CN201217661Y - 一种人工软骨构建双频加载的生物反应器 - Google Patents

一种人工软骨构建双频加载的生物反应器 Download PDF

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Abstract

一种人工软骨构建的双频加载生物反应器，包括培养箱、培养液灌流系统、加载机构、培养室和计算机；加载机构、培养液灌流系统和培养室都放置在培养箱内。培养箱内设置有框架，培养室放置于该框架底部的培养平台上，培养室内放置培养物，培养物上方放置上压块，上压块的上方为加载机构，包括导向管，导向管内的挺杆和压电陶瓷位移器，压电陶瓷位移器通过加载头将载荷加载到上压块上，挺杆的上端与凸轮紧密接触，该凸轮连接驱动电机。本新型既能达到大的变形，又能实现小变形、高频率的载荷，实现人工软骨构建的双频动态加载条件，使之更接近软骨组织生长发育的力学环境，特别是能满足全厚软骨的构建，形成人工软骨生长所需的复杂力学环境。

Description

一种人工软骨构建双频加载的生物反应器
【技术领域】
本实用新型涉及组织工程生物反应器领域，具体地说，是一种用于软骨组织工程化构建双频加载的生物反应器。
【背景技术】
关节软骨缺损是外科常见的疾病之一，通常由外伤、手术切除、骨性关节炎等慢性疾病引起。临床表现为顽固性疼痛，关节活动障碍，严重者可完全丧失关节功能，成为肢残和劳动力丧失的主要原因之一。大量研究结果表明，由于软骨组织再生能力极为有限，软骨损伤自我修复几乎不可能。临床上自体移植或异体移植也存在较大的限制和弊端。当前为缺损修复提供移植软骨，软骨组织工程是最理想的的方法。组织工程的基本方法是将自体或异体细胞经体外培养、扩增后，接种到一种组织相容性好的生物材料上，进行体外培养，形成一定的类组织，然后植入体缺损部位，与宿主软骨融合，达到修复软骨缺损的目的。其中软骨组织工程和骨组织工程都是分别采用不同种子细胞、支架材料和活性因子的复合体培养，软骨组织和骨组织也可能采用相同的种子细胞，如骨髓间充质干细胞。
当前，随着组织工程的发展，种子细胞、支架材料和活性因子研究的不断深入，在生物反应器内如何培养移植物受到更多的关注，其中对移植物培养条件的力学环境越来越重视。对于软骨来说，其活体力学环境非常复杂。合适的力学条件是培养出结构、功能都与天然软骨相近移植物的重要因素。最近几年相关研究者对不同的力学刺激，以优化培养物的结构和功能做了大量研究。国内有研究者采用静张应力对大鼠髁突软骨细胞增殖效应进行研究，实验表明细胞增殖数量随静张应力增高而升高[华西口腔医学杂志，2003，21(1)，57-60]；也有研究空气压应力对体外培养软骨细胞分泌细胞因子的影响[解剖学报，2001，32(4)，385-387]，离心力在体外构建组织工程软骨中的作用[中华实验外科杂志。2005，22(3)，281-283]，周期性流体应力刺激对组织工程软骨分化影响的实验研究[骨与关节损伤杂志，2003，18(9)，620-622]。这些加载方法可以促进细胞增殖或功能发挥，但和真正软骨受载是有差别的。Eric等[Tissue Engineering，2003，9(1)，9-26.]认为直接动态施压可能是软骨生长较好的力学环境。
如果某种组织在体外培养，那么生物反应器的力学环境最好是模拟这种活体组织的力学条件。关节软骨的通常压应力在0.5-7.7MPa，在上楼过程中最大压力可达18MPa。即使在休息状态肌肉、肌腱也会产生微小的载荷。关节压力会随时间不断变化，采用高分辨率检测关节应力的不规则变化表明在0.2s中最大压力可升高6.2MPa。人体在行走等活动中骨组织等受到的压载荷，同时肌肉为保持身体形态、稳定通过骨对软骨施加更多小的载荷。因此从受力环境看，活体软骨受到的是双频叠加载荷的作用。
在“一种低频高幅叠加高频低幅加载的方法及生物反应器”(中国，N0.200710303886.7)专利中采用两串联压电陶瓷位移器作为驱动来源，可以对软骨双频叠加加载。但目前知道压电陶瓷位移器驱动位移为最大为200微米左右，即使是两个串联也不能达到毫米级的位移。对于全厚软骨(4-7mm)的培养，压缩变形需要20％(正常生理变形平均超过13％)，甚至30％-40％。这样最大压缩量可达2.8mm。因此，现有的两串联压电陶瓷位移器不能满足厚软骨动态载荷的培养。
【实用新型内容】本实用新型的目的是为了解决现有生物反应器的力学环境不能模拟活体软骨受到的双频叠加载荷的力学条件的问题，提供一种人工软骨构建双频加载的生物反应器。
该生物反应器是采用压电陶瓷位移器和凸轮作为加载动力源。实现软骨培养的力学环境。
本实用新型提供的人工软骨构建的双频加载生物反应器，包括培养箱、培养液灌流系统、加载机构、培养室和计算机；加载机构、培养液灌流系统和培养室都放置在培养箱内。培养箱内设置有一个框架，培养室放置于该框架底部的培养平台上，培养室内放置有培养物，培养物的上方放置与培养室之间能有相对滑动的上压块，上压块的上方为加载机构，该加载机构包括安装在框架上梁上的导向管，导向管内由上到下依次设置有挺杆和压电陶瓷位移器，压电陶瓷位移器通过加载头将载荷加载到上压块上，挺杆的上端与凸轮紧密接触，该凸轮连接驱动电机。导向管内挺杆外套装有复位弹簧。
凸轮的中部开有一个用于调整凸轮偏心距离的长条孔，驱动电机轴通过该长条孔与凸轮固定连接。
上压块与培养室之间设置有滑动密封垫，封闭的培养室壁上设有培养液灌流接头，并通过硅胶管与培养液灌流系统连通。
培养液灌流系统包括培养液储存瓶，通过硅胶管与培养室连接，由蠕动泵提供流动动力；该计算机装有压电陶瓷位移器软件系统及蠕动泵控制系统，可对压电陶瓷位移器及蠕动泵进行自动控制。
该生物反应器的培养箱、培养液灌流系统和计算机都可从市场上购买。
本发明的有益效果是：采用凸轮和压电陶瓷位移器组合对软骨施加双频叠加载荷，既能达到大的变形，又能实现小变形、高频率的载荷。双频加载方式更接近软骨组织生长发育的力学环境，可实现人工软骨构建的双频动态加载条件，特别是能满足全厚软骨的构建，形成人工软骨生长所需的复杂力学环境。
【附图说明】
图1为生物反应器中的加载机构立体示意图；
图2为图1的剖面示意图；
图中：1框架；2凸轮；3导向管；4压电陶瓷驱动器；5加载头；6上压块；7培养室；8培养平台；9灌流接头；10滑动密封垫；11培养物；12驱动电机，13挺杆，14复位弹簧。
【具体实施方式】
以下结合附图对实用新型实施例进行详细叙述。
人工软骨构建的双频加载生物反应器，包括培养箱、培养液灌流系统、加载机构、培养室和计算机(图中略)；加载机构、培养液灌流系统和培养室都放置在培养箱内。参照附图1、2所示，培养箱内设置有一个框架1，培养室7放置于该框架底部的培养平台8上，培养室内放置有培养物11，培养物的上方放置与培养室之间能有相对滑动的上压块6，上压块的上方为加载机构，该加载机构包括安装在框架上梁上的导向管3，导向管内由上到下依次设置有挺杆13和压电陶瓷位移器4，压电陶瓷位移器通过加载头5将载荷加载到上压块6上，挺杆的上端与凸轮2紧密接触，该凸轮连接驱动电机12。导向管内挺杆外套装有复位弹簧14。
该生物反应器工作时，挺杆13、压电陶瓷位移器4加载头5串联模块，位于导向管3内，挺杆13上套有复位弹簧14，加载头5与培养室7的上压块6连接，上压块6与培养室7之间有滑动密封垫10，允许相对运动，培养室7内有培养物11；挺杆13上表面与凸轮2接触；培养平台8可上、下调节平台高度，消除接触面的间隙。计算机控制分别控制电机12和压电陶瓷位移器4的电压信号输入。电机12带动凸轮2转动，引起挺杆13等串联模块上下运动，对培养物动态压缩；同时压电陶瓷位移器4在电压信号驱动下伸缩，也对培养物动态压缩。该灌流系统包括培养液储存瓶，通过硅胶管与培养室7连接，由蠕动泵提供培养液流动动力，保持培养物新陈代谢生物学的环境，灌流系统可在市场购买。这样实现对培养物的双频动态加载条件，形成人工软骨生长所需的复杂力学环境。

Claims (4)

1、一种人工软骨构建的双频加载生物反应器，该生物反应器包括培养箱、培养液灌流系统、加载机构、培养室和计算机；加载机构、培养液灌流系统和培养室都放置在培养箱内；其特征在于培养箱内设置有一个框架，培养室放置于该框架底部的培养平台上，培养室内放置有培养物，培养物的上方放置与培养室之间能有相对滑动的上压块，上压块的上方为加载机构，该加载机构包括安装在框架上梁上的导向管，导向管内由上到下依次设置有挺杆和压电陶瓷位移器，压电陶瓷位移器通过加载头将载荷加载到上压块上，挺杆的上端与凸轮紧密接触，该凸轮连接驱动电机。
2、根据权利要求1所述的人工软骨构建的双频加载生物反应器，其特征在于凸轮的中部开有一个用于调整凸轮偏心距离的长条孔，驱动电机轴通过该长条孔与凸轮固定连接。
3、根据权利要求1或2所述的人工软骨构建的双频加载生物反应器，其特征在于上压块与培养室之间设置有滑动密封垫，封闭的培养室壁上设有培养液灌流接头，并通过硅胶管与培养液灌流系统连通。
4、根据权利要求1或2所述的人工软骨构建的双频加载生物反应器，其特征在于导向管内挺杆外套装有复位弹簧。
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