CN101899393B - 动态载荷与循环灌流生物反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于骨组织工程与细胞生物力学领域，涉及一种动态载荷与循环灌流生物反应器，包括主体、滑动套筒模块和三维立体培养舱模块，所述主体包括底座，侧面支撑板和上支撑板，在侧面支撑板上开设有凹形滑槽，滑动套筒模块包括滑动套筒、压电陶瓷、升降调节螺杆、和紧固螺杆，滑动套筒能够在所述凹形滑槽内平稳地上下滑动，压电陶瓷贯穿滑动套筒，三维立体培养舱模块包括上表面开设有通孔的培养舱主体，压电陶瓷通过所述通孔贯穿到三维立体培养舱内，其活动端连接有加载棒；培养舱主体还开设有外接蠕动泵的进液孔和出液孔。本发明具有操作简单，实用性高，无菌密封性能好，加载应变输出精度高，数据跟踪记录及时、准确的特点。
Description
技术领域
本发明属于骨组织工程与细胞生物力学领域，具体涉及一种用于组织工程骨的动态培养和研究三维培养条件下动态压应变对间充质干细胞、成骨细胞、破骨细胞、软骨细胞等细胞生长及分化影响的生物反应器。
背景技术
近年来有关生物组织应力-生长关系的研究表明，从器官、组织到细胞、亚细胞等各个层次上的生命运动都是在一定力学环境中进行的。应力和生长的关系在细胞水平上主要表现在两个方面：单个细胞的生物学行为，如增殖、形态和分泌功能等的影响；群体细胞组织的整体行为影响，如成骨细胞与破骨细胞功能的增强，骨细胞、成骨细胞、破骨细胞在对力学响应过程中的相互影响、力学信号传导以及基因的表达等。由于体内环境复杂，细胞的体外分离培养技术为研究细胞生理、病理现象提供了一种可行的研究方法，而利用组织工程原理，在体外三维培养条件下进行应力加载，也是目前细胞力学研究中的重要方法。
目前在组织工程研究中使用的有代表性的生物反应器包括(1)搅拌式生物反应器；(2)旋转壁式生物反应器；(3)中空纤维式生物反应器；(4)直接灌流式生物反应器；(5)应力加载式生物反应器等，模拟正常生理条件下的力学环境。但真正适合对组织工程骨在体外长期培养的同时予以力学载荷的生物反应器却甚少，而且他们都与拟申请的专利有很大的不同。
关于用于骨组织和组织工程化培养物的应力加载的生物反应器，国内外仅有少量文献和专利报道；其动态应力或应变加载的动力系统也主要是采用步进电机类，而且存在许多不足，如应力或应变加载及数据的跟踪记录不够精确；无法同时对组织培养物进行真正有效的长期无菌条件下的灌流培养；实用性能差、实验效率低等。我们前期开发的压电陶瓷加载装置与国外报道的同类研发产品也均存在上述的不足。
发明内容
本发明的目的是克服现有的力学刺激型生物反应器的不足，该装置可广泛应用于组织工程、细胞生物力学等方面的研究工作。
本发明的三维灌流培养与动态压应变加载的生物反应器，可通过三维循环灌流培养系统进行长期的无菌培养，同时定期通过压电陶瓷加载装置对组织工程骨培养物施加一定频率的动态压应变。该压电陶瓷加载装置以配置有位移传感器的智能封装压电陶瓷作为加载动力系统，通过计算机或液晶面板在线修改输出波形的类型、频率、振幅和偏置等，通过内置位移传感器实现位移的闭环控制和精确定位控制。压电陶瓷活动端的位移变化通过加载棒传输到组织工程培养物的支架材料上，产生相应的微应变。压电陶瓷的频率输出范围为0～1000Hz，其活动端产生的伸长位移范围为0～105微米，精度达到满行程的千分之一(如：以50微米为指定的位移，则其数值记录的精度为0.05微米)。可对组织工程培养物产生的应变范围为：0～20000με(以厚度为5mm组织块作为计算标准)。
本发明采用具有位移反馈的压电陶瓷动态压应变加载系统，结合三维循环灌流培养系统，构建一种既可以用于三维培养条件下研究动态压应变对间充质干细胞、成骨细胞、破骨细胞、软骨细胞等细胞生长、分化的影响，又可以用于组织工程骨长期动态培养的生物反应器。整个生物反应器系统具有操作简单，实用性高，无菌密封性能好，加载应变输出精度高，数据跟踪记录及时、准确的特点。技术效果具体如下：
(1)通过升降调节螺杆和紧固螺杆的双向调节，既可将压电陶瓷推进到既定的位置，又可以将其锁定，消除了因螺杆的回程而产生的松动，避免压电陶瓷工作时发生漂移；
(2)利用本发明的生物反应器，可以构成由三维立体培养舱模块、培养液池、多通道双向蠕动泵和连接管组成的多通道三维循环灌流培养系统，使用流速可调的多通道蠕动泵作为循环灌流的动力单元，可同时对多个培养舱进行灌流，既可用于组织培养物的长期培养也可以安装于压电陶瓷加载装置上进行应力加载；
(3)加载动力系统采用配置位移传感器的智能封装压电陶瓷作为加载动力系统，通过计算机的调控为组织工程培养物提供频率、类型(方波、正弦波、三角波等)、振幅可调的波形，并可实时显示频率、位移的大小，位移精度达到满行程的千分之一；
(4)限流柱有效地控制了培养液的流通途径，限流柱与加载棒的配合使用，封堵了培养液在加载物上面流通的路径，使培养液只能通过加载物处的空隙实现流通，这样的设计有利于更新培养液及控制液面高度，使加载物内部的细胞可以充分吸收到新鲜的培养液和排除新陈代谢的产物，并能够大大节约培养液的用量；
(5)通过预紧弹簧可以使得加载棒与组织培养物紧密接触，又可避免加载棒的重量施加在组织培养物上；
(6)压电陶瓷加载装置全部采用不锈钢材料，避免了在培养箱环境下生锈，经75％酒精擦拭及紫外灯照射后可达到良好的消毒效果，避免污染。
附图说明
图1动态载荷与循环灌流生物反应器整体装配图；
图2主体及滑动套筒结构视图；
图3三维立体培养舱结构视图；
图4三维立体培养舱剖视图。
图1-图4中：1主体，2滑动套筒模块，3三维立体培养舱模块，4底座，5侧面支撑板，6螺纹孔，7凹形滑槽，8上支撑板，9升降调节螺杆，10紧固螺杆，11压电陶瓷后端盖，12压电陶瓷，13压电陶瓷活动端，14线槽，15通孔，16滑动套筒，17安装孔，18不锈钢压框，19玻璃窗，20密封垫，21限位螺母，22横杆，23预紧弹簧，24加载棒，25导向槽，26培养舱主体，27加载物放置平台，28进液孔，29限流柱，30加载物，31出液孔。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
参见图1，本发明的动态载荷与循环灌流生物反应器包括：主体1，滑动套筒模块2，三维立体培养舱模块3。
参见图2，主体1由底座4，侧面支撑板5，上支撑板8组成。侧面支撑板5开有凹形滑槽7，使得滑动套筒16与侧面支撑板5四面接触，保证了滑动套筒16运行的平稳性、接触端的结构强度及水平度。
滑动套筒模块2主要由滑动套筒16、压电陶瓷12、升降调节螺杆9、紧固螺杆10组成。压电陶瓷12为圆柱形，压电陶瓷后端盖11与压电陶瓷12的固定端相连，压电陶瓷12放置在通孔15内，压电陶瓷后端盖11与滑动套筒16的上端面紧密接触，限制压电陶瓷12的移动，压电陶瓷12的电源线及信号线通过线槽14连接到压电陶瓷伺服器，压电陶瓷伺服器可施加频率及波形可调的载荷或位移波形(方波、正弦波、三角波等)电压，通过内置位移传感器实现压电陶瓷12的位移闭环控制。升降调节螺杆9一端通过轴承安装于上支撑板8上，另一端通过螺纹与滑动套筒14相连，旋转升降调节螺杆9，其位置不变，滑动套筒14在螺旋传动的作用下，实现上下高度的调节。紧固螺杆10一端通过螺纹与上支撑板8相连，旋转紧固螺杆10可以调节其伸出的长度，另一端与压电陶瓷后端盖11紧密接触。通过凹形滑槽7、升降调节螺杆9、紧固螺杆10三端接触，有效保证了滑动套筒14的水平度，提高稳定性，消除间隙。
三维立体培养舱模块3主要由不锈钢压框18，玻璃窗19，密封垫20，限位螺母21，预紧弹簧23，加载棒24，导向槽25，培养舱主体26，加载物放置平台27，进液孔28，限流柱29，出液孔31组成。培养舱主体26开有观察窗口，观察窗口首先放置密封垫20，然后放置玻璃窗19，最后再放上不锈钢压框18，通过不锈钢压框18与培养舱主体26的紧固连接，实现观察窗口的密封，这种设计有利于拆卸及高压消毒。加载棒24设有横杆22，横杆22可沿着导向槽25上下移动，限位螺母21在横杆22的上方，与导向槽25通过螺纹连接，预紧弹簧23安装于横杆22与培养舱主体26的上表面，预紧弹簧23起到消除加载棒24重量的作用，避免加载棒24的重量施加到加载物30上，对于质地较软的加载物的影响尤为明显。加载棒24的一端通过螺纹与压电陶瓷活动端13相连，另一端穿过导向槽25进入培养舱内部与加载物30的上表面接触，旋转限位螺母21即可调节加载棒24与加载物30接触的程度，压电陶瓷活动端13的位移变化通过加载棒传输到加载物30上，产生相应的微应变。加载物放置平台27与培养舱主体26的底部通过螺纹连接，通过加载物放置平台27可以很容易放置或取出加载物。进液孔28与出液孔31都外接到蠕动泵，它们呈上下斜对角分布，限流柱29与进液孔28与出液孔31相连通内部开设有刚好能使加载棒24自由贯穿的通孔，通孔与当加载棒24插入到培养舱时，限流柱29与加载棒24封堵了培养液在加载物30上面流通的路径，则培养液只能通过加载物30处的空隙实现流通，这样的设计有利于更新培养液及控制液面高度，最主要的目的是加载物30内部的细胞可以充分吸收到新鲜的培养液和排除新陈代谢的产物，模拟对加载物30施加流体剪应力，达到三维培养的效果。
Claims (3)
1.一种动态载荷与循环灌流生物反应器，包括主体、滑动套筒模块和三维立体培养舱模块，所述主体包括底座，侧面支撑板和上支撑板，侧面支撑板的下端固定在底座上，上端固定有上支撑板，其特征在于，在侧面支撑板上开设有凹形滑槽，所述滑动套筒模块包括滑动套筒、压电陶瓷、升降调节螺杆、和紧固螺杆，滑动套筒能够在所述凹形滑槽内平稳地上下滑动，升降调节螺杆的一端通过轴承安装于上支撑板上，下端通过螺纹与滑动套筒相连，压电陶瓷贯穿滑动套筒，压电陶瓷的后端为固定端，固定有后端盖，紧固螺杆一端连接于上支撑板，另一端与压电陶瓷后端盖紧密接触，压电陶瓷与压电陶瓷伺服器电气相连，所述的压电陶瓷伺服器用于向其施加频率及波形可调的电压；所述的三维立体培养舱模块包括上表面开设有通孔的培养舱主体、连接在培养舱主体底部的加载物放置平台，压电陶瓷的活动端连接有加载棒，加载棒的另一端穿过设置在培养舱主体内的导向槽进入培养舱内部；所述培养舱主体还开设有外接蠕动泵的进液孔和出液孔。
2.根据权利要求1所述的动态载荷与循环灌流生物反应器，其特征在于，在培养舱主体内固定有限流柱，其内部开设有刚好能使加载棒自由贯穿的通孔，进液孔与出液孔呈上下斜对角分布，均穿过限流柱与所述通孔相通。
3.根据权利要求1所述的动态载荷与循环灌流生物反应器，其特征在于，所述加载棒上设有可沿导向槽上下移动的横杆，横杆的上方设置有通过螺纹与导向槽连接的紧固螺母，在横杆与培养舱主体的上表面之间连接有预紧弹簧。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20111228 |