Kwa wagonjwa wanaofanyiwa upasuaji wa kupandikizwa mifupa, maambukizo ya bakteria na majibu ya kinga yanayotokana na maambukizo yamekuwa ni hatari za kutishia maisha.Nyenzo za kibaiolojia za kawaida zinakabiliwa na uchafuzi wa kibiolojia, ambayo husababisha bakteria kuvamia eneo la kujeruhiwa na kusababisha maambukizi ya baada ya upasuaji.Kwa hiyo, kuna haja ya haraka ya kuendeleza mipako ya kupambana na maambukizi na kinga ya kutoroka kwa implants za mifupa.Hapa, tumeunda teknolojia ya hali ya juu ya kurekebisha uso kwa vipandikizi vya mifupa inayoitwa Lubricated Orthopedic Implant Surface (LOIS), ambayo imechochewa na uso laini wa mitungi ya mimea ya mtungi.LOIS ina dawa ya muda mrefu na yenye nguvu ya kufukuza vimiminika na vitu mbalimbali vya kibiolojia (ikiwa ni pamoja na seli, protini, kalsiamu na bakteria).Aidha, tulithibitisha uimara wa mitambo dhidi ya mikwaruzo na nguvu ya kurekebisha kwa kuiga uharibifu usioepukika wakati wa upasuaji wa ndani.Mtindo wa kuvunjika kwa uboho wa sungura ulitumika kuchunguza kwa kina uwezo wa kupambana na kibayolojia na uwezo wa kupambana na maambukizi wa LOIS.Tunatazamia kuwa LOIS, ambayo ina sifa za kuzuia uchafuzi wa mazingira na uimara wa mitambo, ni hatua ya mbele katika upasuaji wa mifupa bila maambukizi.
Leo, kutokana na kuzeeka kwa ujumla, idadi ya wagonjwa wanaosumbuliwa na magonjwa ya mifupa (kama vile fractures wazee, magonjwa ya viungo vya kupungua, na osteoporosis) imeongezeka sana (1, 2).Kwa hiyo, taasisi za matibabu zinashikilia umuhimu mkubwa kwa upasuaji wa mifupa, ikiwa ni pamoja na implants za mifupa ya screws, sahani, misumari na viungo vya bandia (3, 4).Hata hivyo, vipandikizi vya kitamaduni vya mifupa vimeripotiwa kuathiriwa na kushikana na bakteria na uundaji wa biofilm, ambayo inaweza kusababisha maambukizi ya tovuti ya upasuaji (SSI) baada ya upasuaji (5, 6).Mara baada ya biofilm kuundwa juu ya uso wa implant mifupa, kuondolewa kwa biofilm inakuwa vigumu sana hata kwa matumizi ya dozi kubwa ya antibiotics.Kwa hiyo, kwa kawaida husababisha maambukizi makubwa ya baada ya kazi (7, 8).Kutokana na matatizo yaliyo hapo juu, matibabu ya implants zilizoambukizwa inapaswa kuhusisha upyaji, ikiwa ni pamoja na kuondolewa kwa implants zote na tishu zinazozunguka;kwa hiyo, mgonjwa atapata maumivu makali na hatari fulani (9, 10).
Ili kutatua baadhi ya matatizo haya, vipandikizi vya mifupa vinavyotoa dawa vimetengenezwa ili kuzuia maambukizi kwa kuondoa bakteria zilizowekwa kwenye uso (11, 12).Walakini, mkakati bado unaonyesha mapungufu kadhaa.Imeripotiwa kuwa uwekaji wa muda mrefu wa vipandikizi vya dawa-eluting umesababisha uharibifu wa tishu zinazozunguka na kusababisha kuvimba, ambayo inaweza kusababisha necrosis (13, 14).Kwa kuongezea, vimumunyisho vya kikaboni ambavyo vinaweza kuwepo baada ya mchakato wa utengenezaji wa vipandikizi vya mifupa vinavyotoa dawa, ambavyo vimepigwa marufuku kabisa na Utawala wa Chakula na Dawa wa Marekani, vinahitaji hatua za ziada za utakaso ili kufikia viwango vyake (15).Vipandikizi vya kuongeza dawa ni changamoto kwa utoaji unaodhibitiwa wa dawa, na kwa sababu ya upakiaji wao mdogo wa dawa, utumiaji wa dawa hiyo kwa muda mrefu hauwezekani (16).
Mbinu nyingine ya kawaida ni kupaka kipandikizi kwa polima ya kuzuia uchafu ili kuzuia mabaki ya kibaiolojia na bakteria kushikana kwenye uso (17).Kwa mfano, polima za zwitterionic zimevutia umakini kwa sababu ya sifa zao zisizo za wambiso zinapogusana na protini za plasma, seli na bakteria.Hata hivyo, ina baadhi ya mapungufu kuhusiana na utulivu wa muda mrefu na uimara wa mitambo, ambayo inazuia matumizi yake ya vitendo katika vipandikizi vya mifupa, hasa kwa sababu ya kukwangua kwa mitambo wakati wa taratibu za upasuaji (18, 19).Aidha, kutokana na biocompatibility yake ya juu, ukosefu wa haja ya kuondolewa upasuaji, na mali ya kusafisha uso kwa njia ya kutu, implantat mifupa alifanya ya vifaa biodegradable zimetumika (20, 21).Wakati wa kutu, vifungo vya kemikali kati ya matrix ya polima huvunjwa na kutengwa kutoka kwa uso, na wafuasi husafisha uso.Hata hivyo, uchafuzi wa kibaiolojia kwa kusafisha uso unafaa kwa muda mfupi.Kwa kuongezea, nyenzo nyingi zinazoweza kufyonzwa ikiwa ni pamoja na poly(asidi lactic-glycolic acid copolymer) (PLGA), asidi ya polylactic (PLA) na aloi zenye msingi wa magnesiamu zitapitia uharibifu usio sawa wa biodegradation na mmomonyoko katika mwili, ambao utaathiri vibaya uthabiti wa mitambo.(ishirini na mbili).Kwa kuongeza, vipande vya sahani vinavyoweza kuharibika hutoa nafasi ya kushikamana na bakteria, ambayo huongeza nafasi ya kuambukizwa kwa muda mrefu.Hatari hii ya uharibifu wa mitambo na maambukizi hupunguza matumizi ya vitendo ya upasuaji wa plastiki (23).
Nyuso za superhydrophobic (SHP) zinazoiga muundo wa kihierarkia wa majani ya lotus zimekuwa suluhisho linalowezekana kwa nyuso za kuzuia uchafu (24, 25).Wakati uso wa SHP ukizamishwa kwenye kioevu, viputo vya hewa vitanaswa, na hivyo kutengeneza mifuko ya hewa na kuzuia kujitoa kwa bakteria (26).Hata hivyo, tafiti za hivi karibuni zimeonyesha kuwa uso wa SHP una hasara zinazohusiana na uimara wa mitambo na utulivu wa muda mrefu, ambayo inazuia matumizi yake katika vipandikizi vya matibabu.Kwa kuongezea, mifuko ya hewa itayeyuka na kupoteza sifa zao za kuzuia uchafu, na hivyo kusababisha mshikamano mpana wa bakteria kwa sababu ya eneo kubwa la uso wa SHP (27, 28).Hivi majuzi, Aizenberg na wenzake walianzisha mbinu bunifu ya upakaji wa uso wa anti-biofouling kwa kutengeneza uso laini uliochochewa na mmea wa mtungi wa Nepenthes (29, 30).Uso laini unaonyesha uthabiti wa muda mrefu chini ya hali ya majimaji, ni kioevu sana cha kuzuia vimiminika vya kibaolojia, na ina sifa za kujirekebisha.Hata hivyo, hakuna njia ya kutumia mipako kwenye implant ya matibabu yenye umbo tata, wala haijathibitishwa kusaidia mchakato wa uponyaji wa tishu zilizoharibiwa baada ya kuingizwa.
Hapa, tunatanguliza sehemu ya kupandikiza mifupa iliyolainishwa (LOIS), sehemu ya kupandikiza mifupa yenye muundo wa micro/nano na iliyounganishwa vizuri na safu nyembamba ya kulainisha ili kuizuia isihusishwe na upasuaji wa plastiki Maambukizi ya bakteria, kama vile kurekebisha mipasuko.Kwa sababu muundo wa kiwango cha micro/nano unaofanya kazi kwa florini hurekebisha kwa uthabiti mafuta kwenye muundo, LOIS iliyotengenezwa inaweza kurudisha kikamilifu ushikamano wa vimiminika mbalimbali na kudumisha utendaji wa kuzuia uchafu kwa muda mrefu.Mipako ya LOIS inaweza kutumika kwa nyenzo za maumbo mbalimbali yaliyokusudiwa kwa usanisi wa mfupa.Sifa bora za kupambana na biofouling za LOIS dhidi ya bakteria ya biofilm [Pseudomonas aeruginosa na Staphylococcus aureus (MRSA) inayostahimili methicillin] na dutu za kibayolojia (seli, protini na kalsiamu) zimethibitishwa kwa nguvu.Kiwango cha kujitoa kwa mshikamano mkubwa kwa substrate ni chini ya 1%.Kwa kuongeza, hata baada ya mkazo wa mitambo kama vile kukwangua uso hutokea, kujiponya kunakosababishwa na lubricant ya kupenya husaidia kudumisha sifa zake za kuzuia uchafu.Matokeo ya mtihani wa uimara wa mitambo yanaonyesha kuwa hata baada ya urekebishaji wa kimuundo na kemikali, nguvu ya jumla haitapunguzwa sana.Kwa kuongeza, jaribio la in vitro ambalo linaiga mkazo wa mitambo katika mazingira ya upasuaji lilifanyika ili kuthibitisha kwamba LOIS inaweza kuhimili mikazo mbalimbali ya mitambo ambayo hutokea wakati wa upasuaji wa plastiki.Hatimaye, tulitumia mfano wa sungura wa kuvunjika kwa fupa la paja, ambao ulithibitisha kuwa LOIS ina sifa bora za kuzuia bakteria na utangamano wa kibiolojia.Matokeo ya radiolojia na histolojia yalithibitisha kuwa tabia dhabiti ya vilainisho na sifa za kuzuia uchafuzi wa kibayolojia ndani ya wiki 4 baada ya kupandikizwa zinaweza kufikia ufanisi wa kupambana na maambukizi na uokoaji wa kinga bila kuchelewesha mchakato wa uponyaji wa mfupa.
Mchoro wa 1A unaonyesha mchoro wa mpangilio wa LOIS iliyotengenezwa, ambayo imepandikizwa na miundo midogo/nano-mizani katika modeli ya kuvunjika kwa fupa la paja la sungura ili kuthibitisha sifa zake bora za kupambana na kibayolojia na kupambana na maambukizi.Njia ya biomimetic inafanywa ili kuiga uso wa mmea wa sufuria ya maji, na kuzuia biofouling kwa kuingiza safu ya lubricant ndani ya muundo wa micro/nano wa uso.Uso uliodungwa kwa lubricant unaweza kupunguza mgusano kati ya vitu vya kibiolojia na uso.Kwa hiyo, kutokana na kuundwa kwa vifungo vya kemikali imara juu ya uso, ina utendaji bora wa kupinga na utulivu wa muda mrefu.Matokeo yake, mali ya kupambana na biofouling ya uso wa kulainisha inaruhusu matumizi mbalimbali ya vitendo katika utafiti wa biomedical.Walakini, utafiti wa kina juu ya jinsi uso huu maalum unavyoingiliana katika mwili bado haujakamilika.Kwa kulinganisha LOIS na substrates uchi katika vitro kwa kutumia albumin na bakteria biofilm, kutoshikamana kwa LOIS kunaweza kuthibitishwa (Mchoro 1B).Kwa kuongeza, kwa kuviringisha matone ya maji kwenye substrate tupu iliyoinama na sehemu ndogo ya LOIS (Mchoro S1 na Sinema S1), utendaji wa uchafuzi wa kibaolojia unaweza kuonyeshwa.Kama inavyoonyeshwa kwenye taswira ya hadubini ya fluorescence, mkatetaka uliowekwa wazi uliowekwa kwenye kusimamishwa kwa protini na bakteria ulionyesha kiasi kikubwa cha nyenzo za kibaolojia zinazoshikamana na uso.Hata hivyo, kutokana na sifa zake bora za kuzuia uchafuzi wa mazingira, LOIS haionyeshi mwanga wowote wa umeme.Ili kuthibitisha sifa zake za kupambana na biofouling na kupambana na maambukizi, LOIS ilitumiwa kwenye uso wa vipandikizi vya mifupa kwa ajili ya usanisi wa mfupa (sahani na skrubu) na kuwekwa katika mfano wa kupasuka kwa sungura.Kabla ya kupandikizwa, kipandikizi cha mifupa kilicho uchi na LOIS viliwekwa kwenye kusimamishwa kwa bakteria kwa masaa 12.Uamilisho wa awali huhakikisha kwamba biofilm inaundwa kwenye uso wa implant iliyo wazi kwa kulinganisha.Kielelezo 1C kinaonyesha picha ya tovuti ya kuvunjika wiki 4 baada ya kupandikizwa.Kwa upande wa kushoto, sungura aliye na uwekaji wazi wa mifupa alionyesha kiwango kikubwa cha kuvimba kutokana na kuundwa kwa biofilm kwenye uso wa implant.Matokeo ya kinyume yalionekana katika sungura zilizowekwa na LOIS, yaani, tishu zinazozunguka za LOIS hazikuonyesha dalili za maambukizi au dalili za kuvimba.Kwa kuongeza, picha ya macho upande wa kushoto inaonyesha tovuti ya upasuaji ya sungura na implant iliyo wazi, ikionyesha kuwa hakuna adhesives nyingi zilizopo kwenye uso wa implant iliyojitokeza iliyopatikana kwenye uso wa LOIS.Hii inaonyesha kuwa LOIS ina uthabiti wa muda mrefu na ina uwezo wa kudumisha tabia yake ya kuchafua kibaiolojia na kuzuia kujitoa.
(A) Mchoro wa kimpango wa LOIS na kupandikizwa kwake katika modeli ya kuvunjika kwa fupa la paja la sungura.(B) Picha ya hadubini ya Fluorescence ya protini na biofilm ya bakteria kwenye uso tupu na kitako kidogo cha LOIS.Wiki 4 baada ya kupandikizwa, (C) picha ya picha ya tovuti ya kuvunjika na (D) picha ya X-ray (iliyoangaziwa na mstatili mwekundu).Picha kwa hisani ya: Kyomin Chae, Chuo Kikuu cha Yonsei.
Sungura waliozaa, waliopandikizwa vibaya walionyesha mchakato wa kawaida wa uponyaji wa mfupa bila dalili zozote za kuvimba au kuambukizwa.Kwa upande mwingine, SHP hupandikizwa kabla ya kuamilishwa katika kusimamishwa kwa bakteria huonyesha uvimbe unaohusiana na maambukizi kwenye tishu zinazozunguka.Hii inaweza kuhusishwa na kutokuwa na uwezo wa kuzuia kujitoa kwa bakteria kwa muda mrefu (Mchoro S2).Ili kuthibitisha kwamba LOIS haiathiri mchakato wa uponyaji, lakini inazuia maambukizi iwezekanavyo kuhusiana na upandikizaji, picha za X-ray za matrix chanya wazi na LOIS kwenye tovuti ya fracture zililinganishwa (Mchoro 1D).Picha ya X-ray ya kipandikizi chanya kilichokuwa tupu kilionyesha mistari inayoendelea ya osteolysis, ikionyesha kwamba mfupa haujapona kabisa.Hii inaonyesha kwamba mchakato wa kurejesha mfupa unaweza kuchelewa sana kutokana na kuvimba kwa maambukizi.Kinyume chake, ilionyesha kuwa sungura waliowekwa na LOIS walikuwa wameponya na hawakuonyesha tovuti yoyote ya wazi ya kuvunjika.
Ili kuendeleza vipandikizi vya matibabu vyenye utulivu na utendaji wa muda mrefu (ikiwa ni pamoja na upinzani dhidi ya biofouling), jitihada nyingi zimefanywa.Hata hivyo, kuwepo kwa vitu mbalimbali vya kibiolojia na mienendo ya wambiso wa tishu hupunguza maendeleo ya mbinu zao za kuaminika za kliniki.Ili kuondokana na mapungufu haya, tumetengeneza muundo wa tabaka ndogo/nano na uso uliobadilishwa kemikali, ambao umeboreshwa kutokana na nguvu ya juu ya kapilari na mshikamano wa kemikali ili kuweka kilainishi laini zaidi kwa kiwango kikubwa zaidi.Mchoro 2A unaonyesha mchakato mzima wa utengenezaji wa LOIS.Kwanza, jitayarisha chuma cha pua cha daraja la matibabu (SS) 304 substrate.Pili, muundo wa micro/nano huundwa kwenye substrate ya SS kwa etching ya kemikali kwa kutumia suluhisho la hidrofloriki (HF).Ili kurejesha upinzani wa kutu wa SS, suluhisho la asidi ya nitriki (HNO3) (31) hutumiwa kusindika substrate iliyowekwa.Passivation huongeza upinzani wa kutu wa substrate ya SS na hupunguza kasi ya mchakato wa kutu ambayo inaweza kupunguza utendaji wa jumla wa LOIS.Kisha, kwa kutengeneza monolayer iliyojikusanya yenyewe (SAM) yenye 1H, 1H, 2H, 2H-perfluorooctyltriethoxysilane (POTS), uso huo hubadilishwa kemikali ili kuboresha mwingiliano wa kemikali kati ya uso na Mshikamano wa lubricant laini.Marekebisho ya uso hupunguza kwa kiasi kikubwa nishati ya uso wa uso uliotengenezwa kwa kiwango kidogo/nano, ambao unalingana na nishati ya uso wa mafuta laini.Hii inaruhusu lubricant kuwa mvua kabisa, na hivyo kutengeneza safu ya lubricant imara juu ya uso.Uso uliorekebishwa unaonyesha hydrophobicity iliyoimarishwa.Matokeo yanaonyesha kuwa kilainishi kinachoteleza kinaonyesha tabia thabiti kwenye LOIS kwa sababu ya mshikamano wa juu wa kemikali na nguvu ya kapilari inayosababishwa na muundo wa micro/nano (32, 33).Mabadiliko ya macho juu ya uso wa SS baada ya marekebisho ya uso na sindano ya lubricant yalijifunza.Muundo wa tabaka ndogo/nano unaoundwa juu ya uso unaweza kusababisha mabadiliko ya kuona na kufanya uso kuwa mweusi.Jambo hili linachangiwa na athari ya kutawanya kwa nuru iliyoimarishwa kwenye uso mbaya, ambayo huongeza uakisi ulioenea unaosababishwa na utaratibu wa kunasa mwanga (34).Kwa kuongeza, baada ya lubricant hudungwa, LOIS inakuwa nyeusi.Safu ya kulainisha husababisha mwanga mdogo kuakisiwa kutoka kwenye substrate, na hivyo kuifanya LOIS kuwa nyeusi.Ili kuboresha muundo mdogo/nano ili kuonyesha pembe ndogo zaidi ya kuteleza (SA) ili kufikia utendakazi wa kuzuia uchafuzi wa mazingira, hadubini ya elektroni ya kuchanganua (SEM) na jozi za atomiki zilitumika kutekeleza nyakati tofauti za kuweka HF (0, 3)., Dakika 15 na 60) Lazimisha hadubini (AFM) (Mchoro 2B).Picha za SEM na AFM zinaonyesha kuwa baada ya muda mfupi wa etching (dakika 3 za etching), substrate tupu imeunda ukali usio na usawa wa nano.Ukwaru wa uso hubadilika kulingana na wakati wa kuweka (Mchoro S3).Curve ya kutofautiana kwa wakati inaonyesha kuwa ukali wa uso unaendelea kuongezeka na kufikia kilele kwa dakika 15 ya etching, na kisha kupungua kidogo tu kwa thamani ya ukali huzingatiwa kwa dakika 30 ya etching.Katika hatua hii, ukali wa kiwango cha nano huondolewa, wakati ukali wa ngazi ndogo huendelea kwa nguvu, na kufanya mabadiliko ya ukali kuwa imara zaidi.Baada ya kuchomwa kwa zaidi ya dakika 30, ongezeko zaidi la ukali huzingatiwa, ambalo linaelezwa kwa undani kama ifuatavyo: SS inaundwa na chuma, kilichounganishwa na vipengele ikiwa ni pamoja na chuma, chromium, nickel, molybdenum na vipengele vingine vingi.Miongoni mwa vipengele hivi, chuma, chromium na molybdenum huchukua jukumu muhimu katika kuunda ukali wa micron/nano-scale kwenye SS kwa etching ya HF.Katika hatua za awali za kutu, chuma na chromiamu hupata kutu kwa sababu molybdenum ina upinzani wa kutu zaidi kuliko molybdenum.Wakati etching inavyoendelea, suluhisho la etching hufikia oversaturation ya ndani, kutengeneza floridi na oksidi zinazosababishwa na etching.Fluoridi na oksidi hunyesha na hatimaye kuwekwa upya kwenye uso, na kutengeneza ukwaru wa uso katika masafa ya mikron/nano (31).Ukwaru huu wa kiwango kidogo/nano una jukumu muhimu katika sifa za kujiponya za LOIS.Uso wa mizani mbili hutoa athari ya synergistic, huongeza sana nguvu ya capillary.Jambo hili huruhusu lubricant kupenya uso kwa utulivu na kuchangia mali ya kujiponya (35).Uundaji wa ukali hutegemea wakati wa etching.Chini ya dakika 10 za kuchomwa, uso una ukali wa nano-scale tu, ambayo haitoshi kushikilia kilainishi cha kutosha kuwa na ukinzani wa biofouling (36).Kwa upande mwingine, ikiwa muda wa etching unazidi dakika 30, ukali wa nano-scale unaoundwa na uwekaji upya wa chuma na chromium utatoweka, na ukali wa kiwango kidogo tu utabaki kutokana na molybdenum.Uso uliowekwa zaidi hauna ukali wa nano-scale na hupoteza athari ya synergistic ya ukali wa hatua mbili, ambayo huathiri vibaya sifa za kujiponya za LOIS.Vipimo vya SA vilifanywa kwa vitenge vilivyo na nyakati tofauti za uwekaji ili kuthibitisha utendakazi wa kuzuia uchafu.Aina mbalimbali za vimiminika zilichaguliwa kulingana na mnato na nishati ya uso, ikiwa ni pamoja na maji ya deionized (DI), damu, ethilini glikoli (EG), ethanol (EtOH) na hexadecane (HD) (Kielelezo S4).Mchoro wa uwekaji unaotofautiana wa wakati unaonyesha kuwa kwa vimiminika mbalimbali vilivyo na nishati tofauti za uso na mnato, SA ya LOIS baada ya dakika 15 ya etching ndiyo ya chini zaidi.Kwa hivyo, LOIS imeboreshwa kwa dakika 15 ili kuunda ukali wa micron na nano-scale, ambayo inafaa kwa kudumisha kwa ufanisi uimara wa lubricant na sifa bora za kupambana na uchafu.
(A) Mchoro wa kimkakati wa mchakato wa utengenezaji wa hatua nne wa LOIS.Kipengee kinaonyesha SAM iliyoundwa kwenye substrate.(B) Picha za SEM na AFM, zinazotumiwa kuboresha muundo mdogo/nano wa substrate chini ya nyakati tofauti za kuweka.Mtazamo wa X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) ya (C) Cr2p na (D) F1s baada ya kupitisha uso na mipako ya SAM.au, kitengo cha kiholela.(E) Picha wakilishi za matone ya maji kwenye substrates tupu, zilizochorwa, SHP na LOIS.(F) Pembe ya mguso (CA) na kipimo cha SA cha vimiminiko vilivyo na mivutano tofauti ya uso kwenye SHP na LOIS.Data inaonyeshwa kama wastani ± SD.
Kisha, ili kuthibitisha mabadiliko katika mali ya kemikali ya uso, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) ilitumiwa kujifunza mabadiliko katika muundo wa kemikali wa uso wa substrate baada ya kila mipako ya uso.Kielelezo 2C kinaonyesha matokeo ya kipimo cha XPS cha uso uliowekwa alama wa HF na uso uliotibiwa wa HNO 3.Vilele viwili vikuu vya 587.3 na 577.7 eV vinaweza kuhusishwa na dhamana ya Cr-O iliyopo kwenye safu ya oksidi ya chromium, ambayo ni tofauti kuu kutoka kwa uso uliowekwa wa HF.Hii ni hasa kutokana na matumizi ya chuma na chromium fluoride juu ya uso na HNO3.Uwekaji wa msingi wa HNO3 huruhusu chromium kuunda safu ya oksidi isiyopitisha juu ya uso, ambayo hufanya SS iliyowekwa tena kuhimili kutu.Katika Mchoro 2D, mwonekano wa XPS ulipatikana ili kuthibitisha kwamba silane yenye msingi wa fluorocarbon iliundwa juu ya uso baada ya mipako ya SAM, ambayo ina upinzani wa juu sana wa kioevu hata kwa EG, damu na EtOH.Mipako ya SAM inakamilishwa kwa kuitikia vikundi vya kazi vya silane na vikundi vya hidroksili vinavyoundwa na matibabu ya plasma.Matokeo yake, ongezeko kubwa la vilele vya CF2 na CF3 lilionekana.Nishati ya kuunganisha kati ya 286 na 296 eV inaonyesha kuwa urekebishaji wa kemikali umekamilika kwa ufanisi na mipako ya SAM.SHP huonyesha vilele vikubwa kiasi vya CF2 (290.1 eV) na CF3 (293.3 eV), ambavyo husababishwa na silane yenye msingi wa fluorocarbon inayoundwa juu ya uso.Mchoro wa 2E unaonyesha picha wakilishi za macho za vipimo vya pembe ya mguso (CA) kwa vikundi tofauti vya maji yaliyotenganishwa yakiwa yamegusana na tupu, etched, SHP, na LOIS.Picha hizi zinaonyesha kuwa uso uliowekwa hubadilika kuwa hydrophilic kwa sababu ya muundo wa micro/nano unaoundwa na etching ya kemikali ili maji yaliyotengwa kufyonzwa ndani ya muundo.Hata hivyo, wakati substrate imepakwa SAM, substrate inaonyesha maji yenye nguvu ya kuzuia maji, hivyo SHP ya uso huundwa na eneo la kuwasiliana kati ya maji na uso ni ndogo.Hatimaye, kupungua kwa CA kulionekana katika LOIS, ambayo inaweza kuhusishwa na kupenya kwa lubricant kwenye microstructure, na hivyo kuongeza eneo la mawasiliano.Ili kuthibitisha kuwa uso huo una sifa bora za kuzuia kioevu na zisizo za wambiso, LOIS ililinganishwa na substrate ya SHP kwa kupima CA na SA kwa kutumia vimiminiko mbalimbali (Mchoro 2F).Aina mbalimbali za vinywaji zilichaguliwa kulingana na mnato na nishati ya uso, ikiwa ni pamoja na maji yaliyotolewa, damu, EG, EtOH na HD (Mchoro S4).Matokeo ya kipimo cha CA yanaonyesha kuwa CA inapoelekea HD, thamani ya kupunguza ya CA, ambapo CA ina nishati ya chini zaidi ya uso.Kwa kuongeza, LOIS ya CA kwa ujumla iko chini.Hata hivyo, kipimo cha SA kinaonyesha jambo tofauti kabisa.Isipokuwa kwa maji yenye ioni, vimiminika vyote hushikamana na sehemu ndogo ya SHP bila kuteleza.Kwa upande mwingine, LOIS inaonyesha SA ya chini sana, ambapo wakati kioevu chote kinapigwa kwa pembe ya chini kuliko 10 ° hadi 15 °, kioevu vyote kitatoka.Hii inaonyesha sana kwamba kutoshikamana kwa LOIS ni bora kuliko ile ya uso wa SHP.Kwa kuongeza, mipako ya LOIS pia hutumiwa kwa aina mbalimbali za vifaa, ikiwa ni pamoja na titanium (Ti), polyphenylsulfone (PPSU), polyoxymethylene (POM), polyether ether ketone (PEEK) na polima za bioabsorbable (PLGA), Ni vifaa vya mifupa vinavyoweza kuingizwa (Kielelezo. S5)).Picha zinazofuatana za matone kwenye nyenzo zinazotibiwa na LOIS zinaonyesha kuwa sifa za kuzuia biofouling za LOIS ni sawa kwenye substrates zote.Kwa kuongeza, matokeo ya kipimo cha CA na SA yanaonyesha kuwa sifa zisizo za wambiso za LOIS zinaweza kutumika kwa vifaa vingine.
Ili kuthibitisha sifa za kupambana na uchafu wa LOIS, aina mbalimbali za substrates (ikiwa ni pamoja na tupu, etched, SHP na LOIS) ziliingizwa na Pseudomonas aeruginosa na MRSA.Bakteria hizi mbili zilichaguliwa kama bakteria mwakilishi wa hospitali, ambayo inaweza kusababisha kuundwa kwa biofilms, na kusababisha SSI (37).Kielelezo cha 3 (A na B) kinaonyesha picha za darubini ya umeme na matokeo ya kipimo cha kitengo cha kuunda koloni (CFU) ya substrates zilizowekwa katika kusimamishwa kwa bakteria kwa muda mfupi (masaa 12) na muda mrefu (saa 72), kwa mtiririko huo.Kwa muda mfupi, bakteria wataunda makundi na kukua kwa ukubwa, wakijifunika wenyewe na vitu vinavyofanana na kamasi na kuzuia kuondolewa kwao.Hata hivyo, wakati wa incubation ya saa 72, bakteria zitakomaa na kuwa rahisi kutawanywa na kuunda makundi zaidi au makundi.Kwa hiyo, inaweza kuzingatiwa kuwa incubation ya saa 72 ni ya muda mrefu na ni wakati unaofaa wa incubation kuunda biofilm yenye nguvu juu ya uso (38).Kwa muda mfupi, uso uliowekwa na uso wa SHP ulionyesha mshikamano wa bakteria, ambao ulipunguzwa kwa takriban 25% hadi 50% ikilinganishwa na substrate tupu.Hata hivyo, kutokana na utendaji wake bora wa kupambana na biofouling na uthabiti, LOIS haikuonyesha mshikamano wa bakteria wa biofilm kwa muda mfupi na mrefu.Mchoro wa kielelezo (Mchoro 3C) unaelezea maelezo ya utaratibu wa uchafuzi wa kibaolojia wa ufumbuzi wa etching, SHP na LOIS.Dhana ni kwamba substrate iliyowekwa na mali ya hydrophilic itakuwa na eneo kubwa zaidi kuliko substrate tupu.Kwa hiyo, kujitoa zaidi kwa bakteria kutatokea kwenye substrate iliyopangwa.Hata hivyo, ikilinganishwa na substrate tupu, substrate iliyopachikwa ina biofilm ndogo sana iliyoundwa juu ya uso.Hii ni kwa sababu chembechembe za maji hufungamana kwa uthabiti kwenye uso wa haidrofili na kufanya kazi kama mafuta ya kulainisha maji, hivyo huingilia mshikamano wa bakteria kwa muda mfupi (39).Hata hivyo, safu ya molekuli ya maji ni nyembamba sana na mumunyifu katika kusimamishwa kwa bakteria.Kwa hiyo, safu ya molekuli ya maji hupotea kwa muda mrefu, na kusababisha mshikamano mkubwa wa bakteria na kuenea.Kwa SHP, kutokana na sifa zake za muda mfupi zisizo na mvua, kujitoa kwa bakteria huzuiwa.Kupungua kwa mshikamano wa bakteria kunaweza kuhusishwa na mifuko ya hewa iliyonaswa kwenye muundo wa tabaka na nishati ya chini ya uso, na hivyo kupunguza mgusano kati ya kusimamishwa kwa bakteria na uso.Hata hivyo, mshikamano mkubwa wa bakteria ulizingatiwa katika SHP kwa sababu ilipoteza sifa zake za kuzuia uchafu kwa muda mrefu.Hii ni hasa kutokana na kutoweka kwa mifuko ya hewa kutokana na shinikizo la hydrostatic na kufutwa kwa hewa katika maji.Hii ni hasa kutokana na kutoweka kwa mifuko ya hewa kutokana na kufutwa na muundo wa layered ambao hutoa eneo kubwa la uso kwa kujitoa (27, 40).Tofauti na substrates hizi mbili ambazo zina athari muhimu kwa utulivu wa muda mrefu, lubricant ya kulainisha iliyo katika LOIS inadungwa kwenye muundo wa micro/nano na haitatoweka hata kwa muda mrefu.Vilainishi vilivyojazwa na miundo midogo midogo/nano ni imara sana na vinavutiwa sana na uso kutokana na mshikamano wao wa juu wa kemikali, na hivyo kuzuia kujitoa kwa bakteria kwa muda mrefu.Kielelezo S6 kinaonyesha taswira ya darubini iliyoambatanishwa ya kilainishi kilichowekwa ndani ya salini yenye bafa ya fosfeti (PBS).Picha zinazoendelea zinaonyesha kwamba hata baada ya saa 120 za kutetemeka kidogo (120 rpm), safu ya lubricant kwenye LOIS bado haijabadilika, ikionyesha utulivu wa muda mrefu chini ya hali ya mtiririko.Hii ni kutokana na mshikamano wa juu wa kemikali kati ya mipako ya SAM yenye florini na mafuta ya msingi ya perfluorocarbon, ili safu imara ya lubricant iweze kuundwa.Kwa hiyo, utendaji wa kupambana na uchafu unadumishwa.Kwa kuongeza, substrate ilijaribiwa dhidi ya protini za mwakilishi (albumin na fibrinogen), ambazo ziko katika plasma, seli zinazohusiana kwa karibu na kazi ya kinga (macrophages na fibroblasts), na zile zinazohusiana na malezi ya mfupa.Maudhui ya kalsiamu ni ya juu sana.(Kielelezo 3D, 1 na 2, na Kielelezo S7) (41, 42).Kwa kuongeza, picha za darubini ya fluorescence za mtihani wa kujitoa kwa fibrinogen, albumin na kalsiamu zilionyesha sifa tofauti za kujitoa za kila kikundi cha substrate (Mchoro S8).Wakati wa malezi ya mfupa, tabaka mpya za mfupa na kalsiamu zinaweza kuzunguka uwekaji wa mifupa, ambayo sio tu inafanya uondoaji kuwa mgumu, lakini pia inaweza kusababisha madhara yasiyotarajiwa kwa mgonjwa wakati wa mchakato wa kuondolewa.Kwa hiyo, viwango vya chini vya amana za kalsiamu kwenye sahani za mfupa na screws ni manufaa kwa upasuaji wa mifupa ambao unahitaji kuondolewa kwa implant.Kulingana na ukadiriaji wa eneo lililoambatishwa kulingana na nguvu ya umeme na hesabu ya seli, tulithibitisha kuwa LOIS inaonyesha sifa bora za kuzuia uchafuzi wa mazingira kwa dutu zote za kibiolojia ikilinganishwa na substrates nyingine.Kulingana na matokeo ya majaribio ya vitro, LOIS ya kupambana na kibaiolojia inaweza kutumika kwa vipandikizi vya mifupa, ambayo haiwezi tu kuzuia maambukizi yanayosababishwa na bakteria ya biofilm, lakini pia kupunguza uvimbe unaosababishwa na mfumo wa kinga wa mwili.
(A) Picha za darubini ya Fluorescence za kila kikundi (uchi, zilizochorwa, SHP na LOIS) zilizowekwa kwenye Pseudomonas aeruginosa na kusimamishwa kwa MRSA kwa saa 12 na 72.(B) Idadi ya CFU mfuasi ya Pseudomonas aeruginosa na MRSA kwenye uso wa kila kikundi.(C) Mchoro wa kimpango wa utaratibu wa uvujaji wa kibaiolojia wa etching ya muda mfupi na mrefu, SHP na LOIS.D(2) Mtihani wa kujitoa wa protini zinazohusiana na kinga, albumin na kalsiamu zinazohusika katika mchakato wa uponyaji wa mfupa (* P <0.05, ** P <0.01, *** P <0.001 na **** P <0.0001).ns, sio muhimu.
Katika kesi ya mikazo iliyojilimbikizia isiyoweza kuepukika, uimara wa mitambo daima imekuwa changamoto kuu kwa uwekaji wa mipako ya kuzuia uchafu.Njia za jadi za gel za kuzuia maji taka zinatokana na polima na umumunyifu mdogo wa maji na udhaifu.Kwa hiyo, kwa kawaida wanahusika na matatizo ya mitambo katika maombi ya matibabu.Kwa hivyo, mipako ya kuzuia uchafu inayodumu kimfumo inasalia kuwa changamoto kwa matumizi kama vile vipandikizi vya mifupa (43, 44).Mchoro 4A(1) unaonyesha aina kuu mbili za mkazo zinazotumika kwa vipandikizi vya mifupa, ikijumuisha kukwaruza (mkazo wa kung'oa manyoya) na mgandamizo wa taswira ya macho ya kipandikizi kilichoharibika kinachotolewa na koleo.Kwa mfano, wakati skrubu imeimarishwa kwa bisibisi, au daktari mpasuaji anaposhikilia bamba la mfupa kwa nguvu kwa kibano na kutumia nguvu ya kubana, bati la mfupa la plastiki litaharibika na kuchanwa kwenye mizani midogo na midogo/nano (Mchoro 4A, 2) .Ili kupima kama LOIS iliyotengenezwa inaweza kuhimili uharibifu huu wakati wa upasuaji wa plastiki, nanoindentation ilifanywa ili kulinganisha ugumu wa substrate tupu na LOIS kwenye mizani ndogo/nano ili kuchunguza sifa za kiufundi za Athari ya muundo wa micro/nano (Kielelezo. 4B).Mchoro wa mchoro unaonyesha tabia tofauti ya deformation ya LOIS kutokana na kuwepo kwa miundo ndogo / nano.Curve ya kuhamisha kwa nguvu ilichorwa kulingana na matokeo ya nanoindentation (Mchoro 4C).Picha ya bluu inawakilisha substrate tupu, ambayo inaonyesha deformation kidogo tu, kama inavyoonekana kwa kina cha juu cha kujipenyeza cha 0.26-μm.Kwa upande mwingine, ongezeko la taratibu la nguvu ya nanoindentation na uhamisho unaozingatiwa katika LOIS (curve nyekundu) inaweza kuonyesha dalili za kupungua kwa sifa za mitambo, na kusababisha kina cha nanoindentation cha 1.61μm.Hii ni kwa sababu muundo wa micro/nano uliopo kwenye LOIS unatoa nafasi ya maendeleo zaidi kwa ncha ya nanoindenta, kwa hivyo ugeuzaji wake ni mkubwa kuliko ule wa substrate tupu.Konsta-Gdoutos et al.(45) anaamini kuwa kwa sababu ya kuwepo kwa muundo wa nano, uelekezaji na ukali mdogo/nano husababisha mikondo ya nanoindentation isiyo ya kawaida.Eneo lenye kivuli linalingana na curve ya deformation isiyo ya kawaida inayohusishwa na nanostructure, wakati eneo lisilo na kivuli linahusishwa na microstructure.Ugeuzi huu unaweza kuharibu muundo mdogo/nanomuundo wa kilainishi cha kushikilia na kuathiri vibaya utendaji wake wa kuzuia uchafu.Ili kusoma athari za uharibifu kwenye LOIS, uharibifu usioepukika wa miundo midogo/nano uliigwa katika mwili wakati wa upasuaji wa plastiki.Kwa kutumia vipimo vya kujitoa kwa damu na protini, uthabiti wa sifa za anti-biofouling za LOIS baada ya in vitro unaweza kubainishwa (Mchoro 4D).Msururu wa picha za macho unaonyesha uharibifu uliotokea karibu na mashimo ya kila sehemu ndogo.Jaribio la kushikamana na damu lilifanyika ili kuonyesha athari za uharibifu wa mitambo kwenye mipako ya kupambana na biofouling (Mchoro 4E).Kama SHP, sifa za kuzuia uchafu hupotea kwa sababu ya uharibifu, na LOIS huonyesha sifa bora za kuzuia uchafu kwa kufukuza damu.Hii ni kwa sababu, kwa sababu nishati ya uso inaendeshwa na hatua ya kapilari inayofunika eneo lililoharibiwa, mtiririko katika lubricant ya lubricant yenye muundo mdogo hurejesha sifa za kupambana na uchafu (35).Hali hiyo hiyo ilizingatiwa katika mtihani wa kujitoa kwa protini kwa kutumia albumin.Katika eneo lililoharibiwa, mshikamano wa protini kwenye uso wa SHP huzingatiwa sana, na kwa kupima eneo lake, inaweza kuhesabiwa kuwa nusu ya kiwango cha kuunganishwa kwa substrate tupu.Kwa upande mwingine, LOIS ilidumisha sifa zake za kuzuia biofouling bila kusababisha mshikamano (Mchoro 4, F na G).Kwa kuongezea, uso wa skrubu mara nyingi unakabiliwa na dhiki kali ya mitambo, kama vile kuchimba visima, kwa hivyo tulisoma uwezo wa mipako ya LOIS kubaki kwenye screw in vitro.Kielelezo cha 4H kinaonyesha picha za macho za skrubu tofauti, ikijumuisha tupu, SHP na LOIS.Mstatili mwekundu unawakilisha eneo linalolengwa ambapo mkazo mkali wa mitambo hutokea wakati wa kupandikizwa kwa mfupa.Sawa na mtihani wa kujitoa kwa protini ya sahani, darubini ya fluorescence hutumiwa kupiga picha ya kushikamana kwa protini na kupima eneo la chanjo ili kuthibitisha uadilifu wa mipako ya LOIS, hata chini ya dhiki kali ya mitambo (Mchoro 4, I na J).Screw zilizotibiwa na LOIS zinaonyesha utendaji bora wa kuzuia uchafu, na karibu hakuna protini inayoshikamana na uso.Kwa upande mwingine, mshikamano wa protini ulizingatiwa katika skrubu tupu na skrubu za SHP, ambapo eneo la skrubu za SHP lilikuwa theluthi moja ya skrubu zilizo wazi.Zaidi ya hayo, kipandikizi cha mifupa kinachotumika kurekebisha lazima kiwe na nguvu kiufundi ili kustahimili mkazo unaowekwa kwenye tovuti ya kuvunjika, kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 4K.Kwa hiyo, mtihani wa kupiga ulifanyika ili kuamua athari za marekebisho ya kemikali kwenye mali ya mitambo.Kwa kuongeza, hii inafanywa ili kudumisha mkazo uliowekwa kutoka kwa implant.Weka nguvu wima ya mitambo hadi kipandikizi kikunjwe kikamilifu na curve ya mkazo ipatikane (Mchoro 4L, 1).Sifa mbili ikiwa ni pamoja na moduli ya Young na nguvu ya kunyumbulika zililinganishwa kati ya substrates tupu na LOIS kama viashirio vya nguvu zao za kiufundi (Mchoro 4L, 2 na 3).Moduli ya Young inaonyesha uwezo wa nyenzo kuhimili mabadiliko ya mitambo.Moduli ya Young ya kila substrate ni 41.48±1.01 na 40.06±0.96 GPa, mtawalia;tofauti iliyoonekana ni karibu 3.4%.Kwa kuongeza, inaripotiwa kuwa nguvu ya kupiga, ambayo huamua ugumu wa nyenzo, ni 102.34 ± 1.51 GPa kwa substrate tupu na 96.99 ± 0.86 GPa kwa SHP.Substrate tupu ni takriban 5.3% ya juu.Kupungua kidogo kwa mali ya mitambo kunaweza kusababishwa na athari ya notch.Katika athari ya notch, ukali wa micro/nano unaweza kufanya kama seti ya noti, na kusababisha mkusanyiko wa dhiki ya ndani na kuathiri sifa za kiufundi za kipandikizi (46).Hata hivyo, kwa kuzingatia ukweli kwamba ugumu wa mfupa wa gamba la binadamu unaripotiwa kuwa kati ya 7.4 na 31.6 GPa, na moduli ya LOIS iliyopimwa inazidi ile ya mfupa wa gamba la binadamu (47), LOIS inatosha kusaidia kuvunjika na jumla yake. mali ya mitambo huathiriwa kidogo na urekebishaji wa uso.
(A) Mchoro wa kimpango wa (1) mkazo wa kimitambo unaotumika kwenye kipandikizi cha mifupa wakati wa operesheni, na (2) taswira ya macho ya kipandikizi cha mifupa kilichoharibika.(B) Mchoro wa kimpango wa kipimo cha sifa za nano-mitambo kwa nanoindentation na LOIS kwenye uso wazi.(C) Nanoindentation nguvu-kuhamishwa Curve ya uso tupu na LOIS.(D) Baada ya majaribio ya ndani, iga picha za macho za aina tofauti za sahani za mifupa (eneo lililoharibiwa limeangaziwa kwa mstatili mwekundu) ili kuiga mkazo wa kimitambo unaosababishwa wakati wa operesheni.(E) Mtihani wa kujitoa kwa damu na (F) mtihani wa kujitoa kwa protini wa kikundi cha sahani cha mifupa kilichoharibiwa.(G) Pima ufunikaji wa eneo la protini inayoshikamana na sahani.(H) Picha za macho za aina tofauti za skrubu za mifupa baada ya majaribio ya ndani.(I) mtihani wa kujitoa kwa protini ili kusoma uadilifu wa mipako tofauti.(J) Pima eneo la kufunika kwa protini inayoshikamana na skrubu.(K) Mwendo wa sungura unakusudiwa kutoa mkazo thabiti kwenye mfupa uliovunjika.(L) (1) Pinda matokeo ya mtihani na picha za macho kabla na baada ya kupinda.Tofauti katika (2) moduli ya Young na (3) nguvu ya kupinda kati ya kipandikizi tupu na SHP.Data inaonyeshwa kama wastani ± SD (*P<0.05, **P<0.01, ***P<0.001 na ****P<0.0001).Picha kwa hisani ya: Kyomin Chae, Chuo Kikuu cha Yonsei.
Katika hali za kimatibabu, mgusano mwingi wa bakteria na nyenzo za kibaolojia na tovuti za jeraha hutoka kwa filamu zilizokomaa, zilizokomaa (48).Kwa hiyo, Vituo vya Marekani vya Kudhibiti na Kuzuia Magonjwa vinakadiria kuwa 65% ya maambukizi yote ya binadamu yanahusiana na biofilms (49).Katika kesi hii, ni muhimu kutoa muundo wa majaribio wa vivo ambao hutoa uundaji thabiti wa biofilm kwenye uso wa kipandikizi.Kwa hivyo, tulitengeneza kielelezo cha kuvunjika kwa fupa la paja la sungura ambapo vipandikizi vya mifupa viliwekwa awali katika kusimamishwa kwa bakteria na kisha kupandikizwa kwenye fupa la paja la sungura ili kuchunguza sifa za kupambana na uchafu za LOIS katika vivo.Kutokana na mambo matatu muhimu yafuatayo, maambukizo ya bakteria husababishwa na tamaduni za awali badala ya sindano ya moja kwa moja ya kusimamishwa kwa bakteria: (i) Kinga ya sungura ina nguvu kiasili kuliko ile ya binadamu;kwa hiyo, sindano ya kusimamishwa kwa bakteria na bakteria ya planktonic inawezekana Haina athari juu ya malezi ya biofilms.(Ii) Bakteria ya Planktonic huathirika zaidi na antibiotics, na antibiotics kawaida hutumiwa baada ya upasuaji;hatimaye, (iii) kusimamishwa kwa bakteria ya planktonic kunaweza kupunguzwa na maji ya mwili wa mnyama (50).Kwa kusitawisha kipandikizi katika kusimamishwa kwa bakteria kabla ya kupandikizwa, tunaweza kujifunza kwa kina madhara ya maambukizo ya bakteria na mmenyuko wa mwili wa kigeni (FBR) kwenye mchakato wa uponyaji wa mfupa.Sungura walitolewa dhabihu wiki 4 baada ya kupandikizwa, kwa sababu uunganisho wa osseo muhimu kwa mchakato wa uponyaji wa mfupa utakamilika ndani ya wiki 4.Kisha, vipandikizi viliondolewa kutoka kwa sungura kwa masomo ya chini ya mkondo.Mchoro wa 5A unaonyesha utaratibu wa kuenea kwa bakteria.Kipandikizi cha mifupa kilichoambukizwa huletwa ndani ya mwili.Kama matokeo ya kuamilishwa kabla ya kusimamishwa kwa bakteria, sungura sita kati ya sita waliopandikizwa na vipandikizi vya uchi waliambukizwa, wakati hakuna sungura hata mmoja aliyepandikizwa vipandikizi vilivyotiwa dawa ya LOIS aliyeambukizwa.Maambukizi ya bakteria huendelea katika hatua tatu, ikiwa ni pamoja na ukuaji, kukomaa na mtawanyiko (51).Kwanza, bakteria zilizoambatanishwa huzaliana na kukua juu ya uso, na kisha bakteria huunda biofilm wanapotoa polima ya ziada ya seli (EPS), amiloidi na DNA ya nje ya seli.Biofilm haiingiliani tu na kupenya kwa viuavijasumu, lakini pia inakuza mkusanyiko wa vimeng'enya vinavyoharibu viuavijasumu (kama vile β-lactamase) (52).Hatimaye, biofilm hueneza bakteria kukomaa kwenye tishu zinazozunguka.Kwa hiyo, maambukizi hutokea.Aidha, wakati mwili wa kigeni unapoingia ndani ya mwili, maambukizi ambayo yanaweza kusababisha majibu ya kinga ya nguvu yanaweza kusababisha kuvimba kali, maumivu, na kupungua kwa kinga.Kielelezo 5B kinatoa muhtasari wa FBR unaosababishwa na kuwekewa kipandikizi cha mifupa, badala ya mwitikio wa kinga unaosababishwa na maambukizi ya bakteria.Mfumo wa kinga hutambua kipandikizi kilichoingizwa kama mwili wa kigeni, na kisha husababisha seli na tishu kuguswa ili kuzunguka mwili wa kigeni (53).Katika siku za mwanzo za FBR, matrix ya ugavi iliundwa juu ya uso wa vipandikizi vya mifupa, ambayo ilisababisha adsorption ya fibrinogen.Fibrinogen ya adsorbed kisha huunda mtandao wa fibrin mnene sana, ambayo inakuza kushikamana kwa leukocytes (54).Mara tu mtandao wa fibrin unapoundwa, kuvimba kwa papo hapo kutatokea kutokana na kupenya kwa neutrophils.Katika hatua hii, aina mbalimbali za saitokini kama vile tumor necrosis factor-α (TNF-α), interleukin-4 (IL-4) na IL-β hutolewa, na monocytes huanza kupenyeza kwenye tovuti ya upandikizaji na kutofautisha katika seli kubwa.Phage (41, 55, 56).Kupunguza FBR daima imekuwa changamoto kwa sababu FBR nyingi inaweza kusababisha kuvimba kwa papo hapo na sugu, ambayo inaweza kusababisha matatizo mabaya.Ili kutathmini athari za maambukizo ya bakteria katika tishu zinazozunguka kipandikizi tupu na LOIS, uwekaji wa rangi ya hematoksilini na eosin (H&E) na Masson trichrome (MT) ulitumiwa.Kwa sungura waliopandikizwa na substrates tupu, maambukizo makali ya bakteria yaliendelea, na slaidi za tishu za H&E zilionyesha wazi jipu na nekrosisi iliyosababishwa na kuvimba.Kwa upande mwingine, uso wenye nguvu sana wa kuzuia biofouling LOIS huzuia kushikana kwa bakteria, kwa hivyo hauonyeshi dalili za maambukizi na hupunguza uvimbe (Mchoro 5C).Matokeo ya MT Madoa yalionyesha hali hiyo hiyo.Hata hivyo, uchafu wa MT pia ulionyesha uvimbe katika sungura waliopandikizwa kwa LOIS, ikionyesha kwamba ahueni iko karibu kutokea (Mchoro 5D).Ili kujifunza kiwango cha majibu ya kinga, uchafuzi wa immunohistochemical (IHC) ulifanyika kwa kutumia cytokines TNF-α na IL-6 kuhusiana na majibu ya kinga.Kipandikizi hasi cha uchi ambacho hakikuwa wazi kwa bakteria kililinganishwa na LOIS ambacho kilikuwa wazi kwa bakteria lakini hakikuambukizwa ili kusoma mchakato wa uponyaji kwa kukosekana kwa maambukizo ya bakteria.Kielelezo cha 5E kinaonyesha picha ya macho ya slaidi ya IHC inayoonyesha TNF-α.Eneo la kahawia linawakilisha mwitikio wa kinga, ikionyesha kuwa mwitikio wa kinga katika LOIS umepunguzwa kidogo.Kwa kuongezea, usemi wa IL-6 katika LOIS ulikuwa chini sana kuliko usemi mbaya wa uchi tasa (Mchoro 5F).Usemi wa cytokine ulipimwa kwa kupima eneo la uchafu wa antibody linalolingana na cytokine (Mchoro 5G).Ikilinganishwa na sungura waliowekwa wazi kwa vipandikizi hasi, viwango vya kujieleza vya sungura waliopandikizwa na LOIS vilikuwa vya chini, kuonyesha tofauti ya maana.Kupungua kwa usemi wa cytokine kunaonyesha kuwa mali ya muda mrefu na thabiti ya LOIS haihusiani tu na kizuizi cha maambukizo ya bakteria, lakini pia na kupungua kwa FBR, ambayo huchochewa na macrophages kuambatana na substrate (53), 57 , 58).Kwa hivyo, kupunguzwa kwa mwitikio wa kinga kwa sababu ya tabia ya kukwepa kinga ya LOIS inaweza kutatua athari baada ya kupandikizwa, kama vile mwitikio mwingi wa kinga baada ya upasuaji wa plastiki.
(A) Mchoro wa mpangilio wa utaratibu wa uundaji wa biofilm na kuenea kwenye uso wa kipandikizi cha mifupa kilichoambukizwa.eDNA, DNA ya ziada.(B) Mchoro wa utaratibu wa majibu ya kinga baada ya kuingizwa kwa mifupa ya mifupa.(C) Uchafuzi wa H&E na (D) Uchafuzi wa MT wa tishu zinazozunguka za vipandikizi vya mifupa vyenye chanya wazi na LOIS.IHC ya saitokini zinazohusiana na kinga (E) TNF-α na (F) IL-6 ni picha zenye madoa za sungura uchi-hasi na waliopandikizwa LOIS.(G) Ukadiriaji wa usemi wa cytokine kwa kipimo cha eneo (** P <0.01).
Utangamano wa kibayolojia wa LOIS na athari zake katika mchakato wa uponyaji wa mfupa ulichunguzwa katika vivo kwa kutumia picha ya uchunguzi [x-ray na tomografia ya kompyuta ndogo (CT)] na osteoclast IHC.Kielelezo 6A kinaonyesha mchakato wa uponyaji wa mfupa unaohusisha hatua tatu tofauti: kuvimba, kutengeneza, na kurekebisha.Wakati fracture hutokea, seli za uchochezi na fibroblasts zitapenya ndani ya mfupa uliovunjika na kuanza kukua ndani ya tishu za mishipa.Wakati wa awamu ya ukarabati, ingrowth ya tishu za mishipa huenea karibu na tovuti ya fracture.Tissue ya mishipa hutoa virutubisho kwa ajili ya malezi ya mfupa mpya, unaoitwa callus.Hatua ya mwisho ya mchakato wa uponyaji wa mfupa ni hatua ya kurekebisha, ambayo ukubwa wa callus hupunguzwa kwa ukubwa wa mfupa wa kawaida kwa msaada wa ongezeko la kiwango cha osteoclasts iliyoamilishwa (59).Urekebishaji wa pande tatu (3D) wa tovuti ya fracture ulifanyika kwa kutumia micro-CT scans ili kuchunguza tofauti katika kiwango cha malezi ya callus katika kila kikundi.Angalia sehemu ya msalaba ya femur ili kuchunguza unene wa callus inayozunguka mfupa uliovunjika (Mchoro 6, B na C).X-rays pia ilitumiwa kuchunguza maeneo ya kuvunjika kwa vikundi vyote kila wiki ili kuchunguza michakato mbalimbali ya kuzaliwa upya kwa mfupa katika kila kikundi (Mchoro S9).Callus na mifupa kukomaa huonyeshwa kwa bluu / kijani na pembe, kwa mtiririko huo.Tishu nyingi laini huchujwa kwa kizingiti kilichowekwa mapema.Uchi chanya na SHP ilithibitisha kuundwa kwa kiasi kidogo cha callus karibu na tovuti ya fracture.Kwa upande mwingine, hasi ya wazi ya LOIS na tovuti ya fracture imezungukwa na callus nene.Picha za Micro-CT zilionyesha kuwa uundaji wa callus ulizuiliwa na maambukizi ya bakteria na kuvimba kwa maambukizi.Hii ni kwa sababu mfumo wa kinga unatanguliza uponyaji wa majeraha ya septic yanayosababishwa na uchochezi unaohusiana na maambukizi, badala ya kupona kwa mfupa (60).IHC na Tartrate-resistant Acid Phosphatase (TRAP) Madoa yalifanywa kuchunguza osteoclast shughuli na mfupa resorption (Kielelezo 6D) (61).Ni osteoclast chache tu zilizoamilishwa zilizotiwa rangi ya zambarau zilipatikana katika chanya uchi na SHP.Kwa upande mwingine, osteoclasts nyingi zilizoamilishwa zilizingatiwa karibu na mifupa uchi chanya na kukomaa ya LOIS.Jambo hili linaonyesha kuwa mbele ya osteoclasts, callus karibu na tovuti ya fracture inafanyika mchakato wa urekebishaji mkali (62).Kiasi cha mfupa na eneo la kujieleza la osteoclast la callus lilipimwa ili kulinganisha kiwango cha malezi ya callus karibu na tovuti ya fracture katika vikundi vyote, ili kuhesabu matokeo ya micro-CT scan na IHC (Mchoro 6E, 1 na 2).Kama inavyotarajiwa, hasi za uchi na uundaji wa callus katika LOIS zilikuwa kubwa zaidi kuliko katika vikundi vingine, ikionyesha kuwa urekebishaji mzuri wa mfupa ulifanyika (63).Kielelezo S10 kinaonyesha taswira ya macho ya tovuti ya upasuaji, matokeo ya MT ya kuchafua ya tishu iliyokusanywa karibu na skrubu, na matokeo ya uwekaji madoa ya TRAP yanayoangazia kiolesura cha skrubu.Katika substrate tupu, uundaji wa callus kali na fibrosis ulizingatiwa, wakati kipandikizi kilichotibiwa cha LOIS kilionyesha uso usiozingatiwa.Vile vile, ikilinganishwa na hasi za uchi, fibrosis ya chini ilizingatiwa katika sungura zilizowekwa na LOIS, kama inavyoonyeshwa na mishale nyeupe.Kwa kuongeza, edema imara (mshale wa bluu) inaweza kuhusishwa na mali ya kuepuka kinga ya LOIS, na hivyo kupunguza kuvimba kali.Uso usio na fimbo karibu na implant na kupungua kwa fibrosis zinaonyesha kuwa mchakato wa kuondolewa ni rahisi, ambayo kwa kawaida husababisha fractures nyingine au kuvimba.Mchakato wa uponyaji wa mfupa baada ya skrubu kuondolewa ulitathminiwa na shughuli ya osteoclast kwenye kiolesura cha skrubu.Mfupa mtupu na kiolesura cha kupandikiza cha LOIS vilifyonza viwango sawa vya osteoclasts ili kuboresha zaidi uponyaji wa mfupa, ikionyesha kuwa upako wa LOIS hauna athari mbaya kwenye uponyaji wa mfupa au mwitikio wa kinga.Ili kuthibitisha kwamba urekebishaji wa uso unaofanywa kwenye LOIS hauingiliani na mchakato wa uponyaji wa mfupa, uchunguzi wa X-ray ulitumiwa kulinganisha uponyaji wa mfupa wa sungura na ioni hasi zilizo wazi na wiki 6 za kupandikizwa kwa LOIS (Mchoro 6F).Matokeo yalionyesha kuwa ikilinganishwa na kikundi cha chanya cha uchi ambacho hakijaambukizwa, LOIS ilionyesha kiwango sawa cha uponyaji wa mfupa, na hapakuwa na dalili za wazi za fracture (mstari unaoendelea wa osteolysis) katika vikundi vyote viwili.
(A) Mchoro wa mpangilio wa mchakato wa uponyaji wa mfupa baada ya kuvunjika.(B) Tofauti katika kiwango cha uundaji wa callus ya kila kikundi cha uso na (C) picha ya sehemu ya msalaba ya tovuti ya fracture.(D) Uwekaji madoa wa TEGO ili kuibua shughuli za osteoclast na urejeshaji wa mfupa.Kulingana na shughuli za TRAP, uundaji wa callus ya nje ya mfupa wa cortical ilichambuliwa kwa kiasi kikubwa na (E) (1) micro-CT na (2) shughuli ya osteoclast.(F) Wiki 6 baada ya kupandikizwa, picha za eksirei za mfupa uliovunjika wa sehemu hasi iliyoachwa wazi (zilizoangaziwa na mstatili mwekundu uliokatika) na LOIS (zilizoangaziwa na mstatili wa bluu uliopasuka).Uchambuzi wa takwimu ulifanywa na uchanganuzi wa njia moja wa tofauti (ANOVA).* P <0.05.** P <0.01.
Kwa kifupi, LOIS hutoa aina mpya ya mkakati wa maambukizi ya antibacterial na mipako ya kinga ya kutoroka kwa vipandikizi vya mifupa.Vipandikizi vya kawaida vya mifupa vilivyo na utendaji kazi wa SHP vinaonyesha sifa za muda mfupi za kuzuia uchafuzi wa mazingira, lakini haziwezi kudumisha sifa zao kwa muda mrefu.Superhydrophobicity ya substrate hunasa viputo vya hewa kati ya bakteria na substrate, na hivyo kutengeneza mifuko ya hewa, na hivyo kuzuia maambukizi ya bakteria.Hata hivyo, kutokana na kuenea kwa hewa, mifuko hii ya hewa huondolewa kwa urahisi.Kwa upande mwingine, LOIS imethibitisha vyema uwezo wake wa kuzuia maambukizi yanayohusiana na biofilm.Kwa hiyo, kutokana na sifa za kupinga kukataa kwa safu ya lubricant iliyoingizwa kwenye uso wa muundo wa micro/nano, kuvimba kwa maambukizi kunaweza kuzuiwa.Mbinu mbalimbali za ubainishaji ikiwa ni pamoja na vipimo vya SEM, AFM, XPS na CA hutumiwa kuboresha hali ya utengenezaji wa LOIS.Kwa kuongeza, LOIS pia inaweza kutumika kwa nyenzo mbalimbali za kibaolojia zinazotumiwa kwa kawaida katika vifaa vya kurekebisha mifupa, kama vile PLGA, Ti, PE, POM na PPSU.Kisha, LOIS ilijaribiwa katika vitro ili kuthibitisha sifa zake za kupambana na biofouling dhidi ya bakteria na dutu za kibiolojia zinazohusiana na mwitikio wa kinga.Matokeo yanaonyesha kuwa ina athari bora za antibacterial na anti-biofouling ikilinganishwa na implant iliyo wazi.Kwa kuongeza, LOIS inaonyesha nguvu ya mitambo hata baada ya kutumia matatizo ya mitambo, ambayo haiwezi kuepukika katika upasuaji wa plastiki.Kutokana na sifa za kujiponya za lubricant kwenye uso wa muundo wa micro/nano, LOIS ilifanikiwa kudumisha sifa zake za uchafuzi wa kibaiolojia.Ili kusoma utangamano wa kibiolojia na mali ya antibacterial ya LOIS katika vivo, LOIS ilipandikizwa kwenye femur ya sungura kwa wiki 4.Hakuna maambukizo ya bakteria yaliyoonekana kwa sungura waliowekwa na LOIS.Kwa kuongeza, matumizi ya IHC yalionyesha kiwango cha kupunguzwa cha mwitikio wa kinga ya ndani, ikionyesha kuwa LOIS haizuii mchakato wa uponyaji wa mfupa.LOIS huonyesha sifa bora za kuzuia bakteria na kinga, na imethibitishwa kwa ufanisi kuzuia uundaji wa biofilm kabla na wakati wa upasuaji wa mifupa, hasa kwa usanisi wa mfupa.Kwa kutumia kielelezo cha kuvunjika kwa uboho wa sungura, athari za maambukizo yanayohusiana na biofilm kwenye mchakato wa uponyaji wa mfupa uliochochewa na vipandikizi vilivyowekwa awali yalichunguzwa kwa kina.Kama utafiti wa siku zijazo, modeli mpya ya vivo inahitajika kusoma maambukizo yanayoweza kutokea baada ya kupandikizwa ili kuelewa kikamilifu na kuzuia maambukizo yanayohusiana na biofilm wakati wa mchakato mzima wa uponyaji.Kwa kuongeza, osteoinduction bado ni changamoto ambayo haijatatuliwa katika ushirikiano na LOIS.Utafiti zaidi unahitajika ili kuchanganya ushikamano wa kuchagua wa seli za osteoinductive au dawa ya kuzaliwa upya na LOIS ili kuondokana na changamoto.Kwa ujumla, LOIS inawakilisha mipako inayoahidi ya kupandikiza mifupa yenye uimara wa mitambo na sifa bora za kupambana na biofouling, ambayo inaweza kupunguza SSI na madhara ya kinga.
Osha sehemu ndogo ya 15mm x 15mm x 1mm 304 SS (Dong Kang M-Tech Co., Korea) katika asetoni, EtOH na maji ya DI kwa dakika 15 ili kuondoa uchafu.Ili kuunda muundo wa kiwango cha ndogo/nano juu ya uso, sehemu ndogo iliyosafishwa hutumbukizwa katika suluhu ya 48% hadi 51% ya HF (DUKSAN Corp., Korea Kusini) ifikapo 50°C.Wakati wa kuweka hutofautiana kutoka dakika 0 hadi 60.Kisha, substrate iliyochongwa ilisafishwa na maji yaliyotengwa na kuwekwa kwenye suluhisho la 65% la HNO3 (Korea DUKSAN Corp.) saa 50 ° C kwa dakika 30 ili kuunda safu ya kupitisha oksidi ya chromium juu ya uso.Baada ya passivation, substrate ni kuosha na maji deionized na kukaushwa ili kupata substrate na muundo layered.Kisha, substrate iliwekwa wazi kwa plazima ya oksijeni (Wati 100, dakika 3), na kuzamishwa mara moja kwenye myeyusho wa 8.88 mm POTS (Sigma-Aldrich, Ujerumani) katika toluini kwenye joto la kawaida kwa saa 12.Kisha, substrate iliyofunikwa na POTS ilisafishwa kwa EtOH, na kuingizwa kwa 150 ° C kwa saa 2 ili kupata POTS SAM mnene.Baada ya mipako ya SAM, safu ya lubricant iliundwa kwenye substrate kwa kutumia lubricant perfluoropolyether (Krytox 101; DuPont, USA) na kiasi cha upakiaji cha 20 μm / cm 2. Kabla ya matumizi, chuja lubricant kupitia chujio cha micron 0.2.Ondoa mafuta ya ziada kwa kuinamisha kwa pembe ya 45 ° kwa dakika 15.Utaratibu huo wa utengenezaji ulitumiwa kwa vipandikizi vya mifupa vilivyotengenezwa kwa 304 SS (sahani ya kufunga na skrubu ya kufunga gamba; Dong Kang M-Tech Co., Korea).Vipandikizi vyote vya mifupa vimeundwa kutoshea jiometri ya femur ya sungura.
Mofolojia ya uso ya substrate na vipandikizi vya mifupa ilikaguliwa na SEM ya uzalishaji wa shambani (Kagua F50, FEI, USA) na AFM (XE-100, Park Systems, Korea Kusini).Ukwaru wa uso (Ra, Rq) hupimwa kwa kuzidisha eneo la 20 μm kwa 20 μm (n=4).Mfumo wa XPS (PHI 5000 VersaProbe, ULVAC PHI, Japani) ulio na chanzo cha X-ray cha Al Kaa chenye ukubwa wa doa 100μm2 ulitumiwa kuchanganua muundo wa kemikali wa uso.Mfumo wa kipimo wa CA ulio na kamera ya kunasa picha inayobadilika (SmartDrop, FEMTOBIOMED, ​​Korea Kusini) ulitumiwa kupima CA na SA kioevu.Kwa kila kipimo, 6 hadi 10 μl ya matone (maji yaliyotolewa, damu ya farasi, EG, 30% ya ethanol, na HD) huwekwa kwenye uso ili kupima CA.Wakati angle ya mwelekeo wa substrate inapoongezeka kwa kasi ya 2 ° / s (n = 4), SA inapimwa wakati droplet iko.
Pseudomonas aeruginosa [American Type Culture Collection (ATCC) 27853] na MRSA (ATCC 25923) zilinunuliwa kutoka ATCC (Manassas, Virginia, USA), na utamaduni wa hisa ulidumishwa kwa -80°C.Kabla ya matumizi, utamaduni uliogandishwa uliwekwa kwenye mchuzi wa soya ya trypsin-thawed (Komed, Korea) saa 37 ° C kwa saa 18 na kisha kuhamishwa mara mbili ili kuiwasha.Baada ya incubation, utamaduni ulikuwa centrifuged saa 10,000 rpm kwa dakika 10 saa 4 ° C na kuosha mara mbili na ufumbuzi PBS (pH 7.3).Utamaduni wa centrifuged basi hupandwa kwenye sahani za agar ya damu (BAP).MRSA na Pseudomonas aeruginosa zilitayarishwa mara moja na kukuzwa katika mchuzi wa Luria-Bertani.Mkusanyiko wa Pseudomonas aeruginosa na MRSA katika inoculum iliamuliwa kwa kiasi kikubwa na CFU ya kusimamishwa kwa dilutions za mfululizo kwenye agar.Kisha, rekebisha ukolezi wa bakteria hadi kiwango cha 0.5 McFarland, ambacho ni sawa na 108 CFU/ml.Kisha punguza kusimamishwa kwa bakteria inayofanya kazi mara 100 hadi 106 CFU/ml.Ili kupima sifa za kushikilia kwa antibacterial, substrate iliwekwa sterilized kwa 121 ° C kwa dakika 15 kabla ya matumizi.Kisha substrate ilihamishwa hadi 25 ml ya kusimamishwa kwa bakteria na kuingizwa kwenye 37 ° C na kutetemeka kwa nguvu (200 rpm) kwa masaa 12 na 72.Baada ya incubation, kila substrate ilitolewa kutoka kwa incubator na kuosha mara 3 kwa PBS ili kuondoa bakteria yoyote inayoelea juu ya uso.Ili kutazama biofilm kwenye substrate, biofilm iliwekwa na methanol na kuchafuliwa na 1 ml ya machungwa ya crimidine kwa dakika 2.Kisha darubini ya fluorescence (BX51TR, Olympus, Japan) ilitumiwa kupiga picha za biofilm iliyochafuliwa.Ili kuhesabu biofilm kwenye substrate, seli zilizounganishwa zilitenganishwa na substrate kwa njia ya bead vortex, ambayo ilionekana kuwa njia inayofaa zaidi ya kuondoa bakteria zilizounganishwa (n = 4).Kwa kutumia nguvu tasa, ondoa substrate kutoka katikati ya ukuaji na uguse sahani ya kisima ili kuondoa kioevu kikubwa.Seli zilizoambatishwa kwa urahisi ziliondolewa kwa kuoshwa mara mbili kwa kutumia PBS tasa.Kisha kila sehemu ndogo ilihamishiwa kwenye mirija ya majaribio yenye 9 ml ya 0.1% ya protini ept saline (PSW) na 2 g ya shanga 20 hadi 25 za glasi tasa (kipenyo cha 0.4 hadi 0.5 mm).Kisha ilizungushwa kwa dakika 3 ili kutenganisha seli kutoka kwa sampuli.Baada ya kutapika, kusimamishwa kulipunguzwa mara 10 na 0.1% ya PSW, na kisha 0.1 ml ya kila dilution ilichanjwa kwenye BAP.Baada ya masaa 24 ya incubation saa 37 ° C, CFU ilihesabiwa kwa mikono.
Kwa seli, fibroblasts za panya NIH/3T3 (CRL-1658; ATCC ya Marekani) na macrophages ya panya RAW 264.7 (TIB-71; ATCC ya Marekani) zilitumika.Tumia Eagle medium iliyorekebishwa ya Dulbecco (DMEM; LM001-05, Welgene, Korea) kutengeneza nyuzinyuzi za panya na kuongeza 10% ya seramu ya ndama (S103-01, Welgene) na 1% penicillin-streptomycin (PS ; LS202-02, Welgene (Welgene) ). Tumia DMEM kutengeneza macrophages ya panya, iliyoongezewa na 10% ya seramu ya ng'ombe wa fetasi (S001-01, Welgene) na 1% PS Weka sehemu ndogo kwenye sahani ya seli yenye visima sita, Na chanja seli kwenye seli 105/cm2. Seli ziliwekwa mara moja kwa 37 ° C na 5% CO2 Kwa uchafuzi wa seli, seli ziliwekwa na 4% ya paraformaldehyde kwa dakika 20 na kuwekwa katika 0.5% Triton X Incubate kwa dakika 5 katika -100 saa 37 ° C kwa dakika 30 Baada ya mchakato wa incubation, tumia substrate na 4′,6-diamino-2-phenylindole (H -1200, Vector Laboratories, UK) VECTASHIELD fixation medium (n = 4 kwa kila seli). , fluorescein, fluorescein isothiocyanate-albumin (A9771, Sigma-Aldrich, Ujerumani) na plazima ya binadamu The Alexa Fluor 488-conjugated fibrinogen (F13191, Invitrogen, USA) iliyeyushwa katika PBS (10 mM, pH 7.4).Mkusanyiko wa albin na fibrinogen ulikuwa 1 na 150 μg/ml, mtawaliwa.Baada ya mkatetaka Kabla ya kuzama kwenye mmumunyo wa protini, suuza na PBS ili kurejesha maji kwenye uso.Kisha chovya substrates zote kwenye sahani yenye visima sita iliyo na mmumunyo wa protini na uangulie kwa 37°C kwa dakika 30 na 90.Baada ya incubation, substrate kisha kuondolewa kutoka ufumbuzi protini, nikanawa kwa upole na PBS mara 3, na fasta na 4% paraformaldehyde (n = 4 kwa kila protini).Kwa kalsiamu, kloridi ya sodiamu (0.21 M) na fosforasi ya potasiamu (3.77 mM) ) Iliyeyushwa katika maji yaliyotolewa.PH ya suluhisho ilirekebishwa hadi 2.0 kwa kuongeza suluhisho la hidrokloridi (1M).Kisha kloridi ya kalsiamu (5.62 mM) iliyeyushwa katika suluhisho.Kwa kuongeza 1M tris(hydroxymethyl)-amino Methane hurekebisha pH ya suluhisho hadi 7.4.Ingiza substrates zote kwenye sahani yenye visima sita iliyojaa mmumunyo wa fosfati ya kalsiamu ya 1.5× na uondoe kwenye mmumunyo huo baada ya dakika 30.Kwa uchafu, 2 g Alizarin Red S (CI 58005) Changanya na 100 ml ya maji yaliyotumiwa.Kisha, tumia 10% ya hidroksidi ya amonia ili kurekebisha pH hadi 4. Paka substrate na ufumbuzi wa Alizarin Red kwa dakika 5, na kisha kutikisa rangi ya ziada na kufuta.Baada ya mchakato wa kutetemeka, ondoa substrate.Nyenzo hizo zimeharibiwa, kisha huingizwa ndani ya asetoni kwa dakika 5, kisha huingizwa kwenye suluhisho la acetone-xylene (1: 1) kwa dakika 5, na hatimaye kuosha na xylene (n = 4).Hadubini ya Fluorescence (Axio Imager) yenye lenzi lengo ×10 na ×20 hutumiwa..A2m, Zeiss, Ujerumani) picha za substrates zote.ImageJ/FIJI (https://imagej.nih.gov/ij/) ilitumika kukadiria data ya mshikamano wa dutu za kibaolojia kwenye kila kundi la maeneo manne tofauti ya picha.Badilisha picha zote ziwe picha za jozi zilizo na vizingiti visivyobadilika kwa ulinganisho wa sehemu ndogo.
Hadubini confocal ya Zeiss LSM 700 ilitumika kufuatilia uthabiti wa safu ya vilainishi katika PBS katika hali ya kuakisi.Sampuli ya glasi iliyopakwa ya SAM yenye florini na safu ya kulainisha iliyodungwa ilitumbukizwa kwenye myeyusho wa PBS, na kujaribiwa kwa kutumia kitetemeshi cha orbital (SHO-1D; Daihan Scientific, Korea Kusini) chini ya hali ya mtetemo mdogo (120 rpm).Kisha chukua sampuli na ufuatilie upotevu wa lubricant kwa kupima upotevu wa mwanga ulioakisiwa.Ili kupata picha za fluorescence katika hali ya kuakisi, sampuli inakabiliwa na leza ya 633 nm na kisha kukusanywa, kwa sababu mwanga utaakisiwa kutoka kwa sampuli.Sampuli zilipimwa kwa vipindi vya saa 0, 30, 60 na 120.
Ili kuamua ushawishi wa mchakato wa kurekebisha uso juu ya sifa za nanomechanical za implants za mifupa, nanoindenter (TI 950 TriboIndenter, Hysitron, USA) iliyo na ncha ya almasi ya Berkovich yenye umbo la piramidi ya pande tatu ilitumiwa kupima nanoindenedione.Mzigo wa kilele ni 10 mN na eneo ni 100μmx 100μm.Kwa vipimo vyote, wakati wa upakiaji na upakiaji ni 10 s, na wakati wa kushikilia chini ya mzigo wa kilele wa indentation ni 2 s.Chukua vipimo kutoka maeneo matano tofauti na uchukue wastani.Ili kutathmini utendakazi wa uimara wa kimakanika chini ya mzigo, jaribio la kupindika la ncha tatu lilifanywa kwa kutumia mashine ya kupima ya ulimwengu wote (Instron 5966, Instron, USA).Substrate inasisitizwa kwa kiwango cha mara kwa mara cha 10 N / s na mzigo ulioongezeka.Mpango wa programu wa Bluehill Universal (n = 3) ulitumika kukokotoa moduli ya kunyumbulika na mkazo wa juu zaidi wa kubana.
Ili kuiga mchakato wa operesheni na uharibifu wa mitambo unaohusiana unaosababishwa wakati wa operesheni, mchakato wa operesheni ulifanyika katika vitro.Femurs zilikusanywa kutoka kwa sungura weupe wa New Zealand waliouawa.Femur ilisafishwa na kuwekwa katika paraformaldehyde 4% kwa wiki 1.Kama ilivyoelezwa katika mbinu ya majaribio ya wanyama, femur fasta iliendeshwa kwa upasuaji.Baada ya upasuaji, kipandikizi cha mifupa kilitumbukizwa katika damu (damu ya farasi, KISAN, Korea) kwa s 10 ili kuthibitisha ikiwa kuunganishwa kwa damu kulitokea baada ya kuumia kwa mitambo (n = 3).
Jumla ya sungura weupe 24 wa kiume wa New Zealand (uzito 3.0 hadi 3.5kg, wastani wa umri wa miezi 6) waligawanywa nasibu katika makundi manne: uchi hasi, uchi chanya, SHP na LOIS.Taratibu zote zinazohusisha wanyama zilitekelezwa kwa mujibu wa viwango vya maadili vya Kamati ya Kitaasisi ya Huduma na Matumizi ya Wanyama (IACUC iliidhinishwa, KOREA-2017-0159).Kipandikizi cha mifupa kina sahani ya kufunga yenye mashimo matano (urefu wa 41 mm, upana wa 7 mm na unene wa 2 mm) na screws za kufunga cortical (urefu wa 12 mm, kipenyo cha 2.7 mm) kwa ajili ya kurekebisha fracture.Isipokuwa kwa zile bati na skrubu zinazotumiwa katika kikundi cha bare-negative, bati na skrubu zote ziliwekwa kwenye kusimamishwa kwa MRSA (106 CFU/ml) kwa saa 12.Kikundi cha uchi-hasi (n=6) kilitibiwa kwa vipandikizi vya uso vilivyo uchi bila kuathiriwa na kusimamishwa kwa bakteria, kama udhibiti mbaya wa maambukizi.Kundi tupu la chanya (n = 6) lilitibiwa kwa pandikizi la uso tupu lililowekwa wazi kwa bakteria kama udhibiti mzuri wa maambukizi.Kundi la SHP (n = 6) lilitibiwa kwa vipandikizi vya SHP vilivyowekwa wazi kwa bakteria.Hatimaye, kikundi cha LOIS kilitibiwa na vipandikizi vya LOIS vilivyowekwa wazi na bakteria (n = 6).Wanyama wote huwekwa kwenye ngome, na chakula na maji mengi hutolewa.Kabla ya operesheni, sungura walifungwa kwa masaa 12.Wanyama walipigwa anesthetized kwa sindano ya intramuscular ya xylazine (5mg / kg) na sindano ya mishipa ya paclitaxel (3mg / kg) kwa induction.Baada ya hayo, toa 2% isoflurane na 50% hadi 70% ya oksijeni ya matibabu (kiwango cha mtiririko 2 L/min) kupitia mfumo wa kupumua ili kudumisha anesthesia.Imewekwa kwa njia ya moja kwa moja kwa femur ya upande.Baada ya kuondolewa kwa nywele na disinfection ya povidone-iodini ya ngozi, chale kuhusu urefu wa 6 cm ilifanywa nje ya femur ya kati ya kushoto.Kwa kufungua pengo kati ya misuli inayofunika femur, femur inakabiliwa kikamilifu.Weka sahani mbele ya shimoni la kike na urekebishe na screws nne.Baada ya kurekebisha, tumia blade ya saw (1 mm nene) ili kuunda fracture katika eneo kati ya shimo la pili na shimo la nne.Mwishoni mwa operesheni, jeraha lilioshwa na salini na kufungwa na sutures.Kila sungura alidungwa chini ya ngozi na enrofloxacin (5 mg/kg) iliyopunguzwa theluthi moja ya chumvi.X-rays ya baada ya upasuaji ya femur ilichukuliwa kwa wanyama wote (0, 7, 14, 21, 28, na siku 42) ili kuthibitisha osteotomy ya mfupa.Baada ya ganzi ya kina, wanyama wote waliuawa na KCl ya mishipa (2 mmol/kg) siku 28 na 42.Baada ya kunyongwa, femur ilichanganuliwa na micro-CT ili kuchunguza na kulinganisha mchakato wa uponyaji wa mfupa na uundaji mpya wa mfupa kati ya vikundi vinne.
Baada ya kunyongwa, tishu za laini ambazo ziliwasiliana moja kwa moja na implants za mifupa zilikusanywa.Tishu hiyo iliwekwa katika 10% ya formalin isiyo na upande wowote iliyohifadhiwa kwa usiku mmoja na kisha ikatolewa katika EtOH.Tishu zilizo na maji mwilini ziliwekwa kwenye mafuta ya taa na kugawanywa kwa unene wa 40 μm kwa kutumia microtome (400CS; EXAKT, Ujerumani).Ili kuibua maambukizo, uwekaji madoa wa H&E na upakaji madoa wa MT ulifanywa.Ili kuangalia mwitikio wa mwenyeji, tishu zilizogawanywa ziliwekwa ndani ya kingamwili ya msingi ya sungura ya kuzuia TNF-α (AB6671, Abcam, USA) na anti-IL-6 ya sungura (AB6672; Abcam, USA), na kisha kutibiwa na horseradish.Oxidase.Tumia mfumo wa uchafu wa avidin-biotin (ABC) kwenye sehemu kulingana na maagizo ya mtengenezaji.Ili kuonekana kama bidhaa ya mmenyuko wa kahawia, 3,3-diaminobenzidine ilitumika katika sehemu zote.Kichanganuzi cha slaidi za kidijitali (Pannoramic 250 Flash III, 3DHISTECH, Hungaria) kilitumiwa kuibua vipande vyote, na angalau substrates nne katika kila kikundi zilichanganuliwa na programu ya ImageJ.
Picha za X-ray zilichukuliwa kwa wanyama wote baada ya upasuaji na kila wiki kufuatilia uponyaji wa fracture (n = 6 kwa kikundi).Baada ya kunyongwa, micro-CT ya azimio la juu ilitumiwa kuhesabu uundaji wa callus karibu na femur baada ya uponyaji.Femur iliyopatikana ilisafishwa, ikawekwa katika paraformaldehyde 4% kwa siku 3, na ikatolewa kwa 75% ya ethanol.Mifupa iliyopungukiwa na maji ilichanganuliwa kwa kutumia micro-CT (SkyScan 1173, Brooke Micro-CT, Kandy, Ubelgiji) ili kutoa picha za voxel za 3D (pikseli 2240×2240) za sampuli ya mfupa.Tumia kichujio cha milimita 1.0 ili kupunguza kelele ya mawimbi na kutumia ubora wa juu kwenye scan zote (E = 133 kVp, I = 60 μA, muda wa kuunganisha = 500 ms).Programu ya Nrecon (toleo la 1.6.9.8, Bruker microCT, Kontich, Ubelgiji) ilitumiwa kutoa ujazo wa 3D wa sampuli iliyochanganuliwa kutoka kwa makadirio ya upande wa 2D yaliyopatikana.Kwa uchambuzi, picha iliyojengwa upya ya 3D imegawanywa katika cubes 10mmx10x10mm kulingana na tovuti ya fracture.Piga hesabu ya callus nje ya mfupa wa gamba.Programu ya DataViewer (toleo la 1.5.1.2; Bruker microCT, Kontich, Ubelgiji) ilitumiwa kuelekeza upya kiasi cha mfupa kilichochanganuliwa kidijitali, na programu ya CT-Analyzer (toleo la 1.14.4.1; Bruker microCT, Kontich, Ubelgiji) ilitumiwa kuchanganua.Mgawo wa kunyonya wa eksirei katika mfupa kukomaa na callus hutofautishwa na wiani wao, na kisha kiasi cha callus kinahesabiwa (n = 4).Ili kuthibitisha kwamba biocompatibility ya LOIS haina kuchelewesha mchakato wa uponyaji wa mfupa, ziada X-ray na micro-CT uchambuzi ulifanyika katika sungura mbili: uchi-hasi na LOIS makundi.Vikundi vyote viwili viliuawa katika wiki ya 6.
Femurs kutoka kwa wanyama waliotolewa dhabihu zilikusanywa na kuwekwa katika paraformaldehyde 4% kwa siku 3.Kipandikizi cha mifupa kisha huondolewa kwa uangalifu kutoka kwa femur.Femur ilipunguzwa kwa siku 21 kwa kutumia 0.5 M EDTA (EC-900, Shirika la Kitaifa la Uchunguzi).Kisha femur iliyopungua ilizamishwa katika EtOH ili kuifanya iwe na maji.Femur iliyopungukiwa na maji ilitolewa katika xylene na kuingizwa kwenye parafini.Kisha sampuli ilikatwa na microtome ya kuzunguka moja kwa moja (Leica RM2255, Leica Biosystems, Ujerumani) yenye unene wa 3 μm.Kwa upakaji rangi wa TRAP (F6760, Sigma-Aldrich, Ujerumani), sampuli zilizogawanywa zilitolewa kwa mafuta, kuongezwa maji na kuwekwa kwenye kitendanishi cha TRAP kwa 37°C kwa saa 1.Picha zilipatikana kwa kutumia kichanganuzi cha slaidi (Pannoramic 250 Flash III, 3DHISTECH, Hungaria) na kukaguliwa kwa kupima ufunikaji wa eneo la eneo lenye madoa.Katika kila jaribio, angalau substrates nne katika kila kikundi zilichanganuliwa na programu ya ImageJ.
Uchambuzi wa umuhimu wa takwimu ulifanywa kwa kutumia GraphPad Prism (GraphPad Software Inc., Marekani).Jaribio la t lisilooanishwa na uchanganuzi wa njia moja wa tofauti (ANOVA) zilitumika kujaribu tofauti kati ya vikundi vya tathmini.Kiwango cha umuhimu kinaonyeshwa katika takwimu kama ifuatavyo: *P<0.05, **P<0.01, ***P<0.001 na ****P<0.0001;NS, hakuna tofauti kubwa.
Kwa nyenzo za ziada za makala haya, tafadhali angalia http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/44/eabb0025/DC1
Hili ni nakala ya ufikiaji wa wazi inayosambazwa chini ya masharti ya Leseni ya Creative Commons Attribution-Non-Commercial, ambayo inaruhusu matumizi, usambazaji na uzazi kwa njia yoyote, mradi tu matumizi si ya faida ya kibiashara na msingi ni kwamba asili. kazi ni sahihi.Rejea.
Kumbuka: Tunakuomba tu utoe anwani ya barua pepe ili mtu unayempendekeza kwenye ukurasa ajue kwamba unataka aone barua pepe hiyo na kwamba barua pepe hiyo si barua taka.Hatutachukua anwani zozote za barua pepe.
Swali hili linatumika kupima kama wewe ni mgeni wa kibinadamu na kuzuia uwasilishaji otomatiki wa barua taka.
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
Mipako ya kutoroka ya antibacterial na kinga ya vipandikizi vya mifupa inaweza kupunguza maambukizo na majibu ya kinga yanayosababishwa na maambukizo.
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
Mipako ya kutoroka ya antibacterial na kinga ya vipandikizi vya mifupa inaweza kupunguza maambukizo na majibu ya kinga yanayosababishwa na maambukizo.
©2021 Chama cha Marekani cha Kuendeleza Sayansi.Haki zote zimehifadhiwa.AAAS ni mshirika wa HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef na COUNTER.SayansiMaendeleo ISSN 2375-2548.