CN101974417A - 一种疲劳加载实验装置及工艺 - Google Patents

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刘希东
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Abstract

本发明公开了一种疲劳加载实验装置及工艺，其特征在于：控制和数据记录仪通过控制电路线连接蠕动泵；蠕动泵的进水口与储水瓶上口相连通，其出水口通过水管与三通阀A相连通；三通阀A的一个支管与电磁阀的一个进口连通，电磁阀的另一个出口与储水瓶下口相连通；三通阀A的另一个支管与培养及实验槽内的弹性水囊的一端相连通；弹性水囊的另一端与培养及实验槽外的三通阀B相连通。本发明可以在同一装置中实现可控的横向拉伸和径向拉伸、或横向拉伸与径向拉伸交替等多种类型力学实验，为研究生物膜材料和细胞在复杂力学环境下的变化提供了有力的工具。

Description

一种疲劳加载实验装置及工艺
技术领域
本发明涉及一种材料力学的实验装置及工艺，具体地讲，是用于生物材料实验的一种疲劳加载实验装置及工艺。
背景技术
随着生物学的发展，细胞微环境对生物材料生物相容性和细胞的生长的影响，越来越受到重视，特别是力学刺激对生物材料和细胞的影响研究。为此，发明了许多力学实验装置。
专利US5348879-A(1994)发明了一种可以对培养在弹性膜上的细胞施加双轴力学刺激的装置，该装置弹性膜周围被固定，弹性膜下面放置一个平台，该平台在动力驱动下向上推进使得弹性膜被拉伸。专利CN 101092595A(数控机械应变细胞加载实验机，2007)发明了一种对生长在弹性膜上的细胞施加力学刺激的装置，弹性膜下面有一个机械顶板，由机械顶板顶压弹性膜产生拉伸作用。专利US6107081-A(2000)发明了一种可以对培养在弹性膜上的细胞施加单轴力学刺激的装置，该装置中条形弹性膜两端被夹住，一端固定在固定的架子上，另一端固定在活动的架子上，活动的架子在动力驱动下沿单轴来回运动，从而沿单轴拉伸或压缩弹性膜。专利CN 1932511A(正弦拉伸细胞加载装置，2007)发明了一种对生长在弹性膜上的细胞施加单轴力学刺激的装置，该装置中条形弹性膜两端被夹住，一端固定在固定的架子上，另一端固定在活动的架子上，活动的架子在动力驱动下沿单轴来回运动，从而沿单轴拉伸或压缩弹性膜。专利US6472202-B1(2002)发明了一种在培养皿底面(弹性膜)之下的密封腔内放置一平台，平台上表面与弹性膜下表面接触，这样在施加负压时平台上面的弹性膜在该平台上表面上被拉伸，改变平台上表面的形状可以对弹性膜进行等轴或单轴拉伸，变换不同形状的平台可以对同一样品施加各种等轴或单轴不同方向的力学刺激。专利CN 1846606A(模拟关节腔复合机械应力细胞加载装置，2006)发明了可以对生长在弹性膜上的细胞施加多种力学刺激的装置，其弹性膜周围固定在一个机械平台上，由机械传动装置拉伸弹性膜。
这些基于弹性膜的力学加载技术的一个共同的缺点就是：力学加载装置一般都是进行单一类型的拉伸，等轴或单轴拉伸；而且，这些装置的弹性膜需要复杂的额外部件进行固定，结构复杂，制作费时。
发明内容
本发明的目的是针对现有力学加载装置的以上不足之处，提出一种对生物材料疲劳和细胞生长影响研究的力学刺激装置及工艺。
为了解决上述问题，本发明的技术方案为：一种疲劳加载实验装置及工艺，由蠕动泵、水管、三通阀A、培养及实验槽、控制和数据记录仪等组成，其特征在于：控制和数据记录仪通过控制电路线连接蠕动泵；蠕动泵的进水口与储水瓶上口相连通，其出水口通过水管与三通阀A相连通；三通阀A的一个支管与电磁阀的一个进口连通，电磁阀的另一个出口与储水瓶下口相连通；三通阀A的另一个支管与培养及实验槽内的弹性水囊的一端相连通；弹性水囊的另一端与培养及实验槽外的三通阀B相连通。
上述技术方案中，所述培养及实验槽内的弹性水囊外套有实验的生物膜材料，其用固定夹固定在弹性水囊外部；实验的生物膜材料在卷成筒状前或卷成筒状后种植有培养的细胞。
上述技术方案中，所述实验的生物膜材料外部还可以加装横向固定筒、径向限定挡板；横向固定筒由光滑薄板卷成，其开口处的两边固定在两个行程马达上，行程马达可以在滑轨上移动和静止固定；开口处可以设在上、下、左、右处，滑轨对应放置；两个径向限定挡板的上、下、左、右处的任意部位固定在两个行程马达上；行程马达可以在滑轨上移动和静止固定；横向固定筒的行程马达的滑轨和两个径向限定挡板的行程马达的滑轨可以在培养及实验槽内的上、下、左、右处分别单独设置位置，也可以在培养及实验槽的一个部位，呈两根十字交叉的滑轨；行程马达通过控制电路线与控制和数据记录仪相连。采用上述技术，通过对弹性膜水囊及横向固定筒和径向限定挡板的控制，可以得到等轴拉伸、单轴拉伸、或复杂类型的双向拉伸模式，满足生物材料体内仿真力学加载疲劳实验测试。
作为上述技术方案的优选实施例，所述培养及实验槽内充满着培养介质，培养介质可以是细胞培养液、缓冲溶液等；培养介质将实验的生物膜材料和弹性水囊，及其实验加装的横向固定筒或径向限定挡板完全浸没。采用上述技术，本发明模仿了体内真实的力学环境的复杂多样，可以实现培养细胞的同时，实现可控的单向或双向类型的力学加载实验。
与现有技术相比，本发明具有下列有益效果：
(1)本发明装置在对细胞施加力学刺激的同时，可以实时观察活细胞的分子水平动态变化，获得的信息量大。(2)本发明可以在同一装置中实现可控的横向拉伸和径向拉伸、单独的横向拉伸或单独的径向拉伸、或横向拉伸与径向拉伸交替，等多种类型力学实验，为研究细胞在复杂力学环境下的变化提供了有力的工具。比如需要两种类型的拉伸方式循环往复交替进行，这个方案则很难实现，用本发明的装置则很容易实现这个功能。(3)本发明中用到的弹性水囊制作简单，不需要额外的固定装置，而且重复性好。
附图说明
图1是本发明的实验的生物膜材料和细胞种植示意图。
图2是本发明的疲劳加载装置示意图。
图3是本发明的径向拉伸疲劳加载的弹性水囊示意图。
图4是本发明的横向拉伸疲劳加载的弹性水囊示意图。
图中1.固定夹；2.实验的生物膜材料；3.培养的细胞；4.电磁阀；5.储水瓶；6.蠕动泵；7.水管；8.三通阀A；9.培养及实验槽；10.控制和数据记录仪；11.控制电路线；12.三通阀B；13.弹性水囊；14.横向固定筒；15.径向限定挡板；16.滑轨；17.行程马达。
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步对本发明加以说明。
参见图1～4，一种疲劳加载实验装置及工艺，由蠕动泵6、水管7、三通阀A 8、培养及实验槽9、控制和数据记录仪10等组成，其特征在于：控制和数据记录仪10通过控制电路线11连接蠕动泵6；蠕动泵6的进水口与储水瓶5上口相连通，其出水口通过水管7与三通阀A 8相连通；三通阀A8的一个支管与电磁阀4的一个进口连通，电磁阀4的另一个出口与储水瓶5下口相连通；三通阀A 8的另一个支管与培养及实验槽9内的弹性水囊10的一端相连通；弹性水囊13的另一端与培养及实验槽9外的三通阀B 12相连通。培养及实验槽9内的弹性水囊13外套有实验的生物膜材料2，其用固定夹1固定在弹性水囊13外部；实验的生物膜材料2在卷成筒状前或卷成筒状后种植有培养的细胞3。实验的生物膜材料2外部还可以加装横向固定筒14、径向限定挡板15；横向固定筒14由光滑薄板卷成，其上部开口处的两边固定在两个行程马达17上；两个径向限定挡板15的上部固定在两个行程马达17上；行程马达17可以在培养及实验槽9的两根十字交叉的滑轨16上移动和静止固定，行程马达17通过控制电路线11与控制和数据记录仪10相连。培养及实验槽9内充满着培养介质，培养介质可以是细胞培养液、实验的生物材料浸提液、缓冲溶液等；培养介质将实验的生物膜材料2和弹性水囊13，及其实验加装的横向固定筒14或径向限定挡板15完全浸没。
具体实施：该装置主要包括细胞培养单元，疲劳加载单元、控制电路单元、数据记录单元四个部分。细胞培养单元完成成骨细胞预先培养在实验的生物膜材料2-胶原/壳聚糖膜上，待细胞生长达60％融合后小心取出胶原-壳聚糖膜卷起来(细胞面在外)套在疲劳加载单元的培养及实验槽9内的弹性水囊13，固定夹1夹紧固定。控制电路单元的控制和数据记录仪10通过控制电路线11控制蠕动泵6转动，将储水瓶5中的水泵出，流向三通阀A 8，然后流入培养及实验槽9的弹性水囊中13，打开三通阀B 12排气后关闭。控制三通阀A 8，当液体流过电磁阀，由电磁阀上弹簧片的开闭控制培养及实验槽9内的弹性水囊13的舒张或回缩(弹簧片下压，液体流入水位瓶，水囊回缩；弹簧片上顶，液体流向水囊，水囊舒张)，从而对生长在膜上的细胞进行疲劳拉伸加载。微控制器通过自身的定时器为继电器提供准确的开关波形，输出到功率放大电路再供给继电器，让继电器在设定的频率下对电磁阀进行控制，从而实现特定频率的改变。
控制电路单元的控制和数据记录仪10通过控制电路线11，控制蠕动泵6实现弹性水囊中13涨大和缩小；以及控制横向固定筒14张合大小的两个行程马达17和两个径向限定挡板15间的距离的行程马达17，来实现实验的生物膜材料2的无约束张合、横向约束张合、径向约束张合、横向径向交替约束张合等一系列受控制的等多种类型力学疲劳实验。
数据记录单元的控制和数据记录仪10结合数据分析结果，考察周期性疲劳载荷对实验的生物膜材料2的微观结构以及在实验的生物膜材料2上种植的成骨细胞生命行为的影响，解析实验的生物膜材料2-胶原/壳聚糖膜支架材料的疲劳加载/微观结构演化/细胞生命行为之间的关系，从理论上指导材料的设计与制备。

Claims (5)

1.一种疲劳加载实验装置及工艺，由蠕动泵(6)、水管(7)、三通阀A(8)、培养及实验槽(9)、控制和数据记录仪(10)等组成，其特征在于：控制和数据记录仪(10)通过控制电路线(11)连接蠕动泵(6)；蠕动泵(6)的进水口与储水瓶(5)上口相连通，其出水口通过水管(7)与三通阀A(8)相连通；三通阀A(8)的一个支管与电磁阀(4)的一个进口连通，电磁阀(4)的另一个出口与储水瓶(5)下口相连通；三通阀A(8)的另一个支管与培养及实验槽(9)内的弹性水囊(10)的一端相连通；弹性水囊(13)的另一端与培养及实验槽(9)外的三通阀B(12)相连通。
2.根据权利要求1所述的一种疲劳加载实验装置及工艺，其特征在于：培养及实验槽(9)内的弹性水囊(13)外套有实验的生物膜材料(2)，其用固定夹(1)固定在弹性水囊(13)外部；实验的生物膜材料(2)在卷成筒状前或卷成筒状后种植有培养的细胞(3)。
3.根据权利要求1所述的一种疲劳加载实验装置，其特征在于：实验的生物膜材料(2)外部还可以加装横向固定筒(14)、径向限定挡板(15)；横向固定筒(14)由光滑薄板卷成，其开口处的两边固定在两个行程马达(17)上；两个径向限定挡板(15)固定在两个行程马达(17)上；行程马达(17)可以在培养及实验槽(9)的滑轨(16)上移动和静止固定，行程马达(17)通过控制电路线(11)与控制和数据记录仪(10)相连。
4.根据权利要求1所述的一种疲劳加载实验装置及工艺，其特征在于：培养及实验槽(9)内充满着培养介质，培养介质可以是组织培养液、实验的生物材料浸提液等；培养介质将实验的生物膜材料(2)和弹性水囊(13)，及其实验加装的横向固定筒(14)或径向限定挡板(15)完全浸没。
5.一种疲劳加载实验装置及工艺，其工艺特征在于：控制电路单元的控制和数据记录仪(10)通过控制电路线(11)，控制控制蠕动泵(6)、控制横向固定筒(14)的张合大小和径向限定挡板(15)的两个板间的距离，实现弹性水囊(13)的无约束张合、横向约束张合、径向约束张合、横向径向交替约束张合等一系列实验动作。
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