Fun awọn alaisan ti o gba iṣẹ-abẹ ifasilẹ ti orthopedic, awọn akoran kokoro-arun ati awọn idahun ajẹsara ti o fa ikolu ti jẹ awọn eewu eewu igbesi aye nigbagbogbo.Awọn ohun elo isedale ti aṣa ni ifaragba si ibajẹ ti ibi, eyiti o fa ki awọn kokoro arun ja agbegbe ti o farapa ati fa ikolu lẹhin iṣẹ abẹ.Nitorinaa, iwulo ni iyara kan wa lati ṣe agbekalẹ egboogi-ikolu ati awọn aṣọ abayọ ajẹsara fun awọn aranmo orthopedic.Nibi, a ti ni idagbasoke imọ-ẹrọ iyipada oju-ọna ti ilọsiwaju fun awọn ohun elo ti a npe ni Orthopedic Implant Surface Lubricated Orthopedic Implant Surface (LOIS), eyi ti o ni atilẹyin nipasẹ didan dada ti awọn apọn ọgbin.LOIS ni ifasilẹ omi ti o pẹ ati ti o lagbara si ọpọlọpọ awọn olomi ati awọn nkan ti ibi (pẹlu awọn sẹẹli, awọn ọlọjẹ, kalisiomu ati kokoro arun).Ni afikun, a jẹrisi agbara ṣiṣe ẹrọ lodi si awọn idọti ati imuduro agbara nipa ṣiṣe adaṣe ibajẹ eyiti ko ṣee ṣe lakoko iṣẹ abẹ in vitro.Awoṣe egungun egungun ehoro iredodo abo abo abo ni a lo lati ṣe iwadi daradara ni ilodisi ti ibi-ara ati agbara ilodi si ti LOIS.A nireti pe LOIS, eyiti o ni awọn ohun-ini egboogi-biofouling ati agbara ṣiṣe ẹrọ, jẹ igbesẹ siwaju ninu iṣẹ abẹ orthopedic ti ko ni akoran.
Loni, nitori ọjọ-ori gbogbogbo, nọmba awọn alaisan ti o jiya lati awọn aarun orthopedic (gẹgẹbi awọn dida awọn arugbo, awọn aarun apapọ degenerative, ati osteoporosis) ti pọ si pupọ (1, 2).Nitorinaa, awọn ile-iṣẹ iṣoogun ṣe pataki pataki si iṣẹ abẹ orthopedic, pẹlu awọn aranmo orthopedic ti awọn skru, awọn awo, eekanna ati awọn isẹpo atọwọda (3, 4).Sibẹsibẹ, awọn aranmo orthopedic ibile ni a ti royin lati ni ifaragba si ifaramọ kokoro-arun ati iṣelọpọ biofilm, eyiti o le fa ikolu aaye iṣẹ abẹ (SSI) lẹhin iṣẹ abẹ (5, 6).Ni kete ti awọn biofilm ti wa ni akoso lori dada ti awọn orthopedic afisinu, yiyọ ti awọn biofilm di lalailopinpin soro ani pẹlu awọn lilo ti o tobi abere ti egboogi.Nitorinaa, o maa n yori si awọn akoran ti o lagbara lẹhin iṣẹ abẹ (7, 8).Nitori awọn iṣoro ti o wa loke, itọju awọn ifunmọ ti o ni arun yẹ ki o ni atunṣe, pẹlu yiyọ gbogbo awọn aranmo ati awọn tissu agbegbe;nitorina, alaisan yoo jiya irora nla ati diẹ ninu awọn ewu (9, 10).
Lati yanju diẹ ninu awọn iṣoro wọnyi, awọn aranmo orthopedic ti oogun-eluting ti ni idagbasoke lati dena ikolu nipa imukuro awọn kokoro arun ti o somọ si oke (11, 12).Sibẹsibẹ, ilana naa tun fihan ọpọlọpọ awọn idiwọn.O ti royin pe didasilẹ igba pipẹ ti awọn ohun elo oogun-eluting ti fa ibajẹ si awọn agbegbe agbegbe ati ki o fa iredodo, eyiti o le ja si negirosisi (13, 14).Ni afikun, awọn olomi Organic ti o le wa lẹhin ilana iṣelọpọ ti awọn aranmo orthopedic ti oogun, eyiti o jẹ eewọ ni muna nipasẹ Ile-iṣẹ Ounjẹ ati Oògùn AMẸRIKA, nilo awọn igbesẹ ìwẹnumọ ni afikun lati pade awọn iṣedede rẹ (15).Awọn aranmo-oògùn jẹ nija fun itusilẹ iṣakoso ti awọn oogun, ati nitori ikojọpọ oogun lopin wọn, ohun elo igba pipẹ ti oogun ko ṣee ṣe (16).
Ilana miiran ti o wọpọ ni lati wọ ohun ti a gbin pẹlu polymer antifouling lati ṣe idiwọ ọrọ ti ibi ati awọn kokoro arun lati faramọ oju (17).Fun apẹẹrẹ, awọn polima zwitterionic ti fa ifojusi nitori awọn ohun-ini ti kii ṣe alemora nigbati o ba kan si awọn ọlọjẹ pilasima, awọn sẹẹli, ati awọn kokoro arun.Sibẹsibẹ, o ni diẹ ninu awọn idiwọn ti o nii ṣe pẹlu iduroṣinṣin igba pipẹ ati imudani ẹrọ, eyi ti o dẹkun ohun elo ti o wulo ni awọn ohun elo orthopedic, paapaa nitori fifọ ẹrọ lakoko awọn ilana iṣẹ abẹ (18, 19).Ni afikun, nitori ibamu biocompatibility giga rẹ, aini iwulo fun iṣẹ abẹ yiyọ kuro, ati awọn ohun-ini mimọ dada nipasẹ ipata, awọn aranmo orthopedic ti awọn ohun elo biodegradable ti lo (20, 21).Lakoko ipata, awọn ifunmọ kemikali laarin matrix polima ti fọ lulẹ ati ya sọtọ lati oju, ati awọn alamọdaju nu oju ilẹ.Sibẹsibẹ, ilodisi-ara ti ibi nipasẹ mimọ dada jẹ doko ni igba diẹ.Ni afikun, pupọ julọ awọn ohun elo ti o gba pẹlu poly (lactic acid-glycolic acid copolymer) (PLGA), polylactic acid (PLA) ati awọn ohun elo ti o da lori iṣuu magnẹsia yoo faragba isọdọtun biodegradation ati ogbara ninu ara, eyiti yoo ni ipa lori iduroṣinṣin ti ẹrọ.(meji-le-logun).Ní àfikún sí i, àwọn àfọ́ àwọ̀ tí a lè fọwọ́ sowọ́ pọ̀ jẹ́ ibi tí kòkòrò àrùn lè so mọ́ra, èyí tí ó ń mú kí ó ṣeé ṣe kí àkóràn pọ̀ sí i nígbẹ̀yìngbẹ́yín.Ewu yii ti ibajẹ ẹrọ ati ikolu ṣe opin ohun elo iṣe ti iṣẹ abẹ ṣiṣu (23).
Superhydrophobic (SHP) roboto ti o fara wé awọn akosoagbasomode be ti lotus leaves ti di kan ti o pọju ojutu fun egboogi-èérí roboto (24, 25).Nigbati aaye SHP ba wa ni omi, awọn nyoju afẹfẹ yoo wa ni idẹkùn, nitorinaa ṣe awọn apo afẹfẹ ati idilọwọ ifaramọ kokoro arun (26).Sibẹsibẹ, awọn ijinlẹ aipẹ ti fihan pe aaye SHP ni awọn aila-nfani ti o ni ibatan si agbara ẹrọ ati iduroṣinṣin igba pipẹ, eyiti o ṣe idiwọ ohun elo rẹ ni awọn ohun elo iṣoogun.Pẹlupẹlu, awọn apo afẹfẹ yoo tu ati padanu awọn ohun-ini apanirun wọn, nitorinaa abajade ni ifaramọ kokoro-arun nla nitori agbegbe nla ti aaye SHP (27, 28).Laipẹ, Aizenberg ati awọn ẹlẹgbẹ ṣe agbekalẹ ọna imotuntun kan ti ibora dada anti-biofouling nipa didagbasoke dada didan ti o ni atilẹyin nipasẹ ọgbin ọgbin Nepenthes (29, 30).Oju didan ṣe afihan iduroṣinṣin igba pipẹ labẹ awọn ipo hydraulic, o jẹ apanirun pupọ si awọn olomi ti ibi, ati pe o ni awọn ohun-ini atunṣe ara ẹni.Bibẹẹkọ, ko si ọna kan lati lo ibora si isunmọ iṣoogun ti o ni iwọn, tabi ko jẹri lati ṣe atilẹyin ilana imularada ti àsopọ ti o bajẹ lẹhin didasilẹ.
Nibi, a ṣe agbekale lubricated orthopedic implant dada (LOIS), micro/nano-structured orthopedic implant dada ati ni wiwọ ni idapo pelu lubricant Layer tinrin lati ṣe idiwọ fun u lati ni nkan ṣe pẹlu iṣẹ abẹ ṣiṣu Awọn akoran kokoro, gẹgẹbi fifọ fifọ.Nitoripe ipele-ipele-micro/nano-Fluorine ti n ṣe atunṣe lubricant ni iduroṣinṣin lori eto naa, LOIS ti o ni idagbasoke le ṣe atunṣe ni kikun ifaramọ ti awọn olomi pupọ ati ṣetọju iṣẹ aiṣedeede fun igba pipẹ.Awọn ideri LOIS le ṣee lo si awọn ohun elo ti awọn oriṣiriṣi awọn apẹrẹ ti a pinnu fun iṣelọpọ egungun.Awọn ohun-ini anti-biofouling ti o dara julọ ti LOIS lodi si awọn kokoro arun biofilm [Pseudomonas aeruginosa ati Staphylococcus aureus-sooro methicillin (MRSA)] ati awọn nkan ti ibi (awọn sẹẹli, awọn ọlọjẹ ati kalisiomu) ni a ti fi idi mulẹ ni vitro.Iwọn ifaramọ ti ifaramọ lọpọlọpọ si sobusitireti ko kere ju 1%.Ni afikun, paapaa lẹhin aapọn ẹrọ bii fifin dada waye, imularada ti ara ẹni ti o ṣẹlẹ nipasẹ lubricant ti nwọle n ṣe iranlọwọ lati ṣetọju awọn ohun-ini egboogi-irekọja.Awọn abajade idanwo agbara agbara ẹrọ fihan pe paapaa lẹhin igbekale ati iyipada kemikali, agbara lapapọ kii yoo dinku ni pataki.Ni afikun, idanwo in vitro kan ti o ṣe adaṣe aapọn ẹrọ ni agbegbe iṣẹ-abẹ ni a ṣe lati fi mule pe LOIS le koju ọpọlọpọ awọn aapọn ẹrọ ti o waye lakoko iṣẹ abẹ ṣiṣu.Nikẹhin, a lo orisun-ehoro kan ni vivo awoṣe fracture fracture femoral, eyiti o fihan pe LOIS ni awọn ohun-ini antibacterial ti o ga julọ ati biocompatibility.Awọn abajade redio ati itan-akọọlẹ jẹrisi pe ihuwasi lubricant iduroṣinṣin ati awọn ohun-ini anti-biofouling laarin awọn ọsẹ 4 lẹhin didasilẹ le ṣaṣeyọri ipakokoro to munadoko ati iṣẹ abayọ ti ajẹsara laisi idaduro ilana imularada egungun.
Nọmba 1A ṣe afihan aworan atọka ti LOIS ti o ni idagbasoke, eyiti a gbin pẹlu awọn ẹya micro/nano-iwọn ni awoṣe fracture femoral ehoro lati jẹrisi awọn ohun-ini egboogi-iredodo ti o dara julọ ati awọn ohun-ini egboogi-kokoro.Ọna biomimetic kan ni a ṣe lati ṣe simulate oju ti ọgbin ikoko omi, ati lati ṣe idiwọ biofouling nipa didapọ Layer lubricant kan laarin eto micro/nano ti dada.Dada itasi pẹlu lubricant le dinku olubasọrọ laarin awọn nkan ti ibi ati dada.Nitorinaa, nitori dida awọn ifunmọ kemikali iduroṣinṣin lori dada, o ni iṣẹ apanirun ti o dara julọ ati iduroṣinṣin igba pipẹ.Bi abajade, awọn ohun-ini anti-biofouling ti oju lubricating gba ọpọlọpọ awọn ohun elo ti o wulo ni iwadii biomedical.Bibẹẹkọ, iwadii nla lori bii oju-aye pataki yii ṣe n ṣepọ ninu ara ko tii ti pari.Nipa fifiwewe LOIS pẹlu awọn sobusitireti ihoho ni vitro nipa lilo albumin ati kokoro arun biofilm, aiṣe-adhesiveness ti LOIS le jẹrisi (Figure 1B).Ni afikun, nipa yiyi awọn isun omi kuro lori sobusitireti igboro ti idagẹrẹ ati sobusitireti LOIS (Figure S1 ati Movie S1), iṣẹ ṣiṣe ibajẹ ti ibi le ṣe afihan.Gẹgẹbi a ṣe han ninu aworan maikirosikopu Fuluorisi, sobusitireti ti o han ni idadoro ti amuaradagba ati kokoro arun fihan iye nla ti ohun elo ti ibi ti o faramọ oju.Bibẹẹkọ, nitori awọn ohun-ini egboogi-biofouling ti o dara julọ, LOIS ko nira ṣe afihan eyikeyi itanna.Lati le jẹrisi awọn ohun-ini anti-biofouling ati egboogi-ikolu, LOIS ti lo si oju ti awọn aranmo orthopedic fun iṣelọpọ egungun (awọn awo ati awọn skru) ati gbe sinu awoṣe fifọ ehoro.Ṣaaju ki o to gbin, ihoho orthopedic aranmo ati LOIS ti wa ni idadoro kokoro aisan fun wakati 12.Ibẹrẹ iṣaju-tẹlẹ ṣe idaniloju pe a ṣẹda biofilm kan lori aaye ti a fi sii ti o han fun lafiwe.Nọmba 1C ṣe afihan fọto ti aaye fifọ ni ọsẹ mẹrin lẹhin didasilẹ.Ni apa osi, ehoro kan ti o ni itọsi orthopedic igboro fihan ipele iredodo ti o lagbara nitori dida biofilm lori oju ti a fi sii.Abajade idakeji ni a ṣe akiyesi ni awọn ehoro ti a gbin pẹlu LOIS, iyẹn ni, awọn iṣan agbegbe ti LOIS ko fihan awọn ami ikolu tabi awọn ami iredodo.Ni afikun, aworan opiti ti o wa ni apa osi tọkasi aaye iṣẹ abẹ ti ehoro pẹlu ifasilẹ ti o han, ti o nfihan pe ko si awọn adhesives pupọ ti o wa lori aaye ti a fi sii ti o han ni oju ti LOIS.Eyi fihan pe LOIS ni iduroṣinṣin igba pipẹ ati pe o ni agbara lati ṣetọju aiṣan-ẹjẹ ti ibi ati awọn ohun-ini anti-adhesion.
(A) Aworan atọka ti LOIS ati didasilẹ rẹ ni awoṣe fifọ abo abo ehoro.(B) Aworan microscopy Fluorescence ti amuaradagba ati biofilm kokoro-arun lori ilẹ igboro ati sobusitireti LOIS.Awọn ọsẹ mẹrin lẹhin didasilẹ, (C) aworan aworan ti aaye fifọ ati (D) aworan X-ray (ti o ṣe afihan nipasẹ igun pupa kan).Aworan iteriba: Kyomin Chae, Yonsei University.
Awọn sterilized, awọn ehoro ti a fi gbin ni odi ṣe afihan ilana iwosan egungun deede laisi eyikeyi ami ti iredodo tabi ikolu.Ni apa keji, awọn ifibọ SHP ti a ti ṣaju tẹlẹ ni idaduro kokoro-arun kan ṣe afihan iredodo ti o ni ibatan si ikolu lori awọn agbegbe agbegbe.Eyi ni a le sọ si ailagbara rẹ lati ṣe idiwọ ifaramọ kokoro-arun fun igba pipẹ (Figure S2).Lati ṣe afihan pe LOIS ko ni ipa lori ilana imularada, ṣugbọn o dẹkun awọn akoran ti o ṣeeṣe ti o ni ibatan si fifin, awọn aworan X-ray ti matrix rere ti o han ati LOIS ni aaye fifọ ni a fiwewe (Figure 1D).Aworan X-ray ti ifisinu rere igboro ṣe afihan awọn laini osteolysis ti o tẹsiwaju, ti o nfihan pe egungun ko ti mu larada patapata.Eyi ni imọran pe ilana imularada egungun le jẹ idaduro pupọ nitori ipalara ti o ni ibatan si ikolu.Ni ilodi si, o fihan pe awọn ehoro ti a gbin pẹlu LOIS ti mu larada ati pe ko ṣe afihan aaye fifọ ti o han gbangba.
Lati le ṣe agbekalẹ awọn ifibọ iṣoogun pẹlu iduroṣinṣin igba pipẹ ati iṣẹ ṣiṣe (pẹlu resistance si biofouling), ọpọlọpọ awọn igbiyanju ti ṣe.Bibẹẹkọ, wiwa ti ọpọlọpọ awọn nkan ti ara ati awọn agbara ti ifaramọ àsopọ ṣe opin idagbasoke ti awọn ọna igbẹkẹle ile-iwosan wọn.Lati le bori awọn ailagbara wọnyi, a ti ṣe agbekalẹ micro / nano Layer Layer ati dada ti a ti yipada ti kemikali, eyiti o jẹ iṣapeye nitori agbara capillary giga ati ibaramu kemikali lati tọju lubricant didan julọ si iwọn nla.Nọmba 2A ṣe afihan ilana iṣelọpọ gbogbogbo ti LOIS.Ni akọkọ, mura ipele iṣoogun kan alagbara, irin (SS) 304 sobusitireti.Ẹlẹẹkeji, micro/nano be ti wa ni akoso lori SS sobusitireti nipasẹ kemikali etching lilo hydrofluoric acid (HF) ojutu.Lati le mu ailagbara ipata ti SS pada sipo, ojutu nitric acid (HNO3) kan (31) ni a lo lati ṣe ilana sobusitireti etched.Passivation ṣe alekun resistance ipata ti sobusitireti SS ati ni pataki fa fifalẹ ilana ipata ti o le dinku iṣẹ ṣiṣe ti LOIS lapapọ.Lẹhinna, nipa dida monolayer ti ara ẹni (SAM) pẹlu 1H, 1H, 2H, 2H-perfluorooctyltriethoxysilane (POTS), dada ti wa ni iyipada kemikali lati mu ilọsiwaju ibaraenisepo kemikali laarin dada ati Affinity lubricant dan.Iyipada oju-aye ni pataki dinku agbara oju ilẹ ti micro/nano-iwọn eleto dada, eyiti o baamu agbara dada ti lubricant didan.Eyi ngbanilaaye lubricant lati wa ni tutu patapata, nitorinaa ti n ṣe fẹlẹfẹlẹ lubricant iduroṣinṣin lori dada.Dada ti a tunṣe ṣe afihan hydrophobicity imudara.Awọn abajade fihan pe lubricant isokuso ṣe afihan ihuwasi iduroṣinṣin lori LOIS nitori isunmọ kemikali giga ati agbara capillary ti o fa nipasẹ eto micro/nano (32, 33).Awọn iyipada opiti lori dada ti SS lẹhin iyipada dada ati abẹrẹ lubricant ni a ṣe iwadi.Ilana siwa micro/nano ti o ṣẹda lori dada le fa awọn ayipada wiwo ati ki o ṣe okunkun dada.Iṣẹlẹ yii jẹ iyasọtọ si ipa itọka ina imudara lori oju inira, eyiti o pọ si iṣaro kaakiri ti o ṣẹlẹ nipasẹ ẹrọ idẹkùn ina (34).Ni afikun, lẹhin ti a ti fi itọsi lubricant, LOIS di dudu.Layer lubricating jẹ ki imọlẹ to kere lati han lati inu sobusitireti, nitorinaa o ṣe okunkun LOIS.Lati le mu ki microstructure/nanostructure dara si lati ṣafihan igun sisun ti o kere julọ (SA) lati ṣaṣeyọri iṣẹ ṣiṣe anti-biofouling, ọlọjẹ elekitironi microscopy (SEM) ati awọn orisii atomiki ni a lo lati ṣe oriṣiriṣi awọn akoko etching HF (0, 3)., 15 ati 60 iṣẹju) Force Maikirosikopu (AFM) (olusin 2B).Awọn aworan SEM ati AFM fihan pe lẹhin igba diẹ ti etching (iṣẹju 3 ti etching), sobusitireti igboro ti ṣe agbekalẹ aibojumu nano-iwọn.Ayika oju ilẹ yipada pẹlu akoko etching (Figure S3).Iyatọ ti o yatọ si akoko fihan pe igbẹ oju-aye n tẹsiwaju lati pọ sii ati pe o de opin ni awọn iṣẹju 15 ti etching, ati lẹhinna nikan idinku diẹ ninu iye roughness ni a ṣe akiyesi ni awọn iṣẹju 30 ti etching.Ni aaye yii, aiṣedeede ipele nano ti yọ kuro, lakoko ti aiṣan-ipele kekere ti ndagba ni agbara, ti o mu ki irẹwẹsi yipada diẹ sii iduroṣinṣin.Lẹhin ti etching fun diẹ ẹ sii ju awọn iṣẹju 30, a ṣe akiyesi ilọsiwaju siwaju sii ni roughness, eyi ti a ṣe alaye ni apejuwe bi atẹle: SS jẹ ti irin, ti a ṣe pẹlu awọn eroja pẹlu irin, chromium, nickel, molybdenum ati ọpọlọpọ awọn eroja miiran.Lara awọn eroja wọnyi, irin, chromium ati molybdenum ṣe ipa pataki ni ṣiṣe ipilẹ micron/nano-iwọn lori SS nipasẹ HF etching.Ni awọn ipele ibẹrẹ ti ipata, irin ati chromium jẹ ibajẹ nipataki nitori molybdenum ni agbara ipata ti o ga ju molybdenum lọ.Bi etching ti nlọsiwaju, ojutu etching ti de iwọn apọju agbegbe, ṣiṣe awọn fluorides ati awọn oxides ti o ṣẹlẹ nipasẹ etching.Fluoride ati ohun elo afẹfẹ n ṣafẹri ati nikẹhin yoo tun gbe pada lori dada, ti o n ṣe aibikita dada ni iwọn micron/nano (31).Yiyi micro/nano-ipele roughness ṣe ipa pataki ninu awọn ohun-ini imularada ti ara ẹni ti LOIS.Ilẹ-iwọn meji ti o nmu ipa amuṣiṣẹpọ, npọ si agbara capillary pupọ.Iṣẹlẹ yii ngbanilaaye lubricant lati wọ inu dada ni iduroṣinṣin ati ṣe alabapin si awọn ohun-ini imularada ti ara ẹni (35).Ibiyi ti roughness da lori etching akoko.Labẹ awọn iṣẹju 10 ti etching, dada nikan ni aibikita-iwọn nano, eyiti ko to lati di lubricant to lati ni resistance biofouling (36).Ni ida keji, ti akoko etching ba kọja iṣẹju 30, irẹjẹ nano-iwọn ti o ṣẹda nipasẹ atunda ti irin ati chromium yoo parẹ, ati pe aijẹ iwọn kekere nikan yoo wa nitori molybdenum.Ilẹ-ilẹ ti o ju ti ko ni irẹwẹsi nano-iwọn ati ki o padanu ipa amuṣiṣẹpọ ti awọn ipele meji-ipele, eyi ti o ni odi ni ipa lori awọn abuda iwosan ara ẹni ti LOIS.Awọn wiwọn SA ni a ṣe lori awọn sobusitireti pẹlu awọn akoko etching oriṣiriṣi lati jẹri iṣẹ ṣiṣe aiṣedeede.Awọn oriṣiriṣi oriṣiriṣi awọn olomi ni a yan ti o da lori iki ati agbara oju, pẹlu omi deionized (DI), ẹjẹ, ethylene glycol (EG), ethanol (EtOH) ati hexadecane (HD) (Figure S4).Ilana etching ti o yatọ si akoko fihan pe fun ọpọlọpọ awọn olomi pẹlu oriṣiriṣi awọn agbara dada ati viscosities, SA ti LOIS lẹhin awọn iṣẹju 15 ti etching ni o kere julọ.Nitorinaa, LOIS ti wa ni iṣapeye lati etch fun awọn iṣẹju 15 lati dagba micron ati aibikita-iwọn nano, eyiti o dara fun mimu imunadoko agbara ti lubricant ati awọn ohun-ini egboogi-irekọja to dara julọ.
(A) Aworan atọka ti ilana iṣelọpọ mẹrin-igbesẹ ti LOIS.Awọn inset fihan SAM akoso lori sobusitireti.(B) Awọn aworan SEM ati AFM, ti a lo lati mu ilọsiwaju micro/nano be ti sobusitireti labẹ oriṣiriṣi awọn akoko etching.X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) spectra ti (C) Cr2p ati (D) F1s lẹhin passivation dada ati SAM bo.au, lainidii kuro.(E) Awọn aworan aṣoju ti awọn isun omi omi lori igboro, etched, SHP ati awọn sobusitireti LOIS.(F) Igun olubasọrọ (CA) ati wiwọn SA ti awọn olomi ti o yatọ si dada lori SHP ati LOIS.Data ti wa ni kosile bi tumosi ± SD.
Lẹhinna, lati le jẹrisi iyipada ninu awọn ohun-ini kemikali ti dada, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) ni a lo lati ṣe iwadi iyipada ninu akopọ kemikali ti dada sobusitireti lẹhin ti a bo oju oju kọọkan.Nọmba 2C ṣe afihan awọn abajade wiwọn XPS ti HF etched dada ati dada itọju HNO 3.Awọn oke akọkọ meji ni 587.3 ati 577.7 eV ni a le sọ si iwe adehun Cr-O ti o wa ninu Layer oxide chromium, eyiti o jẹ iyatọ akọkọ lati oju HF etched.Eyi jẹ nipataki nitori lilo irin ati chromium fluoride lori dada nipasẹ HNO3.Etching ti o da lori HNO3 ngbanilaaye chromium lati ṣe agbekalẹ ohun elo afẹfẹ palolo kan lori dada, eyiti o jẹ ki SS etched lẹẹkansii sooro si ipata.Ni olusin 2D, XPS spectra ni a gba lati jẹrisi pe silane ti o da lori fluorocarbon ti ṣẹda lori dada lẹhin ti a bo SAM, eyiti o ni ifasilẹ omi ti o ga pupọ paapaa fun EG, ẹjẹ ati EtOH.Iboju SAM ti pari nipasẹ didaṣe awọn ẹgbẹ iṣẹ ṣiṣe silane pẹlu awọn ẹgbẹ hydroxyl ti a ṣẹda nipasẹ itọju pilasima.Bi abajade, ilosoke pataki ni awọn oke giga CF2 ati CF3 ni a ṣe akiyesi.Agbara abuda laarin 286 ati 296 eV tọkasi pe iyipada kemikali ti pari ni aṣeyọri nipasẹ ibora SAM.SHP ṣe afihan CF2 ti o tobi pupọ (290.1 ​​eV) ati CF3 (293.3 eV) awọn oke giga, eyiti o fa nipasẹ silane ti o da lori fluorocarbon ti o ṣẹda lori dada.Nọmba 2E ṣe afihan awọn aworan opiti aṣoju ti awọn wiwọn igun olubasọrọ (CA) fun awọn oriṣiriṣi awọn ẹgbẹ ti omi ti a ti deionized ni olubasọrọ pẹlu igboro, etched, SHP, ati LOIS.Awọn aworan wọnyi fihan pe dada etched di hydrophilic nitori ipilẹ micro/nano ti a ṣẹda nipasẹ etching kemikali ki omi ti a ti sọ diionized ti gba sinu eto naa.Sibẹsibẹ, nigbati sobusitireti ti wa ni ti a bo pẹlu SAM, sobusitireti n ṣe afihan ifasilẹ omi ti o lagbara, nitorinaa SHP dada kan ti ṣẹda ati agbegbe olubasọrọ laarin omi ati dada jẹ kekere.Nikẹhin, idinku ninu CA ni a ṣe akiyesi ni LOIS, eyiti a le sọ si ilaluja ti lubricant sinu microstructure, nitorinaa npo agbegbe olubasọrọ.Ni ibere lati fi mule pe awọn dada ni o ni o tayọ omi repllency ati ti kii-alemora-ini, awọn LOIS ti a akawe pẹlu SHP sobusitireti nipa idiwon CA ati SA lilo orisirisi olomi (Figure 2F).Awọn oriṣiriṣi awọn olomi ni a yan ti o da lori iki ati agbara dada, pẹlu omi deionized, ẹjẹ, EG, EtOH ati HD (Figure S4).Awọn abajade wiwọn CA fihan pe nigbati CA ba duro si HD, iye idinku ti CA, nibiti CA ni agbara dada ti o kere julọ.Ni afikun, LOIS ti CA gbogbogbo jẹ kekere.Sibẹsibẹ, wiwọn SA fihan iṣẹlẹ ti o yatọ patapata.Ayafi fun omi ionized, gbogbo awọn olomi faramọ sobusitireti SHP laisi yiyọ kuro.Ni apa keji, LOIS ṣe afihan SA ti o kere pupọ, nibiti gbogbo omi ba ti tẹ ni igun kan ti o kere ju 10 ° si 15 °, gbogbo omi yoo yi lọ kuro.Eyi fi agbara han pe aiṣe-adhesiveness ti LOIS dara julọ ju ti SHP dada.Ni afikun, awọn ohun elo LOIS tun wa ni lilo si awọn oriṣiriṣi awọn ohun elo, pẹlu titanium (Ti), polyphenylsulfone (PPSU), polyoxymethylene (POM), polyether ether ketone (PEEK) ati awọn polymers bioabsorbable (PLGA), Wọn jẹ awọn ohun elo orthopedic ti a fi sii (Figure). S5)).Awọn aworan ti o tẹle ti awọn droplets lori ohun elo ti a ṣe itọju nipasẹ LOIS fihan pe awọn ohun-ini egboogi-biofouling ti LOIS jẹ kanna lori gbogbo awọn sobusitireti.Ni afikun, awọn abajade wiwọn ti CA ati SA fihan pe awọn ohun-ini ti kii ṣe alemora ti LOIS le ṣee lo si awọn ohun elo miiran.
Lati le jẹrisi awọn ohun-ini anti-èérí ti LOIS, ọpọlọpọ awọn iru awọn sobusitireti (pẹlu igboro, etched, SHP ati LOIS) ni a dapọ pẹlu Pseudomonas aeruginosa ati MRSA.Awọn kokoro arun meji wọnyi ni a yan gẹgẹbi awọn kokoro arun ile-iwosan aṣoju, eyiti o le ja si dida biofilms, ti o yori si SSI (37).Nọmba 3 (A ati B) n ṣe afihan awọn aworan maikirosikopu fluorescence ati awọn abajade wiwọn ti ileto (CFU) ti awọn sobusitireti ti a fi sinu idaduro kokoro-arun fun igba kukuru (wakati 12) ati igba pipẹ (wakati 72), lẹsẹsẹ.Ni igba diẹ, awọn kokoro arun yoo dagba awọn iṣupọ ati dagba ni iwọn, ti o fi awọn nkan ti o dabi mucus bo ara wọn ati idilọwọ yiyọ wọn.Bibẹẹkọ, lakoko isọdọtun-wakati 72, awọn kokoro arun yoo dagba ati rọrun lati tuka lati dagba awọn ileto tabi awọn iṣupọ diẹ sii.Nitorina, a le ṣe akiyesi pe ifisi-wakati 72 jẹ igba pipẹ ati pe o jẹ akoko igbaduro ti o yẹ lati ṣe biofilm ti o lagbara lori aaye (38).Ni igba diẹ, oju etched ati oju ti SHP ṣe afihan ifaramọ kokoro arun, eyiti o dinku nipasẹ 25% si 50% ni akawe si sobusitireti igboro.Sibẹsibẹ, nitori iṣẹ ṣiṣe anti-biofouling ti o dara julọ ati iduroṣinṣin, LOIS ko ṣe afihan adhesion biofilm kokoro ni kukuru ati igba pipẹ.Aworan atọka (Nọmba 3C) n ṣe apejuwe alaye ti ilana aiṣedeede ti ibi ti ojutu etching, SHP ati LOIS.Aronu ni pe sobusitireti etched pẹlu awọn ohun-ini hydrophilic yoo ni agbegbe dada ti o tobi ju sobusitireti igboro lọ.Nitorinaa, ifaramọ kokoro arun diẹ sii yoo waye lori sobusitireti etched.Bibẹẹkọ, ni akawe pẹlu sobusitireti igboro, sobusitireti etched ti dinku ni pataki biofilm ti a ṣẹda lori dada.Eyi jẹ nitori pe awọn ohun elo omi sopọ mọ dada hydrophilic ati ṣiṣẹ bi lubricant fun omi, nitorinaa dabaru pẹlu ifaramọ ti awọn kokoro arun ni igba kukuru (39).Sibẹsibẹ, ipele ti awọn ohun elo omi jẹ tinrin pupọ ati tiotuka ninu awọn idaduro kokoro-arun.Nitorinaa, Layer molikula omi parẹ fun igba pipẹ, eyiti o yori si ifaramọ kokoro-arun nla ati afikun.Fun SHP, nitori awọn ohun-ini ti ko ni igba diẹ kukuru, adhesion kokoro-arun ti ni idinamọ.Adhesion kokoro-arun ti o dinku ni a le sọ si awọn apo afẹfẹ ti o ni idẹkùn ni ọna ti o fẹlẹfẹlẹ ati agbara dada isalẹ, nitorinaa idinku olubasọrọ laarin idaduro kokoro-arun ati oju.Bibẹẹkọ, ifaramọ kokoro-arun nla ni a ṣe akiyesi ni SHP nitori pe o padanu awọn ohun-ini egboogi-egbin fun igba pipẹ.Eyi jẹ pataki nitori sisọnu awọn apo afẹfẹ nitori titẹ hydrostatic ati itujade afẹfẹ ninu omi.Eyi jẹ pataki nitori ipadanu ti awọn apo afẹfẹ nitori itu ati eto ti o fẹlẹfẹlẹ ti o pese agbegbe ti o tobi ju fun ifaramọ (27, 40).Ko dabi awọn sobusitireti meji wọnyi ti o ni ipa pataki lori iduroṣinṣin igba pipẹ, lubricant lubricant ti o wa ninu LOIS ti wa ni itasi sinu eto micro/nano ati pe kii yoo parẹ paapaa ni igba pipẹ.Awọn lubricants ti o kun pẹlu awọn ẹya micro/nano jẹ iduroṣinṣin pupọ ati pe o ni ifamọra pupọ si dada nitori isunmọ kemikali giga wọn, nitorinaa idilọwọ ifaramọ kokoro arun fun igba pipẹ.Olusin S6 ṣe afihan aworan maikirosikopu confocal ti afihan ti sobusitireti ti a fi omi ṣan ti a fi omi rì sinu iyo fosifeti buffered (PBS).Awọn aworan ti o tẹsiwaju fihan pe paapaa lẹhin awọn wakati 120 ti gbigbọn diẹ (120 rpm), Layer lubricant lori LOIS ko ni iyipada, ti o nfihan iduroṣinṣin igba pipẹ labẹ awọn ipo sisan.Eyi jẹ nitori isunmọ kẹmika giga laarin SAM ti o da lori fluorine ati lubricant ti o da lori perfluorocarbon, ki a le ṣẹda Layer lubricant iduroṣinṣin.Nitoribẹẹ, a ṣe itọju iṣẹ-egboogi-ẹṣẹ.Ni afikun, a ṣe idanwo sobusitireti naa lodi si awọn ọlọjẹ aṣoju (albumin ati fibrinogen), eyiti o wa ni pilasima, awọn sẹẹli ti o ni ibatan si iṣẹ ajẹsara (macrophages ati fibroblasts), ati awọn ti o ni ibatan si iṣelọpọ egungun.Awọn akoonu ti kalisiomu jẹ gidigidi ga.(Aworan 3D, 1 ati 2, ati Figure S7) (41, 42).Ni afikun, awọn aworan maikirosikopu fluorescence ti idanwo adhesion fun fibrinogen, albumin ati kalisiomu ṣe afihan awọn abuda ifaramọ oriṣiriṣi ti ẹgbẹ sobusitireti kọọkan (Figure S8).Lakoko dida egungun, egungun ti a ṣẹda tuntun ati awọn ipele kalisiomu le yika itọlẹ orthopedic, eyiti kii ṣe ki o jẹ ki yiyọ kuro nira nikan, ṣugbọn o tun le fa ipalara airotẹlẹ si alaisan lakoko ilana yiyọ kuro.Nitoribẹẹ, awọn ipele kekere ti awọn ohun idogo kalisiomu lori awọn awo egungun ati awọn skru jẹ anfani fun iṣẹ abẹ orthopedic ti o nilo yiyọ gbingbin.Da lori titobi agbegbe ti o somọ ti o da lori kikankikan fluorescence ati kika sẹẹli, a jẹrisi pe LOIS ṣe afihan awọn ohun-ini egboogi-biofouling ti o dara julọ fun gbogbo awọn nkan ti ibi ni akawe pẹlu awọn sobusitireti miiran.Gẹgẹbi awọn abajade ti awọn adanwo in vitro, LOIS ti o lodi si ti ibi ni a le lo si awọn aranmo orthopedic, eyiti ko le ṣe idiwọ awọn akoran nikan ti o fa nipasẹ awọn kokoro arun biofilm, ṣugbọn tun dinku iredodo ti o ṣẹlẹ nipasẹ eto ajẹsara ti nṣiṣe lọwọ ti ara.
(A) Awọn aworan microscope Fluorescence ti ẹgbẹ kọọkan (ihoho, etched, SHP ati LOIS) ti a fi sinu Pseudomonas aeruginosa ati awọn idaduro MRSA fun wakati 12 ati 72.(B) Nọmba ti adherent CFU ti Pseudomonas aeruginosa ati MRSA lori dada ti ẹgbẹ kọọkan.(C) Aworan atọka ti ilana aiṣedeede ilodi si ti igba kukuru ati etching igba pipẹ, SHP ati LOIS.(D) (1) Nọmba awọn fibroblasts ti o faramọ awọn sobusitireti kọọkan ati awọn aworan microscope fluorescence ti awọn sẹẹli ti o faramọ igboro ati LOIS.(2) Idanwo adhesion ti awọn ọlọjẹ ti o ni ibatan ajẹsara, albumin ati kalisiomu ti o ni ipa ninu ilana imularada egungun (* P <0.05, ** P <0.01, *** P <0.001 ati **** P <0.0001).ns, kii ṣe pataki.
Ninu ọran ti awọn aapọn ifọkansi ti ko le yago fun, agbara ṣiṣe ẹrọ ti nigbagbogbo jẹ ipenija akọkọ fun ohun elo ti awọn aṣọ atako.Awọn ọna gel anti-omi idoti ti aṣa da lori awọn polima pẹlu solubility omi kekere ati ailagbara.Nitorinaa, wọn nigbagbogbo ni ifaragba si aapọn ẹrọ ni awọn ohun elo biomedical.Nitorinaa, awọn ohun elo apanirun ti o tọ ti ẹrọ jẹ ipenija fun awọn ohun elo bii awọn aranmo orthopedic (43, 44).Nọmba 4A (1) ṣe afihan awọn oriṣi akọkọ meji ti aapọn ti a lo si awọn aranmo orthopedic, pẹlu fifa (aapọn irẹwẹsi) ati funmorawon pẹlu aworan opiti ti ifibọ ti o bajẹ ti a ṣe nipasẹ agbara.Fun apẹẹrẹ, nigba ti dabaru naa ba di wiwọ pẹlu screwdriver, tabi nigbati oniṣẹ abẹ naa ba di awo egungun naa ni wiwọ pẹlu awọn tweezers ti o si lo ipa titẹ, awo egungun ṣiṣu naa yoo bajẹ ati ki o ha lori mejeeji macro ati micro/nano irẹjẹ (Figure 4A, 2) .Lati le ṣe idanwo boya LOIS ti iṣelọpọ le ṣe idiwọ awọn bibajẹ wọnyi lakoko iṣẹ abẹ ṣiṣu, nanoindentation ni a ṣe lati ṣe afiwe lile ti sobusitireti igboro ati LOIS lori iwọn micro/nano lati ṣe iwadi awọn ohun-ini ẹrọ ti ipa micro/nano be (Eyaworan) 4B).Aworan aworan sikematiki ṣe afihan ihuwasi abuku ti o yatọ ti LOIS nitori wiwa awọn ẹya micro/nano.Iyipada-nipopo agbara ni a fa da lori awọn abajade ti nanoindentation (Figure 4C).Aworan buluu naa duro fun sobusitireti igboro, eyiti o ṣafihan abuku diẹ nikan, bi a ti rii nipasẹ ijinle indentation ti o pọju ti 0.26-μm.Ni apa keji, ilosoke mimu ni agbara nanoindentation ati iṣipopada ti a ṣe akiyesi ni LOIS (apa pupa) le ṣe afihan awọn ami ti awọn ohun-ini ẹrọ ti o dinku, ti o mu abajade nanoindentation ti 1.61μm.Eyi jẹ nitori eto micro/nano ti o wa ni LOIS n pese aaye ilọsiwaju ti o jinlẹ fun ipari ti nanoindenter, nitorinaa abuku rẹ tobi ju ti sobusitireti igboro lọ.Konsta-Gdoutos et al.(45) gbagbọ pe nitori wiwa ti awọn nanostructures, nanoindentation ati micro/nano roughness yori si awọn iha nanoindentation alaibamu.Agbegbe iboji ni ibamu si iṣipopada aiṣedeede ti a sọ si nanostructure, lakoko ti agbegbe ti ko ni iboji ni a sọ si microstructure.Yi abuku le ba awọn microstructure/nanostructure ti awọn lubricant dani ati ni odi ni ipa lori awọn oniwe-egboogi- ahọn išẹ.Lati le ṣe iwadi ipa ti ibajẹ lori LOIS, ibajẹ ti ko ṣeeṣe si awọn ẹya micro/nano ni a tun ṣe ninu ara lakoko iṣẹ abẹ ṣiṣu.Nipa lilo ẹjẹ ati awọn idanwo ifaramọ amuaradagba, iduroṣinṣin ti awọn ohun-ini anti-biofouling ti LOIS lẹhin in vitro ni a le pinnu (Nọmba 4D).Awọn jara ti awọn aworan opiti ṣe afihan ibajẹ ti o waye nitosi awọn iho ti sobusitireti kọọkan.Ayẹwo ifaramọ ẹjẹ kan ni a ṣe lati ṣe afihan ipa ti ibajẹ ẹrọ lori ideri anti-biofouling (Figure 4E).Gẹgẹbi SHP, awọn ohun-ini egboogi-egboogi ti sọnu nitori ibajẹ, ati LOIS ṣe afihan awọn ohun-ini egboogi-egbogi ti o dara julọ nipasẹ gbigbe ẹjẹ pada.Eyi jẹ nitori pe, nitori pe agbara dada ti wa ni ṣiṣe nipasẹ iṣẹ capillary ti o bo agbegbe ti o bajẹ, ṣiṣan ti o wa ninu lubricant lubricant microstructured mu pada awọn ohun-ini aiṣedeede (35).Iṣesi kanna ni a ṣe akiyesi ni idanwo ifaramọ amuaradagba nipa lilo albumin.Ni agbegbe ti o bajẹ, ifaramọ ti amuaradagba lori dada SHP jẹ akiyesi jakejado, ati nipa wiwọn agbegbe agbegbe rẹ, o le ṣe iwọn bi idaji ipele ifaramọ ti sobusitireti igboro.Ni apa keji, LOIS ṣe itọju awọn ohun-ini anti-biofouling lai fa adhesion (Nọmba 4, F ati G).Ni afikun, awọn dada ti dabaru ti wa ni igba tunmọ si lagbara darí wahala, gẹgẹ bi awọn liluho, ki a iwadi awọn agbara ti awọn LOIS ti a bo lati wa mule lori dabaru in vitro.Nọmba 4H ṣe afihan awọn aworan opiti ti awọn skru oriṣiriṣi, pẹlu igboro, SHP ati LOIS.Awọn onigun pupa n ṣe afihan agbegbe ibi-afẹde nibiti aapọn ẹrọ ti o lagbara ti waye lakoko dida egungun.Iru si idanwo ifaramọ amuaradagba ti awo, microscope fluorescence kan ni a lo lati ṣe aworan ifaramọ amuaradagba ati wiwọn agbegbe agbegbe lati jẹrisi iduroṣinṣin ti ibora LOIS, paapaa labẹ aapọn ẹrọ ti o lagbara (Nọmba 4, I ati J).Awọn skru ti a ṣe itọju LOIS ṣe afihan iṣẹ apanirun ti o dara julọ, ati pe ko si amuaradagba ti o faramọ oju.Ni apa keji, adhesion amuaradagba ni a ṣe akiyesi ni awọn skru igboro ati awọn skru SHP, nibiti agbegbe agbegbe ti awọn skru SHP jẹ idamẹta ti awọn skru igboro.Ni afikun, itọsi orthopedic ti a lo fun imuduro gbọdọ jẹ agbara agbara lati koju wahala ti a lo si aaye fifọ, bi a ṣe han ni Nọmba 4K.Nitorinaa, idanwo atunse ni a ṣe lati pinnu ipa ti iyipada kemikali lori awọn ohun-ini ẹrọ.Ni afikun, eyi ni a ṣe lati ṣetọju aapọn ti o wa titi lati inu ifisinu.Waye agbara ẹrọ inaro titi ti afisinu yoo fi ṣe pọ ni kikun ati pe a ti gba igbi-iṣan wahala (Aworan 4L, 1).Awọn ohun-ini meji pẹlu modulus Ọdọmọkunrin ati agbara irọrun ni a ṣe afiwe laarin igboro ati awọn sobusitireti LOIS gẹgẹbi awọn afihan agbara ẹrọ wọn (Aworan 4L, 2 ati 3).Modulu ti ọdọ tọkasi agbara ohun elo kan lati koju awọn ayipada ẹrọ.Modulu ti ọdọ ti sobusitireti kọọkan jẹ 41.48± 1.01 ati 40.06± 0.96 GPA, lẹsẹsẹ;Iyatọ ti a ṣe akiyesi jẹ nipa 3.4%.Ni afikun, o royin pe agbara atunse, eyiti o ṣe ipinnu lile ti ohun elo, jẹ 102.34 ± 1.51 GPa fun sobusitireti igboro ati 96.99 ± 0.86 GPa fun SHP.Sobusitireti igboro jẹ isunmọ 5.3% ti o ga julọ.Idinku diẹ ninu awọn ohun-ini ẹrọ le fa nipasẹ ipa ogbontarigi.Ni ipa ogbontarigi, micro/nano roughness le ṣiṣẹ bi ṣeto ti awọn ami akiyesi, ti o yori si ifọkansi aapọn agbegbe ati ni ipa lori awọn ohun-ini ẹrọ ti ifibọ (46).Sibẹsibẹ, da lori otitọ pe lile ti egungun cortical eniyan ni a royin pe o wa laarin 7.4 ati 31.6 GPa, ati pe iwọnwọn LOIS modulus kọja ti egungun cortical eniyan (47), LOIS ti to lati ṣe atilẹyin fifọ ati apapọ rẹ The darí-ini ti wa ni iwonba fowo nipasẹ dada iyipada.
(A) Aworan atọka ti (1) aapọn ẹrọ ti a lo si ikansi orthopedic lakoko iṣẹ, ati (2) aworan opiti ti irapada orthopedic ti o bajẹ.(B) Aworan atọka ti wiwọn awọn ohun-ini nano-mechanical nipasẹ nanoindentation ati LOIS lori ilẹ igboro.(C) Nanoindentation ipa-nipo ipa ti dada igboro ati LOIS.(D) Lẹhin awọn adanwo in vitro, ṣe simulate awọn aworan opiti ti awọn oriṣiriṣi oriṣi ti awọn abọ orthopedic (agbegbe ti o bajẹ jẹ afihan pẹlu onigun pupa) lati ṣe adaṣe aapọn ẹrọ ti o ṣẹlẹ lakoko iṣiṣẹ naa.(E) Idanwo ifaramọ ẹjẹ ati (F) idanwo ifaramọ amuaradagba ti ẹgbẹ awo orthopedic ti o bajẹ.(G) Ṣe iwọn agbegbe agbegbe ti amuaradagba ti o faramọ awo.(H) Awọn aworan opiti ti awọn oriṣiriṣi awọn skru orthopedic lẹhin idanwo in vitro.(I) Idanwo ifaramọ amuaradagba lati ṣe iwadii iduroṣinṣin ti awọn aṣọ ibora oriṣiriṣi.(J) Ṣe iwọn agbegbe agbegbe ti amuaradagba ti o faramọ dabaru.(K) Iṣipopada ti ehoro ni ipinnu lati ṣe ina wahala ti o wa titi lori egungun ti o fọ.(L) (1) Tẹ awọn abajade idanwo ati awọn aworan opiti ṣaaju ati lẹhin atunse.Iyatọ ti o wa ninu (2) modulus ọdọ ati (3) agbara atunse laarin igboro ifisinu ati SHP.Data ti wa ni kosile bi tumosi ± SD (* P <0.05, ** P <0.01, *** P <0.001 ati **** P <0.0001).Aworan iteriba: Kyomin Chae, Yonsei University.
Ni awọn ipo ile-iwosan, pupọ julọ olubasọrọ kokoro-arun pẹlu awọn ohun elo ti ibi ati awọn aaye ọgbẹ wa lati ọdọ ogbo, awọn biofilms ti ogbo (48).Nitorinaa, Awọn ile-iṣẹ AMẸRIKA fun Iṣakoso ati Idena Arun ṣe iṣiro pe 65% ti gbogbo awọn akoran eniyan ni ibatan si biofilms (49).Ni ọran yii, o jẹ dandan lati pese apẹrẹ esiperimenta in vivo ti o pese idasile biofilm deede lori dada ti a fi sii.Nitoribẹẹ, a ṣe agbekalẹ awoṣe ikọlu abo abo ehoro ninu eyiti awọn ohun elo orthopedic ti wa ni iṣaju ni idaduro kokoro-arun kan ati lẹhinna gbin sinu awọn abo ehoro lati ṣe iwadi awọn ohun-ini aiṣedeede ti LOIS ni vivo.Nitori awọn otitọ pataki mẹta wọnyi, awọn akoran kokoro-arun ni o fa nipasẹ aṣa iṣaaju dipo abẹrẹ taara ti awọn idaduro kokoro-arun: (i) Eto ajẹsara ti ehoro ni agbara nipa ti ara ju ti eniyan lọ;nitorina, abẹrẹ ti awọn idaduro kokoro-arun ati awọn kokoro arun planktonic ṣee ṣe Ko ni ipa lori dida biofilms.(Ii) Awọn kokoro arun Planktonic jẹ diẹ sii ni ifaragba si awọn oogun apakokoro, ati pe awọn oogun apakokoro ni a maa n lo lẹhin iṣẹ abẹ;nipari, (iii) idaduro kokoro arun planktonic le jẹ ti fomi nipasẹ awọn omi ara ẹran (50).Nipa ṣiṣe iṣaju iṣaju iṣaju ni idaduro kokoro-arun ṣaaju didasilẹ, a le ṣe iwadi daradara awọn ipa ipalara ti ikolu kokoro-arun ati iṣesi ara ajeji (FBR) lori ilana imularada egungun.Awọn ehoro ni a fi rubọ 4 ọsẹ lẹhin didasilẹ, nitori osseointegration pataki fun ilana iwosan egungun yoo pari laarin ọsẹ mẹrin.Lẹhinna, a ti yọ awọn ohun elo kuro lati awọn ehoro fun awọn ẹkọ-isalẹ.Nọmba 5A ṣe afihan ilana imugboroja ti kokoro arun.Imudanu orthopedic ti o ni arun ni a ṣe sinu ara.Bi abajade ti iṣaju iṣaju ni idaduro kokoro-arun, mẹfa ninu awọn ehoro mẹfa ti a fi sinu ihoho ni o ni ikolu, lakoko ti ko si ọkan ninu awọn ehoro ti a fi sinu pẹlu awọn ohun elo ti a ṣe itọju LOIS ti o ni ikolu.Awọn akoran kokoro-arun tẹsiwaju ni awọn igbesẹ mẹta, pẹlu idagbasoke, maturation ati pipinka (51).Lákọ̀ọ́kọ́, àwọn bakitéríà tí wọ́n so mọ́ra máa ń bí jáde, wọ́n sì máa ń dàgbà sórí ilẹ̀, lẹ́yìn náà àwọn bakitéríà náà máa ń dà bí fíìmù kan nígbà tí wọ́n bá ń yọ polymer extracellular (EPS), amyloid àti DNA extracellular jáde.Biofilm kii ṣe idiwọ nikan pẹlu ilaluja ti awọn oogun aporo, ṣugbọn tun ṣe agbega ikojọpọ ti awọn enzymu apanirun ti aporo (bii β-lactamase) (52).Nikẹhin, biofilm n tan awọn kokoro arun ti o dagba sinu awọn tisọ agbegbe.Nitorina, ikolu waye.Ni afikun, nigbati ara ajeji ba wọ inu ara, ikolu ti o le fa idahun ti o lagbara ti o lagbara le fa ipalara nla, irora, ati ajesara dinku.Olusin 5B n pese awotẹlẹ ti FBR ti o ṣẹlẹ nipasẹ fifi sii ti ohun afọwọsi orthopedic, dipo idahun ajẹsara ti o fa nipasẹ ikolu kokoro-arun.Eto eto ajẹsara mọ ifisinu ti a fi sii bi ara ajeji, ati lẹhinna fa awọn sẹẹli ati awọn tissu lati fesi lati ṣafikun ara ajeji (53).Ni awọn ọjọ ibẹrẹ ti FBR, a ṣe agbekalẹ matrix ipese kan lori oke ti awọn aranmo orthopedic, eyiti o yorisi adsorption ti fibrinogen.Fibrinogen adsorbed lẹhinna ṣe nẹtiwọọki fibrin ti o ni iwuwo pupọ, eyiti o ṣe agbega asomọ ti awọn leukocytes (54).Ni kete ti a ti ṣẹda nẹtiwọki fibrin, igbona nla yoo waye nitori infiltration ti neutrophils.Ni igbesẹ yii, awọn oriṣiriṣi awọn cytokines gẹgẹbi tumor necrosis factor-α (TNF-α), interleukin-4 (IL-4) ati IL-β ti wa ni idasilẹ, ati awọn monocytes bẹrẹ lati wọ inu aaye ti o gbin ati iyatọ si awọn sẹẹli nla.Oju-iwe (41, 55, 56).Idinku FBR nigbagbogbo jẹ ipenija nitori FBR ti o pọ julọ le fa iredodo nla ati onibaje, eyiti o le ja si awọn ilolu apaniyan.Lati le ṣe ayẹwo ipa ti awọn akoran kokoro-arun ninu awọn tisọ ti o wa ni ayika igboro ati LOIS, hematoxylin ati eosin (H&E) ati Masson trichrome (MT) abawọn ni a lo.Fun awọn ehoro ti a gbin pẹlu awọn sobusitireti igboro, awọn akoran kokoro arun ti nlọsiwaju, ati awọn ifaworanhan tissu H&E ṣe afihan awọn abscesses ati negirosisi ti o fa nipasẹ iredodo.Ni apa keji, LoIS ti o lagbara ti o lagbara ti o lodi si-biofouling n ṣe idiwọ ifaramọ kokoro-arun, nitorina ko ṣe afihan awọn ami ikolu ati dinku igbona (Figure 5C).Awọn abajade ti idoti MT ṣe afihan aṣa kanna.Sibẹsibẹ, abawọn MT tun fihan edema ni awọn ehoro ti a fi sii pẹlu LOIS, ti o nfihan pe imularada yoo fẹrẹ waye (Figure 5D).Lati le ṣe iwadi iwọn ti idahun ti ajẹsara, imunohistochemical (IHC) abawọn ti a ṣe ni lilo awọn cytokines TNF-a ati IL-6 ti o ni ibatan si esi ajẹsara.Ihòòhò odi ìhòhò ti a ko fi si kokoro arun ni a fiwera pẹlu LOIS ti o farahan si kokoro arun ṣugbọn ti ko ni arun lati ṣe iwadi ilana iwosan ni laisi ikolu kokoro-arun.Nọmba 5E ṣe afihan aworan opiti ti ifaworanhan IHC kan ti o ṣalaye TNF-a.Agbegbe brown duro fun esi ajẹsara, ti o nfihan pe esi ajẹsara ni LOIS ti dinku diẹ.Ni afikun, ikosile ti IL-6 ni LOIS jẹ pataki kere ju ikosile odi ti ihoho ni ifo (Aworan 5F).Ikosile ti cytokine jẹ iwọn nipasẹ wiwọn agbegbe ti idotin antibody ti o baamu si cytokine (Figure 5G).Ti a bawe pẹlu awọn ehoro ti o farahan si awọn ifibọ odi, awọn ipele ikosile ti awọn ehoro ti a fi sii pẹlu LOIS jẹ kekere, ti o nfihan iyatọ ti o nilari.Idinku ninu ikosile cytokine tọkasi pe igba pipẹ, awọn ohun-ini aiṣedeede iduroṣinṣin ti LOIS ko ni ibatan si idinamọ ti awọn akoran kokoro-arun, ṣugbọn tun si idinku ti FBR, eyiti o fa nipasẹ awọn macrophages ti o tẹle si sobusitireti (53, 57, 58).Nitoribẹẹ, idahun ajẹsara ti o dinku nitori awọn ohun-ini imukuro ajẹsara ti LOIS le yanju awọn ipa ẹgbẹ lẹhin didasilẹ, gẹgẹbi idahun ajẹsara ti o pọju lẹhin iṣẹ abẹ ṣiṣu.
(A) Aworan atọka ti siseto ti iṣelọpọ biofilm ati tan kaakiri lori oju ti gbin orthopedic ti o ni arun.eDNA, DNA extracellular.(B) Aworan atọka ti esi ajẹsara lẹhin fifi sii orthopedic.(C) H&E idoti ati (D) MT idoti ti awọn tissu agbegbe ti orthopedic aranmo pẹlu igboro rere ati LOIS.IHC ti awọn cytokines ti o ni ibatan ajẹsara (E) TNF-a ati (F) IL-6 jẹ awọn aworan aibikita ti ihoho-odi ati awọn ehoro ti a gbin LOIS.(G) Iwọn ikosile cytokine nipasẹ wiwọn agbegbe agbegbe (** P <0.01).
Biocompatibility ti LOIS ati ipa rẹ lori ilana iwosan egungun ni a ṣe ayẹwo ni vivo nipa lilo aworan ayẹwo [x-ray ati micro-computed tomography (CT)] ati osteoclast IHC.Nọmba 6A fihan ilana imularada egungun ti o ni awọn ipele oriṣiriṣi mẹta: igbona, atunṣe, ati atunṣe.Nigbati ikọlu ba waye, awọn sẹẹli iredodo ati awọn fibroblasts yoo wọ inu egungun ti a fọ ​​ati bẹrẹ lati dagba sinu iṣan iṣan.Lakoko ipele atunṣe, ingrowth ti iṣan ti iṣan ti ntan nitosi aaye fifọ.Asopọ iṣan pese awọn ounjẹ fun dida egungun titun, eyiti a npe ni callus.Ipele ikẹhin ti ilana imularada egungun jẹ ipele atunṣe, ninu eyiti iwọn ipe ti dinku si iwọn egungun deede pẹlu iranlọwọ ti ilosoke ninu ipele ti osteoclasts ti a mu ṣiṣẹ (59).Atunse onisẹpo mẹta (3D) ti aaye fifọ ni a ṣe pẹlu lilo awọn ọlọjẹ micro-CT lati ṣe akiyesi awọn iyatọ ninu ipele ti iṣeto ipe ni ẹgbẹ kọọkan.Ṣe akiyesi apakan-agbelebu ti femur lati ṣe akiyesi sisanra ti callus ti o wa ni ayika egungun ti a fọ ​​(Nọmba 6, B ati C).Awọn egungun X ni a tun lo lati ṣayẹwo awọn aaye fifọ ti gbogbo awọn ẹgbẹ ni gbogbo ọsẹ lati ṣe akiyesi awọn ilana isọdọtun egungun ti o yatọ ni ẹgbẹ kọọkan (Figure S9).Callus ati awọn egungun ti o dagba ni a fihan ni buluu/alawọ ewe ati ehin-erin, lẹsẹsẹ.Pupọ julọ awọn tisọ asọ ti wa ni filtered jade pẹlu ala tito tẹlẹ.Ihoho rere ati SHP timo awọn Ibiyi ti a kekere iye ti callus ni ayika dida egungun ojula.Ni apa keji, odi ti o han ti LOIS ati aaye fifọ ti wa ni ayika nipasẹ ipe ti o nipọn.Awọn aworan Micro-CT fihan pe dida callus jẹ idilọwọ nipasẹ ikolu kokoro-arun ati ipalara ti o ni ibatan si ikolu.Eyi jẹ nitori eto ajẹsara ṣe pataki fun iwosan ti awọn ipalara septic ti o fa nipasẹ ipalara ti o ni ibatan si ikolu, dipo imularada egungun (60).IHC ati Tartrate-sooro Acid Phosphatase (TRAP) abawọn ni a ṣe lati ṣe akiyesi iṣẹ-ṣiṣe osteoclast ati isọdọtun egungun (Nọmba 6D) (61).Nikan diẹ ninu awọn osteoclasts ti a mu ṣiṣẹ ti o ni abawọn eleyi ti ni a rii ni awọn idaniloju ihoho ati SHP.Ni ida keji, ọpọlọpọ awọn osteoclasts ti a mu ṣiṣẹ ni a ṣe akiyesi nitosi ihoho rere ati awọn egungun ti o dagba ti LOIS.Iyatọ yii tọka si pe niwaju awọn osteoclasts, ipe ti o wa ni ayika aaye fifọ ti n gba ilana atunṣe iwa-ipa (62).Iwọn egungun ati agbegbe ikosile osteoclasti ti callus ni a wọn lati ṣe afiwe ipele ti dida ipe ni ayika aaye fifọ ni gbogbo awọn ẹgbẹ, lati le ṣe iwọn ọlọjẹ micro-CT ati awọn abajade IHC (Figure 6E, 1 ati 2).Gẹgẹbi a ti ṣe yẹ, awọn odi ihoho ati idasile callus ni LOIS jẹ pataki ti o ga ju awọn ẹgbẹ miiran lọ, ti o fihan pe atunṣe egungun rere waye (63).Nọmba S10 ṣe afihan aworan opiti ti aaye iṣẹ abẹ, abajade abawọn MT ti ara ti a gba ni isunmọ skru, ati abajade abawọn TRAP ti n ṣe afihan wiwo-skru-egungun.Ninu sobusitireti igboro, ipe ti o lagbara ati idasile fibrosis ni a ṣe akiyesi, lakoko ti ifibọ ti a ṣe itọju LOIS ṣe afihan dada ti ko faramọ.Bakanna, ni akawe si awọn odi ihoho, fibrosis kekere ni a ṣe akiyesi ni awọn ehoro ti a gbin pẹlu LOIS, gẹgẹbi itọkasi nipasẹ awọn ọfa funfun.Ni afikun, edema ti o duro (ọfa buluu) ni a le sọ si awọn ohun-ini imukuro ajẹsara ti LOIS, nitorinaa dinku iredodo nla.Ilẹ ti ko ni itọka ti o wa ni ayika ti a fi sii ati fibrosis ti o dinku ni imọran pe ilana yiyọ kuro jẹ rọrun, eyiti o maa n fa awọn ipalara miiran tabi igbona.Ilana iwosan egungun lẹhin yiyọ skru ni a ṣe ayẹwo nipasẹ iṣẹ-ṣiṣe osteoclasti ni wiwo-skru-egungun.Mejeeji egungun igboro ati wiwo ifitonileti LOIS gba awọn ipele ti o jọra ti osteoclasts si iwosan egungun siwaju, ti o nfihan pe ideri LOIS ko ni ipa odi lori iwosan egungun tabi idahun ajẹsara.Lati le jẹrisi pe iyipada oju-aye ti a ṣe lori LOIS ko ni dabaru pẹlu ilana imularada egungun, a lo idanwo X-ray lati ṣe afiwe iwosan egungun ti awọn ehoro pẹlu awọn ions odi ti o han ati awọn ọsẹ 6 ti gbin LOIS (Figure 6F).Awọn abajade fihan pe akawe pẹlu ẹgbẹ rere ihoho ti ko ni arun, LOIS ṣe afihan iwọn kanna ti iwosan egungun, ati pe ko si awọn ami ti o han gbangba ti fifọ (laini osteolysis tẹsiwaju) ni awọn ẹgbẹ mejeeji.
(A) Aworan atọka ti ilana iwosan egungun lẹhin fifọ.(B) Iyatọ ti o wa ni ipele ti iṣeto callus ti ẹgbẹ kọọkan ati (C) aworan agbelebu ti aaye fifọ.(D) TRAP idoti lati wo iṣẹ-ṣiṣe osteoclasti ati isọdọtun egungun.Da lori iṣẹ TRAP, dida ipe ti ita ti egungun cortical ni a ṣe ayẹwo ni iwọn nipasẹ (E) (1) micro-CT ati (2) iṣẹ osteoclast.(F) Awọn ọsẹ 6 lẹhin didasilẹ, awọn aworan X-ray ti egungun ti o fọ ti odi ti o han (ti o ṣe afihan nipasẹ pupa onigun pupa) ati LOIS (ti o ṣe afihan nipasẹ igun-ara ti o ni awọ buluu).Onínọmbà oníṣirò ni a ṣe nipasẹ ìtúpalẹ̀ ọ̀nà kan ti ìyàtọ̀ (ANOVA).P <0.05.** P <0.01.
Ni kukuru, LOIS n pese iru tuntun ti ilana ikolu antibacterial ati ibora abayọ fun awọn aranmo orthopedic.Awọn aranmo orthopedic ti aṣa pẹlu iṣẹ ṣiṣe SHP ṣe afihan awọn ohun-ini anti-biofouling kukuru, ṣugbọn ko le ṣetọju awọn ohun-ini wọn fun igba pipẹ.Superhydrophobicity ti sobusitireti di awọn nyoju afẹfẹ laarin awọn kokoro arun ati sobusitireti, nitorinaa ṣe awọn apo afẹfẹ, nitorinaa idilọwọ ikolu kokoro-arun.Sibẹsibẹ, nitori itankale afẹfẹ, awọn apo afẹfẹ wọnyi ti wa ni rọọrun kuro.Ni apa keji, LOIS ti ṣe afihan agbara rẹ daradara lati ṣe idiwọ awọn akoran ti o ni ibatan biofilm.Nitorinaa, nitori awọn ohun-ini ilodisi-ijusile ti Layer lubricant itasi sinu oju-aye micro/nano ti o fẹlẹfẹlẹ, iredodo ti o ni ibatan ikolu le ni idiwọ.Awọn ọna abuda oriṣiriṣi pẹlu SEM, AFM, XPS ati awọn wiwọn CA ni a lo lati mu awọn ipo iṣelọpọ LOIS ṣiṣẹ.Ni afikun, LOIS tun le lo si ọpọlọpọ awọn ohun elo ti ibi ti a lo nigbagbogbo ni awọn ohun elo imuduro orthopedic, gẹgẹbi PLGA, Ti, PE, POM ati PPSU.Lẹhinna, LOIS ti ni idanwo ni vitro lati ṣe afihan awọn ohun-ini anti-biofouling lodi si awọn kokoro arun ati awọn nkan ti ibi ti o ni ibatan si esi ajẹsara.Awọn abajade fihan pe o ni awọn ipakokoro antibacterial ti o dara julọ ati awọn ipa-ipa-biofouling ti a fiwewe si igboro igboro.Ni afikun, LOIS ṣe afihan agbara ẹrọ paapaa lẹhin lilo aapọn ẹrọ, eyiti ko ṣee ṣe ni iṣẹ abẹ ṣiṣu.Nitori awọn ohun-ini imularada ti ara ẹni ti lubricant lori dada ti micro/nano be, LOIS ni aṣeyọri ṣetọju awọn ohun-ini eegun ti ibi.Lati le ṣe iwadi biocompatibility ati awọn ohun-ini antibacterial ti LOIS ni vivo, LOIS ni a gbin sinu abo ehoro fun ọsẹ mẹrin.Ko si ikolu kokoro-arun ti a ṣe akiyesi ni awọn ehoro ti a gbin pẹlu LOIS.Ni afikun, lilo IHC ṣe afihan ipele ti o dinku ti idahun ajẹsara ti agbegbe, ti o nfihan pe LOIS ko ni idiwọ ilana ilana iwosan egungun.LOIS ṣe afihan antibacterial ti o dara julọ ati awọn ohun-ini imukuro ajẹsara, ati pe a ti fi idi rẹ mulẹ lati ṣe idiwọ iṣelọpọ biofilm ni imunadoko ṣaaju ati lakoko iṣẹ abẹ orthopedic, paapaa fun iṣelọpọ egungun.Nipa lilo ọra inu egungun ehoro iredodo awoṣe fifọ abo abo, ipa ti awọn akoran ti o ni ibatan si biofilm lori ilana iwosan egungun ti a fa nipasẹ awọn ohun elo ti a ti ṣaju ti a ti ṣaju tẹlẹ ni a ṣe iwadi jinna.Gẹgẹbi iwadii ọjọ iwaju, awoṣe tuntun ni vivo ni a nilo lati ṣe iwadi awọn akoran ti o ṣeeṣe lẹhin didasilẹ lati ni oye ni kikun ati ṣe idiwọ awọn akoran ti o ni ibatan biofilm lakoko gbogbo ilana imularada.Ni afikun, osteoinduction tun jẹ ipenija ti ko yanju ni iṣọpọ pẹlu LOIS.Iwadi siwaju sii ni a nilo lati darapo adhesion yiyan ti awọn sẹẹli osteoinductive tabi oogun isọdọtun pẹlu LOIS lati bori ipenija naa.Lapapọ, LOIS ṣe aṣoju ibora idasi orthopedic ti o ni ileri pẹlu agbara ẹrọ ati awọn ohun-ini anti-biofouling ti o dara julọ, eyiti o le dinku SSI ati awọn ipa ẹgbẹ ajẹsara.
Fọ 15mm x 15mm x 1mm 304 SS sobusitireti (Dong Kang M-Tech Co., Korea) ni acetone, EtOH ati omi DI fun awọn iṣẹju 15 lati yọ awọn idoti kuro.Lati le ṣe agbekalẹ micro/nano-ipele eto lori dada, sobusitireti ti mọtoto ti wa ni immersed ni 48% si 51% ojutu HF (DUKSAN Corp., South Korea) ni 50°C.Akoko etching yatọ lati 0 si 60 iṣẹju.Lẹhinna, sobusitireti etched ti di mimọ pẹlu omi ti a ti sọ diionized ati gbe sinu 65% HNO3 (Korea DUKSAN Corp.) ojutu ni 50°C fun awọn iṣẹju 30 lati ṣe fẹlẹfẹlẹ pasififu oxide chromium lori dada.Lẹhin passivation, awọn sobusitireti ti wa ni fo pẹlu omi deionized ati ki o si dahùn o lati gba a sobusitireti pẹlu kan siwa be.Nigbamii ti, sobusitireti ti han si pilasima atẹgun (100 W, awọn iṣẹju 3), ati lẹsẹkẹsẹ fi omi sinu ojutu ti 8.88 mM POTS (Sigma-Aldrich, Germany) ni toluene ni iwọn otutu yara fun wakati 12.Lẹhinna, sobusitireti ti a bo pẹlu POTS ni a ti sọ di mimọ pẹlu EtOH, ati fifẹ ni 150 ° C fun awọn wakati 2 lati gba ipon POTS SAM kan.Lẹhin ti a bo SAM, a ti ṣẹda Layer lubricant lori sobusitireti nipa lilo lubricant perfluoropolyether (Krytox 101; DuPont, USA) pẹlu iwọn ikojọpọ ti 20 μm / cm 2. Ṣaaju lilo, ṣe àlẹmọ lubricant nipasẹ àlẹmọ 0.2 micron.Yọ lubricant pupọ kuro nipa titẹ si igun 45° fun iṣẹju 15.Ilana iṣelọpọ kanna ni a lo fun awọn aranmo orthopedic ti a ṣe ti 304 SS (awọ titiipa ati skru titiipa cortical; Dong Kang M-Tech Co., Korea).Gbogbo awọn aranmo orthopedic jẹ apẹrẹ lati baamu geometry ti abo ehoro.
Ayẹwo oju-aye ti sobusitireti ati awọn ohun elo orthopedic ni a ṣe ayẹwo nipasẹ SEM itujade aaye (Ṣayẹwo F50, FEI, USA) ati AFM (XE-100, Park Systems, South Korea).Aidiwọn dada (Ra, Rq) jẹ iwọn nipasẹ isodipupo agbegbe ti 20 μm nipasẹ 20 μm (n=4).Eto XPS (PHI 5000 VersaProbe, ULVAC PHI, Japan) ti o ni ipese pẹlu orisun Al Kα X-ray pẹlu iwọn iranran ti 100μm2 ni a lo lati ṣe itupalẹ akopọ kemikali dada.Eto wiwọn CA ti o ni ipese pẹlu kamẹra yiya aworan ti o ni agbara (SmartDrop, FEMTOBIOMED, ​​South Korea) ni a lo lati wiwọn CA olomi ati SA.Fun wiwọn kọọkan, 6 si 10 μl ti awọn droplets (omi ti a ti sọ diionized, ẹjẹ ẹṣin, EG, 30% ethanol, ati HD) ni a gbe sori oke lati wiwọn CA.Nigbati igun ifọkanbalẹ ti sobusitireti ba pọ si ni iyara ti 2°/s (n = 4), SA jẹ wiwọn nigbati droplet ba ṣubu.
Pseudomonas aeruginosa [Akojọpọ Aṣa Aṣa ti Amẹrika (ATCC) 27853] ati MRSA (ATCC 25923) ni a ra lati ATCC (Manassas, Virginia, USA), ati pe aṣa iṣura ti wa ni itọju ni -80 ° C.Ṣaaju lilo, aṣa tio tutunini ti wa ninu omitooro soybean trypsin-thawed (Komed, Korea) ni 37°C fun wakati 18 ati lẹhinna gbe lọ lẹmeji lati muu ṣiṣẹ.Lẹhin idabobo, aṣa naa jẹ centrifuged ni 10,000 rpm fun awọn iṣẹju 10 ni 4 ° C ati fo lẹẹmeji pẹlu ojutu PBS (pH 7.3).Asa centrifuged lẹhinna jẹ subcultured lori awọn awo agar ẹjẹ (BAP).MRSA ati Pseudomonas aeruginosa ti pese sile moju ati gbin ni Luria-Bertani broth.Ifojusi ti Pseudomonas aeruginosa ati MRSA ninu inoculum jẹ ipinnu ni iwọn nipasẹ CFU ti idaduro ni awọn dilutions tẹlentẹle lori agar.Lẹhinna, ṣatunṣe ifọkansi kokoro-arun si boṣewa 0.5 McFarland, eyiti o jẹ deede si 108 CFU/ml.Lẹhinna di ifasilẹ idaduro kokoro-arun ti n ṣiṣẹ ni igba 100 si 106 CFU/ml.Lati ṣe idanwo awọn ohun-ini ifaramọ antibacterial, sobusitireti ti di sterilized ni 121 ° C fun awọn iṣẹju 15 ṣaaju lilo.Lẹhinna a gbe sobusitireti naa lọ si 25 milimita ti idaduro kokoro-arun ati pe a ti gbin ni 37°C pẹlu gbigbọn to lagbara (200 rpm) fun wakati 12 ati 72.Lẹhin abeabo, kọọkan sobusitireti ti yọ kuro ninu incubator ati ki o fo ni igba mẹta pẹlu PBS lati yọ eyikeyi kokoro arun lilefoofo lori dada.Lati le ṣe akiyesi biofilm lori sobusitireti, biofilm ti wa ni ipilẹ pẹlu methanol ati abariwon pẹlu milimita 1 ti osan crimidine fun awọn iṣẹju 2.Lẹhinna a lo microscope fluorescence (BX51TR, Olympus, Japan) lati ya awọn aworan ti biofilm ti o ni abawọn.Lati le ṣe iwọn biofilm lori sobusitireti, awọn sẹẹli ti o somọ ni a yapa kuro ninu sobusitireti nipasẹ ọna vortex ileke, eyiti a gba pe o jẹ ọna ti o dara julọ lati yọ awọn kokoro arun ti a so (n = 4).Lilo awọn ipa ifo, yọ sobusitireti kuro ni alabọde idagba ki o tẹ awo daradara lati yọ omi bibajẹ pupọ kuro.Awọn sẹẹli ti o somọ ni a yọkuro nipasẹ fifọ lẹẹmeji pẹlu PBS ti ko tọ.Lẹhinna a gbe sobusitireti kọọkan lọ si tube idanwo ifo ti o ni 9 milimita ti 0.1% protein ept saline (PSW) ati 2 g ti 20 si 25 awọn ilẹkẹ gilasi asan (0.4 si 0.5 mm ni iwọn ila opin).Lẹhinna o yipo fun awọn iṣẹju 3 lati yọ awọn sẹẹli kuro ninu ayẹwo.Lẹhin vortexing, idadoro naa ti fo ni tẹlentẹle 10-agbo pẹlu 0.1% PSW, ati lẹhinna 0.1 milimita ti fomipo kọọkan ni a ṣe itọsi lori BAP.Lẹhin awọn wakati 24 ti abeabo ni 37°C, a ka CFU pẹlu ọwọ.
Fun awọn sẹẹli, awọn fibroblasts Asin NIH/3T3 (CRL-1658; American ATCC) ati awọn macrophages macrophages RAW 264.7 (TIB-71; American ATCC) ni a lo.Lo Dulbecco's modified Eagle alabọde (DMEM; LM001-05, Welgene, Korea) si asa fibroblasts Asin ati afikun pẹlu 10% omi ara (S103-01, Welgene) ati 1% penicillin-streptomycin (PS; LS202-02, Welgene (Welgene) Lo DMEM si awọn macrophages Asin ti aṣa, ti o ni afikun pẹlu 10% oyun bovine serum (S001-01, Welgene) ati 1% PS. Awọn sẹẹli naa ni alẹ ni 37 ° C ati 5% CO2 Fun idoti sẹẹli, awọn sẹẹli ti wa ni tunṣe pẹlu 4% paraformaldehyde fun awọn iṣẹju 20 ati gbe sinu 0.5% Triton X Incubate fun awọn iṣẹju 5 ni -100 ni 37 ° C fun awọn iṣẹju 30 Lẹhin ilana imudani, lo sobusitireti pẹlu 4′,6-diamino-2-phenylindole (H -1200, Vector Laboratories, UK) VECTASHIELD imuduro alabọde (n = 4 fun sẹẹli). , fluorescein, fluorescein isothiocyanate-albumin (A9771, Sigma-Aldrich, Germany) ati pilasima eniyan The Alexa Fluor 488-conjugated fibrinogen (F13191, Invitrogen, USA) ti wa ni tituka ni PBS (10 mM, pH 7.4).Awọn ifọkansi ti albumin ati fibrinogen jẹ 1 ati 150 μg/ml, lẹsẹsẹ.Lẹhin ti sobusitireti Ṣaaju ki o to ibọmi sinu ojutu amuaradagba, fi omi ṣan wọn pẹlu PBS lati tun omi dada pada.Lẹhinna fi gbogbo awọn sobusitireti sinu awo kanga mẹfa kan ti o ni ojutu amuaradagba ati incubate ni 37°C fun ọgbọn išẹju 30 ati 90.Lẹhin isubu, a ti yọ sobusitireti kuro ninu ojutu amuaradagba, wẹ rọra pẹlu PBS ni awọn akoko 3, ti o wa titi pẹlu 4% paraformaldehyde (n = 4 fun amuaradagba kọọkan).Fun kalisiomu, iṣuu soda kiloraidi (0.21 M) ati potasiomu fosifeti (3.77 mM) ) Ti tu sinu omi ti a ti sọ diionized.pH ti ojutu naa ni atunṣe si 2.0 nipa fifi ojutu hydrochloride kun (1M).Lẹhinna kiloraidi kalisiomu (5.62 mM) ti tuka ninu ojutu naa.Nipa fifi 1M tris (hydroxymethyl) -amino Methane ṣe atunṣe pH ti ojutu si 7.4.Immerse gbogbo awọn sobusitireti sinu awo kanga mẹfa kan ti o kun pẹlu ojutu fosifeti kalisiomu 1.5 × ki o yọ kuro ninu ojutu lẹhin iṣẹju 30.Fun idoti, 2 g Alizarin Red S (CI 58005) Illa pẹlu 100 milimita ti omi deionized.Lẹhinna, lo 10% ammonium hydroxide lati ṣatunṣe pH si 4. Pa sobusitireti naa pẹlu ojutu Alizarin Red fun iṣẹju 5, lẹhinna gbọn awọ ti o pọ ju ati nù kuro.Lẹhin ilana gbigbọn, yọ sobusitireti kuro.Ohun elo naa ti gbẹ, lẹhinna fi omi sinu acetone fun iṣẹju 5, lẹhinna fi omi sinu ojutu acetone-xylene (1: 1) fun iṣẹju 5, ati nikẹhin wẹ pẹlu xylene (n = 4).Microscope Fluorescence (Axio Imager) pẹlu ×10 ati ×20 awọn lẹnsi ojulowo ni a lo..A2m, Zeiss, Jẹmánì) awọn aworan gbogbo awọn sobusitireti.AworanJ/FIJI (https://imagej.nih.gov/ij/) ni a lo lati ṣe iwọn data ifaramọ ti awọn nkan ti ibi lori ẹgbẹ kọọkan ti awọn agbegbe aworan oriṣiriṣi mẹrin.Yipada gbogbo awọn aworan si awọn aworan alakomeji pẹlu awọn iloro ti o wa titi fun lafiwe sobusitireti.
A Zeiss LSM 700 maikirosikopu confocal ni a lo lati ṣe atẹle iduroṣinṣin ti Layer lubricant ni PBS ni ipo iṣaro.Ayẹwo gilasi SAM ti o da lori fluorine pẹlu Layer lubricating itasi ti a fi omi ṣan sinu ojutu PBS kan, ati idanwo nipa lilo gbigbọn orbital (SHO-1D; Daihan Scientific, South Korea) labẹ awọn ipo gbigbọn kekere (120 rpm).Lẹhinna mu ayẹwo naa ki o ṣe atẹle isonu ti lubricant nipa wiwọn isonu ti ina ti o tan.Lati gba awọn aworan fluorescence ni ipo iṣaro, apẹẹrẹ ti han si laser 633 nm ati lẹhinna gba, nitori ina yoo tan imọlẹ pada lati apẹẹrẹ.Awọn ayẹwo ni a wọn ni awọn aaye arin akoko ti 0, 30, 60, ati 120 wakati.
Lati le mọ ipa ti ilana iyipada dada lori awọn ohun-ini nanomechanical ti awọn ohun elo orthopedic, nanoindenter (TI 950 TriboIndenter, Hysitron, USA) ti o ni ipese pẹlu pyramid ti o ni apa mẹta ti Berkovich Diamond sample ti a lo lati wiwọn nanoindenedione.Iwọn ti o ga julọ jẹ 10 mN ati agbegbe naa jẹ 100μmx 100μm.Fun gbogbo awọn wiwọn, akoko ikojọpọ ati ikojọpọ jẹ awọn iṣẹju 10, ati pe akoko idaduro labẹ fifuye indentation tente oke jẹ 2 s.Mu awọn wiwọn lati awọn ipo oriṣiriṣi marun ati mu apapọ.Lati le ṣe iṣiro iṣẹ agbara ẹrọ ti o wa labẹ ẹru, a ṣe idanwo itọpa ojuami mẹta-mẹta nipa lilo ẹrọ idanwo gbogbo agbaye (Instron 5966, Instron, USA).Sobusitireti ti wa ni fisinuirindigbindigbin ni kan ibakan oṣuwọn ti 10 N/s pẹlu ẹya pọ si fifuye.Eto sọfitiwia Universal Bluehill (n = 3) ni a lo lati ṣe iṣiro modulus rọ ati aapọn titẹ pupọ julọ.
Lati le ṣe afiwe ilana iṣiṣẹ ati ibajẹ ẹrọ ti o ni ibatan ti o ṣẹlẹ lakoko iṣiṣẹ, ilana iṣiṣẹ ni a ṣe ni vitro.Awọn abo ni a gba lati inu awọn ehoro funfun ti New Zealand ti a pa.Femur ti mọtoto ati ti o wa titi ni 4% paraformaldehyde fun ọsẹ kan.Gẹgẹbi a ti ṣalaye ninu ọna idanwo ẹranko, femur ti o wa titi jẹ iṣẹ abẹ.Lẹhin iṣẹ-ṣiṣe naa, a ti fi itọsi orthopedic sinu ẹjẹ (ẹjẹ ẹṣin, KISAN, Korea) fun 10 s lati jẹrisi boya awọn ifaramọ ẹjẹ waye lẹhin ti a ti lo ipalara ẹrọ (n = 3).
Lapapọ 24 ọkunrin New Zealand funfun ehoro (iwuwo 3.0 si 3.5kg, apapọ ọjọ ori 6 osu) ni a pin laileto si awọn ẹgbẹ mẹrin: odi ihoho, ihoho rere, SHP ati LOIS.Gbogbo awọn ilana ti o kan awọn ẹranko ni a ṣe ni ibamu pẹlu awọn iṣedede iṣe ti Ile-iṣẹ Itọju Ẹranko ati Igbimọ Lilo (IACUC fọwọsi, KOREA-2017-0159).Imudara orthopedic jẹ awo titiipa pẹlu awọn iho marun (ipari 41 mm, iwọn 7 mm ati sisanra 2 mm) ati awọn skru titiipa cortical (ipari 12 mm, iwọn ila opin 2.7 mm) fun fifọ fifọ.Ayafi fun awọn awo ati awọn skru wọnyẹn ti a lo ninu ẹgbẹ aibikita, gbogbo awọn awo ati awọn skru ni a fi sinu idadoro MRSA (106 CFU/ml) fun awọn wakati 12.Ẹgbẹ ihoho-negative (n=6) ni a tọju pẹlu awọn ifibọ oju ilẹ ihoho laisi ifihan si idaduro kokoro-arun, bi iṣakoso odi fun ikolu.Ẹgbẹ rere ti o ni igboro (n = 6) ni a tọju pẹlu itọsi oju ilẹ ti o han si awọn kokoro arun bi iṣakoso rere fun ikolu.Ẹgbẹ SHP (n = 6) ni a ṣe itọju pẹlu awọn aranmo SHP ti o han ni kokoro-arun.Nikẹhin, ẹgbẹ LOIS ti ni itọju pẹlu awọn aranmo LOIS ti kokoro-arun (n = 6).Gbogbo ẹranko ni a tọju sinu agọ ẹyẹ, ati pe ọpọlọpọ ounjẹ ati omi ni a pese.Ṣaaju iṣẹ-ṣiṣe, awọn ehoro ti gbawẹ fun wakati 12.Awọn ẹranko naa ni abẹrẹ nipasẹ intramuscular injection of xylazine (5mg/kg) ati intravenous injection of paclitaxel (3mg/kg) fun fifa irọbi.Lẹhin iyẹn, firanṣẹ 2% isoflurane ati 50% si 70% atẹgun iṣoogun (iwọn sisan 2 L / min) nipasẹ eto atẹgun lati ṣetọju akuniloorun.O ti wa ni gbin nipasẹ ọna taara si femur ti ita.Lẹhin yiyọ irun ati povidone-iodine disinfection ti awọ ara, lila kan nipa 6 cm gigun ni a ṣe ni ita ti abo aarin osi.Nipa ṣiṣi aafo laarin awọn iṣan ti o bo abo, femur ti han ni kikun.Gbe awo naa si iwaju ọpa abo ati ki o ṣe atunṣe pẹlu awọn skru mẹrin.Lẹhin imuduro, lo abẹfẹlẹ ri (nipọn 1 mm) lati ṣẹda lainidi ni agbegbe laarin iho keji ati iho kẹrin.Ni ipari iṣẹ naa, a ti fọ ọgbẹ naa pẹlu iyọ ati pipade pẹlu awọn aṣọ.Ehoro kọọkan jẹ itasi abẹ-ara pẹlu enrofloxacin (5 mg/kg) ti fomi ni idamẹta ninu iyọ.Awọn egungun X-ray lẹhin isẹ ti abo ni a mu ni gbogbo awọn ẹranko (0, 7, 14, 21, 28, ati 42 ọjọ) lati jẹrisi osteotomy ti egungun.Lẹhin akuniloorun jinlẹ, gbogbo awọn ẹranko ni a pa nipasẹ KCl iṣan (2 mmol/kg) ni ọjọ 28 ati 42.Lẹhin ipaniyan, femur ti ṣayẹwo nipasẹ micro-CT lati ṣe akiyesi ati ṣe afiwe ilana ilana iwosan egungun ati iṣeto egungun titun laarin awọn ẹgbẹ mẹrin.
Lẹhin ipaniyan, awọn ohun elo rirọ ti o wa ni ifarakanra taara pẹlu awọn ohun elo orthopedic ni a gba.A ti ṣeto àsopọ ni 10% didoju buffered formalin ni alẹ ati lẹhinna gbẹ ni EtOH.Awọn ara ti o gbẹ ti wa ni ifibọ sinu paraffin ati apakan ni sisanra ti 40 μm nipa lilo microtome (400CS; EXAKT, Germany).Lati le foju wo ikolu naa, abawọn H&E ati abawọn MT ni a ṣe.Lati le ṣayẹwo idahun agbalejo naa, a ti fi awọ ara ti a pin pẹlu antibody anti-TNF-α akọkọ ehoro (AB6671, Abcam, USA) ati ehoro anti-IL-6 (AB6672; Abcam, USA), ati lẹhinna mu pẹlu horseradish.Oxidase.Waye eto idoti avidin-biotin (ABC) si awọn apakan ni ibamu si awọn itọnisọna olupese.Lati le han bi ọja ifaseyin brown, 3,3-diaminobenzidine ti lo ni gbogbo awọn ẹya.Scanner ifaworanhan oni-nọmba kan (Pannoramic 250 Flash III, 3DHISTECH, Hungary) ni a lo lati wo gbogbo awọn ege, ati pe o kere ju awọn sobusitireti mẹrin ni ẹgbẹ kọọkan ni a ṣe atupale nipasẹ sọfitiwia ImageJ.
Awọn aworan X-ray ni a ya ni gbogbo awọn ẹranko lẹhin iṣẹ abẹ ati ni gbogbo ọsẹ lati ṣe atẹle iwosan fifọ (n=6 fun ẹgbẹ kan).Lẹhin ipaniyan, micro-CT ti o ga-giga ni a lo lati ṣe iṣiro dida callus ni ayika femur lẹhin iwosan.Femur ti a gba ni ti mọtoto, ti o wa titi ni 4% paraformaldehyde fun awọn ọjọ 3, ati ki o gbẹ ni 75% ethanol.Awọn egungun ti o gbẹ ni a ṣayẹwo lẹhinna nipasẹ lilo micro-CT (SkyScan 1173, Brooke Micro-CT, Kandy, Belgium) lati ṣe awọn aworan voxel 3D (2240 ​​× 2240 pixels) ti ayẹwo egungun.Lo 1.0 mm Al àlẹmọ lati dinku ariwo ifihan ati lo ipinnu giga si gbogbo awọn ọlọjẹ (E = 133 kVp, I = 60 μA, akoko iṣọpọ = 500 ms).Sọfitiwia Nrecon (ẹya 1.6.9.8, Bruker microCT, Kontich, Bẹljiọmu) ni a lo lati ṣe agbejade iwọn 3D kan ti ayẹwo ti a ṣayẹwo lati asọtẹlẹ ita 2D ti o gba.Fun itupalẹ, aworan ti a tun ṣe 3D ti pin si awọn cubes 10mm × 10mm × 10mm ni ibamu si aaye fifọ.Ṣe iṣiro ipe ipe ni ita egungun cortical.DataViewer (ẹya 1.5.1.2; Bruker microCT, Kontich, Belgium) sọfitiwia lo lati ṣe atunṣe iwọn didun egungun ti a ṣayẹwo ni oni nọmba, ati CT-Analyzer (ẹya 1.14.4.1; Bruker microCT, Kontich, Belgium) sọfitiwia lo fun itupalẹ.Awọn iye iwọn x-ray ti o ni ibatan ni egungun ti o dagba ati callus jẹ iyatọ nipasẹ iwuwo wọn, lẹhinna iwọn didun callus jẹ iwọn (n = 4).Lati le jẹrisi pe biocompatibility ti LOIS ko ṣe idaduro ilana iwosan egungun, afikun X-ray ati micro-CT ti a ṣe ni awọn ehoro meji: ihoho-odi ati awọn ẹgbẹ LOIS.Awọn ẹgbẹ mejeeji ni a pa ni ọsẹ 6th.
Awọn abo lati awọn ẹran ti a fi rubọ ni a gba ati ti o wa titi ni 4% paraformaldehyde fun awọn ọjọ 3.Ibẹrẹ orthopedic lẹhinna ni a yọkuro ni pẹkipẹki lati inu abo.A ṣe atunṣe abo abo fun awọn ọjọ 21 nipa lilo 0.5 M EDTA (EC-900, National Diagnostics Corporation).Lẹhinna femur ti a ti sọ dicalcified ti bami sinu EtOH lati jẹ ki o gbẹ.Femur ti o gbẹ ti yọ kuro ni xylene ati ti a fi sinu paraffin.Lẹhinna a ti ge ayẹwo naa pẹlu microtome rotary laifọwọyi (Leica RM2255, Leica Biosystems, Germany) pẹlu sisanra ti 3 μm.Fun idoti TRAP (F6760, Sigma-Aldrich, Jẹmánì), awọn ayẹwo ti a pin si ti wa ni deparaffinized, rehydrated ati incubated ni TRAP reagent ni 37 ° C fun 1 wakati.Awọn aworan ti wa ni ipasẹ nipa lilo ẹrọ iwo-aworan kan (Pannoramic 250 Flash III, 3DHISTECH, Hungary) ati iwọn nipasẹ wiwọn agbegbe agbegbe ti agbegbe abariwon.Ninu idanwo kọọkan, o kere ju awọn sobusitireti mẹrin ni ẹgbẹ kọọkan ni a ṣe atupale nipasẹ sọfitiwia ImageJ.
Iṣiro pataki iṣiro ni a ṣe nipasẹ lilo GraphPad Prism (GraphPad Software Inc., USA).T-idanwo ti a ko ni idapọ ati ọna-ọna kan ti iyatọ (ANOVA) ni a lo lati ṣe idanwo awọn iyatọ laarin awọn ẹgbẹ igbelewọn.Ipele pataki jẹ itọkasi ni nọmba bi atẹle: * P <0.05, ** P <0.01, *** P <0.001 ati **** P <0.0001;NS, ko si iyatọ pataki.
Fun awọn ohun elo afikun fun nkan yii, jọwọ wo http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/44/eabb0025/DC1
Eyi jẹ nkan iwọle ṣiṣi ti o pin kaakiri labẹ awọn ofin ti Iwe-aṣẹ Iṣewadii-Aiṣe-Iṣowo ti Creative Commons, eyiti o fun laaye lilo, pinpin ati ẹda ni eyikeyi alabọde, niwọn igba ti lilo kii ṣe fun ere iṣowo ati ipilẹ ile ni pe atilẹba atilẹba iṣẹ jẹ deede.Itọkasi.
Akiyesi: A nikan beere lọwọ rẹ lati pese adirẹsi imeeli kan ki eniyan ti o ṣeduro si oju-iwe naa mọ pe o fẹ ki wọn rii imeeli ati pe imeeli kii ṣe àwúrúju.A kii yoo gba awọn adirẹsi imeeli eyikeyi.
Ibeere yii ni a lo lati ṣe idanwo boya o jẹ alejo eniyan ati lati ṣe idiwọ awọn ifisilẹ àwúrúju laifọwọyi.
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
Awọn ideri antibacterial ati ajẹsara ti ajẹsara ti awọn aranmo orthopedic le dinku awọn akoran ati awọn idahun ajẹsara ti o fa nipasẹ awọn akoran.
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
Awọn ideri antibacterial ati ajẹsara ti ajẹsara ti awọn aranmo orthopedic le dinku awọn akoran ati awọn idahun ajẹsara ti o fa nipasẹ awọn akoran.
©2021 Ẹgbẹ Amẹrika fun Ilọsiwaju ti Imọ.gbogbo awọn ẹtọ wa ni ipamọ.AAAS jẹ alabaṣepọ ti HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef ati COUNTER.ScienceAdvances ISSN 2375-2548.