CN108795756A - 组织工程关节软骨的动态滚压培养系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种组织工程关节软骨的动态滚压培养系统。该培养系统包括：转动机构、传动机构、关节软骨培养机构以及定位机构。其中，转动机构包括两部分，即顶部的陶瓷球转动机构以及底部的凸轮转动机构，陶瓷球在α角度范围进行正反交替转动，用于提供关节软骨双向剪切的刺激；底部的凸轮转动机构通过传动机构对关节软骨产生动态压应力的刺激。本发明的培养系统模拟关节软骨体内的运动环境，可以实现压应力和剪切力的大小、频率动态变化，剪切力的方向交替变化，同时可以调节压应力和剪切力的复合程度，可给予软骨单一的力学刺激，进行对比试验，以获取最佳的培养参数。

Description

组织工程关节软骨的动态滚压培养系统
技术领域
本发明属于培养装置领域，具体涉及一种组织工程关节软骨的动态滚压培养系统。
背景技术
关节软骨是关节内半透明材料，在运动过程中提供了低摩擦的承重表面，可以防止关节头与关节窝的直接接触，与此同时，对于剧烈的运动可一定程度吸收冲击。但是，其由于缺乏血管、神经和淋巴组织，一旦发生损伤很难自行修复，最终导致疼痛、畸变甚至行动不便。因此，关节软骨损伤的治疗与修复问题成为全世界研究的热点。近年来，由于自体移植技术与异体移植技术存在的弊端与限制，将组织工程技术应用于软骨损伤和缺损修复的研究越来越受到重视。
然而，为了获得与天然软骨相似的功能组织，在体外进行组织工程培养时必须重视各种因素的影响，如各种机械应力和流体应力的影响等。因此，为了能够模拟关节体内的生长环境，在体外培养时可以提供良好的生长条件和传质方式，使得软骨细胞和支架材料更好的符合，需要采用生物反应器进行体外培养。目前现有技术中，用于关节软骨培养的生物反应器只能实现了压力的动态加载，剪切力是恒定的；另外，压力和剪切力的复合的方式也比较单一，现有的复合方式不利于软骨细胞中糖胺多糖和胶原蛋白的分泌，所以无法培养出结构与功能均良好的关节软骨。
发明内容
本发明的目的在于提供一种组织工程关节软骨的动态滚压培养系统。
实现本发明目的提供技术方案如下：
一种组织工程关节软骨的动态滚压培养系统，包括：转动机构、传动机构、关节软骨培养机构以及定位机构；其中，
转动机构包括两部分，即顶部的陶瓷球转动机构以及底部的凸轮转动机构，其中，陶瓷球通过第一连杆与第一步进电机进行连接，调节输入的脉冲信号使得第一步进电机在α角度范围内正反转交替，带动陶瓷球在α角度范围进行正反交替转动，用于提供关节软骨双向剪切的刺激；
底部的凸轮转动机构是通过第二连杆将凸轮与第二步进电机相连，通过调节第二步进电机的转动频率，从而调节凸轮的转动频率，用于通过传动机构将凸轮的循环转动转变为培养室的上下往复运动，对关节软骨产生动态压应力的刺激；
传动机构的下方端面与凸轮的端面相切；传动机构的顶部为圆盘状端面，用于关节软骨培养机构的放置；传动杆通过套筒以及导板固定；
关节软骨培养机构用来放置培养液以及软骨支架的，位于顶部转动机构以及底部转动机构中间。
本发明相对于现有技术相比具有显著优点：1、本发明的培养系统通过模拟关节软骨的体内环境，在培养过程中提供了动态压缩与动态剪切的刺激。采用陶瓷球的交替转动，更加符合关节软骨的接触方式，实现剪切力的方向交替变化。2、本发明的培养系统采用凸轮的连续转动使得关节软骨的压缩量变化是动态的，所受的压应力和剪切力也是不断地变化；并在传动机构中，为避免刚性碰撞对于软骨带来较大的冲击，在传动杆的两端加入上下橡胶垫进行缓冲。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明培养系统的左视图。
图3是本发明培养系统的俯视图。
图4是本发明的传动机构示意图。
图5是本发明固定传动杆的支架示意图。
附图标记如下
1A第一步进电机 1B第二步进电机 2A第一电机轴
2B第二电机轴 3A第一连杆 3B第二连杆
4陶瓷球 5软骨支架 6培养皿
7导板 8支撑杆 9支架
10凸轮 11下方端面 12下橡胶垫
13传动杆 14上橡胶垫 15上圆端面
16套筒
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明进行详细的说明。
结合图1-5，一种组织工程软骨动态滚压培养系统，包括：转动机构、传动机构、关节软骨培养机构以及定位机构。
对于陶瓷转动机构包括：第一步进电机1A；第一电机轴2A；第一连杆3A；陶瓷球4。
第一连杆3A将第一步进电机1A与陶瓷球4相连，第一步进电机1A带动陶瓷球4正反交替旋转。第一步进电机1A的转动频率、正反转交替频率、转动角度都可以通过控制器调节。陶瓷球4在α角度范围内正反交替旋转，对下端面相接触所培养的软骨支架5产生动态剪切力刺激。
凸轮滚动机构包括：第二步进电机1B；第二电机轴2B；第二连杆3B；凸轮10。
第二连杆3B将第二步进电机2B与凸轮10相连接，第二步进电机2B的连续旋转使得凸轮10也不断地转动。第二步进电机2B的转动频率可调，凸轮10的端面与传动机构的下方端面11相切，凸轮10的转动将使得传动杆13上下往复运动。随之培养皿产生上下的位移，置于中心的软骨支架5与陶瓷球接触变形，产生动态的压应力刺激。
传动机构包括：下方端面11；下橡胶垫12；传动杆13；上橡胶垫14；上圆端面15；套筒16。
传动杆13的上下两端分别与上圆端面15和下方端面11相连，上圆端面15为凹坑状，便于用于放置培养皿，下方端面11与凸轮10相切，传动杆13被套筒16固定。为防止套筒16与上下端面间的刚性碰撞，传动时对培养软骨5造成冲击，分别加入上下橡胶垫(12、14)进行缓冲。
关节软骨培养机构包括：软骨支架5；培养皿6；培养液(浸没软骨支架)。
培养皿6位于传动机构的上圆端面15上，软骨支架5位于培养皿6的中心，浸没在培养液中。
定位机构包括：导板7；支撑杆8；支架9。导板7与套筒16相配合，由四个支撑杆8支撑并固定在支架9下。第一、第二步进电机(1A、1B)可以直接固定在支架9上，使得装配精度有了很大的提高。
本发明提供另一种实施方式，定位机构为整体式的定位机构，用于固定放置转动机构、传动机构、关节软骨培养机构，且通过放置机构高度不同满足：与第一步进电机1A相连的陶瓷球4以及与第二步进电机1B相连的凸轮10在垂直平面内相对静止。
本发明提供另一种实施方式，第一步进电机1A的转动角度α在0°-5°之间。
本发明提供另一种实施方式，第二步进电机1B为连续转动；
本发明提供另一种实施方式，凸轮10的尺寸：基圆半径为8mm，压力角为18.7°。
本发明提供另一种实施方式，凸轮10对软骨的压缩量可控范围为0-20％。
本发明的动态滚压刺激过程为：第一步进电机1A带动陶瓷球4在α角度范围内正反交替转动，当与软骨支架5接触时，产生动态的剪切力。第二步进电机1b带动凸轮的不断旋转，与凸轮10面相切的下方端面将凸轮10的旋转运动变为传动杆13的上下运动，进而在培养皿6中的软骨受到动态的压应力，压缩量在0-20％内变化。由于压应力的变化，剪切力也是动态的。通过调节电机的转速，可以对软骨产生不同程度的刺激，促进软骨这一功能组织的形成，并获得较好的力学性能。
利用上述的装置进行组织工程关节软骨的体外培养，具体工作如下：
步骤1、将支架材料置于培养皿的中心，确保软骨表面与陶瓷球相切；
步骤2、在培养皿中注入培养液，保证软骨支架浸没在培养液中，将该装置置于CO2培养箱中，并调节温度、湿度、气体比例；
步骤3、设置好上下两个步进电机的转速，同时对于陶瓷球的运动，需要调节脉冲信号，使得电机正反运转交替，最后开启电机按钮进行动态培养。
步骤4、需要及时更换培养液，确保关节软骨处于良好的培养环境中。

Claims (7)

1.一种组织工程关节软骨的动态滚压培养系统，其特征在于，包括：转动机构、传动机构、关节软骨培养机构以及定位机构；其中，
转动机构包括两部分，即顶部的陶瓷球转动机构以及底部的凸轮转动机构，其中，陶瓷球通过第一连杆与第一步进电机进行连接，调节输入的脉冲信号使得第一步进电机在α角度范围内正反转交替，带动陶瓷球在α角度范围进行正反交替转动，用于提供关节软骨双向剪切的刺激；
底部的凸轮转动机构是通过第二连杆将凸轮与第二步进电机相连，通过调节第二步进电机的转动频率，从而调节凸轮的转动频率，用于通过传动机构将凸轮的循环转动转变为培养室的上下往复运动，对关节软骨产生动态压应力的刺激；
所述的传动机构的下方端面与凸轮的端面相切；传动机构的顶部为圆盘状端面，用于关节软骨培养机构的放置；传动杆通过套筒以及导板固定；
所述的关节软骨培养机构用来放置培养液以及软骨支架的，位于顶部转动机构以及底部转动机构中间。
2.根据权利要求1所述的组织工程关节软骨的动态滚压培养系统，其特征在于，所述的定位机构为整体式的定位机构，用于固定放置转动机构、传动机构、关节软骨培养机构，且通过放置机构高度不同满足：与第一步进电机相连的陶瓷球以及与第二步进电机相连的凸轮在垂直平面内相对静止。
3.根据权利要求1所述的组织工程关节软骨的动态滚压培养系统，其特征在于，所述的第一步进电机的转动角度α在0°-5°之间。
4.根据权利要求1所述的组织工程关节软骨的动态滚压培养系统，其特征在于，所述的第二步进电机为连续转动。
5.根据权利要求1所述的组织工程关节软骨的动态滚压培养系统，其特征在于，所述的凸轮的尺寸：基圆半径为8mm，压力角为18.7°。
6.根据权利要求1或5所述的组织工程关节软骨的动态滚压培养系统，其特征在于，所述的凸轮对软骨的压缩量可控范围为0-20％。
7.根据权利要求1所述的组织工程关节软骨的动态滚压培养系统，其特征在于，传动机构内设有上下橡胶垫，为降低刚性碰撞带来的影响。
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