CN104480009B - 一种具有灌流和拉伸双重功能的生物反应器装置 - Google Patents

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Abstract

一种具有灌流和拉伸双重功能的生物反应器装置，包括固定在培养箱内的底座，底座上固定有伺服电机、固定板和两个对称布置的固定支撑，两根光杆连接在固定板和固定支撑上，移动板套在两根光杆上，伺服电机通过丝杠和移动板连接，移动板和两个以上的前锚杆连接，相应的两个以上的后锚杆固定在固定板上，每一对前锚杆和后锚杆之间夹持有一个韧带‑骨支架，每个韧带‑骨支架外配置有一个波纹管，每一对前锚杆、后锚杆上留有灌流接口和波纹管内部的韧带‑骨支架连通形成一个灌流回路，后锚杆上连接的力传感器和上位机连接，本发明具有灌流和拉伸双重功能，实现高效、便捷、无菌的动态培养。

Description

一种具有灌流和拉伸双重功能的生物反应器装置
技术领域
本发明属于生物医学体外反应器技术领域，具体涉及一种具有灌流和拉伸双重功能的生物反应器装置。
背景技术
组织工程生物反应器是一种为离体组织或器官体外培养提供合适培养环境的人工装置，其具有灌流、参数显示和控制等功能，最终目的是为组织或器官培养模拟出和体内相同或相近的生理环境。
用于模拟培养的生物反应器是组织或器官进入临床的关键设备，模拟培养的组织工程支架主要有韧带、肌腱、软骨、肌肉等软组织。它们在体内除了特有的生理环境外还受到力的作用，譬如拉伸力等。目前该种类型的生物反应器主要由机械传动机构、灌流回路系统和培养小室等部分组成。为了模拟和体内相近的生物和力学环境，对体外支架的组织培养有必要具有动态灌流、力学激励等功能。研究表明，动态灌流有助于细胞的新陈代谢，利于增殖；力学激励的作用，对组织的形成和功能化起促进作用。
现有的生物反应器不能很好的同时实现生物灌流和力学激励的功能：为单个支架培养的培养小室，不利于实验的对比参照，且实验周期较长；当采用多个支架同时培养的小室时，各支架的受力/变形程度不一致，没有预紧和微调机构；多个支架放置在同一培养小室中，易造成交叉污染，不易保证无菌环境；即在培养效率、操作性、无菌环境上有局限性。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种具有灌流和拉伸双重功能的生物反应器装置，设计出满足多功能要求的生物反应器，结构上采用多个波纹管的独立机构，外接灌流回路系统和参数检测系统，在电机驱动下实现往复直线移动，实现高效、便捷、无菌的动态培养。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种具有灌流和拉伸双重功能的生物反应器装置，包括固定在培养箱内的底座3，底座3上固定有伺服电机1、固定板17和两个对称布置的固定支撑5，两根光杆4一端连接在固定板17上，另一端分别与一个固定支撑5连接，移动板7的两端分别套在一根光杆4上，伺服电机1的输出轴和丝杠2的一端连接，丝杠2的另一端通过螺纹连接在移动板7上，移动板7通过套筒19和两个以上的前锚杆9连接，相应的两个以上的后锚杆12固定在固定板17上，每一对前锚杆9和后锚杆12之间夹持有一个韧带-骨支架18，每个韧带-骨支架18外配置有一个波纹管11，波纹管11和前锚杆9、后锚杆12固定，每一对前锚杆9、后锚杆12上留有灌流接口13，每对灌流接口13和相应的波纹管11内部的韧带-骨支架18连通形成一个灌流回路，后锚杆12上连接有力传感器14，力传感器14依次通过采集卡23、信号处理单元25和上位机24连接，蠕动泵22、伺服电机1的控制端和上位机24连接。
所述的波纹管11为可折叠式半透明状。
所述的每对灌流接口13分别通过导管20、培养瓶21、蠕动泵22连通成灌流培养回路，采用PH计、温度传感器、酸碱度传感器实时检测灌流培养回路的相应参数变化，为动态培养提供流量为1～10ml/min的培养液。
所述的前锚杆9通过其端部的第一压板26固定编制好的韧带-骨支架18的韧带端28，后锚杆12通过其端部的第二压板27固定韧带-骨支架18的固定钉端29。
所述的移动板7在光杆4上的移动范围为10～15mm，拉伸的频率为0.5～3Hz。
本发明与现有的生物反应器相比，主要优势有：
(1)将锚杆和波纹管即采用“一体化”的设计理念，此时波纹管的密封形式，将动密封的问题变成了静密封，实现培养小室较好的密封，减少污染，方便操作。
(2)由于折叠式的波纹管的长度自适应性，可以方便的实现拉压功能，且各个培养小室是各自独立的，减少了交叉污染，且能避免热等外界因素的影响。
(3)多个样本的同时培养，提高了效率，同时套筒的微调可以保证多个样本运动受力的一致性。
本反应器的功能完整，实现了组织的力学刺激功能、灌流功能、检测和显示功能、以及多培养小室等功能，实现高效、便捷、无菌的动态培养。
附图说明
图1为本发明生物反应器装置的结构示意图。
图2为本发明生物反应器装置的灌流培养回路示意图。
图3为本发明前锚杆9结构图。
图4为本发明后锚杆12结构图。
图5为韧带-骨支架18的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细描述。
参照图1和图2，一种具有灌流和拉伸双重功能的生物反应器装置，包括固定在培养箱内的底座3，底座3上固定有伺服电机1、固定板17和两个对称布置的固定支撑5，两根光杆4一端连接在固定板17上，另一端分别与一个固定支撑5连接，移动板7的两端分别通过直线轴承8套在两根光杆4上，伺服电机1的输出轴和丝杠2的一端连接，丝杠2的另一端通过螺纹连接在移动板7上，移动板7上连接的螺钉6通过套筒19和两个以上的前锚杆9连接，相应的两个以上的后锚杆12通过螺杆15、螺母16与固定板17连接，每一对前锚杆9和后锚杆12之间夹持有一个韧带-骨支架18，每个韧带-骨支架18外配置有一个波纹管11，通过喉咂10将波纹管11和前锚杆9、后锚杆12固定，每一对前锚杆9、后锚杆12上留有灌流接口13，每对灌流接口13和相应的波纹管11内部的韧带-骨支架18连通形成一个灌流回路，后锚杆12上连接有力传感器14，力传感器14依次通过采集卡23、信号处理单元25和上位机24连接，蠕动泵22、伺服电机1的控制端和上位机24连接。
所述的波纹管11为可折叠式半透明状。
参照图2，所述的每对灌流接口13分别通过导管20、培养瓶21、蠕动泵22连通成灌流培养回路，采用PH计、温度传感器、酸碱度传感器实时检测灌流培养回路的相应参数变化，为动态培养提供流量为1～10ml/min的培养液。
参照图3和图5，所述的前锚杆9通过其端部的第一压板26固定编制好的韧带-骨支架18的韧带端28，参照图4和图5，后锚杆12通过其端部的第二压板27固定韧带-骨支架18的固定钉端29。
所述的移动板7在光杆4上的移动范围为10～15mm，拉伸的频率为0.5～3Hz。
本发明的工作原理：
伺服电机1通过丝杠2驱动移动板7能够实现独立的可折叠式的波纹管11的往复运动，通过前锚杆9夹持韧带-骨支架18放置在波纹管11中，为保证多个波纹管11运动的一致性，调整套筒19的位置，实现韧带-骨支架18松弛程度的调整补偿，保证不同韧带-骨支架在受力/变形上的相同；蠕动泵22作为动力源，为韧带-骨支架18的细胞提供营养基质，促进新陈代谢，并且半透明的波纹管11方便观察细胞的培养情况。上位机24实现韧带-骨支架直线运动的实时检测和控制，同时上位机24还负责蠕动泵22流量和伺服电机1转速的控制，这样就满足韧带-骨支架机械拉伸和动态灌流的双重模拟功能，从而实现了高效、便捷、无菌的动态培养。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的保护范围。

Claims (5)

1.一种具有灌流和拉伸双重功能的生物反应器装置，包括固定在培养箱内的底座(3)，其特征在于：底座(3)上固定有伺服电机(1)、固定板(17)和两个对称布置的固定支撑(5)，两根光杆(4)一端连接在固定板(17)上，另一端分别与一个固定支撑(5)连接，移动板(7)的两端套在两根光杆(4)上，伺服电机(1)的输出轴和丝杠(2)的一端连接，丝杠(2)的另一端通过螺纹连接在移动板(7)上，移动板(7)通过套筒(19)和两个以上的前锚杆(9)连接，相应的两个以上的后锚杆(12)固定在固定板(17)上，每一对前锚杆(9)和后锚杆(12)之间夹持有一个韧带-骨支架(18)，每个韧带-骨支架(18)外配置有一个波纹管(11)，波纹管(11)和前锚杆(9)、后锚杆(12)固定，每一对前锚杆(9)、后锚杆(12)上留有灌流接口(13)，每对灌流接口(13)和相应的波纹管(11)内部的韧带-骨支架(18)连通形成一个灌流回路，后锚杆(12)上连接有力传感器(14)，力传感器(14)依次通过采集卡(23)、信号处理单元(25)和上位机(24)连接，蠕动泵(22)、伺服电机(1)的控制端和上位机(24)连接。
2.根据权利要求1所述的一种具有灌流和拉伸双重功能的生物反应器装置，其特征在于：所述的波纹管(11)为可折叠式半透明状。
3.根据权利要求1所述的一种具有灌流和拉伸双重功能的生物反应器装置，其特征在于：所述的每对灌流接口(13)分别通过导管(20)、培养瓶(21)、蠕动泵(22)连通成灌流培养回路，采用PH计、温度传感器、酸碱度传感器实时检测灌流培养回路的相应参数变化，为动态培养提供流量为1～10ml/min的培养液。
4.根据权利要求1所述的一种具有灌流和拉伸双重功能的生物反应器装置，其特征在于：所述的前锚杆(9)通过其端部的第一压板(26)固定编制好的韧带-骨支架(18)的韧带端(28)，后锚杆(12)通过其端部的第二压板(27)固定韧带-骨支架(18)的固定钉端(29)。
5.根据权利要求1所述的一种具有灌流和拉伸双重功能的生物反应器装置，其特征在于：所述的移动板(7)在光杆(4)上的移动范围为10～15mm，拉伸的频率为0.5～3Hz。
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