專利名稱：動態(tài)載荷與循環(huán)灌流生物反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于骨組織工程與細(xì)胞生物力學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種用于組織工程骨 的動態(tài)培養(yǎng)和研究三維培養(yǎng)條件下動態(tài)壓應(yīng)變對間充質(zhì)干細(xì)胞、成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞、軟骨 細(xì)胞等細(xì)胞生長及分化影響的生物反應(yīng)器。
背景技術(shù)：
近年來有關(guān)生物組織應(yīng)力-生長關(guān)系的研究表明，從器官、組織到細(xì)胞、亞細(xì)胞等 各個層次上的生命運動都是在一定力學(xué)環(huán)境中進(jìn)行的。應(yīng)力和生長的關(guān)系在細(xì)胞水平上主 要表現(xiàn)在兩個方面單個細(xì)胞的生物學(xué)行為，如增殖、形態(tài)和分泌功能等的影響；群體細(xì)胞 組織的整體行為影響，如成骨細(xì)胞與破骨細(xì)胞功能的增強(qiáng)，骨細(xì)胞、成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞在 對力學(xué)響應(yīng)過程中的相互影響、力學(xué)信號傳導(dǎo)以及基因的表達(dá)等。由于體內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，細(xì)胞 的體外分離培養(yǎng)技術(shù)為研究細(xì)胞生理、病理現(xiàn)象提供了一種可行的研究方法，而利用組織 工程原理，在體外三維培養(yǎng)條件下進(jìn)行應(yīng)力加載，也是目前細(xì)胞力學(xué)研究中的重要方法。目前在組織工程研究中使用的有代表性的生物反應(yīng)器包括(1)攪拌式生物反應(yīng) 器；(2)旋轉(zhuǎn)壁式生物反應(yīng)器；(3)中空纖維式生物反應(yīng)器；(4)直接灌流式生物反應(yīng)器； (5)應(yīng)力加載式生物反應(yīng)器等，模擬正常生理條件下的力學(xué)環(huán)境。但真正適合對組織工程骨 在體外長期培養(yǎng)的同時予以力學(xué)載荷的生物反應(yīng)器卻甚少，而且他們都與擬申請的專利有 很大的不同。關(guān)于用于骨組織和組織工程化培養(yǎng)物的應(yīng)力加載的生物反應(yīng)器，國內(nèi)外僅有少量 文獻(xiàn)和專利報道；其動態(tài)應(yīng)力或應(yīng)變加載的動力系統(tǒng)也主要是采用步進(jìn)電機(jī)類，而且存在 許多不足，如應(yīng)力或應(yīng)變加載及數(shù)據(jù)的跟蹤記錄不夠精確；無法同時對組織培養(yǎng)物進(jìn)行真 正有效的長期無菌條件下的灌流培養(yǎng)；實用性能差、實驗效率低等。發(fā)明人前期開發(fā)的壓電 陶瓷加載裝置與國外報道的同類研發(fā)產(chǎn)品也均存在上述的不足。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的是克服現(xiàn)有的力學(xué)刺激型生物反應(yīng)器的不足，該裝置可廣泛應(yīng) 用于組織工程、細(xì)胞生物力學(xué)等方面的研究工作。一種動態(tài)載荷與循環(huán)灌流生物反應(yīng)器，包括主體、滑動套筒模塊和三維立體培養(yǎng) 艙模塊，所述主體包括底座，側(cè)面支撐板和上支撐板，側(cè)面支撐板的下端固定在底座上，上 端固定有上支撐板，在側(cè)面支撐板上開設(shè)有凹形滑槽，所述滑動套筒模塊包括滑動套筒、壓 電陶瓷、升降調(diào)節(jié)螺桿、和緊固螺桿，滑動套筒能夠在所述凹形滑槽內(nèi)平穩(wěn)地上下滑動，升 降調(diào)節(jié)螺桿的一端通過軸承安裝于上支撐板上，下端通過螺紋與滑動套筒相連，壓電陶瓷 貫穿滑動套筒，壓電陶瓷的后端為固定端，固定有后端蓋，緊固螺桿一端連接于上支撐板， 另一端與壓電陶瓷后端蓋緊密接觸，壓電陶瓷與壓電陶瓷伺服器電氣相連，所述的壓電陶 瓷伺服器用于向其施加頻率及波形可調(diào)的電壓；所述的三維立體培養(yǎng)艙模塊包括上表面開 設(shè)有通孔的培養(yǎng)艙主體、連接在培養(yǎng)艙主體底部的加載物放置平臺，壓電陶瓷通過所述通孔貫穿到三維立體培養(yǎng)艙內(nèi)，其活動端連接有加載棒；所述培養(yǎng)艙主體還開設(shè)有外接蠕動 泵的進(jìn)液孔和出液孔。本實用新型采用具有位移反饋的壓電陶瓷動態(tài)壓應(yīng)變加載系統(tǒng)，結(jié)合三維循環(huán)灌 流培養(yǎng)系統(tǒng)，構(gòu)建一種既可以用于三維培養(yǎng)條件下研究動態(tài)壓應(yīng)變對間充質(zhì)干細(xì)胞、成骨 細(xì)胞、破骨細(xì)胞、軟骨細(xì)胞等細(xì)胞生長、分化的影響，又可以用于組織工程骨長期動態(tài)培養(yǎng) 的生物反應(yīng)器。整個生物反應(yīng)器系統(tǒng)具有操作簡單，實用性高，無菌密封性能好，加載應(yīng)變 輸出精度高，數(shù)據(jù)跟蹤記錄及時、準(zhǔn)確的特點。技術(shù)效果具體如下(1)通過升降調(diào)節(jié)螺桿和緊固螺桿的雙向調(diào)節(jié)，既可將壓電陶瓷推進(jìn)到既定的位 置，又可以將其鎖定，消除了因螺桿的回程而產(chǎn)生的松動，避免壓電陶瓷工作時發(fā)生漂移；(2)利用本實用新型的生物反應(yīng)器，可以構(gòu)成由三維立體培養(yǎng)艙模塊、培養(yǎng)液池、 多通道雙向蠕動泵和連接管組成的多通道三維循環(huán)灌流培養(yǎng)系統(tǒng)，使用流速可調(diào)的多通道 蠕動泵作為循環(huán)灌流的動力單元，可同時對多個培養(yǎng)艙進(jìn)行灌流，既可用于組織培養(yǎng)物的 長期培養(yǎng)也可以安裝于壓電陶瓷加載裝置上進(jìn)行應(yīng)力加載；(3)加載動力系統(tǒng)采用配置位移傳感器的智能封裝壓電陶瓷作為加載動力系統(tǒng)， 通過計算機(jī)的調(diào)控為組織工程培養(yǎng)物提供頻率、類型(方波、正弦波、三角波等)、振幅可調(diào) 的波形，并可實時顯示頻率、位移的大小，位移精度達(dá)到滿行程的千分之一；(4)限流柱有效地控制了培養(yǎng)液的流通途徑，限流柱與加載棒的配合使用，封堵了 培養(yǎng)液在加載物上面流通的路徑，使培養(yǎng)液只能通過加載物處的空隙實現(xiàn)流通，這樣的設(shè) 計有利于更新培養(yǎng)液及控制液面高度，使加載物內(nèi)部的細(xì)胞可以充分吸收到新鮮的培養(yǎng)液 和排除新陳代謝的產(chǎn)物，并能夠大大節(jié)約培養(yǎng)液的用量；(5)通過預(yù)緊彈簧可以使得加載棒與組織培養(yǎng)物緊密接觸，又可避免加載棒的重 量施加在組織培養(yǎng)物上；(6)壓電陶瓷加載裝置全部采用不銹鋼材料，避免了在培養(yǎng)箱環(huán)境下生銹，經(jīng) 75%酒精擦拭及紫外燈照射后可達(dá)到良好的消毒效果，避免污染。

圖1動態(tài)載荷與循環(huán)灌流生物反應(yīng)器整體裝配圖；圖2主體及滑動套筒結(jié)構(gòu)視圖；圖3三維立體培養(yǎng)艙結(jié)構(gòu)視圖；圖4三維立體培養(yǎng)艙剖視圖。圖1-圖4中1主體，2滑動套筒模塊，3三維立體培養(yǎng)艙模塊，4底座，5側(cè)面支撐 板，6螺紋孔，7凹形滑槽，8上支撐板，9升降調(diào)節(jié)螺桿，10緊固螺桿，11壓電陶瓷后端蓋，12 壓電陶瓷，13壓電陶瓷活動端，14線槽，15通孔，16滑動套筒，17安裝孔，18不銹鋼壓框，19 玻璃窗，20密封墊，21限位螺母，22橫桿，23預(yù)緊彈簧，24加載棒，25導(dǎo)向槽，26培養(yǎng)艙主 體，27加載物放置平臺，觀進(jìn)液孔，29限流柱，30加載物，31出液孔。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖及實施例對本實用新型作進(jìn)一步說明。參見圖1，本實用新型的動態(tài)載荷與循環(huán)灌流生物反應(yīng)器包括主體1，滑動套筒
4模塊2，三維立體培養(yǎng)艙模塊3。參見圖2，主體1由底座4，側(cè)面支撐板5，上支撐板8組成。側(cè)面支撐板5開有凹 形滑槽7，使得滑動套筒16與側(cè)面支撐板5四面接觸，保證了滑動套筒16運行的平穩(wěn)性、接 觸端的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及水平度?；瑒犹淄材K2主要由滑動套筒16、壓電陶瓷12、升降調(diào)節(jié)螺桿9、緊固螺桿10組 成。壓電陶瓷12為圓柱形，壓電陶瓷后端蓋11與壓電陶瓷12的固定端相連，壓電陶瓷12 放置在通孔15內(nèi)，壓電陶瓷后端蓋11與滑動套筒16的上端面緊密接觸，限制壓電陶瓷12 的移動，壓電陶瓷12的電源線及信號線通過線槽14連接到壓電陶瓷伺服器，壓電陶瓷伺服 器可施加頻率及波形可調(diào)的載荷或位移波形(方波、正弦波、三角波等)電壓，通過內(nèi)置位 移傳感器實現(xiàn)壓電陶瓷12的位移閉環(huán)控制。升降調(diào)節(jié)螺桿9 一端通過軸承安裝于上支撐 板8上，另一端通過螺紋與滑動套筒14相連，旋轉(zhuǎn)升降調(diào)節(jié)螺桿9，其位置不變，滑動套筒 14在螺旋傳動的作用下，實現(xiàn)上下高度的調(diào)節(jié)。緊固螺桿10 —端通過螺紋與上支撐板8相 連，旋轉(zhuǎn)緊固螺桿10可以調(diào)節(jié)其伸出的長度，另一端與壓電陶瓷后端蓋11緊密接觸。通過 凹形滑槽7、升降調(diào)節(jié)螺桿9、緊固螺桿10三端接觸，有效保證了滑動套筒14的水平度，提 高穩(wěn)定性，消除間隙。三維立體培養(yǎng)艙模塊3主要由不銹鋼壓框18，玻璃窗19，密封墊20，限位螺母21， 預(yù)緊彈簧23，加載棒24，導(dǎo)向槽25，培養(yǎng)艙主體沈，加載物放置平臺27，進(jìn)液孔28，限流柱 29，出液孔31組成。培養(yǎng)艙主體沈開有觀察窗口，觀察窗口首先放置密封墊20，然后放置 玻璃窗19，最后再放上不銹鋼壓框18，通過不銹鋼壓框18與培養(yǎng)艙主體沈的緊固連接，實 現(xiàn)觀察窗口的密封，這種設(shè)計有利于拆卸及高壓消毒。加載棒M設(shè)有橫桿22，橫桿22可沿 著導(dǎo)向槽25上下移動，限位螺母21在橫桿22的上方，與導(dǎo)向槽25通過螺紋連接，預(yù)緊彈 簧23安裝于橫桿22與培養(yǎng)艙主體沈的上表面，預(yù)緊彈簧23起到消除加載棒M重量的作 用，避免加載棒M的重量施加到加載物30上，對于質(zhì)地較軟的加載物的影響尤為明顯。加 載棒M的一端通過螺紋與壓電陶瓷活動端13相連，另一端穿過導(dǎo)向槽25進(jìn)入培養(yǎng)艙內(nèi)部 與加載物30的上表面接觸，旋轉(zhuǎn)限位螺母21即可調(diào)節(jié)加載棒M與加載物30接觸的程度， 壓電陶瓷活動端13的位移變化通過加載棒傳輸?shù)郊虞d物30上，產(chǎn)生相應(yīng)的微應(yīng)變。加載 物放置平臺27與培養(yǎng)艙主體沈的底部通過螺紋連接，通過加載物放置平臺27可以很容易 放置或取出加載物。進(jìn)液孔觀與出液孔31都外接到蠕動泵，它們呈上下斜對角分布，限流 柱四與進(jìn)液孔洲與出液孔31相連通內(nèi)部開設(shè)有剛好能使加載棒M自由貫穿的通孔，通 孔與當(dāng)加載棒M插入到培養(yǎng)艙時，限流柱四與加載棒M封堵了培養(yǎng)液在加載物30上面 流通的路徑，則培養(yǎng)液只能通過加載物30處的空隙實現(xiàn)流通，這樣的設(shè)計有利于更新培養(yǎng) 液及控制液面高度，最主要的目的是加載物30內(nèi)部的細(xì)胞可以充分吸收到新鮮的培養(yǎng)液 和排除新陳代謝的產(chǎn)物，模擬對加載物30施加流體剪應(yīng)力，達(dá)到三維培養(yǎng)的效果。
權(quán)利要求1.一種動態(tài)載荷與循環(huán)灌流生物反應(yīng)器，包括主體、滑動套筒模塊和三維立體培養(yǎng)艙 模塊，所述主體包括底座，側(cè)面支撐板和上支撐板，側(cè)面支撐板的下端固定在底座上，上端 固定有上支撐板，其特征在于，在側(cè)面支撐板上開設(shè)有凹形滑槽，所述滑動套筒模塊包括滑 動套筒、壓電陶瓷、升降調(diào)節(jié)螺桿、和緊固螺桿，滑動套筒能夠在所述凹形滑槽內(nèi)平穩(wěn)地上 下滑動，升降調(diào)節(jié)螺桿的一端通過軸承安裝于上支撐板上，下端通過螺紋與滑動套筒相連， 壓電陶瓷貫穿滑動套筒，壓電陶瓷的后端為固定端，固定有后端蓋，緊固螺桿一端連接于上 支撐板，另一端與壓電陶瓷后端蓋緊密接觸，壓電陶瓷與壓電陶瓷伺服器電氣相連，所述的 壓電陶瓷伺服器用于向其施加頻率及波形可調(diào)的電壓；所述的三維立體培養(yǎng)艙模塊包括上 表面開設(shè)有通孔的培養(yǎng)艙主體、連接在培養(yǎng)艙主體底部的加載物放置平臺，壓電陶瓷通過 所述通孔貫穿到三維立體培養(yǎng)艙內(nèi)，其活動端連接有加載棒；所述培養(yǎng)艙主體還開設(shè)有外 接蠕動泵的進(jìn)液孔和出液孔。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的動態(tài)載荷與循環(huán)灌流生物反應(yīng)器，其特征在于，在培養(yǎng)艙主 體內(nèi)固定有限流柱，其內(nèi)部開設(shè)有剛好能使加載棒自由貫穿的通孔，進(jìn)液孔與出液孔呈上 下斜對角分布，均穿過限流柱與所述通孔相通。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的動態(tài)載荷與循環(huán)灌流生物反應(yīng)器，其特征在于，所述的加載 棒，所述培養(yǎng)艙主體，其內(nèi)開設(shè)有導(dǎo)向槽，所述加載棒上設(shè)有可沿導(dǎo)向槽上下移動的橫桿， 橫桿的上方設(shè)置有通過螺紋與導(dǎo)向槽連接的緊固螺母，在橫桿與培養(yǎng)艙主體的上表面之間 連接有預(yù)緊彈簧。
專利摘要本實用新型屬于骨組織工程與細(xì)胞生物力學(xué)領(lǐng)域，涉及一種動態(tài)載荷與循環(huán)灌流生物反應(yīng)器，包括主體、滑動套筒模塊和三維立體培養(yǎng)艙模塊，所述主體包括底座，側(cè)面支撐板和上支撐板，在側(cè)面支撐板上開設(shè)有凹形滑槽，滑動套筒模塊包括滑動套筒、壓電陶瓷、升降調(diào)節(jié)螺桿、和緊固螺桿，滑動套筒能夠在所述凹形滑槽內(nèi)平穩(wěn)地上下滑動，壓電陶瓷貫穿滑動套筒，三維立體培養(yǎng)艙模塊包括上表面開設(shè)有通孔的培養(yǎng)艙主體，壓電陶瓷通過所述通孔貫穿到三維立體培養(yǎng)艙內(nèi)，其活動端連接有加載棒；培養(yǎng)艙主體還開設(shè)有外接蠕動泵的進(jìn)液孔和出液孔。本實用新型具有操作簡單，實用性高，無菌密封性能好，加載應(yīng)變輸出精度高，數(shù)據(jù)跟蹤記錄及時、準(zhǔn)確的特點。
文檔編號C12M3/00GK201817494SQ2010202874
公開日2011年5月4日 申請日期2010年8月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月10日
發(fā)明者侍才洪, 關(guān)靜, 寧波, 張西正, 李瑞欣, 郭勇, 陳學(xué)忠 申請人:中國人民解放軍軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院衛(wèi)生裝備研究所