आर्थोपेडिक इम्प्लान्ट शल्यक्रियाबाट गुज्रिरहेका बिरामीहरूका लागि, ब्याक्टेरियाको संक्रमण र संक्रमण-प्रेरित प्रतिरक्षा प्रतिक्रियाहरू सधैं जीवन-धम्कीपूर्ण जोखिमहरू हुन्।परम्परागत जैविक सामग्रीहरू जैविक प्रदूषणको लागि अतिसंवेदनशील हुन्छन्, जसले ब्याक्टेरियाले घाइते क्षेत्रमा आक्रमण गर्छ र पोस्टपोरेटिभ संक्रमण निम्त्याउँछ।त्यसकारण, आर्थोपेडिक प्रत्यारोपणका लागि एन्टी-इन्फेक्सन र इम्यून एस्केप कोटिंग्स विकास गर्न तत्काल आवश्यकता छ।यहाँ, हामीले आर्थोपेडिक इम्प्लान्टहरूका लागि लुब्रिकेटेड अर्थोपेडिक इम्प्लान्ट सतह (LOIS) नामक उन्नत सतह परिमार्जन प्रविधि विकास गरेका छौं, जुन पिचर प्लान्ट पिचरहरूको चिल्लो सतहबाट प्रेरित छ।LOIS सँग विभिन्न प्रकारका तरल पदार्थ र जैविक पदार्थहरू (कोशिकाहरू, प्रोटीनहरू, क्याल्सियम र ब्याक्टेरियाहरू सहित) लाई लामो समयसम्म चल्ने र बलियो तरल पदार्थ प्रतिरोधी हुन्छ।थप रूपमा, हामीले इन भिट्रो शल्यक्रियाको क्रममा अपरिहार्य क्षतिको अनुकरण गरेर खरोंचहरू र फिक्सिंग फोर्सको बिरूद्ध मेकानिकल स्थायित्व पुष्टि गर्यौं।खरगोश बोन म्यारो इन्फ्लेमेटरी फेमोरल फ्र्याक्चर मोडेललाई LOIS को एन्टि-बायोलजिकल स्केलिंग र एन्टी-इन्फेक्सन क्षमताको राम्ररी अध्ययन गर्न प्रयोग गरिएको थियो।हामी कल्पना गर्छौं कि LOIS, जसमा एन्टि-बायोफाउलिंग गुणहरू र मेकानिकल स्थायित्व छ, संक्रमण-रहित आर्थोपेडिक शल्यक्रियामा एक कदम अगाडि छ।
आज, समग्र बुढ्यौलीका कारण, आर्थोपेडिक रोगहरू (जस्तै बुढापाका भाँच्ने, जोर्नीका जोर्नी रोगहरू, र ओस्टियोपोरोसिस) बाट पीडित बिरामीहरूको संख्या धेरै बढेको छ (१, २)।तसर्थ, चिकित्सा संस्थाहरूले आर्थोपेडिक शल्यक्रियालाई ठूलो महत्त्व दिन्छन्, जसमा स्क्रू, प्लेट, नङ र कृत्रिम जोडहरूको आर्थोपेडिक प्रत्यारोपण (3, 4) समावेश छ।यद्यपि, परम्परागत आर्थोपेडिक प्रत्यारोपणहरू ब्याक्टेरियल आसंजन र बायोफिल्म गठनको लागि संवेदनशील भएको रिपोर्ट गरिएको छ, जसले शल्यक्रिया पछि सर्जिकल साइट इन्फेक्सन (SSI) निम्त्याउन सक्छ (5, 6)।एकपटक आर्थोपेडिक इम्प्लान्टको सतहमा बायोफिल्म बनिसकेपछि, एन्टिबायोटिकको ठूलो खुराक प्रयोग गर्दा पनि बायोफिल्म हटाउन निकै गाह्रो हुन्छ।तसर्थ, यसले सामान्यतया गम्भीर पोस्टअपरेटिभ संक्रमणहरू निम्त्याउँछ (7, 8)।माथिका समस्याहरूको कारणले गर्दा, संक्रमित प्रत्यारोपणको उपचारमा सबै प्रत्यारोपण र वरपरका तन्तुहरू हटाउने सहित पुन: अपरेशन समावेश हुनुपर्छ;तसर्थ, रोगीले गम्भीर पीडा र केहि जोखिमहरू भोग्नेछ (9, 10)।
यी केही समस्याहरू समाधान गर्न, सतहमा संलग्न ब्याक्टेरियाहरू हटाएर संक्रमण रोक्न औषधि-एल्युटिङ आर्थोपेडिक इम्प्लान्टहरू विकसित गरिएको छ (11, 12)।यद्यपि, रणनीतिले अझै पनि धेरै सीमितताहरू देखाउँछ।यो रिपोर्ट गरिएको छ कि ड्रग-इल्युटिङ इम्प्लान्टहरूको लामो-समयको प्रत्यारोपणले वरपरका तन्तुहरूलाई क्षति पुर्याएको छ र सूजन उत्पन्न गरेको छ, जसले नेक्रोसिस (13, 14) निम्त्याउन सक्छ।थप रूपमा, अर्गानिक सॉल्भेन्टहरू जुन ड्रग-इल्युटिंग आर्थोपेडिक इम्प्लान्टहरूको निर्माण प्रक्रिया पछि अवस्थित हुन सक्छ, जसलाई अमेरिकी खाद्य र औषधि प्रशासनले कडा रूपमा निषेध गरेको छ, यसको मापदण्डहरू पूरा गर्न थप शुद्धिकरण चरणहरू आवश्यक पर्दछ (15)।ड्रग-इल्युटिङ इम्प्लान्टहरू ड्रग्सको नियन्त्रित रिलीजको लागि चुनौतीपूर्ण छन्, र तिनीहरूको सीमित ड्रग लोडिङको कारणले, औषधिको दीर्घकालीन प्रयोग सम्भव छैन (16)।
अर्को सामान्य रणनीति जैविक पदार्थ र ब्याक्टेरियालाई सतहमा टाँसिनबाट रोक्नको लागि एन्टिफाउलिंग पोलिमरले इम्प्लान्ट कोट गर्नु हो (१७)।उदाहरणका लागि, zwitterionic पोलिमरहरूले प्लाज्मा प्रोटीन, कोशिकाहरू र ब्याक्टेरियाहरूसँग सम्पर्क गर्दा तिनीहरूको गैर-चिपकने गुणहरूको कारणले ध्यान आकर्षित गरेको छ।यद्यपि, यसको दीर्घकालीन स्थिरता र मेकानिकल स्थायित्वसँग सम्बन्धित केही सीमितताहरू छन्, जसले आर्थोपेडिक इम्प्लान्टहरूमा यसको व्यावहारिक अनुप्रयोगलाई बाधा पुर्‍याउँछ, विशेष गरी सर्जिकल प्रक्रियाहरूमा मेकानिकल स्क्र्यापिंगको कारण (18, 19)।थप रूपमा, यसको उच्च बायोकम्प्याटिबिलिटीको कारण, हटाउने शल्यक्रियाको आवश्यकताको अभाव, र जंगको माध्यमबाट सतह सफा गर्ने गुणहरू, बायोडिग्रेडेबल सामग्रीबाट बनेको आर्थोपेडिक इम्प्लान्टहरू प्रयोग गरिएको छ (20, 21)।जंगको समयमा, पोलिमर म्याट्रिक्स बीचको रासायनिक बन्धनहरू भत्किन्छन् र सतहबाट अलग हुन्छन्, र अनुयायीहरूले सतह सफा गर्छन्।यद्यपि, सतह सफा गरेर एन्टि-बायोलजिकल फोउलिंग छोटो अवधिमा प्रभावकारी हुन्छ।थप रूपमा, पोली (ल्याक्टिक एसिड-ग्लाइकोलिक एसिड कोपोलिमर) (PLGA), पोलिल्याक्टिक एसिड (PLA) र म्याग्नेसियम-आधारित मिश्रहरू सहित अधिकांश अवशोषित सामग्रीहरू शरीरमा असमान बायोडिग्रेडेसन र इरोसनबाट गुज्रनेछन्, जसले मेकानिकल स्थिरतालाई नकारात्मक रूपमा असर गर्नेछ।(बाइस)।थप रूपमा, बायोडिग्रेडेबल प्लेट टुक्राहरूले ब्याक्टेरियालाई जोड्नको लागि ठाउँ प्रदान गर्दछ, जसले लामो समयसम्म संक्रमणको सम्भावना बढाउँछ।मेकानिकल ह्रास र संक्रमणको यो जोखिम प्लास्टिक सर्जरीको व्यावहारिक अनुप्रयोगलाई सीमित गर्दछ (23)।
सुपरहाइड्रोफोबिक (एसएचपी) सतहहरू जसले कमलका पातहरूको पदानुक्रमिक संरचनाको नक्कल गर्दछ एन्टी-फाउलिंग सतहहरू (24, 25) को लागि सम्भावित समाधान भएको छ।जब SHP सतहलाई तरल पदार्थमा डुबाइन्छ, हावाका बुलबुलेहरू फसेका हुन्छन्, जसले गर्दा हावा पकेटहरू बनाउँछ र ब्याक्टेरियाको आसंजनलाई रोक्छ (26)।यद्यपि, हालैका अध्ययनहरूले देखाएको छ कि SHP सतहमा मेकानिकल स्थायित्व र दीर्घकालीन स्थिरतासँग सम्बन्धित बेफाइदाहरू छन्, जसले मेडिकल इम्प्लान्टहरूमा यसको प्रयोगलाई बाधा पुर्‍याउँछ।यसबाहेक, हावा पकेटहरू विघटन हुनेछन् र तिनीहरूको एन्टी-फाउलिंग गुणहरू गुमाउनेछन्, यसरी SHP सतहको ठूलो सतह क्षेत्रको कारण ब्याक्टेरियाको आसंजनको परिणाम हुन्छ (27, 28)।भर्खरै, आइजेनबर्ग र सहकर्मीहरूले नेपेन्थेस पिचर प्लान्ट (२९, ३०) बाट प्रेरित चिल्लो सतहको विकास गरेर एन्टि-बायोफाउलिंग सतह कोटिंगको एक अभिनव विधि प्रस्तुत गरे।चिल्लो सतहले हाइड्रोलिक अवस्थाहरूमा दीर्घकालीन स्थिरता देखाउँछ, जैविक तरल पदार्थहरूको लागि अत्यन्त तरल विकर्षक छ, र स्व-मर्मत गुणहरू छन्।यद्यपि, त्यहाँ न त जटिल आकारको मेडिकल इम्प्लान्टमा कोटिंग लागू गर्ने विधि छ, न त यसले प्रत्यारोपण पछि क्षतिग्रस्त टिश्युको निको पार्ने प्रक्रियालाई समर्थन गर्दछ।
यहाँ, हामी एक लुब्रिकेटेड आर्थोपेडिक इम्प्लान्ट सतह (LOIS), एक माइक्रो/नैनो-संरचित आर्थोपेडिक इम्प्लान्ट सतह परिचय गर्छौं र यसलाई प्लास्टिक सर्जरीसँग सम्बन्धित ब्याक्टेरियल संक्रमणहरू, जस्तै फ्र्याक्चर फिक्सेशनसँग सम्बन्धित हुनबाट जोगाउन पातलो स्नेहक तहसँग जोडिएको छ।किनभने फ्लोरिन-कार्यात्मक माइक्रो/नैनो-स्तर संरचनाले संरचनामा स्नेहकलाई दृढतापूर्वक फिक्स गर्दछ, विकसित LOIS ले विभिन्न तरल पदार्थहरूको आसंजनलाई पूर्ण रूपमा हटाउन सक्छ र लामो समयसम्म एन्टी-फाउलिंग कार्यसम्पादन कायम राख्न सक्छ।LOIS कोटिंग्स हड्डी संश्लेषणको लागि अभिप्रेरित विभिन्न आकारका सामग्रीहरूमा लागू गर्न सकिन्छ।बायोफिल्म ब्याक्टेरिया [स्यूडोमोनास एरुगिनोसा र मेथिसिलिन-प्रतिरोधी स्ट्याफिलोकोकस ऑरियस (MRSA)] र जैविक पदार्थहरू (कोशिकाहरू, प्रोटीनहरू र क्याल्सियम) विरुद्ध LOIS को उत्कृष्ट एन्टि-बायोफाउलिंग गुणहरू भिट्रोमा पुष्टि गरिएको छ।सब्सट्रेटमा व्यापक आसंजनको आसंजन दर 1% भन्दा कम छ।थप रूपमा, सतह स्क्र्याचिङ जस्ता मेकानिकल तनाव पछि पनि, भित्री लुब्रिकेन्टको कारणले गर्दा आत्म-उपचारले यसको एन्टी-फाउलिंग गुणहरू कायम राख्न मद्दत गर्दछ।मेकानिकल स्थायित्व परीक्षण परिणामहरूले देखाउँछ कि संरचनात्मक र रासायनिक परिमार्जन पछि पनि, कुल बल उल्लेखनीय रूपमा कम हुनेछैन।थप रूपमा, एक इन भिट्रो प्रयोग जसले सर्जिकल वातावरणमा मेकानिकल तनावको नक्कल गर्दछ भनेर प्रमाणित गर्नको लागि गरिएको थियो कि LOIS ले प्लास्टिक सर्जरीको क्रममा हुने विभिन्न मेकानिकल तनावहरूको सामना गर्न सक्छ।अन्तमा, हामीले भिभो फेमोरल फ्र्याक्चर मोडेलमा खरायो-आधारित प्रयोग गर्‍यौं, जसले प्रमाणित गर्‍यो कि LOIS सँग उत्कृष्ट एन्टिब्याक्टेरियल गुणहरू र बायोकम्प्याटिबिलिटी छ।रेडियोलॉजिकल र हिस्टोलोजिकल परिणामहरूले पुष्टि गरे कि इम्प्लान्टेशन पछि 4 हप्ता भित्र स्थिर स्नेहक व्यवहार र एन्टि-बायोफाउलिंग गुणहरूले हड्डी निको पार्ने प्रक्रियामा ढिलाइ नगरी प्रभावकारी एन्टी-इन्फेक्सन र प्रतिरक्षा एस्केप प्रदर्शन हासिल गर्न सक्छ।
चित्र 1A ले विकसित LOIS को योजनाबद्ध रेखाचित्र देखाउँछ, जसलाई खरगोश फेमोरल फ्र्याक्चर मोडेलमा माइक्रो/नैनो-स्केल संरचनाहरूसँग यसको उत्कृष्ट एन्टि-बायोलजिकल फोउलिंग र एन्टी-इन्फेक्सन गुणहरू पुष्टि गर्न प्रत्यारोपण गरिएको छ।बायोमिमेटिक विधि पानीको भाँडो बिरुवाको सतह अनुकरण गर्न र सतहको माइक्रो/नानो संरचना भित्र लुब्रिकेन्ट तह समावेश गरेर बायोफाउलिंग रोक्नको लागि गरिन्छ।स्नेहकको साथ इन्जेक्ट गरिएको सतहले जैविक पदार्थ र सतह बीचको सम्पर्कलाई कम गर्न सक्छ।तसर्थ, सतहमा स्थिर रासायनिक बन्धनको गठनको कारण, यसमा उत्कृष्ट एन्टिफाउलिंग प्रदर्शन र दीर्घकालीन स्थिरता छ।नतिजाको रूपमा, स्नेहन सतहको एन्टि-बायोफाउलिंग गुणहरूले बायोमेडिकल अनुसन्धानमा विभिन्न व्यावहारिक अनुप्रयोगहरूलाई अनुमति दिन्छ।यद्यपि, यो विशेष सतहले शरीरमा कसरी अन्तरक्रिया गर्छ भन्ने बारे विस्तृत अनुसन्धान अझै पूरा भएको छैन।एल्बमिन र बायोफिल्म ब्याक्टेरिया प्रयोग गरेर भिट्रोमा नग्न सब्सट्रेटहरूसँग LOIS तुलना गरेर, LOIS को गैर-चिपकनेपन पुष्टि गर्न सकिन्छ (चित्र 1B)।थप रूपमा, झुकाएको खाली सब्सट्रेट र LOIS सब्सट्रेट (चित्र S1 र चलचित्र S1) मा पानीका थोपाहरू रोल गरेर, जैविक प्रदूषण प्रदर्शन प्रदर्शन गर्न सकिन्छ।फ्लोरोसेन्स माइक्रोस्कोप छविमा देखाइए अनुसार, प्रोटिन र ब्याक्टेरियाको निलम्बनमा इन्क्युबेटेड सब्सट्रेटले सतहमा जैविक सामग्रीको ठूलो मात्रा देखाएको छ।यद्यपि, यसको उत्कृष्ट एन्टि-बायोफाउलिंग गुणहरूको कारण, LOIS ले कुनै पनि प्रतिदीप्ति प्रदर्शन गर्दैन।यसको एन्टी-बायोफाउलिंग र एन्टी-इन्फेक्सन गुणहरू पुष्टि गर्न, LOIS हड्डी संश्लेषण (प्लेट र स्क्रू) को लागि आर्थोपेडिक प्रत्यारोपणको सतहमा लागू गरियो र खरायो फ्र्याक्चर मोडेलमा राखियो।प्रत्यारोपण गर्नु अघि, नग्न अर्थोपेडिक प्रत्यारोपण र LOIS लाई ब्याक्टेरियल निलम्बनमा १२ घण्टासम्म इन्क्युबेटेड गरियो।पूर्व-इन्क्युबेशनले यो सुनिश्चित गर्दछ कि तुलनाको लागि खुला प्रत्यारोपणको सतहमा बायोफिल्म बनाइएको छ।चित्र 1C ले प्रत्यारोपणको 4 हप्ता पछि फ्र्याक्चर साइटको फोटो देखाउँछ।बाँयामा, नाङ्गो अर्थोपेडिक प्रत्यारोपण भएको खरायोले प्रत्यारोपणको सतहमा बायोफिल्मको गठनको कारणले गम्भीर स्तरको सूजन देखायो।LOIS सँग प्रत्यारोपण गरिएका खरायोहरूमा उल्टो नतिजा देखियो, अर्थात्, LOIS को वरपरका तन्तुहरूले न त सङ्क्रमणको संकेत देखाएको थियो न त सूजनको लक्षणहरू।थप रूपमा, बाँयामा रहेको अप्टिकल छविले खुला इम्प्लान्टको साथ खरायोको सर्जिकल साइटलाई संकेत गर्दछ, यसले संकेत गर्दछ कि खुला प्रत्यारोपणको सतहमा LOIS को सतहमा कुनै पनि धेरै टाँस्ने पदार्थहरू फेला परेनन्।यसले देखाउँछ कि LOIS सँग दीर्घकालीन स्थिरता छ र यसको एन्टि-बायोलजिकल फाउलिंग र एन्टी-एजेसन गुणहरू कायम राख्न सक्ने क्षमता छ।
(A) LOIS को योजनाबद्ध रेखाचित्र र खरायो फेमोरल फ्र्याक्चर मोडेलमा यसको प्रत्यारोपण।(B) नग्न सतह र LOIS सब्सट्रेटमा प्रोटीन र ब्याक्टेरियल बायोफिल्मको फ्लोरोसेन्स माइक्रोस्कोपी छवि।प्रत्यारोपणको ४ हप्ता पछि, (C) फ्र्याक्चर साइटको फोटोग्राफिक छवि र (D) एक्स-रे छवि (रातो आयतद्वारा हाइलाइट गरिएको)।तस्विर सौजन्य: Kyomin Chae, Yonsei विश्वविद्यालय।
बाँझ राखिएको, नकारात्मक रूपमा प्रत्यारोपण गरिएका खरायोहरूले कुनै पनि सूजन वा संक्रमणको लक्षण बिना सामान्य हड्डी निको हुने प्रक्रिया देखाए।अर्कोतर्फ, ब्याक्टेरियल निलम्बनमा पूर्व-इन्क्युबेटेड एसएचपी प्रत्यारोपणले वरपरका तन्तुहरूमा संक्रमण-सम्बन्धित सूजन प्रदर्शन गर्दछ।यो लामो समय (चित्र S2) को लागि ब्याक्टेरियल आसंजन रोक्न को लागी यसको असक्षमता को लागी जिम्मेदार हुन सक्छ।LOIS ले निको पार्ने प्रक्रियालाई असर गर्दैन, तर इम्प्लान्टेशन सम्बन्धी सम्भावित संक्रमणहरूलाई रोक्छ भनी प्रमाणित गर्नको लागि, फ्र्याक्चर साइटमा खुला सकारात्मक म्याट्रिक्स र LOIS को एक्स-रे छविहरू तुलना गरियो (चित्र 1D)।बेयर पोजिटिभ इम्प्लान्टको एक्स-रे छविले लगातार ओस्टियोलाइसिस लाइनहरू देखाएको छ, जसले हड्डी पूर्ण रूपमा निको नभएको संकेत गर्दछ।यसले हड्डी रिकभरी प्रक्रियामा संक्रमण-सम्बन्धित सूजनको कारण धेरै ढिलाइ हुन सक्छ भन्ने सुझाव दिन्छ।यसको विपरित, यसले देखाएको छ कि LOIS संग प्रत्यारोपण गरिएका खरायोहरू निको भएका थिए र कुनै स्पष्ट फ्र्याक्चर साइट देखाउँदैनन्।
दीर्घकालीन स्थिरता र कार्यक्षमता (जैव फाउलिंग प्रतिरोध सहित) संग चिकित्सा प्रत्यारोपण विकास गर्न धेरै प्रयासहरू गरिएको छ।यद्यपि, विभिन्न जैविक पदार्थहरूको उपस्थिति र ऊतक आसंजनको गतिशीलताले तिनीहरूको चिकित्सकीय रूपमा विश्वसनीय विधिहरूको विकासलाई सीमित गर्दछ।यी कमजोरीहरू हटाउनको लागि, हामीले माइक्रो/नानो लेयर्ड संरचना र रासायनिक रूपले परिमार्जित सतहको विकास गरेका छौं, जुन उच्च केशिका बल र रासायनिक सम्बन्धको कारणले सबैभन्दा राम्रो स्नेहकलाई अधिकतम हदसम्म राख्नको लागि अनुकूलित गरिएको छ।चित्र 2A ले LOIS को समग्र निर्माण प्रक्रिया देखाउँछ।पहिले, मेडिकल ग्रेड स्टेनलेस स्टील (SS) 304 सब्सट्रेट तयार गर्नुहोस्।दोस्रो, माइक्रो/नैनो संरचना हाइड्रोफ्लोरिक एसिड (HF) समाधान प्रयोग गरेर रासायनिक नक्काशी द्वारा एसएस सब्सट्रेटमा बनाइन्छ।SS को क्षरण प्रतिरोध पुनर्स्थापना गर्न को लागी, नाइट्रिक एसिड (HNO3) समाधान (31) नक्काशी गरिएको सब्सट्रेट प्रशोधन गर्न प्रयोग गरिन्छ।Passivation ले SS सब्सट्रेटको जंग प्रतिरोधलाई बढाउँछ र LOIS को समग्र कार्यसम्पादनलाई कम गर्न सक्ने क्षरण प्रक्रियालाई उल्लेखनीय रूपमा ढिलो बनाउँछ।त्यसपछि, 1H, 1H, 2H, 2H-perfluorooctyltriethoxysilane (POTS) सँग सेल्फ-एसेम्बल मोनोलेयर (SAM) बनाएर सतह र चिकनी स्नेहक एफिनिटी बीचको रासायनिक अन्तरक्रिया सुधार गर्न सतहलाई रासायनिक रूपमा परिमार्जन गरिन्छ।सतह परिमार्जनले बनावटी माइक्रो/नैनो-स्केल संरचित सतहको सतह ऊर्जालाई उल्लेखनीय रूपमा घटाउँछ, जसले चिकनी स्नेहकको सतह ऊर्जासँग मेल खान्छ।यसले स्नेहकलाई पूर्ण रूपमा भिजाउन अनुमति दिन्छ, जसले गर्दा सतहमा स्थिर स्नेहक तह बनाउँछ।परिमार्जित सतहले परिष्कृत हाइड्रोफोबिसिटी प्रदर्शन गर्दछ।नतिजाहरूले देखाउँदछ कि चिल्लो लुब्रिकेन्टले माइक्रो/नैनो संरचना (32, 33) को कारणले गर्दा उच्च रासायनिक आत्मीयता र केशिका बलको कारणले LOIS मा स्थिर व्यवहार प्रदर्शन गर्दछ।सतह परिमार्जन र स्नेहक इंजेक्शन पछि SS को सतहमा अप्टिकल परिवर्तनहरू अध्ययन गरियो।सतहमा बनेको माइक्रो/नानो तहको संरचनाले दृश्य परिवर्तनहरू ल्याउन सक्छ र सतहलाई अँध्यारो बनाउन सक्छ।यो घटनालाई कुनै नराम्रो सतहमा परिष्कृत प्रकाश स्क्याटरिङ प्रभावलाई श्रेय दिइएको छ, जसले प्रकाश ट्र्यापिङ मेकानिज्म (34) को कारणले फैलिएको प्रतिबिम्ब बढाउँछ।थप रूपमा, स्नेहक इंजेक्शन पछि, LOIS गाढा हुन्छ।लुब्रिकेटिङ लेयरले सब्सट्रेटबाट कम प्रकाश परावर्तित हुन्छ, जसले गर्दा LOIS अँध्यारो हुन्छ।एन्टि-बायोफाउलिंग कार्यसम्पादन हासिल गर्नको लागि सबैभन्दा सानो स्लाइडिङ कोण (SA) देखाउन माइक्रोस्ट्रक्चर/नानोस्ट्रक्चरलाई अनुकूलन गर्न, विभिन्न HF नक्काशी समयहरू प्रदर्शन गर्न स्क्यानिङ इलेक्ट्रोन माइक्रोस्कोपी (SEM) र परमाणु जोडीहरू प्रयोग गरियो (0, 3)।, 15 र 60 मिनेट) फोर्स माइक्रोस्कोप (AFM) (चित्र 2B)।SEM र AFM तस्बिरहरूले देखाउँदछ कि नक्कलीको छोटो समय पछि (3 मिनेट नक्काशीको), बेयर सब्सट्रेटले असमान नानो-स्केल रफनेस गठन गरेको छ।नक्काशी समय (चित्र S3) संग सतहको नरमपन परिवर्तन हुन्छ।समय-विभिन्न कर्भले देखाउँछ कि सतहको खुरपना बढ्दै जान्छ र 15 मिनेटमा नक्काशीको शिखरमा पुग्छ, र त्यसपछि 30 मिनेटको नक्काशीमा नरमपन मानमा थोरै मात्र कमी देखिन्छ।यस बिन्दुमा, न्यानो-स्तरको खुरदरापन हटाइएको छ, जबकि माइक्रो-लेभल खुरदरापन बलियो रूपमा विकास हुन्छ, खुरदरा परिवर्तनलाई थप स्थिर बनाउँछ।३० मिनेट भन्दा बढि नक्कल गरेपछि, नरमपनमा थप वृद्धि देखियो, जसलाई निम्नानुसार विस्तृत रूपमा व्याख्या गरिएको छ: एसएस फलाम, क्रोमियम, निकल, मोलिब्डेनम र अन्य धेरै तत्वहरू लगायतका तत्वहरूसँग मिश्रित स्टीलबाट बनेको हुन्छ।यी तत्वहरू मध्ये, फलाम, क्रोमियम र मोलिब्डेनमले HF नक्काशीद्वारा SS मा माइक्रोन/नैनो-स्केल रफनेस बनाउन महत्त्वपूर्ण भूमिका खेल्छ।क्षरणको प्रारम्भिक चरणहरूमा, फलाम र क्रोमियम मुख्यतया क्षरण हुन्छ किनभने मोलिब्डेनममा मोलिब्डेनम भन्दा उच्च जंग प्रतिरोध हुन्छ।नक्काशीको काम अघि बढ्दै जाँदा, नक्काशीको समाधान स्थानीय ओभरस्याचुरेसनमा पुग्छ, नक्काशीको कारणले फ्लोराइड र अक्साइडहरू बनाउँछ।फ्लोराइड र अक्साइड अवक्षेपण र अन्ततः सतहमा पुन: जम्मा हुन्छ, माइक्रोन/नानो दायरा (31) मा सतह खुरदरा बनाउँछ।यो माइक्रो/नैनो-स्तरको खुरदुरापनले LOIS को आत्म-उपचार गुणहरूमा महत्त्वपूर्ण भूमिका खेल्छ।दोहोरो मापन सतहले एक सिनेर्जस्टिक प्रभाव उत्पन्न गर्दछ, धेरै केशिका बल बढाउँछ।यस घटनाले स्नेहकलाई सतहमा स्थिर रूपमा प्रवेश गर्न अनुमति दिन्छ र आत्म-निको पार्ने गुणहरूमा योगदान गर्दछ (35)।नक्काशी को गठन को समय मा निर्भर गर्दछ।10 मिनेटको नक्काशीको मुनि, सतहमा नानो-स्केल रफनेस मात्र हुन्छ, जुन बायोफाउलिंग प्रतिरोधको लागि पर्याप्त स्नेहक समात्न पर्याप्त हुँदैन (36)।अर्कोतर्फ, यदि नक्काशी समय 30 मिनेट भन्दा बढि भयो भने, फलाम र क्रोमियमको पुन: भण्डारणबाट बनाइएको न्यानो-स्केल रफनेस हराउनेछ, र मोलिब्डेनमको कारणले मात्र माइक्रो-स्केल खुरदरा रहनेछ।ओभर-एच गरिएको सतहमा न्यानो-स्केल रफनेसको अभाव हुन्छ र यसले दुई-चरणको खुरदुरापनको समन्वयात्मक प्रभाव गुमाउँछ, जसले LOIS को आत्म-निको पार्ने विशेषताहरूलाई नकारात्मक रूपमा असर गर्छ।SA मापन विभिन्न नक्काशी समय संग सब्सट्रेट मा प्रदर्शन गरिएको थियो विरोधी fouling प्रदर्शन प्रमाणित गर्न।डियोनाइज्ड (DI) पानी, रगत, इथिलीन ग्लाइकोल (EG), इथेनॉल (EtOH) र हेक्साडेकेन (HD) (चित्र S4) सहित चिपचिपापन र सतह ऊर्जाको आधारमा विभिन्न प्रकारका तरल पदार्थहरू चयन गरियो।समय-भिन्न नक्कली ढाँचाले देखाउँछ कि विभिन्न सतह ऊर्जा र चिपचिपापन भएका विभिन्न तरल पदार्थहरूको लागि, 15 मिनेट नक्काशी पछि LOIS को SA सबैभन्दा कम हुन्छ।तसर्थ, LOIS लाई 15 मिनेटको लागि माइक्रोन र न्यानो-स्केल रफनेस बनाउनको लागि अनुकूलित गरिएको छ, जुन प्रभावकारी रूपमा स्नेहकको स्थायित्व र उत्कृष्ट एन्टी-फाउलिंग गुणहरू कायम राख्न उपयुक्त छ।
(A) LOIS को चार-चरण निर्माण प्रक्रियाको योजनाबद्ध रेखाचित्र।इनसेटले सब्सट्रेटमा बनेको SAM देखाउँछ।(B) SEM र AFM छविहरू, विभिन्न नक्काशी समय अन्तर्गत सब्सट्रेटको माइक्रो/नैनो संरचनालाई अनुकूलन गर्न प्रयोग गरिन्छ।एक्स-रे फोटोइलेक्ट्रोन स्पेक्ट्रोस्कोपी (XPS) स्पेक्ट्रा (C) Cr2p र (D) F1s सतहको निष्क्रियता र SAM कोटिंग पछि।au, मनमानी इकाई।(E) खाली, नक्काशी, SHP र LOIS सब्सट्रेटहरूमा पानीका थोपाहरूको प्रतिनिधि छविहरू।(F) SHP र LOIS मा विभिन्न सतह तनाव भएका तरल पदार्थहरूको सम्पर्क कोण (CA) र SA मापन।डेटा औसत ± SD को रूपमा व्यक्त गरिन्छ।
त्यसपछि, सतहको रासायनिक गुणहरूमा परिवर्तन पुष्टि गर्नको लागि, एक्स-रे फोटोइलेक्ट्रोन स्पेक्ट्रोस्कोपी (XPS) प्रयोग गरियो प्रत्येक सतह कोटिंग पछि सब्सट्रेट सतहको रासायनिक संरचनामा परिवर्तन अध्ययन गर्न।चित्र 2C ले HF एच गरिएको सतह र HNO 3 उपचार गरिएको सतहको XPS मापन परिणामहरू देखाउँछ।587.3 र 577.7 eV मा दुई मुख्य चुचुराहरूलाई क्रोमियम अक्साइड तहमा अवस्थित Cr-O बन्डलाई श्रेय दिन सकिन्छ, जुन HF एच गरिएको सतहबाट मुख्य भिन्नता हो।यो मुख्यतया HNO3 द्वारा सतहमा फलाम र क्रोमियम फ्लोराइडको खपतको कारण हो।HNO3-आधारित नक्काशीले क्रोमियमलाई सतहमा निष्क्रिय अक्साइड तह बनाउन अनुमति दिन्छ, जसले नक्काशी गरिएको एसएसलाई फेरि क्षरण प्रतिरोधी बनाउँछ।Figure 2D मा, XPS स्पेक्ट्रा SAM कोटिंग पछि सतहमा फ्लोरोकार्बन-आधारित सिलेन गठन भएको पुष्टि गर्नको लागि प्राप्त गरियो, जसमा EG, रगत र EtOH को लागि पनि अत्यधिक उच्च तरल विकृति छ।SAM कोटिंग प्लाज्मा उपचार द्वारा बनाईएको हाइड्रोक्सिल समूहहरु संग सिलेन कार्यात्मक समूहहरु लाई प्रतिक्रिया गरेर पूरा हुन्छ।नतिजाको रूपमा, CF2 र CF3 शिखरहरूमा उल्लेखनीय वृद्धि देखियो।286 र 296 eV बीचको बाध्यकारी ऊर्जाले रासायनिक परिमार्जन सफलतापूर्वक SAM कोटिंग द्वारा पूरा भएको संकेत गर्दछ।SHP ले अपेक्षाकृत ठूला CF2 (290.1 ​​eV) र CF3 (293.3 eV) चुचुराहरू देखाउँछ, जुन सतहमा बनेको फ्लोरोकार्बन-आधारित सिलेनले गर्दा हुन्छ।चित्र 2E ले बेयर, इचेड, SHP, र LOIS सँग सम्पर्कमा रहेको डियोनाइज्ड पानीको विभिन्न समूहहरूको लागि सम्पर्क कोण (CA) मापनको प्रतिनिधि अप्टिकल छविहरू देखाउँछ।यी तस्बिरहरूले देखाउँदछ कि खोदिएको सतह रासायनिक नक्काशीद्वारा बनाइएको माइक्रो/नैनो संरचनाको कारण हाइड्रोफिलिक हुन्छ जसले गर्दा विआयनीकृत पानी संरचनामा अवशोषित हुन्छ।जे होस्, जब सब्सट्रेट SAM को साथ लेपित हुन्छ, सब्सट्रेटले बलियो पानी रिपेलेन्सी प्रदर्शन गर्दछ, त्यसैले सतह SHP बनाइन्छ र पानी र सतह बीचको सम्पर्क क्षेत्र सानो हुन्छ।अन्तमा, LOIS मा CA मा कमी देखियो, जसलाई माइक्रोस्ट्रक्चरमा लुब्रिकेन्टको प्रवेशलाई श्रेय दिन सकिन्छ, जसले गर्दा सम्पर्क क्षेत्र बढ्छ।सतहमा उत्कृष्ट तरल रिपेलेन्सी र गैर-चिपकने गुणहरू छन् भनेर प्रमाणित गर्न, LOIS लाई विभिन्न तरल पदार्थहरू (चित्र 2F) प्रयोग गरेर CA र SA मापन गरेर SHP सब्सट्रेटसँग तुलना गरिएको थियो।डिआयोनाइज्ड पानी, रगत, EG, EtOH र HD (चित्र S4) सहित चिपचिपापन र सतह ऊर्जामा आधारित विभिन्न प्रकारका तरल पदार्थहरू चयन गरियो।CA मापन परिणामहरूले देखाउँदछ कि जब CA HD मा झुक्छ, CA को घटाउने मान, जहाँ CA सँग सबैभन्दा कम सतह ऊर्जा हुन्छ।थप रूपमा, समग्र CA को LOIS कम छ।यद्यपि, SA मापनले पूर्णतया फरक घटना देखाउँछ।आयनीकृत पानी बाहेक, सबै तरल पदार्थहरू SHP सब्सट्रेटमा चिप्लिन बिना नै टाँस्छन्।अर्कोतर्फ, LOIS ले धेरै कम SA देखाउँछ, जहाँ सबै तरल 10° देखि 15° भन्दा कम कोणमा झुक्दा, सबै तरल बन्द हुनेछ।यसले बलियो रूपमा देखाउँछ कि LOIS को गैर-चिपकनेपन SHP सतह भन्दा राम्रो छ।थप रूपमा, LOIS कोटिंगहरू विभिन्न प्रकारका सामग्रीहरूमा पनि लागू गरिन्छ, जसमा टाइटेनियम (Ti), पोलिफेनिलसल्फोन (PPSU), पोलीओक्सिमथिलीन (POM), पोलीथर ईथर केटोन (PEEK) र बायोअब्सोर्बेबल पोलिमरहरू (PLGA), तिनीहरू प्रत्यारोपणयोग्य आर्थोपेडिक सामग्रीहरू हुन् (चित्र। S5))।LOIS द्वारा उपचार गरिएको सामग्रीमा थोपाहरूको क्रमिक छविहरूले देखाउँछ कि LOIS को एन्टी-बायोफाउलिंग गुणहरू सबै सब्सट्रेटहरूमा समान छन्।थप रूपमा, CA र SA को मापन परिणामहरूले देखाउँदछ कि LOIS को गैर-चिपकने गुणहरू अन्य सामग्रीहरूमा लागू गर्न सकिन्छ।
LOIS को anti-fouling गुणहरू पुष्टि गर्नको लागि, विभिन्न प्रकारका सब्सट्रेटहरू (बेयर, इचेड, SHP र LOIS सहित) स्यूडोमोनास एरुगिनोसा र MRSA सँग इन्क्युबेटेड थिए।यी दुई ब्याक्टेरियालाई प्रतिनिधि अस्पताल ब्याक्टेरियाको रूपमा चयन गरिएको थियो, जसले बायोफिल्महरूको गठन गर्न सक्छ, जसले SSI (37) को नेतृत्व गर्दछ।चित्र 3 (A र B) ले क्रमशः छोटो अवधि (12 घण्टा) र लामो अवधि (72 घण्टा) को लागि ब्याक्टेरिया निलम्बनमा इन्क्युबेटेड सब्सट्रेटहरूको फ्लोरोसेन्स माइक्रोस्कोप छविहरू र कोलोनी गठन इकाई (CFU) मापन परिणामहरू देखाउँछ।छोटो अवधिमा, ब्याक्टेरियाहरू क्लस्टरहरू बनाउँछन् र आकारमा बढ्छन्, म्युकस-जस्तो पदार्थहरूले आफूलाई ढाक्छन् र तिनीहरूलाई हटाउनबाट रोक्छन्।यद्यपि, 72-घण्टा इन्क्युबेशनको समयमा, ब्याक्टेरियाहरू परिपक्व हुनेछन् र थप उपनिवेशहरू वा क्लस्टरहरू बनाउन सजिलै फैलिन्छन्।त्यसकारण, यो 72-घण्टा इन्क्युबेशन दीर्घकालीन हो र सतहमा बलियो बायोफिल्म बनाउनको लागि उपयुक्त इन्क्युबेशन समय हो भनेर विचार गर्न सकिन्छ (38)।छोटो अवधिमा, नक्काशी गरिएको सतह र SHP को सतहले ब्याक्टेरियल आसंजन प्रदर्शन गर्‍यो, जुन बेयर सब्सट्रेटको तुलनामा लगभग 25% देखि 50% सम्म घटेको थियो।यद्यपि, यसको उत्कृष्ट एन्टि-बायोफोलिङ प्रदर्शन र स्थिरताको कारण, LOIS ले छोटो र लामो अवधिमा ब्याक्टेरियल बायोफिल्म आसंजन देखाउँदैन।योजनाबद्ध रेखाचित्र (चित्र 3C) ले नक्काशी समाधान, SHP र LOIS को एन्टि-बायोलजिकल फाउलिंग मेकानिज्मको व्याख्या वर्णन गर्दछ।अनुमान यो हो कि हाइड्रोफिलिक गुणहरू भएको नक्काशी गरिएको सब्सट्रेटको सतहको क्षेत्र खाली सब्सट्रेट भन्दा ठूलो हुन्छ।त्यसकारण, नक्काशी गरिएको सब्सट्रेटमा अधिक ब्याक्टेरियल आसंजन हुनेछ।यद्यपि, खाली सब्सट्रेटको तुलनामा, नक्काशी गरिएको सब्सट्रेटको सतहमा महत्त्वपूर्ण रूपमा कम बायोफिल्म बनाइएको छ।यो किनभने पानीको अणुहरू हाइड्रोफिलिक सतहमा दृढतापूर्वक बाँध्छन् र पानीको लागि स्नेहकको रूपमा कार्य गर्दछ, यसरी छोटो अवधिमा ब्याक्टेरियाको टाँसिएकोमा हस्तक्षेप गर्दछ (39)।यद्यपि, पानीको अणुहरूको तह धेरै पातलो र ब्याक्टेरियल निलम्बनमा घुलनशील हुन्छ।तसर्थ, पानीको आणविक तह लामो समयको लागि गायब हुन्छ, जसले व्यापक ब्याक्टेरियाको आसंजन र प्रसारलाई निम्त्याउँछ।SHP को लागि, यसको छोटो-अवधि गैर-भिजाउने गुणहरूको कारण, ब्याक्टेरियल आसंजन रोकिएको छ।कम ब्याक्टेरियाको आसंजन लेयर्ड संरचना र तल्लो सतहको ऊर्जामा फसेको हावा पकेटहरूमा श्रेय दिन सकिन्छ, जसले ब्याक्टेरिया निलम्बन र सतह बीचको सम्पर्कलाई कम गर्छ।यद्यपि, SHP मा व्यापक ब्याक्टेरियल आसंजन देखियो किनभने यसले लामो समयसम्म यसको एन्टी-फाउलिंग गुणहरू गुमाएको थियो।यो मुख्यतया हाइड्रोस्टेटिक दबाव र पानी मा हावा विघटन को कारण हावा जेब गायब को कारण हो।यो मुख्यतया विघटन र स्तरित संरचनाको कारणले हावा पकेटहरू हराएको कारण हो जसले आसंजनको लागि ठूलो सतह क्षेत्र प्रदान गर्दछ (27, 40)।यी दुई सब्सट्रेटहरूको विपरीत जसले दीर्घकालीन स्थिरतामा महत्त्वपूर्ण प्रभाव पार्छ, LOIS मा समावेश लुब्रिकेटिङ लुब्रिकेन्टलाई माइक्रो/नैनो संरचनामा इन्जेक्ट गरिन्छ र लामो अवधिमा पनि हराउँदैन।माइक्रो/नैनो संरचनाहरूले भरिएका लुब्रिकेन्टहरू धेरै स्थिर हुन्छन् र तिनीहरूको उच्च रासायनिक सम्बन्धको कारणले सतहमा कडा रूपमा आकर्षित हुन्छन्, जसले गर्दा लामो समयसम्म ब्याक्टेरियाको टाँसिएको हुनबाट रोक्छ।चित्र S6 ले फस्फेट बफर सलाइन (PBS) मा डुबेको लुब्रिकेन्ट-इन्फ्युज्ड सब्सट्रेटको प्रतिबिम्ब कन्फोकल माइक्रोस्कोप छवि देखाउँछ।निरन्तर छविहरूले देखाउँछ कि 120 घण्टा हल्का हल्लाएर (120 rpm) पछि पनि, LOIS मा स्नेहक तह अपरिवर्तित रहन्छ, प्रवाह अवस्थाहरूमा दीर्घकालीन स्थिरता संकेत गर्दछ।यो फ्लोरिन-आधारित SAM कोटिंग र परफ्लुरोकार्बन-आधारित स्नेहक बीचको उच्च रासायनिक आत्मीयताको कारण हो, जसले गर्दा एक स्थिर स्नेहक तह गठन गर्न सकिन्छ।तसर्थ, विरोधी-फाउलिंग प्रदर्शन कायम राखिएको छ।थप रूपमा, सब्सट्रेटलाई प्रतिनिधि प्रोटीन (एल्बुमिन र फाइब्रिनोजेन), जो प्लाज्मामा छन्, प्रतिरक्षा प्रकार्य (म्याक्रोफेज र फाइब्रोब्लास्ट्स) सँग नजिकका कोशिकाहरू, र हड्डीको गठनसँग सम्बन्धित कोशिकाहरू विरुद्ध परीक्षण गरिएको थियो।यसमा क्याल्सियमको मात्रा धेरै हुन्छ ।(चित्र 3D, 1 र 2, र चित्र S7) (41, 42)।थप रूपमा, फाइब्रिनोजेन, एल्बुमिन र क्याल्सियमको लागि आसंजन परीक्षणको फ्लोरोसेन्स माइक्रोस्कोप छविहरूले प्रत्येक सब्सट्रेट समूह (चित्र S8) को विभिन्न आसंजन विशेषताहरू देखायो।हड्डी गठनको क्रममा, नयाँ बनाइएको हड्डी र क्याल्सियम तहहरूले अर्थोपेडिक इम्प्लान्टलाई घेरेको हुन सक्छ, जसले हटाउन गाह्रो मात्र बनाउँदैन, तर हटाउने प्रक्रियाको क्रममा बिरामीलाई अप्रत्याशित हानि पनि पुर्‍याउन सक्छ।तसर्थ, हड्डीको प्लेट र स्क्रूमा क्याल्सियम जम्मा भएको कम स्तर आर्थोपेडिक शल्यक्रियाका लागि लाभदायक हुन्छ जसलाई इम्प्लान्ट हटाउन आवश्यक हुन्छ।फ्लोरोसेन्स तीव्रता र सेल गणनामा आधारित संलग्न क्षेत्रको परिमाणमा आधारित, हामीले पुष्टि गर्यौं कि LOIS ले अन्य सब्सट्रेटहरूको तुलनामा सबै जैविक पदार्थहरूको लागि उत्कृष्ट एन्टि-बायोफाउलिंग गुणहरू देखाउँदछ।इन भिट्रो प्रयोगहरूको नतिजा अनुसार, एन्टी-बायोलोजिकल फाउलिंग एलओआईएस आर्थोपेडिक इम्प्लान्टहरूमा लागू गर्न सकिन्छ, जसले बायोफिल्म ब्याक्टेरियाबाट हुने संक्रमणलाई मात्र रोक्न सक्दैन, तर शरीरको सक्रिय प्रतिरक्षा प्रणालीको कारण हुने सूजनलाई पनि कम गर्न सक्छ।
(A) प्रत्येक समूहको फ्लोरोसेन्स माइक्रोस्कोप छविहरू (नग्न, नक्काशी, SHP र LOIS) स्यूडोमोनास एरुगिनोसा र MRSA निलम्बनहरूमा 12 र 72 घण्टाको लागि इन्क्युबेटेड।(B) प्रत्येक समूहको सतहमा स्यूडोमोनास एरुगिनोसा र MRSA को अनुयायी CFU को संख्या।(C) अल्पकालीन र दीर्घकालीन नक्काशी, SHP र LOIS को एन्टि-बायोलजिकल फाउलिंग मेकानिज्मको योजनाबद्ध रेखाचित्र।(D) (1) फाइब्रोब्लास्टहरूको संख्या प्रत्येक सब्सट्रेट र फ्लोरोसेन्स माइक्रोस्कोप छविहरू कोशिकाहरूको बेयर र LOIS मा पालना गरिएको छ।(२) हड्डी निको पार्ने प्रक्रियामा संलग्न प्रतिरक्षा-सम्बन्धित प्रोटीन, एल्बुमिन र क्याल्सियमको आसंजन परीक्षण (* P <0.05, ** P <0.01, *** P <0.001 र **** P <0.0001)।ns, महत्त्वपूर्ण छैन।
अपरिहार्य ध्यान केन्द्रित तनाव को मामला मा, यांत्रिक स्थायित्व सधैं antifouling कोटिंग्स को आवेदन को लागी मुख्य चुनौती भएको छ।परम्परागत एन्टि-सेवेज जेल विधिहरू कम पानीमा घुलनशीलता र कमजोरी भएका पोलिमरहरूमा आधारित हुन्छन्।त्यसकारण, तिनीहरू सामान्यतया बायोमेडिकल अनुप्रयोगहरूमा मेकानिकल तनावको लागि संवेदनशील हुन्छन्।तसर्थ, यान्त्रिक रूपमा टिकाउ एन्टिफाउलिंग कोटिंगहरू आर्थोपेडिक इम्प्लान्टहरू (43, 44) जस्ता अनुप्रयोगहरूको लागि चुनौती बनेको छ।चित्र 4A(1) ले आर्थोपेडिक इम्प्लान्टहरूमा लागू हुने दुई मुख्य प्रकारका तनावहरू देखाउँछ, जसमा स्क्र्याचिङ (शियर तनाव) र फोर्सेप्सद्वारा उत्पादित क्षतिग्रस्त इम्प्लान्टको अप्टिकल छविसँग कम्प्रेसन समावेश हुन्छ।उदाहरणका लागि, जब स्क्रूलाई स्क्रू ड्राइभरले कडा बनाइन्छ, वा सर्जनले हड्डीको प्लेटलाई चिमटीले बलियोसँग समातेर कम्प्रेसिभ बल प्रयोग गर्दा, प्लास्टिकको हड्डीको प्लेटलाई म्याक्रो र माइक्रो/नैनो स्केल दुवैमा क्षति पुग्छ र स्क्र्याच गरिन्छ (चित्र 4A, २)।प्लास्टिक सर्जरीको समयमा निर्मित LOIS ले यी क्षतिहरू सामना गर्न सक्छ कि छैन भनेर परीक्षण गर्न, सूक्ष्म/नानो संरचना प्रभाव (चित्र 4B)।योजनाबद्ध रेखाचित्रले माइक्रो/नैनो संरचनाहरूको उपस्थितिको कारणले LOIS को विभिन्न विकृति व्यवहार देखाउँछ।एक बल-विस्थापन वक्र nanoindentation (चित्रा 4C) को नतिजाहरूमा आधारित थियो।नीलो छविले खाली सब्सट्रेटलाई प्रतिनिधित्व गर्दछ, जसले ०.२६-μm को अधिकतम इन्डेन्टेसन गहिराइले देखेको रूपमा थोरै विकृति मात्र देखाउँछ।अर्कोतर्फ, LOIS (रातो वक्र) मा अवलोकन गरिएको नानोइन्डेन्टेसन बल र विस्थापनमा क्रमिक वृद्धिले कम मेकानिकल गुणहरूको संकेत देखाउन सक्छ, जसको परिणामस्वरूप 1.61μm को नानोइन्डेन्टेसन गहिराइ हुन्छ।यो किनभने LOIS मा रहेको माइक्रो/नैनो संरचनाले न्यानोइन्डेन्टरको टिपको लागि गहिरो प्रगति ठाउँ प्रदान गर्दछ, त्यसैले यसको विकृति नग्न सब्सट्रेट भन्दा ठूलो छ।Konsta-Gdoutos et al।(45) न्यानोस्ट्रक्चरको उपस्थितिको कारणले नैनोइन्डेन्टेसन र माइक्रो/नानो रफनेसले अनियमित न्यानोइन्डेन्टेसन कर्भहरू निम्त्याउँछ भन्ने विश्वास गर्दछ।छायाँ भएको क्षेत्र नानोस्ट्रक्चरलाई श्रेय दिइएको अनियमित विरूपण वक्रसँग मेल खान्छ, जबकि गैर-छायाँ क्षेत्रलाई माइक्रोस्ट्रक्चरलाई श्रेय दिइन्छ।यो विकृतिले होल्डिङ लुब्रिकेन्टको माइक्रोस्ट्रक्चर/नैनोस्ट्रक्चरलाई हानि पुर्‍याउन सक्छ र यसको एन्टी-फाउलिंग कार्यसम्पादनलाई नकारात्मक रूपमा असर गर्छ।LOIS मा क्षतिको प्रभाव अध्ययन गर्न को लागी, माइक्रो/नैनो संरचनाहरु लाई अपरिहार्य क्षति प्लास्टिक सर्जरी को समयमा शरीर मा प्रतिकृति गरिएको थियो।रगत र प्रोटीन आसंजन परीक्षणहरू प्रयोग गरेर, इन भिट्रो पछि LOIS को एन्टि-बायोफाउलिंग गुणहरूको स्थिरता निर्धारण गर्न सकिन्छ (चित्र 4D)।अप्टिकल छविहरूको श्रृंखलाले प्रत्येक सब्सट्रेटको प्वालहरू नजिक भएको क्षति देखाउँछ।एन्टी-बायोफाउलिंग कोटिंग (चित्र 4E) मा मेकानिकल क्षतिको प्रभाव प्रदर्शन गर्न रगत आसंजन परीक्षण गरिएको थियो।SHP जस्तै, एन्टी-फाउलिंग गुणहरू क्षतिको कारण हराइन्छ, र LOIS ले रगतलाई रिपेलिंग गरेर उत्कृष्ट एन्टी-फाउलिंग गुणहरू प्रदर्शन गर्दछ।यो किनभने, सतह ऊर्जा क्षतिग्रस्त क्षेत्र ढाक्ने केशिका कार्य द्वारा संचालित भएको कारण, माइक्रोस्ट्रक्चर गरिएको लुब्रिकेन्ट लुब्रिकेन्टमा प्रवाहले एन्टी-फाउलिंग गुणहरू पुनर्स्थापित गर्दछ (35)।एल्बुमिन प्रयोग गरेर प्रोटीन आसंजन परीक्षणमा पनि यस्तै प्रवृत्ति देखियो।क्षतिग्रस्त क्षेत्रमा, SHP को सतहमा प्रोटिनको आसंजन व्यापक रूपमा अवलोकन गरिन्छ, र यसको क्षेत्र कभरेज मापन गरेर, यसलाई खाली सब्सट्रेटको आसंजन स्तरको आधाको रूपमा परिमाण गर्न सकिन्छ।अर्कोतर्फ, LOIS ले आसंजन (चित्र 4, F र G) बिना नै यसको एन्टी-बायोफाउलिंग गुणहरू कायम राख्यो।थप रूपमा, स्क्रूको सतह प्रायः बलियो मेकानिकल तनावको अधीनमा हुन्छ, जस्तै ड्रिलिंग, त्यसैले हामीले भिट्रोमा स्क्रूमा अक्षुण्ण रहन LOIS कोटिंगको क्षमताको अध्ययन गर्यौं।चित्र 4H ले बेयर, SHP र LOIS सहित विभिन्न स्क्रूहरूको अप्टिकल छविहरू देखाउँछ।रातो आयतले लक्षित क्षेत्रलाई प्रतिनिधित्व गर्दछ जहाँ हड्डी प्रत्यारोपणको क्रममा बलियो मेकानिकल तनाव हुन्छ।प्लेटको प्रोटीन आसंजन परीक्षण जस्तै, एक फ्लोरोसेन्स माइक्रोस्कोप प्रोटीन आसंजन छवि गर्न र LOIS कोटिंगको अखण्डता प्रमाणित गर्न कभरेज क्षेत्र मापन गर्न प्रयोग गरिन्छ, बलियो मेकानिकल तनावमा पनि (चित्र 4, I र J)।LOIS-उपचार गरिएका स्क्रूहरूले उत्कृष्ट एन्टी-फाउलिंग प्रदर्शन प्रदर्शन गर्दछ, र लगभग कुनै प्रोटीन सतहमा पालन गर्दैन।अर्कोतर्फ, नाङ्गो स्क्रू र SHP स्क्रूहरूमा प्रोटीन आसंजन देखियो, जहाँ SHP स्क्रूको क्षेत्रफल बेयर स्क्रूको एक तिहाइ थियो।थप रूपमा, फिक्सेसनको लागि प्रयोग गरिएको आर्थोपेडिक इम्प्लान्ट फ्र्याक्चर साइटमा लागू गरिएको तनावको सामना गर्न मेकानिकली रूपमा बलियो हुनुपर्छ, चित्र 4K मा देखाइएको छ।त्यसकारण, मेकानिकल गुणहरूमा रासायनिक परिमार्जनको प्रभाव निर्धारण गर्न झुकाउने परीक्षण गरिएको थियो।थप रूपमा, यो इम्प्लान्टबाट निश्चित तनाव कायम राख्नको लागि गरिन्छ।इम्प्लान्ट पूर्णतया फोल्ड नभएसम्म र तनाव-तनाव वक्र प्राप्त नभएसम्म ठाडो मेकानिकल बल लागू गर्नुहोस् (चित्र 4L, 1)।यंगको मोड्युलस र लचिलो शक्ति सहित दुई गुणहरू तिनीहरूको मेकानिकल शक्तिको सूचकको रूपमा बेयर र LOIS सब्सट्रेटहरू बीच तुलना गरिएको थियो (चित्र 4L, 2 र 3)।यंगको मोड्युलसले मेकानिकल परिवर्तनहरू सामना गर्न सामग्रीको क्षमतालाई संकेत गर्दछ।प्रत्येक सब्सट्रेटको यंगको मोड्युलस क्रमशः ४१.४८±१.०१ र ४०.०६±०.९६ जीपीए हो;अवलोकन भिन्नता लगभग 3.4% छ।थप रूपमा, यो रिपोर्ट गरिएको छ कि झुकाउने शक्ति, जसले सामग्रीको कठोरता निर्धारण गर्दछ, बेयर सब्सट्रेटको लागि 102.34 ± 1.51 GPa र SHP को लागि 96.99 ± 0.86 GPa हो।बेयर सब्सट्रेट लगभग 5.3% उच्च छ।मेकानिकल गुणहरूमा थोरै कमीको कारण निशान प्रभाव हुन सक्छ।खाच प्रभावमा, माइक्रो/नैनो खुरपनाले खाचहरूको सेटको रूपमा काम गर्न सक्छ, जसले स्थानीय तनाव एकाग्रतामा नेतृत्व गर्दछ र इम्प्लान्टको मेकानिकल गुणहरूलाई असर गर्छ (46)।यद्यपि, मानव कोर्टिकल हड्डीको कठोरता 7.4 र 31.6 GPa बीचमा रहेको रिपोर्ट गरिएको छ, र मापन गरिएको LOIS मोड्युलस मानव कोर्टिकल हड्डी (47) भन्दा बढी छ भन्ने तथ्यमा आधारित, LOIS फ्र्याक्चर र यसको समग्रतालाई समर्थन गर्न पर्याप्त छ। मेकानिकल गुणहरू सतह परिमार्जनबाट न्यूनतम रूपमा प्रभावित हुन्छन्।
(A) योजनाबद्ध रेखाचित्र (1) अपरेशनको क्रममा आर्थोपेडिक इम्प्लान्टमा लागू गरिएको मेकानिकल तनाव, र (2) क्षतिग्रस्त आर्थोपेडिक प्रत्यारोपणको अप्टिकल छवि।(B) नाङ्गो सतहमा न्यानोइन्डेन्टेसन र LOIS द्वारा नानो-मेकानिकल गुणहरू मापनको योजनाबद्ध रेखाचित्र।(C) नाङ्गो सतह र LOIS को नानोइन्डेन्टेसन बल-विस्थापन वक्र।(D) इन भिट्रो प्रयोगहरू पछि, अपरेशनको क्रममा हुने मेकानिकल तनावलाई अनुकरण गर्न विभिन्न प्रकारका आर्थोपेडिक प्लेटहरू (क्षतिग्रस्त क्षेत्रलाई रातो आयतले हाइलाइट गरिएको छ) को अप्टिकल छविहरू सिमुलेट गर्नुहोस्।(E) रगत आसंजन परीक्षण र (F) क्षतिग्रस्त आर्थोपेडिक प्लेट समूहको प्रोटीन आसंजन परीक्षण।(G) प्लेटमा रहेको प्रोटिनको क्षेत्रफल नाप्नुहोस्।(एच) इन भिट्रो प्रयोग पछि विभिन्न प्रकारका आर्थोपेडिक स्क्रूको अप्टिकल छविहरू।(I) विभिन्न कोटिंग्सको अखण्डता अध्ययन गर्न प्रोटीन आसंजन परीक्षण।(J) स्क्रूमा रहेको प्रोटिनको क्षेत्रफल नाप्नुहोस्।(K) खरायोको चाल भाँचिएको हड्डीमा एक निश्चित तनाव उत्पन्न गर्ने उद्देश्य हो।(L) (1) झुक्नु अघि र पछि बेन्ड परीक्षण परिणामहरू र अप्टिकल छविहरू।(२) यंगको मोड्युलस र (३) बेयर इम्प्लान्ट र एसएचपी बीचको झुकाउने शक्तिमा भिन्नता।डेटा औसत ± SD (*P<0.05, **P<0.01, ***P<0.001 र ****P<0.0001) को रूपमा व्यक्त गरिन्छ।तस्विर सौजन्य: Kyomin Chae, Yonsei विश्वविद्यालय।
क्लिनिकल अवस्थाहरूमा, जैविक सामग्री र घाउ साइटहरूसँग ब्याक्टेरियाको सम्पर्क परिपक्व, परिपक्व बायोफिल्महरू (48) बाट आउँछ।तसर्थ, रोग नियन्त्रण र रोकथामका लागि अमेरिकी केन्द्रहरू अनुमान गर्दछ कि सबै मानव संक्रमणहरूको 65% बायोफिल्महरूसँग सम्बन्धित छन् (49)।यस अवस्थामा, यो एक इन vivo प्रयोगात्मक डिजाइन प्रदान गर्न आवश्यक छ जसले इम्प्लान्टको सतहमा लगातार बायोफिल्म गठन प्रदान गर्दछ।त्यसकारण, हामीले खरगोश फेमोरल फ्र्याक्चर मोडेल विकास गर्यौं जसमा अर्थोपेडिक इम्प्लान्टहरू ब्याक्टेरियल सस्पेन्सनमा पूर्व-इन्क्युबेटेड थिए र त्यसपछि भिभोमा LOIS को एन्टी-फाउलिंग गुणहरू अध्ययन गर्न खरायो फेमरहरूमा प्रत्यारोपण गरियो।निम्न तीन महत्त्वपूर्ण तथ्यहरूको कारणले गर्दा, ब्याक्टेरियल संक्रमणहरू ब्याक्टेरियल निलम्बनको प्रत्यक्ष इंजेक्शनको सट्टा पूर्व-संस्कृतिद्वारा प्रेरित हुन्छन्: (i) खरायोको प्रतिरक्षा प्रणाली मानव भन्दा प्राकृतिक रूपमा बलियो हुन्छ;तसर्थ, ब्याक्टेरियल निलम्बन र प्लान्क्टोनिक ब्याक्टेरियाको इंजेक्शन सम्भव छ यसले बायोफिल्मको गठनमा कुनै असर गर्दैन।(Ii) प्लान्क्टोनिक ब्याक्टेरिया एन्टिबायोटिक्सको लागि बढी संवेदनशील हुन्छन्, र एन्टिबायोटिकहरू सामान्यतया शल्यक्रिया पछि प्रयोग गरिन्छ;अन्तमा, (iii) प्लान्क्टोनिक ब्याक्टेरिया निलम्बन जनावरको शरीरको तरल पदार्थ (50) द्वारा पातलो हुन सक्छ।इम्प्लान्टलाई ब्याक्टेरियल सस्पेन्सनमा पूर्व-कल्चर गरेर, हामी हड्डी निको पार्ने प्रक्रियामा ब्याक्टेरिया संक्रमण र विदेशी शरीर प्रतिक्रिया (FBR) को हानिकारक प्रभावहरू राम्ररी अध्ययन गर्न सक्छौं।प्रत्यारोपणको ४ हप्तापछि खरायोको बलि दिइएको थियो, किनभने हड्डी निको पार्ने प्रक्रियाको लागि आवश्यक ओसियोइन्टिग्रेशन ४ हप्ताभित्र पूरा हुनेछ।त्यसपछि, प्रत्यारोपणहरू डाउनस्ट्रीम अध्ययनको लागि खरायोबाट हटाइयो।चित्र 5A ब्याक्टेरिया को प्रसार तंत्र देखाउँछ।संक्रमित आर्थोपेडिक प्रत्यारोपण शरीरमा पेश गरिएको छ।ब्याक्टेरियल सस्पेन्सनमा प्रि-इन्क्युबेशनको परिणाम स्वरूप, नग्न प्रत्यारोपणको साथ प्रत्यारोपण गरिएका छवटा खरायोहरू मध्ये छ जना संक्रमित थिए, जबकि LOIS-उपचार गरिएको प्रत्यारोपणको साथ प्रत्यारोपण गरिएका खरायोहरू मध्ये कुनै पनि संक्रमित थिएनन्।ब्याक्टेरियल संक्रमण तीन चरणहरूमा अगाडि बढ्छ, वृद्धि, परिपक्वता र फैलावट सहित (51)।पहिले, जोडिएको ब्याक्टेरिया सतहमा पुन: उत्पादन र बढ्छ, र त्यसपछि ब्याक्टेरियाले एक्स्ट्रासेल्युलर पोलिमर (ईपीएस), एमाइलाइड र एक्स्ट्रासेल्युलर डीएनए उत्सर्जन गर्दा बायोफिल्म बनाउँछ।बायोफिल्मले एन्टिबायोटिकको प्रवेशमा मात्र हस्तक्षेप गर्दैन, तर एन्टिबायोटिक-डिग्रेडिङ इन्जाइमहरू (जस्तै β-lactamase) (52) को संचयलाई पनि बढावा दिन्छ।अन्तमा, बायोफिल्मले परिपक्व ब्याक्टेरियालाई वरपरका तन्तुहरूमा फैलाउँछ।त्यसैले संक्रमण हुन्छ ।थप रूपमा, जब एक विदेशी शरीर शरीरमा प्रवेश गर्दछ, एक बलियो प्रतिरक्षा प्रतिक्रिया उत्पन्न गर्न सक्ने संक्रमणले गम्भीर सूजन, दुखाइ, र प्रतिरक्षा कम गर्न सक्छ।चित्र 5B ले ब्याक्टेरिया संक्रमणको कारणले हुने प्रतिरक्षा प्रतिक्रियाको सट्टा आर्थोपेडिक इम्प्लान्टको सम्मिलनबाट हुने FBR को एक सिंहावलोकन प्रदान गर्दछ।प्रतिरक्षा प्रणालीले सम्मिलित प्रत्यारोपणलाई विदेशी शरीरको रूपमा मान्यता दिन्छ, र त्यसपछि कोशिकाहरू र तन्तुहरूले विदेशी शरीरलाई समेट्न प्रतिक्रिया दिन्छ (53)।FBR को प्रारम्भिक दिनहरूमा, आर्थोपेडिक प्रत्यारोपणको सतहमा एक आपूर्ति म्याट्रिक्स बनाइएको थियो, जसले फाइब्रिनोजेनको सोखनमा परिणत गर्यो।अवशोषित फाइब्रिनोजेनले त्यसपछि अत्यधिक घने फाइब्रिन नेटवर्क बनाउँछ, जसले ल्युकोसाइट्सको संलग्नतालाई बढावा दिन्छ (54)।एक पटक फाइब्रिन नेटवर्क गठन भएपछि, न्यूट्रोफिलहरूको घुसपैठको कारणले तीव्र सूजन हुनेछ।यस चरणमा, ट्युमर नेक्रोसिस फ्याक्टर-α (TNF-α), इन्टरल्युकिन-4 (IL-4) र IL-β जस्ता विभिन्न साइटोकाइनहरू रिलिज हुन्छन्, र मोनोसाइटहरू इम्प्लान्टेशन साइटमा घुसाउन थाल्छन् र विशाल कोशिकाहरूमा भिन्न हुन्छन्।फेज (४१, ५५, ५६)।FBR लाई घटाउनु सधैं चुनौती भएको छ किनभने अत्यधिक FBR ले तीव्र र पुरानो सूजन निम्त्याउन सक्छ, जसले घातक जटिलताहरू निम्त्याउन सक्छ।बेयर इम्प्लान्ट र LOIS वरपरका ऊतकहरूमा ब्याक्टेरिया संक्रमणको प्रभावको मूल्याङ्कन गर्न, हेमेटोक्सिलिन र इओसिन (H&E) र मेसन ट्राइक्रोम (MT) दाग प्रयोग गरियो।खाली सब्सट्रेटहरूसँग प्रत्यारोपण गरिएका खरायोहरूका लागि, गम्भीर ब्याक्टेरियाको संक्रमण बढ्यो, र H&E टिस्यु स्लाइडहरूले सूजनको कारणले गर्दा फोड़ा र नेक्रोसिस स्पष्ट रूपमा देखायो।अर्कोतर्फ, अत्यन्त बलियो एन्टी-बायोफाउलिंग सतह LOIS ले ब्याक्टेरियाको आसंजनलाई रोक्छ, त्यसैले यसले संक्रमणको कुनै संकेत देखाउँदैन र सूजन कम गर्छ (चित्र 5C)।MT दागको नतिजाले उही प्रवृत्ति देखाएको छ।यद्यपि, MT स्टेनिङले LOIS सँग प्रत्यारोपण गरिएका खरायोहरूमा पनि edema देखायो, जसले रिकभरी हुन लागेको संकेत गर्छ (चित्र 5D)।प्रतिरक्षा प्रतिक्रिया को डिग्री अध्ययन गर्न को लागी, प्रतिरक्षा प्रतिक्रिया संग सम्बन्धित साइटोकिन्स TNF-α र IL-6 को प्रयोग गरेर immunohistochemical (IHC) दाग प्रदर्शन गरिएको थियो।ब्याक्टेरियाको सम्पर्कमा नआएको नग्न नेगेटिभ इम्प्लान्टलाई LOIS सँग तुलना गरिएको थियो जुन ब्याक्टेरियाको सम्पर्कमा आएको थियो तर ब्याक्टेरिया संक्रमणको अनुपस्थितिमा निको हुने प्रक्रिया अध्ययन गर्न संक्रमित थिएन।चित्र 5E ले TNF-α व्यक्त गर्ने IHC स्लाइडको अप्टिकल छवि देखाउँछ।खैरो क्षेत्रले प्रतिरक्षा प्रतिक्रियालाई प्रतिनिधित्व गर्दछ, संकेत गर्दछ कि LOIS मा प्रतिरक्षा प्रतिक्रिया थोरै कम छ।थप रूपमा, LOIS मा IL-6 को अभिव्यक्ति बाँझ नग्न (चित्रा 5F) को नकारात्मक अभिव्यक्ति भन्दा महत्त्वपूर्ण रूपमा कम थियो।साइटोकाइनको अभिव्यक्तिलाई साइटोकाइन (चित्र 5G) सँग सम्बन्धित एन्टिबडी दागको क्षेत्र मापन गरेर परिमाण गरिएको थियो।नकारात्मक प्रत्यारोपणमा पर्दा खरायोको तुलनामा, LOIS सँग प्रत्यारोपण गरिएका खरायोहरूको अभिव्यक्ति स्तर कम थियो, अर्थपूर्ण भिन्नता देखाउँदै।साइटोकाइन अभिव्यक्तिमा कमीले संकेत गर्दछ कि LOIS को दीर्घकालीन, स्थिर एन्टी-फाउलिंग गुणहरू ब्याक्टेरिया संक्रमणको अवरोधसँग मात्र सम्बन्धित छैनन्, तर FBR को कमीसँग पनि सम्बन्धित छ, जुन सब्सट्रेटमा रहेको म्याक्रोफेजहरूद्वारा प्रेरित हुन्छ (53, ५७, ५८)।तसर्थ, LOIS को प्रतिरक्षा चोरी गुणहरूको कारणले कम प्रतिरक्षा प्रतिक्रियाले इम्प्लान्टेशन पछि साइड इफेक्टहरू समाधान गर्न सक्छ, जस्तै प्लास्टिक सर्जरी पछि अत्यधिक प्रतिरक्षा प्रतिक्रिया।
(A) संक्रमित आर्थोपेडिक इम्प्लान्टको सतहमा बायोफिल्म गठन र फैलाउने संयन्त्रको योजनाबद्ध रेखाचित्र।eDNA, एक्स्ट्रासेल्युलर DNA।(B) आर्थोपेडिक प्रत्यारोपण सम्मिलन पछि प्रतिरक्षा प्रतिक्रिया को योजनाबद्ध रेखाचित्र।(C) H&E स्टेनिङ र (D) बेयर पोजिटिभ र LOIS भएका आर्थोपेडिक इम्प्लान्टको वरपरका तन्तुहरूमा MT स्टेनिङ।प्रतिरक्षा-सम्बन्धित साइटोकाइन्स (E) TNF-α र (F) IL-6 को IHC नग्न-नेगेटिभ र LOIS-इम्प्लान्टेड खरायोको दाग छविहरू हुन्।(G) क्षेत्र कभरेज मापन (** P <0.01) द्वारा साइटोकाइन अभिव्यक्तिको मात्रा।
LOIS को बायोकम्प्याटिबिलिटी र हड्डी निको पार्ने प्रक्रियामा यसको प्रभाव डायग्नोस्टिक इमेजिङ [एक्स-रे र माइक्रो-कम्प्युटेड टोमोग्राफी (CT)] र ओस्टियोक्लास्ट IHC प्रयोग गरेर vivo मा जाँच गरियो।चित्र 6A ले हड्डी निको पार्ने प्रक्रियालाई तीन फरक चरणहरू समावेश गर्दछ: सूजन, मर्मत, र पुन: निर्माण।जब फ्र्याक्चर हुन्छ, भडकाउने कोशिकाहरू र फाइब्रोब्लास्टहरू भाँचिएको हड्डीमा प्रवेश गर्नेछन् र भास्कुलर तन्तुमा बढ्न थाल्छन्।मर्मत चरणको समयमा, भास्कुलर तन्तुको वृद्धि फ्र्याक्चर साइटको नजिक फैलिन्छ।भास्कुलर टिस्युले नयाँ हड्डीको निर्माणको लागि पोषक तत्व प्रदान गर्दछ, जसलाई कलस भनिन्छ।हड्डी निको पार्ने प्रक्रियाको अन्तिम चरण रिमोडेलिंग चरण हो, जसमा सक्रिय ओस्टियोक्लास्ट (५९) को स्तरमा वृद्धिको मद्दतले कलसको आकारलाई सामान्य हड्डीको आकारमा घटाइन्छ।फ्र्याक्चर साइटको त्रि-आयामी (3D) पुनर्निर्माण प्रत्येक समूहमा कलस गठनको स्तरमा भिन्नताहरू अवलोकन गर्न माइक्रो-CT स्क्यानहरू प्रयोग गरेर प्रदर्शन गरिएको थियो।भाँचिएको हड्डी (चित्र 6, B र C) वरिपरि रहेको कलसको मोटाई अवलोकन गर्न फेमरको क्रस-सेक्शन अवलोकन गर्नुहोस्।प्रत्येक समूह (चित्र S9) मा विभिन्न हड्डी पुनर्जनन प्रक्रियाहरू अवलोकन गर्न प्रत्येक हप्ता सबै समूहहरूको फ्र्याक्चर साइटहरू जाँच गर्न एक्स-रेहरू पनि प्रयोग गरियो।कलस र परिपक्व हड्डीहरू क्रमशः नीलो/हरियो र हात्तीको दाँतमा देखाइन्छ।धेरै जसो नरम ऊतकहरू प्रिसेट थ्रेसहोल्डको साथ फिल्टर गरिन्छ।न्यूड पोजिटिभ र SHP ले फ्र्याक्चर साइट वरिपरि सानो मात्रामा कलसको गठनको पुष्टि गर्‍यो।अर्कोतर्फ, LOIS को खुला नकारात्मक र फ्र्याक्चर साइट बाक्लो कलस द्वारा घेरिएको छ।माइक्रो-सीटी छविहरूले देखाए कि ब्याक्टेरियाको संक्रमण र संक्रमण-सम्बन्धित सूजनले कलसको गठनलाई बाधा पुर्‍यायो।यो किनभने प्रतिरक्षा प्रणालीले हड्डी रिकभरी (60) को सट्टा संक्रमण-सम्बन्धित सूजनको कारणले सेप्टिक चोटहरूको उपचारलाई प्राथमिकता दिन्छ।IHC र टार्ट्रेट-प्रतिरोधी एसिड फास्फेटेस (TRAP) दाग ओस्टियोक्लास्ट गतिविधि र हड्डी रिसोर्पसन (चित्र 6D) (61) को निरीक्षण गर्न प्रदर्शन गरिएको थियो।केवल केहि सक्रिय ओस्टियोक्लास्ट दाग बैजनी नग्न सकारात्मक र SHP मा फेला पर्यो।अर्कोतर्फ, धेरै सक्रिय ओस्टियोक्लास्टहरू LOIS को नग्न सकारात्मक र परिपक्व हड्डीहरू नजिकै अवलोकन गरियो।यो घटनाले संकेत गर्दछ कि ओस्टियोक्लास्टको उपस्थितिमा, फ्र्याक्चर साइट वरपरको कलस हिंसात्मक पुन: निर्माण प्रक्रिया (62) गुजरिरहेको छ।कलसको हड्डीको मात्रा र ओस्टियोक्लास्ट अभिव्यक्ति क्षेत्र सबै समूहहरूमा फ्र्याक्चर साइट वरिपरि कलस गठनको स्तर तुलना गर्न मापन गरिएको थियो, ताकि माइक्रो-सीटी स्क्यान र IHC परिणामहरू (चित्र 6E, 1 र 2) मापन गर्न सकिन्छ।अपेक्षित रूपमा, LOIS मा नग्न नकारात्मक र कलस गठन अन्य समूहहरूको तुलनामा उल्लेखनीय रूपमा उच्च थियो, संकेत गर्दछ कि सकारात्मक हड्डी पुन: निर्माण भयो (63)।चित्र S10 ले सर्जिकल साइटको अप्टिकल छवि देखाउँछ, स्क्रूको छेउमा सङ्कलन गरिएको टिश्युको MT स्टेनिङ परिणाम, र स्क्रू-बोन इन्टरफेसलाई हाइलाइट गर्ने TRAP स्टेनिङ परिणाम।खाली सब्सट्रेटमा, बलियो कलस र फाइब्रोसिस गठन अवलोकन गरिएको थियो, जबकि LOIS-उपचार गरिएको इम्प्लान्टले अपेक्षाकृत अपरिहार्य सतह देखायो।त्यसैगरी, नग्न नेगेटिभको तुलनामा, सेतो तीरहरूले संकेत गरेअनुसार LOIS सँग प्रत्यारोपण गरिएका खरायोहरूमा तल्लो फाइब्रोसिस देखियो।थप रूपमा, फर्म edema (नीलो तीर) लाई LOIS को प्रतिरक्षा चोरी गुणहरूलाई श्रेय दिन सकिन्छ, जसले गर्दा गम्भीर सूजन कम हुन्छ।इम्प्लान्ट वरिपरि नन-स्टिक सतह र कम फाइब्रोसिसले सुझाव दिन्छ कि हटाउने प्रक्रिया सजिलो छ, जसको परिणाम सामान्यतया अन्य भाँचिएको वा सूजन हुन्छ।स्क्रू हटाउने पछि हड्डी निको पार्ने प्रक्रिया पेंच-हड्डी इन्टरफेसमा ओस्टियोक्लास्ट गतिविधि द्वारा मूल्याङ्कन गरिएको थियो।दुबै खाली हड्डी र LOIS इम्प्लान्ट इन्टरफेसले हड्डी निको पार्नको लागि समान स्तरको ओस्टियोक्लास्टहरू अवशोषित गर्यो, यसले संकेत गर्दछ कि LOIS कोटिंगले हड्डी निको पार्ने वा प्रतिरक्षा प्रतिक्रियामा कुनै नकारात्मक प्रभाव पार्दैन।LOIS मा गरिएको सतह परिमार्जनले हड्डी निको पार्ने प्रक्रियामा हस्तक्षेप गर्दैन भनेर पुष्टि गर्न, एक्स-रे परीक्षणलाई खरायोको हड्डी निको पार्ने नकारात्मक आयनहरू र LOIS प्रत्यारोपणको 6 हप्ताको तुलना गर्न प्रयोग गरियो (चित्र 6F)।नतिजाहरूले देखाए कि असंक्रमित नग्न सकारात्मक समूहको तुलनामा, LOIS ले हड्डी निको पार्ने समान डिग्री देखायो, र दुबै समूहहरूमा फ्र्याक्चर (निरन्तर ओस्टियोलाइसिस लाइन) को कुनै स्पष्ट संकेतहरू थिएनन्।
(ए) फ्र्याक्चर पछि हड्डी निको पार्ने प्रक्रियाको योजनाबद्ध रेखाचित्र।(B) प्रत्येक सतह समूह र (C) फ्र्याक्चर साइट को क्रस-सेक्शनल छवि को कलस गठन को डिग्री मा भिन्नता।(D) ओस्टियोक्लास्ट गतिविधि र हड्डी रिसोर्पसन कल्पना गर्न ट्र्याप स्टेनिंग।ट्र्याप गतिविधिको आधारमा, कोर्टिकल हड्डीको बाह्य कलसको गठन मात्रात्मक रूपमा (E) (1) माइक्रो-CT र (2) ओस्टियोक्लास्ट गतिविधि द्वारा विश्लेषण गरिएको थियो।(F) प्रत्यारोपण 6 हप्ता पछि, खुला नकारात्मक (रातो ड्यास गरिएको आयत द्वारा हाइलाइट गरिएको) र LOIS (नीलो ड्यास गरिएको आयत द्वारा हाइलाइट गरिएको) को भाँचिएको हड्डीको एक्स-रे छविहरू।तथ्याङ्कीय विश्लेषण भिन्नता (ANOVA) को एकतर्फी विश्लेषण द्वारा प्रदर्शन गरिएको थियो।* P <0.05।** P <०.०१।
छोटकरीमा, LOIS ले आर्थोपेडिक प्रत्यारोपणका लागि नयाँ प्रकारको जीवाणुरोधी संक्रमण रणनीति र प्रतिरक्षा एस्केप कोटिंग प्रदान गर्दछ।SHP कार्यात्मकता संग परम्परागत आर्थोपेडिक प्रत्यारोपण अल्पकालिक एंटी-बायोफोउलिंग गुणहरू प्रदर्शन गर्दछ, तर तिनीहरूको गुण लामो समयसम्म कायम राख्न सक्दैन।सब्सट्रेटको सुपरहाइड्रोफोबिसिटीले ब्याक्टेरिया र सब्सट्रेटको बिचमा हावाका बुलबुलेलाई थुन्छ, जसले गर्दा हावाको पकेट बनाउँछ, जसले गर्दा ब्याक्टेरियाको संक्रमण हुनबाट बचाउँछ।यद्यपि, हावाको फैलावटको कारण, यी हावा पकेटहरू सजिलै हटाउन सकिन्छ।अर्कोतर्फ, LOIS ले बायोफिल्म-सम्बन्धित संक्रमणहरू रोक्न आफ्नो क्षमता राम्रोसँग प्रमाणित गरेको छ।तसर्थ, लेयर्ड माइक्रो/नानो संरचना सतहमा इन्जेक्ट गरिएको लुब्रिकेन्ट तहको एन्टी-रिजेक्ट गुणहरूको कारणले गर्दा, संक्रमण-सम्बन्धित सूजनलाई रोक्न सकिन्छ।SEM, AFM, XPS र CA मापन सहित विभिन्न विशेषता विधिहरू LOIS निर्माण अवस्थाहरू अनुकूलन गर्न प्रयोग गरिन्छ।थप रूपमा, LOIS लाई विभिन्न जैविक सामग्रीहरूमा पनि लागू गर्न सकिन्छ जुन सामान्यतया अर्थोपेडिक फिक्सेशन उपकरणहरूमा प्रयोग गरिन्छ, जस्तै PLGA, Ti, PE, POM र PPSU।त्यसपछि, LOIS लाई ब्याक्टेरिया र प्रतिरक्षा प्रतिक्रियासँग सम्बन्धित जैविक पदार्थहरू विरुद्ध यसको एन्टी-बायोफाउलिंग गुणहरू प्रमाणित गर्न भिट्रोमा परीक्षण गरियो।नतिजाहरूले देखाउँदछ कि यसमा बेयर इम्प्लान्टको तुलनामा उत्कृष्ट एन्टिब्याक्टेरियल र एन्टि-बायोफाउलिंग प्रभावहरू छन्।थप रूपमा, LOIS ले मेकानिकल तनाव लागू गरेपछि पनि यांत्रिक शक्ति देखाउँदछ, जुन प्लास्टिक सर्जरीमा अपरिहार्य छ।माइक्रो/नैनो संरचनाको सतहमा लुब्रिकेन्टको आत्म-निको पार्ने गुणहरूको कारण, LOIS ले सफलतापूर्वक यसको एन्टी-बायोलजिकल फोउलिंग गुणहरू कायम राख्यो।vivo मा LOIS को बायोकम्प्याटिबिलिटी र जीवाणुरोधी गुणहरू अध्ययन गर्न, LOIS लाई 4 हप्ताको लागि खरायो फेमरमा प्रत्यारोपण गरिएको थियो।LOIS संग प्रत्यारोपण गरिएका खरायोहरूमा कुनै ब्याक्टेरियाको संक्रमण देखिएन।थप रूपमा, IHC को प्रयोगले स्थानीय प्रतिरक्षा प्रतिक्रियाको कम स्तर प्रदर्शन गर्‍यो, जसले LOIS ले हड्डी निको पार्ने प्रक्रियालाई रोक्दैन भनेर संकेत गर्दछ।LOIS ले उत्कृष्ट जीवाणुरोधी र प्रतिरक्षा चोरी गुणहरू प्रदर्शन गर्दछ, र विशेष गरी हड्डी संश्लेषणको लागि, आर्थोपेडिक शल्यक्रिया अघि र समयमा बायोफिल्म गठनलाई प्रभावकारी रूपमा रोक्न प्रमाणित गरिएको छ।खरगोश बोन म्यारो इन्फ्लेमेटरी फेमोरल फ्र्याक्चर मोडेल प्रयोग गरेर, पूर्व-इन्क्युबेटेड इम्प्लान्टहरूद्वारा प्रेरित हड्डी निको पार्ने प्रक्रियामा बायोफिल्म-सम्बन्धित संक्रमणहरूको प्रभावलाई गहिरो अध्ययन गरियो।भविष्यको अध्ययनको रूपमा, सम्पूर्ण उपचार प्रक्रियामा बायोफिल्म-सम्बन्धित संक्रमणहरूलाई पूर्ण रूपमा बुझ्न र रोक्नको लागि इम्प्लान्टेशन पछि सम्भावित संक्रमणहरू अध्ययन गर्न नयाँ इन भिभो मोडेल आवश्यक छ।थप रूपमा, osteoinduction अझै पनि LOIS संग एकीकरण मा एक अनसुलझे चुनौती हो।चुनौती पार गर्न LOIS सँग osteoinductive कोशिकाहरू वा पुनर्जन्म औषधिको चयनात्मक आसंजन संयोजन गर्न थप अनुसन्धान आवश्यक छ।समग्रमा, LOIS ले मेकानिकल बलियोपन र उत्कृष्ट एन्टि-बायोफाउलिंग गुणहरूको साथ एक आशाजनक आर्थोपेडिक इम्प्लान्ट कोटिंग प्रतिनिधित्व गर्दछ, जसले SSI र प्रतिरक्षा साइड इफेक्टहरू कम गर्न सक्छ।
15mm x 15mm x 1mm 304 SS सब्सट्रेट (Dong Kang M-Tech Co., Korea) लाई एसीटोन, EtOH र DI पानीमा १५ मिनेटसम्म धुनुहोस्।सतहमा माइक्रो/नैनो-स्तरको संरचना बनाउनको लागि, सफा गरिएको सब्सट्रेटलाई ५० डिग्री सेल्सियसमा ४८% देखि ५१% HF समाधान (DUKSAN Corp., दक्षिण कोरिया) मा डुबाइन्छ।नक्काशी समय 0 देखि 60 मिनेट सम्म भिन्न हुन्छ।त्यसपछि, नक्काशी गरिएको सब्सट्रेटलाई डियोनाइज्ड पानीले सफा गरियो र सतहमा क्रोमियम अक्साइड प्यासिभेसन तह बनाउन ३० मिनेटको लागि ६५% HNO3 (Korea DUKSAN Corp.) घोलमा ५० डिग्री सेल्सियसमा राखियो।निष्क्रियता पछि, सब्सट्रेटलाई डियोनाइज्ड पानीले धोइन्छ र स्तरित संरचनाको साथ सब्सट्रेट प्राप्त गर्न सुकाइन्छ।त्यसपछि, सब्सट्रेट अक्सिजन प्लाज्मा (100 W, 3 मिनेट) को सम्पर्कमा आयो र तुरुन्तै कोठाको तापमानमा 8.88 एमएम POTS (सिग्मा-एल्ड्रिच, जर्मनी) को टोल्युइनमा 12 घण्टाको लागि डुबाइयो।त्यसपछि, POTS लेपित सब्सट्रेटलाई EtOH द्वारा सफा गरियो, र घना POTS SAM प्राप्त गर्न 2 घण्टाको लागि 150° C मा एनेल गरियो।SAM कोटिंग पछि, 20 μm/cm 2 को लोडिङ भोल्युमको साथ perfluoropolyether लुब्रिकेन्ट (Krytox 101; DuPont, USA) लागू गरेर सब्सट्रेटमा लुब्रिकेन्ट तह बनाइएको थियो। प्रयोग गर्नु अघि, 0.2 माइक्रोन फिल्टर मार्फत लुब्रिकेन्ट फिल्टर गर्नुहोस्।15 मिनेटको लागि 45° कोणमा झुकाएर अतिरिक्त स्नेहक हटाउनुहोस्।३०४ एसएस (लकिङ प्लेट र कोर्टिकल लकिङ स्क्रू; डोङ काङ एम-टेक कं, कोरिया) बाट बनेको आर्थोपेडिक प्रत्यारोपणका लागि पनि यही उत्पादन प्रक्रिया प्रयोग गरिएको थियो।सबै आर्थोपेडिक प्रत्यारोपणहरू खरायो फेमरको ज्यामितिमा फिट गर्न डिजाइन गरिएको हो।
सब्सट्रेट र आर्थोपेडिक प्रत्यारोपणको सतह आकार विज्ञान क्षेत्र उत्सर्जन SEM (निरीक्षण F50, FEI, USA) र AFM (XE-100, पार्क प्रणाली, दक्षिण कोरिया) द्वारा निरीक्षण गरिएको थियो।सतहको नरमपन (Ra, Rq) २० μm को क्षेत्रफललाई २० μm (n=4) ले गुणन गरेर मापन गरिन्छ।एक XPS (PHI 5000 VersaProbe, ULVAC PHI, Japan) 100μm2 को स्पट साइजको साथ Al Kα एक्स-रे स्रोतले सुसज्जित प्रणाली सतह रासायनिक संरचना विश्लेषण गर्न प्रयोग गरिएको थियो।तरल CA र SA मापन गर्न डायनामिक छवि क्याप्चर क्यामेरा (SmartDrop, FEMTOBIOMED, ​​दक्षिण कोरिया) संग सुसज्जित CA मापन प्रणाली प्रयोग गरिएको थियो।प्रत्येक मापनको लागि, CA मापन गर्न 6 देखि 10 μl थोपाहरू (विआयनीकृत पानी, घोडाको रगत, EG, 30% इथेनॉल, र HD) सतहमा राखिन्छ।जब सब्सट्रेटको झुकाव कोण 2°/s (n = 4) को गतिमा बढ्छ, थोपा खस्दा SA मापन गरिन्छ।
स्यूडोमोनास एरुगिनोसा [अमेरिकन प्रकार संस्कृति संग्रह (ATCC) 27853] र MRSA (ATCC 25923) ATCC (Manassas, Virginia, USA) बाट खरिद गरिएको थियो र स्टक संस्कृति -80°C मा राखिएको थियो।प्रयोग गर्नु अघि, जमे भएका कल्चरलाई ट्रिप्सिन-थाउड सोयाबीन ब्रोथ (कोमेड, कोरिया) मा 18 घण्टाको लागि 37 डिग्री सेल्सियसमा इन्क्युबेटेड गरियो र त्यसपछि यसलाई सक्रिय गर्न दुई पटक स्थानान्तरण गरियो।इन्क्युबेशन पछि, कल्चरलाई 10,000 rpm मा 10 मिनेटको लागि 4°C मा सेन्ट्रीफ्यूज गरियो र PBS (pH 7.3) घोलले दुई पटक धोइयो।सेन्ट्रीफ्युज कल्चरलाई रगत अगर प्लेटहरू (BAP) मा उपसंस्कृति गरिन्छ।MRSA र Pseudomonas aeruginosa रातारात तयार गरी लुरिया-बर्टानी शोरबामा संस्कारित गरियो।इनोकुलममा स्यूडोमोनास एरुगिनोसा र MRSA को एकाग्रता आगरमा क्रमिक कमजोरीहरूमा निलम्बनको CFU द्वारा मात्रात्मक रूपमा निर्धारण गरिएको थियो।त्यसपछि, ब्याक्टेरियाको एकाग्रतालाई 0.5 McFarland मानकमा समायोजन गर्नुहोस्, जुन 108 CFU/ml बराबर छ।त्यसपछि काम गर्ने ब्याक्टेरियल निलम्बनलाई १०० पटक 106 CFU/ml मा पातलो गर्नुहोस्।जीवाणुरोधी आसंजन गुणहरू परीक्षण गर्न, सब्सट्रेट प्रयोग गर्नु अघि 15 मिनेटको लागि 121 डिग्री सेल्सियसमा बाँझ गरिएको थियो।त्यसपछि सब्सट्रेटलाई ब्याक्टेरियल सस्पेन्सनको 25 मिलीलीटरमा स्थानान्तरण गरियो र 12 र 72 घण्टाको लागि कडा हल्लाएर (200 rpm) 37 डिग्री सेल्सियसमा इन्क्युबेटेड गरियो।इन्क्युबेशन पछि, प्रत्येक सब्सट्रेट इनक्यूबेटरबाट हटाइयो र सतहमा कुनै पनि तैरिरहेको ब्याक्टेरिया हटाउन PBS सँग 3 पटक धोइयो।सब्सट्रेटमा बायोफिल्म अवलोकन गर्नको लागि, बायोफिल्मलाई मिथानोलले फिक्स गरियो र 1 मिलीलीटर क्रिमिडाइन सुन्तलाले २ मिनेटको लागि दाग गरियो।त्यसपछि एक फ्लोरोसेन्स माइक्रोस्कोप (BX51TR, ओलम्पस, जापान) को दाग बायोफिल्म को तस्वीर लिन को लागी प्रयोग गरियो।सब्सट्रेटमा बायोफिल्मको मात्रा निर्धारण गर्नको लागि, संलग्न कोशिकाहरूलाई बिड भर्टेक्स विधिद्वारा सब्सट्रेटबाट अलग गरिएको थियो, जुन संलग्न ब्याक्टेरिया (n = 4) हटाउनको लागि सबैभन्दा उपयुक्त विधि मानिन्थ्यो।बाँझ फोर्सेप्स प्रयोग गरेर, विकास माध्यमबाट सब्सट्रेट हटाउनुहोस् र थप तरल पदार्थ हटाउन राम्रो प्लेटमा ट्याप गर्नुहोस्।ढिलो रूपमा संलग्न कोशिकाहरू बाँझ PBS संग दुई पटक धोएर हटाइयो।त्यसपछि प्रत्येक सब्सट्रेटलाई ०.१% प्रोटिन इप्ट सलाइन (PSW) को 9 ml र 20 देखि 25 बाँझ गिलास मोती (0.4 देखि 0.5 मिमी व्यास) भएको बाँझ परीक्षण ट्यूबमा स्थानान्तरण गरियो।त्यसपछि नमूनाबाट कक्षहरू अलग गर्न 3 मिनेटको लागि भर्टेक्स गरिएको थियो।भोर्टेक्सिङ पछि, निलम्बन क्रमशः 0.1% PSW संग 10-गुणा पतला गरियो, र त्यसपछि BAP मा प्रत्येक कमजोरीको 0.1 मिलीलीटर इनोक्युलेसन गरियो।37 डिग्री सेल्सियसमा इन्क्युबेशनको 24 घण्टा पछि, CFU म्यानुअल रूपमा गणना गरियो।
कक्षहरूको लागि, माउस फाइब्रोब्लास्ट NIH/3T3 (CRL-1658; अमेरिकन ATCC) र माउस म्याक्रोफेज RAW 264.7 (TIB-71; अमेरिकन ATCC) प्रयोग गरियो।Dulbecco को परिमार्जित ईगल माध्यम प्रयोग गर्नुहोस् (DMEM; LM001-05, Welgene, Korea) माउस फाइब्रोब्लास्टहरू संस्कृति गर्न र 10% बाछो सीरम (S103-01, Welgene) र 1% पेनिसिलिन-स्ट्रेप्टोमाइसिन (PS; LS20202-2020) को साथ पूरक। 10% भ्रूण बोवाइन सीरम (S001-01, Welgene) र 1% PS को साथमा माउस म्याक्रोफेजहरू कल्चर गर्न DMEM प्रयोग गर्नुहोस्, र 105 कोशिकाहरू/cm2 मा सब्सट्रेट राख्नुहोस्। कोशिकाहरूलाई 37°C र 5% CO2 मा 20 मिनेटको लागि फिक्स गरियो र 0.5% ट्राइटन एक्स इन्क्युबेटमा 50nM tetraminethyl मा डुबाउनुहोस् 37°C मा 30 मिनेटको लागि, 4′,6-diamino-2-phenylindole (H-1200, Vector Laboratories, UK) VECTASHIELD फिक्सेशन माध्यम (n = 4 प्रति सेल) को साथ प्रयोग गर्नुहोस् , fluorescein, fluorescein isothiocyanate-albumin (A9771, Sigma-Aldrich, Germany) र मानव प्लाज्मा The Alexa Fluor 488-conjugated fibrinogen (F13191, Invitrogen, USA) PBS (10 mM, pH4) मा भंग भएको थियो।एल्बमिन र फाइब्रिनोजेनको सांद्रता क्रमशः 1 र 150 μg/ml थियो।सब्सट्रेट पछि प्रोटिन घोलमा डुबाउनु अघि, सतहलाई रिहाइड्रेट गर्न PBS सँग कुल्ला गर्नुहोस्।त्यसपछि सबै सब्सट्रेटहरूलाई प्रोटिन घोल भएको छ-कुवाको प्लेटमा डुबाउनुहोस् र 37 डिग्री सेल्सियसमा 30 र 90 मिनेटको लागि इन्क्युबेट गर्नुहोस्।इन्क्युबेशन पछि, सब्सट्रेटलाई प्रोटीन घोलबाट हटाइयो, PBS 3 पटक बिस्तारै धोइयो, र 4% paraformaldehyde (प्रत्येक प्रोटिनको लागि n = 4) मा फिक्स गरियो।क्याल्सियमको लागि, सोडियम क्लोराइड (०.२१ एम) र पोटासियम फस्फेट (३.७७ एमएम)) विआयनीकृत पानीमा घुलाइएको थियो।समाधानको pH हाइड्रोक्लोराइड समाधान (1M) थपेर 2.0 मा समायोजित गरियो।त्यसपछि क्याल्सियम क्लोराइड (5.62 एमएम) घोलमा भंग गरियो।1M tris(hydroxymethyl)-एमिनो मिथेनले घोलको pH लाई 7.4 मा समायोजन गर्छ।सबै सब्सट्रेटहरू 1.5× क्याल्सियम फस्फेट घोलले भरिएको छ-कुवा प्लेटमा डुबाउनुहोस् र 30 मिनेट पछि घोलबाट हटाउनुहोस्।दाग लाग्नका लागि, 2 g Alizarin Red S (CI 58005) 100 ml deionized पानीमा मिसाउनुहोस्।त्यसपछि, pH लाई 4 मा समायोजन गर्न 10% अमोनियम हाइड्रोक्साइड प्रयोग गर्नुहोस्। एलिजारिन रेड घोलले 5 मिनेटको लागि सब्सट्रेटलाई रङ्ग गर्नुहोस्, र त्यसपछि थप डाई र दाग हटाउनुहोस्।हिलाउने प्रक्रिया पछि, सब्सट्रेट हटाउनुहोस्।सामग्री निर्जलित हुन्छ, त्यसपछि एसीटोनमा 5 मिनेटको लागि डुबाइन्छ, त्यसपछि एसीटोन-जाइलिन (1:1) घोलमा 5 मिनेटको लागि डुबाइन्छ, र अन्तमा xylene (n = 4) ले धोइन्छ।प्रतिदीप्ति माइक्रोस्कोप (एक्सियो इमेजर) ×10 र ×20 वस्तुनिष्ठ लेन्सहरू प्रयोग गरिन्छ।।A2m, Zeiss, जर्मनी) सबै सब्सट्रेट छविहरू।ImageJ/FIJI (https://imagej.nih.gov/ij/) चार फरक इमेजिङ क्षेत्रहरूको प्रत्येक समूहमा जैविक पदार्थहरूको आसंजन डेटा परिमाण गर्न प्रयोग गरिएको थियो।सब्सट्रेट तुलनाको लागि निश्चित थ्रेसहोल्डको साथ सबै छविहरूलाई बाइनरी छविहरूमा रूपान्तरण गर्नुहोस्।
एक Zeiss LSM 700 कन्फोकल माइक्रोस्कोप प्रतिबिम्ब मोडमा PBS मा स्नेहक तहको स्थिरता निगरानी गर्न प्रयोग गरिएको थियो।इन्जेक्टेड स्नेहन तहको साथ फ्लोरिन-आधारित SAM-लेपित गिलास नमूनालाई PBS समाधानमा डुबाइएको थियो, र हल्का हल्लाउने अवस्था (120 rpm) अन्तर्गत अर्बिटल शेकर (SHO-1D; Daihan वैज्ञानिक, दक्षिण कोरिया) प्रयोग गरेर परीक्षण गरियो।त्यसपछि नमूना लिनुहोस् र प्रतिबिम्बित प्रकाशको नोक्सान मापन गरेर लुब्रिकेन्टको हानि निगरानी गर्नुहोस्।प्रतिबिम्ब मोडमा फ्लोरोसेन्स छविहरू प्राप्त गर्न, नमूनालाई 633 एनएम लेजरमा उजागर गरिन्छ र त्यसपछि सङ्कलन गरिन्छ, किनभने प्रकाश नमूनाबाट फिर्ता प्रतिबिम्बित हुनेछ।नमूनाहरू 0, 30, 60, र 120 घण्टाको समय अन्तरालमा मापन गरिएको थियो।
आर्थोपेडिक प्रत्यारोपणको नानोमेकानिकल गुणहरूमा सतह परिमार्जन प्रक्रियाको प्रभाव निर्धारण गर्न, नानोइन्डेनडियोन मापन गर्न तीन-पक्षीय पिरामिड आकारको बर्कोविच हीरा टिपले सुसज्जित नानोइन्डेन्टर (TI 950 TriboIndenter, Hysitron, USA) प्रयोग गरिएको थियो।शिखर भार 10 mN छ र क्षेत्र 100μmx 100μm छ।सबै मापनहरूको लागि, लोडिङ र अनलोडिङ समय 10 सेकेन्ड हो, र शिखर इन्डेन्टेशन लोड अन्तर्गत होल्डिङ समय 2 सेकेन्ड हो।पाँच फरक स्थानबाट मापन लिनुहोस् र औसत लिनुहोस्।लोड अन्तर्गत मेकानिकल बल प्रदर्शन मूल्याङ्कन गर्नको लागि, एक सार्वभौमिक परीक्षण मेसिन (इन्स्ट्रोन 5966, इन्स्ट्रोन, संयुक्त राज्य अमेरिका) प्रयोग गरेर ट्रान्सभर्स तीन-बिन्दु झुकाउने परीक्षण गरिएको थियो।सब्सट्रेट बढेको लोडको साथ 10 N/s को स्थिर दरमा कम्प्रेस गरिएको छ।ब्लूहिल युनिभर्सल सफ्टवेयर प्रोग्राम (n = 3) फ्लेक्सरल मोडुलस र अधिकतम कम्प्रेसिभ तनाव गणना गर्न प्रयोग गरिएको थियो।
अपरेशन प्रक्रिया र अपरेशनको क्रममा हुने सम्बन्धित मेकानिकल क्षतिको अनुकरण गर्न, अपरेशन प्रक्रिया भिट्रोमा गरिएको थियो।मृत्युदण्ड दिइएको न्यूजील्याण्ड सेतो खरायोबाट फेमरहरू संकलन गरिएको थियो।फेमर सफा गरी 1 हप्ताको लागि 4% paraformaldehyde मा फिक्स गरियो।पशु प्रयोग विधिमा वर्णन गरिए अनुसार, निश्चित फेमर शल्यक्रिया गरिएको थियो।अपरेशन पछि, आर्थोपेडिक इम्प्लान्टलाई रगत (घोडाको रगत, किसान, कोरिया) मा 10 सेकेन्डको लागि डुबाइएको थियो कि मेकानिकल चोट लागेपछि रगत टाँसिएको छ कि छैन भनेर पुष्टि गर्न (n = 3)।
कुल 24 नर न्यूजील्याण्ड सेतो खरायो (तौल 3.0 देखि 3.5 किलोग्राम, औसत उमेर 6 महिना) अनियमित रूपमा चार समूहमा विभाजित गरिएको थियो: नग्न नकारात्मक, नग्न सकारात्मक, SHP र LOIS।जनावरहरू समावेश गर्ने सबै प्रक्रियाहरू संस्थागत पशु हेरचाह र प्रयोग समिति (IACUC स्वीकृत, KOREA-2017-0159) को नैतिक मापदण्डहरू अनुसार गरिएको थियो।आर्थोपेडिक इम्प्लान्टमा फ्र्याक्चर फिक्सेसनको लागि पाँचवटा प्वालहरू (लम्बाइ 41 मिमी, चौडाइ 7 मिमी र मोटाई 2 मिमी) र कोर्टिकल लकिङ स्क्रू (लम्बाइ 12 मिमी, व्यास 2.7 मिमी) भएको लकिङ प्लेट हुन्छ।बेयर-नेगेटिभ समूहमा प्रयोग गरिएका ती प्लेटहरू र स्क्रूहरू बाहेक, सबै प्लेटहरू र स्क्रूहरू MRSA निलम्बन (106 CFU/ml) मा १२ घण्टासम्म इन्क्युबेटेड थिए।नग्न-नकारात्मक समूह (n = 6) लाई ब्याक्टेरिया निलम्बनको जोखिम बिना नग्न सतह प्रत्यारोपण संग उपचार गरिएको थियो, संक्रमण को लागी एक नकारात्मक नियन्त्रण को रूप मा।बेयर पोजिटिभ समूह (n = 6) लाई संक्रमणको लागि सकारात्मक नियन्त्रणको रूपमा ब्याक्टेरियाको सम्पर्कमा रहेको खाली सतह इम्प्लान्टको साथ उपचार गरिएको थियो।SHP समूह (n = 6) लाई ब्याक्टेरियाली रूपमा उजागर गरिएको SHP प्रत्यारोपणको साथ उपचार गरिएको थियो।अन्तमा, LOIS समूहलाई ब्याक्टेरिया-उद्घाटन LOIS प्रत्यारोपण (n = 6) संग उपचार गरिएको थियो।सबै जनावरहरूलाई पिंजरामा राखिन्छ, र धेरै खाना र पानी प्रदान गरिन्छ।शल्यक्रिया अघि, खरायोहरू 12 घण्टाको लागि उपवास गरिएको थियो।जनावरहरूलाई इन्डक्सनको लागि xylazine (5mg/kg) को इन्ट्रामस्कुलर इन्जेक्सन र प्याक्लिटाक्सेल (3mg/kg) को इन्ट्राभेनस इंजेक्शन द्वारा एनेस्थेटाइज गरिएको थियो।त्यस पछि, एनेस्थेसिया कायम राख्न श्वासप्रश्वास प्रणाली मार्फत 2% आइसोफ्लुरेन र 50% देखि 70% मेडिकल अक्सिजन (प्रवाह दर 2 L/min) प्रदान गर्नुहोस्।यो पार्श्व फेमरमा प्रत्यक्ष दृष्टिकोण मार्फत प्रत्यारोपण गरिएको छ।कपाल हटाउने र छालाको पोभिडोन-आयोडिन कीटाणुशोधन पछि, बायाँ बीचको फेमरको बाहिरी भागमा लगभग 6 सेन्टिमिटर लामो चीरा बनाइएको थियो।फेमरलाई ढाक्ने मांसपेशीहरू बीचको अन्तर खोल्दा, फेमर पूर्ण रूपमा खुला हुन्छ।प्लेटलाई फेमोरल शाफ्टको अगाडि राख्नुहोस् र यसलाई चार स्क्रूसँग ठीक गर्नुहोस्।फिक्सेसन पछि, कृत्रिम रूपमा दोस्रो प्वाल र चौथो प्वाल बीचको क्षेत्रमा फ्र्याक्चर सिर्जना गर्न आरा ब्लेड (1 मिमी बाक्लो) प्रयोग गर्नुहोस्।शल्यक्रियाको अन्त्यमा, घाउलाई नुनले धोइयो र सिवनले बन्द गरियो।प्रत्येक खरायोलाई सलाइनमा एक तिहाइ पातलो एनरोफ्लोक्सासिन (५ मिलीग्राम/किग्रा) को छेउछाउमा सुई लगाइयो।हड्डीको ओस्टियोटोमी पुष्टि गर्न सबै जनावरहरूमा (0, 7, 14, 21, 28, र 42 दिन) फेमरको पोस्टअपरेटिभ एक्स-रेहरू लिइयो।गहिरो एनेस्थेसिया पछि, सबै जनावरहरूलाई 28 र 42 दिनमा नशामा KCl (2 mmol/kg) द्वारा मारिएको थियो।कार्यान्वयन पछि, हड्डी निको पार्ने प्रक्रिया र चार समूहहरू बीचको नयाँ हड्डी गठन अवलोकन गर्न र तुलना गर्न माइक्रो-सीटी द्वारा फेमर स्क्यान गरिएको थियो।
कार्यान्वयन पछि, आर्थोपेडिक प्रत्यारोपणसँग प्रत्यक्ष सम्पर्कमा रहेका नरम तन्तुहरू सङ्कलन गरियो।टिस्युलाई रातारात १०% तटस्थ बफर गरिएको फर्मालिनमा फिक्स गरियो र त्यसपछि EtOH मा निर्जलीकरण गरियो।निर्जलित ऊतक प्याराफिनमा एम्बेड गरिएको थियो र माइक्रोटोम (400CS; EXAKT, जर्मनी) को प्रयोग गरेर 40 μm को मोटाईमा सेक्शन गरिएको थियो।संक्रमणको कल्पना गर्नको लागि, H&E स्टेनिङ र MT स्टेनिङ प्रदर्शन गरिएको थियो।होस्ट प्रतिक्रिया जाँच गर्नको लागि, सेक्शन गरिएको टिस्युलाई खरगोश एन्टि-TNF-α प्राथमिक एन्टिबडी (AB6671, Abcam, USA) र खरगोश एन्टि-IL-6 (AB6672; Abcam, USA) द्वारा इन्क्युबेटेड गरियो र त्यसपछि तिखोसँग उपचार गरियो।अक्सिडेज।निर्माताको निर्देशन अनुसार खण्डहरूमा एविडिन-बायोटिन कम्प्लेक्स (ABC) स्टेनिङ प्रणाली लागू गर्नुहोस्।खैरो प्रतिक्रिया उत्पादनको रूपमा देखा पर्नको लागि, 3,3-diaminobenzidine सबै भागहरूमा प्रयोग गरिएको थियो।एउटा डिजिटल स्लाइड स्क्यानर (Pnoramic 250 Flash III, 3DHISTECH, Hungary) सबै स्लाइसहरू कल्पना गर्न प्रयोग गरिएको थियो, र प्रत्येक समूहमा कम्तिमा चार सब्सट्रेटहरू ImageJ सफ्टवेयरद्वारा विश्लेषण गरिएको थियो।
एक्स-रे तस्बिरहरू शल्यक्रिया पछि सबै जनावरहरूमा लिइयो र फ्र्याक्चर निकोको निगरानी गर्न प्रत्येक हप्ता (n=6 प्रति समूह)।कार्यान्वयन पछि, उच्च-रिजोल्युसन माइक्रो-CT निको भएपछि फेमर वरिपरि कलसको गठन गणना गर्न प्रयोग गरिएको थियो।प्राप्त फेमर सफा गरियो, 4% प्याराफर्मल्डिहाइडमा 3 दिनको लागि फिक्स गरियो, र 75% इथानोलमा निर्जलित गरियो।हड्डीको नमूनाको थ्रीडी भोक्सेल छविहरू (२२४०×२२४० पिक्सेल) उत्पन्न गर्न माइक्रो-CT (SkyScan 1173, Brooke Micro-CT, Kandy, Belgium) को प्रयोग गरेर निर्जलित हड्डीहरूलाई स्क्यान गरियो।सिग्नलको आवाज कम गर्न र सबै स्क्यानहरूमा उच्च रिजोलुसन लागू गर्न 1.0 mm Al फिल्टर प्रयोग गर्नुहोस् (E = 133 kVp, I = 60 μA, एकीकरण समय = 500 ms)।Nrecon सफ्टवेयर (संस्करण 1.6.9.8, Bruker microCT, Kontich, Belgium) अधिग्रहण गरिएको 2D पार्श्व प्रक्षेपणबाट स्क्यान गरिएको नमूनाको 3D भोल्युम उत्पन्न गर्न प्रयोग गरिएको थियो।विश्लेषणको लागि, 3D पुनर्निर्माण गरिएको छविलाई फ्र्याक्चर साइट अनुसार 10mm × 10mm × 10mm क्यूबमा विभाजन गरिएको छ।कोर्टिकल हड्डी बाहिर कलस गणना गर्नुहोस्।DataViewer (संस्करण 1.5.1.2; Bruker microCT, Kontich, Belgium) सफ्टवेयर स्क्यान गरिएको हड्डी भोल्युमलाई डिजिटल रूपमा रिडिरेक्ट गर्न प्रयोग गरिएको थियो, र CT-Analyser (संस्करण 1.14.4.1; Bruker microCT, Kontich, Belgium) सफ्टवेयर विश्लेषणको लागि प्रयोग गरिएको थियो।परिपक्व हड्डी र कलसमा सापेक्ष एक्स-रे अवशोषण गुणांकहरू तिनीहरूको घनत्वद्वारा छुट्याइन्छ, र त्यसपछि कलसको मात्रा परिमाणित हुन्छ (n = 4)।LOIS को बायोकम्प्याटिबिलिटीले हड्डी निको पार्ने प्रक्रियामा ढिलाइ गर्दैन भनेर पुष्टि गर्नको लागि, दुईवटा खरायोहरूमा अतिरिक्त एक्स-रे र माइक्रो-सीटी विश्लेषण गरिएको थियो: नग्न-नकारात्मक र LOIS समूहहरू।दुवै समूहलाई छैठौं हप्तामा मृत्युदण्ड दिइएको थियो।
बलि दिइएका जनावरहरूका फिमरहरू सङ्कलन गरी 4% प्याराफर्मल्डिहाइडमा 3 दिनसम्म राखिएको थियो।त्यसपछि आर्थोपेडिक प्रत्यारोपणलाई फेमरबाट सावधानीपूर्वक हटाइन्छ।०.५ एम ईडीटीए (ईसी-९००, नेशनल डायग्नोस्टिक्स कर्पोरेशन) को प्रयोग गरेर फीमर २१ दिनको लागि डिक्याल्सिफाइड गरिएको थियो।त्यसपछि decalcified femur यसलाई निर्जलीकरण गर्न EtOH मा डुबाइएको थियो।निर्जलित फेमरलाई xylene मा हटाइयो र प्याराफिन मा सम्मिलित गरियो।त्यसपछि नमूना एक स्वचालित रोटरी माइक्रोटोम (Leica RM2255, Leica Biosystems, जर्मनी) को साथ 3 μm को मोटाई संग काटिएको थियो।TRAP स्टेनिङ्ग (F6760, Sigma-Aldrich, Germany) को लागि, सेक्शन गरिएका नमूनाहरूलाई 1 घण्टाको लागि 37°C मा TRAP अभिकर्मकमा डिपाराफिनाइज, रिहाइड्रेट र इन्क्युबेटेड गरियो।छविहरू स्लाइड स्क्यानर (प्यानोरामिक 250 फ्लैश III, 3DHISTECH, हंगेरी) को प्रयोग गरेर प्राप्त गरियो र दाग भएको क्षेत्रको क्षेत्र कभरेज मापन गरेर मापन गरियो।प्रत्येक प्रयोगमा, प्रत्येक समूहमा कम्तिमा चार सब्सट्रेटहरू ImageJ सफ्टवेयरद्वारा विश्लेषण गरिएको थियो।
ग्राफप्याड प्रिज्म (GraphPad Software Inc., USA) को प्रयोग गरेर सांख्यिकीय महत्व विश्लेषण गरिएको थियो।मूल्याङ्कन समूहहरू बीचको भिन्नताहरू परीक्षण गर्नको लागि Unpaired t-test र variance (ANOVA) को एकतर्फी विश्लेषण प्रयोग गरिएको थियो।सार्थकता स्तर निम्नानुसार चित्रमा संकेत गरिएको छ: *P<0.05, **P<0.01, ***P<0.001 र ****P<0.0001;NS, कुनै महत्त्वपूर्ण भिन्नता छैन।
यस लेखको लागि पूरक सामग्रीहरूको लागि, कृपया हेर्नुहोस् http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/44/eabb0025/DC1
यो क्रिएटिभ कमन्स एट्रिब्युशन-गैर-व्यावसायिक इजाजतपत्रका सर्तहरू अन्तर्गत वितरित खुला पहुँच लेख हो, जसले कुनै पनि माध्यममा प्रयोग, वितरण र पुनरुत्पादन गर्न अनुमति दिन्छ, जबसम्म प्रयोग व्यावसायिक लाभको लागि होइन र आधार भनेको मूल हो। काम सही छ।सन्दर्भ।
नोट: हामीले तपाईंलाई एउटा इमेल ठेगाना उपलब्ध गराउन मात्र सोध्छौं ताकि तपाईंले पृष्ठमा सिफारिस गर्ने व्यक्तिलाई थाहा हुन्छ कि तपाईंले उनीहरूले इमेल हेर्न चाहनुहुन्छ र इमेल स्प्याम होइन।हामी कुनै पनि इमेल ठेगानाहरू कब्जा गर्दैनौं।
यो प्रश्न तपाई मानव आगन्तुक हुनुहुन्छ वा होइन भनेर परीक्षण गर्न र स्वचालित स्प्याम सबमिशनहरू रोक्न प्रयोग गरिन्छ।
चो क्युंग मिन, ओह यंग जंग, पार्क जुन जुन, ली जिन ह्युक, किम ह्युन चेओल, ली क्युंग मुन, ली चांग क्यु, ली येओन तेक, ली सन-उक, जेओंग मोरुई
अर्थोपेडिक इम्प्लान्टको एन्टिब्याक्टेरियल र इम्यून एस्केप कोटिंग्सले संक्रमणको कारणले हुने संक्रमण र प्रतिरक्षा प्रतिक्रियाहरू कम गर्न सक्छ।
चो क्युंग मिन, ओह यंग जंग, पार्क जुन जुन, ली जिन ह्युक, किम ह्युन चेओल, ली क्युंग मुन, ली चांग क्यु, ली येओन तेक, ली सन-उक, जेओंग मोरुई
अर्थोपेडिक इम्प्लान्टको एन्टिब्याक्टेरियल र इम्यून एस्केप कोटिंग्सले संक्रमणको कारणले हुने संक्रमण र प्रतिरक्षा प्रतिक्रियाहरू कम गर्न सक्छ।
©२०२१ अमेरिकन एसोसिएशन फर द एडभान्समेन्ट अफ साइन्स।सबै अधिकार सुरक्षित।AAAS HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef र COUNTER को साझेदार हो।ScienceAdvances ISSN 2375-2548।