CN103550016A - 用于椎间盘仿生培养的均匀施力装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于椎间盘仿生培养的均匀施力装置，包括用于支承椎间盘的装置和两个压力传递装置，所述用于支承椎间盘的装置的上部为圆筒，下部为支承座，支承座上设有若干轴向通孔与圆筒的筒腔贯通，两个压力传递装置分上下放置在圆筒的筒腔内，上、下压力传递装置之间的间隙为放置椎间盘的位置，上、下压力传递装置分别包括透水的柔性材料制作的封口袋，封口袋内装有若干由硬质材料制作的圆球体，各圆球体的直径为0.3～1.5mm。它可以对椎间盘的不规则表面无缝隙的契合，并模拟椎间盘在人体内的生理环境。

Description

用于椎间盘仿生培养的均匀施力装置

技术领域

本发明涉及椎间盘仿生培养领域，特别是涉及一种用于椎间盘仿生培养的均匀施力装置。

背景技术

椎间盘是位于人体脊柱两椎体之间，由软骨板、纤维环、髓核组成的一个密封体。椎间盘既坚韧，又富弹性，承受压力时被压缩，除去压力后又复原，具有“弹性垫”一样的作用，可缓冲外力对脊柱的震荡，也可增加脊柱的运动幅度。人体的23个椎间盘厚薄不一，中胸部的较薄，颈部的较厚，腰部的最厚。颈腰部的椎间盘前厚后薄，胸部的则与此相反。椎间盘的厚薄和大小因年龄而有差异。

现有的用于椎间盘仿生培养的应力施加的方式主要有两种：一种是使用流体静力压对椎间盘进行施压。这种方式虽然有较广的施力范围，并且可以和椎间盘的不规则的表面均匀接触，保证了椎间盘的受力均匀。但是由于动物体内椎间盘所受到的压应力是以机械接触的压力进行施加的，所以流体静力压并不能达到仿生的目的。另外，由于流体的流动性和粘滞性的特点，以流体静力压进行施力不能模拟椎间盘原位的动态力加载。另一种是使用轴向压应力对椎间盘进行施压，这种方式可以仿生模拟椎间盘在体内受力的情况，亦可通过编程来实现动态力的加载。但是由于椎间盘形态不规则，表面不平整光滑，而过去的轴向应力施加装置施加盘都是具有较高刚性的平板结构，导致了这一类施力装置不能很好的契合椎间盘的表面，导致椎间盘受力不均匀，有碍于实验研究。椎间盘仿生培养需要培养的椎间盘可以处在完全模拟椎间盘在体内的生理状态之中，以促进体外培养的椎间盘的结构完整和功能成熟。脊柱是身体的支柱，具有支撑上半身重量、缓冲震荡的作用，而椎间盘位于脊柱内的椎体之间，椎间盘既坚韧，又富弹性，可缓冲外力对脊柱的震荡，所以椎间盘的生物力学特性决定了研究椎间盘应特别注意体外培养的椎间盘的力学情况。在仿生培养椎间盘时更需要椎间盘受到的压力均匀，并且压力值应与体内受力情况相仿。鉴于目前用于椎间盘仿生培养应力施加装置，不能同时实现均匀施力和轴向施力，显然不能实现真正的模拟椎间盘生理应力环境，因此现有的体外椎间盘仿生培养中，还没有能够模拟椎间盘生理应力环境的装置，故对椎间盘体外仿生培养的促进作用有限，不能适应其研究的要求，改良设计用于体内椎间盘体外仿生培养特别是椎间盘体外仿生培养的，在应力施加上模拟生理应力环境的装置成为近年来椎间盘工程技术研究的热点。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种用于椎间盘仿生培养的均匀施力装置，它可以对椎间盘的不规则表面无缝隙的契合，并模拟椎间盘在人体内的生理环境。

本发明的目的是这样实现的：

一种用于椎间盘仿生培养的均匀施力装置，包括用于支承椎间盘的装置和两个压力传递装置，所述用于支承椎间盘的装置的上部为圆筒，下部为支承座，支承座上设有若干轴向通孔与圆筒的筒腔贯通，两个压力传递装置分上下放置在圆筒的筒腔内，上、下压力传递装置之间的间隙为放置椎间盘的位置，上、下压力传递装置分别包括透水的柔性材料制作的封口袋，封口袋内装有若干由硬质材料制作的圆球体，各圆球体的直径为0.3～1.5mm。

所述支承座与下压力传递装置之间设有透水的柔性材料制作的透液层。

所述封口袋的材料为无纺布。

所述圆球体为钢球。

所述上、下压力传递装置均为圆柱形，下压力传递装置的直径等于圆筒的内径，上压力传递装置的直径大于下压力传递装置的直径。

所述支承座外周面为阶梯形，支承座的大径端与圆筒连接，所述若干轴向通孔设于支承座中径端的环形端面上，各轴向通孔贯穿支承座的大径端、中径端，支承座的小径端为实心。

所述圆筒、支承座成型为一体。

所述圆筒、支承座分别成型，支承座上设有用于对圆筒径向定位的阶梯，圆筒径向定位于该阶梯。

由于采用了上述方案，用于支承椎间盘的装置的上部为圆筒，下部为支承座，支承座上设有若干轴向通孔与圆筒的筒腔贯通，使培养液可以从支承座下方流入圆筒的筒腔内，进而培养筒腔内的椎间盘。两个压力传递装置分上下放置在圆筒的筒腔内，上、下压力传递装置之间的间隙为放置椎间盘的位置，上、下压力传递装置形成对椎间盘的全方位覆盖。上、下压力传递装置包括透水的柔性材料制作的封口袋，使培养液可以透过封口袋，进而培养上、下压力传递装置之间的椎间盘。封口袋内装有若干由硬质材料制作的圆球体，使培养液可以穿过圆球体之间的空隙，对上压力传递装置施加压力时，上压力传递装置被向下挤压变形，使圆球体之间发生相对滚动，重新排列。由于球体为硬质材料制作，具有不可变形的特点，受垂直压力后，球体将向周边膨胀，受到封口袋作用，球体在封口袋的范围内向各方向运动，使上、下压力传递装置整体发生变形，上、下压力传递装置对椎间盘的不规则表面无缝隙的契合，保证了施力装置的压力可以完全均匀传导至椎间盘上，模拟椎间盘在人体内的生理环境。由于施力装置的压力均匀的传递至椎间盘上，使椎间盘各个点的受力是相等的，所以，压杆上的压力是无差别的传导至椎间盘上。各圆球体的直径为0.3～1.5mm，保证对椎间盘均匀施力。

支承座与下压力传递装置之间设有透水的柔性材料制作的透液层，透液层隔离于下压力传递装置与支承座上设有的若干轴向通孔之间，防止圆球体堵塞轴向通孔，使培养液流通更为顺畅。所述上、下压力传递装置均为圆柱形，下压力传递装置的直径等于圆筒的内径，上压力传递装置的直径大于下压力传递装置的直径，使上压力传递装置可在受力时变形，完全覆盖椎间盘的上表面和侧面，下压力传递装置受力时变形完全覆盖椎间盘的下表面。所述支承座外周面为阶梯形，支承座的大径端与圆筒连接，所述若干轴向通孔设于支承座中径端的环形端面上，各轴向通孔贯穿支承座的大径端、中径端，形成培养液的引流通道，支承座的小径端为实心，中径端的周面与培养室配合形成径向限位，小径端与培养室的底板接触，用于承受轴向力，强度高。

圆筒、支承座成型为一体，强度更高。或者圆筒、支承座分别成型，支承座上设有用于对圆筒径向定位的阶梯，圆筒径向定位于该阶梯，便于安装上、下压力传递装置以及椎间盘。

用培养室、密封胶套建立椎间盘体外培养的封闭体系。用压杆、压头作为轴向压应力的施力装置，用上、下压力传递装置作为轴向压应力向不规则的培养椎间盘无差别的、均匀的传导压应力的连接物体。这样因培养室的输入水嘴和输出水嘴可通过输液管道与泵、储液装置等连通形成循环管路，由此培养室内部的培养液能够形成循环，实现密封式循环管路，让所培养的椎间盘能够得到需要的营养。在直线电机的驱动下，由电机带动压杆、压头沿电机轴直线运动的方向施压轴向压应力，上、下压力传递装置在受到轴向压应力时与椎间盘紧密贴合，并将压头上的压力均匀的传递至椎间盘上，使椎间盘各个点的受力是相等的，且由于压力传递装置内压强均一致，故压杆上的压力无差别的传导至椎间盘上。由于直线电机能够在电脑的控制下工作，其运动频率和运动速度能够根据设定模拟生理情况下的受力频率、大小和时间，由此使压杆能够由电机模拟生理情况下机体的运动模式，使椎间盘受到生理环境下的受力模式。尤其对椎间盘进行培养时，两压力传递装置可以很好地贴合椎间盘不规则的上下表面，使轴向压应力均匀的施加在椎间盘的表面，模拟椎间盘生理情况下的受力模式。

采用本发明中的压力传递装置作为轴向应力的传递装置，可以实现通过施力装置与椎间盘完整贴合并将压头上的压力大小无衰减的传递至受压物体表面使得受压物体受力均匀并可以准确的模拟生理情况下的受力模式，因此能够对椎间盘体外培养和体外生物力学研究产生关键性影响。

1. 本装置在直线电机的驱动下，由电机带动压杆、施力装置沿电机轴直线运动的方向施加轴向压应力，上下压力传递装置在受力后，压力传递装置内的多个微型刚性圆球体排列因相互之间产生的滚动效果，在自身重力下，具有可塑性，能最大程度的与接触椎间盘表面覆盖贴合。

2. 当压杆向下运动施加压力时，将压力传递装置向下挤压，导致球体之间滚动，重新排列。由于球体为刚性件，具有不可变形的特点，受垂直压力后，球体将向周边膨胀。因圆筒同为刚性件，具有不可变形特点，因此导致球体在圆筒范围内，只可延轴向径向方向运动。由于圆筒的限制，施力装置始终位于压力传递装置、椎间盘的中心部位，保证了压杆上的压力可以完全传导至椎间盘上。由于压杆上的压力均匀的传递至椎间盘上，使椎间盘各个点的受力是相等的。所以，压杆上的压力是无差别的传导至椎间盘上。

3. 当球体受到压杆向下的压力时，因珠子延轴向径向运动，挤压椎间盘骨体表面。当椎间盘表面的自身应力小于圆珠体压力时，从而导致椎间盘表面变形压缩，直至自身应力与所受压力平衡。

4. 当压杆向上运动时，椎间盘表面应力与所受压力保持平衡。

5. 当压杆向椎间盘施力时，椎间盘所受力大小如下：

F=F1+m2g

当压杆未向椎间盘施力时，椎间盘所受力大小如下

 F=m2g

（F1为计算机编程所设定电机施加的力，m2为上压力传递装置的质量，g为万有引力常数）。

6. 当压杆所施压力产生变化时，因球体自身刚性不可变形与滚动特点，将具有不会重复同一位置特点，即产生蠕动性滚动，蠕动将使椎间盘骨表面受力位置时刻发生变化，利用这一特点使椎间盘表面受力面减少盲区。

7. 由于球体的自身特点，相互之间的如蜂巢式的排列，球体间成点接触式排列，相互之间存有间隙，因此培养液体可通过间隙之间进行流动，从而保证椎间盘的存活。

8. 由于直线电机能够在电脑的控制下工作，其运动频率和运动速度可以通过计算机编程进行精密控制。所以，能够根据椎间盘生理情况下的受力频率、大小和时间进行建模，模拟生理情况下椎间盘的受力情况，使椎间盘受到生理环境下的轴向压应力。

采用本发明中的压力传递装置作为轴向应力的传递装置，可以实现通过施力装置与椎间盘完整贴合并将压头上的压力大小无衰减的传递至受压物体表面，使得受压物体受力均匀并可以准确的模拟生理情况下的受力模式，因此能够对椎间盘体外培养的力学环境进行精密仿生模拟，使得在此模型下进行的生物力学研究更加可靠，对将来椎间盘研究产生关键性影响。

本装置保证了椎间盘放置和应力施加的平面可根据椎间盘的表面形态自由变形的置物台上，达到全接触面完整贴合，保证椎间盘在受到轴向压应力时椎间盘表面各点受力均匀，椎间盘的内部压强一致，保证椎间盘不会因为局部受力过大而造成椎间盘的完整性被破坏，也保证该模型下对椎间盘生物力学研究的可靠性。同时还要求这个柔性的接触面可以完整的传递施力杆施加的应力，不会吸收压力，以保证椎间盘受力可以准确可控。体外培养椎间盘应置于模拟体内力学生理环境的体外培养条件下进行培养，以促进椎间盘工程椎间盘结构和功能成熟。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明与压头配合的结构示意图；

图3为本发明一种实施例的结构示意图。

附图中，1为用于支承椎间盘的装置，2为圆筒，3为支承座，4为轴向通孔，5为椎间盘，6为上压力传递装置，7为下压力传递装置，8为封口袋，9为圆球体，10为透液层，11为大径端，12为中径端，13为小径端，14为阶梯， 15为压头。

具体实施方式

参见图1～图2，为用于椎间盘仿生培养的均匀施力装置的一种实施例，包括用于支承椎间盘的装置1和两个压力传递装置6、7，所述用于支承椎间盘的装置1的上部为圆筒2，下部为支承座3，进一步地，所述圆筒2、支承座3成型为一体，且材料为不锈钢，连接强度高，密封性好，耐腐蚀能力强。支承座3上设有若干轴向通孔4与圆筒2的筒腔贯通，轴向通孔的孔径为0.5～1.5mm，形成培养液的引流通道。进一步地，所述支承座3外周面为阶梯形，支承座3的大径端11与圆筒2连接，所述若干轴向通孔4设于支承座3中径端12的环形端面上，各轴向通孔4贯穿支承座3的大径端11、中径端12，便于培养液通过，支承座3的小径端13为实心，支承座的小径端用于保证支承座的强度。

两个压力传递装置6、7分上下放置在圆筒2的筒腔内，上、下压力传递装置6、7之间的间隙为放置椎间盘5的位置，进一步地，常态时，所述上、下压力传递装置6、7均为圆柱形，下压力传递装置7的直径等于圆筒2的内径，且大于椎间盘的大径，使椎间盘能完全放置在下压力传递装置上，下压力传递装置的周面与圆筒的内壁贴合，上压力传递装置6的直径大于下压力传递装置7的直径，椎间盘位于下压力传递装置的顶面与上压力传递装置的底面之间，上、下压力传递装置6、7分别包括透水的柔性材料制作的封口袋8，透气性包装层可以采用纸、无纺布、有孔的塑料或铝箔薄膜等材料制成，如果透气性包装层以纸或无纺布为材料，则优选经过疏水性和/或疏油性处理的纸或无纺布，本实施例中，所述封口袋8的材料为无纺布，封口袋的厚度为0.1mm～1.5mm，以保证封口袋的柔性。封口袋8内装有若干由硬质材料制作的圆球体9，各圆球体9的直径为0.3～1.5mm。圆球体可以为塑料球、玻璃球、钢球等，进一步地，所述圆球体9为钢球，硬度高，更为耐用。当上压力装置受到轴向压力时，上、下压力装置内的圆球体发生相对滚动，进而使上、下压力传递装置发生形变，上、下压力传递装置的与椎间盘紧密贴合。进一步地，所述支承座3与下压力传递装置7之间设有透水的柔性材料制作的透液层10，所述透液层可选用棉布、无纺布等材料制成，其缝隙较小，且具有柔性，本实施例中，透液层采用厚度为2mm～10mm的无纺布制成。

还需包括用培养室，用压头15作为轴向压应力的施力装置，用上、下压力传递装置作为轴向压应力向不规则的培养椎间盘无差别的、均匀的传导压应力的压力传递装置。这样因培养室的输入水嘴和输出水嘴可通过输液管道与泵、储液装置等连通形成循环管路，由此培养室内部的培养液能够形成循环，实现密封式循环管路，让所培养的椎间盘能够得到需要的营养。由直线电机带动压杆、压头沿电机轴直线运动的方向施压轴向压应力，上、下压力传递装置在受到轴向压应力时与椎间盘紧密贴合，并将压头上的压力均匀的传递至椎间盘上。直线电机在电脑的控制下工作，其运动频率和运动速度能够根据设定模拟生理情况下的受力频率、大小和时间，由此使压杆、压头能够由电机模拟生理情况下机体的运动模式，使椎间盘受到生理环境下的受力模式。尤其对椎间盘进行培养时，该压力传递装置可以很好地贴合椎间盘不规则的上下表面，使轴向压应力均匀的施加在椎间盘的表面，模拟椎间盘生理情况下的受力模式。

本发明不仅仅局限于上述实施例，参见图3，所述圆筒2、支承座3分别成型，支承座3上设有用于对圆筒2径向定位的阶梯14，圆筒2径向定位于该阶梯14，轴向定位于该阶梯的端面，分别成型便于上、下压力传递装置以及椎间盘的安装。

本发明不仅仅局限于上述实施例，在不背离本发明技术方案原则精神的情况下进行些许改动的技术方案，应落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种用于椎间盘仿生培养的均匀施力装置，其特征在于：包括用于支承椎间盘的装置和两个压力传递装置，所述用于支承椎间盘的装置的上部为圆筒，下部为支承座，支承座上设有若干轴向通孔与圆筒的筒腔贯通，两个压力传递装置分上下放置在圆筒的筒腔内，上、下压力传递装置之间的间隙为放置椎间盘的位置，上、下压力传递装置分别包括透水的柔性材料制作的封口袋，封口袋内装有若干由硬质材料制作的圆球体，各圆球体的直径为0.3～1.5mm。

2.根据权利要求1所述的用于椎间盘仿生培养的均匀施力装置，其特征在于：所述支承座与下压力传递装置之间设有透水的柔性材料制作的透液层。

3.根据权利要求1所述的用于椎间盘仿生培养的均匀施力装置，其特征在于：所述封口袋的材料为无纺布。

4.根据权利要求1所述的用于椎间盘仿生培养的均匀施力装置，其特征在于：所述圆球体为钢球。

5.根据权利要求1所述的用于椎间盘仿生培养的均匀施力装置，其特征在于：所述上、下压力传递装置均为圆柱形，下压力传递装置的直径等于圆筒的内径，上压力传递装置的直径大于下压力传递装置的直径。

6.根据权利要求1所述的用于椎间盘仿生培养的均匀施力装置，其特征在于：所述支承座外周面为阶梯形，支承座的大径端与圆筒连接，所述若干轴向通孔设于支承座中径端的环形端面上，各轴向通孔贯穿支承座的大径端、中径端，支承座的小径端为实心。

7.根据权利要求1或6所述的用于椎间盘仿生培养的均匀施力装置，其特征在于：所述圆筒、支承座成型为一体。

8.根据权利要求1或6所述的用于椎间盘仿生培养的均匀施力装置，其特征在于：所述圆筒、支承座分别成型，支承座上设有用于对圆筒径向定位的阶梯，圆筒径向定位于该阶梯。

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