CN103357069B - 可注射型组织工程软骨体外构建装置 - Google Patents

可注射型组织工程软骨体外构建装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可注射型组织工程软骨体外构建装置，包括恒温箱、设置在恒温箱内的离心装置和用于控制恒温箱内温度及离心装置动作的控制系统，所述离心装置包括离心机、安装在所述离心机上的容器座、用于添加制备试剂的加液系统和用于搅拌试剂的搅拌系统。通过设置控制器和PH传感器，PH传感器将测量得到的PH值实时传输至控制器，控制器再通过控制模块II控制驱动机构动作，进而驱动活塞杆动作，向容器槽内添加NaOH溶液，当溶液的PH值落在设定范围后，停止驱动机构，即能够精确控制溶液的PH值；通过设置搅拌系统和离心装置，能够根据制备需要搅拌溶液和离心溶液，并最终完成可注射型组织工程软骨的体外构建，减轻医务人员的劳动负担，且生产效率高。

Description

可注射型组织工程软骨体外构建装置
技术领域
本发明涉及一种利用Ⅱ型胶原蛋白在体外构建软骨的装置，具体的为一种可注射型组织工程软骨体外构建装置，制备得到的可注射型组织工程软骨主要用于软骨损伤的修复治疗。
背景技术
由创伤或骨病所致关节部位软骨缺损临床常见，严重影响患者生活质量，已成为目前肢体残障的主要原因之一。美国发病率为1.5‰～3‰，我国约为美国的5～6倍，且呈逐年上升趋势。关节软骨属于透明软骨，缺乏神经血管营养，损伤后自身难以修复。临床现有治疗措施均存在明显缺陷，其保守治疗和关节清理术只能暂时缓解疼痛，不能阻止病程的发展；自体骨软骨移植术可造成供区损伤，且来源有限，难以修复较大面积的缺损；异体骨软骨移植术存在免疫排斥反应及传播疾病的可能；人工关节置换术则费用昂贵、并发症较多、翻修率较高，特别是对年轻患者的身心影响大、经济负担重。
组织工程学的诞生及其快速发展为关节软骨的再生修复提供了新技术。组织工程支架材料为构建组织的细胞提供的三维支架，有利于细胞的黏附、增殖乃至分化，为细胞生长提供合适的外环境。在组织工程中，支架材料起到细胞外基质的作用，是对细胞外基质的结构和功能的仿生。它不仅起支撑作用，保持原有组织的形状，而且还起到模板作用，为细胞提供赖以寄宿、生长、分化和增殖的场所，从而引导受损组织的再生和控制再生组织的结构。
制备得到的Ⅱ型胶原蛋白与盐酸溶液混合后被密封分装保存起来，在需要使用时，首先需要对Ⅱ型胶原蛋白-盐酸溶液进行中和，然后将制备得到的BMSCs移入Ⅱ型胶原蛋白-盐酸溶液中，充分混合均匀后，离心去气泡，吸入真空针内待用。目前，市面上并没有专门针对可注射型组织工程软骨的体外构建装置，均为医务人员采用手工制备，不仅加重了医务人员的工作负担，而且制备得到的可注射型组织工程软骨合格率较低，造成不必要的材料浪费。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种可注射型组织工程软骨体外构建装置，该装置能够完成可注射型组织工程软骨的体外构建，减轻医务人员的劳动负担，且生产效率高。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种可注射型组织工程软骨体外构建装置，包括恒温箱、设置在恒温箱内的离心装置和用于控制恒温箱内温度及离心装置动作的控制系统，所述离心装置包括离心机、安装在所述离心机上的容器座、用于添加制备试剂的加液系统和用于搅拌试剂的搅拌系统；
所述离心机包括底座和与所述容器座配合的转盘，所述底座内设有用于驱动所述转盘旋转的电机；
所述容器座上设有容器槽，所述搅拌系统包括设置在所述容器座上方的上座，所述上座的底面上与所述容器槽对应设有搅拌杆，且所述上座和底座之间设有用于驱动所述上座上下移动的驱动装置；
所述加液系统包括设置在所述上座顶面用于盛放制备试剂的试剂槽、与所述试剂槽配合的活塞杆和用于驱动所述活塞杆移动的驱动机构；所述试剂槽与所述容器槽之间设有加液通道，所述加液通道上设有控制阀I；
所述容器座内设有接收装置，所述接收装置包括固定安装在所述容器座内的无菌注射器，无菌注射器与所述容器槽之间设有接收通道，所述接收通道上设有控制阀II；
所述容器槽内设有用于检测试剂PH值的PH传感器；
所述控制系统包括控制器，均与所述控制器相连并用于计时的计时器、用于测量所述恒温箱内温度的温度传感器、用于控制所述电机动作的电机驱动电路、用于控制所述驱动装置升降动作的控制模块I和用于控制所述驱动机构动作的控制模块II，所述恒温箱内设有温度控制输出系统，所述控制器分别与所述PH传感器、控制阀I、控制阀II和温度控制输出系统相连，所述控制器接收所述PH传感器测量得到的试剂PH值信号，并向所述控制模块II和控制阀I发出控制指令。
进一步，所述驱动装置包括设置在所述上座与底座之间的导向杆和用于驱动导向杆伸缩运动的气缸，所述气缸的气路上设有电磁换向阀，所述控制模块I与所述电磁换向阀相连。
进一步，所述加液通道包括与所述试剂槽一一对应设置在所述上座内的加液通道I和设置在所述搅拌杆内分别与所述加液通道I相连的加液通道II。
进一步，所述控制阀I设置在所述加液通道I上。
进一步，所述驱动机构包括伺服电机、在所述伺服电机驱动下旋转并与所述活塞杆平行的螺杆和套装在所述螺杆上的螺纹套，所述螺纹套与所述活塞杆之间固定连接，所述控制模块II与所述伺服电机相连。
进一步，所述搅拌杆上设有搅拌桨叶。
进一步，所述试剂槽内设有用于检测活塞杆位置的位移传感器。
本发明的有益效果在于：
本发明的可注射型组织工程软骨体外构建装置，通过设置离心装置，在离心机的作用下，能够驱动容器座高速旋转离心；通过设置搅拌系统，当需要搅拌时，搅拌杆伸入到容器槽内，控制离心机低速旋转，能够实现搅拌功能；通过设置加液系统，通过在试剂槽内盛放所需的试剂，能够在制备过程中向容器槽内定量添加所需试剂；
通过设置控制系统，控制器通过温度传感器的温度信号向恒温箱的温度控制输出系统发出控制指令，使恒温箱内的温度能够始终满足制备要求；通过电机驱动电路能够控制电机开停机、转速和旋转时间等，并通过控制模块I控制驱动装置升降运动，能够在需要时搅拌溶液或离心溶液；PH传感器将测量得到的试剂PH值信号实时反馈至控制器中，控制器控制控制阀I动作和通过控制模块II控制驱动机构动作，向容器槽内添加试剂或停止向容器槽内添加试剂，能够确保试剂的PH值最终落到设定为范围，精确控制PH值。
综上，本发明的可注射型组织工程软骨体外构建装置能够自动完成可注射型组织工程软骨的体外构建，减轻医务人员的劳动负担，且生产效率高，制备得到的可注射型组织工程软骨质量能够得到有效保证。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明的可注射型组织工程软骨体外构建装置实施例的结构示意图；
图2为控制原理框图；
图3为搅拌杆的横截面结构示意图。
附图标记说明：
1-恒温箱；2-容器座；3-底座；4-转盘；5-电机；6-容器槽；7-上座；8-搅拌杆；9-试剂槽；10-活塞杆；11-加液通道；11a-加液通道II；12-控制阀I；13-无菌注射器；14-接收通道；15-控制阀II；16-PH传感器；17-控制器；18-温度传感器；19-电机驱动电路；20-控制模块I；21-控制模块II；22-温度控制输出系统；23-计时器；24-导向杆；25-伺服电机；26-螺杆；27-螺纹套；28-位移传感器。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
如图1所示，为本发明的可注射型组织工程软骨体外构建装置实施例的结构示意图。本实施例一种可注射型组织工程软骨体外构建装置，包括恒温箱1、设置在恒温箱1内的离心装置和用于控制恒温箱1内温度及离心装置动作的控制系统，离心装置包括离心机、安装在离心机上的容器座2、用于添加制备试剂的加液系统和用于搅拌试剂的搅拌系统。离心机包括底座3和与容器座2配合的转盘4，底座3内设有用于驱动转盘4旋转的电机5。
容器座2上设有容器槽6，搅拌系统包括设置在容器座2上方的上座7，上座7的底面上与容器槽6对应设有搅拌杆8，且上座7和底座3之间设有用于驱动上座7上下移动的驱动装置。通过驱动上座7上下移动，能够使搅拌杆8伸入或退出容器槽6。优选的，搅拌杆8上设有搅拌桨叶，能够增强搅拌效果。
加液系统包括设置在上座7顶面用于盛放制备试剂的试剂槽9、与试剂槽9配合的活塞杆10和用于驱动活塞杆10移动的驱动机构。试剂槽9与容器槽6之间设有加液通道11，加液通道11上设有控制阀I12。通过控制阀I12的开闭，能够向容器槽6内添加盛放在不同试剂槽9内的试剂，且通过控制活塞杆10的移动距离，能够精确控制添加试剂的量。
容器座3内设有接收装置，接收装置包括固定安装在容器座3内的无菌注射器13，无菌注射器13与容器槽6之间设有接收通道14，接收通道14上设有控制阀II15，当开启控制阀II15时，在离心作用下，容器槽6内的试剂会通过接收通道14注入到无菌注射器13内备用。
容器槽6内设有用于检测试剂PH值的PH传感器16，通过设置PH值传感器，能够精确测量容器槽6内的试剂的PH值，并将PH值信号反馈至控制器17中。
控制系统包括控制器17，均与控制器17相连并用于计时的计时器23、用于测量恒温箱1内温度的温度传感器18、用于控制电机5动作的电机驱动电路19、用于控制驱动装置升降动作的控制模块I20和用于控制驱动机构动作的控制模块II21，恒温箱1内设有温度控制输出系统22，控制器17分别与PH传感器16、控制阀I12、控制阀II15和温度控制输出系统22相连，控制器17接收PH传感器16测量得到的试剂PH值信号，并向控制模块II21和控制阀I12发出控制指令。通过设置计时器23，能够控制电机5和驱动装置的动作时间和时机，使得整个装置按照预设的时间流程动作。
本实施例的驱动装置包括设置在上座7与底座3之间的导向杆24和用于驱动导向杆24伸缩运动的气缸，气缸的气路上设有电磁换向阀，控制模块I20与电磁换向阀相连，通过控制电磁换向阀，能够使导向杆24驱动上座7作升降运动。
进一步，加液通道11包括与试剂槽9一一对应设置在上座7内的加液通道I11a和设置在搅拌杆8内与加液通道I相连的加液通道II11a，通过将加液通道II11a设置在搅拌杆8内，能够简化结构，并利用搅拌杆8向容器添加试剂。优选的，控制阀I12设置在加液通道I上。
进一步，驱动机构包括伺服电机25、在伺服电机25驱动下旋转并与活塞杆10平行的螺杆26和套装在螺杆26上的螺纹套27，螺纹套27与活塞杆10之间通过连接杆固定连接，控制模块II21与伺服电机25相连，即控制模块II21为伺服电机驱动模块，通过控制伺服电机25，能够驱动活塞杆10动作并向容器槽6内添加试剂。优选的，试剂槽9内设有用于检测活塞杆10位置的位移传感器28，通过设置位移传感器28，能够定量检测向容器槽6内添加的试剂的量，与PH传感器16一起，实现对伺服电机25的闭环控制系统。
本实施例的可注射型组织工程软骨体外构建装置，通过设置离心装置，在离心机的作用下，能够驱动容器座3高速旋转离心；通过设置搅拌系统，当需要搅拌时，搅拌杆8伸入到容器槽6内，控制离心机低速旋转，能够实现搅拌功能；通过设置加液系统，通过在试剂槽9内盛放所需的试剂，能够在制备过程中向容器槽6内定量添加所需试剂。
通过设置控制系统，控制器通过温度传感器18的温度信号向恒温箱1的温度控制输出系统22发出控制指令，使恒温箱1内的温度能够始终满足制备要求；通过电机驱动电路19能够控制电机5开停机、转速和旋转时间等，并通过控制模块I20控制驱动装置升降运动，能够在需要时搅拌溶液或离心溶液；PH传感器16将测量得到的试剂PH值信号实时反馈至控制器17中，控制器17控制控制阀I12动作和通过控制模块II21控制驱动机构动作，向容器槽6内添加试剂或停止向容器槽6内添加试剂，能够确保试剂的PH值最终落到设定为范围，精确控制PH值。
综上，本实施例的可注射型组织工程软骨体外构建装置能够自动完成可注射型组织工程软骨的体外构建，减轻医务人员的劳动负担，且生产效率高，制备得到的可注射型组织工程软骨质量能够得到有效保证。
具体的，采用本实施例的可注射型组织工程软骨体外构建装置在体外构建可注射型组织工程软骨体的方法如下：
1）将恒温箱内的温度设定为0-4℃，将定量的密封保存的浓度为20mg/ml的胶原蛋白盐酸溶液盛放在容器槽6内，在不同的试剂槽9内分别盛放1.5mol/LNaOH溶液和经离心收集得到的BMSCs溶液；
2）控制上座7向下移动，使搅拌杆8深入容器内，控制离心机以设定的速度慢速旋转，控制与盛放有1.5mol/L NaOH溶液的试剂槽9对应的控制阀I12开启，并控制该试剂槽9内的活塞杆10移动，向容器槽6内注入1.5mol/L NaOH溶液，以中和胶原蛋白盐酸溶液，PH传感器16将测量得到的容器槽6内溶液的PH值信号实时传输至控制器17，控制器17再通过控制模块II21向驱动机构发出控制指令，当溶液的PH值落在设定范围.2-7.5后，停止驱动机构，并关闭对应的控制阀I12；中和后溶液的离子浓度与生理盐水相当；为了保险起见，还在试剂槽9内设有位移传感器28，能够测量向容器槽6内注入试剂的量；
3）控制与盛放有BMSCs溶液的试剂槽9对应的控制阀I12开启，向容器槽6内注入定量的BMSCs溶液，搅拌均匀后，控制搅拌杆7退出容器外后，控制离心机高速旋转，离心去气泡，并得到可注射型组织工程软骨体，该可注射型组织工程软骨体在一定的温度条件下会成胶，能够修补软骨损伤；
4）控制上座7上移，搅拌杆8退出容器槽6外，开启控制阀II15，并控制离心机高速旋转，利用离心力将可注射型组织工程软骨体注入无菌注射器13中待用。
另外，胶原蛋白盐酸溶液的制备方法如下：
1）在室温、无菌条件下，从新鲜猪股骨上用手术刀切取膝关节软骨，置于生理盐水暂存；
2）将洗涤干净的软骨薄片置于低温冻干机内进行冻干，完全去除水分后用低温粉碎机进行粉碎，并称取软骨微粒重量；
3）将粉碎后的软骨置于容器中，并向容器内注入体积为软骨体积5倍的75%医用酒精中，在4℃和无菌环境中消毒24h，消毒完成后，利用离心机以8000rpm的转速离心溶液20min，沉淀后去上清液，保留的沉淀物用双蒸水进行充分洗涤；
4）向容器中注入体积为第3）步所得沉淀物10倍体积的4mol/L盐酸胍溶液，将沉淀物与该盐酸胍溶液混悬，然后搅拌溶液24h后，利用离心机以8000rpm的转速离心溶液20min，离心后沉淀去上清液，保留的沉淀物用0.05mol/LTris-HCl缓冲液和0.5mol/L冰醋酸充分洗涤；
5）向容器中注入体积为第4）步所得沉淀物5倍体积的1g/L胃蛋白酶-冰醋酸消化液，然后搅拌溶液48h后，利用离心机以8000rpm的转速离心溶液20min，离心后沉淀收集上清液；沉淀物内可继续加入消化液进行消化24h后，并将上清液；
6）向容器内注入2mol/L NaOH迅速调节溶液至pH7.5，加入NaCl使其最终浓度为3mol/L，在4℃和无菌环境下盐析过夜，利用离心机以8000rpm的转速离心溶液20min，沉淀后去上清液，保留的沉淀物；
7）向容器内持续注入三蒸水进行透析，透析完成后，以8000rpm的转速离心溶液20min，保留的沉淀物，即得到胶原蛋白；
8）对提取的胶原蛋白进行称量定量、无菌检测、蛋白电泳及氨基酸分析；
9）检测证实无菌后，溶于0.15mol/L盐酸，得到的胶原蛋白盐酸溶液的浓度为20mg/ml，密封管分装保存。
而BMSCs溶液可采用现有的方法制备得到，不再累述。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (7)

1.一种可注射型组织工程软骨体外构建装置，其特征在于：包括恒温箱、设置在恒温箱内的离心装置和用于控制恒温箱内温度及离心装置动作的控制系统，所述离心装置包括离心机、安装在所述离心机上的容器座、用于添加制备试剂的加液系统和用于搅拌试剂的搅拌系统； 
所述离心机包括底座和与所述容器座配合的转盘，所述底座内设有用于驱动所述转盘旋转的电机； 
所述容器座上设有容器槽，所述搅拌系统包括设置在所述容器座上方的上座，所述上座的底面上与所述容器槽对应设有搅拌杆，且所述上座和底座之间设有用于驱动所述上座上下移动的驱动装置； 
所述加液系统包括设置在所述上座顶面用于盛放制备试剂的试剂槽、与所述试剂槽配合的活塞杆和用于驱动所述活塞杆移动的驱动机构；所述试剂槽与所述容器槽之间设有加液通道，所述加液通道上设有控制阀I； 
所述容器座内设有接收装置，所述接收装置包括固定安装在所述容器座内的无菌注射器，无菌注射器与所述容器槽之间设有接收通道，所述接收通道上设有控制阀II； 
所述容器槽内设有用于检测试剂p H值的p H传感器； 
所述控制系统包括控制器，均与所述控制器相连并用于计时的计时器、用于测量所述恒温箱内温度的温度传感器、用于控制所述电机动作的电机驱动电路、用于控制所述驱动装置升降动作的控制模块I和用于控制所述驱动机构动作的控制模块II，所述恒温箱内设有温度控制输出系统，所述控制器分别与所述p H传感器、控制阀I、控制阀II和温度控制输出系统相连，所述控制器接收所述p H传感器测量得到的试剂pH值信号，并向所述控制模块II和控制阀I发出控制指令。 
2.根据权利要求1所述的可注射型组织工程软骨体外构建装置，其特征在于：所述驱动装置包括设置在所述上座与底座之间的导向杆和用于驱动导向杆伸缩运动的气缸，所述气缸的气路上设有电磁换向阀，所述控制模块I与所述电 磁换向阀相连。 
3.根据权利要求1或2所述的可注射型组织工程软骨体外构建装置，其特征在于：所述加液通道包括与所述试剂槽一一对应设置在所述上座内的加液通道I和设置在所述搅拌杆内分别与所述加液通道I相连的加液通道II。 
4.根据权利要求3所述的可注射型组织工程软骨体外构建装置，其特征在于：所述控制阀I设置在所述加液通道I上。 
5.根据权利要求1所述的可注射型组织工程软骨体外构建装置，其特征在于：所述驱动机构包括伺服电机、在所述伺服电机驱动下旋转并与所述活塞杆平行的螺杆和套装在所述螺杆上的螺纹套，所述螺纹套与所述活塞杆之间固定连接，所述控制模块II与所述伺服电机相连。 
6.根据权利要求1所述的可注射型组织工程软骨体外构建装置，其特征在于：所述搅拌杆上设有搅拌桨叶。 
7.根据权利要求1所述的可注射型组织工程软骨体外构建装置，其特征在于：所述试剂槽内设有用于检测活塞杆位置的位移传感器。 
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