专利名称：一种双频压缩-径向扭转椎间盘组织工程生物反应器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及生物医学工程技术领域，特别是是一种用于体外构建功能化椎间 盘组织的双频压缩-径向扭转椎间盘组织工程生物反应器。
背景技术：
在骨科领域中，因椎间盘退变而引起的下腰痛及其他脊椎病已经给人们的生活造 成了严重的经济和精神损失。随着医疗水平技术的不断提高，临床上采用了许多新方法、新 材料进行治疗，但是仍没有合适的方法获得满意的治疗效果。近年来国内外很多学者应用 组织工程学的技术和方法建立骨组织工程、软骨组织工程等，同样的椎间盘组织工程作为 一种新的技术路线，为退变椎间盘的形态结构与生理功能的完全再生修复带来了希望。椎间盘组织由髓核、纤维环和软骨板三部分组成，它是一种粘弹性的材料，可以吸 收震荡或运动传递到此处的能量，对脊柱的运动和生理功能具有重要影响。根据椎间盘体 内真实的生理受载研究，我们知道椎间盘的承载方式很复杂，通常是压缩、弯曲和扭转的复 合。目前，椎间盘组织的培养多为单层和三维静止培养，而这些传统的静态组织细胞培养方 法和系统很难满足构建结构-功能化椎间盘组织器官结所需的要求。许多研究表明，维持 椎间盘正常的结构、成分和机械力学特性都需要一定基础量的机械力学负荷。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。国内外学者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。有学者研究了新型旋转壁式生物反应器对组织工程骨的构建(生物化学与生 物物理进展，2004，31 (11)，996-1004);腰椎间盘随和摘除术后疲劳载荷对椎间盘形态的影 响(颈腰痛杂志，2009,30 (4), 306-309) ；Wiseman ^ (Spine, 2005, 30 (5) :505-511)证实机 械负荷不同对牛尾椎性髓核细胞代谢和基质组成的影响不同；J. C. Lotz则研究了静态压 缩和动态压缩载荷对椎间盘退变过程的影响(Biochemical Society Transactions, 2002， 30 (6),853-858).专利W02004/046304给出了压力和剪应力耦合作用的生物反应器；发 明专利(申请号200480038317. 9，公开号CN 1898375A)介绍了用于对具有三维形状、活 性和机械抗力的细胞移植体进行培养和刺激的方法和生物反应器。用于软骨组织培养的施 加滚动载荷与滑动载荷的生物反应器(申请号200720096199，公开号000000000)，介绍了 仿生力载荷对于组织培养的重要性。但是目前，没有对椎间盘组织培养进行双频压缩-径 向旋转加载装置的报道。 体外培养的力学条件是否与体内真实的受力环境一致，是能否在体外构建功能化 椎间盘组织的关键。本实用新型，根据人体椎间盘的受载特征并结合力学因素对组织工程 培养的影响，设计出轴向双频压缩-径向旋转的加载装置，该装置旨在提供单一不同幅度 的轴向压缩、不同幅度和频率双频加载及对纤维环组织具有重要作用的扭转力作用，构建 有利于组织生长、发育的类似于椎间盘在体状态的力学环境。发明内容本实用新型的目的是依据现有技术，针对人类椎间盘方面的疾病而提供一种结构 紧凑、体积小、驱动灵敏、微位移精度高的双频压缩-径向扭转椎间盘组织工程生物反应
ο本实用新型的技术方案一种双频压缩-径向扭转椎间盘组织工程生物反应器，包括加载装置框架、电机 驱动机构、压电陶瓷加载机构、径向扭转机构和培养室，加载装置框架由上底座和下底座通 过三根立柱固定连接构成；电机驱动机构包括电机、凸轮支架、凸轮和凸轮轴，电机和凸轮 支架分别与上底座固定，凸轮设置于凸轮支架上并通过凸轮轴与电机轴固定连接；压电陶 瓷加载机构包括套筒、压电陶瓷、顶杆、绝缘板和加载头，套筒与上底座的下面固定，压电陶 瓷设置于套筒内并与之滑动配合，顶杆与凸轮工作面相接，顶杆、压电陶瓷、绝缘板和加载 头连成一体；径向扭转机构包括步进电机和加载平台，加载平台与步进电机轴固定连接； 培养室包括培养室底座、培养室体和培养室盖，培养室底座与加载平台通过接触面摩擦紧 密相接，培养室体为杯状结构并与培养室底座固定，培养室盖为倒杯状结构并倒扣在培养 室体上，培养物置于培养室底座上，加载头施压于培养物上。本实用新型的工作机理本实用新型是一种体外构建椎间盘的加载装置，能够对培养物提供低频-高幅和 高频-低幅及扭转的加载过程，从功能上分为低频高幅加载机构、高频低幅加载机构和扭 转加载机构。低频高幅加载机构的工作程序步进电机通过凸轮轴带动凸轮旋转，凸轮与顶杆 为紧密配合，凸轮旋转使得顶杆上下运动，对培养物施加低频高幅的压缩载荷；凸轮的行程 可调，即通过改变凸轮上拧紧螺钉来改变凸轮的旋转中心，从而改变凸轮的偏心距，实现行 程调节，通过控制器控制电机的转速与凸轮一起实现对压缩量的调节，为不同椎间盘组织 提供合适的压缩载荷。高频低幅加载机构的工作程序通过压电陶瓷电源驱动，给压电陶瓷输入设定的 电信号，压电陶瓷在电信号的作用下产生规律性的变形，将作用力传递给绝缘板，绝缘板带 动加载头5运动，从而实现对培养物施加高频低幅的轴向加载。通过上述两个机构，将为椎 间盘组织提供接近生理受载状况的低频高幅-高频低幅耦合的双频受载形式。扭转加载机构的工作程序电机通电后产生逆时针和顺时针相交互的正反转动， 电机带动加载平台及培养室底座一起扭动，由于培养物与培养室底座表面的摩擦力足以使 其与培养室同时扭转；上端由于加载头的垂直压力，因此培养物发生类似于在体环境下由 于弯曲、扭转运动所产生的扭转作用，即实现对培养物的扭转加载。所述电机的扭转频率可 调节成使其接近人体腰椎间盘部位正常工作时的情况。上述三种机构在培养物放好以后同时工作，模拟腰椎间盘在体内的生长环境，同 时受到低频高幅-高频低幅加载和扭转加载，这种复合加载的力学环境更接近人体椎间盘 受载形式，为椎间盘细胞的生长、发育提供了有利的条件，这种动态加载装置为体外构建功 能化椎间盘组织提供了实践条件。本实用新型的有益效果是采用步进电机驱动系统和压电陶瓷位移器对培养物施 加扭转和高频加压两种载荷，接近人类腰椎间盘生长和工作的力学环境。本实用新型结构
4紧凑、体积小、驱动灵敏、微位移精度高，可使培养物的变形达25%，从而为椎间盘培养提供 符合体内生长所需的力学环境。
图1为该双频压缩-径向旋转椎间盘组织工程生物反应器剖视结构示意图。图2为该双频压缩-径向旋转椎间盘组织工程生物反应器整体结构示意图。图中1.上底座 2.下底座 3.立柱 4.电机 5.凸轮支架6.凸轮 7.凸轮轴 8.套筒 9.压电陶瓷 10.顶杆 11.绝缘板12.加载头 13.步进电机 14.加载平台 15.步进电机轴16.培养室底座 17.培养室体 18.培养室盖 19.培养物。
具体实施方式
实施例一种双频压缩-径向扭转椎间盘组织工程生物反应器，包括加载装置框架、电机 驱动机构、压电陶瓷加载机构、径向扭转机构和培养室，加载装置框架由上底座1和下底座 2通过三根立柱3固定连接构成；电机驱动机构包括电机4、凸轮支架5、凸轮6和凸轮轴7， 电机4和凸轮支架5分别与上底座1固定，凸轮6设置于凸轮支架5上并通过凸轮轴7与 电机4轴固定连接；压电陶瓷加载机构包括套筒8、压电陶瓷9、顶杆10、绝缘板11和加载 头12，套筒8与上底座1的下面固定，压电陶瓷9设置于套筒8内并与之滑动配合，顶杆10 与凸轮6工作面相接，顶杆10、压电陶瓷9、绝缘板11和加载头12连成一体；径向扭转机构 包括步进电机13和加载平台14，加载平台14与步进电机轴15固定连接；培养室包括培养 室底座16、培养室体17和培养室盖18，培养室底座16与加载平台14通过接触面摩擦紧密 相接，培养室体17为杯状结构并与培养室底座16固定，培养室盖18为倒杯状结构并倒扣 在培养室体17上，培养物19置于培养室底座16上，加载头12施压于培养物19上。
权利要求1. 一种双频压缩-径向扭转椎间盘组织工程生物反应器，其特征在于包括加载装置 框架、电机驱动机构、压电陶瓷加载机构、径向扭转机构和培养室，加载装置框架由上底座 和下底座通过三根立柱固定连接构成；电机驱动机构包括电机、凸轮支架、凸轮和凸轮轴， 电机和凸轮支架分别与上底座固定，凸轮设置于凸轮支架上并通过凸轮轴与电机轴固定连 接；压电陶瓷加载机构包括套筒、压电陶瓷、顶杆、绝缘板和加载头，套筒与上底座的下面固 定，压电陶瓷设置于套筒内并与之滑动配合，顶杆与凸轮工作面相接，顶杆、压电陶瓷、绝缘 板和加载头连成一体；径向扭转机构包括步进电机和加载平台，加载平台与步进电机轴固 定连接；培养室包括培养室底座、培养室体和培养室盖，培养室底座与加载平台通过接触面 摩擦紧密相接，培养室体为杯状结构并与培养室底座固定，培养室盖为倒杯状结构并倒扣 在培养室体上，培养物置于培养室底座上，加载头施压于培养物上。
专利摘要一种双频压缩-径向扭转椎间盘组织工程生物反应器，包括加载装置框架、电机驱动机构、压电陶瓷加载机构、径向扭转机构和培养室，加载装置框架由上底座和下底座通过三根立柱固定连接构成；电机驱动机构包括电机、凸轮支架、凸轮和凸轮轴；压电陶瓷加载机构包括套筒、压电陶瓷、顶杆、绝缘板和加载头；径向扭转机构包括步进电机和加载平台；培养室包括培养室底座、培养室体和培养室盖，培养物置于培养室底座上，加载头施压于培养物上。本实用新型的优点是通过对培养物施加扭转和双频加压两种载荷，接近人类腰椎间盘生长和工作的力学环境；该装置结构紧凑、驱动灵敏、微位移精度高，具有十分重要的应用价值。
文档编号C12M3/00GK201883096SQ20102059710
公开日2011年6月29日 申请日期2010年11月9日 优先权日2010年11月9日
发明者付立会, 张春秋, 徐宝山, 武汉, 董心, 高丽兰 申请人:天津理工大学