Për pacientët që i nënshtrohen operacionit të implantit ortopedik, infeksionet bakteriale dhe përgjigjet imune të shkaktuara nga infeksionet kanë qenë gjithmonë rreziqe kërcënuese për jetën.Materialet biologjike konvencionale janë të ndjeshme ndaj ndotjes biologjike, e cila shkakton që bakteret të pushtojnë zonën e dëmtuar dhe të shkaktojnë infeksion postoperativ.Prandaj, ekziston një nevojë urgjente për të zhvilluar veshje kundër infeksionit dhe imunitetit për implantet ortopedike.Këtu, ne kemi zhvilluar një teknologji të avancuar të modifikimit të sipërfaqes për implantet ortopedike të quajtur Sipërfaqja e Implanteve Ortopedike të Lubrifikuar (LOIS), e cila është frymëzuar nga sipërfaqja e lëmuar e shtambave të bimëve shtambë.LOIS ka rezistencë afatgjatë dhe të fortë ndaj lëngjeve dhe substancave biologjike (përfshirë qelizat, proteinat, kalciumin dhe bakteret).Përveç kësaj, ne konfirmuam qëndrueshmërinë mekanike ndaj gërvishtjeve dhe forcës fiksuese duke simuluar dëmtimet e pashmangshme gjatë operacionit in vitro.Modeli i frakturës së femurit inflamator të palcës së eshtrave të lepurit u përdor për të studiuar tërësisht shkallën anti-biologjike dhe aftësinë kundër infeksionit të LOIS.Ne parashikojmë që LOIS, i cili ka veti anti-biopastuese dhe qëndrueshmëri mekanike, është një hap përpara në kirurgjinë ortopedike pa infeksione.
Sot, për shkak të plakjes së përgjithshme, numri i pacientëve që vuajnë nga sëmundjet ortopedike (si frakturat e të moshuarve, sëmundjet degjenerative të kyçeve dhe osteoporoza) është rritur shumë (1, 2).Prandaj, institucionet mjekësore i kushtojnë rëndësi të madhe kirurgjisë ortopedike, duke përfshirë implantet ortopedike të vidave, pllakave, thonjve dhe nyjeve artificiale (3, 4).Sidoqoftë, implantet tradicionale ortopedike janë raportuar të jenë të ndjeshëm ndaj ngjitjes bakteriale dhe formimit të biofilmit, të cilat mund të shkaktojnë infeksion të vendit kirurgjik (SSI) pas operacionit (5, 6).Pasi biofilmi formohet në sipërfaqen e implantit ortopedik, heqja e biofilmit bëhet jashtëzakonisht e vështirë edhe me përdorimin e dozave të mëdha të antibiotikëve.Prandaj, zakonisht çon në infeksione të rënda postoperative (7, 8).Për shkak të problemeve të mësipërme, trajtimi i implanteve të infektuara duhet të përfshijë rioperim, duke përfshirë heqjen e të gjitha implanteve dhe indeve përreth;prandaj, pacienti do të pësojë dhimbje të forta dhe disa rreziqe (9, 10).
Për të zgjidhur disa nga këto probleme, implantet ortopedike me elucionin e ilaçeve janë zhvilluar për të parandaluar infeksionin duke eliminuar bakteret e ngjitura në sipërfaqe (11, 12).Megjithatë, strategjia ende tregon disa kufizime.Është raportuar se implantimi afatgjatë i implanteve që elutin me ilaçe ka shkaktuar dëmtime në indet përreth dhe ka shkaktuar inflamacion, i cili mund të çojë në nekrozë (13, 14).Përveç kësaj, tretësit organikë që mund të ekzistojnë pas procesit të prodhimit të implanteve ortopedike me elucionin e drogës, të cilat janë rreptësisht të ndaluara nga Administrata e Ushqimit dhe Barnave të SHBA-së, kërkojnë hapa shtesë pastrimi për të përmbushur standardet e saj (15).Implantet me elucionin e barnave janë sfiduese për lëshimin e kontrolluar të barnave dhe për shkak të ngarkesës së tyre të kufizuar të barnave, aplikimi afatgjatë i ilaçit nuk është i realizueshëm (16).
Një strategji tjetër e zakonshme është veshja e implantit me një polimer kundër ndotjes për të parandaluar ngjitjen e lëndës biologjike dhe baktereve në sipërfaqe (17).Për shembull, polimerët zwiterionic kanë tërhequr vëmendjen për shkak të vetive të tyre jo ngjitëse kur janë në kontakt me proteinat, qelizat dhe bakteret e plazmës.Megjithatë, ai ka disa kufizime që lidhen me qëndrueshmërinë afatgjatë dhe qëndrueshmërinë mekanike, të cilat pengojnë zbatimin e tij praktik në implantet ortopedike, veçanërisht për shkak të gërvishtjes mekanike gjatë procedurave kirurgjikale (18, 19).Përveç kësaj, për shkak të biokompatibilitetit të tij të lartë, mungesës së nevojës për kirurgji të heqjes dhe vetive të pastrimit të sipërfaqeve përmes korrozionit, janë përdorur implante ortopedike të bëra nga materiale të biodegradueshme (20, 21).Gjatë korrozionit, lidhjet kimike midis matricës polimer prishen dhe shkëputen nga sipërfaqja, dhe ngjitësit pastrojnë sipërfaqen.Megjithatë, ndotja anti-biologjike nga pastrimi i sipërfaqes është efektiv në një periudhë të shkurtër kohe.Përveç kësaj, shumica e materialeve të absorbueshme, duke përfshirë poli(kopolimerin e acidit laktik-acid glikolik) (PLGA), acidin polilaktik (PLA) dhe lidhjet me bazë magnezi do t'i nënshtrohen biodegradimit dhe erozionit të pabarabartë në trup, gjë që do të ndikojë negativisht në stabilitetin mekanik.(njëzet e dy).Përveç kësaj, fragmentet e pllakave të biodegradueshme ofrojnë një vend për bakteret që të ngjiten, gjë që rrit mundësinë e infeksionit në afat të gjatë.Ky rrezik i degradimit mekanik dhe infeksionit kufizon zbatimin praktik të kirurgjisë plastike (23).
Sipërfaqet superhidrofobike (SHP) që imitojnë strukturën hierarkike të gjetheve të lotusit janë bërë një zgjidhje e mundshme për sipërfaqet kundër ndotjes (24, 25).Kur sipërfaqja e SHP-së zhytet në lëng, flluskat e ajrit do të bllokohen, duke formuar kështu xhepa ajri dhe duke parandaluar ngjitjen bakteriale (26).Megjithatë, studimet e fundit kanë treguar se sipërfaqja e SHP ka disavantazhe që lidhen me qëndrueshmërinë mekanike dhe qëndrueshmërinë afatgjatë, gjë që pengon aplikimin e saj në implantet mjekësore.Për më tepër, xhepat e ajrit do të treten dhe do të humbasin vetitë e tyre kundër ndotjes, duke rezultuar kështu në ngjitje më të gjerë bakteriale për shkak të sipërfaqes së madhe të sipërfaqes së SHP (27, 28).Kohët e fundit, Aizenberg dhe kolegët prezantuan një metodë inovative të veshjes së sipërfaqes anti-biopastuese duke zhvilluar një sipërfaqe të lëmuar të frymëzuar nga fabrika e shtambës Nepenthes (29, 30).Sipërfaqja e lëmuar tregon qëndrueshmëri afatgjatë në kushte hidraulike, është jashtëzakonisht e lëngshme kundër lëngjeve biologjike dhe ka veti vetë-riparuese.Megjithatë, nuk ekziston as një metodë për të aplikuar një shtresë në një implant mjekësor në formë komplekse, as nuk është vërtetuar se mbështet procesin e shërimit të indeve të dëmtuara pas implantimit.
Këtu, ne prezantojmë një sipërfaqe implant ortopedike të lubrifikuar (LOIS), një sipërfaqe implanti ortopedik të strukturuar mikro/nano dhe e kombinuar fort me një shtresë të hollë lubrifikanti për të parandaluar që ajo të shoqërohet me kirurgjinë plastike Infeksione bakteriale, të tilla si fiksimi i frakturave.Për shkak se struktura mikro/nano e funksionalizuar me fluor e fikson fort lubrifikantin në strukturë, LOIS e zhvilluar mund të zmbrapsë plotësisht ngjitjen e lëngjeve të ndryshme dhe të ruajë performancën kundër ndotjes për një kohë të gjatë.Veshjet LOIS mund të aplikohen në materiale të formave të ndryshme të destinuara për sintezën e kockave.Vetitë e shkëlqyera anti-biopastuese të LOIS kundër baktereve të biofilmave [Pseudomonas aeruginosa dhe Staphylococcus aureus rezistent ndaj meticilinës (MRSA)] dhe substancave biologjike (qeliza, proteina dhe kalcium) janë konfirmuar in vitro.Shkalla e ngjitjes së ngjitjes së gjerë me nënshtresën është më pak se 1%.Përveç kësaj, edhe pas stresit mekanik si gërvishtja e sipërfaqes, vetë-shërimi i shkaktuar nga lubrifikuesi depërtues ndihmon në ruajtjen e vetive të tij kundër ndotjes.Rezultatet e testit të qëndrueshmërisë mekanike tregojnë se edhe pas modifikimit strukturor dhe kimik, forca totale nuk do të reduktohet ndjeshëm.Përveç kësaj, u krye një eksperiment in vitro që simulon stresin mekanik në mjedisin kirurgjik për të vërtetuar se LOIS mund t'i rezistojë streseve të ndryshme mekanike që ndodhin gjatë operacionit plastik.Së fundi, ne përdorëm një model frakture femorale in vivo të bazuar në lepur, i cili vërtetoi se LOIS ka veti antibakteriale dhe biokompatibilitet superior.Rezultatet radiologjike dhe histologjike konfirmuan se sjellja e qëndrueshme e lubrifikantit dhe vetitë anti-biopastuese brenda 4 javëve pas implantimit mund të arrijnë performancë efektive kundër infeksionit dhe imunitetit pa vonuar procesin e shërimit të kockave.
Figura 1A tregon një diagram skematik të LOIS-it të zhvilluar, i cili është implantuar me struktura në shkallë mikro/nano në modelin e thyerjes së femurit të lepurit për të konfirmuar vetitë e tij të shkëlqyera anti-biologjike të ndotjes dhe anti-infeksionit.Një metodë biomimetike kryhet për të simuluar sipërfaqen e një impianti të tenxhere me ujë dhe për të parandaluar biopastrimin duke përfshirë një shtresë lubrifikanti brenda strukturës mikro/nano të sipërfaqes.Sipërfaqja e injektuar me lubrifikant mund të minimizojë kontaktin midis substancave biologjike dhe sipërfaqes.Prandaj, për shkak të formimit të lidhjeve kimike të qëndrueshme në sipërfaqe, ka performancë të shkëlqyer kundër ndotjes dhe stabilitet afatgjatë.Si rezultat, vetitë anti-biopastuese të sipërfaqes lubrifikuese lejojnë aplikime të ndryshme praktike në kërkimet biomjekësore.Megjithatë, hulumtimi i gjerë se si ndërvepron kjo sipërfaqe e veçantë në trup nuk është përfunduar ende.Duke krahasuar LOIS me substrate të zhveshura in vitro duke përdorur albuminë dhe baktere të biofilmit, mund të konfirmohet mosngjitja e LOIS (Figura 1B).Për më tepër, duke rrokullisur pikat e ujit në nënshtresën e zhveshur të pjerrët dhe në nënshtresën LOIS (Figura S1 dhe Filmi S1), mund të demonstrohet performanca e ndotjes biologjike.Siç tregohet në imazhin e mikroskopit fluoreshent, substrati i ekspozuar i inkubuar në një suspension proteinash dhe bakteresh tregoi një sasi të madhe materiali biologjik që ngjitej në sipërfaqe.Megjithatë, për shkak të vetive të tij të shkëlqyera kundër biopastajve, LOIS vështirë se shfaq ndonjë fluoreshencë.Për të konfirmuar vetitë e tij anti-biopastuese dhe kundër infeksionit, LOIS u aplikua në sipërfaqen e implanteve ortopedike për sintezën e kockave (pllaka dhe vida) dhe u vendos në një model frakture lepuri.Para implantimit, implanti ortopedik lakuriq dhe LOIS u inkubuan në një suspension bakterial për 12 orë.Inkubimi paraprak siguron që një biofilm të formohet në sipërfaqen e implantit të ekspozuar për krahasim.Figura 1C tregon një foto të vendit të thyerjes 4 javë pas implantimit.Në të majtë, një lepur me një implant ortopedik të zhveshur tregoi një nivel të rëndë inflamacioni për shkak të formimit të një biofilmi në sipërfaqen e implantit.Rezultati i kundërt u vu re te lepujt e implantuar me LOIS, domethënë, indet rrethuese të LOIS nuk treguan as shenja infeksioni dhe as shenja inflamacioni.Përveç kësaj, imazhi optik në të majtë tregon vendin kirurgjik të lepurit me implantin e ekspozuar, duke treguar se nuk u gjetën ngjitës të shumëfishtë në sipërfaqen e implantit të ekspozuar në sipërfaqen e LOIS.Kjo tregon se LOIS ka stabilitet afatgjatë dhe ka aftësinë të ruajë vetitë e tij anti-biologjike të ndotjes dhe kundër ngjitjes.
(A) Diagrami skematik i LOIS dhe implantimi i tij në një model frakture femorale lepuri.(B) Imazhi i mikroskopit fluoreshent i proteinës dhe biofilmit bakterial në sipërfaqen e zhveshur dhe nënshtresën LOIS.4 javë pas implantimit, (C) një imazh fotografik i vendit të thyerjes dhe (D) një imazh me rreze X (i theksuar nga një drejtkëndësh i kuq).Imazhi me mirësjellje: Kyomin Chae, Universiteti Yonsei.
Lepujt e sterilizuar dhe të ekspozuar të implantuar negativisht treguan një proces normal të shërimit të kockave pa asnjë shenjë inflamacioni ose infeksioni.Nga ana tjetër, implantet SHP të para-inkubuara në një pezullim bakterial shfaqin inflamacion të lidhur me infeksionin në indet përreth.Kjo mund t'i atribuohet paaftësisë së tij për të penguar ngjitjen bakteriale për një kohë të gjatë (Figura S2).Për të vërtetuar se LOIS nuk ndikon në procesin e shërimit, por frenon infeksionet e mundshme që lidhen me implantimin, u krahasuan imazhet me rreze X të matricës së ekspozuar pozitive dhe LOIS në vendin e frakturës (Figura 1D).Imazhi me rreze X të implantit të zhveshur pozitiv tregoi linja të vazhdueshme osteolize, duke treguar se kocka nuk ishte shëruar plotësisht.Kjo sugjeron që procesi i rikuperimit të kockave mund të vonohet shumë për shkak të inflamacionit të lidhur me infeksionin.Përkundrazi, tregoi se lepujt e implantuar me LOIS ishin shëruar dhe nuk shfaqnin ndonjë vend të dukshëm frakture.
Për të zhvilluar implante mjekësore me qëndrueshmëri dhe funksionalitet afatgjatë (përfshirë rezistencën ndaj biofokusimit), janë bërë shumë përpjekje.Sidoqoftë, prania e substancave të ndryshme biologjike dhe dinamika e ngjitjes së indeve kufizon zhvillimin e metodave të tyre klinikisht të besueshme.Për të kapërcyer këto mangësi, ne kemi zhvilluar një strukturë me shtresa mikro/nano dhe sipërfaqe të modifikuar kimikisht, e cila është optimizuar për shkak të forcës së lartë kapilare dhe afinitetit kimik për të mbajtur në masën më të madhe lubrifikantin më të butë.Figura 2A tregon procesin e përgjithshëm të prodhimit të LOIS.Së pari, përgatitni një nënshtresë çeliku inox (SS) 304 të klasës mjekësore.Së dyti, struktura mikro/nano formohet në nënshtresën SS me gravurë kimike duke përdorur solucionin e acidit hidrofluorik (HF).Për të rivendosur rezistencën ndaj korrozionit të SS, një tretësirë ​​e acidit nitrik (HNO3) (31) përdoret për të përpunuar nënshtresën e gdhendur.Pasivizimi rrit rezistencën ndaj korrozionit të nënshtresës SS dhe ngadalëson ndjeshëm procesin e korrozionit që mund të zvogëlojë performancën e përgjithshme të LOIS.Më pas, duke formuar një shtresë të vetme të montuar (SAM) me 1H, 1H, 2H, 2H-perfluorooctyltrietoxysilane (POTS), sipërfaqja modifikohet kimikisht për të përmirësuar ndërveprimin kimik midis sipërfaqes dhe afinitetit të lubrifikantit të lëmuar.Modifikimi i sipërfaqes redukton ndjeshëm energjinë sipërfaqësore të sipërfaqes së strukturuar në shkallë mikro/nano, e cila përputhet me energjinë sipërfaqësore të lubrifikantit të lëmuar.Kjo lejon që lubrifikuesi të laget plotësisht, duke formuar kështu një shtresë të qëndrueshme lubrifikanti në sipërfaqe.Sipërfaqja e modifikuar shfaq hidrofobicitet të shtuar.Rezultatet tregojnë se lubrifikuesi i rrëshqitshëm shfaq sjellje të qëndrueshme në LOIS për shkak të afinitetit të lartë kimik dhe forcës kapilare të shkaktuar nga struktura mikro/nano (32, 33).Janë studiuar ndryshimet optike në sipërfaqen e SS pas modifikimit të sipërfaqes dhe injektimit të lubrifikantit.Struktura me shtresa mikro/nano e formuar në sipërfaqe mund të shkaktojë ndryshime vizuale dhe të errësojë sipërfaqen.Ky fenomen i atribuohet efektit të zgjeruar të shpërndarjes së dritës në sipërfaqen e ashpër, e cila rrit reflektimin difuz të shkaktuar nga mekanizmi i kapjes së dritës (34).Përveç kësaj, pas injektimit të lubrifikantit, LOIS bëhet më e errët.Shtresa lubrifikuese shkakton që më pak dritë të reflektohet nga nënshtresa, duke errësuar kështu LOIS.Për të optimizuar mikrostrukturën/nanostrukturën për të treguar këndin më të vogël të rrëshqitjes (SA) për të arritur performancën anti-biopastuese, mikroskopi elektronik skanues (SEM) dhe çiftet atomike u përdorën për të kryer kohë të ndryshme të gravimit të HF (0, 3)., 15 dhe 60 minuta) Mikroskopi i forcës (AFM) (Figura 2B).Imazhet SEM dhe AFM tregojnë se pas një kohe të shkurtër gravimi (3 minuta gravurë), nënshtresa e zhveshur ka formuar vrazhdësi të pabarabartë në shkallë nano.Vrazhdësia e sipërfaqes ndryshon me kohën e gravimit (Figura S3).Kurba e ndryshimit në kohë tregon se vrazhdësia e sipërfaqes vazhdon të rritet dhe arrin kulmin në 15 minuta gravurë, dhe më pas vërehet vetëm një rënie e lehtë në vlerën e vrazhdësisë në 30 minuta gravurë.Në këtë pikë, vrazhdësia e nivelit nano hiqet, ndërsa vrazhdësia e nivelit mikro zhvillohet fuqishëm, duke e bërë ndryshimin e vrazhdësisë më të qëndrueshme.Pas gravimit për më shumë se 30 minuta, vërehet një rritje e mëtejshme e vrazhdësisë, e cila shpjegohet në detaje si më poshtë: SS përbëhet nga çeliku, i lidhur me elementë duke përfshirë hekurin, kromin, nikelin, molibdenin dhe shumë elementë të tjerë.Midis këtyre elementeve, hekuri, kromi dhe molibdeni luajnë një rol të rëndësishëm në formimin e ashpërsisë së shkallës mikron/nano në SS nga gravimi HF.Në fazat e hershme të korrozionit, hekuri dhe kromi kryesisht korrodohen sepse molibdeni ka rezistencë më të lartë ndaj korrozionit se molibden.Ndërsa gravurja përparon, tretësira e gravurës arrin mbingopjen lokale, duke formuar fluoride dhe okside të shkaktuara nga gravurja.Fluori dhe oksidi precipitojnë dhe përfundimisht ridepozitohen në sipërfaqe, duke formuar një vrazhdësi të sipërfaqes në intervalin mikron/nano (31).Kjo vrazhdësi e nivelit mikro/nano luan një rol të rëndësishëm në vetitë vetë-shëruese të LOIS.Sipërfaqja me shkallë të dyfishtë prodhon një efekt sinergjik, duke rritur shumë forcën kapilar.Ky fenomen lejon që lubrifikuesi të depërtojë në mënyrë të qëndrueshme në sipërfaqe dhe kontribuon në vetitë vetë-shëruese (35).Formimi i vrazhdësisë varet nga koha e gravimit.Nën 10 minuta gravurë, sipërfaqja përmban vetëm vrazhdësi në shkallë nano, e cila nuk është e mjaftueshme për të mbajtur mjaftueshëm lubrifikant për të patur rezistencë ndaj biofokusimit (36).Nga ana tjetër, nëse koha e gravimit kalon 30 minuta, vrazhdësia në shkallë nano e formuar nga ridepozitimi i hekurit dhe kromit do të zhduket dhe vetëm vrazhdësia e shkallës mikro do të mbetet për shkak të molibdenit.Sipërfaqës së mbigdhendur i mungon vrazhdësia në shkallë nano dhe humbet efektin sinergjik të vrazhdësisë me dy faza, gjë që ndikon negativisht në karakteristikat vetë-shëruese të LOIS.Matjet e SA u kryen në nënshtresa me kohë të ndryshme gravimi për të vërtetuar performancën kundër ndotjes.Lloje të ndryshme të lëngjeve u zgjodhën në bazë të viskozitetit dhe energjisë sipërfaqësore, duke përfshirë ujin e dejonizuar (DI), gjakun, etilen glikolin (EG), etanolin (EtOH) dhe heksadekanin (HD) (Figura S4).Modeli i gdhendjes që ndryshon nga koha tregon se për lëngje të ndryshme me energji dhe viskozitete të ndryshme sipërfaqësore, SA e LOIS pas 15 minutash gravurë është më e ulëta.Prandaj, LOIS është optimizuar për të gdhendur për 15 minuta për të formuar ashpërsi mikron dhe nano, e cila është e përshtatshme për të ruajtur në mënyrë efektive qëndrueshmërinë e lubrifikantit dhe vetitë e shkëlqyera kundër ndotjes.
(A) Diagrami skematik i procesit të prodhimit me katër hapa të LOIS.Inset tregon SAM-in e formuar në nënshtresë.(B) Imazhet SEM dhe AFM, të përdorura për të optimizuar strukturën mikro/nano të nënshtresës në kohë të ndryshme gravimi.Spektroskopia e fotoelektronit me rreze X (XPS) të spektrit të (C) Cr2p dhe (D) F1s pas pasivimit të sipërfaqes dhe veshjes SAM.au, njësi arbitrare.(E) Imazhe përfaqësuese të pikave të ujit në nënshtresa të zhveshura, të gdhendura, SHP dhe LOIS.(F) Matja e këndit të kontaktit (CA) dhe SA e lëngjeve me tensione të ndryshme sipërfaqësore në SHP dhe LOIS.Të dhënat shprehen si mesatare ± SD.
Më pas, për të konfirmuar ndryshimin e vetive kimike të sipërfaqes, spektroskopia fotoelektronike me rreze X (XPS) u përdor për të studiuar ndryshimin në përbërjen kimike të sipërfaqes së nënshtresës pas çdo veshjeje sipërfaqësore.Figura 2C tregon rezultatet e matjes XPS të sipërfaqes së etched HF dhe sipërfaqes së trajtuar HNO 3.Dy majat kryesore në 587.3 dhe 577.7 eV mund t'i atribuohen lidhjes Cr-O që ekziston në shtresën e oksidit të kromit, e cila është dallimi kryesor nga sipërfaqja e gdhendur HF.Kjo është kryesisht për shkak të konsumit të hekurit dhe fluorit të kromit në sipërfaqe nga HNO3.Gdhendja e bazuar në HNO3 lejon që kromi të formojë një shtresë oksidi pasivizuese në sipërfaqe, gjë që e bën SS të etched përsëri rezistent ndaj korrozionit.Në figurën 2D, spektrat XPS janë marrë për të konfirmuar se silani me bazë fluorokarbon është formuar në sipërfaqe pas veshjes SAM, e cila ka repelencë jashtëzakonisht të lartë të lëngshme edhe për EG, gjak dhe EtOH.Veshja SAM plotësohet duke reaguar grupet funksionale të silanit me grupet hidroksil të formuara nga trajtimi me plazmë.Si rezultat, u vu re një rritje e konsiderueshme në majat e CF2 dhe CF3.Energjia lidhëse midis 286 dhe 296 eV tregon se modifikimi kimik është përfunduar me sukses nga veshja SAM.SHP tregon maja relativisht të mëdha CF2 (290.1 ​​eV) dhe CF3 (293.3 eV), të cilat shkaktohen nga silani me bazë fluorokarbon të formuar në sipërfaqe.Figura 2E tregon imazhet optike përfaqësuese të matjeve të këndit të kontaktit (CA) për grupe të ndryshme të ujit të dejonizuar në kontakt me të zhveshur, të etched, SHP dhe LOIS.Këto imazhe tregojnë se sipërfaqja e gdhendur bëhet hidrofile për shkak të strukturës mikro/nano të formuar nga gravimi kimik në mënyrë që uji i deionizuar të përthithet në strukturë.Megjithatë, kur nënshtresa është e veshur me SAM, nënshtresa shfaq rezistencë të fortë ndaj ujit, kështu që formohet një SHP sipërfaqësore dhe zona e kontaktit midis ujit dhe sipërfaqes është e vogël.Së fundi, një rënie në CA u vu re në LOIS, e cila mund t'i atribuohet depërtimit të lubrifikantit në mikrostrukturë, duke rritur kështu zonën e kontaktit.Për të vërtetuar se sipërfaqja ka veti të shkëlqyera repelence ndaj lëngjeve dhe jo ngjitëse, LOIS u krahasua me nënshtresën SHP duke matur CA dhe SA duke përdorur lëngje të ndryshme (Figura 2F).Lloje të ndryshme të lëngjeve u zgjodhën në bazë të viskozitetit dhe energjisë sipërfaqësore, duke përfshirë ujin e dejonizuar, gjakun, EG, EtOH dhe HD (Figura S4).Rezultatet e matjes CA tregojnë se kur CA tenton në HD, vlera e reduktimit të CA, ku CA ka energjinë më të ulët sipërfaqësore.Për më tepër, LOIS e AK-së së përgjithshme është e ulët.Megjithatë, matja SA tregon një fenomen krejtësisht të ndryshëm.Me përjashtim të ujit të jonizuar, të gjitha lëngjet ngjiten në nënshtresën e SHP-së pa u rrëshqitur.Nga ana tjetër, LOIS tregon një SA shumë të ulët, ku kur i gjithë lëngu anohet në një kënd më të ulët se 10° deri në 15°, i gjithë lëngu do të rrokulliset.Kjo tregon fort se mosngjitja e LOIS është më e mirë se ajo e sipërfaqes së SHP.Përveç kësaj, veshjet LOIS aplikohen edhe për lloje të ndryshme materialesh, duke përfshirë titanin (Ti), polifenilsulfonin (PPSU), polioksimetileni (POM), ketonin e eterit të polieterit (PEEK) dhe polimerët bioabsorbues (PLGA), Ato janë materiale ortopedike të implantueshme (Figura S5)).Imazhet e njëpasnjëshme të pikave në materialin e trajtuar nga LOIS tregojnë se vetitë anti-biopastuese të LOIS janë të njëjta në të gjitha nënshtresat.Për më tepër, rezultatet e matjeve të CA dhe SA tregojnë se vetitë jo ngjitëse të LOIS mund të aplikohen në materiale të tjera.
Për të konfirmuar vetitë kundër ndotjes së LOIS, lloje të ndryshme të nënshtresave (përfshirë të zhveshur, të etched, SHP dhe LOIS) u inkubuan me Pseudomonas aeruginosa dhe MRSA.Këto dy baktere u zgjodhën si baktere spitalore përfaqësuese, të cilat mund të çojnë në formimin e biofilmave, duke çuar në SSI (37).Figura 3 (A dhe B) tregon imazhet e mikroskopit fluoreshent dhe rezultatet e matjes së njësisë së formimit të kolonive (CFU) të substrateve të inkubuara në suspensionin bakterial respektivisht për afatshkurtër (12 orë) dhe afatgjatë (72 orë).Në një periudhë të shkurtër kohe, bakteret do të formojnë grupime dhe do të rriten në madhësi, duke u mbuluar me substanca të ngjashme me mukozën dhe duke parandaluar heqjen e tyre.Megjithatë, gjatë inkubacionit 72-orësh, bakteret do të piqen dhe do të bëhen të lehta për t'u shpërndarë për të formuar më shumë koloni ose grupime.Prandaj, mund të konsiderohet se inkubimi 72-orësh është afatgjatë dhe është koha e përshtatshme e inkubacionit për të formuar një biofilm të fortë në sipërfaqe (38).Në një periudhë të shkurtër kohore, sipërfaqja e etched dhe sipërfaqja e SHP shfaqën ngjitje bakteriale, e cila u reduktua me rreth 25% deri në 50% në krahasim me substratin e zhveshur.Megjithatë, për shkak të performancës dhe qëndrueshmërisë së shkëlqyer kundër biopastajve, LOIS nuk tregoi ngjitje të biofilmit bakterial në afat të shkurtër dhe afatgjatë.Diagrami skematik (Figura 3C) përshkruan shpjegimin e mekanizmit antibiologjik të ndotjes së tretësirës së gravurës, SHP dhe LOIS.Supozimi është se nënshtresa e etched me veti hidrofile do të ketë një sipërfaqe më të madhe se nënshtresa e zhveshur.Prandaj, më shumë ngjitje bakteriale do të ndodhë në substratin e etched.Megjithatë, krahasuar me nënshtresën e zhveshur, nënshtresa e etched ka dukshëm më pak biofilm të formuar në sipërfaqe.Kjo është për shkak se molekulat e ujit lidhen fort me sipërfaqen hidrofile dhe veprojnë si lubrifikant për ujin, duke ndërhyrë kështu në ngjitjen e baktereve në afat të shkurtër (39).Megjithatë, shtresa e molekulave të ujit është shumë e hollë dhe e tretshme në suspensione bakteriale.Prandaj, shtresa molekulare e ujit zhduket për një kohë të gjatë, duke çuar në ngjitje dhe përhapje të gjerë bakteriale.Për SHP, për shkak të vetive të tij afatshkurtëra jo lagëse, ngjitja bakteriale pengohet.Ngjitja e reduktuar e baktereve mund t'i atribuohet xhepave të ajrit të bllokuar në strukturën e shtresuar dhe energjisë së sipërfaqes së poshtme, duke minimizuar kështu kontaktin midis pezullimit bakterial dhe sipërfaqes.Megjithatë, ngjitja e gjerë bakteriale u vu re në SHP sepse humbi vetitë e tij kundër ndotjes për një kohë të gjatë.Kjo është kryesisht për shkak të zhdukjes së xhepave të ajrit për shkak të presionit hidrostatik dhe shpërbërjes së ajrit në ujë.Kjo është kryesisht për shkak të zhdukjes së xhepave të ajrit për shkak të shpërbërjes dhe strukturës së shtresuar që siguron një sipërfaqe më të madhe për ngjitjen (27, 40).Ndryshe nga këto dy nënshtresa që kanë një efekt të rëndësishëm në stabilitetin afatgjatë, lubrifikuesi lubrifikues i përfshirë në LOIS injektohet në strukturën mikro/nano dhe nuk do të zhduket as për një kohë të gjatë.Lubrifikantët e mbushur me struktura mikro/nano janë shumë të qëndrueshme dhe tërhiqen fort në sipërfaqe për shkak të afinitetit të tyre të lartë kimik, duke parandaluar kështu ngjitjen bakteriale për një kohë të gjatë.Figura S6 tregon një imazh të mikroskopit konfokal reflektues të një substrati të injektuar me lubrifikant të zhytur në kripë të kripur të buferuar me fosfat (PBS).Imazhet e vazhdueshme tregojnë se edhe pas 120 orësh lëkundje të lehtë (120 rpm), shtresa e lubrifikantit në LOIS mbetet e pandryshuar, duke treguar stabilitet afatgjatë në kushte rrjedhjeje.Kjo është për shkak të afinitetit të lartë kimik midis veshjes SAM me bazë fluori dhe lubrifikantit me bazë perfluorokarbon, kështu që mund të formohet një shtresë e qëndrueshme lubrifikante.Prandaj, performanca kundër ndotjes ruhet.Përveç kësaj, substrati u testua kundër proteinave përfaqësuese (albumin dhe fibrinogjen), të cilat janë në plazmë, qeliza të lidhura ngushtë me funksionin imunitar (makrofagët dhe fibroblastet) dhe ato që lidhen me formimin e kockave.Përmbajtja e kalciumit është shumë e lartë.(Figura 3D, 1 dhe 2, dhe Figura S7) (41, 42).Përveç kësaj, imazhet e mikroskopit fluoreshent të testit të ngjitjes për fibrinogjenin, albuminën dhe kalciumin treguan karakteristika të ndryshme ngjitjeje të secilit grup substrati (Figura S8).Gjatë formimit të kockës, kockat e sapoformuara dhe shtresat e kalciumit mund të rrethojnë implantin ortopedik, gjë që jo vetëm e vështirëson heqjen, por mund të shkaktojë edhe dëm të papritur për pacientin gjatë procesit të heqjes.Prandaj, nivelet e ulëta të depozitave të kalciumit në pllakat e kockave dhe vidhat janë të dobishme për kirurgjinë ortopedike që kërkon heqjen e implantit.Bazuar në përcaktimin sasior të zonës së bashkangjitur bazuar në intensitetin e fluoreshencës dhe numrin e qelizave, ne konfirmuam se LOIS tregon veti të shkëlqyera anti-biopastuese për të gjitha substancat biologjike në krahasim me substratet e tjera.Sipas rezultateve të eksperimenteve in vitro, LOIS kundër ndotjes biologjike mund të aplikohet tek implantet ortopedike, të cilat jo vetëm mund të pengojnë infeksionet e shkaktuara nga bakteret e biofilmit, por edhe të zvogëlojnë inflamacionin e shkaktuar nga sistemi imunitar aktiv i trupit.
(A) Imazhet me mikroskop fluoreshent të secilit grup (të zhveshur, të gdhendura, SHP dhe LOIS) të inkubuara në suspensionet Pseudomonas aeruginosa dhe MRSA për 12 dhe 72 orë.(B) Numri i CFU aderente të Pseudomonas aeruginosa dhe MRSA në sipërfaqen e secilit grup.(C) Diagrami skematik i mekanizmit të ndotjes antibiologjike të gravurës afatshkurtër dhe afatgjatë, SHP dhe LOIS.(D) (1) Numri i fibroblasteve të ngjitura në çdo substrat dhe imazhet e mikroskopit fluoreshent të qelizave të ngjitura në të zhveshur dhe LOIS.(2) Testi i ngjitjes së proteinave të lidhura me imunitetin, albuminës dhe kalciumit të përfshirë në procesin e shërimit të kockave (* P <0,05, ** P <0,01, *** P <0,001 dhe **** P <0,0001).ns, jo e rëndësishme.
Në rastin e sforcimeve të përqendruara të pashmangshme, qëndrueshmëria mekanike ka qenë gjithmonë sfida kryesore për aplikimin e veshjeve kundër ndotjes.Metodat tradicionale të xhelit kundër ujërave të zeza bazohen në polimere me tretshmëri dhe brishtësi të ulët në ujë.Prandaj, ato zakonisht janë të ndjeshme ndaj stresit mekanik në aplikimet biomjekësore.Prandaj, veshjet mekanikisht të qëndrueshme kundër ndotjes mbeten një sfidë për aplikime të tilla si implantet ortopedike (43, 44).Figura 4A(1) tregon dy llojet kryesore të stresit të aplikuar në implantet ortopedike, duke përfshirë gërvishtjen (stresin e prerjes) dhe ngjeshjen me imazhin optik të implantit të dëmtuar të prodhuar nga pinca.Për shembull, kur vidhos shtrëngohet me një kaçavidë, ose kur kirurgu e mban fort pllakën e kockës me piskatore dhe aplikon forcë shtypëse, pllaka kockore plastike do të dëmtohet dhe gërvishtet si në shkallën makro ashtu edhe në mikro/nano (Figura 4A, 2) .Për të testuar nëse LOIS i prodhuar mund t'i rezistojë këtyre dëmtimeve gjatë operacionit plastik, u krye nanoindentacioni për të krahasuar fortësinë e nënshtresës së zhveshur dhe LOIS në shkallën mikro/nano për të studiuar vetitë mekanike të ndikimit të strukturës mikro/nano (Figura 4B).Diagrami skematik tregon sjelljen e ndryshme të deformimit të LOIS për shkak të pranisë së strukturave mikro/nano.Një kurbë forcë-zhvendosje u hartua bazuar në rezultatet e nanoindentacionit (Figura 4C).Imazhi blu përfaqëson nënshtresën e zhveshur, e cila tregon vetëm deformim të lehtë, siç shihet nga thellësia maksimale e dhëmbëzimit prej 0,26 μm.Nga ana tjetër, rritja graduale e forcës dhe zhvendosjes së nanoindentacionit e vërejtur në LOIS (lakorja e kuqe) mund të tregojë shenja të vetive mekanike të reduktuara, duke rezultuar në një thellësi nanoindentacioni prej 1.61μm.Kjo ndodh sepse struktura mikro/nano e pranishme në LOIS ofron një hapësirë ​​më të thellë avancimi për majën e nanoindentuesit, kështu që deformimi i tij është më i madh se ai i nënshtresës së zhveshur.Konsta-Gdoutos etj.(45) beson se për shkak të pranisë së nanostrukturave, nanoindentacioni dhe vrazhdësia mikro/nano çojnë në kthesa të parregullta të nanoindentacionit.Zona e hijezuar korrespondon me lakoren e deformimit të parregullt që i atribuohet nanostrukturës, ndërsa zona jo e hijezuar i atribuohet mikrostrukturës.Ky deformim mund të dëmtojë mikrostrukturën/nanostrukturën e lubrifikantit mbajtës dhe të ndikojë negativisht në performancën e tij kundër ndotjes.Për të studiuar ndikimin e dëmtimit në LOIS, dëmtimi i pashmangshëm i strukturave mikro/nano u përsërit në trup gjatë operacionit plastik.Duke përdorur testet e ngjitjes së gjakut dhe proteinave, mund të përcaktohet stabiliteti i vetive anti-biopastuese të LOIS pas in vitro (Figura 4D).Një seri imazhesh optike tregon dëmtimin që ka ndodhur pranë vrimave të çdo nënshtrese.Një test i ngjitjes së gjakut u krye për të demonstruar efektin e dëmtimit mekanik në veshjen anti-biopastuese (Figura 4E).Ashtu si SHP, vetitë kundër ndotjes humbasin për shkak të dëmtimit dhe LOIS shfaq veti të shkëlqyera kundër ndotjes duke zmbrapsur gjakun.Kjo ndodh sepse, për shkak se energjia sipërfaqësore drejtohet nga veprimi kapilar që mbulon zonën e dëmtuar, rrjedha në lubrifikantin lubrifikues të mikrostrukturuar rikthen vetitë kundër ndotjes (35).E njëjta tendencë u vu re në testin e ngjitjes së proteinave duke përdorur albuminën.Në zonën e dëmtuar vërehet gjerësisht ngjitja e proteinës në sipërfaqen e SHP dhe duke matur sipërfaqen e saj të mbulimit mund të kuantifikohet sa gjysma e nivelit të ngjitjes së substratit të zhveshur.Nga ana tjetër, LOIS ruajti vetitë e tij anti-biopastuese pa shkaktuar ngjitje (Figura 4, F dhe G).Për më tepër, sipërfaqja e vidës shpesh i nënshtrohet stresit të fortë mekanik, siç është shpimi, kështu që ne studiuam aftësinë e veshjes LOIS për të qëndruar e paprekur në vidhos in vitro.Figura 4H tregon imazhe optike të vidhave të ndryshme, duke përfshirë të zhveshura, SHP dhe LOIS.Drejtkëndëshi i kuq përfaqëson zonën e synuar ku ndodh stresi i fortë mekanik gjatë implantimit të kockës.Ngjashëm me testin e ngjitjes së proteinave të pllakës, një mikroskop fluoreshent përdoret për të imazhuar ngjitjen e proteinave dhe për të matur zonën e mbulimit për të vërtetuar integritetin e veshjes LOIS, edhe nën stres të fortë mekanik (Figura 4, I dhe J).Vidhat e trajtuara me LOIS shfaqin performancë të shkëlqyer kundër ndotjes dhe pothuajse asnjë proteinë nuk ngjitet në sipërfaqe.Nga ana tjetër, ngjitja e proteinave u vu re në vidhat e zhveshura dhe vidhat SHP, ku mbulimi i sipërfaqes së vidave SHP ishte një e treta e asaj të vidave të zhveshura.Përveç kësaj, implanti ortopedik i përdorur për fiksim duhet të jetë mekanikisht i fortë për të përballuar stresin e aplikuar në vendin e thyerjes, siç tregohet në figurën 4K.Prandaj, u krye një test përkuljeje për të përcaktuar efektin e modifikimit kimik në vetitë mekanike.Përveç kësaj, kjo bëhet për të ruajtur stresin fiks nga implanti.Aplikoni forcë mekanike vertikale derisa implanti të paloset plotësisht dhe të arrihet një kurbë stres-sforcim (Figura 4L, 1).Dy veti duke përfshirë modulin e Young dhe forcën përkulëse u krahasuan midis nënshtresave të zhveshura dhe LOIS si tregues të forcës së tyre mekanike (Figura 4L, 2 dhe 3).Moduli i Young tregon aftësinë e një materiali për t'i bërë ballë ndryshimeve mekanike.Moduli i Young-it për çdo substrat është përkatësisht 41,48±1,01 dhe 40,06±0,96 GPa;diferenca e vërejtur është rreth 3.4%.Gjithashtu, raportohet se forca në përkulje, e cila përcakton rezistencën e materialit, është 102,34±1,51 GPa për nënshtresën e zhveshur dhe 96,99±0,86 GPa për SHP.Substrati i zhveshur është afërsisht 5.3% më i lartë.Rënia e lehtë e vetive mekanike mund të shkaktohet nga efekti i nivelit.Në efektin notch, vrazhdësia mikro/nano mund të veprojë si një grup pikash, duke çuar në përqendrim lokal të stresit dhe duke ndikuar në vetitë mekanike të implantit (46).Megjithatë, bazuar në faktin se ngurtësia e kockës kortikale të njeriut raportohet të jetë midis 7.4 dhe 31.6 GPa, dhe moduli i matur LOIS tejkalon atë të kockës kortikale të njeriut (47), LOIS është i mjaftueshëm për të mbështetur frakturën dhe në përgjithësi. vetitë mekanike ndikohen minimalisht nga modifikimi i sipërfaqes.
(A) Diagrami skematik i (1) stresit mekanik të aplikuar në implantin ortopedik gjatë operacionit dhe (2) imazhi optik i implantit ortopedik të dëmtuar.(B) Diagrami skematik i matjes së vetive nano-mekanike me nanoindentacion dhe LOIS në sipërfaqen e zhveshur.(C) Kurba e forcës-zhvendosje e nanoindentacionit të sipërfaqes së zhveshur dhe LOIS.(D) Pas eksperimenteve in vitro, simuloni imazhet optike të llojeve të ndryshme të pllakave ortopedike (zona e dëmtuar theksohet me një drejtkëndësh të kuq) për të simuluar stresin mekanik të shkaktuar gjatë operacionit.(E) Testi i ngjitjes së gjakut dhe (F) testi i ngjitjes së proteinave të grupit të pllakës ortopedike të dëmtuar.(G) Matni sipërfaqen e mbulimit të proteinës që ngjitet në pjatë.(H) Imazhet optike të llojeve të ndryshme të vidhave ortopedike pas eksperimentit in vitro.(I) Testi i ngjitjes së proteinave për të studiuar integritetin e veshjeve të ndryshme.(J) Matni sipërfaqen e mbulimit të proteinës që ngjitet në vidë.(K) Lëvizja e lepurit ka për qëllim të gjenerojë një stres fiks në kockën e thyer.(L) (1) Përkulni rezultatet e provës dhe imazhet optike para dhe pas përkuljes.Dallimi në (2) modulin e Young dhe (3) forcën e përkuljes midis implantit të zhveshur dhe SHP.Të dhënat shprehen si mesatare ± SD (*P<0.05, **P<0.01, ***P<0.001 dhe ****P<0.0001).Imazhi me mirësjellje: Kyomin Chae, Universiteti Yonsei.
Në situatat klinike, shumica e kontaktit bakterial me materialet biologjike dhe vendet e plagëve vijnë nga biofilma të pjekur dhe të pjekur (48).Prandaj, Qendrat e SHBA për Kontrollin dhe Parandalimin e Sëmundjeve vlerësojnë se 65% e të gjitha infeksioneve njerëzore janë të lidhura me biofilmat (49).Në këtë rast, është e nevojshme të sigurohet një dizajn eksperimental in vivo që siguron formimin e qëndrueshëm të biofilmit në sipërfaqen e implantit.Prandaj, ne zhvilluam një model frakture të femurit të lepurit, në të cilin implantet ortopedike u inkubuan paraprakisht në një pezullim bakterial dhe më pas u implantuan në femuret e lepurit për të studiuar vetitë kundër ndotjes së LOIS in vivo.Për shkak të tre fakteve të rëndësishme të mëposhtme, infeksionet bakteriale shkaktohen nga parakultura dhe jo nga injektimi i drejtpërdrejtë i pezullimeve bakteriale: (i) Sistemi imunitar i lepujve është natyrshëm më i fortë se ai i njerëzve;prandaj është i mundur injektimi i suspensioneve bakteriale dhe baktereve planktonike Nuk ka efekt në formimin e biofilmave.(Ii) Bakteret planktonike janë më të ndjeshme ndaj antibiotikëve dhe antibiotikët zakonisht përdoren pas operacionit;më në fund, (iii) suspensioni i baktereve planktonike mund të hollohet nga lëngjet trupore të kafshës (50).Duke e kultivuar paraprakisht implantin në një suspension bakterial përpara implantimit, ne mund të studiojmë tërësisht efektet e dëmshme të infeksionit bakterial dhe reagimit të trupit të huaj (FBR) në procesin e shërimit të kockave.Lepujt u sakrifikuan 4 javë pas implantimit, sepse osseointegrimi thelbësor për procesin e shërimit të kockave do të përfundojë brenda 4 javësh.Më pas, implantet u hoqën nga lepujt për studime në rrjedhën e poshtme.Figura 5A tregon mekanizmin e përhapjes së baktereve.Implanti ortopedik i infektuar futet në trup.Si rezultat i para-inkubacionit në suspension bakterial, gjashtë nga gjashtë lepujt e implantuar me implante lakuriq u infektuan, ndërsa asnjë nga lepujt e implantuar me implante të trajtuara me LOIS nuk u infektua.Infeksionet bakteriale vazhdojnë në tre hapa, duke përfshirë rritjen, maturimin dhe shpërndarjen (51).Së pari, bakteret e bashkangjitura riprodhohen dhe rriten në sipërfaqe, dhe më pas bakteret formojnë një biofilm kur nxjerrin polimerin jashtëqelizor (EPS), amiloidin dhe ADN-në jashtëqelizore.Biofilmi jo vetëm që ndërhyn në depërtimin e antibiotikëve, por gjithashtu nxit akumulimin e enzimave degraduese të antibiotikëve (siç është β-laktamaza) (52).Së fundi, biofilmi përhap bakteret e pjekura në indet përreth.Prandaj, ndodh infeksioni.Përveç kësaj, kur një trup i huaj hyn në trup, një infeksion që mund të shkaktojë një përgjigje të fortë imune mund të shkaktojë inflamacion të rëndë, dhimbje dhe ulje të imunitetit.Figura 5B jep një pasqyrë të FBR të shkaktuar nga futja e një implanti ortopedik, në vend të përgjigjes imune të shkaktuar nga një infeksion bakterial.Sistemi imunitar e njeh implantin e futur si një trup të huaj dhe më pas bën që qelizat dhe indet të reagojnë për të kapsuluar trupin e huaj (53).Në ditët e para të FBR, një matricë furnizimi u formua në sipërfaqen e implanteve ortopedike, e cila rezultoi në adsorbimin e fibrinogjenit.Fibrinogjeni i përthithur më pas formon një rrjet fibrine shumë të dendur, i cili promovon ngjitjen e leukociteve (54).Pasi të formohet rrjeti i fibrinës, do të ndodhë inflamacioni akut për shkak të infiltrimit të neutrofileve.Në këtë hap, një shumëllojshmëri citokinash si faktori i nekrozës së tumorit-α (TNF-α), interleukin-4 (IL-4) dhe IL-β çlirohen dhe monocitet fillojnë të infiltrojnë vendin e implantimit dhe të diferencohen në qeliza gjigante.Fag (41, 55, 56).Reduktimi i FBR ka qenë gjithmonë një sfidë sepse FBR e tepërt mund të shkaktojë inflamacion akut dhe kronik, i cili mund të çojë në komplikime fatale.Për të vlerësuar ndikimin e infeksioneve bakteriale në indet që rrethojnë implantin e zhveshur dhe LOIS, u përdorën ngjyrosje hematoksilin dhe eozinë (H&E) dhe Masson trichrom (MT).Për lepujt e implantuar me substrate të zhveshura, infeksionet e rënda bakteriale përparuan dhe rrëshqitjet e indeve H&E treguan qartë abscese dhe nekrozë të shkaktuar nga inflamacioni.Nga ana tjetër, sipërfaqja jashtëzakonisht e fortë anti-biopastuese LOIS pengon ngjitjen bakteriale, kështu që nuk tregon shenja infeksioni dhe redukton inflamacionin (Figura 5C).Rezultatet e ngjyrosjes MT treguan të njëjtin trend.Megjithatë, ngjyrosja MT tregoi gjithashtu edemë në lepujt e implantuar me LOIS, duke treguar se rikuperimi do të ndodhë (Figura 5D).Për të studiuar shkallën e përgjigjes imune, u krye ngjyrosja imunohistokimike (IHC) duke përdorur citokina TNF-α dhe IL-6 të lidhura me përgjigjen imune.Një implant negativ negativ i zhveshur që nuk ishte i ekspozuar ndaj baktereve u krahasua me një LOIS që ishte i ekspozuar ndaj baktereve, por jo i infektuar për të studiuar procesin e shërimit në mungesë të infeksionit bakterial.Figura 5E tregon një imazh optik të një rrëshqitjeje IHC që shpreh TNF-α.Zona kafe përfaqëson përgjigjen imune, duke treguar se përgjigja imune në LOIS është pakësuar.Përveç kësaj, shprehja e IL-6 në LOIS ishte dukshëm më e vogël se shprehja negative e zhveshjes sterile (Figura 5F).Shprehja e citokinës u përcaktua në sasi duke matur zonën e ngjyrosjes së antitrupave që korrespondon me citokinën (Figura 5G).Krahasuar me lepujt e ekspozuar ndaj implanteve negative, nivelet e shprehjes së lepujve të implantuar me LOIS ishin më të ulëta, duke treguar një ndryshim domethënës.Ulja e shprehjes së citokinës tregon se vetitë afatgjatë dhe të qëndrueshme kundër ndotjes së LOIS nuk lidhen vetëm me frenimin e infeksioneve bakteriale, por edhe me uljen e FBR, e cila nxitet nga makrofagët që ngjiten në substrat (53, 57, 58).Prandaj, reduktimi i përgjigjes imune për shkak të vetive të evazionit imunitar të LOIS mund të zgjidhë efektet anësore pas implantimit, siç është përgjigja e tepërt imune pas operacionit plastik.
(A) Një diagram skematik i mekanizmit të formimit dhe përhapjes së biofilmit në sipërfaqen e një implanti ortopedik të infektuar.eADN, ADN jashtëqelizore.(B) Diagrami skematik i përgjigjes imune pas futjes së implantit ortopedik.(C) Ngjyrosja H&E dhe (D) ngjyrosja MT e indeve përreth të implanteve ortopedike me pozitiv të zhveshur dhe LOIS.IHC i citokinave të lidhura me imunitetin (E) TNF-α dhe (F) IL-6 janë imazhe të ngjyrosura të lepujve të zhveshur-negativë dhe të implantuar me LOIS.(G) Kuantifikimi i shprehjes së citokinës sipas matjes së mbulimit të zonës (** P <0.01).
Biokompatibiliteti i LOIS dhe efekti i tij në procesin e shërimit të kockave u ekzaminuan in vivo duke përdorur imazhe diagnostikuese [tomografi me rreze X dhe mikrokompjuterike (CT)] dhe osteoklast IHC.Figura 6A tregon procesin e shërimit të kockave që përfshin tre faza të ndryshme: inflamacion, riparim dhe rimodelim.Kur ndodh një frakturë, qelizat inflamatore dhe fibroblastet do të depërtojnë në kockën e thyer dhe do të fillojnë të rriten në indin vaskular.Gjatë fazës së riparimit, rritja e brendshme e indit vaskular përhapet pranë vendit të thyerjes.Indi vaskular siguron lëndë ushqyese për formimin e kockës së re, e cila quhet kallus.Faza e fundit e procesit të shërimit të kockave është faza e rimodelimit, në të cilën madhësia e kallusit zvogëlohet në madhësinë e kockës normale me ndihmën e rritjes së nivelit të osteoklasteve të aktivizuara (59).Rindërtimi tredimensional (3D) i vendit të frakturës u krye duke përdorur skanime mikro-CT për të vëzhguar ndryshimet në nivelin e formimit të kallusit në secilin grup.Vëzhgoni seksionin kryq të femurit për të vëzhguar trashësinë e kallusit që rrethon kockën e thyer (Figura 6, B dhe C).Rrezet X u përdorën gjithashtu për të ekzaminuar vendet e thyerjes së të gjitha grupeve çdo javë për të vëzhguar proceset e ndryshme të rigjenerimit të kockave në secilin grup (Figura S9).Kallusi dhe kockat e pjekura tregohen respektivisht në ngjyrë blu/jeshile dhe fildishi.Shumica e indeve të buta filtrohen me një prag të paracaktuar.Nudo pozitiv dhe SHP konfirmoi formimin e një sasie të vogël kallusi rreth vendit të frakturës.Nga ana tjetër, negativi i ekspozuar i LOIS dhe vendi i frakturës janë të rrethuar nga kallus i trashë.Imazhet me mikro-CT treguan se formimi i kallusit pengohej nga infeksioni bakterial dhe inflamacioni i lidhur me infeksionin.Kjo është për shkak se sistemi imunitar i jep përparësi shërimit të lëndimeve septike të shkaktuara nga inflamacioni i lidhur me infeksionin, në vend të rikuperimit të kockave (60).Ngjyrosja e IHC dhe Acid Fosfatazës rezistente ndaj tartratit (TRAP) u krye për të vëzhguar aktivitetin e osteoklasteve dhe resorbimin e kockave (Figura 6D) (61).Vetëm disa osteoklast të aktivizuar të ngjyrosur me ngjyrë vjollce u gjetën në pozitivë të zhveshur dhe SHP.Nga ana tjetër, shumë osteoklastë të aktivizuar u vunë re pranë kockave të zhveshura pozitive dhe të pjekura të LOIS.Ky fenomen tregon se në prani të osteoklasteve, kallusi rreth vendit të thyerjes po kalon një proces të dhunshëm rimodelimi (62).Vëllimi i kockës dhe zona e shprehjes së osteoklasteve të kallusit u matën për të krahasuar nivelin e formimit të kallusit rreth vendit të thyerjes në të gjitha grupet, në mënyrë që të përcaktohen sasia e mikro-CT skanimit dhe rezultatet e IHC (Figura 6E, 1 dhe 2).Siç pritej, negativët e zhveshur dhe formimi i kallusit në LOIS ishin dukshëm më të larta se në grupet e tjera, duke treguar se ka ndodhur rimodelimi pozitiv i kockave (63).Figura S10 tregon imazhin optik të vendit kirurgjik, rezultatin e ngjyrosjes MT të indit të mbledhur pranë vidës dhe rezultatin e ngjyrosjes TRAP që thekson ndërfaqen vidë-kockë.Në substratin e zhveshur, u vu re formimi i kaluseve të forta dhe fibrozës, ndërsa implanti i trajtuar me LOIS tregoi një sipërfaqe relativisht të pa ngjitur.Në mënyrë të ngjashme, krahasuar me negativët e zhveshur, fibrozë më e ulët u vu re te lepujt e implantuar me LOIS, siç tregohet nga shigjetat e bardha.Përveç kësaj, edema e fortë (shigjeta blu) mund t'i atribuohet vetive të evazionit imunitar të LOIS, duke reduktuar kështu inflamacionin e rëndë.Sipërfaqja jo ngjitëse rreth implantit dhe fibroza e reduktuar sugjerojnë se procesi i heqjes është më i lehtë, gjë që zakonisht rezulton në fraktura të tjera ose inflamacion.Procesi i shërimit të kockave pas heqjes së vidës u vlerësua nga aktiviteti i osteoklasteve në ndërfaqen vidë-kockë.Si kocka e zhveshur, ashtu edhe ndërfaqja e implantit LOIS absorbuan nivele të ngjashme të osteoklasteve për shërimin e mëtejshëm të kockave, duke treguar se veshja LOIS nuk ka efekt negativ në shërimin e kockave ose në përgjigjen imune.Për të konfirmuar se modifikimi i sipërfaqes i kryer në LOIS nuk ndërhyn në procesin e shërimit të kockave, u përdor ekzaminimi me rreze X për të krahasuar shërimin e kockave të lepujve me jone negative të ekspozuar dhe 6 javë të implantimit LOIS (Figura 6F).Rezultatet treguan se krahasuar me grupin pozitiv nudo të pa infektuar, LOIS tregoi të njëjtën shkallë të shërimit të kockave dhe nuk kishte shenja të dukshme frakture (linja e vazhdueshme e osteolizës) në të dy grupet.
(A) Diagrami skematik i procesit të shërimit të kockave pas frakturës.(B) Ndryshimi në shkallën e formimit të kallusit të secilit grup sipërfaqësor dhe (C) imazhi i prerjes tërthore të vendit të thyerjes.(D) Ngjyrosja TRAP për të vizualizuar aktivitetin e osteoklasteve dhe resorbimin e kockave.Bazuar në aktivitetin TRAP, formimi i kallusit të jashtëm të kockës kortikale u analizua në mënyrë sasiore nga (E) (1) mikro-CT dhe (2) aktiviteti i osteoklasteve.(F) 6 javë pas implantimit, imazhe me rreze X të kockës së thyer të negativit të ekspozuar (të theksuar nga drejtkëndëshi me pika të kuqe) dhe LOIS (të theksuara nga drejtkëndëshi blu me pika).Analiza statistikore u krye me anë të analizës së variancës në një drejtim (ANOVA).* P <0,05.** P <0,01.
Shkurtimisht, LOIS ofron një lloj të ri të strategjisë së infeksionit antibakterial dhe veshjes së shpëtimit imunitar për implantet ortopedike.Implantet ortopedike konvencionale me funksionalizimin e SHP-së shfaqin veti afatshkurtëra anti-biopastuese, por nuk mund të ruajnë vetitë e tyre për një kohë të gjatë.Superhidrofobia e substratit bllokon flluska ajri midis baktereve dhe substratit, duke formuar kështu xhepa ajri, duke parandaluar kështu infeksionin bakterial.Megjithatë, për shkak të përhapjes së ajrit, këto xhepa ajri hiqen lehtësisht.Nga ana tjetër, LOIS ka vërtetuar mirë aftësinë e tij për të parandaluar infeksionet e lidhura me biofilm.Prandaj, për shkak të vetive anti-refuzuese të shtresës lubrifikante të injektuar në sipërfaqen e strukturës mikro/nano me shtresa, inflamacioni i lidhur me infeksionin mund të parandalohet.Metoda të ndryshme karakterizimi duke përfshirë matjet SEM, AFM, XPS dhe CA përdoren për të optimizuar kushtet e prodhimit LOIS.Përveç kësaj, LOIS mund të aplikohet edhe në materiale të ndryshme biologjike që përdoren zakonisht në pajisjet e fiksimit ortopedik, si PLGA, Ti, PE, POM dhe PPSU.Më pas, LOIS u testua in vitro për të vërtetuar vetitë e tij anti-biopastuese kundër baktereve dhe substancave biologjike që lidhen me përgjigjen imune.Rezultatet tregojnë se ka efekte të shkëlqyera antibakteriale dhe anti-biopastuese në krahasim me implantin e zhveshur.Përveç kësaj, LOIS tregon forcë mekanike edhe pas aplikimit të stresit mekanik, i cili është i pashmangshëm në kirurgjinë plastike.Për shkak të vetive vetë-shëruese të lubrifikantit në sipërfaqen e strukturës mikro/nano, LOIS ruajti me sukses vetitë e tij të ndotjes anti-biologjike.Për të studiuar biokompatibilitetin dhe vetitë antibakteriale të LOIS in vivo, LOIS u implantua në femurin e lepurit për 4 javë.Asnjë infeksion bakterial nuk u vu re në lepujt e implantuar me LOIS.Përveç kësaj, përdorimi i IHC demonstroi një nivel të reduktuar të përgjigjes imune lokale, duke treguar se LOIS nuk pengon procesin e shërimit të kockave.LOIS shfaq veti të shkëlqyera antibakteriale dhe të evazionit imunitar dhe është vërtetuar se parandalon në mënyrë efektive formimin e biofilmit para dhe gjatë operacionit ortopedik, veçanërisht për sintezën e kockave.Duke përdorur një model frakture inflamatore femorale të palcës kockore të lepurit, u studiua thellësisht efekti i infeksioneve të lidhura me biofilmin në procesin e shërimit të kockave të shkaktuara nga implantet e para-inkubuara.Si një studim i ardhshëm, nevojitet një model i ri in vivo për të studiuar infeksionet e mundshme pas implantimit për të kuptuar dhe parandaluar plotësisht infeksionet e lidhura me biofilmin gjatë gjithë procesit të shërimit.Përveç kësaj, osteoinduksioni është ende një sfidë e pazgjidhur në integrimin me LOIS.Nevojiten kërkime të mëtejshme për të kombinuar ngjitjen selektive të qelizave osteoinduktive ose mjekësinë rigjeneruese me LOIS për të kapërcyer sfidën.Në përgjithësi, LOIS përfaqëson një shtresë premtuese implanti ortopedik me qëndrueshmëri mekanike dhe veti të shkëlqyera anti-biopastuese, të cilat mund të reduktojnë SSI dhe efektet anësore imune.
Lani nënshtresën 15mm x 15mm x 1mm 304 SS (Dong Kang M-Tech Co., Korea) në ujë aceton, EtOH dhe DI për 15 minuta për të hequr ndotësit.Për të formuar një strukturë në nivel mikro/nano në sipërfaqe, nënshtresa e pastruar zhytet në një zgjidhje 48% deri në 51% HF (DUKSAN Corp., Koreja e Jugut) në 50°C.Koha e gdhendjes varion nga 0 në 60 minuta.Më pas, nënshtresa e etched u pastrua me ujë të deionizuar dhe u vendos në një tretësirë ​​65% HNO3 (Korea DUKSAN Corp.) në 50°C për 30 minuta për të formuar një shtresë pasivimi të oksidit të kromit në sipërfaqe.Pas pasivimit, nënshtresa lahet me ujë të dejonizuar dhe thahet për të përftuar një nënshtresë me strukturë shtresore.Më pas, substrati u ekspozua ndaj plazmës së oksigjenit (100 W, 3 minuta) dhe u zhyt menjëherë në një tretësirë ​​prej 8,88 mM POTS (Sigma-Aldrich, Gjermani) në toluen në temperaturën e dhomës për 12 orë.Më pas, nënshtresa e veshur me POTS u pastrua me EtOH dhe u pjek në 150°C për 2 orë për të marrë një POTS SAM të dendur.Pas veshjes SAM, në nënshtresë u formua një shtresë lubrifikanti duke aplikuar një lubrifikant perfluoropolieter (Krytox 101; DuPont, USA) me një vëllim ngarkimi 20 μm/cm 2. Para përdorimit, filtroni lubrifikantin përmes një filtri 0,2 mikron.Hiqni lubrifikantin e tepërt duke e anuar në një kënd 45° për 15 minuta.E njëjta procedurë prodhimi u përdor për implantet ortopedike të bëra nga 304 SS (pllakë mbyllëse dhe vidë mbyllëse kortikale; Dong Kang M-Tech Co., Korea).Të gjitha implantet ortopedike janë krijuar për t'iu përshtatur gjeometrisë së femurit të lepurit.
Morfologjia e sipërfaqes së substratit dhe implanteve ortopedike u inspektua me emetim në terren SEM (Inspect F50, FEI, USA) dhe AFM (XE-100, Park Systems, Koreja e Jugut).Vrazhdësia e sipërfaqes (Ra, Rq) matet duke shumëzuar sipërfaqen prej 20 μm me 20 μm (n=4).Një sistem XPS (PHI 5000 VersaProbe, ULVAC PHI, Japoni) i pajisur me një burim rrezesh X Al Kα me një madhësi pikësh prej 100μm2 u përdor për të analizuar përbërjen kimike të sipërfaqes.Një sistem matjeje CA i pajisur me një kamerë dinamike të kapjes së imazhit (SmartDrop, FEMTOBIOMED, ​​Korea e Jugut) u përdor për të matur CA dhe SA të lëngshme.Për çdo matje, 6 deri në 10 μl pika (uji i dejonizuar, gjak i kalit, EG, 30% etanol dhe HD) vendosen në sipërfaqe për të matur CA.Kur këndi i prirjes së nënshtresës rritet me një shpejtësi prej 2°/s (n = 4), SA matet kur pika bie.
Pseudomonas aeruginosa [American Type Culture Collection (ATCC) 27853] dhe MRSA (ATCC 25923) u blenë nga ATCC (Manassas, Virginia, USA) dhe kultura e aksioneve u mbajt në -80°C.Para përdorimit, kultura e ngrirë u inkubua në lëngun e sojës të shkrirë me tripsinë (Komed, Kore) në 37°C për 18 orë dhe më pas u transferua dy herë për ta aktivizuar.Pas inkubimit, kultura u centrifugua në 10,000 rpm për 10 minuta në 4°C dhe u la dy herë me një zgjidhje PBS (pH 7.3).Kultura e centrifuguar më pas nënkulturohet në pllaka gjaku agar (BAP).MRSA dhe Pseudomonas aeruginosa u përgatitën gjatë natës dhe u kultivuan në lëngun Luria-Bertani.Përqendrimi i Pseudomonas aeruginosa dhe MRSA në inokulum u përcaktua në mënyrë sasiore nga CFU e suspensionit në hollimet serike në agar.Më pas, rregulloni përqendrimin e baktereve në standardin 0,5 McFarland, që është ekuivalent me 108 CFU/ml.Më pas holloni suspensionin bakterial të punës 100 herë në 106 CFU/ml.Për të testuar vetitë e ngjitjes antibakteriale, nënshtresa u sterilizua në 121°C për 15 minuta përpara përdorimit.Substrati u transferua më pas në 25 ml suspension bakterial dhe u inkubua në 37°C me lëkundje të fuqishme (200 rpm) për 12 dhe 72 orë.Pas inkubimit, çdo substrat u hoq nga inkubatori dhe u la 3 herë me PBS për të hequr çdo bakter që lundronte në sipërfaqe.Për të vëzhguar biofilmin në substrat, biofilmi u fiksua me metanol dhe u ngjyros me 1 ml portokalli crimidine për 2 minuta.Pastaj një mikroskop fluoreshent (BX51TR, Olympus, Japoni) u përdor për të bërë fotografi të biofilmit të njollosur.Për të vlerësuar sasinë e biofilmit në substrat, qelizat e ngjitura u ndanë nga nënshtresa me metodën e vorbullës së rruazave, e cila u konsiderua si metoda më e përshtatshme për të hequr bakteret e ngjitura (n = 4).Duke përdorur pincetë sterile, hiqni substratin nga mjedisi i rritjes dhe prekni pllakën e pusit për të hequr lëngun e tepërt.Qelizat e lidhura lirshëm u hoqën duke u larë dy herë me PBS steril.Çdo substrat u transferua më pas në një epruvetë sterile që përmban 9 ml 0,1% proteinë ept fiziologjike (PSW) dhe 2 g 20 deri në 25 rruaza qelqi sterile (0,4 deri në 0,5 mm në diametër).Më pas u rrotullua për 3 minuta për të shkëputur qelizat nga kampioni.Pas vorbullimit, suspensioni u hollua në mënyrë serike 10-fish me 0.1% PSW dhe më pas 0.1 ml nga secili hollim u inokulua në BAP.Pas 24 orësh inkubimi në 37°C, CFU u numërua manualisht.
Për qelizat, janë përdorur fibroblastet e miut NIH/3T3 (CRL-1658; American ATCC) dhe makrofagët e miut RAW 264.7 (TIB-71; American ATCC).Përdorni mediumin Eagle të modifikuar nga Dulbecco (DMEM; LM001-05, Welgene, Kore) për të kultivuar fibroblaste miu dhe plotësoni me 10% serum viçi (S103-01, Welgene) dhe 1% penicilinë-streptomicinë (PS ; LS202-02, Wegenel Përdorni DMEM për të kultivuar makrofagët e miut, të plotësuar me 10% serum të fetusit (S001-01, Welgene) dhe 1% PS. Qelizat u inkubuan gjatë natës në 37°C dhe 5% CO2 Për ngjyrosjen e qelizave, qelizat u fiksuan me 4% paraformaldehid për 20 minuta dhe u vendosën në 0.5% Triton X Inkubate për 5 minuta në -100 në 37°C për 30 minuta, përdorni substratin me 4′,6-diamino-2-fenilindol (H -1200, Vector Laboratories, UK) medium fiksues VECTASHIELD (n = 4 për qelizë). , fluorescein, fluorescein isotiocyanate-albumin (A9771, Sigma-Aldrich, Gjermani) dhe plazma e njeriut Fibrinogjeni i konjuguar me Alexa Fluor 488 (F13191, Invitrogen, USA) u tret në PBS (10.7 mM, pH).Përqendrimet e albuminës dhe fibrinogjenit ishin përkatësisht 1 dhe 150 μg/ml.Pas substratit Përpara se t'i zhytni në tretësirën e proteinave, shpëlajini ato me PBS për të rihidratuar sipërfaqen.Më pas zhytni të gjitha substratet në një pjatë me gjashtë puse që përmban tretësirën e proteinës dhe inkuboni në 37°C për 30 dhe 90 minuta.Pas inkubimit, substrati u hoq më pas nga tretësira e proteinës, u la butësisht me PBS 3 herë dhe u fiksua me 4% paraformaldehid (n = 4 për secilën proteinë).Për kalciumin, klorur natriumi (0,21 M) dhe fosfat kaliumi (3,77 mM) u tretën në ujë të dejonizuar.PH e tretësirës u rregullua në 2.0 duke shtuar tretësirë ​​hidroklorur (1M).Më pas në tretësirë ​​u tret klorur kalciumi (5,62 mM).Duke shtuar 1M tris(hidroksimetil)-amino Metani rregullon pH-në e tretësirës në 7.4.Zhytni të gjitha nënshtresat në një pjatë me gjashtë pusi të mbushur me tretësirë ​​1,5× fosfat kalciumi dhe hiqeni nga tretësira pas 30 minutash.Për ngjyrosjen, 2 g Alizarin Red S (CI 58005) Përzieni me 100 ml ujë të deionizuar.Më pas, përdorni 10% hidroksid amoniumi për të rregulluar pH-në në 4. Ngjyrosni substratin me tretësirë ​​Alizarin Red për 5 minuta dhe më pas shkundni ngjyrën e tepërt dhe pastroni.Pas procesit të tundjes, hiqni nënshtresën.Materiali dehidratohet, më pas zhytet në aceton për 5 minuta, më pas zhytet në një tretësirë ​​aceton-ksilen (1:1) për 5 minuta dhe në fund lahet me ksilen (n = 4).Përdoret mikroskop fluoreshent (Axio Imager) me lente objektive ×10 dhe ×20..A2m, Zeiss, Gjermani) imazhon të gjitha nënshtresat.ImageJ/FIJI (https://imagej.nih.gov/ij/) u përdor për të përcaktuar sasinë e të dhënave të ngjitjes së substancave biologjike në secilin grup prej katër zonave të ndryshme imazherike.Konvertoni të gjitha imazhet në imazhe binare me pragje fikse për krahasimin e substratit.
Një mikroskop konfokal Zeiss LSM 700 u përdor për të monitoruar qëndrueshmërinë e shtresës lubrifikuese në PBS në modalitetin e reflektimit.Mostra e qelqit e veshur me SAM me bazë fluor me një shtresë lubrifikuese të injektuar u zhyt në një zgjidhje PBS dhe u testua duke përdorur një tundës orbital (SHO-1D; Daihan Scientific, Koreja e Jugut) në kushte të buta lëkundjeje (120 rpm).Më pas merrni kampionin dhe monitoroni humbjen e lubrifikantit duke matur humbjen e dritës së reflektuar.Për të marrë imazhe fluoreshence në modalitetin e reflektimit, kampioni ekspozohet ndaj një lazeri 633 nm dhe më pas mblidhet, sepse drita do të reflektohet prapa nga kampioni.Mostrat janë matur në intervale kohore prej 0, 30, 60 dhe 120 orë.
Për të përcaktuar ndikimin e procesit të modifikimit të sipërfaqes në vetitë nanomekanike të implanteve ortopedike, një nanoindenter (TI 950 TriboIndenter, Hysitron, USA) i pajisur me një majë diamanti Berkovich në formë piramide me tre anë u përdor për të matur nanoindenedionin.Ngarkesa maksimale është 10 mN dhe sipërfaqja është 100μmx 100μm.Për të gjitha matjet, koha e ngarkimit dhe shkarkimit është 10 s, dhe koha e mbajtjes nën ngarkesën maksimale të dhëmbëzimit është 2 s.Merrni matje nga pesë vende të ndryshme dhe merrni mesataren.Për të vlerësuar performancën e forcës mekanike nën ngarkesë, u krye një test tërthor përkuljeje me tre pika duke përdorur një makinë testimi universal (Instron 5966, Instron, SHBA).Nënshtresa është e ngjeshur me një shpejtësi konstante prej 10 N/s me një ngarkesë të rritur.Programi softuer Bluehill Universal (n = 3) është përdorur për të llogaritur modulin e përkuljes dhe stresin maksimal të shtypjes.
Për të simuluar procesin e operimit dhe dëmtimin mekanik të shkaktuar gjatë operacionit, procesi i operacionit u krye in vitro.Femuret u mblodhën nga lepujt e bardhë të ekzekutuar nga Zelanda e Re.Femuri u pastrua dhe u fiksua në 4% paraformaldehid për 1 javë.Siç përshkruhet në metodën e eksperimentit me kafshë, femuri i fiksuar u operua në mënyrë kirurgjikale.Pas operacionit, implanti ortopedik u zhyt në gjak (gjak kali, KISAN, Kore) për 10 s për të konfirmuar nëse ngjitjet e gjakut ndodhën pas aplikimit të dëmtimit mekanik (n = 3).
Një total prej 24 lepujsh të bardhë meshkuj nga Zelanda e Re (pesha 3.0 deri në 3.5 kg, mosha mesatare 6 muaj) u ndanë rastësisht në katër grupe: nudo negativ, nudo pozitiv, SHP dhe LOIS.Të gjitha procedurat që përfshijnë kafshët u kryen në përputhje me standardet etike të Komitetit Institucional të Kujdesit dhe Përdorimit të Kafshëve (miratuar nga IACUC, KOREA-2017-0159).Implanti ortopedik përbëhet nga një pllakë mbyllëse me pesë vrima (gjatësia 41 mm, gjerësia 7 mm dhe trashësia 2 mm) dhe vida mbyllëse kortikale (gjatësia 12 mm, diametri 2,7 mm) për fiksimin e frakturës.Përveç atyre pllakave dhe vidhave të përdorura në grupin e zhveshur negativ, të gjitha pllakat dhe vidhat u inkubuan në suspension MRSA (106 CFU/ml) për 12 orë.Grupi lakuriq-negativ (n=6) u trajtua me implante sipërfaqësore lakuriq pa ekspozim ndaj suspensionit bakterial, si një kontroll negativ për infeksionin.Grupi i zhveshur pozitiv (n = 6) u trajtua me një implant të sipërfaqes së zhveshur të ekspozuar ndaj baktereve si një kontroll pozitiv për infeksionin.Grupi SHP (n = 6) u trajtua me implante SHP të ekspozuara bakteriale.Së fundi, grupi LOIS u trajtua me implante LOIS të ekspozuara ndaj baktereve (n = 6).Të gjitha kafshët mbahen në një kafaz dhe sigurohet shumë ushqim dhe ujë.Para operacionit, lepujt u agjëruan për 12 orë.Kafshët u anestezuan me injeksion intramuskular të ksilazinës (5 mg/kg) dhe injeksion intravenoz të paklitakselit (3 mg/kg) për induksion.Pas kësaj, shpërndani 2% izofluran dhe 50% deri në 70% oksigjen mjekësor (shkalla e rrjedhjes 2 L/min) përmes sistemit të frymëmarrjes për të ruajtur anestezinë.Implantohet përmes një qasjeje të drejtpërdrejtë në femurin anësor.Pas heqjes së qimeve dhe dezinfektimit me povidone-jod të lëkurës, është bërë një prerje rreth 6 cm e gjatë në pjesën e jashtme të femurit të mesëm të majtë.Duke hapur hendekun midis muskujve që mbulojnë femurin, femuri ekspozohet plotësisht.Vendoseni pllakën përpara boshtit femoral dhe rregulloni atë me katër vida.Pas fiksimit, përdorni një teh sharre (1 mm i trashë) për të krijuar artificialisht një thyerje në zonën midis vrimës së dytë dhe vrimës së katërt.Në përfundim të operacionit, plaga është larë me kripë dhe është mbyllur me sutura.Secilit lepur u injektua në mënyrë subkutane me enrofloxacin (5 mg/kg) të holluar një të tretën në kripë.Në të gjitha kafshët (0, 7, 14, 21, 28 dhe 42 ditë) u morën rreze X të femurit pas operacionit për të konfirmuar osteotominë e kockës.Pas anestezisë së thellë, të gjitha kafshët u vranë me KCl intravenoze (2 mmol/kg) në ditët 28 dhe 42.Pas ekzekutimit, femuri u skanua me mikro-CT për të vëzhguar dhe krahasuar procesin e shërimit të kockave dhe formimin e kockave të reja midis katër grupeve.
Pas ekzekutimit u mblodhën indet e buta që ishin në kontakt të drejtpërdrejtë me implantet ortopedike.Indi u fiksua në formalinë neutrale 10% gjatë natës dhe më pas u dehidratua në EtOH.Indi i dehidratuar u fut në parafinë dhe u pre në një trashësi prej 40 μm duke përdorur një mikrotomë (400CS; EXAKT, Gjermani).Për të vizualizuar infeksionin, u krye ngjyrosja H&E dhe ngjyrosja MT.Për të kontrolluar përgjigjen e bujtësit, indi i seksionuar u inkubua me antitrup primar anti-TNF-α lepuri (AB6671, Abcam, USA) dhe anti-IL-6 lepuri (AB6672; Abcam, USA) dhe më pas u trajtua me rrikë.Oksidaza.Aplikoni sistemin e ngjyrosjes së kompleksit avidin-biotin (ABC) në seksione sipas udhëzimeve të prodhuesit.Për t'u shfaqur si një produkt reaksioni kafe, 3,3-diaminobenzidina është përdorur në të gjitha pjesët.Një skaner dixhital i rrëshqitjes (Panoramic 250 Flash III, 3DHISTECH, Hungari) u përdor për të vizualizuar të gjitha pjesët dhe të paktën katër nënshtresa në secilin grup u analizuan nga softueri ImageJ.
Imazhet me rreze X u morën në të gjitha kafshët pas operacionit dhe çdo javë për të monitoruar shërimin e frakturave (n=6 për grup).Pas ekzekutimit, mikro-CT me rezolucion të lartë u përdor për të llogaritur formimin e kallusit rreth femurit pas shërimit.Femuri i marrë u pastrua, u fiksua në 4% paraformaldehid për 3 ditë dhe u dehidratua në 75% etanol.Kockat e dehidratuara më pas u skanuan duke përdorur mikro-CT (SkyScan 1173, Brooke Micro-CT, Kandy, Belgjikë) për të gjeneruar imazhe vokseli 3D (2240×2240 piksele) të mostrës së kockës.Përdorni filtër Al 1,0 mm për të reduktuar zhurmën e sinjalit dhe aplikoni rezolucion të lartë në të gjitha skanimet (E = 133 kVp, I = 60 μA, koha e integrimit = 500 ms).Softueri Nrecon (versioni 1.6.9.8, Bruker microCT, Kontich, Belgjikë) u përdor për të gjeneruar një vëllim 3D të kampionit të skanuar nga projeksioni anësor 2D i fituar.Për analizë, imazhi i rindërtuar 3D ndahet në kube 10mm×10mm×10mm sipas vendit të thyerjes.Llogaritni kallusin jashtë kockës kortikale.Softueri DataViewer (versioni 1.5.1.2; Bruker microCT, Kontich, Belgium) është përdorur për të ridrejtuar në mënyrë dixhitale vëllimin e kockës së skanuar dhe për analizë është përdorur softueri CT-Analyzer (versioni 1.14.4.1; Bruker microCT, Kontich, Belgium).Koeficientët relativ të përthithjes së rrezeve X në kockën e pjekur dhe kallusin dallohen nga dendësia e tyre, dhe më pas vëllimi i kallusit përcaktohet në sasi (n = 4).Për të konfirmuar se biokompatibiliteti i LOIS nuk e vonon procesin e shërimit të kockave, u kryen analiza shtesë me rreze X dhe mikro-CT në dy lepuj: grupet lakuriqe-negative dhe LOIS.Të dy grupet u ekzekutuan në javën e 6-të.
Femuret nga kafshët e flijuara u mblodhën dhe u fiksuan në 4% paraformaldehid për 3 ditë.Implanti ortopedik më pas hiqet me kujdes nga femuri.Femuri u dekalcifikuar për 21 ditë duke përdorur 0.5 M EDTA (EC-900, National Diagnostics Corporation).Pastaj femuri i dekalcifikuar u zhyt në EtOH për ta bërë atë të dehidratuar.Femuri i dehidratuar u hoq në ksilen dhe u fut në parafinë.Më pas kampioni u pre në feta me një mikrotom rrotullues automatik (Leica RM2255, Leica Biosystems, Gjermani) me trashësi 3 μm.Për ngjyrosjen TRAP (F6760, Sigma-Aldrich, Gjermani), mostrat e seksionuara u deparafinizuan, u rihidratuan dhe u inkubuan në reagentin TRAP në 37°C për 1 orë.Imazhet u morën duke përdorur një skaner rrëshqitës (Panoramic 250 Flash III, 3DHISTECH, Hungari) dhe u përcaktuan sasior duke matur mbulimin e zonës së zonës së njollosur.Në çdo eksperiment, të paktën katër substrate në secilin grup u analizuan nga softueri ImageJ.
Analiza e rëndësisë statistikore u krye duke përdorur GraphPad Prism (GraphPad Software Inc., USA).Për të testuar dallimet ndërmjet grupeve të vlerësimit u përdorën T-testi i paçiftuar dhe analiza e variancës në një drejtim (ANOVA).Niveli i rëndësisë tregohet në figurë si më poshtë: *P<0.05, **P<0.01, ***P<0.001 dhe ****P<0.0001;NS, asnjë ndryshim domethënës.
Për materialet shtesë për këtë artikull, ju lutemi shihni http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/44/eabb0025/DC1
Ky është një artikull me akses të hapur i shpërndarë sipas kushteve të licencës Creative Commons Attribution-Non-Commercial, e cila lejon përdorimin, shpërndarjen dhe riprodhimin në çdo medium, për sa kohë që përdorimi nuk është për përfitime komerciale dhe premisa është që origjinali puna është e saktë.Referenca.
Shënim: Ne ju kërkojmë vetëm të jepni një adresë emaili në mënyrë që personi që ju rekomandoni në faqe ta dijë se ju dëshironi që ai të shohë emailin dhe se emaili nuk është i padëshiruar.Ne nuk do të kapim asnjë adresë emaili.
Kjo pyetje përdoret për të testuar nëse jeni një vizitor njerëzor dhe për të parandaluar paraqitjet automatike të spamit.
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
Veshjet antibakteriale dhe imunologjike të implanteve ortopedike mund të zvogëlojnë infeksionet dhe përgjigjet imune të shkaktuara nga infeksionet.
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
Veshjet antibakteriale dhe imunologjike të implanteve ortopedike mund të zvogëlojnë infeksionet dhe përgjigjet imune të shkaktuara nga infeksionet.
©2021 Shoqata Amerikane për Avancimin e Shkencës.të gjitha të drejtat e rezervuara.AAAS është partner i HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef dhe COUNTER.Shkenca Përparon ISSN 2375-2548.