面向自然關(guān)節(jié)組織體外評(píng)價(jià)的多物理場(chǎng)綜合測(cè)試系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】面向自然關(guān)節(jié)組織體外評(píng)價(jià)的多物理場(chǎng)綜合測(cè)試系統(tǒng)，由6個(gè)相同結(jié)構(gòu)的工作站組成，每個(gè)工作站都包含1個(gè)x方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)單元和1個(gè)z方向加載單元，其中，每個(gè)x方向運(yùn)動(dòng)單元又包含x方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)單元、加載單元、生物培養(yǎng)皿和摩擦力采集單元，6個(gè)工作站共用一個(gè)y方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)單元，并全部固定在y向滑動(dòng)臺(tái)上；本發(fā)明從x、y、z三個(gè)方向上對(duì)式樣進(jìn)行測(cè)試，實(shí)現(xiàn)自然關(guān)節(jié)組織在逼近環(huán)境模擬狀態(tài)下的摩擦學(xué)性能參數(shù)獲取與評(píng)價(jià)，為活性組織開(kāi)展長(zhǎng)期全面的體外功能評(píng)估奠定基礎(chǔ)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】面向自然關(guān)節(jié)組織體外評(píng)價(jià)的多物理場(chǎng)綜合測(cè)試系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于生物關(guān)節(jié)骨軟骨組織的力學(xué)性能體外評(píng)價(jià)【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及生物組織所處的動(dòng)物體內(nèi)部力學(xué)、物理和生物化學(xué)等綜合培養(yǎng)環(huán)境的體外仿生，以及對(duì)生物組織性能的體外動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與分析，具體涉及一種基于多物理場(chǎng)和生物培養(yǎng)環(huán)境模擬的面向自然關(guān)節(jié)組織體外評(píng)價(jià)的多物理場(chǎng)綜合測(cè)試系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]1、生物關(guān)節(jié)組織體外測(cè)試/體外生物培養(yǎng)的意義
[0003]關(guān)節(jié)軟骨對(duì)于人體膝、髖等承重關(guān)節(jié)在日常生活中的各種運(yùn)動(dòng)十分重要。骨性和風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎等疾病伴隨軟骨組織的病變影響著全球15%人群的健康和生活。組織工程采用工程化軟骨對(duì)自然關(guān)節(jié)骨軟骨(組織、細(xì)胞等)進(jìn)行修補(bǔ)和再生，已成為解決軟骨缺失和退化的有效方法。因此已經(jīng)成為從長(zhǎng)期角度解決軟骨缺失和退化的方法。但是，在復(fù)雜環(huán)境下自然軟骨的力學(xué)和摩擦學(xué)性能變化規(guī)律是工程軟骨設(shè)計(jì)的技術(shù)瓶頸。因此，針對(duì)復(fù)雜環(huán)境下自然關(guān)節(jié)組織的生物和力學(xué)性能評(píng)價(jià)方法，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了可模擬不同物理場(chǎng)作用和生物培養(yǎng)的自然關(guān)節(jié)評(píng)價(jià)系統(tǒng)和方法，為工程化軟骨設(shè)計(jì)參數(shù)的獲取和服役性能評(píng)價(jià)提供重要依據(jù)。
[0004]2、研究現(xiàn)狀
[0005]作為典型的摩擦副，生物關(guān)節(jié)組織的摩擦學(xué)性能是最基本的力學(xué)性能，其摩擦運(yùn)動(dòng)模式的性能評(píng)價(jià)已成為全球關(guān)節(jié)組織研究的熱點(diǎn)。但由于缺乏生物培養(yǎng)功能，現(xiàn)有的摩擦學(xué)性能評(píng)價(jià)系統(tǒng)已不適用于活性組織的長(zhǎng)期評(píng)價(jià)，而且大多系統(tǒng)只能通過(guò)改變個(gè)別物理參數(shù)來(lái)模擬關(guān)節(jié)軟骨服役工況，難以獲得近似自然環(huán)境下的服役數(shù)據(jù)。
[0006]目前針對(duì)關(guān)節(jié)軟骨修復(fù)和再生的臨床前測(cè)試是以動(dòng)物實(shí)驗(yàn)為主，動(dòng)物模型能提供正常生理行為的載荷環(huán)境，但對(duì)任何材料和設(shè)計(jì)的適應(yīng)性受限，而且監(jiān)控、調(diào)節(jié)和控制特定因素非常困難，使測(cè)試結(jié)果難以排出其他變量的干擾。
[0007]綜上所述，采用生物體外構(gòu)建的方法，綜合考慮生物培養(yǎng)因素和外部物理場(chǎng)作用因素，不僅有利于生物摩擦學(xué)等的深入研究，還揭示單個(gè)或多個(gè)因素等對(duì)軟骨構(gòu)建的影響。迄今為止，文獻(xiàn)中關(guān)于不同物理作用對(duì)生物組織培養(yǎng)的影響機(jī)制研究成果如下:
[0008](I)、剪切力的影響機(jī)制
[0009]關(guān)節(jié)軟骨受到壓力、摩擦力、剪切力等的復(fù)合作用，，對(duì)關(guān)節(jié)軟骨生長(zhǎng)及軟骨細(xì)胞的增殖分化影響較為復(fù)雜，因此，只能在體外研究單個(gè)因素對(duì)軟骨組織形態(tài)和性能的影響。其中，剪切力對(duì)軟骨細(xì)胞的形態(tài)、生物學(xué)性能和軟骨功能有著重要影響。關(guān)節(jié)軟骨所受的剪切力有兩種形式:一是液體流動(dòng)引起的剪切力，叫做流體剪切力；二是軟骨組織表面直接受到的剪切力，叫做組織剪切力。
[0010]流體剪切力對(duì)軟骨細(xì)胞的形態(tài)、生物學(xué)性能和增值影響較大，例如:流體剪切應(yīng)力0.16-0.6Pa能提高蛋白多糖的合成，但也增加了前列腺素E2(PGE2能誘導(dǎo)成骨細(xì)胞釋放出刺激破骨細(xì)胞骨吸收的因子)的釋放和細(xì)胞凋亡率，還下調(diào)了 II型膠原和聚集蛋白聚糖的mRNA 表達(dá)[Smith and Donlon et al.，1995; Smith and Carter et al.，2004];將 3.5Pa的流體剪切力作用于單層培養(yǎng)的牛原代關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞，96h后發(fā)現(xiàn)流體剪切力可明顯上調(diào)軟骨細(xì)胞的增殖[Malaviya and Neremj 2002];將1.6Pa的流體剪切力作用于人和牛的關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)48h后細(xì)胞形態(tài)變長(zhǎng)，縱軸沿著力的作用方向平行排列；GAG不僅數(shù)量翻倍，而且新合成的鏈長(zhǎng)也有所增加，但同時(shí)PGE2釋放也增加10?20倍，基質(zhì)蛋白酶的組織抑制物同時(shí)升高[Smith and Donlon et al.，1995]。
[0011]組織剪切力對(duì)軟骨成分的合成率和軟骨功能也有很大影響，例如:動(dòng)態(tài)組織剪切應(yīng)力(1-3%應(yīng)變，0.0l-1Hz)能促使膠原和蛋白多糖的合成率分別提高50%和25%[Jin etal.，2001];正弦曲線循環(huán)剪切應(yīng)力(±5-±15%應(yīng)變，100Hz)在3h (相當(dāng)于108X 104個(gè)循環(huán))的剪切疲勞過(guò)程中使軟骨的損耗模量和儲(chǔ)存模量先快速減小后緩慢減小至一常數(shù)[Simon et al.，1989]。這些研究表明軟骨細(xì)胞的形態(tài)、生物學(xué)性能和軟骨功能能直接承受剪切力的作用，但只有正確的作用方向和大小才能起到促進(jìn)效果。
[0012]1.Smith RLj Donlon BSj Gupta MKj MohtaiMj Das P, Carter DR，Cooke J，GibbonsG，Hutchinson N，Schurman DJ.Effects of fluid-1nduced shear on articularchondrocyte morphology and metabolism in vitr0.JOrthop Res1995;13:824-831.[0013]2.Smith RL，Carter DR，Schurman DJ.Pressure and shear differentiallyalter human articular chondrocyte metabolism:a review.Clin0rthop2004;S89-S95.[0014]3.Malaviya P，Nerem RM.Fluid-1nduced shear stress stimulateschondrocyte proliferation partially mediated via TGF-β 1.TissueEngj 2002;8(4):581 ?590
[0015]4.Jin M，F(xiàn)rank EH，Quinn TM, Hunziker EBj Grodzinsky AJ.Tissue sheardeformation stimulates proteoglycan and protein biosynthesis in bovinecartilage explants.Arch BiochemBiophysj 2001;395:41-48.[0016]5.Simon WHj Mak A and Spirt A.The Effect of Shear Fatigue on BovineArticular Cartilage.Journal of Orthopaedic Research，1989;8:86—93
[0017](2)、電磁力的影響機(jī)制
[0018]在不影響分子結(jié)構(gòu)和功能的情況下電磁場(chǎng)有利于提高軟骨基質(zhì)中大分子的合成，還能促進(jìn)軟骨細(xì)胞的新陳代謝(SANG-HYUG PARK et al.2006)。研究表明，電磁力可使年老的豚鼠關(guān)節(jié)軟骨形態(tài)不發(fā)生變化，并延緩關(guān)節(jié)炎的進(jìn)一步惡化。(Aaron et al.2004).電磁力的刺激是安全的，它能減小軟骨在日?；顒?dòng)中的損傷，減緩由關(guān)節(jié)炎引起的疼痛。(Jacobson et al.2005)電場(chǎng)力的作用可增加蛋白聚糖、II型膠原和Sox9基因的表達(dá),這些成分都是軟骨素原的來(lái)源，同時(shí)軟骨素原的含量也隨電場(chǎng)力的刺激而增加。軟骨素的重要功能之一是作為輸送管道，為軟骨輸送重要的氧和營(yíng)養(yǎng)素，將生成的二氧化碳等廢物帶出。能夠抑制破壞軟骨的酵素(例如膠原酶、彈性蛋白酶和組織蛋白酶)，以免軟骨被分解或溶解。因此，電磁力的作用對(duì)軟骨生長(zhǎng)以及骨性關(guān)節(jié)炎的治療產(chǎn)生積極影響。電磁力對(duì)生長(zhǎng)因子同樣有影響。在脈沖磁場(chǎng)作用下，TGF-β增加75%，有些實(shí)驗(yàn)甚至增加了 68-158%。TGF-β能提高蛋白聚糖基因的表達(dá)，并通過(guò)抑制IL-1來(lái)促進(jìn)蛋白聚糖和II型膠原的合成(D.McKCiombor et al.2003)。
[0019](3)、其他影響機(jī)制[0020]溫度對(duì)生物組織細(xì)胞的增殖和分化起到至關(guān)重要的作用。組織培養(yǎng)的最適溫度為35-37°C，偏離這一范圍，細(xì)胞的正常代謝和生長(zhǎng)將受到影響，甚至導(dǎo)致死亡。培養(yǎng)細(xì)胞對(duì)低溫的耐受力比高溫強(qiáng)。溫度升高2-3°C對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生不良影響，使其在24h死亡，溫度在43°C以上，細(xì)胞大多被殺滅，但低溫對(duì)細(xì)胞影響較小，細(xì)胞處于25-35°C時(shí)，仍能生存，只是生長(zhǎng)速度緩慢，放在4°C數(shù)小時(shí)之后，再置于37°C中培養(yǎng)，細(xì)胞仍能繼續(xù)生長(zhǎng)。
[0021]無(wú)菌是保證培養(yǎng)組織細(xì)胞生存的首要條件。培養(yǎng)液不僅對(duì)細(xì)胞是高營(yíng)養(yǎng)物，對(duì)細(xì)菌和霉菌也是高營(yíng)養(yǎng)物，細(xì)胞培養(yǎng)中如污染微生物，其繁殖比細(xì)胞快且能產(chǎn)生毒素使細(xì)胞死亡，因此，細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)的關(guān)鍵之一是防止污染。污染源包括組織培養(yǎng)液、器皿、組織本身、工作者本身。因此，組織培養(yǎng)一般建議在無(wú)菌操作臺(tái)中進(jìn)行，所有操作均須嚴(yán)格實(shí)行無(wú)菌操作，各種物品拿入操作臺(tái)前應(yīng)用灑精、紫外線照射等方法滅菌。
[0022]研究現(xiàn)狀表明，活性骨軟骨組織體外培養(yǎng)很大程度上受到多物理場(chǎng)作用影響，將導(dǎo)致其組織形態(tài)的結(jié)構(gòu)差異，最終影響其摩擦學(xué)性能。目前，體外測(cè)試系統(tǒng)采用的單一摩擦剪切力不僅無(wú)法獲得精確生物模擬環(huán)境，也不能實(shí)現(xiàn)生物培養(yǎng)過(guò)程的系統(tǒng)要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0023]針對(duì)現(xiàn)有生物組織體外性能測(cè)試方法的局限性，本發(fā)明的目的在于提供面向自然關(guān)節(jié)組織體外評(píng)價(jià)的多物理場(chǎng)綜合測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自然關(guān)節(jié)組織在逼近環(huán)境模擬狀態(tài)下的摩擦學(xué)性能參數(shù)獲取與評(píng)價(jià)，為活性組織開(kāi)展長(zhǎng)期全面的體外功能評(píng)估奠定基礎(chǔ)。
[0024]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0025]面向自然關(guān)節(jié)組織體外評(píng)價(jià)的多物理場(chǎng)綜合測(cè)試系統(tǒng)，由6個(gè)相同結(jié)構(gòu)的工作站組成，每個(gè)工作站都包含I個(gè)X方向運(yùn)動(dòng)單元和I個(gè)z方向加載單元4，X方向運(yùn)動(dòng)單元和z方向加載單元全部固定在y向滑動(dòng)臺(tái)6上,每個(gè)X方向運(yùn)動(dòng)單元又包含I個(gè)X方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)組件，X方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)組件上固定有摩擦力采集單元，并通過(guò)滑軌將生物培養(yǎng)皿28放置在X方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)組件上，摩擦力采集單元與生物培養(yǎng)皿之間保持接觸，6個(gè)工作站共用一個(gè)I向滑動(dòng)臺(tái)6 ；
[0026]所述的X方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)單元包括X向步進(jìn)電機(jī)與滾珠絲杠直線運(yùn)動(dòng)組件l，x向步進(jìn)電機(jī)與滾珠絲杠直線運(yùn)動(dòng)組件I通過(guò)支撐軸承2固定在y向滑動(dòng)臺(tái)6上，直線運(yùn)動(dòng)組件可在絲杠上往復(fù)運(yùn)動(dòng)，X向步進(jìn)電機(jī)與滾珠絲杠直線運(yùn)動(dòng)組件I的滾柱絲杠螺母上固定有載物臺(tái)3。
[0027]所述的y方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)單元包括y向步進(jìn)電機(jī)與滾珠絲杠直線運(yùn)動(dòng)組件7、y向滑動(dòng)臺(tái)6、軸承導(dǎo)軌組件8和固定機(jī)架5，y向滑動(dòng)臺(tái)6下部設(shè)置有固定機(jī)架5，y向滑動(dòng)臺(tái)6與I向步進(jìn)電機(jī)與滾珠絲杠直線運(yùn)動(dòng)組件7緊固連接，y向滑動(dòng)臺(tái)6與軸承導(dǎo)軌組件8滑動(dòng)連接，由程序控制運(yùn)動(dòng)速度與行程。
[0028]所述的z方向加載單元4包括步進(jìn)電機(jī)+滾珠絲杠運(yùn)動(dòng)組件10，步進(jìn)電機(jī)+滾珠絲杠運(yùn)動(dòng)組件10的螺母與傳感器座13之間通過(guò)導(dǎo)桿11及壓簧12柔性連接，同時(shí)，壓簧12上下兩端分別與螺母和傳感器座13固連；力傳感器14通過(guò)螺釘緊固于傳感器座13下，力傳感器14 一端與升降臺(tái)16接觸，傳感器座13通過(guò)拉簧15與升降臺(tái)16進(jìn)行柔性連接，升降臺(tái)16通過(guò)推力軸承17和角接觸雙向軸承20與轉(zhuǎn)軸18進(jìn)行連接，轉(zhuǎn)軸18上安裝了塑料齒輪21，塑料齒輪21與X向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上的齒條24嚙合；轉(zhuǎn)軸18的中心孔內(nèi)通過(guò)頂絲23將上試樣22固定，升降臺(tái)16與2個(gè)帶法蘭直線軸承19固定連接，帶法蘭直線軸承19與支架9滑動(dòng)連接。
[0029]所述的生物培養(yǎng)皿包括容器28、線圈29、補(bǔ)液孔30、下試樣31、加熱棒32和定位銷(xiāo)33，容器28通過(guò)定位銷(xiāo)33固連在摩擦力采集單元的平面滑軌27上，容器28外圍纏繞線圈29 ;容器28設(shè)置有補(bǔ)液孔30，容器28內(nèi)底部設(shè)置盲孔以固定下試樣31，同時(shí)容器28內(nèi)底部還設(shè)有4個(gè)孔放置加熱棒32。
[0030]所述的摩擦力采集單元包括X向力傳感器25、固定臺(tái)26、y向力傳感器34和平面滑軌27，固定臺(tái)26與載物臺(tái)3緊固連接；平面滑軌27分別與固定臺(tái)26和生物培養(yǎng)皿固定；2個(gè)X向力傳感器25分別安裝在固定臺(tái)26兩端并通過(guò)螺紋調(diào)節(jié)與平面滑軌27兩端接觸；2個(gè)I向力傳感器34分別安裝在固定臺(tái)26的另外兩端并通過(guò)螺紋調(diào)節(jié)與平面滑軌27兩端接觸。
[0031]本發(fā)明用于生物關(guān)節(jié)組織體外培養(yǎng)測(cè)試，與傳統(tǒng)的生物關(guān)節(jié)組織體外測(cè)試相比，本發(fā)明具有以下積極效果:
[0032]I)、提供多物理場(chǎng):平面復(fù)合剪切力、法向力、電磁場(chǎng)、生物培養(yǎng)環(huán)境等綜合作用時(shí)具有生物培養(yǎng)功能的活性組織體外功能評(píng)價(jià)測(cè)試試驗(yàn)，將提高體外仿生系統(tǒng)與體內(nèi)力學(xué)、生物學(xué)培養(yǎng)環(huán)境的一致性；多種平面運(yùn)動(dòng)軌跡與回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的組合，在構(gòu)成摩擦副的組織表面可實(shí)現(xiàn)多種剪切力狀態(tài)，可模擬自然關(guān)節(jié)界面所處多向剪切力的工況。
[0033]2)、6個(gè)獨(dú)立工作站既可實(shí)現(xiàn)相同培養(yǎng)環(huán)境下的重復(fù)性，也可實(shí)現(xiàn)相同環(huán)境下的變因素試驗(yàn)，即可做6種獨(dú)立因素試驗(yàn)，這種設(shè)計(jì)不僅提高了相同試驗(yàn)的可重復(fù)性，還保證了不同試驗(yàn)因素控制的準(zhǔn)確性。
[0034]3)、提供適應(yīng)于不同環(huán)境和不同培養(yǎng)階段組織變化的剪切力，在不同環(huán)境綜合影響下獲取組織全壽命過(guò)程的摩擦學(xué)性能數(shù)據(jù)，為關(guān)節(jié)組織的設(shè)計(jì)和培養(yǎng)提供力學(xué)依據(jù)。
[0035]4)、關(guān)節(jié)組織培養(yǎng)與力學(xué)測(cè)試一體化夾具，測(cè)試過(guò)程中不需拆卸組織試樣即可實(shí)現(xiàn)組織培養(yǎng)和測(cè)試過(guò)程的一體化，不僅提高了試驗(yàn)效率，還排除了試樣拆裝過(guò)程的環(huán)境干擾，保證無(wú)菌操作的有效性，也有利于組織培養(yǎng)、觀察和力學(xué)測(cè)試的循環(huán)操作。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0036]圖1為本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0037]圖2為測(cè)試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)的俯視圖。
[0038]圖3為加載單元結(jié)構(gòu)示意圖。
[0039]圖4為無(wú)拆卸培養(yǎng)皿結(jié)構(gòu)示意圖。
[0040]圖5為載物臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0041]圖中，1-x向步進(jìn)電機(jī)+滾珠絲杠直線運(yùn)動(dòng)組件；2_支撐軸承；3_載物臺(tái)；4-加載結(jié)構(gòu)單元；5_固定機(jī)架；6_y向滑動(dòng)臺(tái)；7_y向步進(jìn)電機(jī)+滾珠絲杠直線運(yùn)動(dòng)組件；8_軸承導(dǎo)軌組件；9-支架；10_步進(jìn)電機(jī)+滾珠絲杠運(yùn)動(dòng)組件；11_導(dǎo)桿；12_壓簧(壓簧1);13_傳感器座；14_力傳感器；15_拉簧；16_升降臺(tái)；17_推力軸承；18_轉(zhuǎn)軸；19_帶法蘭直線軸承；20_角接觸雙向軸承；21_塑料齒輪；22_上試樣；23_頂絲；24_齒條；25_x向力傳感器；26-固定臺(tái)；27_平面滑軌；28_容器；29_線圈；30_補(bǔ)液孔；31_下試樣；32_加熱棒；33_定位銷(xiāo)；34-y向力傳感器。【具體實(shí)施方式】
[0042]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理和工作原理作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0043]參照?qǐng)D1、2，面向自然關(guān)節(jié)組織體外評(píng)價(jià)的多物理場(chǎng)綜合測(cè)試系統(tǒng)，由6個(gè)相同結(jié)構(gòu)的工作站組成，每個(gè)工作站都包含I個(gè)X方向運(yùn)動(dòng)單元和I個(gè)z方向加載單元4，X方向運(yùn)動(dòng)單元和z方向加載單元全部固定在y向滑動(dòng)臺(tái)6上,每個(gè)X方向運(yùn)動(dòng)單元又包含I個(gè)X方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)組件，X方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)組件上固定有摩擦力采集單元，并通過(guò)滑軌將生物培養(yǎng)皿28放置在X方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)組件上，摩擦力采集單元與生物培養(yǎng)皿之間保持接觸，6個(gè)工作站共用一個(gè)y向滑動(dòng)臺(tái)6。
[0044]參照?qǐng)D1,所述的X方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)單元包括X向步進(jìn)電機(jī)與滾珠絲杠直線運(yùn)動(dòng)組件1，X向步進(jìn)電機(jī)與滾珠絲杠直線運(yùn)動(dòng)組件I通過(guò)支撐軸承2固定在y向滑動(dòng)臺(tái)6上，直線運(yùn)動(dòng)組件可在絲杠上往復(fù)運(yùn)動(dòng)，X向步進(jìn)電機(jī)與滾珠絲杠直線運(yùn)動(dòng)組件I的滾柱絲杠螺母上固定有載物臺(tái)3。
[0045]參照?qǐng)D2,所述的y方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)單元包括y向步進(jìn)電機(jī)與滾珠絲杠直線運(yùn)動(dòng)組件
7、y向滑動(dòng)臺(tái)6、軸承導(dǎo)軌組件8和固定機(jī)架5，y向滑動(dòng)臺(tái)6下部設(shè)置有固定機(jī)架5，y向滑動(dòng)臺(tái)6與y向步進(jìn)電機(jī)與滾珠絲杠直線運(yùn)動(dòng)組件7緊固連接，y向滑動(dòng)臺(tái)6與軸承導(dǎo)軌組件8滑動(dòng)連接，軸承導(dǎo)軌組件8支撐y向步進(jìn)電機(jī)與滾珠絲杠直線運(yùn)動(dòng)組件7做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，由程序控制運(yùn)動(dòng)速度與行程。
[0046]從圖1、2上可知,通過(guò)獨(dú)立控制Y向運(yùn)動(dòng)和6個(gè)X向運(yùn)動(dòng),6個(gè)載物臺(tái)3最多可同時(shí)實(shí)現(xiàn)6種不同運(yùn)動(dòng)軌跡。
[0047]如圖3所示，所述的z方向加載單元4包括支架9、步進(jìn)電機(jī)+滾珠絲杠運(yùn)動(dòng)組件10、導(dǎo)桿11，壓簧12、傳感器座13、力傳感器14、拉簧15，升降臺(tái)16、推力軸承17、轉(zhuǎn)軸18、帶法蘭直線軸承19、雙向推力角接觸球軸承20、塑料齒輪21、上試樣22、頂絲23和齒條24，步進(jìn)電機(jī)+滾珠絲杠運(yùn)動(dòng)組件10中電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠使螺母做升降運(yùn)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)+滾珠絲杠運(yùn)動(dòng)組件10其螺母與傳感器座13之間通過(guò)導(dǎo)桿11及壓簧12柔性連接，同時(shí)，壓簧12上下兩端分別與螺母10和傳感器座13固連，以保證傳感器座13可隨螺母做升降運(yùn)動(dòng)；力傳感器14通過(guò)螺釘緊固于傳感器座13下，力傳感器14 一端與升降臺(tái)16接觸，傳感器座13通過(guò)拉簧15將與升降臺(tái)16進(jìn)行柔性連接，保證升降臺(tái)可隨傳感器座做升降運(yùn)動(dòng)；升降臺(tái)16通過(guò)推力軸承17和角接觸雙向軸承20與轉(zhuǎn)軸18進(jìn)行連接，其中，推力軸承17將載荷傳遞給轉(zhuǎn)軸18，同時(shí)確保隔離轉(zhuǎn)軸，角接觸雙向軸承20能保證轉(zhuǎn)軸18的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并限制其上下運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)由升降臺(tái)16帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸18做升降運(yùn)動(dòng)；升降臺(tái)16與2個(gè)帶法蘭直線軸承19固定連接，該直線軸承可以沿著支架9的導(dǎo)柱上下滑動(dòng)，2個(gè)導(dǎo)柱具有較高平行度，因而對(duì)升降臺(tái)(及與其固定在一起的運(yùn)動(dòng)部件)起到導(dǎo)向作用，保證加載力不會(huì)偏斜，同時(shí)約束升降臺(tái)的扭轉(zhuǎn)自由度，保證其運(yùn)動(dòng)方向的單一性。轉(zhuǎn)軸18上安裝了塑料齒輪21，塑料齒輪21與X向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上的齒條24嚙合，實(shí)現(xiàn)圓周擺動(dòng)；轉(zhuǎn)軸18的中心孔內(nèi)通過(guò)頂絲23將上試樣22固定，拆卸便捷。
[0048]如圖4所示，所述的生物培養(yǎng)皿包括容器28、線圈29、補(bǔ)液孔30、下試樣31、加熱棒32和定位銷(xiāo)33 ;容器28通過(guò)定位銷(xiāo)33固連在摩擦力采集單元的平面滑軌27上，容器28外圍纏繞線圈29，通電線圈可產(chǎn)生磁場(chǎng)；容器28設(shè)置有補(bǔ)液孔30，容器28內(nèi)底部設(shè)置盲孔以固定下試樣31，同時(shí)容器28內(nèi)底部還設(shè)有4個(gè)孔放置加熱棒32，通電即可加熱，控制溫度在37°C左右，采用紅外測(cè)溫儀測(cè)量培養(yǎng)液溫度；培養(yǎng)液通過(guò)補(bǔ)液孔30進(jìn)入容器28，浸沒(méi)下試樣。
[0049]如圖4、5所示,所述的摩擦力采集單元包括X向力傳感器25、固定臺(tái)26、y向力傳感器34和平面滑軌27，固定臺(tái)26與載物臺(tái)3緊固連接，可實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)；平面滑軌27分別與固定臺(tái)26和生物培養(yǎng)皿固定，使生物培養(yǎng)皿和固定臺(tái)之間為滾動(dòng)摩擦(χ-y平面均為滾動(dòng)摩擦);2個(gè)X向力傳感器25分別安裝在固定臺(tái)26兩端并通過(guò)螺紋調(diào)節(jié)與平面滑軌27兩端接觸，阻止并測(cè)試滑軌所受的X方向的推力(圖4);2個(gè)y向力傳感器34分別安裝在固定臺(tái)26的另外兩端并通過(guò)螺紋調(diào)節(jié)與平面滑軌27兩端接觸，阻止并測(cè)試滑軌所受的y方向的推力(圖5);由于滑軌摩擦力較小(預(yù)先標(biāo)定)，傳感器所檢測(cè)的力可視為滑軌所受生物培養(yǎng)皿運(yùn)動(dòng)阻力，即摩擦力。
[0050]本發(fā)明的工作原理為:包括以下步驟，
[0051]步驟1、完成系統(tǒng)電路連接，包括步進(jìn)電機(jī)、傳感器、米集卡和系統(tǒng)供電，將系統(tǒng)各運(yùn)動(dòng)部件回歸至初始狀態(tài)。
[0052]步驟2、將上試樣22裝入轉(zhuǎn)軸18，并用頂絲23緊固；將下試樣31裝入培養(yǎng)皿固定孔，注入培養(yǎng)液。
[0053]步驟3、啟動(dòng)程序，通過(guò)控制x、y方向運(yùn)動(dòng)單元和加載升降單元的運(yùn)動(dòng)，使上、下試樣接觸，調(diào)整齒輪齒條保證嚙合，待試驗(yàn)啟動(dòng)。
[0054]步驟4、根據(jù)程序設(shè)置，步進(jìn)電機(jī)+滾珠絲杠運(yùn)動(dòng)組件10中的加載電機(jī)啟動(dòng)，通過(guò)螺母推動(dòng)壓簧12壓縮，使所施加的載荷依次通過(guò)力傳感器14、升降臺(tái)16、推力軸承17、轉(zhuǎn)軸18，最終傳到下試樣22與上試樣31接觸部位，載荷精度由力傳感器反饋調(diào)節(jié)，當(dāng)載荷達(dá)到設(shè)定值后加載電機(jī)停止，采用閉環(huán)控制可保持整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中設(shè)定載荷恒定，此外，也可通過(guò)程序控制實(shí)現(xiàn)變載加載。
[0055]步驟5、啟動(dòng)平面運(yùn)動(dòng)單元的電機(jī)，由程序控制實(shí)現(xiàn)X、y方向的運(yùn)動(dòng)軌跡，6個(gè)X方向運(yùn)動(dòng)單元可獨(dú)立控制，同時(shí)，每個(gè)運(yùn)動(dòng)單元通過(guò)齒條齒輪嚙合以驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)6種平面運(yùn)動(dòng)軌跡，達(dá)到不同剪切力工況的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。同時(shí)x、y向的4個(gè)力傳感器25、34分別采集每個(gè)單元x、y向的摩擦力，可計(jì)算出平面摩擦力，獲得實(shí)時(shí)剪切力場(chǎng)分布。
[0056]同時(shí)，根據(jù)試驗(yàn)需要，通過(guò)改變通過(guò)線圈29的電流實(shí)現(xiàn)可控電磁場(chǎng)；通過(guò)改變加熱棒32的通過(guò)電流實(shí)現(xiàn)加熱控制；通過(guò)補(bǔ)液孔30可以采用外加蠕動(dòng)泵等設(shè)備實(shí)現(xiàn)連續(xù)地補(bǔ)充或更新培養(yǎng)液。
[0057]步驟6、試驗(yàn)終止后，X、y向運(yùn)動(dòng)停止，步進(jìn)電機(jī)+滾珠絲杠運(yùn)動(dòng)組件10中的加載電機(jī)反轉(zhuǎn)，螺母帶動(dòng)壓簧12、力傳感器座13，拉簧15、升降臺(tái)16上升，進(jìn)而通過(guò)角接觸雙向軸承20帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸18和上試樣22上升,使上、下試樣分離接觸；
[0058]步驟7、取出培養(yǎng)皿，加蓋密封蓋使其不被污染，不拆除下試樣可保證試驗(yàn)二次裝夾后繼續(xù)進(jìn)行。
【權(quán)利要求】
1.面向自然關(guān)節(jié)組織體外評(píng)價(jià)的多物理場(chǎng)綜合測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于，由6個(gè)相同結(jié)構(gòu)的工作站組成，每個(gè)工作站都包含I個(gè)X方向運(yùn)動(dòng)單元和I個(gè)z方向加載單元(4)，X方向運(yùn)動(dòng)單元和z方向加載單元全部固定在y向滑動(dòng)臺(tái)(6)上,每個(gè)X方向運(yùn)動(dòng)單元又包含I個(gè)X方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)組件，X方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)組件上固定有摩擦力采集單元，并通過(guò)滑軌將生物培養(yǎng)皿(28)放置在X方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)組件上，摩擦力采集單元與生物培養(yǎng)皿之間保持接觸，6個(gè)工作站共用一個(gè)y向滑動(dòng)臺(tái)(6)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向自然關(guān)節(jié)組織體外評(píng)價(jià)的多物理場(chǎng)綜合測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于，所述的X方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)單元包括X向步進(jìn)電機(jī)與滾珠絲杠直線運(yùn)動(dòng)組件(1)，X向步進(jìn)電機(jī)與滾珠絲杠直線運(yùn)動(dòng)組件(I)通過(guò)支撐軸承(2)固定在y向滑動(dòng)臺(tái)(6)上，直線運(yùn)動(dòng)組件可在絲杠上往復(fù)運(yùn)動(dòng)，X向步進(jìn)電機(jī)與滾珠絲杠直線運(yùn)動(dòng)組件(I)的滾柱絲杠螺母上固定有載物臺(tái)(3)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向自然關(guān)節(jié)組織體外評(píng)價(jià)的多物理場(chǎng)綜合測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于，所述的I方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)單元包括y向步進(jìn)電機(jī)與滾珠絲杠直線運(yùn)動(dòng)組件(7)、y向滑動(dòng)臺(tái)(6)、軸承導(dǎo)軌組件(8)和固定機(jī)架(50)，y向滑動(dòng)臺(tái)(6)下部設(shè)置有固定機(jī)架(5)，y向滑動(dòng)臺(tái)(6)與y向步進(jìn)電機(jī)與滾珠絲杠直線運(yùn)動(dòng)組件(7)緊固連接，y向滑動(dòng)臺(tái)(6)與軸承導(dǎo)軌組件(8)滑動(dòng)連接，由程序控制運(yùn)動(dòng)速度與行程。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向自然關(guān)節(jié)組織體外評(píng)價(jià)的多物理場(chǎng)綜合測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于，所述的z方向加載單元(4)包括步進(jìn)電機(jī)+滾珠絲杠運(yùn)動(dòng)組件(10)，步進(jìn)電機(jī)+滾珠絲杠運(yùn)動(dòng)組件(10)其螺母與傳感器座(13)之間通過(guò)導(dǎo)桿(11)及壓簧(12)柔性連接，同時(shí)，壓簧(12)上下兩端分別與蟪盤(pán)和傳感器座(13)固連；力傳感器(14)通過(guò)螺釘緊固于傳感器座(13)下面，力傳感器(14) 一端與升降臺(tái)(16)接觸，傳感器座(13)通過(guò)拉簧(15)將與升降臺(tái)(16)進(jìn)行柔性連接，升降臺(tái)(16)通過(guò)推力軸承(17)和角接觸雙向軸承(20)與轉(zhuǎn)軸(18 )進(jìn)行連接，轉(zhuǎn)軸(18 )上安裝了塑料齒輪(21)，塑料齒輪(21)與X向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上的齒條(24)嚙合；轉(zhuǎn)軸(18)的中心孔內(nèi)通過(guò)頂絲(23)將上試樣(22)固定，升降臺(tái)(16)與2個(gè)帶法蘭直線軸承(19)固定連接，帶法蘭直線軸承(19)與支架(9)滑動(dòng)連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向自然關(guān)節(jié)組織體外評(píng)價(jià)的多物理場(chǎng)綜合測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于，所述的生物培養(yǎng)皿包括容器(28)、線圈(29)、補(bǔ)液孔(30)、下試樣(31)、加熱棒(32)和定位銷(xiāo)(33)，容器(28)通過(guò)定位銷(xiāo)(33)固連在摩擦力采集單元的平面滑軌(27)上，容器(28)外圍纏繞線圈(29);容器(28)設(shè)置有補(bǔ)液孔(30)，容器(28)內(nèi)底部設(shè)置盲孔以固定下試樣(31)，同時(shí)容器(28)內(nèi)底部還設(shè)有4個(gè)孔放置加熱棒(32)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向自然關(guān)節(jié)組織體外評(píng)價(jià)的多物理場(chǎng)綜合測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于，所述的摩擦力采集單元包括X向力傳感器(25)、固定臺(tái)(26)、y向力傳感器(34)和平面滑軌(27)，固定臺(tái)(26)與載物臺(tái)(3)緊固連接；平面滑軌(27)分別與固定臺(tái)(26)和生物培養(yǎng)皿固定；2個(gè)X向力傳感器(25)分別安裝在固定臺(tái)(26)兩端并通過(guò)螺紋調(diào)節(jié)與平面滑軌(27)兩端接觸；2個(gè)y向力傳感器(34)分別安裝在固定臺(tái)(26)的另外兩端并通過(guò)螺紋調(diào)節(jié)與平面滑軌(27)兩端接觸。
【文檔編號(hào)】G01N19/02GK103630490SQ201310565648
【公開(kāi)日】2014年3月12日 申請(qǐng)日期:2013年11月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月12日
【發(fā)明者】王玲, 武通海, 申皓, 朱祝山, 李滌塵, 靳忠民 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)