[實用新型]一種用于腰椎間盤體外培養的生物反應器

無效

• 申請號: 201020566615.8
• 申請日: 2010-10-19
• 公開（公告）號: CN201825956U
• 公開（公告）日: 2011-05-11
• 發明（設計）人: 張春秋;王玉主;徐寶山;寧康;袁凱;林丹
• 申請（專利權）人: 天津理工大學
• 主分類號: C12M3/00
• 分類號: C12M3/00
• 代理公司: 天津佳盟知識產權代理有限公司 12002
• 代理人: 侯力

【技術領域】

本實用新型涉及生物醫學工程技術領域，特別是一種用于用于腰椎間盤培養的生物反應器。

【背景技術】

椎間盤纖維軟骨的組織成份和結構與一般骨骼大不相同，其獨特的力學性質對脊柱的靈活運動、緩沖載荷、維持脊柱的穩定性發揮著重要的作用。椎間盤纖維軟骨作為脊柱的重要組成部分一直是國內外學者們研究的重要課題。椎間盤纖維軟骨在生理上主要是承受載荷、緩沖壓力和吸收震蕩。鑒于它的生理作用，其載荷方式主要是壓縮、拉伸和扭轉。人椎間盤是人體最大的無血管組織，其營養供應主要依靠滲透作用，主要途徑有：①軟骨終板途徑，即營養物質通過椎體內血管從骨髓腔-血竇-軟骨終板界面擴散至椎間盤、營養髓核和纖維環內層；②纖維環途徑，即營養物質通過表面血管營養外周纖維環。力學因素對軟骨的生長和發育起著極其重要的作用，很多研究者研制出了多種有力學環境的生物反應器，嘗試培養功能化人工軟骨，這些反應器的力學條件有：流體剪應力、液體壓力、拉伸、直接壓縮、變形剪應力或其中一種或幾種條件的組合。其中流體剪應力、液體壓力和直接壓縮的培養軟骨的條件正被廣泛研究。

當前，隨著組織工程的發展，種子細胞、支架材料和活性因子研究的不斷深入，在生物反應器內如何培養移植物受到更多的關注，其中對移植物培養條件的力學環境越來越重視。對于軟骨來說，其活體力學環境非常復雜。合適的力學條件是培養出結構、功能都與天然軟骨相近移植物的重要因素。最近幾年相關研究者對不同的力學刺激，及優化培養物的結構和功能做了大量研究。基于以上因素，我們的腰椎間盤生物反應器旨在體外提供腰椎間盤生長的力學環境，提供與體內工作情況下相同的載荷方式，在體外培養出具有一定力學性能的椎間盤。

壓電陶瓷位移機構具有結構緊湊、體積小、無摩擦、驅動靈敏、微位移精度高的特點，此外，使用壓電陶瓷位移器，由于機電耦合效應進行的速度很快，不存在發熱問題，影響培養細胞的電導和熱輻射都可以忽略，因為壓電陶瓷位移器是與電容器相似的結構，所以有最少的電力消耗，甚至在高速和高電壓驅動情況下也是如此，因此，壓電陶瓷位移器可作為人工軟骨培養動態加載的動力來源。雖然壓電陶瓷位移器產生的位移較小，但通過杠桿機構的放大作用使加載位移提高，能夠滿足軟骨培養的加載(變形)需要。如壓電陶瓷位移器最大驅動位移200微米，經過杠桿10倍放大，驅動位移可達2毫米。較厚的軟骨按8毫米厚，其變形可達25％。通常軟骨培養的力學環境為變形5％-20％，而椎間盤與軟骨類似。這樣可形成結構緊湊、體積小、驅動靈敏、微位移精度高的動態加載裝置，再加上合適的灌注系統有可能形成椎間盤培養的生物反應器。

【實用新型內容】

本實用新型的目的是依據現有知識和力學條件，針對人類腰椎間盤方面的疾病而提供一種能夠實現對腰椎間盤進行體外培養的加載裝置。

本實用新型的技術方案：

一種用于腰椎間盤體外培養的生物反應器，包括加載裝置框架、培養室、扭轉傳動機構和壓力傳動機構，加載裝置框架由上板和底板通過主立柱和副立柱固定連接構成，主立柱為筒體結構；培養室包括培養室體和培養室底并通過粗糙接觸表面摩擦連動，腰椎間盤培養物置于培養室內，培養室底設有營養物填充接頭；扭轉傳動機構包括步進電機和加載平臺，步進電機通過輸出軸與加載平臺連接，步進電機與底板固定，培養室底的下表面與加載平臺的上表面接觸并通過粗糙接觸表面摩擦連動；壓力傳動機構包括壓電陶瓷、杠桿、支點和壓桿，壓電陶瓷裝在主立柱的筒體內并與主立柱內壁形成動配合，壓電陶瓷的底部與底板固定，杠桿和支點通過螺釘固定，杠桿的一端與壓電陶瓷的動力輸出工作面接觸并通過設置于上板的調節螺桿施壓于支點的上表面使其接觸緊密，杠桿的另一端通過螺釘與壓桿固定，壓桿的上端穿過上板并可在穿孔中滑動，壓桿的下端伸入到培養室中并施壓于腰椎間盤培養物上。

本實用新型的工作原理：

本實用新型是一種腰椎間盤體外構建的加載裝置，能夠對培養物同時提供扭轉和加壓作用。給壓電陶瓷輸入設定的電信號，壓電陶瓷在電信號的作用下產生規律性的變形，壓電陶瓷的變形通過杠桿被放大并傳遞到壓桿，壓桿作用于培養室內的培養物上，從而實現對培養的椎間盤組織豎直方向的高頻加載。給步進電機輸入電信號，該信號使電機產生逆時針和順時針相交互的轉動，電機帶動加載平臺及培養室一起扭動，由于培養物下端與培養室底部的摩擦力足以使其與培養室同時扭轉，上端受壓桿3的垂直壓力，因此使固定在加載平臺上的培養物發生類似于腰椎間盤在體內生長情況下的扭轉，進而實現對培養物的扭轉加載。