動態載荷與循環灌流生物反應器的製作方法

2024-04-02 05:45:05

專利名稱：動態載荷與循環灌流生物反應器的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於骨組織工程與細胞生物力學領域，具體涉及一種用於組織工程骨 的動態培養和研究三維培養條件下動態壓應變對間充質幹細胞、成骨細胞、破骨細胞、軟骨 細胞等細胞生長及分化影響的生物反應器。
背景技術：
近年來有關生物組織應力-生長關係的研究表明，從器官、組織到細胞、亞細胞等 各個層次上的生命運動都是在一定力學環境中進行的。應力和生長的關係在細胞水平上主 要表現在兩個方面單個細胞的生物學行為，如增殖、形態和分泌功能等的影響；群體細胞 組織的整體行為影響，如成骨細胞與破骨細胞功能的增強，骨細胞、成骨細胞、破骨細胞在 對力學響應過程中的相互影響、力學信號傳導以及基因的表達等。由於體內環境複雜，細胞 的體外分離培養技術為研究細胞生理、病理現象提供了一種可行的研究方法，而利用組織 工程原理，在體外三維培養條件下進行應力加載，也是目前細胞力學研究中的重要方法。目前在組織工程研究中使用的有代表性的生物反應器包括(1)攪拌式生物反應 器；(2)旋轉壁式生物反應器；(3)中空纖維式生物反應器；(4)直接灌流式生物反應器； (5)應力加載式生物反應器等，模擬正常生理條件下的力學環境。但真正適合對組織工程骨 在體外長期培養的同時予以力學載荷的生物反應器卻甚少，而且他們都與擬申請的專利有 很大的不同。關於用於骨組織和組織工程化培養物的應力加載的生物反應器，國內外僅有少量 文獻和專利報導；其動態應力或應變加載的動力系統也主要是採用步進電機類，而且存在 許多不足，如應力或應變加載及數據的跟蹤記錄不夠精確；無法同時對組織培養物進行真 正有效的長期無菌條件下的灌流培養；實用性能差、實驗效率低等。發明人前期開發的壓電 陶瓷加載裝置與國外報導的同類研發產品也均存在上述的不足。

實用新型內容本實用新型的目的是克服現有的力學刺激型生物反應器的不足，該裝置可廣泛應 用於組織工程、細胞生物力學等方面的研究工作。一種動態載荷與循環灌流生物反應器，包括主體、滑動套筒模塊和三維立體培養 艙模塊，所述主體包括底座，側面支撐板和上支撐板，側面支撐板的下端固定在底座上，上 端固定有上支撐板，在側面支撐板上開設有凹形滑槽，所述滑動套筒模塊包括滑動套筒、壓 電陶瓷、升降調節螺杆、和緊固螺杆，滑動套筒能夠在所述凹形滑槽內平穩地上下滑動，升 降調節螺杆的一端通過軸承安裝於上支撐板上，下端通過螺紋與滑動套筒相連，壓電陶瓷 貫穿滑動套筒，壓電陶瓷的後端為固定端，固定有後端蓋，緊固螺杆一端連接於上支撐板， 另一端與壓電陶瓷後端蓋緊密接觸，壓電陶瓷與壓電陶瓷伺服器電氣相連，所述的壓電陶 瓷伺服器用於向其施加頻率及波形可調的電壓；所述的三維立體培養艙模塊包括上表面開 設有通孔的培養艙主體、連接在培養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艙內，其活動端連接有加載棒；所述培養艙主體還開設有外接蠕動 泵的進液孔和出液孔。本實用新型採用具有位移反饋的壓電陶瓷動態壓應變加載系統，結合三維循環灌 流培養系統，構建一種既可以用於三維培養條件下研究動態壓應變對間充質幹細胞、成骨 細胞、破骨細胞、軟骨細胞等細胞生長、分化的影響，又可以用於組織工程骨長期動態培養 的生物反應器。整個生物反應器系統具有操作簡單，實用性高，無菌密封性能好，加載應變 輸出精度高，數據跟蹤記錄及時、準確的特點。技術效果具體如下(1)通過升降調節螺杆和緊固螺杆的雙向調節，既可將壓電陶瓷推進到既定的位 置，又可以將其鎖定，消除了因螺杆的回程而產生的鬆動，避免壓電陶瓷工作時發生漂移；(2)利用本實用新型的生物反應器，可以構成由三維立體培養艙模塊、培養液池、 多通道雙向蠕動泵和連接管組成的多通道三維循環灌流培養系統，使用流速可調的多通道 蠕動泵作為循環灌流的動力單元，可同時對多個培養艙進行灌流，既可用於組織培養物的 長期培養也可以安裝於壓電陶瓷加載裝置上進行應力加載；(3)加載動力系統採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， 通過計算機的調控為組織工程培養物提供頻率、類型(方波、正弦波、三角波等)、振幅可調 的波形，並可實時顯示頻率、位移的大小，位移精度達到滿行程的千分之一；(4)限流柱有效地控制了培養液的流通途徑，限流柱與加載棒的配合使用，封堵了 培養液在加載物上面流通的路徑，使培養液只能通過加載物處的空隙實現流通，這樣的設 計有利於更新培養液及控制液面高度，使加載物內部的細胞可以充分吸收到新鮮的培養液 和排除新陳代謝的產物，並能夠大大節約培養液的用量；(5)通過預緊彈簧可以使得加載棒與組織培養物緊密接觸，又可避免加載棒的重 量施加在組織培養物上；(6)壓電陶瓷加載裝置全部採用不鏽鋼材料，避免了在培養箱環境下生鏽，經 75%酒精擦拭及紫外燈照射後可達到良好的消毒效果，避免汙染。

圖1動態載荷與循環灌流生物反應器整體裝配圖；圖2主體及滑動套筒結構視圖；圖3三維立體培養艙結構視圖；圖4三維立體培養艙剖視圖。圖1-圖4中1主體，2滑動套筒模塊，3三維立體培養艙模塊，4底座，5側面支撐 板，6螺紋孔，7凹形滑槽，8上支撐板，9升降調節螺杆，10緊固螺杆，11壓電陶瓷後端蓋，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不鏽鋼壓框，19 玻璃窗，20密封墊，21限位螺母，22橫杆，23預緊彈簧，24加載棒，25導向槽，26培養艙主 體，27加載物放置平臺，觀進液孔，29限流柱，30加載物，31出液孔。
具體實施方式
以下結合附圖及實施例對本實用新型作進一步說明。參見圖1，本實用新型的動態載荷與循環灌流生物反應器包括主體1，滑動套筒
4模塊2，三維立體培養艙模塊3。參見圖2，主體1由底座4，側面支撐板5，上支撐板8組成。側面支撐板5開有凹 形滑槽7，使得滑動套筒16與側面支撐板5四面接觸，保證了滑動套筒16運行的平穩性、接 觸端的結構強度及水平度。滑動套筒模塊2主要由滑動套筒16、壓電陶瓷12、升降調節螺杆9、緊固螺杆10組 成。壓電陶瓷12為圓柱形，壓電陶瓷後端蓋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，壓電陶瓷後端蓋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的載荷或位移波形(方波、正弦波、三角波等)電壓，通過內置位 移傳感器實現壓電陶瓷12的位移閉環控制。升降調節螺杆9 一端通過軸承安裝於上支撐 板8上，另一端通過螺紋與滑動套筒14相連，旋轉升降調節螺杆9，其位置不變，滑動套筒 14在螺旋傳動的作用下，實現上下高度的調節。緊固螺杆10 —端通過螺紋與上支撐板8相 連，旋轉緊固螺杆10可以調節其伸出的長度，另一端與壓電陶瓷後端蓋11緊密接觸。通過 凹形滑槽7、升降調節螺杆9、緊固螺杆10三端接觸，有效保證了滑動套筒14的水平度，提 高穩定性，消除間隙。三維立體培養艙模塊3主要由不鏽鋼壓框18，玻璃窗19，密封墊20，限位螺母21， 預緊彈簧23，加載棒24，導向槽25，培養艙主體沈，加載物放置平臺27，進液孔28，限流柱 29，出液孔31組成。培養艙主體沈開有觀察窗口，觀察窗口首先放置密封墊20，然後放置 玻璃窗19，最後再放上不鏽鋼壓框18，通過不鏽鋼壓框18與培養艙主體沈的緊固連接，實 現觀察窗口的密封，這種設計有利於拆卸及高壓消毒。加載棒M設有橫杆22，橫杆22可沿 著導向槽25上下移動，限位螺母21在橫杆22的上方，與導向槽25通過螺紋連接，預緊彈 簧23安裝於橫杆22與培養艙主體沈的上表面，預緊彈簧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，對於質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，另一端穿過導向槽25進入培養艙內部 與加載物30的上表面接觸，旋轉限位螺母21即可調節加載棒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到加載物30上，產生相應的微應變。加載 物放置平臺27與培養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 柱四與進液孔洲與出液孔31相連通內部開設有剛好能使加載棒M自由貫穿的通孔，通 孔與當加載棒M插入到培養艙時，限流柱四與加載棒M封堵了培養液在加載物30上面 流通的路徑，則培養液只能通過加載物30處的空隙實現流通，這樣的設計有利於更新培養 液及控制液面高度，最主要的目的是加載物30內部的細胞可以充分吸收到新鮮的培養液 和排除新陳代謝的產物，模擬對加載物30施加流體剪應力，達到三維培養的效果。
權利要求1.一種動態載荷與循環灌流生物反應器，包括主體、滑動套筒模塊和三維立體培養艙 模塊，所述主體包括底座，側面支撐板和上支撐板，側面支撐板的下端固定在底座上，上端 固定有上支撐板，其特徵在於，在側面支撐板上開設有凹形滑槽，所述滑動套筒模塊包括滑 動套筒、壓電陶瓷、升降調節螺杆、和緊固螺杆，滑動套筒能夠在所述凹形滑槽內平穩地上 下滑動，升降調節螺杆的一端通過軸承安裝於上支撐板上，下端通過螺紋與滑動套筒相連， 壓電陶瓷貫穿滑動套筒，壓電陶瓷的後端為固定端，固定有後端蓋，緊固螺杆一端連接於上 支撐板，另一端與壓電陶瓷後端蓋緊密接觸，壓電陶瓷與壓電陶瓷伺服器電氣相連，所述的 壓電陶瓷伺服器用於向其施加頻率及波形可調的電壓；所述的三維立體培養艙模塊包括上 表面開設有通孔的培養艙主體、連接在培養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艙內，其活動端連接有加載棒；所述培養艙主體還開設有外 接蠕動泵的進液孔和出液孔。
2.根據權利要求1所述的動態載荷與循環灌流生物反應器，其特徵在於，在培養艙主 體內固定有限流柱，其內部開設有剛好能使加載棒自由貫穿的通孔，進液孔與出液孔呈上 下斜對角分布，均穿過限流柱與所述通孔相通。
3.根據權利要求1所述的動態載荷與循環灌流生物反應器，其特徵在於，所述的加載 棒，所述培養艙主體，其內開設有導向槽，所述加載棒上設有可沿導向槽上下移動的橫杆， 橫杆的上方設置有通過螺紋與導向槽連接的緊固螺母，在橫杆與培養艙主體的上表面之間 連接有預緊彈簧。
專利摘要本實用新型屬於骨組織工程與細胞生物力學領域，涉及一種動態載荷與循環灌流生物反應器，包括主體、滑動套筒模塊和三維立體培養艙模塊，所述主體包括底座，側面支撐板和上支撐板，在側面支撐板上開設有凹形滑槽，滑動套筒模塊包括滑動套筒、壓電陶瓷、升降調節螺杆、和緊固螺杆，滑動套筒能夠在所述凹形滑槽內平穩地上下滑動，壓電陶瓷貫穿滑動套筒，三維立體培養艙模塊包括上表面開設有通孔的培養艙主體，壓電陶瓷通過所述通孔貫穿到三維立體培養艙內，其活動端連接有加載棒；培養艙主體還開設有外接蠕動泵的進液孔和出液孔。本實用新型具有操作簡單，實用性高，無菌密封性能好，加載應變輸出精度高，數據跟蹤記錄及時、準確的特點。
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 優先權日2010年8月10日
發明者侍才洪, 關靜, 寧波, 張西正, 李瑞欣, 郭勇, 陳學忠 申請人:中國人民解放軍軍事醫學科學院衛生裝備研究所