CN109444344A - 人工关节生物固定界面微动刺激骨生长的实验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种人工关节生物固定界面微动刺激骨生长的实验装置及方法，基于力学刺激下骨创伤的重建功能，在人工关节置换术后的生物固定界面施加微动刺激，加速界面的骨组织生长和牢固结合。实验装置包括音圈电机模组、驱动连接杆、生物环境培养箱、法向力加载模组、摩擦力测量模组、滑台模组、生物介质容器以及活性骨夹具。本发明为探究微动对生物固定界面骨生长以及骨损伤的影响提供了实验装置，对缩短人工关节置换术后康复时间，提高人工关节固定界面稳固质量，延长人工关节假体寿命具有重要意义。
Description
技术领域
本发明属于生物医学和摩擦学技术领域，具体涉及一种人工关节生物固定界面微动刺激骨生长的实验装置及方法。
背景技术
人工关节置换术自20世纪60年代广泛应用于临床以来，已成为治疗人类关节毁损最成功、最有效的外科和康复手段。人工关节置换后非活性的人工关节材料与人体骨要形成固定界面，目前其固定方式主要分为骨水泥固定型与生物固定型(非骨水泥固定型)。
人工关节假体的生物固定不需要骨水泥作为固定介质，完全依靠人体骨组织与人工假体材料之间的自然愈合，但生物固定型人工关节置换术后需要长达六到八周的康复时间，因此缩短生物固定型关节置换术后的康复时间，提高人工关节固定界面的稳固质量迫在眉睫。为了提高生物固定型关节的植入效果，科研工作者研发出不同类别的生物材料并提出了多种多孔表面结构的制备方法，这些发明为推广生物固定型人工关节打下了坚实的基础。近年来，有研究表明生物固定型人工关节假体中固定界面的微动刺激可以促进骨组织往人工关节假体内生长，使植入物与骨组织之间具有较高的极限剪切强度。但目前尚无实现微动刺激骨组织生长的实验装置，这严重阻碍了生物固定型人工关节的改进与推广。
发明内容
发明目的：为了探究人工关节生物固定界面活性骨与非活性人工关节材料界面间在微动力学刺激下促进骨生长的作用机制，同时分析界面在微动作用下带来的副面损伤状况和机理，本发明提供一种人工关节生物固定界面微动刺激骨生长的实验装置及方法。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种人工关节生物固定界面微动刺激骨生长的实验装置，包括音圈电机模组、驱动连接杆、生物环境培养箱、法向力加载模组、摩擦力测量模组、滑台模组、生物介质容器以及活性骨夹具；法向力加载模组与滑台模组密封于生物环境培养箱内部，音圈电机模组位于生物环境培养箱外部；
所述滑台模组由滑台底座及其上部的活动滑块组成；驱动连接杆与音圈电机模组、滑台模组的活动滑块之间均为刚性连接，用于将音圈电机模组的微动幅值往复运动传递到滑台模组，带动活动滑块水平滑动；
所述滑台模组上方依次设置生物介质容器、活性骨夹具、摩擦力测量模组以及法向力加载模组；
所述法向力加载模组包括垂直滑台、加载板，所述加载板水平设置且连接于垂直滑台的滑块上，在垂直方向上自由滑动；
所述加载板下方设置摩擦力测量模组的水平导轨，水平导轨依次通过摩擦力引出杆、摩擦力传递杆连接位于生物环境培养箱外部的摩擦力传感器；
所述活性骨夹具下端夹持活性骨试样，上端与水平导轨的活动滑块刚性连接；
所述生物介质容器设置于滑台模组的活动滑块上，内置人工关节材料试样和生物培养液。
进一步的，所述法向力加载模组包括垂直滑台、加载板、定滑轮、调零砝码台，所述加载板由螺栓连接于垂直滑台的滑块上，在垂直方向上自由滑动；所述调零砝码台与加载板之间通过柔性钢丝绳连接，柔性钢丝绳绕于定滑轮上，定滑轮安装于垂直滑台顶部。
进一步的，所述摩擦力引出杆与水平导轨的活动滑块刚性连接，并与摩擦力传递杆端部通过沟槽设计连接，当加载板做法向位置调整时，随动的摩擦力引出杆相对于摩擦力传递杆做法向位置调整；所述摩擦力传递杆另一端与摩擦力传感器连接，摩擦力传感器固定安装于生物环境培养箱外侧，摩擦力传递杆与摩擦力传感器相对于生物环境培养箱箱体均为固定状态。
进一步的，所述生物介质容器下端与滑台模组的活动滑块通过螺栓进行刚性连接，生物介质容器内通过螺钉固定人工关节材料试样，并使其浸润在生物培养液中；所述活性骨夹具下端夹持活性骨试样，上端与水平导轨的活动滑块通过螺栓进行刚性连接。
进一步的，所述驱动连接杆、摩擦力传递杆在穿过生物环境培养箱箱体处均安装有密封圈。
上述的一种人工关节生物固定界面微动刺激骨生长的实验装置的工作方法，包括以下步骤：
(1)将活性骨试样与人工关节材料试样分别安装于活性骨夹具下端与生物介质容器中，并在生物介质容器中注入生物培养液使其没过试样接触界面；
(2)在调零砝码台上放置砝码以补偿加载板所受重力；
(3)根据预先设定的法向加载压力选择对应重量的砝码放置于加载板上，此时上下试样在法向加载力作用下实现预紧接触；
(4)闭合生物环境培养箱，按照活性骨培养的氛围要求调节箱内温湿度以及CO2浓度；
(5)设置音圈电机模组的作业模式和作业参数程序并将其启动，此时上下试样接触界面间产生微动刺激；
(6)试验结束后，取出上下试样测量接触界面间的骨长入情况，应用于微动刺激对骨长入/损伤的研究。
有益效果：与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：
1、创新性地设计了活性骨与非活性人工关节材料固定界面微动刺激促进骨生长的实验装置，为缩短生物固定型关节置换术后的康复时间，提高人工关节固定界面的稳固质量提供研究手段；
2、活性骨与人工关节材料之间的微动试验均在生物环境中进行，保证了骨组织中细胞活性，能够真实反映生物固定型人工关节表面的骨长入情况；
3、将传感器置于生物环境培养箱外部，并通过切向导轨、摩擦力引出杆以及摩擦力传递杆实现摩擦力的传递，既保护了传感器不受箱内氛围影响，又确保了力传递的精准性。
附图说明
图1是本发明的一种人工关节生物固定界面微动刺激骨生长的实验装置结构示意图；
图2、图3是图1装置中生物环境培养箱内部结构示意图；
图中：音圈电机模组1，驱动连接杆2，生物环境培养箱3，滑台模组6，生物介质容器7，活性骨夹具8，垂直滑台4-1，加载板4-2，定滑轮4-3，调零砝码台4-4，水平导轨5-1，摩擦力引出杆5-2，摩擦力传递杆5-3，摩擦力传感器5-4。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作更进一步的说明。
如图1、图2、图3中所示的一种人工关节生物固定界面微动刺激骨生长的实验装置，包括音圈电机模组1、驱动连接杆2、生物环境培养箱3、法向力加载模组、摩擦力测量模组、滑台模组6、生物介质容器7以及活性骨夹具8。驱动连接杆2与音圈电机模组1、滑台模组6之间均为刚性连接，负责将音圈电机模组1的微动幅值往复运动传递到滑台模组6。法向力加载模组与滑台模组6完全密封于生物环境培养箱3内部。
所述法向力加载模组包括垂直滑台4-1、加载板4-2、定滑轮4-3、调零砝码台4-4。所述加载板4-2由螺栓连接于垂直滑台4-1的滑块上，可在垂直方向上自由滑动；所述调零砝码台4-4与加载板4-2之间通过柔性钢丝绳连接，柔性钢丝绳绕于定滑轮4-3上，定滑轮4-3安装于垂直滑台4-1顶部。
所述摩擦力测量模组包括水平导轨5-1、摩擦力引出杆5-2、摩擦力传递杆5-3、摩擦力传感器5-4。所述水平导轨5-1安装于加载板4-2下方以方便向摩擦力传感器5-4传递摩擦力；所述摩擦力引出杆5-2与水平导轨5-1的活动滑块刚性连接，并与摩擦力传递杆5-3端部通过沟槽设计连接，该沟槽设计可在试样产生磨损时积极调节摩擦力引出杆5-2的法向位置以确保摩擦力传感器5-4测得的摩擦力的准确性；所述摩擦力传递杆5-3另一端与摩擦力传感器5-4连接，摩擦力传感器5-4安装于生物环境培养箱3外侧以防止箱内的生物环境影响传感器精度。
所述生物介质容器7下端与滑台模组6的活动滑块通过螺栓进行刚性连接，生物介质容器7内可通过螺钉固定人工关节材料试样，并使其浸润在生物培养液中；所述活性骨夹具8下端可夹持活性骨试样，上端与水平导轨5-1的活动滑块通过螺栓进行刚性连接。
所述驱动连接杆2、摩擦力传递杆5-3在穿过生物环境培养箱3箱体处均安装有密封圈以保证箱内生物氛围与外界环境隔绝。
以下结合图1、图2、图3中所示的一种人工关节生物固定界面微动刺激骨生长的实验装置对本装置工作过程做进一步说明：
(1)将活性骨试样与人工关节材料试样分别安装于活性骨夹具8下端与生物介质容器7中，并在生物介质容器7中注入生物培养液使其能没过试样接触界面；
(2)在调零砝码台4-4上放置适当重量的砝码以补偿加载板4-2所受重力；
(3)根据预先设定的法向加载压力选择适当重量的砝码放置于加载板4-2上，此时上下试样在法向加载力作用下实现预紧接触；
(4)闭合生物环境培养箱3，按照活性骨培养的氛围要求调节箱内温湿度以及CO2浓度；
(5)设置音圈电机模组1的作业模式和作业参数等程序并将其启动，此时上下试样接触界面间产生微动刺激；
(6)试验结束后，取出上下试样测量接触界面间的骨长入情况，应用于微动刺激对骨长入/损伤的研究。
具体的步骤(6)的方法为观测固定界面的损伤状态；再调节音圈电机模组1的程序参数进行多组试验，以便得出微动刺激对骨长入/损伤的作用规律。
本发明的主要内容是为人工关节生物固定界面提供模拟微动刺激的环境，实现微动刺激的可能性，便于得到研究数据，更好更准确地为下一步的微动刺激对骨长入/损伤的作用规律的理论研究作准备。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种人工关节生物固定界面微动刺激骨生长的实验装置，其特征在于：包括音圈电机模组(1)、驱动连接杆(2)、生物环境培养箱(3)、法向力加载模组、摩擦力测量模组、滑台模组(6)、生物介质容器(7)以及活性骨夹具(8)；法向力加载模组与滑台模组(6)密封于生物环境培养箱(3)内部，音圈电机模组(1)位于生物环境培养箱(3)外部；
所述滑台模组(6)由滑台底座及其上部的活动滑块组成；驱动连接杆(2)与音圈电机模组(1)、滑台模组(6)的活动滑块之间均为刚性连接，用于将音圈电机模组(1)的微动幅值往复运动传递到滑台模组(6)，带动活动滑块水平滑动；
所述滑台模组(6)上方依次设置生物介质容器(7)、活性骨夹具(8)、摩擦力测量模组以及法向力加载模组；
所述法向力加载模组包括垂直滑台(4-1)、加载板(4-2)，所述加载板(4-2)水平设置且连接于垂直滑台(4-1)的滑块上，在垂直方向上自由滑动；
所述加载板(4-2)下方设置摩擦力测量模组的水平导轨(5-1)，水平导轨(5-1)依次通过摩擦力引出杆(5-2)、摩擦力传递杆(5-3)连接位于生物环境培养箱(3)外部的摩擦力传感器(5-4)；
所述活性骨夹具(8)下端夹持活性骨试样，上端与水平导轨(5-1)的活动滑块刚性连接；
所述生物介质容器(7)设置于滑台模组(6)的活动滑块上，内置人工关节材料试样和生物培养液。
2.根据权利要求1所述的一种人工关节生物固定界面微动刺激骨生长的实验装置，其特征在于：所述法向力加载模组包括垂直滑台(4-1)、加载板(4-2)、定滑轮(4-3)、调零砝码台(4-4)，所述加载板(4-2)由螺栓连接于垂直滑台(4-1)的滑块上，在垂直方向上自由滑动；所述调零砝码台(4-4)与加载板(4-2)之间通过柔性钢丝绳连接，柔性钢丝绳绕于定滑轮(4-3)上，定滑轮(4-3)安装于垂直滑台(4-1)顶部。
3.根据权利要求1所述的一种人工关节生物固定界面微动刺激骨生长的实验装置，其特征在于：所述摩擦力引出杆(5-2)与水平导轨(5-1)的活动滑块刚性连接，并与摩擦力传递杆(5-3)端部通过沟槽设计连接，当加载板(4-2)做法向位置调整时，随动的摩擦力引出杆(5-2)相对于摩擦力传递杆(5-3)做法向位置调整；所述摩擦力传递杆(5-3)另一端与摩擦力传感器(5-4)连接，摩擦力传感器(5-4)固定安装于生物环境培养箱(3)外侧，摩擦力传递杆(5-3)与摩擦力传感器(5-4)相对于生物环境培养箱(3)箱体均为固定状态。
4.根据权利要求1所述的一种人工关节生物固定界面微动力学刺激骨生长机制和损伤机理的装置，其特征在于：所述生物介质容器(7)下端与滑台模组(6)的活动滑块通过螺栓进行刚性连接，生物介质容器(7)内通过螺钉固定人工关节材料试样，并使其浸润在生物培养液中；所述活性骨夹具(8)下端夹持活性骨试样，上端与水平导轨(5-1)的活动滑块通过螺栓进行刚性连接。
5.根据权利要求1所述的一种人工关节生物固定界面微动刺激骨生长的实验装置，其特征在于：所述驱动连接杆(2)、摩擦力传递杆(5-3)在穿过生物环境培养箱(3)箱体处均安装有密封圈。
6.根据权利要求1至5任一所述的一种人工关节生物固定界面微动刺激骨生长的实验装置的工作方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)将活性骨试样与人工关节材料试样分别安装于活性骨夹具(8)下端与生物介质容器(7)中，并在生物介质容器(7)中注入生物培养液使其没过试样接触界面；
(2)在调零砝码台(4-4)上放置砝码以补偿加载板(4-2)所受重力；
(3)根据预先设定的法向加载压力选择对应重量的砝码放置于加载板(4-2)上，此时上下试样在法向加载力作用下实现预紧接触；
(4)闭合生物环境培养箱(3)，按照活性骨培养的氛围要求调节箱内温湿度以及CO2浓度；
(5)设置音圈电机模组(1)的作业模式和作业参数程序并将其启动，此时上下试样接触界面间产生微动刺激；
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