一种基于硬质材料的生物力学加载装置

本发明涉及一种基于硬质材料的生物力学加载装置。

背景技术：

骨组织是支撑人体的力学载荷器官，因此骨组织时刻处于复杂的生物力学环境之中。成骨细胞、软骨细胞等骨细胞具备响应生物力学刺激的能力，人体日常生活中的生物力学信号可以调控多种类型骨细胞的生物学功能。缺乏有效的力学刺激可以导致骨代谢失衡，例如长期处于太空失重环境中的宇航员，其负重骨骼会发生显著的骨质流失。由此可见维持力学刺激在骨质平衡中发挥着重要作用。为了更好地探究力学刺激和骨组织的关系，就有必要阐述清楚骨组织及骨细胞的生物力学应答机制。然而传统的生物力学研究大多采用flexcell系统，其通过在柔性基底膜上接种细胞，对基底膜施加拉应力或压应力等方式来完成，这种研究模式无法很好地模拟刚度较高的骨组织力学环境，从而限制了其研究结果的推广意义。

骨组织不同于其他的人体器官，为了适应人体承重及满足运动功能，它具有较强的刚度性能，较高的弹性模量。因此，想要探究真实骨组织内部细胞感应生物力学信号的机制就迫切需要构建一种可以在硬质材料上进行细胞生物力学功能探究的装置。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种基于硬质材料的生物力学加载装置，采用特定的金属或合金材料即可实现对内植物表面细胞生物力学性能的探究，可以很好模拟体内高刚度的骨组织力学环境。

实现上述目的的技术方案是：一种基于硬质材料的生物力学加载装置，包括控制器、驱动机构和执行机构，所述驱动机构和执行机构设置在基板上，其中：

所述执行机构包括下压杠杆和加力辅助容器；所述下压杠杆包括杠杆、连接框、支撑座和支架，所述杠杆横向设置，所述杠杆的一端插入并固定在所述连接框内，所述杠杆的另一端设置有钢丝绳上固定点；所述支撑座、加力辅助容器和支架从左至右依次设置在所述基板上；所述连接框的底端设置有两个连接头，其中一个连接头通过旋转轴与所述支撑座相连，另一个连接头与所述加力辅助容器的顶端相接触；所述杠杆搭接在所述支架上；

所述驱动机构包括电机驱动芯片、电机编码器和电机；所述电机驱动芯片和电机分别设置在所述基板上，并分设在所述支架的两侧，所述电机编码器分别与所述电机驱动芯片和电机通讯；所述电机的输出轴为钢丝绳下固定点；

所述钢丝绳上固定点和钢丝绳下固定点之间设置有钢丝绳；

所述控制器与所述电机驱动芯片通讯。

上述的一种基于硬质材料的生物力学加载装置，其中，所述控制器采用elmo运动控制软件；所述电机驱动芯片采用goldtwitter伺服驱动芯片；所述电机编码器的型号为aedl5810；所述电机采用maxondc直流电机，型号为re40。

上述的一种基于硬质材料的生物力学加载装置，其中，所述电机驱动芯片上设置有电机编码器接口，所述电机编码器的一端通过通讯线与所述电机编码器接口相连，另一端与所述电机相连。

上述的一种基于硬质材料的生物力学加载装置，其中，所述控制器用于设置电机运行力学参数；所述电机驱动芯片读取所述控制器上设定的电机运行力学参数；所述电机编码器将所述电机驱动芯片读取的运行力学参数指令给电机。

上述的一种基于硬质材料的生物力学加载装置，其中，所述加力辅助容器包括上压柱、立柱底座和外壳，其中：

所述上压柱和立柱底座一上一下地设置在所述外壳内；

所述上压柱包括顶板和均布在顶板下表面的四个上立柱，所述立柱底座包括底板和均布在底板上表面的四个下立柱，所述四个上立柱一一对应地插接在所述四个下立柱中，每个上立柱和其对应的下立柱形成一个伸缩立柱；

所述顶板的下表面设置有一个上卡槽，所述底板的上表面设置有一个下卡槽，所述上卡槽位于下卡槽的正上方。

上述的一种基于硬质材料的生物力学加载装置，其中，所述基板上设置有加力辅助容器安装槽，所述外壳的底端插接在所述加力辅助容器安装槽内；所述上压柱的顶板与相应的连接头相连。

上述的一种基于硬质材料的生物力学加载装置，其中，所述支撑座和与旋转轴相连的连接头上分别设置有轴孔，所述旋转轴穿插在所述支撑座和连接头上的轴孔内。

本发明的基于硬质材料的生物力学加载装置，具有以下优点：

(1)在硬质材料上进行力学加载来研究细胞生物学功能，有效解决了传统柔性基底膜上生物力学加载研究的局限性；

(2)硬质材料在刚度上更贴合人体内骨组织的基底环境，基于硬质材料进行生物力学加载更好地模拟真实的生物力学环境；

(3)传统柔性基底膜上的生物力学研究不适用于内植物-宿主骨界面处的力学环境。本发明的生物力学加载装置可更好地探究细胞在内植物表面黏附生长，受到内植物间接力学作用后的生物学功能变化，这种生物力学研究的结果可为更真实的探究骨组织的生物力学应答机制提供帮助，有利于探究内植物-宿主骨的骨整合情况，为临床骨整合研究提供新研究思路。

附图说明

图1为本发明的基于硬质材料的生物力学加载装置的立体结构图(主视方向)；

图2为本发明的基于硬质材料的生物力学加载装置的立体结构图(后视方向)；

图3为加力辅助容器的结构示意图；

图4为加力辅助容器的分解结构图。

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、图2、图3和图4，本发明的最佳实施例，一种基于硬质材料的生物力学加载装置，包括控制器(图中未显示)、驱动机构和执行机构，驱动机构和执行机构设置在基板1上，其中：

执行机构包括下压杠杆2和加力辅助容器3；下压杠杆2包括杠杆21、连接框22、支撑座23和支架24，杠杆21横向设置，杠杆21的一端插入并固定在连接框22内，杠杆21的另一端设置有钢丝绳上固定点41；支撑座23、加力辅助容器3和支架24从左至右依次设置在基板1上；连接框22的底端设置有两个连接头25、26，其中一个连接头25通过旋转轴27与支撑座23相连，另一个连接头26与加力辅助容器3的顶端相接触；杠杆21搭接在支架24上。具体地，支撑座23和与连接头25上分别设置有轴孔，旋转轴27穿插在支撑座23和连接头25上的轴孔内。

再请参阅图3和图4，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。

基板1上设置有加力辅助容器安装槽11，外壳33的底端插接在加力辅助容器安装槽11内；上压柱31的顶板311与连接头25相连。

再请参阅图1，连接框22绕着旋转轴27旋转时，带动杠杆21围绕旋转轴27转动，杠杆21向上抬起时，将加力辅助容器3的上压柱31向上拉起，上立柱312沿着相应的下立柱322向上运动；杠杆21向下抬起时，将加力辅助容器3的上压柱31向下压；上立柱312沿着相应的下立柱322向下运动。旋转轴27构成杠杆21的支撑旋转点。

驱动机构包括电机驱动芯片5、电机编码器(图中未显示)和电机6；电机驱动芯片5和电机6分别设置在基板1上，并分设在支架24的两侧，电机编码器分别与电机驱动芯片5和电机6通讯，电机驱动芯片5上设置有电机编码器接口51，电机编码器的一端通过通讯线与电机编码器接口51相连，另一端与电机6相连。控制器与电机驱动芯片5通讯。

电机6的输出轴为钢丝绳下固定点42。钢丝绳上固定点41和钢丝绳下固定点42之间设置有钢丝绳。拉紧钢丝绳后，电机6转动即可下拉杠杆21施加力学作用。

控制器用于设置电机运行力学参数；电机驱动芯片5读取控制器上设定的电机运行力学参数；电机编码器将电机驱动芯片5读取的运行力学参数指令给电机6。

控制器采用elmo运动控制软件；通过usb线与电机驱动芯片5相连，在软件操作界面中进行电机运行力学参数设置，如电机转幅、频率等。

电机驱动芯片5采用goldtwitter伺服驱动芯片；该电机驱动芯片拥有超大功率、体积小、重量轻等优点。主要参数如下：最大功率5.2kw，额定电压70v，效率99％以上。

电机编码器的型号为aedl5810；主要参数如下：通道数为3，旋转一周的脉冲数是5000，最大转速为30000rpm，电压5.0v±10.0％，驱动逻辑eiars422。

电机6采用maxondc直流电机，型号为re40。主要参数如下：转速常数317rpm/v，转速/转矩斜率3.14rpm/mnm，电压24v，空载转速7580rpm，空载电流137ma，常规转速6940rpm，转矩177mnm，电流6a，最大效率91％，转矩常数30.2mnm/a，轴承类型：球轴承，最大允许转数12000rpm，重量480g。

本发明的基于硬质材料的生物力学加载装置，在使用时，将细胞接种在硬质材料100上。在力学加载前将载有硬质材料的培养皿从恒温培养箱中取出，在超净台上打开培养皿盖，打开已消毒的加力辅助容器收纳消毒盒，在超净台上戴无菌手套，从消毒盒中取出一把无菌镊子，用镊子夹起培养皿中的硬质材料100，左手从消毒盒中拿出上压柱31和立柱底座32，先将硬质材料100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，硬质材料100的上端卡入在上压柱31的上卡槽313内，用移液枪吸取培养基加入加力辅助容器中以保证在加力过程中，细胞有营养支持。最后用手术切口无菌保护膜封住加力辅助容器的上半部分，将其置入基板1上的加力辅助容器安装槽11中。电机6插电源，电机驱动芯片5用usb与电脑上的控制器相连，打开elmo运动控制软件，连接力学加载装置，设置电机运行力学参数。电机驱动芯片5读取控制器上设定的电机运行力学参数；电机编码器将电机驱动芯片5读取的运行力学参数指令给电机6，电机6读入电机运行力学参数，拉紧钢丝绳，通过操作elmo运动控制软件上的开始按键，拉紧钢丝绳后，电机6转动即可下拉杠杆21施加力学作用，连接头26加压在加力辅助容器3的顶端，开始对硬质材料100进行力学加载。力学加载固定时间后先点击停止按键，取消对钢丝绳的赋能，此时钢丝绳处于松弛状态，上抬杠杆21，取出加力辅助容器。在超净台上打开无菌保护膜，打开加力辅助容器3收纳消毒盒盖子，戴上无菌手套，轻轻取出上压柱31和立柱底座32组合体，右手取下上压柱31放入加力辅助容器收纳消毒盒中，用无菌镊子取下立柱底座32的下卡槽323中的硬质材料100，放回原培养皿，取下一个硬质材料重复前述操作进行力学加载。

这样，可以更好地模拟真实的生物力学环境；在硬质材料上进行力学加载来研究细胞生物学功能，有效解决了传统柔性基底膜上生物力学加载研究的局限性；可更好地探究细胞在内植物表面黏附生长，受到内植物间接力学作用后的生物学功能变化，这种生物力学研究的结果可为更真实的探究骨组织的生物力学应答机制提供帮助，有利于探究内植物-宿主骨的骨整合情况，为临床骨整合研究提供新研究思路。

本发明的基于硬质材料的生物力学加载装置，基本原理为通过对硬质材料施加参数可控的力学刺激来间接探究粘附并生长于硬质材料表面的细胞生物学功能变化，从而达到模拟体内生物力学环境的目的。特别的，随着我国老龄化进程的加速，内植物应用市场规模不断扩大，如何解决内植物无菌性假体松动是临床亟待解决的难题。利用本发明的生物力学加载装置，采用特定的金属或合金材料即可实现对内植物表面细胞生物力学性能的探究。

综上所述，本发明的基于硬质材料的生物力学加载装置，采用特定的金属或合金材料即可实现对内植物表面细胞生物力学性能的探究，可以很好模拟体内高刚度的骨组织力学环境。

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。