Għal pazjenti li għaddejjin minn kirurġija ta 'impjant ortopediku, infezzjonijiet batteriċi u risponsi immuni kkaġunati minn infezzjoni dejjem kienu riskji ta' theddida għall-ħajja.Materjali bijoloġiċi konvenzjonali huma suxxettibbli għal kontaminazzjoni bijoloġika, li tikkawża li l-batterja tinvadi ż-żona danneġġjata u tikkawża infezzjoni wara l-operazzjoni.Għalhekk, hemm bżonn urġenti li jiġu żviluppati kisjiet kontra l-infezzjoni u ħarba immuni għall-impjanti ortopediċi.Hawnhekk, żviluppajna teknoloġija avvanzata ta 'modifika tal-wiċċ għal impjanti ortopediċi msejħa Wiċċ tal-Impjant Ortopediku Lubrikat (LOIS), li hija ispirata mill-wiċċ lixx tal-pitchers tal-pjanti tal-pitcher.LOIS għandu repellenza tal-likwidu fit-tul u qawwija għal varjetà ta 'likwidi u sustanzi bijoloġiċi (inklużi ċelloli, proteini, kalċju u batterji).Barra minn hekk, ikkonfermajna d-durabilità mekkanika kontra l-grif u l-forza tal-iffissar billi simulaw il-ħsara inevitabbli waqt il-kirurġija in vitro.Il-mudell tal-ksur femorali infjammatorju tal-mudullun tal-fenek intuża biex jistudja bir-reqqa l-iskala antibijoloġika u l-kapaċità kontra l-infezzjoni ta 'LOIS.Aħna nipprevedi li LOIS, li għandu proprjetajiet anti-biofouling u durabilità mekkanika, huwa pass 'il quddiem fil-kirurġija ortopedika mingħajr infezzjoni.
Illum, minħabba t-tixjiħ ġenerali, in-numru ta 'pazjenti li jsofru minn mard ortopediku (bħal ksur tal-anzjani, mard deġenerattiv tal-ġogi, u osteoporożi) żdied ħafna (1, 2).Għalhekk, l-istituzzjonijiet mediċi jagħtu importanza kbira lill-kirurġija ortopedika, inklużi impjanti ortopediċi ta 'viti, pjanċi, imsiemer u ġonot artifiċjali (3, 4).Madankollu, impjanti ortopediċi tradizzjonali ġew irrappurtati li huma suxxettibbli għal adeżjoni batterika u formazzjoni ta 'bijofilm, li jistgħu jikkawżaw infezzjoni tas-sit kirurġiku (SSI) wara l-operazzjoni (5, 6).Ladarba l-bijofilm jiġi ffurmat fuq il-wiċċ ta 'l-impjant ortopediku, it-tneħħija tal-bijofilm issir estremament diffiċli anke bl-użu ta' dożi kbar ta 'antibijotiċi.Għalhekk, normalment iwassal għal infezzjonijiet severi wara l-operazzjoni (7, 8).Minħabba l-problemi ta 'hawn fuq, it-trattament ta' impjanti infettati għandu jinkludi operazzjoni mill-ġdid, inkluża t-tneħħija tal-impjanti kollha u t-tessuti tal-madwar;għalhekk, il-pazjent se jsofri uġigħ qawwi u xi riskji (9, 10).
Biex issolvi xi wħud minn dawn il-problemi, ġew żviluppati impjanti ortopediċi li joħorġu mid-droga biex jipprevjenu l-infezzjoni billi jeliminaw batterji mwaħħla mal-wiċċ (11, 12).Madankollu, l-istrateġija għadha turi diversi limitazzjonijiet.Ġie rrappurtat li l-impjantazzjoni fit-tul ta 'impjanti li joħorġu mid-droga kkawża ħsara lit-tessuti tal-madwar u kkawża infjammazzjoni, li tista' twassal għal nekrożi (13, 14).Barra minn hekk, is-solventi organiċi li jistgħu jeżistu wara l-proċess ta 'manifattura ta' impjanti ortopediċi li joħorġu mid-droga, li huma strettament ipprojbiti mill-Amministrazzjoni tal-Ikel u d-Droga tal-Istati Uniti, jeħtieġu passi ta 'purifikazzjoni addizzjonali biex jilħqu l-istandards tagħha (15).L-impjanti li joħorġu mid-droga huma ta’ sfida għar-rilaxx ikkontrollat ​​tad-drogi, u minħabba t-tagħbija limitata tagħhom tad-droga, l-applikazzjoni fit-tul tal-mediċina mhix fattibbli (16).
Strateġija komuni oħra hija li l-impjant jiġi miksi b'polimeru antifouling biex jipprevjeni li l-materja bijoloġika u l-batterji jeħel mal-wiċċ (17).Pereżempju, il-polimeri zwitterionic ġibdu l-attenzjoni minħabba l-proprjetajiet mhux adeżivi tagħhom meta f'kuntatt ma 'proteini tal-plażma, ċelluli u batterji.Madankollu, għandu xi limitazzjonijiet relatati mal-istabbiltà fit-tul u d-durabilità mekkanika, li jfixklu l-applikazzjoni prattika tiegħu f'impjanti ortopediċi, speċjalment minħabba l-brix mekkaniku waqt proċeduri kirurġiċi (18, 19).Barra minn hekk, minħabba l-bijokompatibilità għolja tiegħu, in-nuqqas ta 'ħtieġa għal kirurġija ta' tneħħija, u l-proprjetajiet tat-tindif tal-wiċċ permezz tal-korrużjoni, intużaw impjanti ortopediċi magħmula minn materjali bijodegradabbli (20, 21).Matul il-korrużjoni, ir-rabtiet kimiċi bejn il-matriċi tal-polimeru jitkissru u jinqalgħu mill-wiċċ, u l-aderenti jitnaddfu l-wiċċ.Madankollu, il-fouling anti-bijoloġiku bit-tindif tal-wiċċ huwa effettiv f'perjodu qasir ta 'żmien.Barra minn hekk, il-biċċa l-kbira tal-materjali assorbibbli inklużi l-poly(lactic acid-glycolic acid copolymer) (PLGA), l-aċidu polilattiku (PLA) u l-ligi bbażati fuq il-manjeżju se jgħaddu minn bijodegradazzjoni u erożjoni irregolari fil-ġisem, li jaffettwaw b'mod negattiv l-istabbiltà mekkanika.(tnejn u ghoxrin).Barra minn hekk, il-frammenti tal-pjanċa bijodegradabbli jipprovdu post biex jeħel il-batterja, li jżid iċ-ċans ta 'infezzjoni fit-tul.Dan ir-riskju ta' degradazzjoni mekkanika u infezzjoni jillimita l-applikazzjoni prattika tal-kirurġija plastika (23).
Uċuħ superhydrophobic (SHP) li jimitaw l-istruttura ġerarkika tal-weraq tal-lotus saru soluzzjoni potenzjali għal uċuħ anti-fouling (24, 25).Meta l-wiċċ SHP jiġi mgħaddas fil-likwidu, il-bżieżaq tal-arja jinqabdu, u b'hekk jiffurmaw bwiet tal-arja u jipprevjenu l-adeżjoni batterjali (26).Madankollu, studji reċenti wrew li l-wiċċ SHP għandu żvantaġġi relatati mad-durabilità mekkanika u l-istabbiltà fit-tul, li jfixkel l-applikazzjoni tiegħu f'impjanti mediċi.Barra minn hekk, il-bwiet ta 'l-arja jinħall u jitilfu l-proprjetajiet anti-fouling tagħhom, u b'hekk jirriżultaw f'adeżjoni batterjali usa' minħabba l-erja tal-wiċċ kbira tal-wiċċ SHP (27, 28).Riċentement, Aizenberg u l-kollegi introduċew metodu innovattiv ta 'kisi tal-wiċċ anti-biofouling billi żviluppaw wiċċ lixx ispirat mill-impjant tal-pitcher Nepenthes (29, 30).Il-wiċċ lixx juri stabbiltà fit-tul taħt kundizzjonijiet idrawliċi, huwa estremament likwidu repellent għal likwidi bijoloġiċi, u għandu proprjetajiet li jsewwu lilhom infushom.Madankollu, la hemm metodu biex tiġi applikata kisi għal impjant mediku b'forma kumplessa, u lanqas ma huwa ppruvat li jappoġġja l-proċess ta 'fejqan ta' tessut bil-ħsara wara l-impjantazzjoni.
Hawnhekk, nintroduċu wiċċ ta 'impjant ortopediku lubrikat (LOIS), wiċċ ta' impjant ortopediku mikro/nano-strutturat u kkombinat sewwa ma 'saff lubrikant irqiq biex jipprevjeni milli jkun assoċjat ma' kirurġija plastika Infezzjonijiet batteriċi, bħall-iffissar tal-ksur.Minħabba li l-istruttura ta 'mikro/nano-livell funzjonalizzata bil-fluworin tiffissa b'mod sod il-lubrikant fuq l-istruttura, il-LOIS żviluppat jista' jreġġa' kompletament l-adeżjoni ta 'diversi likwidi u jżomm prestazzjoni anti-fouling għal żmien twil.Il-kisi LOIS jista 'jiġi applikat għal materjali ta' diversi forom maħsuba għas-sintesi tal-għadam.Il-proprjetajiet eċċellenti ta 'anti-biofouling ta' LOIS kontra batterji tal-bijofilm [Pseudomonas aeruginosa u Staphylococcus aureus reżistenti għall-methicillin (MRSA)] u sustanzi bijoloġiċi (ċelluli, proteini u kalċju) ġew ikkonfermati in vitro.Ir-rata ta 'adeżjoni ta' adeżjoni estensiva mas-sottostrat hija inqas minn 1%.Barra minn hekk, anke wara li jseħħ stress mekkaniku bħall-grif tal-wiċċ, l-awto-fejqan ikkawżat mill-lubrikant penetranti jgħin biex iżomm il-proprjetajiet anti-fouling tiegħu.Ir-riżultati tat-test tad-durabilità mekkanika juru li anke wara l-modifika strutturali u kimika, is-saħħa totali mhux se titnaqqas b'mod sinifikanti.Barra minn hekk, sar esperiment in vitro li jissimula l-istress mekkaniku fl-ambjent kirurġiku biex jipprova li LOIS jista 'jiflaħ diversi tensjonijiet mekkaniċi li jseħħu waqt kirurġija plastika.Fl-aħħarnett, użajna mudell ta 'ksur femorali in vivo ibbażat fuq il-fenek, li wera li LOIS għandu proprjetajiet antibatteriċi superjuri u bijokompatibilità.Ir-riżultati radjoloġiċi u istoloġiċi kkonfermaw li l-imġiba stabbli tal-lubrikant u l-proprjetajiet kontra l-bijofouling fi żmien 4 ġimgħat wara l-impjantazzjoni jistgħu jiksbu prestazzjoni effettiva ta 'kontra l-infezzjoni u ħarba immuni mingħajr ma jdewmu l-proċess tal-fejqan tal-għadam.
Il-Figura 1A turi dijagramma skematika tal-LOIS żviluppata, li hija impjantata bi strutturi mikro/nano-skala fil-mudell tal-ksur tal-femoral tal-fenek biex tikkonferma l-fouling anti-bijoloġiku eċċellenti u l-proprjetajiet kontra l-infezzjoni tagħha.Metodu bijomimetiku jitwettaq biex jissimula l-wiċċ ta 'pjanta tal-qsari tal-ilma, u biex jipprevjeni l-bijofouling billi jinkorpora saff lubrikant fi ħdan l-istruttura mikro/nano tal-wiċċ.Il-wiċċ injettat bil-lubrikant jista 'jimminimizza l-kuntatt bejn is-sustanzi bijoloġiċi u l-wiċċ.Għalhekk, minħabba l-formazzjoni ta 'rabtiet kimiċi stabbli fuq il-wiċċ, għandu prestazzjoni antifouling eċċellenti u stabbiltà fit-tul.Bħala riżultat, il-proprjetajiet anti-biofouling tal-wiċċ lubrikanti jippermettu diversi applikazzjonijiet prattiċi fir-riċerka bijomedika.Madankollu, riċerka estensiva dwar kif dan il-wiċċ speċjali jinteraġixxi fil-ġisem għadha ma tlestietx.Billi tqabbel LOIS ma 'sottostrati mikxufa in vitro bl-użu ta' albumina u batterji tal-bijofilm, in-nuqqas ta 'adeżività ta' LOIS tista 'tiġi kkonfermata (Figura 1B).Barra minn hekk, billi jinqaleb il-qtar ta 'l-ilma fuq is-sottostrat vojt inklinat u s-sottostrat LOIS (Figura S1 u Movie S1), tista' tintwera l-prestazzjoni tal-kontaminazzjoni bijoloġika.Kif muri fl-immaġni tal-mikroskopju fluworexxenti, is-sottostrat espost inkubat f'sospensjoni ta 'proteini u batterji wera ammont kbir ta' materjal bijoloġiku li jeħel mal-wiċċ.Madankollu, minħabba l-proprjetajiet eċċellenti tiegħu kontra l-bijofouling, LOIS bilkemm juri fluworexxenza.Sabiex tikkonferma l-proprjetajiet anti-biofouling u kontra l-infezzjoni tagħha, LOIS ġie applikat fuq il-wiċċ ta 'impjanti ortopediċi għas-sintesi tal-għadam (pjanċi u viti) u mqiegħed f'mudell ta' ksur tal-fenek.Qabel l-impjantazzjoni, l-impjant ortopediku mikxuf u LOIS ġew inkubati f'sospensjoni batterika għal 12-il siegħa.Il-pre-inkubazzjoni tiżgura li jiġi ffurmat bijofilm fuq il-wiċċ tal-impjant espost għal tqabbil.Figura 1C turi ritratt tas-sit tal-ksur 4 ġimgħat wara l-impjantazzjoni.Fuq ix-xellug, fenek b'impjant ortopediku vojt wera livell sever ta 'infjammazzjoni minħabba l-formazzjoni ta' bijofilm fuq il-wiċċ ta 'l-impjant.Ir-riżultat oppost kien osservat fil-fniek impjantati b'LOIS, jiġifieri, it-tessuti tal-madwar ta 'LOIS ma wrew la sinjali ta' infezzjoni u lanqas sinjali ta 'infjammazzjoni.Barra minn hekk, l-immaġni ottika fuq ix-xellug tindika s-sit kirurġiku tal-fenek bl-impjant espost, li tindika li ma nstabu l-ebda adeżivi multipli preżenti fuq il-wiċċ tal-impjant espost fuq il-wiċċ tal-LOIS.Dan juri li LOIS għandu stabbiltà fit-tul u għandu l-abbiltà li jżomm il-proprjetajiet anti-bijoloġiċi tal-fouling u kontra l-adeżjoni tiegħu.
(A) Dijagramma skematika ta 'LOIS u l-impjantazzjoni tagħha f'mudell ta' ksur femorali tal-fenek.(B) Immaġini tal-mikroskopija tal-fluworexxenza ta 'proteina u bijofilm batterjali fuq wiċċ vojt u sottostrat LOIS.4 ġimgħat wara l-impjantazzjoni, (C) immaġni fotografika tas-sit tal-ksur u (D) immaġni tar-raġġi-X (enfasizzata b'rettangolu aħmar).Korteżija tal-immaġni: Kyomin Chae, Yonsei University.
Il-fniek sterilizzati u esposti b'mod negattiv urew proċess normali ta' fejqan tal-għadam mingħajr ebda sinjali ta' infjammazzjoni jew infezzjoni.Min-naħa l-oħra, impjanti SHP inkubati minn qabel f'sospensjoni batterika juru infjammazzjoni relatata mal-infezzjoni fuq it-tessuti tal-madwar.Dan jista 'jiġi attribwit għall-inkapaċità tiegħu li jinibixxi l-adeżjoni batterjali għal żmien twil (Figura S2).Sabiex jipprova li LOIS ma jaffettwax il-proċess ta 'fejqan, iżda jinibixxi infezzjonijiet possibbli relatati mal-impjantazzjoni, immaġini tar-raġġi X tal-matriċi pożittiva esposta u LOIS fis-sit tal-ksur tqabblu (Figura 1D).L-immaġni tar-raġġi X tal-impjant pożittiv vojt uriet linji persistenti tal-osteolysis, li jindikaw li l-għadam ma kienx imfejjaq kompletament.Dan jissuġġerixxi li l-proċess ta 'rkupru tal-għadam jista' jittardja ħafna minħabba infjammazzjoni relatata mal-infezzjoni.Għall-kuntrarju, wera li l-fniek impjantati bil-LOIS kienu fiequ u ma wrew l-ebda sit ovvju ta’ ksur.
Sabiex jiġu żviluppati impjanti mediċi bi stabbiltà u funzjonalità fit-tul (inkluża reżistenza għall-bijofouling), saru ħafna sforzi.Madankollu, il-preżenza ta 'diversi sustanzi bijoloġiċi u d-dinamika tal-adeżjoni tat-tessut jillimitaw l-iżvilupp tal-metodi klinikament affidabbli tagħhom.Sabiex negħlbu dawn in-nuqqasijiet, żviluppajna struttura b'saffi mikro/nano u wiċċ immodifikat kimikament, li huwa ottimizzat minħabba forza kapillari għolja u affinità kimika biex iżommu l-aktar lubrikant lixx sa l-akbar punt.Il-Figura 2A turi l-proċess ġenerali tal-manifattura ta 'LOIS.L-ewwel, ipprepara substrat tal-istainless steel (SS) 304 ta 'grad mediku.It-tieni nett, l-istruttura mikro/nano hija ffurmata fuq is-sottostrat SS permezz ta 'inċiżjoni kimika bl-użu ta' soluzzjoni ta 'aċidu idrofluworiku (HF).Sabiex tirrestawra r-reżistenza għall-korrużjoni ta 'SS, tintuża soluzzjoni ta' aċidu nitriku (HNO3) (31) biex tipproċessa s-sottostrat inċiż.Il-passivazzjoni ssaħħaħ ir-reżistenza għall-korrużjoni tas-sottostrat SS u tnaqqas b'mod sinifikanti l-proċess ta 'korrużjoni li jista' jnaqqas il-prestazzjoni ġenerali ta 'LOIS.Imbagħad, billi tifforma monosaff immuntat waħdu (SAM) b'1H, 1H, 2H, 2H-perfluorooctyltriethoxysilane (POTS), il-wiċċ jiġi modifikat kimikament biex ittejjeb l-interazzjoni kimika bejn il-wiċċ u l-lubrikant lixx Affinity.Il-modifika tal-wiċċ tnaqqas b'mod sinifikanti l-enerġija tal-wiċċ tal-wiċċ strutturat mikro/nano-skala fabbrikat, li jaqbel mal-enerġija tal-wiċċ tal-lubrikant lixx.Dan jippermetti li l-lubrikant ikun imxarrab kompletament, u b'hekk jifforma saff ta 'lubrikant stabbli fuq il-wiċċ.Il-wiċċ modifikat juri idrofobiċità msaħħa.Ir-riżultati juru li l-lubrikant li jiżloq juri mġiba stabbli fuq LOIS minħabba l-affinità kimika għolja u l-forza kapillari kkawżata mill-istruttura mikro/nano (32, 33).Il-bidliet ottiċi fuq il-wiċċ ta 'SS wara l-modifika tal-wiċċ u l-injezzjoni tal-lubrikant ġew studjati.L-istruttura f'saffi mikro/nano ffurmata fuq il-wiċċ tista 'tikkawża bidliet viżwali u tiskura l-wiċċ.Dan il-fenomenu huwa attribwit għall-effett imsaħħaħ tat-tifrix tad-dawl fuq il-wiċċ mhux maħdum, li jżid ir-riflessjoni mxerrda kkawżata mill-mekkaniżmu tal-insib tad-dawl (34).Barra minn hekk, wara li l-lubrikant jiġi injettat, il-LOIS isir jiskuraw.Is-saff lubrikanti jikkawża inqas dawl li jiġi rifless mis-sottostrat, u b'hekk jiskura l-LOIS.Sabiex tiġi ottimizzata l-mikrostruttura/nanostruttura biex turi l-iżgħar angolu li jiżżerżaq (SA) biex tinkiseb prestazzjoni anti-biofouling, intużaw mikroskopija elettronika tal-iskannjar (SEM) u pari atomiċi biex iwettqu ħinijiet differenti ta 'inċiżjoni HF (0, 3)., 15 u 60 minuta) Force Microscope (AFM) (Figura 2B).Immaġini SEM u AFM juru li wara żmien qasir ta 'inċiżjoni (3 minuti ta' inċiżjoni), is-sottostrat vojt ifforma ħruxija irregolari fuq skala nano.Il-ħruxija tal-wiċċ tinbidel mal-ħin tal-inċiżjoni (Figura S3).Il-kurva li tvarja fil-ħin turi li l-ħruxija tal-wiċċ tkompli tiżdied u tilħaq il-quċċata fi 15-il minuta ta 'inċiżjoni, u mbagħad jiġi osservat biss tnaqqis żgħir fil-valur tal-ħruxija fi 30 minuta ta' inċiżjoni.F'dan il-punt, il-ħruxija tan-nano-livell hija nċiża 'l bogħod, filwaqt li l-ħruxija tal-mikro-livell tiżviluppa b'mod vigoruż, u tagħmel il-bidla tal-ħruxija aktar stabbli.Wara l-inċiżjoni għal aktar minn 30 minuta, tiġi osservata żieda ulterjuri fil-ħruxija, li hija spjegata fid-dettall kif ġej: SS huwa magħmul minn azzar, liga b'elementi inklużi ħadid, kromju, nikil, molibdenu u ħafna elementi oħra.Fost dawn l-elementi, il-ħadid, il-kromju u l-molibdenu għandhom rwol importanti fil-formazzjoni ta 'ħruxija mikron/nano-scale fuq l-SS permezz ta' inċiżjoni HF.Fl-istadji bikrija tal-korrużjoni, il-ħadid u l-kromju huma prinċipalment imsadda minħabba li l-molibdenu għandu reżistenza għall-korrużjoni ogħla mill-molibdenu.Hekk kif l-inċiżjoni timxi 'l quddiem, is-soluzzjoni tal-inċiżjoni tilħaq saturazzjoni żejda lokali, li tifforma fluworidi u ossidi kkawżati mill-inċiżjoni.Il-fluworidu u l-ossidu jippreċipitaw u eventwalment jerġgħu jiddepożitaw fuq il-wiċċ, u jiffurmaw ħruxija tal-wiċċ fil-medda micron/nano (31).Din il-ħruxija mikro/nano-livell għandha rwol importanti fil-proprjetajiet ta 'awto-fejqan ta' LOIS.Il-wiċċ fuq skala doppja jipproduċi effett sinerġistiku, li jżid ħafna l-forza kapillari.Dan il-fenomenu jippermetti li l-lubrikant jippenetra l-wiċċ b'mod stabbli u jikkontribwixxi għal proprjetajiet ta 'awto-fejqan (35).Il-formazzjoni tal-ħruxija tiddependi fuq il-ħin tal-inċiżjoni.Taħt 10 minuti ta 'inċiżjoni, il-wiċċ fih biss ħruxija fuq skala nano, li mhix biżżejjed biex iżżomm biżżejjed lubrikant biex ikollu reżistenza għall-bijofouling (36).Min-naħa l-oħra, jekk il-ħin tal-inċiżjoni jaqbeż it-30 minuta, il-ħruxija nano-skala ffurmata mir-ridepożizzjoni tal-ħadid u l-kromju se tisparixxi, u l-ħruxija tal-mikro-skala biss tibqa 'minħabba l-molibdenu.Il-wiċċ inċiż żżejjed m'għandux ħruxija fuq skala nano u jitlef l-effett sinerġistiku ta 'ħruxija f'żewġ stadji, li taffettwa b'mod negattiv il-karatteristiċi ta' awto-fejqan ta 'LOIS.Twettqu kejl SA fuq sottostrati b'ħinijiet ta 'inċiżjoni differenti biex jipprovaw il-prestazzjoni anti-fouling.Intgħażlu diversi tipi ta 'likwidi bbażati fuq il-viskożità u l-enerġija tal-wiċċ, inkluż ilma dejonizzat (DI), demm, ethylene glycol (EG), etanol (EtOH) u hexadecane (HD) (Figura S4).Il-mudell ta 'inċiżjoni li jvarja fil-ħin juri li għal diversi likwidi b'enerġiji u viskożitajiet differenti tal-wiċċ, is-SA ta' LOIS wara 15-il minuta ta 'inċiżjoni hija l-aktar baxxa.Għalhekk, LOIS huwa ottimizzat biex inċiż għal 15-il minuta biex jifforma ħruxija mikron u nano-skala, li hija adattata biex tinżamm b'mod effettiv id-durabilità tal-lubrikant u proprjetajiet eċċellenti kontra l-fouling.
(A) Dijagramma skematika tal-proċess ta 'manifattura f'erba' stadji ta 'LOIS.Id-daħla turi s-SAM iffurmat fuq is-sottostrat.(B) Immaġini SEM u AFM, użati biex jottimizzaw l-istruttura mikro/nano tas-sottostrat taħt ħinijiet ta 'inċiżjoni differenti.Spettri tal-ispettroskopija tal-fotoelettroni tar-raġġi X (XPS) ta '(C) Cr2p u (D) F1s wara passivazzjoni tal-wiċċ u kisi SAM.au, unità arbitrarja.(E) Immaġini rappreżentattivi ta 'qtar ta' ilma fuq sottostrati vojta, inċiżi, SHP u LOIS.(F) L-angolu ta 'kuntatt (CA) u l-kejl SA ta' likwidi b'tensjonijiet tal-wiċċ differenti fuq SHP u LOIS.Id-dejta hija espressa bħala medja ± SD.
Imbagħad, sabiex tiġi kkonfermata l-bidla fil-proprjetajiet kimiċi tal-wiċċ, intużat spettroskopija tal-fotoelettroni tar-raġġi X (XPS) biex tistudja l-bidla fil-kompożizzjoni kimika tal-wiċċ tas-sottostrat wara kull kisja tal-wiċċ.Il-Figura 2C turi r-riżultati tal-kejl XPS tal-wiċċ inċiż HF u l-wiċċ ittrattat HNO 3.Iż-żewġ qċaċet ewlenin f'587.3 u 577.7 eV jistgħu jiġu attribwiti għar-rabta Cr-O eżistenti fis-saff tal-ossidu tal-kromju, li hija d-differenza ewlenija mill-wiċċ inċiż HF.Dan huwa prinċipalment minħabba l-konsum ta 'ħadid u fluworidu tal-kromju fuq il-wiċċ minn HNO3.L-inċiżjoni bbażata fuq HNO3 tippermetti li l-kromju jifforma saff ta 'ossidu passivating fuq il-wiċċ, li jagħmel l-SS inċiżi għal darb'oħra reżistenti għall-korrużjoni.Fil-Figura 2D, inkisbu spettri XPS biex jikkonfermaw li s-silane bbażat fuq il-fluworokarbon ġie ffurmat fuq il-wiċċ wara l-kisi SAM, li għandu repellenza tal-likwidu estremament għolja anke għal EG, demm u EtOH.Il-kisi SAM jitlesta billi jirreaġixxi gruppi funzjonali ta 'silane ma' gruppi hydroxyl iffurmati bit-trattament tal-plażma.Bħala riżultat, ġiet osservata żieda sinifikanti fil-qċaċet CF2 u CF3.L-enerġija li torbot bejn 286 u 296 eV tindika li l-modifika kimika tlestiet b'suċċess mill-kisi SAM.SHP juri qċaċet CF2 (290.1 ​​​​eV) u CF3 (293.3 eV) relattivament kbar, li huma kkawżati mis-silan ibbażat fuq fluworokarbon iffurmat fuq il-wiċċ.Il-Figura 2E turi stampi ottiċi rappreżentattivi tal-kejl tal-angolu tal-kuntatt (CA) għal gruppi differenti ta 'ilma dejonizzat f'kuntatt ma' vojt, inċiż, SHP u LOIS.Dawn l-immaġini juru li l-wiċċ inċiż isir idrofiliku minħabba l-istruttura mikro/nano ffurmata minn inċiżjoni kimika sabiex l-ilma dejonizzat jiġi assorbit fl-istruttura.Madankollu, meta s-sottostrat ikun miksi b'SAM, is-sottostrat juri repellenza qawwija tal-ilma, għalhekk SHP tal-wiċċ jiġi ffurmat u ż-żona ta 'kuntatt bejn l-ilma u l-wiċċ hija żgħira.Fl-aħħarnett, ġie osservat tnaqqis fil-CA f'LOIS, li jista 'jiġi attribwit għall-penetrazzjoni tal-lubrikant fil-mikrostruttura, u b'hekk tiżdied iż-żona ta' kuntatt.Sabiex jipprova li l-wiċċ għandu repellenza tal-likwidu eċċellenti u proprjetajiet mhux adeżivi, il-LOIS tqabbel mas-sottostrat SHP billi tkejjel CA u SA bl-użu ta 'diversi likwidi (Figura 2F).Intgħażlu diversi tipi ta 'likwidi bbażati fuq il-viskożità u l-enerġija tal-wiċċ, inkluż ilma dejonizzat, demm, EG, EtOH u HD (Figura S4).Ir-riżultati tal-kejl CA juru li meta CA għandu tendenza li HD, il-valur tat-tnaqqis ta 'CA, fejn CA għandu l-inqas enerġija tal-wiċċ.Barra minn hekk, il-LOIS tas-CA ġenerali huwa baxx.Madankollu, il-kejl SA juri fenomenu kompletament differenti.Ħlief għall-ilma jonizzat, il-likwidi kollha jaderixxu mas-sottostrat SHP mingħajr ma jiżolqu.Min-naħa l-oħra, LOIS juri SA baxx ħafna, fejn meta l-likwidu kollu jkun imxaqleb f'angolu inqas minn 10 ° sa 15 °, il-likwidu kollu jinqaleb.Dan juri bil-qawwa li n-nuqqas ta 'adeżività ta' LOIS huwa aħjar minn dak tal-wiċċ SHP.Barra minn hekk, kisjiet LOIS huma wkoll applikati għal diversi tipi ta 'materjali, inklużi titanju (Ti), polyphenylsulfone (PPSU), polyoxymethylene (POM), polyether ether ketone (PEEK) u polimeri bijoassorbibbli (PLGA), Huma materjali ortopediċi impjantabbli (Figura S5)).L-immaġini sekwenzjali tal-qtar fuq il-materjal ittrattat minn LOIS juru li l-proprjetajiet anti-biofouling ta 'LOIS huma l-istess fuq is-sottostrati kollha.Barra minn hekk, ir-riżultati tal-kejl ta 'CA u SA juru li l-proprjetajiet mhux adeżivi ta' LOIS jistgħu jiġu applikati għal materjali oħra.
Sabiex jiġu kkonfermati l-proprjetajiet anti-fouling ta 'LOIS, diversi tipi ta' sottostrati (inklużi vojta, inċiżi, SHP u LOIS) ġew inkubati bi Pseudomonas aeruginosa u MRSA.Dawn iż-żewġ batterji ġew magħżula bħala batterji rappreżentattivi tal-isptar, li jistgħu jwasslu għall-formazzjoni ta 'bijofilms, li jwasslu għal SSI (37).Il-Figura 3 (A u B) turi l-immaġni tal-mikroskopju fluworexxenti u r-riżultati tal-kejl tal-unità li tifforma l-kolonja (CFU) tas-sottostrati inkubati fis-sospensjoni batterika għal żmien qasir (12-il siegħa) u fit-tul (72 siegħa), rispettivament.F'perjodu qasir ta 'żmien, il-batterji se jiffurmaw gruppi u jikbru fid-daqs, jgħattu lilhom infushom b'sustanzi li jixbħu l-mukus u jipprevjenu t-tneħħija tagħhom.Madankollu, matul l-inkubazzjoni ta '72 siegħa, il-batterji jimmaturaw u jsiru faċli biex jinxterdu biex jiffurmaw aktar kolonji jew gruppi.Għalhekk, jista 'jitqies li l-inkubazzjoni ta' 72 siegħa hija fit-tul u hija l-ħin ta 'inkubazzjoni xieraq biex tifforma bijofilm qawwi fuq il-wiċċ (38).F'perjodu qasir ta 'żmien, il-wiċċ inċiż u l-wiċċ tal-SHP urew adeżjoni batterjali, li tnaqqset b'madwar 25% sa 50% meta mqabbla mas-sottostrat vojt.Madankollu, minħabba l-prestazzjoni u l-istabbiltà eċċellenti tagħha kontra l-bijofouling, LOIS ma wrietx adeżjoni tal-bijofilm batterjali fit-terminu qasir u fit-tul.Id-dijagramma skematika (Figura 3C) tiddeskrivi l-ispjegazzjoni tal-mekkaniżmu tal-fouling anti-bijoloġiku tas-soluzzjoni tal-inċiżjoni, SHP u LOIS.Is-suppożizzjoni hija li s-sottostrat inċiż bi proprjetajiet idrofiliċi se jkollu erja tal-wiċċ akbar mis-sottostrat vojt.Għalhekk, aktar adeżjoni batterjali se sseħħ fuq is-sottostrat inċiż.Madankollu, meta mqabbel mas-sottostrat vojt, is-sottostrat inċiż għandu b'mod sinifikanti inqas bijofilm iffurmat fuq il-wiċċ.Dan għaliex il-molekuli tal-ilma jorbtu sew mal-wiċċ idrofiliku u jaġixxu bħala lubrikant għall-ilma, u b'hekk jinterferixxu mal-adeżjoni tal-batterja fi żmien qasir (39).Madankollu, is-saff tal-molekuli tal-ilma huwa rqiq ħafna u jinħall f'sospensjonijiet batterjali.Għalhekk, is-saff molekulari tal-ilma jisparixxi għal żmien twil, li jwassal għal adeżjoni u proliferazzjoni batterjali estensiva.Għal SHP, minħabba l-proprjetajiet tiegħu għal żmien qasir li ma jixxarrux, l-adeżjoni batterjali hija inibita.L-adeżjoni batterjali mnaqqsa tista 'tiġi attribwita għal bwiet ta' l-arja maqbuda fl-istruttura f'saffi u enerġija tal-wiċċ aktar baxxa, u b'hekk jitnaqqas il-kuntatt bejn is-sospensjoni batterjali u l-wiċċ.Madankollu, adeżjoni batterjali estensiva ġiet osservata fl-SHP minħabba li tilfet il-proprjetajiet anti-fouling tagħha għal żmien twil.Dan huwa prinċipalment minħabba l-għajbien tal-bwiet tal-arja minħabba pressjoni idrostatika u x-xoljiment tal-arja fl-ilma.Dan huwa prinċipalment minħabba l-għajbien tal-bwiet tal-arja minħabba x-xoljiment u l-istruttura f'saffi li tipprovdi erja tal-wiċċ akbar għall-adeżjoni (27, 40).B'differenza minn dawn iż-żewġ sottostrati li għandhom effett importanti fuq l-istabbiltà fit-tul, il-lubrikant lubrikanti li jinsab f'LOIS jiġi injettat fl-istruttura mikro/nano u mhux se jisparixxi anke fit-tul.Il-lubrikanti mimlija b'strutturi mikro/nano huma stabbli ħafna u huma attirati bil-qawwa lejn il-wiċċ minħabba l-affinità kimika għolja tagħhom, u b'hekk jipprevjenu l-adeżjoni batterjali għal żmien twil.Il-Figura S6 turi immaġni tal-mikroskopju konfokali riflessjoni ta 'sottostrat infuż bil-lubrikant mgħaddas f'salina buffered phosphate (PBS).Immaġini kontinwi juru li anke wara 120 siegħa ta 'ċaqliq żgħir (120 rpm), is-saff tal-lubrikant fuq il-LOIS jibqa' mhux mibdul, li jindika stabbiltà fit-tul taħt kundizzjonijiet tal-fluss.Dan huwa dovut għall-affinità kimika għolja bejn il-kisi SAM ibbażat fuq il-fluworin u l-lubrikant ibbażat fuq il-perfluworokarbon, sabiex ikun jista 'jiġi ffurmat saff ta' lubrikant stabbli.Għalhekk, il-prestazzjoni anti-fouling tinżamm.Barra minn hekk, is-sottostrat ġie ttestjat kontra proteini rappreżentattivi (albumina u fibrinoġen), li huma fil-plażma, ċelloli relatati mill-qrib mal-funzjoni immuni (makrofaġi u fibroblasti), u dawk relatati mal-formazzjoni tal-għadam.Il-kontenut tal-kalċju huwa għoli ħafna.(Figura 3D, 1 u 2, u Figura S7) (41, 42).Barra minn hekk, l-immaġni tal-mikroskopju fluworexxenti tat-test ta 'adeżjoni għal fibrinoġenu, albumina u kalċju wrew karatteristiċi ta' adeżjoni differenti ta 'kull grupp ta' sottostrat (Figura S8).Matul il-formazzjoni tal-għadam, għadam iffurmat ġdid u saffi tal-kalċju jistgħu jdawru l-impjant ortopediku, li mhux biss jagħmel it-tneħħija diffiċli, iżda jista 'wkoll jikkawża ħsara mhux mistennija lill-pazjent matul il-proċess ta' tneħħija.Għalhekk, livelli baxxi ta 'depożiti ta' kalċju fuq pjanċi tal-għadam u viti huma ta 'benefiċċju għal kirurġija ortopedika li teħtieġ it-tneħħija tal-impjant.Ibbażat fuq il-kwantifikazzjoni taż-żona mehmuża bbażata fuq l-intensità tal-fluworexxenza u l-għadd taċ-ċelluli, aħna kkonfermajna li LOIS juri proprjetajiet eċċellenti ta 'anti-biofouling għas-sustanzi bijoloġiċi kollha meta mqabbla ma' substrati oħra.Skont ir-riżultati ta 'esperimenti in vitro, il-fouling anti-bijoloġiku LOIS jista' jiġi applikat għal impjanti ortopediċi, li jistgħu mhux biss jinibixxu infezzjonijiet ikkawżati minn batterji tal-bijofilm, iżda wkoll inaqqsu l-infjammazzjoni kkawżata mis-sistema immuni attiva tal-ġisem.
(A) Immaġini tal-mikroskopju tal-fluworexxenza ta 'kull grupp (mikroskopiku, inċiż, SHP u LOIS) inkubati f'sospensjonijiet ta' Pseudomonas aeruginosa u MRSA għal 12 u 72 siegħa.(B) In-numru ta 'CFU aderenti ta' Pseudomonas aeruginosa u MRSA fuq il-wiċċ ta 'kull grupp.(C) Dijagramma skematika tal-mekkaniżmu ta 'fouling anti-bijoloġiku ta' inċiżjoni għal żmien qasir u fit-tul, SHP u LOIS.(D) (1) In-numru ta 'fibroblasts mwaħħla ma' kull sottostrat u immaġini tal-mikroskopju fluworexxenti taċ-ċelloli aderiti mal-vojt u LOIS.(2) Test ta 'adeżjoni ta' proteini, albumina u kalċju relatati mal-immunità involuti fil-proċess tal-fejqan tal-għadam (* P <0.05, ** P <0.01, *** P <0.001 u **** P <0.0001).ns, mhux importanti.
Fil-każ ta 'tensjonijiet ikkonċentrati inevitabbli, id-durabilità mekkanika dejjem kienet l-isfida ewlenija għall-applikazzjoni ta' kisjiet antifouling.Il-metodi tradizzjonali tal-ġell kontra d-drenaġġ huma bbażati fuq polimeri b'solubilità baxxa fl-ilma u fraġilità.Għalhekk, huma ġeneralment suxxettibbli għal stress mekkaniku f'applikazzjonijiet bijomediċi.Għalhekk, kisjiet antifouling mekkanikament durabbli jibqgħu sfida għal applikazzjonijiet bħal impjanti ortopediċi (43, 44).Figura 4A(1) turi ż-żewġ tipi ewlenin ta 'stress applikati għal impjanti ortopediċi, inkluż grif (shear stress) u kompressjoni bl-immaġni ottika tal-impjant bil-ħsara prodotta mill-forceps.Pereżempju, meta l-kamin jiġi ssikkat b'tornavit, jew meta l-kirurgu jżomm il-pjanċa tal-għadam sewwa bi pinzetta u japplika forza kompressiva, il-pjanċa tal-għadam tal-plastik tkun bil-ħsara u scratched kemm fuq l-iskali makro kif ukoll mikro/nano (Figura 4A, 2) .Sabiex jiġi ttestjat jekk il-LOIS manifatturat jistax jiflaħ dawn il-ħsarat waqt il-kirurġija plastika, saret nanoindentazzjoni biex titqabbel l-ebusija tas-sottostrat vojt u l-LOIS fuq l-iskala mikro/nano biex tistudja l-proprjetajiet mekkaniċi tal-istruttura mikro/nano Impatt (Figura 4B).Id-dijagramma skematika turi l-imġieba ta 'deformazzjoni differenti ta' LOIS minħabba l-preżenza ta 'strutturi mikro/nano.Ġiet imfassla kurva tal-forza tal-ispostament ibbażata fuq ir-riżultati tan-nanoindentazzjoni (Figura 4C).L-immaġni blu tirrappreżenta s-sottostrat vojt, li turi biss deformazzjoni żgħira, kif jidher mill-fond massimu ta 'indentazzjoni ta' 0.26-μm.Min-naħa l-oħra, iż-żieda gradwali fil-forza tan-nanoindentazzjoni u l-ispostament osservati f'LOIS (kurva ħamra) jistgħu juru sinjali ta 'proprjetajiet mekkaniċi mnaqqsa, li jirriżultaw f'fond ta' nanoindentation ta '1.61μm.Dan għaliex l-istruttura mikro/nano preżenti fil-LOIS tipprovdi spazju ta 'avvanz aktar profond għall-ponta tan-nanoindenter, għalhekk id-deformazzjoni tagħha hija akbar minn dik tas-sottostrat vojt.Konsta-Gdoutos et al.(45) jemmen li minħabba l-preżenza ta 'nanostrutturi, nanoindentazzjoni u mikro/nano ħruxija jwasslu għal kurvi ta' nanoindentazzjoni irregolari.Iż-żona skura tikkorrispondi għall-kurva ta 'deformazzjoni irregolari attribwita lin-nanostruttura, filwaqt li ż-żona mhux skura hija attribwita lill-mikrostruttura.Din id-deformazzjoni tista 'tagħmel ħsara lill-mikrostruttura/nanostruttura tal-lubrikant tal-azjenda u taffettwa b'mod negattiv il-prestazzjoni anti-fouling tagħha.Sabiex jiġi studjat l-impatt tal-ħsara fuq LOIS, ħsara inevitabbli lill-mikro/nano strutturi ġiet replikata fil-ġisem waqt kirurġija plastika.Bl-użu ta 'testijiet ta' adeżjoni tad-demm u tal-proteini, tista 'tiġi ddeterminata l-istabbiltà tal-proprjetajiet anti-biofouling ta' LOIS wara in vitro (Figura 4D).Serje ta 'immaġini ottiċi turi l-ħsara li seħħet ħdejn it-toqob ta' kull sottostrat.Twettaq test ta 'adeżjoni tad-demm biex juri l-effett ta' ħsara mekkanika fuq il-kisi anti-biofouling (Figura 4E).Bħal SHP, il-proprjetajiet anti-fouling jintilfu minħabba l-ħsara, u LOIS juri proprjetajiet anti-fouling eċċellenti billi jneħħi d-demm.Dan għaliex, minħabba li l-enerġija tal-wiċċ hija mmexxija mill-azzjoni kapillari li tkopri ż-żona bil-ħsara, il-fluss fil-lubrikant tal-lubrikant mikrostrutturat jerġa 'jġib il-proprjetajiet anti-fouling (35).L-istess xejra ġiet osservata fit-test tal-adeżjoni tal-proteini bl-użu tal-albumina.Fiż-żona bil-ħsara, l-adeżjoni tal-proteina fuq il-wiċċ ta 'SHP hija osservata b'mod wiesa', u billi titkejjel il-kopertura taż-żona tagħha, tista 'tiġi kkwantifikata bħala nofs il-livell ta' adeżjoni tas-sottostrat vojt.Min-naħa l-oħra, LOIS żamm il-proprjetajiet anti-biofouling tiegħu mingħajr ma jikkawża adeżjoni (Figura 4, F u G).Barra minn hekk, il-wiċċ tal-kamin ħafna drabi jkun suġġett għal stress mekkaniku qawwi, bħal tħaffir, għalhekk studjajna l-abbiltà tal-kisja LOIS li tibqa 'intatta fuq il-kamin in vitro.Figura 4H turi immaġini ottiċi ta 'viti differenti, inklużi vojta, SHP u LOIS.Ir-rettangolu aħmar jirrappreżenta ż-żona fil-mira fejn iseħħ stress mekkaniku qawwi waqt l-impjantazzjoni tal-għadam.Simili għat-test tal-adeżjoni tal-proteini tal-pjanċa, mikroskopju fluworexxenti huwa użat biex tixbiha l-adeżjoni tal-proteini u tkejjel iż-żona ta 'kopertura biex tipprova l-integrità tal-kisi LOIS, anke taħt stress mekkaniku qawwi (Figura 4, I u J).Il-viti trattati b'LOIS juru prestazzjoni eċċellenti kontra l-fouling, u kważi l-ebda proteina ma taderixxi mal-wiċċ.Min-naħa l-oħra, l-adeżjoni tal-proteini kienet osservata f'viti vojta u viti SHP, fejn il-kopertura taż-żona tal-viti SHP kienet terz ta 'dik tal-viti vojta.Barra minn hekk, l-impjant ortopediku użat għall-iffissar għandu jkun mekkanikament b'saħħtu biex jiflaħ l-istress applikat fuq is-sit tal-ksur, kif muri fil-Figura 4K.Għalhekk, sar test tal-liwi biex jiddetermina l-effett tal-modifika kimika fuq il-proprjetajiet mekkaniċi.Barra minn hekk, dan isir biex jinżamm l-istress fiss mill-impjant.Applika forza mekkanika vertikali sakemm l-impjant ikun mitwi għal kollox u tinkiseb kurva stress-strain (Figura 4L, 1).Żewġ proprjetajiet inklużi l-modulu ta 'Young u s-saħħa tal-flessjoni tqabblu bejn sottostrati vojta u LOIS bħala indikaturi tas-saħħa mekkanika tagħhom (Figura 4L, 2 u 3).Il-modulu ta 'Young jindika l-kapaċità ta' materjal li jiflaħ bidliet mekkaniċi.Il-modulu ta 'Young ta' kull sottostrat huwa 41.48±1.01 u 40.06±0.96 GPa, rispettivament;id-differenza osservata hija madwar 3.4%.Barra minn hekk, huwa rrappurtat li s-saħħa tal-liwi, li tiddetermina t-toughness tal-materjal, hija 102.34±1.51 GPa għas-sottostrat vojt u 96.99±0.86 GPa għal SHP.Is-sottostrat vojt huwa madwar 5.3% ogħla.It-tnaqqis żgħir fil-proprjetajiet mekkaniċi jista 'jkun ikkawżat mill-effett tal-talja.Fl-effett tal-talja, il-ħruxija mikro/nano tista 'taġixxi bħala sett ta' talja, li twassal għal konċentrazzjoni ta 'stress lokali u taffettwa l-proprjetajiet mekkaniċi tal-impjant (46).Madankollu, abbażi tal-fatt li l-ebusija tal-għadam kortikali tal-bniedem hija rrappurtata li hija bejn 7.4 u 31.6 GPa, u l-modulu LOIS imkejjel jaqbeż dak tal-għadam kortiku uman (47), il-LOIS huwa biżżejjed biex isostni l-ksur u l-ġeneru tiegħu Il- proprjetajiet mekkaniċi huma minimament affettwati mill-modifika tal-wiċċ.
(A) Dijagramma skematika ta '(1) l-istress mekkaniku applikat għall-impjant ortopediku matul l-operazzjoni, u (2) l-immaġni ottika tal-impjant ortopediku bil-ħsara.(B) Dijagramma skematika tal-kejl tal-proprjetajiet nano-mekkaniċi permezz ta 'nanoindentation u LOIS fuq il-wiċċ vojt.(C) Kurva ta 'spostament tal-forza tan-nanoindentazzjoni tal-wiċċ vojt u LOIS.(D) Wara esperimenti in vitro, issimula l-immaġini ottiċi ta 'tipi differenti ta' pjanċi ortopediċi (iż-żona bil-ħsara hija enfasizzata b'rettangolu aħmar) biex tissimula l-istress mekkaniku ikkawżat matul l-operazzjoni.(E) Test ta 'adeżjoni tad-demm u (F) test ta' adeżjoni tal-proteini tal-grupp tal-pjanċa ortopedika bil-ħsara.(G) Kejjel il-kopertura taż-żona tal-proteina li teħel mal-pjanċa.(H) Immaġini ottiċi ta 'tipi differenti ta' viti ortopediċi wara l-esperiment in vitro.(I) Test ta 'adeżjoni tal-proteini biex tistudja l-integrità ta' kisjiet differenti.(J) Kejjel il-kopertura taż-żona tal-proteina li teħel mal-kamin.(K) Il-moviment tal-fenek huwa maħsub biex jiġġenera stress fiss fuq l-għadam miksur.(L) (1) Ir-riżultati tat-test tal-liwja u l-immaġini ottiċi qabel u wara l-liwja.Id-differenza f'(2) il-modulu ta' Young u (3) is-saħħa tal-liwi bejn l-impjant vojt u SHP.Id-dejta hija espressa bħala medja ± SD (*P<0.05, **P<0.01, ***P<0.001 u ****P<0.0001).Korteżija tal-immaġni: Kyomin Chae, Yonsei University.
F'sitwazzjonijiet kliniċi, il-biċċa l-kbira tal-kuntatt batterjali ma 'materjali bijoloġiċi u siti tal-feriti ġej minn bijofilms maturi u maturi (48).Għalhekk, iċ-Ċentri tal-Istati Uniti għall-Kontroll u l-Prevenzjoni tal-Mard jistmaw li 65% tal-infezzjonijiet umani kollha huma relatati mal-bijofilms (49).F'dan il-każ, huwa meħtieġ li jiġi pprovdut disinn sperimentali in vivo li jipprovdi formazzjoni konsistenti tal-bijofilm fuq il-wiċċ tal-impjant.Għalhekk, żviluppajna mudell ta 'ksur tal-femoral tal-fenek li fih impjanti ortopediċi ġew inkubati minn qabel f'sospensjoni batterjali u mbagħad impjantati f'wirk tal-fniek biex nistudjaw il-proprjetajiet anti-fouling ta' LOIS in vivo.Minħabba t-tliet fatti importanti li ġejjin, infezzjonijiet batteriċi huma indotti minn pre-kultura aktar milli injezzjoni diretta ta 'sospensjonijiet batterjali: (i) Is-sistema immunitarja tal-fniek hija b'mod naturali aktar b'saħħitha minn dik tal-bnedmin;għalhekk, l-injezzjoni ta 'sospensjonijiet batterjali u batterji planktoniċi hija possibbli M'għandha l-ebda effett fuq il-formazzjoni ta' bijofilms.(Ii) Il-batterji planktoniċi huma aktar suxxettibbli għall-antibijotiċi, u l-antibijotiċi ġeneralment jintużaw wara l-kirurġija;finalment, (iii) is-sospensjoni tal-batterja planktonika tista' tiġi dilwita mill-fluwidi tal-ġisem tal-annimal (50).Billi nikkultivaw minn qabel l-impjant f'sospensjoni batterika qabel l-impjantazzjoni, nistgħu nistudjaw bir-reqqa l-effetti ta 'ħsara ta' infezzjoni batterjali u reazzjoni ta 'korp barrani (FBR) fuq il-proċess tal-fejqan tal-għadam.Il-fniek ġew sagrifikati 4 ġimgħat wara l-impjantazzjoni, minħabba li l-osteointegrazzjoni essenzjali għall-proċess tal-fejqan tal-għadam se titlesta fi żmien 4 ġimgħat.Imbagħad, l-impjanti tneħħew mill-fniek għal studji downstream.Figura 5A turi l-mekkaniżmu ta 'proliferazzjoni tal-batterja.L-impjant ortopediku infettat jiġi introdott fil-ġisem.Bħala riżultat ta 'pre-inkubazzjoni f'sospensjoni batterjali, sitta mis-sitt fniek impjantati b'impjanti mikxufa kienu infettati, filwaqt li l-ebda fniek impjantati b'impjanti ttrattati b'LOIS ma kien infettat.L-infezzjonijiet batteriċi jipproċedu fi tliet stadji, inklużi t-tkabbir, il-maturazzjoni u t-tixrid (51).L-ewwel, il-batterji mehmuża jirriproduċu u jikbru fuq il-wiċċ, u mbagħad il-batterji jiffurmaw bijofilm meta jeħilsu polimeru extraċellulari (EPS), amilojde u DNA extraċellulari.Il-bijofilm mhux biss jinterferixxi mal-penetrazzjoni ta 'antibijotiċi, iżda jippromwovi wkoll l-akkumulazzjoni ta' enzimi li jiddegradaw l-antibijotiċi (bħal β-lactamase) (52).Fl-aħħarnett, il-bijofilm ixerred il-batterji maturi fit-tessuti tal-madwar.Għalhekk, isseħħ infezzjoni.Barra minn hekk, meta korp barrani jidħol fil-ġisem, infezzjoni li tista 'tikkawża rispons immuni qawwi tista' tikkawża infjammazzjoni severa, uġigħ, u immunità mnaqqsa.Il-Figura 5B tipprovdi ħarsa ġenerali lejn l-FBR ikkawżat mill-inserzjoni ta 'impjant ortopediku, aktar milli r-rispons immuni kkawżat minn infezzjoni batterika.Is-sistema immuni tirrikonoxxi l-impjant imdaħħal bħala korp barrani, u mbagħad tikkawża li ċ-ċelloli u t-tessuti jirreaġixxu biex jinkapsulaw il-ġisem barrani (53).Fil-jiem bikrija ta 'FBR, ġiet iffurmata matriċi ta' provvista fuq il-wiċċ ta 'impjanti ortopediċi, li rriżultat fl-adsorbiment ta' fibrinoġen.Il-fibrinoġen adsorbit imbagħad jifforma netwerk ta 'fibrina dens ħafna, li jippromwovi t-twaħħil ta' lewkoċiti (54).Ladarba n-netwerk tal-fibrin jiġi ffurmat, se sseħħ infjammazzjoni akuta minħabba l-infiltrazzjoni tan-newtrofili.F'dan il-pass, varjetà ta 'ċitokini bħal fattur tan-nekrożi tat-tumur-α (TNF-α), interleukin-4 (IL-4) u IL-β huma rilaxxati, u l-monoċiti jibdew jinfiltraw fis-sit tal-impjantazzjoni u jiddifferenzjaw f'ċelloli ġganti.Phage (41, 55, 56).It-tnaqqis tal-FBR dejjem kien sfida minħabba li FBR eċċessiv jista 'jikkawża infjammazzjoni akuta u kronika, li tista' twassal għal kumplikazzjonijiet fatali.Sabiex jiġi vvalutat l-impatt ta 'infezzjonijiet batteriċi fit-tessuti madwar l-impjant vojt u LOIS, intużaw tbajja ta' ematossilin u eosina (H&E) u Masson trichrome (MT).Għall-fniek impjantati b'sottostrati vojta, infezzjonijiet batteriċi severi mexxew, u slides tat-tessuti H&E wrew b'mod ċar axxessi u nekrożi kkawżati minn infjammazzjoni.Min-naħa l-oħra, il-wiċċ anti-biofouling estremament qawwi LOIS jinibixxi l-adeżjoni batterjali, għalhekk ma juri l-ebda sinjali ta 'infezzjoni u jnaqqas l-infjammazzjoni (Figura 5C).Ir-riżultati tat-tbajja 'MT wrew l-istess xejra.Madankollu, it-tbajja 'MT wera wkoll edema fil-fniek impjantati b'LOIS, li jindika li l-irkupru wasal biex iseħħ (Figura 5D).Sabiex jiġi studjat il-grad ta 'rispons immuni, tbajja immunoistokimika (IHC) saret bl-użu ta' ċitokini TNF-α u IL-6 relatati mar-rispons immuni.Impjant negattiv mikxuf li ma kienx espost għal batterji tqabbel ma 'LOIS li kien espost għal batterji iżda mhux infettat biex jistudja l-proċess ta' fejqan fin-nuqqas ta 'infezzjoni batterjali.Il-Figura 5E turi immaġni ottika ta 'slajd IHC li tesprimi TNF-α.Iż-żona kannella tirrappreżenta r-rispons immuni, li tindika li r-rispons immuni f'LOIS huwa kemmxejn imnaqqas.Barra minn hekk, l-espressjoni ta 'IL-6 f'LOIS kienet sinifikament inqas mill-espressjoni negattiva ta' sterili mikxufa (Figura 5F).L-espressjoni taċ-ċitokine ġiet ikkwantifikata billi tkejjel iż-żona tat-tbajja tal-antikorpi li tikkorrispondi għaċ-ċitokine (Figura 5G).Meta mqabbla mal-fniek esposti għall-impjanti negattivi, il-livelli ta 'espressjoni tal-fniek impjantati b'LOIS kienu aktar baxxi, u juru differenza sinifikanti.It-tnaqqis fl-espressjoni taċ-ċitokini jindika li l-proprjetajiet anti-fouling stabbli u fit-tul ta 'LOIS mhumiex biss relatati mal-inibizzjoni ta' infezzjonijiet batteriċi, iżda wkoll mat-tnaqqis ta 'FBR, li huwa indott minn makrofaġi li jeħel mas-sottostrat (53, 57, 58).Għalhekk, ir-rispons immuni mnaqqas minħabba l-proprjetajiet ta 'evażjoni immuni ta' LOIS jista 'jsolvi l-effetti sekondarji wara l-impjantazzjoni, bħal rispons immuni eċċessiv wara kirurġija plastika.
(A) Dijagramma skematika tal-mekkaniżmu tal-formazzjoni tal-bijofilm u t-tixrid fuq il-wiċċ ta 'impjant ortopediku infettat.eDNA, DNA extraċellulari.(B) Dijagramma skematika tar-rispons immuni wara l-inserzjoni ta 'impjant ortopediku.(C) Tbajja H&E u (D) Tbajja MT tat-tessuti tal-madwar ta 'impjanti ortopediċi b'pożittiv vojt u LOIS.IHC ta 'ċitokini relatati mal-immunità (E) TNF-α u (F) IL-6 huma immaġini mtebbgħin ta' fniek mikxufa negattivi u impjantati b'LOIS.(G) Kwantifikazzjoni tal-espressjoni taċ-ċitokini bil-kejl tal-kopertura taż-żona (** P <0.01).
Il-bijokompatibilità ta 'LOIS u l-effett tagħha fuq il-proċess ta' fejqan ta 'l-għadam ġew eżaminati in vivo bl-użu ta' immaġini dijanjostiċi [x-ray u micro-computed tomography (CT)] u osteoclast IHC.Figura 6A turi l-proċess tal-fejqan tal-għadam li jinvolvi tliet stadji differenti: infjammazzjoni, tiswija, u remodeling.Meta sseħħ ksur, iċ-ċelloli infjammatorji u l-fibroblasts jippenetraw fl-għadam miksur u jibdew jikbru fit-tessut vaskulari.Matul il-fażi tat-tiswija, it-tkabbir ta 'ġewwa tat-tessut vaskulari jinfirex qrib is-sit tal-ksur.It-tessut vaskulari jipprovdi nutrijenti għall-formazzjoni ta 'għadam ġdid, li jissejjaħ callus.L-istadju finali tal-proċess ta 'fejqan tal-għadam huwa l-istadju ta' remodeling, li fih id-daqs tal-callus jitnaqqas għad-daqs tal-għadam normali bl-għajnuna ta 'żieda fil-livell ta' osteoklasti attivati ​​(59).Rikostruzzjoni tridimensjonali (3D) tas-sit tal-ksur twettqet bl-użu ta 'skans mikro-CT biex josservaw id-differenzi fil-livell tal-formazzjoni tal-callus f'kull grupp.Osserva s-sezzjoni trasversali tal-wirk biex tosserva l-ħxuna tal-callus madwar l-għadam miksur (Figura 6, B u C).Ir-raġġi X intużaw ukoll biex jeżaminaw is-siti tal-ksur tal-gruppi kollha kull ġimgħa biex josservaw il-proċessi differenti ta 'riġenerazzjoni tal-għadam f'kull grupp (Figura S9).Callus u għadam matur huma murija bil-blu/aħdar u avorju, rispettivament.Ħafna tessuti rotob huma ffiltrati b'limitu stabbilit minn qabel.Nude pożittiv u SHP ikkonfermaw il-formazzjoni ta 'ammont żgħir ta' callus madwar is-sit tal-ksur.Min-naħa l-oħra, in-negattiv espost ta 'LOIS u s-sit tal-ksur huma mdawra b'callus oħxon.Immaġini mikro-CT wrew li l-formazzjoni ta 'callus kienet imfixkla minn infezzjoni batterjali u infjammazzjoni relatata mal-infezzjoni.Dan minħabba li s-sistema immuni tagħti prijorità lill-fejqan ta 'korrimenti settiċi kkawżati minn infjammazzjoni relatata mal-infezzjoni, aktar milli l-irkupru tal-għadam (60).Tbajja IHC u Tartrate-resistant Acid Phosphatase (TRAP) saru biex josservaw l-attività tal-osteoclast u r-risorbiment tal-għadam (Figura 6D) (61).Instabu biss ftit osteoklasti attivati ​​mtebbgħin vjola f'pożittivi mikxufa u SHP.Min-naħa l-oħra, ħafna osteoklasti attivati ​​ġew osservati ħdejn l-għadam mikxuf pożittiv u matur ta 'LOIS.Dan il-fenomenu jindika li fil-preżenza ta 'osteoclasts, il-callus madwar is-sit tal-ksur qed jgħaddi minn proċess ta' remodeling vjolenti (62).Il-volum tal-għadam u ż-żona tal-espressjoni tal-osteoclast tal-kall ġew imkejla biex iqabblu l-livell tal-formazzjoni tal-callus madwar is-sit tal-ksur fil-gruppi kollha, sabiex jiġu kkwantifikati r-riżultati tal-mikro-CT scan u tal-IHC (Figura 6E, 1 u 2).Kif mistenni, in-negattivi mikxufa u l-formazzjoni tal-callus f'LOIS kienu ogħla b'mod sinifikanti milli fil-gruppi l-oħra, u dan jindika li seħħ tibdil pożittiv tal-għadam (63).Figura S10 turi l-immaġni ottika tas-sit kirurġiku, ir-riżultat tat-tbajja MT tat-tessut miġbur ħdejn il-kamin, u r-riżultat tat-tbajja 'TRAP li jenfasizza l-interface tal-kamin-għadam.Fis-sottostrat vojt, ġiet osservata formazzjoni qawwija ta 'callus u fibrożi, filwaqt li l-impjant ittrattat b'LOIS wera wiċċ relattivament mhux imwaħħal.Bl-istess mod, meta mqabbla ma 'negattivi mikxufa, fibrożi aktar baxxa kienet osservata fil-fniek impjantati b'LOIS, kif indikat mill-vleġeġ bojod.Barra minn hekk, l-edema soda (vleġġa blu) tista 'tiġi attribwita għall-proprjetajiet ta' evażjoni immuni ta 'LOIS, u b'hekk titnaqqas l-infjammazzjoni severa.Il-wiċċ li ma jwaħħalx madwar l-impjant u l-fibrożi mnaqqsa jissuġġerixxu li l-proċess tat-tneħħija huwa aktar faċli, li normalment jirriżulta fi ksur jew infjammazzjoni oħra.Il-proċess tal-fejqan tal-għadam wara t-tneħħija tal-kamin ġie evalwat mill-attività tal-osteoclast fl-interface tal-kamin-għadam.Kemm l-għadam vojt kif ukoll l-interface tal-impjant LOIS assorbew livelli simili ta 'osteoclasts għal aktar fejqan tal-għadam, li jindika li l-kisi LOIS m'għandu l-ebda effett negattiv fuq il-fejqan tal-għadam jew ir-rispons immuni.Sabiex jiġi kkonfermat li l-modifika tal-wiċċ imwettqa fuq il-LOIS ma tinterferixxix mal-proċess tal-fejqan tal-għadam, intuża eżami bir-raġġi X biex iqabbel il-fejqan tal-għadam tal-fniek b'joni negattivi esposti u 6 ġimgħat ta 'impjantazzjoni LOIS (Figura 6F).Ir-riżultati wrew li meta mqabbel mal-grupp pożittiv nude mhux infettat, LOIS wera l-istess grad ta 'fejqan tal-għadam, u ma kien hemm l-ebda sinjali ovvji ta' ksur (linja ta 'osteolysis kontinwa) fiż-żewġ gruppi.
(A) Dijagramma skematika tal-proċess tal-fejqan tal-għadam wara ksur.(B) Id-differenza fil-grad ta 'formazzjoni ta' callus ta 'kull grupp tal-wiċċ u (C) l-immaġni tas-sezzjoni trasversali tas-sit tal-ksur.(D) Tbajja 'NASSA biex Ħares l-attività ta' l-osteoklasti u l-assorbiment mill-ġdid ta 'l-għadam.Ibbażat fuq l-attività ta 'TRAP, il-formazzjoni ta' callus estern ta 'għadam kortikali ġiet analizzata b'mod kwantitattiv minn (E) (1) mikro-CT u (2) attività osteoclast.(F) 6 ġimgħat wara l-impjantazzjoni, immaġini tar-raġġi X tal-għadam miksur tan-negattiv espost (enfasizzat bir-rettangolu b'sing aħmar) u LOIS (enfasizzat mir-rettangolu b'sing blu).Analiżi statistika saret b'analiżi ta' varjanza f'direzzjoni waħda (ANOVA).* P <0.05.** P <0.01.
Fil-qosor, LOIS jipprovdi tip ġdid ta 'strateġija ta' infezzjoni antibatterika u kisi ta 'ħarba immuni għal impjanti ortopediċi.Impjanti ortopediċi konvenzjonali b'funzjonalizzazzjoni SHP juru proprjetajiet anti-biofouling għal żmien qasir, iżda ma jistgħux iżommu l-proprjetajiet tagħhom għal żmien twil.Is-superidrofobiċità tas-sottostrat taqbad il-bżieżaq tal-arja bejn il-batterja u s-sottostrat, u b'hekk tifforma bwiet tal-arja, u b'hekk tevita infezzjoni batterika.Madankollu, minħabba t-tixrid tal-arja, dawn il-bwiet tal-arja jitneħħew faċilment.Min-naħa l-oħra, LOIS wera sew il-kapaċità tiegħu li jipprevjeni infezzjonijiet relatati mal-bijofilm.Għalhekk, minħabba l-proprjetajiet kontra r-rifjut tas-saff tal-lubrikant injettat fil-wiċċ tal-istruttura mikro/nano f'saffi, tista 'tiġi evitata infjammazzjoni relatata mal-infezzjoni.Diversi metodi ta 'karatterizzazzjoni inklużi kejl SEM, AFM, XPS u CA huma użati biex jottimizzaw il-kundizzjonijiet tal-manifattura LOIS.Barra minn hekk, LOIS jista 'jiġi applikat ukoll għal diversi materjali bijoloġiċi komunement użati f'tagħmir ta' fissazzjoni ortopedika, bħal PLGA, Ti, PE, POM u PPSU.Imbagħad, LOIS ġie ttestjat in vitro biex jipprova l-proprjetajiet anti-biofouling tiegħu kontra batterji u sustanzi bijoloġiċi relatati mar-rispons immuni.Ir-riżultati juru li għandha effetti antibatteriċi u anti-biofouling eċċellenti meta mqabbla mal-impjant vojt.Barra minn hekk, LOIS juri saħħa mekkanika anke wara li tapplika stress mekkaniku, li huwa inevitabbli fil-kirurġija plastika.Minħabba l-proprjetajiet ta 'awto-fejqan tal-lubrikant fuq il-wiċċ ta' l-istruttura mikro/nano, LOIS żamm b'suċċess il-proprjetajiet anti-bijoloġiċi tal-fouling tiegħu.Sabiex jiġu studjati l-bijokompatibilità u l-proprjetajiet antibatteriċi ta 'LOIS in vivo, LOIS ġie impjantat fil-wirk tal-fenek għal 4 ġimgħat.L-ebda infezzjoni batterjali ma ġiet osservata fil-fniek impjantati b'LOIS.Barra minn hekk, l-użu ta 'IHC wera livell imnaqqas ta' rispons immuni lokali, li jindika li LOIS ma jinibixxix il-proċess tal-fejqan tal-għadam.LOIS juri proprjetajiet eċċellenti ta 'evażjoni antibatterika u immuni, u ġie ppruvat li jipprevjeni b'mod effettiv il-formazzjoni tal-bijofilm qabel u waqt kirurġija ortopedika, speċjalment għas-sintesi tal-għadam.Bl-użu ta 'mudell ta' ksur femorali infjammatorju tal-mudullun tal-fenek, l-effett ta 'infezzjonijiet relatati mal-bijofilm fuq il-proċess ta' fejqan tal-għadam indott minn impjanti pre-inkubati ġie studjat fil-fond.Bħala studju futur, mudell ġdid in vivo huwa meħtieġ biex jiġu studjati infezzjonijiet possibbli wara l-impjantazzjoni biex jifhmu bis-sħiħ u jipprevjenu infezzjonijiet relatati mal-bijofilm matul il-proċess kollu tal-fejqan.Barra minn hekk, l-osteoinduzzjoni għadha sfida mhux solvuta fl-integrazzjoni ma 'LOIS.Hemm bżonn ta 'aktar riċerka biex tgħaqqad l-adeżjoni selettiva ta' ċelloli osteoinduttivi jew mediċina riġenerattiva ma 'LOIS biex tingħeleb l-isfida.B'mod ġenerali, LOIS jirrappreżenta kisja promettenti ta 'impjant ortopediku b'robustezza mekkanika u proprjetajiet eċċellenti kontra l-bijofouling, li jistgħu jnaqqsu l-SSI u l-effetti sekondarji immuni.
Aħsel is-sottostrat 304 SS 15mm x 15mm x 1mm (Dong Kang M-Tech Co., Korea) f'aċetun, EtOH u ilma DI għal 15-il minuta biex tneħħi l-kontaminanti.Sabiex tifforma struttura mikro/nano-livell fuq il-wiċċ, is-sottostrat imnaddaf huwa mgħaddas f'soluzzjoni HF ta '48% sa 51% (DUKSAN Corp., Korea t'Isfel) f'50 °C.Il-ħin tal-inċiżjoni jvarja minn 0 sa 60 minuta.Imbagħad, is-sottostrat inċiż ġie mnaddaf b'ilma dejonizzat u mqiegħed f'soluzzjoni ta '65% HNO3 (Korea DUKSAN Corp.) f'50 ° C għal 30 minuta biex tifforma saff ta' passivazzjoni tal-ossidu tal-kromju fuq il-wiċċ.Wara l-passivazzjoni, is-sottostrat jinħasel b'ilma dejonizzat u mnixxef biex jinkiseb sottostrat bi struttura f'saffi.Sussegwentement, is-sottostrat ġie espost għal plażma ta 'ossiġnu (100 W, 3 minuti), u immedjatament mgħaddas f'soluzzjoni ta' 8.88 mM POTS (Sigma-Aldrich, il-Ġermanja) f'toluene f'temperatura tal-kamra għal 12-il siegħa.Imbagħad, is-sottostrat miksi b'POTS ġie mnaddaf b'EtOH, u ittemprat f'150 ° C għal sagħtejn biex jinkiseb POTS SAM dens.Wara l-kisi SAM, saff ta 'lubrikant ġie ffurmat fuq is-sottostrat bl-applikazzjoni ta' lubrikant perfluoropolietere (Krytox 101; DuPont, USA) b'volum ta 'tagħbija ta' 20 μm / ċm 2. Qabel l-użu, iffiltra l-lubrikant permezz ta 'filtru ta' 0.2 mikron.Neħħi l-lubrikant żejjed billi tmejjel f'angolu ta' 45° għal 15-il minuta.L-istess proċedura ta 'manifattura kienet użata għal impjanti ortopediċi magħmula minn 304 SS (pjanċa tal-qfil u kamin tal-qfil kortikali; Dong Kang M-Tech Co., Korea).L-impjanti ortopediċi kollha huma ddisinjati biex jaqblu mal-ġeometrija tal-wirk tal-fenek.
Il-morfoloġija tal-wiċċ tas-sottostrat u l-impjanti ortopediċi ġiet spezzjonata mill-emissjoni tal-post SEM (Spezzjona F50, FEI, USA) u AFM (XE-100, Park Systems, Korea t'Isfel).Il-ħruxija tal-wiċċ (Ra, Rq) titkejjel billi timmultiplika l-erja ta '20 μm b'20 μm (n=4).Intużat sistema XPS (PHI 5000 VersaProbe, ULVAC PHI, Ġappun) mgħammra b'sors tar-raġġi X Al Kα b'daqs tal-post ta '100μm2 biex tanalizza l-kompożizzjoni kimika tal-wiċċ.Intużat sistema ta 'kejl CA mgħammra b'kamera dinamika ta' qbid ta 'immaġni (SmartDrop, FEMTOBIOMED, ​​​​Korea t'Isfel) biex tkejjel CA u SA likwidi.Għal kull kejl, 6 sa 10 μl ta 'qtar (ilma dejonizzat, demm taż-żiemel, EG, 30% etanol, u HD) jitqiegħdu fuq il-wiċċ biex titkejjel CA.Meta l-angolu tal-inklinazzjoni tas-sottostrat jiżdied b'veloċità ta '2 °/s (n = 4), is-SA titkejjel meta l-qtar taqa'.
Pseudomonas aeruginosa [American Type Culture Collection (ATCC) 27853] u MRSA (ATCC 25923) inxtraw minn ATCC (Manassas, Virginia, USA), u l-kultura tal-istokk inżammet f'-80 ° C.Qabel l-użu, il-kultura ffriżata ġiet inkubata f'brodu tas-sojja imdewweb bit-trypsin (Komed, Korea) f'37 ° C għal 18-il siegħa u mbagħad trasferita darbtejn biex tattivah.Wara l-inkubazzjoni, il-kultura ġiet ċentrifugata f'10,000 rpm għal 10 minuti f'4 ° C u maħsula darbtejn b'soluzzjoni PBS (pH 7.3).Il-kultura ċentrifugata mbagħad tiġi subkultivata fuq pjanċi tal-agar tad-demm (BAP).MRSA u Pseudomonas aeruginosa ġew ippreparati matul il-lejl u kkultivati ​​fil-brodu Luria-Bertani.Il-konċentrazzjoni ta' Pseudomonas aeruginosa u MRSA fl-inoculum kienet determinata kwantitattivament mis-CFU tas-sospensjoni f'dilwizzjonijiet serjali fuq agar.Imbagħad, aġġusta l-konċentrazzjoni batterjali għal 0.5 standard McFarland, li huwa ekwivalenti għal 108 CFU/ml.Imbagħad iddilwa s-suspensjoni batterika li taħdem 100 darba għal 106 CFU/ml.Biex jiġu ttestjati l-proprjetajiet ta 'adeżjoni antibatterika, is-sottostrat ġie sterilizzat f'121 ° C għal 15-il minuta qabel l-użu.Is-sottostrat imbagħad ġie trasferit għal 25 ml ta 'sospensjoni batterjali u inkubat f'37 ° C bi tħawwad qawwi (200 rpm) għal 12 u 72 siegħa.Wara l-inkubazzjoni, kull sottostrat tneħħa mill-inkubatur u maħsul 3 darbiet b'PBS biex titneħħa kwalunkwe batterja li żżomm f'wiċċ l-ilma fuq il-wiċċ.Sabiex jiġi osservat il-bijofilm fuq is-sottostrat, il-bijofilm ġie ffissat bil-metanol u mtebba b'1 ml ta 'crimidine orange għal 2 minuti.Imbagħad intuża mikroskopju fluworexxenti (BX51TR, Olympus, Ġappun) biex jieħu ritratti tal-bijofilm imtebba.Sabiex jiġi kkwantifikat il-bijofilm fuq is-sottostrat, iċ-ċelloli mehmuża ġew separati mis-sottostrat bil-metodu tal-vortiċi tax-xoffa, li kien meqjus bħala l-aktar metodu adattat biex jitneħħew il-batterji mwaħħla (n = 4).Uża forceps sterili, neħħi s-sottostrat mill-mezz tat-tkabbir u tektek il-pjanċa tal-bir biex tneħħi l-likwidu żejjed.Ċelloli mwaħħla b'mod laxk tneħħew bil-ħasil darbtejn b'PBS sterili.Kull sottostrat imbagħad ġie trasferit għal tubu tat-test sterili li fih 9 ml ta '0.1% proteina ept saline (PSW) u 2 g ta' 20 sa 25 żibeġ tal-ħġieġ sterili (0.4 sa 0.5 mm fid-dijametru).Imbagħad ġie vortex għal 3 minuti biex jinqalgħu ċ-ċelloli mill-kampjun.Wara l-vortex, is-suspensjoni ġiet dilwita b'serje 10 darbiet b'0.1% PSW, u mbagħad 0.1 ml ta' kull dilwizzjoni ġiet imlaqqma fuq BAP.Wara 24 siegħa ta 'inkubazzjoni f'37 ° C, is-CFU kien magħdud manwalment.
Għaċ-ċelloli, intużaw fibroblasts tal-ġrieden NIH/3T3 (CRL-1658; American ATCC) u makrofaġi tal-ġrieden RAW 264.7 (TIB-71; American ATCC).Uża l-mezz Eagle modifikat ta' Dulbecco (DMEM; LM001-05, Welgene, Korea) biex tikkultiva fibroblasti tal-ġrieden u tissupplimenta b'10% serum tal-għoġol (S103-01, Welgene) u 1% penicillin-streptomycin (PS; LS202-02, Welgene (Welgene) ). Uża DMEM biex tikkultiva makrofaġi tal-ġrieden, supplimentati b'10% serum bovin tal-fetu (S001-01, Welgene) u 1% PS Poġġi s-sottostrat fi pjanċa tal-koltura taċ-ċelluli b'sitt bir , U inokula ċ-ċelloli f'105 ċelluli/cm2. Iċ-ċelloli ġew inkubati matul il-lejl f'37 ° C u 5% CO2 Għat-tbajja taċ-ċelluli, iċ-ċelloli ġew iffissati b'4% paraformaldehyde għal 20 minuta u mqiegħda f'0.5% Triton X Inkuba għal 5 minuti f'-100 Għaddas is-sottostrat f'50nM tetramethylrhodamine f'37 °C għal 30 minuta Wara l-proċess ta 'inkubazzjoni, uża s-substrat b'4′,6-diamino-2-phenylindole (H -1200, Vector Laboratories, UK) VECTASHIELD (n = 4 għal kull ċellula). , fluorescein, fluorescein isothiocyanate-albumin (A9771, Sigma-Aldrich, Ġermanja) u plażma umana Il-fibrinoġenu Alexa Fluor 488-konjugat (F13191, Invitrogen, USA) ġie maħlul f'PBS (10 mM, pH 7.4).Il-konċentrazzjonijiet ta' albumina u fibrinoġen kienu 1 u 150 μg/ml, rispettivament.Wara s-sottostrat Qabel ma tgħaddas fis-soluzzjoni tal-proteina, laħlaħhom b'PBS biex terġa' tiidrat il-wiċċ.Imbagħad għaddas is-sottostrati kollha fi pjanċa b'sitt reċipjenti li jkun fiha s-soluzzjoni tal-proteina u inkuba f'37°C għal 30 u 90 minuta.Wara l-inkubazzjoni, Is-sottostrat imbagħad tneħħa mis-soluzzjoni tal-proteina, maħsul bil-mod b'PBS 3 darbiet, u ffissat b'4% paraformaldehyde (n = 4 għal kull proteina).Għall-kalċju, klorur tas-sodju (0.21 M) u fosfat tal-potassju (3.77 mM) ) Ġie maħlul f'ilma dejonizzat.Il-pH tas-soluzzjoni ġie aġġustat għal 2.0 billi żżid soluzzjoni ta 'hydrochloride (1M).Imbagħad klorur tal-kalċju (5.62 mM) ġie maħlul fis-soluzzjoni.Billi żżid 1M tris(hydroxymethyl)-amino Methane jaġġusta l-pH tas-soluzzjoni għal 7.4.Għaddas is-sottostrati kollha fi pjanċa b'sitt reċipjenti mimlija b'soluzzjoni ta' fosfat tal-kalċju 1.5× u neħħi mis-soluzzjoni wara 30 minuta.Għat-tbajja’, 2 g Alizarin Red S (CI 58005) Ħallat ma’ 100 ml ta’ ilma dejonizzat.Imbagħad, uża 10% idrossidu ta 'l-ammonju biex taġġusta l-pH għal 4. Żebgħa s-sottostrat b'soluzzjoni ta' Alizarin Red għal 5 minuti, u mbagħad ħawwad iż-żebgħa żejda u blot.Wara l-proċess ta 'tħawwad, neħħi s-sottostrat.Il-materjal jiġi deidrat, imbagħad mgħaddas f'aċetun għal 5 minuti, imbagħad mgħaddas f'soluzzjoni ta 'aċetun-xylene (1:1) għal 5 minuti, u finalment maħsul bil-xylene (n = 4).Jintuża mikroskopju tal-fluworexxenza (Axio Imager) b'lentijiet oġġettivi ×10 u ×20..A2m, Zeiss, il-Ġermanja) immaġini s-sottostrati kollha.ImageJ/FIJI (https://imagej.nih.gov/ij/) intużat biex tikkwantifika d-dejta tal-adeżjoni ta 'sustanzi bijoloġiċi fuq kull grupp ta' erba 'żoni ta' immaġini differenti.Ikkonverti l-immaġini kollha għal immaġini binarji b'limiti fissi għat-tqabbil tas-sottostrat.
Mikroskopju konfokali Zeiss LSM 700 intuża biex jimmonitorja l-istabbiltà tas-saff tal-lubrikant fil-PBS fil-mod ta 'riflessjoni.Il-kampjun tal-ħġieġ miksi bil-SAM ibbażat fuq il-fluworin b'saff lubrikanti injettat ġie mgħaddas f'soluzzjoni PBS, u ttestjat bl-użu ta 'ħawwad orbitali (SHO-1D; Daihan Scientific, Korea t'Isfel) taħt kundizzjonijiet ta' tħawwad ħafif (120 rpm).Imbagħad ħu l-kampjun u mmonitorja t-telf tal-lubrikant billi tkejjel it-telf tad-dawl rifless.Biex tikseb immaġini ta 'fluworexxenza fil-mod ta' riflessjoni, il-kampjun jiġi espost għal laser 633 nm u mbagħad jinġabar, minħabba li d-dawl se jiġi rifless lura mill-kampjun.Il-kampjuni tkejlu f'intervalli ta 'ħin ta' 0, 30, 60, u 120 siegħa.
Sabiex tiġi ddeterminata l-influwenza tal-proċess ta 'modifika tal-wiċċ fuq il-proprjetajiet nanomekkaniċi ta' impjanti ortopediċi, intuża nanoindenter (TI 950 TriboIndenter, Hysitron, USA) mgħammar b'tarf tad-djamant Berkovich f'forma ta 'piramida fuq tliet naħat biex ikejjel nanoindenedione.L-ogħla tagħbija hija 10 mN u ż-żona hija 100μmx 100μm.Għall-kejl kollu, il-ħin tat-tagħbija u tal-ħatt huwa 10 s, u l-ħin taż-żamma taħt l-ogħla tagħbija ta 'indentazzjoni huwa 2 s.Ħu kejl minn ħames postijiet differenti u ħu l-medja.Sabiex tiġi evalwata l-prestazzjoni tas-saħħa mekkanika taħt tagħbija, sar test ta 'liwi bi tliet punti trasversali bl-użu ta' magna tal-ittestjar universali (Instron 5966, Instron, USA).Is-sottostrat huwa kkompressat b'rata kostanti ta '10 N/s b'tagħbija miżjuda.Il-programm tas-software Bluehill Universal (n = 3) intuża biex jikkalkula l-modulu tal-flessjoni u l-istress kompressiv massimu.
Sabiex jiġi simulat il-proċess ta 'operazzjoni u l-ħsara mekkanika relatata kkawżata matul l-operazzjoni, il-proċess ta' operazzjoni sar in vitro.Il-wirk inġabru mill-fniek bojod ta 'New Zealand esegwiti.Il-wirk ġie mnaddaf u ffissat f'4% paraformaldehyde għal ġimgħa.Kif deskritt fil-metodu tal-esperiment tal-annimali, il-wirk fiss ġie mħaddem kirurġikament.Wara l-operazzjoni, l-impjant ortopediku ġie mgħaddas fid-demm (demm taż-żiemel, KISAN, Korea) għal 10 s biex jikkonferma jekk seħħx adeżjoni tad-demm wara li ġiet applikata l-ħsara mekkanika (n = 3).
Total ta '24 fenek maskili abjad ta' New Zealand (piż 3.0 sa 3.5kg, età medja ta '6 xhur) kienu maqsuma b'mod każwali f'erba' gruppi: nude negattiv, nude pożittiv, SHP u LOIS.Il-proċeduri kollha li jinvolvu l-annimali twettqu skont l-istandards etiċi tal-Kumitat Istituzzjonali għall-Kura u l-Użu tal-Annimali (IACUC approvat, KOREA-2017-0159).L-impjant ortopediku jikkonsisti fi pjanċa ta 'qfil b'ħames toqob (tul 41 mm, wisa' 7 mm u ħxuna 2 mm) u viti ta 'qfil kortikali (tul 12 mm, dijametru 2.7 mm) għall-iffissar tal-ksur.Ħlief għal dawk il-pjanċi u l-viti użati fil-grupp negattiv vojt, il-pjanċi u l-viti kollha ġew inkubati f'sospensjoni MRSA (106 CFU/ml) għal 12-il siegħa.Il-grupp mikxuf-negattiv (n=6) ġie ttrattat b'impjanti tal-wiċċ mikxuf mingħajr espożizzjoni għal sospensjoni batterjali, bħala kontroll negattiv għall-infezzjoni.Il-grupp pożittiv vojt (n = 6) ġie ttrattat b'impjant tal-wiċċ vojt espost għal batterji bħala kontroll pożittiv għall-infezzjoni.Il-grupp SHP (n = 6) ġie ttrattat b'impjanti SHP esposti b'mod batterjali.Fl-aħħarnett, il-grupp LOIS ġie ttrattat b'impjanti LOIS esposti għal batterji (n = 6).L-annimali kollha jinżammu f'gaġġa, u jingħataw ħafna ikel u ilma.Qabel l-operazzjoni, il-fniek kienu sajmu għal 12-il siegħa.L-annimali ġew anestetizzati b'injezzjoni ġol-muskoli ta' xylazine (5mg/kg) u injezzjoni ġol-vini ta' paclitaxel (3mg/kg) għall-induzzjoni.Wara dan, iwassal 2% isoflurane u 50% sa 70% ossiġnu mediku (rata ta 'fluss 2 L/min) permezz tas-sistema respiratorja biex iżżomm l-anestesija.Huwa impjantat permezz ta 'approċċ dirett għall-wirk laterali.Wara t-tneħħija tax-xagħar u d-diżinfezzjoni tal-ġilda povidone-jodine, saret inċiżjoni twila madwar 6 ċm fuq in-naħa ta 'barra tal-wirk tan-nofs tax-xellug.Billi tiftaħ il-vojt bejn il-muskoli li jkopru l-wirk, il-wirk ikun espost għal kollox.Poġġi l-pjanċa quddiem ix-xaft femorali u waħħalha b'erba 'viti.Wara l-iffissar, uża xafra tas-serrieq (1 mm ħxuna) biex toħloq ksur artifiċjalment fiż-żona bejn it-tieni toqba u r-raba 'toqba.Fl-aħħar tal-operazzjoni, il-ferita ġiet maħsula bis-salina u magħluqa b'suturi.Kull fenek ġie injettat taħt il-ġilda b'enrofloxacin (5 mg/kg) dilwit terz fis-salina.Ir-raġġi X ta 'wara l-operazzjoni tal-wirk ittieħdu fl-annimali kollha (0, 7, 14, 21, 28, u 42 jum) biex tiġi kkonfermata l-osteotomija tal-għadam.Wara anestesija profonda, l-annimali kollha nqatlu b'KCl ġol-vini (2 mmol/kg) fi 28 u 42 jum.Wara l-eżekuzzjoni, il-wirk ġie skennjat b'mikro-CT biex josserva u jqabbel il-proċess tal-fejqan tal-għadam u l-formazzjoni tal-għadam ġdid bejn l-erba 'gruppi.
Wara l-eżekuzzjoni, inġabru t-tessuti rotob li kienu f'kuntatt dirett mal-impjanti ortopediċi.It-tessut ġie ffissat f'formalin buffered newtrali ta '10% matul il-lejl u mbagħad iddeidrat f'EtOH.It-tessut deidrat kien inkorporat fil-paraffin u qasmet bi ħxuna ta '40 μm bl-użu ta' mikrotomu (400CS; EXAKT, il-Ġermanja).Sabiex tiġi viżwalizzata l-infezzjoni, saru t-tbajja 'H&E u t-tbajja' tal-MT.Sabiex tiċċekkja r-rispons tal-ospitanti, it-tessut sezzjoni ġie inkubat b'antikorp primarju tal-fenek anti-TNF-α (AB6671, Abcam, USA) u fenek anti-IL-6 (AB6672; Abcam, USA), u mbagħad ittrattat b'horseradish.Ossidażi.Applika s-sistema tat-tbajja 'avidin-biotin complex (ABC) għas-sezzjonijiet skond l-istruzzjonijiet tal-manifattur.Sabiex jidher bħala prodott ta 'reazzjoni kannella, 3,3-diaminobenzidine intuża fil-partijiet kollha.Skaner diġitali slide (Pannoramic 250 Flash III, 3DHISTECH, Ungerija) intuża biex jivviżwalizza l-flieli kollha, u mill-inqas erba 'sottostrati f'kull grupp ġew analizzati permezz ta' softwer ImageJ.
Immaġini tar-raġġi X ittieħdu fl-annimali kollha wara l-kirurġija u kull ġimgħa biex jiġi mmonitorjat il-fejqan tal-ksur (n=6 għal kull grupp).Wara l-eżekuzzjoni, intuża mikro-CT b'riżoluzzjoni għolja biex tikkalkula l-formazzjoni ta 'callus madwar il-wirk wara l-fejqan.Il-wirk miksub ġie mnaddaf, iffissat f'4% paraformaldehyde għal 3 ijiem, u deidrat f'75% etanol.L-għadam deidrat imbagħad ġie skannjat bl-użu ta 'mikro-CT (SkyScan 1173, Brooke Micro-CT, Kandy, il-Belġju) biex jiġġenera immaġini 3D voxel (2240 ​​× 2240 pixels) tal-kampjun tal-għadam.Uża filtru Al ta '1.0 mm biex tnaqqas il-ħoss tas-sinjal u applika riżoluzzjoni għolja għall-iskans kollha (E = 133 kVp, I = 60 μA, ħin ta' integrazzjoni = 500 ms).Is-softwer Nrecon (verżjoni 1.6.9.8, Bruker microCT, Kontich, il-Belġju) intuża biex jiġġenera volum 3D tal-kampjun skennjat mill-projezzjoni laterali 2D akkwistata.Għall-analiżi, l-immaġni rikostrutta 3D hija maqsuma f'kubi ta '10mm × 10mm × 10mm skont is-sit tal-ksur.Ikkalkula l-callus barra l-għadam kortikali.Intuża softwer DataViewer (verżjoni 1.5.1.2; Bruker microCT, Kontich, il-Belġju) biex iindirizza b'mod diġitali l-volum tal-għadam skennjat, u softwer CT-Analyzer (verżjoni 1.14.4.1; Bruker microCT, Kontich, il-Belġju) intuża għall-analiżi.Il-koeffiċjenti relattivi ta 'assorbiment tar-raġġi-x f'għadam maturi u callus huma distinti mid-densità tagħhom, u mbagħad il-volum tal-callus huwa kwantifikat (n = 4).Sabiex jiġi kkonfermat li l-bijokompatibilità ta 'LOIS ma tittardjax il-proċess ta' fejqan tal-għadam, saru analiżi addizzjonali tar-raġġi-X u mikro-CT f'żewġ fniek: il-gruppi mikxufa-negattivi u LOIS.Iż-żewġ gruppi ġew eżegwiti fis-6 ġimgħa.
Il-wirk minn annimali sagrifikati nġabru u ġew iffissati f'4% paraformaldehyde għal 3 ijiem.L-impjant ortopediku mbagħad jitneħħa bir-reqqa mill-wirk.Il-wirk ġie dekalċifikat għal 21 jum bl-użu ta '0.5 M EDTA (EC-900, Korporazzjoni Nazzjonali tad-Dijanjostiċi).Imbagħad il-wirk dekalċifikat ġie mgħaddas f'EtOH biex jagħmilha deidrata.Il-wirk imnixxef tneħħa fil-xylene u inkorporat fil-paraffin.Imbagħad il-kampjun ġie mqatta 'b'mikrotomu li jdur awtomatiku (Leica RM2255, Leica Biosystems, il-Ġermanja) bi ħxuna ta' 3 μm.Għat-tbajja tat-TRAP (F6760, Sigma-Aldrich, il-Ġermanja), il-kampjuni ssezzjonati ġew deparaffinizzati, reidratati u inkubati f'reaġent TRAP f'37 ° C għal siegħa.L-immaġini ġew akkwistati bl-użu ta 'skaner ta' slide (Pannoramic 250 Flash III, 3DHISTECH, Ungerija) u kkwantifikati billi tkejjel il-kopertura taż-żona taż-żona mtebbgħin.F'kull esperiment, mill-inqas erba 'sottostrati f'kull grupp ġew analizzati permezz ta' softwer ImageJ.
Analiżi ta 'sinifikat statistiku saret bl-użu ta' GraphPad Prism (GraphPad Software Inc., USA).It-test t mhux imqabbad u l-analiżi tal-varjanza f'direzzjoni waħda (ANOVA) intużaw biex jiġu ttestjati d-differenzi bejn il-gruppi ta 'evalwazzjoni.Il-livell ta' sinifikat huwa indikat fil-figura kif ġej: *P<0.05, **P<0.01, ***P<0.001 u ****P<0.0001;NS, l-ebda differenza sinifikanti.
Għal materjali supplimentari għal dan l-artikolu, jekk jogħġbok ara http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/44/eabb0025/DC1
Dan huwa artiklu ta’ aċċess miftuħ imqassam taħt it-termini tal-Liċenzja ta’ Attribuzzjoni-Mhux Kummerċjali Creative Commons, li tippermetti l-użu, id-distribuzzjoni u r-riproduzzjoni fi kwalunkwe mezz, sakemm l-użu ma jkunx għal gwadann kummerċjali u l-premessa tkun li l-oriġinal ix-xogħol huwa korrett.Referenza.
Nota: Nitolbuk biss tipprovdi indirizz elettroniku sabiex il-persuna li tirrakkomanda lill-paġna tkun taf li trid li tara l-email u li l-email mhix spam.Aħna mhux se naqbdu l-ebda indirizz elettroniku.
Din il-mistoqsija tintuża biex tittestja jekk intix viżitatur uman u biex tipprevjeni sottomissjonijiet awtomatiċi ta' spam.
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
Il-kisjiet antibatteriċi u immuni ta 'l-impjanti ortopediċi jistgħu jnaqqsu l-infezzjonijiet u r-risponsi immuni kkawżati minn infezzjonijiet.
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
Il-kisjiet antibatteriċi u immuni ta 'l-impjanti ortopediċi jistgħu jnaqqsu l-infezzjonijiet u r-risponsi immuni kkawżati minn infezzjonijiet.
©2021 Assoċjazzjoni Amerikana għall-Avvanz tax-Xjenza.id-drittijiet kollha riżervati.AAAS huwa sieħeb ta' HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef u COUNTER.ScienceAdvances ISSN 2375-2548.