Đối với những bệnh nhân trải qua phẫu thuật cấy ghép chỉnh hình, nhiễm trùng do vi khuẩn và phản ứng miễn dịch do nhiễm trùng luôn là nguy cơ đe dọa tính mạng.Vật liệu sinh học thông thường dễ bị ô nhiễm sinh học, khiến vi khuẩn xâm nhập vào vùng bị thương và gây nhiễm trùng sau phẫu thuật.Vì vậy, nhu cầu cấp thiết là phát triển lớp phủ chống nhiễm trùng và thoát miễn dịch cho cấy ghép chỉnh hình.Tại đây, chúng tôi đã phát triển một công nghệ sửa đổi bề mặt tiên tiến dành cho thiết bị cấy ghép chỉnh hình có tên là Bề mặt cấy ghép chỉnh hình bôi trơn (LOIS), được lấy cảm hứng từ bề mặt nhẵn của bình đựng cây nắp ấm.LOIS có khả năng chống thấm chất lỏng lâu dài và mạnh mẽ đối với nhiều loại chất lỏng và chất sinh học (bao gồm tế bào, protein, canxi và vi khuẩn).Ngoài ra, chúng tôi đã xác nhận độ bền cơ học chống trầy xước và lực cố định bằng cách mô phỏng những hư hỏng không thể tránh khỏi trong quá trình phẫu thuật trong ống nghiệm.Mô hình gãy xương đùi viêm tủy thỏ được sử dụng để nghiên cứu kỹ lưỡng khả năng kháng vảy và chống nhiễm trùng sinh học của LOIS.Chúng tôi hình dung rằng LOIS, có đặc tính chống bám bẩn sinh học và độ bền cơ học, là một bước tiến trong phẫu thuật chỉnh hình không nhiễm trùng.
Ngày nay, do quá trình lão hóa nói chung, số bệnh nhân mắc các bệnh chỉnh hình (như gãy xương ở người già, bệnh thoái hóa khớp và loãng xương) đã tăng lên rất nhiều (1, 2).Vì vậy, các cơ sở y tế rất coi trọng phẫu thuật chỉnh hình, trong đó có cấy ghép chỉnh hình bằng vít, tấm, đinh và khớp nhân tạo (3, 4).Tuy nhiên, cấy ghép chỉnh hình truyền thống đã được báo cáo là dễ bị vi khuẩn bám dính và hình thành màng sinh học, có thể gây nhiễm trùng vết phẫu thuật (SSI) sau phẫu thuật (5, 6).Một khi màng sinh học được hình thành trên bề mặt mô cấy chỉnh hình, việc loại bỏ màng sinh học trở nên vô cùng khó khăn ngay cả khi sử dụng liều lượng lớn kháng sinh.Vì vậy, nó thường dẫn đến nhiễm trùng nặng sau phẫu thuật (7, 8).Do những vấn đề trên, việc điều trị các bộ phận cấy ghép bị nhiễm trùng nên bao gồm việc phẫu thuật lại, bao gồm cả việc loại bỏ tất cả các bộ phận cấy ghép và các mô xung quanh;do đó, người bệnh sẽ phải chịu đau đớn dữ dội và gặp một số rủi ro (9, 10).
Để giải quyết một số vấn đề này, cấy ghép chỉnh hình phủ thuốc đã được phát triển để ngăn ngừa nhiễm trùng bằng cách loại bỏ vi khuẩn bám trên bề mặt (11, 12).Tuy nhiên, chiến lược này vẫn còn bộc lộ nhiều hạn chế.Đã có báo cáo rằng việc cấy ghép mô cấy phủ thuốc trong thời gian dài đã gây tổn thương các mô xung quanh và gây viêm, có thể dẫn đến hoại tử (13, 14).Ngoài ra, các dung môi hữu cơ có thể tồn tại sau quá trình sản xuất cấy ghép chỉnh hình phủ thuốc, bị Cục Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ nghiêm cấm, cần có các bước tinh chế bổ sung để đáp ứng các tiêu chuẩn của cơ quan này (15).Cấy ghép phủ thuốc là thách thức đối với việc giải phóng thuốc có kiểm soát và do khả năng nạp thuốc hạn chế nên việc sử dụng thuốc lâu dài là không khả thi (16).
Một chiến lược phổ biến khác là phủ lên bộ phận cấy ghép một loại polyme chống bám bẩn để ngăn chặn các chất sinh học và vi khuẩn bám vào bề mặt (17).Ví dụ, polyme zwitterionic đã thu hút sự chú ý do đặc tính không dính của chúng khi tiếp xúc với protein huyết tương, tế bào và vi khuẩn.Tuy nhiên, nó có một số hạn chế liên quan đến độ ổn định lâu dài và độ bền cơ học, cản trở ứng dụng thực tế của nó trong cấy ghép chỉnh hình, đặc biệt là do cạo cơ học trong quá trình phẫu thuật (18, 19).Ngoài ra, do khả năng tương thích sinh học cao, không cần phẫu thuật cắt bỏ và đặc tính làm sạch bề mặt thông qua ăn mòn, cấy ghép chỉnh hình làm bằng vật liệu phân hủy sinh học đã được sử dụng (20, 21).Trong quá trình ăn mòn, các liên kết hóa học giữa nền polyme bị phá vỡ và tách ra khỏi bề mặt, các chất bám dính sẽ làm sạch bề mặt.Tuy nhiên, việc chống ô nhiễm sinh học bằng cách làm sạch bề mặt có hiệu quả trong một khoảng thời gian ngắn.Ngoài ra, hầu hết các vật liệu có khả năng hấp thụ bao gồm poly(copolyme axit lactic-axit glycolic) (PLGA), axit polylactic (PLA) và hợp kim gốc magie sẽ trải qua quá trình phân hủy sinh học và xói mòn không đồng đều trong cơ thể, điều này sẽ ảnh hưởng tiêu cực đến độ ổn định cơ học.(hai mươi hai).Ngoài ra, các mảnh đĩa phân hủy sinh học còn tạo nơi cho vi khuẩn bám vào, làm tăng nguy cơ lây nhiễm về lâu dài.Nguy cơ thoái hóa cơ học và nhiễm trùng này hạn chế ứng dụng thực tế của phẫu thuật thẩm mỹ (23).
Các bề mặt siêu kỵ nước (SHP) bắt chước cấu trúc phân cấp của lá sen đã trở thành một giải pháp tiềm năng cho các bề mặt chống bám bẩn (24, 25).Khi bề mặt SHP được ngâm trong chất lỏng, bọt khí sẽ bị giữ lại, từ đó hình thành các túi khí và ngăn chặn sự bám dính của vi khuẩn (26).Tuy nhiên, các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng bề mặt SHP có những nhược điểm liên quan đến độ bền cơ học và độ ổn định lâu dài, cản trở việc ứng dụng nó trong cấy ghép y tế.Hơn nữa, các túi khí sẽ hòa tan và mất đi đặc tính chống bám bẩn, từ đó dẫn đến khả năng bám dính của vi khuẩn rộng hơn do diện tích bề mặt lớn của bề mặt SHP (27, 28).Gần đây, Aizenberg và các đồng nghiệp đã giới thiệu một phương pháp cải tiến về lớp phủ bề mặt chống bám bẩn sinh học bằng cách phát triển một bề mặt nhẵn lấy cảm hứng từ cây nắp ấm Nepenthes (29, 30).Bề mặt nhẵn cho thấy sự ổn định lâu dài trong điều kiện thủy lực, có khả năng chống thấm cực tốt đối với chất lỏng sinh học và có đặc tính tự sửa chữa.Tuy nhiên, không có phương pháp nào để phủ lớp phủ lên mô cấy y tế có hình dạng phức tạp, cũng như không được chứng minh là hỗ trợ quá trình chữa lành các mô bị tổn thương sau khi cấy ghép.
Ở đây, chúng tôi giới thiệu bề mặt cấy ghép chỉnh hình được bôi trơn (LOIS), bề mặt cấy ghép chỉnh hình có cấu trúc micro/nano và kết hợp chặt chẽ với một lớp bôi trơn mỏng để tránh liên quan đến phẫu thuật thẩm mỹ. Nhiễm trùng do vi khuẩn, chẳng hạn như cố định gãy xương.Do cấu trúc cấp micro/nano có chức năng flo cố định chắc chắn chất bôi trơn trên cấu trúc nên LOIS được phát triển có thể đẩy lùi hoàn toàn sự bám dính của các chất lỏng khác nhau và duy trì hiệu suất chống bám bẩn trong thời gian dài.Lớp phủ LOIS có thể được áp dụng cho các vật liệu có hình dạng khác nhau nhằm mục đích tổng hợp xương.Đặc tính chống bám bẩn sinh học tuyệt vời của LOIS chống lại vi khuẩn màng sinh học [Pseudomonas aeruginosa và Staphylococcus vàng kháng methicillin (MRSA)] và các chất sinh học (tế bào, protein và canxi) đã được xác nhận trong ống nghiệm.Tỷ lệ bám dính của độ bám dính rộng rãi trên bề mặt là dưới 1%.Ngoài ra, ngay cả sau khi xảy ra ứng suất cơ học như trầy xước bề mặt, khả năng tự phục hồi do chất bôi trơn xuyên thấu giúp duy trì đặc tính chống bám bẩn của nó.Kết quả kiểm tra độ bền cơ học cho thấy ngay cả sau khi sửa đổi cấu trúc và hóa học, tổng độ bền sẽ không giảm đáng kể.Ngoài ra, một thí nghiệm trong ống nghiệm mô phỏng ứng suất cơ học trong môi trường phẫu thuật đã được thực hiện để chứng minh rằng LOIS có thể chịu được các ứng suất cơ học khác nhau xảy ra trong quá trình phẫu thuật thẩm mỹ.Cuối cùng, chúng tôi đã sử dụng mô hình gãy xương đùi in vivo dựa trên thỏ, điều này đã chứng minh rằng LOIS có đặc tính kháng khuẩn và khả năng tương thích sinh học vượt trội.Kết quả X quang và mô học đã xác nhận rằng hoạt động bôi trơn ổn định và đặc tính chống bám bẩn sinh học trong vòng 4 tuần sau khi cấy ghép có thể đạt được hiệu quả chống nhiễm trùng và thoát khỏi miễn dịch mà không làm trì hoãn quá trình lành xương.
Hình 1A thể hiện sơ đồ của LOIS đã phát triển, được cấy các cấu trúc ở quy mô vi mô/nano trong mô hình gãy xương đùi của thỏ để xác nhận các đặc tính chống bám bẩn và chống nhiễm trùng sinh học tuyệt vời của nó.Phương pháp mô phỏng sinh học được thực hiện để mô phỏng bề mặt của cây trồng trong chậu nước và ngăn ngừa bám bẩn sinh học bằng cách kết hợp lớp bôi trơn bên trong cấu trúc micro/nano của bề mặt.Bề mặt được bôi trơn có thể giảm thiểu sự tiếp xúc giữa các chất sinh học và bề mặt.Do đó, do sự hình thành các liên kết hóa học ổn định trên bề mặt nên nó có hiệu suất chống bám bẩn tuyệt vời và độ ổn định lâu dài.Kết quả là, đặc tính chống bám bẩn sinh học của bề mặt bôi trơn cho phép ứng dụng thực tế khác nhau trong nghiên cứu y sinh.Tuy nhiên, nghiên cứu sâu rộng về cách bề mặt đặc biệt này tương tác trong cơ thể vẫn chưa được hoàn thành.Bằng cách so sánh LOIS với các chất nền trần trong ống nghiệm sử dụng vi khuẩn albumin và màng sinh học, có thể xác nhận tính không bám dính của LOIS (Hình 1B).Ngoài ra, bằng cách lăn các giọt nước trên đế trần nghiêng và đế LOIS (Hình S1 và Phim S1), hiệu suất ô nhiễm sinh học có thể được chứng minh.Như thể hiện trong hình ảnh kính hiển vi huỳnh quang, chất nền tiếp xúc được ủ trong huyền phù protein và vi khuẩn cho thấy một lượng lớn vật liệu sinh học bám dính trên bề mặt.Tuy nhiên, do đặc tính chống bám bẩn sinh học tuyệt vời, LOIS hầu như không hiển thị bất kỳ huỳnh quang nào.Để xác nhận đặc tính chống bám bẩn sinh học và chống nhiễm trùng, LOIS đã được áp dụng lên bề mặt của bộ phận cấy ghép chỉnh hình để tổng hợp xương (tấm và ốc vít) và đặt trong mô hình gãy xương thỏ.Trước khi cấy ghép, bộ cấy chỉnh hình trần trụi và LOIS được ủ trong huyền phù vi khuẩn trong 12 giờ.Quá trình ủ trước đảm bảo rằng màng sinh học được hình thành trên bề mặt của mô cấy được phơi nhiễm để so sánh.Hình 1C thể hiện hình ảnh vị trí gãy xương 4 tuần sau khi cấy ghép.Ở bên trái, một con thỏ được cấy ghép chỉnh hình trần cho thấy mức độ viêm nhiễm nghiêm trọng do sự hình thành màng sinh học trên bề mặt của bộ phận cấy ghép.Kết quả ngược lại được quan sát thấy ở những con thỏ được cấy LOIS, nghĩa là các mô xung quanh của LOIS không có dấu hiệu nhiễm trùng cũng như không có dấu hiệu viêm.Ngoài ra, hình ảnh quang học ở bên trái biểu thị vị trí phẫu thuật của thỏ với bộ cấy bị lộ ra, cho thấy rằng không tìm thấy nhiều chất kết dính trên bề mặt của bộ cấy bị lộ trên bề mặt của LOIS.Điều này cho thấy LOIS có độ ổn định lâu dài và có khả năng duy trì các đặc tính chống bám dính và chống bám bẩn sinh học.
(A) Sơ đồ của LOIS và việc cấy nó vào mô hình gãy xương đùi của thỏ.(B) Hình ảnh kính hiển vi huỳnh quang của protein và màng sinh học vi khuẩn trên bề mặt trần và chất nền LOIS.4 tuần sau khi cấy ghép, (C) ảnh chụp vị trí gãy xương và (D) ảnh chụp X-quang (được đánh dấu bằng hình chữ nhật màu đỏ).Hình ảnh lịch sự: Kyomin Chae, Đại học Yonsei.
Những con thỏ được cấy ghép âm tính đã được khử trùng, phơi nhiễm cho thấy quá trình lành xương bình thường mà không có bất kỳ dấu hiệu viêm hoặc nhiễm trùng nào.Mặt khác, bộ cấy SHP được ủ trước trong huyền phù vi khuẩn sẽ biểu hiện tình trạng viêm liên quan đến nhiễm trùng trên các mô xung quanh.Điều này có thể là do nó không có khả năng ức chế sự bám dính của vi khuẩn trong thời gian dài (Hình S2).Để chứng minh rằng LOIS không ảnh hưởng đến quá trình chữa lành nhưng ức chế các bệnh nhiễm trùng có thể xảy ra liên quan đến việc cấy ghép, hình ảnh X-quang của ma trận dương tính tiếp xúc và LOIS tại vị trí gãy xương đã được so sánh (Hình 1D).Hình ảnh X-quang của implant dương tính trần cho thấy các đường tiêu xương dai dẳng, cho thấy xương chưa lành hoàn toàn.Điều này cho thấy quá trình phục hồi xương có thể bị trì hoãn rất nhiều do tình trạng viêm liên quan đến nhiễm trùng.Ngược lại, nó cho thấy những con thỏ được cấy LOIS đã lành vết thương và không có vết gãy rõ ràng nào.
Để phát triển các thiết bị cấy ghép y tế có chức năng và độ ổn định lâu dài (bao gồm cả khả năng chống bám bẩn sinh học), nhiều nỗ lực đã được thực hiện.Tuy nhiên, sự hiện diện của nhiều chất sinh học khác nhau và động lực bám dính của mô đã hạn chế sự phát triển của các phương pháp đáng tin cậy về mặt lâm sàng của chúng.Để khắc phục những khuyết điểm này, chúng tôi đã phát triển cấu trúc phân lớp micro/nano và bề mặt được biến đổi về mặt hóa học, được tối ưu hóa nhờ lực mao dẫn và ái lực hóa học cao để giữ chất bôi trơn mịn nhất ở mức lớn nhất.Hình 2A thể hiện quy trình sản xuất tổng thể của LOIS.Đầu tiên, chuẩn bị lớp nền bằng thép không gỉ y tế (SS) 304.Thứ hai, cấu trúc micro/nano được hình thành trên đế SS bằng phương pháp ăn mòn hóa học bằng dung dịch axit hydrofluoric (HF).Để khôi phục khả năng chống ăn mòn của SS, dung dịch axit nitric (HNO3) (31) được sử dụng để xử lý chất nền bị ăn mòn.Sự thụ động tăng cường khả năng chống ăn mòn của chất nền SS và làm chậm đáng kể quá trình ăn mòn có thể làm giảm hiệu suất tổng thể của LOIS.Sau đó, bằng cách hình thành lớp đơn lớp tự lắp ráp (SAM) với 1H, 1H, 2H, 2H-perfluorooctyltriethoxysilane (POTS), bề mặt được biến đổi về mặt hóa học để cải thiện tương tác hóa học giữa bề mặt và chất bôi trơn trơn nhẵn Affinity.Việc biến đổi bề mặt làm giảm đáng kể năng lượng bề mặt của bề mặt có cấu trúc vi mô/nano được chế tạo, phù hợp với năng lượng bề mặt của chất bôi trơn trơn tru.Điều này cho phép chất bôi trơn được làm ướt hoàn toàn, từ đó hình thành lớp bôi trơn ổn định trên bề mặt.Bề mặt được sửa đổi thể hiện tính kỵ nước được tăng cường.Kết quả cho thấy chất bôi trơn trơn trượt thể hiện hoạt động ổn định trên LOIS do ái lực hóa học cao và lực mao dẫn do cấu trúc micro/nano gây ra (32, 33).Những thay đổi quang học trên bề mặt SS sau khi biến tính bề mặt và bơm chất bôi trơn đã được nghiên cứu.Cấu trúc phân lớp micro/nano hình thành trên bề mặt có thể gây ra những thay đổi về mặt thị giác và làm tối bề mặt.Hiện tượng này được cho là do hiệu ứng tán xạ ánh sáng tăng cường trên bề mặt gồ ghề, làm tăng sự phản xạ khuếch tán do cơ chế bẫy ánh sáng gây ra (34).Ngoài ra, sau khi bơm chất bôi trơn vào, LOIS sẽ trở nên sẫm màu hơn.Lớp bôi trơn làm cho ít ánh sáng phản xạ từ bề mặt hơn, do đó làm tối LOIS.Để tối ưu hóa cấu trúc vi mô/cấu trúc nano nhằm hiển thị góc trượt (SA) nhỏ nhất nhằm đạt được hiệu suất chống bám bẩn sinh học, kính hiển vi điện tử quét (SEM) và các cặp nguyên tử đã được sử dụng để thực hiện các thời gian ăn mòn HF khác nhau (0, 3)., 15 và 60 phút) Kính hiển vi lực (AFM) (Hình 2B).Ảnh SEM và AFM cho thấy sau thời gian ăn mòn ngắn (3 phút ăn mòn), lớp nền trần đã hình thành độ nhám không đồng đều ở cấp độ nano.Độ nhám bề mặt thay đổi theo thời gian ăn mòn (Hình S3).Đường cong thay đổi theo thời gian cho thấy độ nhám bề mặt tiếp tục tăng và đạt cực đại sau 15 phút ăn mòn, và sau đó chỉ quan sát thấy giá trị độ nhám giảm nhẹ sau 30 phút ăn mòn.Lúc này, độ nhám cấp nano bị ăn mòn, trong khi độ nhám cấp vi mô phát triển mạnh mẽ khiến độ nhám thay đổi ổn định hơn.Sau khi khắc hơn 30 phút, độ nhám tăng thêm, được giải thích chi tiết như sau: SS được cấu tạo từ thép, được hợp kim với các nguyên tố bao gồm sắt, crom, niken, molypden và nhiều nguyên tố khác.Trong số các nguyên tố này, sắt, crom và molypden đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành độ nhám ở quy mô micron/nano trên SS bằng phương pháp khắc HF.Trong giai đoạn đầu của quá trình ăn mòn, sắt và crom bị ăn mòn chủ yếu vì molypden có khả năng chống ăn mòn cao hơn molypden.Khi quá trình ăn mòn tiến triển, dung dịch ăn mòn đạt đến độ quá bão hòa cục bộ, tạo thành florua và oxit do quá trình ăn mòn gây ra.Fluoride và oxit kết tủa và cuối cùng lắng đọng lại trên bề mặt, tạo thành độ nhám bề mặt ở phạm vi micron/nano (31).Độ nhám ở cấp độ vi mô/nano này đóng một vai trò quan trọng trong đặc tính tự phục hồi của LOIS.Bề mặt vảy kép tạo ra tác dụng hiệp đồng, làm tăng đáng kể lực mao dẫn.Hiện tượng này cho phép chất bôi trơn thấm vào bề mặt ổn định và góp phần tạo ra đặc tính tự phục hồi (35).Sự hình thành độ nhám phụ thuộc vào thời gian ăn mòn.Sau 10 phút khắc, bề mặt chỉ có độ nhám ở cấp độ nano, không đủ để chứa đủ chất bôi trơn để có khả năng chống bám bẩn sinh học (36).Mặt khác, nếu thời gian ăn mòn vượt quá 30 phút, độ nhám ở quy mô nano được hình thành do sự tái lắng đọng của sắt và crom sẽ biến mất, và chỉ còn lại độ nhám ở quy mô vi mô do molypden.Bề mặt bị khắc quá mức thiếu độ nhám ở cấp độ nano và mất tác dụng tổng hợp của độ nhám hai giai đoạn, điều này ảnh hưởng tiêu cực đến đặc tính tự phục hồi của LOIS.Các phép đo SA được thực hiện trên các chất nền có thời gian ăn mòn khác nhau để chứng minh hiệu quả chống bám bẩn.Nhiều loại chất lỏng khác nhau đã được lựa chọn dựa trên độ nhớt và năng lượng bề mặt, bao gồm nước khử ion (DI), máu, ethylene glycol (EG), ethanol (EtOH) và hexadecane (HD) (Hình S4).Kiểu ăn mòn thay đổi theo thời gian cho thấy đối với các chất lỏng khác nhau có năng lượng bề mặt và độ nhớt khác nhau, SA của LOIS sau 15 phút ăn mòn là thấp nhất.Do đó, LOIS được tối ưu hóa để khắc trong 15 phút tạo thành độ nhám ở cấp độ micron và nano, phù hợp để duy trì hiệu quả độ bền của dầu bôi trơn và đặc tính chống bám bẩn tuyệt vời.
( A ) Sơ đồ quy trình sản xuất bốn bước của LOIS.Hình nhỏ cho thấy SAM được hình thành trên chất nền.(B) Ảnh SEM và AFM, được sử dụng để tối ưu hóa cấu trúc micro/nano của chất nền trong các thời gian ăn mòn khác nhau.Phổ quang điện tử tia X (XPS) của (C) Cr2p và (D) F1s sau khi thụ động bề mặt và phủ SAM.au, đơn vị tùy ý.(E) Hình ảnh đại diện của các giọt nước trên đế trần, khắc, SHP và LOIS.(F) Đo góc tiếp xúc (CA) và SA của chất lỏng có sức căng bề mặt khác nhau trên SHP và LOIS.Dữ liệu được thể hiện dưới dạng trung bình ± SD.
Sau đó, để xác nhận sự thay đổi tính chất hóa học của bề mặt, phương pháp quang phổ quang điện tử tia X (XPS) được sử dụng để nghiên cứu sự thay đổi thành phần hóa học của bề mặt chất nền sau mỗi lớp phủ bề mặt.Hình 2C thể hiện kết quả đo XPS của bề mặt ăn mòn HF và bề mặt được xử lý HNO 3.Hai đỉnh chính ở 587,3 và 577,7 eV có thể là do liên kết Cr-O tồn tại trong lớp oxit crom, đây là điểm khác biệt chính so với bề mặt ăn mòn HF.Điều này chủ yếu là do HNO3 tiêu thụ sắt và crom florua trên bề mặt.Quá trình ăn mòn dựa trên HNO3 cho phép crom tạo thành một lớp oxit thụ động trên bề mặt, giúp SS được khắc lại có khả năng chống ăn mòn.Trong Hình 2D, phổ XPS thu được để xác nhận rằng silane dựa trên fluorocarbon được hình thành trên bề mặt sau lớp phủ SAM, có khả năng chống thấm chất lỏng cực cao ngay cả đối với EG, máu và EtOH.Lớp phủ SAM được hoàn thiện bằng cách cho các nhóm chức silane phản ứng với các nhóm hydroxyl được hình thành bằng cách xử lý huyết tương.Kết quả là có sự gia tăng đáng kể các đỉnh CF2 và CF3.Năng lượng liên kết giữa 286 và 296 eV cho thấy rằng quá trình biến đổi hóa học đã được lớp phủ SAM hoàn thành thành công.SHP cho thấy các đỉnh CF2 (290,1 ​​eV) và CF3 (293,3 eV) tương đối lớn, nguyên nhân là do silane dựa trên fluorocarbon hình thành trên bề mặt.Hình 2E hiển thị hình ảnh quang học đại diện của phép đo góc tiếp xúc (CA) cho các nhóm nước khử ion khác nhau khi tiếp xúc với SHP trần, khắc, và LOIS.Những hình ảnh này cho thấy bề mặt khắc trở nên ưa nước do cấu trúc micro/nano được hình thành bằng quá trình ăn mòn hóa học để nước khử ion được hấp thụ vào cấu trúc.Tuy nhiên, khi bề mặt được phủ SAM, bề mặt đó có khả năng chống thấm nước mạnh nên hình thành SHP bề mặt và diện tích tiếp xúc giữa nước và bề mặt nhỏ.Cuối cùng, sự giảm CA đã được quan sát thấy trong LOIS, điều này có thể là do sự xâm nhập của chất bôi trơn vào cấu trúc vi mô, do đó làm tăng diện tích tiếp xúc.Để chứng minh rằng bề mặt có đặc tính chống thấm chất lỏng và không dính tuyệt vời, LOIS được so sánh với chất nền SHP bằng cách đo CA và SA bằng các chất lỏng khác nhau (Hình 2F).Nhiều loại chất lỏng khác nhau đã được lựa chọn dựa trên độ nhớt và năng lượng bề mặt, bao gồm nước khử ion, máu, EG, EtOH và HD (Hình S4).Kết quả đo CA cho thấy khi CA có xu hướng HD thì giá trị CA giảm, trong đó CA có năng lượng bề mặt thấp nhất.Ngoài ra, LOIS của CA tổng thể thấp.Tuy nhiên, phép đo SA lại cho thấy một hiện tượng hoàn toàn khác.Ngoại trừ nước bị ion hóa, tất cả chất lỏng đều bám vào bề mặt SHP mà không bị trượt ra.Mặt khác, LOIS cho thấy SA rất thấp, khi toàn bộ chất lỏng nghiêng một góc thấp hơn 10° đến 15°, toàn bộ chất lỏng sẽ lăn ra.Điều này chứng tỏ rõ ràng rằng khả năng chống dính của LOIS tốt hơn bề mặt SHP.Ngoài ra, lớp phủ LOIS còn được ứng dụng cho nhiều loại vật liệu khác nhau, bao gồm titan (Ti), polyphenylsulfone (PPSU), polyoxymethylene (POM), polyether ether ketone (PEEK) và polyme hấp thụ sinh học (PLGA), chúng là những vật liệu chỉnh hình có thể cấy ghép (Hình 1). S5)).Các hình ảnh liên tiếp của các giọt trên vật liệu được xử lý bằng LOIS cho thấy đặc tính chống bám bẩn sinh học của LOIS là giống nhau trên tất cả các chất nền.Ngoài ra, kết quả đo CA và SA cho thấy đặc tính không bám dính của LOIS có thể áp dụng cho các vật liệu khác.
Để xác nhận đặc tính chống bám bẩn của LOIS, nhiều loại chất nền khác nhau (bao gồm cả trần, khắc, SHP và LOIS) đã được ủ với Pseudomonas aeruginosa và MRSA.Hai vi khuẩn này được chọn làm vi khuẩn tiêu biểu của bệnh viện, có thể dẫn đến hình thành màng sinh học, dẫn đến SSI (37).Hình 3 (A và B) hiển thị hình ảnh kính hiển vi huỳnh quang và kết quả đo đơn vị hình thành khuẩn lạc (CFU) của các chất nền được ủ trong huyền phù vi khuẩn trong thời gian ngắn (12 giờ) và dài hạn (72 giờ), tương ứng.Trong một thời gian ngắn, vi khuẩn sẽ hình thành từng đám và phát triển về kích thước, bao phủ bản thân bằng các chất giống như chất nhầy và ngăn cản việc loại bỏ chúng.Tuy nhiên, trong thời gian ủ 72 giờ, vi khuẩn sẽ trưởng thành và dễ phát tán để tạo thành nhiều khuẩn lạc hoặc cụm hơn.Vì vậy, có thể coi thời gian ủ 72 giờ là thời gian dài và là thời gian ủ thích hợp để hình thành màng sinh học bền chắc trên bề mặt (38).Trong một thời gian ngắn, bề mặt khắc và bề mặt của SHP biểu hiện khả năng bám dính của vi khuẩn, giảm khoảng 25% đến 50% so với bề mặt trần.Tuy nhiên, do hiệu suất chống bám bẩn sinh học tuyệt vời và tính ổn định, LOIS không cho thấy khả năng bám dính màng sinh học vi khuẩn trong ngắn hạn và dài hạn.Sơ đồ (Hình 3C) mô tả giải thích cơ chế chống bám bẩn sinh học của dung dịch ăn mòn, SHP và LOIS.Giả định rằng chất nền bị ăn mòn có đặc tính ưa nước sẽ có diện tích bề mặt lớn hơn chất nền trần.Do đó, sự bám dính của vi khuẩn sẽ xảy ra nhiều hơn trên bề mặt được khắc.Tuy nhiên, so với chất nền trần, chất nền khắc có màng sinh học hình thành trên bề mặt ít hơn đáng kể.Điều này là do các phân tử nước liên kết chặt chẽ với bề mặt ưa nước và hoạt động như chất bôi trơn cho nước, do đó cản trở sự bám dính của vi khuẩn trong thời gian ngắn (39).Tuy nhiên, lớp phân tử nước rất mỏng và hòa tan trong huyền phù vi khuẩn.Vì vậy, lớp phân tử nước biến mất trong thời gian dài dẫn đến vi khuẩn bám dính và sinh sôi nảy nở trên diện rộng.Đối với SHP, do đặc tính không làm ướt trong thời gian ngắn nên khả năng bám dính của vi khuẩn bị ức chế.Khả năng bám dính của vi khuẩn giảm có thể là do các túi khí bị mắc kẹt trong cấu trúc phân lớp và năng lượng bề mặt thấp hơn, do đó giảm thiểu sự tiếp xúc giữa huyền phù vi khuẩn và bề mặt.Tuy nhiên, SHP có khả năng bám dính vi khuẩn rộng rãi vì nó mất đặc tính chống bám bẩn trong một thời gian dài.Điều này chủ yếu là do sự biến mất của các túi khí do áp suất thủy tĩnh và sự hòa tan của không khí trong nước.Điều này chủ yếu là do sự biến mất của các túi khí do hòa tan và cấu trúc phân lớp mang lại diện tích bề mặt lớn hơn cho độ bám dính (27, 40).Không giống như hai chất nền này có ảnh hưởng quan trọng đến độ ổn định lâu dài, chất bôi trơn bôi trơn có trong LOIS được bơm vào cấu trúc micro/nano và sẽ không biến mất ngay cả trong thời gian dài.Dầu bôi trơn chứa cấu trúc micro/nano rất ổn định và có lực hút mạnh lên bề mặt do có ái lực hóa học cao, từ đó ngăn chặn sự bám dính của vi khuẩn trong thời gian dài.Hình S6 cho thấy hình ảnh kính hiển vi đồng tiêu phản xạ của chất nền được bôi trơn được ngâm trong dung dịch muối đệm phốt phát (PBS).Hình ảnh liên tục cho thấy ngay cả sau 120 giờ rung nhẹ (120 vòng/phút), lớp bôi trơn trên LOIS vẫn không thay đổi, cho thấy độ ổn định lâu dài trong điều kiện dòng chảy.Điều này là do ái lực hóa học cao giữa lớp phủ SAM gốc flo và chất bôi trơn gốc perfluorocarbon, do đó có thể hình thành lớp bôi trơn ổn định.Do đó, hiệu suất chống bẩn được duy trì.Ngoài ra, chất nền đã được thử nghiệm với các protein đại diện (albumin và fibrinogen), có trong huyết tương, các tế bào có liên quan chặt chẽ với chức năng miễn dịch (đại thực bào và nguyên bào sợi) và các protein liên quan đến sự hình thành xương.Hàm lượng canxi rất cao.(Hình 3D, 1 và 2 và Hình S7) (41, 42).Ngoài ra, hình ảnh kính hiển vi huỳnh quang của thử nghiệm độ bám dính đối với fibrinogen, albumin và canxi cho thấy các đặc tính bám dính khác nhau của từng nhóm chất nền (Hình S8).Trong quá trình hình thành xương, các lớp xương và canxi mới hình thành có thể bao quanh vật liệu cấy ghép chỉnh hình, điều này không chỉ gây khó khăn cho việc tháo bỏ mà còn có thể gây ra những tác hại không mong muốn cho bệnh nhân trong quá trình loại bỏ.Do đó, mức độ lắng đọng canxi trên các tấm xương và ốc vít thấp có lợi cho phẫu thuật chỉnh hình đòi hỏi phải tháo bỏ mô cấy.Dựa trên việc định lượng khu vực gắn liền dựa trên cường độ huỳnh quang và số lượng tế bào, chúng tôi xác nhận rằng LOIS cho thấy đặc tính chống bám bẩn sinh học tuyệt vời đối với tất cả các chất sinh học so với các chất nền khác.Theo kết quả thí nghiệm trong ống nghiệm, LOIS chống ô nhiễm sinh học có thể được áp dụng cho cấy ghép chỉnh hình, không chỉ có thể ức chế nhiễm trùng do vi khuẩn màng sinh học gây ra mà còn làm giảm tình trạng viêm do hệ thống miễn dịch hoạt động của cơ thể gây ra.
(A) Hình ảnh kính hiển vi huỳnh quang của từng nhóm (trần trụi, khắc axit, SHP và LOIS) được ủ trong huyền phù Pseudomonas aeruginosa và MRSA trong 12 và 72 giờ.(B) Số lượng CFU bám dính của Pseudomonas aeruginosa và MRSA trên bề mặt của mỗi nhóm.(C) Sơ đồ cơ chế bám bẩn kháng sinh học của quá trình ăn mòn ngắn hạn và dài hạn, SHP và LOIS.(D) (1) Số lượng nguyên bào sợi bám vào từng chất nền và hình ảnh kính hiển vi huỳnh quang của các tế bào được bám vào trần và LOIS.(2) Xét nghiệm độ bám dính của các protein, albumin và canxi liên quan đến miễn dịch tham gia vào quá trình liền xương (* P <0,05, ** P <0,01, *** P <0,001 và **** P <0,0001).ns, không quan trọng.
Trong trường hợp ứng suất tập trung không thể tránh khỏi, độ bền cơ học luôn là thách thức chính đối với việc ứng dụng lớp phủ chống hà.Các phương pháp gel chống nước thải truyền thống dựa trên các polyme có độ hòa tan trong nước thấp và dễ vỡ.Vì vậy, chúng thường dễ bị ảnh hưởng bởi ứng suất cơ học trong các ứng dụng y sinh.Do đó, lớp phủ chống bám bẩn có độ bền cơ học vẫn là một thách thức đối với các ứng dụng như cấy ghép chỉnh hình (43, 44).Hình 4A(1) thể hiện hai loại lực chính áp dụng cho cấy ghép chỉnh hình, bao gồm trầy xước (ứng suất cắt) và lực nén bằng hình ảnh quang học của bộ phận cấy ghép bị hư hỏng do kẹp tạo ra.Ví dụ, khi vít được siết chặt bằng tuốc nơ vít hoặc khi bác sĩ phẫu thuật giữ chặt tấm xương bằng nhíp và tác dụng lực nén, tấm xương nhựa sẽ bị hỏng và trầy xước ở cả thang đo macro và micro/nano (Hình 4A, 2) .Để kiểm tra xem LOIS được sản xuất có thể chịu được những hư hỏng này trong quá trình phẫu thuật thẩm mỹ hay không, phương pháp thụt nano đã được thực hiện để so sánh độ cứng của chất nền trần và LOIS trên thang đo micro/nano để nghiên cứu các tính chất cơ học của tác động cấu trúc micro/nano (Hình 4B).Sơ đồ nguyên lý cho thấy hành vi biến dạng khác nhau của LOIS do sự hiện diện của các cấu trúc micro/nano.Một đường cong chuyển vị lực được vẽ dựa trên kết quả của vết lõm nano (Hình 4C).Hình ảnh màu xanh biểu thị lớp nền trần, chỉ biểu hiện biến dạng nhẹ, được nhìn thấy bởi độ sâu vết lõm tối đa là 0,26-μm.Mặt khác, sự tăng dần của lực vết lõm nano và độ dịch chuyển quan sát được trong LOIS (đường cong màu đỏ) có thể có dấu hiệu giảm tính chất cơ học, dẫn đến độ sâu vết lõm nano là 1,61μm.Điều này là do cấu trúc micro/nano có trong LOIS cung cấp không gian tiến sâu hơn cho đầu của thiết bị cảm biến nano, do đó độ biến dạng của nó lớn hơn so với bề mặt trần.Konsta-Gdoutos và cộng sự.(45) tin rằng do sự hiện diện của các cấu trúc nano, vết lõm nano và độ nhám micro/nano dẫn đến các đường cong vết lõm nano không đều.Vùng bóng mờ tương ứng với đường cong biến dạng không đều do cấu trúc nanô, trong khi vùng không bóng mờ được quy cho cấu trúc vi mô.Biến dạng này có thể làm hỏng cấu trúc vi mô/cấu trúc nano của chất bôi trơn giữ và ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu suất chống bám bẩn của nó.Để nghiên cứu tác động của tổn thương lên LOIS, những tổn thương không thể tránh khỏi đối với các cấu trúc vi mô/nano đã được tái tạo trong cơ thể trong quá trình phẫu thuật thẩm mỹ.Bằng cách sử dụng các xét nghiệm độ bám dính của máu và protein, có thể xác định được độ ổn định của đặc tính chống bám bẩn sinh học của LOIS sau in vitro (Hình 4D).Một loạt hình ảnh quang học cho thấy hư hỏng xảy ra gần các lỗ trên mỗi chất nền.Thử nghiệm độ bám dính của máu đã được thực hiện để chứng minh tác động của tổn thương cơ học lên lớp phủ chống bám bẩn sinh học (Hình 4E).Giống như SHP, đặc tính chống bám bẩn bị mất do hư hỏng và LOIS thể hiện đặc tính chống bám bẩn tuyệt vời bằng cách đẩy máu.Điều này là do năng lượng bề mặt được điều khiển bởi hoạt động mao dẫn bao phủ khu vực bị hư hỏng, dòng chảy trong chất bôi trơn bôi trơn có cấu trúc vi mô sẽ khôi phục các đặc tính chống bám bẩn (35).Xu hướng tương tự cũng được quan sát thấy trong thử nghiệm độ bám dính protein bằng albumin.Ở khu vực bị hư hỏng, độ bám dính của protein trên bề mặt SHP được quan sát rộng rãi và bằng cách đo độ bao phủ diện tích của nó, nó có thể được định lượng bằng một nửa mức độ bám dính của chất nền trần.Mặt khác, LOIS duy trì đặc tính chống bám bẩn sinh học mà không gây bám dính (Hình 4, F và G).Ngoài ra, bề mặt của vít thường chịu ứng suất cơ học mạnh, chẳng hạn như khoan, vì vậy chúng tôi đã nghiên cứu khả năng duy trì nguyên vẹn lớp phủ LOIS trên vít trong ống nghiệm.Hình 4H hiển thị hình ảnh quang học của các loại vít khác nhau, bao gồm cả vít trần, SHP và LOIS.Hình chữ nhật màu đỏ tượng trưng cho vùng mục tiêu nơi xảy ra áp lực cơ học mạnh trong quá trình cấy ghép xương.Tương tự như kiểm tra độ bám dính protein của tấm, kính hiển vi huỳnh quang được sử dụng để ghi lại hình ảnh độ bám dính của protein và đo diện tích che phủ để chứng minh tính toàn vẹn của lớp phủ LOIS, ngay cả khi chịu áp lực cơ học mạnh (Hình 4, I và J).Các vít được xử lý LOIS thể hiện hiệu suất chống bám bẩn tuyệt vời và hầu như không có protein nào bám vào bề mặt.Mặt khác, độ bám dính của protein được quan sát thấy ở vít trần và vít SHP, trong đó phạm vi bao phủ diện tích của vít SHP bằng 1/3 diện tích của vít trần.Ngoài ra, bộ phận cấy ghép chỉnh hình được sử dụng để cố định phải chắc chắn về mặt cơ học để chịu được lực tác động lên vị trí gãy xương, như trong Hình 4K.Do đó, thử nghiệm uốn đã được thực hiện để xác định ảnh hưởng của biến đổi hóa học đến các tính chất cơ học.Ngoài ra, điều này được thực hiện để duy trì ứng suất cố định từ bộ phận cấy ghép.Tác dụng lực cơ học theo chiều dọc cho đến khi bộ cấy được gấp lại hoàn toàn và thu được đường cong ứng suất-biến dạng (Hình 4L, 1).Hai đặc tính bao gồm mô đun Young và độ bền uốn được so sánh giữa chất nền trần và chất nền LOIS như các chỉ số về độ bền cơ học của chúng (Hình 4L, 2 và 3).Mô đun Young cho biết khả năng của vật liệu chịu được những thay đổi cơ học.Mô đun Young của mỗi chất nền lần lượt là 41,48±1,01 và 40,06±0,96 GPa;sự khác biệt quan sát được là khoảng 3,4%.Ngoài ra, có thông tin cho rằng độ bền uốn, yếu tố quyết định độ dẻo dai của vật liệu, là 102,34±1,51 GPa đối với nền trần và 96,99±0,86 GPa đối với SHP.Chất nền trần cao hơn khoảng 5,3%.Sự giảm nhẹ tính chất cơ học có thể là do hiệu ứng khía.Trong hiệu ứng vết khía, độ nhám micro/nano có thể hoạt động như một tập hợp các vết khía, dẫn đến sự tập trung ứng suất cục bộ và ảnh hưởng đến các tính chất cơ học của bộ cấy (46).Tuy nhiên, dựa trên thực tế là độ cứng của xương vỏ người được báo cáo là nằm trong khoảng từ 7,4 đến 31,6 GPa và mô đun LOIS đo được vượt quá mô đun LOIS của vỏ não người (47), LOIS đủ để hỗ trợ gãy xương và tổng thể của nó. tính chất cơ học bị ảnh hưởng tối thiểu bởi sự biến đổi bề mặt.
(A) Sơ đồ của (1) ứng suất cơ học tác dụng lên bộ phận cấy ghép chỉnh hình trong quá trình vận hành và (2) hình ảnh quang học của bộ phận cấy ghép chỉnh hình bị hỏng.(B) Sơ đồ đo các đặc tính cơ học nano bằng phương pháp thụt nano và LOIS trên bề mặt trần.(C) Đường cong dịch chuyển lực nano của bề mặt trần và LOIS.(D) Sau các thí nghiệm in vitro, mô phỏng hình ảnh quang học của các loại tấm chỉnh hình khác nhau (khu vực bị hư hỏng được đánh dấu bằng hình chữ nhật màu đỏ) để mô phỏng ứng suất cơ học gây ra trong quá trình vận hành.(E) Xét nghiệm độ bám dính máu và (F) Xét nghiệm độ bám dính protein của nhóm tấm chỉnh hình bị hư hỏng.(G) Đo diện tích bao phủ của protein bám vào đĩa.(H) Hình ảnh quang học của các loại vít chỉnh hình khác nhau sau thí nghiệm in vitro.(I) Thử nghiệm độ bám dính của protein để nghiên cứu tính toàn vẹn của các lớp phủ khác nhau.(J) Đo diện tích bao phủ của protein bám vào vít.(K) Chuyển động của thỏ nhằm tạo ra một lực cố định lên phần xương bị gãy.(L) (1) Kết quả thử uốn và hình ảnh quang học trước và sau khi uốn.Sự khác biệt về (2) mô đun Young và (3) độ bền uốn giữa mô cấy trần và SHP.Dữ liệu được biểu thị dưới dạng trung bình ± SD (* P <0, 05, ** P <0, 01, *** P <0, 001 và **** P <0, 0001).Hình ảnh lịch sự: Kyomin Chae, Đại học Yonsei.
Trong các tình huống lâm sàng, hầu hết sự tiếp xúc của vi khuẩn với vật liệu sinh học và vị trí vết thương đều xuất phát từ màng sinh học trưởng thành (48).Do đó, Trung tâm Kiểm soát và Phòng ngừa Dịch bệnh Hoa Kỳ ước tính rằng 65% tổng số ca nhiễm trùng ở người có liên quan đến màng sinh học (49).Trong trường hợp này, cần phải cung cấp một thiết kế thử nghiệm in vivo để tạo ra sự hình thành màng sinh học nhất quán trên bề mặt mô cấy.Do đó, chúng tôi đã phát triển mô hình gãy xương đùi của thỏ trong đó các thiết bị cấy ghép chỉnh hình được ủ trước trong huyền phù vi khuẩn và sau đó được cấy vào xương đùi của thỏ để nghiên cứu các đặc tính chống bám bẩn của LOIS in vivo.Do ba thực tế quan trọng sau đây, nhiễm trùng vi khuẩn được gây ra bởi quá trình tiền nuôi cấy thay vì tiêm trực tiếp huyền phù vi khuẩn: (i) Hệ thống miễn dịch của thỏ mạnh hơn một cách tự nhiên so với con người;do đó, có thể tiêm huyền phù vi khuẩn và vi khuẩn phù du. Nó không ảnh hưởng đến sự hình thành màng sinh học.(Ii) Vi khuẩn phù du nhạy cảm hơn với kháng sinh và kháng sinh thường được sử dụng sau phẫu thuật;cuối cùng, (iii) huyền phù vi khuẩn phù du có thể bị pha loãng bởi dịch cơ thể của động vật (50).Bằng cách nuôi cấy trước implant trong huyền phù vi khuẩn trước khi cấy ghép, chúng ta có thể nghiên cứu kỹ lưỡng tác hại của nhiễm trùng vi khuẩn và phản ứng của cơ thể với vật thể lạ (FBR) đối với quá trình lành xương.Những con thỏ bị giết 4 tuần sau khi cấy ghép, vì quá trình tích hợp xương cần thiết cho quá trình lành xương sẽ được hoàn thành trong vòng 4 tuần.Sau đó, các mô cấy được lấy ra khỏi thỏ để tiến hành các nghiên cứu tiếp theo.Hình 5A cho thấy cơ chế tăng sinh của vi khuẩn.Bộ phận cấy ghép chỉnh hình bị nhiễm trùng được đưa vào cơ thể.Do quá trình ủ trước trong huyền phù vi khuẩn, sáu trong số sáu con thỏ được cấy mô cấy trần trụi đã bị nhiễm bệnh, trong khi không có con thỏ nào được cấy mô cấy được xử lý bằng LOIS bị nhiễm bệnh.Nhiễm trùng do vi khuẩn tiến hành theo ba bước, bao gồm tăng trưởng, trưởng thành và phân tán (51).Đầu tiên, vi khuẩn bám vào sinh sản và phát triển trên bề mặt, sau đó vi khuẩn hình thành màng sinh học khi chúng bài tiết polyme ngoại bào (EPS), amyloid và DNA ngoại bào.Màng sinh học không chỉ cản trở sự xâm nhập của kháng sinh mà còn thúc đẩy sự tích tụ các enzyme phân hủy kháng sinh (như β-lactamase) (52).Cuối cùng, màng sinh học lây lan vi khuẩn trưởng thành vào các mô xung quanh.Vì vậy, nhiễm trùng xảy ra.Ngoài ra, khi có dị vật xâm nhập vào cơ thể, tình trạng nhiễm trùng gây ra phản ứng miễn dịch mạnh có thể gây viêm nặng, đau đớn và giảm khả năng miễn dịch.Hình 5B cung cấp cái nhìn tổng quan về FBR do đặt thiết bị cấy ghép chỉnh hình, thay vì phản ứng miễn dịch do nhiễm trùng do vi khuẩn gây ra.Hệ thống miễn dịch nhận ra vật cấy ghép được đưa vào là vật thể lạ, sau đó khiến các tế bào và mô phản ứng để bao bọc vật thể lạ (53).Trong những ngày đầu của FBR, một ma trận cung cấp được hình thành trên bề mặt của thiết bị cấy ghép chỉnh hình, dẫn đến sự hấp phụ fibrinogen.Fibrinogen được hấp phụ sau đó tạo thành một mạng lưới fibrin rất dày đặc, thúc đẩy sự gắn kết của bạch cầu (54).Một khi mạng lưới fibrin được hình thành, tình trạng viêm cấp tính sẽ xảy ra do sự xâm nhập của bạch cầu trung tính.Ở bước này, nhiều loại cytokine như yếu tố hoại tử khối u-α (TNF-α), interleukin-4 (IL-4) và IL-β được giải phóng, và các tế bào đơn nhân bắt đầu xâm nhập vào vị trí cấy ghép và biệt hóa thành các tế bào khổng lồ.Thể thực khuẩn (41, 55, 56).Giảm FBR luôn là một thách thức vì FBR quá mức có thể gây viêm cấp tính và mãn tính, có thể dẫn đến các biến chứng gây tử vong.Để đánh giá tác động của tình trạng nhiễm khuẩn ở các mô xung quanh mô cấy trần và LOIS, người ta đã sử dụng phương pháp nhuộm hematoxylin và eosin (H&E) và Masson trichrome (MT).Đối với những con thỏ được cấy vào chất nền trần, tình trạng nhiễm trùng do vi khuẩn nghiêm trọng tiến triển và các phiến mô H&E cho thấy rõ ràng các áp xe và hoại tử do viêm.Mặt khác, bề mặt chống bám bẩn sinh học cực mạnh LOIS ức chế sự bám dính của vi khuẩn nên không có dấu hiệu nhiễm trùng và giảm viêm (Hình 5C).Kết quả nhuộm MT cho thấy xu hướng tương tự.Tuy nhiên, nhuộm MT cũng cho thấy tình trạng phù nề ở thỏ được cấy LOIS, cho thấy quá trình phục hồi sắp diễn ra (Hình 5D).Để nghiên cứu mức độ đáp ứng miễn dịch, nhuộm hóa mô miễn dịch (IHC) được thực hiện bằng cách sử dụng cytokine TNF-α và IL-6 liên quan đến phản ứng miễn dịch.Một mô cấy âm tính trần không tiếp xúc với vi khuẩn được so sánh với LOIS đã tiếp xúc với vi khuẩn nhưng không bị nhiễm trùng để nghiên cứu quá trình chữa lành trong trường hợp không bị nhiễm vi khuẩn.Hình 5E hiển thị hình ảnh quang học của slide IHC biểu hiện TNF-α.Vùng màu nâu biểu thị phản ứng miễn dịch, cho thấy phản ứng miễn dịch trong LOIS giảm nhẹ.Ngoài ra, biểu hiện của IL-6 trong LOIS ít hơn đáng kể so với biểu hiện âm tính của trần truồng vô trùng (Hình 5F).Sự biểu hiện của cytokine được định lượng bằng cách đo diện tích nhuộm kháng thể tương ứng với cytokine (Hình 5G).So với những con thỏ tiếp xúc với bộ cấy âm tính, mức độ biểu hiện của những con thỏ được cấy LOIS thấp hơn, cho thấy sự khác biệt có ý nghĩa.Sự giảm biểu hiện cytokine cho thấy đặc tính chống bẩn ổn định, lâu dài của LOIS không chỉ liên quan đến việc ức chế nhiễm trùng do vi khuẩn mà còn liên quan đến việc giảm FBR, được gây ra bởi các đại thực bào bám vào chất nền (53, 57, 58).Do đó, phản ứng miễn dịch giảm do đặc tính trốn tránh miễn dịch của LOIS có thể giải quyết các tác dụng phụ sau khi cấy ghép, chẳng hạn như phản ứng miễn dịch quá mức sau phẫu thuật thẩm mỹ.
(A) Sơ đồ về cơ chế hình thành và lan truyền màng sinh học trên bề mặt của vật cấy ghép chỉnh hình bị nhiễm trùng.eDNA, DNA ngoại bào.(B) Sơ đồ đáp ứng miễn dịch sau khi cấy thiết bị cấy ghép chỉnh hình.(C) nhuộm H&E và (D) nhuộm MT của các mô xung quanh của bộ phận cấy ghép chỉnh hình với dương tính trần và LOIS.IHC của các cytokine liên quan đến miễn dịch (E) TNF-α và (F) IL-6 là hình ảnh nhuộm màu của thỏ âm tính trần và thỏ được cấy LOIS.(G) Định lượng biểu hiện cytokine bằng phép đo độ bao phủ diện tích (** P <0,01).
Khả năng tương thích sinh học của LOIS và tác dụng của nó đối với quá trình liền xương đã được kiểm tra in vivo bằng cách sử dụng hình ảnh chẩn đoán [chụp cắt lớp vi tính và tia X (CT)] và IHC hủy cốt bào.Hình 6A cho thấy quá trình lành xương bao gồm ba giai đoạn khác nhau: viêm, sửa chữa và tái tạo.Khi gãy xương xảy ra, các tế bào viêm và nguyên bào sợi sẽ xâm nhập vào xương bị gãy và bắt đầu phát triển thành mô mạch máu.Trong giai đoạn sửa chữa, sự phát triển của mô mạch máu lan rộng gần vị trí gãy xương.Mô mạch máu cung cấp chất dinh dưỡng cho sự hình thành xương mới, được gọi là mô sẹo.Giai đoạn cuối cùng của quá trình lành xương là giai đoạn tái tạo, trong đó kích thước của mô sẹo giảm xuống kích thước của xương bình thường với sự trợ giúp của sự gia tăng mức độ các tế bào hủy xương được kích hoạt (59).Việc tái tạo ba chiều (3D) của vị trí gãy xương được thực hiện bằng cách sử dụng máy quét micro-CT để quan sát sự khác biệt về mức độ hình thành mô sẹo ở mỗi nhóm.Quan sát mặt cắt ngang xương đùi để quan sát độ dày của mô sẹo bao quanh xương gãy (Hình 6, B và C).Tia X cũng được sử dụng để kiểm tra vị trí gãy xương của tất cả các nhóm hàng tuần để quan sát các quá trình tái tạo xương khác nhau ở mỗi nhóm (Hình S9).Mô sẹo và xương trưởng thành lần lượt có màu xanh lam/xanh lục và màu ngà.Hầu hết các mô mềm đều được lọc ra với ngưỡng đặt trước.Dương tính khỏa thân và SHP xác nhận sự hình thành một lượng nhỏ mô sẹo xung quanh vị trí gãy xương.Mặt khác, phần âm tính lộ ra của LOIS và vị trí gãy xương được bao quanh bởi mô sẹo dày.Hình ảnh micro-CT cho thấy sự hình thành mô sẹo bị cản trở do nhiễm vi khuẩn và viêm liên quan đến nhiễm trùng.Điều này là do hệ thống miễn dịch ưu tiên chữa lành vết thương nhiễm trùng do viêm liên quan đến nhiễm trùng hơn là phục hồi xương (60).Nhuộm IHC và Acid Phosphatase kháng Tartrate (TRAP) được thực hiện để quan sát hoạt động của tế bào hủy xương và sự tiêu xương (Hình 6D) (61).Chỉ có một số tế bào hủy xương được kích hoạt có màu tím được tìm thấy ở dương tính trần và SHP.Mặt khác, nhiều nguyên bào xương được kích hoạt đã được quan sát thấy gần xương dương tính và xương trưởng thành trần trụi của LOIS.Hiện tượng này chỉ ra rằng với sự hiện diện của các tế bào hủy xương, mô sẹo xung quanh vị trí gãy xương đang trải qua quá trình tái cấu trúc mạnh mẽ (62).Thể tích xương và diện tích biểu hiện hủy cốt bào của mô sẹo được đo để so sánh mức độ hình thành mô sẹo xung quanh vị trí gãy xương ở tất cả các nhóm, nhằm định lượng kết quả chụp micro-CT và IHC (Hình 6E, 1 và 2).Đúng như dự đoán, sự hình thành mô sẹo và âm tính trần trụi trong LOIS cao hơn đáng kể so với các nhóm khác, cho thấy quá trình tái tạo xương tích cực đã xảy ra (63).Hình S10 hiển thị hình ảnh quang học của vị trí phẫu thuật, kết quả nhuộm MT của mô được thu thập gần vít và kết quả nhuộm TRAP làm nổi bật giao diện xương vít.Trên nền trần, người ta quan sát thấy sự hình thành mô sẹo và xơ hóa mạnh mẽ, trong khi mô cấy được xử lý bằng LOIS cho thấy bề mặt tương đối không bị dính.Tương tự, so với âm tính trần, mức độ xơ hóa thấp hơn được quan sát thấy ở thỏ được cấy LOIS, như được biểu thị bằng mũi tên trắng.Ngoài ra, hiện tượng phù nề cứng (mũi tên xanh) có thể là do đặc tính trốn tránh miễn dịch của LOIS, do đó làm giảm tình trạng viêm nặng.Bề mặt chống dính xung quanh mô cấy và tình trạng xơ hóa giảm cho thấy quá trình loại bỏ dễ dàng hơn, điều này thường dẫn đến các vết nứt hoặc viêm nhiễm khác.Quá trình liền xương sau khi tháo vít được đánh giá bằng hoạt động của tế bào hủy xương ở bề mặt tiếp xúc giữa vít và xương.Cả xương trần và giao diện cấy ghép LOIS đều hấp thụ mức độ tương tự của các hủy cốt bào để tiếp tục quá trình lành xương, cho thấy lớp phủ LOIS không có tác động tiêu cực đến quá trình lành xương hoặc phản ứng miễn dịch.Để xác nhận rằng việc sửa đổi bề mặt được thực hiện trên LOIS không cản trở quá trình liền xương, kiểm tra bằng tia X đã được sử dụng để so sánh quá trình lành xương của thỏ với các ion âm tiếp xúc và 6 tuần cấy LOIS (Hình 6F).Kết quả cho thấy so với nhóm dương tính khỏa thân không bị nhiễm trùng, LOIS cho thấy mức độ lành xương như nhau và không có dấu hiệu gãy xương rõ ràng (đường tiêu xương liên tục) ở cả hai nhóm.
(A) Sơ đồ quá trình liền xương sau gãy xương.(B) Sự khác biệt về mức độ hình thành mô sẹo của từng nhóm bề mặt và (C) hình ảnh cắt ngang của vị trí gãy xương.(D) nhuộm TRAP để hình dung hoạt động của tế bào hủy xương và sự tiêu xương.Dựa trên hoạt động TRAP, sự hình thành mô sẹo bên ngoài của vỏ xương được phân tích định lượng bằng (E) (1) micro-CT và (2) hoạt động hủy cốt bào.(F) 6 tuần sau khi cấy ghép, hình ảnh X-quang của xương bị gãy của âm bản lộ ra (được đánh dấu bằng hình chữ nhật nét đứt màu đỏ) và LOIS (được đánh dấu bằng hình chữ nhật nét đứt màu xanh lam).Phân tích thống kê được thực hiện bằng phân tích phương sai một chiều (ANOVA).*P<0,05.** P <0,01.
Nói tóm lại, LOIS cung cấp một loại chiến lược chống nhiễm trùng kháng khuẩn mới và lớp phủ thoát miễn dịch cho bộ phận cấy ghép chỉnh hình.Các thiết bị cấy ghép chỉnh hình thông thường có chức năng SHP thể hiện đặc tính chống bám bẩn sinh học trong thời gian ngắn nhưng không thể duy trì đặc tính của chúng trong thời gian dài.Tính siêu kỵ nước của chất nền bẫy các bọt khí giữa vi khuẩn và chất nền, từ đó hình thành các túi khí, từ đó ngăn ngừa sự lây nhiễm của vi khuẩn.Tuy nhiên, do không khí khuếch tán nên các túi khí này dễ dàng bị loại bỏ.Mặt khác, LOIS đã chứng minh rõ ràng khả năng ngăn ngừa nhiễm trùng liên quan đến màng sinh học.Do đó, do đặc tính chống đào thải của lớp bôi trơn được bơm vào bề mặt cấu trúc micro/nano phân lớp nên có thể ngăn ngừa tình trạng viêm nhiễm liên quan đến nhiễm trùng.Các phương pháp mô tả đặc tính khác nhau bao gồm các phép đo SEM, AFM, XPS và CA được sử dụng để tối ưu hóa các điều kiện sản xuất LOIS.Ngoài ra, LOIS cũng có thể được áp dụng cho các vật liệu sinh học khác nhau thường được sử dụng trong thiết bị cố định chỉnh hình, chẳng hạn như PLGA, Ti, PE, POM và PPSU.Sau đó, LOIS được thử nghiệm in vitro để chứng minh đặc tính chống bám bẩn sinh học chống lại vi khuẩn và các chất sinh học liên quan đến phản ứng miễn dịch.Kết quả cho thấy nó có tác dụng kháng khuẩn và chống bám bẩn sinh học tuyệt vời so với cấy ghép trần.Ngoài ra, LOIS còn thể hiện độ bền cơ học ngay cả sau khi tác dụng lực cơ học, điều không thể tránh khỏi trong phẫu thuật thẩm mỹ.Do đặc tính tự phục hồi của chất bôi trơn trên bề mặt cấu trúc micro/nano, LOIS đã duy trì thành công đặc tính chống bám bẩn sinh học của mình.Để nghiên cứu tính tương thích sinh học và đặc tính kháng khuẩn của LOIS in vivo, LOIS đã được cấy vào xương đùi thỏ trong 4 tuần.Không quan sát thấy tình trạng nhiễm vi khuẩn ở thỏ được cấy LOIS.Ngoài ra, việc sử dụng IHC cho thấy mức độ đáp ứng miễn dịch tại chỗ giảm, cho thấy LOIS không ức chế quá trình lành xương.LOIS thể hiện đặc tính kháng khuẩn và lẩn tránh miễn dịch tuyệt vời, đồng thời đã được chứng minh là có hiệu quả ngăn chặn sự hình thành màng sinh học trước và trong khi phẫu thuật chỉnh hình, đặc biệt là tổng hợp xương.Bằng cách sử dụng mô hình gãy xương đùi do viêm tủy xương thỏ, tác động của nhiễm trùng liên quan đến màng sinh học đến quá trình lành xương do cấy ghép được ủ trước đã được nghiên cứu sâu.Là một nghiên cứu trong tương lai, cần có một mô hình in vivo mới để nghiên cứu các bệnh nhiễm trùng có thể xảy ra sau khi cấy ghép để hiểu đầy đủ và ngăn ngừa các bệnh nhiễm trùng liên quan đến màng sinh học trong toàn bộ quá trình chữa lành.Ngoài ra, quá trình tạo xương vẫn là một thách thức chưa được giải quyết khi tích hợp với LOIS.Cần nghiên cứu sâu hơn để kết hợp khả năng bám dính có chọn lọc của tế bào tạo xương hoặc y học tái tạo với LOIS để vượt qua thử thách.Nhìn chung, LOIS đại diện cho một lớp phủ cấy ghép chỉnh hình đầy hứa hẹn với độ bền cơ học và đặc tính chống bám bẩn sinh học tuyệt vời, có thể làm giảm SSI và các tác dụng phụ miễn dịch.
Rửa lớp nền 15mm x 15mm x 1mm 304 SS (Dong Kang M-Tech Co., Korea) trong nước axeton, EtOH và DI trong 15 phút để loại bỏ tạp chất.Để hình thành cấu trúc cấp micro/nano trên bề mặt, chất nền đã được làm sạch được ngâm trong dung dịch HF 48% đến 51% (DUKSAN Corp., Hàn Quốc) ở nhiệt độ 50°C.Thời gian khắc thay đổi từ 0 đến 60 phút.Sau đó, chất nền bị ăn mòn được làm sạch bằng nước khử ion và cho vào dung dịch HNO3 65% (Tập đoàn DUKSAN Hàn Quốc) ở 50°C trong 30 phút để tạo thành lớp thụ động oxit crom trên bề mặt.Sau khi thụ động, chất nền được rửa bằng nước khử ion và sấy khô để thu được chất nền có cấu trúc phân lớp.Tiếp theo, chất nền được tiếp xúc với plasma oxy (100 W, 3 phút) và ngay lập tức được ngâm trong dung dịch POTS 8,88 mM (Sigma-Aldrich, Đức) trong toluene ở nhiệt độ phòng trong 12 giờ.Sau đó, chất nền được phủ POTS được làm sạch bằng EtOH và ủ ở 150°C trong 2 giờ để thu được POTS SAM đậm đặc.Sau lớp phủ SAM, một lớp chất bôi trơn được hình thành trên nền bằng cách bôi chất bôi trơn perfluoropolyether (Krytox 101; DuPont, USA) với thể tích tải 20 μm/cm 2. Trước khi sử dụng, lọc chất bôi trơn qua bộ lọc 0,2 micron.Loại bỏ chất bôi trơn dư thừa bằng cách nghiêng một góc 45° trong 15 phút.Quy trình sản xuất tương tự đã được áp dụng cho các thiết bị cấy ghép chỉnh hình làm bằng 304 SS (tấm khóa và vít khóa vỏ; Dong Kang M-Tech Co., Hàn Quốc).Tất cả các thiết bị cấy ghép chỉnh hình đều được thiết kế để phù hợp với hình dạng của xương đùi thỏ.
Hình thái bề mặt của chất nền và mô cấy chỉnh hình được kiểm tra bằng phương pháp phát xạ hiện trường SEM (Kiểm tra F50, FEI, Hoa Kỳ) và AFM (XE-100, Park Systems, Hàn Quốc).Độ nhám bề mặt (Ra, Rq) được đo bằng cách nhân diện tích 20 μm với 20 μm (n=4).Hệ thống XPS (PHI 5000 VersaProbe, ULVAC PHI, Nhật Bản) được trang bị nguồn tia X Al Kα với kích thước điểm 100μm2 đã được sử dụng để phân tích thành phần hóa học bề mặt.Một hệ thống đo CA được trang bị camera chụp ảnh động (SmartDrop, FEMTOBIOMED, ​​​​Hàn Quốc) đã được sử dụng để đo CA và SA lỏng.Đối với mỗi phép đo, 6 đến 10 μl giọt (nước khử ion, máu ngựa, EG, 30% ethanol và HD) được đặt trên bề mặt để đo CA.Khi góc nghiêng của chất nền tăng với tốc độ 2°/s (n = 4), SA được đo khi giọt nước rơi xuống.
Pseudomonas aeruginosa [Bộ sưu tập văn hóa kiểu Mỹ (ATCC) 27853] và MRSA (ATCC 25923) được mua từ ATCC (Manassas, Virginia, Hoa Kỳ) và môi trường nuôi cấy được duy trì ở -80°C.Trước khi sử dụng, môi trường cấy đông lạnh được ủ trong canh đậu nành đã rã đông trypsin (Komed, Hàn Quốc) ở 37°C trong 18 giờ và sau đó chuyển hai lần để kích hoạt.Sau khi ủ, dịch cấy được ly tâm ở tốc độ 10.000 vòng/phút trong 10 phút ở 4°C và rửa hai lần bằng dung dịch PBS (pH 7,3).Dịch cấy ly tâm sau đó được cấy truyền trên các đĩa thạch máu (BAP).MRSA và Pseudomonas aeruginosa được chuẩn bị qua đêm và nuôi cấy trong nước dùng Luria-Bertani.Nồng độ Pseudomonas aeruginosa và MRSA trong vật liệu cấy được xác định định lượng bằng CFU của huyền phù ở các độ pha loãng nối tiếp trên môi trường thạch.Sau đó điều chỉnh nồng độ vi khuẩn về 0,5 McFarland chuẩn, tương đương 108 CFU/ml.Sau đó pha loãng huyền phù vi khuẩn hoạt động 100 lần đến 106 CFU/ml.Để kiểm tra đặc tính bám dính kháng khuẩn, chất nền được khử trùng ở 121°C trong 15 phút trước khi sử dụng.Chất nền sau đó được chuyển sang 25 ml huyền phù vi khuẩn và được ủ ở 37°C kèm theo lắc mạnh (200 vòng/phút) trong 12 và 72 giờ.Sau khi ủ, mỗi chất nền được lấy ra khỏi tủ ấm và rửa 3 lần bằng PBS để loại bỏ vi khuẩn nổi trên bề mặt.Để quan sát màng sinh học trên đế, màng sinh học được cố định bằng metanol và nhuộm bằng 1 ml cam crimidin trong 2 phút.Sau đó, kính hiển vi huỳnh quang (BX51TR, Olympus, Nhật Bản) được sử dụng để chụp ảnh màng sinh học nhuộm màu.Để định lượng màng sinh học trên đế, các tế bào bám vào được tách ra khỏi đế bằng phương pháp xoáy hạt, được coi là phương pháp phù hợp nhất để loại bỏ vi khuẩn bám vào (n = 4).Sử dụng kẹp vô trùng, lấy chất nền ra khỏi môi trường phát triển và gõ nhẹ vào đĩa giếng để loại bỏ chất lỏng dư thừa.Các tế bào gắn lỏng lẻo được loại bỏ bằng cách rửa hai lần bằng PBS vô trùng.Sau đó, mỗi chất nền được chuyển vào ống nghiệm vô trùng chứa 9 ml nước muối sinh lý protein 0,1% (PSW) và 2 g gồm 20 đến 25 hạt thủy tinh vô trùng (đường kính 0,4 đến 0,5 mm).Sau đó, nó được xoáy trong 3 phút để tách tế bào ra khỏi mẫu.Sau khi xoáy xoáy, huyền phù được pha loãng theo thứ tự 10 lần với 0,1% PSW, và sau đó 0,1 ml mỗi độ pha loãng được cấy vào BAP.Sau 24 giờ ủ ở 37°C, CFU được đếm thủ công.
Đối với các tế bào, nguyên bào sợi chuột NIH/3T3 (CRL-1658; American ATCC) và đại thực bào chuột RAW 264.7 (TIB-71; American ATCC) đã được sử dụng.Sử dụng môi trường Eagle cải tiến của Dulbecco (DMEM; LM001-05, Welgene, Hàn Quốc) để nuôi cấy nguyên bào sợi chuột và bổ sung 10% huyết thanh bê (S103-01, Welgene) và 1% penicillin-streptomycin (PS ; LS202-02, Welgene (Welgene) ). Sử dụng DMEM để nuôi cấy đại thực bào chuột, bổ sung 10% huyết thanh bào thai bò (S001-01, Welgene) và 1% PS. Đặt chất nền vào đĩa nuôi cấy tế bào 6 giếng, và cấy vào tế bào ở tốc độ 105 tế bào/cm2. Các tế bào được ủ qua đêm ở 37°C và 5% CO2. Để nhuộm tế bào, các tế bào được cố định với 4% paraformaldehyde trong 20 phút và đặt trong Triton X 0,5%, ủ trong 5 phút ở nhiệt độ -100. ở 37°C trong 30 phút. Sau quá trình ủ, sử dụng cơ chất với 4′,6-diamino-2-phenylindole (H -1200, Vector Laboratories, UK) VECTASHIELD (n = 4 mỗi tế bào). , fluorescein, fluorescein isothiocyanate-albumin (A9771, Sigma-Aldrich, Đức) và huyết tương người Fibrinogen liên hợp Alexa Fluor 488 (F13191, Invitrogen, Hoa Kỳ) đã được hòa tan trong PBS (10 mM, pH 7.4).Nồng độ albumin và fibrinogen lần lượt là 1 và 150 μg/ml.Sau bề mặt Trước khi ngâm vào dung dịch protein, rửa sạch chúng bằng PBS để bù nước cho bề mặt.Sau đó nhúng tất cả cơ chất vào đĩa sáu giếng chứa dung dịch protein và ủ ở 37°C trong 30 và 90 phút.Sau khi ủ, cơ chất được loại bỏ khỏi dung dịch protein, rửa nhẹ nhàng bằng PBS 3 lần và cố định bằng 4% paraformaldehyde (n = 4 cho mỗi protein).Đối với canxi, natri clorua (0,21 M) và kali photphat (3,77 mM)) Được hòa tan trong nước khử ion.Độ pH của dung dịch được điều chỉnh đến 2,0 bằng cách thêm dung dịch hydrochloride (1M).Sau đó hòa tan canxi clorua (5,62 mM) trong dung dịch.Bằng cách thêm 1M tris(hydroxymethyl)-amino Metan sẽ điều chỉnh độ pH của dung dịch thành 7,4.Nhúng tất cả các chất nền vào một đĩa sáu giếng chứa đầy dung dịch canxi photphat 1,5× và lấy ra khỏi dung dịch sau 30 phút.Để nhuộm màu, 2 g Alizarin Red S (CI 58005) Trộn với 100 ml nước khử ion.Sau đó, sử dụng 10% amoni hydroxit để điều chỉnh độ pH về 4. Nhuộm bề mặt bằng dung dịch Alizarin Red trong 5 phút, sau đó rũ bỏ phần thuốc nhuộm dư thừa và thấm.Sau quá trình lắc, loại bỏ chất nền.Vật liệu được khử nước, sau đó ngâm trong axeton trong 5 phút, sau đó ngâm trong dung dịch axeton-xylene (1:1) trong 5 phút và cuối cùng được rửa bằng xylene (n = 4).Kính hiển vi huỳnh quang (Axio Imager) với vật kính ×10 và ×20 được sử dụng..A2m, Zeiss, Đức) chụp ảnh tất cả các chất nền.ImageJ/FIJI (//imagej.nih.gov/ij/) đã được sử dụng để định lượng dữ liệu độ bám dính của các chất sinh học trên mỗi nhóm của bốn khu vực hình ảnh khác nhau.Chuyển đổi tất cả hình ảnh thành hình ảnh nhị phân với ngưỡng cố định để so sánh chất nền.
Kính hiển vi đồng tiêu Zeiss LSM 700 đã được sử dụng để theo dõi độ ổn định của lớp chất bôi trơn trong PBS ở chế độ phản xạ.Mẫu thủy tinh phủ SAM gốc flo với lớp bôi trơn được bơm vào được ngâm trong dung dịch PBS và được thử nghiệm bằng máy lắc quỹ đạo (SHO-1D; Daihan Scientific, Hàn Quốc) trong điều kiện lắc nhẹ (120 vòng / phút).Sau đó lấy mẫu và theo dõi sự thất thoát chất bôi trơn bằng cách đo sự mất đi ánh sáng phản xạ.Để thu được hình ảnh huỳnh quang ở chế độ phản xạ, mẫu được chiếu tới tia laser có bước sóng 633 nm và sau đó được thu lại, vì ánh sáng sẽ bị phản xạ trở lại từ mẫu.Các mẫu được đo ở các khoảng thời gian 0, 30, 60 và 120 giờ.
Để xác định ảnh hưởng của quá trình biến đổi bề mặt đến các đặc tính cơ học nano của cấy ghép chỉnh hình, một thiết bị đo nano (TI 950 TriboIndenter, Hysitron, USA) được trang bị đầu kim cương Berkovich hình kim tự tháp ba mặt đã được sử dụng để đo nanoindenedione.Tải trọng cực đại là 10 mN và diện tích là 100μmx 100μm.Đối với tất cả các phép đo, thời gian tải và dỡ tải là 10 giây và thời gian giữ dưới tải trọng thụt cực đại là 2 giây.Lấy số đo từ năm vị trí khác nhau và lấy giá trị trung bình.Để đánh giá hiệu suất độ bền cơ học dưới tải, thử nghiệm uốn ngang ba điểm đã được thực hiện bằng máy thử nghiệm đa năng (Instron 5966, Instron, USA).Chất nền được nén với tốc độ không đổi 10 N/s với tải trọng tăng lên.Chương trình phần mềm Bluehill Universal (n = 3) đã được sử dụng để tính toán mô đun uốn và ứng suất nén tối đa.
Để mô phỏng quá trình vận hành và các hư hỏng cơ học liên quan gây ra trong quá trình vận hành, quá trình vận hành được thực hiện trong ống nghiệm.Những con cái được thu thập từ những con thỏ trắng New Zealand bị hành quyết.Xương đùi được làm sạch và cố định trong 4% paraformaldehyde trong 1 tuần.Như được mô tả trong phương pháp thí nghiệm trên động vật, xương đùi cố định đã được phẫu thuật.Sau phẫu thuật, thiết bị cấy ghép chỉnh hình được ngâm trong máu (máu ngựa, KISAN, Hàn Quốc) trong 10 giây để xác nhận xem có dính máu sau khi áp dụng chấn thương cơ học hay không (n = 3).
Tổng cộng có 24 con thỏ trắng New Zealand đực (nặng từ 3,0 đến 3,5kg, tuổi trung bình 6 tháng) được chia ngẫu nhiên thành bốn nhóm: âm tính trần trụi, dương tính trần trụi, SHP và LOIS.Tất cả các thủ tục liên quan đến động vật được thực hiện theo các tiêu chuẩn đạo đức của Ủy ban Chăm sóc và Sử dụng Động vật Thể chế (IACUC phê duyệt, KOREA-2017-0159).Bộ cấy chỉnh hình bao gồm một tấm khóa có năm lỗ (dài 41 mm, rộng 7 mm và dày 2 mm) và vít khóa vỏ (dài 12 mm, đường kính 2,7 mm) để cố định gãy xương.Ngoại trừ các đĩa và ốc vít được sử dụng trong nhóm âm tính trần, tất cả các đĩa và ốc vít đều được ủ trong huyền phù MRSA (106 CFU/ml) trong 12 giờ.Nhóm âm tính trần (n=6) được điều trị bằng cấy ghép bề mặt trần mà không tiếp xúc với huyền phù vi khuẩn, như một biện pháp kiểm soát âm tính đối với nhiễm trùng.Nhóm dương tính trần (n = 6) được điều trị bằng cấy ghép bề mặt trần tiếp xúc với vi khuẩn như một biện pháp kiểm soát dương tính đối với nhiễm trùng.Nhóm SHP (n = 6) được điều trị bằng cấy ghép SHP tiếp xúc với vi khuẩn.Cuối cùng, nhóm LOIS được điều trị bằng bộ cấy LOIS tiếp xúc với vi khuẩn (n = 6).Tất cả các loài động vật đều được nhốt trong lồng và được cung cấp rất nhiều thức ăn và nước uống.Trước khi phẫu thuật, thỏ được nhịn ăn 12 giờ.Các con vật được gây mê bằng cách tiêm bắp xylazine (5 mg/kg) và tiêm tĩnh mạch paclitaxel (3 mg/kg) để gây mê.Sau đó, cung cấp 2% isoflurane và 50% đến 70% oxy y tế (tốc độ dòng 2 L/phút) qua hệ hô hấp để duy trì tình trạng mê.Nó được cấy ghép thông qua cách tiếp cận trực tiếp tới xương đùi bên.Sau khi tẩy lông và khử trùng da bằng povidone-iodine, một vết mổ dài khoảng 6 cm được thực hiện ở mặt ngoài xương đùi giữa bên trái.Bằng cách mở khoảng cách giữa các cơ bao phủ xương đùi, xương đùi được bộc lộ hoàn toàn.Đặt tấm trước trục xương đùi và cố định nó bằng bốn ốc vít.Sau khi cố định, dùng lưỡi cưa (dày 1 mm) tạo vết nứt nhân tạo ở khu vực giữa lỗ thứ hai và lỗ thứ tư.Khi kết thúc ca phẫu thuật, vết thương được rửa bằng nước muối và khâu lại.Mỗi con thỏ được tiêm dưới da enrofloxacin (5 mg/kg) pha loãng 1/3 trong nước muối.Chụp X-quang xương đùi sau phẫu thuật ở tất cả các động vật (0, 7, 14, 21, 28 và 42 ngày) để xác nhận việc cắt bỏ xương.Sau khi gây mê sâu, tất cả động vật bị giết bằng KCl tiêm tĩnh mạch (2 mmol/kg) vào ngày 28 và 42.Sau khi thực hiện, xương đùi được chụp micro-CT để quan sát và so sánh quá trình liền xương và hình thành xương mới giữa bốn nhóm.
Sau khi thực hiện, các mô mềm tiếp xúc trực tiếp với thiết bị cấy ghép chỉnh hình sẽ được thu thập.Mô được cố định trong formalin đệm trung tính 10% qua đêm và sau đó khử nước trong EtOH.Mô đã khử nước được nhúng vào parafin và được cắt ở độ dày 40 μm bằng microtome (400CS; EXAKT, Đức).Để hình dung sự lây nhiễm, nhuộm H&E và nhuộm MT đã được thực hiện.Để kiểm tra phản ứng của vật chủ, mô được cắt được ủ bằng kháng thể chính kháng TNF-α của thỏ (AB6671, Abcam, USA) và thỏ kháng IL-6 (AB6672; Abcam, USA), sau đó được xử lý bằng cải ngựa.Oxidase.Áp dụng hệ thống nhuộm phức hợp avidin-biotin (ABC) cho các phần theo hướng dẫn của nhà sản xuất.Để xuất hiện dưới dạng sản phẩm phản ứng màu nâu, 3,3-diaminobenzidine đã được sử dụng ở tất cả các bộ phận.Một máy quét slide kỹ thuật số (Pannoramic 250 Flash III, 3DHISTECH, Hungary) đã được sử dụng để hiển thị tất cả các lát cắt và ít nhất bốn chất nền trong mỗi nhóm được phân tích bằng phần mềm ImageJ.
Hình ảnh X-quang được chụp ở tất cả các động vật sau phẫu thuật và hàng tuần để theo dõi quá trình lành vết gãy (n=6 mỗi nhóm).Sau khi thực hiện, micro-CT có độ phân giải cao được sử dụng để tính toán sự hình thành mô sẹo quanh xương đùi sau khi lành thương.Xương đùi thu được được làm sạch, cố định trong 4% paraformaldehyde trong 3 ngày và khử nước trong ethanol 75%.Sau đó, xương đã khử nước được quét bằng micro-CT (SkyScan 1173, Brooke Micro-CT, Kandy, Bỉ) để tạo ra hình ảnh voxel 3D (2240×2240 pixel) của mẫu xương.Sử dụng bộ lọc Al 1,0 mm để giảm nhiễu tín hiệu và áp dụng độ phân giải cao cho tất cả các lần quét (E = 133 kVp, I = 60 μA, thời gian tích hợp = 500 ms).Phần mềm Nrecon (phiên bản 1.6.9.8, Bruker microCT, Kontich, Bỉ) đã được sử dụng để tạo khối 3D của mẫu được quét từ hình chiếu bên 2D thu được.Để phân tích, hình ảnh tái tạo 3D được chia thành các khối 10mm×10mm×10mm theo vị trí gãy xương.Tính mô sẹo bên ngoài vỏ xương.Phần mềm DataViewer (phiên bản 1.5.1.2; Bruker microCT, Kontich, Bỉ) đã được sử dụng để chuyển hướng kỹ thuật số khối lượng xương được quét và phần mềm CT-Analyzer (phiên bản 1.14.4.1; Bruker microCT, Kontich, Bỉ) đã được sử dụng để phân tích.Các hệ số hấp thụ tia X tương đối ở xương trưởng thành và mô sẹo được phân biệt bằng mật độ của chúng, sau đó thể tích của mô sẹo được định lượng (n = 4).Để xác nhận rằng khả năng tương thích sinh học của LOIS không làm trì hoãn quá trình liền xương, phân tích X-quang và micro-CT bổ sung đã được thực hiện ở hai con thỏ: nhóm âm tính trần và nhóm LOIS.Cả hai nhóm đều bị hành quyết vào tuần thứ 6.
Xương đùi của động vật bị hiến tế được thu thập và cố định trong 4% paraformaldehyde trong 3 ngày.Sau đó, thiết bị cấy ghép chỉnh hình được lấy ra khỏi xương đùi một cách cẩn thận.Xương đùi được khử keo trong 21 ngày bằng cách sử dụng EDTA 0,5 M (EC-900, National Diagnostics Corporation).Sau đó, xương đùi đã được khử canxi được ngâm trong EtOH để làm cho nó mất nước.Xương đùi mất nước được loại bỏ bằng xylen và nhúng vào parafin.Sau đó mẫu được cắt lát bằng máy microtome quay tự động (Leica RM2255, Leica Biosystems, Đức) với độ dày 3 μm.Đối với nhuộm TRAP (F6760, Sigma-Aldrich, Đức), các mẫu được cắt được khử parafin, bù nước và ủ trong thuốc thử TRAP ở 37°C trong 1 giờ.Hình ảnh được thu được bằng máy quét slide (Pannoramic 250 Flash III, 3DHISTECH, Hungary) và định lượng bằng cách đo phạm vi bao phủ của khu vực bị nhuộm màu.Trong mỗi thí nghiệm, ít nhất bốn chất nền trong mỗi nhóm được phân tích bằng phần mềm ImageJ.
Phân tích ý nghĩa thống kê được thực hiện bằng cách sử dụng GraphPad Prism (GraphPad Software Inc., USA).Phân tích phương sai một chiều và thử nghiệm t không ghép đôi (ANOVA) được sử dụng để kiểm tra sự khác biệt giữa các nhóm đánh giá.Mức ý nghĩa được thể hiện trên hình như sau: *P<0,05, **P<0,01, ***P<0,001 và ****P<0,0001;NS, không có sự khác biệt đáng kể.
Để biết tài liệu bổ sung cho bài viết này, vui lòng xem http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/44/eabb0025/DC1
Đây là một bài viết truy cập mở được phân phối theo các điều khoản của Giấy phép Creative Commons Ghi công-Phi thương mại, cho phép sử dụng, phân phối và sao chép dưới bất kỳ phương tiện nào, miễn là việc sử dụng đó không vì lợi ích thương mại và tiền đề là bản gốc. công việc là chính xác.Thẩm quyền giải quyết.
Lưu ý: Chúng tôi chỉ yêu cầu bạn cung cấp địa chỉ email để người được bạn giới thiệu vào trang biết rằng bạn muốn họ xem email và email đó không phải là thư rác.Chúng tôi sẽ không nắm bắt bất kỳ địa chỉ email nào.
Câu hỏi này được sử dụng để kiểm tra xem bạn có phải là khách truy cập là con người hay không và để ngăn chặn việc gửi thư rác tự động.
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
Lớp phủ kháng khuẩn và thoát miễn dịch của thiết bị cấy ghép chỉnh hình có thể làm giảm nhiễm trùng và phản ứng miễn dịch do nhiễm trùng gây ra.
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
Lớp phủ kháng khuẩn và thoát miễn dịch của thiết bị cấy ghép chỉnh hình có thể làm giảm nhiễm trùng và phản ứng miễn dịch do nhiễm trùng gây ra.
©2021 Hiệp hội vì sự tiến bộ của khoa học Hoa Kỳ.Đã đăng ký Bản quyền.AAAS là đối tác của HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef và COUNTER.Khoa học nâng cao ISSN 2375-2548.