CN205241705U - 一种组织工程软骨体外培养装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种组织工程软骨体外培养装置，所述装置包括机架，所述机架上设置有软骨培养机构，所述装置还包括为所述软骨培养机构输送培养液的培养液循环机构和为所述软骨培养机构施加动态静压力的动态静压施加机构，以及用于控制所述培养液循环机构的培养液输入和输出的动态密封机构。本实用新型的装置对软骨培养的静压力频率、大小和培养液的流动状况进行调节，模拟动态静压力的环境，能够培养出细胞活性好、良好软骨形态和一定力学强度的组织工程软骨。

Description

一种组织工程软骨体外培养装置

技术领域

本实用新型属于生物医学工程技术领域，尤其涉及一种组织工程软骨体外培养装置。

背景技术

软骨在关节的运动功能中发挥着重要的作用。然而，关节软骨损伤是十分常见的疾病，临床上各种原因进行的关节镜手术约60％的病人均发现有软骨损伤，20％为较重的软骨损伤。由于软骨内缺乏血管组织，而且软骨细胞被包裹在基质成分中，不能迁移到损伤部位修复缺损，致使关节软骨损伤后的自愈能力很差，不能实现再生。软骨损伤如不及时治疗，易造成后期关节面软化，严重的可出现大片脱落，使软骨下骨层裸露，造成关节弹响、僵硬、疼痛加重等，最终需要关节置换，严重地影响患者的生活质量。因此，如何实现损伤部位软骨组织天然结构与功能的恢复是软骨损伤治疗的最终目的。此外，软骨在整形外科也有广泛的应用，可作为面部填充、鼻梁垫高塑形、畸耳再造、眼部修饰、乳房填充等手术的供体材料，但目前缺乏具有良好生物相容性和力学性能的软骨组织。

传统的治疗方法有关节灌洗术、关节清理术、微骨折手术、骨膜移植、软骨移植和自体软骨细胞移植等，已广泛用于关节软骨的损伤修复，但临床应用结果显示，这些方法均存在不足。例如，关节清理术只能暂时缓解症状，不能有效治疗软骨损伤；微骨折手术只能在缺损部位再生纤维软骨，不能达到正常软骨的力学要求，存在后期退化的隐患；自体软骨移植效果较好，仅适用于软骨缺损面积较小(＜2cm²)的损伤治疗；异体软骨移植可用于较大缺损修复，但供体来源有限，并有感染传染病、免疫排斥的风险。临床研究还表明，软骨细胞移植是目前修复关节软骨损伤、实现功能重建的有效途径，基于软骨组织的结构，如何在体外条件下构建组织工程软骨，用于软骨损伤的修复，为软骨缺损治疗提供更好的选择，具有很好的临床应用价值。

然而组织工程的方法将软骨细胞与生物可降解材料复合构建组织工程软骨时，通常采用静态培养，导致体外构建的软骨组织容易形成中空等缺陷，其力学性能与正常的软骨相比相差甚远，无法达到临床移植的要求。目前报道的软骨细胞动态培养方式涉及的施力形式主要是灌流和直接施加压力的方法，环境都没有在封闭的环境下，存在培养的时间受到限制等许多缺陷。

发明内容

本实用新型的目的是提供组织工程软骨体外培养装置，以克服现有技术静态培养培养的缺陷，模拟一个体内动态静压力的软骨力学环境，能提供一种施加不同频率和大小的静压应力，动态构建人体软骨的装置。

为了实现上述目的，本实用新型计数方案如下：

一种组织工程软骨体外培养装置，所述装置包括机架，所述机架上设置有软骨培养机构，所述装置还包括为所述软骨培养机构输送培养液的培养液循环机构和为所述软骨培养机构施加动态的静压力的动态静压施加机构，以及用于控制所述培养液循环机构的培养液输入和输出的动态密封机构。

进一步地，所述机架包括上平台(34)和下平台(36)，以及支撑上平台(34)和下平台(36)的支撑杆(1)，所述动态密封机构、动态静压施加机构、软骨培养机构安装在上平台(34)上，所述培养液循环机构安装在下平台(36)上。

本实用新型所述软骨培养机构包括至少一个培养室，所述动态静压施加机构包括与所述培养室对应的至少一个加压室，每个加压室分别设置有各自的进气口，各进气口通过进气管(16)连接分流接头(21)，分流接头(21)连接到气体汇总口(23)，所述气体汇总口(23)连接到外部气源。

进一步地，所述培养室上部封盖有密封板(29)，所述加压室固定在所述密封板(29)上。

本实用新型所述培养液循环机构包括依次连接的培养液输入口(2)、第一储液罐(11)、第一蠕动泵(37)、培养液输入管(38)、培养室压力引导板(42)，依次连接的培养液输出管(48)、第二蠕动泵(51)、第二储液罐(44)、第二过滤器(49)、培养液输出口(35)，以及用于驱动第一蠕动泵(37)和第二蠕动泵(51)的第一步进电机(3)、第二步进电机(33)。

进一步地，所述动态密封机构包括对应于培养液输入管(38)和培养液输出管(48)的第一动态密封机构和第二动态密封机构，所述第一动态密封机构或第二动态密封机构包括气动活塞(52)和用于支撑气动活塞(52)的气动活塞固定板(47)，连接气动活塞(52)的密封块43，与密封块(43)对应的密封支撑台(41)，对密封块(43)进行引导的引导支架(45)，以及位于气动活塞(52)两端的第一气体调节阀(5)和第二气体调节阀(50)，分别为第一气体调节阀(5)和第二气体调节阀(50)供气的第一进出气管(6)和第二进出气管(7)，第一进出气管(6)和第二进出气管(7)上还设置有连接外部气源的三通连接口(9)。

进一步地，所述装置还包括压力测量机构，所述压力测量机构用于测量软骨培养机构内的静压力，所述压力测量机构包括压力仪表(13)、连接软管(17)和第一过滤器(18)，所述压力仪表(13)通过第一过滤器(18)和连接软管(17)连接到培养室压力引导板(42)。

进一步地，所述装置还包括用于控制动态静压施加机构、培养液循环机构和动态密封机构的控制机构，用于实现自动控制下的循环培养。

本实用新型提出了一种组织工程软骨体外培养装置，以实现动态静压力培养环境为基础，设计开发了一套全封闭软骨细胞培养的装置，将种子细胞与生物可降解材料复合，置于能模拟动态静压力的环境，对软骨培养的静压力频率、大小和培养液的流动状况进行调节，在最佳的参数下进行培养，在不同频率的静压力作用下构建具有良好细胞活性、良好软骨形态和一定力学强度的软骨组织，为生物医学工程领域组织工程与生物力学的研究提供了一种新装置。由于本装置是全密封的培养，避免了软骨细胞培养时易受污染的情况。

附图说明

图1为本实用新型装置前端结构示意图；

图2为本实用新型装置后端结构示意图。

图中附图标记说明如下：

1、支撑杆；2、培养液输入口；3、第一步进电机；4、第一固定螺钉；5、第一气体调节阀；6、第一进出气管；7、第二进出气管；8、第一培养室；9、三通连接口；10、第二固定螺钉；11第一储液罐、12、密封圈；13、压力仪表；14、第一加压室；15、第一进气口；16、第四进气管；17、连接软管；18、第一过滤器；19、第二加压室；20、第二进气口；21、气体分流接头；22、第二培养室；23、气体汇总口；24、第三进气口；25、第三加压室；26、第三培养室；27、第四进气口；28、第四加压室；29、上密封板；31、第四培养室；33、第二步进电机；34、上平台；35、培养液输出口；36、下平台；37、第一蠕动泵；38、培养液输入管；40、第四固定螺钉；41、支撑台；42、培养室压力引导板；43、密封块；44、第二储液罐；45、引导支架；46、第五固定螺钉；47、气动活塞固定板；48、培养液输出管；49、第二过滤器；50、第二气体调节阀；51、第二蠕动泵；52、气动活塞。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型技术方案做进一步详细说明，以下实施例不构成对本实用新型的限定。

如图1和图2所示，一种组织工程软骨体外培养装置，包括机架，机架上设置有软骨培养机构，该装置还包括为软骨培养机构输送培养液的培养液循环机构和为软骨培养机构施加动态静压力的动态静压施加机构，以及用于控制培养液循环机构的培养液输入和输出的动态密封机构动态密封机构，以及用于测量软骨培养机构内静压力的压力测量机构。该装置能够模拟体内动态静压力的软骨力学环境，施加不同频率和大小的静压应力，能培养涉及的软骨包括人耳廓软骨、气管、鼻、乳房与乳头、眼睑穹窿等软骨组织。

其中，机架包括支撑杆1、上平台34和下平台36，4根支撑杆1通过固定螺钉4分别将上平台34和下平台36连在一起，在上平台34上安装有动态密封机构、动态静压施加机构、软骨培养机构、压力测量机构，在下平台36上装有培养液循环机构，上下平台搭配构成整个培养装置。容易理解的是，本实施例机架的结构不限于上下平台的构造，也可以将所有机构都安放在一个平台上，本实施例的上下平台的构造有利于减少整个装置的体积。

软骨培养机构包括至少一个培养室，本实施例设置了第一培养室8、第二培养室22、第三培养室26、第四培养室31。培养室固定在上平台34上，培养室的数量根据实际的需求设置，本实用新型不限于培养室的具体数量。

本实施例的第一培养室8、第二培养室22、第三培养室26和第四培养室31上部封盖有密封板29，培养室分别通过4个第二固定螺钉10与上密封板29连接，能够实现样品组织在密闭环境下进行动态静压培养。

本实施例培养液循环机构用于为软骨培养机构输送培养液，该培养液循环机构包括依次连接的培养液输入口2、第一储液罐11、第一蠕动泵37、培养液输入管38、培养室压力引导板42，依次连接的培养液输出管48、第二蠕动泵51、第二储液罐44、第二过滤器49、培养液输出口35，以及用于驱动第一蠕动泵37和第二蠕动泵51的第一步进电机3、第二步进电机33。

培养液从培养液输入口2注入到第一储液罐11，并在第一蠕动泵37的作用下经培养液输入管38输入到培养室压力引导板42，在培养室压力引导板42的作用下均匀地输入到4个培养室。而培养室内的培养液在第二蠕动泵51的作用下，经培养液输出管48流出到第二储液罐44，可以经第二过滤器49、培养液输出口35放出，同时培养液输出口35和第二过滤器49还起到空气流通的作用，以便培养液从培养室流回第二储液罐44。培养液循环机构起到增加和移出培养液的作用，当对软骨细胞动态静压力培养撤除后，培养液循环机构能对软骨细胞进行养分的供应。

本实施例动态密封机构用于控制培养液循环机构的培养液输入和输出，本实施例对应于培养液输入管38和培养液输出管48，分别设置了对应的第一动态密封机构和第二动态密封机构，第一动态密封机构或第二动态密封机构动态密封机构包括：气动活塞52和用于支撑气动活塞52的气动活塞固定板47，连接气动活塞52的密封块43，与密封块43对应的密封支撑台41，对密封块43进行引导的引导支架45；以及位于气动活塞52两端的第一气体调节阀5和第二气体调节阀50，分别为第一气体调节阀5和第二气体调节阀50供气的第一进出气管6和第二进出气管7，第一进出气管6和第二进出气管7上还设置有连接外部气源的三通连接口9。

如图1所示，两个动态密封机构共用第一进出气管6和第二进出气管7。

第一气体调节阀5与第二气体调节阀50固定在气动活塞52上，第一气体调节阀5与第二气体调节阀50分别与第一进出气管6第二进出气管7相连，第一进出气管6、第二进出气管7分别与三通连接口(9)相连，气动活塞52放置在气动活塞固定板47上，并通过两个第五固定螺钉46与上平台34固定，气动活塞52与密封块43连接并通过引导支架45可进行往复运动，支撑台41由两个第四固定螺钉40被固定在上平台34。上述结构在软骨培养机构的两侧各有一套，分别用来密封培养液输入管38和培养液输出管48，便于实现动态的静压力。

外部气源进入第一进出气管6，推动气动活塞52运动，从而推动密封块43运动，封闭培养液输入管38和培养液输出管48；外部气源进入第二进出气管7，推动气动活塞52运动，从而推动密封块43运动，开启培养液输入管38和培养液输出管48。

本实施例动态静压施加机构用于为软骨培养机构施加动态的静压力，与所述培养室对应的至少一个加压室，本实施例中包括第一加压室14、第一进气口15、第二加压室19、第二进气口20、第三加压室25、第三进气口24、第四加压室28、第四进气口27，以及与各进气口相连的第四进气管16，第四进气管16通过气体分流接头21连接到气体汇总口23，气体汇总口23连接到外部气源。

第一加压室14、第二加压室19、第三加压室25和第四加压室28分别固定在第一培养室8、第二培养室22、第三培养室26和第四培养室31的上密封板29上，中间安装密封圈12保持封闭的状态。第一加压室14、第二加压室19、第三加压室25和第四加压室28分别对应装有第一进气口15、第二进气口20、第三进气口24和第四进气口27，第一进气口15、第二进气口20、第三进气口24和第四进气口27分别连接4根第四进气管16，4根第四进气管16与气体分流接头21连接，气体汇总口23外接气源。进入气体汇总口23的气体经过气体分流接头21，均匀地为各个加压室供应压力。当加压时，压缩空气依次从气体汇总口23、气体分流接头21、4根第四进气管16、进气口(15、20、24、27)进入加压室，通过加压室的隔膜对第一培养室8、第二培养室22、第三培养室26和第四培养室31施加动态的静压力。通过调节外部气源气体的压力可以对培养室施加不同的静压力。

本实施例的压力测量机构用于测量培养室的静压力，包括：压力仪表13、连接软管17、第一过滤器18。

第一培养室8、第二培养室22、第三培养室26和第四培养室31与培养室压力引导板42相连，压力仪表(13)通过第一过滤器18和连接软管17连接到培养室压力引导板42，构成一个压力测量机构的封闭洁净回路，通过压力仪表可以测出软骨细胞培养的动态静压力。

本实施例可以通过手动开关来实现培养，还可以设置有控制机构，用于控制动态静压施加机构、培养液循环机构和动态密封机构，通过调控外部气源的进气和步进电机的动作，完成对组织工程软骨体外培养装置各种功能的控制。

在培养时，将种子细胞与生物可降解材料复合物在无菌环境下置于各个培养室中，连接好各个管路形成一个全封闭的培养环境。培养过程中的具体控制包括：

1、控制外部气源将压缩气体通过第一进出气管6或第二进出气管7输入，从而控制气动活塞52动作，封闭或打开培养液输入管38和培养液输出管48。

2、控制第一步进电机3、第二步进电机33动作，从而控制第一蠕动泵37和第二蠕动泵51动作，进行培养液的输入和输出。

3、控制外部气源将压缩气体通过气体汇总口23注入到加压室，对各培养室施加动态的静压力，通过调节气体的压力可以动态施加不同的静压力。

通过动态静压力加压和培养液灌注提供养分的循环密封培养，可以持续进行培养直到结束，整个培养处于全密封的状态，确保无菌的环境。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其进行限制，在不背离本实用新型精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本实用新型作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本实用新型所附的权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种组织工程软骨体外培养装置，所述装置包括机架，其特征在于，所述机架上设置有软骨培养机构，所述装置还包括为所述软骨培养机构输送培养液的培养液循环机构和为所述软骨培养机构施加动态静压力的动态静压施加机构，以及用于控制所述培养液循环机构的培养液输入和输出的动态密封机构。

2.根据权利要求1所述的组织工程软骨体外培养装置，其特征在于，所述机架包括上平台(34)和下平台(36)，以及支撑上平台(34)和下平台(36)的支撑杆(1)，所述动态密封机构、动态静压施加机构、软骨培养机构安装在上平台(34)上，所述培养液循环机构安装在下平台(36)上。

3.根据权利要求1所述的组织工程软骨体外培养装置，其特征在于，所述软骨培养机构包括至少一个培养室。

4.根据权利要求3所述的组织工程软骨体外培养装置，其特征在于，所述动态静压施加机构包括与所述培养室对应的至少一个加压室，每个加压室分别设置有各自的进气口，各进气口通过进气管(16)连接分流接头(21)，分流接头(21)连接到气体汇总口(23)，所述气体汇总口(23)连接到外部气源。

5.根据权利要求4所述的组织工程软骨体外培养装置，其特征在于，所述培养室上部封盖有密封板(29)，所述加压室固定在所述密封板(29)上。

6.根据权利要求1所述的组织工程软骨体外培养装置，其特征在于，所述培养液循环机构包括依次连接的培养液输入口(2)、第一储液罐(11)、第一蠕动泵(37)、培养液输入管(38)、培养室压力引导板(42)，依次连接的培养液输出管(48)、第二蠕动泵(51)、第二储液罐(44)、第二过滤器(49)、培养液输出口(35)，以及用于驱动第一蠕动泵(37)和第二蠕动泵(51)的第一步进电机(3)、第二步进电机(33)。

7.根据权利要求6所述的组织工程软骨体外培养装置，其特征在于，所述动态密封机构包括对应于培养液输入管(38)和培养液输出管(48)的第一动态密封机构和第二动态密封机构，所述第一动态密封机构或第二动态密封机构包括气动活塞(52)和用于支撑气动活塞(52)的气动活塞固定板(47)，连接气动活塞(52)的密封块43，与密封块(43)对应的密封支撑台(41)，对密封块(43)进行引导的引导支架(45)，以及位于气动活塞(52)两端的第一气体调节阀(5)和第二气体调节阀(50)，分别为第一气体调节阀(5)和第二气体调节阀(50)供气的第一进出气管(6)和第二进出气管(7)，第一进出气管(6)和第二进出气管(7)上还设置有连接外部气源的三通连接口(9)。

8.根据权利要求6所述的组织工程软骨体外培养装置，其特征在于，所述装置还包括压力测量机构，所述压力测量机构用于测量软骨培养机构内的静压力，所述压力测量机构包括压力仪表(13)、连接软管(17)和第一过滤器(18)，所述压力仪表(13)通过第一过滤器(18)和连接软管(17)连接到培养室压力引导板(42)。

9.根据权利要求1所述的组织工程软骨体外培养装置，其特征在于，所述装置还包括用于控制动态静压施加机构、培养液循环机构和动态密封机构的控制机构。