CN110777074A - 多功能骨软骨生物反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多功能骨软骨生物反应器，包括无菌生物环境单元、垂直负载施加单元、剪切力施加单元和磨损模拟单元；磨损模拟单元固定于无菌生物环境单元中；垂直负载施加单元位于剪切力施加单元上方，用于在剪切力施加单元提供的剪切力中加入垂直压力，并通过立柱将混合力传递到磨损模拟单元中的骨软骨试样上。本发明克服了现有的骨软骨生物反应器无法同时模拟关节受到的剪切力和压力环境的不足，结合了单一作用的生物反应器的优点，能施加多种力学刺激，促进功能化骨软骨组织的形成，为骨软骨支架的测试提供良好的环境，且垂直负载的压力范围大，剪切负载摆角大，频率范围宽，扩大了适用范围。

Description

多功能骨软骨生物反应器
技术领域
本发明属于生物机械领域，特别是涉及一种多功能骨软骨生物反应器。
背景技术
目前研究显示，关节软骨在日常活动中主要受到周期性的流体剪切力、持续性的静态压力或者直接压缩力作用。因此，设计良好功能的骨软骨反应器应当做到能够提供对打印的骨软骨支架施加以上几种力学刺激的环境。除此之外，骨软骨生物反应器也必须满足其他的要求，例如，创造比例适合的二氧化碳和氧气的气体环境，对pH值的精确控制等。
目前常用的骨软骨生物反应器有：机械搅拌式生物反应器，基本原理是通过叶轮或浆形搅拌器等部件的持续转动增加物质传输，保证营养和氧气的均匀分布；直接灌流式生物反应器，是将培养液挤压进支架内部，使细胞通过感受流体剪切力分泌大量细胞外基质的一种装置；旋转壁式生物反应器则是一种改良的直接灌流式生物反应器。
这些骨软骨生物反应器虽然能够在一定程度上模拟人体内骨软骨支架受到的力学刺激的环境，但它们都只能模拟关节受到的剪切力环境，并不能模拟静态压力和直接压缩力的作用环境。然而不少研究显示，这两者都对软骨细胞的发育和成熟起到重要作用。
发明内容
为了克服现有的骨软骨生物反应器无法同时模拟关节受到的剪切力和压力环境的不足，本发明提供了一种多功能骨软骨生物反应器。本发明能结合单一作用的生物反应器的优点，能施加多种力学刺激，促进功能化骨软骨组织的形成，为骨软骨支架的测试提供良好的环境。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种多功能骨软骨生物反应器，其特征在于，包括无菌生物环境单元、垂直负载施加单元、剪切力施加单元和磨损模拟单元；磨损模拟单元固定于无菌生物环境单元中；垂直负载施加单元位于剪切力施加单元上方，用于在剪切力施加单元提供的剪切力中加入垂直压力，并通过立柱将混合力传递到磨损模拟单元中的骨软骨试样上；
所述无菌生物环境单元包括无菌生物培养箱、放置在无菌生物培养箱底板上的重物基座、以及通过支撑连杆固定在无菌生物培养箱正上方的上支架；所述重物基座用于固定磨损模拟单元；所述上支架用于固定垂直负载施加单元；
所述磨损模拟单元包括固定在所述重物基座上的带盖圆筒、以及在圆筒内由下到上依次设置的导流盘、试样支架、骨磨盘和用于固定骨磨盘的磨盘架；
所述垂直负载施加单元包括固定在上支架下方的液压缸/气缸、以及用于驱动液压缸/气缸的液压泵/气泵；液压缸/气缸的活塞杆端部设有固定连接的压盘；
所述剪切力施加单元包括驱动电机、与驱动电机输出轴连接的带偏心立柱的圆盘、以及可变径向偏心盘；所述可变径向偏心盘设有带槽的连接部，所述圆盘上的偏心立柱插入槽中；所述可变径向偏心盘的上表面固定所述的推力球轴承，下底面与所述立柱的一端螺栓连接，立柱的另一端穿过无菌生物培养箱顶面开设的通孔与磨损模拟单元中的磨盘架螺栓连接。
本发明的有益效果是：
(1)改善了骨软骨生物培养测试难问题，为进一步做研究提供硬件支持。特别是解决了剪切负载和垂直负载两种负载的混合，使骨软骨生物反应器更加符合实际，也为实验室测试和培养生物骨软骨奠定了更好的基础；
(2)本发明分别对垂直负载的精度问题、可控性问题、剪切负载的角度和频率控制、气液导流循环问题做出了改进，垂直负载的压力范围大，剪切负载摆角大，频率范围宽，其中垂直负载的压力范围0～1t，剪切负载摆角-30°～+30°，频率范围0.15Hz～10Hz，能够模拟不同体重，不同步态，不同步速的定量实验，扩大了适用范围；
(3)本发明中的推力球轴承设计使得垂直负载和剪切负载互不影响，只传递负载，不影响气泵装置的稳定性；
(4)本发明中的试样支架呈现蜂窝形，在盛装骨软骨试样的同时能够提供气液通道，能够同时进行多个试样的同环境测试，并保证了培养液循环通畅；
(5)本发明中的导流盘设计能够使得培养液混合更加均匀，并减少了旋转涡流对骨软骨组织的未知影响。
附图说明
图1为本发明中的多功能骨软骨生物反应器的功能区分立体图；
图2为本发明中的多功能骨软骨生物反应器的二维结构示意图；
图3为图2中的磨损模拟单元的局部放大示意图；
图4为磨损模拟单元中的气液通道位置示意图；
图5为剪切力施加单元的结构示意图；
附图标记如下：1剪切力施加单元、11驱动电机、12圆盘、1201偏心立柱、13可变径向偏心盘、1301槽、14推力球轴承、2无菌生物环境单元、21无菌生物培养箱、2101液体入口、2102液体出口、2103气体入口、2104气体出口、22重物基座、23支撑连杆、24上支架、3垂直负载施加单元、31液压缸/气缸、32液压泵/气泵、33压盘、4磨损模拟单元、41圆筒、42磨盘架、43骨磨盘、44试样支架、45导流盘，5立柱。
具体实施方式
如图1所示的多功能骨软骨生物反应器，包括无菌生物环境单元2、垂直负载施加单元3、剪切力施加单元1和磨损模拟单元5；其主要功能是对骨软骨植入物的样品施加垂直负载和剪切负载，提供模拟体内环境的负载条件。
如图2所示，无菌生物环境单元由无菌生物培养箱21、重物基座22、以及通过支撑23连杆固定在无菌生物培养箱21正上方的上支架24组成；上支架24通过支撑连杆23与无菌生物环境单元2连接。所述重物基座22用于固定磨损模拟单元4，能够保持在施加作用力的过程中保持稳定性；所述上支架24用于固定垂直负载施加单元3；无菌生物培养箱21用于提供恒温恒湿的无菌环境。
磨损模拟单元4由带盖圆筒41、导流盘45、试样支架44、骨磨盘43、磨盘架42组成，磨损模拟单元的放大示意图如图3所示；所述导流盘45、试样支架44、骨磨盘43、磨盘架42在圆筒41的内部由下到上依次设置，且导流盘45、试样支架44、骨磨盘43、磨盘架42的中心均在圆筒41的轴线上；磨盘架42用于固定骨磨盘43。
作为本发明的优选实施方式，所述导流盘45为倒锥形结构，锥面和平面之间设有若干垂直的通孔。
所述导流盘下方设有压力传感器，与垂直负载施加单元配合进行动态的垂直压力控制。
所述试样支架44设有若干贯通的阶梯孔，用于安装骨软骨试样，所述骨软骨试样与合金骨磨盘接触，磨盘上可固定特定材料磨片。作为本发明中的优选实施方式，试样支架由合金制成，试样支架上设有六个阶梯孔，可以同时进行六个骨软骨试样的同环境测试。
所述圆筒侧面的下部设有液体入口2101，上部设有液体出口2102，分别连接外部的培养液入口管道和培养液出口管道；圆筒上盖设有气体入口2103和气体出口2104，用于更新磨损模拟单元中的气体环境。
所述圆筒为透明材质制成，方便在试验过程中实时观察试验进度，作为优选，所述圆筒的材质为聚甲基丙烯酸甲酯。
所述磨损模拟单元的试样支架44与圆筒41内壁通过插销固定。
垂直负载施加单元3由气缸和气泵组成；气缸的活塞杆端部设有固定连接的压盘33，压盘33由合金制成，硬度大；垂直负载施加单元3通过螺栓螺母连接方式与上支架24连接。气缸的活塞杆在气泵的作用下上下运动，带动与气缸的活塞杆连接的压盘下上运动，对压盘33下的推力球轴承14施加垂直压力，并将垂直压力传递给推力球轴承14下的剪切力施加单元1，通过与剪切力施加单元中的可变径向偏心盘13相固定的支柱5向培养物施加垂直压力，实现了模拟垂直负载。
所述剪切力施加单元包括驱动电机11、与驱动电机11输出轴连接的带偏心立柱1201的圆盘12、以及可变径向偏心盘13；通过驱动电机11转动可变径向偏心盘13在一定的角度范围内来回摇摆，产生可调频率和角度的剪切负载，其中摇摆角度为60°(-30°～+30°)，这摇摆运动带动与可变径向偏心盘13相固定的支柱5旋转接触磨损模拟单元4中的培养物，传递实现剪切力施加；在实际操作中，支柱5同时传递了垂直负载施加单元施加的垂直压力和剪切力施加单元施加的剪切力，由于垂直压力的传递是通过了推力球轴承，推力球轴承的设计使得垂直负载和剪切负载互不影响，只传递负载，不影响气泵装置的稳定性；
如图5所示，所述可变径向偏心盘13设有带槽1301的连接部，所述圆盘12上的偏心立柱1201插入槽1301中，由于圆盘12与驱动电机11的动力输出轴连接，驱动电机11的转动会带动圆盘12转动，圆盘12上的偏心立柱1201在跟随圆盘转动的同时在变径向偏心盘连接部的槽中滑动，可以带动偏心盘摆动；所述可变径向偏心盘的上表面固定所述的推力球轴承，下底面与所述立柱的一端螺栓连接，立柱的另一端穿过无菌生物培养箱顶面开设的通孔与磨损模拟单元中的磨盘架螺栓连接。
作为本发明的优选实施方式，立柱、可变径向偏心盘、压盘、轴承的中心在同一条垂直线上。
作为本发明的优选实施方式，所述可变径向偏心盘的上表面设有凸起的柱体，推力球轴承套设在柱体上固定；所述柱体的直径与推力球轴承的内径相等，柱体的高度小于推力球轴承的高度。
作为本发明的优选实施方式，偏心立柱在圆盘上的偏心距离可以通过圆盘上的不同孔位进行调整。
在图4所示的磨损模拟单元中的气液通道位置示意图，培养液经过蠕动泵间隙性压入无菌生物培养箱21，从液体入口2101进，经过底层混合搅拌均匀后，通过导流盘，形成小涡流进入试样支架44上的阶梯孔，与骨软骨试样充分接触。培养液溢出阶梯孔后流经骨磨盘43、磨盘架42中预留的导流通道，到达上层液体出口2102排除。气体与无菌室外箱体连通，通过小型气泵从气体入口2103进气，气体出口2104排气，帮助生物反应器内气体的更新。同时无菌生物培养箱恒温恒湿，模拟了生物骨软骨的生理生长环境。
同时，磨损模拟单元中的骨磨盘在剪切运动的带动和垂直负载下与盛装在试样支架中的骨软骨样品接触，提供了一个人体关节运动的模拟康复环境。

Claims (9)

1.一种多功能骨软骨生物反应器，其特征在于，包括无菌生物环境单元、垂直负载施加单元、剪切力施加单元和磨损模拟单元；磨损模拟单元固定于无菌生物环境单元中；垂直负载施加单元位于剪切力施加单元上方，用于在剪切力施加单元提供的剪切力中加入垂直压力，并通过立柱将混合力传递到磨损模拟单元中的骨软骨试样上；
所述无菌生物环境单元包括无菌生物培养箱、放置在无菌生物培养箱底板上的重物基座、以及通过支撑连杆固定在无菌生物培养箱正上方的上支架；
所述磨损模拟单元包括固定在所述重物基座上的带盖圆筒、以及在圆筒内由下到上依次设置的导流盘、试样支架、骨磨盘和固定骨磨盘的磨盘架；
所述垂直负载施加单元包括固定在上支架下方的液压缸/气缸和液压泵/气泵；液压缸/气缸的活塞杆端部设有固定连接的压盘；
所述剪切力施加单元包括驱动电机、与驱动电机输出轴连接的带偏心立柱的圆盘、以及可变径向偏心盘；所述可变径向偏心盘设有带槽的连接部，所述圆盘上的偏心立柱插入槽中；所述可变径向偏心盘的上表面固定推力球轴承，下底面与所述立柱的一端螺栓连接，立柱的另一端穿过无菌生物培养箱顶面开设的通孔与磨损模拟单元中的磨盘架螺栓连接。
2.如权利要求1所述的一种多功能骨软骨生物反应器，其特征在于，所述导流盘为倒锥形结构，锥面和平面之间设有若干垂直的通孔。
3.如权利要求1所述的一种多功能骨软骨生物反应器，其特征在于，所述导流盘下方设有压力传感器。
4.如权利要求1所述的一种多功能骨软骨生物反应器，其特征在于，所述试样支架设有若干贯通的阶梯孔；骨软骨试样安装在阶梯孔中，与骨磨盘接触。
5.如权利要求1所述的一种多功能骨软骨生物反应器，其特征在于，所述圆筒侧面的下部设有液体入口，上部设有液体出口，分别连接外部的培养液入口管道和培养液出口管道；圆筒上盖设有气体入口和气体出口。
6.如权利要求1所述的一种多功能骨软骨生物反应器，其特征在于，所述圆筒的材质为聚甲基丙烯酸甲酯。
7.如权利要求1所述的一种多功能骨软骨生物反应器，其特征在于，所述磨损模拟单元的试样支架与圆筒内壁通过插销固定。
8.如权利要求1所述的一种多功能骨软骨生物反应器，其特征在于，所述可变径向偏心盘的上表面设有凸起的柱体，推力球轴承套设在柱体上固定。
9.如权利要求8所述的一种多功能骨软骨生物反应器，其特征在于，所述柱体的直径与推力球轴承的内径相等，柱体的高度小于推力球轴承的高度。
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