一种用于腰椎间盘体外培养的生物反应器制造技术

一种用于腰椎间盘体外培养的生物反应器，包括加载装置框架、培养室、扭转传动机构和压力传动机构，加载装置框架由上板、底板、主立柱和副立柱固定连接构成，腰椎间盘培养物置于培养室内，扭转传动机构包括步进电机和加载平台并通过粗糙接触表面摩擦连动；压力传动机构包括压电陶瓷、杠杆、支点和压杆，压电陶瓷装在主立柱的筒体内，杠杆的一端与压电陶瓷的动力输出工作面接触，另一端与压杆固定，压杆的下端伸入到培养室中并施压于培养物上。本实用新型专利技术的优点是：该生物反应器结构紧凑、体积小、驱动灵敏、微位移精度高，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载两种载荷，接近人类腰椎间盘生长和工作的力学环境。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

一种用于腰椎间盘体外培养的生物反应器
本技术涉及生物医学工程
，特别是一种用于用于腰椎间盘培养的生 物反应器。
技术介绍
椎间盘纤维软骨的组织成份和结构与一般骨骼大不相同，其独特的力学性质对脊 柱的灵活运动、缓冲载荷、维持脊柱的稳定性发挥着重要的作用。椎间盘纤维软骨作为脊柱 的重要组成部分一直是国内外学者们研究的重要课题。椎间盘纤维软骨在生理上主要是承 受载荷、缓冲压力和吸收震荡。鉴于它的生理作用，其载荷方式主要是压缩、拉伸和扭转。人 椎间盘是人体最大的无血管组织，其营养供应主要依靠渗透作用，主要途径有①软骨终板 途径，即营养物质通过椎体内血管从骨髓腔-血窦-软骨终板界面扩散至椎间盘、营养髓核 和纤维环内层；②纤维环途径，即营养物质通过表面血管营养外周纤维环。力学因素对软骨 的生长和发育起着极其重要的作用，很多研究者研制出了多种有力学环境的生物反应器， 尝试培养功能化人工软骨，这些反应器的力学条件有流体剪应力、液体压力、拉伸、直接压 缩、变形剪应力或其中一种或几种条件的组合。其中流体剪应力、液体压力和直接压缩的培 养软骨的条件正被广泛研究。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。对于软骨来说，其活体力学环境非常复杂。合适的力学条件是培养出结构、功能都与 天然软骨相近移植物的重要因素。最近几年相关研究者对不同的力学刺激，及优化培养物 的结构和功能做了大量研究。基于以上因素，我们的腰椎间盘生物反应器旨在体外提供腰 椎间盘生长的力学环境，提供与体内工作情况下相同的载荷方式，在体外培养出具有一定 力学性能的椎间盘。压电陶瓷位移机构具有结构紧凑、体积小、无摩擦、驱动灵敏、微位移精度高的特 点，此外，使用压电陶瓷位移器，由于机电耦合效应进行的速度很快，不存在发热问题，影响 培养细胞的电导和热辐射都可以忽略，因为压电陶瓷位移器是与电容器相似的结构，所以 有最少的电力消耗，甚至在高速和高电压驱动情况下也是如此，因此，压电陶瓷位移器可作 为人工软骨培养动态加载的动力来源。虽然压电陶瓷位移器产生的位移较小，但通过杠杆 机构的放大作用使加载位移提高，能够满足软骨培养的加载(变形)需要。如压电陶瓷位 移器最大驱动位移200微米，经过杠杆10倍放大，驱动位移可达2毫米。较厚的软骨按8 毫米厚，其变形可达25%。通常软骨培养的力学环境为变形5% _20%，而椎间盘与软骨类 似。这样可形成结构紧凑、体积小、驱动灵敏、微位移精度高的动态加载装置，再加上合适的 灌注系统有可能形成椎间盘培养的生物反应器。
技术实现思路
本技术的目的是依据现有知识和力学条件，针对人类腰椎间盘方面的疾病而提供一种能够实现对腰椎间盘进行体外培养的加载装置。本技术的技术方案—种用于腰椎间盘体外培养的生物反应器，包括加载装置框架、培养室、扭转传动 机构和压力传动机构，加载装置框架由上板和底板通过主立柱和副立柱固定连接构成，主 立柱为筒体结构；培养室包括培养室体和培养室底并通过粗糙接触表面摩擦连动，腰椎间 盘培养物置于培养室内，培养室底设有营养物填充接头；扭转传动机构包括步进电机和加 载平台，步进电机通过输出轴与加载平台连接，步进电机与底板固定，培养室底的下表面与 加载平台的上表面接触并通过粗糙接触表面摩擦连动；压力传动机构包括压电陶瓷、杠杆、 支点和压杆，压电陶瓷装在主立柱的筒体内并与主立柱内壁形成动配合，压电陶瓷的底部 与底板固定，杠杆和支点通过螺钉固定，杠杆的一端与压电陶瓷的动力输出工作面接触并 通过设置于上板的调节螺杆施压于支点的上表面使其接触紧密，杠杆的另一端通过螺钉与 压杆固定，压杆的上端穿过上板并可在穿孔中滑动，压杆的下端伸入到培养室中并施压于 腰椎间盘培养物上。本技术的工作原理本技术是一种腰椎间盘体外构建的加载装置，能够对培养物同时提供扭转和 加压作用。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， 压电陶瓷的变形通过杠杆被放大并传递到压杆，压杆作用于培养室内的培养物上，从而实 现对培养的椎间盘组织竖直方向的高频加载。给步进电机输入电信号，该信号使电机产生 逆时针和顺时针相交互的转动，电机带动加载平台及培养室一起扭动，由于培养物下端与 培养室底部的摩擦力足以使其与培养室同时扭转，上端受压杆3的垂直压力，因此使固定 在加载平台上的培养物发生类似于腰椎间盘在体内生长情况下的扭转，进而实现对培养物 的扭转加载。本技术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 加扭转和高频加载两种载荷，接近人类腰椎间盘生长和工作的力学环境。本技术结构 紧凑、体积小、驱动灵敏、微位移精度高，尤其是采用压电陶瓷位移器作为加载装置动力来 源，再通过杠杆装置将载荷作用范围放大，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。附图说明附图为该生物反应器结构示意图。图中1.副立柱2.上板3.压杆4.螺钉5.杠杆6.调节螺杆7.螺钉8.支 点9.压电陶瓷10.主立柱11.底板12.接头13.培养室体14.培养室底15.加载平台 16.步进电机具体实施方式实施例一种用于腰椎间盘体外培养的生物反应器，包括加载装置框架、培养室、扭转传动 机构和压力传动机构，加载装置框架由上板2和底板11通过主立柱10和副立柱1固定连 接构成，主立柱10为筒体结构；培养室包括培养室体13和培养室底14并通过粗糙接触表面摩擦连动，腰椎间盘培养物置于培养室内，培养室底14设有营养物填充接头12 ；扭转传 动机构包括步进电机16和加载平台15，步进电机16通过输出轴与加载平台15连接，步进 电机16与底板11固定，培养室底14的下表面与加载平台15的上表面接触并通过粗糙接 触表面摩擦连动；压力传动机构包括压电陶瓷9、杠杆5、支点8和压杆3，压电陶瓷9装在 主立柱10的筒体内并与主立柱10内壁形成动配合，压电陶瓷9的底部与底板11固定，杠 杆5和支点8通过螺钉7固定，杠杆5的一端与压电陶瓷9的动力输出工作面接触并通过 设置于上板2的调节螺杆6施压于支点8的上表面使其接触紧密，杠杆5的另一端通过螺 钉4与压杆3固定，压杆3的上端穿过上板2并可在穿孔中滑动，压杆5的下端伸入到培养 室中并施压于腰椎间盘培养物上。权利要求1. 一种用于腰椎间盘体外培养的生物反应器，其特征在于包括加载装置框架、培养 室、扭转传动机构和压力传动机构，加载装置框架由上板和底板通过主立柱和副立柱固定 连接构成，主立柱为筒体结构；培养室包括培养室体和培养室底并通过粗糙接触表面摩擦 连动，腰椎间盘培养物置于培养室内，培养室底设有营养物填充接头；扭转传动机构包括步 进电机和加载平台，步进电机通过输出轴与加载平台连接，步进电机与底板固定，培养室底 的下表面与加载平台的上表面接触并通过粗糙接触表面摩擦连动；压力传动机构包括压电 陶瓷、杠杆、支点和压杆，压电陶瓷装在主立柱的筒体内并与主立柱内壁形成动配合，压电 陶瓷的底部与底板固定，杠杆和支点通过螺钉固定，杠杆的一端与压电陶瓷的动力输出工 作面接触并通过设置于上板的调节螺本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于腰椎间盘体外培养的生物反应器，其特征在于：包括加载装置框架、培养室、扭转传动机构和压力传动机构，加载装置框架由上板和底板通过主立柱和副立柱固定连接构成，主立柱为筒体结构；培养室包括培养室体和培养室底并通过粗糙接触表面摩擦连动，腰椎间盘培养物置于培养室内，培养室底设有营养物填充接头；扭转传动机构包括步进电机和加载平台，步进电机通过输出轴与加载平台连接，步进电机与底板固定，培养室底的下表面与加载平台的上表面接触并通过粗糙接触表面摩擦连动；压力传动机构包括压电陶瓷、杠杆、支点和压杆，压电陶瓷装在主立柱的筒体内并与主立柱内壁形成动配合，压电陶瓷的底部与底板固定，杠杆和支点通过螺钉固定，杠杆的一端与压电陶瓷的动力输出工作面接触并通过设置于上板的调节螺杆施压于支点的上表面使其接触紧密，杠杆的另一端通过螺钉与压杆固定，压杆的上端穿过上板并可在穿孔中滑动，压杆的下端伸入到培养室中并施压于腰椎间盘培养物上。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张春秋，王玉主，徐宝山，宁康，袁凯，林丹，
申请(专利权)人：天津理工大学，
类型：实用新型
国别省市：12[中国|天津]