CN101397539B - 组织工程组织仿生培养的模拟人体生理应力的施力装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种组织工程组织仿生培养的模拟人体生理应力的施力装置，包括支承座，在支承座上安装直线电机和培养室，直线电机的轴的一端安装开关触块和拉压力传感器，电机轴的轴套上安装行程开关，所述拉压力传感器通过螺旋弹簧与一连接头相连，拉压力传感器上设有一导向轴，导向轴穿过螺旋弹簧插入连接头中且与连接头滑动配合，导向轴在连接头中有轴向位移的自由度，所述培养室设有对培养组织施加应力的装置，对培养组织施加应力的装置的杆伸出培养室与连接头连接且与培养室滑动配合。能够模拟生理应力用于组织工程骨、软骨或肌腱的培养制备，实现构建组织工程骨、软骨或肌腱的仿生培养。

Description

组织工程组织仿生培养的模拟人体生理应力的施力装置

技术领域

本发明涉及一种组织工程组织培养领域，具体涉及一种组织工程组织仿生培养的模拟人体生理应力的施力装置。

背景技术

组织的仿生培养是指，将应用组织工程技术构建的组织工程组织置于模拟体内生理应力条件和生理内环境的体外培养条件下进行培养，以促进组织工程组织结构和功能成熟。模拟体内生理应力条件需要借助于可以模拟生理应力的装置才能实现。例如对组织工程骨和软骨的仿生培养，需要对组织工程骨和软骨实施模拟生理压应力，对组织工程肌腱的仿生培养，需要对组织工程肌腱实施模拟生理拉应力，才能使仿生培养的组织工程组织的结构和功能能适应其研究的要求、临床应用。

但是，目前用于组织工程骨制备技术的压应力的装置，对培养的组织工程骨施加的压应力多为静态液压力，是通过增加液体上面的气压或液体本身的压力从而完成对细胞施压，通过增加气压或液压的方式对培育的组织工程骨施加静态液压力，这种方式同时也会改变液体内的氧气分压或其他气体的分压，进而增加了科学研究时的影响因素，干扰实验结果。通过增加气压或液压的方式对培育的组织工程骨施加静态液压力，培育的组织工程骨不产生形变，与活体内骨的受力情况有根本区别，不能达到仿生培养的效果。目前在组织工程组织培养领域中还没有可直接对培育的组织工程骨施加模拟生理应力作用方式的仿生压应力的装置。虽然对培育的组织工程软骨直接施加压应力有报道，但这种对培育的组织工程软骨直接施加压应力的装置通常为开放式培养容器和施加压应力的机构配合，将组织工程软骨放置在装有培养液的开放式培养容器内，用施加压应力的机构对组织工程软骨直接施加压应力。可是这种装置的培养容器中的培养液不能在施加压应力的过程中进行更换，培养液的使用时间短，因此 只适用于组织工程软骨的短期培养，不能适用于临床医学研究和临床运用。而现有技术的组织工程软骨生物反应器施加剪切应力是通过旋转或搅拌等方式实现的，虽能一定程度模拟关节内软骨所受的流体剪切力，对促进软骨样组织的成熟有作用，但由于应力单一而其作用有限。而现有技术的组织工程软骨生物反应器施加静态液压应力是通过恒流泵和调节压槽的进出通道培养液的量来实现增压，应力可调节性差。有一种能同时施加静态液压应力和接触压应力的生物反应器，不通过液体传导压力，虽然能较好的促进细胞的增殖和分泌，但由于手动操作较多而导致污染机会较多。

现有的培育组织工程肌腱的生物反应器的拉伸应力施加较简单，就是在组织工程肌腱的两端附着点施加恒定的等长拉伸应力。这种静态应力虽能通过刺激种子细胞的增殖和分泌等活动而增强组织工程肌腱的机械强度，但是，这种静态应力与生理条件下肌腱所受到的应力负荷显然不同，对增强组织工程肌腱的力学强度有限。而且现有的培育组织工程肌腱的生物反应器的应力施加装置，通常是通过气动控制系统对组织工程肌腱施加动态脉冲式应力，这种应力接近肌腱在体内的生理应力负荷，但是通过气动控制系统和空气压缩机施加的应力控制不够灵敏，而且应力施加装置体积较大。实际上在组织工程组织培养领域中同样还没有可直接对培育的肌腱组织施加模拟生理应力作用方式的仿生拉应力的装置。

因此，现有的组织工程组织仿生培养特别是组织工程骨、软骨和肌腱的仿生培养装置尚不能施加真正适合生理的模拟应力，其应力施加装置对组织工程组织仿生培养特别是组织工程骨、软骨和肌腱的仿生培养的促进作用有限，不能适应其研究的要求、临床应用及产业化的需要，改良设计用于组织工程骨、软骨和肌腱仿生培养的应力施加装置成为近年来组织工程技术研究的热点。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种组织工程组织仿生培养的模拟人体生理应力的施力装置，它采用直线电机作驱动，通过拉压力传感器、螺旋弹簧向培养室的对培养组织施加应力的装置传递动力，能够模拟生理应力 用于组织工程骨、软骨或肌腱的培养制备，实现构建组织工程骨、软骨或肌腱的仿生培养。

本发明的目的是这样实现的：在支承座上安装直线电机和培养室，直线电机的轴的一端安装开关触块和拉压力传感器，电机轴的轴套上安装行程开关，所述拉压力传感器通过螺旋弹簧与一连接头相连，拉压力传感器上设有一导向轴，导向轴穿过螺旋弹簧插入连接头中且与连接头滑动配合，导向轴在连接头中有轴向位移的自由度，所述培养室设有对培养组织施加应力的装置，对培养组织施加应力的装置的杆伸出培养室与连接头连接且与培养室滑动配合。

所述连接头中设有直线轴承，插入连接头中的导向轴通过直线轴承与连接头滑动配合。

所述螺旋弹簧为具有压缩和拉伸双向储能的螺旋弹簧。

所述培养室为密封结构，培养室的内腔通过设置的进、出水嘴分别与培养液输送管连接。

由于采用了上述方案，在支承座上安装直线电机和培养室，使组织工程组织仿生培养的模拟人体生理应力的施力装置能够成为一个独立的装置，可以根据需要放置在生物反应器或孵箱内，接上电源和输送管即可使用，其应用范围广泛。所述作为动力驱动的直线电机的轴上安装拉压力传感器，所述培养室的对培养组织施加应力的装置的杆与连接头连接，拉压力传感器与连接头之间通过螺旋弹簧相连，这样使直线电机发出的动力通过拉压力传感器、螺旋弹簧传递给对培养组织施加应力的装置，由于螺旋弹簧的作用，使传递的动力具有一定的柔性，施加在培养的组织工程骨、软骨或肌腱组织的应力与生理应力更相似，消除了现有技术采用旋转电机作为驱动，采用丝杆螺母机构传递刚性动力而产生的与生理应力形成的差异；而且所述的螺旋弹簧为具有压缩和拉伸双向储能的螺旋弹簧，既能够传递压应力，又能够传递拉应力，让一个组织工程组织仿生培养的模拟人体生理应力的施力装置既能够用于组织工程骨、软骨组织仿生培养的施加压应力，又能够用于肌腱组织仿生培养的施加拉应力，其适用范围更加广泛；又由于拉压力传感器的作用，将检测到的应力信息反馈给控制 中心，由控制中心即时发出施加应力大小、频率的指令，使直线电机的驱动完全能够模拟人体生理应力，从静止状态逐渐加载应力，达到设定的应力或位移后，又逐渐卸载应力，如此往复，实现真正的模拟人体生理应力的施加。又由于所述培养室为密封结构，培养室的内腔通过设置的进、出水嘴分别与培养液输送管连接，能够在控制中心的控制下实现脉冲式输送培养液，能够模拟血液流动的环境，使所培养的组织在模拟仿生的状态下得到制备培养，实现真正意义的组织工程组织的仿生模拟培养。并且由于连接头中设有直线轴承，插入连接头中的导向轴通过直线轴承与连接头滑动配合，这样使导向轴在做导向滑动时，既能够保证沿轴心线做直线运动，又能够使载荷小，磨擦阻力小，从而能获得高精度的平稳运动，保证模拟生理应力的实现。在电机的轴上安装开关触块，在轴套上安装行程开关，这样可以通过行程开关限制直线电机轴的轴向运动的最大行程，放置应力施加过度。

本发明的结构合理，体积小，可采用立式放置或卧式放置在生物反应器或孵箱内，应用范围广，而且可通过多种消毒方式进行消毒，从而有效防止生物反应器内或孵箱内的细菌污染。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为本发明的一种实施例的正视示意图；

图2为本发明的另一种实施例的俯视示意图；

图3为图2的仰视图。

附图中，1为水嘴，2为支撑培养组织的支架，3为培养室，3a为上端盖，3b为下端盖，4为压头，5为线性滑套锁定螺母，6为对培养组织施加应力的装置的杆，7为连接头，8为线性密封盖板，9为螺旋弹簧，10为导向轴，11为拉压力传感器，12为开关触块，13为行程开关，14为开关安装座，15为直线电机，16为安装电机的支架，17为轴套，18为电机轴，19为转接头，20为护罩，21为电磁线圈环，22为电磁线圈环盖板，23为线性滑套盖板，24为固定培养室的支架，25a、25b为夹头，26为螺母，27为直线轴承，28为支承座，29为夹头锁紧环，30为密封盖，31为螺钉，32为肌腱。

具体实施方式

参见图1，图1为用于组织工程组织的组织工程骨、软骨组织仿生培养的模拟人体生理压应力的施力装置实施例。它包括一个“L”形支承座28，在“L”形支承座的长边上分别通过螺钉连接固定有一个安装电机的支架16、一个固定培养室的支架24。固定培养室的支架24上设置可在一定范围内调节位置的条形孔，可根据培养室的大小调节位置用螺钉紧固定位。所述直线电机15通过螺栓固定在安装电机的支架16上，电机轴18穿过固定在支架16上的轴套17，电机轴的轴套17上安装行程开关13，所述行程开关13安装在固定连接在轴套17上的开关安装座14上，开关安装座14用径向螺钉紧固在轴套17上。直线电机轴的一端安装开关触块12和拉压力传感器11。所述拉压力传感器11为“S”形拉压力传感器，该传感器11通过一成型为类似于U形的转接头19与电机轴18连接，传感器11通过螺栓、螺母与转接头19固定连接，转接头19和开关触块12套在电机轴18的轴颈，用螺母压装固定连接在电机轴18上。所述拉压力传感器11通过螺旋弹簧9与一连接头7相连，拉压力传感器11上设有一导向轴10，导向轴10穿过螺旋弹簧9插入连接头7中且与连接头滑动配合，所述连接头7中设有直线轴承27，插入连接头中的导向轴10通过直线轴承27与连接头7滑动配合，导向轴10在连接头7中有轴向位移的自由度，连接头7的端面用螺钉固定一线性密封盖板8将直线轴承27定位在连接头7的台阶孔中。所述螺旋弹簧9为具有压缩和拉伸双向储能的螺旋弹簧，所述螺旋弹簧9的一端套在拉压力传感器11设有的弹簧定位座上，通过3～4颗螺钉压住弹簧的支撑圈紧固定位，螺旋弹簧9的一端套在连接头7的定位凸台上，通过3～4颗螺钉压住弹簧的支撑圈紧固定位。一个能够密封的用于制备培养组织工程骨、软骨组织的培养室3安装在用于固定培养室的支架24上，培养室3通过底部下端盖3b设有的凸起插入支架24上的孔中定位。所述培养室3设有对培养组织施加应力的装置，对培养组织施加应力的装置的杆6伸出培养室3的上端盖3a与连接头7连接，对培养组织施加应力的装置的杆6与培养室上端盖3a滑动配合。所述培养室3的对培养组织施加应力的装置的杆6与连接头7通过凹凸配合形成轴向定 位卡接，连接头7设有开口，开口的口端两边分别具有向内延伸的折转部，对培养组织施加应力的装置的杆6上设有凹槽，该凹槽与连接头的折转部凹凸配合，将对培养组织施加应力的装置的杆6与连接头7轴向定位连接。所述对培养组织施加应力的装置具有压住培养组织且施加压应力的压头4，该压头4位于培养室的内腔中，与设于培养室3中的支撑培养组织的支架2相向，支撑培养组织的支架2螺纹连接在培养室3的下端盖3b上，或与下端盖3b为一体成型结构。所述支撑培养组织的支架2上端为设有若干通孔的支承盘，用于放置组织工程骨、软骨组织，支承盘上的若干通孔用于通过培养液，以减少组织与支承盘的接触面，使培养的组织能够充分获取营养。所述培养室3的内腔通过设置的进、出水嘴1分别与培养液输送管连接，本实施例的进水嘴设于下端盖3b上，出水嘴设于靠近上端盖3a的室腔壁上，使培养液从培养室的下部进入，从培养室的上部流出，能够保持充足的培养液，使培养组织能够完全浸泡在培养液中。所述连接头7外空套有一电磁线圈环21，电磁线圈环21固定在支承座28上设置的支撑上，本实施例利用安装在支承座28上的防护电机、拉压力传感器等的护罩20作为电磁线圈环21的固定支撑，将电磁线圈环21放置在电磁线圈环盖板22上，用螺钉将电磁线圈环盖板22与护罩20连接紧固，把电磁线圈环21固定在护罩20下方，利用电磁线圈环形成电磁场，用以研究电磁场对细胞增值和分化的影响。

使用时，将本模拟人体生理应力的施力装置竖立放置在生物反应器的箱体中或孵箱中，让电机位于上，培养室位于下，将直线电机15、拉压力传感器11、电磁线圈环21与箱体中设置的相关插座连接，将培养室的进、出水嘴与培养液输送管连接，培养液输送管与伸缩泵连接形成循环，将培养的组织工程骨或软骨组织放置在培养室中，通过电脑控制直线电机15、拉压力传感器11、电磁线圈环21、行程开关13、伸缩泵等工作，对培养的组织工程骨或软骨组织，从静止状态逐渐加载压应力，达到设定的压应力后，又逐渐卸载压应力，如此往复，形成仿生模拟生理压应力，同时培养液通过伸缩泵模拟组织液循环和模拟血液流动生理应力的方式输送到培养室，使培养室中的组织工程骨或软骨组织能够 在仿生的组织液循环和血液流动生理环境中得到培养。

参见图2，图2为用于组织工程组织的肌腱组织仿生培养的模拟人体生理拉应力的施力装置实施例。本实施例的支承座28与上述实施例的形状相同，放置使采用卧式放置。直线电机15、行程开关13、拉压力传感器11、电磁线圈环21、连接头7的安装与上述实施例相同。培养室3为卧槽式，培养室3上端的槽口用密封盖30盖住密封，密封盖30用螺钉紧固在培养室3上。所述培养室的对培养组织施加应力的装置具有夹住培养组织且施加拉应力的夹头25a，夹头25a上设有夹头锁紧环29，该夹头25a位于培养室的内腔中，与设于培养室中的另一夹持培养组织的夹头25b相向。两个夹头25a、25b分别设于培养室3的左右两端，夹住培养组织且施加拉应力的夹头25a的杆穿出培养室壁与连接头轴向定位卡接，卡接方式与上述实施例相同，另一夹持培养组织的夹头25b设有螺纹柱穿过培养室壁和固定培养室的支架24，用螺母26紧固定位在支架24上，培养室的进、出水嘴1分别设于槽壁上，进水嘴位于下部，出水嘴位于上部。

使用时，将本模拟人体生理应力的施力装置卧放在生物反应器的箱体中或孵箱中，将直线电机15、拉压力传感器11、电磁线圈环21与箱体中设置的相关插座连接，将培养室的进、出水嘴与培养液输送管连接，培养液输送管与伸缩泵连接形成循环，将培养的肌腱32组织作一定扭转后两头分别用培养室中的夹头夹持固定于培养室内，通过电脑控制直线电机15、拉压力传感器11、电磁线圈环21、行程开关13、伸缩泵等工作，对培养的肌腱组织，从静止状态逐渐加载拉应力，达到设定的拉应力后，又逐渐卸载拉应力，如此往复，形成仿生模拟生理拉应力和扭转应力，同时培养液通过伸缩泵模拟组织液循环和模拟血液流动生理应力的方式输送到培养室，使培养室中的肌腱组织能够在仿生的组织液循环和血液流动生理环境中得到培养。

Claims (3)

1.一种组织工程骨、软骨、肌腱仿生培养的模拟应力施力装置，包括支承座，其特征在于：所述支承座上安装直线电机和培养室，直线电机的轴的一端安装开关触块和拉压力传感器，电机轴的轴套上安装行程开关，所述拉压力传感器通过螺旋弹簧与一连接头相连，所述螺旋弹簧的一端套在拉压力传感器设有的弹簧定位座上，通过螺钉压住支撑圈紧固定位，螺旋弹簧的一端套在连接头的定位凸台上，通过螺钉压住支撑圈紧固定位，所述连接头外空套有一电磁线圈环，电磁线圈环固定在支承座上设置的支撑上，拉压力传感器上设有一导向轴，导向轴穿过螺旋弹簧插入连接头中且与连接头滑动配合，导向轴在连接头中有轴向位移的自由度，所述培养室设有对培养组织施加应力的装置，所述对培养组织施加应力的装置具有压住培养组织且施加压应力的压头，该压头位于培养室的内腔中，与设于培养室中的支撑培养组织的支架相向，或者所述对培养组织施加应力的装置具有夹住培养组织且施加拉应力的夹头，该夹头位于培养室的内腔中，与设于培养室中的另一夹持培养组织的夹头相向，所述培养室的对培养组织施加应力的装置的杆与连接头通过凹凸配合形成轴向定位卡接，对培养组织施加应力的装置的杆伸出培养室与连接头连接且与培养室滑动配合，所述连接头中设有直线轴承，插入连接头中的导向轴通过直线轴承与连接头滑动配合，所述培养室为密封结构，培养室的内腔通过设置的进、出水嘴分别与培养液输送管连接。

2.根据权利要求1所述的组织工程骨、软骨、肌腱仿生培养的模拟应力施力装置，其特征在于：所述螺旋弹簧为具有压缩和拉伸双向储能的螺旋弹簧。

3.根据权利要求7所述的组织工程骨、软骨、肌腱仿生培养的模拟应力施力装置，其特征在于：所述支撑培养组织的支架上端为设有若干通孔的支承盘。

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