專利名稱：用于軟骨體外構(gòu)建的滾壓加載裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及細(xì)胞工程和組織工程領(lǐng)域，特別是涉及一種用于軟骨體外構(gòu) 建的滾壓加載裝置。
背景技術(shù)：
近年來，由于軟骨退化或缺損引起關(guān)節(jié)疼痛、活動(dòng)障礙甚至完全喪失關(guān) 節(jié)功能已成為醫(yī)學(xué)治療的一個(gè)難題。盡管臨床上采用很多新技術(shù)、新方法進(jìn) 行治療，但仍沒有形成合適的方法來獲得滿意的治療效果。
目前，軟骨組織工程正成為一種永久修復(fù)組織缺損的理想方法，并且在 種子細(xì)胞、支架材料、生長調(diào)節(jié)因子、組織構(gòu)建等方面都已取得巨大的進(jìn)展。 當(dāng)前通常使用的對細(xì)胞培養(yǎng)、組織和細(xì)胞-支架培養(yǎng)物培養(yǎng)及保持的生物反應(yīng) 器有四種，即靜態(tài)生物反應(yīng)器、旋轉(zhuǎn)培養(yǎng)瓶生物反應(yīng)器、旋轉(zhuǎn)壁式生物反
應(yīng)器和灌流式生物反應(yīng)器[Advanced Drug Delivery Reviews 33 (1998) 15-30， Tissue Engineering. 2003， 9(3)， 549-553]，不同的種子細(xì)胞、 新型支架材料、生長因子等構(gòu)成培養(yǎng)物，分別在這幾種生物反應(yīng)器中進(jìn)行培 養(yǎng)，主要是利于培養(yǎng)物形態(tài)、結(jié)構(gòu)的生長。盡管現(xiàn)有技術(shù)中各種生物反應(yīng)器 的使用優(yōu)化了培養(yǎng)物的生長，但培養(yǎng)物的生長、發(fā)育還是沒達(dá)到臨床要求。 培養(yǎng)的人工軟骨在結(jié)構(gòu)和功能上與活體軟骨還有較大的差距，這直接影響了 人工軟骨在臨床上的應(yīng)用。
實(shí)際上有很多物理因素都會影響軟骨組織的生長和發(fā)育，而力學(xué)因素又 在其中起了主要作用。因此，很多研究者研制出了多種有力學(xué)環(huán)境的生物反
應(yīng)器，嘗試培養(yǎng)功能化人工軟骨，這些反應(yīng)器的力學(xué)條件有流體剪應(yīng)力、 液體壓力、拉伸、直接壓縮、變形剪應(yīng)力或其中一種或幾種條件的組合。其 中流體剪應(yīng)力、液體壓力和直接壓縮的培養(yǎng)軟骨的條件正被廣泛研究。但是， 關(guān)節(jié)有支撐、運(yùn)動(dòng)的功能，股骨遠(yuǎn)端與脛骨近端之間有滑液、營養(yǎng)軟骨和潤滑軟骨表面。股骨遠(yuǎn)端與脛骨近端相互接觸，有兩種相對運(yùn)動(dòng)， 一種是滾動(dòng)， 另一種是滑動(dòng)，可形象地描述為一種圓柱的直接接觸壓縮，另一種似車輪滑 動(dòng)，產(chǎn)生表面剪應(yīng)力。滾動(dòng)一方面對軟骨產(chǎn)生壓縮，另一方面還引起剪切變 形。滾壓載荷是活體關(guān)節(jié)軟骨力學(xué)環(huán)境的主要代表。對于組織工程，不同組 織有不同的力學(xué)條件，關(guān)節(jié)軟骨這種工程化構(gòu)建就需要特定的力學(xué)環(huán)境。根 據(jù)組織工程構(gòu)建的仿真原理，滾壓加載更適合關(guān)節(jié)軟骨的構(gòu)建。

實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題是提供一種根據(jù)組織工程構(gòu)建的仿真原理 而設(shè)計(jì)的用于軟骨體外構(gòu)建的滾壓加載裝置。
本實(shí)用新型的用于軟骨體外構(gòu)建的滾壓加載裝置的技術(shù)方案如下
一種用于軟骨體外構(gòu)建的滾壓加載裝置，包括用于調(diào)節(jié)對培養(yǎng)物的壓縮 量的壓縮調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和用于對培養(yǎng)物施加滾壓載荷的滾動(dòng)控制機(jī)構(gòu)。
上述的壓縮調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)包括壓縮調(diào)節(jié)架、平臺、調(diào)節(jié)螺桿、第1楔形滑 塊、第2楔形滑塊、壓板、培養(yǎng)室、底架和回位彈簧，其中，壓縮調(diào)節(jié)架具 有近似于U形的橫截面，其兩個(gè)側(cè)臂分別穿過平臺上形成的兩個(gè)矩形孔，由 平臺的下面向上延伸至平臺上面，壓縮調(diào)節(jié)架的兩個(gè)側(cè)臂的上端內(nèi)側(cè)分別固 定設(shè)置有一壓板，在底架內(nèi)設(shè)置有第1楔形滑塊和第2楔形滑塊， 一對調(diào)節(jié) 螺桿固定在底架的兩側(cè)，兩個(gè)調(diào)節(jié)螺桿分別與第1楔形滑塊和第2楔形滑塊 的一端連接，使其產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)，壓縮調(diào)節(jié)架的底面的上部通過回位彈簧與 平臺的底面連接，壓縮調(diào)節(jié)架的下表面與第1楔形滑塊的上表面接觸并可相 對滑動(dòng)，第1楔形滑塊的上表面、壓縮調(diào)節(jié)架的下表面均與平臺平行，第1
楔形滑塊的位于下部的斜面與第2楔形滑塊的位于上部的斜面重合并可相對滑動(dòng)。
上述的滾動(dòng)控制機(jī)構(gòu)包括步進(jìn)電機(jī)、電機(jī)軸、絲杠、連接件、連桿、輥 子、齒輪和齒條，所述的步進(jìn)電機(jī)通過電機(jī)軸與絲杠連接，絲杠的另一端通 過連接件與連桿連接，連桿的端部設(shè)有卡槽，卡槽的截面為局部切去的環(huán)形， 其形狀與輥?zhàn)优c齒輪的共有軸端部的形狀相適應(yīng)，輥?zhàn)优c齒輪的共有軸端部固定在卡槽內(nèi)，齒條固定在壓縮調(diào)節(jié)架上，齒輪與齒條相嚙合。
本實(shí)用新型的用于軟骨體外構(gòu)建的滾壓加載裝置，通過步進(jìn)電機(jī)、絲杠 控制輥?zhàn)訚L動(dòng)速度，由齒輪和齒條形成輥?zhàn)蛹儩L動(dòng)，并且輥?zhàn)幽軌蛞跃鶆蛩?度滾過培養(yǎng)物。另外，通過楔形滑塊的相對滑動(dòng)可以保證工作面平行升降， 從而可以對培養(yǎng)物產(chǎn)生均勻的、可調(diào)的壓縮量。此裝置模擬膝關(guān)節(jié)處的運(yùn)動(dòng) 狀態(tài)，由于滾壓加載更接近于實(shí)際軟骨的受力狀態(tài)，因此在滾壓加載條件下 可形成人工軟骨力學(xué)影響的研究模型，有利于軟骨的力生物學(xué)方面的探索。


圖l所示為本實(shí)用新型的滾壓加載裝置的立體結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2所示為本實(shí)用新型的滾壓加載裝置的側(cè)面示意圖，其中未顯示培養(yǎng)室 和步進(jìn)電機(jī)；
圖3所示為本實(shí)用新型的滾壓加載裝置中升降裝置的立體結(jié)構(gòu)示意圖4所示為本實(shí)用新型的滾壓加載裝置中絲杠推動(dòng)系統(tǒng)的立體結(jié)構(gòu)示意
圖中
1.步進(jìn)電機(jī)； 4.連接件； 7.齒輪； IO.平臺；
13.第2楔形滑塊; 16.底架；
19.卡槽
2.電機(jī)軸； 5.連桿； 8.齒條； ll.調(diào)節(jié)螺桿；
14.壓板；
17.回位彈簧;
3.絲桿；
6.輥?zhàn)樱?br> 9.壓縮調(diào)節(jié)架；
12.第1楔形滑塊;
15.培養(yǎng)室；
18.培養(yǎng)物
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型是一種關(guān)節(jié)軟骨體外構(gòu)建的加載裝置。能夠?qū)ε囵B(yǎng)物提供滾 壓的加載過程，其整體結(jié)構(gòu)如圖l所示。參見圖1，本實(shí)用新型的滾壓加載裝 置從功能上分包括兩大機(jī)構(gòu)，即滾動(dòng)控制機(jī)構(gòu)和壓縮調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。
下面首先對滾動(dòng)控制機(jī)構(gòu)進(jìn)行說明。如圖K圖2所示，所述的滾動(dòng)控制機(jī)構(gòu)包括步進(jìn)電機(jī)l、電機(jī)軸2、絲杠3、連接件4、連桿5、輥?zhàn)?、齒輪7和 齒條8。步進(jìn)電機(jī)1通過電機(jī)軸2與絲杠3連接，絲杠3的另一端通過連接件4與 連桿5連接。連桿5的端部設(shè)有卡槽19 (見圖4)，卡槽19的截面為局部切去的 環(huán)形，其形狀與輥?zhàn)?與齒輪7的共有軸端部的形狀相適應(yīng)，輥?zhàn)?與齒輪7的 共有軸端部固定在卡槽內(nèi)，齒條8固定在壓縮調(diào)節(jié)架9上，齒輪7與齒條8嚙合。
上述滾動(dòng)控制機(jī)構(gòu)的滾動(dòng)控制過程如下步進(jìn)電機(jī)1的電機(jī)軸2旋轉(zhuǎn)，引 起絲杠3沿電機(jī)軸2和軸線方向來回運(yùn)動(dòng)，絲杠3帶動(dòng)連桿5、輥?zhàn)?和齒輪7— 起運(yùn)動(dòng)，齒輪7與齒條8嚙合，齒輪7、輥?zhàn)?做純滾動(dòng)。培養(yǎng)物18設(shè)置在輥?zhàn)? 下面，因此輥?zhàn)?在培養(yǎng)物18的表面上來回滾動(dòng)。輥?zhàn)?的滾動(dòng)速度隨步進(jìn)電 機(jī)l的轉(zhuǎn)動(dòng)速度不同而不同。
上述的滾動(dòng)控制是由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲杠引起輥?zhàn)觼砘貪L動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。用 絲杠帶動(dòng)滾子的運(yùn)動(dòng)能夠使?jié)L子的中心軸獲得恒定的速度，而使?jié)L子在培養(yǎng) 物上以勻速作純滾動(dòng)，從而保證了培養(yǎng)物受力均勻。
下面對滾壓加載裝置的壓縮調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)行說明。
如圖1 圖4所示，所述的壓縮調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)包括壓縮調(diào)節(jié)架9、平臺IO、調(diào) 節(jié)螺桿ll、第1楔形滑塊12、第2楔形滑塊13、壓板14、培養(yǎng)室15、底架16和 回位彈簧17。壓縮調(diào)節(jié)架9具有近似于U形的橫截面，其兩個(gè)側(cè)臂分別穿過平 臺10上形成的兩個(gè)矩形孔，由平臺10的下面向上延伸至平臺10上面。壓縮調(diào) 節(jié)架9的兩個(gè)側(cè)臂上端的內(nèi)側(cè)分別固定設(shè)置有一壓板14。壓板14保證連桿5的 卡槽卡住輥?zhàn)?的軸。輥?zhàn)?與壓縮調(diào)節(jié)架9在垂直方向上的位置保持不變，即 輥?zhàn)?與壓縮調(diào)節(jié)架9隨著兩個(gè)楔形滑塊的相對移動(dòng)而同時(shí)升高或降低，輥?zhàn)? 與平臺10的距離就是培養(yǎng)物18的厚度加上培養(yǎng)室底板的厚度。壓縮調(diào)節(jié)架9的 下表面與第1楔形滑塊12的上表面接觸并可相對滑動(dòng)，第1楔形滑塊12的上表 面、壓縮調(diào)節(jié)架9的下表面均與平臺10平行。第1楔形滑塊12的位于下部的斜 面與第2楔形滑塊13的位于上部的斜面重合并可相對滑動(dòng)。第1楔形滑塊12與 第2楔形滑塊13裝在底架16內(nèi)部， 一對調(diào)節(jié)螺桿11固定在底架16兩側(cè)。兩個(gè)調(diào) 節(jié)螺桿11分別與第1楔形滑塊12和第2楔形滑塊13的一端連接，可推動(dòng)/拉動(dòng)兩 個(gè)楔形滑塊，使其產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)。壓縮調(diào)節(jié)架9的腰部，即底面的上部通過回位彈簧17與平臺10的底面連接。
壓縮調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的工作過程為第1楔形滑塊12的調(diào)節(jié)螺桿11向內(nèi)旋動(dòng)，推
動(dòng)第1楔形滑塊12在第2楔形滑塊13的斜面上滑動(dòng)，第1楔形滑塊12整體升高， 從而使壓縮調(diào)節(jié)架9上升。同理，也可以通過調(diào)節(jié)另一調(diào)節(jié)螺桿ll推動(dòng)壓縮調(diào) 節(jié)架9上升。輥?zhàn)?與壓縮調(diào)節(jié)架9在垂直方向上位置保持不變，輥?zhàn)?與底板 的距離就增加，培養(yǎng)物18的壓縮量就變小。當(dāng)調(diào)節(jié)螺桿ll向外旋動(dòng)時(shí)，拉動(dòng) 第l楔形滑塊12在第2楔形滑塊13的斜面上向下滑動(dòng)，第l楔形滑塊12整體下 降，回位彈簧17推動(dòng)壓縮調(diào)節(jié)架9下降，從而減小了輥?zhàn)?與底板的距離，培 養(yǎng)物18的壓縮量增大。這樣就實(shí)現(xiàn)了培養(yǎng)物18的不同壓縮量。
為了便于放入孵箱內(nèi)，本實(shí)用新型的滾壓加載裝置(除電機(jī)控制部分外) 的外形尺寸可以做得足夠小，例如，可以是200mmX120mmX120mm。所述的滾 壓加載裝置工作時(shí)是放入市場上現(xiàn)有的孵箱內(nèi)的，在孵箱的標(biāo)準(zhǔn)溫度C02濃度 條件下進(jìn)行。
權(quán)利要求1.一種用于軟骨體外構(gòu)建的滾壓加載裝置，其特征在于包括用于調(diào)節(jié)對培養(yǎng)物的壓縮量的壓縮調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和用于對培養(yǎng)物施加滾壓載荷的滾動(dòng)控制機(jī)構(gòu)，所述的壓縮調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)包括壓縮調(diào)節(jié)架、平臺、調(diào)節(jié)螺桿、第1楔形滑塊、第2楔形滑塊、壓板、培養(yǎng)室、底架和回位彈簧，其中，壓縮調(diào)節(jié)架具有近似于U形的橫截面，其兩個(gè)側(cè)臂分別穿過平臺上形成的兩個(gè)矩形孔，由平臺的下面向上延伸至平臺上面，壓縮調(diào)節(jié)架的兩個(gè)側(cè)臂的上端內(nèi)側(cè)分別固定設(shè)置有一壓板，在底架內(nèi)設(shè)置有第1楔形滑塊和第2楔形滑塊，一對調(diào)節(jié)螺桿固定在底架的兩側(cè)，兩個(gè)調(diào)節(jié)螺桿分別與第1楔形滑塊和第2楔形滑塊的一端連接，使其產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)，壓縮調(diào)節(jié)架的底面的上部通過回位彈簧與平臺的底面連接，壓縮調(diào)節(jié)架的下表面與第1楔形滑塊的上表面接觸并可相對滑動(dòng)，第1楔形滑塊的上表面、壓縮調(diào)節(jié)架的下表面均與平臺平行，第1楔形滑塊的位于下部的斜面與第2楔形滑塊的位于上部的斜面重合并可相對滑動(dòng)；所述的滾動(dòng)控制機(jī)構(gòu)包括步進(jìn)電機(jī)、電機(jī)軸、絲杠、連接件、連桿、輥?zhàn)印X輪和齒條，所述的步進(jìn)電機(jī)通過電機(jī)軸與絲杠連接，絲杠的另一端通過連接件與連桿連接，連桿的端部設(shè)有卡槽，卡槽的截面為局部切去的環(huán)形，其形狀與輥?zhàn)优c齒輪的共有軸端部的形狀相適應(yīng)，輥?zhàn)优c齒輪的共有軸端部固定在卡槽內(nèi)，齒條固定在壓縮調(diào)節(jié)架上，齒輪與齒條相嚙合。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1 3中任一項(xiàng)所述的滾壓加載裝置，其特征在于所述滾壓加載裝置的外形尺寸為200mmX 120mmX 120mm。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種根據(jù)組織工程構(gòu)建的仿真原理而設(shè)計(jì)的用于軟骨體外構(gòu)建的滾壓加載裝置，包括滾動(dòng)控制機(jī)構(gòu)和壓縮調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，對培養(yǎng)物施加滾壓加載的力學(xué)條件。該裝置可一方面通過步進(jìn)電機(jī)、絲杠控制輥?zhàn)訚L動(dòng)速度，由齒輪和齒條形成輥?zhàn)蛹儩L動(dòng)，使輥?zhàn)泳鶆蛩俣葷L過培養(yǎng)物；另一方面由楔形滑塊相對滑動(dòng)保證工作面平行升降，對培養(yǎng)物產(chǎn)生均勻的、可調(diào)的壓縮量。裝置模擬膝關(guān)節(jié)處的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，由于滾壓加載更接近于實(shí)際軟骨的受力狀態(tài)，因此在滾壓加載條件下可形成人工軟骨力學(xué)影響的研究模型，有利于軟骨的力生物學(xué)方面的探索。
文檔編號C12M3/00GK201354373SQ20082014398
公開日2009年12月2日 申請日期2008年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月5日
發(fā)明者張春秋, 王秀華 申請人:天津理工大學(xué)