थ, प्लाझ्मा प्रथिने, पेशी आणि बॅक्टेरिया यांच्या संपर्कात असताना zwitterionic पॉलिमरने त्यांच्या चिकट नसलेल्या गुणधर्मांमुळे लक्ष वेधून घेतले आहे.तथापि, दीर्घकालीन स्थिरता आणि यांत्रिक टिकाऊपणाशी संबंधित काही मर्यादा आहेत, जे ऑर्थोपेडिक इम्प्लांट्समध्ये त्याच्या व्यावहारिक वापरास अडथळा आणतात, विशेषत: शस्त्रक्रिया प्रक्रियेदरम्यान यांत्रिक स्क्रॅपिंगमुळे (18, 19).याव्यतिरिक्त, त्याच्या उच्च जैव-संगततेमुळे, काढून टाकण्याच्या शस्त्रक्रियेची आवश्यकता नसल्यामुळे आणि गंजाद्वारे पृष्ठभाग साफ करण्याच्या गुणधर्मांमुळे, बायोडिग्रेडेबल सामग्रीपासून बनविलेले ऑर्थोपेडिक रोपण वापरले गेले (20, 21).गंज दरम्यान, पॉलिमर मॅट्रिक्समधील रासायनिक बंध तुटलेले आणि पृष्ठभागापासून वेगळे केले जातात आणि अनुयायी पृष्ठभाग स्वच्छ करतात.तथापि, पृष्ठभागाच्या स्वच्छतेमुळे अँटी-बायोलॉजिकल फाऊलिंग कमी कालावधीत प्रभावी ठरते.याव्यतिरिक्त, पॉली(लॅक्टिक ॲसिड-ग्लायकोलिक ॲसिड कॉपॉलिमर) (PLGA), पॉलीलेक्टिक ॲसिड (PLA) आणि मॅग्नेशियम-आधारित मिश्रधातूंसह बहुतेक शोषण्यायोग्य पदार्थ शरीरात असमान बायोडिग्रेडेशन आणि इरोशनला सामोरे जातील, ज्यामुळे यांत्रिक स्थिरतेवर नकारात्मक परिणाम होईल.(बावीस).याव्यतिरिक्त, बायोडिग्रेडेबल प्लेटचे तुकडे जीवाणूंना जोडण्यासाठी एक जागा प्रदान करतात, ज्यामुळे दीर्घकाळ संसर्ग होण्याची शक्यता वाढते.यांत्रिक ऱ्हास आणि संसर्गाचा हा धोका प्लास्टिक सर्जरीच्या व्यावहारिक वापरास मर्यादित करतो (23).
सुपरहाइड्रोफोबिक (SHP) पृष्ठभाग जे कमळाच्या पानांच्या श्रेणीबद्ध संरचनेची नक्कल करतात ते अँटी-फाउलिंग पृष्ठभागांसाठी संभाव्य उपाय बनले आहेत (24, 25).जेव्हा SHP पृष्ठभाग द्रव मध्ये बुडविले जाते, तेव्हा हवेचे बुडबुडे अडकतात, ज्यामुळे हवेचे कप्पे तयार होतात आणि बॅक्टेरियाला चिकटून राहण्यास प्रतिबंध होतो (26).तथापि, अलीकडील अभ्यासातून असे दिसून आले आहे की SHP पृष्ठभागावर यांत्रिक टिकाऊपणा आणि दीर्घकालीन स्थिरतेशी संबंधित तोटे आहेत, जे वैद्यकीय प्रत्यारोपणामध्ये त्याच्या वापरास अडथळा आणतात.शिवाय, एअर पॉकेट्स विरघळतील आणि त्यांचे अँटी-फाउलिंग गुणधर्म गमावतील, अशा प्रकारे SHP पृष्ठभागाच्या मोठ्या पृष्ठभागामुळे (27, 28) विस्तृत बॅक्टेरिया चिकटून राहतील.अलीकडे, आयझेनबर्ग आणि सहकाऱ्यांनी नेपेंथेस पिचर प्लांट (29, 30) द्वारे प्रेरित गुळगुळीत पृष्ठभाग विकसित करून अँटी-बायोफोलिंग पृष्ठभाग कोटिंगची एक अभिनव पद्धत सादर केली.गुळगुळीत पृष्ठभाग हायड्रॉलिक परिस्थितीत दीर्घकालीन स्थिरता दर्शविते, जैविक द्रवपदार्थांसाठी अत्यंत द्रव तिरस्करणीय आहे आणि स्वत: ची दुरुस्ती करण्याचे गुणधर्म आहेत.तथापि, जटिल-आकाराच्या वैद्यकीय रोपणावर कोटिंग लावण्याची कोणतीही पद्धत नाही किंवा इम्प्लांटेशननंतर खराब झालेल्या ऊतींच्या बरे होण्याच्या प्रक्रियेस समर्थन देणारी सिद्ध झालेली नाही.
येथे, आम्ही ल्युब्रिकेटेड ऑर्थोपेडिक इम्प्लांट पृष्ठभाग (LOIS), एक सूक्ष्म/नॅनो-स्ट्रक्चर्ड ऑर्थोपेडिक इम्प्लांट पृष्ठभाग सादर करतो आणि प्लास्टिक सर्जरीशी संबंधित जीवाणू संसर्ग, जसे की फ्रॅक्चर फिक्सेशनशी संबंधित होण्यापासून रोखण्यासाठी पातळ वंगण थराने घट्टपणे एकत्र केले आहे.फ्लोरिन-फंक्शनल मायक्रो/नॅनो-लेव्हल स्ट्रक्चर स्ट्रक्चरवर वंगण घट्टपणे फिक्स करत असल्यामुळे, विकसित LOIS विविध द्रव्यांचे आसंजन पूर्णपणे दूर करू शकते आणि अँटी-फाउलिंग कार्यप्रदर्शन दीर्घकाळ टिकवून ठेवू शकते.LOIS कोटिंग्ज हाडांच्या संश्लेषणाच्या उद्देशाने विविध आकारांच्या सामग्रीवर लागू केल्या जाऊ शकतात.बायोफिल्म बॅक्टेरिया [स्यूडोमोनास एरुगिनोसा आणि मेथिसिलिन-प्रतिरोधक स्टॅफिलोकोकस ऑरियस (MRSA)] आणि जैविक पदार्थ (पेशी, प्रथिने आणि कॅल्शियम) विरुद्ध LOIS चे उत्कृष्ट अँटी-बायोफॉलिंग गुणधर्म विट्रोमध्ये पुष्टी केली गेली आहेत.सब्सट्रेटला विस्तृत आसंजनाचा आसंजन दर 1% पेक्षा कमी आहे.याव्यतिरिक्त, पृष्ठभागावर स्क्रॅचिंग सारख्या यांत्रिक तणावानंतरही, भेदक वंगणामुळे होणारे स्वत: ची उपचार हे त्याचे अँटी-फाउलिंग गुणधर्म राखण्यास मदत करते.यांत्रिक टिकाऊपणा चाचणी परिणाम दर्शविते की संरचनात्मक आणि रासायनिक बदलानंतरही, एकूण ताकद लक्षणीयरीत्या कमी होणार नाही.याव्यतिरिक्त, LOIS प्लास्टिक शस्त्रक्रियेदरम्यान उद्भवणाऱ्या विविध यांत्रिक ताणांना तोंड देऊ शकते हे सिद्ध करण्यासाठी सर्जिकल वातावरणातील यांत्रिक तणावाचे अनुकरण करणारा इन विट्रो प्रयोग करण्यात आला.शेवटी, आम्ही विवो फेमोरल फ्रॅक्चर मॉडेलमध्ये ससा-आधारित वापरला, ज्याने हे सिद्ध केले की LOIS मध्ये उत्कृष्ट बॅक्टेरियाच्या वाढीस प्रतिबंध करणारा पदार्थ गुणधर्म आणि बायोकॉम्पॅटिबिलिटी आहे.रेडिओलॉजिकल आणि हिस्टोलॉजिकल परिणामांनी पुष्टी केली की इम्प्लांटेशननंतर 4 आठवड्यांच्या आत स्थिर स्नेहक वर्तन आणि अँटी-बायोफॉलिंग गुणधर्म हाडांच्या बरे होण्याच्या प्रक्रियेस विलंब न करता प्रभावी अँटी-इन्फेक्शन आणि रोगप्रतिकारक बचाव कार्यप्रदर्शन साध्य करू शकतात.
आकृती 1A विकसित LOIS चे एक योजनाबद्ध आकृती दर्शवते, जे त्याच्या उत्कृष्ट अँटी-बायोलॉजिकल फाउलिंग आणि अँटी-इन्फेक्शन गुणधर्मांची पुष्टी करण्यासाठी सशाच्या फेमोरल फ्रॅक्चर मॉडेलमध्ये सूक्ष्म/नॅनो-स्केल स्ट्रक्चर्ससह रोपण केले जाते.वॉटर पॉट प्लांटच्या पृष्ठभागाचे अनुकरण करण्यासाठी आणि पृष्ठभागाच्या सूक्ष्म/नॅनो रचनेमध्ये स्नेहक थर समाविष्ट करून बायोफौलिंगला प्रतिबंध करण्यासाठी बायोमिमेटिक पद्धत केली जाते.वंगण टोचलेल्या पृष्ठभागामुळे जैविक पदार्थ आणि पृष्ठभाग यांच्यातील संपर्क कमी होऊ शकतो.म्हणून, पृष्ठभागावर स्थिर रासायनिक बंध तयार झाल्यामुळे, त्यात उत्कृष्ट अँटीफॉलिंग कार्यक्षमता आणि दीर्घकालीन स्थिरता आहे.परिणामी, स्नेहन पृष्ठभागाच्या जैव-विरोधी गुणधर्मांमुळे बायोमेडिकल संशोधनामध्ये विविध व्यावहारिक अनुप्रयोगांना अनुमती मिळते.तथापि, हा विशेष पृष्ठभाग शरीरात कसा संवाद साधतो यावर विस्तृत संशोधन अद्याप पूर्ण झालेले नाही.अल्ब्युमिन आणि बायोफिल्म बॅक्टेरिया वापरून विट्रोमधील नग्न सब्सट्रेट्सशी LOIS ची तुलना करून, LOIS च्या गैर-चिकटपणाची पुष्टी केली जाऊ शकते (आकृती 1B).याव्यतिरिक्त, कलते बेअर सब्सट्रेट आणि LOIS सब्सट्रेट (आकृती S1 आणि Movie S1) वरील पाण्याचे थेंब रोल ऑफ करून, जैविक दूषिततेची कार्यक्षमता दर्शविली जाऊ शकते.फ्लोरोसेन्स मायक्रोस्कोप इमेजमध्ये दाखवल्याप्रमाणे, प्रथिने आणि बॅक्टेरियाच्या निलंबनात उष्मायन केलेल्या उघडलेल्या सब्सट्रेटने पृष्ठभागावर मोठ्या प्रमाणात जैविक सामग्री चिकटलेली दिसली.तथापि, त्याच्या उत्कृष्ट अँटी-बायोफौलिंग गुणधर्मांमुळे, LOIS क्वचितच कोणतेही प्रतिदीप्ति प्रदर्शित करते.त्याच्या अँटी-बायोफॉलिंग आणि अँटी-इन्फेक्शन गुणधर्मांची पुष्टी करण्यासाठी, हाडांच्या संश्लेषणासाठी (प्लेट्स आणि स्क्रू) ऑर्थोपेडिक इम्प्लांटच्या पृष्ठभागावर LOIS लागू केले गेले आणि ससा फ्रॅक्चर मॉडेलमध्ये ठेवले.रोपण करण्यापूर्वी, नग्न ऑर्थोपेडिक इम्प्लांट आणि LOIS 12 तासांसाठी बॅक्टेरियाच्या निलंबनात उबवले गेले.प्री-इन्क्युबेशन हे सुनिश्चित करते की तुलनेसाठी उघड इम्प्लांटच्या पृष्ठभागावर बायोफिल्म तयार होतो.आकृती 1C इम्प्लांटेशनच्या 4 आठवड्यांनंतर फ्रॅक्चर साइटचा फोटो दाखवते.डावीकडे, बेअर ऑर्थोपेडिक इम्प्लांट असलेल्या एका सशाने इम्प्लांटच्या पृष्ठभागावर बायोफिल्म तयार केल्यामुळे जळजळ होण्याची तीव्र पातळी दिसून आली.LOIS सह रोपण केलेल्या सशांमध्ये उलट परिणाम दिसून आला, म्हणजेच LOIS च्या आसपासच्या ऊतींमध्ये संसर्गाची चिन्हे किंवा जळजळ होण्याची चिन्हे नाहीत.याव्यतिरिक्त, डावीकडील ऑप्टिकल प्रतिमा उघड इम्प्लांटसह सशाची सर्जिकल साइट दर्शवते, हे दर्शवते की उघड इम्प्लांटच्या पृष्ठभागावर LOIS च्या पृष्ठभागावर कोणतेही एकाधिक चिकटवता आढळले नाहीत.यावरून असे दिसून येते की LOIS मध्ये दीर्घकालीन स्थिरता आहे आणि त्याचे अँटी-बायोलॉजिकल फॉलिंग आणि अँटी-आसंजन गुणधर्म राखण्याची क्षमता आहे.
(A) LOIS चे योजनाबद्ध आकृती आणि सशाच्या फेमोरल फ्रॅक्चर मॉडेलमध्ये त्याचे रोपण.(ब) उघड्या पृष्ठभागावर आणि LOIS सब्सट्रेटवर प्रथिने आणि बॅक्टेरियल बायोफिल्मची फ्लोरोसेन्स मायक्रोस्कोपी प्रतिमा.रोपण केल्यानंतर 4 आठवडे, (C) फ्रॅक्चर साइटची फोटोग्राफिक प्रतिमा आणि (D) क्ष-किरण प्रतिमा (लाल आयताद्वारे हायलाइट केलेली).प्रतिमा सौजन्य: Kyomin Chae, Yonsei विद्यापीठ.
निर्जंतुकीकरण, उघड नकारात्मकरित्या प्रत्यारोपित सशांमध्ये जळजळ किंवा संसर्गाच्या कोणत्याही लक्षणांशिवाय हाडांची सामान्य प्रक्रिया दर्शविली गेली.दुसरीकडे, बॅक्टेरियल सस्पेंशनमध्ये पूर्व-उष्मायन केलेले SHP रोपण आसपासच्या ऊतींवर संसर्ग-संबंधित जळजळ प्रदर्शित करतात.हे बर्याच काळासाठी जिवाणू आसंजन रोखण्यास त्याच्या अक्षमतेचे श्रेय दिले जाऊ शकते (आकृती S2).LOIS बरे होण्याच्या प्रक्रियेवर परिणाम करत नाही, परंतु इम्प्लांटेशनशी संबंधित संभाव्य संक्रमणांना प्रतिबंधित करते हे सिद्ध करण्यासाठी, फ्रॅक्चर साइटवरील एक्स-रे पॉझिटिव्ह मॅट्रिक्स आणि LOIS ची तुलना केली गेली (आकृती 1D).बेअर पॉझिटिव्ह इम्प्लांटच्या क्ष-किरण प्रतिमेमध्ये सतत ऑस्टिओलिसिस रेषा दिसून आल्या, जे हाड पूर्णपणे बरे झाले नसल्याचे दर्शविते.हे सूचित करते की हाड पुनर्प्राप्ती प्रक्रियेस संसर्ग-संबंधित जळजळांमुळे खूप विलंब होऊ शकतो.उलटपक्षी, असे दिसून आले की LOIS सह रोपण केलेले ससे बरे झाले आहेत आणि कोणतीही स्पष्ट फ्रॅक्चर साइट दर्शविली नाही.
दीर्घकालीन स्थिरता आणि कार्यक्षमतेसह वैद्यकीय रोपण विकसित करण्यासाठी (जैवफूलिंगच्या प्रतिकारासह), बरेच प्रयत्न केले गेले आहेत.तथापि, विविध जैविक पदार्थांची उपस्थिती आणि ऊतक आसंजनाची गतिशीलता त्यांच्या वैद्यकीयदृष्ट्या विश्वसनीय पद्धतींच्या विकासास मर्यादित करते.या उणीवांवर मात करण्यासाठी, आम्ही एक सूक्ष्म/नॅनो स्तरित रचना आणि रासायनिक सुधारित पृष्ठभाग विकसित केले आहे, जे उच्च केशिका बल आणि रासायनिक आत्मीयतेमुळे सर्वात जास्त प्रमाणात गुळगुळीत वंगण ठेवण्यासाठी अनुकूल आहे.आकृती 2A LOIS ची एकूण उत्पादन प्रक्रिया दर्शवते.प्रथम, वैद्यकीय दर्जाचे स्टेनलेस स्टील (SS) 304 सब्सट्रेट तयार करा.दुसरे म्हणजे, हायड्रोफ्लोरिक ऍसिड (HF) द्रावण वापरून रासायनिक नक्षीने एसएस सब्सट्रेटवर सूक्ष्म/नॅनो रचना तयार केली जाते.SS ची गंज प्रतिकार पुनर्संचयित करण्यासाठी, कोरलेल्या सब्सट्रेटवर प्रक्रिया करण्यासाठी नायट्रिक ऍसिड (HNO3) द्रावण (31) वापरला जातो.Passivation SS सब्सट्रेटची गंज प्रतिरोधक क्षमता वाढवते आणि गंज प्रक्रिया लक्षणीयरीत्या कमी करते ज्यामुळे LOIS ची एकूण कार्यक्षमता कमी होऊ शकते.नंतर, 1H, 1H, 2H, 2H-perfluorooctyltriethoxysilane (POTS) सह सेल्फ-असेम्बल्ड मोनोलेयर (SAM) तयार करून, पृष्ठभाग आणि गुळगुळीत स्नेहक आत्मीयता यांच्यातील रासायनिक परस्परसंवाद सुधारण्यासाठी पृष्ठभाग रासायनिकरित्या सुधारित केले जाते.पृष्ठभागावरील बदलामुळे फॅब्रिकेटेड सूक्ष्म/नॅनो-स्केल संरचित पृष्ठभागाची पृष्ठभागाची उर्जा लक्षणीयरीत्या कमी होते, जी गुळगुळीत वंगणाच्या पृष्ठभागाच्या उर्जेशी जुळते.यामुळे वंगण पूर्णपणे ओले होऊ शकते, ज्यामुळे पृष्ठभागावर एक स्थिर स्नेहक थर तयार होतो.सुधारित पृष्ठभाग वर्धित हायड्रोफोबिसिटी प्रदर्शित करते.परिणाम दर्शविते की सूक्ष्म/नॅनो संरचना (32, 33) मुळे उच्च रासायनिक आत्मीयता आणि केशिका शक्तीमुळे निसरडा वंगण LOIS वर स्थिर वर्तन प्रदर्शित करते.पृष्ठभाग सुधारणे आणि वंगण इंजेक्शननंतर एसएसच्या पृष्ठभागावरील ऑप्टिकल बदलांचा अभ्यास केला गेला.पृष्ठभागावर तयार झालेली सूक्ष्म/नॅनो स्तरित रचना दृश्यमान बदल घडवून आणू शकते आणि पृष्ठभाग गडद करू शकते.ही घटना खडबडीत पृष्ठभागावरील वर्धित प्रकाश विखुरण्याच्या प्रभावास कारणीभूत आहे, ज्यामुळे प्रकाश अडकण्याच्या यंत्रणेमुळे पसरलेले प्रतिबिंब वाढते (34).याव्यतिरिक्त, वंगण टोचल्यानंतर, LOIS गडद होतो.स्नेहन थरामुळे थरातून कमी प्रकाश परावर्तित होतो, ज्यामुळे LOIS गडद होतो.मायक्रोस्ट्रक्चर/नॅनोस्ट्रक्चर ऑप्टिमाइझ करण्यासाठी सर्वात लहान स्लाइडिंग अँगल (SA) दाखवण्यासाठी अँटी-बायोफॉलिंग कार्यप्रदर्शन साध्य करण्यासाठी, स्कॅनिंग इलेक्ट्रॉन मायक्रोस्कोपी (SEM) आणि अणू जोड्या वेगवेगळ्या HF एचिंग वेळा (0, 3) करण्यासाठी वापरल्या गेल्या., 15 आणि 60 मिनिटे) फोर्स मायक्रोस्कोप (AFM) (आकृती 2B).SEM आणि AFM प्रतिमा दर्शवितात की कोरीव कामाच्या थोड्या वेळानंतर (3 मिनिटे कोरीवकाम), बेअर सब्सट्रेटमध्ये असमान नॅनो-स्केल खडबडीतपणा तयार झाला आहे.कोरीव कामाच्या वेळेसह पृष्ठभागाचा खडबडीतपणा बदलतो (आकृती S3).काळानुसार बदलणारे वक्र असे दर्शविते की पृष्ठभागाचा खडबडीतपणा सतत वाढत जातो आणि 15 मिनिटांनी कोरीव काम करताना ते शिखरावर पोहोचते, आणि नंतर 30 मिनिटांच्या खोदकामाच्या वेळी उग्रपणाच्या मूल्यात थोडीशी घट दिसून येते.या टप्प्यावर, नॅनो-स्तरीय खडबडीतपणा दूर केला जातो, तर सूक्ष्म-स्तरीय खडबडीतपणा जोमदारपणे विकसित होतो, ज्यामुळे खडबडीत बदल अधिक स्थिर होतो.30 मिनिटांपेक्षा जास्त काळ नक्षीकाम केल्यावर, खडबडीत आणखी वाढ दिसून येते, ज्याचे तपशील खालीलप्रमाणे स्पष्ट केले आहे: SS स्टीलचे बनलेले आहे, लोह, क्रोमियम, निकेल, मॉलिब्डेनम आणि इतर अनेक घटकांसह मिश्रित आहे.या घटकांपैकी लोह, क्रोमियम आणि मॉलिब्डेनम एचएफ एचिंगद्वारे SS वर मायक्रॉन/नॅनो-स्केल खडबडीतपणा तयार करण्यात महत्त्वाची भूमिका बजावतात.गंजच्या सुरुवातीच्या टप्प्यात, लोह आणि क्रोमियम प्रामुख्याने गंजलेले असतात कारण मॉलिब्डेनममध्ये मॉलिब्डेनमपेक्षा जास्त गंज प्रतिरोधक असतो.कोरीव काम जसजसे पुढे सरकते तसतसे नक्षीचे द्रावण स्थानिक ओव्हरसॅच्युरेशनपर्यंत पोहोचते, ज्यामुळे कोरीवकामामुळे फ्लोराईड्स आणि ऑक्साइड तयार होतात.फ्लोराईड आणि ऑक्साईड अवक्षेपित होतात आणि शेवटी पृष्ठभागावर पुन्हा जमा होतात, ज्यामुळे मायक्रॉन/नॅनो श्रेणीमध्ये पृष्ठभाग खडबडीत बनतो (31).हा सूक्ष्म/नॅनो-स्तरीय खडबडीतपणा LOIS च्या स्व-उपचार गुणधर्मांमध्ये महत्त्वाची भूमिका बजावते.दुहेरी स्केल पृष्ठभाग एक समन्वयात्मक प्रभाव निर्माण करते, केशिका शक्ती मोठ्या प्रमाणात वाढवते.ही घटना स्नेहक पृष्ठभागावर स्थिरपणे प्रवेश करण्यास अनुमती देते आणि स्वयं-उपचार गुणधर्मांमध्ये योगदान देते (35).खडबडीतपणाची निर्मिती कोरीव कामाच्या वेळेवर अवलंबून असते.10 मिनिटांच्या कोरीव कामाखाली, पृष्ठभागावर फक्त नॅनो-स्केल खडबडीतपणा असतो, जो बायोफौलिंग प्रतिरोधक (36) पुरेसा वंगण ठेवण्यासाठी पुरेसा नसतो.दुसरीकडे, खोदकामाचा वेळ 30 मिनिटांपेक्षा जास्त असल्यास, लोह आणि क्रोमियमच्या पुनर्संचयनामुळे तयार होणारा नॅनो-स्केल खडबडीतपणा नाहीसा होईल आणि मॉलिब्डेनममुळे फक्त सूक्ष्म प्रमाणात खडबडीतपणा राहील.जास्त कोरलेल्या पृष्ठभागावर नॅनो-स्केल खडबडीतपणा नसतो आणि दोन-स्टेज रफनेसचा समन्वयात्मक प्रभाव गमावतो, ज्यामुळे LOIS च्या स्व-उपचार वैशिष्ट्यांवर नकारात्मक परिणाम होतो.अँटी-फाउलिंग कार्यप्रदर्शन सिद्ध करण्यासाठी वेगवेगळ्या नक्षीकाम वेळेसह सब्सट्रेट्सवर SA मोजमाप केले गेले.डिआयोनाइज्ड (DI) पाणी, रक्त, इथिलीन ग्लायकॉल (EG), इथेनॉल (EtOH) आणि हेक्साडेकेन (HD) (आकृती S4) सह स्निग्धता आणि पृष्ठभागाच्या उर्जेवर आधारित विविध प्रकारचे द्रव निवडले गेले.वेळानुसार बदलणारी कोरीव पद्धत दर्शवते की वेगवेगळ्या पृष्ठभागावरील उर्जा आणि स्निग्धता असलेल्या विविध द्रवांसाठी, 15 मिनिटांच्या एचिंगनंतर LOIS चा SA सर्वात कमी असतो.म्हणून, LOIS ला 15 मिनिटांसाठी खोदून मायक्रॉन आणि नॅनो-स्केल रफनेस तयार करण्यासाठी ऑप्टिमाइझ केले जाते, जे स्नेहक आणि उत्कृष्ट अँटी-फाउलिंग गुणधर्म प्रभावीपणे टिकवून ठेवण्यासाठी योग्य आहे.
(A) LOIS च्या चार-चरण उत्पादन प्रक्रियेचा योजनाबद्ध आकृती.इनसेट सब्सट्रेटवर तयार केलेला SAM दर्शवितो.(B) SEM आणि AFM प्रतिमा, वेगवेगळ्या कोरीव कामाच्या वेळी सब्सट्रेटची सूक्ष्म/नॅनो रचना ऑप्टिमाइझ करण्यासाठी वापरली जातात.(C) Cr2p आणि (D) F1s चे एक्स-रे फोटोइलेक्ट्रॉन स्पेक्ट्रोस्कोपी (XPS) स्पेक्ट्रा पृष्ठभाग पॅसिव्हेशन आणि SAM कोटिंग नंतर.au, अनियंत्रित युनिट.(ई) उघड्या, नक्षीदार, SHP आणि LOIS सब्सट्रेट्सवरील पाण्याच्या थेंबांच्या प्रातिनिधिक प्रतिमा.(F) SHP आणि LOIS वर वेगवेगळ्या पृष्ठभागावरील ताण असलेल्या द्रवांचे संपर्क कोन (CA) आणि SA मापन.डेटा सरासरी ± SD म्हणून व्यक्त केला जातो.
नंतर, पृष्ठभागाच्या रासायनिक गुणधर्मांमधील बदलाची पुष्टी करण्यासाठी, प्रत्येक पृष्ठभागाच्या आवरणानंतर थर पृष्ठभागाच्या रासायनिक रचनेतील बदलाचा अभ्यास करण्यासाठी एक्स-रे फोटोइलेक्ट्रॉन स्पेक्ट्रोस्कोपी (XPS) चा वापर केला गेला.आकृती 2C HF नक्षीदार पृष्ठभाग आणि HNO 3 उपचारित पृष्ठभागाचे XPS मापन परिणाम दर्शविते.587.3 आणि 577.7 eV वरील दोन मुख्य शिखरे क्रोमियम ऑक्साईड स्तरामध्ये अस्तित्वात असलेल्या Cr-O बाँडला दिली जाऊ शकतात, जो HF कोरलेल्या पृष्ठभागापासून मुख्य फरक आहे.हे मुख्यत्वे HNO3 द्वारे पृष्ठभागावर लोह आणि क्रोमियम फ्लोराईडच्या वापरामुळे होते.HNO3-आधारित कोरीवकाम क्रोमियमला ​​पृष्ठभागावर पॅसिव्हेटिंग ऑक्साईड थर तयार करण्यास अनुमती देते, ज्यामुळे खोदलेले SS पुन्हा गंजण्यास प्रतिरोधक बनते.आकृती 2D मध्ये, XPS स्पेक्ट्रा SAM कोटिंगनंतर पृष्ठभागावर फ्लोरोकार्बन-आधारित सिलेन तयार झाले होते याची पुष्टी करण्यासाठी प्राप्त केले गेले, ज्यामध्ये EG, रक्त आणि EtOH साठी देखील अत्यंत उच्च द्रव प्रतिकारकता आहे.एसएएम कोटिंग प्लाझ्मा उपचाराद्वारे तयार केलेल्या हायड्रॉक्सिल गटांसह सिलेन फंक्शनल गटांवर प्रतिक्रिया देऊन पूर्ण होते.परिणामी, CF2 आणि CF3 शिखरांमध्ये लक्षणीय वाढ दिसून आली.286 आणि 296 eV मधील बंधनकारक ऊर्जा सूचित करते की SAM कोटिंगद्वारे रासायनिक बदल यशस्वीरित्या पूर्ण झाले आहेत.SHP तुलनेने मोठी CF2 (290.1 ​​eV) आणि CF3 (293.3 eV) शिखरे दाखवते, जी पृष्ठभागावर तयार झालेल्या फ्लोरोकार्बन-आधारित सिलेनमुळे होते.आकृती 2E बेअर, एचेड, SHP आणि LOIS च्या संपर्कात असलेल्या डीआयोनाइज्ड पाण्याच्या वेगवेगळ्या गटांसाठी कॉन्टॅक्ट अँगल (CA) मापनांच्या प्रातिनिधिक ऑप्टिकल प्रतिमा दर्शविते.या प्रतिमा दर्शवितात की रासायनिक नक्षीने तयार केलेल्या सूक्ष्म/नॅनो संरचनेमुळे कोरलेली पृष्ठभाग हायड्रोफिलिक बनते ज्यामुळे विआयनीकृत पाणी संरचनेत शोषले जाते.तथापि, जेव्हा सब्सट्रेटला SAM सह लेपित केले जाते, तेव्हा सब्सट्रेट मजबूत पाण्यापासून बचाव करते, त्यामुळे पृष्ठभागावर एक SHP तयार होते आणि पाणी आणि पृष्ठभाग यांच्यातील संपर्क क्षेत्र लहान असते.शेवटी, LOIS मध्ये CA मध्ये घट दिसून आली, ज्याचे श्रेय मायक्रोस्ट्रक्चरमध्ये वंगणाच्या प्रवेशास दिले जाऊ शकते, ज्यामुळे संपर्क क्षेत्र वाढते.पृष्ठभागावर उत्कृष्ट लिक्विड रिपेलेन्सी आणि नॉन-ॲडेसिव्ह गुणधर्म आहेत हे सिद्ध करण्यासाठी, LOIS ची तुलना SHP सब्सट्रेटसह विविध द्रवपदार्थ वापरून CA आणि SA मोजून केली गेली (आकृती 2F).डिआयोनाइज्ड पाणी, रक्त, EG, EtOH आणि HD (आकृती S4) सह स्निग्धता आणि पृष्ठभागाच्या उर्जेवर आधारित विविध प्रकारचे द्रव निवडले गेले.CA मापन परिणाम दर्शविते की जेव्हा CA HD कडे झुकते तेव्हा CA चे घट मूल्य, जेथे CA ची पृष्ठभागाची सर्वात कमी ऊर्जा असते.याव्यतिरिक्त, एकूण CA चे LOIS कमी आहे.तथापि, एसए मोजमाप पूर्णपणे भिन्न घटना दर्शविते.आयनीकृत पाणी वगळता, सर्व द्रव SHP सब्सट्रेटला चिकटून राहतात.दुसरीकडे, LOIS खूप कमी SA दर्शविते, जेथे सर्व द्रव 10° ते 15° पेक्षा कमी कोनात वाकले असता, सर्व द्रव रोल बंद होईल.हे प्रकर्षाने दाखवते की LOIS ची चिकटपणा SHP पृष्ठभागापेक्षा चांगली आहे.याशिवाय, टायटॅनियम (टीआय), पॉलीफेनिलसल्फोन (पीपीएसयू), पॉलीऑक्सिमथिलीन (पीओएम), पॉलीथर इथर केटोन (पीईके) आणि जैव शोषण्यायोग्य पॉलिमर (पीएलजीए) यासह विविध प्रकारच्या सामग्रीवर LOIS कोटिंग्ज देखील लागू केल्या जातात, ते रोपण करण्यायोग्य ऑर्थोपेडिक साहित्य (आकृती) आहेत. S5)).LOIS द्वारे उपचार केलेल्या सामग्रीवरील थेंबांच्या अनुक्रमिक प्रतिमा दर्शवितात की LOIS चे जैव-विरोधी गुणधर्म सर्व थरांवर समान आहेत.याव्यतिरिक्त, CA आणि SA चे मोजमाप परिणाम दर्शविते की LOIS चे गैर-चिपकणारे गुणधर्म इतर सामग्रीवर लागू केले जाऊ शकतात.
LOIS च्या अँटी-फाउलिंग गुणधर्मांची पुष्टी करण्यासाठी, विविध प्रकारचे सब्सट्रेट्स (बेअर, एचेड, SHP आणि LOIS सह) स्यूडोमोनास एरुगिनोसा आणि MRSA सह उबवले गेले.हे दोन जीवाणू प्रातिनिधिक हॉस्पिटल बॅक्टेरिया म्हणून निवडले गेले, ज्यामुळे बायोफिल्म्स तयार होऊ शकतात, ज्यामुळे एसएसआय (37) बनते.आकृती 3 (A आणि B) अनुक्रमे अल्प-मुदतीसाठी (12 तास) आणि दीर्घ-मुदतीसाठी (72 तास) जिवाणू निलंबनामध्ये उष्मायन केलेल्या सब्सट्रेट्सचे फ्लोरोसेन्स मायक्रोस्कोप प्रतिमा आणि कॉलनी फॉर्मिंग युनिट (CFU) मापन परिणाम दर्शविते.अल्प कालावधीत, बॅक्टेरिया क्लस्टर तयार करतात आणि आकारात वाढतात, श्लेष्मासारख्या पदार्थांनी स्वतःला झाकतात आणि ते काढून टाकण्यास प्रतिबंध करतात.तथापि, 72-तासांच्या उष्मायन दरम्यान, जिवाणू परिपक्व होतील आणि अधिक वसाहती किंवा क्लस्टर्स तयार करण्यासाठी पसरणे सोपे होईल.म्हणून, असे मानले जाऊ शकते की 72-तास उष्मायन दीर्घकालीन आहे आणि पृष्ठभागावर मजबूत बायोफिल्म तयार करण्यासाठी योग्य उष्मायन वेळ आहे (38).कमी कालावधीत, खोदलेल्या पृष्ठभागावर आणि SHP च्या पृष्ठभागावर बॅक्टेरियाचे चिकटपणा दिसून आला, जो बेअर सब्सट्रेटच्या तुलनेत सुमारे 25% ते 50% कमी झाला.तथापि, त्याच्या उत्कृष्ट अँटी-बायोफॉलिंग कार्यक्षमतेमुळे आणि स्थिरतेमुळे, LOIS ने अल्प आणि दीर्घ मुदतीत जीवाणूजन्य बायोफिल्म आसंजन दाखवले नाही.योजनाबद्ध आकृती (आकृती 3C) एचिंग सोल्यूशन, SHP आणि LOIS च्या अँटी-बायोलॉजिकल फॉलिंग यंत्रणेचे स्पष्टीकरण वर्णन करते.हायड्रोफिलिक गुणधर्म असलेल्या खोदलेल्या सब्सट्रेटचे क्षेत्रफळ बेअर सब्सट्रेटपेक्षा मोठे असेल अशी धारणा आहे.त्यामुळे, खोदलेल्या सब्सट्रेटवर अधिक जिवाणू चिकटून राहतील.तथापि, बेअर सब्सट्रेटच्या तुलनेत, कोरलेल्या सब्सट्रेटमध्ये पृष्ठभागावर लक्षणीय कमी बायोफिल्म तयार होतात.याचे कारण असे आहे की पाण्याचे रेणू हायड्रोफिलिक पृष्ठभागाशी घट्टपणे बांधतात आणि पाण्यासाठी वंगण म्हणून कार्य करतात, त्यामुळे अल्पावधीत जीवाणूंच्या चिकटपणामध्ये हस्तक्षेप होतो (39).तथापि, पाण्याच्या रेणूंचा थर बॅक्टेरियाच्या निलंबनामध्ये अतिशय पातळ आणि विरघळणारा असतो.त्यामुळे, पाण्याचा आण्विक थर बराच काळ अदृश्य होतो, ज्यामुळे व्यापक बॅक्टेरिया चिकटून आणि प्रसार होतो.SHP साठी, त्याच्या अल्प-मुदतीच्या नॉन-ओलेटिंग गुणधर्मांमुळे, जिवाणू चिकटणे प्रतिबंधित आहे.कमी झालेल्या जिवाणू चिकटपणाचे श्रेय स्तरित संरचनेत अडकलेल्या हवेच्या कप्प्यांमुळे आणि पृष्ठभागाच्या खालच्या उर्जेला दिले जाऊ शकते, ज्यामुळे बॅक्टेरियाचे निलंबन आणि पृष्ठभाग यांच्यातील संपर्क कमी होतो.तथापि, SHP मध्ये मोठ्या प्रमाणात बॅक्टेरियाचे आसंजन दिसून आले कारण ते दीर्घकाळापर्यंत त्याचे अँटी-फाउलिंग गुणधर्म गमावले.हे मुख्यत्वे हायड्रोस्टॅटिक दाब आणि पाण्यात हवेचे विरघळल्यामुळे हवेचे खिसे गायब झाल्यामुळे आहे.हे प्रामुख्याने विरघळल्यामुळे हवेच्या कप्पे गायब झाल्यामुळे आणि आसंजन (27, 40) साठी मोठ्या पृष्ठभागाचे क्षेत्र प्रदान करणारी स्तरित रचना आहे.दीर्घकालीन स्थिरतेवर महत्त्वाचा प्रभाव असलेल्या या दोन सब्सट्रेट्सच्या विपरीत, LOIS मध्ये असलेले स्नेहन करणारे वंगण सूक्ष्म/नॅनो स्ट्रक्चरमध्ये इंजेक्ट केले जाते आणि दीर्घकाळातही नाहीसे होणार नाही.सूक्ष्म/नॅनो स्ट्रक्चर्सने भरलेले स्नेहक अतिशय स्थिर असतात आणि त्यांच्या उच्च रासायनिक आत्मीयतेमुळे ते पृष्ठभागावर जोरदारपणे आकर्षित होतात, ज्यामुळे बॅक्टेरियांना दीर्घकाळ चिकटून राहण्यास प्रतिबंध होतो.आकृती S6 फॉस्फेट बफर सलाईन (PBS) मध्ये बुडलेल्या वंगण-इन्फ्युज्ड सब्सट्रेटची प्रतिबिंब कॉन्फोकल मायक्रोस्कोप प्रतिमा दर्शवते.सतत प्रतिमा दर्शवितात की 120 तासांच्या किंचित थरथरणाऱ्या (120 rpm) नंतरही, LOIS वरील स्नेहक थर अपरिवर्तित राहतो, प्रवाहाच्या परिस्थितीत दीर्घकालीन स्थिरता दर्शवते.हे फ्लोरिन-आधारित SAM कोटिंग आणि परफ्लुरोकार्बन-आधारित वंगण यांच्यातील उच्च रासायनिक आत्मीयतेमुळे आहे, ज्यामुळे एक स्थिर स्नेहक थर तयार होऊ शकतो.त्यामुळे, फाऊलिंग विरोधी कामगिरी राखली जाते.याव्यतिरिक्त, सब्सट्रेटची प्रातिनिधिक प्रथिने (अल्ब्युमिन आणि फायब्रिनोजेन), जे प्लाझ्मामध्ये आहेत, रोगप्रतिकारक कार्याशी जवळून संबंधित पेशी (मॅक्रोफेजेस आणि फायब्रोब्लास्ट्स) आणि हाडांच्या निर्मितीशी संबंधित असलेल्या पेशींवर चाचणी केली गेली.कॅल्शियमचे प्रमाण खूप जास्त आहे.(आकृती 3D, 1 आणि 2, आणि आकृती S7) (41, 42).याव्यतिरिक्त, फायब्रिनोजेन, अल्ब्युमिन आणि कॅल्शियमसाठी आसंजन चाचणीच्या फ्लोरोसेन्स मायक्रोस्कोप प्रतिमांनी प्रत्येक सब्सट्रेट गटाची भिन्न आसंजन वैशिष्ट्ये दर्शविली (आकृती S8).हाडांच्या निर्मितीदरम्यान, ऑर्थोपेडिक इम्प्लांटभोवती नव्याने तयार झालेले हाडे आणि कॅल्शियमचे थर वेढले जाऊ शकतात, ज्यामुळे केवळ काढणे कठीण होत नाही तर काढण्याच्या प्रक्रियेदरम्यान रुग्णाला अनपेक्षित नुकसान देखील होऊ शकते.त्यामुळे, हाडांच्या प्लेट्स आणि स्क्रूवर कॅल्शियमचे कमी प्रमाण ऑर्थोपेडिक शस्त्रक्रियेसाठी फायदेशीर आहे ज्यासाठी इम्प्लांट काढणे आवश्यक आहे.फ्लोरोसेन्स तीव्रता आणि पेशींच्या संख्येवर आधारित संलग्न क्षेत्राच्या परिमाणाच्या आधारावर, आम्ही पुष्टी केली की LOIS इतर सब्सट्रेट्सच्या तुलनेत सर्व जैविक पदार्थांसाठी उत्कृष्ट अँटी-बायोफॉलिंग गुणधर्म दर्शविते.इन विट्रो प्रयोगांच्या परिणामांनुसार, ऑर्थोपेडिक इम्प्लांटवर अँटी-बायोलॉजिकल फॉलिंग एलओआयएस लागू केले जाऊ शकते, जे केवळ बायोफिल्म बॅक्टेरियामुळे होणारे संक्रमण रोखू शकत नाही, तर शरीराच्या सक्रिय रोगप्रतिकारक प्रणालीमुळे होणारी जळजळ देखील कमी करू शकते.
(A) 12 आणि 72 तासांसाठी स्यूडोमोनास एरुगिनोसा आणि MRSA सस्पेंशनमध्ये उष्मायन केलेल्या प्रत्येक गटाच्या (नग्न, नक्षीदार, SHP आणि LOIS) फ्लोरोसेन्स मायक्रोस्कोप प्रतिमा.(ब) प्रत्येक गटाच्या पृष्ठभागावर स्यूडोमोनास एरुगिनोसा आणि MRSA चे अनुयायी CFU ची संख्या.(C) अल्प-मुदतीच्या आणि दीर्घ-मुदतीच्या नक्षीकाम, SHP आणि LOIS च्या अँटी-बायोलॉजिकल फॉलिंग यंत्रणेचे योजनाबद्ध आकृती.(D) (1) बेअर आणि LOIS ला चिकटलेल्या पेशींच्या प्रत्येक सब्सट्रेट आणि फ्लोरोसेन्स मायक्रोस्कोप प्रतिमांना चिकटलेल्या फायब्रोब्लास्टची संख्या.(2) हाडांच्या बरे होण्याच्या प्रक्रियेत गुंतलेली रोगप्रतिकार-संबंधित प्रथिने, अल्ब्युमिन आणि कॅल्शियमची आसंजन चाचणी (* P <0.05, ** P <0.01, *** P <0.001 आणि **** P <0.0001).ns, महत्वाचे नाही.
अपरिहार्य केंद्रित ताणांच्या बाबतीत, अँटीफॉलिंग कोटिंग्जच्या वापरासाठी यांत्रिक टिकाऊपणा हे नेहमीच मुख्य आव्हान राहिले आहे.पारंपारिक सांडपाणी विरोधी जेल पद्धती कमी पाण्यात विद्राव्यता आणि नाजूकपणा असलेल्या पॉलिमरवर आधारित आहेत.म्हणून, बायोमेडिकल ऍप्लिकेशन्समध्ये ते सहसा यांत्रिक तणावासाठी संवेदनाक्षम असतात.म्हणून, यांत्रिकदृष्ट्या टिकाऊ अँटीफॉलिंग कोटिंग्ज ऑर्थोपेडिक इम्प्लांट्स (43, 44) सारख्या अनुप्रयोगांसाठी एक आव्हान आहे.आकृती 4A(1) ऑर्थोपेडिक इम्प्लांटवर लागू होणारे दोन मुख्य प्रकारचे ताण दर्शविते, ज्यामध्ये संदंशांनी तयार केलेल्या खराब इम्प्लांटच्या ऑप्टिकल प्रतिमेसह स्क्रॅचिंग (शिअर स्ट्रेस) आणि कॉम्प्रेशन समाविष्ट आहे.उदाहरणार्थ, जेव्हा स्क्रू स्क्रू ड्रायव्हरने घट्ट केला जातो, किंवा जेव्हा सर्जन हाडांच्या प्लेटला चिमट्याने घट्ट धरून ठेवतो आणि संकुचित शक्ती लागू करतो, तेव्हा प्लास्टिकची हाडाची प्लेट मॅक्रो आणि मायक्रो/नॅनो दोन्ही स्केलवर खराब होईल आणि स्क्रॅच होईल (आकृती 4A, २) .प्लॅस्टिक सर्जरी दरम्यान उत्पादित LOIS हे नुकसान सहन करू शकते की नाही हे तपासण्यासाठी, सूक्ष्म/नॅनो स्ट्रक्चर इम्पॅक्ट (आकृती) च्या यांत्रिक गुणधर्मांचा अभ्यास करण्यासाठी सूक्ष्म/नॅनो स्केलवर बेअर सब्सट्रेट आणि LOIS च्या कडकपणाची तुलना करण्यासाठी नॅनोइंडेंटेशन केले गेले. 4B).योजनाबद्ध आकृती सूक्ष्म/नॅनो संरचनांच्या उपस्थितीमुळे LOIS चे भिन्न विकृती वर्तन दर्शवते.नॅनोइंडेंटेशन (आकृती 4C) च्या परिणामांवर आधारित एक बल-विस्थापन वक्र काढला गेला.निळी प्रतिमा बेअर सब्सट्रेटचे प्रतिनिधित्व करते, जी 0.26-μm च्या कमाल इंडेंटेशन खोलीद्वारे पाहिल्याप्रमाणे, फक्त थोडीशी विकृती दर्शवते.दुसरीकडे, LOIS (लाल वक्र) मध्ये नॅनोइंडेंटेशन फोर्स आणि विस्थापनामध्ये हळूहळू वाढ झाल्याने यांत्रिक गुणधर्म कमी होण्याची चिन्हे दिसू शकतात, परिणामी नॅनोइंडेंटेशनची खोली 1.61μm आहे.याचे कारण असे की LOIS मध्ये असलेली सूक्ष्म/नॅनो रचना नॅनोइंडेंटरच्या टोकाला सखोल प्रगतीची जागा प्रदान करते, त्यामुळे त्याची विकृती बेअर सब्सट्रेटपेक्षा जास्त असते.Konsta-Gdoutos et al.(४५) असा विश्वास आहे की नॅनोस्ट्रक्चर्सच्या उपस्थितीमुळे, नॅनोइंडेंटेशन आणि सूक्ष्म/नॅनो रफनेसमुळे अनियमित नॅनोइंडेंटेशन वक्र होतात.छायांकित क्षेत्र हे नॅनोस्ट्रक्चरला श्रेय दिलेल्या अनियमित विकृती वक्रशी संबंधित आहे, तर छायांकित नसलेले क्षेत्र मायक्रोस्ट्रक्चरला दिले जाते.या विकृतीमुळे होल्डिंग वंगणाच्या मायक्रोस्ट्रक्चर/नॅनोस्ट्रक्चरला नुकसान होऊ शकते आणि त्याच्या अँटी-फाउलिंग कार्यक्षमतेवर नकारात्मक परिणाम होतो.LOIS वरील नुकसानाच्या प्रभावाचा अभ्यास करण्यासाठी, प्लास्टिक सर्जरी दरम्यान सूक्ष्म/नॅनो संरचनांना अपरिहार्य नुकसान शरीरात प्रतिरूपित केले गेले.रक्त आणि प्रथिने आसंजन चाचण्या वापरून, इन विट्रो नंतर LOIS च्या जैव-विरोधी गुणधर्मांची स्थिरता निश्चित केली जाऊ शकते (आकृती 4D).ऑप्टिकल प्रतिमांची मालिका प्रत्येक सब्सट्रेटच्या छिद्रांजवळ झालेले नुकसान दर्शवते.अँटी-बायोफौलिंग कोटिंग (आकृती 4E) वर यांत्रिक नुकसानाचा प्रभाव प्रदर्शित करण्यासाठी रक्त आसंजन चाचणी केली गेली.SHP प्रमाणेच, नुकसानीमुळे दूषित विरोधी गुणधर्म गमावले जातात आणि LOIS रक्ताला दूर करून उत्कृष्ट अँटी-फाउलिंग गुणधर्म प्रदर्शित करते.याचे कारण असे की, पृष्ठभागाची उर्जा ही केशिका क्रियेद्वारे चालविली जाते ज्यामुळे खराब झालेले क्षेत्र झाकले जाते, मायक्रोस्ट्रक्चर्ड स्नेहक वंगणातील प्रवाह अँटी-फाउलिंग गुणधर्म पुनर्संचयित करतो (35).अल्ब्युमिन वापरून प्रथिने आसंजन चाचणीतही हाच कल दिसून आला.खराब झालेल्या भागात, SHP च्या पृष्ठभागावरील प्रथिनांचे आसंजन मोठ्या प्रमाणावर दिसून येते आणि त्याचे क्षेत्र व्याप्ती मोजून, ते बेअर सब्सट्रेटच्या आसंजन पातळीच्या अर्ध्या प्रमाणात मोजले जाऊ शकते.दुसरीकडे, LOIS ने आसंजन होऊ न देता त्याचे जैव-विरोधी गुणधर्म राखले (आकृती 4, F आणि G).याव्यतिरिक्त, स्क्रूच्या पृष्ठभागावर ड्रिलिंगसारख्या तीव्र यांत्रिक ताणाचा सामना करावा लागतो, म्हणून आम्ही विट्रोमध्ये स्क्रूवर अखंड राहण्यासाठी LOIS कोटिंगच्या क्षमतेचा अभ्यास केला.आकृती 4H बेअर, SHP आणि LOIS सह विविध स्क्रूच्या ऑप्टिकल प्रतिमा दर्शविते.लाल आयत लक्ष्य क्षेत्र दर्शवते जेथे हाडांच्या रोपण दरम्यान मजबूत यांत्रिक ताण येतो.प्लेटच्या प्रथिने आसंजन चाचणी प्रमाणेच, प्रथिन आसंजनाची प्रतिमा तयार करण्यासाठी आणि LOIS कोटिंगची अखंडता सिद्ध करण्यासाठी कव्हरेज क्षेत्र मोजण्यासाठी फ्लोरोसेन्स मायक्रोस्कोपचा वापर केला जातो, अगदी मजबूत यांत्रिक तणावाखाली देखील (आकृती 4, I आणि J).LOIS-उपचार केलेले स्क्रू उत्कृष्ट अँटी-फाउलिंग कार्यप्रदर्शन प्रदर्शित करतात आणि जवळजवळ कोणतेही प्रोटीन पृष्ठभागावर चिकटत नाही.दुसरीकडे, बेअर स्क्रू आणि SHP स्क्रूमध्ये प्रोटीन आसंजन दिसून आले, जेथे SHP स्क्रूचे क्षेत्रफळ बेअर स्क्रूच्या एक तृतीयांश होते.याव्यतिरिक्त, आकृती 4K मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे, फ्रॅक्चर साइटवर लागू होणारा ताण सहन करण्यासाठी फिक्सेशनसाठी वापरलेले ऑर्थोपेडिक इम्प्लांट यांत्रिकरित्या मजबूत असणे आवश्यक आहे.म्हणून, यांत्रिक गुणधर्मांवर रासायनिक बदलाचा प्रभाव निर्धारित करण्यासाठी झुकण्याची चाचणी केली गेली.याव्यतिरिक्त, इम्प्लांटमधून निश्चित ताण राखण्यासाठी हे केले जाते.इम्प्लांट पूर्णपणे दुमडलेला होईपर्यंत आणि ताण-ताण वक्र प्राप्त होईपर्यंत अनुलंब यांत्रिक शक्ती लागू करा (आकृती 4L, 1).यंगचे मॉड्यूलस आणि फ्लेक्सरल सामर्थ्य यासह दोन गुणधर्मांची तुलना बेअर आणि एलओआयएस सब्सट्रेट्समध्ये त्यांच्या यांत्रिक सामर्थ्याचे निर्देशक म्हणून केली गेली (आकृती 4L, 2 आणि 3).यंगचे मॉड्यूलस यांत्रिक बदलांना तोंड देण्याची सामग्रीची क्षमता दर्शवते.प्रत्येक सब्सट्रेटचे यंगचे मॉड्यूलस अनुक्रमे 41.48±1.01 आणि 40.06±0.96 GPa आहे;पाहिलेला फरक सुमारे 3.4% आहे.याशिवाय, असे नोंदवले जाते की बेंडिंग स्ट्रेंथ, जे सामग्रीची कडकपणा निर्धारित करते, बेअर सब्सट्रेटसाठी 102.34±1.51 GPa आणि SHP साठी 96.99±0.86 GPa आहे.बेअर सब्सट्रेट अंदाजे 5.3% जास्त आहे.यांत्रिक गुणधर्मांमध्ये थोडीशी घट नॉच प्रभावामुळे होऊ शकते.नॉच इफेक्टमध्ये, मायक्रो/नॅनो रफनेस नॉचच्या संचाप्रमाणे काम करू शकते, ज्यामुळे स्थानिक ताण एकाग्रता निर्माण होते आणि इम्प्लांटच्या यांत्रिक गुणधर्मांवर परिणाम होतो (46).तथापि, मानवी कॉर्टिकल हाडांची ताठरता 7.4 आणि 31.6 GPa दरम्यान असल्याचे नोंदवले गेले आहे, आणि मोजलेले LOIS मॉड्यूलस मानवी कॉर्टिकल हाड (47) पेक्षा जास्त आहे, LOIS फ्रॅक्चरला समर्थन देण्यासाठी पुरेसे आहे. पृष्ठभागाच्या बदलामुळे यांत्रिक गुणधर्मांवर कमीतकमी परिणाम होतो.
(अ) (1) ऑपरेशन दरम्यान ऑर्थोपेडिक इम्प्लांटवर लागू केलेला यांत्रिक ताण आणि (2) खराब झालेल्या ऑर्थोपेडिक इम्प्लांटची ऑप्टिकल प्रतिमा यांचा योजनाबद्ध आकृती.(ब) उघड्या पृष्ठभागावर नॅनोइंडेंटेशन आणि LOIS द्वारे नॅनो-यांत्रिक गुणधर्म मोजण्याचे योजनाबद्ध आकृती.(C) बेअर पृष्ठभाग आणि LOIS चे नॅनोइंडेंटेशन फोर्स-विस्थापन वक्र.(डी) इन विट्रो प्रयोगांनंतर, ऑपरेशन दरम्यान उद्भवलेल्या यांत्रिक तणावाचे अनुकरण करण्यासाठी विविध प्रकारच्या ऑर्थोपेडिक प्लेट्सच्या (नुकसान झालेले क्षेत्र लाल आयताने हायलाइट केलेले आहे) च्या ऑप्टिकल प्रतिमांचे अनुकरण करा.(ई) रक्त आसंजन चाचणी आणि (एफ) खराब झालेल्या ऑर्थोपेडिक प्लेट गटाची प्रोटीन आसंजन चाचणी.(जी) प्लेटला चिकटलेल्या प्रथिनांचे क्षेत्रफळ मोजा.(एच) इन विट्रो प्रयोगानंतर ऑर्थोपेडिक स्क्रूच्या विविध प्रकारच्या ऑप्टिकल प्रतिमा.(I) वेगवेगळ्या कोटिंग्जच्या अखंडतेचा अभ्यास करण्यासाठी प्रथिने आसंजन चाचणी.(जे) स्क्रूला चिकटलेल्या प्रथिनांचे क्षेत्रफळ मोजा.(के) सशाची हालचाल फ्रॅक्चर झालेल्या हाडांवर एक निश्चित ताण निर्माण करण्याच्या उद्देशाने आहे.(L) (1) बेंड चाचणी परिणाम आणि वाकण्यापूर्वी आणि नंतर ऑप्टिकल प्रतिमा.बेअर इम्प्लांट आणि SHP मधील फरक (2) यंग्स मॉड्यूलस आणि (3) झुकण्याची ताकद.डेटा सरासरी ± SD (*P<0.05, **P<0.01, ***P<0.001 आणि ****P<0.0001) म्हणून व्यक्त केला जातो.प्रतिमा सौजन्य: Kyomin Chae, Yonsei विद्यापीठ.
नैदानिक ​​परिस्थितींमध्ये, जैविक सामग्री आणि जखमेच्या ठिकाणी बहुतेक जीवाणूंचा संपर्क परिपक्व, परिपक्व बायोफिल्म्स (48) पासून येतो.म्हणून, यूएस सेंटर्स फॉर डिसीज कंट्रोल अँड प्रिव्हेंशनचा अंदाज आहे की सर्व मानवी संक्रमणांपैकी 65% बायोफिल्म्सशी संबंधित आहेत (49).या प्रकरणात, व्हिव्हो प्रायोगिक डिझाइन प्रदान करणे आवश्यक आहे जे इम्प्लांटच्या पृष्ठभागावर सातत्यपूर्ण बायोफिल्म निर्मिती प्रदान करते.म्हणून, आम्ही एक ससा फेमोरल फ्रॅक्चर मॉडेल विकसित केले ज्यामध्ये ऑर्थोपेडिक रोपण जीवाणूंच्या निलंबनात पूर्व-उष्मायन केले गेले आणि नंतर विवोमधील LOIS च्या अँटी-फाउलिंग गुणधर्मांचा अभ्यास करण्यासाठी सशाच्या फेमर्समध्ये रोपण केले.खालील तीन महत्त्वाच्या तथ्यांमुळे, जिवाणू संसर्ग थेट जिवाणू निलंबनाच्या इंजेक्शनऐवजी पूर्व-संस्कृतीद्वारे प्रेरित आहेत: (i) सशांची रोगप्रतिकारक शक्ती मानवांपेक्षा नैसर्गिकरित्या मजबूत असते;म्हणून, जिवाणू निलंबन आणि प्लँक्टोनिक बॅक्टेरियाचे इंजेक्शन शक्य आहे याचा बायोफिल्म्सच्या निर्मितीवर कोणताही परिणाम होत नाही.(Ii) प्लँकटोनिक बॅक्टेरिया प्रतिजैविकांना अधिक संवेदनाक्षम असतात, आणि प्रतिजैविकांचा सहसा शस्त्रक्रियेनंतर वापर केला जातो;शेवटी, (iii) प्लँकटोनिक बॅक्टेरियाचे निलंबन प्राण्यांच्या शरीरातील द्रवपदार्थांद्वारे पातळ केले जाऊ शकते (50).इम्प्लांट करण्यापूर्वी बॅक्टेरियल सस्पेंशनमध्ये इम्प्लांटचे पूर्व-संवर्धन करून, आम्ही हाडांच्या बरे होण्याच्या प्रक्रियेवर जिवाणू संसर्ग आणि विदेशी शरीर प्रतिक्रिया (FBR) च्या हानिकारक प्रभावांचा सखोल अभ्यास करू शकतो.इम्प्लांटेशनच्या 4 आठवड्यांनंतर सशांचा बळी देण्यात आला, कारण हाडांच्या बरे होण्याच्या प्रक्रियेसाठी आवश्यक असलेले ओसीओइंटीग्रेशन 4 आठवड्यांच्या आत पूर्ण केले जाईल.त्यानंतर, डाउनस्ट्रीम अभ्यासासाठी सशांमधून रोपण काढले गेले.आकृती 5A जीवाणूंच्या प्रसाराची यंत्रणा दर्शवते.संक्रमित ऑर्थोपेडिक इम्प्लांट शरीरात आणले जाते.बॅक्टेरियल सस्पेंशनमध्ये प्री-इनक्युबेशनच्या परिणामी, नग्न प्रत्यारोपणासह रोपण केलेल्या सहा सशांपैकी सहा संक्रमित झाले, तर LOIS-उपचार केलेल्या प्रत्यारोपणासह रोपण केलेल्या एकाही सशांना संसर्ग झाला नाही.जिवाणू संक्रमण तीन टप्प्यांत पुढे जाते, ज्यात वाढ, परिपक्वता आणि फैलाव (51).प्रथम, संलग्न जीवाणू पृष्ठभागावर पुनरुत्पादित होतात आणि वाढतात आणि नंतर जीवाणू एक बायोफिल्म तयार करतात जेव्हा ते एक्स्ट्रासेल्युलर पॉलिमर (ईपीएस), एमायलोइड आणि एक्स्ट्रासेल्युलर डीएनए उत्सर्जित करतात.बायोफिल्म केवळ प्रतिजैविकांच्या प्रवेशामध्ये व्यत्यय आणत नाही तर प्रतिजैविक-डिग्रेडिंग एन्झाईम्स (जसे की β-lactamase) (52) च्या संचयनास प्रोत्साहन देते.शेवटी, बायोफिल्म परिपक्व जीवाणू आसपासच्या ऊतींमध्ये पसरवते.त्यामुळे संसर्ग होतो.याव्यतिरिक्त, जेव्हा परदेशी शरीर शरीरात प्रवेश करते, तेव्हा एक संसर्ग ज्यामुळे मजबूत रोगप्रतिकारक प्रतिसाद होऊ शकतो, तीव्र दाह, वेदना आणि प्रतिकारशक्ती कमी होऊ शकते.आकृती 5B बॅक्टेरियाच्या संसर्गामुळे होणा-या रोगप्रतिकारक प्रतिक्रियेऐवजी ऑर्थोपेडिक इम्प्लांट टाकल्यामुळे झालेल्या FBR चे विहंगावलोकन प्रदान करते.इम्यून सिस्टीम घातलेल्या इम्प्लांटला परदेशी शरीर म्हणून ओळखते आणि नंतर पेशी आणि ऊतींना परकीय शरीराचा अंतर्भाव करण्यासाठी प्रतिक्रिया देते (53).एफबीआरच्या सुरुवातीच्या दिवसांमध्ये, ऑर्थोपेडिक इम्प्लांटच्या पृष्ठभागावर एक पुरवठा मॅट्रिक्स तयार झाला होता, ज्यामुळे फायब्रिनोजेनचे शोषण होते.शोषलेले फायब्रिनोजेन नंतर अत्यंत दाट फायब्रिन नेटवर्क बनवते, जे ल्यूकोसाइट्सच्या संलग्नकांना प्रोत्साहन देते (54).एकदा फायब्रिन नेटवर्क तयार झाल्यानंतर, न्यूट्रोफिल्सच्या घुसखोरीमुळे तीव्र जळजळ होईल.या चरणात, ट्यूमर नेक्रोसिस फॅक्टर-α (TNF-α), इंटरल्यूकिन-4 (IL-4) आणि IL-β सारख्या विविध साइटोकिन्स सोडल्या जातात आणि मोनोसाइट्स इम्प्लांटेशन साइटमध्ये प्रवेश करू लागतात आणि विशाल पेशींमध्ये फरक करतात.फेगे (४१, ५५, ५६).FBR कमी करणे नेहमीच एक आव्हान होते कारण जास्त FBR तीव्र आणि जुनाट दाह होऊ शकते, ज्यामुळे घातक गुंतागुंत होऊ शकते.बेअर इम्प्लांट आणि LOIS च्या सभोवतालच्या ऊतींमधील जिवाणू संसर्गाच्या प्रभावाचे मूल्यांकन करण्यासाठी, हेमॅटॉक्सिलिन आणि इओसिन (H&E) आणि मॅसन ट्रायक्रोम (MT) स्टेनिंगचा वापर केला गेला.बेअर सब्सट्रेट्ससह रोपण केलेल्या सशांसाठी, गंभीर जिवाणू संसर्ग वाढला आणि H&E टिश्यू स्लाइड्समध्ये स्पष्टपणे जळजळ झाल्यामुळे गळू आणि नेक्रोसिस दिसून आले.दुसरीकडे, अत्यंत मजबूत अँटी-बायोफॉलिंग पृष्ठभाग LOIS जीवाणूंना चिकटून राहण्यास प्रतिबंध करते, त्यामुळे ते संसर्गाची कोणतीही चिन्हे दर्शवत नाही आणि जळजळ कमी करते (आकृती 5C).एमटी स्टेनिंगच्या परिणामांनी समान प्रवृत्ती दर्शविली.तथापि, MT स्टेनिंगने LOIS सह रोपण केलेल्या सशांमध्ये सूज देखील दिसून आली, जी पुनर्प्राप्ती होणार असल्याचे दर्शविते (आकृती 5D).रोगप्रतिकारक प्रतिसादाच्या डिग्रीचा अभ्यास करण्यासाठी, रोगप्रतिकारक प्रतिसादाशी संबंधित साइटोकिन्स TNF-α आणि IL-6 वापरून इम्यूनोहिस्टोकेमिकल (IHC) स्टेनिंग केले गेले.बॅक्टेरियाच्या संपर्कात नसलेल्या नग्न नकारात्मक इम्प्लांटची तुलना एलओआयएसशी केली गेली जी बॅक्टेरियाच्या संपर्कात आली होती परंतु जिवाणू संसर्गाच्या अनुपस्थितीत उपचार प्रक्रियेचा अभ्यास करण्यासाठी संक्रमित नाही.आकृती 5E IHC स्लाइडची ऑप्टिकल प्रतिमा दर्शवते जी TNF-α व्यक्त करते.तपकिरी क्षेत्र रोगप्रतिकारक प्रतिसादाचे प्रतिनिधित्व करते, जे LOIS मधील रोगप्रतिकारक प्रतिसाद किंचित कमी झाल्याचे सूचित करते.याव्यतिरिक्त, LOIS मध्ये IL-6 ची अभिव्यक्ती निर्जंतुकीकरण नग्न (आकृती 5F) च्या नकारात्मक अभिव्यक्तीपेक्षा लक्षणीयरीत्या कमी होती.साइटोकाइनची अभिव्यक्ती साइटोकाइन (आकृती 5G) शी संबंधित अँटीबॉडी स्टेनिंगचे क्षेत्र मोजून परिमाणित केली गेली.नकारात्मक प्रत्यारोपणाच्या संपर्कात आलेल्या सशांच्या तुलनेत, LOIS सह रोपण केलेल्या सशांची अभिव्यक्ती पातळी कमी होती, जे एक अर्थपूर्ण फरक दर्शविते.साइटोकाइन अभिव्यक्तीमध्ये घट दर्शविते की एलओआयएसचे दीर्घकालीन, स्थिर अँटी-फाउलिंग गुणधर्म केवळ बॅक्टेरियाच्या संसर्गाच्या प्रतिबंधाशी संबंधित नाहीत, तर एफबीआर कमी करण्याशी देखील संबंधित आहेत, जे सब्सट्रेटला चिकटलेल्या मॅक्रोफेजद्वारे प्रेरित होते (53, ५७, ५८).म्हणून, LOIS च्या रोगप्रतिकारक चोरीच्या गुणधर्मांमुळे कमी झालेली रोगप्रतिकारक प्रतिक्रिया इम्प्लांटेशन नंतर दुष्परिणाम दूर करू शकते, जसे की प्लास्टिक सर्जरीनंतर जास्त प्रतिकारशक्ती.
(A) संक्रमित ऑर्थोपेडिक इम्प्लांटच्या पृष्ठभागावर बायोफिल्म तयार करण्याच्या आणि पसरण्याच्या यंत्रणेचा एक योजनाबद्ध आकृती.eDNA, बाह्य DNA.(ब) ऑर्थोपेडिक इम्प्लांट घालल्यानंतर रोगप्रतिकारक प्रतिसादाची योजनाबद्ध आकृती.(C) H&E स्टेनिंग आणि (D) बेअर पॉझिटिव्ह आणि LOIS सह ऑर्थोपेडिक इम्प्लांटच्या आसपासच्या ऊतींचे MT डाग.रोगप्रतिकारक-संबंधित साइटोकाइन्सचे IHC (E) TNF-α आणि (F) IL-6 नग्न-नकारात्मक आणि LOIS-प्रत्यारोपित सशांच्या डागलेल्या प्रतिमा आहेत.(जी) क्षेत्र व्याप्ती मोजमाप (** P <0.01) द्वारे साइटोकाइन अभिव्यक्तीचे प्रमाणीकरण.
डायग्नोस्टिक इमेजिंग [एक्स-रे आणि मायक्रो-कॉम्प्युटेड टोमोग्राफी (CT)] आणि ऑस्टिओक्लास्ट IHC वापरून LOIS ची बायोकॉम्पॅटिबिलिटी आणि त्याचा हाडांच्या उपचार प्रक्रियेवर होणारा परिणाम तपासण्यात आला.आकृती 6A हाडांच्या बरे होण्याची प्रक्रिया दर्शविते ज्यामध्ये तीन वेगवेगळ्या टप्प्यांचा समावेश आहे: जळजळ, दुरुस्ती आणि रीमॉडेलिंग.जेव्हा फ्रॅक्चर होते तेव्हा, दाहक पेशी आणि फायब्रोब्लास्ट फ्रॅक्चर झालेल्या हाडांमध्ये प्रवेश करतात आणि संवहनी ऊतकांमध्ये वाढू लागतात.दुरुस्तीच्या टप्प्यात, रक्तवहिन्यासंबंधी ऊतकांची वाढ फ्रॅक्चर साइटजवळ पसरते.व्हॅस्क्यूलर टिश्यू नवीन हाडांच्या निर्मितीसाठी पोषक तत्त्वे प्रदान करतात, ज्याला कॉलस म्हणतात.हाडांच्या बरे होण्याच्या प्रक्रियेचा अंतिम टप्पा म्हणजे रीमॉडेलिंगचा टप्पा, ज्यामध्ये सक्रिय ऑस्टियोक्लास्ट्सच्या पातळीत वाढ करून कॉलसचा आकार सामान्य हाडांच्या आकारात कमी केला जातो (59).फ्रॅक्चर साइटची त्रि-आयामी (3D) पुनर्रचना प्रत्येक गटातील कॉलस निर्मितीच्या पातळीतील फरक पाहण्यासाठी मायक्रो-सीटी स्कॅन वापरून केली गेली.फ्रॅक्चर झालेल्या हाडांच्या सभोवतालच्या कॉलसच्या जाडीचे निरीक्षण करण्यासाठी फेमरच्या क्रॉस-सेक्शनचे निरीक्षण करा (आकृती 6, बी आणि सी).प्रत्येक गटातील हाडांच्या पुनरुत्पादनाच्या वेगवेगळ्या प्रक्रियांचे निरीक्षण करण्यासाठी दर आठवड्याला सर्व गटांच्या फ्रॅक्चर साइट्सचे परीक्षण करण्यासाठी क्ष-किरण देखील वापरण्यात आले (आकृती S9).कॅलस आणि परिपक्व हाडे अनुक्रमे निळ्या/हिरव्या आणि हस्तिदंतीमध्ये दर्शविल्या जातात.बहुतेक मऊ उती प्रीसेट थ्रेशोल्डसह फिल्टर केल्या जातात.न्यूड पॉझिटिव्ह आणि SHP ने फ्रॅक्चर साइटच्या सभोवताली थोड्या प्रमाणात कॉलस तयार झाल्याची पुष्टी केली.दुसरीकडे, LOIS चे उघड नकारात्मक आणि फ्रॅक्चर साइट जाड कॉलसने वेढलेले आहेत.सूक्ष्म-सीटी प्रतिमांनी दर्शविले की कॉलसच्या निर्मितीमध्ये जिवाणू संसर्ग आणि संसर्ग-संबंधित जळजळ यांच्यामुळे अडथळा निर्माण होतो.याचे कारण असे की रोगप्रतिकारक यंत्रणा हाडांच्या पुनर्प्राप्ती (60) ऐवजी संसर्ग-संबंधित जळजळांमुळे झालेल्या सेप्टिक जखमांच्या उपचारांना प्राधान्य देते.ऑस्टियोक्लास्ट क्रियाकलाप आणि हाडांचे पुनरुत्थान (आकृती 6D) (61) पाहण्यासाठी IHC आणि टार्ट्रेट-प्रतिरोधक ऍसिड फॉस्फेटेस (TRAP) स्टेनिंग केले गेले.नग्न पॉझिटिव्ह आणि SHP मध्ये फक्त काही सक्रिय ऑस्टियोक्लास्ट स्टेन्ड जांभळा आढळले.दुसरीकडे, LOIS च्या नग्न पॉझिटिव्ह आणि परिपक्व हाडांच्या जवळ अनेक सक्रिय ऑस्टियोक्लास्ट्स आढळून आले.ही घटना सूचित करते की ऑस्टियोक्लास्ट्सच्या उपस्थितीत, फ्रॅक्चर साइटच्या सभोवतालची कॉलस हिंसक रीमॉडेलिंग प्रक्रियेतून जात आहे (62).सर्व गटांमधील फ्रॅक्चर साइटभोवती कॉलस निर्मितीच्या पातळीची तुलना करण्यासाठी कॉलसचे हाडांचे प्रमाण आणि ऑस्टिओक्लास्ट अभिव्यक्ती क्षेत्र मोजले गेले, जेणेकरून मायक्रो-सीटी स्कॅन आणि IHC परिणाम (आकृती 6E, 1 आणि 2) मोजता येतील.अपेक्षेप्रमाणे, LOIS मध्ये नग्न नकारात्मक आणि कॉलस निर्मिती इतर गटांच्या तुलनेत लक्षणीयरीत्या जास्त होती, हे दर्शविते की सकारात्मक हाडांचे पुनर्निर्माण झाले (63).आकृती S10 सर्जिकल साइटची ऑप्टिकल प्रतिमा, स्क्रूजवळ गोळा केलेल्या ऊतींचे MT स्टेनिंग परिणाम आणि स्क्रू-बोन इंटरफेस हायलाइट करणारा TRAP स्टेनिंग परिणाम दर्शविते.बेअर सब्सट्रेटमध्ये, मजबूत कॉलस आणि फायब्रोसिसची निर्मिती दिसून आली, तर LOIS-उपचार केलेल्या इम्प्लांटमध्ये तुलनेने अधोरेखित पृष्ठभाग दिसून आला.त्याचप्रमाणे, नग्न निगेटिव्हच्या तुलनेत, पांढऱ्या बाणांनी दर्शविल्याप्रमाणे, LOIS सह रोपण केलेल्या सशांमध्ये कमी फायब्रोसिस दिसून आले.याव्यतिरिक्त, फर्म एडेमा (निळा बाण) LOIS च्या रोगप्रतिकारक चोरीच्या गुणधर्मांना कारणीभूत ठरू शकतो, ज्यामुळे तीव्र दाह कमी होतो.इम्प्लांटच्या सभोवतालची नॉन-स्टिक पृष्ठभाग आणि कमी झालेले फायब्रोसिस सूचित करते की काढण्याची प्रक्रिया सोपी आहे, ज्यामुळे सामान्यतः इतर फ्रॅक्चर किंवा जळजळ होते.स्क्रू काढल्यानंतर हाड बरे होण्याच्या प्रक्रियेचे मूल्यांकन स्क्रू-बोन इंटरफेसमधील ऑस्टियोक्लास्ट क्रियाकलापाद्वारे केले गेले.बेअर बोन आणि एलओआयएस इम्प्लांट इंटरफेस दोन्ही हाडांच्या बरे होण्यासाठी ऑस्टियोक्लास्टचे समान स्तर शोषून घेतात, हे दर्शविते की LOIS कोटिंगचा हाडांच्या उपचारांवर किंवा रोगप्रतिकारक प्रतिसादावर कोणताही नकारात्मक प्रभाव पडत नाही.LOIS वर केलेले पृष्ठभाग बदल हाडांच्या बरे होण्याच्या प्रक्रियेत व्यत्यय आणत नाहीत याची पुष्टी करण्यासाठी, एक्स-रे तपासणीचा उपयोग सशांच्या हाडांच्या उपचाराची तुलना उघड नकारात्मक आयन आणि 6 आठवडे LOIS रोपण (आकृती 6F) सह तुलना करण्यासाठी केला गेला.परिणामांवरून असे दिसून आले की, LOIS ने हाड बरे होण्याचे प्रमाण समान प्रमाणात दाखवले आहे आणि दोन्ही गटांमध्ये फ्रॅक्चर (सतत ऑस्टिओलिसिस लाइन) ची कोणतीही स्पष्ट चिन्हे नाहीत.
(अ) फ्रॅक्चर नंतर हाड बरे होण्याच्या प्रक्रियेचे योजनाबद्ध आकृती.(बी) प्रत्येक पृष्ठभागाच्या गटाच्या कॉलस निर्मितीच्या डिग्रीमधील फरक आणि (सी) फ्रॅक्चर साइटच्या क्रॉस-सेक्शनल इमेज.(डी) ऑस्टिओक्लास्ट क्रियाकलाप आणि हाडांच्या पुनर्शोषणाची कल्पना करण्यासाठी ट्रॅप स्टेनिंग.ट्रॅप क्रियाकलापावर आधारित, कॉर्टिकल हाडांच्या बाह्य कॉलसच्या निर्मितीचे परिमाणात्मक विश्लेषण (ई) (1) मायक्रो-सीटी आणि (2) ऑस्टियोक्लास्ट क्रियाकलापाद्वारे केले गेले.(F) इम्प्लांटेशनच्या 6 आठवड्यांनंतर, उघड झालेल्या नकारात्मक (लाल डॅश केलेल्या आयताद्वारे हायलाइट केलेले) आणि LOIS (निळ्या डॅश केलेल्या आयताद्वारे हायलाइट केलेल्या) च्या फ्रॅक्चर झालेल्या हाडांच्या एक्स-रे प्रतिमा.सांख्यिकीय विश्लेषण हे भिन्नता (ANOVA) च्या एकमार्गी विश्लेषणाद्वारे केले गेले.* पी <0.05.** पी <0.01.
थोडक्यात, LOIS ऑर्थोपेडिक इम्प्लांटसाठी एक नवीन प्रकारचे जीवाणूजन्य संसर्ग धोरण आणि रोगप्रतिकारक बचाव कोटिंग प्रदान करते.SHP फंक्शनलायझेशनसह पारंपारिक ऑर्थोपेडिक रोपण अल्पकालीन अँटी-बायोफोलिंग गुणधर्म प्रदर्शित करतात, परंतु त्यांचे गुणधर्म दीर्घकाळ टिकवून ठेवू शकत नाहीत.सब्सट्रेटची सुपरहायड्रोफोबिसिटी बॅक्टेरिया आणि सब्सट्रेट दरम्यान हवेचे बुडबुडे अडकवते, ज्यामुळे हवेचे कप्पे तयार होतात, ज्यामुळे जिवाणू संसर्गास प्रतिबंध होतो.मात्र, हवेच्या प्रसारामुळे हे हवेचे कप्पे सहज काढले जातात.दुसरीकडे, LOIS ने बायोफिल्म-संबंधित संक्रमण रोखण्याची क्षमता सिद्ध केली आहे.म्हणून, लेयर्ड मायक्रो/नॅनो स्ट्रक्चर पृष्ठभागावर इंजेक्ट केलेल्या स्नेहक थराच्या अँटी-रिजेक्शन गुणधर्मांमुळे, संसर्ग-संबंधित जळजळ टाळता येते.LOIS उत्पादन परिस्थिती अनुकूल करण्यासाठी SEM, AFM, XPS आणि CA मोजमापांसह विविध वैशिष्ट्यीकरण पद्धती वापरल्या जातात.याव्यतिरिक्त, LOIS सामान्यतः ऑर्थोपेडिक फिक्सेशन उपकरणांमध्ये वापरल्या जाणाऱ्या विविध जैविक सामग्रीवर देखील लागू केले जाऊ शकते, जसे की PLGA, Ti, PE, POM आणि PPSU.त्यानंतर, LOIS चे जीवाणू आणि रोगप्रतिकारक प्रतिसादाशी संबंधित जैविक पदार्थांविरूद्ध जैव-विरोधी गुणधर्म सिद्ध करण्यासाठी विट्रोमध्ये चाचणी केली गेली.परिणाम दर्शवितात की बेअर इम्प्लांटच्या तुलनेत त्यात उत्कृष्ट बॅक्टेरियाच्या वाढीस प्रतिबंध करणारा पदार्थ आणि अँटी-बायोफॉलिंग प्रभाव आहे.याव्यतिरिक्त, LOIS यांत्रिक ताण लागू केल्यानंतरही यांत्रिक शक्ती दर्शवते, जी प्लास्टिक सर्जरीमध्ये अपरिहार्य आहे.सूक्ष्म/नॅनो स्ट्रक्चरच्या पृष्ठभागावरील स्नेहकांच्या स्वयं-उपचार गुणधर्मांमुळे, LOIS ने त्याचे जैविक दूषणविरोधी गुणधर्म यशस्वीरित्या राखले.vivo मधील LOIS च्या बायोकॉम्पॅटिबिलिटी आणि अँटीबैक्टीरियल गुणधर्मांचा अभ्यास करण्यासाठी, LOIS 4 आठवड्यांसाठी सशाच्या फेमरमध्ये रोपण करण्यात आले.LOIS सह रोपण केलेल्या सशांमध्ये कोणताही जीवाणू संसर्ग आढळला नाही.याव्यतिरिक्त, IHC च्या वापराने स्थानिक रोगप्रतिकारक प्रतिसादाची कमी पातळी दर्शविली, जे सूचित करते की LOIS हाडांच्या उपचार प्रक्रियेस प्रतिबंध करत नाही.LOIS उत्कृष्ट बॅक्टेरियाच्या वाढीस प्रतिबंध करणारा पदार्थ आणि रोगप्रतिकारक चोरी गुणधर्म प्रदर्शित करते आणि ऑर्थोपेडिक शस्त्रक्रियेपूर्वी आणि विशेषतः हाडांच्या संश्लेषणासाठी बायोफिल्म निर्मितीला प्रभावीपणे प्रतिबंधित करते हे सिद्ध झाले आहे.रॅबिट बोन मॅरो इन्फ्लॅमेटरी फेमोरल फ्रॅक्चर मॉडेलचा वापर करून, प्री-इनक्युबेटेड इम्प्लांट्सद्वारे प्रेरित हाडांच्या उपचार प्रक्रियेवर बायोफिल्म-संबंधित संक्रमणांच्या प्रभावाचा सखोल अभ्यास केला गेला.भविष्यातील अभ्यास म्हणून, संपूर्ण उपचार प्रक्रियेदरम्यान बायोफिल्म-संबंधित संक्रमण पूर्णपणे समजून घेण्यासाठी आणि प्रतिबंध करण्यासाठी रोपणानंतर संभाव्य संसर्गाचा अभ्यास करण्यासाठी नवीन इन व्हिव्हो मॉडेलची आवश्यकता आहे.याव्यतिरिक्त, LOIS सह एकत्रीकरणामध्ये ऑस्टिओइंडक्शन हे अद्याप एक निराकरण न झालेले आव्हान आहे.आव्हानावर मात करण्यासाठी osteoinductive पेशींचे निवडक आसंजन किंवा LOIS सह पुनरुत्पादक औषध एकत्र करण्यासाठी पुढील संशोधन आवश्यक आहे.एकूणच, LOIS यांत्रिक मजबूती आणि उत्कृष्ट अँटी-बायोफौलिंग गुणधर्मांसह एक आशादायक ऑर्थोपेडिक इम्प्लांट कोटिंगचे प्रतिनिधित्व करते, जे SSI आणि रोगप्रतिकारक साइड इफेक्ट्स कमी करू शकते.
दूषित पदार्थ काढून टाकण्यासाठी 15 मिमी x 15 मिमी x 1 मिमी 304 एसएस सब्सट्रेट (डोंग कांग एम-टेक कं, कोरिया) एसीटोन, EtOH आणि DI पाण्यात 15 मिनिटे धुवा.पृष्ठभागावर सूक्ष्म/नॅनो-स्तरीय रचना तयार करण्यासाठी, साफ केलेला सब्सट्रेट 50 डिग्री सेल्सिअस तापमानात 48% ते 51% HF द्रावणात (DUKSAN Corp., दक्षिण कोरिया) बुडविला जातो.खोदकाम वेळ 0 ते 60 मिनिटांपर्यंत बदलते.त्यानंतर, खोदलेला सब्सट्रेट डीआयोनाइज्ड पाण्याने स्वच्छ केला गेला आणि पृष्ठभागावर क्रोमियम ऑक्साईड पॅसिव्हेशन थर तयार करण्यासाठी 30 मिनिटांसाठी 65% HNO3 (Korea DUKSAN Corp.) द्रावणात 50°C वर ठेवले.पॅसिव्हेशन नंतर, थर डीआयोनाइज्ड पाण्याने धुऊन वाळवले जाते आणि थर असलेल्या स्ट्रक्चरसह सब्सट्रेट प्राप्त होते.त्यानंतर, सब्सट्रेट ऑक्सिजन प्लाझ्मा (100 W, 3 मिनिटे) च्या संपर्कात आला आणि ताबडतोब 8.88 mM POTS (Sigma-Aldrich, Germany) च्या द्रावणात खोलीच्या तपमानावर 12 तासांसाठी टोल्यूनिमध्ये बुडवले.त्यानंतर, POTS सह लेपित सब्सट्रेट EtOH सह साफ केले गेले आणि दाट POTS SAM प्राप्त करण्यासाठी 2 तासांसाठी 150°C वर ऍनिल केले गेले.SAM कोटिंगनंतर, 20 μm/cm 2 च्या लोडिंग व्हॉल्यूमसह perfluoropolyether वंगण (Krytox 101; DuPont, USA) लागू करून सब्सट्रेटवर वंगणाचा थर तयार झाला. वापरण्यापूर्वी, 0.2 मायक्रॉन फिल्टरद्वारे वंगण फिल्टर करा.15 मिनिटांसाठी 45° कोनात टिल्ट करून अतिरिक्त वंगण काढून टाका.304 SS (लॉकिंग प्लेट आणि कॉर्टिकल लॉकिंग स्क्रू; डोंग कांग एम-टेक कं, कोरिया) बनवलेल्या ऑर्थोपेडिक इम्प्लांटसाठी समान उत्पादन प्रक्रिया वापरली गेली.सर्व ऑर्थोपेडिक इम्प्लांट सशाच्या फेमरच्या भूमितीमध्ये बसण्यासाठी डिझाइन केलेले आहेत.
सब्सट्रेट आणि ऑर्थोपेडिक इम्प्लांट्सच्या पृष्ठभागाच्या आकारविज्ञानाची तपासणी फील्ड एमिशन एसईएम (इन्स्पेक्ट F50, FEI, यूएसए) आणि AFM (XE-100, पार्क सिस्टम्स, दक्षिण कोरिया) द्वारे केली गेली.पृष्ठभागाचा खडबडीतपणा (Ra, Rq) 20 μm च्या क्षेत्रास 20 μm (n=4) ने गुणून मोजला जातो.पृष्ठभागाच्या रासायनिक रचनेचे विश्लेषण करण्यासाठी 100μm2 स्पॉट आकारासह Al Kα एक्स-रे स्त्रोतासह सुसज्ज XPS (PHI 5000 VersaProbe, ULVAC PHI, जपान) प्रणाली वापरली गेली.डायनॅमिक इमेज कॅप्चर कॅमेरा (स्मार्टड्रॉप, FEMTOBIOMED, ​​दक्षिण कोरिया) ने सुसज्ज असलेली CA मापन प्रणाली द्रव CA आणि SA मोजण्यासाठी वापरली गेली.प्रत्येक मापनासाठी, CA मोजण्यासाठी 6 ते 10 μl थेंब (डीआयनाइज्ड पाणी, घोड्याचे रक्त, EG, 30% इथेनॉल आणि HD) पृष्ठभागावर ठेवले जातात.जेव्हा सब्सट्रेटचा झुकणारा कोन 2°/s (n = 4) वेगाने वाढतो, तेव्हा थेंब पडतो तेव्हा SA मोजला जातो.
स्यूडोमोनास एरुगिनोसा [अमेरिकन टाईप कल्चर कलेक्शन (एटीसीसी) 27853] आणि एमआरएसए (एटीसीसी 25923) एटीसीसी (मनसास, व्हर्जिनिया, यूएसए) कडून खरेदी केले गेले आणि स्टॉक कल्चर -80 डिग्री सेल्सिअसवर राखले गेले.वापरण्यापूर्वी, फ्रोझन कल्चर ट्रिप्सिन-विरघळलेल्या सोयाबीन मटनाचा रस्सा (कोमेड, कोरिया) मध्ये 18 तासांसाठी 37 डिग्री सेल्सिअस तापमानात उबवले गेले आणि नंतर ते सक्रिय करण्यासाठी दोनदा हस्तांतरित केले.उष्मायनानंतर, कल्चर 10,000 rpm वर 10 मिनिटांसाठी 4°C वर सेंट्रीफ्यूज केले गेले आणि PBS (pH 7.3) द्रावणाने दोनदा धुतले.सेंट्रीफ्यूज्ड कल्चर नंतर रक्त आगर प्लेट्सवर (BAP) उपसंस्कृती केली जाते.MRSA आणि स्यूडोमोनास एरुगिनोसा रात्रभर तयार केले गेले आणि लुरिया-बर्टानी मटनाचा रस्सा तयार केला गेला.इनोकुलममधील स्यूडोमोनास एरुगिनोसा आणि एमआरएसएची एकाग्रता आगरवरील सीरियल डायल्युशनमध्ये सस्पेंशनच्या CFU द्वारे परिमाणात्मकपणे निर्धारित केली गेली.नंतर, 0.5 मॅकफार्लंड मानक, जे 108 CFU/ml च्या समतुल्य आहे जिवाणू एकाग्रता समायोजित करा.नंतर कार्यरत बॅक्टेरियल सस्पेंशन 100 वेळा 106 CFU/ml वर पातळ करा.बॅक्टेरियाच्या वाढीस प्रतिबंध करणारा पदार्थ आसंजन गुणधर्म तपासण्यासाठी, सब्सट्रेट वापरण्यापूर्वी 15 मिनिटे 121°C वर निर्जंतुकीकरण केले गेले.त्यानंतर सब्सट्रेट 25 मिली बॅक्टेरियल सस्पेंशनमध्ये हस्तांतरित केले गेले आणि 12 आणि 72 तासांसाठी जोरदार थरथरणाऱ्या (200 rpm) सह 37°C वर उष्मायन केले गेले.उष्मायनानंतर, प्रत्येक सब्सट्रेट इनक्यूबेटरमधून काढला गेला आणि पृष्ठभागावरील कोणतेही फ्लोटिंग बॅक्टेरिया काढून टाकण्यासाठी पीबीएसने 3 वेळा धुवा.सब्सट्रेटवरील बायोफिल्मचे निरीक्षण करण्यासाठी, बायोफिल्म मिथेनॉलने निश्चित केली गेली आणि 1 मिली क्रिमिडीन ऑरेंजने 2 मिनिटांसाठी डागली.नंतर स्टेन्ड बायोफिल्मची छायाचित्रे घेण्यासाठी फ्लोरोसेन्स मायक्रोस्कोप (BX51TR, Olympus, Japan) वापरला गेला.सब्सट्रेटवरील बायोफिल्मचे प्रमाण निश्चित करण्यासाठी, जोडलेल्या पेशींना मणीच्या व्होर्टेक्स पद्धतीने सब्सट्रेटपासून वेगळे केले गेले, जी संलग्न जीवाणू (n = 4) काढून टाकण्यासाठी सर्वात योग्य पद्धत मानली गेली.निर्जंतुकीकरण संदंश वापरून, वाढीच्या माध्यमातून सब्सट्रेट काढून टाका आणि अतिरिक्त द्रव काढून टाकण्यासाठी वेल प्लेटवर टॅप करा.निर्जंतुक PBS सह दोनदा धुऊन सैलपणे जोडलेल्या पेशी काढल्या गेल्या.प्रत्येक सब्सट्रेट नंतर 0.1% प्रोटीन ईपीटी सलाईन (PSW) च्या 9 मिली आणि 20 ते 25 निर्जंतुकीकरण ग्लास मणी (0.4 ते 0.5 मिमी व्यास) असलेल्या निर्जंतुकीकरण चाचणी ट्यूबमध्ये हस्तांतरित केले गेले.नंतर नमुन्यापासून पेशी विलग करण्यासाठी 3 मिनिटे भोवरे टाकण्यात आले.व्हर्टेक्सिंग केल्यानंतर, निलंबन अनुक्रमे 0.1% PSW सह 10 पट पातळ केले गेले आणि नंतर BAP वर प्रत्येक सौम्यता 0.1 मिली.37 डिग्री सेल्सिअस तापमानात 24 तासांच्या उष्मायनानंतर, CFU स्वहस्ते मोजले गेले.
पेशींसाठी, माउस फायब्रोब्लास्ट्स NIH/3T3 (CRL-1658; अमेरिकन ATCC) आणि माउस मॅक्रोफेजेस RAW 264.7 (TIB-71; अमेरिकन ATCC) वापरले गेले.माऊस फायब्रोब्लास्ट्स कल्चर करण्यासाठी डल्बेकोचे सुधारित गरुड माध्यम (DMEM; LM001-05, Welgene, Korea) वापरा आणि 10% वासराला सीरम (S103-01, Welgene) आणि 1% पेनिसिलिन-स्ट्रेप्टोमायसिन (PS ; LS202-202-202-10%) सह पूरक करा. 10% फेटल बोवाइन सीरम (S001-01, वेलजीन) आणि 1% PS सह संवर्धनासाठी DMEM वापरा, आणि पेशींना 105 पेशी/cm2 वर इनोक्यूलेट करा. पेशींना 37°C आणि 5% CO2 वर रात्रभर उष्मायन केले गेले 37°C वर 30 मिनिटे उष्मायन प्रक्रियेनंतर, 4′,6-डायमिनो-2-फेनिलिंडोल (H -1200, Vector Laboratories, UK) VECTASHIELD फिक्सेशन माध्यम (n = 4 प्रति सेल) वापरा , fluorescein, fluorescein isothiocyanate-albumin (A9771, Sigma-Aldrich, Germany) आणि मानवी प्लाझ्मा The Alexa Fluor 488-conjugated fibrinogen (F13191, Invitrogen, USA) PBS (10 mM. p.4) मध्ये विरघळले होते.अल्ब्युमिन आणि फायब्रिनोजेनची एकाग्रता अनुक्रमे 1 आणि 150 μg/ml होती.सब्सट्रेट नंतर प्रथिने सोल्युशनमध्ये बुडविण्यापूर्वी, पृष्ठभाग पुन्हा हायड्रेट करण्यासाठी त्यांना पीबीएसने स्वच्छ धुवा.नंतर प्रथिने द्रावण असलेल्या सहा-विहिरीच्या प्लेटमध्ये सर्व थर बुडवा आणि 37°C वर 30 आणि 90 मिनिटे उबवा.उष्मायनानंतर, सब्सट्रेट नंतर प्रथिने द्रावणातून काढून टाकण्यात आले, पीबीएसने 3 वेळा हलक्या हाताने धुतले आणि 4% पॅराफॉर्मल्डिहाइड (प्रत्येक प्रोटीनसाठी n = 4) सह निश्चित केले.कॅल्शियमसाठी, सोडियम क्लोराईड (0.21 एम) आणि पोटॅशियम फॉस्फेट (3.77 एमएम) ) विआयनीकृत पाण्यात विरघळले होते.हायड्रोक्लोराइड द्रावण (1M) जोडून द्रावणाचा pH 2.0 वर समायोजित केला गेला.नंतर कॅल्शियम क्लोराईड (5.62 मिमी) द्रावणात विरघळले.1M tris(hydroxymethyl)-amino मिथेन जोडून द्रावणाचा pH 7.4 वर समायोजित करतो.1.5× कॅल्शियम फॉस्फेट द्रावणाने भरलेल्या सहा-विहीर प्लेटमध्ये सर्व थर बुडवा आणि 30 मिनिटांनंतर द्रावणातून काढून टाका.डाग पडण्यासाठी, 2 ग्रॅम अलिझारिन रेड एस (CI 58005) 100 मिली डीआयोनाइज्ड पाण्यात मिसळा.त्यानंतर, pH 4 वर समायोजित करण्यासाठी 10% अमोनियम हायड्रॉक्साईड वापरा. ​​5 मिनिटे अलिझारिन रेड द्रावणाने सब्सट्रेट रंगवा, आणि नंतर अतिरिक्त रंग आणि डाग झटकून टाका.शेकिंग प्रक्रियेनंतर, सब्सट्रेट काढून टाका.पदार्थ निर्जलीकरण केले जाते, नंतर एसीटोनमध्ये 5 मिनिटे बुडविले जाते, नंतर एसीटोन-जायलीन (1:1) द्रावणात 5 मिनिटे बुडविले जाते आणि शेवटी xylene (n = 4) ने धुतले जाते.×10 आणि ×20 वस्तुनिष्ठ लेन्ससह फ्लोरोसेन्स मायक्रोस्कोप (एक्सिओ इमेजर) वापरला जातो..A2m, Zeiss, जर्मनी) सर्व सब्सट्रेट्स प्रतिमा.ImageJ/FIJI (https://imagej.nih.gov/ij/) चार वेगवेगळ्या इमेजिंग क्षेत्रांच्या प्रत्येक गटावरील जैविक पदार्थांच्या आसंजन डेटाचे प्रमाण निश्चित करण्यासाठी वापरले गेले.सब्सट्रेट तुलनासाठी निश्चित थ्रेशोल्डसह सर्व प्रतिमा बायनरी प्रतिमांमध्ये रूपांतरित करा.
एक Zeiss LSM 700 कॉन्फोकल मायक्रोस्कोप PBS मध्ये परावर्तन मोडमध्ये वंगण थराच्या स्थिरतेवर लक्ष ठेवण्यासाठी वापरला गेला.इंजेक्टेड ल्युब्रिकेटिंग लेयरसह फ्लोरिन-आधारित SAM-लेपित काचेचा नमुना PBS सोल्युशनमध्ये बुडविला गेला आणि सौम्य थरथरणाऱ्या परिस्थितीत (120 rpm) ऑर्बिटल शेकर (SHO-1D; डायहान सायंटिफिक, दक्षिण कोरिया) वापरून चाचणी केली गेली.नंतर नमुना घ्या आणि परावर्तित प्रकाशाचे नुकसान मोजून वंगणाच्या नुकसानाचे निरीक्षण करा.परावर्तन मोडमध्ये प्रतिदीप्ति प्रतिमा प्राप्त करण्यासाठी, नमुना 633 nm लेसरच्या संपर्कात आणला जातो आणि नंतर गोळा केला जातो, कारण नमुन्यातून प्रकाश परत परावर्तित केला जाईल.नमुने 0, 30, 60 आणि 120 तासांच्या अंतराने मोजले गेले.
ऑर्थोपेडिक इम्प्लांट्सच्या नॅनोमेकॅनिकल गुणधर्मांवर पृष्ठभाग बदलण्याच्या प्रक्रियेचा प्रभाव निश्चित करण्यासाठी, नॅनोइंडिनेडिओन मोजण्यासाठी तीन बाजूंच्या पिरॅमिड-आकाराच्या बर्कोविच डायमंड टीपसह सुसज्ज नॅनोइंडेंटर (TI 950 TriboIndenter, Hysitron, USA) वापरला गेला.कमाल भार 10 mN आहे आणि क्षेत्रफळ 100μmx 100μm आहे.सर्व मोजमापांसाठी, लोडिंग आणि अनलोडिंग वेळ 10 s आहे आणि पीक इंडेंटेशन लोड अंतर्गत होल्डिंग वेळ 2 s आहे.पाच वेगवेगळ्या ठिकाणांहून मोजमाप घ्या आणि सरासरी घ्या.लोड अंतर्गत यांत्रिक शक्ती कार्यक्षमतेचे मूल्यांकन करण्यासाठी, सार्वत्रिक चाचणी मशीन (इंस्ट्रॉन 5966, इंस्ट्रॉन, यूएसए) वापरून ट्रान्सव्हर्स थ्री-पॉइंट बेंडिंग चाचणी केली गेली.सब्सट्रेट वाढीव भारासह 10 N/s च्या स्थिर दराने संकुचित केले जाते.ब्लूहिल युनिव्हर्सल सॉफ्टवेअर प्रोग्राम (n = 3) फ्लेक्सरल मॉड्यूलस आणि जास्तीत जास्त संकुचित ताण मोजण्यासाठी वापरला गेला.
ऑपरेशन प्रक्रियेचे अनुकरण करण्यासाठी आणि ऑपरेशन दरम्यान झालेल्या संबंधित यांत्रिक नुकसानाचे अनुकरण करण्यासाठी, ऑपरेशन प्रक्रिया विट्रोमध्ये केली गेली.फाशी देण्यात आलेल्या न्यूझीलंडच्या पांढऱ्या सशांकडून फेमर्स गोळा करण्यात आले होते.1 आठवड्यासाठी 4% पॅराफॉर्मल्डिहाइडमध्ये फेमर साफ केला गेला आणि निश्चित केला गेला.प्राण्यांच्या प्रयोग पद्धतीमध्ये वर्णन केल्याप्रमाणे, निश्चित फेमरवर शस्त्रक्रिया करण्यात आली.ऑपरेशननंतर, ऑर्थोपेडिक इम्प्लांट रक्तामध्ये (घोड्याचे रक्त, किसान, कोरिया) 10 सेकंदांसाठी बुडवले गेले होते की यांत्रिक इजा लागू झाल्यानंतर रक्त चिकटले आहे की नाही याची पुष्टी करण्यासाठी (n = 3).
एकूण 24 नर न्यूझीलंड पांढरे ससे (वजन 3.0 ते 3.5 किलो, सरासरी वय 6 महिने) यादृच्छिकपणे चार गटांमध्ये विभागले गेले: नग्न नकारात्मक, नग्न सकारात्मक, SHP आणि LOIS.प्राण्यांचा समावेश असलेल्या सर्व प्रक्रिया संस्थात्मक प्राणी काळजी आणि वापर समितीच्या नैतिक मानकांनुसार केल्या गेल्या (IACUC मंजूर, KOREA-2017-0159).ऑर्थोपेडिक इम्प्लांटमध्ये फ्रॅक्चर फिक्सेशनसाठी पाच छिद्रे (लांबी 41 मिमी, रुंदी 7 मिमी आणि जाडी 2 मिमी) आणि कॉर्टिकल लॉकिंग स्क्रू (लांबी 12 मिमी, व्यास 2.7 मिमी) असलेली लॉकिंग प्लेट असते.बेअर-निगेटिव्ह ग्रुपमध्ये वापरल्या गेलेल्या प्लेट्स आणि स्क्रू वगळता, सर्व प्लेट्स आणि स्क्रू MRSA सस्पेंशन (106 CFU/ml) मध्ये 12 तासांसाठी उबवलेले होते.नग्न-नकारात्मक गट (n=6) संसर्गासाठी नकारात्मक नियंत्रण म्हणून, जिवाणू निलंबनाच्या संपर्कात न येता नग्न पृष्ठभाग प्रत्यारोपणाने उपचार केले गेले.बेअर पॉझिटिव्ह ग्रुपवर (n = 6) संक्रमणासाठी सकारात्मक नियंत्रण म्हणून जीवाणूंच्या संपर्कात असलेल्या उघड्या पृष्ठभागाच्या इम्प्लांटने उपचार केले गेले.SHP गट (n = 6) वर बॅक्टेरियाच्या संपर्कात असलेल्या SHP रोपणांनी उपचार केले गेले.शेवटी, LOIS गटावर जिवाणू-उघड LOIS रोपण (n = 6) सह उपचार केले गेले.सर्व प्राण्यांना पिंजऱ्यात ठेवले जाते आणि भरपूर अन्न आणि पाणी दिले जाते.ऑपरेशनपूर्वी, सशांना 12 तास उपवास करण्यात आला.इंडक्शनसाठी xylazine (5mg/kg) चे इंट्रामस्क्युलर इंजेक्शन आणि पॅक्लिटाक्सेल (3mg/kg) च्या इंट्राव्हेनस इंजेक्शनद्वारे प्राण्यांना भूल देण्यात आली.त्यानंतर, 2% आयसोफ्लुरेन आणि 50% ते 70% वैद्यकीय ऑक्सिजन (प्रवाह दर 2 एल/मिनिट) श्वसन प्रणालीद्वारे ऍनेस्थेसिया राखण्यासाठी वितरित करा.हे पार्श्व फेमरच्या थेट दृष्टीकोनातून रोपण केले जाते.केस काढून टाकल्यानंतर आणि त्वचेचे पोविडोन-आयोडीन निर्जंतुकीकरण केल्यानंतर, डाव्या मधल्या फेमरच्या बाहेरील बाजूस सुमारे 6 सेमी लांबीचा एक चीरा बनविला गेला.फेमर झाकणा-या स्नायूंमधील अंतर उघडून, फेमर पूर्णपणे उघड होतो.प्लेटला फेमोरल शाफ्टच्या समोर ठेवा आणि चार स्क्रूसह त्याचे निराकरण करा.फिक्सेशन केल्यानंतर, दुसरा छिद्र आणि चौथ्या छिद्राच्या दरम्यान कृत्रिमरित्या फ्रॅक्चर तयार करण्यासाठी सॉ ब्लेड (1 मिमी जाड) वापरा.ऑपरेशनच्या शेवटी, जखम सलाईनने धुतली गेली आणि सिवनीने बंद केली गेली.प्रत्येक सशाला त्वचेखालील एन्रोफ्लॉक्सासिन (5 मिग्रॅ/किलो) एक तृतीयांश सलाईनमध्ये मिसळून इंजेक्शन दिले गेले.हाडांच्या ऑस्टिओटॉमीची पुष्टी करण्यासाठी सर्व प्राण्यांमध्ये (0, 7, 14, 21, 28, आणि 42 दिवस) फेमरचे पोस्टऑपरेटिव्ह एक्स-रे घेण्यात आले.खोल भूल दिल्यानंतर, 28 आणि 42 दिवसांनी सर्व प्राणी इंट्राव्हेनस KCl (2 mmol/kg) द्वारे मारले गेले.अंमलबजावणीनंतर, हाडांच्या उपचार प्रक्रियेचे निरीक्षण आणि तुलना करण्यासाठी आणि चार गटांमधील नवीन हाडांच्या निर्मितीसाठी मायक्रो-सीटी द्वारे फीमर स्कॅन करण्यात आला.
अंमलबजावणीनंतर, ऑर्थोपेडिक रोपणांच्या थेट संपर्कात असलेल्या मऊ उती गोळा केल्या गेल्या.टिश्यू रात्रभर 10% तटस्थ बफर केलेल्या फॉर्मेलिनमध्ये निश्चित केले गेले आणि नंतर EtOH मध्ये निर्जलीकरण केले गेले.डिहायड्रेटेड टिश्यू पॅराफिनमध्ये एम्बेड केले गेले आणि मायक्रोटोम (400CS; EXAKT, जर्मनी) वापरून 40 μm जाडीवर विभागले गेले.संसर्गाची कल्पना करण्यासाठी, H&E स्टेनिंग आणि MT स्टेनिंग केले गेले.यजमान प्रतिसाद तपासण्यासाठी, विभागलेल्या ऊतकांना ससा विरोधी TNF-α प्राथमिक प्रतिपिंड (AB6671, Abcam, USA) आणि ससा अँटी-IL-6 (AB6672; Abcam, USA) सह उष्मायन करण्यात आले आणि नंतर तिखट मूळ असलेले एक रोपटे उपचार केले.ऑक्सिडेस.निर्मात्याच्या सूचनांनुसार विभागांमध्ये एव्हिडिन-बायोटिन कॉम्प्लेक्स (एबीसी) स्टेनिंग सिस्टम लागू करा.तपकिरी प्रतिक्रिया उत्पादन म्हणून दिसण्यासाठी, 3,3-डायमिनोबेन्झिडाइन सर्व भागांमध्ये वापरले गेले.डिजिटल स्लाईड स्कॅनर (पॅनोरामिक 250 फ्लॅश III, 3DHISTECH, हंगेरी) सर्व स्लाइसचे व्हिज्युअलाइझ करण्यासाठी वापरले गेले आणि इमेजजे सॉफ्टवेअरद्वारे प्रत्येक गटातील किमान चार सबस्ट्रेट्सचे विश्लेषण केले गेले.
शस्त्रक्रियेनंतर सर्व प्राण्यांमध्ये क्ष-किरण प्रतिमा घेतल्या गेल्या आणि फ्रॅक्चर बरे होण्याचे निरीक्षण करण्यासाठी दर आठवड्याला (n=6 प्रति गट).अंमलात आणल्यानंतर, उच्च-रिझोल्यूशन मायक्रो-सीटीचा वापर बरे झाल्यानंतर फेमरभोवती कॉलसच्या निर्मितीची गणना करण्यासाठी केला गेला.प्राप्त केलेले फॅमर साफ केले गेले, 4% पॅराफॉर्मल्डिहाइडमध्ये 3 दिवसांसाठी निश्चित केले गेले आणि 75% इथेनॉलमध्ये निर्जलीकरण केले गेले.त्यानंतर हाडांच्या नमुन्याच्या 3D व्हॉक्सेल प्रतिमा (2240×2240 पिक्सेल) तयार करण्यासाठी मायक्रो-CT (SkyScan 1173, Brooke Micro-CT, Candy, Belgium) वापरून निर्जलित हाडे स्कॅन करण्यात आली.सिग्नलचा आवाज कमी करण्यासाठी 1.0 मिमी Al फिल्टर वापरा आणि सर्व स्कॅनवर उच्च रिझोल्यूशन लागू करा (E = 133 kVp, I = 60 μA, एकत्रीकरण वेळ = 500 ms).Nrecon सॉफ्टवेअर (आवृत्ती 1.6.9.8, Bruker microCT, Kontich, Belgium) चा वापर अधिग्रहित 2D लॅटरल प्रोजेक्शनमधून स्कॅन केलेल्या नमुन्याचा 3D व्हॉल्यूम निर्माण करण्यासाठी केला गेला.विश्लेषणासाठी, 3D पुनर्रचना केलेली प्रतिमा फ्रॅक्चर साइटनुसार 10mm×10mm×10mm क्यूब्समध्ये विभागली आहे.कॉर्टिकल हाडांच्या बाहेर कॉलसची गणना करा.डेटा व्ह्यूअर (आवृत्ती 1.5.1.2; ब्रुकर मायक्रोसीटी, कॉन्टिच, बेल्जियम) सॉफ्टवेअरचा वापर स्कॅन केलेल्या हाडांच्या व्हॉल्यूमचे डिजिटल रिडायरेक्ट करण्यासाठी केला गेला आणि विश्लेषणासाठी CT-विश्लेषक (आवृत्ती 1.14.4.1; ब्रुकर मायक्रोसीटी, कॉन्टिच, बेल्जियम) सॉफ्टवेअर वापरले गेले.परिपक्व हाडे आणि कॉलसमधील सापेक्ष क्ष-किरण शोषण गुणांक त्यांच्या घनतेनुसार ओळखले जातात आणि नंतर कॉलसचे प्रमाण मोजले जाते (n = 4).LOIS च्या बायोकॉम्पॅटिबिलिटीमुळे हाड बरे होण्यास विलंब होत नाही याची पुष्टी करण्यासाठी, दोन सशांमध्ये अतिरिक्त एक्स-रे आणि मायक्रो-सीटी विश्लेषण केले गेले: नग्न-नकारात्मक आणि LOIS गट.दोन्ही गटांना 6 व्या आठवड्यात फाशी देण्यात आली.
बलिदान दिलेल्या प्राण्यांचे फेमर्स गोळा केले गेले आणि 4% पॅराफॉर्मल्डिहाइडमध्ये 3 दिवसांसाठी निश्चित केले गेले.ऑर्थोपेडिक इम्प्लांट नंतर फेमरमधून काळजीपूर्वक काढून टाकले जाते.०.५ एम ईडीटीए (ईसी-९००, नॅशनल डायग्नोस्टिक्स कॉर्पोरेशन) वापरून 21 दिवसांसाठी फेमर डिकॅल्सीफाय केले गेले.नंतर decalcified femur निर्जलीकरण करण्यासाठी EtOH मध्ये विसर्जित केले.डिहायड्रेटेड फीमर जाइलीनमध्ये काढला गेला आणि पॅराफिनमध्ये एम्बेड केला गेला.मग नमुना 3 μm जाडीसह स्वयंचलित रोटरी मायक्रोटोम (Leica RM2255, Leica Biosystems, जर्मनी) सह कापला गेला.TRAP स्टेनिंगसाठी (F6760, Sigma-Aldrich, Germany), सेक्शन केलेले नमुने 1 तासासाठी 37°C वर TRAP अभिकर्मकात डिपॅराफिनाइज्ड, रीहायड्रेट आणि उबवलेले होते.स्लाईड स्कॅनर (पॅनोरॅमिक 250 फ्लॅश III, 3DHISTECH, हंगेरी) वापरून प्रतिमा मिळवल्या गेल्या आणि डागलेल्या क्षेत्राचे क्षेत्रफळ मोजून परिमाण निश्चित केले गेले.प्रत्येक प्रयोगात, इमेजजे सॉफ्टवेअरद्वारे प्रत्येक गटातील किमान चार सबस्ट्रेट्सचे विश्लेषण केले गेले.
ग्राफपॅड प्रिझम (GraphPad Software Inc., USA) वापरून सांख्यिकीय महत्त्व विश्लेषण केले गेले.मूल्यमापन गटांमधील फरक तपासण्यासाठी अनपेअर टी-टेस्ट आणि व्हेरिअन्सचे एक-मार्ग विश्लेषण (ANOVA) वापरले गेले.महत्त्वाची पातळी खालीलप्रमाणे आकृतीमध्ये दर्शविली आहे: *P<0.05, **P<0.01, ***P<0.001 आणि ****P<0.0001;एनएस, कोणताही महत्त्वपूर्ण फरक नाही.
या लेखासाठी पूरक सामग्रीसाठी, कृपया पहा http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/44/eabb0025/DC1
क्रिएटिव्ह कॉमन्स ॲट्रिब्युशन-नॉन-कमर्शियल लायसन्सच्या अटींनुसार वितरीत केलेला हा खुला प्रवेश लेख आहे, जो कोणत्याही माध्यमात वापर, वितरण आणि पुनरुत्पादन करण्यास परवानगी देतो, जोपर्यंत वापर व्यावसायिक फायद्यासाठी होत नाही आणि आधार असा आहे की मूळ काम योग्य आहे.संदर्भ.
टीप: आम्ही तुम्हाला ईमेल ॲड्रेस प्रदान करण्यास सांगतो जेणेकरुन तुम्ही पृष्ठावर शिफारस करत असलेल्या व्यक्तीला हे कळेल की तुम्ही त्यांनी ईमेल पहावे आणि ईमेल स्पॅम नाही.आम्ही कोणतेही ईमेल पत्ते कॅप्चर करणार नाही.
हा प्रश्न तुम्ही मानवी अभ्यागत आहात की नाही हे तपासण्यासाठी आणि स्वयंचलित स्पॅम सबमिशन रोखण्यासाठी वापरला जातो.
चो क्युंग मिन, ओह यंग जंग, पार्क जुन जून, ली जिन ह्युक, किम ह्यून चेओल, ली क्युंग मून, ली चांग क्यु, ली येओन ताइक, ली सन-उक, जेओंग मोरुई
ऑर्थोपेडिक इम्प्लांट्सच्या बॅक्टेरियाच्या वाढीस प्रतिबंध करणारा पदार्थ आणि रोगप्रतिकारक एस्केप कोटिंग्स संक्रमणामुळे होणारे संक्रमण आणि रोगप्रतिकारक प्रतिक्रिया कमी करू शकतात.
चो क्युंग मिन, ओह यंग जंग, पार्क जुन जून, ली जिन ह्युक, किम ह्यून चेओल, ली क्युंग मून, ली चांग क्यु, ली येओन ताइक, ली सन-उक, जेओंग मोरुई
ऑर्थोपेडिक इम्प्लांट्सच्या बॅक्टेरियाच्या वाढीस प्रतिबंध करणारा पदार्थ आणि रोगप्रतिकारक एस्केप कोटिंग्स संक्रमणामुळे होणारे संक्रमण आणि रोगप्रतिकारक प्रतिक्रिया कमी करू शकतात.
©2021 अमेरिकन असोसिएशन फॉर द ॲडव्हान्समेंट ऑफ सायन्स.सर्व हक्क राखीव.AAAS HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef आणि COUNTER चे भागीदार आहे.ScienceAdvances ISSN 2375-2548.