[發明專利]一種電磁驅動滾壓式加載的生物反應器

在審

• 申請號: 202210002736.7
• 申請日: 2022-01-05
• 公開（公告）號: CN115074242A
• 公開（公告）日: 2022-09-20
• 發明（設計）人: 張春秋;劉天宇;王昊;高麗蘭;呂林蔚
• 申請（專利權）人: 天津理工大學
• 主分類號: C12M3/00
• 分類號: C12M3/00;C12M1/36;C12M1/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明是一種電磁驅動滾壓式加載的生物反應器，包括：培養箱、培養液灌流系統、電勵磁線圈、永磁體輥子，培養床，齒條和薄膜式壓力傳感器；工作時，培養液灌流系統、永磁體輥子、培養床、和齒條位于培養箱內，培養箱內氧氣含量1％?10％，溫度37度，培養液灌流系統通過硅膠管與培養箱相連，控制培養箱內培養液循環，保證軟骨培養物處于細胞可生長的生物環境，電勵磁線圈依次通電，吸引永磁體輥子產生轉矩，在齒條配合下對固定在培養床上的培養物施加滾動載荷，齒條下方有彈性硅膠條，為齒條提供浮動支撐，模擬真實生態情況；培養箱處于全封閉狀態，避免污染，軟骨培養物滾壓功能由滾動的永磁體輥子提供，通過改變電勵磁線圈的勵磁電流的頻率和波形實現對軟骨培養物施加多種壓力，薄膜式壓力傳感器將培養物上的壓力值以電信號的方式實時輸出，也通過可以改變勵磁電流的大小，以改變永磁體輥子受到的電磁力對軟骨培養物施加不同的壓縮量，完成不同力學環境下軟骨培養物生長、發育。

技術領域：

本發明涉及一種電磁驅動滾壓式加載的生物反應器，特別是指滾壓載荷和低氧條件下模擬關節物理環境應用于細胞、組織培養和保存的生物反應器，屬于生物醫學工程技術領域。

背景技術：

關節軟骨損傷是外科常見的疾病之一，通常由外傷或骨性關節炎等慢性疾病引起。臨床表現為頑固性靜息痛伴功能障礙，嚴重者甚至會完全喪失關節功能，成為肢殘和勞動力喪失的主要原因之一。軟骨組織是人體的承重結構，對力學環境較為敏感，異常的力學環境會導致其退化或變性；關節軟骨所在的物理環境為低氧環境，力學環境是軟骨組織生存最為重要的影響因素。

由于軟骨組織內部缺乏血管，神經和淋巴管，其再生能力極為有限，而保守藥物治療和全關節置換術又有著各自的局限性。運用細胞學和組織工程技術在體外構建功能化的軟骨組織是解決之一難題的有效方法。

組織工程技術在體外構建功能化的軟骨組織的方法一般是：將自體或異體細胞接種于可降解的生物材料支架中，通過不同因子的刺激從而調控細胞生長，然后將細胞-生物材料植入體內組織缺損位置，達到修復組織和器官缺損的目的，人體在行走中膝關節的股骨遠端和脛骨近端相互接觸，存在滾動作用，其中關節軟骨受到壓縮和剪切，同時軟骨組織會受到低頻高幅載荷，由此從仿生學角度，我們提出采用滾壓載荷模擬關節的力學條件，并且通過調控頻率、壓力、剪切力優化軟骨培養物的力學條件。

目前，有學者采用機電系統驅動的生物反應器對培養物施加力學載荷的方法在體外培育軟骨組織，并獲得了一定的進展，然而現有的生物反應器多采用絲杠類動力源與培養物空間相連，容易造成污染，在培養過程中導致細菌大量滋生，干擾實驗結果，且由于機械傳動部件質量較大，輥子的往復運動頻率較低，而采用動磁場作為動力源，不需要機械傳動結構，可以使培養箱內部完全封閉，培養物不易污染，增加加載裝置的應用可靠性，并且通過動磁控制可以使加載至培養物上的力學載荷的頻率和幅值范圍更寬，響應速度更快。因此，有必要發明一種電磁驅動滾壓式加載的生物反應器，以保證生物反應器內部的無菌環境，控制實驗的干擾變量，有利于進一步闡明人體軟骨組織對力學刺激響應的真實情況。

發明內容：

本發明的目的旨在提供一種電磁驅動滾壓式加載的生物反應器，以解決現有技術中的不足。采用電磁場驅動輥子對培養物施加滾動載荷，在低氧環境下模擬人體關節軟骨環境，用于軟骨培養物培養的生物反應器。

為了實現上述目的，本發明提供了一種電磁驅動滾壓式加載的生物反應器，包括：培養箱、培養液灌流系統、電勵磁線圈、永磁體輥子，薄膜式壓力傳感器，玻璃蓋板；工作時，電勵磁線圈依次通電，對永磁體輥子施加扭矩，在齒條的限位配合下使輥子在培養床上往復滾動，齒條下方有彈性硅膠條，為齒條提供浮動支撐，培養箱內氧氣含量1％-10％，培養液灌流系統通過硅膠管與培養箱相連，控制培養箱內培養液更換，保證軟骨培養物處于細胞可生長的生物環境，通過調控電勵磁線圈輸入電流的占空比和變化頻率，實現永磁體輥子在培養床上以不同的壓力和頻率施加滾動壓力，模擬真實生態情況；薄膜式壓力傳感器位于培養床下方，將壓力數值以電信號的形式輸出，實現壓力值的動態調節；培養箱處于封閉狀態，避免污染；玻璃蓋板蓋在培養箱的上方，方便觀察培養箱內的情況；