一种工程软骨体外培养超声辐射力场产生方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种工程软骨体外培养超声辐射力场产生方法及装置。本发明专利技术装置包括超声换能器、连接架、升降台、固定底座、导向环和工程软骨体外培养装置、超声发射接收装置、信号采集处理模块和示波器。本发明专利技术方法首先调节升降台的内置齿轮控制使超声换能器的发射头浸入工程软骨体外培养装置的培养基中。通过信号采集处理模块和示波器确定培养基中超声换能器的发射头的焦距，使工程软骨处于超声换能器的发射头的焦点处；通过旋转超声换能器，确定超声辐射力场方向；最后启动超声发射接收装置，激发超声换能器。本发明专利技术方法与装置产生的超声辐射力场可对体外培养工程软骨进行力学调控，获得正常的、生物性好的工程软骨。

A method and device for producing ultrasonic radiation force field of engineered cartilage in vitro

【技术实现步骤摘要】
一种工程软骨体外培养超声辐射力场产生方法及装置
本专利技术超声调控、关节软骨修复和生物医学组织工程领域，具体涉及一种一种工程软骨体外培养超声辐射力场产生方法及装置。
技术介绍
在关节运动中，正常的软骨是不可或缺的组织。然而随着现代科技的发展与工作生活习惯的改变，越来越多的人倾向于长期保持一种动作姿势，关节软骨损伤问题极易发生。同时，关节软骨自愈能力差、不能再生，损伤后易造成关节僵硬、疼痛加重等问题，严重地影响患者的生活质量。目前关节软骨损伤的治疗方案有关节灌洗术、微骨折手术、骨膜移植与软骨移植法等，但均存在着不足。临床研究表明，工程软骨移植是目前修复关节软骨损伤、实现功能重建的有限途径，有望成为骨缺损修复的全新治疗模式。工程软骨移植技术是利用软骨细胞种植于可降解生物材料支架上的方法体外培养软骨细胞、构建软骨组织，再将复合细胞的支架植入缺损处形成具有生理功能的骨组织的技术。工程软骨移植结合了组织工程化软骨缝合的可操作性和稳固性，将生物材料作为细胞载体提高了界面愈合能力。然而，现有技术所生成的工程软骨的力学性能与正常的软骨相比相差甚远，无法达到临床移植的要求。目前很难通过体外培养技术，获得具有良好生物相容性与力学性能的工程软骨组织。如何在体外条件下构建正常的组织工程软骨，用于软骨损伤修复，为软骨缺损治疗提供更好的选择，具有很好的临床意义。Williamson等的研究表明软骨生长的微环境影响着其力学性能。软骨在体内一直处于静、动态压力交替活动的力学环境中，因而不断调整细胞外基质的代谢活动，促进胶原吡啶交联，改变软骨的力学性能与形状结构。在体外静态培养工程软骨，则易形成工程软骨的中空现象，最终生成的工程软骨力学性能不足。而现有生物反应器大多只能实现恒定的剪切力与动态加载的压力。两种作用力的复合方式较为单一，不利于培养出结构与功能均良好的关节软骨。因此，在体外培养工程软骨时，为了获得与天然软骨相似的结构形状与功能组织，设计一种适于工程软骨组织生长的动态微环境是十分必要的。动态培养工程软骨近年来的研究表明，低强度超声波能够通过加速软骨形成调控工程软骨的力学性能。作为一种交替变化的压力波，超声波可以产生稳定的腔隙和传输组织内的小束。治疗强度的超声可以在细胞膜上产生剪切力，且这种作用可能通过影响细胞骨架来直接改变基因表达。超声波也可以通过细胞膜上的跨膜通道，使跨膜离子的运输及随后的细胞应答发生改变。超声辐射力改变细胞内的胶原蛋白关联情况，使得构建工程软骨的力学特性超声调控成为可能。因此在体外培养工程软骨过程中，可以通过超声辐射力调控工程软骨的结构形状与力学性能，获得正常的工程软骨。本专利技术面向上述需求，通过超声换能器工作方式及上下位移模块等创新设计，设计了一种工程软骨体外培养超声辐射力场产生方法及装置。通过该方法与装置产生的超声辐射力场可对体外培养工程软骨进行力学调控，获得正常的、生物性好的工程软骨。实现工程软骨的各向异性，进行软骨细胞移植，最终实现关节软骨修复。
技术实现思路
针对组织工程的各向异性、体外培养工程软骨过程中的力学性能调控等场合对特定超声辐射力的应用需求，本专利技术提供一种工程软骨体外培养超声辐射力场产生方法及装置。该方法还可改进工程软骨的力学性能，实现软骨的快速修复与骨骼的全面愈合。一种工程软骨体外培养超声辐射力场产生装置，包括超声换能器(1)、连接架(2)、升降台(3)、固定底座(4)、导向环(5)和工程软骨体外培养装置(6)、超声发射接收装置(7)、信号采集处理模块(8)和示波器(9)。升降台(3)包括固定端与运动端，升降台(3)通过固定端固定在固定底座(4)上，固定底座(4)为包含圆柱形内凹的方形平台，连接架(2)固定在升降台(3)的运动端上，超声换能器(1)固定在连接架(2)上，导向环(5)固定在固定底座(4)的圆柱形内凹内，工程软骨体外培养装置(6)通过导向环(5)的限制定位和固定底座(4)固定装置固定在所述圆柱形内凹内，超声发射接收装置(7)连接超声换能器(1)，信号采集处理模块(8)连接所述超声换能器(1)，所述示波器(9)连接信号采集处理模块(8)。所述的升降台(3)为齿轮齿条啮合升降台，所述的固定端为T形固定板，所述T形固定板横板的长度方向有对称的两个U形槽，U形槽位于横板宽度方向的中间位置，可在一定范围内左右调节升降台(3)的位置，U形槽与固定底板4上的螺纹孔配合，通过螺纹连接固定锁紧升降台(3)，所述T形固定板的竖直端安装有齿条，齿条安装于T形固定板竖直端的中心位置；所述的运动端为包含内置齿轮的方形块，所述的内置齿轮与固定端的齿条啮合，通过手动调节内置齿轮，实现方形块的上下运动。所述的连接架(2)为T形连接件，所述T形连接件的横端通过螺纹结构安装在所述升降台(3)的运动端上，所述T形连接件的长端的竖直方向开设有用于固定超声换能器(1)的圆柱孔，所述圆柱孔与所述T形连接件的长端的底面开设有通槽，所述通槽一侧横向设置有螺纹通孔，另一侧设置有配套的螺纹孔，通过螺纹连接微小改变圆柱孔的大小，锁紧超声换能器(1)。所述超声换能器(1)为线聚焦超声换能器。所述导向环(5)为含微小缺口的空心环，所述微小缺口关于导向环(5)圆心对称的内环处有导向齿，所述导向环(5)的外环与所述固定底座(4)上的圆柱形内凹内相配合，所述导向环(5)的内环与工程软骨体外培养装置(6)的培养皿配合，所述导向环(5)的导向齿与培养皿的基底结构配合，限制培养皿的旋转；所述导向环(5)的微小缺口中心与导向环(5)圆心以及升降台(3)的齿条中心成一条直线，所述导向环(5)通过固定胶固定在固定底座(4)的圆柱形内凹内。所述固定底座(4)的两端有固定块，固定块的对称中心与圆柱形内凹的轴向中心在同一直线上，所述固定块横向有相对设置的螺纹孔，通过螺纹结构固定所述工程软骨体外培养装置(6)，所述固定底座(4)的圆柱形内凹的轴向中心与连接架圆柱孔的轴向中心在同一直线上。所述工程软骨体外培养装置(6)包括培养皿、培养基、工程软骨细胞、培养箱，用于体外培养工程软骨细胞；所述工程软骨体外培养装置(6)中的培养液的高度大于所述超声换能器(1)的焦距。所述的超声发射接收装置(7)通过电缆连接所述超声换能器(1)，用于激发超声换能器(1)。所述的信号采集处理模块(8)基于高速运算放大器，具体型号为LMH6629，所述的信号采集处理模块(8)与示波器(9)进行配合，确定超声换能器(1)发射头的位置。一种工程软骨体外培养超声辐射力场产生方法：步骤(1).通过电缆连接超声换能器(1)与超声发射接收装置(7)；步骤(2).通过手动调节升降台(3)的内置齿轮控制超声换能器(1)的发射头与培养装置的上下距离，使超声换能器(1)的发射头浸入工程软骨体外培养装置(6)的培养基中。步骤(3).通过信号采集处理模块(8)确定培养基中超声换能器(1)的发射头的焦距，使工程软骨处于超声换能器(1)的发射头的焦点处；根据距离等于波形的周期T与培养基中声速c的乘本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种工程软骨体外培养超声辐射力场产生装置，其特征在于，该装置包括超声换能器(1)、连接架(2)、升降台(3)、固定底座(4)、导向环(5)和工程软骨体外培养装置(6)、超声发射接收装置(7)、信号采集处理模块(8)和示波器(9)；/n升降台(3)包括固定端与运动端，升降台(3)通过固定端固定在固定底座(4)上，固定底座(4)为包含圆柱形内凹的方形平台，连接架(2)固定在升降台(3)的运动端上，超声换能器(1)固定在连接架(2)上，导向环(5)固定在固定底座(4)的圆柱形内凹内，工程软骨体外培养装置(6)通过导向环(5)的限制定位和固定底座(4)固定装置固定在所述圆柱形内凹内，超声发射接收装置(7)连接超声换能器(1)，信号采集处理模块(8)连接所述超声换能器(1)，所述示波器(9)连接信号采集处理模块(8)。/n

【技术特征摘要】
1.一种工程软骨体外培养超声辐射力场产生装置，其特征在于，该装置包括超声换能器(1)、连接架(2)、升降台(3)、固定底座(4)、导向环(5)和工程软骨体外培养装置(6)、超声发射接收装置(7)、信号采集处理模块(8)和示波器(9)；
升降台(3)包括固定端与运动端，升降台(3)通过固定端固定在固定底座(4)上，固定底座(4)为包含圆柱形内凹的方形平台，连接架(2)固定在升降台(3)的运动端上，超声换能器(1)固定在连接架(2)上，导向环(5)固定在固定底座(4)的圆柱形内凹内，工程软骨体外培养装置(6)通过导向环(5)的限制定位和固定底座(4)固定装置固定在所述圆柱形内凹内，超声发射接收装置(7)连接超声换能器(1)，信号采集处理模块(8)连接所述超声换能器(1)，所述示波器(9)连接信号采集处理模块(8)。


2.根据权利要求1所述的一种工程软骨体外培养超声辐射力场产生装置，其特征在于，所述的升降台(3)为齿轮齿条啮合升降台，所述的固定端为T形固定板，所述T形固定板横板的长度方向有对称的两个U形槽，U形槽位于横板宽度方向的中间位置，可在一定范围内左右调节升降台(3)的位置，U形槽与固定底板4上的螺纹孔配合，通过螺纹连接固定锁紧升降台(3)，所述T形固定板的竖直端安装有齿条，齿条安装于T形固定板竖直端的中心位置；所述的运动端为包含内置齿轮的方形块，所述的内置齿轮与固定端的齿条啮合，通过手动调节内置齿轮，实现方形块的上下运动。


3.根据权利要求2所述的一种工程软骨体外培养超声辐射力场产生装置，其特征在于，所述的连接架(2)为T形连接件，所述T形连接件的横端通过螺纹结构安装在所述升降台(3)的运动端上，所述T形连接件的长端的竖直方向开设有用于固定超声换能器(1)的圆柱孔，所述圆柱孔与所述T形连接件的长端的底面开设有通槽，所述通槽一侧横向设置有螺纹通孔，另一侧设置有配套的螺纹孔，通过螺纹连接微小改变圆柱孔的大小，锁紧超声换能器(1)。


4.根据权利要求3所述的一种工程软骨体外培养超声辐射力场产生装置，其特征在于，所述超声换能器(1)为线聚焦超声换能器。


5.根据权利要求4所述的一种工程软骨体外培养超声辐射力场产生装置，其特征在于，所述导向环(5)为含微小缺口的空心环，所述微小缺口关于导向环(5)圆心对称的内环处有导向齿，所述导向环(5)的外环与所述固定底座(4)上的圆柱形内凹内相配合，所述导向环(5)的内环与工程软骨体外培养装置(6)的培养皿配合，所述导向环(5)的导向齿与培养皿的基底结构配合，限制培养皿的旋转；所述导向环(5)的微小缺口中心与导向...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙安玉，赖蛟娇，居冰峰，戴霖，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33