สำหรับผู้ป่วยที่ได้รับการผ่าตัดปลูกถ่ายกระดูก การติดเชื้อแบคทีเรียและการตอบสนองของระบบภูมิคุ้มกันที่เกิดจากการติดเชื้อถือเป็นความเสี่ยงที่คุกคามถึงชีวิตมาโดยตลอดวัสดุชีวภาพทั่วไปมีความเสี่ยงต่อการปนเปื้อนทางชีวภาพ ซึ่งทำให้แบคทีเรียบุกรุกบริเวณที่ได้รับบาดเจ็บและทำให้เกิดการติดเชื้อหลังการผ่าตัดดังนั้นจึงมีความจำเป็นเร่งด่วนในการพัฒนาสารเคลือบป้องกันการติดเชื้อและสารเคลือบภูมิคุ้มกันสำหรับการปลูกถ่ายกระดูกเทียมที่นี่ เราได้พัฒนาเทคโนโลยีการปรับเปลี่ยนพื้นผิวขั้นสูงสำหรับการปลูกถ่ายกระดูกและข้อที่เรียกว่า Lubricated Orthopedic Implant Surface (LOIS) ซึ่งได้รับแรงบันดาลใจจากพื้นผิวเรียบของเหยือกจากต้นเหยือกLOIS มีคุณสมบัติไล่ของเหลวและสารชีวภาพหลายชนิดได้ยาวนานและเข้มข้น (รวมถึงเซลล์ โปรตีน แคลเซียม และแบคทีเรีย)นอกจากนี้เรายังยืนยันความทนทานเชิงกลต่อรอยขีดข่วนและแรงยึดโดยการจำลองความเสียหายที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ระหว่างการผ่าตัดในหลอดทดลองแบบจำลองกระดูกต้นขาอักเสบจากไขกระดูกกระต่ายถูกนำมาใช้เพื่อศึกษาการปรับขนาดทางชีววิทยาและความสามารถในการต้านการติดเชื้อของ LOIS อย่างละเอียดเรามองเห็นว่า LOIS ซึ่งมีคุณสมบัติต่อต้านการปนเปื้อนทางชีวภาพและความทนทานเชิงกล เป็นก้าวสำคัญในการผ่าตัดกระดูกและข้อที่ปราศจากการติดเชื้อ
ทุกวันนี้ เนื่องจากอายุโดยรวม ทำให้จำนวนผู้ป่วยที่เป็นโรคเกี่ยวกับกระดูก (เช่น กระดูกหักในผู้สูงอายุ โรคข้อเสื่อม และโรคกระดูกพรุน) เพิ่มขึ้นอย่างมาก (1, 2)ดังนั้น สถาบันทางการแพทย์จึงให้ความสำคัญอย่างยิ่งต่อการผ่าตัดกระดูก รวมถึงการฝังสกรู แผ่น เล็บ และข้อต่อเทียมเกี่ยวกับกระดูก (3, 4)อย่างไรก็ตาม มีรายงานว่าการปลูกถ่ายกระดูกแบบดั้งเดิมมีความอ่อนไหวต่อการยึดเกาะของแบคทีเรียและการก่อตัวของฟิล์มชีวะ ซึ่งอาจทำให้เกิดการติดเชื้อบริเวณแผลผ่าตัด (SSI) หลังการผ่าตัด (5, 6)เมื่อแผ่นชีวะถูกสร้างขึ้นบนพื้นผิวของการปลูกถ่ายกระดูก การกำจัดแผ่นชีวะจะกลายเป็นเรื่องยากมากแม้ว่าจะใช้ยาปฏิชีวนะในปริมาณมากก็ตามดังนั้นจึงมักนำไปสู่การติดเชื้อหลังการผ่าตัดขั้นรุนแรง (7, 8)จากปัญหาข้างต้น การรักษารากฟันเทียมที่ติดเชื้อควรรวมถึงการผ่าตัดซ้ำ รวมถึงการถอดรากเทียมและเนื้อเยื่อโดยรอบออกทั้งหมดผู้ป่วยจึงได้รับความเจ็บปวดอย่างรุนแรงและมีความเสี่ยงอยู่บ้าง (9, 10)
เพื่อแก้ไขปัญหาเหล่านี้ ได้มีการพัฒนาการปลูกถ่ายกระดูกแบบชะล้างยาเพื่อป้องกันการติดเชื้อโดยการกำจัดแบคทีเรียที่ติดอยู่บนพื้นผิว (11, 12)อย่างไรก็ตาม กลยุทธ์นี้ยังคงมีข้อจำกัดหลายประการมีรายงานว่าการฝังรากฟันเทียมชะล้างยาในระยะยาวทำให้เกิดความเสียหายต่อเนื้อเยื่อรอบข้างและทำให้เกิดการอักเสบ ซึ่งอาจนำไปสู่เนื้อร้าย (13, 14)นอกจากนี้ ตัวทำละลายอินทรีย์ที่อาจเกิดขึ้นหลังกระบวนการผลิตอุปกรณ์ปลูกถ่ายกระดูกและข้อที่ใช้ชะล้างยา ซึ่งสำนักงานคณะกรรมการอาหารและยาแห่งสหรัฐอเมริกาสั่งห้ามอย่างเคร่งครัด จำเป็นต้องมีขั้นตอนการทำให้บริสุทธิ์เพิ่มเติมเพื่อให้เป็นไปตามมาตรฐาน (15)การฝังตัวชะล้างยาเป็นสิ่งที่ท้าทายในการควบคุมการปล่อยยา และเนื่องจากปริมาณยาที่จำกัด การใช้ยาในระยะยาวจึงเป็นไปไม่ได้ (16)
กลยุทธ์ทั่วไปอีกประการหนึ่งคือการเคลือบเทียมด้วยโพลีเมอร์กันเพรียงเพื่อป้องกันไม่ให้สสารทางชีวภาพและแบคทีเรียเกาะติดกับพื้นผิว (17)ตัวอย่างเช่น โพลีเมอร์ที่มีสวิตเตอร์ไอออนดึงดูดความสนใจเนื่องจากคุณสมบัติไม่ยึดติดเมื่อสัมผัสกับโปรตีนในพลาสมา เซลล์ และแบคทีเรียอย่างไรก็ตาม มีข้อจำกัดบางประการเกี่ยวกับความมั่นคงในระยะยาวและความทนทานทางกล ซึ่งเป็นอุปสรรคต่อการใช้งานจริงในการปลูกถ่ายกระดูก โดยเฉพาะอย่างยิ่งเนื่องจากการขูดขีดทางกลในระหว่างขั้นตอนการผ่าตัด (18, 19)นอกจากนี้ เนื่องจากความเข้ากันได้ทางชีวภาพสูง ไม่จำเป็นต้องผ่าตัดเอาออก และคุณสมบัติการทำความสะอาดพื้นผิวผ่านการกัดกร่อน จึงมีการใช้การปลูกถ่ายกระดูกที่ทำจากวัสดุที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพ (20, 21)ในระหว่างการกัดกร่อน พันธะเคมีระหว่างเมทริกซ์โพลีเมอร์จะถูกทำลายและหลุดออกจากพื้นผิว และสารยึดเกาะจะทำความสะอาดพื้นผิวอย่างไรก็ตาม การขจัดคราบจุลินทรีย์โดยการทำความสะอาดพื้นผิวจะมีประสิทธิภาพในระยะเวลาอันสั้นนอกจากนี้ วัสดุที่สามารถดูดซับได้ส่วนใหญ่ รวมถึงโพลี (กรดแลกติก-กรดไกลโคลิกโคพอลิเมอร์) (PLGA), กรดโพลีแลกติก (PLA) และโลหะผสมที่มีแมกนีเซียมเป็นหลัก จะได้รับการย่อยสลายทางชีวภาพและการกัดเซาะในร่างกายที่ไม่สม่ำเสมอ ซึ่งจะส่งผลเสียต่อเสถียรภาพทางกล(ยี่สิบสอง).นอกจากนี้ เศษแผ่นที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพยังเป็นที่สำหรับแบคทีเรียที่จะเกาะติด ซึ่งจะเป็นการเพิ่มโอกาสของการติดเชื้อในระยะยาวความเสี่ยงของการเสื่อมสภาพทางกลไกและการติดเชื้อนี้จำกัดการใช้งานจริงของการทำศัลยกรรมพลาสติก (23)
พื้นผิวซุปเปอร์ไฮโดรโฟบิก (SHP) ที่เลียนแบบโครงสร้างลำดับชั้นของใบบัวได้กลายเป็นวิธีแก้ปัญหาที่เป็นไปได้สำหรับพื้นผิวป้องกันการเปรอะเปื้อน (24, 25)เมื่อพื้นผิว SHP แช่อยู่ในของเหลว ฟองอากาศจะถูกดักจับ ทำให้เกิดช่องอากาศและป้องกันการเกาะตัวของแบคทีเรีย (26)อย่างไรก็ตาม การศึกษาล่าสุดแสดงให้เห็นว่าพื้นผิว SHP มีข้อเสียที่เกี่ยวข้องกับความทนทานเชิงกลและความเสถียรในระยะยาว ซึ่งเป็นอุปสรรคต่อการใช้งานในการปลูกถ่ายทางการแพทย์นอกจากนี้ ช่องอากาศจะละลายและสูญเสียคุณสมบัติป้องกันการเปรอะเปื้อน ส่งผลให้มีการยึดเกาะของแบคทีเรียที่กว้างขึ้นเนื่องจากพื้นที่ผิว SHP มีขนาดใหญ่ (27, 28)เมื่อเร็วๆ นี้ Aizenberg และเพื่อนร่วมงานได้แนะนำวิธีการใหม่ในการเคลือบพื้นผิวป้องกันการปนเปื้อนทางชีวภาพโดยการพัฒนาพื้นผิวเรียบที่ได้รับแรงบันดาลใจจากต้นหม้อข้าวหม้อแกงลิง (29, 30)พื้นผิวเรียบแสดงถึงความมั่นคงในระยะยาวภายใต้สภาวะไฮดรอลิก สามารถไล่ของเหลวจากของเหลวชีวภาพได้อย่างมาก และมีคุณสมบัติซ่อมแซมตัวเองได้อย่างไรก็ตาม ไม่มีวิธีการเคลือบบนรากฟันเทียมทางการแพทย์ที่มีรูปร่างซับซ้อน และไม่ได้รับการพิสูจน์ว่าสนับสนุนกระบวนการบำบัดของเนื้อเยื่อที่เสียหายหลังการปลูกถ่าย
ที่นี่ เราขอแนะนำพื้นผิวประสาทเทียมออร์โทพีดิกส์แบบหล่อลื่น (LOIS) ซึ่งเป็นพื้นผิวเทียมออร์โทพีดิกส์ที่มีโครงสร้างระดับไมโคร/นาโน และผสานเข้าด้วยกันอย่างแน่นหนากับชั้นสารหล่อลื่นบางๆ เพื่อป้องกันไม่ให้เกี่ยวข้องกับการทำศัลยกรรมพลาสติก การติดเชื้อแบคทีเรีย เช่น การตรึงกระดูกหักเนื่องจากโครงสร้างระดับไมโคร/นาโนที่มีฟังก์ชันฟลูออรีนช่วยยึดสารหล่อลื่นบนโครงสร้างได้อย่างแน่นหนา LOIS ที่พัฒนาแล้วจึงสามารถต้านทานการยึดเกาะของของเหลวต่างๆ ได้อย่างเต็มที่ และรักษาประสิทธิภาพการป้องกันการเปรอะเปื้อนได้เป็นเวลานานการเคลือบ LOIS สามารถนำไปใช้กับวัสดุที่มีรูปร่างหลากหลายที่มีจุดประสงค์เพื่อการสังเคราะห์กระดูกคุณสมบัติในการต้านชีวภัณฑ์ที่ดีเยี่ยมของ LOIS ต่อแบคทีเรียไบโอฟิล์ม [Pseudomonas aeruginosa และ Staphylococcus aureus ที่ทนต่อเมธิซิลิน (MRSA)] และสารทางชีวภาพ (เซลล์ โปรตีน และแคลเซียม) ได้รับการยืนยันในหลอดทดลองอัตราการยึดเกาะของการยึดเกาะกับพื้นผิวอย่างกว้างขวางน้อยกว่า 1%นอกจากนี้ แม้หลังจากเกิดความเครียดทางกล เช่น รอยขีดข่วนบนพื้นผิว การฟื้นตัวได้เองที่เกิดจากสารหล่อลื่นที่แทรกซึมจะช่วยรักษาคุณสมบัติป้องกันการเปรอะเปื้อนได้ผลการทดสอบความทนทานทางกลแสดงให้เห็นว่าแม้หลังจากการดัดแปลงโครงสร้างและทางเคมีแล้ว ความแข็งแรงโดยรวมจะไม่ลดลงอย่างมีนัยสำคัญนอกจากนี้ การทดลองในหลอดทดลองที่จำลองความเครียดเชิงกลในสภาพแวดล้อมการผ่าตัดได้ดำเนินการเพื่อพิสูจน์ว่า LOIS สามารถทนต่อความเครียดเชิงกลต่างๆ ที่เกิดขึ้นระหว่างการทำศัลยกรรมพลาสติกได้ในที่สุด เราใช้แบบจำลองการแตกหักของกระดูกต้นขาในร่างกายแบบกระต่าย ซึ่งพิสูจน์ว่า LOIS มีคุณสมบัติต้านเชื้อแบคทีเรียและความเข้ากันได้ทางชีวภาพที่เหนือกว่าผลลัพธ์ทางรังสีวิทยาและเนื้อเยื่อวิทยายืนยันว่าพฤติกรรมของสารหล่อลื่นคงที่และคุณสมบัติต้านการปนเปื้อนทางชีวภาพภายใน 4 สัปดาห์หลังจากการฝัง สามารถบรรลุประสิทธิภาพในการต่อต้านการติดเชื้อและการหลบหนีของภูมิคุ้มกันได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยไม่ทำให้กระบวนการสมานกระดูกล่าช้า
รูปที่ 1A แสดงแผนผังของ LOIS ที่พัฒนาแล้ว ซึ่งฝังด้วยโครงสร้างระดับไมโคร/นาโนในแบบจำลองกระดูกต้นขาหักของกระต่าย เพื่อยืนยันคุณสมบัติการเปรอะเปื้อนทางชีววิทยาและการป้องกันการติดเชื้อที่ดีเยี่ยมมีการดำเนินการวิธีการเลียนแบบทางชีวภาพเพื่อจำลองพื้นผิวของต้นหม้อน้ำ และเพื่อป้องกันการปนเปื้อนทางชีวภาพโดยการผสมชั้นสารหล่อลื่นภายในโครงสร้างไมโคร/นาโนของพื้นผิวพื้นผิวที่ฉีดสารหล่อลื่นสามารถลดการสัมผัสระหว่างสารชีวภาพและพื้นผิวได้ดังนั้นเนื่องจากการก่อตัวของพันธะเคมีที่เสถียรบนพื้นผิว จึงมีประสิทธิภาพในการกันเพรียงที่ดีเยี่ยมและมีความเสถียรในระยะยาวด้วยเหตุนี้ คุณสมบัติต้านการปนเปื้อนทางชีวภาพของพื้นผิวหล่อลื่นจึงทำให้สามารถนำไปใช้ประโยชน์ในการวิจัยทางชีวการแพทย์ได้หลากหลายอย่างไรก็ตาม การวิจัยอย่างละเอียดเกี่ยวกับวิธีการที่พื้นผิวพิเศษนี้มีปฏิกิริยาต่อร่างกายยังไม่เสร็จสมบูรณ์โดยการเปรียบเทียบ LOIS กับสารตั้งต้นที่เปลือยเปล่า ในหลอดทดลอง โดยใช้อัลบูมินและแบคทีเรียไบโอฟิล์ม สามารถยืนยันการไม่ยึดติดของ LOIS ได้ (รูปที่ 1B)นอกจากนี้ ด้วยการกลิ้งหยดน้ำบนพื้นผิวเปลือยที่มีความลาดเอียงและพื้นผิว LOIS (รูปที่ S1 และภาพยนตร์ S1) จึงสามารถแสดงให้เห็นประสิทธิภาพการปนเปื้อนทางชีวภาพได้ดังที่แสดงในภาพกล้องจุลทรรศน์ฟลูออเรสเซนซ์ สารตั้งต้นที่ถูกบ่มในสารแขวนลอยของโปรตีนและแบคทีเรียแสดงให้เห็นว่ามีวัสดุทางชีวภาพจำนวนมากเกาะติดกับพื้นผิวอย่างไรก็ตาม เนื่องจากคุณสมบัติต่อต้านการปนเปื้อนทางชีวภาพที่ดีเยี่ยม LOIS จึงแทบไม่แสดงการเรืองแสงใดๆ เลยเพื่อยืนยันคุณสมบัติในการต้านชีวะและป้องกันการติดเชื้อ LOIS จึงถูกนำไปใช้กับพื้นผิวของการปลูกถ่ายกระดูกเพื่อการสังเคราะห์กระดูก (แผ่นและสกรู) และวางไว้ในแบบจำลองการแตกหักของกระต่ายก่อนการฝัง การปลูกถ่ายกระดูกแบบเปลือยและ LOIS จะถูกบ่มในสารแขวนลอยของแบคทีเรียเป็นเวลา 12 ชั่วโมงการฟักตัวล่วงหน้าช่วยให้แน่ใจว่าแผ่นชีวะจะเกิดขึ้นบนพื้นผิวของวัสดุปลูกถ่ายที่เปลือยเปล่าเพื่อการเปรียบเทียบรูปที่ 1C แสดงภาพถ่ายของบริเวณที่แตกหัก 4 สัปดาห์หลังการปลูกถ่ายด้านซ้าย กระต่ายที่มีอุปกรณ์ปลูกถ่ายออร์โทพีดิกส์เปลือยแสดงอาการอักเสบในระดับรุนแรง เนื่องจากมีการสร้างแผ่นชีวะบนพื้นผิวของอวัยวะเทียมผลตรงกันข้ามพบในกระต่ายที่ฝัง LOIS นั่นคือเนื้อเยื่อรอบ ๆ ของ LOIS ไม่แสดงอาการติดเชื้อหรืออาการอักเสบนอกจากนี้ ภาพทางแสงทางด้านซ้ายยังระบุตำแหน่งการผ่าตัดของกระต่ายที่มีวัสดุเทียมแบบเปิด ซึ่งบ่งชี้ว่าไม่พบกาวหลายชิ้นบนพื้นผิวของวัสดุเทียมแบบเปิดบนพื้นผิวของ LOISนี่แสดงให้เห็นว่า LOIS มีความเสถียรในระยะยาวและมีความสามารถในการรักษาคุณสมบัติป้องกันการเปรอะเปื้อนทางชีวภาพและป้องกันการยึดเกาะ
( A ) แผนผังของ LOIS และการฝังของมันในแบบจำลองการแตกหักของกระดูกต้นขาของกระต่าย(B) ภาพด้วยกล้องจุลทรรศน์ฟลูออเรสเซนซ์ของโปรตีนและฟิล์มชีวะของแบคทีเรียบนพื้นผิวเปลือยและสารตั้งต้น LOIS4 สัปดาห์หลังการปลูกถ่าย (C) ภาพถ่ายภาพถ่ายของบริเวณที่แตกหัก และ (D) ภาพเอ็กซ์เรย์ (เน้นด้วยสี่เหลี่ยมสีแดง)เอื้อเฟื้อภาพ: Kyomin Chae มหาวิทยาลัยยอนเซ
กระต่ายที่ได้รับการฆ่าเชื้อและได้รับการปลูกฝังในทางลบแสดงให้เห็นกระบวนการสมานกระดูกตามปกติโดยไม่มีอาการอักเสบหรือการติดเชื้อในทางกลับกัน การปลูกถ่าย SHP ที่ได้รับการบ่มไว้ล่วงหน้าในสารแขวนลอยของแบคทีเรียจะแสดงอาการอักเสบที่เกี่ยวข้องกับการติดเชื้อในเนื้อเยื่อโดยรอบอาจเกิดจากการไม่สามารถยับยั้งการยึดเกาะของแบคทีเรียได้เป็นเวลานาน (รูปที่ S2)เพื่อพิสูจน์ว่า LOIS ไม่ส่งผลกระทบต่อกระบวนการรักษา แต่ยับยั้งการติดเชื้อที่เป็นไปได้ที่เกี่ยวข้องกับการปลูกถ่าย จึงได้เปรียบเทียบภาพเอ็กซ์เรย์ของเมทริกซ์เชิงบวกที่เปิดเผยและ LOIS ที่บริเวณที่แตกหัก (รูปที่ 1D)ภาพเอ็กซ์เรย์ของการปลูกถ่ายแบบเปลือยแสดงให้เห็นเส้นกระดูกที่คงอยู่ ซึ่งบ่งชี้ว่ากระดูกยังไม่หายสนิทนี่แสดงให้เห็นว่ากระบวนการฟื้นฟูกระดูกอาจล่าช้าอย่างมากเนื่องจากการอักเสบที่เกี่ยวข้องกับการติดเชื้อในทางตรงกันข้าม พบว่ากระต่ายที่ฝัง LOIS หายดีแล้วและไม่มีจุดแตกหักที่ชัดเจน
เพื่อที่จะพัฒนาอุปกรณ์ทางการแพทย์ที่มีความเสถียรและใช้งานได้ในระยะยาว (รวมถึงการต้านทานต่อการเกิดคราบจุลินทรีย์) เราได้ใช้ความพยายามหลายประการอย่างไรก็ตาม การมีอยู่ของสารชีวภาพหลายชนิดและการเปลี่ยนแปลงของการยึดเกาะของเนื้อเยื่อจำกัดการพัฒนาวิธีการที่เชื่อถือได้ทางคลินิกเพื่อที่จะเอาชนะข้อบกพร่องเหล่านี้ เราได้พัฒนาโครงสร้างชั้นไมโคร/นาโนและพื้นผิวดัดแปลงทางเคมี ซึ่งได้รับการปรับให้เหมาะสมเนื่องจากมีแรงฝอยสูงและความสัมพันธ์ทางเคมีสูง เพื่อรักษาสารหล่อลื่นที่เรียบเนียนที่สุดในระดับสูงสุดรูปที่ 2A แสดงกระบวนการผลิตโดยรวมของ LOISขั้นแรก ให้เตรียมซับสเตรตที่เป็นสเตนเลสเกรดทางการแพทย์ (SS) 304ประการที่สอง โครงสร้างไมโคร/นาโนถูกสร้างขึ้นบนพื้นผิว SS โดยการกัดด้วยสารเคมีโดยใช้สารละลายกรดไฮโดรฟลูออริก (HF)เพื่อคืนความต้านทานการกัดกร่อนของ SS จึงใช้สารละลายกรดไนตริก (HNO3) (31) ในการประมวลผลซับสเตรตที่สลักไว้การทำทู่ช่วยเพิ่มความต้านทานการกัดกร่อนของซับสเตรต SS และทำให้กระบวนการกัดกร่อนช้าลงอย่างมากซึ่งอาจลดประสิทธิภาพโดยรวมของ LOISจากนั้น โดยการสร้างชั้นเดียวที่ประกอบเอง (SAM) ด้วย 1H, 1H, 2H, 2H-เพอร์ฟลูออโรออคทิลไตรเอทอกซีไซเลน (POTS) พื้นผิวจะถูกดัดแปลงทางเคมีเพื่อปรับปรุงปฏิกิริยาทางเคมีระหว่างพื้นผิวและ Affinity ของสารหล่อลื่นที่เรียบการปรับเปลี่ยนพื้นผิวจะช่วยลดพลังงานพื้นผิวของพื้นผิวที่มีโครงสร้างระดับไมโคร/นาโนที่ประดิษฐ์ขึ้นอย่างมาก ซึ่งตรงกับพลังงานพื้นผิวของสารหล่อลื่นที่เรียบช่วยให้สารหล่อลื่นเปียกได้อย่างสมบูรณ์ จึงสร้างชั้นสารหล่อลื่นที่มั่นคงบนพื้นผิวพื้นผิวที่ได้รับการปรับเปลี่ยนจะช่วยเพิ่มความสามารถในการไม่ชอบน้ำผลการทดลองแสดงให้เห็นว่าน้ำมันหล่อลื่นที่ลื่นแสดงพฤติกรรมที่มั่นคงบน LOIS เนื่องจากมีความสัมพันธ์ทางเคมีสูงและแรงของเส้นเลือดฝอยที่เกิดจากโครงสร้างไมโคร/นาโน (32, 33)ศึกษาการเปลี่ยนแปลงทางแสงบนพื้นผิวของ SS หลังจากการปรับเปลี่ยนพื้นผิวและการฉีดสารหล่อลื่นโครงสร้างชั้นไมโคร/นาโนที่เกิดขึ้นบนพื้นผิวอาจทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในการมองเห็นและทำให้พื้นผิวมืดลงปรากฏการณ์นี้มีสาเหตุมาจากเอฟเฟกต์การกระเจิงของแสงที่เพิ่มขึ้นบนพื้นผิวขรุขระ ซึ่งเพิ่มการสะท้อนแบบกระจายที่เกิดจากกลไกการดักจับแสง (34)นอกจากนี้หลังจากฉีดสารหล่อลื่นแล้ว LOIS จะมีสีเข้มขึ้นชั้นหล่อลื่นทำให้แสงสะท้อนจากพื้นผิวน้อยลง ส่งผลให้ LOIS มืดลงเพื่อที่จะปรับโครงสร้างจุลภาค/โครงสร้างนาโนให้เหมาะสมเพื่อแสดงมุมเลื่อนที่เล็กที่สุด (SA) เพื่อให้บรรลุประสิทธิภาพในการป้องกันการปนเปื้อนทางชีวภาพ กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM) และคู่อะตอมถูกนำมาใช้เพื่อทำการกัด HF ที่แตกต่างกัน (0, 3), 15 และ 60 นาที) Force Microscope (AFM) (รูปที่ 2B)ภาพ SEM และ AFM แสดงให้เห็นว่าหลังจากการกัดในเวลาสั้นๆ (การกัด 3 นาที) พื้นผิวเปลือยจะเกิดความหยาบระดับนาโนที่ไม่สม่ำเสมอความหยาบของพื้นผิวเปลี่ยนแปลงตามเวลาการกัด (รูปที่ S3)เส้นโค้งที่แปรผันตามเวลาแสดงให้เห็นว่าความหยาบของพื้นผิวยังคงเพิ่มขึ้นและถึงจุดสูงสุดที่การกัด 15 นาที จากนั้นจะสังเกตเห็นค่าความหยาบลดลงเพียงเล็กน้อยเท่านั้นที่การกัด 30 นาทีณ จุดนี้ ความหยาบระดับนาโนจะถูกกัดกร่อนออกไป ในขณะที่ความหยาบระดับไมโครจะพัฒนาอย่างแรง ทำให้การเปลี่ยนแปลงความหยาบมีความเสถียรมากขึ้นหลังจากการกัดเซาะเป็นเวลานานกว่า 30 นาที จะสังเกตเห็นความหยาบเพิ่มขึ้นอีก ซึ่งอธิบายโดยละเอียดดังนี้ SS ประกอบด้วยเหล็กกล้า ผสมกับธาตุต่างๆ เช่น เหล็ก โครเมียม นิกเกิล โมลิบดีนัม และธาตุอื่นๆ อีกมากมายในบรรดาองค์ประกอบเหล่านี้ เหล็ก โครเมียม และโมลิบดีนัมมีบทบาทสำคัญในการสร้างความหยาบระดับไมครอน/นาโนบน SS โดยการกัดด้วย HFในช่วงแรกของการกัดกร่อน เหล็กและโครเมียมจะถูกกัดกร่อนเป็นส่วนใหญ่ เนื่องจากโมลิบดีนัมมีความต้านทานการกัดกร่อนสูงกว่าโมลิบดีนัมในขณะที่การกัดดำเนินไป สารละลายการกัดจะมีความอิ่มตัวมากเกินไปในท้องถิ่น ทำให้เกิดฟลูออไรด์และออกไซด์ที่เกิดจากการกัดฟลูออไรด์และออกไซด์จะตกตะกอนและสะสมใหม่บนพื้นผิวในที่สุด ทำให้เกิดความหยาบของพื้นผิวในช่วงไมครอน/นาโน (31)ความหยาบระดับไมโคร/นาโนนี้มีบทบาทสำคัญในคุณสมบัติการรักษาตัวเองของ LOISพื้นผิวสเกลคู่สร้างผลเสริมฤทธิ์กัน โดยเพิ่มแรงของเส้นเลือดฝอยอย่างมากปรากฏการณ์นี้ช่วยให้สารหล่อลื่นซึมผ่านพื้นผิวได้อย่างเสถียรและมีส่วนช่วยในการรักษาตัวเอง (35)การก่อตัวของความหยาบขึ้นอยู่กับเวลาในการแกะสลักการแกะสลักภายใต้เวลา 10 นาที พื้นผิวมีความหยาบระดับนาโนเท่านั้น ซึ่งไม่เพียงพอที่จะกักเก็บสารหล่อลื่นได้เพียงพอต่อการต้านทานการปนเปื้อนทางชีวภาพ (36)ในทางกลับกัน หากเวลาในการแกะสลักเกิน 30 นาที ความหยาบระดับนาโนที่เกิดจากการจัดเรียงใหม่ของเหล็กและโครเมียมจะหายไป และความหยาบระดับไมโครเท่านั้นที่จะยังคงอยู่เนื่องจากโมลิบดีนัมพื้นผิวที่ถูกกัดมากเกินไปขาดความหยาบระดับนาโน และสูญเสียผลเสริมฤทธิ์กันของความหยาบสองขั้นตอน ซึ่งส่งผลเสียต่อลักษณะการรักษาตัวเองของ LOISทำการวัด SA บนซับสเตรตที่มีเวลาในการกัดต่างกันเพื่อพิสูจน์ประสิทธิภาพการป้องกันการเปรอะเปื้อนของเหลวประเภทต่างๆ ถูกเลือกโดยพิจารณาจากความหนืดและพลังงานพื้นผิว รวมถึงน้ำปราศจากไอออน (DI) เลือด เอทิลีนไกลคอล (EG) เอทานอล (EtOH) และเฮกซาดีเคน (HD) (รูปที่ S4)รูปแบบการกัดแบบแปรผันตามเวลาแสดงให้เห็นว่าสำหรับของเหลวต่างๆ ที่มีพลังงานพื้นผิวและความหนืดต่างกัน SA ของ LOIS หลังจากการกัด 15 นาทีจะต่ำที่สุดดังนั้น LOIS จึงได้รับการปรับให้กัดกรดเป็นเวลา 15 นาทีเพื่อสร้างความหยาบระดับไมครอนและระดับนาโน ซึ่งเหมาะสำหรับการรักษาความทนทานของน้ำมันหล่อลื่นอย่างมีประสิทธิภาพและคุณสมบัติป้องกันการเปรอะเปื้อนที่ดีเยี่ยม
(A) แผนผังของกระบวนการผลิตสี่ขั้นตอนของ LOISสิ่งที่ใส่เข้าไปจะแสดง SAM ที่เกิดขึ้นบนพื้นผิว(B) รูปภาพ SEM และ AFM ใช้เพื่อปรับโครงสร้างไมโคร/นาโนของวัสดุพิมพ์ให้เหมาะสมภายใต้เวลาการแกะสลักที่แตกต่างกันสเปกตรัมเอ็กซ์เรย์โฟโตอิเล็กตรอนสเปกโทรสโกปี (XPS) ของ (C) Cr2p และ (D) F1s หลังจากการทู่พื้นผิวและการเคลือบ SAMau, หน่วยโดยพลการ(E) ภาพตัวแทนของหยดน้ำบนพื้นผิวเปลือย สลัก SHP และ LOIS(F) การวัดมุมสัมผัส (CA) และ SA ของของเหลวที่มีแรงตึงผิวต่างกันบน SHP และ LOISข้อมูลแสดงเป็นค่าเฉลี่ย ± SD
จากนั้น เพื่อยืนยันการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางเคมีของพื้นผิว จึงใช้ X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) เพื่อศึกษาการเปลี่ยนแปลงในองค์ประกอบทางเคมีของพื้นผิวของพื้นผิวหลังการเคลือบพื้นผิวแต่ละครั้งรูปที่ 2C แสดงผลการวัด XPS ของพื้นผิวสลัก HF และพื้นผิวที่ผ่านการบำบัด HNO 3พีคหลักสองค่าที่ 587.3 และ 577.7 eV สามารถเกิดจากพันธะ Cr-O ที่มีอยู่ในชั้นโครเมียมออกไซด์ ซึ่งเป็นความแตกต่างหลักจากพื้นผิวสลัก HFสาเหตุหลักมาจากการใช้เหล็กและโครเมียมฟลูออไรด์บนพื้นผิวโดย HNO3การกัดด้วย HNO3 ช่วยให้โครเมียมสร้างชั้นออกไซด์ที่ทะลุผ่านบนพื้นผิว ซึ่งทำให้ SS ที่กัดไว้นั้นทนทานต่อการกัดกร่อนอีกครั้งในรูปที่ 2D ได้สเปกตรัม XPS มาเพื่อยืนยันว่าไซเลนที่มีฟลูออโรคาร์บอนถูกสร้างขึ้นบนพื้นผิวหลังการเคลือบ SAM ซึ่งมีความสามารถในการไล่ของเหลวได้สูงมาก แม้กระทั่งสำหรับ EG เลือด และ EtOHการเคลือบ SAM เสร็จสมบูรณ์โดยการทำปฏิกิริยาหมู่ฟังก์ชันไซเลนกับหมู่ไฮดรอกซิลที่เกิดจากการบำบัดด้วยพลาสมาผลที่ได้คือสังเกตเห็นการเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญในพีค CF2 และ CF3พลังงานยึดเหนี่ยวระหว่าง 286 ถึง 296 eV บ่งชี้ว่าการดัดแปลงทางเคมีเสร็จสมบูรณ์โดยการเคลือบ SAMSHP แสดงพีค CF2 (290.1 ​​​​eV) และ CF3 (293.3 eV) ที่ค่อนข้างใหญ่ ซึ่งเกิดจากไซเลนที่มีฟลูออโรคาร์บอนเกิดขึ้นบนพื้นผิวรูปที่ 2E แสดงภาพเชิงแสงที่เป็นตัวแทนของการวัดมุมสัมผัส (CA) สำหรับกลุ่มต่างๆ ของน้ำปราศจากไอออนที่สัมผัสกับเปลือย ที่กัดกรด SHP และ LOISภาพเหล่านี้แสดงให้เห็นว่าพื้นผิวที่ถูกกัดกร่อนกลายเป็นที่ชอบน้ำเนื่องจากโครงสร้างระดับไมโคร/นาโนที่เกิดขึ้นจากการกัดด้วยสารเคมี เพื่อให้น้ำที่ปราศจากไอออนถูกดูดซึมเข้าสู่โครงสร้างอย่างไรก็ตาม เมื่อเคลือบพื้นผิวด้วย SAM พื้นผิวจะแสดงคุณสมบัติไม่ซับน้ำสูง ดังนั้นจึงเกิดพื้นผิว SHP และพื้นที่สัมผัสระหว่างน้ำและพื้นผิวมีขนาดเล็กในที่สุด พบว่า CA ลดลงใน LOIS ซึ่งอาจเกิดจากการแทรกซึมของน้ำมันหล่อลื่นเข้าไปในโครงสร้างจุลภาค ซึ่งจะเป็นการเพิ่มพื้นที่สัมผัสเพื่อพิสูจน์ว่าพื้นผิวมีคุณสมบัติในการไล่ของเหลวและไม่ยึดติดได้ดีเยี่ยม LOIS จึงถูกเปรียบเทียบกับซับสเตรต SHP โดยการวัด CA และ SA โดยใช้ของเหลวต่างๆ (รูปที่ 2F)ของเหลวหลายประเภทถูกเลือกตามความหนืดและพลังงานพื้นผิว รวมถึงน้ำปราศจากไอออน เลือด EG, EtOH และ HD (รูปที่ S4)ผลการวัด CA แสดงให้เห็นว่าเมื่อ CA มีแนวโน้มเป็น HD ค่ารีดิวซ์ของ CA โดยที่ CA มีพลังงานพื้นผิวต่ำที่สุดนอกจากนี้ LOIS ของ CA โดยรวมยังอยู่ในระดับต่ำอย่างไรก็ตาม การวัด SA แสดงให้เห็นปรากฏการณ์ที่แตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิงยกเว้นน้ำที่แตกตัวเป็นไอออน ของเหลวทั้งหมดจะเกาะติดกับซับสเตรต SHP โดยไม่หลุดออกในทางกลับกัน LOIS แสดงค่า SA ที่ต่ำมาก โดยที่เมื่อของเหลวทั้งหมดถูกเอียงในมุมที่ต่ำกว่า 10° ถึง 15° ของเหลวทั้งหมดจะกลิ้งออกไปสิ่งนี้แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่าการไม่ยึดเกาะของ LOIS นั้นดีกว่าพื้นผิว SHPนอกจากนี้ การเคลือบ LOIS ยังถูกนำไปใช้กับวัสดุประเภทต่างๆ รวมถึงไทเทเนียม (Ti), โพลีฟีนิลซัลโฟน (PPSU), โพลีออกซีเมทิลีน (POM), โพลีอีเทอร์อีเทอร์คีโตน (PEEK) และโพลีเมอร์ที่ดูดซับทางชีวภาพ (PLGA) ซึ่งเป็นวัสดุกระดูกแบบฝังได้ (รูป S5)).ภาพต่อเนื่องของหยดบนวัสดุที่ได้รับการบำบัดโดย LOIS แสดงให้เห็นว่าคุณสมบัติในการต้านการเกิดคราบจุลินทรีย์ของ LOIS นั้นเหมือนกันบนวัสดุพิมพ์ทั้งหมดนอกจากนี้ ผลการวัดของ CA และ SA แสดงให้เห็นว่าคุณสมบัติไม่ยึดติดของ LOIS สามารถนำไปใช้กับวัสดุอื่นๆ ได้
เพื่อยืนยันคุณสมบัติป้องกันการเปรอะเปื้อนของ LOIS ซับสเตรตประเภทต่างๆ (รวมถึงเปลือย, สลัก, SHP และ LOIS) ได้รับการบ่มด้วย Pseudomonas aeruginosa และ MRSAแบคทีเรียทั้งสองชนิดนี้ได้รับเลือกให้เป็นตัวแทนของแบคทีเรียในโรงพยาบาล ซึ่งสามารถนำไปสู่การก่อตัวของแผ่นชีวะ ซึ่งนำไปสู่การติดเชื้อ SSI (37)รูปที่ 3 (A และ B) แสดงผลการวัดด้วยกล้องจุลทรรศน์ฟลูออเรสเซนซ์และหน่วยการขึ้นรูปโคโลนี (CFU) ของซับสเตรตที่ถูกบ่มในสารแขวนลอยของแบคทีเรียในระยะสั้น (12 ชั่วโมง) และระยะยาว (72 ชั่วโมง) ตามลำดับในช่วงเวลาสั้นๆ แบคทีเรียจะรวมตัวกันเป็นกระจุกและมีขนาดโตขึ้น โดยมีสารคล้ายเมือกปกคลุมตัวเองและป้องกันไม่ให้ถูกกำจัดออกไปอย่างไรก็ตาม ในระหว่างการฟักตัว 72 ชั่วโมง แบคทีเรียจะเจริญเต็มที่และกระจายตัวได้ง่ายจนเกิดเป็นอาณานิคมหรือกระจุกมากขึ้นดังนั้นจึงถือได้ว่าการฟักตัว 72 ชั่วโมงเป็นระยะเวลานานและเป็นเวลาที่เหมาะสมในการฟักตัวเพื่อสร้างแผ่นชีวะที่แข็งแกร่งบนพื้นผิว (38)ในช่วงเวลาสั้นๆ พื้นผิวที่ถูกแกะสลักและพื้นผิวของ SHP แสดงการยึดเกาะของแบคทีเรีย ซึ่งลดลงประมาณ 25% ถึง 50% เมื่อเทียบกับซับสเตรตเปลือยอย่างไรก็ตาม เนื่องจากประสิทธิภาพและความเสถียรในการต้านทางชีวภาพที่ยอดเยี่ยม LOIS จึงไม่แสดงการยึดเกาะของไบโอฟิล์มจากแบคทีเรียในระยะสั้นและระยะยาวแผนผัง (รูปที่ 3C) อธิบายคำอธิบายกลไกการเปรอะเปื้อนที่ต่อต้านทางชีวภาพของสารละลายกัดกรด SHP และ LOISสมมติฐานก็คือว่าซับสเตรตที่ถูกกัดด้วยคุณสมบัติชอบน้ำจะมีพื้นที่ผิวมากกว่าซับสเตรตเปลือยดังนั้นการยึดเกาะของแบคทีเรียจะเกิดขึ้นบนพื้นผิวที่แกะสลักมากขึ้นอย่างไรก็ตาม เมื่อเปรียบเทียบกับซับสเตรตเปลือย พื้นผิวที่แกะสลักจะมีไบโอฟิล์มที่เกิดขึ้นบนพื้นผิวน้อยกว่าอย่างเห็นได้ชัดเนื่องจากโมเลกุลของน้ำเกาะติดแน่นกับพื้นผิวที่ชอบน้ำและทำหน้าที่เป็นสารหล่อลื่นสำหรับน้ำ จึงรบกวนการยึดเกาะของแบคทีเรียในระยะสั้น (39)อย่างไรก็ตามชั้นของโมเลกุลของน้ำมีความบางมากและละลายได้ในสารแขวนลอยของแบคทีเรียดังนั้นชั้นโมเลกุลของน้ำจึงหายไปเป็นเวลานาน ทำให้เกิดการยึดเกาะและการแพร่กระจายของแบคทีเรียอย่างกว้างขวางสำหรับ SHP เนื่องจากคุณสมบัติไม่เปียกในระยะสั้น จึงยับยั้งการยึดเกาะของแบคทีเรียการยึดเกาะของแบคทีเรียที่ลดลงอาจเนื่องมาจากช่องอากาศที่ติดอยู่ในโครงสร้างชั้นและพลังงานพื้นผิวที่ลดลง ดังนั้นจึงลดการสัมผัสระหว่างสารแขวนลอยของแบคทีเรียและพื้นผิวอย่างไรก็ตาม มีการสังเกตการยึดเกาะของแบคทีเรียอย่างกว้างขวางใน SHP เนื่องจากสูญเสียคุณสมบัติป้องกันการเปรอะเปื้อนไปเป็นเวลานานสาเหตุหลักมาจากการหายไปของช่องอากาศเนื่องจากความดันอุทกสถิตและการละลายของอากาศในน้ำสาเหตุหลักมาจากการหายไปของช่องอากาศเนื่องจากการละลายและโครงสร้างชั้นที่ทำให้มีพื้นที่ผิวมากขึ้นสำหรับการยึดเกาะ (27, 40)ต่างจากสารตั้งต้นทั้งสองนี้ที่มีผลกระทบสำคัญต่อความเสถียรในระยะยาว สารหล่อลื่นที่มีอยู่ใน LOIS จะถูกฉีดเข้าไปในโครงสร้างไมโคร/นาโน และจะไม่หายไปแม้ในระยะยาวน้ำมันหล่อลื่นที่เติมด้วยโครงสร้างไมโคร/นาโนมีความเสถียรมากและถูกดึงดูดอย่างแรงกับพื้นผิวเนื่องจากมีความสัมพันธ์ทางเคมีสูง จึงป้องกันการเกาะตัวของแบคทีเรียเป็นเวลานานรูปที่ S6 แสดงภาพกล้องจุลทรรศน์คอนโฟคอลแบบสะท้อนของซับสเตรตที่ผสมสารหล่อลื่นซึ่งแช่อยู่ในน้ำเกลือบัฟเฟอร์ฟอสเฟต (PBS)ภาพต่อเนื่องแสดงให้เห็นว่าแม้หลังจากการเขย่าเล็กน้อยเป็นเวลา 120 ชั่วโมง (120 รอบต่อนาที) ชั้นสารหล่อลื่นบน LOIS ยังคงไม่เปลี่ยนแปลง ซึ่งบ่งบอกถึงความเสถียรในระยะยาวภายใต้สภาวะการไหลเนื่องจากความสัมพันธ์ทางเคมีสูงระหว่างการเคลือบ SAM ที่มีฟลูออรีนกับสารหล่อลื่นที่มีเปอร์ฟลูออโรคาร์บอน ดังนั้นจึงสามารถสร้างชั้นสารหล่อลื่นที่มีความเสถียรได้ดังนั้นประสิทธิภาพการป้องกันการเปรอะเปื้อนจึงยังคงอยู่นอกจากนี้ สารตั้งต้นยังได้รับการทดสอบกับโปรตีนที่เป็นตัวแทน (อัลบูมินและไฟบริโนเจน) ซึ่งอยู่ในพลาสมา เซลล์ที่เกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับการทำงานของระบบภูมิคุ้มกัน (มาโครฟาจและไฟโบรบลาสต์) และโปรตีนที่เกี่ยวข้องกับการสร้างกระดูกมีปริมาณแคลเซียมสูงมาก(รูปที่ 3D, 1 และ 2 และรูปที่ S7) (41, 42)นอกจากนี้ ภาพถ่ายด้วยกล้องจุลทรรศน์ฟลูออเรสเซนซ์ของการทดสอบการยึดเกาะของไฟบริโนเจน อัลบูมิน และแคลเซียม แสดงให้เห็นลักษณะการยึดเกาะที่แตกต่างกันของแต่ละกลุ่มซับสเตรต (รูปที่ S8)ในระหว่างการสร้างกระดูก ชั้นกระดูกและแคลเซียมที่สร้างขึ้นใหม่อาจล้อมรอบวัสดุปลูกถ่ายกระดูก ซึ่งไม่เพียงแต่ทำให้การถอดออกทำได้ยาก แต่ยังอาจก่อให้เกิดอันตรายที่ไม่คาดคิดต่อผู้ป่วยในระหว่างขั้นตอนการถอดออกอีกด้วยดังนั้นการสะสมแคลเซียมในระดับต่ำบนแผ่นกระดูกและสกรูจึงเป็นประโยชน์สำหรับการผ่าตัดกระดูกและข้อที่ต้องถอดรากฟันเทียมออกจากการหาปริมาณของพื้นที่ที่แนบมาโดยพิจารณาจากความเข้มของฟลูออเรสเซนซ์และจำนวนเซลล์ เรายืนยันว่า LOIS แสดงคุณสมบัติต่อต้านการเกิดไบโอฟอลลิ่งที่ดีเยี่ยมสำหรับสารชีวภาพทั้งหมดเมื่อเปรียบเทียบกับซับสเตรตอื่นจากผลการทดลองในหลอดทดลอง พบว่า LOIS ที่ปนเปื้อนทางชีวภาพสามารถนำไปใช้กับการปลูกถ่ายกระดูก ซึ่งไม่เพียงแต่ยับยั้งการติดเชื้อที่เกิดจากแบคทีเรียไบโอฟิล์มเท่านั้น แต่ยังช่วยลดการอักเสบที่เกิดจากระบบภูมิคุ้มกันที่แอคทีฟของร่างกายอีกด้วย
( A ) ภาพกล้องจุลทรรศน์ฟลูออเรสเซนซ์ของแต่ละกลุ่ม (เปลือย, สลัก, SHP และ LOIS) บ่มใน Pseudomonas aeruginosa และสารแขวนลอย MRSA เป็นเวลา 12 และ 72 ชั่วโมง( B ) จำนวน CFU สานุศิษย์ของ Pseudomonas aeruginosa และ MRSA บนพื้นผิวของแต่ละกลุ่ม( C ) แผนผังของกลไกการเปรอะเปื้อนต่อต้านทางชีวภาพของการกัดระยะสั้นและระยะยาว SHP และ LOIS(D) (1) จำนวนไฟโบรบลาสต์ที่เกาะติดกับแต่ละสารตั้งต้นและภาพกล้องจุลทรรศน์ฟลูออเรสเซนซ์ของเซลล์ที่เกาะติดกับเปลือยและ LOIS(2) การทดสอบการยึดเกาะของโปรตีนที่เกี่ยวข้องกับภูมิคุ้มกัน อัลบูมิน และแคลเซียมที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการสมานกระดูก (* P <0.05, ** P <0.01, *** P <0.001 และ **** P <0.0001)ปล.ไม่สำคัญ.
ในกรณีของความเค้นเข้มข้นที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ ความทนทานเชิงกลถือเป็นความท้าทายหลักสำหรับการใช้สารเคลือบกันเพรียงมาโดยตลอดวิธีการเจลป้องกันสิ่งปฏิกูลแบบดั้งเดิมนั้นใช้โพลีเมอร์ซึ่งมีความสามารถในการละลายน้ำและความเปราะบางต่ำดังนั้นจึงมักจะไวต่อความเครียดเชิงกลในการใช้งานทางชีวการแพทย์ดังนั้นการเคลือบกันเพรียงที่มีความทนทานเชิงกลยังคงเป็นความท้าทายสำหรับการใช้งาน เช่น การฝังรากฟันเทียมเกี่ยวกับกระดูก (43, 44)รูปที่ 4A(1) แสดงให้เห็นถึงความเครียดสองประเภทหลักที่ใช้กับการปลูกถ่ายกระดูก รวมถึงการเกา (ความเครียดจากแรงเฉือน) และการบีบอัดด้วยภาพแสงของการปลูกถ่ายที่เสียหายซึ่งเกิดจากคีมตัวอย่างเช่น เมื่อขันสกรูให้แน่นด้วยไขควง หรือเมื่อศัลยแพทย์ยึดแผ่นกระดูกไว้แน่นด้วยแหนบและใช้แรงอัด แผ่นกระดูกพลาสติกจะเสียหายและมีรอยขีดข่วนทั้งในระดับมาโครและไมโคร/นาโน (รูปที่ 4A, 2) .เพื่อทดสอบว่า LOIS ที่ผลิตขึ้นสามารถทนต่อความเสียหายเหล่านี้ในระหว่างการทำศัลยกรรมพลาสติกได้หรือไม่ ได้มีการทำการเยื้องระดับนาโนเพื่อเปรียบเทียบความแข็งของพื้นผิวเปลือยและ LOIS ในระดับไมโคร/นาโน เพื่อศึกษาคุณสมบัติทางกลของโครงสร้างไมโคร/นาโน ผลกระทบ (รูป 4B)แผนผังแสดงพฤติกรรมการเสียรูปที่แตกต่างกันของ LOIS เนื่องจากมีโครงสร้างไมโคร/นาโนเส้นโค้งแรง-การเคลื่อนที่ถูกวาดขึ้นโดยอาศัยผลลัพธ์ของการเยื้องระดับนาโน (รูปที่ 4C)ภาพสีน้ำเงินแสดงถึงพื้นผิวเปลือย ซึ่งแสดงการเสียรูปเพียงเล็กน้อยเท่านั้น ดังที่เห็นได้จากความลึกของการเยื้องสูงสุดที่ 0.26-μmในทางกลับกัน การเพิ่มขึ้นอย่างค่อยเป็นค่อยไปของแรงเยื้องระดับนาโนและการกระจัดที่สังเกตได้ใน LOIS (เส้นโค้งสีแดง) อาจแสดงสัญญาณของคุณสมบัติเชิงกลที่ลดลง ส่งผลให้ความลึกของการเยื้องระดับนาโนอยู่ที่ 1.61μmเนื่องจากโครงสร้างไมโคร/นาโนที่มีอยู่ใน LOIS ช่วยให้ส่วนปลายของหัวกดนาโนมีความก้าวหน้ามากขึ้น ดังนั้นการเสียรูปจึงมากกว่าการเสียรูปของซับสเตรตเปลือยKonsta-Gdoutos และคณะ(45) เชื่อว่าเนื่องจากการมีอยู่ของโครงสร้างนาโน การเยื้องระดับนาโน และความหยาบระดับไมโคร/นาโน ทำให้เกิดเส้นโค้งการเยื้องระดับนาโนที่ไม่สม่ำเสมอพื้นที่แรเงาสอดคล้องกับเส้นโค้งการเสียรูปที่ผิดปกติที่เกิดจากโครงสร้างนาโน ในขณะที่พื้นที่ที่ไม่มีแรเงาเกิดจากโครงสร้างจุลภาคการเสียรูปนี้อาจสร้างความเสียหายต่อโครงสร้างจุลภาค/โครงสร้างนาโนของสารหล่อลื่นจับยึด และส่งผลเสียต่อประสิทธิภาพการป้องกันการเปรอะเปื้อนเพื่อศึกษาผลกระทบของความเสียหายต่อ LOIS ความเสียหายที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ต่อโครงสร้างไมโคร/นาโนได้ถูกจำลองในร่างกายระหว่างการทำศัลยกรรมพลาสติกโดยการใช้การทดสอบการยึดเกาะของเลือดและโปรตีน สามารถกำหนดความคงตัวของคุณสมบัติต้านการปนเปื้อนทางชีวภาพของ LOIS หลังจาก ในหลอดทดลอง ได้ (รูปที่ 4D)ชุดภาพออปติคอลแสดงความเสียหายที่เกิดขึ้นใกล้กับรูของวัสดุพิมพ์แต่ละชิ้นทำการทดสอบการยึดเกาะของเลือดเพื่อแสดงให้เห็นถึงผลกระทบของความเสียหายทางกลต่อสารเคลือบป้องกันการปนเปื้อนทางชีวภาพ (รูปที่ 4E)เช่นเดียวกับ SHP คุณสมบัติป้องกันการเปรอะเปื้อนจะสูญเสียไปเนื่องจากความเสียหาย และ LOIS มีคุณสมบัติป้องกันการเปรอะเปื้อนได้ดีเยี่ยมโดยการขับไล่เลือดเนื่องจากพลังงานพื้นผิวถูกขับเคลื่อนโดยการกระทำของเส้นเลือดฝอยที่ปกคลุมบริเวณที่เสียหาย การไหลในสารหล่อลื่นที่มีโครงสร้างระดับจุลภาคจึงช่วยคืนคุณสมบัติป้องกันการเปรอะเปื้อน (35)แนวโน้มเดียวกันนี้พบได้ในการทดสอบการยึดเกาะของโปรตีนโดยใช้อัลบูมินในพื้นที่ที่ได้รับความเสียหาย มีการสังเกตการยึดเกาะของโปรตีนบนพื้นผิวของ SHP อย่างกว้างขวาง และโดยการวัดการครอบคลุมของพื้นที่ ก็สามารถวัดปริมาณโปรตีนได้เท่ากับครึ่งหนึ่งของระดับการยึดเกาะของซับสเตรตเปลือยในทางกลับกัน LOIS ยังคงรักษาคุณสมบัติป้องกันการปนเปื้อนทางชีวภาพโดยไม่ทำให้เกิดการยึดเกาะ (รูปที่ 4, F และ G)นอกจากนี้ พื้นผิวของสกรูมักจะได้รับความเค้นเชิงกลที่รุนแรง เช่น การเจาะ ดังนั้นเราจึงได้ศึกษาความสามารถของการเคลือบ LOIS ที่จะคงสภาพเดิมบนสกรูในหลอดทดลองรูปที่ 4H แสดงภาพเชิงแสงของสกรูต่างๆ รวมถึงเปลือย, SHP และ LOISสี่เหลี่ยมสีแดงแสดงถึงพื้นที่เป้าหมายที่เกิดความเครียดเชิงกลอย่างรุนแรงในระหว่างการปลูกถ่ายกระดูกเช่นเดียวกับการทดสอบการยึดเกาะของโปรตีนของเพลต กล้องจุลทรรศน์ฟลูออเรสเซนซ์ใช้ในการถ่ายภาพการยึดเกาะของโปรตีนและวัดพื้นที่ครอบคลุมเพื่อพิสูจน์ความสมบูรณ์ของการเคลือบ LOIS แม้ภายใต้ความเค้นเชิงกลที่รุนแรง (รูปที่ 4, I และ J)สกรูที่ผ่านการเคลือบ LOIS มีประสิทธิภาพในการป้องกันการเปรอะเปื้อนได้ดีเยี่ยม และแทบไม่มีโปรตีนเกาะติดกับพื้นผิวเลยในทางกลับกัน สังเกตการยึดเกาะของโปรตีนในสกรูเปลือยและสกรู SHP โดยที่พื้นที่ครอบคลุมของสกรู SHP คือหนึ่งในสามของพื้นที่ของสกรูเปลือยนอกจากนี้ กระดูกเทียมที่ใช้สำหรับการตรึงต้องมีความแข็งแรงทางกลไกเพื่อทนต่อความเครียดที่เกิดกับบริเวณที่แตกหัก ดังแสดงในรูปที่ 4Kดังนั้นจึงทำการทดสอบการดัดงอเพื่อหาผลของการดัดแปลงทางเคมีต่อคุณสมบัติทางกลนอกจากนี้ ยังเป็นการรักษาความเครียดคงที่จากรากฟันเทียมอีกด้วยใช้แรงเชิงกลในแนวตั้งจนกระทั่งรากเทียมพับจนสุดและได้กราฟความเค้น-ความเครียด (รูปที่ 4L, 1)มีการเปรียบเทียบคุณสมบัติสองประการซึ่งรวมถึงโมดูลัสของ Young และกำลังรับแรงดัดงอระหว่างซับสเตรตเปลือยและ LOIS เพื่อเป็นตัวบ่งชี้ความแข็งแรงเชิงกล (รูปที่ 4L, 2 และ 3)โมดูลัสของยังบ่งบอกถึงความสามารถของวัสดุในการทนต่อการเปลี่ยนแปลงทางกลโมดูลัสของ Young ของแต่ละวัสดุพิมพ์คือ 41.48±1.01 และ 40.06±0.96 GPa ตามลำดับความแตกต่างที่สังเกตได้คือประมาณ 3.4%นอกจากนี้ มีรายงานว่ากำลังดัดงอซึ่งกำหนดความเหนียวของวัสดุคือ 102.34±1.51 GPa สำหรับพื้นผิวเปลือย และ 96.99±0.86 GPa สำหรับ SHPพื้นผิวเปลือยจะสูงขึ้นประมาณ 5.3%คุณสมบัติทางกลที่ลดลงเล็กน้อยอาจเกิดจากผลของรอยบากผลกระทบของรอยบาก ความหยาบระดับไมโคร/นาโนอาจทำหน้าที่เป็นรอยบาก ซึ่งนำไปสู่ความเข้มข้นของความเค้นเฉพาะที่ และส่งผลต่อคุณสมบัติทางกลของรากฟันเทียม (46)อย่างไรก็ตาม ตามข้อเท็จจริงที่ว่าความแข็งของกระดูกเยื่อหุ้มสมองของมนุษย์ได้รับการรายงานว่าอยู่ระหว่าง 7.4 ถึง 31.6 GPa และโมดูลัส LOIS ที่วัดได้นั้นเกินกว่าค่าของกระดูกเยื่อหุ้มสมองของมนุษย์ (47) LOIS ก็เพียงพอที่จะรองรับการแตกหักและโดยรวม สมบัติทางกลจะได้รับผลกระทบน้อยที่สุดจากการปรับเปลี่ยนพื้นผิว
(A) แผนผังของ (1) ความเค้นเชิงกลที่ใช้กับการปลูกถ่ายออร์โทพีดิกส์ระหว่างการผ่าตัด และ (2) ภาพแสงของการปลูกถ่ายออร์โทพีดิกส์ที่เสียหาย(B) แผนผังของการวัดคุณสมบัติเชิงกลระดับนาโนโดยการเยื้องระดับนาโนและ LOIS บนพื้นผิวเปลือย(C) เส้นโค้งแรงแทนที่การเยื้องระดับนาโนของพื้นผิวเปลือยและ LOIS(D) หลังจากการทดลองในหลอดทดลอง ให้จำลองภาพออพติคอลของแผ่นกระดูกประเภทต่างๆ (บริเวณที่เสียหายจะถูกเน้นด้วยสี่เหลี่ยมสีแดง) เพื่อจำลองความเค้นเชิงกลที่เกิดขึ้นระหว่างการผ่าตัด(E) การทดสอบการยึดเกาะของเลือดและ (F) การทดสอบการยึดเกาะของโปรตีนของกลุ่มแผ่นกระดูกออร์โธพีดิกส์ที่เสียหาย(G) วัดความครอบคลุมพื้นที่ของโปรตีนที่เกาะติดกับจาน(H) ภาพถ่ายออปติคอลของสกรูออร์โทพีดิกส์ประเภทต่างๆ หลังจากการทดลองในหลอดทดลอง(I) การทดสอบการยึดเกาะของโปรตีนเพื่อศึกษาความสมบูรณ์ของสารเคลือบต่างๆ(J) วัดความครอบคลุมพื้นที่ของโปรตีนที่เกาะติดกับสกรู(K) การเคลื่อนไหวของกระต่ายมีจุดประสงค์เพื่อสร้างความเครียดคงที่บนกระดูกที่ร้าว(L) (1) ผลการทดสอบการโค้งงอและภาพแสงก่อนและหลังการดัดความแตกต่างใน (2) โมดูลัสของ Young และ (3) แรงดัดงอระหว่างรากฟันเทียมเปลือยและ SHPข้อมูลแสดงเป็นค่าเฉลี่ย ± SD (*P<0.05, **P<0.01, ***P<0.001 และ ****P<0.0001)เอื้อเฟื้อภาพ: Kyomin Chae, มหาวิทยาลัยยอนเซ
ในสถานการณ์ทางคลินิก การสัมผัสแบคทีเรียกับวัสดุชีวภาพและบริเวณแผลส่วนใหญ่มาจากแผ่นชีวะที่โตเต็มที่ (48)ดังนั้นศูนย์ควบคุมและป้องกันโรคแห่งสหรัฐอเมริกาจึงประมาณการว่า 65% ของการติดเชื้อในมนุษย์ทั้งหมดเกี่ยวข้องกับแผ่นชีวะ (49)ในกรณีนี้ จำเป็นต้องมีการออกแบบการทดลองในสิ่งมีชีวิต ซึ่งทำให้เกิดการสร้างฟิล์มชีวะที่สอดคล้องกันบนพื้นผิวของถุงเต้านมเทียมดังนั้นเราจึงพัฒนาแบบจำลองการแตกหักของกระดูกต้นขาของกระต่าย โดยการปลูกถ่ายกระดูกเทียมจะถูกบ่มล่วงหน้าด้วยสารแขวนลอยของแบคทีเรีย จากนั้นจึงปลูกในกระดูกโคนขาของกระต่ายเพื่อศึกษาคุณสมบัติป้องกันการเปรอะเปื้อนของ LOIS ในร่างกายเนื่องจากข้อเท็จจริงที่สำคัญสามประการต่อไปนี้ การติดเชื้อแบคทีเรียจึงเกิดขึ้นจากก่อนการเพาะเลี้ยงมากกว่าการฉีดสารแขวนลอยจากแบคทีเรียโดยตรง: (i) ระบบภูมิคุ้มกันของกระต่ายนั้นแข็งแรงกว่าโดยธรรมชาติของมนุษย์;จึงสามารถฉีดสารแขวนลอยของแบคทีเรียและแบคทีเรียแพลงก์ตอนได้ โดยไม่มีผลต่อการก่อตัวของแผ่นชีวะ(II) แบคทีเรียแพลงก์โทนิกไวต่อยาปฏิชีวนะมากกว่า และมักใช้ยาปฏิชีวนะหลังการผ่าตัดในที่สุด (iii) สารแขวนลอยของแบคทีเรียแพลงก์ตอนอาจถูกเจือจางโดยของเหลวในร่างกายของสัตว์ (50)ด้วยการเพาะเลี้ยงรากฟันเทียมในสารแขวนลอยของแบคทีเรียก่อนการฝัง เราสามารถศึกษาผลที่เป็นอันตรายของการติดเชื้อแบคทีเรียและปฏิกิริยาของร่างกายต่อสิ่งแปลกปลอม (FBR) ในกระบวนการสมานกระดูกได้อย่างละเอียดกระต่ายถูกสังเวย 4 สัปดาห์หลังการปลูกถ่าย เนื่องจากการรวมตัวของกระดูกที่จำเป็นต่อกระบวนการรักษากระดูกจะแล้วเสร็จภายใน 4 สัปดาห์จากนั้นนำวัสดุปลูกถ่ายออกจากกระต่ายเพื่อศึกษาขั้นปลายน้ำรูปที่ 5A แสดงกลไกการแพร่กระจายของแบคทีเรียการปลูกถ่ายกระดูกและข้อที่ติดเชื้อจะถูกนำเข้าสู่ร่างกายจากการฟักตัวล่วงหน้าในสารแขวนลอยของแบคทีเรีย กระต่าย 6 ตัวจากทั้งหมด 6 ตัวที่ปลูกถ่ายด้วยวัสดุปลูกถ่ายเปล่าได้รับการติดเชื้อ ในขณะที่กระต่ายทุกตัวที่ปลูกถ่ายด้วยวัสดุปลูกถ่ายที่ได้รับ LOIS ไม่ติดเชื้อการติดเชื้อแบคทีเรียดำเนินไปในสามขั้นตอน ได้แก่ การเจริญเติบโต การสุก และการแพร่กระจาย (51)ขั้นแรก แบคทีเรียที่เกาะอยู่จะสืบพันธุ์และเติบโตบนพื้นผิว จากนั้นแบคทีเรียจะสร้างแผ่นชีวะเมื่อพวกมันขับถ่ายโพลีเมอร์นอกเซลล์ (EPS) อะไมลอยด์ และ DNA ภายนอกเซลล์ไบโอฟิล์มไม่เพียงแต่รบกวนการซึมผ่านของยาปฏิชีวนะเท่านั้น แต่ยังส่งเสริมการสะสมของเอนไซม์ที่ย่อยสลายยาปฏิชีวนะ (เช่น β-lactamase) (52)ในที่สุดแผ่นชีวะจะกระจายแบคทีเรียที่โตเต็มที่ออกสู่เนื้อเยื่อโดยรอบจึงมีการติดเชื้อเกิดขึ้นนอกจากนี้ เมื่อสิ่งแปลกปลอมเข้าสู่ร่างกาย การติดเชื้อที่ทำให้เกิดการตอบสนองของระบบภูมิคุ้มกันที่รุนแรงอาจทำให้เกิดการอักเสบ ความเจ็บปวด และภูมิคุ้มกันลดลงได้รูปที่ 5B จัดให้มีภาพรวมของ FBR ที่เกิดจากการใส่สิ่งปลูกฝังเกี่ยวกับศัลยกรรมกระดูก แทนที่จะเป็นการตอบสนองทางภูมิคุ้มกันที่เกิดจากการติดเชื้อแบคทีเรียระบบภูมิคุ้มกันจะรับรู้ถึงสิ่งแปลกปลอมที่ใส่เข้าไปนั้นเป็นสิ่งแปลกปลอม จากนั้นจะทำให้เซลล์และเนื้อเยื่อทำปฏิกิริยาเพื่อห่อหุ้มสิ่งแปลกปลอมไว้ (53)ในช่วงแรกๆ ของ FBR เมทริกซ์อุปทานถูกสร้างขึ้นบนพื้นผิวของการปลูกถ่ายกระดูก ซึ่งส่งผลให้เกิดการดูดซับไฟบริโนเจนไฟบริโนเจนที่ถูกดูดซับจะสร้างเครือข่ายไฟบรินที่มีความหนาแน่นสูง ซึ่งส่งเสริมการเกาะติดของเม็ดเลือดขาว (54)เมื่อสร้างเครือข่ายไฟบรินแล้ว การอักเสบเฉียบพลันจะเกิดขึ้นเนื่องจากการแทรกซึมของนิวโทรฟิลในขั้นตอนนี้ ไซโตไคน์หลายชนิด เช่น เนื้อร้ายของเนื้องอกแฟคเตอร์-α (TNF-α), อินเตอร์ลิวคิน-4 (IL-4) และ IL-β จะถูกปล่อยออกมา และมอนอไซต์เริ่มแทรกซึมเข้าไปในบริเวณที่ปลูกถ่ายและแยกความแตกต่างออกเป็นเซลล์ขนาดยักษ์ฟาจ (41, 55, 56)การลด FBR เป็นเรื่องที่ท้าทายมาโดยตลอด เนื่องจาก FBR ที่มากเกินไปอาจทำให้เกิดการอักเสบเฉียบพลันและเรื้อรัง ซึ่งอาจนำไปสู่โรคแทรกซ้อนร้ายแรงได้เพื่อประเมินผลกระทบของการติดเชื้อแบคทีเรียในเนื้อเยื่อรอบๆ รากฟันเทียมเปลือยและ LOIS จึงใช้การย้อมสี hematoxylin และ eosin (H&E) และการย้อมสี Masson trichrome (MT)สำหรับกระต่ายที่ฝังโดยใช้พื้นผิวเปลือย การติดเชื้อแบคทีเรียรุนแรงดำเนินไป และสไลด์เนื้อเยื่อ H&E แสดงให้เห็นฝีและเนื้อร้ายที่เกิดจากการอักเสบอย่างชัดเจนในทางกลับกัน พื้นผิวป้องกันการปนเปื้อนทางชีวภาพที่แข็งแกร่งอย่างยิ่ง LOIS ยับยั้งการยึดเกาะของแบคทีเรีย ดังนั้นจึงไม่มีสัญญาณของการติดเชื้อและลดการอักเสบ (รูปที่ 5C)ผลลัพธ์ของการย้อมสี MT มีแนวโน้มเช่นเดียวกันอย่างไรก็ตาม การย้อมสี MT ยังแสดงอาการบวมน้ำในกระต่ายที่ฝังด้วย LOIS ซึ่งบ่งชี้ว่าการฟื้นตัวกำลังจะเกิดขึ้น (รูปที่ 5D)เพื่อศึกษาระดับการตอบสนองของระบบภูมิคุ้มกัน การย้อมสีอิมมูโนฮิสโตเคมี (IHC) ดำเนินการโดยใช้ไซโตไคน์ TNF-α และ IL-6 ที่เกี่ยวข้องกับการตอบสนองของระบบภูมิคุ้มกันการเปรียบเทียบการปลูกถ่ายเชิงลบที่ไม่ได้สัมผัสกับแบคทีเรียกับ LOIS ที่สัมผัสกับแบคทีเรียแต่ไม่ได้ติดเชื้อ เพื่อศึกษากระบวนการรักษาในกรณีที่ไม่มีการติดเชื้อแบคทีเรียรูปที่ 5E แสดงภาพเชิงแสงของสไลด์ IHC ที่แสดง TNF-αพื้นที่สีน้ำตาลแสดงถึงการตอบสนองทางภูมิคุ้มกัน ซึ่งบ่งชี้ว่าการตอบสนองทางภูมิคุ้มกันใน LOIS ลดลงเล็กน้อยนอกจากนี้ การแสดงออกของ IL-6 ใน LOIS ยังน้อยกว่าการแสดงออกเชิงลบของเปลือยเปล่าที่ปลอดเชื้ออย่างมีนัยสำคัญ (รูปที่ 5F)การแสดงออกของไซโตไคน์ถูกหาปริมาณโดยการวัดพื้นที่ของการย้อมสีแอนติบอดีที่สอดคล้องกับไซโตไคน์ (รูปที่ 5G)เมื่อเปรียบเทียบกับกระต่ายที่สัมผัสกับการปลูกถ่ายเชิงลบ ระดับการแสดงออกของกระต่ายที่ปลูกถ่ายด้วย LOIS นั้นต่ำกว่า ซึ่งแสดงให้เห็นความแตกต่างที่มีความหมายการลดลงของการแสดงออกของไซโตไคน์บ่งชี้ว่าคุณสมบัติป้องกันการเปรอะเปื้อนในระยะยาวและเสถียรของ LOIS ไม่เพียงเกี่ยวข้องกับการยับยั้งการติดเชื้อแบคทีเรียเท่านั้น แต่ยังรวมถึงการลดลงของ FBR ซึ่งถูกชักนำโดยมาโครฟาจที่เกาะติดกับซับสเตรตด้วย (53, 57 , 58)ดังนั้นการตอบสนองของระบบภูมิคุ้มกันที่ลดลงเนื่องจากคุณสมบัติการหลีกเลี่ยงภูมิคุ้มกันของ LOIS อาจแก้ไขผลข้างเคียงหลังการปลูกถ่าย เช่น การตอบสนองของระบบภูมิคุ้มกันที่มากเกินไปหลังการทำศัลยกรรมพลาสติก
(A) แผนผังของกลไกการสร้างฟิล์มชีวะและการแพร่กระจายบนพื้นผิวของการปลูกถ่ายกระดูกและข้อที่ติดเชื้อeDNA หรือ DNA ภายนอกเซลล์(B) แผนผังของการตอบสนองของระบบภูมิคุ้มกันหลังการใส่สิ่งเทียมทางออร์โทพีดิกส์(C) การย้อมสี H&E และ (D) การย้อมสี MT ของเนื้อเยื่อรอบ ๆ ของการปลูกถ่ายกระดูกด้วยผลบวกเปลือยและ LOISIHC ของไซโตไคน์ที่เกี่ยวข้องกับภูมิคุ้มกัน (E) TNF-α และ (F) IL-6 เป็นภาพที่เปื้อนของกระต่ายที่เป็นลบเชิงลบและกระต่ายที่ปลูกถ่าย LOIS( G ) ปริมาณของการแสดงออกของไซโตไคน์โดยการวัดการครอบคลุมพื้นที่ (** P <0.01)
ตรวจสอบความเข้ากันได้ทางชีวภาพของ LOIS และผลกระทบต่อกระบวนการสมานกระดูก ในสัตว์ทดลอง โดยใช้ภาพวินิจฉัย [เอกซเรย์และเอกซเรย์คอมพิวเตอร์ขนาดเล็ก (CT)] และเซลล์สร้างกระดูก IHCรูปที่ 6A แสดงกระบวนการสมานกระดูกที่เกี่ยวข้องกับขั้นตอนที่แตกต่างกันสามขั้นตอน ได้แก่ การอักเสบ การซ่อมแซม และการเปลี่ยนแปลงรูปร่างเมื่อเกิดการแตกหัก เซลล์อักเสบและไฟโบรบลาสต์จะแทรกซึมเข้าไปในกระดูกที่แตกหักและเริ่มเติบโตเป็นเนื้อเยื่อหลอดเลือดในระหว่างขั้นตอนการซ่อมแซม การเจริญเติบโตของเนื้อเยื่อหลอดเลือดจะแพร่กระจายไปใกล้กับบริเวณที่แตกหักเนื้อเยื่อหลอดเลือดให้สารอาหารในการสร้างกระดูกใหม่ซึ่งเรียกว่าแคลลัสขั้นตอนสุดท้ายของกระบวนการรักษากระดูกคือขั้นตอนการเปลี่ยนแปลงซึ่งขนาดของแคลลัสจะลดลงเหลือเท่ากับขนาดของกระดูกปกติโดยได้รับความช่วยเหลือจากการเพิ่มระดับของเซลล์สร้างกระดูก (59)การสร้างจุดแตกหักสามมิติ (3D) ดำเนินการโดยใช้การสแกน micro-CT เพื่อสังเกตความแตกต่างในระดับการก่อตัวของแคลลัสในแต่ละกลุ่มสังเกตหน้าตัดของกระดูกโคนขาเพื่อสังเกตความหนาของแคลลัสที่อยู่รอบกระดูกร้าว (รูปที่ 6, B และ C)ยังใช้รังสีเอกซ์เพื่อตรวจสอบบริเวณที่แตกหักของทุกกลุ่มทุกสัปดาห์เพื่อสังเกตกระบวนการสร้างกระดูกใหม่ที่แตกต่างกันในแต่ละกลุ่ม (รูปที่ S9)แคลลัสและกระดูกโตจะแสดงเป็นสีน้ำเงิน/เขียวและงาช้าง ตามลำดับเนื้อเยื่ออ่อนส่วนใหญ่จะถูกกรองออกตามเกณฑ์ที่กำหนดไว้ล่วงหน้าผลบวกเปลือยและ SHP ยืนยันการก่อตัวของแคลลัสจำนวนเล็กน้อยบริเวณบริเวณที่แตกหักในทางกลับกัน ผลลบที่เปิดเผยของ LOIS และบริเวณที่แตกหักนั้นถูกล้อมรอบด้วยแคลลัสหนาภาพ Micro-CT แสดงให้เห็นว่าการก่อตัวของแคลลัสถูกขัดขวางโดยการติดเชื้อแบคทีเรียและการอักเสบที่เกี่ยวข้องกับการติดเชื้อเนื่องจากระบบภูมิคุ้มกันให้ความสำคัญกับการรักษาอาการบาดเจ็บจากการติดเชื้อที่เกิดจากการอักเสบที่เกี่ยวข้องกับการติดเชื้อมากกว่าการฟื้นฟูกระดูก (60)การย้อมสีกรดฟอสฟาเตส (TRAP) ที่ทนต่อ IHC และทาร์เทรตถูกดำเนินการเพื่อสังเกตการทำงานของเซลล์สร้างกระดูกและการสลายของกระดูก (รูปที่ 6D) (61)พบเซลล์สร้างกระดูกที่ถูกกระตุ้นเพียงไม่กี่ตัวที่มีสีม่วงเท่านั้นที่พบในผลบวกเปล่าและ SHPในทางกลับกัน มีการตรวจพบเซลล์สร้างกระดูกที่ถูกกระตุ้นจำนวนมากใกล้กับกระดูกที่เป็นบวกและสมบูรณ์ของ LOISปรากฏการณ์นี้บ่งชี้ว่าเมื่อมีเซลล์สร้างกระดูก แคลลัสบริเวณบริเวณที่แตกหักกำลังอยู่ระหว่างกระบวนการเปลี่ยนแปลงอย่างรุนแรง (62)วัดปริมาตรกระดูกและพื้นที่การแสดงออกของเซลล์สร้างกระดูกของแคลลัสเพื่อเปรียบเทียบระดับการก่อตัวของแคลลัสบริเวณบริเวณที่แตกหักในทุกกลุ่ม เพื่อหาปริมาณการสแกน micro-CT และผลลัพธ์ของ IHC (รูปที่ 6E, 1 และ 2)ตามที่คาดไว้ ผลเชิงลบและการสร้างแคลลัสใน LOIS นั้นสูงกว่ากลุ่มอื่นอย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งบ่งชี้ว่ามีการเปลี่ยนแปลงกระดูกเชิงบวกเกิดขึ้น (63)รูปที่ S10 แสดงภาพเชิงแสงของบริเวณที่ทำการผ่าตัด ผลการย้อมสี MT ของเนื้อเยื่อที่เก็บอยู่ใกล้สกรู และผลการย้อมสี TRAP ที่เน้นส่วนต่อประสานระหว่างกระดูกสกรูในสารตั้งต้นเปลือย พบว่ามีแคลลัสและการเกิดพังผืดที่แข็งแกร่ง ในขณะที่วัสดุปลูกถ่ายที่ได้รับ LOIS มีพื้นผิวที่ค่อนข้างไม่เกาะติดในทำนองเดียวกัน เมื่อเปรียบเทียบกับผลเนกาทีฟเปลือย พบว่ามีพังผืดลดลงในกระต่ายที่ปลูกถ่ายด้วย LOIS ตามที่ระบุด้วยลูกศรสีขาวนอกจากนี้ อาการบวมน้ำที่เต่งตึง (ลูกศรสีน้ำเงิน) อาจเนื่องมาจากคุณสมบัติการหลบเลี่ยงภูมิคุ้มกันของ LOIS ซึ่งช่วยลดการอักเสบที่รุนแรงได้พื้นผิวที่ไม่ติดรอบๆ รากฟันเทียมและการเกิดพังผืดที่ลดลง แสดงให้เห็นว่ากระบวนการถอดออกง่ายกว่า ซึ่งมักจะส่งผลให้เกิดกระดูกหักหรือการอักเสบอื่นๆกระบวนการสมานกระดูกหลังการถอดสกรูออกได้รับการประเมินโดยกิจกรรมของเซลล์สร้างกระดูกที่ส่วนต่อประสานระหว่างกระดูกสกรูทั้งกระดูกเปลือยและส่วนต่อประสานของรากฟันเทียม LOIS ดูดซับเซลล์สร้างกระดูกในระดับใกล้เคียงกันเพื่อการรักษากระดูกเพิ่มเติม ซึ่งบ่งชี้ว่าการเคลือบ LOIS ไม่มีผลเสียต่อการรักษากระดูกหรือการตอบสนองของระบบภูมิคุ้มกันเพื่อยืนยันว่าการปรับเปลี่ยนพื้นผิวที่ทำบน LOIS ไม่รบกวนกระบวนการสมานกระดูก จึงใช้การตรวจเอ็กซ์เรย์เพื่อเปรียบเทียบการรักษากระดูกของกระต่ายที่มีไอออนลบที่ถูกเปิดเผยและการฝัง LOIS เป็นเวลา 6 สัปดาห์ (รูปที่ 6F)ผลการวิจัยพบว่า เมื่อเปรียบเทียบกับกลุ่มเปลือยที่ไม่ติดเชื้อ LOIS แสดงให้เห็นการรักษากระดูกในระดับเดียวกัน และไม่มีสัญญาณของการแตกหักที่ชัดเจน (เส้นกระดูกสลายต่อเนื่อง) ในทั้งสองกลุ่ม
(A) แผนผังของกระบวนการรักษากระดูกหลังจากการแตกหัก(B) ความแตกต่างในระดับของการเกิดแคลลัสของแต่ละกลุ่มพื้นผิวและ (C) ภาพตัดขวางของบริเวณที่แตกหัก(D) การย้อมสี TRAP เพื่อให้เห็นภาพการทำงานของเซลล์สร้างกระดูกและการสลายของกระดูกจากกิจกรรม TRAP การก่อตัวของแคลลัสภายนอกของกระดูกเยื่อหุ้มสมองได้รับการวิเคราะห์เชิงปริมาณโดย (E) (1) กิจกรรม micro-CT และ (2) การทำงานของเซลล์สร้างกระดูก(F) 6 สัปดาห์หลังการปลูกถ่าย ภาพเอ็กซ์เรย์ของกระดูกที่ร้าวของส่วนที่เป็นลบ (เน้นด้วยสี่เหลี่ยมประสีแดง) และ LOIS (เน้นด้วยสี่เหลี่ยมประสีน้ำเงิน)การวิเคราะห์ทางสถิติดำเนินการโดยการวิเคราะห์ความแปรปรวนแบบทางเดียว (one-way analysis of variance (ANOVA))* ป <0.05** พิ <0.01.
กล่าวโดยสรุป LOIS นำเสนอกลยุทธ์การติดเชื้อแบคทีเรียรูปแบบใหม่และการเคลือบภูมิคุ้มกันสำหรับการปลูกถ่ายกระดูกการปลูกถ่ายกระดูกแบบทั่วไปที่มีฟังก์ชัน SHP มีคุณสมบัติต่อต้านการปนเปื้อนทางชีวภาพในระยะสั้น แต่ไม่สามารถคงคุณสมบัติไว้ได้เป็นเวลานานคุณสมบัติไฮโดรโฟบิซิตี้ของสารตั้งต้นจะดักจับฟองอากาศระหว่างแบคทีเรียและสารตั้งต้น จึงสร้างช่องอากาศ ดังนั้นจึงป้องกันการติดเชื้อแบคทีเรียอย่างไรก็ตาม เนื่องจากการแพร่กระจายของอากาศ ช่องอากาศเหล่านี้จึงถูกถอดออกได้อย่างง่ายดายในทางกลับกัน LOIS ได้พิสูจน์ให้เห็นถึงความสามารถในการป้องกันการติดเชื้อที่เกี่ยวข้องกับแผ่นชีวะแล้วดังนั้น เนื่องจากคุณสมบัติป้องกันการปฏิเสธของชั้นน้ำมันหล่อลื่นที่ถูกฉีดเข้าไปในพื้นผิวโครงสร้างไมโคร/นาโนที่เป็นชั้น จึงสามารถป้องกันการอักเสบที่เกี่ยวข้องกับการติดเชื้อได้วิธีการระบุลักษณะเฉพาะต่างๆ รวมถึงการวัด SEM, AFM, XPS และ CA ถูกนำมาใช้เพื่อปรับสภาพการผลิต LOIS ให้เหมาะสมนอกจากนี้ LOIS ยังสามารถนำไปใช้กับวัสดุชีวภาพต่างๆ ที่ใช้กันทั่วไปในอุปกรณ์ตรึงกระดูก เช่น PLGA, Ti, PE, POM และ PPSUจากนั้น LOIS ได้รับการทดสอบในหลอดทดลองเพื่อพิสูจน์คุณสมบัติในการต่อต้านแบคทีเรียและสารชีวภาพที่เกี่ยวข้องกับการตอบสนองของระบบภูมิคุ้มกันผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่ามีฤทธิ์ต้านเชื้อแบคทีเรียและป้องกันการปนเปื้อนทางชีวภาพได้ดีเยี่ยม เมื่อเทียบกับวัสดุเสริมแบบเปลือยนอกจากนี้ LOIS ยังแสดงความแข็งแรงเชิงกลแม้หลังจากเกิดความเครียดเชิงกล ซึ่งเป็นสิ่งที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ในการทำศัลยกรรมพลาสติกเนื่องจากคุณสมบัติการรักษาตัวเองของน้ำมันหล่อลื่นบนพื้นผิวของโครงสร้างไมโคร/นาโน LOIS จึงรักษาคุณสมบัติในการต่อต้านการเปรอะเปื้อนทางชีวภาพได้สำเร็จเพื่อศึกษาความเข้ากันได้ทางชีวภาพและคุณสมบัติต้านเชื้อแบคทีเรียของ LOIS ในร่างกาย LOIS ได้รับการฝังเข้าไปในโคนขากระต่ายเป็นเวลา 4 สัปดาห์ไม่พบการติดเชื้อแบคทีเรียในกระต่ายที่ฝัง LOISนอกจากนี้ การใช้ IHC แสดงให้เห็นถึงระดับการตอบสนองของระบบภูมิคุ้มกันในท้องถิ่นที่ลดลง ซึ่งบ่งชี้ว่า LOIS ไม่ได้ยับยั้งกระบวนการสมานกระดูกLOIS มีคุณสมบัติในการต้านแบคทีเรียและภูมิคุ้มกันที่ดีเยี่ยม และได้รับการพิสูจน์แล้วว่าป้องกันการสร้างฟิล์มชีวะได้อย่างมีประสิทธิภาพทั้งก่อนและระหว่างการผ่าตัดกระดูก โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการสังเคราะห์กระดูกด้วยการใช้แบบจำลองกระดูกต้นขาอักเสบจากไขกระดูกกระต่าย ทำให้มีการศึกษาผลของการติดเชื้อที่เกี่ยวข้องกับฟิล์มชีวภาพต่อกระบวนการสมานกระดูกที่เกิดจากการปลูกถ่ายก่อนฟักตัวอย่างลึกซึ้งในการศึกษาในอนาคต จำเป็นต้องมีแบบจำลอง in vivo ใหม่เพื่อศึกษาการติดเชื้อที่เป็นไปได้หลังจากการฝัง เพื่อทำความเข้าใจและป้องกันการติดเชื้อที่เกี่ยวข้องกับแผ่นชีวะในระหว่างกระบวนการบำบัดทั้งหมดนอกจากนี้ การเหนี่ยวนำกระดูกยังคงเป็นความท้าทายที่ยังไม่ได้รับการแก้ไขในการบูรณาการกับ LOISจำเป็นต้องมีการวิจัยเพิ่มเติมเพื่อรวมการยึดเกาะแบบเฉพาะเจาะจงของเซลล์กระดูกหรือเวชศาสตร์ฟื้นฟูเข้ากับ LOIS เพื่อเอาชนะความท้าทายโดยรวมแล้ว LOIS แสดงให้เห็นถึงการเคลือบเทียมทางออร์โธพีดิกส์ที่มีความทนทานเชิงกลและคุณสมบัติต่อต้านการเกิดไบโอฟอลลิ่งที่ดีเยี่ยม ซึ่งสามารถลดการติดเชื้อ SSI และผลข้างเคียงของระบบภูมิคุ้มกันได้
ล้างซับสเตรต 304 SS ขนาด 15 มม. x 15 มม. x 1 มม. (Dong Kang M-Tech Co., Korea) ในน้ำอะซิโตน, EtOH และ DI เป็นเวลา 15 นาที เพื่อขจัดสิ่งปนเปื้อนเพื่อสร้างโครงสร้างระดับไมโคร/นาโนบนพื้นผิว พื้นผิวที่ทำความสะอาดแล้วจะถูกแช่ในสารละลาย HF 48% ถึง 51% (DUKSAN Corp. ประเทศเกาหลีใต้) ที่อุณหภูมิ 50°Cเวลาในการแกะสลักแตกต่างกันไปตั้งแต่ 0 ถึง 60 นาทีจากนั้น พื้นผิวที่แกะสลักไว้จะถูกทำความสะอาดด้วยน้ำปราศจากไอออน และวางในสารละลาย HNO3 (Korea DUKSAN Corp.) 65% ที่อุณหภูมิ 50°C เป็นเวลา 30 นาทีเพื่อสร้างชั้นทู่โครเมียมออกไซด์บนพื้นผิวหลังจากการทู่ พื้นผิวจะถูกล้างด้วยน้ำปราศจากไอออนและทำให้แห้งเพื่อให้ได้พื้นผิวที่มีโครงสร้างเป็นชั้นถัดไป สารตั้งต้นสัมผัสกับพลาสมาออกซิเจน (100 วัตต์ 3 นาที) และแช่ในสารละลาย 8.88 มิลลิโมลาร์ POTS (Sigma-Aldrich ประเทศเยอรมนี) ทันทีในโทลูอีนที่อุณหภูมิห้องเป็นเวลา 12 ชั่วโมงจากนั้น ซับสเตรตที่เคลือบด้วย POTS ถูกทำความสะอาดด้วย EtOH และอบอ่อนที่ 150°C เป็นเวลา 2 ชั่วโมงเพื่อให้ได้ POTS SAM ที่มีความหนาแน่นสูงหลังจากการเคลือบ SAM ชั้นสารหล่อลื่นจะถูกสร้างขึ้นบนพื้นผิวโดยการใช้สารหล่อลื่นเพอร์ฟลูออโรโพลีอีเทอร์ (Krytox 101; DuPont, USA) โดยมีปริมาตรการโหลด 20 µm/cm 2 ก่อนใช้งาน ให้กรองสารหล่อลื่นผ่านตัวกรองขนาด 0.2 ไมครอนขจัดสารหล่อลื่นส่วนเกินโดยเอียงมุม 45° เป็นเวลา 15 นาทีขั้นตอนการผลิตเดียวกันนี้ใช้กับการปลูกถ่ายกระดูกที่ทำจาก 304 SS (แผ่นล็อคและสกรูล็อคเยื่อหุ้มสมอง; Dong Kang M-Tech Co., Korea)การปลูกถ่ายกระดูกทั้งหมดได้รับการออกแบบให้เข้ากับรูปทรงของโคนขากระต่าย
สัณฐานวิทยาของพื้นผิวของสารตั้งต้นและการปลูกถ่ายกระดูกได้รับการตรวจสอบโดยการปล่อยภาคสนาม SEM (ตรวจสอบ F50, FEI, สหรัฐอเมริกา) และ AFM (XE-100, Park Systems, เกาหลีใต้)ความหยาบผิว (Ra, Rq) วัดโดยการคูณพื้นที่ 20 μm ด้วย 20 μm (n=4)ระบบ XPS (PHI 5000 VersaProbe, ULVAC PHI, ญี่ปุ่น) ที่ติดตั้งแหล่งกำเนิดรังสีเอกซ์ Al Kα ที่มีขนาดสปอต 100μm2 ถูกนำมาใช้ในการวิเคราะห์องค์ประกอบทางเคมีของพื้นผิวระบบการวัด CA ที่ติดตั้งกล้องจับภาพแบบไดนามิก (SmartDrop, FEMTOBIOMED, ​​​​เกาหลีใต้) ถูกนำมาใช้ในการวัด CA และ SA ของเหลวสำหรับการวัดแต่ละครั้ง จะมีการวางหยด 6 ถึง 10 ไมโครลิตร (น้ำปราศจากไอออน, เลือดม้า, EG, เอทานอล 30% และ HD) ลงบนพื้นผิวเพื่อวัด CAเมื่อมุมเอียงของวัสดุพิมพ์เพิ่มขึ้นที่ความเร็ว 2°/s (n = 4) ค่า SA จะถูกวัดเมื่อหยดตกลงมา
Pseudomonas aeruginosa [American Type Culture Collection (ATCC) 27853] และ MRSA (ATCC 25923) ถูกซื้อจาก ATCC (มานาสซาส เวอร์จิเนีย สหรัฐอเมริกา) และคงการเพาะเลี้ยงหุ้นไว้ที่ -80°Cก่อนการใช้งาน การเพาะเลี้ยงแช่แข็งจะถูกบ่มในน้ำซุปถั่วเหลืองที่ละลายด้วยทริปซิน (โคเมด เกาหลี) ที่อุณหภูมิ 37°C เป็นเวลา 18 ชั่วโมง จากนั้นจึงถ่ายโอนสองครั้งเพื่อกระตุ้นการทำงานหลังจากการบ่ม การเพาะเลี้ยงถูกหมุนเหวี่ยงที่ 10,000 รอบต่อนาทีเป็นเวลา 10 นาทีที่ 4°ซ และล้างสองครั้งด้วยสารละลาย PBS (pH 7.3)จากนั้นจึงนำการปั่นแยกไปเพาะเลี้ยงบนแผ่นวุ้นเลือด (BAP)เตรียม MRSA และ Pseudomonas aeruginosa ข้ามคืนและเพาะเลี้ยงในน้ำซุป Luria-Bertaniความเข้มข้นของ Pseudomonas aeruginosa และ MRSA ในหัวเชื้อถูกกำหนดเชิงปริมาณโดย CFU ของสารแขวนลอยในการเจือจางแบบอนุกรมบนวุ้นจากนั้น ปรับความเข้มข้นของแบคทีเรียเป็น 0.5 มาตรฐาน McFarland ซึ่งเทียบเท่ากับ 108 CFU/มล.จากนั้นเจือจางสารแขวนลอยแบคทีเรียที่ใช้งานได้ 100 เท่าให้เป็น 106 CFU/มล.เพื่อทดสอบคุณสมบัติการยึดเกาะต้านเชื้อแบคทีเรีย พื้นผิวจะถูกฆ่าเชื้อที่อุณหภูมิ 121°C เป็นเวลา 15 นาทีก่อนใช้งานจากนั้นซับสเตรตถูกถ่ายโอนไปยังสารแขวนตะกอนแบคทีเรีย 25 มิลลิลิตรและบ่มที่ 37°C ด้วยการเขย่าอย่างแรง (200 รอบต่อนาที) เป็นเวลา 12 และ 72 ชั่วโมงหลังจากการบ่ม ซับสเตรตแต่ละอันจะถูกเอาออกจากตู้ฟักและล้าง 3 ครั้งด้วย PBS เพื่อกำจัดแบคทีเรียที่ลอยอยู่บนพื้นผิวออกเพื่อสังเกตแผ่นชีวะบนพื้นผิว แผ่นชีวะได้รับการแก้ไขด้วยเมทานอลและย้อมด้วยส้มคริมิดีน 1 มิลลิลิตรเป็นเวลา 2 นาทีจากนั้นจึงใช้กล้องจุลทรรศน์ฟลูออเรสเซนซ์ (BX51TR, Olympus, Japan) เพื่อถ่ายภาพไบโอฟิล์มที่เปื้อนเพื่อหาปริมาณแผ่นชีวะบนสารตั้งต้น เซลล์ที่เกาะติดจะถูกแยกออกจากสารตั้งต้นโดยวิธี bead vortex ซึ่งถือเป็นวิธีที่เหมาะสมที่สุดในการกำจัดแบคทีเรียที่เกาะติด (n = 4)ใช้คีมปลอดเชื้อ ถอดซับสเตรตออกจากตัวกลางสำหรับการเจริญเติบโต แล้วแตะแผ่นหลุมเพื่อกำจัดของเหลวส่วนเกินเซลล์ที่ยึดติดอย่างหลวมๆ ถูกกำจัดออกโดยการล้างสองครั้งด้วย PBS ปลอดเชื้อจากนั้นซับสเตรตแต่ละอันถูกถ่ายโอนไปยังหลอดทดลองปลอดเชื้อที่ประกอบด้วยน้ำเกลือโปรตีน ept (PSW) 0.1% 9 มล. และเม็ดแก้วปลอดเชื้อ 20 ถึง 25 เม็ด 2 กรัม (เส้นผ่านศูนย์กลาง 0.4 ถึง 0.5 มม.)จากนั้นจึงหมุนวนเป็นเวลา 3 นาทีเพื่อแยกเซลล์ออกจากตัวอย่างหลังจากการหมุนวน สารแขวนลอยจะถูกเจือจางตามลำดับ 10 เท่าด้วย 0.1% PSW และจากนั้น 0.1 มิลลิลิตรของการเจือจางแต่ละครั้งถูกปลูกเชื้อบน BAPหลังจากการฟักตัวเป็นเวลา 24 ชั่วโมงที่ 37°C, CFU ถูกนับด้วยตนเอง
สำหรับเซลล์นั้น มีการใช้ไฟโบรบลาสต์ของเมาส์ NIH/3T3 (CRL-1658; American ATCC) และมาโครฟาจของเมาส์ RAW 264.7 (TIB-71; American ATCC)ใช้อาหารเลี้ยงเชื้อ Eagle ดัดแปลงของ Dulbecco (DMEM; LM001-05, Welgene, เกาหลี) เพื่อเพาะเลี้ยงไฟโบรบลาสต์ของเมาส์และเสริมด้วยซีรั่มน่อง 10% (S103-01, Welgene) และ 1% เพนิซิลลิน-สเตรปโตมัยซิน (PS ; LS202-02, Welgene (Welgene) ) ใช้ DMEM เพื่อเพาะเลี้ยงเซลล์มาโครฟาจของหนู เสริมด้วยซีรั่มของวัวในครรภ์ 10% (S001-01, Welgene) และ 1% PS เซลล์ถูกบ่มข้ามคืนที่ 37°C และ 5% CO2 สำหรับการย้อมสีเซลล์ เซลล์ถูกตรึงด้วยพาราฟอร์มัลดีไฮด์ 4% เป็นเวลา 20 นาทีและวางไว้ใน Triton X 0.5% เป็นเวลา 5 นาทีใน -100 จุ่มซับสเตรตใน 50 นาโนโมลาร์ เตตระเมทิลโรดามีน ที่ 37°C เป็นเวลา 30 นาที หลังจากกระบวนการฟักตัว ให้ใช้สารตั้งต้นที่มี 4′,6-diamino-2-phenylindole (H -1200, Vector Laboratories, UK) VECTASHIELD (n = 4 ต่อเซลล์) , fluorescein, fluorescein isothiocyanate-albumin (A9771, Sigma-Aldrich, Germany) และพลาสมาของมนุษย์ The Alexa Fluor 488-conjugated fibrinogen (F13191, Invitrogen, USA) ถูกละลายใน PBS (10 mM, pH 7.4)ความเข้มข้นของอัลบูมินและไฟบริโนเจนเท่ากับ 1 และ 150 ไมโครกรัมต่อมิลลิลิตร ตามลำดับหลังจากซับสเตรต ก่อนที่จะแช่ในสารละลายโปรตีน ให้ล้างด้วย PBS เพื่อให้พื้นผิวชุ่มชื้นจากนั้นจุ่มซับสเตรตทั้งหมดลงในจานหกหลุมที่มีสารละลายโปรตีน และบ่มที่อุณหภูมิ 37°C เป็นเวลา 30 และ 90 นาทีหลังจากการบ่ม จากนั้นซับสเตรตถูกเอาออกจากสารละลายโปรตีน ล้างเบา ๆ ด้วย PBS 3 ครั้ง และตรึงด้วยพาราฟอร์มัลดีไฮด์ 4% (n = 4 สำหรับโปรตีนแต่ละตัว)สำหรับแคลเซียม, โซเดียม คลอไรด์ (0.21 โมลาร์) และโพแทสเซียม ฟอสเฟต (3.77 โมลาร์) ) ถูกละลายในน้ำปราศจากไอออนpH ของสารละลายถูกปรับไปที่ 2.0 โดยการเติมสารละลายไฮโดรคลอไรด์ (1 โมลาร์)จากนั้นแคลเซียมคลอไรด์ (5.62 มิลลิโมลาร์) ถูกละลายในสารละลายด้วยการเติมทริส(ไฮดรอกซีเมทิล)-อะมิโนมีเทน 1 โมลาร์ จะช่วยปรับ pH ของสารละลายเป็น 7.4จุ่มซับสเตรตทั้งหมดลงในจานหกหลุมที่เติมสารละลายแคลเซียมฟอสเฟต 1.5 เท่า และนำออกจากสารละลายหลังจากผ่านไป 30 นาทีสำหรับการย้อมสี ให้ใช้ Alizarin Red S (CI 58005) 2 กรัม ผสมกับน้ำปราศจากไอออน 100 มล.จากนั้น ใช้แอมโมเนียมไฮดรอกไซด์ 10% เพื่อปรับ pH เป็น 4 ย้อมซับสเตรตด้วยสารละลาย Alizarin Red เป็นเวลา 5 นาที จากนั้นสะบัดสีย้อมและซับส่วนเกินออกหลังจากขั้นตอนการเขย่า ให้ถอดวัสดุพิมพ์ออกวัสดุถูกทำให้แห้ง จากนั้นนำไปแช่ในอะซิโตนเป็นเวลา 5 นาที จากนั้นนำไปแช่ในสารละลายอะซิโตน-ไซลีน (1:1) เป็นเวลา 5 นาที และสุดท้ายจึงล้างด้วยไซลีน (n = 4)ใช้กล้องจุลทรรศน์ฟลูออเรสเซนซ์ (Axio Imager) พร้อมเลนส์ใกล้วัตถุ ×10 และ ×20-A2m, Zeiss, Germany) ถ่ายภาพพื้นผิวทั้งหมดImageJ/FIJI (https://imagej.nih.gov/ij/) ถูกนำมาใช้เพื่อหาปริมาณข้อมูลการยึดเกาะของสารชีวภาพในแต่ละกลุ่มของพื้นที่การถ่ายภาพที่แตกต่างกันสี่แห่งแปลงรูปภาพทั้งหมดเป็นรูปภาพไบนารีด้วยเกณฑ์คงที่สำหรับการเปรียบเทียบวัสดุพิมพ์
กล้องจุลทรรศน์คอนโฟคอล Zeiss LSM 700 ใช้ในการตรวจสอบความเสถียรของชั้นสารหล่อลื่นใน PBS ในโหมดการสะท้อนตัวอย่างแก้วที่เคลือบ SAM ที่มีฟลูออรีนเป็นส่วนประกอบหลักพร้อมชั้นหล่อลื่นแบบฉีดถูกแช่ในสารละลาย PBS และทดสอบโดยใช้เครื่องเขย่าแบบวงโคจร (SHO-1D; Daihan Scientific เกาหลีใต้) ภายใต้สภาวะการสั่นเล็กน้อย (120 รอบต่อนาที)จากนั้นนำตัวอย่างและติดตามการสูญเสียสารหล่อลื่นโดยการวัดการสูญเสียแสงสะท้อนเพื่อให้ได้ภาพเรืองแสงในโหมดการสะท้อน ตัวอย่างจะต้องสัมผัสกับเลเซอร์ 633 นาโนเมตรแล้วจึงรวบรวม เนื่องจากแสงจะสะท้อนกลับจากตัวอย่างตัวอย่างถูกวัดในช่วงเวลา 0, 30, 60 และ 120 ชั่วโมง
เพื่อที่จะตรวจสอบอิทธิพลของกระบวนการปรับเปลี่ยนพื้นผิวต่อคุณสมบัติทางกลนาโนของการปลูกถ่ายกระดูกและข้อ มีการใช้หัวกดนาโน (TI 950 TriboIndenter, Hysitron, USA) ที่ติดตั้งปลายเพชร Berkovich รูปทรงปิรามิดสามด้านเพื่อวัดนาโนอินดีเนไดโอนโหลดสูงสุดคือ 10 mN และพื้นที่คือ 100μmx 100μmสำหรับการวัดทั้งหมด เวลาการโหลดและการขนถ่ายคือ 10 วินาที และเวลาค้างภายใต้โหลดการเยื้องสูงสุดคือ 2 วินาทีวัดจากสถานที่ที่แตกต่างกันห้าแห่งแล้วหาค่าเฉลี่ยเพื่อประเมินประสิทธิภาพความแข็งแรงเชิงกลภายใต้ภาระ ได้ทำการทดสอบการดัดงอสามจุดตามขวางโดยใช้เครื่องทดสอบอเนกประสงค์ (Instron 5966, Instron, USA)วัสดุพิมพ์ถูกบีบอัดที่อัตราคงที่ 10 N/s โดยมีภาระเพิ่มขึ้นโปรแกรมซอฟต์แวร์ Bluehill Universal (n = 3) ถูกนำมาใช้ในการคำนวณโมดูลัสแรงดัดงอและความเค้นอัดสูงสุด
เพื่อจำลองกระบวนการปฏิบัติงานและความเสียหายทางกลที่เกี่ยวข้องที่เกิดขึ้นระหว่างการปฏิบัติงาน จึงได้ดำเนินการในหลอดทดลองกระดูกโคนขาถูกรวบรวมมาจากกระต่ายขาวนิวซีแลนด์ที่ถูกประหารชีวิตกระดูกโคนขาถูกทำความสะอาดและตรึงด้วยพาราฟอร์มัลดีไฮด์ 4% เป็นเวลา 1 สัปดาห์ตามที่อธิบายไว้ในวิธีการทดลองในสัตว์ กระดูกโคนขาที่อยู่กับที่ได้รับการผ่าตัดหลังการผ่าตัด การปลูกถ่ายกระดูกจะถูกจุ่มลงในเลือด (เลือดม้า KISAN เกาหลี) เป็นเวลา 10 วินาทีเพื่อยืนยันว่าการยึดเกาะของเลือดเกิดขึ้นหลังจากได้รับบาดเจ็บทางกลหรือไม่ (n = 3)
กระต่ายขาวนิวซีแลนด์เพศผู้ทั้งหมด 24 ตัว (น้ำหนัก 3.0 ถึง 3.5 กก. อายุเฉลี่ย 6 เดือน) ได้รับการสุ่มแบ่งออกเป็นสี่กลุ่ม ได้แก่ เปลือยเนกาทีฟ นู้ดบวก SHP และ LOISขั้นตอนทั้งหมดที่เกี่ยวข้องกับสัตว์ได้ดำเนินการตามมาตรฐานทางจริยธรรมของคณะกรรมการการดูแลและการใช้สัตว์ประจำสถาบัน (อนุมัติโดย IACUC, KOREA-2017-0159)อุปกรณ์เสริมกระดูกประกอบด้วยแผ่นล็อคที่มีห้ารู (ความยาว 41 มม. กว้าง 7 มม. และหนา 2 มม.) และสกรูล็อคเยื่อหุ้มสมอง (ความยาว 12 มม. เส้นผ่านศูนย์กลาง 2.7 มม.) สำหรับการตรึงกระดูกหักยกเว้นเพลตและสกรูเหล่านั้นที่ใช้ในกลุ่มลบเปล่า เพลตและสกรูทั้งหมดถูกบ่มในสารแขวนลอย MRSA (106 CFU/มล.) เป็นเวลา 12 ชั่วโมงกลุ่มเปล่า-ลบ (n=6) ได้รับการบำบัดด้วยการปลูกถ่ายพื้นผิวเปลือยโดยไม่ต้องสัมผัสกับสารแขวนลอยของแบคทีเรีย เพื่อเป็นการควบคุมเชิงลบสำหรับการติดเชื้อกลุ่มผลบวกเปลือย (n = 6) ได้รับการรักษาด้วยการปลูกถ่ายพื้นผิวเปลือยที่สัมผัสกับแบคทีเรียเพื่อควบคุมการติดเชื้อในเชิงบวกกลุ่ม SHP (n = 6) ได้รับการรักษาด้วยการปลูกถ่าย SHP ที่มีแบคทีเรียในที่สุด กลุ่ม LOIS ได้รับการรักษาด้วยการปลูกถ่าย LOIS ที่สัมผัสกับแบคทีเรีย (n = 6)สัตว์ทุกตัวจะถูกเก็บไว้ในกรง และมีการจัดหาอาหารและน้ำไว้เป็นจำนวนมากก่อนการผ่าตัด กระต่ายจะถูกอดอาหารเป็นเวลา 12 ชั่วโมงสัตว์ถูกดมยาสลบโดยการฉีดไซลาซีนในกล้าม (5 มก./กก.) และการฉีดพาลิทาเซลในหลอดเลือดดำ (3 มก./กก.) เพื่อการชักนำหลังจากนั้น ให้ส่งไอโซฟลูเรน 2% และออกซิเจนทางการแพทย์ 50% ถึง 70% (อัตราการไหล 2 ลิตร/นาที) ผ่านทางระบบทางเดินหายใจเพื่อรักษาการดมยาสลบมันถูกปลูกฝังผ่านวิธีการโดยตรงไปยังกระดูกโคนขาด้านข้างหลังจากการกำจัดขนและฆ่าเชื้อโพวิโดนไอโอดีนบนผิวหนังแล้ว จะมีการกรีดด้านนอกของกระดูกโคนขากลางด้านซ้ายยาวประมาณ 6 ซม.โดยการเปิดช่องว่างระหว่างกล้ามเนื้อที่ปกคลุมกระดูกโคนขา กระดูกโคนขาจะถูกเปิดออกจนสุดวางแผ่นไว้ด้านหน้าเพลากระดูกต้นขาแล้วยึดด้วยสกรูสี่ตัวหลังจากยึดแล้ว ให้ใช้ใบเลื่อย (หนา 1 มม.) เพื่อสร้างรอยร้าวปลอมในบริเวณระหว่างรูที่สองและรูที่สี่เสร็จสิ้นการผ่าตัดล้างแผลด้วยน้ำเกลือและเย็บปิดแผลกระต่ายแต่ละตัวถูกฉีดใต้ผิวหนังด้วยเอนโรฟลอกซาซิน (5 มก./กก.) เจือจางหนึ่งในสามในน้ำเกลือจะมีการเอกซเรย์หลังการผ่าตัดของกระดูกโคนขาในสัตว์ทุกตัว (0, 7, 14, 21, 28 และ 42 วัน) เพื่อยืนยันการตัดกระดูกของกระดูกหลังจากการดมยาสลบ สัตว์ทุกตัวถูกฆ่าโดย KCl ทางหลอดเลือดดำ (2 มิลลิโมล/กก.) ในวันที่ 28 และ 42 วันหลังจากการประหารชีวิต กระดูกโคนขาจะถูกสแกนด้วย micro-CT เพื่อสังเกตและเปรียบเทียบกระบวนการรักษากระดูกและการสร้างกระดูกใหม่ระหว่างทั้งสี่กลุ่ม
หลังการผ่าตัด จะมีการเก็บเนื้อเยื่ออ่อนที่สัมผัสโดยตรงกับอุปกรณ์ปลูกถ่ายกระดูกเนื้อเยื่อถูกตรึงไว้ในฟอร์มาลินบัฟเฟอร์ที่เป็นกลาง 10% ข้ามคืนและจากนั้นถูกทำให้แห้งใน EtOHเนื้อเยื่อที่ถูกคายน้ำถูกฝังในพาราฟินและแบ่งส่วนที่ความหนา 40 μm โดยใช้ microtome (400CS; EXAKT, Germany)เพื่อให้เห็นภาพการติดเชื้อ จึงทำการย้อม H&E และการย้อม MTเพื่อตรวจสอบการตอบสนองของโฮสต์ เนื้อเยื่อที่แบ่งส่วนจะถูกบ่มด้วยแอนติบอดีปฐมภูมิต่อต้าน TNF-α ของกระต่าย (AB6671, Abcam, USA) และกระต่ายต่อต้าน IL-6 (AB6672; Abcam, USA) จากนั้นทำการรักษาด้วยมะรุมออกซิเดสใช้ระบบการย้อมสีอะวิดิน-ไบโอตินคอมเพล็กซ์ (ABC) ในส่วนต่างๆ ตามคำแนะนำของผู้ผลิตเพื่อให้ปรากฏเป็นผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยาสีน้ำตาล จึงใช้ 3,3-ไดอะมิโนเบนซิดีนในทุกส่วนเครื่องสแกนสไลด์ดิจิทัล (Pannoramic 250 Flash III, 3DHISTECH, ฮังการี) ถูกนำมาใช้เพื่อแสดงภาพชิ้นส่วนทั้งหมด และวิเคราะห์วัสดุพิมพ์อย่างน้อยสี่ชิ้นในแต่ละกลุ่มโดยซอฟต์แวร์ ImageJ
ภาพเอ็กซ์เรย์ถูกถ่ายในสัตว์ทุกตัวหลังการผ่าตัดและทุกสัปดาห์เพื่อติดตามการรักษากระดูกหัก (n=6 ต่อกลุ่ม)หลังการผ่าตัด จะใช้ micro-CT ที่มีความละเอียดสูงเพื่อคำนวณการก่อตัวของแคลลัสรอบกระดูกโคนขาหลังการรักษากระดูกโคนขาที่ได้รับถูกทำความสะอาด ตรึงในพาราฟอร์มัลดีไฮด์ 4% เป็นเวลา 3 วัน และทำให้แห้งในเอธานอล 75%จากนั้นสแกนกระดูกที่ขาดน้ำโดยใช้ micro-CT (SkyScan 1173, Brooke Micro-CT, Kandy, เบลเยียม) เพื่อสร้างภาพ 3D voxel (2240 ​​× 2240 พิกเซล) ของตัวอย่างกระดูกใช้ตัวกรอง Al 1.0 มม. เพื่อลดสัญญาณรบกวนและใช้ความละเอียดสูงกับการสแกนทั้งหมด (E = 133 kVp, I = 60 μA, เวลาในการรวม = 500 ms)ซอฟต์แวร์ Nrecon (เวอร์ชัน 1.6.9.8, Bruker microCT, Kontich, เบลเยียม) ใช้เพื่อสร้างปริมาตร 3 มิติของตัวอย่างที่สแกนจากการฉายภาพด้านข้าง 2 มิติที่ได้มาสำหรับการวิเคราะห์ รูปภาพที่สร้างใหม่ 3 มิติจะถูกแบ่งออกเป็นลูกบาศก์ขนาด 10 มม. x 10 มม. x 10 มม. ตามตำแหน่งที่แตกหักคำนวณแคลลัสที่อยู่นอกกระดูกเปลือกนอกซอฟต์แวร์ DataViewer (เวอร์ชัน 1.5.1.2; Bruker microCT, Kontich, เบลเยียม) ถูกใช้เพื่อเปลี่ยนเส้นทางปริมาณกระดูกที่สแกนแบบดิจิทัล และใช้ซอฟต์แวร์ CT-Analyzer (เวอร์ชัน 1.14.4.1; Bruker microCT, Kontich, เบลเยียม) สำหรับการวิเคราะห์ค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืนรังสีเอกซ์สัมพัทธ์ในกระดูกที่โตเต็มที่และแคลลัสจะแตกต่างกันตามความหนาแน่น จากนั้นจึงหาปริมาตรของแคลลัส (n = 4)เพื่อยืนยันว่าความเข้ากันได้ทางชีวภาพของ LOIS ไม่ทำให้กระบวนการสมานกระดูกล่าช้า จึงได้ทำการวิเคราะห์เอ็กซ์เรย์และไมโครซีทีเพิ่มเติมในกระต่ายสองตัว ได้แก่ กลุ่มเปล่า-ลบ และกลุ่ม LOISทั้งสองกลุ่มถูกประหารชีวิตในสัปดาห์ที่ 6
กระดูกโคนขาจากสัตว์บูชายัญถูกรวบรวมและตรึงไว้ในพาราฟอร์มัลดีไฮด์ 4% เป็นเวลา 3 วันจากนั้นจึงถอดกระดูกเทียมออกจากกระดูกโคนขาอย่างระมัดระวังกระดูกโคนขาถูกทำให้เป็นรูปลอกเป็นเวลา 21 วันโดยใช้ 0.5 โมลาร์ EDTA (EC-900, National Diagnostics Corporation)จากนั้นกระดูกโคนขาที่มีรูปลอกถูกจุ่มลงใน EtOH เพื่อทำให้มันขาดน้ำกระดูกโคนขาที่ถูกทำให้ขาดน้ำถูกกำจัดออกในไซลีนและฝังในพาราฟินจากนั้นตัวอย่างจะถูกหั่นด้วยเครื่องโรตารี่ไมโครโตมอัตโนมัติ (Leica RM2255, Leica Biosystems, Germany) ที่มีความหนา 3 μmสำหรับการย้อมสี TRAP (F6760, ซิกมา-อัลดริช, เยอรมนี) ตัวอย่างแบบแบ่งส่วนจะถูกกำจัดพาราฟฟิน คืนน้ำให้ใหม่ และบ่มในรีเอเจนต์ TRAP ที่ 37°C เป็นเวลา 1 ชั่วโมงภาพได้มาโดยใช้เครื่องสแกนสไลด์ (Pannoramic 250 Flash III, 3DHISTECH, ฮังการี) และหาปริมาณโดยการวัดความครอบคลุมพื้นที่ของพื้นที่ที่มีรอยเปื้อนในการทดลองแต่ละครั้ง มีการวิเคราะห์ซับสเตรตอย่างน้อยสี่รายการในแต่ละกลุ่มโดยซอฟต์แวร์ ImageJ
การวิเคราะห์นัยสำคัญทางสถิติดำเนินการโดยใช้ GraphPad Prism (GraphPad Software Inc., USA)การทดสอบทีแบบไม่มีการจับคู่และการวิเคราะห์ความแปรปรวนทางเดียว (ANOVA) ถูกนำมาใช้เพื่อทดสอบความแตกต่างระหว่างกลุ่มการประเมินระดับนัยสำคัญถูกระบุในรูปดังต่อไปนี้: *P<0.05, **P<0.01, ***P<0.001 และ ****P<0.0001;NS ไม่มีความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญ
หากต้องการข้อมูลเพิ่มเติมสำหรับบทความนี้ โปรดดูที่ http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/44/eabb0025/DC1
นี่เป็นบทความที่เข้าถึงได้แบบเปิดซึ่งเผยแพร่ภายใต้เงื่อนไขของ Creative Commons Attribution-Non-Commercial License ซึ่งอนุญาตให้ใช้ แจกจ่าย และทำซ้ำในสื่อใดๆ ตราบใดที่การใช้งานไม่ได้เพื่อผลประโยชน์ทางการค้า และสถานที่ตั้งคือต้นฉบับ งานถูกต้องแล้วอ้างอิง.
หมายเหตุ: เราขอให้คุณระบุที่อยู่อีเมลเท่านั้นเพื่อให้คนที่คุณแนะนำไปยังเพจรู้ว่าคุณต้องการให้พวกเขาเห็นอีเมลและอีเมลนั้นไม่ใช่สแปมเราจะไม่บันทึกที่อยู่อีเมลใดๆ
คำถามนี้ใช้เพื่อทดสอบว่าคุณเป็นผู้เยี่ยมชมที่เป็นมนุษย์หรือไม่ และเพื่อป้องกันการส่งสแปมอัตโนมัติ
โชคยองมิน, โอยังจาง, พัคจุนจุน, ลีจินฮยอก, คิมฮยอนชอล, ลีคยองมุน, ลีชางกยู, ลียอนแทค, ลีซอนอุค, จองโมรุย
การเคลือบต้านเชื้อแบคทีเรียและภูมิคุ้มกันของการปลูกถ่ายกระดูกสามารถลดการติดเชื้อและการตอบสนองของระบบภูมิคุ้มกันที่เกิดจากการติดเชื้อได้
โชคยองมิน, โอยังจาง, พัคจุนจุน, ลีจินฮยอก, คิมฮยอนชอล, ลีคยองมุน, ลีชางกยู, ลียอนแทค, ลีซอนอุค, จองโมรุย
การเคลือบต้านเชื้อแบคทีเรียและภูมิคุ้มกันของการปลูกถ่ายกระดูกสามารถลดการติดเชื้อและการตอบสนองของระบบภูมิคุ้มกันที่เกิดจากการติดเชื้อได้
©2021 สมาคมอเมริกันเพื่อความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์สงวนลิขสิทธิ์.AAAS เป็นหุ้นส่วนของ HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef และ COUNTERวิทยาศาสตร์ก้าวหน้า ISSN 2375-2548