一种体外动态培养系统的制作方法

技术领域：

本发明属于软骨等活性组织修复技术领域，具体涉及一种体外动态培养系统，应用于软骨等活性组织的长期体外动态培养及力学刺激对其影响的研究。

背景技术：
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关节软骨没有血管、淋巴管和神经，仅仅依靠弥散获取营养，其营养依赖于滑膜的周围血管丛、关节滑液及邻近骨髓腔的血管。从关节滑液中，关节软骨既可获得营养物质，也可以排除代谢废物。关节运动对于维持关节软骨的正常结构起着重要的作用，适当的运动可以使关节软骨不断地受到压力刺激，同时关节滑液的运动能为关节软骨提供更好的营养供应和排出废物，从而促进关节软骨的新陈代谢。同样，对于组织工程软骨来说，适当的力学刺激和运动一方面可以直接刺激并影响种子细胞的生长和增殖，另一方面通过促进培养液在三维细胞支架中的循环，间接促进软骨种子细胞的增殖和胞外基质的分泌，从而促进组织工程软骨的生长。现存的应用于组织工程软骨体外动态培养的装置中，只能从单一方向施加应变载荷，无法有效模拟自然关节软骨组织在体内的运动和受力状态，无法研究应变和剪切复合作用对组织工程软骨生长的影响。

技术实现要素：
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本发明的目的在于提供一种体外动态培养系统，其结构简单、操作方便，能够提供一种体外仿生环境对软骨等活性组织进行动态培养，并且通过施加一定频率的应变、摩擦等力学刺激因素，来评价相关因素对组织生长或破坏的影响。同时设计多孔软质腔体夹具来夹持样品，可以保证培养液透过夹具与样品的各部位接触，为组织提供接近体内的仿生的力学环境和营养供给。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种体外动态培养系统，包括机座、机架、水平运动单元、竖直加载单元、样品夹具、加载上试样和夹具；其中，水平运动单元和机架固定连接在机座上，竖直加载单元固定连接在机架上，样品夹具固定连接在水平运动单元的工作台上，加载上试样和夹具固定连接在竖直加载单元的工作台上。

本发明进一步的改进在于，样品夹具包括移动拖板，移动拖板上设置有若干个相同结构的工作位，每个工作位上自下而上依次设置有转动盘、u型槽和组合样品槽，组合样品槽一侧还设置有样品槽垫板。

本发明进一步的改进在于，每个工作位上的转动盘与移动拖板之间通过深沟球轴承活动连接，每个工位上还设置有安装在移动拖板上的限位销钉，限位销订位于转动盘的两侧，用于限定转动盘在水平面内的转动角度在±10°范围内。

本发明进一步的改进在于，加载上试样和夹具包括上试样夹具以及设置在上试样夹具的若干个加载上试样，若干个加载上试样与移动拖板上的若干个工作位相对应，上试样夹具固定连接在竖直加载单元的工作台上。

本发明进一步的改进在于，所述的组合样品槽外部是由金属或者高分子聚合物材料制成，而内部与样品接触起夹持作用的部分由多孔软质材料经过翻模工艺制成。

本发明进一步的改进在于，组合样品槽包括配合使用的软质腔体成形凹模和软质腔体成形凸模。

本发明进一步的改进在于，在软质腔体成形凹模与加载上试样的水平相对运动方向相平行的两侧壁内表面加工有多齿结构，在软质腔体成形凹模(22)与加载上试样的水平相对运动方向相垂直的方向上加工有凹槽。

本发明进一步的改进在于，凹槽的宽度为4mm，深度为1mm。

本发明进一步的改进在于，在软质腔体成形凸模分型面的两侧边缘加工有两个溢料口。

本发明进一步的改进在于，水平运动单元和竖直加载单元均采用200w伺服电机驱动，且竖直加载单元的伺服电机顶端加装有失电制动模块，断电情况下能够使竖直加载单元的工作台停在原位，防止加载上试样和夹具由于重力作用而撞上样品夹具；

竖直加载单元上加装有光栅尺，其中标尺光栅固定安装在竖直加载单元的底座侧壁上，光栅读数头固定安装在竖直加载单元的工作台侧壁上，光栅尺能够将竖直加载单元工作台的运动信息反馈给控制器，以提高竖直加载单元的运动控制精度。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、本发明所述的一种体外动态培养系统，结构简单、操作方便，尺寸小，可以在无菌操作台中使用，从而保证测试组织的无菌性。

2、本发明所述的一种体外动态培养系统，通过运动单元和加载单元在水平和竖直方向上的单独工作或协同工作，可以为测试样品提供轴向载荷、剪切等复合力学刺激，可以研究各种复合状态下的载荷对样品力学及生物学等性能的影响，同时4个串联工作位可以一次测试多个样品，效率高，且利于保证各个工位内样品的加载和运动的一致性。

3、本发明所述的组合样品槽夹具，通过内部的多孔软质腔体来夹持样品，方便样品的装入和取出，同时为样品提供一个仿生的柔性安装环境和弥散给养的营养供应条件，在动态培养的过程中，通过渗透作用向样品的各个部位输送营养，保证组织样品获得良好的营养供应，而且几乎不会产生磨屑或者磨粒从而影响样品的生长状态。

4、本发明所述的组合样品槽夹具在水平面内具有±10°的转动自由度，能够使样品在动态培养过程中根据受力情况进行类似于自然关节内外旋的自适应调整。

附图说明：

图1为本发明的一种体外动态培养系统的总体爆炸结构示意图；

图2为样品夹具部分示意图；

图3为移动拖板的结构示意图；

图4为转动盘的结构示意图；

图5为u形槽的结构示意图；

图6为组合样品槽的制备过程示意图；

图7为组合样品槽硬质外壳即软质腔体成形凹模的结构示意图；

图8为组合样品槽软质腔体成形凸模的结构示意图；

图9为加载上试样和夹具部分的结构示意图；

图10为上试样夹具的结构示意图；

图11为加载上试样的结构示意图；

图12为本发明的一种体外动态培养系统总体结构示意图。

图中，1-机座；2-水平运动单元；3-移动拖板；4-第一连接螺钉；5-深沟球轴承；6-限位销钉；7-转动盘；8-第二连接螺钉；9-u型槽；10-紧定螺钉；11-第三连接螺钉；12-组合样品槽；13-样品槽垫板；14-上试样夹具；15-加载上试样；16-第四连接螺钉；17-第五连接螺钉；18-机架；19-竖直加载单元；20-样品夹具；21-加载上试样和夹具；22-软质腔体成形凹模；23-多孔软质腔体材料；24-软质腔体成形凸模；

1901-失电制动模块；1902-光栅尺；2201-多齿结构；2202-凹槽；2401-溢料口。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的实施案例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

参照图1，本发明提供的一种体外动态培养系统，包括机座1、机架18、水平运动单元2、竖直加载单元19、样品夹具20以及加载上试样和夹具21；其中，样品夹具20由移动拖板3、深沟球轴承5(型号选用6001rs)、限位销钉6、转动盘7、u型槽9、组合样品槽12、样品槽垫板13以及第一连接螺钉4、第二连接螺钉8、第三连接螺钉11和紧定螺钉10组成；加载上试样和夹具21由上试样夹具14、加载上试样15以及第四连接螺钉16、第五连接螺钉17组成；水平运动单元2和机架18通过螺钉固定连接在机座1，竖直加载单元19通过螺钉固定连接在机架18上，样品夹具20通过螺钉固定连接在水平运动单元2的工作台上，加载上试样和夹具21通过螺钉固定连接在竖直加载单元19的工作台上。

参照图2和图12，所述的一种体外动态培养系统，由4个相同结构的工作位组成，4个工作位在水平方向等间距排列，共用一个上试样夹具14和移动拖板3，每个工作位由加载上试样15、组合样品槽12、样品槽垫板13、u型槽9、转动盘7、限位销钉6、深沟球轴承5、以及第一连接螺钉4、第二连接螺钉8、第三连接螺钉11和紧定螺钉10组成；其中深沟球轴承5安装在移动拖板3上，其外圈与移动拖板3上的轴承座孔采用k7/h6的基轴制过渡配合；转动盘7通过下部的转轴安装在深沟球轴承5的内圈中，并与轴承内圈采用h7/k6的基孔制过渡配合，使转动盘7可以在水平面内转动，限位销钉6安装在移动拖板3上，并与移动拖板3上的销钉孔采用h7/h6的基轴制间隙配合，限位销订的作用是限定转动盘7在水平面内的转动角度在±10°范围内，转动盘7的作用是使样品根据受力情况进行类似于自然关节内外旋的小范围自适应调整，当不需要转动盘7转动时，可以通过第二连接螺钉8将转动盘7固定连接在移动拖板3上；u型槽9通过2个薄头内六角第三连接螺钉11固定连接在转动盘7上；组合样品槽12安装在u型槽9中，紧定螺钉10在u型槽9的一侧通过推动样品槽垫板13将组合样品槽12固定在u型槽9中；移动拖板3通过第一连接螺钉4固定连接在水平运动单元2的工作台上；加载上试样15通过第四连接螺钉16固定连接在上试样夹具14上；上试样夹具14通过第五连接螺钉17固定连接在竖直加载单元19的工作台上。

参照图3，为移动拖板的结构示意图，从其上分布的轴承安装孔和销钉孔可以看出4个工作位的分布情况。

参照图4，为转动盘的结构示意图，由两部分组成：下部与轴承内圈配合的转轴部分、上部与u形槽连接的托盘部分。

参照图5，为u形槽的结构示意图，其功能是夹持组合样品槽12。

参照图6，为组合样品槽的制作过程示意图，包括以下步骤：

步骤1)设计并加工出组合样品槽12的硬质外壳，将其作为软质腔体成形凹模22，根据组织样品的高度或者厚度，在软质腔体成形凹模22中设计出分型面位置；在软质腔体成形凹模22内部与加载上试样15的水平相对运动方向相平行的两侧壁内表面加工有多齿结构2201，同时在软质腔体成形凹模22底部内表面与加载上试样15的水平相对运动方向相垂直的方向上加工有宽4mm，深1mm的凹槽2202，这些结构都是为了增加组合样品槽12的软质腔体成形凹模22的附着力，防止动态加载过程中多孔软质腔体与软质腔体成形凹模22在组合样品槽12与加载上试样15的水平相对运动方向上发生较大幅度的相对错动；软质腔体成形凹模22的材质为不锈钢或超高分子量聚乙烯，将其作为成形多孔软质腔体材料23，如pva，的凹模，在软质腔体成形凹模22中设计出分型面位置；

步骤2)按照组织样品的外形尺寸，设计并加工出软质腔体成形凸模24，根据样品的大小，一个组合样品槽12中可以设计出多个样品装夹位置，这些都是通过软质腔体成形凸模24的设计来实现的；在软质腔体成形凸模24分型面的两侧边缘设计有两个溢料口2401；

步骤3)配制待成形的多孔软质腔体材料23(如15％pva溶液)，将其注入软质腔体成形凹模22中，然后将软质腔体成形凸模24合入软质腔体成形凹模22中；

步骤4)将步骤3)中的模具连带其中的pva溶液放入-20℃冰箱中，经过两次冷冻解冻循环(每次冷冻14h，然后解冻6h)，脱去凸模即可获得pva软质腔体，pva软质腔体与软质腔体成形凹模22一起组成组合样品槽12。

成型后的多孔软质腔体夹具弹性好且多孔吸水，动态培养的过程中既可以随活性组织样品一起被压缩，又能够渗透培养液为夹具中夹持的样品输送营养，而且几乎不会产生磨屑或者磨粒从而影响组样品的生长状态；每个工作位中的组合样品槽12可以安装若干个实验样品，这样一次实验可以动态培养多个样品，效率高。

参照图7，为组合样品槽硬质外壳即软质腔体成形凹模的结构示意图，其两侧内凸的多齿结构2201和底部的凹槽2202有利于多孔软质腔体与软质腔体成形凹模22更好地贴合，且多齿结构2201排列方向平行于上试样与样品相对运动方向，防止加载和运动过程中，多孔软质腔体脱离软质腔体成形凹模22随加载上试样一起运动，从而起不到应有的加载效果。

参照图8，为组合样品槽软质腔体成形凸模的结构示意图，其上等间距排列4个成形凸模，所以每个组合样品槽一次可装夹4个试样。

参照图9，为加载上试样和夹具部分的结构示意图，加载上试样固连在上试样夹具上，随上试样夹具一起运动。

参照图10，为上试样夹具的结构示意图，从中也可看出4个工作位的排列状况。

参照图11，为加载上试样的结构示意图，其上部带有两个安装孔，为装夹部分；底面为工作面，经过抛光处理，实验过程中与组织样品直接接触。

参照图12，所述的4个工作位共用一个水平运动单元2以及竖直加载单元19，从而保证各个工作位运动和加载的一致性。所述的水平运动单元2和竖直加载单元19均采用200w伺服电机驱动，工作台下方都加装有防尘罩，导轨均采用精密线性滑块方形导轨；竖直加载单元19的伺服电机顶端加装有失电制动模块1901，断电情况下能够使竖直加载单元19的工作台停在原位，防止加载上试样15和上试样夹具14由于重力作用而撞上样品夹具20；竖直加载单元19上加装有光栅尺1902，其中标尺光栅固定安装在竖直加载单元19的底座侧壁上，光栅读数头固定安装在竖直加载单元19的工作台侧壁上，光栅尺1902能够将竖直加载单元19工作台的运动信息反馈给控制器，以提高竖直加载单元19的运动控制精度。

通过计算机输入往复运动的起始位置、行程、速度、加速度运动控制参数，9030运动控制卡接收计算机发出的指令，并将其转化成数字和脉冲信号，然后发送给电机驱动器，水平运动单元2和竖直加载单元19的伺服电机在该运动控制参数下工作，同时驱动滚珠丝杠运动副带动两个工作台作对应参数的往复运动，其中往复运动的频率是通过行程、速度、加速度参数的输入来间接设置的；通过9030运动控制卡控制两个伺服电机的两轴协调运动，从而实现水平运动单元2和竖直加载单元19的单轴运动以及两轴组合运动，进而给样品施加不同频率及幅值的竖直方向上的应变载荷、不同频率及幅值的水平方向上的滑动摩擦以及两个方向上的组合载荷。

利用体外动态培养系统对软骨等活性组织样品进行体外动态培养，包括以下步骤：

步骤1，将制备好的软骨等组织样品装夹入组合样品槽12的软质腔体的样品孔中；

步骤2，将装有样品的组合样品槽12安装到u型槽9中，通过紧定螺钉10推动垫板13将组合样品槽夹持在u型槽9中，并在组合样品槽12中加入培养液；

步骤3，打开水平运动单元2以及竖直加载单元19的控制软件，将加载上试样15和样品的相对位置调整到初始位置，使两者刚刚接触上；

步骤4，根据所要施加的应变载荷的大小和频率，编写竖直加载单元19的控制程序；根据所要施加的剪切运动的行程和频率，编写水平运动单元2的控制程序。可以采用单轴点位运动的模式单独施加应变或者剪切，也可以采用两轴组合点位运动的模式实现应变和剪切的组合施加；

步骤5，动态培养结束后，将组合样品槽12从u型槽9中取出，吸出上部的培养液，将样品从组合样品槽12中取出，转入培养瓶内继续培养或者进行相关的检测。