CN103630490B

CN103630490B - 面向自然关节组织体外评价的多物理场综合测试系统

Info

Publication number: CN103630490B
Application number: CN201310565648.9A
Authority: CN
Inventors: 王玲; 武通海; 申皓; 朱祝山; 李涤尘; 靳忠民
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2013-11-12
Filing date: 2013-11-12
Publication date: 2015-08-26
Anticipated expiration: 2033-11-12
Also published as: CN103630490A

Abstract

面向自然关节组织体外评价的多物理场综合测试系统，由6个相同结构的工作站组成，每个工作站都包含1个x方向往复运动单元和1个z方向加载单元，其中，每个x方向运动单元又包含x方向往复运动单元、加载单元、生物培养皿和摩擦力采集单元，6个工作站共用一个y方向往复运动单元，并全部固定在y向滑动台上；本发明从x、y、z三个方向上对式样进行测试，实现自然关节组织在逼近环境模拟状态下的摩擦学性能参数获取与评价，为活性组织开展长期全面的体外功能评估奠定基础。

Description

面向自然关节组织体外评价的多物理场综合测试系统

技术领域

本发明属于生物关节骨软骨组织的力学性能体外评价技术领域，涉及生物组织所处的动物体内部力学、物理和生物化学等综合培养环境的体外仿生,以及对生物组织性能的体外动态监测与分析，具体涉及一种基于多物理场和生物培养环境模拟的面向自然关节组织体外评价的多物理场综合测试系统。

背景技术

1、生物关节组织体外测试/体外生物培养的意义

关节软骨对于人体膝、髋等承重关节在日常生活中的各种运动十分重要。骨性和风湿性关节炎等疾病伴随软骨组织的病变影响着全球15%人群的健康和生活。组织工程采用工程化软骨对自然关节骨软骨（组织、细胞等）进行修补和再生，已成为解决软骨缺失和退化的有效方法。因此已经成为从长期角度解决软骨缺失和退化的方法。但是，在复杂环境下自然软骨的力学和摩擦学性能变化规律是工程软骨设计的技术瓶颈。因此，针对复杂环境下自然关节组织的生物和力学性能评价方法，设计并开发了可模拟不同物理场作用和生物培养的自然关节评价系统和方法，为工程化软骨设计参数的获取和服役性能评价提供重要依据。

2、研究现状

作为典型的摩擦副，生物关节组织的摩擦学性能是最基本的力学性能，其摩擦运动模式的性能评价已成为全球关节组织研究的热点。但由于缺乏生物培养功能，现有的摩擦学性能评价系统已不适用于活性组织的长期评价，而且大多系统只能通过改变个别物理参数来模拟关节软骨服役工况，难以获得近似自然环境下的服役数据。

目前针对关节软骨修复和再生的临床前测试是以动物实验为主，动物模型能提供正常生理行为的载荷环境，但对任何材料和设计的适应性受限，而且监控、调节和控制特定因素非常困难，使测试结果难以排出其他变量的干扰。

综上所述，采用生物体外构建的方法，综合考虑生物培养因素和外部物理场作用因素，不仅有利于生物摩擦学等的深入研究，还揭示单个或多个因素等对软骨构建的影响。迄今为止，文献中关于不同物理作用对生物组织培养的影响机制研究成果如下：

(1)、剪切力的影响机制

关节软骨受到压力、摩擦力、剪切力等的复合作用，，对关节软骨生长及软骨细胞的增殖分化影响较为复杂，因此，只能在体外研究单个因素对软骨组织形态和性能的影响。其中，剪切力对软骨细胞的形态、生物学性能和软骨功能有着重要影响。关节软骨所受的剪切力有两种形式：一是液体流动引起的剪切力，叫做流体剪切力；二是软骨组织表面直接受到的剪切力，叫做组织剪切力。

流体剪切力对软骨细胞的形态、生物学性能和增值影响较大，例如：流体剪切应力0.16-0.6Pa能提高蛋白多糖的合成，但也增加了前列腺素E2（PGE2能诱导成骨细胞释放出刺激破骨细胞骨吸收的因子）的释放和细胞凋亡率，还下调了II型胶原和聚集蛋白聚糖的mRNA表达[Smith and Donlon et al.,1995;Smith and Carter et al.,2004]；将3.5Pa的流体剪切力作用于单层培养的牛原代关节软骨细胞，96h后发现流体剪切力可明显上调软骨细胞的增殖[Malaviya andNerem,2002]；将1.6Pa的流体剪切力作用于人和牛的关节软骨细胞，发现48h后细胞形态变长，纵轴沿着力的作用方向平行排列；GAG不仅数量翻倍，而且新合成的链长也有所增加，但同时PGE2释放也增加10～20倍，基质蛋白酶的组织抑制物同时升高[Smith and Donlon et al.,1995]。

组织剪切力对软骨成分的合成率和软骨功能也有很大影响，例如：动态组织剪切应力（1-3%应变，0.01-1Hz）能促使胶原和蛋白多糖的合成率分别提高50%和25%[Jin et al.,2001]；正弦曲线循环剪切应力（±5-±15%应变，100Hz）在3h（相当于108×104个循环）的剪切疲劳过程中使软骨的损耗模量和储存模量先快速减小后缓慢减小至一常数[Simon et al.,1989]。这些研究表明软骨细胞的形态、生物学性能和软骨功能能直接承受剪切力的作用，但只有正确的作用方向和大小才能起到促进效果。

1.Smith RL,Donlon BS,Gupta MK,MohtaiM,Das P,Carter DR,Cooke J,Gibbons G,Hutchinson N,Schurman DJ.Effects of fluid-induced shear on articularchondrocyte morphology and metabolism in vitro.JOrthop Res1995;13:824-831.

2.Smith RL,Carter DR,Schurman DJ.Pressure and shear differentially alterhuman articular chondrocyte metabolism:a review.ClinOrthop2004;S89-S95.

3.Malaviya P,Nerem RM.Fluid-induced shear stress stimulates chondrocyteproliferation partially mediated via TGF-β1.Tissue Eng,2002;8(4):581～590

4.Jin M,Frank EH,Quinn TM,Hunziker EB,Grodzinsky AJ.Tissue sheardeformation stimulates proteoglycan and protein biosynthesis in bovine cartilageexplants.Arch BiochemBiophys,2001;395:41-48.

5.Simon WH,Mak A and Spirt A.The Effect of Shear Fatigue on BovineArticular Cartilage.Journal of Orthopaedic Research,1989;8:86-93

（2）、电磁力的影响机制

在不影响分子结构和功能的情况下电磁场有利于提高软骨基质中大分子的合成，还能促进软骨细胞的新陈代谢（SANG-HYUG PARK et al.2006）。研究表明，电磁力可使年老的豚鼠关节软骨形态不发生变化，并延缓关节炎的进一步恶化。(Aaron et al.2004).电磁力的刺激是安全的，它能减小软骨在日常活动中的损伤，减缓由关节炎引起的疼痛。(Jacobson et al.2005)电场力的作用可增加蛋白聚糖、II型胶原和Sox9基因的表达，这些成分都是软骨素原的来源，同时软骨素原的含量也随电场力的刺激而增加。软骨素的重要功能之一是作为输送管道，为软骨输送重要的氧和营养素，将生成的二氧化碳等废物带出。能够抑制破坏软骨的酵素(例如胶原酶、弹性蛋白酶和组织蛋白酶)，以免软骨被分解或溶解。因此，电磁力的作用对软骨生长以及骨性关节炎的治疗产生积极影响。电磁力对生长因子同样有影响。在脉冲磁场作用下，TGF-β增加75%，有些实验甚至增加了68-158%。TGF-β能提高蛋白聚糖基因的表达，并通过抑制IL-1来促进蛋白聚糖和II型胶原的合成（D.McKCiombor et al.2003）。

（3）、其他影响机制

温度对生物组织细胞的增殖和分化起到至关重要的作用。组织培养的最适温度为35-37℃，偏离这一范围，细胞的正常代谢和生长将受到影响，甚至导致死亡。培养细胞对低温的耐受力比高温强。温度升高2-3℃对细胞产生不良影响，使其在24h死亡，温度在43℃以上，细胞大多被杀灭，但低温对细胞影响较小，细胞处于25-35℃时，仍能生存，只是生长速度缓慢，放在4℃数小时之后，再置于37℃中培养，细胞仍能继续生长。

无菌是保证培养组织细胞生存的首要条件。培养液不仅对细胞是高营养物，对细菌和霉菌也是高营养物，细胞培养中如污染微生物，其繁殖比细胞快且能产生毒素使细胞死亡，因此，细胞培养技术的关键之一是防止污染。污染源包括组织培养液、器皿、组织本身、工作者本身。因此，组织培养一般建议在无菌操作台中进行，所有操作均须严格实行无菌操作，各种物品拿入操作台前应用洒精、紫外线照射等方法灭菌。

研究现状表明，活性骨软骨组织体外培养很大程度上受到多物理场作用影响，将导致其组织形态的结构差异，最终影响其摩擦学性能。目前，体外测试系统采用的单一摩擦剪切力不仅无法获得精确生物模拟环境，也不能实现生物培养过程的系统要求。

发明内容

针对现有生物组织体外性能测试方法的局限性，本发明的目的在于提供面向自然关节组织体外评价的多物理场综合测试系统，实现自然关节组织在逼近环境模拟状态下的摩擦学性能参数获取与评价，为活性组织开展长期全面的体外功能评估奠定基础。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

面向自然关节组织体外评价的多物理场综合测试系统，由6个相同结构的工作站组成，每个工作站都包含1个x方向运动单元和1个z方向加载单元4，x方向运动单元和z方向加载单元全部固定在y向滑动台6上，每个x方向运动单元又包含1个x方向往复运动组件，x方向往复运动组件上固定有摩擦力采集单元，并通过滑轨将生物培养皿28放置在x方向往复运动组件上，摩擦力采集单元与生物培养皿之间保持接触，6个工作站共用一个y向滑动台6；

所述的x方向往复运动单元包括x向步进电机与滚珠丝杠直线运动组件1，x向步进电机与滚珠丝杠直线运动组件1通过支撑轴承2固定在y向滑动台6上，直线运动组件可在丝杠上往复运动，x向步进电机与滚珠丝杠直线运动组件1的滚柱丝杠螺母上固定有载物台3。

所述的y方向往复运动单元包括y向步进电机与滚珠丝杠直线运动组件7、y向滑动台6、轴承导轨组件8和固定机架5，y向滑动台6下部设置有固定机架5，y向滑动台6与y向步进电机与滚珠丝杠直线运动组件7紧固连接，y向滑动台6与轴承导轨组件8滑动连接，由程序控制运动速度与行程。

所述的z方向加载单元4包括步进电机+滚珠丝杠运动组件10，步进电机+滚珠丝杠运动组件10的螺母与传感器座13之间通过导杆11及压簧12柔性连接，同时，压簧12上下两端分别与螺母和传感器座13固连；力传感器14通过螺钉紧固于传感器座13下，力传感器14一端与升降台16接触，传感器座13通过拉簧15与升降台16进行柔性连接，升降台16通过推力轴承17和角接触双向轴承20与转轴18进行连接，转轴18上安装了塑料齿轮21，塑料齿轮21与x向运动平台上的齿条24啮合；转轴18的中心孔内通过顶丝23将上试样22固定，升降台16与2个带法兰直线轴承19固定连接，带法兰直线轴承19与支架9滑动连接。

所述的生物培养皿包括容器28、线圈29、补液孔30、下试样31、加热棒32和定位销33，容器28通过定位销33固连在摩擦力采集单元的平面滑轨27上，容器28外围缠绕线圈29；容器28设置有补液孔30，容器28内底部设置盲孔以固定下试样31，同时容器28内底部还设有4个孔放置加热棒32。

所述的摩擦力采集单元包括x向力传感器25、固定台26、y向力传感器34和平面滑轨27，固定台26与载物台3紧固连接；平面滑轨27分别与固定台26和生物培养皿固定；2个x向力传感器25分别安装在固定台26两端并通过螺纹调节与平面滑轨27两端接触；2个y向力传感器34分别安装在固定台26的另外两端并通过螺纹调节与平面滑轨27两端接触。

本发明用于生物关节组织体外培养测试，与传统的生物关节组织体外测试相比，本发明具有以下积极效果：

1）、提供多物理场：平面复合剪切力、法向力、电磁场、生物培养环境等综合作用时具有生物培养功能的活性组织体外功能评价测试试验，将提高体外仿生系统与体内力学、生物学培养环境的一致性；多种平面运动轨迹与回转运动的组合，在构成摩擦副的组织表面可实现多种剪切力状态，可模拟自然关节界面所处多向剪切力的工况。

2）、6个独立工作站既可实现相同培养环境下的重复性，也可实现相同环境下的变因素试验，即可做6种独立因素试验，这种设计不仅提高了相同试验的可重复性，还保证了不同试验因素控制的准确性。

3）、提供适应于不同环境和不同培养阶段组织变化的剪切力，在不同环境综合影响下获取组织全寿命过程的摩擦学性能数据，为关节组织的设计和培养提供力学依据。

4）、关节组织培养与力学测试一体化夹具，测试过程中不需拆卸组织试样即可实现组织培养和测试过程的一体化，不仅提高了试验效率，还排除了试样拆装过程的环境干扰，保证无菌操作的有效性，也有利于组织培养、观察和力学测试的循环操作。

附图说明

图1为本发明的总体结构示意图。

图2为测试系统总体结构的俯视图。

图3为加载单元结构示意图。

图4为无拆卸培养皿结构示意图。

图5为载物台结构示意图。

图中，1-x向步进电机+滚珠丝杠直线运动组件；2-支撑轴承；3-载物台；4-加载结构单元；5-固定机架；6-y向滑动台；7-y向步进电机+滚珠丝杠直线运动组件；8-轴承导轨组件；9-支架；10-步进电机+滚珠丝杠运动组件；11-导杆；12-压簧（压簧1）；13-传感器座；14-力传感器；15-拉簧；16-升降台；17-推力轴承；18-转轴；19-带法兰直线轴承；20-角接触双向轴承；21-塑料齿轮；22-上试样；23-顶丝；24-齿条；25-x向力传感器；26-固定台；27-平面滑轨；28-容器；29-线圈；30-补液孔；31-下试样；32-加热棒；33-定位销；34-y向力传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作进一步说明。

参照图1、2，面向自然关节组织体外评价的多物理场综合测试系统，由6个相同结构的工作站组成，每个工作站都包含1个x方向运动单元和1个z方向加载单元4，x方向运动单元和z方向加载单元全部固定在y向滑动台6上，每个x方向运动单元又包含1个x方向往复运动组件，x方向往复运动组件上固定有摩擦力采集单元，并通过滑轨将生物培养皿28放置在x方向往复运动组件上，摩擦力采集单元与生物培养皿之间保持接触，6个工作站共用一个y向滑动台6。

参照图1，所述的x方向往复运动单元包括x向步进电机与滚珠丝杠直线运动组件1，x向步进电机与滚珠丝杠直线运动组件1通过支撑轴承2固定在y向滑动台6上，直线运动组件可在丝杠上往复运动，x向步进电机与滚珠丝杠直线运动组件1的滚柱丝杠螺母上固定有载物台3。

参照图2，所述的y方向往复运动单元包括y向步进电机与滚珠丝杠直线运动组件7、y向滑动台6、轴承导轨组件8和固定机架5，y向滑动台6下部设置有固定机架5，y向滑动台6与y向步进电机与滚珠丝杠直线运动组件7紧固连接，y向滑动台6与轴承导轨组件8滑动连接，轴承导轨组件8支撑y向步进电机与滚珠丝杠直线运动组件7做往复直线运动，由程序控制运动速度与行程。

从图1、2上可知，通过独立控制y向运动和6个x向运动，6个载物台3最多可同时实现6种不同运动轨迹。

如图3所示，所述的z方向加载单元4包括支架9、步进电机+滚珠丝杠运动组件10、导杆11，压簧12、传感器座13、力传感器14、拉簧15，升降台16、推力轴承17、转轴18、带法兰直线轴承19、双向推力角接触球轴承20、塑料齿轮21、上试样22、顶丝23和齿条24，步进电机+滚珠丝杠运动组件10中电机驱动滚珠丝杠使螺母做升降运动，步进电机+滚珠丝杠运动组件10其螺母与传感器座13之间通过导杆11及压簧12柔性连接，同时，压簧12上下两端分别与螺母10和传感器座13固连，以保证传感器座13可随螺母做升降运动；力传感器14通过螺钉紧固于传感器座13下，力传感器14一端与升降台16接触，传感器座13通过拉簧15将与升降台16进行柔性连接，保证升降台可随传感器座做升降运动；升降台16通过推力轴承17和角接触双向轴承20与转轴18进行连接，其中，推力轴承17将载荷传递给转轴18，同时确保隔离转轴，角接触双向轴承20能保证转轴18的回转运动，并限制其上下运动，从而实现由升降台16带动转轴18做升降运动；升降台16与2个带法兰直线轴承19固定连接，该直线轴承可以沿着支架9的导柱上下滑动，2个导柱具有较高平行度，因而对升降台（及与其固定在一起的运动部件）起到导向作用，保证加载力不会偏斜，同时约束升降台的扭转自由度，保证其运动方向的单一性。转轴18上安装了塑料齿轮21，塑料齿轮21与x向运动平台上的齿条24啮合，实现圆周摆动；转轴18的中心孔内通过顶丝23将上试样22固定，拆卸便捷。

如图4所示，所述的生物培养皿包括容器28、线圈29、补液孔30、下试样31、加热棒32和定位销33；容器28通过定位销33固连在摩擦力采集单元的平面滑轨27上，容器28外围缠绕线圈29，通电线圈可产生磁场；容器28设置有补液孔30，容器28内底部设置盲孔以固定下试样31，同时容器28内底部还设有4个孔放置加热棒32，通电即可加热，控制温度在37℃左右，采用红外测温仪测量培养液温度；培养液通过补液孔30进入容器28，浸没下试样。

如图4、5所示，所述的摩擦力采集单元包括x向力传感器25、固定台26、y向力传感器34和平面滑轨27，固定台26与载物台3紧固连接，可实现往复运动；平面滑轨27分别与固定台26和生物培养皿固定，使生物培养皿和固定台之间为滚动摩擦（x-y平面均为滚动摩擦）；2个x向力传感器25分别安装在固定台26两端并通过螺纹调节与平面滑轨27两端接触，阻止并测试滑轨所受的x方向的推力（图4）；2个y向力传感器34分别安装在固定台26的另外两端并通过螺纹调节与平面滑轨27两端接触，阻止并测试滑轨所受的y方向的推力（图5）；由于滑轨摩擦力较小（预先标定），传感器所检测的力可视为滑轨所受生物培养皿运动阻力，即摩擦力。

本发明的工作原理为：包括以下步骤，

步骤1、完成系统电路连接，包括步进电机、传感器、采集卡和系统供电，将系统各运动部件回归至初始状态。

步骤2、将上试样22装入转轴18，并用顶丝23紧固；将下试样31装入培养皿固定孔，注入培养液。

步骤3、启动程序，通过控制x、y方向运动单元和加载升降单元的运动，使上、下试样接触，调整齿轮齿条保证啮合，待试验启动。

步骤4、根据程序设置，步进电机+滚珠丝杠运动组件10中的加载电机启动，通过螺母推动压簧12压缩，使所施加的载荷依次通过力传感器14、升降台16、推力轴承17、转轴18，最终传到下试样22与上试样31接触部位，载荷精度由力传感器反馈调节，当载荷达到设定值后加载电机停止，采用闭环控制可保持整个实验过程中设定载荷恒定，此外，也可通过程序控制实现变载加载。

步骤5、启动平面运动单元的电机，由程序控制实现x、y方向的运动轨迹，6个x方向运动单元可独立控制，同时，每个运动单元通过齿条齿轮啮合以驱动转轴，可同时实现6种平面运动轨迹，达到不同剪切力工况的实验设计。同时x、y向的4个力传感器25、34分别采集每个单元x、y向的摩擦力，可计算出平面摩擦力，获得实时剪切力场分布。

同时，根据试验需要，通过改变通过线圈29的电流实现可控电磁场；通过改变加热棒32的通过电流实现加热控制；通过补液孔30可以采用外加蠕动泵等设备实现连续地补充或更新培养液。

步骤6、试验终止后，x、y向运动停止，步进电机+滚珠丝杠运动组件10中的加载电机反转，螺母带动压簧12、力传感器座13，拉簧15、升降台16上升，进而通过角接触双向轴承20带动转轴18和上试样22上升，使上、下试样分离接触；

步骤7、取出培养皿，加盖密封盖使其不被污染，不拆除下试样可保证试验二次装夹后继续进行。

Claims

1.面向自然关节组织体外评价的多物理场综合测试系统，其特征在于，包括6个相同结构的工作站，每个工作站都包含1个x方向运动单元和1个z方向加载单元(4)，x方向运动单元和z方向加载单元全部固定在y方向往复运动单元的y向滑动台(6)上，每个x方向运动单元又包含1个x方向往复运动组件，x方向往复运动组件上固定有摩擦力采集单元，并通过滑轨将生物培养皿放置在x方向往复运动组件上，摩擦力采集单元与生物培养皿之间保持接触，6个工作站共用一个y向滑动台(6)；

所述的z方向加载单元(4)包括步进电机+滚珠丝杠运动组件(10)，步进电机+滚珠丝杠运动组件(10)其螺母与传感器座(13)之间通过导杆(11)及压簧(12)柔性连接，同时，压簧(12)上下两端分别与螺母和传感器座(13)固连；力传感器(14)通过螺钉紧固于传感器座(13)下面，力传感器(14)一端与升降台(16)接触，传感器座(13)通过拉簧(15)将与升降台(16)进行柔性连接，升降台(16)通过推力轴承(17)和角接触双向轴承(20)与转轴(18)进行连接，转轴(18)上安装了塑料齿轮(21)，塑料齿轮(21)与x向运动平台上的齿条(24)啮合；转轴(18)的中心孔内通过顶丝(23)将上试样(22)固定，升降台(16)与2个带法兰直线轴承(19)固定连接，带法兰直线轴承(19)与支架(9)滑动连接；

所述的生物培养皿包括容器(28)、线圈(29)、补液孔(30)、下试样(31)、加热棒(32)和定位销(33)，容器(28)通过定位销(33)固连在摩擦力采集单元的平面滑轨(27)上，容器(28)外围缠绕线圈(29)；容器(28)设置有补液孔(30)，容器(28)内底部设置盲孔以固定下试样(31)，同时容器(28)内底部还设有4个孔放置加热棒(32)。

2.根据权利要求1所述的面向自然关节组织体外评价的多物理场综合测试系统，其特征在于，所述的x方向往复运动单元包括x向步进电机与滚珠丝杠直线运动组件(1)，x向步进电机与滚珠丝杠直线运动组件(1)通过支撑轴承(2)固定在y向滑动台(6)上，直线运动组件可在丝杠上往复运动，x向步进电机与滚珠丝杠直线运动组件(1)的滚柱丝杠螺母上固定有载物台(3)。

3.根据权利要求1所述的面向自然关节组织体外评价的多物理场综合测试系统，其特征在于，所述的y方向往复运动单元包括y向步进电机与滚珠丝杠直线运动组件(7)、y向滑动台(6)、轴承导轨组件(8)和固定机架(5)，y向滑动台(6)下部设置有固定机架(5)，y向滑动台(6)与y向步进电机与滚珠丝杠直线运动组件(7)紧固连接，y向滑动台(6)与轴承导轨组件(8)滑动连接，由程序控制运动速度与行程。

4.根据权利要求1所述的面向自然关节组织体外评价的多物理场综合测试系统，其特征在于，所述的摩擦力采集单元包括x向力传感器(25)、固定台(26)、y向力传感器(34)和平面滑轨(27)，固定台(26)与载物台(3)紧固连接；平面滑轨(27)分别与固定台(26)和生物培养皿固定；2个x向力传感器(25)分别安装在固定台(26)两端并通过螺纹调节与平面滑轨(27)两端接触；2个y向力传感器(34)分别安装在固定台(26)的另外两端并通过螺纹调节与平面滑轨(27)两端接触。