CN103525701A - 组织工程关节软骨体外构建方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种组织工程关节软骨体外构建方法与装置。本发明中的装置包括摆动机构、位置调整机构、关节软骨培养机构和定位联接机构。摆动机构包括指示针、砝码托盘、稳定杆、摆动臂、接近开关、第六固定螺钉、左转轴和右转轴。位置调整机构包括精密调整装置、左调整手轮、左支撑板、左压板、第一固定螺钉、左滑动板、轴端盖、右支撑板、控制电机、连接键、左转轴、右转轴、支撑底座、第九固定螺钉、调节杆、右压板、第十二固定螺钉、右滑动板、右调整手轮、右轴连接套和左轴连接套。本发明模拟了一个体内关节软骨的运动力学环境，能提供一种施加不同频率和大小的压应力、摩擦力，动态构建人体关节软骨的方法和装置。

Description

组织工程关节软骨体外构建方法与装置

技术领域

本发明属于生物医学工程领域，涉及一种组织工程关节软骨体外培养的方法和装置。

背景技术

采用组织工程的方法将软骨细胞与生物可降解材料复合构建组织工程关节软骨时，导致体外构建的关节软骨形态与正常的关节软骨形态相差甚远，关节软骨组织容易形成中空等缺陷，其力学性能与正常的关节软骨相比相差甚远，无法达到临床移植的要求。目前培养关节软骨的方法主要是手工塑型，体外静态培养，但这种方法只能构建关节的轮廓模型，无法实现结构和功能正常的关节软骨构建。

发明内容

本发明的目的是模拟一个体内关节软骨的运动力学环境，能提供一种施加不同频率和大小的压应力、摩擦力，动态构建人体关节软骨的方法和装置。本装置可以对关节软骨培养的压应力和摩擦力的频率、大小和灌注流动的流量和频率进行调节，在最佳的参数下进行培养，并对软骨力学性能进行测试，该装置可任意组合，同时培养多个人体关节软骨。由于是全密封的培养，避免了关节软骨细胞培养时易受污染的情况。

本发明中的装置包括摆动机构、位置调整机构、关节软骨培养机构和定位联接机构。

摆动机构包括指示针、砝码托盘、稳定杆、摆动臂、接近开关、第六固定螺钉、左转轴和右转轴。

指示针置于摆动臂的底部，在摆动时能够通过接近开关记录摆动的数量，砝码托盘置于摆动臂的下方，通过第六固定螺钉固定，可以存放不同重量的砝码，稳定杆位于砝码托盘的中部，起到稳定砝码的作用，摆动臂在左转轴与右转轴驱动下进行往复摆动。

位置调整机构包括精密调整装置、左调整手轮、左支撑板、左压板、第一固定螺钉、左滑动板、轴端盖、右支撑板、控制电机、连接键、左转轴、右转轴、支撑底座、第九固定螺钉、调节杆、右压板、第十二固定螺钉、右滑动板、右调整手轮、右轴连接套和左轴连接套。

精密调整装置固定在支撑底座上并与调节杆通过四个第九固定螺钉连接，起到调节关节软骨培养机构上下位置的作用，左转轴与右转轴同轴，轴端盖位于左转轴末端，起到防止左转轴轴向串动的作用，左滑动板位于左支撑板中，通过两个左压板定位，并由九个第一固定螺钉固定，左调整手轮位于左支撑板的下方，起到调节左滑动板上下运动的作用，从而调节左转轴的位置；右滑动板位于右支撑板中，通过两个右压板定位，并由九个第十二固定螺钉固定，右调整手轮位于右支撑板的下方，起到调节右滑动板上下运动的作用，从而调节右转轴的位置；右转轴通过左轴连接套和右轴连接套与控制电机相连，左轴连接套和右轴连接套通过连接键固定。

关节软骨培养机构包括第二固定螺钉、培养室压框、培养室密封膜、培养液出口、培养室压板、第七固定螺钉、左转轴、右转轴、培养室上轴心、培养室下轴心、支撑膜、支撑底座、培养液入口和关节软骨培养室。

关节软骨培养室位于支撑底座上，关节软骨培养室底部装有支撑膜，通过培养室压板由八个第七固定螺钉固定，支撑膜上放置培养室下轴心和培养室上轴心，培养室上轴心分别与左转轴与右转轴连接，关节软骨培养室上部装有在培养室密封膜，并由培养室压框通过第二固定螺钉固定，关节软骨培养室两侧开有培养液出口和培养液入口。

定位联接机构包括第三固定螺钉、第四固定螺钉、主支撑杆、第五固定螺钉、第一固定支撑架、接近开关、底板、支撑底座、第八固定螺钉、第十固定螺钉、第二固定支撑架、第十一固定螺杆、接近开关支持架、电机支撑架。

主支撑杆分别由第一固定支撑架和第二固定支撑架通过六个第五固定螺钉和六个第十固定螺钉与底板固定，控制电机通过四个第三固定螺钉与电机支撑架固定，由四个第四固定螺钉将电机支撑架固定在主支撑杆上，四个第十一固定螺杆将支撑底座固定在主支撑杆上，两个第八固定螺钉将接近开关支持架固定在底板上，接近开关支持架上装有接近开关。

利用上述装置进行组织工程关节软骨体外构建方法，具体如下：

步骤1、将种子细胞与生物可降解材料复合物在无菌环境下置于关节软骨培养室上轴心和培养室下轴心间形成的关节软骨型的腔中，并用支撑膜将其封闭。

步骤2、通过旋转位置调整机构的左调整手轮、右调整手轮对关节软骨的位置进行调整，并旋转精密调整装置进行细微调整，将其固定在培养室中的合适位置，用培养室密封膜和培养室压框密封；将培养液进口、培养液出口与培养液管路相联通，开启蠕动泵注入培养液。

步骤3、设置控制电机和关节软骨培养机构相关参数的初始值，开启控制电机按钮进行动态培养，同时对关节软骨培养机构的参数进行微调。

本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：模拟了一个体内关节软骨的运动力学环境，能提供一种施加不同频率和大小的压应力、摩擦力，动态构建人体关节软骨的方法和装置，关节软骨生物反应器能够由单台组合成多台进行规模化的培养与构建，完全改变了以往手工操作和静态培养的模式。。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是关节软骨生物反应器俯视图。

图3是关节软骨生物反应器仰视图。

图4是关节软骨生物反应器侧视图。

具体实施方式

    以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图1、图2、图3和图4所示，一种模拟关节软骨运动力学环境动态培养组织工程关节软骨的生物反应器包括摆动机构、位置调整机构、关节软骨培养机构、定位联接机构4部分组成。

对于单摆机构包括：指示针1；砝码托盘2；稳定杆3；摆动臂4；接近开关24；第六固定螺钉26；左转轴27；右转轴30。

指示针1置于摆动臂4的底部，在摆动时能够通过接近开关24记录摆动的数量，砝码托盘2置于摆动臂4的下方，通过第六固定螺钉26固定，可以存放不同重量的砝码，稳定杆3位于砝码托盘2的中部，起到稳定砝码的作用，摆动臂4在左转轴27与右转轴30驱动下进行往复的摆动。

位置调整机构包括：精密调整装置5；左调整手轮6；左支撑板7；左压板8；第一固定螺钉9；左滑动板10；轴端盖11；右支撑板15；控制电机16；连接键17；左转轴27；右转轴30；支撑底座36；第九固定螺钉38；调节杆39；右压板43；第十二固定螺钉44；右滑动板45；右调整手轮47；右轴连接套31；左轴连接套32。

精密调整装置5固定在支撑底座36上并与调节杆39通过4个第九固定螺钉38连接，起到调节关节软骨培养机构上下位置的作用，左转轴27与右转轴30同轴，轴端盖11位于左转轴27末端，起到防止左转轴27轴向串动的作用，左滑动板10位于左支撑板7中，通过两个左压板8定位，并由9个第一固定螺钉9固定，左调整手轮6位于左支撑板7的下方，起到调节左滑动板10上下运动的作用，从而调节左转轴27的位置； 右滑动板45位于右支撑板15中，通过两个右压板43定位，并由9个第十二固定螺钉44固定，右调整手轮47位于右支撑板15的下方，起到调节右滑动板45上下运动的作用，从而调节右转轴30的位置；右转轴30通过左轴连接套32和右轴连接套31与控制电机16相连，左轴连接套32和右轴连接套31通过连接键17固定。

关节软骨培养机构包括：第二固定螺钉12；培养室压框13；培养室密封膜14；培养液出口19；培养室压板28；第七固定螺钉29；左转轴27；右转轴30；培养室上轴心33；培养室下轴心34；支撑膜35；支撑底座36；培养液入口46，关节软骨培养49。

关节软骨培养室49位于支撑底座36上，关节软骨培养室49底部装有支撑膜35，通过培养室压板28由8个第七固定螺钉29固定，支撑膜35上放置培养室下轴心34和培养室上轴心33，培养室上轴心33分别与左转轴27与右转轴30连接，关节软骨培养室49上部装有在培养室密封膜14，并由培养室压框13通过8第二固定螺钉12固定，关节软骨培养室49两侧开有培养液出口19和培养液入口46。

定位联接机构包括：控制电机16；第三固定螺钉18；第四固定螺钉20；主支撑杆21；第五固定螺钉22；第一固定支撑架23；接近开关24；底板25；支撑底座36；第八固定螺钉37；第十固定螺钉40；第二固定支撑架41；第十一固定螺杆42；接近开关支持架48；电机支撑架50。

主支撑杆21分别由第一固定支撑架23和第二固定支撑架41通过6个第五固定螺钉22和6个第十固定螺钉40与底板25固定，控制电机16通过4个第三固定螺钉18与电机支撑架50固定，由4个第四固定螺钉20将电机支撑架50固定在主支撑杆21上，4个第十一固定螺杆42将支撑底座36固定在主支撑杆21上，两个第八固定螺钉37将接近开关支持架48固定在底板25上，接近开关支持架48上装有接近开关24。

通过控制软件可以对关节软骨生物反应器电机进行控制，电机通过连接键控制反应器的运行。生物反应器也可以在电机控制的情况下做自由运动。所得的测量数据传送至测量软件，按照需要将所测数据显示在电脑上。

本发明以理论力学经典单摆公式为理论基础，设计开发了一套关节软骨细胞培养的装置，特别是涉及一种用于将种子细胞与生物可降解材料复合，置于能模拟关节运动的环境，在不同频率和压应力动态作用下构建具有细胞活性、良好人体关节软骨形态和一定力学强度的人关节软骨的培养装置。

Claims (2)

1. 组织工程关节软骨体外构建装置，包括摆动机构、位置调整机构、关节软骨培养机构和定位联接机构，其特征在于：

摆动机构包括指示针、砝码托盘、稳定杆、摆动臂、接近开关、第六固定螺钉、左转轴和右转轴；

指示针置于摆动臂的底部，在摆动时能够通过接近开关记录摆动的数量，砝码托盘置于摆动臂的下方，通过第六固定螺钉固定，可以存放不同重量的砝码，稳定杆位于砝码托盘的中部，起到稳定砝码的作用，摆动臂在左转轴与右转轴驱动下进行往复摆动；

位置调整机构包括精密调整装置、左调整手轮、左支撑板、左压板、第一固定螺钉、左滑动板、轴端盖、右支撑板、控制电机、连接键、左转轴、右转轴、支撑底座、第九固定螺钉、调节杆、右压板、第十二固定螺钉、右滑动板、右调整手轮、右轴连接套和左轴连接套；

精密调整装置固定在支撑底座上并与调节杆通过四个第九固定螺钉连接，起到调节关节软骨培养机构上下位置的作用，左转轴与右转轴同轴，轴端盖位于左转轴末端，起到防止左转轴轴向串动的作用，左滑动板位于左支撑板中，通过两个左压板定位，并由九个第一固定螺钉固定，左调整手轮位于左支撑板的下方，起到调节左滑动板上下运动的作用，从而调节左转轴的位置；右滑动板位于右支撑板中，通过两个右压板定位，并由九个第十二固定螺钉固定，右调整手轮位于右支撑板的下方，起到调节右滑动板上下运动的作用，从而调节右转轴的位置；右转轴通过左轴连接套和右轴连接套与控制电机相连，左轴连接套和右轴连接套通过连接键固定；

关节软骨培养机构包括第二固定螺钉、培养室压框、培养室密封膜、培养液出口、培养室压板、第七固定螺钉、左转轴、右转轴、培养室上轴心、培养室下轴心、支撑膜、支撑底座、培养液入口和关节软骨培养室；

关节软骨培养室位于支撑底座上，关节软骨培养室底部装有支撑膜，通过培养室压板由八个第七固定螺钉固定，支撑膜上放置培养室下轴心和培养室上轴心，培养室上轴心分别与左转轴与右转轴连接，关节软骨培养室上部装有在培养室密封膜，并由培养室压框通过第二固定螺钉固定，关节软骨培养室两侧开有培养液出口和培养液入口；

定位联接机构包括第三固定螺钉、第四固定螺钉、主支撑杆、第五固定螺钉、第一固定支撑架、接近开关、底板、支撑底座、第八固定螺钉、第十固定螺钉、第二固定支撑架、第十一固定螺杆、接近开关支持架、电机支撑架；

主支撑杆分别由第一固定支撑架和第二固定支撑架通过六个第五固定螺钉和六个第十固定螺钉与底板固定，控制电机通过四个第三固定螺钉与电机支撑架固定，由四个第四固定螺钉将电机支撑架固定在主支撑杆上，四个第十一固定螺杆将支撑底座固定在主支撑杆上，两个第八固定螺钉将接近开关支持架固定在底板上，接近开关支持架上装有接近开关。

2.利用上述装置进行组织工程关节软骨体外构建方法，其特征在于方法具体包括以下步骤：

步骤1、将种子细胞与生物可降解材料复合物在无菌环境下置于关节软骨培养室上轴心和培养室下轴心间形成的关节软骨型的腔中，并用支撑膜将其封闭；

步骤2、通过旋转位置调整机构的左调整手轮、右调整手轮对关节软骨的位置进行调整，并旋转精密调整装置进行细微调整，将其固定在培养室中的合适位置，用培养室密封膜和培养室压框密封；将培养液进口、培养液出口与培养液管路相联通，开启蠕动泵注入培养液；

步骤3、设置控制电机和关节软骨培养机构相关参数的初始值，开启控制电机按钮进行动态培养，同时对关节软骨培养机构的参数进行微调。

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