Para sa mga pasyenteng sumasailalim sa orthopedic implant surgery, ang mga bacterial infection at infection-induced immune response ay palaging mga panganib na nagbabanta sa buhay.Ang mga tradisyonal na biological na materyales ay madaling kapitan ng biological contamination, na nagiging sanhi ng pagsalakay ng bakterya sa napinsalang lugar at nagiging sanhi ng postoperative infection.Samakatuwid, mayroong isang kagyat na pangangailangan upang bumuo ng anti-infection at immune escape coatings para sa orthopedic implants.Dito, nakabuo kami ng advanced na surface modification technology para sa orthopedic implants na tinatawag na Lubricated Orthopedic Implant Surface (LOIS), na inspirasyon ng makinis na ibabaw ng pitcher plant pitcher.Ang LOIS ay may pangmatagalan at malakas na likidong repellency sa iba't ibang mga likido at biological substance (kabilang ang mga cell, protina, calcium at bacteria).Bilang karagdagan, kinumpirma namin ang mekanikal na tibay laban sa mga gasgas at puwersa ng pag-aayos sa pamamagitan ng pagtulad sa hindi maiiwasang pinsala sa panahon ng in vitro surgery.Ang rabbit bone marrow inflammatory femoral fracture model ay ginamit upang masusing pag-aralan ang anti-biological scaling at anti-infection na kakayahan ng LOIS.Inaakala namin na ang LOIS, na may mga katangiang anti-biofouling at tibay ng makina, ay isang hakbang pasulong sa walang impeksyong orthopedic surgery.
Ngayon, dahil sa pangkalahatang pagtanda, ang bilang ng mga pasyente na dumaranas ng mga sakit na orthopaedic (tulad ng mga matatandang bali, degenerative joint disease, at osteoporosis) ay tumaas nang malaki (1, 2).Samakatuwid, ang mga institusyong medikal ay nagbibigay ng malaking kahalagahan sa orthopedic surgery, kabilang ang mga orthopedic implant ng mga turnilyo, plato, kuko at artipisyal na mga kasukasuan (3, 4).Gayunpaman, ang mga tradisyonal na orthopedic implants ay naiulat na madaling kapitan sa bacterial adhesion at biofilm formation, na maaaring magdulot ng surgical site infection (SSI) pagkatapos ng operasyon (5, 6).Kapag ang biofilm ay nabuo sa ibabaw ng orthopedic implant, ang pag-alis ng biofilm ay nagiging lubhang mahirap kahit na sa paggamit ng malalaking dosis ng antibiotics.Samakatuwid, ito ay kadalasang humahantong sa malubhang mga impeksyon sa postoperative (7, 8).Dahil sa mga problema sa itaas, ang paggamot sa mga nahawaang implant ay dapat magsama ng muling operasyon, kabilang ang pagtanggal ng lahat ng implant at mga nakapaligid na tisyu;samakatuwid, ang pasyente ay magdaranas ng matinding sakit at ilang mga panganib (9, 10).
Upang malutas ang ilan sa mga problemang ito, ang mga implant na orthopedic na naglalabas ng droga ay binuo upang maiwasan ang impeksiyon sa pamamagitan ng pag-aalis ng bakterya na nakadikit sa ibabaw (11, 12).Gayunpaman, ang diskarte ay nagpapakita pa rin ng ilang mga limitasyon.Naiulat na ang pangmatagalang pagtatanim ng mga implant na nagpapalubog ng droga ay nagdulot ng pinsala sa mga nakapaligid na tisyu at nagdulot ng pamamaga, na maaaring humantong sa nekrosis (13, 14).Bilang karagdagan, ang mga organic na solvent na maaaring umiral pagkatapos ng proseso ng pagmamanupaktura ng drug-eluting orthopedic implants, na mahigpit na ipinagbabawal ng US Food and Drug Administration, ay nangangailangan ng karagdagang mga hakbang sa paglilinis upang matugunan ang mga pamantayan nito (15).Ang mga drug-eluting implant ay mahirap para sa kontroladong pagpapalabas ng mga gamot, at dahil sa kanilang limitadong pag-load ng gamot, ang pangmatagalang paggamit ng gamot ay hindi magagawa (16).
Ang isa pang karaniwang diskarte ay ang balutin ang implant ng isang antifouling polymer upang maiwasan ang biological matter at bacteria mula sa pagdikit sa ibabaw (17).Halimbawa, ang mga zwitterionic polymer ay nakakaakit ng pansin dahil sa kanilang mga hindi malagkit na katangian kapag nakikipag-ugnay sa mga protina ng plasma, mga selula, at bakterya.Gayunpaman, mayroon itong ilang mga limitasyon na may kaugnayan sa pangmatagalang katatagan at mekanikal na tibay, na humahadlang sa praktikal na aplikasyon nito sa mga implant ng orthopedic, lalo na dahil sa mekanikal na pag-scrape sa panahon ng mga pamamaraan ng kirurhiko (18, 19).Bilang karagdagan, dahil sa mataas na biocompatibility nito, kakulangan ng pangangailangan para sa operasyon sa pagtanggal, at mga katangian ng paglilinis sa ibabaw sa pamamagitan ng kaagnasan, ginamit ang mga orthopedic implant na gawa sa mga biodegradable na materyales (20, 21).Sa panahon ng kaagnasan, ang mga bono ng kemikal sa pagitan ng polymer matrix ay pinaghiwa-hiwalay at nahiwalay sa ibabaw, at nililinis ng mga adherents ang ibabaw.Gayunpaman, ang anti-biological fouling sa pamamagitan ng paglilinis sa ibabaw ay epektibo sa maikling panahon.Bilang karagdagan, ang karamihan sa mga absorbable na materyales kabilang ang poly(lactic acid-glycolic acid copolymer) (PLGA), polylactic acid (PLA) at magnesium-based alloys ay sasailalim sa hindi pantay na biodegradation at erosion sa katawan, na negatibong makakaapekto sa mechanical stability.(dalawampu't dalawa).Bilang karagdagan, ang mga biodegradable na mga fragment ng plato ay nagbibigay ng isang lugar para sa mga bakterya na nakakabit, na nagpapataas ng pagkakataon ng impeksyon sa katagalan.Ang panganib na ito ng mekanikal na pagkasira at impeksyon ay naglilimita sa praktikal na aplikasyon ng plastic surgery (23).
Ang mga superhydrophobic (SHP) na ibabaw na ginagaya ang hierarchical na istraktura ng mga dahon ng lotus ay naging isang potensyal na solusyon para sa mga anti-fouling na ibabaw (24, 25).Kapag ang ibabaw ng SHP ay nahuhulog sa likido, ang mga bula ng hangin ay maiipit, at sa gayon ay bubuo ng mga bulsa ng hangin at pinipigilan ang pagdikit ng bakterya (26).Gayunpaman, ipinakita ng mga kamakailang pag-aaral na ang ibabaw ng SHP ay may mga disadvantages na may kaugnayan sa mekanikal na tibay at pangmatagalang katatagan, na humahadlang sa paggamit nito sa mga medikal na implant.Bukod dito, ang mga air pocket ay matutunaw at mawawala ang kanilang mga anti-fouling properties, kaya magreresulta sa mas malawak na bacterial adhesion dahil sa malaking surface area ng SHP surface (27, 28).Kamakailan, ipinakilala ni Aizenberg at mga kasamahan ang isang makabagong paraan ng anti-biofouling surface coating sa pamamagitan ng pagbuo ng makinis na ibabaw na inspirasyon ng Nepenthes pitcher plant (29, 30).Ang makinis na ibabaw ay nagpapakita ng pangmatagalang katatagan sa ilalim ng haydroliko na mga kondisyon, ay lubhang likidong repellent sa mga biological na likido, at may mga katangiang nagkukumpuni sa sarili.Gayunpaman, walang paraan upang maglagay ng patong sa isang kumplikadong hugis na medikal na implant, at hindi rin ito napatunayang sumusuporta sa proseso ng pagpapagaling ng nasirang tissue pagkatapos ng pagtatanim.
Dito, ipinakilala namin ang isang lubricated orthopedic implant surface (LOIS), isang micro/nano-structured orthopedic implant surface at mahigpit na pinagsama sa isang manipis na lubricant layer upang maiwasan itong maiugnay sa plastic surgery Mga impeksyon sa bacteria, gaya ng fracture fixation.Dahil matatag na inaayos ng fluorine-functionalized micro/nano-level structure ang lubricant sa istraktura, ang binuong LOIS ay maaaring ganap na maitaboy ang pagdirikit ng iba't ibang likido at mapanatili ang anti-fouling performance sa mahabang panahon.Maaaring ilapat ang mga LOIS coatings sa mga materyales na may iba't ibang hugis na nilayon para sa bone synthesis.Ang mahusay na anti-biofouling na katangian ng LOIS laban sa biofilm bacteria [Pseudomonas aeruginosa at methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA)] at mga biological substance (mga cell, protina at calcium) ay nakumpirma sa vitro.Ang rate ng pagdirikit ng malawak na pagdirikit sa substrate ay mas mababa sa 1%.Bilang karagdagan, kahit na pagkatapos ng mekanikal na stress tulad ng scratching sa ibabaw ay nangyayari, ang pagpapagaling sa sarili na dulot ng tumatagos na lubricant ay nakakatulong na mapanatili ang mga anti-fouling properties nito.Ang mga resulta ng pagsubok sa tibay ng makina ay nagpapakita na kahit na pagkatapos ng pagbabago sa istruktura at kemikal, ang kabuuang lakas ay hindi mababawasan nang malaki.Bilang karagdagan, ang isang in vitro na eksperimento na ginagaya ang mekanikal na stress sa surgical na kapaligiran ay isinagawa upang patunayan na ang LOIS ay makatiis ng iba't ibang mga mekanikal na stress na nangyayari sa panahon ng plastic surgery.Sa wakas, gumamit kami ng rabbit-based in vivo femoral fracture model, na nagpatunay na ang LOIS ay may higit na mataas na antibacterial properties at biocompatibility.Kinumpirma ng mga resulta ng radiological at histological na ang stable na lubricant behavior at anti-biofouling properties sa loob ng 4 na linggo pagkatapos ng implantation ay makakamit ang epektibong anti-infection at immune escape performance nang hindi inaantala ang proseso ng pagpapagaling ng buto.
Ang Figure 1A ay nagpapakita ng isang schematic diagram ng binuo na LOIS, na itinanim ng mga micro/nano-scale na istruktura sa rabbit femoral fracture model upang kumpirmahin ang mahusay nitong anti-biological fouling at anti-infection na mga katangian.Ang isang biomimetic na pamamaraan ay isinasagawa upang gayahin ang ibabaw ng isang water pot plant, at upang maiwasan ang biofouling sa pamamagitan ng pagsasama ng isang lubricant layer sa loob ng micro/nano structure ng surface.Ang ibabaw na na-injected ng lubricant ay maaaring mabawasan ang pakikipag-ugnayan sa pagitan ng mga biological substance at sa ibabaw.Samakatuwid, dahil sa pagbuo ng matatag na mga bono ng kemikal sa ibabaw, mayroon itong mahusay na pagganap ng antifouling at pangmatagalang katatagan.Bilang resulta, ang mga anti-biofouling na katangian ng lubricating surface ay nagbibigay-daan sa iba't ibang praktikal na aplikasyon sa biomedical na pananaliksik.Gayunpaman, ang malawak na pananaliksik sa kung paano nakikipag-ugnayan ang espesyal na ibabaw na ito sa katawan ay hindi pa nakumpleto.Sa pamamagitan ng paghahambing ng LOIS sa mga hubad na substrate sa vitro gamit ang albumin at biofilm bacteria, ang hindi pagkakadikit ng LOIS ay maaaring kumpirmahin (Larawan 1B).Bilang karagdagan, sa pamamagitan ng pag-roll off ng mga patak ng tubig sa inclined bare substrate at ang LOIS substrate (Figure S1 at Movie S1), maipapakita ang pagganap ng biological contamination.Tulad ng ipinakita sa imahe ng fluorescence microscope, ang nakalantad na substrate na incubated sa isang suspensyon ng protina at bakterya ay nagpakita ng isang malaking halaga ng biological na materyal na nakadikit sa ibabaw.Gayunpaman, dahil sa mahusay na mga katangian ng anti-biofouling, ang LOIS ay halos hindi nagpapakita ng anumang fluorescence.Upang kumpirmahin ang mga katangian nitong anti-biofouling at anti-infection, ang LOIS ay inilapat sa ibabaw ng orthopedic implants para sa bone synthesis (mga plato at turnilyo) at inilagay sa isang modelo ng rabbit fracture.Bago ang pagtatanim, ang hubad na orthopedic implant at LOIS ay natupok sa isang bacterial suspension sa loob ng 12 oras.Tinitiyak ng pre-incubation na ang isang biofilm ay nabuo sa ibabaw ng nakalantad na implant para sa paghahambing.Ang Figure 1C ay nagpapakita ng larawan ng fracture site 4 na linggo pagkatapos ng implantation.Sa kaliwa, ang isang kuneho na may hubad na orthopedic implant ay nagpakita ng matinding antas ng pamamaga dahil sa pagbuo ng isang biofilm sa ibabaw ng implant.Ang kabaligtaran na resulta ay naobserbahan sa mga kuneho na itinanim sa LOIS, iyon ay, ang mga nakapaligid na tisyu ng LOIS ay hindi nagpakita ng alinman sa mga palatandaan ng impeksyon o mga palatandaan ng pamamaga.Bilang karagdagan, ang optical na imahe sa kaliwa ay nagpapahiwatig ng surgical site ng kuneho na may nakalantad na implant, na nagpapahiwatig na walang maraming mga adhesive na naroroon sa ibabaw ng nakalantad na implant na natagpuan sa ibabaw ng LOIS.Ipinapakita nito na ang LOIS ay may pangmatagalang katatagan at may kakayahang mapanatili ang mga katangian nitong anti-biological fouling at anti-adhesion.
(A) Schematic diagram ng LOIS at ang pagtatanim nito sa isang rabbit femoral fracture model.(B) Fluorescence microscopy na imahe ng protina at bacterial biofilm sa hubad na ibabaw at LOIS substrate.4 na linggo pagkatapos ng pagtatanim, (C) isang photographic na imahe ng fracture site at (D) isang X-ray na imahe (na-highlight ng isang pulang parihaba).Imahe ng kagandahang-loob: Kyomin Chae, Yonsei University.
Ang isterilisado, nakalantad na negatibong itinanim na mga kuneho ay nagpakita ng isang normal na proseso ng pagpapagaling ng buto nang walang anumang mga palatandaan ng pamamaga o impeksiyon.Sa kabilang banda, ang mga implant ng SHP na na-pre-incubated sa isang bacterial suspension ay nagpapakita ng pamamaga na nauugnay sa impeksyon sa mga nakapaligid na tisyu.Ito ay maaaring maiugnay sa kawalan ng kakayahan nitong pigilan ang bacterial adhesion sa loob ng mahabang panahon (Figure S2).Upang mapatunayan na ang LOIS ay hindi nakakaapekto sa proseso ng pagpapagaling, ngunit pinipigilan ang mga posibleng impeksyon na nauugnay sa pagtatanim, ang mga imahe ng X-ray ng nakalantad na positibong matrix at LOIS sa site ng bali ay inihambing (Larawan 1D).Ang X-ray na imahe ng hubad na positibong implant ay nagpakita ng patuloy na mga linya ng osteolysis, na nagpapahiwatig na ang buto ay hindi ganap na gumaling.Iminumungkahi nito na ang proseso ng pagbawi ng buto ay maaaring maantala nang husto dahil sa pamamaga na nauugnay sa impeksiyon.Sa kabaligtaran, ipinakita nito na ang mga kuneho na itinanim sa LOIS ay gumaling at hindi nagpakita ng anumang halatang fracture site.
Upang makabuo ng mga medikal na implant na may pangmatagalang katatagan at paggana (kabilang ang paglaban sa biofouling), maraming pagsisikap ang ginawa.Gayunpaman, ang pagkakaroon ng iba't ibang mga biological na sangkap at ang dynamics ng tissue adhesion ay naglilimita sa pagbuo ng kanilang mga klinikal na maaasahang pamamaraan.Upang malampasan ang mga pagkukulang na ito, nakabuo kami ng micro/nano layered na istraktura at chemically modified surface, na na-optimize dahil sa mataas na capillary force at chemical affinity upang mapanatili ang pinakamakinis na lubricant sa pinakamalawak na lawak.Ipinapakita ng Figure 2A ang pangkalahatang proseso ng pagmamanupaktura ng LOIS.Una, maghanda ng isang medikal na grade stainless steel (SS) 304 substrate.Pangalawa, ang micro/nano structure ay nabuo sa SS substrate sa pamamagitan ng chemical etching gamit ang hydrofluoric acid (HF) solution.Upang maibalik ang resistensya ng kaagnasan ng SS, isang nitric acid (HNO3) na solusyon (31) ang ginagamit upang iproseso ang nakaukit na substrate.Pinapalakas ng passivation ang corrosion resistance ng SS substrate at makabuluhang nagpapabagal sa proseso ng corrosion na maaaring makabawas sa pangkalahatang performance ng LOIS.Pagkatapos, sa pamamagitan ng pagbuo ng self-assembled monolayer (SAM) na may 1H, 1H, 2H, 2H-perfluorooctyltriethoxysilane (POTS), ang ibabaw ay binago ng kemikal upang mapabuti ang pakikipag-ugnayan ng kemikal sa pagitan ng ibabaw at ng makinis na lubricant Affinity.Ang pagbabago sa ibabaw ay makabuluhang binabawasan ang enerhiya sa ibabaw ng gawa-gawang micro/nano-scale structured surface, na tumutugma sa enerhiya sa ibabaw ng makinis na pampadulas.Ito ay nagpapahintulot sa lubricant na ganap na mabasa, sa gayon ay bumubuo ng isang matatag na layer ng pampadulas sa ibabaw.Ang binagong ibabaw ay nagpapakita ng pinahusay na hydrophobicity.Ipinapakita ng mga resulta na ang madulas na pampadulas ay nagpapakita ng matatag na pag-uugali sa LOIS dahil sa mataas na pagkakaugnay ng kemikal at puwersa ng capillary na dulot ng istraktura ng micro/nano (32, 33).Ang mga pagbabago sa optical sa ibabaw ng SS pagkatapos ng pagbabago sa ibabaw at iniksyon ng pampadulas ay pinag-aralan.Ang micro/nano layered na istraktura na nabuo sa ibabaw ay maaaring magdulot ng mga pagbabago sa visual at magpapadilim sa ibabaw.Ang hindi pangkaraniwang bagay na ito ay nauugnay sa pinahusay na epekto ng pagkakalat ng liwanag sa magaspang na ibabaw, na nagpapataas ng nagkakalat na pagmuni-muni na dulot ng mekanismo ng pag-trap ng liwanag (34).Bilang karagdagan, pagkatapos ma-inject ang lubricant, ang LOIS ay nagiging mas madilim.Ang lubricating layer ay nagiging sanhi ng mas kaunting liwanag na makikita mula sa substrate, at sa gayon ay nagpapadilim sa LOIS.Upang ma-optimize ang microstructure/nanostructure upang ipakita ang pinakamaliit na sliding angle (SA) upang makamit ang anti-biofouling performance, ang pag-scan ng electron microscopy (SEM) at mga pares ng atomic ay ginamit upang magsagawa ng iba't ibang HF etching times (0, 3)., 15 at 60 minuto) Force Microscope (AFM) (Figure 2B).Ipinapakita ng mga imahe ng SEM at AFM na pagkatapos ng maikling panahon ng pag-ukit (3 minuto ng pag-ukit), ang hubad na substrate ay nakabuo ng hindi pantay na nano-scale na pagkamagaspang.Ang pagkamagaspang sa ibabaw ay nagbabago sa oras ng pag-ukit (Larawan S3).Ipinapakita ng time-varying curve na ang pagkamagaspang sa ibabaw ay patuloy na tumataas at umabot sa pinakamataas sa 15 minuto ng pag-ukit, at pagkatapos ay kaunting pagbaba lamang sa halaga ng pagkamagaspang ay sinusunod sa 30 minuto ng pag-ukit.Sa puntong ito, ang pagkamagaspang sa antas ng nano ay nauukit, habang ang pagkamagaspang sa antas ng micro ay masiglang umuunlad, na ginagawang mas matatag ang pagbabago ng pagkamagaspang.Pagkatapos ng pag-ukit ng higit sa 30 minuto, ang isang karagdagang pagtaas sa pagkamagaspang ay sinusunod, na ipinaliwanag nang detalyado tulad ng sumusunod: Ang SS ay binubuo ng bakal, na pinaghalo ng mga elemento kabilang ang bakal, kromo, nikel, molibdenum at marami pang ibang elemento.Sa mga elementong ito, ang iron, chromium at molibdenum ay may mahalagang papel sa pagbuo ng micron/nano-scale roughness sa SS sa pamamagitan ng HF etching.Sa mga unang yugto ng kaagnasan, ang iron at chromium ay pangunahing nabubulok dahil ang molibdenum ay may mas mataas na resistensya sa kaagnasan kaysa sa molibdenum.Habang umuusad ang pag-ukit, ang solusyon sa pag-ukit ay umaabot sa lokal na sobrang saturation, na bumubuo ng mga fluoride at oxide na dulot ng pag-ukit.Ang fluoride at oxide ay namuo at kalaunan ay nagdeposito muli sa ibabaw, na bumubuo ng isang pagkamagaspang sa ibabaw sa hanay ng micron/nano (31).Ang micro/nano-level na pagkamagaspang na ito ay gumaganap ng mahalagang papel sa mga katangian ng pagpapagaling sa sarili ng LOIS.Ang dalawahang sukat na ibabaw ay gumagawa ng isang synergistic na epekto, na lubos na nagpapataas ng puwersa ng maliliit na ugat.Ang hindi pangkaraniwang bagay na ito ay nagpapahintulot sa pampadulas na tumagos nang matatag sa ibabaw at nag-aambag sa mga katangian ng pagpapagaling sa sarili (35).Ang pagbuo ng pagkamagaspang ay nakasalalay sa oras ng pag-ukit.Sa ilalim ng 10 minuto ng pag-ukit, ang ibabaw ay naglalaman lamang ng nano-scale na pagkamagaspang, na hindi sapat upang hawakan ng sapat na pampadulas upang magkaroon ng biofouling resistance (36).Sa kabilang banda, kung ang oras ng pag-ukit ay lumampas sa 30 minuto, ang nano-scale na pagkamagaspang na nabuo sa pamamagitan ng muling pagdeposisyon ng bakal at chromium ay mawawala, at ang micro-scale na pagkamagaspang lamang ang mananatili dahil sa molibdenum.Ang over-etched surface ay kulang sa nano-scale roughness at nawawala ang synergistic na epekto ng two-stage roughness, na negatibong nakakaapekto sa self-healing na katangian ng LOIS.Ang mga sukat ng SA ay isinagawa sa mga substrate na may iba't ibang oras ng pag-ukit upang patunayan ang pagganap ng anti-fouling.Ang iba't ibang uri ng likido ay pinili batay sa lagkit at enerhiya sa ibabaw, kabilang ang deionized (DI) na tubig, dugo, ethylene glycol (EG), ethanol (EtOH) at hexadecane (HD) (Figure S4).Ipinapakita ng pattern ng pag-ukit na nag-iiba-iba sa oras na para sa iba't ibang likido na may iba't ibang enerhiya sa ibabaw at lagkit, ang SA ng LOIS pagkatapos ng 15 minuto ng pag-ukit ay ang pinakamababa.Samakatuwid, ang LOIS ay na-optimize upang mag-etch sa loob ng 15 minuto upang bumuo ng micron at nano-scale na pagkamagaspang, na angkop para sa epektibong pagpapanatili ng tibay ng lubricant at mahusay na anti-fouling properties.
(A) Schematic diagram ng apat na hakbang na proseso ng pagmamanupaktura ng LOIS.Ipinapakita ng inset ang SAM na nabuo sa substrate.(B) SEM at AFM na mga imahe, na ginamit upang i-optimize ang micro/nano na istraktura ng substrate sa ilalim ng iba't ibang oras ng pag-ukit.X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) spectra ng (C) Cr2p at (D) F1s pagkatapos ng surface passivation at SAM coating.au, arbitrary unit.(E) Mga larawan ng kinatawan ng mga patak ng tubig sa hubad, nakaukit, SHP at LOIS na mga substrate.(F) Ang contact angle (CA) at SA pagsukat ng mga likido na may iba't ibang tensyon sa ibabaw sa SHP at LOIS.Ang data ay ipinahayag bilang mean ± SD.
Pagkatapos, upang kumpirmahin ang pagbabago sa mga katangian ng kemikal ng ibabaw, ginamit ang X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) upang pag-aralan ang pagbabago sa komposisyon ng kemikal ng ibabaw ng substrate pagkatapos ng bawat patong sa ibabaw.Ipinapakita ng Figure 2C ang mga resulta ng pagsukat ng XPS ng HF etched surface at ang HNO 3 treated surface.Ang dalawang pangunahing peak sa 587.3 at 577.7 eV ay maaaring maiugnay sa Cr-O bond na umiiral sa chromium oxide layer, na siyang pangunahing pagkakaiba mula sa HF etched surface.Ito ay higit sa lahat dahil sa pagkonsumo ng iron at chromium fluoride sa ibabaw ng HNO3.Ang HNO3-based na etching ay nagpapahintulot sa chromium na bumuo ng isang passivating oxide layer sa ibabaw, na ginagawang muli ang etched SS na lumalaban sa kaagnasan.Sa Figure 2D, ang XPS spectra ay nakuha upang kumpirmahin na ang fluorocarbon-based silane ay nabuo sa ibabaw pagkatapos ng SAM coating, na may napakataas na liquid repellency kahit para sa EG, dugo at EtOH.Ang SAM coating ay nakumpleto sa pamamagitan ng pagtugon sa silane functional group na may hydroxyl group na nabuo sa pamamagitan ng plasma treatment.Bilang isang resulta, isang makabuluhang pagtaas sa CF2 at CF3 peak ay naobserbahan.Ang nagbubuklod na enerhiya sa pagitan ng 286 at 296 eV ay nagpapahiwatig na ang kemikal na pagbabago ay matagumpay na nakumpleto ng SAM coating.Ang SHP ay nagpapakita ng medyo malalaking CF2 (290.1 ​​​​eV) at CF3 (293.3 eV) na mga taluktok, na sanhi ng fluorocarbon-based silane na nabuo sa ibabaw.Ang Figure 2E ay nagpapakita ng mga kinatawan ng optical na imahe ng mga sukat ng contact angle (CA) para sa iba't ibang grupo ng deionized na tubig na nakikipag-ugnayan sa hubad, etched, SHP, at LOIS.Ang mga larawang ito ay nagpapakita na ang etched surface ay nagiging hydrophilic dahil sa micro/nano structure na nabuo sa pamamagitan ng chemical etching upang ang deionized na tubig ay masipsip sa istraktura.Gayunpaman, kapag ang substrate ay pinahiran ng SAM, ang substrate ay nagpapakita ng malakas na pag-aalis ng tubig, kaya ang isang ibabaw na SHP ay nabuo at ang lugar ng kontak sa pagitan ng tubig at ang ibabaw ay maliit.Sa wakas, ang isang pagbawas sa CA ay naobserbahan sa LOIS, na maaaring maiugnay sa pagtagos ng pampadulas sa microstructure, at sa gayon ay nadaragdagan ang lugar ng contact.Upang mapatunayan na ang ibabaw ay may mahusay na repellency ng likido at hindi malagkit na mga katangian, ang LOIS ay inihambing sa substrate ng SHP sa pamamagitan ng pagsukat ng CA at SA gamit ang iba't ibang mga likido (Larawan 2F).Ang iba't ibang uri ng likido ay pinili batay sa lagkit at enerhiya sa ibabaw, kabilang ang deionized na tubig, dugo, EG, EtOH at HD (Figure S4).Ipinapakita ng mga resulta ng pagsukat ng CA na kapag ang CA ay nasa HD, ang halaga ng pagbabawas ng CA, kung saan ang CA ang may pinakamababang enerhiya sa ibabaw.Bilang karagdagan, ang LOIS ng pangkalahatang CA ay mababa.Gayunpaman, ang pagsukat ng SA ay nagpapakita ng ganap na kakaibang kababalaghan.Maliban sa ionized na tubig, ang lahat ng likido ay dumidikit sa substrate ng SHP nang hindi nadudulas.Sa kabilang banda, ang LOIS ay nagpapakita ng napakababang SA, kung saan kapag ang lahat ng likido ay tumagilid sa isang anggulong mas mababa sa 10° hanggang 15°, ang lahat ng likido ay lalabas.Ito ay malakas na nagpapakita na ang non-adhesiveness ng LOIS ay mas mahusay kaysa sa SHP surface.Bilang karagdagan, ang mga LOIS coatings ay inilalapat din sa iba't ibang uri ng mga materyales, kabilang ang titanium (Ti), polyphenylsulfone (PPSU), polyoxymethylene (POM), polyether ether ketone (PEEK) at bioabsorbable polymers (PLGA), Ang mga ito ay implantable orthopedic na materyales (Figure S5)).Ang mga sunud-sunod na larawan ng mga droplet sa materyal na ginagamot ng LOIS ay nagpapakita na ang mga anti-biofouling na katangian ng LOIS ay pareho sa lahat ng mga substrate.Bilang karagdagan, ang mga resulta ng pagsukat ng CA at SA ay nagpapakita na ang mga hindi malagkit na katangian ng LOIS ay maaaring ilapat sa iba pang mga materyales.
Upang kumpirmahin ang mga anti-fouling na katangian ng LOIS, ang iba't ibang uri ng mga substrate (kabilang ang hubad, etched, SHP at LOIS) ay natupok ng Pseudomonas aeruginosa at MRSA.Ang dalawang bakterya na ito ay pinili bilang kinatawan ng bakterya sa ospital, na maaaring humantong sa pagbuo ng mga biofilm, na humahantong sa SSI (37).Ipinapakita ng Figure 3 (A at B) ang mga fluorescence microscope na imahe at ang mga resulta ng pagsukat ng colony forming unit (CFU) ng mga substrate na natupok sa bacterial suspension para sa panandaliang (12 oras) at pangmatagalan (72 oras), ayon sa pagkakabanggit.Sa maikling panahon, ang bakterya ay bubuo ng mga kumpol at lumalaki sa laki, na tinatakpan ang kanilang mga sarili ng mga sangkap na tulad ng uhog at pinipigilan ang kanilang pag-alis.Gayunpaman, sa loob ng 72-oras na pagpapapisa ng itlog, ang bakterya ay magiging mature at magiging madaling ikalat upang bumuo ng higit pang mga kolonya o kumpol.Samakatuwid, maaari itong isaalang-alang na ang 72-oras na pagpapapisa ng itlog ay pangmatagalan at ang naaangkop na oras ng pagpapapisa ng itlog upang bumuo ng isang malakas na biofilm sa ibabaw (38).Sa maikling panahon, ang nakaukit na ibabaw at ang ibabaw ng SHP ay nagpakita ng bacterial adhesion, na nabawasan ng humigit-kumulang 25% hanggang 50% kumpara sa hubad na substrate.Gayunpaman, dahil sa mahusay na pagganap at katatagan ng anti-biofouling nito, hindi nagpakita ang LOIS ng bacterial biofilm adhesion sa maikli at mahabang panahon.Ang schematic diagram (Figure 3C) ay naglalarawan ng paliwanag ng anti-biological fouling mechanism ng etching solution, SHP at LOIS.Ang pagpapalagay ay ang nakaukit na substrate na may hydrophilic na mga katangian ay magkakaroon ng mas malaking lugar sa ibabaw kaysa sa hubad na substrate.Samakatuwid, mas maraming bacterial adhesion ang magaganap sa etched substrate.Gayunpaman, kumpara sa hubad na substrate, ang nakaukit na substrate ay may makabuluhang mas kaunting biofilm na nabuo sa ibabaw.Ito ay dahil ang mga molekula ng tubig ay mahigpit na nagbubuklod sa hydrophilic na ibabaw at kumikilos bilang isang pampadulas para sa tubig, kaya nakakasagabal sa pagdirikit ng bakterya sa maikling panahon (39).Gayunpaman, ang layer ng mga molekula ng tubig ay napakanipis at natutunaw sa mga bacterial suspension.Samakatuwid, ang water molecular layer ay nawawala nang mahabang panahon, na humahantong sa malawak na bacterial adhesion at proliferation.Para sa SHP, dahil sa panandaliang hindi basang katangian nito, ang bacterial adhesion ay pinipigilan.Ang pinababang bacterial adhesion ay maaaring maiugnay sa mga air pocket na nakulong sa layered na istraktura at mas mababang enerhiya sa ibabaw, at sa gayon ay pinapaliit ang contact sa pagitan ng bacterial suspension at ibabaw.Gayunpaman, ang malawak na bacterial adhesion ay naobserbahan sa SHP dahil nawala ang mga anti-fouling properties nito sa loob ng mahabang panahon.Ito ay higit sa lahat dahil sa pagkawala ng air pockets dahil sa hydrostatic pressure at ang paglusaw ng hangin sa tubig.Ito ay higit sa lahat dahil sa pagkawala ng mga air pocket dahil sa pagkalusaw at ang layered na istraktura na nagbibigay ng mas malaking lugar sa ibabaw para sa pagdirikit (27, 40).Hindi tulad ng dalawang substrate na ito na may mahalagang epekto sa pangmatagalang katatagan, ang lubricating lubricant na nilalaman ng LOIS ay itinuturok sa micro/nano structure at hindi mawawala kahit na sa mahabang panahon.Ang mga pampadulas na puno ng mga istrukturang micro/nano ay napakatatag at malakas na naaakit sa ibabaw dahil sa kanilang mataas na pagkakaugnay sa kemikal, at sa gayon ay pinipigilan ang bacterial adhesion sa mahabang panahon.Ang Figure S6 ay nagpapakita ng isang reflection confocal microscope na imahe ng isang lubricant-infused substrate na nahuhulog sa phosphate buffered saline (PBS).Ang patuloy na mga larawan ay nagpapakita na kahit na pagkatapos ng 120 oras ng bahagyang pag-alog (120 rpm), ang lubricant layer sa LOIS ay nananatiling hindi nagbabago, na nagpapahiwatig ng pangmatagalang katatagan sa ilalim ng mga kondisyon ng daloy.Ito ay dahil sa mataas na chemical affinity sa pagitan ng fluorine-based na SAM coating at ng perfluorocarbon-based na lubricant, upang mabuo ang isang matatag na lubricant layer.Samakatuwid, ang pagganap ng anti-fouling ay pinananatili.Bilang karagdagan, ang substrate ay nasubok laban sa mga kinatawan na protina (albumin at fibrinogen), na nasa plasma, mga cell na malapit na nauugnay sa immune function (macrophages at fibroblasts), at mga nauugnay sa pagbuo ng buto.Ang nilalaman ng calcium ay napakataas.(Figure 3D, 1 at 2, at Figure S7) (41, 42).Bilang karagdagan, ang mga larawan ng fluorescence microscope ng adhesion test para sa fibrinogen, albumin at calcium ay nagpakita ng iba't ibang katangian ng pagdirikit ng bawat pangkat ng substrate (Figure S8).Sa panahon ng pagbuo ng buto, ang mga bagong nabuong buto at calcium layer ay maaaring palibutan ang orthopedic implant, na hindi lamang nagpapahirap sa pagtanggal, ngunit maaari ring magdulot ng hindi inaasahang pinsala sa pasyente sa panahon ng proseso ng pagtanggal.Samakatuwid, ang mababang antas ng mga deposito ng calcium sa mga plate ng buto at mga turnilyo ay kapaki-pakinabang para sa orthopedic surgery na nangangailangan ng pagtanggal ng implant.Batay sa dami ng nakalakip na lugar batay sa intensity ng fluorescence at bilang ng cell, kinumpirma namin na ang LOIS ay nagpapakita ng mahusay na mga katangian ng anti-biofouling para sa lahat ng mga biological na sangkap kumpara sa iba pang mga substrate.Ayon sa mga resulta ng in vitro experiments, ang anti-biological fouling LOIS ay maaaring ilapat sa mga orthopedic implants, na hindi lamang makakapigil sa mga impeksiyon na dulot ng biofilm bacteria, ngunit nakakabawas din ng pamamaga na dulot ng aktibong immune system ng katawan.
(A) Mga larawan ng fluorescence microscope ng bawat pangkat (hubad, nakaukit, SHP at LOIS) na natupok sa mga suspensyon ng Pseudomonas aeruginosa at MRSA sa loob ng 12 at 72 na oras.(B) Ang bilang ng sumusunod na CFU ng Pseudomonas aeruginosa at MRSA sa ibabaw ng bawat pangkat.(C) Schematic diagram ng anti-biological fouling na mekanismo ng panandalian at pangmatagalang pag-ukit, SHP at LOIS.(D) (1) Ang bilang ng mga fibroblast na sumunod sa bawat substrate at fluorescence microscope na mga imahe ng mga cell na sumunod sa hubad at LOIS.(2) Pagsusuri ng adhesion ng mga protina na nauugnay sa immune, albumin at calcium na kasangkot sa proseso ng pagpapagaling ng buto (* P <0.05, ** P <0.01, *** P <0.001 at **** P <0.0001).ns, hindi mahalaga.
Sa kaso ng mga hindi maiiwasang puro stress, ang mekanikal na tibay ay palaging ang pangunahing hamon para sa paggamit ng mga antifouling coatings.Ang mga tradisyunal na pamamaraan ng anti-sewage gel ay batay sa mga polimer na may mababang solubility sa tubig at hina.Samakatuwid, kadalasan sila ay madaling kapitan sa mekanikal na stress sa mga biomedical na aplikasyon.Samakatuwid, ang mekanikal na matibay na antifouling coatings ay nananatiling isang hamon para sa mga aplikasyon tulad ng orthopedic implants (43, 44).Ipinapakita ng Figure 4A(1) ang dalawang pangunahing uri ng stress na inilapat sa orthopedic implants, kabilang ang scratching (shear stress) at compression gamit ang optical image ng nasirang implant na ginawa ng forceps.Halimbawa, kapag ang tornilyo ay hinigpitan ng screwdriver, o kapag mahigpit na hinawakan ng surgeon ang bone plate gamit ang sipit at naglapat ng compressive force, ang plastic bone plate ay masisira at makakamot sa parehong macro at micro/nano scales (Figure 4A, 2) .Upang masubukan kung ang manufactured LOIS ay makatiis sa mga pinsalang ito sa panahon ng plastic surgery, ang nanoindentation ay isinagawa upang ihambing ang katigasan ng hubad na substrate at ang LOIS sa micro/nano scale upang pag-aralan ang mga mekanikal na katangian ng micro/nano structure Impact (Figure). 4B).Ang schematic diagram ay nagpapakita ng iba't ibang pag-uugali ng pagpapapangit ng LOIS dahil sa pagkakaroon ng mga micro/nano na istruktura.Ang isang force-displacement curve ay iginuhit batay sa mga resulta ng nanoindentation (Larawan 4C).Ang asul na imahe ay kumakatawan sa hubad na substrate, na nagpapakita lamang ng bahagyang pagpapapangit, tulad ng nakikita ng maximum na lalim ng indentation na 0.26-μm.Sa kabilang banda, ang unti-unting pagtaas ng puwersa ng nanoindentation at pag-aalis na naobserbahan sa LOIS (pulang kurba) ay maaaring magpakita ng mga palatandaan ng nabawasan na mga mekanikal na katangian, na nagreresulta sa lalim ng nanoindentation na 1.61μm.Ito ay dahil ang micro/nano structure na nasa LOIS ay nagbibigay ng mas malalim na advancement space para sa dulo ng nanoindenter, kaya ang deformation nito ay mas malaki kaysa sa hubad na substrate.Konsta-Gdoutos et al.(45) ay naniniwala na dahil sa pagkakaroon ng mga nanostructure, nanoindentation at micro/nano roughness ay humahantong sa hindi regular na nanoindentation curves.Ang shaded area ay tumutugma sa irregular deformation curve na maiugnay sa nanostructure, habang ang non-shaded area ay naiugnay sa microstructure.Ang deformation na ito ay maaaring makapinsala sa microstructure/nanostructure ng holding lubricant at negatibong makaapekto sa anti-fouling performance nito.Upang mapag-aralan ang epekto ng pinsala sa LOIS, ang hindi maiiwasang pinsala sa mga istrukturang micro/nano ay ginagaya sa katawan sa panahon ng plastic surgery.Sa pamamagitan ng paggamit ng mga pagsusuri sa pagdirikit ng dugo at protina, matutukoy ang katatagan ng mga anti-biofouling na katangian ng LOIS pagkatapos ng in vitro (Larawan 4D).Ang isang serye ng mga optical na imahe ay nagpapakita ng pinsala na naganap malapit sa mga butas ng bawat substrate.Ang isang pagsubok sa pagdirikit ng dugo ay isinagawa upang ipakita ang epekto ng mekanikal na pinsala sa anti-biofouling coating (Larawan 4E).Tulad ng SHP, ang mga anti-fouling properties ay nawala dahil sa pinsala, at ang LOIS ay nagpapakita ng mahusay na anti-fouling properties sa pamamagitan ng pagtataboy ng dugo.Ito ay dahil, dahil ang enerhiya sa ibabaw ay hinihimok ng pagkilos ng maliliit na ugat na sumasaklaw sa nasirang lugar, ang daloy sa microstructured lubricant lubricant ay nagpapanumbalik ng mga anti-fouling properties (35).Ang parehong kalakaran ay naobserbahan sa pagsubok ng pagdirikit ng protina gamit ang albumin.Sa nasirang lugar, ang pagdirikit ng protina sa ibabaw ng SHP ay malawak na sinusunod, at sa pamamagitan ng pagsukat sa saklaw ng lugar nito, maaari itong mabilang bilang kalahati ng antas ng pagdirikit ng hubad na substrate.Sa kabilang banda, pinanatili ng LOIS ang mga anti-biofouling na katangian nito nang hindi nagiging sanhi ng pagdirikit (Larawan 4, F at G).Bilang karagdagan, ang ibabaw ng tornilyo ay madalas na napapailalim sa malakas na mekanikal na stress, tulad ng pagbabarena, kaya pinag-aralan namin ang kakayahan ng LOIS coating na manatiling buo sa turnilyo sa vitro.Ipinapakita ng Figure 4H ang mga optical na imahe ng iba't ibang mga turnilyo, kabilang ang hubad, SHP at LOIS.Ang pulang parihaba ay kumakatawan sa target na lugar kung saan nangyayari ang malakas na mekanikal na stress sa panahon ng pagtatanim ng buto.Katulad ng pagsubok sa pagdirikit ng protina ng plato, ang isang fluorescence microscope ay ginagamit upang ilarawan ang pagdirikit ng protina at sukatin ang lugar ng saklaw upang patunayan ang integridad ng LOIS coating, kahit na sa ilalim ng malakas na mekanikal na stress (Larawan 4, I at J).Ang LOIS-treated screws ay nagpapakita ng mahusay na anti-fouling performance, at halos walang protina na nakadikit sa ibabaw.Sa kabilang banda, ang pagdirikit ng protina ay naobserbahan sa mga hubad na tornilyo at SHP na mga tornilyo, kung saan ang saklaw ng lugar ng mga SHP na tornilyo ay isang katlo ng mga hubad na tornilyo.Bilang karagdagan, ang orthopedic implant na ginagamit para sa pag-aayos ay dapat na mekanikal na malakas upang mapaglabanan ang stress na inilapat sa lugar ng bali, tulad ng ipinapakita sa Figure 4K.Samakatuwid, ang isang pagsubok sa baluktot ay isinagawa upang matukoy ang epekto ng pagbabago ng kemikal sa mga mekanikal na katangian.Bilang karagdagan, ito ay ginagawa upang mapanatili ang nakapirming stress mula sa implant.Ilapat ang vertical mechanical force hanggang ang implant ay ganap na nakatiklop at isang stress-strain curve ay nakuha (Figure 4L, 1).Dalawang katangian kabilang ang modulus at flexural strength ni Young ay inihambing sa pagitan ng hubad at LOIS na mga substrate bilang mga tagapagpahiwatig ng kanilang mekanikal na lakas (Larawan 4L, 2 at 3).Ang modulus ni Young ay nagpapahiwatig ng kakayahan ng isang materyal na makatiis sa mga pagbabago sa makina.Ang modulus ng Young ng bawat substrate ay 41.48±1.01 at 40.06±0.96 GPa, ayon sa pagkakabanggit;ang naobserbahang pagkakaiba ay humigit-kumulang 3.4%.Bilang karagdagan, iniulat na ang lakas ng baluktot, na tumutukoy sa katigasan ng materyal, ay 102.34±1.51 GPa para sa hubad na substrate at 96.99±0.86 GPa para sa SHP.Ang hubad na substrate ay humigit-kumulang 5.3% na mas mataas.Ang bahagyang pagbaba sa mga mekanikal na katangian ay maaaring sanhi ng epekto ng bingaw.Sa notch effect, ang micro/nano roughness ay maaaring kumilos bilang isang set ng notches, na humahantong sa lokal na konsentrasyon ng stress at nakakaapekto sa mekanikal na katangian ng implant (46).Gayunpaman, batay sa katotohanan na ang paninigas ng cortical bone ng tao ay iniulat na nasa pagitan ng 7.4 at 31.6 GPa, at ang sinusukat na LOIS modulus ay lumampas sa cortical bone ng tao (47), ang LOIS ay sapat na upang suportahan ang bali at ang kabuuang. Ang mga mekanikal na katangian ay minimal na apektado ng pagbabago sa ibabaw.
(A) Schematic diagram ng (1) ang mekanikal na stress na inilapat sa orthopedic implant sa panahon ng operasyon, at (2) ang optical na imahe ng nasirang orthopedic implant.(B) Schematic diagram ng pagsukat ng nano-mechanical properties sa pamamagitan ng nanoindentation at LOIS sa hubad na ibabaw.(C) Nanoindentation force-displacement curve ng hubad na ibabaw at LOIS.(D) Pagkatapos ng mga eksperimento sa vitro, gayahin ang mga optical na larawan ng iba't ibang uri ng mga orthopedic plate (ang nasirang lugar ay naka-highlight ng pulang parihaba) upang gayahin ang mekanikal na stress na dulot ng operasyon.(E) Pagsusuri ng pagdirikit ng dugo at (F) pagsusuri ng pagdirikit ng protina ng nasirang pangkat ng orthopedic plate.(G) Sukatin ang saklaw ng lugar ng protina na nakadikit sa plato.(H) Mga optical na larawan ng iba't ibang uri ng orthopedic screws pagkatapos ng in vitro experiment.(I) Protein adhesion test upang pag-aralan ang integridad ng iba't ibang coatings.(J) Sukatin ang saklaw ng lugar ng protina na nakadikit sa tornilyo.(K) Ang paggalaw ng kuneho ay inilaan upang makabuo ng isang nakapirming stress sa bali na buto.(L) (1) Ibaluktot ang mga resulta ng pagsubok at mga optical na imahe bago at pagkatapos yumuko.Ang pagkakaiba sa (2) Young's modulus at (3) baluktot na lakas sa pagitan ng hubad na implant at SHP.Ang data ay ipinahayag bilang mean ± SD (*P<0.05, **P<0.01, ***P<0.001 at ****P<0.0001).Imahe ng kagandahang-loob: Kyomin Chae, Yonsei University.
Sa mga klinikal na sitwasyon, karamihan sa bacterial contact sa mga biological na materyales at mga lugar ng sugat ay nagmumula sa mga mature, mature na biofilms (48).Samakatuwid, tinatantya ng US Centers for Disease Control and Prevention na 65% ng lahat ng impeksyon ng tao ay nauugnay sa mga biofilm (49).Sa kasong ito, kinakailangan na magbigay ng isang in vivo na pang-eksperimentong disenyo na nagbibigay ng pare-parehong pagbuo ng biofilm sa ibabaw ng implant.Samakatuwid, bumuo kami ng isang modelo ng rabbit femoral fracture kung saan ang mga orthopedic implant ay na-pre-incubated sa isang bacterial suspension at pagkatapos ay itinanim sa rabbit femurs upang pag-aralan ang mga anti-fouling properties ng LOIS sa vivo.Dahil sa sumusunod na tatlong mahahalagang katotohanan, ang mga bacterial infection ay naudyok ng pre-culture kaysa sa direktang pag-iniksyon ng bacterial suspensions: (i) Ang immune system ng mga kuneho ay natural na mas malakas kaysa sa mga tao;samakatuwid, ang pag-iniksyon ng mga bacterial suspension at planktonic bacteria ay posible Wala itong epekto sa pagbuo ng biofilms.(Ii) Ang mga planktonic bacteria ay mas madaling kapitan sa mga antibiotic, at ang mga antibiotic ay kadalasang ginagamit pagkatapos ng operasyon;panghuli, (iii) ang suspensyon ng planktonic bacteria ay maaaring matunaw ng mga likido sa katawan ng hayop (50).Sa pamamagitan ng pre-culturing ang implant sa isang bacterial suspension bago ang implantation, maaari nating masusing pag-aralan ang mga mapaminsalang epekto ng bacterial infection at foreign body reaction (FBR) sa proseso ng pagpapagaling ng buto.Ang mga kuneho ay isinakripisyo 4 na linggo pagkatapos ng pagtatanim, dahil ang osseointegration na mahalaga para sa proseso ng pagpapagaling ng buto ay makukumpleto sa loob ng 4 na linggo.Pagkatapos, ang mga implant ay tinanggal mula sa mga kuneho para sa mga pag-aaral sa ibaba ng agos.Ipinapakita ng Figure 5A ang mekanismo ng paglaganap ng bakterya.Ang nahawaang orthopedic implant ay ipinapasok sa katawan.Bilang resulta ng pre-incubation sa bacterial suspension, anim sa anim na kuneho na itinanim na may hubad na implant ay nahawahan, habang wala sa mga kuneho na itinanim na may LOIS-treated implants ang nahawahan.Ang mga impeksiyong bacterial ay nagpapatuloy sa tatlong hakbang, kabilang ang paglaki, pagkahinog at pagpapakalat (51).Una, ang mga nakakabit na bakterya ay nagpaparami at lumalaki sa ibabaw, at pagkatapos ay ang bakterya ay bumubuo ng isang biofilm kapag sila ay naglalabas ng extracellular polymer (EPS), amyloid at extracellular DNA.Ang biofilm ay hindi lamang nakakasagabal sa pagtagos ng mga antibiotics, ngunit nagtataguyod din ng akumulasyon ng mga antibiotic-degrading enzymes (tulad ng β-lactamase) (52).Sa wakas, ikinakalat ng biofilm ang mature na bakterya sa mga nakapaligid na tisyu.Samakatuwid, nangyayari ang impeksyon.Bilang karagdagan, kapag ang isang banyagang katawan ay pumasok sa katawan, ang isang impeksiyon na maaaring magdulot ng malakas na tugon ng immune ay maaaring magdulot ng matinding pamamaga, pananakit, at pagbaba ng kaligtasan sa sakit.Ang Figure 5B ay nagbibigay ng pangkalahatang-ideya ng FBR na dulot ng pagpasok ng isang orthopedic implant, sa halip na ang immune response na dulot ng bacterial infection.Kinikilala ng immune system ang ipinasok na implant bilang isang dayuhang katawan, at pagkatapos ay nagiging sanhi ng reaksyon ng mga selula at tisyu upang i-encapsulate ang dayuhang katawan (53).Sa mga unang araw ng FBR, nabuo ang isang supply matrix sa ibabaw ng orthopedic implants, na nagresulta sa adsorption ng fibrinogen.Ang adsorbed fibrinogen pagkatapos ay bumubuo ng isang mataas na siksik na network ng fibrin, na nagtataguyod ng pagkakabit ng mga leukocytes (54).Sa sandaling nabuo ang network ng fibrin, ang matinding pamamaga ay magaganap dahil sa pagpasok ng mga neutrophil.Sa hakbang na ito, ang iba't ibang mga cytokine tulad ng tumor necrosis factor-α (TNF-α), interleukin-4 (IL-4) at IL-β ay inilabas, at ang mga monocyte ay nagsisimulang mag-infiltrate sa implantation site at magkakaiba sa mga higanteng selula.Phage (41, 55, 56).Ang pagbabawas ng FBR ay palaging isang hamon dahil ang labis na FBR ay maaaring magdulot ng talamak at talamak na pamamaga, na maaaring humantong sa nakamamatay na mga komplikasyon.Upang masuri ang epekto ng mga impeksyon sa bakterya sa mga tisyu na nakapalibot sa hubad na implant at LOIS, ginamit ang hematoxylin at eosin (H&E) at Masson trichrome (MT) na paglamlam.Para sa mga kuneho na itinanim na may mga hubad na substrate, ang mga malubhang impeksyong bacterial ay umuunlad, at ang mga slide ng H&E tissue ay malinaw na nagpakita ng mga abscess at nekrosis na dulot ng pamamaga.Sa kabilang banda, pinipigilan ng napakalakas na anti-biofouling surface na LOIS ang bacterial adhesion, kaya hindi ito nagpapakita ng mga senyales ng impeksyon at binabawasan ang pamamaga (Figure 5C).Ang mga resulta ng MT staining ay nagpakita ng parehong trend.Gayunpaman, ang paglamlam ng MT ay nagpakita din ng edema sa mga kuneho na itinanim sa LOIS, na nagpapahiwatig na malapit nang mangyari ang pagbawi (Larawan 5D).Upang pag-aralan ang antas ng immune response, ang immunohistochemical (IHC) staining ay isinagawa gamit ang mga cytokine na TNF-α at IL-6 na nauugnay sa immune response.Ang isang hubad na negatibong implant na hindi nalantad sa bakterya ay inihambing sa isang LOIS na nalantad sa bakterya ngunit hindi nahawahan upang pag-aralan ang proseso ng pagpapagaling sa kawalan ng impeksyon sa bakterya.Ang Figure 5E ay nagpapakita ng isang optical na imahe ng isang IHC slide na nagpapahayag ng TNF-α.Ang brown na lugar ay kumakatawan sa immune response, na nagpapahiwatig na ang immune response sa LOIS ay bahagyang nabawasan.Bilang karagdagan, ang pagpapahayag ng IL-6 sa LOIS ay makabuluhang mas mababa kaysa sa negatibong pagpapahayag ng sterile hubad (Larawan 5F).Ang expression ng cytokine ay binibilang sa pamamagitan ng pagsukat sa lugar ng antibody staining na naaayon sa cytokine (Larawan 5G).Kung ikukumpara sa mga kuneho na nakalantad sa mga negatibong implant, ang mga antas ng ekspresyon ng mga kuneho na itinanim sa LOIS ay mas mababa, na nagpapakita ng isang makabuluhang pagkakaiba.Ang pagbaba sa expression ng cytokine ay nagpapahiwatig na ang pangmatagalang, matatag na anti-fouling na katangian ng LOIS ay hindi lamang nauugnay sa pagsugpo ng mga impeksyon sa bacterial, kundi pati na rin sa pagbaba ng FBR, na sapilitan ng mga macrophage na sumusunod sa substrate (53, 57 , 58).Samakatuwid, ang pinababang immune response dahil sa immune evasion properties ng LOIS ay maaaring malutas ang mga side effect pagkatapos ng implantation, tulad ng sobrang immune response pagkatapos ng plastic surgery.
(A) Isang eskematiko na diagram ng mekanismo ng pagbuo ng biofilm at pagkalat sa ibabaw ng isang nahawaang orthopedic implant.eDNA, extracellular DNA.(B) Schematic diagram ng immune response pagkatapos ng orthopedic implant insertion.(C) H&E staining at (D) MT staining ng mga nakapaligid na tissue ng orthopedic implants na may bare positive at LOIS.Ang IHC ng mga cytokine na nauugnay sa immune (E) TNF-α at (F) IL-6 ay mga stained na larawan ng mga hubad-negatibo at LOIS-implanted na rabbits.(G) Ang dami ng pagpapahayag ng cytokine sa pamamagitan ng pagsukat ng saklaw ng lugar (** P <0.01).
Ang biocompatibility ng LOIS at ang epekto nito sa proseso ng pagpapagaling ng buto ay napagmasdan sa vivo gamit ang diagnostic imaging [x-ray at micro-computed tomography (CT)] at osteoclast IHC.Ipinapakita ng Figure 6A ang proseso ng pagpapagaling ng buto na kinasasangkutan ng tatlong magkakaibang yugto: pamamaga, pagkukumpuni, at pag-remodel.Kapag naganap ang bali, ang mga nagpapaalab na selula at fibroblast ay tatagos sa baling buto at magsisimulang tumubo sa vascular tissue.Sa yugto ng pag-aayos, kumakalat ang ingrowth ng vascular tissue malapit sa lugar ng bali.Ang vascular tissue ay nagbibigay ng mga sustansya para sa pagbuo ng bagong buto, na tinatawag na callus.Ang huling yugto ng proseso ng pagpapagaling ng buto ay ang yugto ng remodeling, kung saan ang laki ng kalyo ay nabawasan sa laki ng normal na buto sa tulong ng pagtaas sa antas ng mga aktibong osteoclast (59).Ang three-dimensional (3D) na muling pagtatayo ng fracture site ay isinagawa gamit ang micro-CT scan upang obserbahan ang mga pagkakaiba sa antas ng pagbuo ng callus sa bawat grupo.Pagmasdan ang cross-section ng femur upang obserbahan ang kapal ng callus na nakapalibot sa bali na buto (Larawan 6, B at C).Ang mga X-ray ay ginamit din upang suriin ang mga site ng bali ng lahat ng mga grupo bawat linggo upang obserbahan ang iba't ibang mga proseso ng pagbabagong-buhay ng buto sa bawat pangkat (Larawan S9).Ang kalyo at mga mature na buto ay ipinapakita sa asul/berde at garing, ayon sa pagkakabanggit.Karamihan sa mga malambot na tisyu ay sinasala gamit ang isang preset na threshold.Kinumpirma ng Nude positive at SHP ang pagbuo ng kaunting callus sa paligid ng fracture site.Sa kabilang banda, ang nakalantad na negatibo ng LOIS at ang fracture site ay napapalibutan ng makapal na kalyo.Ipinakita ng mga larawang micro-CT na ang pagbuo ng callus ay nahahadlangan ng impeksyon sa bacterial at pamamaga na nauugnay sa impeksyon.Ito ay dahil inuuna ng immune system ang pagpapagaling ng mga septic na pinsala na dulot ng pamamaga na nauugnay sa impeksiyon, kaysa sa pagbawi ng buto (60).IHC at Tartrate-resistant Acid Phosphatase (TRAP) staining ay isinagawa upang obserbahan ang aktibidad ng osteoclast at bone resorption (Larawan 6D) (61).Iilan lamang sa mga activated osteoclast na nabahiran ng purple ang natagpuan sa mga hubad na positibo at SHP.Sa kabilang banda, maraming mga aktibong osteoclast ang naobserbahan malapit sa hubad na positibo at mature na buto ng LOIS.Ang hindi pangkaraniwang bagay na ito ay nagpapahiwatig na sa pagkakaroon ng mga osteoclast, ang callus sa paligid ng fracture site ay sumasailalim sa isang marahas na proseso ng remodeling (62).Ang dami ng buto at lugar ng pagpapahayag ng osteoclast ng callus ay sinusukat upang ihambing ang antas ng pagbuo ng callus sa paligid ng fracture site sa lahat ng mga grupo, upang mabilang ang micro-CT scan at mga resulta ng IHC (Larawan 6E, 1 at 2).Tulad ng inaasahan, ang mga hubad na negatibo at pagbuo ng callus sa LOIS ay makabuluhang mas mataas kaysa sa iba pang mga grupo, na nagpapahiwatig na ang positibong pagbabago ng buto ay naganap (63).Ipinapakita ng Figure S10 ang optical image ng surgical site, ang MT staining result ng tissue na nakolekta malapit sa screw, at ang TRAP staining result na nagha-highlight sa screw-bone interface.Sa hubad na substrate, ang malakas na callus at fibrosis formation ay naobserbahan, habang ang LOIS-treated implant ay nagpakita ng medyo hindi nakadikit na ibabaw.Katulad nito, kumpara sa mga hubad na negatibo, ang mas mababang fibrosis ay naobserbahan sa mga kuneho na itinanim sa LOIS, tulad ng ipinahiwatig ng mga puting arrow.Bilang karagdagan, ang matatag na edema (asul na arrow) ay maaaring maiugnay sa mga katangian ng immune evasion ng LOIS, sa gayon ay binabawasan ang matinding pamamaga.Ang non-stick surface sa paligid ng implant at pinababang fibrosis ay nagpapahiwatig na ang proseso ng pagtanggal ay mas madali, na kadalasang nagreresulta sa iba pang mga bali o pamamaga.Ang proseso ng pagpapagaling ng buto pagkatapos ng pagtanggal ng tornilyo ay nasuri ng aktibidad ng osteoclast sa interface ng screw-bone.Parehong ang hubad na buto at ang interface ng implant ng LOIS ay sumisipsip ng magkatulad na antas ng mga osteoclast para sa karagdagang pagpapagaling ng buto, na nagpapahiwatig na ang LOIS coating ay walang negatibong epekto sa pagpapagaling ng buto o immune response.Upang makumpirma na ang pagbabago sa ibabaw na isinagawa sa LOIS ay hindi nakakasagabal sa proseso ng pagpapagaling ng buto, ginamit ang pagsusuri sa X-ray upang ihambing ang pagpapagaling ng buto ng mga kuneho na may nakalantad na mga negatibong ion at 6 na linggo ng pagtatanim ng LOIS (Larawan 6F).Ang mga resulta ay nagpakita na kumpara sa hindi nahawaang hubo't hubad na positibong grupo, ang LOIS ay nagpakita ng parehong antas ng pagpapagaling ng buto, at walang mga halatang palatandaan ng bali (tuloy-tuloy na linya ng osteolysis) sa parehong mga grupo.
(A) Schematic diagram ng proseso ng pagpapagaling ng buto pagkatapos ng bali.(B) Ang pagkakaiba sa antas ng pagbuo ng callus ng bawat pangkat sa ibabaw at (C) ang cross-sectional na imahe ng lugar ng bali.(D) Paglamlam ng TRAP upang mailarawan ang aktibidad ng osteoclast at resorption ng buto.Batay sa aktibidad ng TRAP, ang pagbuo ng panlabas na callus ng cortical bone ay sinuri ng dami ng (E) (1) micro-CT at (2) aktibidad ng osteoclast.(F) 6 na linggo pagkatapos ng pagtatanim, X-ray na mga imahe ng bali na buto ng nakalantad na negatibo (na-highlight ng pulang dashed rectangle) at LOIS (na-highlight ng asul na dashed rectangle).Ang pagtatasa ng istatistika ay isinagawa sa pamamagitan ng one-way analysis of variance (ANOVA).* P <0.05.** P <0.01.
Sa madaling salita, ang LOIS ay nagbibigay ng bagong uri ng antibacterial infection na diskarte at immune escape coating para sa orthopedic implants.Ang mga conventional orthopedic implants na may functionalization ng SHP ay nagpapakita ng panandaliang mga katangian ng anti-biofouling, ngunit hindi mapanatili ang kanilang mga katangian sa loob ng mahabang panahon.Ang superhydrophobicity ng substrate ay nakakakuha ng mga bula ng hangin sa pagitan ng bakterya at substrate, sa gayon ay bumubuo ng mga air pocket, at sa gayon ay pinipigilan ang impeksyon sa bakterya.Gayunpaman, dahil sa pagsasabog ng hangin, ang mga air pocket na ito ay madaling maalis.Sa kabilang banda, napatunayan nang mabuti ng LOIS ang kakayahan nitong maiwasan ang mga impeksyong nauugnay sa biofilm.Samakatuwid, dahil sa mga katangian ng anti-rejection ng lubricant layer na na-injected sa layered micro/nano structure surface, maiiwasan ang pamamaga na nauugnay sa impeksyon.Ang iba't ibang paraan ng pag-characterization kabilang ang mga pagsukat ng SEM, AFM, XPS at CA ay ginagamit upang i-optimize ang mga kondisyon ng pagmamanupaktura ng LOIS.Bilang karagdagan, ang LOIS ay maaari ding ilapat sa iba't ibang biological na materyales na karaniwang ginagamit sa orthopedic fixation equipment, tulad ng PLGA, Ti, PE, POM at PPSU.Pagkatapos, sinubukan ang LOIS sa vitro upang patunayan ang mga katangian nitong anti-biofouling laban sa bakterya at mga biological na sangkap na nauugnay sa immune response.Ang mga resulta ay nagpapakita na ito ay may mahusay na antibacterial at anti-biofouling effect kumpara sa hubad na implant.Bilang karagdagan, ang LOIS ay nagpapakita ng mekanikal na lakas kahit na pagkatapos mag-apply ng mekanikal na stress, na hindi maiiwasan sa plastic surgery.Dahil sa self-healing properties ng lubricant sa ibabaw ng micro/nano structure, matagumpay na napanatili ng LOIS ang anti-biological fouling properties nito.Upang pag-aralan ang biocompatibility at antibacterial na katangian ng LOIS sa vivo, ang LOIS ay itinanim sa femur ng kuneho sa loob ng 4 na linggo.Walang impeksyong bacterial ang naobserbahan sa mga kuneho na itinanim ng LOIS.Bilang karagdagan, ang paggamit ng IHC ay nagpakita ng isang pinababang antas ng lokal na tugon ng immune, na nagpapahiwatig na ang LOIS ay hindi humahadlang sa proseso ng pagpapagaling ng buto.Ang LOIS ay nagpapakita ng mahusay na mga katangian ng antibacterial at immune evasion, at napatunayang epektibong maiwasan ang pagbuo ng biofilm bago at sa panahon ng orthopedic surgery, lalo na para sa bone synthesis.Sa pamamagitan ng paggamit ng rabbit bone marrow inflammatory femoral fracture model, ang epekto ng mga impeksyong nauugnay sa biofilm sa proseso ng pagpapagaling ng buto na dulot ng mga pre-incubated implants ay malalim na pinag-aralan.Bilang isang pag-aaral sa hinaharap, kinakailangan ang isang bagong modelo ng in vivo upang pag-aralan ang mga posibleng impeksyon pagkatapos ng pagtatanim upang lubos na maunawaan at maiwasan ang mga impeksyong nauugnay sa biofilm sa buong proseso ng pagpapagaling.Bilang karagdagan, ang osteoinduction ay hindi pa rin nalutas na hamon sa pagsasama sa LOIS.Ang karagdagang pananaliksik ay kinakailangan upang pagsamahin ang pumipili na pagdirikit ng mga osteoinductive cells o regenerative na gamot sa LOIS upang mapagtagumpayan ang hamon.Sa pangkalahatan, ang LOIS ay kumakatawan sa isang promising orthopedic implant coating na may mechanical robustness at mahusay na anti-biofouling properties, na maaaring mabawasan ang SSI at immune side effects.
Hugasan ang 15mm x 15mm x 1mm 304 SS substrate (Dong Kang M-Tech Co., Korea) sa acetone, EtOH at DI na tubig sa loob ng 15 minuto upang maalis ang mga contaminant.Upang makabuo ng micro/nano-level na istraktura sa ibabaw, ang nilinis na substrate ay nilulubog sa isang 48% hanggang 51% na HF solution (DUKSAN Corp., South Korea) sa 50°C.Ang oras ng pag-ukit ay nag-iiba mula 0 hanggang 60 minuto.Pagkatapos, ang nakaukit na substrate ay nilinis ng deionized na tubig at inilagay sa isang 65% HNO3 (Korea DUKSAN Corp.) na solusyon sa 50°C sa loob ng 30 minuto upang bumuo ng chromium oxide passivation layer sa ibabaw.Pagkatapos ng passivation, ang substrate ay hugasan ng deionized na tubig at tuyo upang makakuha ng isang substrate na may layered na istraktura.Susunod, ang substrate ay nalantad sa oxygen plasma (100 W, 3 minuto), at agad na inilubog sa isang solusyon ng 8.88 mM POTS (Sigma-Aldrich, Germany) sa toluene sa temperatura ng silid sa loob ng 12 oras.Pagkatapos, ang substrate na pinahiran ng POTS ay nalinis ng EtOH, at na-annealed sa 150 ° C sa loob ng 2 oras upang makakuha ng isang siksik na POTS SAM.Pagkatapos ng SAM coating, nabuo ang isang lubricant layer sa substrate sa pamamagitan ng paglalagay ng perfluoropolyether lubricant (Krytox 101; DuPont, USA) na may loading volume na 20 μm/cm 2. Bago gamitin, i-filter ang lubricant sa pamamagitan ng 0.2 micron filter.Alisin ang labis na pampadulas sa pamamagitan ng pagtabingi sa 45° anggulo sa loob ng 15 minuto.Ang parehong pamamaraan ng pagmamanupaktura ay ginamit para sa orthopedic implants na gawa sa 304 SS (locking plate at cortical locking screw; Dong Kang M-Tech Co., Korea).Ang lahat ng orthopedic implants ay idinisenyo upang magkasya sa geometry ng femur ng kuneho.
Ang morpolohiya sa ibabaw ng substrate at orthopedic implants ay siniyasat ng field emission SEM (Inspect F50, FEI, USA) at AFM (XE-100, Park Systems, South Korea).Ang pagkamagaspang sa ibabaw (Ra, Rq) ay sinusukat sa pamamagitan ng pagpaparami ng lugar na 20 μm sa 20 μm (n=4).Isang sistema ng XPS (PHI 5000 VersaProbe, ULVAC PHI, Japan) na nilagyan ng Al Kα X-ray source na may sukat na spot na 100μm2 ang ginamit upang pag-aralan ang komposisyon ng kemikal sa ibabaw.Ginamit ang isang sistema ng pagsukat ng CA na may dynamic na image capture camera (SmartDrop, FEMTOBIOMED, ​​​​South Korea) upang sukatin ang likidong CA at SA.Para sa bawat pagsukat, 6 hanggang 10 μl ng droplets (deionized water, horse blood, EG, 30% ethanol, at HD) ang inilalagay sa ibabaw upang sukatin ang CA.Kapag tumaas ang anggulo ng pagkahilig ng substrate sa bilis na 2°/s (n = 4), sinusukat ang SA kapag bumagsak ang droplet.
Ang Pseudomonas aeruginosa [American Type Culture Collection (ATCC) 27853] at MRSA (ATCC 25923) ay binili mula sa ATCC (Manassas, Virginia, USA), at ang stock culture ay napanatili sa -80°C .Bago gamitin, ang frozen na kultura ay natupok sa trypsin-thawed soybean broth (Komed, Korea) sa 37°C sa loob ng 18 oras at pagkatapos ay inilipat ng dalawang beses upang maisaaktibo ito.Pagkatapos ng pagpapapisa ng itlog, ang kultura ay na-centrifuge sa 10,000 rpm sa loob ng 10 minuto sa 4 ° C at hugasan nang dalawang beses gamit ang isang PBS (pH 7.3) na solusyon.Ang sentripuged kultura ay pagkatapos ay subcultured sa dugo agar plates (BAP).Ang MRSA at Pseudomonas aeruginosa ay inihanda nang magdamag at nilinang sa sabaw ng Luria-Bertani.Ang konsentrasyon ng Pseudomonas aeruginosa at MRSA sa inoculum ay quantitatively na tinutukoy ng CFU ng suspensyon sa mga serial dilution sa agar.Pagkatapos, ayusin ang bacterial concentration sa 0.5 McFarland standard, na katumbas ng 108 CFU/ml.Pagkatapos ay palabnawin ang gumaganang bacterial suspension ng 100 beses sa 106 CFU/ml.Upang subukan ang mga katangian ng antibacterial adhesion, ang substrate ay isterilisado sa 121°C sa loob ng 15 minuto bago gamitin.Ang substrate ay pagkatapos ay inilipat sa 25 ML ng bacterial suspension at incubated sa 37 ° C na may malakas na pag-alog (200 rpm) para sa 12 at 72 na oras.Pagkatapos ng pagpapapisa ng itlog, ang bawat substrate ay tinanggal mula sa incubator at hugasan ng 3 beses gamit ang PBS upang alisin ang anumang lumulutang na bakterya sa ibabaw.Upang maobserbahan ang biofilm sa substrate, ang biofilm ay naayos na may methanol at namantsahan ng 1 ml ng crimidine orange sa loob ng 2 minuto.Pagkatapos ay isang fluorescence microscope (BX51TR, Olympus, Japan) ang ginamit upang kumuha ng mga larawan ng stained biofilm.Upang mabilang ang biofilm sa substrate, ang mga nakakabit na cell ay pinaghiwalay mula sa substrate sa pamamagitan ng bead vortex method, na kung saan ay itinuturing na pinaka-angkop na paraan upang alisin ang nakakabit na bakterya (n = 4).Gamit ang sterile forceps, alisin ang substrate mula sa growth medium at i-tap ang well plate upang alisin ang labis na likido.Ang maluwag na nakakabit na mga cell ay tinanggal sa pamamagitan ng paghuhugas ng dalawang beses gamit ang sterile PBS.Ang bawat substrate ay pagkatapos ay inilipat sa isang sterile test tube na naglalaman ng 9 ml ng 0.1% protein ept saline (PSW) at 2 g ng 20 hanggang 25 sterile glass beads (0.4 hanggang 0.5 mm ang lapad).Pagkatapos ay i-vortex ito ng 3 minuto upang matanggal ang mga cell mula sa sample.Pagkatapos ng vortexing, ang suspensyon ay serially diluted 10-fold na may 0.1% PSW, at pagkatapos ay 0.1 ml ng bawat dilution ay inoculated sa BAP.Pagkatapos ng 24 na oras ng pagpapapisa ng itlog sa 37°C, manu-manong binilang ang CFU.
Para sa mga cell, ginamit ang mouse fibroblasts NIH/3T3 (CRL-1658; American ATCC) at mouse macrophage RAW 264.7 (TIB-71; American ATCC).Gumamit ng binagong Eagle medium ng Dulbecco (DMEM; LM001-05, Welgene, Korea) sa kultura ng mouse fibroblasts at suplemento ng 10% calf serum (S103-01, Welgene) at 1% penicillin-streptomycin (PS ; LS202-02, Welgene (Welgene ). Ang mga cell ay incubated magdamag sa 37 ° C at 5% CO2 Para sa cell staining, ang mga cell ay naayos na may 4% paraformaldehyde sa loob ng 20 minuto at inilagay sa 0.5% Triton X Incubate para sa 5 minuto sa -100 sa 37°C sa loob ng 30 minuto Pagkatapos ng proseso ng incubation, gamitin ang substrate na may 4′,6-diamino-2-phenylindole (H -1200, Vector Laboratories, UK) VECTASHIELD fixation medium (n = 4 bawat cell). , fluorescein, fluorescein isothiocyanate-albumin (A9771, Sigma-Aldrich, Germany) at plasma ng tao Ang Alexa Fluor 488-conjugated fibrinogen (F13191, Invitrogen, USA) ay natunaw sa PBS (10 mM, pH 7.4).Ang mga konsentrasyon ng albumin at fibrinogen ay 1 at 150 μg / ml, ayon sa pagkakabanggit.Pagkatapos ng substrate Bago isawsaw sa solusyon ng protina, banlawan ang mga ito ng PBS upang ma-rehydrate ang ibabaw.Pagkatapos ay isawsaw ang lahat ng substrate sa isang anim na balon na plato na naglalaman ng solusyon sa protina at i-incubate sa 37°C sa loob ng 30 at 90 minuto.Pagkatapos ng pagpapapisa ng itlog, Ang substrate ay tinanggal mula sa solusyon ng protina, malumanay na hugasan ng PBS 3 beses, at naayos na may 4% paraformaldehyde (n = 4 para sa bawat protina).Para sa calcium, sodium chloride (0.21 M) at potassium phosphate (3.77 mM) ) Natunaw sa deionized na tubig.Ang pH ng solusyon ay nababagay sa 2.0 sa pamamagitan ng pagdaragdag ng hydrochloride solution (1M).Pagkatapos ang calcium chloride (5.62 mM) ay natunaw sa solusyon.Sa pamamagitan ng pagdaragdag ng 1M tris(hydroxymethyl)-amino, inaayos ng Methane ang pH ng solusyon sa 7.4.Ilubog ang lahat ng substrate sa isang six-well plate na puno ng 1.5x calcium phosphate solution at alisin mula sa solusyon pagkatapos ng 30 minuto.Para sa paglamlam, 2 g Alizarin Red S (CI 58005) Ihalo sa 100 ML ng deionized na tubig.Pagkatapos, gumamit ng 10% ammonium hydroxide para i-adjust ang pH sa 4. Kulayan ang substrate gamit ang Alizarin Red solution sa loob ng 5 minuto, at pagkatapos ay iwaksi ang sobrang dye at blot.Pagkatapos ng proseso ng pag-alog, alisin ang substrate.Ang materyal ay inalis ang tubig, pagkatapos ay ilubog sa acetone sa loob ng 5 minuto, pagkatapos ay ilubog sa isang acetone-xylene (1:1) na solusyon sa loob ng 5 minuto, at sa wakas ay hugasan ng xylene (n = 4).Ang fluorescence microscope (Axio Imager) na may ×10 at ×20 na objective lens ay ginagamit..A2m, Zeiss, Germany) mga larawan ng lahat ng mga substrate.Ang ImageJ/FIJI (https://imagej.nih.gov/ij/) ay ginamit upang mabilang ang data ng pagdirikit ng mga biological na sangkap sa bawat pangkat ng apat na magkakaibang lugar ng imaging.I-convert ang lahat ng mga larawan sa mga binary na larawan na may mga nakapirming threshold para sa paghahambing ng substrate.
Ang isang Zeiss LSM 700 confocal microscope ay ginamit upang subaybayan ang katatagan ng lubricant layer sa PBS sa reflection mode.Ang fluorine-based SAM-coated glass sample na may injected lubricating layer ay nilubog sa isang PBS solution, at nasubok gamit ang isang orbital shaker (SHO-1D; Daihan Scientific, South Korea) sa ilalim ng banayad na pagyanig (120 rpm).Pagkatapos ay kunin ang sample at subaybayan ang pagkawala ng lubricant sa pamamagitan ng pagsukat sa pagkawala ng nasasalamin na liwanag.Upang makakuha ng mga fluorescence na imahe sa reflection mode, ang sample ay nakalantad sa isang 633 nm laser at pagkatapos ay kinokolekta, dahil ang liwanag ay makikita pabalik mula sa sample.Ang mga sample ay sinusukat sa mga agwat ng oras na 0, 30, 60, at 120 na oras.
Upang matukoy ang impluwensya ng proseso ng pagbabago sa ibabaw sa mga nanomechanical na katangian ng orthopedic implants, isang nanoindenter (TI 950 TriboIndenter, Hysitron, USA) na nilagyan ng tatlong-panig na pyramid-shaped na Berkovich diamond tip ay ginamit upang sukatin ang nanoindenedione.Ang peak load ay 10 mN at ang lugar ay 100μmx 100μm.Para sa lahat ng mga sukat, ang oras ng paglo-load at pagbabawas ay 10 s, at ang oras ng paghawak sa ilalim ng peak indentation load ay 2 s.Kumuha ng mga sukat mula sa limang magkakaibang lokasyon at kunin ang average.Upang masuri ang pagganap ng lakas ng makina sa ilalim ng pagkarga, isang transverse three-point bending test ang isinagawa gamit ang isang universal testing machine (Instron 5966, Instron, USA).Ang substrate ay naka-compress sa isang pare-pareho na rate ng 10 N / s na may mas mataas na load.Ang Bluehill Universal software program (n = 3) ay ginamit upang kalkulahin ang flexural modulus at maximum compressive stress.
Upang gayahin ang proseso ng operasyon at ang kaugnay na pinsalang mekanikal na dulot ng operasyon, ang proseso ng operasyon ay isinagawa sa vitro.Ang mga femur ay nakolekta mula sa pinatay na New Zealand white rabbit.Ang femur ay nalinis at naayos sa 4% paraformaldehyde sa loob ng 1 linggo.Tulad ng inilarawan sa paraan ng eksperimento ng hayop, ang nakapirming femur ay inoperahan sa pamamagitan ng operasyon.Pagkatapos ng operasyon, ang orthopedic implant ay inilubog sa dugo (dugo ng kabayo, KISAN, Korea) sa loob ng 10 s upang kumpirmahin kung ang mga pagdirikit ng dugo ay naganap pagkatapos mailapat ang mekanikal na pinsala (n = 3).
Isang kabuuan ng 24 na lalaking New Zealand white rabbit (timbang 3.0 hanggang 3.5kg, average na edad 6 na buwan) ay random na hinati sa apat na grupo: nude negative, nude positive, SHP at LOIS.Ang lahat ng mga pamamaraan na kinasasangkutan ng mga hayop ay isinagawa alinsunod sa mga etikal na pamantayan ng Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC aprubado, KOREA-2017-0159).Ang orthopedic implant ay binubuo ng locking plate na may limang butas (haba 41 mm, lapad 7 mm at kapal 2 mm) at cortical locking screws (haba 12 mm, diameter 2.7 mm) para sa fracture fixation.Maliban sa mga plate at turnilyo na ginamit sa pangkat na walang laman na negatibo, lahat ng mga plato at turnilyo ay inilublob sa MRSA suspension (106 CFU/ml) sa loob ng 12 oras.Ang hubad-negatibong grupo (n=6) ay ginagamot ng mga hubad na implant sa ibabaw nang walang pagkakalantad sa bacterial suspension, bilang isang negatibong kontrol para sa impeksyon.Ang hubad na positibong grupo (n = 6) ay ginagamot ng isang hubad na ibabaw na implant na nakalantad sa bakterya bilang isang positibong kontrol para sa impeksyon.Ang pangkat ng SHP (n = 6) ay ginagamot ng mga implant ng SHP na nakalantad sa bakterya.Sa wakas, ang pangkat ng LOIS ay ginagamot ng mga implant ng LOIS na nakalantad sa bacterial (n = 6).Ang lahat ng mga hayop ay inilalagay sa isang hawla, at maraming pagkain at tubig ang ibinibigay.Bago ang operasyon, ang mga kuneho ay nag-ayuno sa loob ng 12 oras.Ang mga hayop ay anesthetized sa pamamagitan ng intramuscular injection ng xylazine (5mg/kg) at intravenous injection ng paclitaxel (3mg/kg) para sa induction.Pagkatapos nito, maghatid ng 2% isoflurane at 50% hanggang 70% na medikal na oxygen (flow rate 2 L/min) sa pamamagitan ng respiratory system upang mapanatili ang anesthesia.Ito ay itinanim sa pamamagitan ng isang direktang diskarte sa lateral femur.Pagkatapos ng pagtanggal ng buhok at pagdidisimpekta ng povidone-iodine ng balat, isang paghiwa na humigit-kumulang 6 cm ang haba ay ginawa sa labas ng kaliwang gitnang femur.Sa pamamagitan ng pagbubukas ng puwang sa pagitan ng mga kalamnan na sumasakop sa femur, ang femur ay ganap na nakalantad.Ilagay ang plato sa harap ng femoral shaft at ayusin ito gamit ang apat na turnilyo.Pagkatapos ng fixation, gumamit ng saw blade (1 mm ang kapal) para artipisyal na lumikha ng bali sa lugar sa pagitan ng pangalawang butas at ikaapat na butas.Sa pagtatapos ng operasyon, ang sugat ay hugasan ng asin at sarado na may tahi.Ang bawat kuneho ay injected subcutaneously na may enrofloxacin (5 mg/kg) diluted isang-katlo sa asin.Ang mga postoperative X-ray ng femur ay kinuha sa lahat ng mga hayop (0, 7, 14, 21, 28, at 42 araw) upang kumpirmahin ang osteotomy ng buto.Pagkatapos ng malalim na kawalan ng pakiramdam, ang lahat ng mga hayop ay pinatay sa pamamagitan ng intravenous KCl (2 mmol/kg) sa 28 at 42 araw.Pagkatapos ng pagpapatupad, ang femur ay na-scan ng micro-CT upang obserbahan at ihambing ang proseso ng pagpapagaling ng buto at bagong pagbuo ng buto sa pagitan ng apat na grupo.
Pagkatapos ng pagpapatupad, ang mga malambot na tisyu na direktang nakikipag-ugnayan sa mga orthopedic implant ay nakolekta.Ang tissue ay naayos sa 10% neutral buffered formalin sa magdamag at pagkatapos ay na-dehydrate sa EtOH.Ang dehydrated tissue ay naka-embed sa paraffin at na-section sa kapal na 40 μm gamit ang isang microtome (400CS; EXAKT, Germany).Upang mailarawan ang impeksyon, ang paglamlam ng H&E at paglamlam ng MT ay isinagawa.Upang masuri ang tugon ng host, ang naka-section na tissue ay pinalubha ng kuneho na anti-TNF-α pangunahing antibody (AB6671, Abcam, USA) at kuneho na anti-IL-6 (AB6672; Abcam, USA), at pagkatapos ay ginagamot ng malunggay.oxidase.Ilapat ang avidin-biotin complex (ABC) staining system sa mga seksyon ayon sa mga tagubilin ng tagagawa.Upang lumitaw bilang isang produkto ng brown na reaksyon, ginamit ang 3,3-diaminobenzidine sa lahat ng bahagi.Ang isang digital slide scanner (Pannoramic 250 Flash III, 3DHISTECH, Hungary) ay ginamit upang mailarawan ang lahat ng mga hiwa, at hindi bababa sa apat na mga substrate sa bawat pangkat ang nasuri ng ImageJ software.
Ang mga imahe ng X-ray ay kinuha sa lahat ng mga hayop pagkatapos ng operasyon at bawat linggo upang subaybayan ang pagpapagaling ng bali (n=6 bawat grupo).Pagkatapos ng pagpapatupad, ginamit ang high-resolution na micro-CT upang kalkulahin ang pagbuo ng callus sa paligid ng femur pagkatapos ng pagpapagaling.Ang nakuha na femur ay nalinis, naayos sa 4% paraformaldehyde sa loob ng 3 araw, at inalis ang tubig sa 75% na ethanol.Ang mga dehydrated na buto ay na-scan sa pamamagitan ng paggamit ng micro-CT (SkyScan 1173, Brooke Micro-CT, Kandy, Belgium) upang makabuo ng 3D voxel na mga imahe (2240 ​​× 2240 pixels) ng sample ng buto.Gumamit ng 1.0 mm Al filter upang bawasan ang ingay ng signal at ilapat ang mataas na resolution sa lahat ng mga pag-scan (E = 133 kVp, I = 60 μA, oras ng pagsasama = 500 ms).Ang Nrecon software (bersyon 1.6.9.8, Bruker microCT, Kontich, Belgium) ay ginamit upang makabuo ng 3D volume ng na-scan na sample mula sa nakuhang 2D lateral projection.Para sa pagsusuri, ang 3D na muling itinayong imahe ay nahahati sa 10mm×10mm×10mm cube ayon sa lugar ng pagkabali.Kalkulahin ang callus sa labas ng cortical bone.Ang DataViewer (bersyon 1.5.1.2; Bruker microCT, Kontich, Belgium) na software ay ginamit upang digital na i-redirect ang na-scan na dami ng buto, at CT-Analyzer (bersyon 1.14.4.1; Bruker microCT, Kontich, Belgium) na software ay ginamit para sa pagsusuri.Ang mga kamag-anak na x-ray absorption coefficients sa mature bone at callus ay nakikilala sa pamamagitan ng kanilang density, at pagkatapos ay ang dami ng callus ay binibilang (n = 4).Upang kumpirmahin na ang biocompatibility ng LOIS ay hindi naantala ang proseso ng pagpapagaling ng buto, ang karagdagang pagsusuri sa X-ray at micro-CT ay isinagawa sa dalawang kuneho: ang hubad-negatibo at mga pangkat ng LOIS.Ang parehong grupo ay pinatay sa ika-6 na linggo.
Ang mga femur mula sa mga inihain na hayop ay nakolekta at naayos sa 4% paraformaldehyde sa loob ng 3 araw.Ang orthopedic implant ay maingat na tinanggal mula sa femur.Ang femur ay na-decalcify sa loob ng 21 araw sa pamamagitan ng paggamit ng 0.5 M EDTA (EC-900, National Diagnostics Corporation).Pagkatapos ay ang decalcified femur ay inilubog sa EtOH upang gawin itong dehydrated.Ang dehydrated femur ay inalis sa xylene at naka-embed sa paraffin.Pagkatapos ang sample ay hiniwa gamit ang isang awtomatikong rotary microtome (Leica RM2255, Leica Biosystems, Germany) na may kapal na 3 μm.Para sa paglamlam ng TRAP (F6760, Sigma-Aldrich, Germany), ang mga naka-section na sample ay na-deparaffinize, na-rehydrate at na-incubate sa TRAP reagent sa 37°C sa loob ng 1 oras.Ang mga imahe ay nakuha gamit ang isang slide scanner (Pannoramic 250 Flash III, 3DHISTECH, Hungary) at na-quantified sa pamamagitan ng pagsukat sa saklaw ng lugar ng maruming lugar.Sa bawat eksperimento, hindi bababa sa apat na substrate sa bawat pangkat ang nasuri ng ImageJ software.
Ang pagsusuri sa kahalagahan ng istatistika ay isinagawa sa pamamagitan ng paggamit ng GraphPad Prism (GraphPad Software Inc., USA).Ang unpaired t-test at one-way analysis of variance (ANOVA) ay ginamit upang subukan ang mga pagkakaiba sa pagitan ng mga pangkat ng pagsusuri.Ang antas ng kahalagahan ay ipinahiwatig sa figure tulad ng sumusunod: *P<0.05, **P<0.01, ***P<0.001 at ****P<0.0001;NS, walang makabuluhang pagkakaiba.
Para sa mga karagdagang materyales para sa artikulong ito, pakitingnan ang http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/44/eabb0025/DC1
Ito ay isang open access na artikulo na ipinamahagi sa ilalim ng mga tuntunin ng Creative Commons Attribution-Non-Commercial License, na nagpapahintulot sa paggamit, pamamahagi at pagpaparami sa anumang medium, hangga't ang paggamit ay hindi para sa komersyal na pakinabang at ang saligan ay ang orihinal tama ang trabaho.Sanggunian.
Tandaan: Hinihiling lang namin sa iyo na magbigay ng email address para malaman ng taong inirerekomenda mo sa page na gusto mong makita niya ang email at hindi spam ang email.Hindi kami kukuha ng anumang mga email address.
Ginagamit ang tanong na ito upang subukan kung isa kang bisitang tao at upang maiwasan ang mga awtomatikong pagsusumite ng spam.
Choe Kyung Min, Oh Young Jang, Park Jun Joon, Lee Jin Hyuk, Kim Hyun Cheol, Lee Kyung Moon, Lee Chang Kyu, Lee Yeon Taek, Lee Sun-uck, Jeong Morui
Ang antibacterial at immune escape coatings ng orthopedic implants ay maaaring mabawasan ang mga impeksyon at immune response na dulot ng mga impeksyon.
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
Ang antibacterial at immune escape coatings ng orthopedic implants ay maaaring mabawasan ang mga impeksyon at immune response na dulot ng mga impeksyon.
©2021 American Association for the Advancement of Science.lahat ng karapatan ay nakalaan.Ang AAAS ay partner ng HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef at COUNTER.ScienceAdvances ISSN 2375-2548.