مقدمه
بدلیل تقاضای زیاد در 60 سال اخیر برای مواد سبک و بادوام در تجهیزات ارتوپدی و اعضای مصنوعی شاهد رشد چشمگیر پیشرفت فناوری در این زمینه بوده‌ایم. مواد جدیدی با خواص مکانیکی مناسب برای این کار ساخته شده‌اند. مواد پلیمری جدید باعث انقلاب در این حیطه شده‌اند به نحوی که دوام و استحکام بالاتری را فراهم می‌کنند و در عین حال جنبه‌های زیبایی بهتری دارند. پلی‌پروپیلن (PP) و پلی‌اتیلن (PE) پلیمرهای شبه کریستالی و رایج‌ترین پلیمرهای استفاده شده در صنایع مختلف هستند. این پلیمرها خواص مطلوبی مانند چگالی پایین، قابلیت احیا، پایداری حرارتی نسبتا بالا و مقاومت خوب در برابر مواد شیمیایی دارند. تحقیقات زیادی در مورد تأثیر خواص مورفولوژیکی برخی پلیمرها روی خواص مکانیکی آنها انجام شده است. با افزودن پرکن‌ها یا مواد تقویت‌کننده می‌توان خواص مکانیکی پلیمرها را بشدت ارتقا بخشید. کندی و همکارانش نشان دادند که خواص کششی PE خطی به عوامل ساختاری آن بستگی دارد در حالی که امجدی و همکارانش تأثیر روش عمل‌آوری و شرایط اندازه‌گیری روی رفتار کششی PE با چگالی بالا (HDPE) را بررسی کردند. آنها دریافتند که روش عمل‌آوری و ضخامت نمونه‌ها تأثیر زیادی روی خواص کششی HDPE دارند. کف‌دار کردن پلیمرها باعث کاهش وزن آنها می‌شود، خواص جدیدی به آن می‌بخشد و از نظر اقتصادی نیز مطلوب است. پیشرفت‌های اخیر به ما اجازه می‌دهند تا فوم‌هایی با حفرات مشخص تولید کنیم که باعث می‌شود کاربرد گسترده‌تری داشته باشند. محققان زیادی توانسته‌اند خواص کششی انواع پلیمرهای کف‌دار (فوم‌مانند) را بررسی کنند. نتایج آنها نشان داد که ساختار میکروسکوپی فوم، چگالی و وزن مولکولی آن روی خواص مکانیکی پلیمر بدست آمده تأثیر دارند. با افزایش چگالی و وزن مولکولی فوم می‌توان چقرمگی آن را بهبود بخشید. گزارش شده است که با استفاده از میکروساختار فوم‌ها می‌توانیم موادی با خواص گسترده بدست آوریم. تجهیزات ارتوپدی و اعضای مصنوعی در واقع اجزای کمکی و متحرکی هستند که معمولا با پوست بیمار تماس دارند. بخش داخلی دستگاه‌های ارتوپدی مستقیما با پوست بیمار تماس دارند که بعنوان یک مانع فیزیکی برای بدن بیمار در برابر محیط‌های خارجی مانند میکروارگانیزم‌ها یا ترکیبات سمی عمل می‌کنند. از بین میکروارگانیزم‌ها، باکتری‌ها، قارچ‌ها و ویروس‌ها می‌توانند روی سطح دستگاه‌های ارتوپد کلنی تشکیل دهند. برخی میکروارگانیزم‌ها بی‌خطراند و در برخی موارد کارکرد حیاتی به پوست می‌بخشند. میکروارگانیزم‌های هم‌زیست و دائمی روی پوست شامل گونه‌های استافیلوکوک از جمله استافیلوکوک اریوس و استافیلوکوک اپیدرمیدیس است. آنها به وفور روی پوست یافت می‌شوند و برخی گونه‌های آن می‌توانند روی سطح بچسبند و بیوفیلم (لایه زیستی) تشکیل دهند. لایه‌های زیستی در صورت تماس با مانع پوستی آسیب دیده می‌توانند باعث عفونت شوند. چسبیدن باکتری‌ها به سطح مواد زمانی رخ می‌دهد که باکتری‌ها میل ترکیبی شدیدی به آن سطح داشته باشند. پدیده چسبندگی باکتری به سطح مواد بصورت غیرخاص و خاص طبقه‌بندی می‌شود. فاز اول شامل چسبندگی غیرخاص است که حاصل برهم‌کنش فیزیکی شیمیایی بین دیواره سلولی باکتری و سطح ماده است. این برهم‌کنش‌ها شامل نیروهای الکترواستاتیک، نیروهای وان در والس و نیروهای آبگریز است و بیانگر گام اول از چسبندگی هستند که این چسبندگی برگشت‌پذیر است. فاز دوم چسبندگی توسط نیروهای خاص بین ساختار سطح باکتری و سطح مواد مانند ساختار پلیمر-سطح باکتری ایجاد می‌شود , شامل کپسول‌ها،رشته‌های لبه‌ای (یا پیلی) و موکوس است که از پلی‌ساکاریدها و پروتئین‌هایی تشکیل شده‌اند که بعنوان چسبینه‌های باکتریایی عمل می‌کنند. تشکیل لایه زیستی می‌تواند باعث انواع عفونت‌ها شود. با استفاده از موادی با خواص سطحی مناسب می‌توان از چسبندگی باکتری‌ها جلوگیری کرد. خواص سطح مانند انرژی، زبری، ترشوندگی و پتانسیل زتای آن روی چسبندگی باکتری‌ها اثر می‌گذارند. این ویژگی‌ها را می‌توان با تکنیک‌هایی نظیر میکروسکوپ نیروی اتمی، رویه‌نگاری یا زبری‌سنجی، کشش‌سنجی و الکتروفورز اندازه‌گیری کرد. تغییر خواص سطح به ما اطلاعاتی درباره چسبندگی باکتری و کاهش متعاقب کلنی‌سازی میکروبی روی سطح مواد می‌دهد. ارتزها معمولا با همکاری بیماران طراحی می‌شوند تا بتواند کارهای خود را راحت‌تر انجام دهد. این وسایل به نحوی طراحی شده‌اند که درد بیماران را تسکین دهند، از بافت‌های آسیب‌پذیر محافظت کنند، مفاصل را پایدار کنند و باعث سلامت روان بیمار شوند. بجز معیارهای فوق، رنگ این وسایل باید تا جای ممکن همرنگ پوست باشد. رنگ آنها را می‌توان با طیف‌سنج یا سازمان‌های استاندارد مانند گروه مشورتی بین‌المللی (CIE) بصورت کمی تعیین کرد. آزمایشگاه CIE روشنایی رنگ (*L)، شدت طیف‌های قرمز/سبز (*a) و زرد/آبی (*b) را نشان می‌دهد. پارامترهای L*، a*، b* مثبت به ترتیب مربوط به رنگ شفاف‌تر، متمایل به قرمز و مایل به زرد هستند در حالی که مقادیر منفی این پارامترها به معنی رنگ تیره‌تر، متمایل به سبز و آبی است. پارامترهای رنگ تعیین شده توسط CIE (یعنی *L*, a*, b) با موفقیت برای ارزیابی رنگ سطوح مختلف استفاده شده است. بجز پارامترهای *L*, a و *b، زاویه هیو (که پارامتر ظاهر رنگ نیز نامیده می‌شود) نیز استفاده می‌شود که بین صفر تا 360 درجه است. این پارامتر بصورت arctan (b*/a*) تعریف می‌شود که 0 نشان‌دهنده رنگ قرمز، 120 طیف سبز و 240 نشان‌دهنده رنگ آبی است. خلوص رنگ یا درجه اشباع نسبی (*C) از عبارت 1/2(a*2 + b*2) بدست می‌آید و شدت رنگ یک سطح یا درجه اختلاف بصری از یک طیف خاکستری خنثی با روشنایی مشابه را نشان می‌دهد. هدف این مقاله بررسی خواص مکانیکی و آنتی‌باکتریال سطح مواد پلیمری بکار رفته در وسایل ارتوپدی و اعضای مصنوعی مانند پلاستیک اسفنجی یعنی PE فوم‌مانند، پلی (اتیلن-وینیل استات) فوم‌دار شده و کورک به همراه HDPE و PP جامد است. تست‌های مکانیکی مانند تست کشش و سفتی انجام شدند تا خواص مکانیکی مواد پلیمری انتخاب شده برای این کار بررسی شود. چسبندگی باکتری اس.اریوس روی تمامی سطوح مورد نظر بررسی شد. برای درک بهتر تمایل باکتری به چسبیدن روی سطح این مواد، خواص سطح مانند زبری، آبگریزی و پتانسیل زتای آنها را اندازه‌گیری کردیم. پارامترهای رنگ CIE را برای مواد بدست آوردیم تا شباهت آنها به رنگ پوست بیمار را تعیین کنیم.
مواد و روش‌ها
مواد
زیرلایه: در این پژوهش، شش ماده پلیمری مختلف انتخاب شدند که معمولا در وسایل ارتوپدی و اعضای مصنوعی بکار می‌روند. از بین این 6 ماده، چهار مورد از آنها مواد پلیمری اسفنجی یاخته بسته بود و دو ماده پلیمری دیگر جامد بودند. چگالی مواد پلیمری طبق استاندارد ISO 1183-1:2019 تعیین شد. برای هر نمونه، اندازه‌گیری‌ها 3 بار تکرار شد (انحراف استاندارد نتایج 1 درصد بود). برای اندازه‌گیری چسبندگی باکتریایی، زبری سطح و زاویه تماس با آب، هر ماده در ابعاد 2cm*2cm و ضخامت 7mm بریده شد در حالی که برای اندازه‌گیری پتانسیل زتای نمونه‌ها نیز آنها را در ابعاد 1cm*2cm برش دادیم. قسمت‌های بریده شده با 70 درصد اتانول خالص‌سازی شدند، هر سمت آنها بمدت 30 دقیقه در زیر نور UV قرار داده شد و سپس آنها را به پلیت‌های 6 خانه منتقل کردیم.
باکتری‌ها: استافیلوکوک (اس) اریوس معمولا بخشی از میکروارگانیزم‌های هم‌زیست روی پوست است. این باکتری یک ماده بی‌هوازی اختیاری، گرم مثبت، دایره‌ای و به شکل خوشه انگور است. هم‌چنین این باکتری تقریبا هر بافتی در بدن را عفونی می‌کند. این باکتری معمولا ایمپلنت‌ها و سوندهای جراحی را آلوده می‌کند و لایه‌های زیستی بر روی آنها تشکیل می‌دهد. در این پژوهش از اس.اریوس استاندارد یعنی ATCC 25923 (CCM = گردآوری میکروارگانیزم‌های 3953 در چک، جمهوری چک) استفاده شد. کشت باکتری‌های خالص روی پلیت‌های آگار خون‌دار در دمای 37 درجه سانتی‌گراد و بمدت 24 ساعت تحت شرایط هوازی انجام شد. به کمک محیط کشت آگار خون‌دار، یک سوم از سطح لوپ میکروبیولوژیکی آن با BHI (عصاره قلب و مغز، شرکت ایتالیایی Biolife، میلان، ایتالیا) تلقیح شد و بمدت 18 ساعت در دمای 37 درجه سانتی‌گراد انکوباسیون شد تا به غلظت 109 باکتری بر میلی‌لیتر برسیم. این سوسپانسیون از محیط کشت در نسبت 1:30 رقیق شد و بمدت 14 ساعت در دمای 37 درجه سانتی‌گراد و مطابق منحنی رشد باکتری با نمونه‌های ما انکوباسیون گردید. نمونه‌های ما قبل از انکوباسیون با نور UV استریل شدند. پس از انکوباسیون، نمونه‌ها سه مرتبه با PBS (محلول نمک فسفات با خاصیت بافری) و سه مرتبه با آب شسته شدند.
روش‌ها
مورفولوژی و زبری سطح: ما از زبری‌سنج Talysurf Series 2 (شرکت Taylor-Hobson، لستر، بریتانیا) برای اندازه‌گیری توپوگرافی سطح وسایل ارتوپدی و اعضای مصنوعی استفاده کردیم. رزولوشن دستگاه در جهت‌های x، y و z به ترتیب 0.25m، 1m و 3nm بود. مجموعه‌ای از خطوط اسکن موازی با نوک 2m انجام شدند. داده‌های بدست آمده با استفاده از نرم‌افزار TalyGold (شرکت Taylor-Hobson، لستر، بریتانیا) پردازش شدند. برای حذف موج‌دار بودن زبری از یک فیلتر گاوسی به ضخامت 0.8mm استفاده کردیم. داده‌های حاصل از تصویربرداری سطح برای تعیین کمی خواص سطح استفاده شدند و به کمک آنها توانستیم میانگین حسابی زبری سطح (Ra) و میانگین ریشه دوم زبری (Rq) را محاسبه کنیم. برای هر سطح، اندازه‌گیری‌های سه بعدی به طول 5mm انجام شد.
اندازه‌گیری پتانسیل زتا: برای اندازه‌گیری پتانسیل زتای این سطوح از آنالیزور الکتروسینتیکی (SurPASS، شرکت Anton Paar GmbH، اتریش) استفاده کردیم. در شرایط استاندارد، 1mM از محلول نمک فسفات با خاصیت بافری (PBS) از بین یک لوله موئین عبور داده می‌شود و پتانسیل الکتریکی (جاری شدن) بین دو سر لوله موئین ایجاد می‌شود. پتانسیل زتا را به کمک این پتانسیل و با استفاده از معادله Helmholtz-Smo;uchowski بدست می‌آوریم.
اندازه‌گیری زاویه تماس: از دستگاه کشش‌سنج Attension Theta (شرکت Biolin Scientific، گوتنبرگ، سوئد) برای اندازه‌گیری زاویه تماس بین قطره آب و سطح نمونه‌ها استفاده کردیم. سطح مواد پلیمری مخصوص دستگاه‌های ارتوپدی و اعضای مصنوعی روی محل قرارگیری نمونه در این دستگاه قرار گرفت و یک قطره آب روی آن چکانده شد و زاویه تماس بین آنها اندازه‌گیری شد. برای دقت بیشتر، آزمایش‌ها چندین مرتبه تکرار شد. نهایتا انرژی آزاد سطح را از زوایای تماس صعودی و نزولی اندازه‌گیری شده بدست آوردیم.
خواص مکانیکی: تست‌های کشش و سفتی: نمونه‌ها بر اساس استاندارد EN ISO 527-2:2012, type 5 برای آزمایش کشش تهیه شدند. خواص کششی مواد انتخاب شده بر اساس استاندارد EN ISO 527-3:2018 با استفاده از دستگاه Z100/SN5A (شرکت Zwick، آلمان) در دمای 23 درجه سانتی‌گراد، رطوبت نسبی 50 درصد و نرخ کرنش 2mm/min اندازه‌گیری شد. برای هر نمونه پره‌ای شکل، اندازه‌گیری‌ها 5 بار انجام شد. فاصله اولیه بین گیره‌ها و طول گیج (پیمانه) اولیه به ترتیب 20 و 10mm بود. بارگذاری اولیه به اندازه 1N انجام شد. سفتی مواد با استفاده از یک سختی‌سنج (شرکت Zwick، آلمان) اندازه‌گیری شد. مقادیر اندازه‌گیری شده در واقع مقاومت مواد تست شده در برابر تورفتگی یا دندانه‌ای شدن را در یک مقیاس 0 تا 100 نشان می‌دهند. برای هر نمونه، اندازه‌گیری‌ها 5 مرتبه تکرار شد.
بررسی چسبندگی باکتری روی سطح: چسبیدن باکتری اس.اریوس به سطح مواد با روش ارائه شده در مقاله بوهینک و همکارانش و گورجان و همکارانش با کمی اصلاحات سنجیده شد. ابتدا، هر نمونه را به درون محیط کشت رقیق شده (با نسبت 1:30) از اس.اریوس با BHI غوطه‌ور کردیم. پلیت‌ها بمدت 10 ساعت انکوباسیون شدند و پس از آن، باکتری‌های چسبیده با محلول 0.1M PBS و هوای داغ تثبیت شدند. در آخر، نمونه‌ها با آب مقطر و هوای داغ شسته شدند. چسبیدن باکتری به سطح مواد توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی نشر میدانی (FESEM) (مدل Zeiss ULTRA plus، شرکت Carl Zeiss، آلمان) بررسی شد. ما از یک آشکارساز InLens استفاده کردیم. نمونه‌ها روی یک نوار دوطرفه از جنس کربن قرار داده شدند. هم‌چنین قبل از انجام این تست، نمونه‌ها با Pt (به ضخامت 3nm) پوشانده شدند که این کار با دستگاه Gatan, PECS مدل 682 (شرکت Gatan, Pleasanton، آمریکا) انجام شد.
اندازه‌گیری رنگ مواد ارتز: یک طیف نور‌سنج انعکاسی (CR-400، کیوتو، ژاپن) برای تعیین رنگ سطح این مواد با استفاده از پارامترهای *L*، a و *b استفاده شد. *L در محدوده شفاف تا تیره، *a از قرمز تا سبز و *b از زرد تا آبی بود. اندازه‌گیری این پارامترها روی هر سطح 5 مرتبه انجام شد. بجز این پارامترها، خلوص رنگ (*C) به کمک عبارت 1/2(a*2 + b*2) و زاویه هیو (برحسب درجه) از عبارت arctan(b*/a*) بدست آمدند.
نتیجه‌گیری‌ها: در این پژوهش، تأثیر ساختار یاخته بسته پلیمرها روی خواص مکانیکی و آنتی‌باکتریال سطح مواد بررسی شد. توپوگرافی، زبری، آبگریزی و پتانسیل زتای سطح اندازه‌گیری شد و چسبیدن باکتری به سطح مواد توسط تصاویر میکروسکوپ SEM ارزیابی شد. نتایج نشان داد که بیشترین چسبندگی باکتری روی مواد پلیمری یاخته بسته دیده می‌شود. دلیل آن نیز زبری و آبگریزی شدید این پلیمرها است. خواص مکانیکی آنها نیز نشان داد که مواد پلیمری اسفنجی دارای مدول یانگ و ماکزیمم مقاومت کششی کمتری نسبت به پلیمرهای جامد هستند. این پژوهش به ما کمک می‌کند تا بفهمیم کدام مواد پلیمری باعث کاهش چسبندگی باکتری می‌شوند. مقادیر بدست آمده برای *L*، a و *b این مواد نیز با پوست فرق داشت ولی زاویه هو محاسبه شده مقادیر مشابه با پوست انسان را نشان داد. بنابراین قصد داریم خواص این مواد پلیمری را به نحوی اصلاح کنیم که کمترین چسبندگی باکتری را به همراه خواص مکانیکی بهینه داشته باشند.