CN106318868B - 一种采用动态力学刺激的组织工程动态培养仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种采用动态力学刺激的组织工程动态培养仪，包括一个或多个培养仪单元，所述培养仪单元包括盒体、驱动电机、控制器、旋转支座、吸引块、培养瓶及转子；所述培养瓶置于所述盒体上方，并且瓶底正对于所述驱动电机，所述转子放于所述培养瓶内；所述转子与所述吸引块至少一者为磁性材料制成，并且两者相互吸引；所述控制器与所述驱动电机电路连接，所述控制器具有速度控制模块，可控制所述驱动电机按照设定的转速工作。该培养仪不仅可以实现一般的持续恒定剪切力刺激，而且可以通过程序设定，产生循环变化的搅拌速度，为所培养的工程组织提供循环动态剪切力的刺激，更进一步的提高工程组织的培养效果。
Description
技术领域
本发明涉及生物医学组织工程领域，尤其涉及一种采用动态力学刺激的组织工程动态培养仪。
背景技术
组织工程学，是一门以细胞生物学和材料科学相结合，进行体外或体内构建组织或器官的新兴学科。其基本原理是从机体获取少量的活体组织，用特殊的酶或其他方法将细胞(又称种子细胞)从组织中分离出来在体外进行培养扩增，然后将扩增的细胞与具有良好生物相容性、可降解性和可吸收的生物材料(支架)按一定的比例混合，使细胞黏附在生物材料(支架)上形成细胞-材料复合物；将该复合物植入机体的组织或器官病损部位，随着生物材料在体内逐渐被降解和吸收，植入的细胞在体内不断增殖并分泌细胞外基质，最终形成相应的组织或器官，从而达到修复创伤和重建功能的目的。
多年以来的组织工程发展使人们成功获得了多种形状及用途的组织工程软骨，但传统的培养方法多为静态培养方法。静态培养方法培育的工程组织其生物力学特性较差，抗压性能，弹性模量等与希望修复的组织差异较大，无法实现其修复目标。为了改善工程组织的力学性能，目前多采用的是动态培养法，通常是通过搅拌引起的培养液的转动，进而为工程组织提供了剪切力的刺激，可提高工程组织的生物力学特性。在进行动态培养中，通常需要使用带有搅拌功能的动态培养仪，放置于无菌环境下的培养箱中进行培养，目前，通常是采用恒定转速的培养仪，为培养仪中的工程组织提供力学刺激，由于转速恒定，通过这种方式提供的剪切力恒定。虽然这种力学刺激在工程组织的培养中，相对于静态培养已经对工程组织的生物力学性能有很好的促进作用，但效果仍有待改善。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种采用动态力学刺激的组织工程动态培养仪，该培养仪不仅可以实现一般的持续恒定剪切力刺激，而且可以通过采用控制不同的搅拌速度，为所培养的工程组织提供循环动态剪切力的刺激，进而更进一步的提高工程组织的培养效果。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种采用动态力学刺激的组织工程动态培养仪，与现有技术不同的是，包括一个或多个培养仪单元，所述培养仪单元包括盒体、驱动电机、控制器、旋转支座、吸引块、培养瓶及转子；所述驱动电机置于所述盒体内部，其动力输出端竖直朝上；所述旋转支座与所述驱动电机的所述动力输出端固定连接，所述吸引块置于所述旋转支座上；所述培养瓶置于所述盒体上方，并且瓶底正对于所述驱动电机，所述转子放于所述培养瓶内；所述转子与所述吸引块至少一者为磁性材料制成，并且两者相互吸引；所述控制器与所述驱动电机电路连接，所述控制器具有速度控制模块，可控制所述驱动电机按照设定的转速工作。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述控制器可控制所述驱动电机从一个最低转速值增大到一个最高转速值，再从该最高转速值减小到该最低转速值，以此为一个工作周期循环工作；所述控制器还具有时间控制模块，可控制所述驱动电机的所述工作周期的时间。
进一步，所述盒体外部设有控制面板以及显示屏，所述控制面板上设有与所述控制器电路连接的开关按钮、时间设定按钮、速度范围设定按钮、执行按钮及数字键；通过开关按钮控制系统的开启与关闭；按下时间设定按钮后再通过按下相应的数字键设定工作周期的时间；按下速度设定按钮再通过按下相应的数字键设定速度的最低转速值和最高转速值；设定完工作周期的时间或者速度的最低转速值和最高转速值后通过执行按钮可进行确定或者删除或者运行；所述显示屏可实时显示当前的速度变化范围值及其设定的工作周期的时间。
进一步，所述控制器为单片机。
进一步，所述盒体的外侧壁设有电池槽，内置电池，所述电池为所述控制器提供电能。
进一步，所述培养仪单元为多个，所述盒体的侧面设有两个或两个以上连接孔，每个所述连接孔内均可拆卸的安装有所述直流电源插座，每个所述直流电源插座均与所述控制器电路连接，并且同一个所述盒体上的所有直流电源插座之间电路连接；所述培养仪还包括多根连接线，所述连接线包括导线及连接于所述导线两端的与所述直流电源插座相适配的插头；所述连接线的两端的所述插头分别与不同的所述培养仪单元上的所述直流电源插座对应连接。
进一步，所述吸引块为纽扣磁铁，并且所述吸引块与所述驱动电机动力输出端的旋转轴线之间的距离可调。利用纽扣磁铁对瓶内转子提供吸引力，简单可靠，同时由于吸引块与所述驱动电机的旋转轴线之间的距离可调，可以调整吸引块的回转半径，以适应不同大小的培养瓶，同时也可以满足实验中的更多的参数需求。
进一步，所述旋转支座为铁磁性材料制成，所述吸引块吸附于所述旋转支座上而固定，所述旋转支座上设有凹槽，所述吸引块置于所述凹槽内且可在所述凹槽内向靠近或远离所述驱动电机动力输出端的旋转轴线的方向移动。
采用上述进一步方案的有益效果是，在旋转支座上设有凹槽，可以使吸引块稳定的置于旋转支座上，并且方便调节吸引块的回转半径。
进一步，盒体内部还安装有支撑座，所述驱动电机固定于所述支撑座上。
采用上述进一步方案的有益效果是，利用支撑座的固定作用，可以保证驱动电机工作时的稳定性，提高培养仪的使用效果。
进一步，还包括输出电压为12v直流电的电源适配器，所述电源适配器一端接入220v交流电源，另一端与任意一个所述培养仪单元中的所述直流电源插座连接。
采用上述进一步方案的有益效果是，通过一个12v直流电的电源适配器，接入任何一个培养仪单元，即可同时为连接好的所有培养仪单元供电，安全可靠，成本低廉，方便实用。
进一步，所述盒体为耐高温高压的材质制成，所述盒体包括上盖和底座，所述上盖与所述底座在一侧铰接。
采用上述进一步方案的有益效果是，由于培养仪需要置于无菌的培养箱之前，必须确保是无菌状态，需要对其进行消毒处理，而实验室中最常用的消毒方式即为高温高压消毒，所以盒体采用耐高温高压的材质制成可以方便的进行实验室消毒，同时上盖和底座铰接后，可以方便的进行开合。
进一步，所述盒体上部设有与所述培养瓶外径大小相适应的凸出于所述盒体上表面的圆环状挡圈，所述挡圈的中心位于所述驱动电机动力输出端的旋转轴线上。
采用上述进一步方案的有益效果是，由于培养瓶需要放置于盒体上，为了确保培养瓶的中心尽可能的位于驱动电机的旋转轴线上，在盒体上部设有与所述培养瓶外径大小相适应的凸出于所述盒体上表面的圆环状挡圈，有助于操作人员进行准确的放置培养瓶，放置时只需要放入挡圈内，即可确保已经对正驱动电机，而无需透过上盖找驱动电机的中心，而且一旦上盖采用的不是透明材质，则更难以进行准确、有效的放置。
本发明的有益效果是，每一个培养仪单元均可以通过置于盒体内的驱动电机，带动旋转支座旋转，进而带动置于旋转支座上的吸引块旋转，又由于培养瓶放于盒体的正对于驱动电机的上方，并且瓶内放有能够与吸引块相互吸引的转子，所以转子会随着吸引块的转动而在瓶内转动，进而带动瓶内的培养液转动，实现对培养液中的工程组织进行剪切力的刺激，改善了工程组织的力学性能。通过连接线，及每个培养仪单元上的直流电源插座，可以根据需要把多个培养仪单元并联起来，实现多个培养仪单元同时工作。
通过控制器可以控制驱动电机的转速，并且通过控制面板上的时间设定按钮及速度控制按钮，可以设定驱动电机在一定的转速范围内循环工作，实现动态力学刺激，更近一步的促进工程组织细胞基质的合成，使工程组织的培养效果更好。
另外，整个装置结构简单，成本低廉，安全可靠，并且可以满足有多个实验分组的需求，适用性大大提高。
附图说明
图1为本发明所提供的一种采用动态力学刺激的组织工程动态培养仪的具体实施例的整体立体结构示意图；
图2为图1所示的具体实施例中其中一个所述培养仪单元打开上盖后的结构示意图；
图3为图1所示的具体实施例中其中一个所述培养仪单元打开上盖并拆去前面板后的结构示意图；
图4为图1所示具体实施例的其中一个所述培养仪单元立面结构示意图；
图5为图1所示具体实施例的其中一个所述培养仪单元的结构示意图；
图6为图1所示具体实施例的其中一个所述培养仪单元无培养瓶的结构示意图；
图7为所述控制面板的一种具体实施方式示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
盒体1，驱动电机2，旋转支座3，吸引块4，培养瓶5，转子6，电池7、电池槽71，支撑座8，控制器10，控制面板11，显示屏12，挡圈13，直流电源插座14，连接线15，电源适配器16，凹槽31，上盖101，底座102，连接孔103，导线151，插头152，开关按钮201，时间设定按钮202，速度下限设定按钮203，速度上限设定按钮204，确定按钮205，撤销按钮206，运行按钮207，数字键208。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1至图7所示,图1为本发明所提供的一种采用动态力学刺激的组织工程动态培养仪的具体实施例的整体立体结构示意图；图2为图1所示的具体实施例中其中一个所述培养仪单元打开上盖后的结构示意图；图3为图1所示的具体实施例中其中一个所述培养仪单元打开上盖并拆去前面板后的结构示意图；图4为图1所示具体实施例的其中一个所述培养仪单元立面结构示意图；图5为图1所示具体实施例的其中一个所述培养仪单元的结构示意图；图6为图1所示具体实施例的其中一个所述培养仪单元无培养瓶的结构示意图；图7为所述控制面板的一种具体实施方式示意图。
在本发明所提供的一种采用动态力学刺激的组织工程动态培养仪的具体实施例中，包括一个或多个培养仪单元，所述培养仪单元包括盒体1、驱动电机2、控制器10、旋转支座3、吸引块4、培养瓶5及转子6；所述驱动电机2置于所述盒体1内部，其动力输出端竖直朝上；所述旋转支座3与所述驱动电机2的所述动力输出端固定连接，所述吸引块4置于所述旋转支座3上；所述培养瓶5置于所述盒体1上方，可以直接放于盒体1的上表面，也可以利用辅助支架放于盒体1的上方。瓶底正对于所述驱动电机2，所述转子6放于所述培养瓶5内；所述转子6与所述吸引块4至少一者为磁性材料制成，并且两者相互吸引；所述控制器10与所述驱动电机2电路连接，所述控制器10具有速度控制模块，可控制所述驱动电机2按照设定的转速工作。转子的大小可根据实际培养瓶的大小及实际试验中的需要而定，但不宜过大，以使培养瓶中的相对培养空间更大。这样就可以使用小转子即可实现培养瓶内液体的搅拌，培养瓶内的相对可利用空间大，可以按实验者需要培养所需特定形态、大小、密度的组织。
所述控制器10可控制所述驱动电机2从一个最低转速值增大到一个最高转速值，再从该最高转速值减小到该最低转速值，以此为一个工作周期循环工作；所述控制器10还具有时间控制模块，可控制所述驱动电机2的所述工作周期的时间。
所述盒体1外部设有控制面板11以及显示屏12，所述控制面板11上设有与所述控制器10电路连接的开关按钮、时间设定按钮、速度范围设定按钮、执行按钮及数字键；通过开关按钮控制系统的开启与关闭；按下时间设定按钮后再通过按下相应的数字键设定工作周期的时间；按下速度设定按钮再通过按下相应的数字键设定速度的最低转速值和最高转速值；设定完工作周期的时间或者速度的最低转速值和最高转速值后通过执行按钮可进行确定或者删除或者运行；所述显示屏12可实时显示当前的速度变化范围值及其设定的工作周期的时间。控制器10的实现方式有多种，最常用的为采用单片机来实现。
所述盒体1的外侧壁设有电池槽71，内置电池7，所述电池7为所述控制器10提供电能。
所述培养仪单元为多个，所述盒体1的侧面设有两个或两个以上连接孔103，每个所述连接孔103内均可拆卸的安装有所述直流电源插座14，每个所述直流电源插座14均与所述控制器10电路连接，并且同一个所述盒体1上的所有直流电源插座14之间电路连接；所述连接线15包括导线151及连接于所述导线151两端的与所述直流电源插座14相适配的插头152；所述连接线15的两端的所述插头152分别与不同的所述培养仪单元上的所述直流电源插座14对应连接。
所述吸引块4为纽扣磁铁，并且所述吸引块4与所述驱动电机2的旋转轴线之间的距离可调。
所述旋转支座3为铁磁性材料制成，所述吸引块4吸附于所述旋转支座3上而固定，所述旋转支座3上设有凹槽31，所述吸引块4置于所述凹槽31内且可在所述凹槽31内向靠近或远离旋转轴线的方向移动。
所述盒体1内部安装有支撑座8，所述驱动电机2固定于所述支撑座8上。支撑座8可以设成板式，并且卡座于所述底座102的上部，以便于为底座2的下部空间足够放置其它部件。
为了操作方便，控制面板11及显示屏12可以安装于底座102的侧壁上。
还包括输出电压为12v直流电的电源适配器16，所述电源适配器16一端接入220v交流电源，另一端与任意一个所述培养仪单元中的所述直流电源插座14连接。
所述盒体1为耐高温高压的材质制成，所述盒体1包括上盖101和底座102，所述上盖101铰接在所述底座102上。
所述盒体1上部设有与所述培养瓶5外径大小相适应的凸出于所述盒体1上表面的圆环状挡圈13，所述挡圈13的中心位于所述驱动电机2的旋转轴线上。
在本发明所提供的具体实施例中，如图3和图4所示，电池槽71设于盒体1的底部，电池7可以从外部装入，再通过盖子盖住即可。这样就可以实现本装置既能使用外接电源工作，而且能够使用内置电源工作。外接交流电源或电池供电为该培养仪的两种供电方式，可根据需要任选其一。
通过一个12v直流电的电源适配器，接入任何一个培养仪单元，即可同时为连接好的所有培养仪单元供电，安全可靠，成本低廉，方便实用。
在一种优选的实施方式中，如图7所示，控制面板11上设有开关按钮201、时间设定按钮202、速度下限设定按钮203、速度上限设定按钮204、确定按钮205、撤销按钮206、运行按钮207、数字键208及显示屏12，控制面板11上的各按钮均与与单片机控制器10连接，其中数字键208由0至9十个数字按键组成。
比如，需要设定驱动电机2按照20-60转/分钟(速度下限为20转/分钟，上限为60转/分钟)，10分钟一个工作周期，这个设定，意味着需要使驱动电机的转速从20转/分钟增大到60转/分钟后，再减小到20转/分钟，这一个周期时间为10分钟，如此往复。操作时，先按下开关键的开机键，启动设备，此时显示屏开始显示数字，然后按下时间设定按钮202，此时数字键208可以用来设定驱动电机2的一个工作周期的时间，由于工作周期为10分钟，则依次按下“1”键和“0”键，如果输入有误，可以按撤销按钮206进行撤销，再输入正确的数字按键即可，如果输入正确，则按确定按钮205进行确定；然后再按下速度下限设定按钮203，再依次按下“2”和“0”键，再按下确定按钮205；然后再按下速度上限设定按钮204，再依次按下“6”和“0”键，再按下确定按钮205，输入无误后，即可按下运行按钮207，此时，驱动电机2开始按照设定的转速和时间进行运转。设定及运行过程中，显示屏12始终显示当前数字，以便于提示操作人员进行操作，使本装置具有良好的交互性。
在本具体实施例中，每个培养仪单元上的连接孔103为两个，不同的培养仪单元可以通过连接线15两两进行连接。每个培养仪单元上的连接孔103也可以为三个及三个以上，超过两个时，每个培养仪单元就可以和多个培养仪单元进行连接，同样适用。
在本具体实施例中，盒体1呈大体长方体结构，长宽高尺寸分别为12x8x5cm,在培养瓶的使用中，多数情况下都使用100和250ml两种规格，其高度分别为99mm和138mm，所以在一个46x46x48cm的培养箱中，至少可以放置两层，每层放置三排四列即十二个，共计至少可以放置24个培养仪，足以满足实验分组的需求。
而且由于每个培养仪单元均为独立控制，可以分别设定所需的转速，所以可以同时对多个培养仪分别采用不同的转速，为培育不同的目标组织提供不同的力学刺激，以满足多个实验分组的需求，而现有技术中四座该仪器要针对不同组织给予不同力学刺激，则需要多个仪器多个培养箱，无疑会增加成本并且效率低下；而且四座的培养仪器使用时，四个座位的搅拌速度是相同的，不能满足实验分组需要。
另外，盒体还可以设成圆柱形，结构更加紧凑，占用体积更小。盒体也可以设计为其它各种形状比如椭圆形、多边形等，应当理解，盒体的各种形状均属于本发明的精神和原则只内，均应包含在本发明的保护范围之内。
在本发明所提供的一种采用动态力学刺激的组织工程动态培养仪中，可以根据需要，选取一定数量的培养仪单元，通过连接线15进行相互连接，即可实现多个培养仪单元同时并且独立的工作。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种采用动态力学刺激的组织工程动态培养仪，其特征在于，包括一个或多个培养仪单元，所述培养仪单元包括盒体(1)、驱动电机(2)、控制器(10)、旋转支座(3)、吸引块(4)、培养瓶(5)及转子(6)；
所述驱动电机(2)置于所述盒体(1)内部，其动力输出端竖直朝上；
所述旋转支座(3)为铁磁性材料制成,与所述驱动电机(2)的所述动力输出端固定连接，所述吸引块(4)置于所述旋转支座(3)上而固定，所述旋转支座(3)上设有凹槽(31)，所述吸引块(4)置于所述凹槽(31)内且可在所述凹槽(31)内向靠近或远离所述驱动电机(2)动力输出端的旋转轴线的方向移动；
所述培养瓶(5)置于所述盒体(1)上方，并且瓶底正对于所述驱动电机(2)，所述转子(6)放于所述培养瓶(5)内；
所述转子(6)与所述吸引块(4)至少一者为磁性材料制成，并且两者相互吸引；
所述控制器(10)与所述驱动电机(2)电路连接，所述控制器(10)具有速度控制模块，可控制所述驱动电机(2)按照设定的转速工作；
所述盒体(1)为耐高温高压的材质制成，所述盒体(1)包括上盖(101)和底座(102)，所述上盖(101)铰接在所述底座(102)上。
2.根据权利要求1所述的一种采用动态力学刺激的组织工程动态培养仪，其特征在于，所述控制器(10)可控制所述驱动电机(2)从一个最低转速值增大到一个最高转速值，再从该最高转速值减小到该最低转速值，以此为一个工作周期循环工作；
所述控制器(10)还具有时间控制模块，可控制所述驱动电机(2)的所述工作周期的时间。
3.根据权利要求2所述的一种采用动态力学刺激的组织工程动态培养仪，其特征在于，所述盒体(1)外部设有控制面板(11)以及显示屏(12)，所述控制面板(11)上设有与所述控制器(10)电路连接的开关按钮、时间设定按钮、速度范围设定按钮、执行按钮及数字键；
通过开关按钮控制系统的开启与关闭；
按下时间设定按钮后再通过按下相应的数字键设定工作周期的时间；
按下速度设定按钮再通过按下相应的数字键设定速度的最低转速值和最高转速值；
设定完工作周期的时间或者速度的最低转速值和最高转速值后通过执行按钮可进行确定或者删除或者运行；
所述显示屏(12)可实时显示当前速度、当前设定的速度变化范围及设定的工作周期时间。
4.根据权利要求1至3任一项所述的一种采用动态力学刺激的组织工程动态培养仪，其特征在于，所述控制器(10)为单片机。
5.根据权利要求4所述的一种采用动态力学刺激的组织工程动态培养仪，其特征在于，所述盒体(1)的外侧壁设有电池槽(71)，所述电池槽(71)内置电池(7)，所述电池(7)为所述控制器(10)提供电能。
6.根据权利要求4所述的一种采用动态力学刺激的组织工程动态培养仪，其特征在于，所述培养仪单元为多个，所述盒体(1)的侧面设有两个或两个以上连接孔(103)，每个所述连接孔(103)内均可拆卸的安装有直流电源插座(14)，每个所述直流电源插座(14)均与所述控制器(10)电路连接，并且同一个所述盒体(1)上的所有直流电源插座(14)之间电路连接；
所述培养仪还包括多根连接线(15)，所述连接线(15)包括导线(151)及连接于所述导线(151)两端的与所述直流电源插座(14)相适配的插头(152)；
所述连接线(15)的两端的所述插头(152)分别与不同的所述培养仪单元上的所述直流电源插座(14)对应连接。
7.根据权利要求6所述的一种采用动态力学刺激的组织工程动态培养仪，其特征在于，所述吸引块(4)为纽扣磁铁，并且所述吸引块(4)与所述驱动电机(2)动力输出端的旋转轴线之间的距离可调。
8.根据权利要求6所述的一种采用动态力学刺激的组织工程动态培养仪，其特征在于，所述盒体(1)内部安装有支撑座(8)，所述驱动电机(2)固定于所述支撑座(8)上。
9.根据权利要求6所述的一种采用动态力学刺激的组织工程动态培养仪，其特征在于，还包括输出电压为12v直流电的电源适配器(16)，所述电源适配器(16)一端接入220v交流电源，另一端与任意一个所述培养仪单元中的所述直流电源插座(14)连接。
10.根据权利要求6所述的一种采用动态力学刺激的组织工程动态培养仪，其特征在于，所述盒体(1)上部设有与所述培养瓶(5)外径大小相适应的凸出于所述盒体(1)上表面的圆环状挡圈(13)，所述挡圈(13)的中心位于所述驱动电机(2)动力输出端的旋转轴线上。
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