一种单向滚动和单向滑动同步对照加载的生物反应器的制作方法

本发明涉及生物医学组织工程体外培育技术领域，特别是一种单向滚动和单向滑动同步对照加载的生物反应器，用于组织工程培养组织层面的体外培育和相关力学、生物学研究。

背景技术：

关节软骨是人体的承力组织。力学支撑、减缓冲击、减小摩擦是软骨组织的主要功能。软骨的生长、发育和维持正常生理活动都需要生理载荷的刺激。相关研究表明，关节制动或运动过度都会对关节软骨产生不利影响。关节软骨组织的结构与功能是与力学环境相适应的。在身体移动的过程中，股骨远端与胫骨近端之间有滑液，营养软骨的同时可润滑软骨表面。股骨远端与胫骨近端相互接触，过程产生两种相对运动：滚动和滑动。在膝关节运动中，滚动和滑动同时存在。

相关研究表明，关节内软骨既存在相对滚动，又存在相对滑动。滚压载荷是合适的培养软骨组织的力学环境，它是当前多种力学条件的一个综合指标，对软骨培养物可以形成纵向的动态压缩和横向的动态变形剪应力，且有利于细胞新陈代谢及物质运输。因此，需要设计一种可实现单向滚动和单向滑动同步对照加载的装置，即一种可实现单向滚动和单向滑动同步对照加载的生物反应器，用于对比在相同条件下单向滚动加载和单向滑动加载分别对组织工程培养物产生的力学、生物学影响，探索人工软骨培养条件，以培养性能优异的人工软骨组织。

滚动载荷、滑动载荷可应用于软骨组织工程的培养中，压头对软骨细胞及支架复合体进行直接动态压缩或剪切，使培养物产生压缩或剪切变形。目前，在组织工程领域有多种滚动、滑动生物反应器，但均为提供滚动往复、滑动往复加载或者滚滑复合加载的生物反应器，不能实现单向滚动或单向滑动加载。同时，现有的生物反应器无法同时对不同的组织培养物进行单向滚动和单向滑动对照加载，并将结果进行比对和评价。因此，研究一种可实现单向滚动和单向滑动同步对照加载的生物反应器势在必行。

研制一种可实现单向滚动和单向滑动同步对照加载的生物反应器，不同压头分别在两组培养物表面单向滚压、单向滑动，形成了单向动态压缩和剪切，压头的尺寸和规格可根据实际需要设计和更换。该生物反应器也可实现往复滚动、滑动循环加载。压头加载能对支架内软骨组织实现特定的力学刺激，可保证培养物内部信号分子、营养和废物的有效运输，促进培养物的功能化发展，达到软骨构建的结构与功能的统一。该生物反应器占用空间小，可在培养箱内工作，可实现定时、定量、定速对照加载，加载过程精确可控，可多次准确重复，允许长时间连续运行，观察检测方便，适用性强，是研究、比较组织工程培养物分别在单向滚动和单向滑动载荷下力学、生物学反应的理想装置，可广泛运用于组织工程的相关研究、实验工作。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述存在问题和技术分析，提供一种单向滚动和单向滑动同步对照加载的生物反应器，该生物反应器由步进电机组合驱动，通过位移传感器实现反馈，可实现对两组组织工程培养物分别进行定时、定量、定速的单向滚动和单向滑动同步对照加载，用于定时、定量、定速地研究、比较单向滚动和单向滑动载荷对组织工程培养物的力学、生物学影响，用于组织工程的相关实验研究。

本发明的技术方案：

一种单向滚动和单向滑动同步对照加载的生物反应器，包括机座底板、水平驱动机构、压头加载机构、升降控制机构、位移检测机构及高度调节机构和载物台，所述机构分别固定在机座底板上，

水平驱动机构包括步进电机c、丝杠、螺母、U型连杆a、U型连杆b、U型连杆c；步进电机c的输出轴通过紧定螺钉与丝杠和螺母构成的丝杠螺母相连，丝杠螺母通过传动销与U型连杆b连接，U型连杆b与U型连杆a一端通过传动销连接，将电机轴回转运动转化为各连杆的水平直线运动，U型连杆a另一端通过螺栓与水平导轨滑块d、水平导轨滑块c连接，U型连杆b与U型连杆c一端通过传动销连接，U型连杆c另一端通过螺栓分别与水平导轨滑块b、水平导轨滑块a连接，步进电机c带动螺母转动，丝杆伸缩通过各U型连杆带动滚动压头、滑动压头同时水平移动；

压头加载机构包括滚动压头、滑动压头、齿条a、齿条b、齿轮a、齿轮b、水平导轨滑块a、水平导轨滑块b、水平导轨滑块c、水平导轨滑块d、水平直线导轨a、水平直线导轨b、水平直线导轨c、水平直线导轨d及相应的水平直线导轨安装座a、b、c、d，各直线导轨滑块沿相应导轨水平滑动，滚动压头与齿轮a、齿轮b通过键连接，齿轮a、齿轮b分别与水平导轨滑块d、水平导轨滑块c连接，滑块滑动带动齿轮沿齿条a、齿条b水平方向啮合滚动，滑动压头与水平导轨滑块a、水平导轨滑块b通过螺纹固定连接，可沿水平直线导轨a、水平直线导轨b水平方向滑动，滚动压头、滑动压头为圆柱形台阶轴，其直径根据实验需要分别进行更换；

升降控制机构包括步进电机a、步进电机b、弹性联轴器a、弹性联轴器b，输出轴a、输出轴b，偏心凸轮a、偏心凸轮b，连接板、竖直导轨滑块a、竖直导轨滑块b，竖直直线导轨a、竖直直线导轨b等，步进电机a输出轴通过弹性联轴器a与输入轴a连接，输入轴a通过键连接驱动偏心凸轮a转动，步进电机b输出轴通过弹性联轴器b与输入轴b连接，输入轴b通过键连接驱动偏心凸轮b转动；偏心凸轮a与偏心凸轮b分别与连接板的上下面接触，连接板用螺纹连接固定在相互平行的竖直导轨滑块a和竖直导轨滑块b上，偏心凸轮a和偏心凸轮b转动时，连接板与竖直导轨滑块a和竖直导轨滑块b固连在一起，沿相互平行的竖直直线导轨a和竖直直线导轨b上下移动，带动整个压头机构上下移动；

位移检测机构包括自回复式直线位移传感器和安装座，位移传感器顶端与压头机构的安装板接触，压头机构上下移动使传感器产生压缩位移；

高度调节机构包括垫块a、垫块b、调节螺杆、楔形滑块a和楔形滑块b，调节螺杆通过螺纹与楔形滑块a相连，转动调节螺杆，可带动楔形滑块a水平移动，使楔形滑块b上下移动，位于楔形滑块b上面的载物台高度发生变化，垫块b的厚度根据实验需要进行更换；

载物台为敞口矩形容器，载物台内充满组织培养液，为培养物提供近似于生物体内的液体环境。

本发明的工作原理：

该生物反应器是一种用于组织工程培养的加载装置，可为组织工程培养物提供定时、定量、定速的单向滚动和单向滑动同步对照加载。通过控制水平加载驱动电机的运行时间、转速、步距、频率等，可以调节滚动、滑动加载的时间、速度和频率，具有控制性能好、无累计误差，启停准确的特点。滚动、滑动压头由同一套驱动机构驱动，确保了加载的同步性。加载量的控制由上下两个步进电机同时分别驱动凸轮机构实现，通过位移传感器示数的变化来确定步进电机组合的转角。使用前，根据指定的压缩量，通过上下步进电机的配合，确定压头机构在加载时的工作高度并固定；加载时，水平驱动步进电机带动滚动、滑动压头运动，实现单向加载；压头返程时，上下步进电机配合，通过凸轮驱动将压头机构抬升至空载高度，使其与培养物分离，即返程时不加载；如此往复循环，实现对培养物的单向滚动和单向滑动同步对照加载。

本发明的优点是：

该生物反应器有两个压头，可同时分别对两组培养物产生滚动和滑动载荷；根据位移传感器的反馈，控制上下步进电机转角，调整加载压头的高度，实现加载过程的精确控制和定量加载；通过凸轮组合的配合运动，加载时压头保持在下位，与培养物接触，返程时压头在上位，与培养物分离，实现单向加载；通过控制水平步进电机，实现定时、定速加载，电机运行、停止、调速都可通过PC端或显示端控制，具有自动化程度高、精度高、控制性能优异、操作简便的特点。该生物反应器为组织工程培养提供了新的实践条件、方法和装置。

附图说明

图1为该生物反应器的结构示意图。

图2为该生物反应器的等轴测结构示意图。

图3为该生物反应器的俯视结构示意图。

图4为该生物反应器的前视结构示意图。

图5为单向滚动和单向滑动压头的局部结构示意图。

图中：1.机座底板；2.垫块a；3.楔形滑块a；4.楔形滑块b；5.载物台；6.水平导轨安装座a；7.自回复式位移传感器；8.位移传感器安装座；9.连接板；10.竖直直线导轨a；11.竖直导轨滑块a；12.竖直导轨安装板；13.弹性联轴器a；14.步进电机安装支架a；15.步进电机a；16.步进电机安装座a；17.步进电机安装支架b；18.步进电机b；19.弹性联轴器b；20.深沟球轴承b；21.输入轴b；22.偏心凸轮b；23.竖直直线导轨b；24.压头机构安装板；25.水平导轨安装座d；26.水平直线导轨d；27.滚动压头；28.水平导轨滑块d；29.齿轮a；30.齿条a；31.U型连杆a；32.水平导轨滑块c；33.水平导轨安装座c；34.齿轮b；35.培养基；36.U型连杆b；37.丝杠；38.螺母；39.步进电机安装支架c；40.步进电机c；41.水平导轨安装座b；42.步进电机安装座b；43.U型连杆c；44.水平直线导轨b；45.水平导轨滑块b；46.滑动压头；47.水平导轨滑块a；48.调节螺杆；49.限位块a；50.深沟球轴承a；51.竖直导轨滑块b；52.齿条b；53.水平直线导轨a；54.限位块b；55.垫块b；56.输入轴a；57.偏心凸轮a；58.水平直线导轨c。

具体实施方式

实施例：

一种单向滚动和单向滑动同步对照加载的生物反应器，如图1-5所示，包括机座底板1、水平驱动机构、压头加载机构、升降控制机构、位移检测机构及高度调节机构和载物台，所述机构分别固定在机座底板1上，

水平驱动机构包括步进电机c40、丝杠37、螺母38、U型连杆a31、U型连杆b36、U型连杆c43；步进电机c40的输出轴通过紧定螺钉与丝杠37和螺母38构成的丝杠螺母相连，丝杠螺母通过传动销与U型连杆b36连接，U型连杆b36与U型连杆a31一端通过传动销连接，将电机轴回转运动转化为各连杆的水平直线运动，U型连杆a31另一端通过螺栓与水平导轨滑块d28、水平导轨滑块c32连接，U型连杆b36与U型连杆c43一端通过传动销连接，U型连杆c43另一端通过螺栓分别与水平导轨滑块b45、水平导轨滑块a47连接，步进电机c40带动螺母38转动，丝杆37伸缩通过各U型连杆带动滚动压头27、滑动压头46同时水平移动；

压头加载机构包括滚动压头27、滑动压头46、齿条a30、齿条b52、齿轮a29、齿轮b34、水平导轨滑块a47、水平导轨滑块b45、水平导轨滑块c32、水平导轨滑块d28、水平直线导轨a53、水平直线导轨b44、水平直线导轨c58、水平直线导轨d26及相应的水平直线导轨安装座a6、b41、c33、d25，各直线导轨滑块沿相应导轨水平滑动，滚动压头27与齿轮a29、齿轮b34通过键连接，齿轮a29、齿轮b34分别与水平导轨滑块d28、水平导轨滑块c32连接，滑块滑动带动齿轮沿齿条a30、齿条b52水平方向啮合滚动，滑动压头46与水平导轨滑块a47、水平导轨滑块b45通过螺纹固定连接，可沿水平直线导轨a53、水平直线导轨b44水平方向滑动，滚动压头27、滑动压头46为圆柱形台阶轴，其直径根据实验需要分别进行更换；该实施例中，选择滚动压头27、滑动压头46的直径均为30mm。

升降控制机构包括步进电机a15、步进电机b18、弹性联轴器a13、弹性联轴器b19，输出轴a56、输出轴b21，偏心凸轮a57、偏心凸轮b22，连接板9、竖直导轨滑块a11、竖直导轨滑块b51，竖直直线导轨a10、竖直直线导轨b23等，步进电机a15输出轴通过弹性联轴器a13与输入轴a56连接，输入轴a56通过键连接驱动偏心凸轮a57转动，步进电机b18输出轴通过弹性联轴器b19与输入轴b21连接，输入轴b21通过键连接驱动偏心凸轮b22转动；偏心凸轮a57与偏心凸轮b22分别与连接板9的上下面接触，连接板9用螺纹连接固定在相互平行的竖直导轨滑块a11和竖直导轨滑块b51上，偏心凸轮a57和偏心凸轮b22转动时，连接板9与竖直导轨滑块a11和竖直导轨滑块b51固连在一起，沿相互平行的竖直直线导轨a10和竖直直线导轨b23上下移动，带动整个压头机构上下移动；

位移检测机构包括自回复式直线位移传感器7和安装座8，位移传感器7顶端与压头机构的安装板24接触，压头机构上下移动使传感器产生压缩位移；

高度调节机构包括垫块a2、垫块b55、调节螺杆48、楔形滑块a3和楔形滑块b4，调节螺杆48通过螺纹与楔形滑块a3相连，转动调节螺杆48，可带动楔形滑块a3水平移动，使楔形滑块b4上下移动，位于楔形滑块b4上面的载物台5高度发生变化，垫块b55的厚度根据实验需要进行更换；该实施例中，选择垫块b55的厚度为5mm。

载物台5为敞口矩形容器，载物台内充满组织培养液，为培养物提供近似于生物体内的液体环境。

该实施例中，自回复式位移传感器7、竖直直线导轨a10、竖直导轨滑块a11、弹性联轴器a13、步进电机a15、步进电机b18、弹性联轴器b19、深沟球轴承b20、竖直直线导轨b23、水平直线导轨d26、水平导轨滑块d28、水平导轨滑块c32、步进电机c40、水平直线导轨b44、水平导轨滑块b45、水平导轨滑块a47、调节螺杆48、限位块a49、深沟球轴承a50、竖直导轨滑块b51、水平直线导轨a53、水平直线导轨c58均为标准件。

本发明的工作程序：

使用前，先根据不同的实验条件及实验要求，通过垫块b55、调节螺杆48、楔形滑块a3、楔形滑块b4对载物台5进行高度粗调，使压头能够与载物台5上表面接触，并留有达到实验要求的上下移动的空间，如高度不足或过高，更换合适厚度的垫块b55。

滚动压头27、滑动压头46与培养基35接触后，记录位移传感器初始读数；然后控制步进电机a15转动，凸轮a57带动连接板9、竖直导轨滑块a11、竖直导轨滑块b51沿直线导轨移动，带动整个压头机构向上移动，使压头到达工作高度；同时，凸轮a57在下方约束住连接板9，使其在加载过程中不能向下移动。观察位移传感器示数变化，实现压缩量的准确调节。例如，培养物厚度为2mm，位移传感器读数较初始读数增加1.6mm，则此时压缩量为0.4mm。控制步进电机b18转动，凸轮b22与连接板9上表面完全接触，在上方约束住连接板9，使其在加载过程中不能向上移动，从而保证整个加载过程中压头机构高度恒定不变，培养物压缩量恒定不变。

滚动压头27固定在滑块28、32上，并与齿轮29、34固连，当滑块沿导轨26、58水平滑动时，滚动压头27只能与齿轮沿相应齿条30、52啮合进行滚动；滑动压头46与滑块47、45固连，当滑块水平移动时，滑动压头46只能随滑块沿导轨53、44进行滑动。

加载时，启动步进电机c40，调整至合适的参数，以满足不同加载速度的要求。步进电机c40驱动丝杠螺母38，通过U型连杆a31、U型连杆b36、U型连杆c43的连接，带动各水平导轨滑块沿导轨运动，从而带动滚动27、滑动压头46分别向前滚动、滑动，实现加载。

返程时，步进电机a15、步进电机b18同时转动一定角度，通过偏心凸轮a57、偏心凸轮b22驱动连接板9上移，压头机构到达空载高度，与培养物分离，不再接触。此时步进电机c40反转，滑块沿相反方向运动，带动各压头回到初始位置，等待下一个工作循环。压头回到初始位置后，步进电机a15、步进电机b18返回初始位置，带动压头机构下移，回到工作高度，开始下一个工作回合。

按照上述程序对各电机进行控制和编程，实现相应的顺序动作，即可通过PC端或者显示端来实现加载过程的控制，实现对组织工程培养物的定时、定量、定速的单向滚动和单向滑动同步对照加载。如需实现往复加载，则压头机构按照给定的压缩量始终保持在工作位置即可，其他过程与上述过程一致。