CN103266059A - 可在线测量的力学加载式生物反应器 - Google Patents

Abstract

可在线测量的力学加载式生物反应器，它涉及一种力学加载式生物反应器。本发明为解决现有的力学加载式生物反应器在人工软骨、骨组织体外构建存在力学强度差的问题。套筒的下端面位于第二支撑圆盘的上端面上，第一支撑圆盘固定在三个套筒的上端面上，第一支撑圆盘上加工有第一中心孔，螺旋外套固装在第一支撑圆盘的中心孔处，第二支撑圆盘上加工有第二中心孔，导向筒固装在第二中心孔处，压电陶瓷微位移制动器的下端依次穿过第一支撑圆盘和第二支撑圆盘的中心孔，压电陶瓷微位移制动器的上部通过螺旋外套和导向筒固定定位，压电陶瓷微位移制动器的下端通过连接件与测试片固接，隔菌加载台古装在测试片的下端面上。本发明用于体外软骨、骨组织构建。

Description

可在线测量的力学加载式生物反应器

技术领域

本发明涉及一种可在线测量的力学加载式生物反应器，具体涉及一种用于体外软骨、骨组织构建的力学加载式生物反应器。

背景技术

因创伤、退变或某些骨关节炎疾病往往会造成活动障碍，严重时会导致完全丧失关节功能，这在临床上十分常见。对于软骨缺损，传统治疗方法长期以来难以取得满意的临床效果。另外，随着社会的进步和老龄化社会的到来，软骨、骨疾病的发病率逐年升高，在世界范围内有千万以上的这类患者，这造成对软骨、骨组织修复置换的需求越来越巨大。

目前，体外软骨、骨组织构建技术主要存在组织内部“空心”，力学强度差的问题，以至于难以和宿主正常整合。这是限制软骨、骨组织工程成为临床常规治疗方法的重要因素。为弥补体外人工组织构建培养条件的不足，国内外针对软骨、骨组织生理环境主要承受力学刺激进行了相关生物反应器的设计，并用它进行细胞培养。然而，国内外研究的生物反应器大多仅仅施加单一的力学刺激，且对培养物培养到一定阶段的强度问题缺乏相关在线检测功能。

综上，现有的力学加载式生物反应器在人工软骨、骨组织体外构建存在力学强度差的问题。

发明内容

本发明为解决现有的力学加载式生物反应器在人工软骨、骨组织体外构建存在力学强度差的问题，进而提供一种可在线测量的力学加载式生物反应器。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

本发明的可在线测量的力学加载式生物反应器包括底座、支撑轴、齿轮齿条机构、重量传感器、培养台、压头、隔菌加载台、测试片、连接件、位移传感器、压电陶瓷微位移制动器、第一支撑圆盘、锁紧装置、螺柱、螺旋外套、螺旋内套、圆柱弹簧、导向筒、第二支撑圆盘、转台、套杯、步进电机、三个套筒、三个支撑杆和三个矫正法兰，齿轮齿条机构通过支撑轴固装在底座的上端面上，每个支撑杆的下端通过一个矫正法兰固装在底座的上端面上，三个支撑杆沿圆周方向均布且竖直设置，三个支撑杆的上部加工有台肩，第二支撑圆盘由上至下穿过三个支撑杆搭接在三个支撑杆上的台肩上，每个支撑杆的上部穿装有一个套筒，三个套筒的下端面位于第二支撑圆盘的上端面上，第一支撑圆盘固定在三个套筒的上端面上，第一支撑圆盘上加工有第一中心孔，第二支撑圆盘上加工有第二中心孔，导向筒固装在第二中心孔处，螺旋外套的下端穿过第一支撑圆盘的中心孔，螺旋外套的外沿固接在第一支撑圆盘的中心孔的中心孔处，螺旋外套上半段加工有内螺纹，螺柱的上半段上固套有螺母，螺母与螺旋外套螺纹连接，螺旋内套位于螺旋外套下半段内，螺柱的下半段与螺旋内套螺纹连接，螺旋内套的螺纹导程小于螺旋外套的螺纹导程，圆柱弹簧套装在螺柱上且位于螺母与螺旋内套之间，螺旋内套的下部左右对称加工有两个竖直设置的键槽，两个螺钉穿过螺旋外套的下端与两个键槽对应连接，螺旋内套与压电陶瓷微位移制动器的上端固接，螺旋内套通过导向筒导向，压电陶瓷微位移制动器的下端通过连接件与测试片固接，隔菌加载台固装在测试片的下端面上，压头固装在隔菌加载台的下端面的中心处；

位移传感器依次穿过第一支撑圆盘和第二支撑圆盘，位移传感器的上端通过锁紧装置固装在第一支撑圆盘上，位移传感器的下端与测试片的上端面相接处；

套杯安装在齿轮齿条机构的齿条上，步进电机固装在套杯的底端面上，步进电机的输出端由下至上穿过套杯，转台固定在步进电机的输出端上，重量传感器安装在转台的上端面上，培养台位于重量传感器的上端面上。

本发明的有益效果是：

本发明采用压电陶瓷微位移致动器作为动态压力加载机构的核心元件，配合位移传感器通过计算机调控可对培养物施加频率、波形(三角波、正弦波、方波)、振幅可调的动态压力刺激，并可实时显示频率、位移的大小；

步进电机作为动态剪切力加载机构的驱动元件，并具备能进行精确位移加载可结合传感器实现培养物弹性模量测定的差动螺旋机构，以及循环灌流传输系统，构建一种既可以用于培养物培养形式下研究动态压力刺激、动态剪切力刺激单独或协同作用对软骨细胞、成骨细胞等细胞生长、分化的影响，又可用于人工软骨、人工骨组织的体外长期以力学刺激进行动态培养的生物反应器；本发明的力学加载式生物反应器具有操作简便、自动化程度高、耐腐蚀、实用性强、数据采集精度高、控制响应及时而准确的特点；

动态剪切力加载机构采用步进电机作为驱动元件，利用计算机界面控制单片机电路工作，进而控制步进电机驱动器从而使步进电机带动支撑盘和安装在其上的培养台一起转动，通过培养台的旋转实现对培养物的剪切力加载，同时可实现转角、转速和方向的调控；

差动螺旋弹性模量测定机构利用差动螺旋原理可对培养物提供精确的位移加载，量程为0～5mm，结合位移传感器、重量传感器及数据采集系统可实现对培养物弹性模量测定过程中所受压缩量和压力大小的实时监测，并及时处理数据获得应力应变曲线；

循环灌流传输系统利用蠕动泵的驱动，培养物所需的培养液可从培养液池中泵出，流经培养台，再回到培养液池中，蠕动泵进出流速一致，并控制在0.1～10mL/min范围内，以保证培养液池的液面高度与培养台内的液面高度相同，从而利于细胞的生长、代谢等；

压电陶瓷微位移致动器安装在差动螺旋的螺旋内套底端，两者均处于生物反应器的中心线上，保证了生物反应器结构的紧凑性，便于置入标准培养箱中；两者在不同的工作时段工作，在动态压力加载过程中，利用对称布置的两个紧定螺钉将螺旋内套固定在螺旋外套上，这大大减小压电陶瓷的振动对差动螺旋机构的影响，确保动态压缩位移加载的精确性。

本发明的力学加载式生物反应器在人工软骨、骨组织体外构建不会产生力学强度差，实现了对培养物培养到一定阶段的强度在线检测功能。

附图说明

图1是本发明的可在线测量的力学加载式生物反应器的立体图，图2本发明的可在线测量的力学加载式生物反应器的局部剖视图，图3是试件加载与对应位移变化曲线示意图，图4是测试应力-应变曲线示意图，图5是不同压缩位移下试件应力(时间)松弛曲线示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1和图2所示，本实施方式的可在线测量的力学加载式生物反应器包括底座1、支撑轴2、齿轮齿条机构3、重量传感器4、培养台5、压头6、隔菌加载台7、测试片8、连接件9、位移传感器10、压电陶瓷微位移制动器11、第一支撑圆盘12、锁紧装置13、螺柱14、螺旋外套15、螺旋内套24、圆柱弹簧25、导向筒17、第二支撑圆盘18、转台20、套杯21、步进电机22、三个套筒16、三个支撑杆19和三个矫正法兰23，齿轮齿条机构3通过支撑轴2固装在底座1的上端面上，每个支撑杆19的下端通过一个矫正法兰23固装在底座1的上端面上，三个支撑杆19沿圆周方向均布且竖直设置，三个支撑杆19的上部加工有台肩，第二支撑圆盘18由上至下穿过三个支撑杆19搭接在三个支撑杆19上的台肩上，每个支撑杆19的上部穿装有一个套筒16，三个套筒16的下端面位于第二支撑圆盘18的上端面上，第一支撑圆盘12固定在三个套筒16的上端面上，第一支撑圆盘12上加工有第一中心孔，第二支撑圆盘18上加工有第二中心孔，导向筒17固装在第二中心孔处，螺旋外套15的下端穿过第一支撑圆盘12的中心孔，螺旋外套15的外沿固接在第一支撑圆盘12的中心孔的中心孔处，螺旋外套15上半段加工有内螺纹，螺柱14的上半段上固套有螺母26，螺母26与螺旋外套15螺纹连接，螺旋内套24位于螺旋外套15下半段内，螺柱14的下半段与螺旋内套24螺纹连接，螺旋内套24的螺纹导程小于螺旋外套15的螺纹导程，圆柱弹簧25套装在螺柱14上且位于螺母26与螺旋内套24之间，螺旋内套24的下部左右对称加工有两个竖直设置的键槽27，两个螺钉穿过螺旋外套15的下端与两个键槽27对应连接，螺旋内套24与压电陶瓷微位移制动器11的上端固接，螺旋内套24通过导向筒17导向，压电陶瓷微位移制动器11的下端通过连接件9与测试片8固接，隔菌加载台7固装在测试片8的下端面上，压头6固装在隔菌加载台7的下端面的中心处；

位移传感器10依次穿过第一支撑圆盘12和第二支撑圆盘18，位移传感器10的上端通过锁紧装置13固装在第一支撑圆盘12上，位移传感器10的下端与测试片8的上端面相接处；

套杯21安装在齿轮齿条机构3的齿条上，步进电机22固装在套杯21的底端面上，步进电机22的输出端由下至上穿过套杯21，转台20固定在步进电机22的输出端上，重量传感器4安装在转台20的上端面上，培养台5位于重量传感器4的上端面上。

齿轮齿条机构3的厂家为慈溪市潭南电子器件厂，型号为XTL-II型。

螺母26的导程为1.0mm的三角形螺纹，螺柱14的下部是导程为0.75mm的三角形螺纹；

螺旋内套24的下部左右对称加工有两个竖直设置的键槽27，两个螺钉穿过螺旋外套15的下端与两个键槽27对应连接，可保证螺旋内套24相对于螺旋外套15只产生相对位移而不发生旋转；

螺旋内套24的螺纹导程小于螺旋外套15的螺纹导程，旋转螺柱14时螺旋内套24产生差动位移进给，圆柱弹簧25套装在螺柱14上且位于螺母26与螺旋内套24之间，可避免来回行程中空行程的产生；

位移传感器10可通过与测试片的接触检测培养物所受的压缩量，重量传感器4用于培养物压力的检测，完成压头和培养物接触时的传感器清零操作，旋转螺柱14进行位移加载，由位移传感器10和重量传感器4分别测出培养物压缩量和压力的值，进而得到培养物的弹性模量；

动态压力加载模块主要由导向筒17、压电陶瓷微位移致动器11、位移传感器10、测试片8、隔菌加载台7组成；压电陶瓷微位移致动器11通过上端连接件安装在螺旋内套下端，导向筒17安装在中支撑盘18中心孔处，并与压电陶瓷上端连接件外圆形成间隙配合关系，压电陶瓷微位移致动器11的下端连接件9与测试片8和安有压头6的隔菌加载台7顺序连接。工作时，调节升降机构，当重量传感器承受较小压力时，对重量传感器清零，并将此时位置定为初始位置，再利用压电陶瓷驱动电源结合位移传感器给培养物施加频率、波形(方波、正弦波、三角波)、振幅可调的动态压力刺激实现动态压力加载；

动态剪切力加载模块包括步进电机22、转台20、培养台5，步进电机22安装在套杯21上，电机轴支撑安有培养台5和重量传感器4的转台20。培养台5开设的进液孔和出液孔通过硅胶管可与蠕动泵和培养液池连接，实现循环灌流传输效果。通过步进电机的驱动控制系统可调节步进电机的转角、转速和转向，即对圆形培养台内均布的培养物施加大小、方向可调的剪切力刺激；

调节齿轮齿条机构3的手轮，通过齿轮齿条机构结合紧定螺钉可实现培养台的两处定位，即工作位置和闲空位置，培养台在工作位置时，生物反应器处于细胞培养状态，在闲空位置时，可用于培养物的更换以及生物反应器停止工作状态；

具体实施方式二：如图1所示，本实施方式螺柱14由黄铜制成。如此设计，减小螺柱与螺旋内、外套的摩擦，便于操作。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：如图1所示，本实施方式支撑杆19由不锈钢制成。如此设计，避免生锈。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：如图1所示，本实施方式第一支撑圆盘12、第二支撑圆盘18和底座1均由铝合金制成。如此设计，保证了生物反应器的轻便性，便于搬运挪动。其它组成及连接关系与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：如图1所示，本实施方式培养台5由聚四氟乙烯制成。如此设计，保证了其与培养物的生物相容性，便于消毒杀菌。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二或四相同。

具体实施方式六：如图1所示，本实施方式隔菌加载台7由有机玻璃制成。如此设计，保证了其与培养物的生物相容性，便于消毒杀菌。其它组成及连接关系与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：如图1所示，本实施方式压头6由不锈钢制成。如此设计，避免在培养箱环境中生锈。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、四或六相同。

生物材料测试结果：

1、复合细胞生物支架的动态加载测试

对5％聚L-乳酸(PLLA)、溶剂(二氧六环/水溶剂体系)配比87∶13，在-20℃下通过溶胶凝胶法获得的骨组织工程复合材料(直径d＝10mm，高度H＝5mm)，在磷酸缓冲液(PBS)浸泡后，并复合成骨细胞，进行了动态力学性能测试。对每种材料施加振幅为150V，频率为0.01Hz的三角波电压，采集受到的压力和变形量，试件在各个三角波加载过程中的典型受力和压缩变形量的变化情况如图3所示。

2、动态应力-应变曲线和表观弹性模量测量

为了测得材料的动态表观弹性模量，可根据加载采集受到的压力和变形量，换算得到动态应力-应变曲线，再拟合其变化斜率即可得到动态表观弹性模量。

三角波加载过程中，在电压下降段(对应材料所受压缩量减小，即弹性恢复)时因材料变形不能及时恢复，测得数据误差较大，故只对在材料逐渐受压(上升沿)测得的应力-应变关系和对应的表观弹性模量进行分析。数据采集软件采集的力和对应的压缩变形量保存为TXT文件，通过MATLAB7.0软件对数据进行处理，处理得到的应力-应变关系如图4所示。由曲线拟合得到该材料的表观弹性模量为94MPa。

3、应力松弛实验

通过控制计算机向压电陶瓷电源分别发送独立电压15V、30V、45V和60V，使之产生相应的轴向位移对试件加载，相应的压缩量分别为10um、20um、30um和40um。每次维持5分钟的独立位移加载，测量该阶段的对应载荷，再换算成对应的应力(-时间)松弛关系。

图5为上述加载条件下试件的应力松弛曲线。图中可以看出，瞬间加载应力也会瞬间增大，且随着位移载荷增大应力峰值增大，增幅较为均匀。松弛期间，应力逐渐降低至稳定值。位移载荷越大，其松弛时间越长，松弛后应力的稳定值也越大，对应的稳定弹性模量也越大。因此，标明软质生物材料的稳定弹性模量时，应给出对应的应变量。

工作原理：

首先将本发明的力学加载式生物反应器置于标准二氧化碳培养箱中，然后用酒精对本发明的力学加载式生物反应器擦拭消毒，将细胞支架放入培养台中，并接种细胞，调节升降台，使压头6与细胞支架复合物轻微接触，此时调节差动螺旋部件，使压头6对支架形成一定的预压力，利用压电陶瓷驱动电源使压电陶瓷对支架施加波形、频率可调的动态压力，细胞支架复合物所承受的压力和产生的压缩位移可由位移传感器和重量传感器经数据采集系统采集，并于计算机上实时显示、保存，由应力、应变曲线计算可得到细胞支架复合物的弹性模量。

Claims (7)

1.一种可在线测量的力学加载式生物反应器，其特征在于：所述力学加载式生物反应器包括底座(1)、支撑轴(2)、齿轮齿条机构(3)、重量传感器(4)、培养台(5)、压头(6)、隔菌加载台(7)、测试片(8)、连接件(9)、位移传感器(10)、压电陶瓷微位移制动器(11)、第一支撑圆盘(12)、锁紧装置(13)、螺柱(14)、螺旋外套(15)、螺旋内套(24)、圆柱弹簧(25)、导向筒(17)、第二支撑圆盘(18)、转台(20)、套杯(21)、步进电机(22)、三个套筒(16)、三个支撑杆(19)和三个矫正法兰(23)，齿轮齿条机构(3)通过支撑轴(2)固装在底座(1)的上端面上，每个支撑杆(19)的下端通过一个矫正法兰(23)固装在底座(1)的上端面上，三个支撑杆(19)沿圆周方向均布且竖直设置，三个支撑杆(19)的上部加工有台肩，第二支撑圆盘(18)由上至下穿过三个支撑杆(19)搭接在三个支撑杆(19)上的台肩上，每个支撑杆(19)的上部穿装有一个套筒(16)，三个套筒(16)的下端面位于第二支撑圆盘(18)的上端面上，第一支撑圆盘(12)固定在三个套筒(16)的上端面上，第一支撑圆盘(12)上加工有第一中心孔，第二支撑圆盘(18)上加工有第二中心孔，导向筒(17)固装在第二中心孔处，螺旋外套(15)的下端穿过第一支撑圆盘(12)的中心孔，螺旋外套(15)的外沿固接在第一支撑圆盘(12)的中心孔的中心孔处，螺旋外套(15)上半段加工有内螺纹，螺柱(14)的上半段上固套有螺母(26)，螺母(26)与螺旋外套(15)螺纹连接，螺旋内套(24)位于螺旋外套(15)下半段内，螺柱(14)的下半段与螺旋内套(24)螺纹连接，螺旋内套(24)的螺纹导程小于螺旋外套(15)的螺纹导程，圆柱弹簧(25)套装在螺柱(14)上且位于螺母(26)与螺旋内套(24)之间，螺旋内套(24)的下部左右对称加工有两个竖直设置的键槽(27)，两个螺钉穿过螺旋外套(15)的下端与两个键槽(27)对应连接，螺旋内套(24)与压电陶瓷微位移制动器(11)的上端固接，螺旋内套(24)通过导向筒(17)导向，压电陶瓷微位移制动器(11)的下端通过连接件(9)与测试片(8)固接，隔菌加载台(7)固装在测试片(8)的下端面上，压头(6)固装在隔菌加载台(7)的下端面的中心处；

位移传感器(10)依次穿过第一支撑圆盘(12)和第二支撑圆盘(18)，位移传感器(10)的上端通过锁紧装置(13)固装在第一支撑圆盘(12)上，位移传感器(10)的下端与测试片(8)的上端面相接处；

套杯(21)安装在齿轮齿条机构(3)的齿条上，步进电机(22)固装在套杯(21)的底端面上，步进电机(22)的输出端由下至上穿过套杯(21)，转台(20)固定在步进电机(22)的输出端上，重量传感器(4)安装在转台(20)的上端面上，培养台(5)位于重量传感器(4)的上端面上。

2.根据权利要求1所述的可在线测量的力学加载式生物反应器，其特征在于：螺柱(14)由黄铜制成。

3.根据权利要求1或2所述的可在线测量的力学加载式生物反应器，其特征在于：支撑杆(19)由不锈钢制成。

4.根据权利要求3所述的可在线测量的力学加载式生物反应器，其特征在于：第一支撑圆盘(12)、第二支撑圆盘(18)和底座(1)均由铝合金制成。

5.根据权利要求1、2或4所述的可在线测量的力学加载式生物反应器，其特征在于：培养台(5)由聚四氟乙烯制成。

6.根据权利要求5所述的可在线测量的力学加载式生物反应器，其特征在于：隔菌加载台(7)由有机玻璃制成。

7.根据权利要求1、2、4或6所述的可在线测量的力学加载式生物反应器，其特征在于：压头(6)由不锈钢制成。

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