椎间盘生物力学压力-载荷诱导仿生培养系统及其应用技术方案

本发明专利技术涉及一种椎间盘生物力学压力

【技术实现步骤摘要】
椎间盘生物力学压力
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载荷诱导仿生培养系统及其应用


[0001]本专利技术属于生物医学研究及工程
，涉及一种椎间盘生物力学压力
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载荷诱导仿生培养系统及其应用。

技术介绍

[0002]椎间盘损伤与退变是引起颈肩腰腿痛的主要原因在之一。根据现有数据统计，该症发病率逐年增加，并呈年轻化趋势。虽然该类疾病是非致死性疾病，但其产生的疼痛等临床症状严重影响患者的生活质量，为患者本人、家庭及社会造成极大负担。但目前椎间盘损伤退变性疾病的病因机制尚不完全明确，因此，亟待深入研究探索。
[0003]椎间盘损伤退变的病因机制虽不完全清楚，但椎间盘机械力损害和营养缺乏两种假说普遍被学者接受。机械力损害假说认为过度的机械力作用导致椎间盘组织出现微裂痕，继而导致椎间盘细胞内环境稳态失衡，导致细胞基质分解从而引起退变；另一种营养缺乏假说认为，由于各种原因导致终板通过弥散作用提供养分不足，使椎间盘细胞数量逐渐减少，椎间盘内稳态遭到破坏，从而导致椎间盘机械性能下降引起退变。此外，遗传因素、炎症因子反应、个人生活状态等也认为与椎间盘退变有关。
[0004]为了研究椎间盘损伤退变的机制，在体内研究中，研究者多采用横跨多个物种、从小动物到大动物的不同实验动物模型进行探索。已报道采用的实验动物包括小鼠、大鼠、新西兰兔、猪、山羊、小牛、狒狒等，但从椎间盘的活动度、生物化学组成、细胞密度和种类的方面比较，牛尾椎间盘与人的椎间盘高度相似，因此作为实验研究更加贴近人类腰椎椎间盘的实际情况。椎间盘退变的造模方法多采用酶解和针刺机械破坏两种方法。酶解方法主要采用硫酸软骨素酶、胰蛋白酶和木瓜蛋白酶等消化椎间盘中的氨基葡聚糖或胶原成分从而诱导椎间盘退变；针刺机械破坏法一般通过22G的针刺破坏纤维环结构，从而诱导细胞死亡及改变椎间盘的受力情况诱导退变。然而采用动物模型进行相关研究存在诸多弊端。首先，目前尚无大型双足直立行走且遗传背景与人类相似的动物莫醒醒，能够完全模仿人类脊柱椎间盘在生活和各种劳动中的运动工况。其次，采用实验动物的费用高昂，是一笔不小的负担。再次，饲养和繁殖实验动物需要有专门的实验动物房，且配有足够的空间，并对动物饲料、饮水、空气等有相对严格的控制条件，以确保动物福利和实验的一致性；此外，应用实验动物进行相关实验一致受到动物保护组织的诟病。
[0005]而近年来，3D组织培养的方法越来越受到研究者青睐。该方法的最大优势是可以在可控的实验条件下，对椎间盘组织给予各种干预，比如炎症刺激、针刺机械处理、一些椎间盘注射新治疗方法的研究等；这种方法的不足之处在于，不能模拟人直立行走时脊柱的受力状态。因此，有必要开发一种椎间盘生物力学压力
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载荷诱导仿生培养系统，力求减少传统实验动物的使用。
[0006]目前国内外已报道有的装置可做单一轴向加压(持续或周期性改变压力状态)培养，有的装置加设了培养基液流系统，方便更换培养液，从而观察研究椎间盘损伤退变的机制。中国专利CN103550016A公开了用于椎间盘仿生培养的均匀施力装置，中国专利
CN215103318U公开了静水压仿生培养椎间盘髓核组织的装置。
[0007]但是，已报道的这些椎间盘生物模拟装置仍存在以下不足：对椎间盘受力以轴向施压为主，不能很好的模拟过伸、过屈、侧屈、旋转等方向的受力；各种装置对椎间盘大小有一定限制，不能适应多种不同的椎间盘周径；基本以单个修整过的椎间盘培养为主，不能对包括上下椎体及周围韧带等在内的椎间盘功能单位进行整体培养。

技术实现思路

[0008]为了进一步发展更加符合人体生物力学和实际工况的椎间盘生物力学压力
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载荷诱导仿生培养系统，用来减少传统实验动物的使用、甚至进行部分替代，更好的研究椎间盘损伤退变相关疾病的机制作用，本专利技术提供一种椎间盘生物力学压力
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载荷诱导仿生培养系统及其应用。
[0009]本专利技术提供的椎间盘生物力学压力
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载荷诱导仿生培养系统符合人体生物力学，能够根据人脊柱的运动模式，建立力学仿生培养体系，模仿人体椎间盘的前屈、后伸、侧屈、旋转等不同工况受力情况，以期提供更加接近真实椎间盘力学及生物学环境，节省实验动物资源；同时，可通过营养液流系统设置不同营养、不同炎症因子种类和浓度等内环境，模拟椎间盘损伤与退变微环境；此外，可以模拟创伤对椎间盘退变的影响、进行椎间盘干细胞注射治疗、自体血小板血浆注射等再生修复新疗法的体内模拟研究；减少传统实验动物的使用、甚至进行部分替代，提高生物研究的效率和准确性。
[0010]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0011]本专利技术首先提供一种椎间盘生物力学压力
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载荷诱导仿生培养系统，该系统包括外固定架、Stewart平台、椎间盘生物反应器、载物平台和营养液流系统，所述的载物平台位于外固定架中下部，将外固定架分为上层空间和下层空间，Stewart平台和椎间盘生物反应器位于上层空间，所述椎间盘生物反应器放置在载物平台上，所述Stewart平台上端与外固定架的顶端相连，所述Stewart平台下端与椎间盘生物反应器相连；所述Stewart平台用于提供整个系统所需生物力学仿生运动
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压力模拟需求；所述营养液流系统与椎间盘生物反应器相连，用于向椎间盘生物反应器提供营养液。
[0012]在本专利技术的一个实施方式中，所述椎间盘生物力学压力
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载荷诱导仿生培养系统置于两气或三气培养箱内。可以获得所需的恒温、常规氧浓度或低氧培养条件。
[0013]在本专利技术的一个实施方式中，所述外固定架为长方体形钢架结构，作为支撑主体。
[0014]在本专利技术的一个实施方式中，所述Stewart平台包括六根操纵杆、连接平台和传动杆，所述操纵杆安装在连接平台上表面，所述的传动杆安装在连接平台下表面，所述外固定架顶端设有锚定点，所述Stewart平台通过六根操纵杆与外固定架上的锚定点连接，所述Stewart平台通过传动杆与椎间盘生物反应器连接。
[0015]在本专利技术的一个实施方式中，所述的Stewart平台连接外部操作系统，用于控制Stewart平台的运动。可以根据实验需要设置相应运动及施力参数，控制Stewart平台的运动，经由传动杆传递到椎间盘生物反应器的椎间盘固定台，从而实现对椎间盘组织前屈、后伸、侧屈、旋转等不同工况生物力学模拟培养。
[0016]在本专利技术的一个实施方式中，所述的椎间盘生物反应器包括底端载物台、上端椎间盘固定台及培养瓶，共同构成椎间盘生物反应器的主体；所述底端载物台与上端椎间盘
固定台均位于培养瓶内，所述底端载物台与上端椎间盘固定台用于固定及承载椎间盘组织，所述培养瓶用于承纳培养液、底端载物台、上端椎间盘固定台以及椎间盘组织；所述上端椎间盘固定台与Stewart平台的传动杆连接，对椎间盘组织实施前屈、后伸、侧屈、旋转等不同工况生物力学模拟。
[0017]在本专利技术的一个实施方式中，所本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种椎间盘生物力学压力
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载荷诱导仿生培养系统，其特征在于，该系统包括外固定架(1)、Stewart平台(2)、椎间盘生物反应器(3)、载物平台(4)和营养液流系统(5)，所述的载物平台(4)位于外固定架(1)中下部，将外固定架(1)分为上层空间和下层空间，Stewart平台(2)和椎间盘生物反应器(3)位于上层空间，所述椎间盘生物反应器(3)放置在载物平台(4)上，所述Stewart平台(2)上端与外固定架(1)的顶端相连，所述Stewart平台(2)下端与椎间盘生物反应器(3)相连，所述Stewart平台(2)用于提供整个系统所需生物力学仿生运动
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压力模拟需求；所述营养液流系统(5)与椎间盘生物反应器(3)相连，用于向椎间盘生物反应器(3)提供营养液。2.根据权利要求1所述的一种椎间盘生物力学压力
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载荷诱导仿生培养系统，其特征在于，所述椎间盘生物力学压力
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载荷诱导仿生培养系统置于两气或三气培养箱内。3.根据权利要求1所述的一种椎间盘生物力学压力
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载荷诱导仿生培养系统，其特征在于，所述外固定架(1)为长方体形钢架结构。4.根据权利要求1所述的一种椎间盘生物力学压力
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载荷诱导仿生培养系统，其特征在于，所述Stewart平台(2)包括六根操纵杆(12)、连接平台(13)和传动杆(14)，所述操纵杆(12)安装在连接平台(13)上表面，所述的传动杆(14)安装在连接平台(13)下表面，所述外固定架(1)顶端设有锚定点(11)，所述Stewart平台(2)通过六根操纵杆(12)与外固定架(1)上的锚定点(11)连接，所述Stewart平台(2)通过传动杆(14)与椎间盘生物反应器(3)连接。5.根据权利要求1所述的一种椎间盘生物力学压力
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载荷诱导仿生培养系统，其特征在于，所述的Stewart平台(2)连接外部操作系统，用于控制Stewart平台(2)的运动。6.根据权利要求4所述的一种椎间盘生物力学压力
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载荷诱导仿生培养系统，其特征在于，所述的椎间盘生物反应器(3)包括底端载物台(21)、上端椎间盘固定台(22)及培养瓶(23)，共同构成椎间盘生物反应器的主体；所述底端载物台(21)与上端椎间盘固定台(22)均位于培养瓶(23)...

【专利技术属性】
技术研发人员：高忠亚，焦宗琪，王璨，王艺瑾，李阳，王海滨，郭群峰，杨海松，卢旭华，
申请(专利权)人：上海长征医院，
类型：发明
国别省市：