CN102943042A - 一种组合式多功能生物反应器 - Google Patents

Abstract

一种组合式多功能生物反应器，由底座导轨机构、直线电机、培养室及压缩调节机构、滚动机构、滑动机构和拉压机构构成，底座导轨机构包括底座、凸台和导轨；直线电机包括电机定子、电机动子a、b、滑台a、b；培养室及压缩调节机构包括压缩平台及调节架、挡板、压缩平台底架、上、下楔形滑块、压缩调节螺杆、回位弹簧和培养室；滚动机构包括滑台支架a、连杆a、连杆头和辊轮；滑动机构包括滑台支架b和连杆b；拉压机构包括拉压平台、拉压室、拉压杆a、b、拉压头组件。本发明的优点：该生物反应器以直线电机为动力源，提高了装置精度，并且加载机构可灵活拆卸安装形成滚滑加载装置和拉压加载装置，为细胞培养和组织修复提供多种力学环境。

Description

一种组合式多功能生物反应器

技术领域

本发明涉及生物医学工程中的生物反应器，特别是一种组合式多功能生物反应器。

背景技术

近年来，由于软骨退化或缺损引起关节疼痛、活动障碍甚至完全丧失关节功能已成为医学治疗的一个难题。尽管临床上采用很多新技术、新方法进行治疗，但仍没有形成合适的方法来获得满意的治疗效果。

目前，软骨组织工程正成为一种永久修复组织缺损的理想方法，并且在种子细胞、支架材料、生长调节因子、组织构建等方面都已取得巨大的进展。当前通常使用的对细胞培养、组织和细胞-支架培养物培养及保持的生物反应器有四种，即：静态生物反应器、旋转培养瓶生物反应器、旋转壁式生物反应器和灌流式生物反应器［Advanced Drug Delivery Reviews 33(1998)15–30，TissueEngineering.2003,9(3),549-553］，不同的种子细胞、新型支架材料、生长因子等构成培养物，分别在这几种生物反应器中进行培养，主要是利于培养物形态、结构的生长。尽管现有技术中各种生物反应器的使用优化了培养物的生长，但培养物的生长、发育还是没达到临床要求。培养的人工软骨在结构和功能上与活体软骨还有较大的差距，这直接影响了人工软骨在临床上的应用。

实际上有很多物理因素都会影响软骨组织的生长和发育，而力学因素又在其中起了主要作用。因此，很多研究者研制出了多种有力学环境的生物反应器，尝试培养功能化人工软骨，这些反应器的力学条件有：流体剪应力、液体压力、拉伸、直接压缩、变形剪应力或其中一种或几种条件的组合，其中流体剪应力、液体压力和直接压缩的培养软骨的条件正被广泛研究。但是，关节有支撑、运动的功能，股骨远端与胫骨近端之间有滑液,软骨就像水中的海绵，在动态压力下，软骨中的液体形成了被挤压出去、又回流的过程，这样营养了软骨。力学条件驱使软骨组织内部获得营养和废物排除，在正常组织扩散传输的基础上，软骨组织有力学驱动的对流传输，因此合适的力学条件是关节软骨传质过程研究的必要条件。股骨远端与胫骨近端相互接触，有两种相对运动，一种是滚动，另一种似车轮滑动，产生表面剪应力。因此，根据组织工程构建的仿真原理，我们提出用于软骨组织工程的全功能生物反应器。

发明内容

本发明的目的是针对上述存在问题，提供一种组合式多功能生物反应器，该生物反应器不但可实现滚动滑动加载，而且可以实现拉压加载，同时还可以用于组织工程培养、组织离体实验以及材料力学性能测试。

本发明的技术方案：

一种组合式多功能生物反应器，由底座导轨机构、直线电机、培养室及压缩调节机构、滚动机构、滑动机构和拉压机构构成，

底座导轨机构包括底座、凸台和导轨，凸台与底座固定，导轨固定在凸台上；

直线电机包括电机定子、电机动子a、电机动子b、滑台a和滑台b，电机定子与底座固定，凹型的滑台a和滑台b分别紧扣在导轨上并与导轨形成滑动配合，电机动子a和电机动子b分别与滑台a和滑台b固定；

培养室及压缩调节机构包括压缩平台、压缩调节架、挡板、压缩平台底架、上楔形滑块、下楔形滑块、压缩调节螺杆、回位弹簧和培养室，压缩平台通过螺钉固定在底座凸台，压缩平台两侧设有两个平行的矩形孔，凹型压缩调节架从压缩平台底部穿过两个矩形孔并可沿矩形孔垂直移动，两块L型挡板分别与压缩调节架的两块侧板固定并在挡板上檐与侧板顶边之间形成两条平行的导槽，压缩平台底架为凹型板件并通过两个侧板与压缩平台底面固定，上楔形滑块和下楔形滑块形状相同，截面均呈半梯形面，上楔形滑块和下楔形滑块设置于压缩平台底架内，下楔形滑块的直面与压缩平台底架的底面相接，上楔形滑块的直面与压缩调节架的底面相接，上楔形滑块和下楔形滑块的两个斜面相接并形成滑动配合，压缩调节螺杆固定在压缩平台底架的一侧并与下楔形滑块的宽底面连接，两根回位弹簧位于压缩调节架的腰部，其两端分别与压缩调节架底板上表面和压缩平台的下表面固定，培养室为分成间隔小室的长方体盒，培养室设置于压缩调节架两块侧板之间并可在压缩平台上水平移动，培养室两个侧面顶部分别固定有齿条；

滚动机构包括滑台支架a、连杆a、连杆头和辊轮,L型滑台支架a固定在滑台a上，连杆a的一端与滑台支架a固定，另一端与连杆头连接，连杆头为凹型叉杆，叉杆端部设有环形卡槽，两根叉杆通过卡槽分别与辊轮轮轴的两端连接并使辊轮沿挡板与压缩调节架形成的两条导槽水平移动，辊轮的两端分别固定有两个齿轮并与培养室两个侧面的齿条啮合；

滑动机构包括滑台支架b和连杆b，L型滑台支架b固定在滑台b上，连杆b的一端与滑台支架b固定，另一端与培养室的侧板固定；

拉压机构包括拉压平台、拉压室、拉压杆a、拉压杆b、拉压头a、拉压头b、拉压头夹板a、拉压头夹板b、紧固螺钉a和紧固螺钉b，拉压平台的结构和大小与压缩平台相同并可互换安装，拉压室固定于拉压平台上，拉压杆a和拉压杆b的外端分别与滑台支架a和滑台支架b固定，拉压杆a和拉压杆b的内端分别从两侧穿过拉压室并分别与拉压室内的拉压头a和拉压头b的一端固定，拉压头a和拉压头b的另一端分别设有L型直角平面，拉压试验材料的两端分别通过拉压头夹板a和拉压头夹板b与L型直角平面夹紧并分别通过紧固螺钉a和紧固螺钉b固定。

本发明的优点是：该多功能生物反应器以前人没有使用过的直线电机为动力源，提高了装置精度，并且加载机构可以灵活拆卸安装形成滚滑加载装置和拉压加载装置，为组织工程研究提供多种力学环境，可广泛应用于细胞培养和组织修复等研究，为生物医学工程的发展提供新的技术支撑。

附图说明

图1为该生物反应器实现滚动、滑动功能总装示意图。

图2为该生物反应器底座、导轨和直线电机安装示意图。

图3为该生物反应器压缩调节部分结构放大示意图。

图4为该生物反应器下楔形滑块放大示意图。

图5为该生物反应器滚动部分连接放大示意图

图6为该生物反应器滚动、滑动机构组装放大示意图。

图7为该生物反应器实现拉压功能总装示意图。

图8为该生物反应器拉压机构结构放大示意图。

图中：1.底座 2.凸台 3.导轨 4.电机定子 5.电机动子a 6.电机动子b7.滑台a 8.滑台b 9.压缩平台 10.压缩调节架 11.挡板 12.压缩平台底架13.上楔形滑块 14.下楔形滑块 15.压缩调节螺杆 16.回位弹簧17.培养室 18.导槽 19.齿条 20.滑台支架a 21.连杆a 22.连杆头23.辊轮 24.卡槽 25.齿轮 26.滑台支架b 27.连杆b 28.拉压平台29.拉压室 30.拉压杆a 31.拉压杆b 32.拉压头a 33.拉压头b 34.拉压头夹板a 35.拉压头夹板b 36.紧固螺钉a 37.紧固螺钉b

具体实施方式

实施例：

一种用于软骨组织工程的滚动和滑动加载装置，由底座导轨机构、直线电机、培养室及压缩调节机构、滚动机构和滑动机构构成，底座导轨机构包括底座1、凸台2和导轨3，凸台2与底座1固定，导轨3固定在凸台2上；直线电机包括电机定子4、电机动子a5、电机动子b6、滑台a7和滑台b8，电机定子4与底座1固定，凹型的滑台a7和滑台b8分别紧扣在导轨3上并与导轨3形成滑动配合，电机动子a5和电机动子b6分别与滑台a7和滑台b8固定；培养室及压缩调节机构包括压缩平台9、压缩调节架10、挡板11、压缩平台底架12、上楔形滑块13、下楔形滑块14、压缩调节螺杆15、回位弹簧16和培养室17，压缩平台9通过螺钉固定在底座凸台2，压缩平台9两侧设有两个平行的矩形孔，凹型压缩调节架10从压缩平台9底部穿过两个矩形孔并可沿矩形孔垂直移动，两块L型挡板11分别与压缩调节架10的两块侧板固定并在挡板上檐与侧板顶边之间形成两条平行的导槽18，压缩平台底架12为凹型板件并通过两个侧板与压缩平台9底面固定，上楔形滑块13和下楔形滑块14形状相同，截面均呈半梯形面，上楔形滑块13和下楔形滑块14设置于压缩平台底架12内，下楔形滑块14的直面与压缩平台底架12的底面相接，上楔形滑块13的直面与压缩调节架10的底面相接，上楔形滑块13和下楔形滑块14的两个斜面相接并形成滑动配合，压缩调节螺杆15固定在压缩平台底架12的一侧并与下楔形滑块14的宽底面连接，两根回位弹簧16位于压缩调节架10的腰部，其两端分别与压缩调节架10底板上表面和压缩平台9的下表面固定，培养室17为分成间隔小室的长方体盒，培养室17设置于压缩调节架10两块侧板之间并可在压缩平台9上水平移动，培养室17两个侧面顶部分别固定有齿条19；滚动机构包括滑台支架a20、连杆a21、连杆头22和辊轮23,L型滑台支架a20固定在滑台a7上，连杆a21的一端与滑台支架a20固定，另一端与连杆头22连接，连杆头22为凹型叉杆，叉杆端部设有环形卡槽24，两根叉杆通过卡槽24分别与辊轮23轮轴的两端连接并使辊轮23沿挡板与压缩调节架形成的两条导槽18水平移动，辊轮23的两端分别固定有两个齿轮25并与培养室17两个侧面的齿条19啮合；滑动机构包括滑台支架b26和连杆b27，L型滑台支架b26固定在滑台b8上，连杆b27的一端与滑台支架b26固定，另一端与培养室17的侧板固定；拉压机构包括拉压平台28、拉压室29、拉压杆a30、拉压杆b31、拉压头a32、拉压头b33、拉压头夹板a34、拉压头夹板b35、紧固螺钉a36和紧固螺钉b37，拉压平台28的结构和大小与压缩平台9相同并可互换安装，拉压室29固定于拉压平台28上，拉压杆a30和拉压杆b31的外端分别与滑台支架a20和滑台支架b26固定，拉压杆a30和拉压杆b31的内端分别从两侧穿过拉压室29并分别与拉压室内的拉压头a32和拉压头b33的一端固定，拉压头a32和拉压头b33的另一端分别设有L型直角平面，拉压试验材料的两端分别通过拉压头夹板a34和拉压头夹板b35与L型直角平面夹紧并分别通过紧固螺钉a36和紧固螺钉b37固定。

本发明的工作机理：

本装置的最大特点是将以往的步进电机改换成了先进的直线电机，从而使运动控制更加精确，速度与稳定性均有了明显提升，并且简化了装置机构。

滚动控制是由直线电机动子a带动连杆引起辊轮来回滚动来实现的。用连杆带动辊轮的运动能够使辊轮的中心轴获得恒定的速度，使辊轮在培养物上以匀速作纯滚动，从而保证了培养物受力均匀。

滑动控制是由直线电机动子b带动滑台b并通过滑台支架b带动培养室在平台上滑动实现。

辊轮与压缩调节架在垂直方向上的位置保持不变，即辊子与压缩调节架随着两个楔形滑块的相对移动而同时升高或降低，辊子与压缩平台的距离就是培养物的厚度加上培养室底板的厚度。压缩调节架的下表面与上楔形滑块的上表面接触并可相对滑动，上楔形滑块的上表面、压缩调节架的下表面均与压缩平台平行。压缩调节螺杆固定在压缩平台底架外侧，压缩调节螺杆与下楔形滑块通过螺纹连接，可推动/拉动楔形滑块，使其产生相对运动。

压缩调节机构的工作过程为：下楔形滑块的调节螺杆9向内旋动，推动上楔形滑块在下楔形滑块8的斜面上滑动，上楔形滑块整体升高，从而使压缩调节架上升，培养物的压缩量就变小。当调节螺杆向外旋动时，拉动上楔形滑块在下楔形滑块8的斜面上向下滑动，上楔形滑块整体下降，回位弹簧推动压缩调节架下降，从而减小了辊子3与底板的距离，培养物的压缩量增大。这样就实现了培养物的不同压缩量。

直线电机位置采用DSP为核心的伺服控制系统，能够实现精确的位置控制。

硬件系统由运动控制卡与直线电机两部分组成，运动控制卡的控制方式采用闭环位置控制方式，其中运动控制卡以TMS320F2812（DSP）为核心，并集成了SRAM、CPLD、DA波形输出模块、编码器反馈模块、上位机通信接口等多个功能模块，具有较高的可靠性以及稳定性。

本装置的主体材料为铝合金，从而减小了整体重量。

在现用的滚压加载装置中，无法对得知软骨在受到压缩时的压力大小，在本装置中通过加入压力传感器，从而得知压力大小，为软骨组织培养研究提供更有力帮助。

本装置培养室的结构可以同时培养多个培养物。

本装置的拉压机构中，拉压平台固定于凸台上，拉压室固定于拉压平台，拉压杆一端穿过拉压室与拉压头连接，另一端与滑台支架相连，滑台支架带动拉压杆，拉压杆带动拉压杆头，两个动子同时往里运动时实现压缩，同时往外运动时实现拉伸。拉压头夹片用来夹住培养物或实验材料，通过紧固螺钉夹紧。拉压室内可以装入培养液，为组织培养提供有利环境。在拉压杆一头与滑台支架相接处可加入力传感器，从而实现对拉压力的测量。

Claims (1)

1.一种组合式多功能生物反应器，其特征在于：由底座导轨机构、直线电机、培养室及压缩调节机构、滚动机构、滑动机构和拉压机构构成，底座导轨机构包括底座、凸台和导轨，凸台与底座固定，导轨固定在凸台上；直线电机包括电机定子、电机动子a、电机动子b、滑台a和滑台b，电机定子与底座固定，凹型的滑台a和滑台b分别紧扣在导轨上并与导轨形成滑动配合，电机动子a和电机动子b分别与滑台a和滑台b固定；培养室及压缩调节机构包括压缩平台、压缩调节架、挡板、压缩平台底架、上楔形滑块、下楔形滑块、压缩调节螺杆、回位弹簧和培养室，压缩平台通过螺钉固定在底座凸台，压缩平台两侧设有两个平行的矩形孔，凹型压缩调节架从压缩平台底部穿过两个矩形孔并可沿矩形孔垂直移动，两块L型挡板分别与压缩调节架的两块侧板固定并在挡板上檐与侧板顶边之间形成两条平行的导槽，压缩平台底架为凹型板件并通过两个侧板与压缩平台底面固定，上楔形滑块和下楔形滑块形状相同，截面均呈半梯形面，上楔形滑块和下楔形滑块设置于压缩平台底架内，下楔形滑块的直面与压缩平台底架的底面相接，上楔形滑块的直面与压缩调节架的底面相接，上楔形滑块和下楔形滑块的两个斜面相接并形成滑动配合，压缩调节螺杆固定在压缩平台底架的一侧并与下楔形滑块的宽底面连接，两根回位弹簧位于压缩调节架的腰部，其两端分别与压缩调节架底板上表面和压缩平台的下表面固定，培养室为分成间隔小室的长方体盒，培养室设置于压缩调节架两块侧板之间并可在压缩平台上水平移动，培养室两个侧面顶部分别固定有齿条；滚动机构包括滑台支架a、连杆a、连杆头和辊轮,L型滑台支架a固定在滑台a上，连杆a的一端与滑台支架a固定，另一端与连杆头连接，连杆头为凹型叉杆，叉杆端部设有环形卡槽，两根叉杆通过卡槽分别与辊轮轮轴的两端连接并使辊轮沿挡板与压缩调节架形成的两条导槽水平移动，辊轮的两端分别固定有两个齿轮并与培养室两个侧面的齿条啮合；滑动机构包括滑台支架b和连杆b，L型滑台支架b固定在滑台b上，连杆b的一端与滑台支架b固定，另一端与培养室的侧板固定；拉压机构包括拉压平台、拉压室、拉压杆a、拉压杆b、拉压头a、拉压头b、拉压头夹板a、拉压头夹板b、紧固螺钉a和紧固螺钉b，拉压平台的结构和大小与压缩平台相同并可互换安装，拉压室固定于拉压平台上，拉压杆a和拉压杆b的外端分别与滑台支架a和滑台支架b固定，拉压杆a和拉压杆b的内端分别从两侧穿过拉压室并分别与拉压室内的拉压头a和拉压头b的一端固定，拉压头a和拉压头b的另一端分别设有L型直角平面，拉压试验材料的两端分别通过拉压头夹板a和拉压头夹板b与L型直角平面夹紧并分别通过紧固螺钉a和紧固螺钉b固定。

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