專利名稱：施加滾動(dòng)載荷與滑動(dòng)載荷的生物反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
施加滾動(dòng)載荷與滑動(dòng)載荷的生物反應(yīng)器
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及組織工程領(lǐng)域的生物反應(yīng)器，特別在滾動(dòng)載荷和滑動(dòng)載荷作 用下培養(yǎng)人工軟骨或骨軟骨的生物反應(yīng)器。
背景技術(shù)：
組織工程是近年來(lái)正在興起的一門新學(xué)科，是繼細(xì)胞生物學(xué)和分子生物學(xué)之 后，生命科學(xué)發(fā)展史上又一個(gè)新的里程碑，標(biāo)志著醫(yī)學(xué)將走出器官移植的范疇，步 入制造組織和器官的新時(shí)代。
關(guān)節(jié)軟骨缺損是外科常見(jiàn)的疾病之一，通常由外傷、手術(shù)切除、骨性關(guān)節(jié)炎 等慢性疾病引起。臨床上自體移植或異體移植也存在較大的限制和弊端。特別是 力學(xué)環(huán)境作用下培養(yǎng)不同形狀、具有承力功能的人工軟骨，可以更好地滿足臨床 需求。
滾動(dòng)載荷確實(shí)是關(guān)節(jié)軟骨力學(xué)環(huán)境重要組成部分[2007100573319"滾動(dòng)載荷用 于培養(yǎng)物培養(yǎng)的方法及生物反應(yīng)器"中國(guó)專利申請(qǐng)]，在關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中還有滑 動(dòng)現(xiàn)象，人工軟骨軟骨培養(yǎng)的力學(xué)環(huán)境應(yīng)當(dāng)盡可能模擬其天然環(huán)境，因此，滾動(dòng) 載荷與滑動(dòng)載荷耦合作用，是人工軟骨培養(yǎng)的重要環(huán)境。
專利WO2004/046304給出了壓力和剪應(yīng)力耦合作用的生物反應(yīng)器；發(fā)明專利 (申請(qǐng)?zhí)?00480038317.9，公開(kāi)號(hào)CN 1898375A)介紹了用于對(duì)具有三維形狀、活 性和機(jī)械抗力的細(xì)胞移植體進(jìn)行培養(yǎng)和刺激的方法和生物反應(yīng)器。以軟骨組織工 程為例，Schulz和Bader， Ivan Martin總結(jié)了組織培養(yǎng)時(shí)的環(huán)境[TRENDS in Biotechnology Vol.22 No.2 ， 2004， pp80-86; EurBiophysJ， DOI 10.1007/s00249-007-0139-l， 2007]。包括(a)為電場(chǎng)；(b)錐形粘度計(jì)條件， 細(xì)胞在旋轉(zhuǎn)錐形體下方受到剪切力作用；(C)旋轉(zhuǎn)壁式生物反應(yīng)器給細(xì)胞提供微 重力環(huán)境，傳質(zhì)過(guò)程較好；(d)單項(xiàng)灌流系統(tǒng)；(e)拉伸條件；(f)水壓及灌 流條件；(g)直接壓縮。其后介紹了各種培養(yǎng)條件的耦合系統(tǒng)；特別是各種力學(xué) 條件的聯(lián)合使用。但都沒(méi)有涉及滾動(dòng)加載與滑動(dòng)載荷耦合的培養(yǎng)。
生物反應(yīng)器是組織工程化培養(yǎng)的重要因素，生物反應(yīng)器的目的是為體外組織 工程構(gòu)建提供合適的生長(zhǎng)條件，使工程化組織獲得與活體組織有相似的結(jié)構(gòu)與功能。軟骨組織工程、骨組織工程是一門仿生科學(xué)，因此培養(yǎng)環(huán)境盡可能接近自然 條件，軟骨、骨是人體的承力組織，力學(xué)對(duì)軟骨、骨結(jié)構(gòu)、功能都有重要影響。 在骨軟骨培養(yǎng)中滾動(dòng)加載與滑動(dòng)載荷同時(shí)作用是合適的力學(xué)環(huán)境。

實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的旨在為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種的人工軟骨或骨軟 骨體外培養(yǎng)的施加滾動(dòng)載荷與滑動(dòng)載荷的生物反應(yīng)器。該生物反應(yīng)器可以對(duì)人工 軟骨或骨軟骨培養(yǎng)物在施加在滾動(dòng)載荷的同時(shí)施加滑動(dòng)載荷，形成人工軟骨或骨 軟骨生長(zhǎng)的力學(xué)環(huán)境。
本實(shí)用新型為實(shí)現(xiàn)上述目的設(shè)計(jì)了一種施加滾動(dòng)載荷與滑動(dòng)載荷的生物反應(yīng) 器。包括底板，與底板連接的培養(yǎng)室，培養(yǎng)室內(nèi)的培養(yǎng)液灌注系統(tǒng)，及由曲柄連 桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)滾動(dòng)加載體的滾動(dòng)加載機(jī)構(gòu)，其特征在于所說(shuō)的生物反應(yīng)器還有一個(gè) 使?jié)L動(dòng)加載體與培養(yǎng)室之間有相對(duì)滑動(dòng)的機(jī)構(gòu)；所說(shuō)的滑動(dòng)機(jī)構(gòu)是將滾動(dòng)加載機(jī) 構(gòu)中的滾動(dòng)加載體所處的培養(yǎng)室通過(guò)滑動(dòng)連接桿連接在由凸輪控制的驅(qū)動(dòng)板上。 凸輪旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)板再帶動(dòng)培養(yǎng)室移動(dòng)，與加載體形成相對(duì)移動(dòng)。
本發(fā)明的有益效果是該施加滾動(dòng)載荷與滑動(dòng)載荷的生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 可以實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)載荷與滑動(dòng)載荷同時(shí)作用，使其加載方式更接近軟骨組織生長(zhǎng)發(fā)育 的力學(xué)環(huán)境，在此載荷條件可能有利于細(xì)胞、組織的生長(zhǎng)、發(fā)育。實(shí)驗(yàn)表明滾動(dòng) 與滑動(dòng)載荷耦合作用組的軟骨細(xì)胞分泌的粘蛋白多糖高于僅滾動(dòng)加載組和靜態(tài)培 養(yǎng)組。培養(yǎng)后的有不同曲面的培養(yǎng)物可作為移植物，應(yīng)用于不同部位軟骨缺損的 修復(fù)。


圖l為生物反應(yīng)器立體示意圖2為生物反應(yīng)器俯視示意圖3為生物反應(yīng)器主視示意圖4為滑動(dòng)加載機(jī)構(gòu)中凸輪與驅(qū)動(dòng)板示意圖5為鞍形滾動(dòng)加載體與培養(yǎng)物示意圖6為單側(cè)鼓形滾動(dòng)加載體與培養(yǎng)物示意圖。
圖中l(wèi)電機(jī)(a) ;2驅(qū)動(dòng)軸3曲柄軸；4培養(yǎng)室上蓋；5叉形連桿；6培養(yǎng)液 出口；7培養(yǎng)室；8培養(yǎng)物；9高度調(diào)節(jié)螺桿；10支架；ll軌道；12導(dǎo)軌軸13加載體軸；14導(dǎo)向輪；15滾動(dòng)加載體；16培養(yǎng)液進(jìn)口 ；17滑動(dòng)連接桿；18驅(qū)動(dòng)板；19凸輪；20 驅(qū)動(dòng)軸(b); 21電機(jī)(b);22滑動(dòng)支架；23底板；24人工骨或培養(yǎng)物底模。以下結(jié)合本實(shí)用新型的實(shí)施例參照附圖進(jìn)行詳細(xì)敘述。
具體實(shí)施方式如圖1-4所示。生物反應(yīng)器包括在底板23上安裝的培養(yǎng)室7，滾動(dòng)加載機(jī)構(gòu)， 培養(yǎng)液灌注系統(tǒng)，滑動(dòng)加載機(jī)構(gòu)和上蓋4等。各系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)控制，滾動(dòng)加載體在 培養(yǎng)箱內(nèi)運(yùn)行，培養(yǎng)室設(shè)有培養(yǎng)液進(jìn)口16和培養(yǎng)液出口6。生物反應(yīng)器的滾動(dòng)加載 機(jī)構(gòu)將滾動(dòng)加載體15置于培養(yǎng)室內(nèi)，滾動(dòng)加載體軸的兩端通過(guò)一個(gè)叉形連桿5連接 在由電機(jī)(a) l帶動(dòng)的曲柄軸3上。生物反應(yīng)器的滑動(dòng)加載機(jī)構(gòu)是在培養(yǎng)室與底板 之間設(shè)置一副滑軌與滑槽組件，與培養(yǎng)室連接的滑動(dòng)連接桿外端固定有一個(gè)內(nèi)部 為滑動(dòng)配合安裝凸輪19的驅(qū)動(dòng)板，凸輪則通過(guò)驅(qū)動(dòng)軸(b)20與電機(jī)(b)21連接。滾動(dòng)加載體通過(guò)軸部支撐結(jié)構(gòu)調(diào)整滾動(dòng)加載體距離培養(yǎng)室底面的高度。這種 調(diào)整高度的機(jī)構(gòu)，可以是滾動(dòng)加載體軸13的兩端于培養(yǎng)室7的外側(cè)各裝有一個(gè)導(dǎo)向 輪14，與導(dǎo)向輪接觸的軌道11通過(guò)高度調(diào)節(jié)螺桿9調(diào)整滾動(dòng)加載體距離培養(yǎng)室底面 的高度。即與軌道ll接觸，在軌道上做純滾動(dòng)；軌道11可沿導(dǎo)軌軸12上下滑動(dòng)， 通過(guò)高度調(diào)節(jié)螺桿9調(diào)整軌道11高度，也調(diào)整導(dǎo)向輪14的高度，這樣就調(diào)整了滾動(dòng) 加載體15距離培養(yǎng)室底面的高度。該導(dǎo)向輪的直徑可與滾動(dòng)加載體的直徑相等或 不等。本實(shí)用新型的加載過(guò)程電機(jī)(a)l帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)軸2驅(qū)動(dòng)曲柄軸3，帶動(dòng)叉形連桿5， 通過(guò)加載體軸13拉動(dòng)滾動(dòng)加載體15作往復(fù)直線滾動(dòng)。導(dǎo)向輪14沿軌道11滾動(dòng)，輪 與軌道ll之間磨擦足夠大，輪只能純滾動(dòng)?；瑒?dòng)加載機(jī)構(gòu)中，電機(jī)(b) 21帶動(dòng)驅(qū) 動(dòng)軸(b) 20再帶動(dòng)凸輪19旋轉(zhuǎn)，凸輪的旋轉(zhuǎn)又帶動(dòng)裝在滑動(dòng)支架22中的滑動(dòng)連接 桿17按一定的速度往返移動(dòng)，使得培養(yǎng)室攜帶著培養(yǎng)物與滾動(dòng)加載體之間產(chǎn)生滑 動(dòng)。通過(guò)高度調(diào)節(jié)螺桿9可以調(diào)整滾動(dòng)加載體的水平高度，使培養(yǎng)物達(dá)到合適的變 形。根據(jù)實(shí)際需要滾動(dòng)加載體的表面可以是需要的任何旋轉(zhuǎn)曲面(如圖5、圖6所 示)，也可以在培養(yǎng)物的下面襯墊培養(yǎng)物底模24，培養(yǎng)物就是骨軟骨，培養(yǎng)形成 不同形狀的培養(yǎng)物。
權(quán)利要求1、 一種施加滾動(dòng)載荷與滑動(dòng)載荷的生物反應(yīng)器，包括底板(23)，與底板 連接的培養(yǎng)室(7)，培養(yǎng)室內(nèi)的培養(yǎng)液灌注系統(tǒng)，及由曲柄連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)滾動(dòng)加 載體(15)的滾動(dòng)加載機(jī)構(gòu)，其特征在于所說(shuō)的生物反應(yīng)器還有一個(gè)使?jié)L動(dòng)加載體 與培養(yǎng)室之間有相對(duì)滑動(dòng)的機(jī)構(gòu)；所說(shuō)的滑動(dòng)機(jī)構(gòu)是將滾動(dòng)加載機(jī)構(gòu)中的滾動(dòng)加 載體(15)所處的培養(yǎng)室(7)通過(guò)滑動(dòng)連接桿(17)連接在由凸輪(19)控制的驅(qū)動(dòng)板 (18)上。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的施加滾動(dòng)載荷與滑動(dòng)載荷的生物反應(yīng)器，其特征在 于所說(shuō)的滾動(dòng)加載體的表面是旋轉(zhuǎn)曲面。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的施加滾動(dòng)載荷與滑動(dòng)載荷的生物反應(yīng)器，其特征 在于所說(shuō)的滾動(dòng)加載體軸(13)的兩端于培養(yǎng)室(7)的外側(cè)各裝有一個(gè)導(dǎo)向輪(14)， 與導(dǎo)向輪接觸的軌道(11)通過(guò)高度調(diào)節(jié)螺桿(9)調(diào)整滾動(dòng)加載體距離培養(yǎng)室底面 的高度。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種施加滾動(dòng)載荷與滑動(dòng)載荷的生物反應(yīng)器。包括底板，與底板連接的培養(yǎng)室，培養(yǎng)室內(nèi)的培養(yǎng)液灌注系統(tǒng)，及由曲柄連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)滾動(dòng)加載體的滾動(dòng)加載機(jī)構(gòu)，其特征在于所說(shuō)的生物反應(yīng)器還有一個(gè)使?jié)L動(dòng)加載體與培養(yǎng)室之間有相對(duì)滑動(dòng)的機(jī)構(gòu)；所說(shuō)的滑動(dòng)機(jī)構(gòu)是將滾動(dòng)加載機(jī)構(gòu)中的滾動(dòng)加載體所處的培養(yǎng)室通過(guò)滑動(dòng)連接桿連接在由凸輪控制的驅(qū)動(dòng)板上。本實(shí)用新型的有益效果是該施加滾動(dòng)載荷與滑動(dòng)載荷的生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)載荷與滑動(dòng)載荷同時(shí)作用，使其加載方式更接近軟骨組織生長(zhǎng)發(fā)育的力學(xué)環(huán)境，在此載荷條件可能有利于細(xì)胞、組織的生長(zhǎng)、發(fā)育。
文檔編號(hào)C12M3/00GK201154961SQ200720096199

公開(kāi)日2008年11月26日 申請(qǐng)日期2007年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月1日
發(fā)明者劉海英, 葉金鐸, 崔元璐, 張春秋, 王月新, 門玉濤 申請(qǐng)人:天津理工大學(xué)