Ortopedik implantatsiya operatsiyasidan o'tgan bemorlar uchun bakterial infektsiyalar va infektsiyadan kelib chiqqan immunitet reaktsiyalari doimo hayot uchun xavfli xavf bo'lib kelgan.An'anaviy biologik materiallar biologik ifloslanishga moyil bo'lib, bakteriyalar shikastlangan hududga kirib, operatsiyadan keyingi infektsiyani keltirib chiqaradi.Shu sababli, ortopedik implantlar uchun infektsiyaga qarshi va immunitetdan qochish qoplamalarini ishlab chiqish zarurati mavjud.Bu erda biz ortopedik implantlar uchun moylangan ortopedik implant yuzasi (LOIS) deb nomlangan ilg'or sirtni o'zgartirish texnologiyasini ishlab chiqdik, bu ko'za o'simlik ko'zalarining silliq yuzasidan ilhomlangan.LOIS turli xil suyuqliklar va biologik moddalarga (hujayralar, oqsillar, kaltsiy va bakteriyalar) uzoq muddatli va kuchli suyuqlik qaytaruvchi xususiyatga ega.Bundan tashqari, biz in vitro jarrohlik paytida muqarrar zararni taqlid qilish orqali chizish va mahkamlash kuchiga qarshi mexanik chidamlilikni tasdiqladik.Quyon suyak iligining yallig'lanishli femur sinishi modeli LOISning anti-biologik miqyosi va infektsiyaga qarshi qobiliyatini chuqur o'rganish uchun ishlatilgan.Antibiofouling xususiyatlariga va mexanik chidamlilikka ega bo'lgan LOIS infektsiyasiz ortopedik jarrohlikda oldinga qadam bo'lishini tasavvur qilamiz.
Bugungi kunda umumiy qarish tufayli ortopedik kasalliklar (masalan, keksa yoshdagi sinishlar, degenerativ bo'g'im kasalliklari, osteoporoz) bilan og'rigan bemorlar soni sezilarli darajada oshdi (1, 2).Shuning uchun tibbiyot muassasalari ortopedik jarrohlik, shu jumladan vintlar, plastinkalar, mixlar va sun'iy bo'g'imlarning ortopedik implantatsiyasiga katta ahamiyat beradi (3, 4).Biroq, an'anaviy ortopedik implantlar operatsiyadan keyin jarrohlik joyi infektsiyasini (SSI) keltirib chiqarishi mumkin bo'lgan bakterial yopishqoqlik va biofilm shakllanishiga sezgir ekanligi xabar qilingan (5, 6).Ortopedik implant yuzasida biofilm hosil bo'lgandan so'ng, hatto katta dozalarda antibiotiklarni qo'llashda ham biofilmni olib tashlash juda qiyin bo'ladi.Shuning uchun odatda operatsiyadan keyingi og'ir infektsiyalarga olib keladi (7, 8).Yuqoridagi muammolar tufayli infektsiyalangan implantlarni davolash qayta operatsiyani, shu jumladan barcha implantlarni va uning atrofidagi to'qimalarni olib tashlashni o'z ichiga olishi kerak;shuning uchun bemor qattiq og'riq va ba'zi xavflarni boshdan kechiradi (9, 10).
Ushbu muammolarning ba'zilarini hal qilish uchun sirtga biriktirilgan bakteriyalarni yo'q qilish orqali infektsiyani oldini olish uchun dori-darmonli ortopedik implantlar ishlab chiqilgan (11, 12).Biroq, strategiya hali ham bir nechta cheklovlarni ko'rsatadi.Dori-darmonli implantlarni uzoq muddatli implantatsiya qilish atrofdagi to'qimalarga zarar etkazishi va yallig'lanishni keltirib chiqarishi, bu esa nekrozga olib kelishi mumkinligi haqida xabar berilgan (13, 14).Bundan tashqari, AQSh oziq-ovqat va farmatsevtika idorasi tomonidan qat'iyan taqiqlangan dori-darmonli ortopedik implantlarni ishlab chiqarish jarayonidan keyin mavjud bo'lishi mumkin bo'lgan organik erituvchilar uning standartlariga javob berish uchun qo'shimcha tozalash bosqichlarini talab qiladi (15).Giyohvand moddalarni o'z ichiga olgan implantlar dori vositalarining nazorat ostida chiqarilishini qiyinlashtiradi va ularning cheklangan dori yuklanishi tufayli preparatni uzoq muddatli qo'llash mumkin emas (16).
Yana bir keng tarqalgan strategiya - biologik moddalar va bakteriyalarning sirtga yopishib qolishiga yo'l qo'ymaslik uchun implantni antifouling polimer bilan qoplashdir (17).Masalan, zvitterionik polimerlar plazma oqsillari, hujayralar va bakteriyalar bilan aloqa qilganda yopishmaydigan xususiyatlari tufayli e'tiborni tortdi.Biroq, u uzoq muddatli barqarorlik va mexanik chidamlilik bilan bog'liq ba'zi cheklovlarga ega, bu esa uni ortopedik implantlarda amaliy qo'llashga to'sqinlik qiladi, ayniqsa jarrohlik muolajalar paytida mexanik qirqish tufayli (18, 19).Bundan tashqari, yuqori biologik muvofiqligi, olib tashlash operatsiyasiga ehtiyoj yo'qligi va korroziya orqali sirtni tozalash xususiyatlari tufayli biologik parchalanadigan materiallardan tayyorlangan ortopedik implantlar qo'llanilgan (20, 21).Korroziya jarayonida polimer matritsasi orasidagi kimyoviy bog'lanishlar parchalanadi va sirtdan ajralib chiqadi va yopishtiruvchi moddalar sirtni tozalaydi.Biroq, sirtni tozalash orqali anti-biologik ifloslanish qisqa vaqt ichida samarali bo'ladi.Bundan tashqari, ko'pgina so'rilishi mumkin bo'lgan materiallar, shu jumladan poli (sut kislotasi-glikolik kislota sopolimeri) (PLGA), polilaktik kislota (PLA) va magniyga asoslangan qotishmalar tanadagi notekis biodegradatsiya va eroziyaga uchraydi, bu mexanik barqarorlikka salbiy ta'sir qiladi.(yigirma ikki).Bundan tashqari, biologik parchalanadigan plastinka bo'laklari bakteriyalarni biriktirish uchun joy beradi, bu esa uzoq muddatda infektsiya ehtimolini oshiradi.Mexanik buzilish va infektsiya xavfi plastik jarrohlikning amaliy qo'llanilishini cheklaydi (23).
Lotus barglarining ierarxik tuzilishini taqlid qiluvchi superhidrofobik (SHP) sirtlar ifloslanishga qarshi yuzalar uchun potentsial yechimga aylandi (24, 25).SHP yuzasi suyuqlikka botirilganda, havo pufakchalari ushlanib qoladi va shu bilan havo cho'ntaklarini hosil qiladi va bakterial yopishishning oldini oladi (26).Biroq, so'nggi tadqiqotlar shuni ko'rsatdiki, SHP yuzasi mexanik chidamlilik va uzoq muddatli barqarorlik bilan bog'liq kamchiliklarga ega, bu esa uni tibbiy implantlarda qo'llashga to'sqinlik qiladi.Bundan tashqari, havo cho'ntaklari eriydi va ifloslanishga qarshi xususiyatlarini yo'qotadi, bu esa SHP yuzasining katta yuzasi tufayli kengroq bakterial yopishqoqlikka olib keladi (27, 28).Yaqinda Aizenberg va uning hamkasblari Nepenthes ko'za zavodidan ilhomlangan silliq sirtni ishlab chiqish orqali biologik ifloslanishga qarshi sirt qoplamasining innovatsion usulini taqdim etdilar (29, 30).Silliq sirt gidravlik sharoitda uzoq muddatli barqarorlikni ko'rsatadi, biologik suyuqliklarga o'ta suyuq kovucu va o'z-o'zidan tiklanadigan xususiyatlarga ega.Biroq, murakkab shakldagi tibbiy implantga qoplamani qo'llash usuli mavjud emas va implantatsiyadan keyin shikastlangan to'qimalarni davolash jarayonini qo'llab-quvvatlashi isbotlanmagan.
Bu erda biz yog'langan ortopedik implant yuzasi (LOIS), mikro/nano-strukturali ortopedik implant yuzasi va uni plastik jarrohlik bilan bog'lanishining oldini olish uchun nozik moylash qatlami bilan mahkam birlashtirilgan.Ftor bilan ishlaydigan mikro/nano darajali struktura yog'ni strukturaga mahkam o'rnatganligi sababli, ishlab chiqilgan LOIS turli suyuqliklarning yopishishini to'liq qaytara oladi va uzoq vaqt davomida ifloslanishga qarshi ish faoliyatini saqlab qoladi.LOIS qoplamalari suyak sintezi uchun mo'ljallangan turli shakldagi materiallarga qo'llanilishi mumkin.LOIS ning biofilm bakteriyalariga [Pseudomonas aeruginosa va metitsillinga chidamli Staphylococcus aureus (MRSA)] va biologik moddalarga (hujayralar, oqsillar va kaltsiy) qarshi mukammal biofouling xususiyatlari in vitroda tasdiqlangan.Substratga keng yopishishning yopishish darajasi 1% dan kam.Bundan tashqari, sirtni tirnash xususiyati kabi mexanik stresslar sodir bo'lgandan keyin ham, kirib boradigan moylash vositasining o'z-o'zidan tiklanishi uning ifloslanishga qarshi xususiyatlarini saqlab qolishga yordam beradi.Mexanik chidamlilik sinovi natijalari shuni ko'rsatadiki, strukturaviy va kimyoviy modifikatsiyadan keyin ham umumiy quvvat sezilarli darajada kamaymaydi.Bundan tashqari, LOIS plastik jarrohlik paytida yuzaga keladigan turli xil mexanik stresslarga bardosh bera olishini isbotlash uchun jarrohlik muhitida mexanik stressni simulyatsiya qiluvchi in vitro tajribasi o'tkazildi.Nihoyat, biz quyonga asoslangan in vivo femur sinishi modelidan foydalandik, bu LOISning yuqori antibakterial xususiyatlarga ega ekanligini va biomoslashuvga ega ekanligini isbotladi.Radiologik va gistologik natijalar implantatsiyadan keyin 4 hafta ichida barqaror moylash harakati va anti-biofouling xususiyatlari suyakning tiklanish jarayonini kechiktirmasdan samarali infektsiyaga qarshi va immunitetdan qochish ko'rsatkichlariga erishish mumkinligini tasdiqladi.
1A-rasmda ishlab chiqilgan LOISning sxematik diagrammasi ko'rsatilgan, u mukammal anti-biologik ifloslanish va infektsiyaga qarshi xususiyatlarini tasdiqlash uchun quyon femurining sinishi modelida mikro/nano-miqyosdagi tuzilmalar bilan implantatsiya qilingan.Biomimetik usul suv idishi zavodining sirtini taqlid qilish va sirtning mikro/nano tuzilishiga moylash qatlamini kiritish orqali biofoulingni oldini olish uchun amalga oshiriladi.Soqol bilan AOK qilingan sirt biologik moddalar va sirt o'rtasidagi aloqani minimallashtirishi mumkin.Shuning uchun, sirtda barqaror kimyoviy bog'lanishlar hosil bo'lishi tufayli, u mukammal antifouling ishlashi va uzoq muddatli barqarorlikka ega.Natijada, moylash yuzasining anti-biofouling xususiyatlari biomedikal tadqiqotlarda turli xil amaliy qo'llash imkonini beradi.Biroq, bu maxsus sirtning tanadagi o'zaro ta'siri bo'yicha keng qamrovli tadqiqotlar hali yakunlanmagan.Albumin va biofilm bakteriyalari yordamida LOISni yalang'och substratlar bilan in vitro bilan solishtirish orqali LOISning yopishqoq emasligini tasdiqlash mumkin (1B-rasm).Bundan tashqari, eğimli yalang'och substrat va LOIS substratidagi suv tomchilarini dumalab tashlash orqali (S1-rasm va S1 filmi), biologik ifloslanish samaradorligini ko'rsatish mumkin.Floresan mikroskop tasvirida ko'rsatilganidek, oqsil va bakteriyalar suspenziyasida inkubatsiya qilingan ochiq substrat sirtga yopishgan ko'p miqdordagi biologik materialni ko'rsatdi.Biroq, mukammal anti-biofouling xususiyatlari tufayli, LOIS deyarli hech qanday floresan ko'rsatmaydi.Antibiofouling va infektsiyaga qarshi xususiyatlarini tasdiqlash uchun LOIS suyak sintezi (plitalar va vintlar) uchun ortopedik implantlar yuzasiga qo'llanildi va quyon sinishi modeliga joylashtirildi.Implantatsiyadan oldin yalang'och ortopedik implant va LOIS bakterial suspenziyada 12 soat davomida inkubatsiya qilindi.Oldindan inkubatsiya solishtirish uchun ochiq implant yuzasida biofilm hosil bo'lishini ta'minlaydi.1C-rasmda implantatsiyadan 4 hafta o'tgach sinish joyining fotosurati ko'rsatilgan.Chap tomonda, yalang'och ortopedik implantatsiyaga ega quyon implant yuzasida biofilm hosil bo'lishi sababli kuchli yallig'lanish darajasini ko'rsatdi.Qarama-qarshi natija LOIS implantatsiya qilingan quyonlarda kuzatildi, ya'ni LOISning atrofdagi to'qimalarida na infektsiya belgilari, na yallig'lanish belgilari kuzatildi.Bundan tashqari, chapdagi optik tasvir quyonning ochiq implant bilan jarrohlik joyini ko'rsatadi, bu LOIS yuzasida ochiq implant yuzasida mavjud bo'lgan bir nechta yopishtiruvchi moddalar topilmaganligini ko'rsatadi.Bu shuni ko'rsatadiki, LOIS uzoq muddatli barqarorlikka ega va uning anti-biologik ifloslanish va yopishqoqlikka qarshi xususiyatlarini saqlab qolish qobiliyatiga ega.
(A) LOISning sxematik diagrammasi va uning quyon suyagi sinishi modeliga implantatsiyasi.(B) Yalang'och sirt va LOIS substratida oqsil va bakterial biofilmning floresan mikroskopiya tasviri.Implantatsiyadan 4 hafta o'tgach, (C) singan joyning fotosurati va (D) rentgen tasviri (qizil to'rtburchak bilan ta'kidlangan).Tasvir uchun: Kyomin Chae, Yonsey universiteti.
Sterilizatsiya qilingan, salbiy implantatsiya qilingan quyonlar yallig'lanish yoki infektsiya belgilarisiz normal suyak shifo jarayonini ko'rsatdi.Boshqa tomondan, bakterial suspenziyada oldindan inkubatsiya qilingan SHP implantlari atrofdagi to'qimalarda infektsiya bilan bog'liq yallig'lanishni ko'rsatadi.Bu uzoq vaqt davomida bakterial yopishqoqlikni inhibe qila olmasligi bilan bog'liq bo'lishi mumkin (S2-rasm).LOIS shifo jarayoniga ta'sir qilmasligini, lekin implantatsiya bilan bog'liq bo'lishi mumkin bo'lgan infektsiyalarni inhibe qilishini isbotlash uchun singan joydagi ochiq musbat matritsa va LOISning rentgen tasvirlari taqqoslandi (1D-rasm).Yalang'och musbat implantning rentgenogrammasi suyakning to'liq tuzalmaganligini ko'rsatadigan doimiy osteoliz chiziqlarini ko'rsatdi.Bu infektsiya bilan bog'liq yallig'lanish tufayli suyakni tiklash jarayoni juda kechikishi mumkinligini ko'rsatadi.Aksincha, bu LOIS bilan implantatsiya qilingan quyonlarning tuzalib ketganini va hech qanday aniq sinish joyini ko'rsatmasligini ko'rsatdi.
Uzoq muddatli barqarorlik va funksionallikka ega (shu jumladan, biofoulingga qarshilik) tibbiy implantlarni ishlab chiqish uchun ko'plab harakatlar amalga oshirildi.Biroq, turli xil biologik moddalarning mavjudligi va to'qimalarga yopishish dinamikasi ularning klinik jihatdan ishonchli usullarini ishlab chiqishni cheklaydi.Ushbu kamchiliklarni bartaraf etish uchun biz mikro/nano qatlamli tuzilmani va kimyoviy jihatdan o'zgartirilgan sirtni ishlab chiqdik, u yuqori kapillyar kuch va kimyoviy yaqinlik tufayli eng silliq moyni maksimal darajada ushlab turish uchun optimallashtirilgan.Shakl 2A LOISning umumiy ishlab chiqarish jarayonini ko'rsatadi.Birinchidan, tibbiy zanglamaydigan po'latdan (SS) 304 substrat tayyorlang.Ikkinchidan, mikro/nano tuzilma SS substratida gidroflorik kislota (HF) eritmasidan foydalangan holda kimyoviy ishlov berish orqali hosil bo'ladi.SS ning korroziyaga chidamliligini tiklash uchun kazınmış substratni qayta ishlash uchun nitrat kislota (HNO3) eritmasi (31) ishlatiladi.Passivatsiya SS substratining korroziyaga chidamliligini oshiradi va LOISning umumiy ish faoliyatini kamaytirishi mumkin bo'lgan korroziya jarayonini sezilarli darajada sekinlashtiradi.Keyin, 1H, 1H, 2H, 2H-perfluorooktiltrietoksisilan (POTS) bilan o'z-o'zidan yig'ilgan monolayer (SAM) hosil qilish orqali sirt va silliq moylash Affinity o'rtasidagi kimyoviy o'zaro ta'sirni yaxshilash uchun sirt kimyoviy jihatdan o'zgartiriladi.Sirt modifikatsiyasi ishlab chiqarilgan mikro/nano-miqyosdagi strukturaviy sirtning sirt energiyasini sezilarli darajada kamaytiradi, bu silliq moylash materialining sirt energiyasiga mos keladi.Bu moylash materialini to'liq namlash imkonini beradi va shu bilan sirtda barqaror moylash qatlamini hosil qiladi.O'zgartirilgan sirt yaxshilangan hidrofobiklikni namoyish etadi.Natijalar shuni ko'rsatadiki, silliq moylash materiallari mikro/nano tuzilmalardan kelib chiqqan yuqori kimyoviy yaqinlik va kapillyar kuch tufayli LOISda barqaror harakat qiladi (32, 33).Yuzaki modifikatsiyadan va moylash materiallarini quyishdan keyin SS yuzasidagi optik o'zgarishlar o'rganildi.Sirtda hosil bo'lgan mikro/nano qatlamli struktura vizual o'zgarishlarga olib kelishi va sirtni qoraytirishi mumkin.Bu hodisa qo'pol sirtga yorug'likning tarqalishi ta'sirining kuchayishi bilan bog'liq bo'lib, bu yorug'likni ushlab turish mexanizmi (34) tufayli yuzaga keladigan diffuz aks ettirishni oshiradi.Bundan tashqari, soqol AOK qilingandan so'ng, LOIS qorong'i bo'ladi.Soqol qatlami substratdan kamroq yorug'likni aks ettiradi va shu bilan LOISni qoraytiradi.Antibiofouling ko'rsatkichlariga erishish uchun eng kichik toymasin burchakni (SA) ko'rsatish uchun mikro tuzilmani / nanostrukturani optimallashtirish uchun skanerlash elektron mikroskopiyasi (SEM) va atom juftlari turli xil HF qirqish vaqtlarini bajarish uchun ishlatilgan (0, 3)., 15 va 60 daqiqa) Kuchli mikroskop (AFM) (2B-rasm).SEM va AFM tasvirlari shuni ko'rsatadiki, qisqa vaqt o'tkazgandan so'ng (3 minutlik qirqish) yalang'och substrat notekis nano-miqyosda pürüzlülük hosil qilgan.Sirtning pürüzlülüğü o'rnatish vaqtiga qarab o'zgaradi (S3-rasm).Vaqt bo'yicha o'zgaruvchan egri chiziq shuni ko'rsatadiki, sirt pürüzlülüğü o'sishda davom etadi va 15 minutdan keyin eng yuqori cho'qqiga etadi, so'ngra 30 minutlik ishlov berishda faqat pürüzlülük qiymatining bir oz pasayishi kuzatiladi.Shu nuqtada, nano-darajadagi pürüzlülük o'chiriladi, mikro-darajadagi pürüzlülük esa kuchli rivojlanadi, bu esa pürüzlülük o'zgarishini yanada barqaror qiladi.30 daqiqadan ko'proq vaqt davomida ishqalanishdan so'ng, pürüzlülüğün yanada oshishi kuzatiladi, bu batafsil tushuntiriladi: SS temir, xrom, nikel, molibden va boshqa ko'plab elementlar bilan qotishma po'latdan iborat.Ushbu elementlar orasida temir, xrom va molibden HF bilan qirqish orqali SSda mikron/nano-miqyosdagi pürüzlülüğün shakllanishida muhim rol o'ynaydi.Korroziyaning dastlabki bosqichlarida temir va xrom asosan korroziyaga uchraydi, chunki molibden molibdenga qaraganda yuqori korroziyaga chidamliligiga ega.Oshlama davom etar ekan, o'yma eritmasi mahalliy haddan tashqari to'yinganlikka erishadi va o'yma natijasida yuzaga keladigan ftoridlar va oksidlarni hosil qiladi.Ftorid va oksidi cho'kadi va oxir-oqibat yuzada qayta cho'kadi, mikron/nano oralig'ida sirt pürüzlülüğünü hosil qiladi (31).Ushbu mikro/nano darajadagi pürüzlülük LOISning o'z-o'zini davolash xususiyatlarida muhim rol o'ynaydi.Ikki miqyosli sirt sinergik ta'sir ko'rsatadi va kapillyar kuchni sezilarli darajada oshiradi.Ushbu hodisa moylash materialining sirtga barqaror kirib borishiga imkon beradi va o'z-o'zini davolash xususiyatlariga hissa qo'shadi (35).Pürüzlülüğün shakllanishi etching vaqtiga bog'liq.10 minutlik ishlov berish ostida sirtda faqat nano-miqyosdagi pürüzlülük mavjud bo'lib, u biofouling qarshiligiga ega bo'lish uchun etarli miqdordagi moyni ushlab turish uchun etarli emas (36).Boshqa tomondan, agar qirqish vaqti 30 daqiqadan oshsa, temir va xromning qayta joylashishi natijasida hosil bo'lgan nano o'lchovdagi pürüzlülük yo'qoladi va molibden tufayli faqat mikro miqyosdagi pürüzlülük qoladi.Haddan tashqari ishlangan sirt nano-miqyosdagi pürüzlülükten mahrum va ikki bosqichli pürüzlülüğün sinergik ta'sirini yo'qotadi, bu esa LOISning o'z-o'zini davolash xususiyatlariga salbiy ta'sir qiladi.SA o'lchovlari ifloslanishga qarshi ish faoliyatini isbotlash uchun turli xil ishlov berish vaqtlari bo'lgan substratlarda amalga oshirildi.Suyuqliklarning har xil turlari yopishqoqlik va sirt energiyasiga qarab tanlab olindi, jumladan deionizatsiyalangan (DI) suv, qon, etilen glikol (EG), etanol (EtOH) va geksadekan (HD) (S4-rasm).Vaqt bo'yicha o'zgarib turadigan silliqlash sxemasi shuni ko'rsatadiki, har xil sirt energiyasi va yopishqoqligi bo'lgan turli xil suyuqliklar uchun 15 daqiqadan so'ng LOIS SA eng past bo'ladi.Shu sababli, LOIS mikron va nano-miqyosdagi pürüzlülük hosil qilish uchun 15 daqiqa davomida silliqlash uchun optimallashtirilgan, bu moylash materialining chidamliligini va mukammal ifloslanishga qarshi xususiyatlarini samarali saqlash uchun javob beradi.
(A) LOISning to'rt bosqichli ishlab chiqarish jarayonining sxematik diagrammasi.Inset substratda hosil bo'lgan SAMni ko'rsatadi.(B) SEM va AFM tasvirlari, turli xil ishlov berish vaqtlarida substratning mikro/nano tuzilishini optimallashtirish uchun ishlatiladi.(C) Cr2p va (D) F1s ning rentgen fotoelektron spektroskopiyasi (XPS) spektrlari sirt passivatsiyasi va SAM qoplamasidan keyin.au, ixtiyoriy birlik.(E) Yalang'och, chizilgan, SHP va LOIS substratlarida suv tomchilarining vakillik tasvirlari.(F) SHP va LOISda turli sirt tarangliklari bo'lgan suyuqliklarning aloqa burchagi (CA) va SA o'lchovi.Ma'lumotlar o'rtacha ± SD sifatida ifodalanadi.
Keyinchalik, sirtning kimyoviy xossalari o'zgarishini tasdiqlash uchun har bir sirt qoplamasidan keyin substrat yuzasi kimyoviy tarkibining o'zgarishini o'rganish uchun rentgen fotoelektron spektroskopiyasidan (XPS) foydalanildi.2C-rasmda HF bilan qoplangan sirt va HNO 3 bilan ishlov berilgan sirtning XPS o'lchov natijalari ko'rsatilgan.587,3 va 577,7 eVdagi ikkita asosiy cho'qqilarni xrom oksidi qatlamida mavjud bo'lgan Cr-O aloqasi bilan bog'lash mumkin, bu HF bilan qoplangan sirtdan asosiy farqdir.Bu, asosan, temir va xrom ftoridning HNO3 tomonidan sirtda iste'mol qilinishi bilan bog'liq.HNO3 asosidagi qirqish xromning sirtda passivlashtiruvchi oksid qatlamini hosil qilishiga imkon beradi, bu esa o'yilgan SSni yana korroziyaga chidamli qiladi.2D-rasmda SAM qoplamasidan so'ng sirtda florokarbon asosidagi silan hosil bo'lganligini tasdiqlash uchun XPS spektrlari olindi, bu hatto EG, qon va EtOH uchun ham juda yuqori suyuqlik o'tkazuvchanligiga ega.SAM qoplamasi silan funktsional guruhlarini plazma bilan ishlov berish natijasida hosil bo'lgan gidroksil guruhlari bilan reaksiyaga kirishish orqali yakunlanadi.Natijada, CF2 va CF3 tepaliklarida sezilarli o'sish kuzatildi.286 va 296 eV orasidagi bog'lanish energiyasi kimyoviy modifikatsiyaning SAM qoplamasi bilan muvaffaqiyatli yakunlanganligini ko'rsatadi.SHP nisbatan katta CF2 (290,1 eV) va CF3 (293,3 eV) cho'qqilarini ko'rsatadi, ular sirtda hosil bo'lgan florokarbon asosidagi silan tufayli yuzaga keladi.2E-rasmda yalang'och, chizilgan, SHP va LOIS bilan aloqada bo'lgan deionizatsiyalangan suvning turli guruhlari uchun aloqa burchagi (CA) o'lchovlarining vakili optik tasvirlari ko'rsatilgan.Ushbu tasvirlar kimyoviy qirqish natijasida hosil bo'lgan mikro/nano tuzilish tufayli o'yilgan sirt gidrofil bo'lib, deionlangan suv tuzilishga singib ketishini ko'rsatadi.Biroq, substrat SAM bilan qoplangan bo'lsa, substrat kuchli suv o'tkazuvchanligini namoyon qiladi, shuning uchun sirt SHP hosil bo'ladi va suv va sirt o'rtasidagi aloqa maydoni kichik bo'ladi.Nihoyat, LOISda CA ning pasayishi kuzatildi, bu moylashning mikroyapıya kirib borishi bilan bog'liq bo'lishi mumkin va shu bilan aloqa maydonini oshiradi.Sirtning mukammal suyuqlik o'tkazuvchanligi va yopishqoq bo'lmagan xususiyatlarga ega ekanligini isbotlash uchun LOIS turli suyuqliklar yordamida CA va SA ni o'lchash orqali SHP substrati bilan taqqoslandi (2F-rasm).Suyuqliklarning har xil turlari yopishqoqlik va sirt energiyasi, jumladan deionizatsiyalangan suv, qon, EG, EtOH va HD (S4-rasm) asosida tanlangan.CA o'lchov natijalari shuni ko'rsatadiki, CA HD ga moyil bo'lganda, CA ning pasayish qiymati, bu erda CA eng past sirt energiyasiga ega.Bundan tashqari, umumiy CA ning LOIS past.Biroq, SA o'lchovi butunlay boshqacha hodisani ko'rsatadi.Ionlangan suvdan tashqari, barcha suyuqliklar sirg'alib ketmasdan SHP substratiga yopishadi.Boshqa tomondan, LOIS juda past SA ni ko'rsatadi, bu erda barcha suyuqlik 10 ° dan 15 ° gacha pastroq burchak ostida egilganida, barcha suyuqlik dumalab ketadi.Bu LOISning yopishqoqligi SHP yuzasiga qaraganda yaxshiroq ekanligini kuchli ko'rsatadi.Bundan tashqari, LOIS qoplamalari titanium (Ti), polifenilsulfon (PPSU), polioksimetilen (POM), polieter keton (PEEK) va bioabsorbable polimerlar (PLGA) kabi turli xil materiallarga ham qo'llaniladi, ular implantatsiya qilinadigan ortopedik materiallardir (rasm). S5)).LOIS bilan ishlov berilgan materialdagi tomchilarning ketma-ket tasvirlari LOISning biofoulingga qarshi xususiyatlari barcha substratlarda bir xil ekanligini ko'rsatadi.Bundan tashqari, CA va SA ning o'lchov natijalari LOISning yopishqoq bo'lmagan xususiyatlarini boshqa materiallarga qo'llash mumkinligini ko'rsatadi.
LOISning ifloslanishga qarshi xususiyatlarini tasdiqlash uchun har xil turdagi substratlar (jumladan, yalang'och, chizilgan, SHP va LOIS) Pseudomonas aeruginosa va MRSA bilan inkubatsiya qilingan.Bu ikki bakteriya vakillik kasalxonasi bakteriyasi sifatida tanlangan, bu esa SSI ga olib keladigan biofilmlarning shakllanishiga olib kelishi mumkin (37).3-rasmda (A va B) mos ravishda qisqa muddatli (12 soat) va uzoq muddatli (72 soat) bakterial suspenziyada inkubatsiya qilingan substratlarning floresan mikroskop tasvirlari va koloniya hosil qiluvchi birlik (CFU) o'lchov natijalari ko'rsatilgan.Qisqa vaqt ichida bakteriyalar klasterlar hosil qiladi va hajmi kattalashib, o'zlarini shilliqga o'xshash moddalar bilan qoplaydi va ularning olib tashlanishiga to'sqinlik qiladi.Biroq, 72 soatlik inkubatsiya davrida bakteriyalar etuk bo'ladi va ko'proq koloniyalar yoki klasterlar hosil qilish uchun tarqalishi oson bo'ladi.Shu sababli, 72 soatlik inkubatsiya uzoq muddatli va sirtda kuchli biofilm hosil qilish uchun mos inkubatsiya vaqti deb hisoblash mumkin (38).Qisqa vaqt ichida o'yilgan sirt va SHP yuzasida bakterial yopishqoqlik namoyon bo'ldi, bu yalang'och substratga nisbatan taxminan 25% dan 50% gacha kamaydi.Biroq, mukammal anti-biofouling ishlashi va barqarorligi tufayli LOIS qisqa va uzoq muddatda bakterial biofilm yopishishini ko'rsatmadi.Sxematik diagramma (3C-rasm) SHP va LOIS eritmasining anti-biologik ifloslanish mexanizmini tushuntirishni tavsiflaydi.Taxminlarga ko'ra, gidrofilik xususiyatlarga ega bo'lgan kazınmış substrat yalang'och substratga qaraganda kattaroq sirt maydoniga ega bo'ladi.Shuning uchun, o'yilgan substratda ko'proq bakterial yopishish paydo bo'ladi.Biroq, yalang'och substrat bilan solishtirganda, o'yilgan substrat sirtda hosil bo'lgan biofilmni sezilarli darajada kamaytirdi.Buning sababi shundaki, suv molekulalari gidrofil sirtga mahkam bog'lanadi va suv uchun moylash vositasi sifatida ishlaydi, shuning uchun qisqa muddatda bakteriyalarning yopishishiga xalaqit beradi (39).Biroq, suv molekulalari qatlami juda nozik va bakterial suspenziyalarda eriydi.Shu sababli, suv molekulyar qatlami uzoq vaqt davomida yo'qolib, keng bakteriya yopishishi va ko'payishiga olib keladi.SHP uchun qisqa muddatli namlanmaydigan xususiyatlar tufayli bakterial yopishqoqlik inhibe qilinadi.Kamaytirilgan bakterial yopishish qatlamli tuzilishda tutilgan havo cho'ntaklari va past sirt energiyasi bilan bog'liq bo'lishi mumkin, shu bilan bakterial suspenziya va sirt o'rtasidagi aloqani minimallashtiradi.Biroq, SHPda keng bakterial adezyon kuzatildi, chunki u uzoq vaqt davomida ifloslanishga qarshi xususiyatlarini yo'qotdi.Bu, asosan, gidrostatik bosim va havoning suvda erishi tufayli havo cho'ntaklarining yo'qolishi bilan bog'liq.Bu, asosan, eritma tufayli havo cho'ntaklarining yo'qolishi va yopishqoqlik uchun kattaroq sirt maydonini ta'minlaydigan qatlamli tuzilishga bog'liq (27, 40).Uzoq muddatli barqarorlikka muhim ta'sir ko'rsatadigan ushbu ikki substratdan farqli o'laroq, LOIS tarkibidagi moylash moyi mikro/nano tuzilishga AOK qilinadi va hatto uzoq muddatda ham yo'qolmaydi.Mikro/nano tuzilmalar bilan to'ldirilgan moylash materiallari juda barqaror va ularning yuqori kimyoviy yaqinligi tufayli yuzaga kuchli tortiladi va shu bilan uzoq vaqt davomida bakterial yopishishning oldini oladi.S6-rasmda fosfat tamponlangan sho'r suvga (PBS) botirilgan moylash materiallari bilan to'ldirilgan substratning aks ettiruvchi konfokal mikroskop tasviri ko'rsatilgan.Uzluksiz tasvirlar shuni ko'rsatadiki, 120 soatlik engil silkinishdan keyin ham (120 rpm) LOISdagi moylash qatlami o'zgarishsiz qoladi, bu oqim sharoitida uzoq muddatli barqarorlikni ko'rsatadi.Bu ftorga asoslangan SAM qoplamasi va perflorokarbon asosidagi moylash materiallari o'rtasidagi yuqori kimyoviy yaqinlik bilan bog'liq, shuning uchun barqaror moylash qatlami hosil bo'lishi mumkin.Shunday qilib, ifloslanishga qarshi ko'rsatkich saqlanib qoladi.Bundan tashqari, substrat plazmadagi vakillik oqsillari (albumin va fibrinogen), immun funktsiyasi bilan chambarchas bog'liq bo'lgan hujayralar (makrofaglar va fibroblastlar) va suyak shakllanishi bilan bog'liq bo'lganlarga nisbatan sinovdan o'tkazildi.Kaltsiyning tarkibi juda yuqori.(3D, 1 va 2-rasm va S7-rasm) (41, 42).Bundan tashqari, fibrinogen, albumin va kaltsiy uchun yopishqoqlik testining floresan mikroskop tasvirlari har bir substrat guruhining turli yopishish xususiyatlarini ko'rsatdi (S8-rasm).Suyak shakllanishi jarayonida yangi hosil bo'lgan suyak va kaltsiy qatlamlari ortopedik implantni o'rab olishi mumkin, bu nafaqat olib tashlashni qiyinlashtiradi, balki olib tashlash jarayonida bemorga kutilmagan zarar etkazishi mumkin.Shuning uchun suyak plitalari va vintlardagi past darajadagi kaltsiy konlari implantlarni olib tashlashni talab qiladigan ortopedik jarrohlik uchun foydalidir.Flüoresans intensivligi va hujayralar soni bo'yicha biriktirilgan maydonning miqdorini aniqlashga asoslanib, biz LOIS boshqa substratlar bilan solishtirganda barcha biologik moddalar uchun mukammal anti-biofouling xususiyatlarini ko'rsatishini tasdiqladik.In vitro tajribalari natijalariga ko'ra, anti-biologik ifloslanish LOIS ortopedik implantlarga qo'llanilishi mumkin, bu nafaqat biofilm bakteriyalari keltirib chiqaradigan infektsiyalarni inhibe qilishi, balki tananing faol immunitet tizimidan kelib chiqadigan yallig'lanishni ham kamaytiradi.
(A) Pseudomonas aeruginosa va MRSA suspenziyalarida 12 va 72 soat davomida inkubatsiya qilingan har bir guruhning (yalang'och, chizilgan, SHP va LOIS) floresan mikroskop tasvirlari.(B) Har bir guruh yuzasida Pseudomonas aeruginosa va MRSA yopishgan CFU soni.(C) SHP va LOIS qisqa muddatli va uzoq muddatli o'tlashning anti-biologik ifloslanish mexanizmining sxematik diagrammasi.(D) (1) Har bir substratga yopishtirilgan fibroblastlar soni va yalang'och va LOISga yopishtirilgan hujayralarning floresan mikroskop tasvirlari.(2) Suyakni davolash jarayonida ishtirok etadigan immunitetga bog'liq oqsillar, albumin va kaltsiyning adezyon testi (* P <0,05, ** P <0,01, *** P <0,001 va **** P <0,0001).ns, muhim emas.
Muqarrar ravishda konsentrlangan stresslar bo'lsa, mexanik chidamlilik har doim antifouling qoplamalarini qo'llash uchun asosiy muammo bo'lib kelgan.Kanalizatsiyaga qarshi an'anaviy gel usullari suvda eruvchanligi va mo'rtligi past bo'lgan polimerlarga asoslangan.Shuning uchun ular odatda biomedikal ilovalarda mexanik stressga sezgir.Shu sababli, mexanik jihatdan bardoshli antifouling qoplamalari ortopedik implantlar kabi ilovalar uchun qiyin bo'lib qolmoqda (43, 44).Shakl 4A (1) ortopedik implantlarga qo'llaniladigan ikkita asosiy stress turini, shu jumladan qisqichlar tomonidan ishlab chiqarilgan shikastlangan implantning optik tasviri bilan chizish (kesish stressi) va siqishni ko'rsatadi.Misol uchun, vintni tornavida bilan tortganda yoki jarroh suyak plastinkasini cımbız bilan mahkam ushlab, bosim kuchini qo'llasa, plastik suyak plastinkasi shikastlanadi va makro va mikro/nano shkalalarda tirnaladi (4A-rasm, 2) .Ishlab chiqarilgan LOIS plastik jarrohlik paytida ushbu zararlarga bardosh bera oladimi yoki yo'qligini tekshirish uchun mikro/nano tuzilmaning mexanik xususiyatlarini o'rganish uchun yalang'och substratning qattiqligini va LOISni mikro/nano miqyosda solishtirish uchun nanoindentatsiya amalga oshirildi (rasm) 4B).Sxematik diagrammada mikro/nano tuzilmalar mavjudligi sababli LOISning turli deformatsiyalari ko'rsatilgan.Nanoindentatsiya natijalariga ko'ra kuch-joy almashinuvi egri chizig'i chizilgan (4C-rasm).Moviy tasvir yalang'och substratni ifodalaydi, bu faqat engil deformatsiyani ko'rsatadi, bu 0,26 mkm maksimal chuqurlik chuqurligi bilan ko'rinadi.Boshqa tomondan, LOISda (qizil egri chiziq) kuzatilgan nanoindentatsiya kuchi va siljishining bosqichma-bosqich o'sishi mexanik xususiyatlarning pasayishi belgilarini ko'rsatishi mumkin, bu esa 1,61 mkm nanoindentatsiya chuqurligiga olib keladi.Buning sababi shundaki, LOISda mavjud bo'lgan mikro/nano tuzilma nanoindenterning uchi uchun chuqurroq bo'shliqni ta'minlaydi, shuning uchun uning deformatsiyasi yalang'och substratga qaraganda kattaroqdir.Konsta-Gdoutos va boshqalar.(45) nanostrukturalar mavjudligi tufayli nanoindentatsiya va mikro/nano pürüzlülük tartibsiz nanoindentatsiya egri chiziqlariga olib keladi, deb hisoblaydi.Soyali maydon nanostrukturaga tegishli tartibsiz deformatsiya egri chizig'iga to'g'ri keladi, soyali bo'lmagan maydon esa mikrotuzilmaga tegishli.Ushbu deformatsiya ushlab turuvchi moylash materialining mikro tuzilishi/nanostrukturasiga zarar etkazishi va uning ifloslanishga qarshi ishlashiga salbiy ta'sir ko'rsatishi mumkin.Zararning LOISga ta'sirini o'rganish uchun plastik jarrohlik paytida tanada mikro/nano tuzilmalarning muqarrar shikastlanishi takrorlandi.Qon va oqsillarni yopishish testlaridan foydalangan holda, in vitrodan keyin LOISning biofoulingga qarshi xususiyatlarining barqarorligini aniqlash mumkin (4D-rasm).Bir qator optik tasvirlar har bir substratning teshiklari yaqinida yuzaga kelgan zararni ko'rsatadi.Mexanik shikastlanishning biofoulingga qarshi qoplamaga ta'sirini ko'rsatish uchun qonning yopishqoqligi testi o'tkazildi (4E-rasm).SHP singari, ifloslanishga qarshi xususiyatlar zarar tufayli yo'qoladi va LOIS qonni qaytarish orqali mukammal ifloslanishga qarshi xususiyatlarni namoyish etadi.Buning sababi shundaki, sirt energiyasi shikastlangan hududni qoplaydigan kapillyar ta'sir orqali harakatga keltiriladi, mikro tuzilmali moylash moyidagi oqim ifloslanishga qarshi xususiyatlarni tiklaydi (35).Xuddi shu tendentsiya albumin yordamida oqsillarni yopishtirish testida ham kuzatildi.Zararlangan hududda SHP yuzasida oqsilning yopishishi keng tarqalgan bo'lib, uning hududini qoplashni o'lchash orqali uni yalang'och substratning yopishish darajasining yarmiga teng miqdorda aniqlash mumkin.Boshqa tomondan, LOIS o'zining anti-biofouling xususiyatlarini yopishqoqlikka olib kelmasdan saqlab qoldi (4-rasm, F va G).Bundan tashqari, vintning yuzasi ko'pincha burg'ulash kabi kuchli mexanik stressga duchor bo'ladi, shuning uchun biz LOIS qoplamasining vitro vitroda buzilmagan holda qolish qobiliyatini o'rgandik.4H-rasmda yalang'och, SHP va LOIS kabi turli xil vintlarning optik tasvirlari ko'rsatilgan.Qizil to'rtburchak suyak implantatsiyasi paytida kuchli mexanik stress paydo bo'ladigan maqsadli hududni ifodalaydi.Plastinkaning oqsil yopishish testiga o'xshab, kuchli mexanik stressda ham LOIS qoplamasining yaxlitligini isbotlash uchun oqsil yopishishini tasvirlash va qoplama maydonini o'lchash uchun floresan mikroskop ishlatiladi (4-rasm, I va J).LOIS bilan ishlov berilgan vintlar ifloslanishga qarshi mukammal ishlashga ega va deyarli hech qanday protein sirtga yopishmaydi.Boshqa tomondan, yalang'och vintlardek va SHP vintlarida oqsilning yopishishi kuzatildi, bu erda SHP vintlarining maydoni yalang'och vintlarning uchdan bir qismini tashkil etdi.Bundan tashqari, fiksatsiya uchun ishlatiladigan ortopedik implant, 4K-rasmda ko'rsatilganidek, singan joyga qo'llaniladigan stressga bardosh beradigan mexanik jihatdan mustahkam bo'lishi kerak.Shuning uchun kimyoviy modifikatsiyaning mexanik xususiyatlarga ta'sirini aniqlash uchun bükme testi o'tkazildi.Bundan tashqari, bu implantatsiyadan qattiq stressni saqlab qolish uchun amalga oshiriladi.Implant to'liq katlanmaguncha va kuchlanish-deformatsiya egri chizig'i olinmaguncha vertikal mexanik kuchni qo'llang (4L, 1-rasm).Yalang'och va LOIS tagliklari o'rtasida ularning mexanik mustahkamligi ko'rsatkichlari sifatida Young moduli va egilish kuchi kabi ikkita xususiyat taqqoslandi (4L, 2 va 3-rasm).Young moduli materialning mexanik o'zgarishlarga bardosh berish qobiliyatini ko'rsatadi.Har bir substratning Young moduli mos ravishda 41,48±1,01 va 40,06±0,96 GPa;kuzatilgan farq taxminan 3,4% ni tashkil qiladi.Bundan tashqari, ma'lum qilinishicha, materialning pishiqligini aniqlaydigan egilish kuchi yalang'och substrat uchun 102,34±1,51 GPa va SHP uchun 96,99±0,86 GPa.Yalang'och substrat taxminan 5,3% ga yuqori.Mexanik xususiyatlarning biroz pasayishi tishli effekt tufayli yuzaga kelishi mumkin.Teshik effektida mikro/nano pürüzlülük mahalliy stress kontsentratsiyasiga olib keladigan va implantning mexanik xususiyatlariga ta'sir qiluvchi choklar to'plami sifatida harakat qilishi mumkin (46).Biroq, inson kortikal suyagining qattiqligi 7,4 va 31,6 GPa oralig'ida ekanligi va o'lchangan LOIS moduli inson kortikal suyagidan (47) oshib ketishiga asoslanib, LOIS sinish va uning umumiy holatini qo'llab-quvvatlash uchun etarli. mexanik xususiyatlar sirt modifikatsiyasidan minimal darajada ta'sirlanadi.
(A) (1) operatsiya vaqtida ortopedik implantga qo'llaniladigan mexanik kuchlanishning sxematik diagrammasi va (2) shikastlangan ortopedik implantning optik tasviri.(B) Yalang'och yuzada nano-indentatsiya va LOIS orqali nano-mexanik xususiyatlarni o'lchashning sxematik diagrammasi.(C) Yalang'och sirt va LOISning nanoindentatsiya kuchi-o'zgartirish egri chizig'i.(D) In ​​vitro tajribalaridan so'ng, operatsiya vaqtida yuzaga keladigan mexanik kuchlanishni taqlid qilish uchun har xil turdagi ortopedik plitalarning optik tasvirlarini simulyatsiya qiling (zararlangan joy qizil to'rtburchaklar bilan ta'kidlangan).(E) Zararlangan ortopedik plastinka guruhining qonga yopishish testi va (F) oqsilga yopishish testi.(G) Plastinkaga yopishgan oqsilning qoplanishini o'lchang.(H) In vitro eksperimentdan so'ng har xil turdagi ortopedik vintlarning optik tasvirlari.(I) Turli qoplamalarning yaxlitligini o'rganish uchun oqsillarni yopishish testi.(J) Vintga yopishgan oqsilning qoplanishini o'lchang.(K) Quyonning harakati singan suyakda qattiq stress hosil qilish uchun mo'ljallangan.(L) (1) Bükme sinovi natijalari va optik tasvirlar egilishdan oldin va keyin.Yalang'och implant va SHP o'rtasidagi (2) Young moduli va (3) egilish kuchidagi farq.Ma'lumotlar o'rtacha ± SD (*P<0,05, **P<0,01, ***P<0,001 va ****P<0,0001) sifatida ifodalanadi.Tasvir uchun: Kyomin Chae, Yonsey universiteti.
Klinik holatlarda bakteriyaning biologik materiallar va jarohat joylari bilan aloqasi etuk, etuk biofilmlardan kelib chiqadi (48).Shuning uchun AQSh Kasalliklarni nazorat qilish va oldini olish markazlarining hisob-kitoblariga ko'ra, inson infektsiyalarining 65% biofilmlar bilan bog'liq (49).Bunday holda, implant yuzasida izchil biofilm shakllanishini ta'minlaydigan in vivo eksperimental dizaynni ta'minlash kerak.Shuning uchun biz quyon femurining sinishi modelini ishlab chiqdik, unda ortopedik implantlar bakterial suspenziyada oldindan inkubatsiya qilingan va keyin LOIS ning ifloslanishga qarshi xususiyatlarini o'rganish uchun quyon femurlariga implantatsiya qilingan.Quyidagi uchta muhim fakt tufayli bakterial infektsiyalar bakterial suspenziyalarni to'g'ridan-to'g'ri in'ektsiya qilishdan ko'ra, oldindan ekish orqali qo'zg'atiladi: (i) quyonlarning immun tizimi tabiiy ravishda odamlarnikiga qaraganda kuchliroqdir;shuning uchun bakterial suspenziyalar va planktonik bakteriyalarni in'ektsiya qilish mumkin Bu biofilmlarning shakllanishiga ta'sir qilmaydi.(Ii) Planktonik bakteriyalar antibiotiklarga ko'proq moyil bo'lib, antibiotiklar odatda operatsiyadan keyin qo'llaniladi;nihoyat, (iii) planktonik bakteriyalar suspenziyasi hayvonning tana suyuqliklari bilan suyultirilishi mumkin (50).Implantatsiyadan oldin bakterial suspenziyada implantatsiyani oldindan o'stirish orqali biz bakterial infektsiya va begona jism reaktsiyasining (FBR) suyakning tiklanish jarayoniga zararli ta'sirini yaxshilab o'rganishimiz mumkin.Quyonlar implantatsiyadan 4 hafta o'tgach qurbon qilindi, chunki suyakning tiklanish jarayoni uchun zarur bo'lgan osseointegratsiya 4 hafta ichida yakunlanadi.Keyin quyi oqimlarni o'rganish uchun quyonlardan implantlar olib tashlandi.5A-rasmda bakteriyalarning ko'payish mexanizmi ko'rsatilgan.Infektsiyalangan ortopedik implant tanaga kiritiladi.Bakterial suspenziyada oldindan inkubatsiya qilish natijasida yalang'och implantlar o'rnatilgan oltita quyondan oltitasi infektsiyalangan, LOIS bilan davolash qilingan implantlar o'rnatilgan quyonlarning hech biri infektsiyalanmagan.Bakterial infektsiyalar o'sish, etilish va tarqalish kabi uch bosqichda davom etadi (51).Birinchidan, biriktirilgan bakteriyalar ko'payadi va sirtda o'sadi, so'ngra bakteriyalar hujayradan tashqari polimer (EPS), amiloid va hujayradan tashqari DNKni chiqarib yuborganda biofilm hosil qiladi.Biofilm nafaqat antibiotiklarning kirib borishiga to'sqinlik qiladi, balki antibiotiklarni parchalovchi fermentlarning (masalan, b-laktamaza) to'planishiga yordam beradi (52).Nihoyat, biofilm etuk bakteriyalarni atrofdagi to'qimalarga tarqatadi.Shuning uchun infektsiya paydo bo'ladi.Bundan tashqari, begona jism tanaga kirganda, kuchli immunitet reaktsiyasini keltirib chiqaradigan infektsiya kuchli yallig'lanish, og'riq va immunitetning pasayishiga olib kelishi mumkin.5B-rasmda bakterial infektsiyadan kelib chiqqan immunitet reaktsiyasi emas, balki ortopedik implant qo'yish natijasida yuzaga kelgan FBR haqida umumiy ma'lumot berilgan.Immun tizimi o'rnatilgan implantni begona jism sifatida tan oladi va keyin hujayralar va to'qimalarning begona jismni o'rab olish uchun reaksiyaga kirishishiga sabab bo'ladi (53).FBR ning dastlabki kunlarida ortopedik implantlar yuzasida ta'minot matritsasi hosil bo'ldi, bu fibrinogenning adsorbsiyasiga olib keldi.Keyin adsorbsiyalangan fibrinogen juda zich fibrin tarmog'ini hosil qiladi, bu esa leykotsitlarning biriktirilishiga yordam beradi (54).Fibrin tarmog'i hosil bo'lgach, neytrofillarning infiltratsiyasi tufayli o'tkir yallig'lanish paydo bo'ladi.Ushbu bosqichda o'simta nekrozi omil-a (TNF-a), interleykin-4 (IL-4) va IL-b kabi turli xil sitokinlar ajralib chiqadi va monositlar implantatsiya joyiga infiltratsiya qila boshlaydi va gigant hujayralarga differensiyalanadi.Fag (41, 55, 56).FBRni kamaytirish har doim qiyin bo'lgan, chunki haddan tashqari FBR o'tkir va surunkali yallig'lanishni keltirib chiqarishi mumkin, bu esa o'limga olib keladigan asoratlarni keltirib chiqarishi mumkin.Yalang'och implant va LOIS atrofidagi to'qimalarga bakterial infektsiyalarning ta'sirini baholash uchun gematoksilin va eozin (H&E) va Masson trikromi (MT) bo'yalgan.Yalang'och substratlar bilan implantatsiya qilingan quyonlar uchun og'ir bakterial infektsiyalar rivojlandi va H&E to'qimalarining slaydlarida yallig'lanish natijasida kelib chiqqan xo'ppozlar va nekroz aniq ko'rsatildi.Boshqa tomondan, juda kuchli anti-biofouling yuzasi LOIS bakteriya yopishishini inhibe qiladi, shuning uchun u infektsiya belgilarini ko'rsatmaydi va yallig'lanishni kamaytiradi (5C-rasm).MT bo'yash natijalari bir xil tendentsiyani ko'rsatdi.Biroq, MT bo'yash, shuningdek, LOIS bilan implantatsiya qilingan quyonlarda shish paydo bo'lishini ko'rsatdi, bu tiklanish sodir bo'lishini ko'rsatadi (5D-rasm).Immunitet reaktsiyasi darajasini o'rganish uchun immunogistokimyoviy (IHC) bo'yash immun javob bilan bog'liq TNF-a va IL-6 sitokinlari yordamida amalga oshirildi.Bakteriyalarga duchor bo'lmagan yalang'och salbiy implant bakterial infektsiya bo'lmaganda shifo jarayonini o'rganish uchun bakteriyalarga duchor bo'lgan, ammo infektsiyalanmagan LOIS bilan taqqoslandi.5E-rasmda TNF-a ni ifodalovchi IHC slaydning optik tasviri ko'rsatilgan.Jigarrang maydon immun javobini ifodalaydi, bu LOISda immunitetning biroz pasayganligini ko'rsatadi.Bundan tashqari, LOISda IL-6 ifodasi steril yalang'ochning salbiy ifodasidan sezilarli darajada kamroq edi (5F-rasm).Sitokinning ifodasi sitokinga mos keladigan antikorlarning bo'yalishi maydonini o'lchash orqali aniqlandi (5G-rasm).Salbiy implantlarga duchor bo'lgan quyonlarga nisbatan, LOIS bilan implantatsiya qilingan quyonlarning ifoda darajalari pastroq bo'lib, sezilarli farqni ko'rsatdi.Sitokin ekspressiyasining pasayishi shuni ko'rsatadiki, LOISning uzoq muddatli, barqaror ifloslanishga qarshi xususiyatlari nafaqat bakterial infektsiyalarni inhibe qilish, balki substratga yopishgan makrofaglar tomonidan qo'zg'atilgan FBR ning pasayishi bilan ham bog'liq (53, 57 , 58).Shu sababli, LOISning immunitetdan qochish xususiyatlari tufayli immunitetning pasayishi implantatsiyadan keyingi nojo'ya ta'sirlarni, masalan, plastik jarrohlikdan keyin ortiqcha immunitet reaktsiyasini hal qilishi mumkin.
(A) Infektsiyalangan ortopedik implant yuzasida biofilm hosil bo'lish va tarqalish mexanizmining sxematik diagrammasi.eDNK, hujayradan tashqari DNK.(B) Ortopedik implant qo'yilgandan keyin immunitet reaktsiyasining sxematik diagrammasi.(C) H&E bo'yash va (D) ortopedik implantlarning atrofdagi to'qimalarini yalang'och musbat va LOIS bilan MT bo'yash.Immunitet bilan bog'liq sitokinlarning IHC (E) TNF-a va (F) IL-6 yalang'och-salbiy va LOIS-implantatsiya qilingan quyonlarning bo'yalgan tasvirlari.(G) Hududni qoplash o'lchovi bo'yicha sitokin ifodasini miqdoriy aniqlash (** P <0,01).
LOISning biologik mosligi va uning suyaklarni davolash jarayoniga ta'siri diagnostik ko'rish [rentgen va mikro-kompyuterli tomografiya (KT)] va osteoklast IHC yordamida in vivo jonli ravishda tekshirildi.Shakl 6A uchta turli bosqichlarni o'z ichiga olgan suyaklarni davolash jarayonini ko'rsatadi: yallig'lanish, tuzatish va qayta qurish.Singan bo'lsa, yallig'lanish hujayralari va fibroblastlar singan suyakka kirib, tomir to'qimalariga o'sishni boshlaydi.Ta'mirlash bosqichida qon tomir to'qimalarining o'sishi singan joy yaqinida tarqaladi.Qon tomir to'qimalari kallus deb ataladigan yangi suyakning shakllanishi uchun ozuqa moddalarini beradi.Suyakni davolash jarayonining yakuniy bosqichi - qayta qurish bosqichi bo'lib, unda faollashtirilgan osteoklastlar darajasining oshishi yordamida kallusning o'lchami oddiy suyak hajmiga kamayadi (59).Har bir guruhda kallus hosil bo'lish darajasidagi farqlarni kuzatish uchun mikro-KT yordamida singan joyni uch o'lchovli (3D) rekonstruksiya qilish amalga oshirildi.Singan suyakni o'rab turgan kallusning qalinligini kuzatish uchun son suyagining ko'ndalang kesimini kuzating (6-rasm, B va C).X-nurlari, shuningdek, har haftada har bir guruhdagi suyak regeneratsiyasining turli jarayonlarini kuzatish uchun barcha guruhlarning sinish joylarini tekshirish uchun ishlatilgan (S9-rasm).Kallus va etuk suyaklar mos ravishda ko'k / yashil va fil suyagida ko'rsatilgan.Ko'pgina yumshoq to'qimalar oldindan belgilangan chegara bilan filtrlanadi.Yalang'och musbat va SHP sinish joyi atrofida kichik miqdordagi kallus shakllanishini tasdiqladi.Boshqa tomondan, LOISning ochiq salbiy qismi va sinish joyi qalin kallus bilan o'ralgan.Mikro-KT tasvirlari kallusning shakllanishiga bakterial infektsiya va infektsiya bilan bog'liq yallig'lanish to'sqinlik qilganligini ko'rsatdi.Buning sababi shundaki, immunitet tizimi suyaklarni tiklashdan ko'ra, infektsiya bilan bog'liq yallig'lanish natijasida kelib chiqqan septik jarohatlarni davolashni birinchi o'ringa qo'yadi (60).Osteoklast faolligi va suyak rezorbsiyasini kuzatish uchun IHC va tartratga chidamli kislota fosfataza (TRAP) bo'yalgan (61-rasm).Yalang'och musbat va SHPda binafsha rangga bo'yalgan faqat bir nechta faollashtirilgan osteoklastlar topilgan.Boshqa tomondan, LOISning yalang'och musbat va etuk suyaklari yaqinida ko'plab faollashtirilgan osteoklastlar kuzatilgan.Bu hodisa osteoklastlar mavjudligida singan joy atrofidagi kallusning shiddatli qayta qurish jarayonidan o'tishini ko'rsatadi (62).Mikro-KT tekshiruvi va IHC natijalarini aniqlash uchun barcha guruhlarda singan joy atrofida kallus hosil bo'lish darajasini solishtirish uchun suyak hajmi va kallusning osteoklast ifodalash maydoni o'lchandi (6E, 1 va 2-rasm).Kutilganidek, LOISda yalang'och negativlar va kallus shakllanishi boshqa guruhlarga qaraganda sezilarli darajada yuqori bo'lib, bu suyakning ijobiy qayta tuzilishi sodir bo'lganligini ko'rsatadi (63).S10-rasmda jarrohlik joyining optik tasviri, vint yaqinida to'plangan to'qimalarning MT bo'yash natijasi va vint-suyak interfeysini ta'kidlaydigan TRAP binoni natijasi ko'rsatilgan.Yalang'och substratda kuchli kallus va fibroz shakllanishi kuzatildi, LOIS bilan ishlov berilgan implant nisbatan yopishmagan sirtni ko'rsatdi.Xuddi shunday, yalang'och negativlar bilan solishtirganda, oq o'qlar bilan ko'rsatilgandek, LOIS bilan implantatsiya qilingan quyonlarda pastki fibroz kuzatildi.Bundan tashqari, qattiq shish (ko'k o'q) LOISning immunitetdan qochish xususiyatlariga bog'liq bo'lishi mumkin va shu bilan og'ir yallig'lanishni kamaytiradi.Implant atrofidagi yopishmaydigan sirt va fibrozning kamayishi olib tashlash jarayonining osonroq ekanligini ko'rsatadi, bu odatda boshqa yoriqlar yoki yallig'lanishlarga olib keladi.Vintni olib tashlangandan so'ng suyakning tiklanish jarayoni vint-suyak interfeysidagi osteoklast faolligi bilan baholandi.Yalang'och suyak va LOIS implant interfeysi suyakning keyingi tiklanishi uchun bir xil darajadagi osteoklastlarni o'zlashtirdi, bu LOIS qoplamasi suyakning tiklanishiga yoki immunitetga salbiy ta'sir ko'rsatmasligini ko'rsatadi.LOISda amalga oshirilgan sirt modifikatsiyasi suyaklarni davolash jarayoniga xalaqit bermasligini tasdiqlash uchun quyonlarning suyaklarini davolashni ta'sirlangan salbiy ionlar va 6 haftalik LOIS implantatsiyasi bilan solishtirish uchun rentgen tekshiruvi o'tkazildi (6F-rasm).Natijalar shuni ko'rsatdiki, infektsiyalanmagan yalang'och musbat guruh bilan solishtirganda, LOIS bir xil darajada suyak shifo ko'rsatdi va ikkala guruhda ham sinishning aniq belgilari (doimiy osteoliz chizig'i) yo'q.
(A) Singandan keyin suyakning tiklanish jarayonining sxematik diagrammasi.(B) Har bir sirt guruhining kallus hosil bo'lish darajasidagi farq va (C) singan joyning kesma tasviri.(D) Osteoklast faolligi va suyak rezorbsiyasini ko'rish uchun TRAP bo'yash.TRAP faoliyatiga asoslanib, kortikal suyakning tashqi kallusining shakllanishi (E) (1) mikro-KT va (2) osteoklast faolligi bilan miqdoriy tahlil qilindi.(F) Implantatsiyadan 6 hafta o'tgach, ochilgan salbiy (qizil chiziqli to'rtburchaklar bilan ta'kidlangan) va LOIS (ko'k chiziqli to'rtburchaklar bilan ta'kidlangan) singan suyagining rentgen tasvirlari.Statistik tahlil dispersiyaning bir tomonlama tahlili (ANOVA) orqali amalga oshirildi.* P <0,05.** P <0,01.
Muxtasar qilib aytganda, LOIS antibakterial infektsiya strategiyasining yangi turini va ortopedik implantlar uchun immunitetdan qochish qoplamasini taqdim etadi.SHP funksionalizatsiyasi bilan an'anaviy ortopedik implantlar qisqa muddatli anti-biofouling xususiyatlarini namoyish etadi, lekin uzoq vaqt davomida o'z xususiyatlarini saqlab qololmaydi.Substratning superhidrofobikligi bakteriyalar va substrat o'rtasida havo pufakchalarini ushlab turadi va shu bilan havo cho'ntaklarini hosil qiladi va shu bilan bakterial infektsiyani oldini oladi.Biroq, havoning tarqalishi tufayli bu havo cho'ntaklari osongina chiqariladi.Boshqa tomondan, LOIS biofilm bilan bog'liq infektsiyalarning oldini olish qobiliyatini yaxshi isbotladi.Shu sababli, qatlamli mikro/nano tuzilish yuzasiga AOK qilingan moylash qatlamining rad etishga qarshi xususiyatlari tufayli infektsiya bilan bog'liq yallig'lanishning oldini olish mumkin.LOIS ishlab chiqarish sharoitlarini optimallashtirish uchun SEM, AFM, XPS va CA o'lchovlarini o'z ichiga olgan turli tavsiflash usullari qo'llaniladi.Bundan tashqari, LOIS PLGA, Ti, PE, POM va PPSU kabi ortopedik fiksaj uskunalarida keng tarqalgan bo'lib qo'llaniladigan turli xil biologik materiallarga ham qo'llanilishi mumkin.Keyin, LOIS immun javob bilan bog'liq bakteriyalar va biologik moddalarga qarshi biofouling xususiyatlarini isbotlash uchun in vitro sinovdan o'tkazildi.Natijalar shuni ko'rsatadiki, u yalang'och implantga nisbatan mukammal antibakterial va anti-biofouling ta'siriga ega.Bundan tashqari, LOIS mexanik kuchlanishni qo'llashdan keyin ham mexanik kuchni ko'rsatadi, bu plastik jarrohlikda muqarrar.Mikro/nano strukturaning yuzasida moylash materialining o'z-o'zini davolash xususiyatlari tufayli LOIS o'zining anti-biologik ifloslanish xususiyatlarini muvaffaqiyatli saqlab qoldi.LOISning biologik mosligi va antibakterial xususiyatlarini in vivo o'rganish uchun LOIS quyon son suyagiga 4 hafta davomida implantatsiya qilindi.LOIS implantatsiya qilingan quyonlarda bakterial infeksiya kuzatilmadi.Bundan tashqari, IHC dan foydalanish mahalliy immunitetning pasayishi darajasini ko'rsatdi, bu LOIS suyaklarni davolash jarayonini inhibe qilmasligini ko'rsatadi.LOIS mukammal antibakterial va immunitetdan qochish xususiyatlarini namoyish etadi va ortopedik jarrohlikdan oldin va davomida, ayniqsa suyak sintezi uchun biofilm shakllanishining samarali oldini olishi isbotlangan.Quyon suyak iligining yallig'lanishli femur sinishi modelidan foydalangan holda, biofilm bilan bog'liq infektsiyalarning oldindan inkubatsiya qilingan implantlar tomonidan qo'zg'atilgan suyakni davolash jarayoniga ta'siri chuqur o'rganildi.Kelajakdagi tadqiqot sifatida, butun shifo jarayonida biofilm bilan bog'liq infektsiyalarni to'liq tushunish va oldini olish uchun implantatsiyadan keyin mumkin bo'lgan infektsiyalarni o'rganish uchun yangi in vivo modeli kerak.Bundan tashqari, osteoinduksiya LOIS bilan integratsiyada hali ham hal qilinmagan muammodir.Qiyinchilikni yengish uchun osteoinduktiv hujayralar yoki regenerativ tibbiyotning LOIS bilan selektiv yopishishini birlashtirish uchun qo'shimcha tadqiqotlar talab etiladi.Umuman olganda, LOIS mexanik mustahkamlik va mukammal anti-biofouling xususiyatlarga ega istiqbolli ortopedik implant qoplamasini ifodalaydi, bu SSI va immun yon ta'sirini kamaytiradi.
15 mm x 15 mm x 1 mm 304 SS substratni (Dong Kang M-Tech Co., Koreya) ifloslantiruvchi moddalarni olib tashlash uchun aseton, EtOH va DI suvida 15 daqiqa davomida yuving.Sirtda mikro/nano darajadagi struktura hosil qilish uchun tozalangan substrat 48% dan 51% gacha bo'lgan HF eritmasiga (DUKSAN Corp., Janubiy Koreya) 50 ° C haroratda botiriladi.O'rnatish vaqti 0 dan 60 minutgacha o'zgarib turadi.Keyin, o'yilgan substrat deionizatsiyalangan suv bilan tozalandi va sirtda xrom oksidi passivatsiya qatlamini hosil qilish uchun 30 daqiqa davomida 50 ° C da 65% HNO3 (Korea DUKSAN Corp.) eritmasiga joylashtirildi.Passivatsiyadan so'ng, substrat deionizatsiyalangan suv bilan yuviladi va qatlamli tuzilishga ega bo'lgan substratni olish uchun quritiladi.Keyinchalik, substrat kislorod plazmasiga (100 Vt, 3 daqiqa) ta'sir qildi va darhol xona haroratida 8,88 mM POTS (Sigma-Aldrich, Germaniya) eritmasiga 12 soat davomida toluolga botirildi.Keyin, POTS bilan qoplangan substrat EtOH bilan tozalandi va zich POTS SAM olish uchun 150 ° C da 2 soat davomida tavlandi.SAM qoplamasidan so'ng, yuklash hajmi 20 mkm / sm 2 bo'lgan perfluoropolieter moylash vositasini (Krytox 101; DuPont, AQSh) qo'llash orqali substratda moylash qatlami hosil bo'ldi. Ishlatishdan oldin moyni 0,2 mikronli filtrdan filtrlang.15 daqiqa davomida 45 ° burchak ostida burish orqali ortiqcha yog'ni olib tashlang.Xuddi shu ishlab chiqarish usuli 304 SS (qulflash plitasi va kortikal qulflash vinti; Dong Kang M-Tech Co., Koreya) dan tayyorlangan ortopedik implantlar uchun ishlatilgan.Barcha ortopedik implantlar quyon femurining geometriyasiga mos ravishda ishlab chiqilgan.
Substrat va ortopedik implantlarning sirt morfologiyasi dala emissiyasi SEM (Inspect F50, FEI, AQSh) va AFM (XE-100, Park Systems, Janubiy Koreya) tomonidan tekshirildi.Sirt pürüzlülüğü (Ra, Rq) 20 mkm maydonni 20 mkm (n = 4) ga ko'paytirish orqali o'lchanadi.Sirt kimyoviy tarkibini tahlil qilish uchun nuqta o'lchami 100 mkm2 bo'lgan Al Ka ​​rentgen manbasi bilan jihozlangan XPS (PHI 5000 VersaProbe, ULVAC PHI, Yaponiya) tizimi ishlatilgan.Suyuq CA va SA ni o'lchash uchun dinamik tasvirni olish kamerasi (SmartDrop, FEMTOBIOMED, ​​Janubiy Koreya) bilan jihozlangan CA o'lchash tizimi ishlatilgan.Har bir o'lchov uchun CA ni o'lchash uchun sirtga 6 dan 10 mkl gacha tomchilar (deionizatsiyalangan suv, ot qoni, EG, 30% etanol va HD) joylashtiriladi.Substratning moyillik burchagi 2 ° / s (n = 4) tezlikda oshganda, SA tomchi tushganda o'lchanadi.
Pseudomonas aeruginosa [American Type Culture Collection (ATCC) 27853] va MRSA (ATCC 25923) ATCC (Manassas, Virjiniya, AQSh) dan sotib olindi va stok madaniyati -80°C da saqlangan.Foydalanishdan oldin muzlatilgan madaniyat tripsin bilan eritilgan soya bulonida (Komed, Koreya) 18 soat davomida 37 ° C da inkubatsiya qilindi va keyin uni faollashtirish uchun ikki marta o'tkazildi.Inkubatsiyadan so'ng, madaniyat 10000 rpm tezlikda 10 daqiqa davomida 4 ° C da santrifüj qilindi va ikki marta PBS (pH 7.3) eritmasi bilan yuvildi.Keyin santrifüjlangan kultura qonli agar plastinkalarida (BAP) subkulturalanadi.MRSA va Pseudomonas aeruginosa bir kechada tayyorlandi va Luria-Bertani bulonida yetishtirildi.Emlashdagi Pseudomonas aeruginosa va MRSA kontsentratsiyasi agarda ketma-ket suyultirilgan suspenziyaning CFU tomonidan miqdoriy jihatdan aniqlangan.Keyin bakteriya konsentratsiyasini 0,5 McFarland standartiga moslang, bu 108 CFU / ml ga teng.Keyin ishlaydigan bakterial suspenziyani 100 marta 106 CFU / ml ga suyultiring.Antibakterial yopishqoqlik xususiyatlarini tekshirish uchun substrat foydalanishdan oldin 15 daqiqa davomida 121 ° C da sterilizatsiya qilingan.Keyin substrat 25 ml bakterial suspenziyaga o'tkazildi va 12 va 72 soat davomida kuchli silkitish (200 rpm) bilan 37 ° C da inkubatsiya qilindi.Inkubatsiyadan so'ng, har bir substrat inkubatordan chiqarildi va sirtdagi suzuvchi bakteriyalarni olib tashlash uchun PBS bilan 3 marta yuvildi.Substratdagi biofilmni kuzatish uchun biofilm metanol bilan mahkamlangan va 2 daqiqa davomida 1 ml krimidin apelsin bilan bo'yalgan.Keyin floresan mikroskop (BX51TR, Olympus, Yaponiya) bo'yalgan biofilmni suratga olish uchun ishlatilgan.Substratdagi biofilm miqdorini aniqlash uchun biriktirilgan hujayralar boncuk vorteks usuli bilan substratdan ajratilgan, bu biriktirilgan bakteriyalarni olib tashlashning eng mos usuli hisoblanadi (n = 4).Steril forseps yordamida substratni o'sish muhitidan olib tashlang va ortiqcha suyuqlikni olib tashlash uchun quduq plastinkasiga teging.Erkin biriktirilgan hujayralar steril PBS bilan ikki marta yuvish yo'li bilan olib tashlandi.Keyin har bir substrat 9 ml 0,1% protein ept fiziologik eritmasi (PSW) va 2 g 20 dan 25 gacha steril shisha boncuklar (diametri 0,4 dan 0,5 mm) o'z ichiga olgan steril probirkaga o'tkazildi.Keyin namunadan hujayralarni ajratish uchun 3 daqiqa davomida vortekslangan.Vorteksdan so'ng suspenziya ketma-ket 0,1% PSW bilan 10 marta suyultirildi, so'ngra har bir suyultirishdan 0,1 ml BAPga emlandi.37 ° C da 24 soat inkubatsiyadan so'ng, CFU qo'lda hisoblangan.
Hujayralar uchun sichqon fibroblastlari NIH/3T3 (CRL-1658; American ATCC) va sichqoncha makrofaglari RAW 264,7 (TIB-71; American ATCC) ishlatilgan.Sichqoncha fibroblastlarini etishtirish uchun Dulbecco modifikatsiyalangan Eagle muhitidan (DMEM; LM001-05, Welgene, Koreya) foydalaning va 10% buzoq zardobi (S103-01, Welgene) va 1% penitsillin-streptomitsin (PS; LS202-02, Welgene) bilan qo'shing. 10% homila zardobi (S001-01, Welgene) va 1% PS bilan to'ldirilgan sichqonchani makrofaglarini etishtirish uchun DMEM dan foydalaning. Hujayralar bir kechada 37 ° C va 5% CO2 da inkubatsiya qilindi, hujayralar bo'yash uchun 20 daqiqa davomida 4% paraformaldegid bilan fiksatsiya qilindi va 50 nM tetrametilrodaminga botiriladigan 0,5% Triton X inkubatsiyaga joylashtirildi 37 ° C da 30 daqiqa davomida inkubatsiya jarayonidan so'ng, 4′,6-diamino-2-fenilindol (H -1200, Vector Laboratories, Buyuk Britaniya) VECTASHIELD fiksatsiya muhiti (har bir hujayra uchun n = 4) bilan substratdan foydalaning , fluorescein, fluorescein izotiosiyanat-albumin (A9771, Sigma-Aldrich, Germaniya) va inson plazmasi Alexa Fluor 488-konjugatsiyalangan fibrinogen (F13191, Invitrogen, AQSh) PBS (10 mM, pH 74) da eritildi.Albumin va fibrinogen kontsentratsiyasi mos ravishda 1 va 150 mkg/ml ni tashkil etdi.Substratdan keyin Protein eritmasiga botirishdan oldin, sirtni qayta tiklash uchun ularni PBS bilan yuvib tashlang.Keyin barcha substratlarni oqsil eritmasi bo'lgan olti teshikli plastinkaga botiring va 37 ° C da 30 va 90 daqiqa davomida inkubatsiya qiling.Inkubatsiyadan so'ng, substrat oqsil eritmasidan chiqarildi, PBS bilan 3 marta yumshoq yuvildi va 4% paraformaldegid bilan mahkamlandi (har bir protein uchun n = 4).Kaltsiy uchun natriy xlorid (0,21 M) va kaliy fosfat (3,77 mM) ) deionizatsiyalangan suvda eritildi.Eritmaning pH qiymati gidroxlorid eritmasi (1M) qo'shilishi bilan 2,0 ga o'rnatildi.Keyin eritmada kaltsiy xlorid (5,62 mM) eritildi.1M tris(gidroksimetil)-amino qo'shilishi bilan metan eritmaning pH qiymatini 7,4 ga moslashtiradi.Barcha substratlarni 1,5 × kaltsiy fosfat eritmasi bilan to'ldirilgan olti quduqli plastinkaga botiring va 30 daqiqadan so'ng eritmadan olib tashlang.Bo'yash uchun 2 g Alizarin Red S (CI 58005) 100 ml deionizatsiyalangan suv bilan aralashtiriladi.Keyin pH ni 4 ga moslashtirish uchun 10% ammoniy gidroksiddan foydalaning. Substratni Alizarin Red eritmasi bilan 5 daqiqa davomida bo'yab turing, so'ngra ortiqcha bo'yoqni silkitib, quriting.Chayqash jarayonidan so'ng, substratni olib tashlang.Material suvsizlanadi, keyin 5 daqiqa davomida asetonga botiriladi, so'ngra 5 daqiqa davomida aseton-ksilen (1: 1) eritmasiga botiriladi va oxirida ksilen bilan yuviladi (n = 4).×10 va ×20 ob'ektivli lyuminestsent mikroskop (Axio Imager) ishlatiladi..A2m, Zeiss, Germaniya) barcha substratlarni tasvirlaydi.ImageJ/FIJI (https://imagej.nih.gov/ij/) to'rt xil tasvirlash sohasining har bir guruhida biologik moddalarning yopishish ma'lumotlarini miqdoriy aniqlash uchun ishlatilgan.Substratni taqqoslash uchun barcha tasvirlarni belgilangan chegaralar bilan ikkilik tasvirlarga aylantiring.
Ko'zgu rejimida PBSdagi moylash qatlamining barqarorligini kuzatish uchun Zeiss LSM 700 konfokal mikroskopi ishlatilgan.Ftor asosidagi SAM bilan qoplangan, AOK qilingan moylash qatlamiga ega shisha namunasi PBS eritmasiga botirildi va engil silkitish sharoitida (120 rpm) orbital shaker (SHO-1D; Daihan Scientific, Janubiy Koreya) yordamida sinovdan o'tkazildi.Keyin namuna oling va aks ettirilgan yorug'likning yo'qolishini o'lchash orqali moylash materialining yo'qolishini kuzating.Ko'zgu rejimida floresan tasvirlarni olish uchun namuna 633 nm lazerga ta'sir qiladi va keyin to'planadi, chunki yorug'lik namunadan qaytariladi.Namunalar 0, 30, 60 va 120 soatlik vaqt oralig'ida o'lchandi.
Sirtni modifikatsiyalash jarayonining ortopedik implantlarning nanomexanik xususiyatlariga ta'sirini aniqlash uchun nanoindendionni o'lchash uchun uch tomonlama piramida shaklidagi Berkovich olmos uchi bilan jihozlangan nanoindenter (TI 950 TriboIndenter, Hysitron, AQSh) ishlatilgan.Eng yuqori yuk 10 mN va maydoni 100 mx 100 mkm.Barcha o'lchovlar uchun yuklash va tushirish vaqti 10 s, eng yuqori chuqurlikdagi yuk ostida ushlab turish vaqti esa 2 s.Besh xil joydan o'lchovlarni oling va o'rtachani oling.Yuk ostida mexanik mustahkamlik ko'rsatkichlarini baholash uchun universal sinov mashinasi (Instron 5966, Instron, AQSh) yordamida ko'ndalang uch nuqtali egilish sinovi o'tkazildi.Substrat ortib borayotgan yuk bilan 10 N / s doimiy tezlikda siqiladi.Bluehill Universal dasturiy ta'minot dasturi (n = 3) egilish moduli va maksimal bosim kuchlanishini hisoblash uchun ishlatilgan.
Operatsiya jarayonini va operatsiya davomida etkazilgan mexanik shikastlanishni taqlid qilish uchun operatsiya jarayoni in vitroda amalga oshirildi.Femurlar qatl etilgan Yangi Zelandiya oq quyonlaridan olingan.Femur tozalandi va 1 hafta davomida 4% paraformaldegidda mahkamlandi.Hayvonlar tajribasi usulida ta'riflanganidek, qo'zg'almas son suyagi jarrohlik yo'li bilan operatsiya qilindi.Operatsiyadan so'ng, mexanik shikastlanish qo'llanilgandan so'ng qon yopishishlari paydo bo'lganligini tasdiqlash uchun ortopedik implant 10 soniya davomida qonga (ot qoni, KISAN, Koreya) botirildi (n = 3).
Jami 24 ta erkak Yangi Zelandiya oq quyonlari (vazni 3,0 dan 3,5 kg gacha, o'rtacha yoshi 6 oy) tasodifiy ravishda to'rt guruhga bo'lingan: yalang'och salbiy, yalang'och musbat, SHP va LOIS.Hayvonlar bilan bog'liq barcha protseduralar Hayvonlarni parvarish qilish va ulardan foydalanish institutsional qo'mitasining axloqiy me'yorlariga muvofiq amalga oshirildi (IACUC tasdiqlangan, KOREA-2017-0159).Ortopedik implant singanlarni mahkamlash uchun besh teshikli (uzunligi 41 mm, kengligi 7 mm va qalinligi 2 mm) va kortikal qulflash vintlari (uzunligi 12 mm, diametri 2,7 mm) bo'lgan qulflash plastinkasidan iborat.Yalang'och-salbiy guruhda ishlatiladigan plitalar va vintlar bundan mustasno, barcha plitalar va vintlar MRSA suspenziyasida (106 CFU/ml) 12 soat davomida inkubatsiya qilindi.Yalang'och-salbiy guruh (n = 6) bakterial suspenziyaga ta'sir qilmasdan, infektsiya uchun salbiy nazorat sifatida yalang'och sirt implantlari bilan davolandi.Yalang'och musbat guruh (n = 6) infektsiya uchun ijobiy nazorat sifatida bakteriyalarga duchor bo'lgan yalang'och sirt implanti bilan davolandi.SHP guruhi (n = 6) bakterial ta'sir ko'rsatadigan SHP implantlari bilan davolandi.Nihoyat, LOIS guruhi bakterial ta'sir ko'rsatadigan LOIS implantlari bilan davolandi (n = 6).Barcha hayvonlar qafasda saqlanadi, ko'p miqdorda oziq-ovqat va suv beriladi.Operatsiyadan oldin quyonlar 12 soat davomida och qoldirilgan.Hayvonlar mushak ichiga ksilazin (5 mg / kg) va indüksiyon uchun paklitaksel (3 mg / kg) tomir ichiga yuborish orqali behushlik qilindi.Shundan so'ng, behushlikni saqlab qolish uchun nafas olish tizimi orqali 2% izofluran va 50% dan 70% gacha tibbiy kislorod (oqim tezligi 2 L / min) yuboring.U lateral femurga to'g'ridan-to'g'ri yondashuv orqali implantatsiya qilinadi.Sochni olib tashlash va terini povidon-yod bilan dezinfeksiya qilishdan so'ng, chap o'rta son suyagining tashqi tomonida taxminan 6 sm uzunlikdagi kesma qilingan.Femurni qoplaydigan mushaklar orasidagi bo'shliqni ochib, femur to'liq ochiladi.Plitani femur mili oldiga qo'ying va uni to'rtta vint bilan mahkamlang.Fiksatsiyadan so'ng, ikkinchi teshik va to'rtinchi teshik orasidagi sohada sun'iy ravishda sinish hosil qilish uchun arra pichoqni (qalinligi 1 mm) ishlating.Operatsiya oxirida yara sho'r suv bilan yuviladi va tikuv bilan yopiladi.Har bir quyonga teri ostiga enrofloksatsin (5 mg/kg) fiziologik eritmada uchdan bir qismi suyultirilgan AOK qilingan.Suyak osteotomiyasini tasdiqlash uchun barcha hayvonlarda (0, 7, 14, 21, 28 va 42 kunlarda) femurning operatsiyadan keyingi rentgenogrammasi o'tkazildi.Chuqur behushlikdan so'ng barcha hayvonlar 28 va 42 kunlarda tomir ichiga KCl (2 mmol / kg) yuborilishi bilan o'ldirilgan.Qatl etilgandan so'ng, to'rtta guruh o'rtasida suyakning tiklanish jarayoni va yangi suyak shakllanishini kuzatish va solishtirish uchun son suyagi mikro-KT orqali skanerdan o'tkazildi.
Amalga oshirilgandan so'ng, ortopedik implantlar bilan bevosita aloqada bo'lgan yumshoq to'qimalar yig'ildi.To'qimalar bir kechada 10% neytral tamponlangan formalinda mahkamlangan va keyin EtOHda suvsizlangan.Suvsizlangan to'qima kerosinga solingan va mikrotom yordamida 40 mkm qalinlikda kesilgan (400CS; EXAKT, Germaniya).Infektsiyani ko'rish uchun H&E bo'yash va MT bo'yash amalga oshirildi.Xostning javobini tekshirish uchun kesilgan to'qimalar quyonga qarshi TNF-a birlamchi antikor (AB6671, Abcam, AQSh) va quyonga qarshi IL-6 (AB6672; Abcam, AQSh) bilan inkubatsiya qilindi va keyin horseradish bilan ishlov berildi.Oksidaza.Ishlab chiqaruvchining ko'rsatmalariga muvofiq bo'limlarga avidin-biotin kompleksi (ABC) bo'yash tizimini qo'llang.Jigarrang reaksiya mahsuloti sifatida paydo bo'lishi uchun barcha qismlarda 3,3-diaminobenzidin ishlatilgan.Raqamli slayd skaneri (Pannoramic 250 Flash III, 3DHISTECH, Vengriya) barcha bo'laklarni vizualizatsiya qilish uchun ishlatilgan va har bir guruhdagi kamida to'rtta substrat ImageJ dasturi tomonidan tahlil qilingan.
Jarrohlikdan so'ng barcha hayvonlarda va har hafta sinishning tiklanishini kuzatish uchun rentgen tasvirlari olingan (har bir guruh uchun n = 6).Amalga oshirilgandan so'ng, shifo topganidan keyin femur atrofida kallus shakllanishini hisoblash uchun yuqori aniqlikdagi mikro-KT ishlatilgan.Olingan son suyagi tozalandi, 4% paraformaldegidda 3 kun davomida mahkamlandi va 75% etanolda suvsizlandi.Keyin suvsizlangan suyaklar mikro-CT (SkyScan 1173, Brooke Micro-CT, Kandy, Belgiya) yordamida suyak namunasining 3D voksel tasvirlarini (2240×2240 piksel) yaratish uchun skanerdan o'tkazildi.Signal shovqinini kamaytirish uchun 1,0 mm Al filtridan foydalaning va barcha skanerlashda yuqori aniqlikni qo'llang (E = 133 kVp, I = 60 mA, integratsiya vaqti = 500 ms).Nrecon dasturi (versiya 1.6.9.8, Bruker microCT, Kontich, Belgiya) olingan 2D lateral proyeksiyadan skanerlangan namunaning 3D hajmini yaratish uchun ishlatilgan.Tahlil qilish uchun 3D rekonstruksiya qilingan tasvir sinish joyiga ko'ra 10 mm × 10 mm × 10 mm kublarga bo'linadi.Kortikal suyakdan tashqaridagi kallusni hisoblang.Skanerlangan suyak hajmini raqamli qayta yo'naltirish uchun DataViewer (versiya 1.5.1.2; Bruker microCT, Kontich, Belgiya) dasturiy ta'minoti, tahlil qilish uchun esa CT-Analyzer (versiya 1.14.4.1; Bruker microCT, Kontich, Belgiya) dasturidan foydalanilgan.Yetuk suyak va kallusdagi rentgen nurlarining nisbiy yutilish koeffitsientlari ularning zichligi bilan ajralib turadi va keyin kallus hajmi miqdori aniqlanadi (n = 4).LOIS ning biologik muvofiqligi suyaklarni davolash jarayonini kechiktirmasligini tasdiqlash uchun ikkita quyonda qo'shimcha rentgen va mikro-KT tahlillari o'tkazildi: yalang'och-salbiy va LOIS guruhlari.Ikkala guruh ham 6-haftada qatl qilindi.
Qurbonlik qilingan hayvonlarning son suyaklari yig'ilib, 3 kun davomida 4% li paraformaldegidda mahkamlangan.Keyin ortopedik implant ehtiyotkorlik bilan femurdan chiqariladi.Femur 0,5 M EDTA (EC-900, Milliy diagnostika korporatsiyasi) yordamida 21 kun davomida dekalsifikatsiya qilindi.Keyin dekalsifikatsiyalangan femur suvsizlanishi uchun EtOHga botirildi.Suvsizlangan femur ksilenda olib tashlandi va kerosinga solingan.Keyin namuna qalinligi 3 mkm bo'lgan avtomatik aylanadigan mikrotom (Leica RM2255, Leica Biosystems, Germaniya) bilan kesildi.TRAP bo'yash uchun (F6760, Sigma-Aldrich, Germaniya) bo'lingan namunalar parafinizatsiya qilindi, regidratlandi va TRAP reagentida 37°C da 1 soat davomida inkubatsiya qilindi.Tasvirlar slayd skaneri (Pannoramic 250 Flash III, 3DHISTECH, Vengriya) yordamida olingan va bo'yalgan hududning qamrovini o'lchash orqali miqdori aniqlangan.Har bir tajribada har bir guruhdagi kamida to'rtta substrat ImageJ dasturi tomonidan tahlil qilindi.
Statistik ahamiyatlilik tahlili GraphPad Prism (GraphPad Software Inc., AQSh) yordamida amalga oshirildi.Baholash guruhlari o'rtasidagi farqlarni tekshirish uchun juftlashtirilmagan t-testi va bir tomonlama dispersiya tahlili (ANOVA) ishlatilgan.Muhimlik darajasi rasmda quyidagicha ko'rsatilgan: *P<0,05, **P<0,01, ***P<0,001 va ****P<0,0001;NS, sezilarli farq yo'q.
Ushbu maqola uchun qo'shimcha materiallar uchun http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/44/eabb0025/DC1 ga qarang.
Bu Creative Commons Attribution-Notijorat Litsenziyasi shartlariga muvofiq tarqatilgan ochiq kirish maqolasi boʻlib, u har qanday vositada foydalanish, tarqatish va koʻpaytirish imkonini beradi, agar foydalanish tijorat maqsadlarida boʻlmasa va asl nusxada boʻlsa. ish to'g'ri.Malumot.
Eslatma: Biz sizdan faqat elektron pochta manzilini ko'rsatishingizni so'raymiz, shunda siz sahifaga tavsiya qilgan odam siz elektron pochtani ko'rishni xohlayotganingizni va elektron pochta spam emasligini biladi.Biz hech qanday elektron pochta manzilini ushlamaymiz.
Bu savol inson tashrif buyuruvchi ekanligingizni tekshirish va avtomatik spam jo'natishlarini oldini olish uchun ishlatiladi.
Choe Kyung Min, Oh Young Jang, Park Jun Jun, Li Jin Hyuk, Kim Xyun Cheol, Li Kyung Mun, Li Chang Kyu, Li Yeon Taek, Li Sun Uk, Chjon Morui
Ortopedik implantlarning antibakterial va immunitetga qarshi qoplamalari infektsiyalar keltirib chiqaradigan infektsiyalar va immunitet reaktsiyalarini kamaytirishi mumkin.
Choe Kyung Min, Oh Young Jang, Park Jun Jun, Li Jin Hyuk, Kim Xyun Cheol, Li Kyung Mun, Li Chang Kyu, Li Yeon Taek, Li Sun Uk, Chjon Morui
Ortopedik implantlarning antibakterial va immunitetga qarshi qoplamalari infektsiyalar keltirib chiqaradigan infektsiyalar va immunitet reaktsiyalarini kamaytirishi mumkin.
©2021 Amerika fan taraqqiyoti assotsiatsiyasi.Barcha huquqlar himoyalangan.AAAS HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef va COUNTER hamkori hisoblanadi.Science Advances ISSN 2375-2548.