CN112964623A - 一种环状组织工程支架轴向渗透的实验装置及使用方法 - Google Patents

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Abstract

一种环状组织工程支架轴向渗透的实验装置及使用方法，属于生物医学工程技术领域，本发明的目的是解决目前现有轴向渗透实验装置无法有效对空心柱状组织工程支架进行渗透试验的问题，本发明通过在实验装置内放置一定量的液体，液体在单位时间内通过进水口连接件、空心柱状组织工程支架、底部渗透工作室，最后通过排水口进入溢水杯，液体在此装置中的渗流情况较为真实的反应了空心柱状组织工程支架的轴向渗流。此发明原理易懂，设备零部件易于加工和装配，通过调整实心柱塞和底部渗透工作室的几何尺寸，可以适用于各种尺寸的空心柱状组织工程支架的轴向渗透实验。特别是随着组织工程受到越来越多的关注，此装置具有良好的推广价值。

Description

一种环状组织工程支架轴向渗透的实验装置及使用方法
技术领域
本发明属于生物医学工程技术领域，具体涉及一种环状组织工程支架轴向渗透的实验装置及使用方法。
背景技术
20世纪90年代初期，Robert Langer教授和Joseph Vacanti教授在Science上发文，首先提出并定义了“组织工程(tissue engineering)”。其目的主要是为了制造出具有生物活性的组织或器官的替代物(支架)，来替代、修复组织器官的功能。理想的组织工程支架应具有良好的孔隙结构、生物活性、机械性能等。支架的孔隙结构对蛋白吸附、细胞扩散和营养物质、氧气、生长因子、废物等的有效运输起到关键作用。特别是随着细胞三维动态培养技术的发展，营养液在组织工程支架的渗透性得到越来越多的关注。有文献报道针对长方体组织工程支架开发出测定支架沿X、Y、Z方向的渗透实验装置(Zhang X Y,Yan X C,Fang G,et al.Biomechanical influence of structural variation strategies onfunctionally graded scaffolds constructed with triply periodic minimalsurface[J].Additive Manufacturing,2020,32:101015)，但对于空心柱状的组织工程支架如何测定其轴向方向的渗透性能尚待解决。虽然在水土保持、土力学、建筑学等领域，针对土样的渗透试验具有国家的检测标准和标准化设备(GB/T50123-1999)，但是土壤具有不定形态，可以放置于标准化实验设备中进行测定。对于一个不可拆分的具有整体结构的组织工程支架，使用针对土样的渗透实验装置显然是不现实的。因此，如何设计一种能够测定空心柱状组织工程支架的轴向渗透实验装置，是我们尚待解决的技术难题。
发明内容
本发明的目的是解决目前现有轴向渗透实验装置无法有效对空心柱状组织工程支架进行渗透试验问题，进而提供一种环状组织工程支架轴向渗透的实验装置及使用方法；
一种环状组织工程支架轴向渗透的实验装置，所述实验装置包括顶部进液室、进水口连接件、一号多孔过滤网、实心柱塞、底部渗透工作室、二号多孔过滤网、排水口和溢水杯，所述顶部进液室、进水口连接件和底部渗透工作室由上至下同轴依次设置，且顶部进液室的底端与进水口连接件的顶端拆卸连接，进水口连接件的底端和底部渗透工作室的顶端拆卸连接，一号多孔过滤网设置进水口连接件中，且一号多孔过滤网与进水口连接件拆卸连接，二号多孔过滤网设置在底部渗透工作室中，且二号多孔过滤网与底部渗透工作室拆卸连接，实心柱塞设置在二号多孔过滤网顶部中心处，且实心柱塞与底部渗透工作室同轴设置，实心柱塞与底部渗透工作室内壁之间用于设置空心柱状组织工程支架，底部渗透工作室侧壁的下部设有排水口，溢水杯设置在底部渗透工作室的下方，且溢水杯的顶部开口与排水口对应设置；
进一步地，所述顶部进液室的底端套设有一号法兰盘，且顶部进液室与一号法兰盘一体成型设置，进水口连接件的顶端套设有二号法兰盘，且进水口连接件与二号法兰盘一体成型设置，一号法兰盘与二号法兰盘通过若干个连接组件拆卸连接；
进一步地，所述进水口连接件的底端套设有三号法兰盘，且进水口连接件与三号法兰盘一体成型设置，底部渗透工作室的顶端套设有四号法兰盘，且底部渗透工作室与四号法兰盘一体成型设置，三号法兰盘与四号法兰盘通过若干个连接组件拆卸连接；
进一步地，所述连接组件包括一个螺栓和一个螺母，所述一个螺栓设置在需要连接的两个法兰盘中对应设置的一组连接通孔中，一个螺栓中的螺栓头设置在位于上部法兰盘的上方，一个螺栓中的螺纹段延伸至位于下部法兰盘的外部，一个螺母设置在位于下部法兰盘的下方，且螺母套设在螺栓中的螺纹段上，螺母与螺栓螺纹连接；
进一步地，所述进水口连接件的内腔端面直径与底部渗透工作室的内腔端面直径相同；
进一步地，所述进水口连接件的内壁上设有一号过滤网凸起，一号多孔过滤网搭接在一号过滤网凸起上；
进一步地，所述底部渗透工作室的内壁上设有二号过滤网凸起，二号多孔过滤网搭接在二号过滤网凸起上
进一步地，所述排水口上设有开关阀门；
一种用于环状组织支架轴向渗透的实验装置的使用方法，所述方法是通过以下步骤实现的：
步骤一：将实心柱塞插设在空心柱状组织工程支架的中心部，再将它们放置于底部渗透工作室中二号多孔过滤网的顶面上；
步骤二：通过多组由螺栓和螺母组成的连接组件将顶部进液室与进水口连接件连接紧固；
步骤三：通过多组由螺栓和螺母组成的连接组件将进水口连接件与底部渗透工作室连接紧固；
步骤四：关闭排水口的开关阀门；
步骤五：从顶部进液室放入足量的液体，使其充满底部渗透工作室和进水口连接件，并使液面高度达到顶部进液室高度的60-100％；
步骤六：在溢水杯中放入足量的液体，使液面达到溢水杯的溢水口处；
步骤七：记录当前顶部进液室中的液面距离溢水杯液面的高度，记为H1；
步骤八：准备秒表，并将秒表清零待用；
步骤九：打开排水口的开关阀门，并在打开排水口上开关阀门的瞬间，按下秒表开始按钮，使顶部进液室中的液面高度下降一定高度，迅速关闭排水口的开关阀门，并同时按下秒表结束按钮，所用时间记为t，当前顶部进液室中的液面距离溢水杯液面的高度，记为H2；
步骤十：在顶部进液室中的液面从高度H1降为H2时，液体渗流通过空心柱状组织工程支架，经排水口进入溢水杯，进而流出，注意顶部进液室中的液体不应完全排出，要留有余量；
步骤十一：试验结束后，排空装置内的液体，并记录关键数据，包括顶部进液室中的液面下降一定高度所用时间为t、顶部进液室的初始液面高度为H1、t时间后的顶部进液室的初始液面高度为H2、空心柱状组织工程支架去除中心部空心区域的横截面积为A、顶部进液室的中心部空心区域的横截面积为a，空心柱状组织工程支架的高度h，并查阅资料、文献或通过试验获取渗透实验所用液体的动态粘度为μ、液体的密度为ρ、重力加速度为g；
步骤十二：通过步骤十一获得的数据，借助下述公式即可获得空心柱状组织工程支架的轴向渗透率：
Figure BDA0002988884500000031
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明提供的一种环状组织工程支架轴向渗透的实验装置及使用方法，与现有技术相比，本发明提供的装置及使用方法解决了现有技术缺乏针对空心柱状组织工程支架测定其轴向渗透率的试验设备的问题。发明原理简单易懂，设备零部件易于加工和装配，通过调整实心柱塞和底部渗透工作室的几何尺寸，可以适用于各种尺寸的空心柱状组织工程支架的轴向渗透试验。特别是随着组织工程收到越来越多的关注，此装置具有良好的推广价值。
2、本发明提供的一种环状组织工程支架轴向渗透的实验装置及使用方法，通过在装置内放置一定量的液体，液体在单位时间内通过进水口连接件、空心柱状组织工程支架、底部渗透工作室，最后通过排水口进入溢水杯，液体在此装置中的渗流情况较为真实的反应了空心柱状组织工程支架的轴向渗流，并且在实验装置中设置用于定位的实心柱塞，更加保证了空心柱状组织工程支架在进行轴向渗透实验的稳定性。
3、本发明提供的一种环状组织工程支架轴向渗透的实验装置及使用方法，通过装置内设置的两个多孔过滤网，有效的保证了液体在对空心柱状组织工程支架进行轴向渗透时的纯净性，有效的避免了液体本身带有的杂质以及液体经过空心柱状组织工程支架时新增杂质对于最终的实验结果的影响，保证了实验的准确性。
附图说明
图1为本发明的俯视图；
图2为本发明的A-A向视图；
图3为本发明的实验原理图；
图中1、顶部进液室；2、螺栓；3、进水口连接件；4、螺母；5、一号多孔过滤网；6、实心柱塞；7、空心柱状组织工程支架；8、底部渗透工作室；9、二号多孔过滤网；10、排水口；11、溢水杯；12、秒表。
具体实施方式
具体实施方式一：参照图1至图3说明本实施方式，本实施方式提供了一种环状组织支工程架轴向渗透的实验装置，所述实验装置包括顶部进液室1、进水口连接件3、一号多孔过滤网5、实心柱塞6、底部渗透工作室8、二号多孔过滤网9、排水口10和溢水杯11，所述顶部进液室1、进水口连接件3和底部渗透工作室8由上至下同轴依次设置，且顶部进液室1的底端与进水口连接件3的顶端拆卸连接，进水口连接件3的底端和底部渗透工作室8的顶端拆卸连接，一号多孔过滤网5设置进水口连接件3中，且一号多孔过滤网5与进水口连接件3拆卸连接，二号多孔过滤网9设置在底部渗透工作室8中，且二号多孔过滤网9与底部渗透工作室8拆卸连接，实心柱塞6设置在二号多孔过滤网9顶部中心处，且实心柱塞6与底部渗透工作室8同轴设置，实心柱塞6与底部渗透工作室8内壁之间用于设置空心柱状组织工程支架7，底部渗透工作室8侧壁的下部设有排水口10，溢水杯11设置在底部渗透工作室8的下方，且溢水杯11的顶部开口与排水口10对应设置。
本实施方式中提供的一种用于环状组织支架轴向渗透的实验装置，通过在装置内放置一定量的液体，液体在单位时间内通过进水口连接件、空心柱状组织工程支架、底部渗透工作室，最后通过排水口进入溢水杯，液体在此装置中的渗流情况较为真实的反应了空心柱状组织工程支架的轴向渗流，并且在实验装置中设置用于定位的实心柱塞，更加保证了空心柱状组织工程支架在进行轴向渗透实验的稳定性。
同时，本发明原理简单易懂，设备零部件易于加工和装配，通过调整实心柱塞和底部渗透工作室的几何尺寸，可以适用于各种尺寸的空心柱状组织工程支架的轴向渗透试验。
具体实施方式二：参照图1至图3说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的顶部进液室1作进一步限定，本实施方式中，所述顶部进液室1的底端套设有一号法兰盘，且顶部进液室1与一号法兰盘一体成型设置，进水口连接件3的顶端套设有二号法兰盘，且进水口连接件3与二号法兰盘一体成型设置，一号法兰盘与二号法兰盘通过若干个连接组件拆卸连接。其它组成及连接方式与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：参照图1至图3说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式二所述的进水口连接件3作进一步限定，本实施方式中，所述进水口连接件3的底端套设有三号法兰盘，且进水口连接件3与三号法兰盘一体成型设置，底部渗透工作室8的顶端套设有四号法兰盘，且底部渗透工作室8与四号法兰盘一体成型设置，三号法兰盘与四号法兰盘通过若干个连接组件拆卸连接。其它组成及连接方式与具体实施方式二相同。
结合具体实施方式二和具体实施方式三，通过法兰盘对顶部进液室1、进水口连接件3和底部渗透工作室8进行拆卸连接，不影响顶部进液室1、进水口连接件3和底部渗透工作室8的内部结构，保证装置内腔的完整性，同时，通过法兰盘对三者进行拆卸连接，过程简便，有利于节约装配时间，为了保证连接的稳定性和拆卸的简便性，法兰盘中的连接孔设置的个数为4-6个。
具体实施方式四：参照图1至图3说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式三所述的连接组件作进一步限定，本实施方式中，所述连接组件包括一个螺栓2和一个螺母4，所述一个螺栓2设置在需要连接的两个法兰盘中对应设置的一组连接通孔中，一个螺栓2中的螺栓头设置在位于上部法兰盘的上方，一个螺栓2中的螺纹段延伸至位于下部法兰盘的外部，一个螺母4设置在位于下部法兰盘的下方，且螺母4套设在螺栓2中的螺纹段上，螺母4与螺栓2螺纹连接。其它组成及连接方式与具体实施方式三相同。
本实施方式中，通过螺栓螺母组件作为连接件，具有良好的替换性，且安装方便，有利于节约装配时间。
具体实施方式五：参照图1至图3说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式四所述的进水口连接件3作进一步限定，本实施方式中，所述进水口连接件3的内腔端面直径与底部渗透工作室8的内腔端面直径相同。其它组成及连接方式与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：参照图1至图3说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式四所述的进水口连接件3作进一步限定，本实施方式中，所述进水口连接件3的内壁上设有一号过滤网凸起，一号多孔过滤网5搭接在一号过滤网凸起上。其它组成及连接方式与具体实施方式四相同。
如此设置，一号多孔过滤网5主要功能为使液体进入底部渗透工作室8和防止实心柱塞6和空心柱状组织工程支架7在底部渗透工作室8中上下窜动；进水口连接件3与底部渗透工作室8之间放置橡胶垫圈，防止零件螺栓连接部位渗水
具体实施方式七：参照图1至图3说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式四所述的述底部渗透工作室8作进一步限定，本实施方式中，所述底部渗透工作室8的内壁上设有二号过滤网凸起，二号多孔过滤网9搭接在二号过滤网凸起上。其它组成及连接方式与具体实施方式四相同。
如此设置，二号多孔过滤网9的主要功能为支撑实心柱塞6和空心柱状组织工程支架7并使空心柱状组织工程支架7保持轴向通畅，使液体能够通过空心柱状组织工程支架7顺利流出；其中，底部渗透工作室8的内壁直径与空心柱状组织工程支架7的外径保持一致；实心柱塞6为一个实心的圆柱体，实心柱塞6的外径与空心柱状组织工程支架7的内径保持一致，将其放置于空心柱状组织工程支架7的中心部，为了避免液体借助径向渗流通过空心柱状组织工程支架7；实心柱塞6的高度可根据待测空心柱状组织工程支架7的高度进行调整，应保证实心柱塞6的高度大于等于空心柱状组织工程支架7的高度。
具体实施方式八：参照图1至图3说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式四所述的排水口10作进一步限定，本实施方式中，所述排水口10上设有开关阀门。其它组成及连接方式与具体实施方式四相同。
具体实施方式九：参照图1至图3说明本实施方式，本实施方式中提供一种环状组织工程支架轴向渗透的实验装置的使用方法，所述方法是通过以下步骤实现的：
步骤一：将实心柱塞6插设在空心柱状组织工程支架9的中心部，再将它们放置于底部渗透工作室8中二号多孔过滤网9的顶面上；
步骤二：通过多组由螺栓2和螺母4组成的连接组件将顶部进液室1与进水口连接件3连接紧固；
步骤三：通过多组由螺栓2和螺母4组成的连接组件将进水口连接件3与底部渗透工作室8连接紧固；
步骤四：关闭排水口10的开关阀门；
步骤五：从顶部进液室10放入足量的液体，使其充满底部渗透工作室8和进水口连接件3，并使液面高度达到顶部进液室10高度的60-100％；
步骤六：在溢水杯11中放入足量的液体，使液面达到溢水杯11的溢水口处；
步骤七：记录当前顶部进液室1中的液面距离溢水杯11液面的高度，记为H1；
步骤八：准备秒表12，并将秒表12清零待用；
步骤九：打开排水口10的开关阀门，并在打开排水口10上开关阀门的瞬间，按下秒表12开始按钮，使顶部进液室1中的液面高度下降一定高度，迅速关闭排水口10的开关阀门，并同时按下秒表12结束按钮，所用时间记为t，当前顶部进液室1中的液面距离溢水杯11液面的高度，记为H2；
步骤十：在顶部进液室1中的液面从高度H1降为H2时，液体渗流通过空心柱状组织工程支架7，经排水口10进入溢水杯11，进而流出，注意顶部进液室1中的液体不应完全排出，要留有余量；
步骤十一：试验结束后，排空装置内的液体，并记录关键数据，包括顶部进液室1中的液面下降一定高度所用时间为t、顶部进液室1的初始液面高度为H1、t时间后的顶部进液室1的初始液面高度为H2、空心柱状组织工程支架7去除中心部空心区域的横截面积为A、顶部进液室1的中心部空心区域的横截面积为a，空心柱状组织工程支架7的高度h，并查阅资料、文献或通过试验获取渗透实验所用液体的动态粘度为μ、液体的密度为ρ、重力加速度为g；
步骤十二：通过步骤十一获得的数据，借助下述公式即可获得空心柱状组织工程支架7的轴向渗透率：
Figure BDA0002988884500000071
本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施案例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案范围。

Claims (11)

1.一种环状组织工程支架轴向渗透的实验装置，其特征在于：所述实验装置包括顶部进液室(1)、进水口连接件(3)、一号多孔过滤网(5)、实心柱塞(6)、底部渗透工作室(8)、二号多孔过滤网(9)、排水口(10)和溢水杯(11)，所述顶部进液室(1)、进水口连接件(3)和底部渗透工作室(8)由上至下同轴依次设置，且顶部进液室(1)的底端与进水口连接件(3)的顶端拆卸连接，进水口连接件(3)的底端和底部渗透工作室(8)的顶端拆卸连接，一号多孔过滤网(5)设置进水口连接件(3)中，且一号多孔过滤网(5)与进水口连接件(3)拆卸连接，二号多孔过滤网(9)设置在底部渗透工作室(8)中，且二号多孔过滤网(9)与底部渗透工作室(8)拆卸连接，实心柱塞(6)设置在二号多孔过滤网(9)顶部中心处，且实心柱塞(6)与底部渗透工作室(8)同轴设置，实心柱塞(6)与底部渗透工作室(8)内壁之间用于设置空心柱状组织工程支架(7)，底部渗透工作室(8)侧壁的下部设有排水口(10)，溢水杯(11)设置在底部渗透工作室(8)的下方，且溢水杯(11)的顶部开口与排水口(10)对应设置。
2.根据权利要求1中所述的一种环状组织工程支架轴向渗透的实验装置，其特征在于：所述顶部进液室(1)的底端套设有一号法兰盘，且顶部进液室(1)与一号法兰盘一体成型设置，进水口连接件(3)的顶端套设有二号法兰盘，且进水口连接件(3)与二号法兰盘一体成型设置，一号法兰盘与二号法兰盘通过若干个连接组件拆卸连接。
3.根据权利要求2中所述的一种环状组织工程支架轴向渗透的实验装置，其特征在于：所述一号法兰盘与二号法兰盘通过6个连接组件拆卸连接。
4.根据权利要求3中所述的一种环状组织工程支架轴向渗透的实验装置，其特征在于：所述进水口连接件(3)的底端套设有三号法兰盘，且进水口连接件(3)与三号法兰盘一体成型设置，底部渗透工作室(8)的顶端套设有四号法兰盘，且底部渗透工作室(8)与四号法兰盘一体成型设置，三号法兰盘与四号法兰盘通过若干个连接组件拆卸连接。
5.根据权利要求4中所述的一种环状组织工程支架轴向渗透的实验装置，其特征在于：所述三号法兰盘与四号法兰盘通过6个连接组件拆卸连接。
6.根据权利要求5中所述的一种环状组织工程支架轴向渗透的实验装置，其特征在于：所述连接组件包括一个螺栓(2)和一个螺母(4)，所述一个螺栓(2)设置在需要连接的两个法兰盘中对应设置的一组连接通孔中，一个螺栓(2)中的螺栓头设置在位于上部法兰盘的上方，一个螺栓(2)中的螺纹段延伸至位于下部法兰盘的外部，一个螺母(4)设置在位于下部法兰盘的下方，且螺母(4)套设在螺栓(2)中的螺纹段上，螺母(4)与螺栓(2)螺纹连接。
7.根据权利要求6中所述的一种环状组织工程支架轴向渗透的实验装置，其特征在于：所述进水口连接件(3)的内腔端面直径与底部渗透工作室(8)的内腔端面直径相同。
8.根据权利要求7中所述的一种环状组织工程支架轴向渗透的实验装置，其特征在于：所述进水口连接件(3)的内壁上设有一号过滤网凸起，一号多孔过滤网(5)搭接在一号过滤网凸起上。
9.根据权利要求8中所述的一种环状组织工程支架轴向渗透的实验装置，其特征在于：所述底部渗透工作室(8)的内壁上设有二号过滤网凸起，二号多孔过滤网(9)搭接在二号过滤网凸起上。
10.根据权利要求9中所述的一种环状组织工程支架轴向渗透的实验装置，其特征在于：所述排水口(10)上设有开关阀门。
11.一种利用权利要求10中所述的一种环状组织工程支架轴向渗透的实验装置的使用方法，其特征在于：所述方法是通过以下步骤实现的：
步骤一：将实心柱塞(6)插设在空心柱状组织工程支架(9)的中心部，再将它们放置于底部渗透工作室(8)中二号多孔过滤网(9)的顶面上；
步骤二：通过多组由螺栓(2)和螺母(4)组成的连接组件将顶部进液室(1)与进水口连接件(3)连接紧固；
步骤三：通过多组由螺栓(2)和螺母(4)组成的连接组件将进水口连接件(3)与底部渗透工作室(8)连接紧固；
步骤四：关闭排水口(10)的开关阀门；
步骤五：从顶部进液室(10)放入足量的液体，使其充满底部渗透工作室(8)和进水口连接件(3)，并使液面高度达到顶部进液室(10)高度的60-100％；
步骤六：在溢水杯(11)中放入足量的液体，使液面达到溢水杯(11)的溢水口处；
步骤七：记录当前顶部进液室(1)中的液面距离溢水杯(11)液面的高度，记为H1；
步骤八：准备秒表(12)，并将秒表(12)清零待用；
步骤九：打开排水口(10)的开关阀门，并在打开排水口(10)上开关阀门的瞬间，按下秒表(12)开始按钮，使顶部进液室(1)中的液面高度下降一定高度，迅速关闭排水口(10)的开关阀门，并同时按下秒表(12)结束按钮，所用时间记为t，当前顶部进液室(1)中的液面距离溢水杯(11)液面的高度，记为H2；
步骤十：在顶部进液室(1)中的液面从高度H1降为H2时，液体渗流通过空心柱状组织工程支架(7)，经排水口(10)进入溢水杯(11)，进而流出，注意顶部进液室(1)中的液体不应完全排出，要留有余量；
步骤十一：试验结束后，排空装置内的液体，并记录关键数据，包括顶部进液室(1)中的液面下降一定高度所用时间为t、顶部进液室(1)的初始液面高度为H1、t时间后的顶部进液室(1)的初始液面高度为H2、空心柱状组织工程支架(7)去除中心部空心区域的横截面积为A、顶部进液室(1)的中心部空心区域的横截面积为a，空心柱状组织工程支架(7)的高度h，渗透实验所用液体的动态粘度为μ、液体的密度为ρ、重力加速度为g；
步骤十二：通过步骤十一获得的数据，借助下述公式即可获得空心柱状组织工程支架(7)的轴向渗透率：
Figure FDA0002988884490000031
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