[發(fā)明專利]多孔鈦合金中骨骼細(xì)胞壓應(yīng)力的加載裝置及加載方法

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410228727.5
• 申請(qǐng)日: 2014-05-27
• 公開（公告）號(hào): CN103992947A
• 公開（公告）日: 2014-08-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 景達(dá);羅二平;劉戈;佟世超;翟明明;申廣浩
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)人民解放軍第四軍醫(yī)大學(xué)
• 主分類號(hào): C12M3/00
• 分類號(hào): C12M3/00;C12N5/077
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責(zé)任公司 61200
• 代理人: 朱海臨

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種對(duì)多孔鈦合金中骨骼細(xì)胞加載壓縮應(yīng)力的裝置及壓縮應(yīng)力的加載方法，以實(shí)現(xiàn)對(duì)種植在多孔鈦合金表面的體外培養(yǎng)的骨骼細(xì)胞(包括成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞及骨細(xì)胞)施加應(yīng)力載荷的刺激，并進(jìn)一步研究這些骨骼細(xì)胞的力學(xué)生物學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，為應(yīng)力載荷協(xié)同多孔鈦合金對(duì)臨床上骨缺損的治療提供科學(xué)的理論依據(jù)。

背景技術(shù)

骨缺損的修復(fù)和功能重建是骨科臨床的常見病和難治病，其中尤以長(zhǎng)骨的大段骨缺損的修復(fù)最為困難。我國(guó)肢體不自由患者有1500萬人以上，其中由于缺乏重建手術(shù)和材料，已有約300萬人截肢；我國(guó)每年大約有350萬人因不同原因(包括交通和運(yùn)動(dòng)事故、意外傷害、人口老齡化、病變等)出現(xiàn)骨缺損，而骨骼不健全的人數(shù)也有上千萬之多，且有日益增多的趨勢(shì)。不少骨缺損病人并未實(shí)施手術(shù)，特別是大段骨缺損患者不得不實(shí)施截肢手術(shù)或用假肢替代。骨缺損給患者帶來極大的痛苦，給家庭帶來巨大的經(jīng)濟(jì)和精神負(fù)擔(dān)。

臨床上對(duì)于小于6cm的節(jié)段性缺損可通過傳統(tǒng)的自體骨或人工骨移植恢復(fù)患肢的長(zhǎng)度和功能。但大段骨缺損的修復(fù)治療則較復(fù)雜，運(yùn)用最廣泛的方法為帶血供的自體骨移植、同種異體骨移植和牽拉成骨技術(shù)等，但這些方法均存在各自的不足。帶血管的自體骨移植愈合快而牢固，但通常受到來源的限制，且取骨量有限，并會(huì)在供區(qū)造成新的骨缺損，且取骨區(qū)有感染、疼痛等并發(fā)癥發(fā)生。異體骨移植是替代自體骨移植的良好材料，多用于修復(fù)腫瘤切除所致的缺損，但其并發(fā)癥及失敗率較高，且還具有引發(fā)免疫排異反應(yīng)和疾病傳播等風(fēng)險(xiǎn)。牽拉成骨是在牽引應(yīng)力作用下，逐漸牽開兩個(gè)有血供的骨表面，使骨表面之間形成新骨。但其具有時(shí)間長(zhǎng)的缺點(diǎn)，而且感染、延遲愈合、肌肉攣縮和關(guān)節(jié)僵直等并發(fā)癥的發(fā)生率很高。

鈦合金憑借其優(yōu)良的生物相容性、抗腐蝕性、綜合力學(xué)性能和工藝性能已成為牙種植體、骨創(chuàng)傷產(chǎn)品以及人工關(guān)節(jié)等人體硬組織替代物和修復(fù)物的首選材料。而將鈦合金制備成多孔結(jié)構(gòu)后，在植入長(zhǎng)骨中后不僅可形成體液傳輸通道，利于成骨細(xì)胞在鈦合金孔隙中的生長(zhǎng)并礦化形成新生的骨組織，同時(shí)能夠在骨小梁水平上實(shí)現(xiàn)彈性模量的匹配，可以實(shí)現(xiàn)骨小梁與合金多孔結(jié)構(gòu)的機(jī)械鉚合，因此在骨缺損的修復(fù)治療中具有廣闊的臨床應(yīng)用前景。但在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中人們發(fā)現(xiàn)：骨組織在多孔材料的表層長(zhǎng)入較好，但卻難以完全長(zhǎng)入大體積多孔鈦合金材料內(nèi)部；在骨小梁水平上，骨組織與鈦合金材料不能達(dá)到完全骨整合。

大量研究證實(shí)外源性的施加適當(dāng)強(qiáng)度生理水平的周期載荷刺激可以顯著提高骨量和骨強(qiáng)度。生理水平的周期應(yīng)力載荷刺激能夠提高正常和骨質(zhì)疏松動(dòng)物的骨量、改善松質(zhì)骨和皮質(zhì)骨的微結(jié)構(gòu)、提高骨的力學(xué)強(qiáng)度、促進(jìn)骨生成并抑制骨吸收。而對(duì)于骨折的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物，將骨折部位經(jīng)適當(dāng)固定后再施加周期性載荷刺激，能加速骨痂生長(zhǎng)，促進(jìn)骨折愈合并增加愈合處的強(qiáng)度和剛度。臨床研究證實(shí)，力學(xué)載荷刺激(如有氧慢跑、中強(qiáng)度抗阻訓(xùn)練等)可以有效提升絕經(jīng)后婦女的骨密度，抑制絕經(jīng)后的高骨代謝并降低骨折風(fēng)險(xiǎn)。因此，我們提出一種將周期載荷與多孔鈦合金協(xié)同作用修復(fù)治療骨缺損的設(shè)計(jì)思想，為多孔鈦合金的修復(fù)區(qū)域構(gòu)建其原本缺失的力學(xué)微環(huán)境，有望在較大程度上提高骨缺損的修復(fù)效率。

針對(duì)以上設(shè)計(jì)思想，我們需要將周期載荷對(duì)植入種植體表面的骨骼細(xì)胞生物學(xué)影響進(jìn)行系統(tǒng)研究評(píng)估，從而明確周期載荷對(duì)于成骨細(xì)胞與鈦合金表面的生物兼容性的關(guān)系，為周期載荷對(duì)于改善鈦植入物的骨整合作用的相關(guān)機(jī)制奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

發(fā)明內(nèi)容

為深入開展種植在多孔鈦合金表面的骨骼細(xì)胞力學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的研究，以及為應(yīng)力載荷協(xié)同多孔鈦合金對(duì)臨床上骨缺損治療提供科學(xué)理論依據(jù)，本發(fā)明的目的是提供一種對(duì)種植在多孔鈦合金表面的骨骼細(xì)胞進(jìn)行動(dòng)態(tài)壓縮載荷的空氣動(dòng)態(tài)壓加載裝置及相應(yīng)的壓應(yīng)力加載方法，以實(shí)現(xiàn)對(duì)骨骼細(xì)胞在其適宜的生長(zhǎng)環(huán)境下施加應(yīng)力載荷的刺激。

為達(dá)到以上目的，本發(fā)明是采取如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的：

一種多孔鈦合金中骨骼細(xì)胞壓應(yīng)力的加載裝置，其特征在于，包括一個(gè)矩形的加壓腔室，其前側(cè)設(shè)有一可開合的活動(dòng)壁板，加壓腔室上面連通一個(gè)筒形的動(dòng)作腔室，其中設(shè)置動(dòng)作活塞，該動(dòng)作活塞上面連接一傳動(dòng)桿，傳動(dòng)桿通過傳動(dòng)組件連接伺服電機(jī)，該伺服電機(jī)由一臺(tái)PC通過運(yùn)動(dòng)控制卡控制該伺服電機(jī)通過傳動(dòng)組件驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)桿帶動(dòng)動(dòng)作活塞在動(dòng)作腔室進(jìn)行上下運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而在加壓腔室中產(chǎn)生壓縮載荷，并最終作用于事先放置于加壓腔室中的多孔鈦合金骨骼細(xì)胞試樣，加壓腔室中至少設(shè)置有壓力傳感器和溫度傳感器。

上述方案中，所述的動(dòng)作腔室和加壓腔室均由熱傳導(dǎo)性能良好、且透明的聚甲基丙烯酸甲酯材料制成。