CN104031837B - 一种具有生物培养功能的关节运动模拟测试系统 - Google Patents

一种具有生物培养功能的关节运动模拟测试系统 Download PDF

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Abstract

一种具有生物培养功能的关节运动模拟测试系统，包括关节模拟机以及生物培养循环系统；所述的生物培养循环系统包括依次连通的培养腔、离位灭菌玻璃发酵罐以及储液罐，培养腔由能够连通在一起的上腔和下腔组成，且上腔与离位灭菌玻璃发酵罐相连通，下腔与储液罐的进口相连；上腔与关节模拟机的横轴相连，下腔与关节模拟机的纵轴相连。本发明关节模拟机可以实现对培养腔的运动控制，离位灭菌玻璃发酵罐可以实现循环系统中培养液的氧气、二氧化碳、pH值、温度的控制。本发明不仅能够进行组织工程软骨体外培养还能够高效地进行活性关节软骨在体外摩擦磨损性能评价试验。

Description

一种具有生物培养功能的关节运动模拟测试系统
技术领域
本发明涉及一种运动模拟测试系统，具体涉及一种具有生物培养功能的关节运动模拟测试系统。
背景技术
组织工程软骨发展至今，虽然已有很多实验研究成果和少量的临床应用，但是无论在培养后所具有的功能还是植入后的长期效果都是差强人意的。如何提高组织工程软骨的功能以及如何评价其功能达到何种程度才能被允许植入，这是现在所关注的焦点。组织工程软骨培养的一个重要因素就是力学刺激。大量研究表明，适当的力学刺激能够提高胶原、多糖蛋白等软骨基质成分的表达，从而提高了组织工程软骨的性能。到目前为止，研究中所应用的力学刺激都是压力、流体剪切力、拉力、液体静压力、组织剪切力中的一种或两种的复合，而且在这样的力学刺激下，组织工程软骨的性能提高后相对自然软骨还是不够的。自然膝关节的运动是非常复杂的，股骨和胫骨之间既有滚动又有滑动，所受的力也是很复杂的，而之前所述的研究中考虑摩擦环境是很少的。但是现有的关节模拟机仅仅能够模拟自然关节的运动力学环境，从而对软骨性能的研究的局限性非常大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有生物培养功能的关节运动模拟测试系统，该系统能够提供近似自然关节的运动力学环境和生物学环境，同时不仅能够进行组织工程软骨培养还能够进行活性关节软骨在体外长期的摩擦磨损测试。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：包括关节模拟机以及生物培养循环系统；所述的生物培养循环系统由培养腔和离位灭菌玻璃发酵罐以及储液罐组成，培养腔由能够连通在一起的上腔和下腔组成，下腔与储液罐的入口连通，储液罐的出口与离位灭菌玻璃发酵罐的入口相连通，离位灭菌玻璃发酵罐的出口与上腔相连通；上腔与关节模拟机的横轴相连，下腔与关节模拟机的纵轴相连。
所述的培养腔外设有培养腔温度监控单元、培养腔氧气监控单元以及能够对摩擦副表面情况和培养液中磨屑进行观察的影像监控单元。
所述的上腔和下腔分别通过嵌入配合的方式与弹性透明套相连，且弹性透明套与上腔和下腔分别用卡箍箍紧。
所述的上腔上开设有进料口，下腔上开设有出料口，且进料口与离位灭菌玻璃发酵罐的出口之间、离位灭菌玻璃发酵罐的入口与出料口之间均通过硅胶管连通。
所述的进料口与离位灭菌玻璃发酵罐的出口之间设有蠕动泵。
所述的储液罐的入口和出口处均设有截止阀。
所述的储液罐的出口处还设有过滤器。
所述的上腔通过上底座固定在夹具上，且夹具与关节模拟机的横轴相连，上底座与夹具之间通过固定板连接，下腔通过下底座与关节模拟机的纵轴相连。
所述的上腔内顶壁上开设有用于固定股骨夹具的螺纹孔，下腔的内底壁上设有用于嵌入胫骨夹具的胫骨夹具嵌入凹槽，下腔的外底壁上设有用于嵌入下底座的底座嵌入凹槽。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明的关节模拟机与培养腔相连，培养腔能够在培养组织工程软骨时提供近似自然关节的运动力学环境，而且，由于离位灭菌玻璃发酵罐上本来就带有监控单元，该发酵罐的监控单元能够在培养组织工程软骨或软骨摩擦磨损测试时对培养液的pH值、氧气浓度、二氧化碳浓度以及温度进行监控，因此，本发明能够提供自然关节的运动力学环境和生物学环境，维持组织活性，延长测试时间，实现多种条件下的组织工程软骨培养以及活性关节软骨在体外长期的摩擦磨损测试。
进一步，本发明还设置了培养腔温度监控单元、培养腔氧气监控单元以及影像监控单元，影像监控单元能够实现对摩擦副表面情况以及培养液中磨屑的观察；培养腔温度监控单元与离位灭菌玻璃发酵罐相结合使用就可以实现对培养腔中液体的恒温控制，培养腔氧气监控单元可以实现对培养腔中液体中的氧气浓度的监控。另外，由于上腔和下腔用弹性透明套连接，这样一方面能够通过被拉伸压缩弹性透明套使培养腔具有一定的运动空间，另一方面能够在测试时从外面观察到培养腔内部的情况。
附图说明
图1为本发明具有生物培养功能的关节运动模拟测试系统的结构示意图；
图2为培养腔的结构示意图；
图3为培养腔的的剖视图；
图4为培养腔在关节模拟机上的装夹示意图；
图5为上腔、固定板以及夹具的连接关系图；
图6为上底座的示意图；
图7为固定板的示意图；
图8为关节模拟机的横轴和纵轴的运动图；其中，a为横轴，b为纵轴；
其中，1-关节模拟机，2-夹具，3-上底座，4-固定板，5-培养腔，6-硅胶管，7-蠕动泵，8-离位灭菌玻璃发酵罐，9-截止阀，10-过滤器，11-储液罐，12-下底座，13-上腔，14-下腔，15-弹性透明套，16-股骨夹具，17-胫骨夹具，18-底座嵌入凹槽，19-胫骨夹具嵌入凹槽，20-螺纹孔，21—屈伸运动，22—内外翻运动，23—内外旋运动，24—前后运动，25—左右运动，26—轴向加载运动。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作出进一步详细描述。
参见图1，本发明包括关节模拟机1以及生物培养循环系统；生物培养循环系统包括依次连通的培养腔5、蠕动泵7、离位灭菌玻璃发酵罐8以及储液罐11，培养腔5与蠕动泵7之间、蠕动泵7与离位灭菌玻璃发酵罐8之间、离位灭菌玻璃发酵罐8与储液罐11之间、储液罐11与培养腔5之间均通过硅胶管6连通，储液罐11的入口和出口处均设有截止阀9。
参见图2-4，培养腔5由能够连通在一起的透明的上腔13和透明的下腔14组成，上腔13内顶壁上开设有用于固定股骨夹具16的螺纹孔20，下腔14的内底壁上设有用于嵌入胫骨夹具17的胫骨夹具嵌入凹槽19，下腔14的外底壁上设有用于嵌入上底座12的底座嵌入凹槽18，且上腔13上开设有进料口，下腔14上开设有出料口，进料口与蠕动泵7的出口相连，储液罐11的入口与出料口相连；上腔13和下腔14分别通过嵌入配合的方式与弹性透明套15相连，弹性透明套15分别通过卡箍与上腔13和下腔14相连；上腔13、弹性透明套15、下腔14均采用医用级材料如聚碳酸酯、高透液态硅胶制成。弹性透明套15因具有弹性能够被拉伸压缩，是为了使培养腔5有一定的运动空间，上腔13和下腔14用弹性透明套15进行密封，构成一个密封的无菌的培养环境，而且上腔和套的透明使得在测试时能够从外面观察到里面的情况。
参见图4-7，上腔13通过螺钉与上底座3相连，上底座3通过螺钉与夹具2相连的同时又通过螺钉、固定板4与夹具2相连，而夹具2与关节模拟机1的横轴相连，如此实现上腔13与关节模拟机1的横轴相连；下腔14通过螺钉、下底座12与关节模拟机1的纵轴相连。
本发明还设有监控单元，监控单元能够进行pH值、温度、浓度、力等的一系列的在线或离线控制，监控单元包括内监控单元和外监控单元。其中，内监控单元包括离位灭菌玻璃发酵罐8自带的监控单元以及关节模拟机1自带的监控单元，关节模拟机监控单元可以实现对运动和力的监控，离位灭菌玻璃发酵罐8自带的监控单元可以实现培养液的pH值、氧气浓度、二氧化碳浓度、温度的控制。外监控单元包括影像监控单元、培养腔温度监控单元以及培养腔氧气监控单元，影像监控单元可以实现对摩擦副表面情况以及培养液中磨屑的观察。在储液罐11的出口处设有过滤器10，使得磨屑尽量保留在储液罐11中，便于培养液中磨屑浓度的检测。培养腔温度监控单元加上发酵罐可以实现对培养腔中液体的恒温控制，培养腔氧气监控单元可以实现对培养腔中液体中的氧气浓度的监控。
本发明关节模拟机可以实现对培养腔的运动控制，离位灭菌玻璃发酵罐可以实现循环系统中培养液的氧气、二氧化碳、pH值、温度的控制。本发明不仅能够进行组织工程软骨体外培养还能够高效地进行活性关节软骨在体外摩擦磨损性能评价试验。
下面结合附图详细说明本发明生物反应器的搭建、工作原理和工作过程。
(一)本发明具有生物培养功能的关节运动模拟测试系统的搭建：
如图4所示，首先在超净台中将股骨固定在股骨夹具16上，通过螺钉将股骨夹具16固定在上腔13上；同理，将胫骨固定在胫骨夹具17上，然后将胫骨夹具17嵌入到下腔14的凹槽19上；把弹性透明套15两端分别通过嵌入配合与上腔13和下腔14连接，然后用两卡箍分别将弹性透明套15两端与上腔13和下腔14固定在一起。
接着，如图1所示，通过硅胶管6将培养腔5、蠕动泵7、离位灭菌玻璃发酵罐8、截止阀9、过滤器10、储液罐11串联成生物培养循环系统。
最后，如图1所示，通过螺钉、上底座3、固定板4将培养腔5固定在夹具2上端，然后通过螺钉将夹具2与关节模拟机1的横轴连接，通过螺钉、下底座12将培养腔5的下腔14与关节模拟机1的纵轴连接。最后布置外监控单元。
(二)本发明具有生物培养功能的关节运动模拟测试系统的工作原理
参见图8，关节模拟机1为本发明生物反应器的动力单元，它的横轴和纵轴由关节模拟机1自带的智能控制系统控制，横轴可实现屈伸运动21、内外翻运动22(见图8a)，纵轴可实现内外旋运动23，前后运动24、左右运动25、轴向加载运动26(见图8b)，能够近似模拟自然关节的运在组织工程软骨培养时它能够提供近似自然关节的力学刺激，同时在活性关节软骨体外测试时它能够提供近似自然关节的运功环境。离位灭菌玻璃发酵罐可以实现循环系统中培养液的氧气、二氧化碳、pH值、温度的控制，
(三)本发明在软骨摩擦磨损测试中的工作过程
1、调好室内温度湿度，然后进行关节模拟机1标定
2、标定完后，停转关节模拟机1，将培养腔5固定到关节模拟机1上，然后启动关节模拟机1，进行输入调试；
3、调试好后，开始做测试，同时启动外监控单元和内监控单元监控测试情况。测试方法为：往灭菌玻璃发酵罐8中注入培养液，启动蠕动泵7并设定好参数，使培养液从灭菌玻璃发酵罐8经过培养腔5、储液罐11回到中灭菌玻璃发酵罐8中，形成循环。在灭菌玻璃发酵罐8设定好培养环境参数后启动关节模拟机1，在之后的测试中恒定温度，监控培养腔中的培养液的氧气浓度变化以及股骨胫骨的运动力学情况，观察摩擦副的表面情况以及培养中的磨屑的有无。一段时间后从储液罐11中取样，检测磨屑的浓度。测试结束后对软骨进行摩擦磨损评估。

Claims (7)

1.一种具有生物培养功能的关节运动模拟测试系统，其特征在于：包括关节模拟机(1)以及生物培养循环系统；所述的生物培养循环系统由培养腔(5)和离位灭菌玻璃发酵罐(8)以及储液罐(11)组成，培养腔(5)由能够连通在一起的上腔(13)和下腔(14)组成，下腔(14)与储液罐(11)的入口连通，储液罐(11)的出口与离位灭菌玻璃发酵罐(8)的入口相连通，离位灭菌玻璃发酵罐(8)的出口与上腔(13)相连通；上腔(13)与关节模拟机(1)的横轴相连，下腔(14)与关节模拟机(1)的纵轴相连；
所述的培养腔(5)外设有培养腔温度监控单元、培养腔氧气监控单元以及能够对摩擦副表面情况和培养液中磨屑进行观察的影像监控单元；
所述的上腔(13)和下腔(14)分别通过嵌入配合的方式与弹性透明套(15)相连，且弹性透明套(15)与上腔(13)和下腔(14)分别用卡箍箍紧。
2.根据权利要求1所述的具有生物培养功能的关节运动模拟测试系统，其特征在于：所述的上腔(13)上开设有进料口，下腔(14)上开设有出料口，且进料口与离位灭菌玻璃发酵罐(8)的出口之间、离位灭菌玻璃发酵罐(8)的入口与出料口之间均通过硅胶管连通。
3.根据权利要求2所述的具有生物培养功能的关节运动模拟测试系统，其特征在于：所述的进料口与离位灭菌玻璃发酵罐(8)的出口之间设有蠕动泵(7)。
4.根据权利要求1所述的具有生物培养功能的关节运动模拟测试系统，其特征在于：所述的储液罐(11)的入口和出口处均设有截止阀。
5.根据权利要求1或4所述的具有生物培养功能的关节运动模拟测试系统，其特征在于：所述的储液罐(11)的出口处还设有过滤器(10)。
6.根据权利要求1所述的具有生物培养功能的关节运动模拟测试系统，其特征在于：所述的上腔(13)通过上底座(3)固定在夹具(2)上，且夹具(2)与关节模拟机(1)的横轴相连，上底座(3)与夹具(2)之间通过固定板(4)连接，下腔(14)通过下底座(12)与关节模拟机(1)的纵轴相连。
7.根据权利要求1所述的具有生物培养功能的关节运动模拟测试系统，其特征在于：所述的上腔(13)内顶壁上开设有用于固定股骨夹具(16)的螺纹孔(20)，下腔(14)的内底壁上设有用于嵌入胫骨夹具(17)的胫骨夹具嵌入凹槽(19)，下腔(14)的外底壁上设有用于嵌入下底座(12)的底座嵌入凹槽(18)。
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