CN113150989A - 一种生物力学仿生研究的支架 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种生物力学仿生研究的支架，包括上卡槽片、下卡槽片及若干条多孔隙弧形板，所述上卡槽片和下卡槽片一上一下地横向设置，所述若干条多孔隙弧形板从左至右依次间隔均匀地设置在所述上卡槽片和下卡槽片之间，每条多孔隙弧形板的上下端一一对应地与所述上卡槽片和下卡槽片相连；每条多孔隙弧形板从前至后包括四层孔隙；所述多孔隙弧形板的弧度为15 °；所述支架采用钛合金制成。本发明的生物力学仿生研究的支架，可以实现在支架内植物上研究生物力学信号对细胞的生物学影响，从而更好地指导和优化支架内植物的设计。
Description
技术领域
本发明涉及一种生物力学仿生研究的支架。
背景技术
骨组织是一种动力学器官，主要功能是支撑身体自重，与肌肉、关节等配合实现运动功能。在日常生活中，人体内的每块骨组织都会承受着的复杂的力学载荷。因此包含骨髓间充质干细胞(Bone mesenchymal stem cells，BMSCs)在内的骨细胞也时刻处于各种生物力学环境之中，它们也能够通过响应生物力学刺激来达到特定的细胞生物学行为。例如，长期进行负重训练的人，其骨密度水平普遍比正常人体要高，甚至自身体内的不同骨骼也存在骨密度的差异性。这是因为骨组织为了适应频繁受力的环境，必须通过增强骨形成减少骨吸收来增加骨量，提升特定区域或特定骨组织的刚度等力学性能。相反，如果长期不接受力学刺激，该部分骨组织失去了受力环境来维持骨量，骨组织就会逐渐发生骨质流失。最显而易见的就是宇航员在外太空中，因为长期处于失重环境，导致宇航员体内的负重骨骼以每月1-2％的速度发生骨质流失。由此可见，维持力学刺激对骨组织的重要性，这从宏观层面阐释包括BMSCs在内的骨细胞对生物力学的敏感性。针对此，大多数生物力学研究都采用标准化的Flexcell力学加载系统，它将细胞培养在柔性基底膜上，可实现对其施加拉伸力、压应力等多种力学形式。然而这种生物力学的研究结果并不能模拟支架内植物-宿主骨界面的整合环境，这限制了研究结果的临床转化。因此，我们迫切需要在支架内植物上研究细胞响应生物力学的效应。
钛合金因其力学性能接近人骨、弹性模量低、强度高且兼具耐疲劳、耐腐蚀以及生物相容性好等优点已经成为临床最常用的内植物材料之一。近年来，钛合金内植物已被广泛应用于由骨肿瘤、创伤、人工关节翻修等原因造成的各类骨缺损手术中，临床实践证明钛合金内植物具有良好的支撑性能。然而尽管相比于其他材料，钛合金已经因其力学特性脱颖而出，但这仍不足以解决内植物-宿主骨界面整合欠佳的临床难题。
为了解决这一难题就必须阐明内植物-宿主骨界面骨整合的细胞机制。然而目前尚未有一种研究方法能够实现在支架上面进行生物力学研究。CN201720882708.3公开了一种基于钛合金弹性形变促进成骨分化的实验装置，该实验装置可以对支架进行力学加载，以往对于支架的研究多局限在其强度及生物相容性，尚未见有研究报道对支架本身进行力学加载。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种生物力学仿生研究的支架，通过力学加载装置对支架进行力学加载，可以实现在支架内植物上研究生物力学信号对细胞的生物学影响，从而更好地指导和优化支架内植物的设计。
实现上述目的的技术方案是：一种生物力学仿生研究的支架，包括上卡槽片、下卡槽片及若干条多孔隙弧形板，其中：
所述上卡槽片和下卡槽片一上一下地横向设置，所述若干条多孔隙弧形板从左至右依次间隔均匀地设置在所述上卡槽片和下卡槽片之间，每条多孔隙弧形板的上下端一一对应地与所述上卡槽片和下卡槽片相连；
每条多孔隙弧形板从前至后包括四层孔隙；
所述多孔隙弧形板的弧度为15°；
所述支架采用钛合金制成。
上述的一种生物力学仿生研究的支架，其中，所述支架整体的长度和高度分别为35mm；所述支架整体呈弧度为15°的弧形结构；
所述上、下卡槽片的长度均为35mm，高度均为5mm；
所述多孔隙弧形板的数量为三条，每相邻的两个多孔隙弧形板之间的间隔为4mm，每条多孔隙弧形板的长度为7mm，高度为25mm。
上述的一种生物力学仿生研究的支架，其中，所述上、下卡槽片的材质均为Ti-6Al-4V；所述上卡槽片从下至上的厚度逐渐变薄，所述下卡槽片从上至下的厚度逐渐变薄，所述上卡槽片的上端的厚度和下卡槽片的下端的厚度均为0.1mm。
上述的一种生物力学仿生研究的支架，其中，所述上卡槽片的下端的厚度和下卡槽片的上端的厚度均与所述多孔隙弧形板的厚度相等。
上述的一种生物力学仿生研究的支架，其中，所述多孔隙弧形板的孔隙结构为正六面体，孔隙率为50％，内接球直径为400μm。
上述的一种生物力学仿生研究的支架，其中，所述多孔隙弧形板的孔隙结构为四棱锥，孔隙率为70％，内接球直径为400μm。
上述的一种生物力学仿生研究的支架，其中，所述多孔隙弧形板的孔隙结构为菱形十二面体，孔隙率为70％，内接球直径为400μm。
上述的一种生物力学仿生研究的支架，其中，所述多孔隙弧形板的孔隙结构为三周期极小曲面，孔隙率为70％，内接球直径为400μm。
上述的一种生物力学仿生研究的支架，其中，所述多孔隙弧形板的孔隙结构为钻石立方，孔隙率为70％，内接球直径为400μm。
本发明的生物力学仿生研究的支架，与现有技术相比，可以模拟内植物-宿主骨界面整合处的生物力学环境；可用于研究支架力学特性对骨整合效果的影响；有助于解决临床内植物应力遮挡导致无菌性松动的问题；可以实现在支架内植物上研究生物力学信号对细胞的生物学影响，从而更好地指导和优化支架内植物的设计。
附图说明
图1为本发明的生物力学仿生研究的支架的立体结构图；
图2为本发明的生物力学仿生研究的支架的侧视图；
图3为呈正六面体的孔隙结构的结构示意图；
图4为呈四棱锥的孔隙结构的结构示意图；
图5为呈菱形十二面体的孔隙结构的结构示意图；
图6为呈三周期极小曲面的孔隙结构的结构示意图；
图7为呈钻石立方的孔隙结构的结构示意图；
图8为本发明的生物力学仿生研究的支架的使用状态图；
图9为本发明的生物力学仿生研究的支架的使用状态图(分解状态)。
具体实施方式
为了使本技术领域的技术人员能更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对其具体实施方式进行详细地说明：
请参阅图1和图2，本发明的最佳实施例，一种生物力学仿生研究的支架1，支架1采用钛合金制成，包括上卡槽片11、下卡槽片12及三条多孔隙弧形板13。
上卡槽片11和下卡槽片12一上一下地横向设置，三条多孔隙弧形板13从左至右依次间隔均匀地设置在上卡槽片11和下卡槽片12之间，每条多孔隙弧形板13的上下端一一对应地与上卡槽片11和下卡槽片12相连；
每条多孔隙弧形板13从前至后包括四层孔隙，可以满足支架内部生长细胞的营养交换需求；多孔隙弧形板13的弧度为15°。
上卡槽片11、下卡槽片12及三条多孔隙弧形板13连接成一个整体，支架1整体的长度为35mm，高度h为35mm；支架1整体呈弧度为15°的弧形结构，可以保证每次力学加载支架整体都往一个固定方向进行弯曲。
上、下卡槽片11、12的长度均为35mm，高度h1均为5mm；每相邻的两个多孔隙弧形板13之间的间隔为4mm，每条多孔隙弧形板13的长度为7mm，高度h2为25mm。
上、下卡槽片11、12的材质均为Ti-6Al-4V；上卡槽片11从下至上的厚度逐渐变薄，下卡槽片12从上至下的厚度逐渐变薄，上卡槽片11的上端的厚度和下卡槽片12的下端的厚度均为0.1mm，方便与加力辅助容器的卡槽相连。上卡槽片11的下端的厚度和下卡槽片12的上端的厚度均与多孔隙弧形板13的厚度相等。
请参阅图3至图7，多孔隙弧形板的孔隙结构可以选择如下5种类型：
(1)请参阅图3，多孔隙弧形板的孔隙结构为正六面体，孔隙率为50％，内接球直径为400μm。
(2)请参阅图4，多孔隙弧形板的孔隙结构为四棱锥，孔隙率为70％，内接球直径为400μm。
(3)请参阅图5，多孔隙弧形板的孔隙结构为菱形十二面体，孔隙率为70％，内接球直径为400μm。
(4)请参阅图6，多孔隙弧形板的孔隙结构为三周期极小曲面，孔隙率为70％，内接球直径为400μm。
(5)请参阅图7，多孔隙弧形板的孔隙结构为钻石立方，孔隙率为70％，内接球直径为400μm。
请参阅图8和图9，本发明的生物力学仿生研究的支架，在使用时，放置在力学加载装置的加力辅助容器中，加力辅助容器3包括上压柱31、立柱底座32和外壳33，上压柱31和立柱底座32一上一下地设置在外壳33内，外壳的内径是4.3cm，外径是4.5cm，高4cm；上压柱31包括顶板311和均布在顶板311下表面的四个上立柱312，立柱底座32包括底板321和均布在底板321上表面的四个下立柱322，四个上立柱312一一对应地插接在四个下立柱322中，每个上立柱312和其对应的下立柱322形成一个伸缩立柱；顶板311的下表面设置有一个上卡槽313，底板321的上表面设置有一个下卡槽323，上卡槽313位于下卡槽323的正上方。
本发明的生物力学仿生研究的支架，在使用时，先将支架1的下卡槽片12的下端卡入立柱底座32的下卡槽323，随后上压柱31的四个上立柱312一一对应的扣入立柱底座32的四个下立柱322内，支架1的上卡槽片11的上端卡入在上压柱31的上卡槽313内。
为顺利实施本发明，先用有限元分析软件设计本发明的生物力学仿生研究的支架的各项参数。同时为了能够精确的制造出具有微观孔隙结构的生物力学仿生研究支架，我们采用金属3D打印增材制造的方式进行该支架的制造。
制造完成后先对支架1表面进行清扫，随后用丙酮、无水乙醇、去离子水依次超声震荡仪器洗涤支架15分钟。洗涤完毕后，为了满足后续生物力学研究需要，将该支架1进行环氧乙烷消毒灭菌。
经消毒的支架1置于无菌培养皿中，预先加入完全培养基浸没支架，将合适数量的细胞悬液接种在支架1。当细胞黏附生长3天后，用力学加载装置对该支架1进行加载。具体加载方法为如图8和图9所示，在无菌条件下将支架1的上、下卡槽片11、12一一对应地卡于加力辅助容器的上卡槽313和下卡槽323中，同时注入培养基以满足力学加载过程中细胞的营养需求。随后对该加力辅助容器进行力学加载。力学加载结束后检测细胞的生物学功能，即可实现对支架内植物骨整合的探索研究。
本发明的生物力学仿生研究的支架，为钛合金支架，具有以下优点：
(1)采用临床应用最广泛的钛合金支架来模拟体内内植物-宿主骨界面整合的环境，将骨整合相关细胞接种于钛合金支架上，这种骨整合环境仿真的研究方案将更加有利于探究内植物-宿主骨界面整合的机制；
(2)以往对于支架的研究多局限在其强度及生物相容性，尚未见有研究报道对支架本身进行力学加载，因此本发明将为生物力学仿生支架的研究提供帮助，为临床优化和改良内植物设计提供指导；
(3)利用力学加载装置对该支架进行固定力学大小的刺激，钛合金在受力下发生弹性形变会间接的将这种生物力学信号传递给粘附在支架上的细胞，这种生物力学仿生研究更加符合体内内植物中细胞所处的真实生态位；
(4)中间多孔隙支架结构的间隙设计是为了让细胞进行更好地营养交换；这种设计避免了传统支架结构，细胞由于营养交换问题主要生长在支架表面，而支架里面细胞较少的问题。
综上所述，本发明的生物力学仿生研究的支架，可以实现在支架内植物上研究生物力学信号对细胞的生物学影响，从而更好地指导和优化支架内植物的设计。
本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。
Claims (9)
1.一种生物力学仿生研究的支架，其特征在于，包括上卡槽片、下卡槽片及若干条多孔隙弧形板，其中：
所述上卡槽片和下卡槽片一上一下地横向设置，所述若干条多孔隙弧形板从左至右依次间隔均匀地设置在所述上卡槽片和下卡槽片之间，每条多孔隙弧形板的上下端一一对应地与所述上卡槽片和下卡槽片相连；
每条多孔隙弧形板从前至后包括四层孔隙；
所述多孔隙弧形板的弧度为15°；
所述支架采用钛合金制成。
2.根据权利要求1所述的一种生物力学仿生研究的支架，其特征在于，所述支架整体的长度和高度分别为35mm；所述支架整体呈弧度为15°的弧形结构；
所述上、下卡槽片的长度均为35mm，高度均为5mm；
所述多孔隙弧形板的数量为三条，每相邻的两个多孔隙弧形板之间的间隔为4mm，每条多孔隙弧形板的长度为7mm，高度为25mm。
3.根据权利要求1或2所述的一种生物力学仿生研究的支架，其特征在于，所述上、下卡槽片的材质均为Ti-6Al-4V；所述上卡槽片从下至上的厚度逐渐变薄，所述下卡槽片从上至下的厚度逐渐变薄，所述上卡槽片的上端的厚度和下卡槽片的下端的厚度均为0.1mm。
4.根据权利要求3所述的一种生物力学仿生研究的支架，其特征在于，所述上卡槽片的下端的厚度和下卡槽片的上端的厚度均与所述多孔隙弧形板的厚度相等。
5.根据权利要求1所述的一种生物力学仿生研究的支架，其特征在于，所述多孔隙弧形板的孔隙结构为正六面体，孔隙率为50％，内接球直径为400μm。
6.根据权利要求1所述的一种生物力学仿生研究的支架，其特征在于，所述多孔隙弧形板的孔隙结构为四棱锥，孔隙率为70％，内接球直径为400μm。
7.根据权利要求1所述的一种生物力学仿生研究的支架，其特征在于，所述多孔隙弧形板的孔隙结构为菱形十二面体，孔隙率为70％，内接球直径为400μm。
8.根据权利要求1所述的一种生物力学仿生研究的支架，其特征在于，所述多孔隙弧形板的孔隙结构为三周期极小曲面，孔隙率为70％，内接球直径为400μm。
9.根据权利要求1所述的一种生物力学仿生研究的支架，其特征在于，所述多孔隙弧形板的孔隙结构为钻石立方，孔隙率为70％，内接球直径为400μm。
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