專利名稱：一種疲勞加載實(shí)驗(yàn)裝置及工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種材料力學(xué)的實(shí)驗(yàn)裝置及工藝，具體地講，是用于生物材料實(shí)驗(yàn)的 一種疲勞加載實(shí)驗(yàn)裝置及工藝。
背景技術(shù)：
隨著生物學(xué)的發(fā)展，細(xì)胞微環(huán)境對(duì)生物材料生物相容性和細(xì)胞的生長的影響，越 來越受到重視，特別是力學(xué)刺激對(duì)生物材料和細(xì)胞的影響研究。為此，發(fā)明了許多力學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置。專利US5348879-A(1994)發(fā)明了一種可以對(duì)培養(yǎng)在彈性膜上的細(xì)胞施加雙軸力 學(xué)刺激的裝置，該裝置彈性膜周圍被固定，彈性膜下面放置一個(gè)平臺(tái)，該平臺(tái)在動(dòng)力驅(qū)動(dòng)下 向上推進(jìn)使得彈性膜被拉伸。專利CN 101092595A (數(shù)控機(jī)械應(yīng)變細(xì)胞加載實(shí)驗(yàn)機(jī)，2007) 發(fā)明了一種對(duì)生長在彈性膜上的細(xì)胞施加力學(xué)刺激的裝置，彈性膜下面有一個(gè)機(jī)械頂板， 由機(jī)械頂板頂壓彈性膜產(chǎn)生拉伸作用。專利US6107081-A(2000)發(fā)明了一種可以對(duì)培養(yǎng)在 彈性膜上的細(xì)胞施加單軸力學(xué)刺激的裝置，該裝置中條形彈性膜兩端被夾住，一端固定在 固定的架子上，另一端固定在活動(dòng)的架子上，活動(dòng)的架子在動(dòng)力驅(qū)動(dòng)下沿單軸來回運(yùn)動(dòng)，從 而沿單軸拉伸或壓縮彈性膜。專利CN 1932511A(正弦拉伸細(xì)胞加載裝置，2007)發(fā)明了一 種對(duì)生長在彈性膜上的細(xì)胞施加單軸力學(xué)刺激的裝置，該裝置中條形彈性膜兩端被夾住， 一端固定在固定的架子上，另一端固定在活動(dòng)的架子上，活動(dòng)的架子在動(dòng)力驅(qū)動(dòng)下沿單軸 來回運(yùn)動(dòng)，從而沿單軸拉伸或壓縮彈性膜。專利US6472202-B1(2002)發(fā)明了一種在培養(yǎng)皿 底面(彈性膜)之下的密封腔內(nèi)放置一平臺(tái)，平臺(tái)上表面與彈性膜下表面接觸，這樣在施加 負(fù)壓時(shí)平臺(tái)上面的彈性膜在該平臺(tái)上表面上被拉伸，改變平臺(tái)上表面的形狀可以對(duì)彈性膜 進(jìn)行等軸或單軸拉伸，變換不同形狀的平臺(tái)可以對(duì)同一樣品施加各種等軸或單軸不同方向 的力學(xué)刺激。專利CN 1846606A(模擬關(guān)節(jié)腔復(fù)合機(jī)械應(yīng)力細(xì)胞加載裝置，2006)發(fā)明了可 以對(duì)生長在彈性膜上的細(xì)胞施加多種力學(xué)刺激的裝置，其彈性膜周圍固定在一個(gè)機(jī)械平臺(tái) 上，由機(jī)械傳動(dòng)裝置拉伸彈性膜。這些基于彈性膜的力學(xué)加載技術(shù)的一個(gè)共同的缺點(diǎn)就是力學(xué)加載裝置一般都是 進(jìn)行單一類型的拉伸，等軸或單軸拉伸；而且，這些裝置的彈性膜需要復(fù)雜的額外部件進(jìn)行 固定，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制作費(fèi)時(shí)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有力學(xué)加載裝置的以上不足之處，提出一種對(duì)生物材料疲 勞和細(xì)胞生長影響研究的力學(xué)刺激裝置及工藝。為了解決上述問題，本發(fā)明的技術(shù)方案為一種疲勞加載實(shí)驗(yàn)裝置及工藝，由蠕動(dòng) 泵、水管、三通閥A、培養(yǎng)及實(shí)驗(yàn)槽、控制和數(shù)據(jù)記錄儀等組成，其特征在于控制和數(shù)據(jù)記 錄儀通過控制電路線連接蠕動(dòng)泵；蠕動(dòng)泵的進(jìn)水口與儲(chǔ)水瓶上口相連通，其出水口通過水 管與三通閥A相連通；三通閥A的一個(gè)支管與電磁閥的一個(gè)進(jìn)口連通，電磁閥的另一個(gè)出口與儲(chǔ)水瓶下口相連通；三通閥A的另一個(gè)支管與培養(yǎng)及實(shí)驗(yàn)槽內(nèi)的彈性水囊的一端相連 通；彈性水囊的另一端與培養(yǎng)及實(shí)驗(yàn)槽外的三通閥B相連通。上述技術(shù)方案中，所述培養(yǎng)及實(shí)驗(yàn)槽內(nèi)的彈性水囊外套有實(shí)驗(yàn)的生物膜材料，其 用固定夾固定在彈性水囊外部；實(shí)驗(yàn)的生物膜材料在卷成筒狀前或卷成筒狀后種植有培養(yǎng) 的細(xì)胞。上述技術(shù)方案中，所述實(shí)驗(yàn)的生物膜材料外部還可以加裝橫向固定筒、徑向限定 擋板；橫向固定筒由光滑薄板卷成，其開口處的兩邊固定在兩個(gè)行程馬達(dá)上，行程馬達(dá)可以 在滑軌上移動(dòng)和靜止固定；開口處可以設(shè)在上、下、左、右處，滑軌對(duì)應(yīng)放置；兩個(gè)徑向限定 擋板的上、下、左、右處的任意部位固定在兩個(gè)行程馬達(dá)上；行程馬達(dá)可以在滑軌上移動(dòng)和 靜止固定；橫向固定筒的行程馬達(dá)的滑軌和兩個(gè)徑向限定擋板的行程馬達(dá)的滑軌可以在培 養(yǎng)及實(shí)驗(yàn)槽內(nèi)的上、下、左、右處分別單獨(dú)設(shè)置位置，也可以在培養(yǎng)及實(shí)驗(yàn)槽的一個(gè)部位，呈 兩根十字交叉的滑軌；行程馬達(dá)通過控制電路線與控制和數(shù)據(jù)記錄儀相連。采用上述技術(shù)， 通過對(duì)彈性膜水囊及橫向固定筒和徑向限定擋板的控制，可以得到等軸拉伸、單軸拉伸、或 復(fù)雜類型的雙向拉伸模式，滿足生物材料體內(nèi)仿真力學(xué)加載疲勞實(shí)驗(yàn)測試。作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選實(shí)施例，所述培養(yǎng)及實(shí)驗(yàn)槽內(nèi)充滿著培養(yǎng)介質(zhì)，培養(yǎng)介 質(zhì)可以是細(xì)胞培養(yǎng)液、緩沖溶液等；培養(yǎng)介質(zhì)將實(shí)驗(yàn)的生物膜材料和彈性水囊，及其實(shí)驗(yàn)加 裝的橫向固定筒或徑向限定擋板完全浸沒。采用上述技術(shù)，本發(fā)明模仿了體內(nèi)真實(shí)的力學(xué) 環(huán)境的復(fù)雜多樣，可以實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)細(xì)胞的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)可控的單向或雙向類型的力學(xué)加載實(shí)驗(yàn)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有下列有益效果(1)本發(fā)明裝置在對(duì)細(xì)胞施加力學(xué)刺激的同時(shí)，可以實(shí)時(shí)觀察活細(xì)胞的分子水平 動(dòng)態(tài)變化，獲得的信息量大。(2)本發(fā)明可以在同一裝置中實(shí)現(xiàn)可控的橫向拉伸和徑向拉 伸、單獨(dú)的橫向拉伸或單獨(dú)的徑向拉伸、或橫向拉伸與徑向拉伸交替，等多種類型力學(xué)實(shí) 驗(yàn)，為研究細(xì)胞在復(fù)雜力學(xué)環(huán)境下的變化提供了有力的工具。比如需要兩種類型的拉伸方 式循環(huán)往復(fù)交替進(jìn)行，這個(gè)方案則很難實(shí)現(xiàn)，用本發(fā)明的裝置則很容易實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能。(3) 本發(fā)明中用到的彈性水囊制作簡單，不需要額外的固定裝置，而且重復(fù)性好。


圖1是本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)的生物膜材料和細(xì)胞種植示意圖。圖2是本發(fā)明的疲勞加載裝置示意圖。圖3是本發(fā)明的徑向拉伸疲勞加載的彈性水囊示意圖。圖4是本發(fā)明的橫向拉伸疲勞加載的彈性水囊示意圖。圖中1.固定夾；2.實(shí)驗(yàn)的生物膜材料；3.培養(yǎng)的細(xì)胞；4.電磁閥；5.儲(chǔ)水瓶； 6.蠕動(dòng)泵；7.水管；8.三通閥A;9.培養(yǎng)及實(shí)驗(yàn)槽；10.控制和數(shù)據(jù)記錄儀；11.控制電路 線；12.三通閥B ;13.彈性水囊；14.橫向固定筒；15.徑向限定擋板；16.滑軌；17.行程馬達(dá)。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例進(jìn)一步對(duì)本發(fā)明加以說明。參見圖1 4，一種疲勞加載實(shí)驗(yàn)裝置及工藝，由蠕動(dòng)泵6、水管7、三通閥A 8、培
4養(yǎng)及實(shí)驗(yàn)槽9、控制和數(shù)據(jù)記錄儀10等組成，其特征在于控制和數(shù)據(jù)記錄儀10通過控制 電路線11連接蠕動(dòng)泵6 ；蠕動(dòng)泵6的進(jìn)水口與儲(chǔ)水瓶5上口相連通，其出水口通過水管7與 三通閥A 8相連通；三通閥A8的一個(gè)支管與電磁閥4的一個(gè)進(jìn)口連通，電磁閥4的另一個(gè) 出口與儲(chǔ)水瓶5下口相連通；三通閥A 8的另一個(gè)支管與培養(yǎng)及實(shí)驗(yàn)槽9內(nèi)的彈性水囊10 的一端相連通；彈性水囊13的另一端與培養(yǎng)及實(shí)驗(yàn)槽9外的三通閥B 12相連通。培養(yǎng)及 實(shí)驗(yàn)槽9內(nèi)的彈性水囊13外套有實(shí)驗(yàn)的生物膜材料2，其用固定夾1固定在彈性水囊13外 部；實(shí)驗(yàn)的生物膜材料2在卷成筒狀前或卷成筒狀后種植有培養(yǎng)的細(xì)胞3。實(shí)驗(yàn)的生物膜 材料2外部還可以加裝橫向固定筒14、徑向限定擋板15 ；橫向固定筒14由光滑薄板卷成， 其上部開口處的兩邊固定在兩個(gè)行程馬達(dá)17上；兩個(gè)徑向限定擋板15的上部固定在兩個(gè) 行程馬達(dá)17上；行程馬達(dá)17可以在培養(yǎng)及實(shí)驗(yàn)槽9的兩根十字交叉的滑軌16上移動(dòng)和靜 止固定，行程馬達(dá)17通過控制電路線11與控制和數(shù)據(jù)記錄儀10相連。培養(yǎng)及實(shí)驗(yàn)槽9內(nèi) 充滿著培養(yǎng)介質(zhì)，培養(yǎng)介質(zhì)可以是細(xì)胞培養(yǎng)液、實(shí)驗(yàn)的生物材料浸提液、緩沖溶液等；培養(yǎng) 介質(zhì)將實(shí)驗(yàn)的生物膜材料2和彈性水囊13，及其實(shí)驗(yàn)加裝的橫向固定筒14或徑向限定擋板 15完全浸沒。具體實(shí)施該裝置主要包括細(xì)胞培養(yǎng)單元，疲勞加載單元、控制電路單元、數(shù)據(jù)記 錄單元四個(gè)部分。細(xì)胞培養(yǎng)單元完成成骨細(xì)胞預(yù)先培養(yǎng)在實(shí)驗(yàn)的生物膜材料2-膠原/殼 聚糖膜上，待細(xì)胞生長達(dá)60%融合后小心取出膠原-殼聚糖膜卷起來(細(xì)胞面在外)套在 疲勞加載單元的培養(yǎng)及實(shí)驗(yàn)槽9內(nèi)的彈性水囊13，固定夾1夾緊固定。控制電路單元的控 制和數(shù)據(jù)記錄儀10通過控制電路線11控制蠕動(dòng)泵6轉(zhuǎn)動(dòng)，將儲(chǔ)水瓶5中的水泵出，流向三 通閥A 8，然后流入培養(yǎng)及實(shí)驗(yàn)槽9的彈性水囊中13，打開三通閥B 12排氣后關(guān)閉?？刂?三通閥A 8，當(dāng)液體流過電磁閥，由電磁閥上彈簧片的開閉控制培養(yǎng)及實(shí)驗(yàn)槽9內(nèi)的彈性水 囊13的舒張或回縮(彈簧片下壓，液體流入水位瓶，水囊回縮；彈簧片上頂，液體流向水囊， 水囊舒張)，從而對(duì)生長在膜上的細(xì)胞進(jìn)行疲勞拉伸加載。微控制器通過自身的定時(shí)器為繼 電器提供準(zhǔn)確的開關(guān)波形，輸出到功率放大電路再供給繼電器，讓繼電器在設(shè)定的頻率下 對(duì)電磁閥進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)特定頻率的改變。控制電路單元的控制和數(shù)據(jù)記錄儀10通過控制電路線11，控制蠕動(dòng)泵6實(shí)現(xiàn)彈性 水囊中13漲大和縮??；以及控制橫向固定筒14張合大小的兩個(gè)行程馬達(dá)17和兩個(gè)徑向限 定擋板15間的距離的行程馬達(dá)17，來實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的生物膜材料2的無約束張合、橫向約束張 合、徑向約束張合、橫向徑向交替約束張合等一系列受控制的等多種類型力學(xué)疲勞實(shí)驗(yàn)。數(shù)據(jù)記錄單元的控制和數(shù)據(jù)記錄儀10結(jié)合數(shù)據(jù)分析結(jié)果，考察周期性疲勞載荷 對(duì)實(shí)驗(yàn)的生物膜材料2的微觀結(jié)構(gòu)以及在實(shí)驗(yàn)的生物膜材料2上種植的成骨細(xì)胞生命行為 的影響，解析實(shí)驗(yàn)的生物膜材料2-膠原/殼聚糖膜支架材料的疲勞加載/微觀結(jié)構(gòu)演化/ 細(xì)胞生命行為之間的關(guān)系，從理論上指導(dǎo)材料的設(shè)計(jì)與制備。
權(quán)利要求
一種疲勞加載實(shí)驗(yàn)裝置及工藝，由蠕動(dòng)泵(6)、水管(7)、三通閥A(8)、培養(yǎng)及實(shí)驗(yàn)槽(9)、控制和數(shù)據(jù)記錄儀(10)等組成，其特征在于控制和數(shù)據(jù)記錄儀(10)通過控制電路線(11)連接蠕動(dòng)泵(6)；蠕動(dòng)泵(6)的進(jìn)水口與儲(chǔ)水瓶(5)上口相連通，其出水口通過水管(7)與三通閥A(8)相連通；三通閥A(8)的一個(gè)支管與電磁閥(4)的一個(gè)進(jìn)口連通，電磁閥(4)的另一個(gè)出口與儲(chǔ)水瓶(5)下口相連通；三通閥A(8)的另一個(gè)支管與培養(yǎng)及實(shí)驗(yàn)槽(9)內(nèi)的彈性水囊(10)的一端相連通；彈性水囊(13)的另一端與培養(yǎng)及實(shí)驗(yàn)槽(9)外的三通閥B(12)相連通。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種疲勞加載實(shí)驗(yàn)裝置及工藝，其特征在于培養(yǎng)及實(shí)驗(yàn)槽 (9)內(nèi)的彈性水囊(13)外套有實(shí)驗(yàn)的生物膜材料(2)，其用固定夾(1)固定在彈性水囊 (13)外部；實(shí)驗(yàn)的生物膜材料(2)在卷成筒狀前或卷成筒狀后種植有培養(yǎng)的細(xì)胞(3)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種疲勞加載實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于實(shí)驗(yàn)的生物膜材料(2) 外部還可以加裝橫向固定筒(14)、徑向限定擋板(15)；橫向固定筒(14)由光滑薄板卷成， 其開口處的兩邊固定在兩個(gè)行程馬達(dá)(17)上；兩個(gè)徑向限定擋板(15)固定在兩個(gè)行程馬 達(dá)(17)上；行程馬達(dá)(17)可以在培養(yǎng)及實(shí)驗(yàn)槽(9)的滑軌(16)上移動(dòng)和靜止固定，行程 馬達(dá)(17)通過控制電路線(11)與控制和數(shù)據(jù)記錄儀(10)相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種疲勞加載實(shí)驗(yàn)裝置及工藝，其特征在于培養(yǎng)及實(shí)驗(yàn)槽 (9)內(nèi)充滿著培養(yǎng)介質(zhì)，培養(yǎng)介質(zhì)可以是組織培養(yǎng)液、實(shí)驗(yàn)的生物材料浸提液等；培養(yǎng)介質(zhì) 將實(shí)驗(yàn)的生物膜材料(2)和彈性水囊(13)，及其實(shí)驗(yàn)加裝的橫向固定筒(14)或徑向限定擋 板(15)完全浸沒。
5.一種疲勞加載實(shí)驗(yàn)裝置及工藝，其工藝特征在于控制電路單元的控制和數(shù)據(jù)記錄 儀(10)通過控制電路線(11)，控制控制蠕動(dòng)泵(6)、控制橫向固定筒(14)的張合大小和徑 向限定擋板(15)的兩個(gè)板間的距離，實(shí)現(xiàn)彈性水囊(13)的無約束張合、橫向約束張合、徑 向約束張合、橫向徑向交替約束張合等一系列實(shí)驗(yàn)動(dòng)作。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種疲勞加載實(shí)驗(yàn)裝置及工藝，其特征在于控制和數(shù)據(jù)記錄儀通過控制電路線連接蠕動(dòng)泵；蠕動(dòng)泵的進(jìn)水口與儲(chǔ)水瓶上口相連通，其出水口通過水管與三通閥A相連通；三通閥A的一個(gè)支管與電磁閥的一個(gè)進(jìn)口連通，電磁閥的另一個(gè)出口與儲(chǔ)水瓶下口相連通；三通閥A的另一個(gè)支管與培養(yǎng)及實(shí)驗(yàn)槽內(nèi)的彈性水囊的一端相連通；彈性水囊的另一端與培養(yǎng)及實(shí)驗(yàn)槽外的三通閥B相連通。本發(fā)明可以在同一裝置中實(shí)現(xiàn)可控的橫向拉伸和徑向拉伸、或橫向拉伸與徑向拉伸交替等多種類型力學(xué)實(shí)驗(yàn)，為研究生物膜材料和細(xì)胞在復(fù)雜力學(xué)環(huán)境下的變化提供了有力的工具。
文檔編號(hào)C12M1/36GK101974417SQ20101028825
公開日2011年2月16日 申請(qǐng)日期2010年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月21日
發(fā)明者劉希東, 廖曉玲, 徐文峰, 楊方洲 申請(qǐng)人:重慶文理學(xué)院