組織工程支架動態(tài)力學實驗裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種組織工程支架動態(tài)力學實驗裝置，所述裝置包括壓力傳感器、往復電機、循環(huán)動態(tài)應力加載組件以及用于放置往復電機和循環(huán)動態(tài)應力加載組件的組裝支架，所述壓力傳感器包括傳感墊片和顯示設備，所述傳感墊片設置在往復電機和循環(huán)動態(tài)應力加載組件之間，并與顯示設備連接往復電機；所述循環(huán)動態(tài)應力加載組件包括用于向上傳遞推動力的下端支架、用于傳遞動態(tài)力的彈簧、用于向下傳遞壓應力的上端支架、用于將應力傳遞給實驗材料的頂針以及用于固定頂針和實驗用多孔板的定位多孔蓋。本實用新型裝置可以滿足1～150Hz頻率下的不同大小的循環(huán)應力環(huán)境加載下組織工程支架體內模擬實驗，可同時進行多組實驗，提升實驗效率。
【專利說明】組織工程支架動態(tài)力學實驗裝置
【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及一種力學和細胞生物學的實驗裝置，尤其是一種組織工程支架動 態(tài)力學實驗裝置，屬于醫(yī)療器械領域。
【背景技術】
[0002] 生物體體內環(huán)境是個循環(huán)動態(tài)環(huán)境，然而，以往有關組織工程支架材料的力學性 能表征、模擬體內降解、仿生礦化和細胞共培養(yǎng)多局限于靜態(tài)試驗，對循環(huán)動態(tài)體液、生理 運動狀態(tài)及高速碰撞病理狀態(tài)下組織工程支架的生物醫(yī)學應用性能表征的研究欠缺。
[0003] 動態(tài)力學載荷下的組織工程支架的模擬體內疲勞、降解、細胞共培養(yǎng)等實驗是研 究組織工程支架仿生制備及其生物醫(yī)用過程中涉及的性能研究領域的重點。理想的組織工 程支架材料應是生物相容性好、有組織誘導性和組織傳導性、力學性能，與天然組織相近， 能支持血管化、降解速率和新組織形成速率相匹配的生物活性材料。這就要求組織工程支 架材料的研究不僅要從材料科學的角度考慮，更要從生命科學的角度進行探討。為達到這 一目的，需要對支架材料的制備進行優(yōu)化設計，在體外實驗中更加注重模擬真實的體內環(huán) 境。組織工程支架的傳統(tǒng)表征和構建方法是在體外將組織功能細胞接種在三維支架材料 上，經(jīng)過一定時間培養(yǎng)后表征其細胞學性能或植入人體內。培養(yǎng)方法往往采用靜置培養(yǎng)。然 而，組織工程支架在體內是收到周圍組織的力學因素影響的，人體組織也受到體液、血液等 流體的液壓力，骨組織工程支架還受到周圍骨組織的壓應力影響，因此，用循環(huán)動態(tài)應力加 載培養(yǎng)取代傳統(tǒng)的靜態(tài)培養(yǎng)方法更為科學。同樣，組織工程支架材料在生物體內的降解、仿 生礦化性能也應在體外動態(tài)環(huán)境下進行探討。
[0004] 目前，許多針對動態(tài)應力加載培養(yǎng)的裝置及方法都是針對細胞的力學環(huán)境而多 采用應力刺激下的單獨的細胞培養(yǎng)或采用灌流式生物反應器，然而，沒有考慮到動態(tài)力學 刺激對組織工程支架這一受力主體在模擬體內降解、仿生礦化和細胞共培養(yǎng)等過程中的影 響。 實用新型內容
[0005] 本實用新型的目的是為了解決上述現(xiàn)有技術的缺陷，提供了一種組織工程支架動 態(tài)力學實驗裝置，該裝置結構簡單、成本低廉、操作方便、功能多樣，可以滿足1?150Hz頻 率下的不同大小的循環(huán)應力環(huán)境加載下組織工程支架動態(tài)力學實驗。
[0006] 本實用新型的目的可以通過采取如下技術方案達到：
[0007] 組織工程支架動態(tài)力學實驗裝置，包括壓力傳感器、往復電機、位于往復電機上方 的循環(huán)動態(tài)應力加載組件以及用于放置往復電機和循環(huán)動態(tài)應力加載組件的組裝支架；所 述壓力傳感器包括傳感墊片和顯示設備，所述傳感墊片設置在往復電機和循環(huán)動態(tài)應力加 載組件之間，并與顯示設備連接；所述循環(huán)動態(tài)應力加載組件包括用于向上傳遞推動力的 下端支架、用于傳遞動態(tài)力的彈簧、用于向下傳遞壓應力的上端支架、用于將應力傳遞給實 驗材料的頂針以及用于固定頂針和實驗用多孔板的定位多孔蓋；所述彈簧套設在上端支架 底部的支柱上，并與下端支架連接；所述頂針的上端與上端支架的底部相接觸，下端與實驗 材料相接觸。
[0008] 作為一種優(yōu)選方案，所述往復電機包括電機主體、升降臺、調頻器和驅動電源，所 述電機主體與驅動電源連接，并帶動升降臺進行升降運動；所述調頻器設置在電機主體上， 所述壓力傳感器的傳感墊片設置在升降臺與下端支架之間，且底面與升降臺相接觸，頂面 與下端支架相接觸。
[0009] 作為一種優(yōu)選方案，所述組裝支架包括主支架、副支架和支撐底座，所述副支架固 定在主支架上，用于放置實驗用多孔板和支撐定位多孔蓋；所述往復電機和循環(huán)動態(tài)應力 加載組件整體放置在支撐底座上。
[0010] 作為一種優(yōu)選方案，所述主支架為兩邊向外延伸、中間向內凹的凹形結構，該凹形 結構中間向內凹的部分開有兩道平行的通槽；所述副支架由支撐架和固定架組成，所述支 撐架與固定架之間相互垂直，所述支撐架用于放置實驗用多孔板和支撐定位多孔蓋，所述 固定架上開有兩個通孔；所述固定架通過兩根螺釘穿過兩個通孔后固定在兩道平行的通槽 的任意位置上，以調節(jié)實驗用多孔板的高度。
[0011] 作為一種優(yōu)選方案，所述往復電機的振動頻率在1?150Hz的范圍內，保真載荷為 5Kg〇
[0012] 作為一種優(yōu)選方案，所述壓力傳感器的顯示設備固定在電機主體上，在顯示實時 力學數(shù)據(jù)時，并進行記錄，可拷貝并做數(shù)據(jù)分析用。
[0013] 作為一種優(yōu)選方案，所述頂針的上端設有橡膠片，該橡膠片與上端支架的底部相 接觸。
[0014] 作為一種優(yōu)選方案，所述頂針的針體呈矩形體狀、下端呈尖狀，或所述頂針的整體 呈圓柱體狀。
[0015] 本實用新型相對于現(xiàn)有技術具有如下的有益效果：
[0016] 1、本實用新型的組織工程支架動態(tài)力學實驗裝置使用往復電機作為循環(huán)動態(tài)應 力輸出裝置，采用間接加壓的方法施加循環(huán)動態(tài)應力，通過調頻器可以調節(jié)往復電機的循 環(huán)動態(tài)頻率，模擬體內不同組織部位受到的動態(tài)應力或臨床過程施加的體外動態(tài)應力，以 研究不用力學因素對實驗結果的影響。
[0017] 2、本實用新型的組織工程支架動態(tài)力學實驗裝置設計了組裝支架，可以將壓力傳 感器、往復電機、循環(huán)動態(tài)應力加載組件等部件固定在一起成為一個完整的儀器，組裝支架 的主支架起到約束循環(huán)動態(tài)應力加載組件運動軌道的作用，而平行通槽設計更是使不同高 度組織工程支架材料實驗過程中的調節(jié)更加方便，不需要設計統(tǒng)一高度，放寬了材料設計 因素。
[0018] 3、本實用新型的組織工程支架動態(tài)力學實驗裝置采用壓力傳感墊片對力學信號 進行監(jiān)測，表面有多個感應點，其監(jiān)測數(shù)據(jù)可以在數(shù)字顯示窗中顯示且保存，以便在計算機 中進行數(shù)據(jù)處理和分析。
[0019] 4、本實用新型組織工程支架動態(tài)力學實驗裝置所使用的往復電機的振動頻率在 1?150Hz，保真載荷達到5Kg，基本符合正常的人體動態(tài)應力頻率的實驗要求。
[0020] 5、本實用新型的組織工程支架動態(tài)力學實驗裝置在循環(huán)動態(tài)應力加載組件中使 用彈簧作為力學傳遞介質，彈簧與往復電機的配合使用，使得頂針在往材料施加應力過程 中實現(xiàn)循環(huán)動態(tài)應力而保持頂針的接觸狀態(tài)。
[0021] 6、本實用新型的組織工程支架動態(tài)力學實驗裝置在頂針上端設有橡膠片，防止在 實驗過程中微小的尺寸誤差導致頂針與上端支架無法接觸而導致的實驗誤差。
[0022] 7、本實用新型的組織工程支架動態(tài)力學實驗裝置通過在組裝支架的副支架上放 置實驗用多孔板，可以使多組實驗同時進行，對涉及重復組和對照實驗的進行極為方便。
[0023] 8、本實用新型的組織工程支架動態(tài)力學實驗裝置應用范圍廣，可以用來研究片狀 組織工程支架和柱狀生物支架的模擬體內循環(huán)動態(tài)應力環(huán)境下的降解、仿生礦化、體外細 胞毒性、體外細胞黏附增殖分化等實驗。
[0024] 9、本實用新型的組織工程支架動態(tài)力學實驗裝置結構簡單、成本低廉、操作方便、 功能多樣，可以滿足各種頻率下的不同大小的循環(huán)應力環(huán)境加載下組織工程支架體內模擬 實驗，可同時進行多組實驗，提升實驗效率。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025] 圖1為本實用新型的組織工程支架動態(tài)力學實驗裝置中壓力傳感器、顯示設備、 往復電機、循環(huán)動態(tài)應力加載組件與副支架在實驗時的位置關系示意圖。
[0026] 圖2為本實用新型的組織工程支架動態(tài)力學實驗裝置中組裝支架結構示意圖。
[0027] 圖3a為本實用新型的組織工程支架動態(tài)力學實驗裝置中第一種頂針結構的主視 圖；圖3b為第一種頂針結構的右視圖；圖3c為第一種頂針結構的俯視圖。
[0028] 圖4a為本實用新型的組織工程支架動態(tài)力學實驗裝置中第二種頂針結構的主視 圖；圖4b為第二種頂針結構的俯視圖。
[0029] 圖5a為本實用新型的組織工程支架動態(tài)力學實驗裝置中主支架結構的右視圖； 圖5b為主支架結構的俯視圖。
[0030] 圖6a為本實用新型的組織工程支架動態(tài)力學實驗裝置中副支架結構的主視圖； 圖6b為副支架結構的右視圖。
[0031] 圖7為本實用新型的組織工程支架動態(tài)力學實驗裝置在循環(huán)動態(tài)應力加載組件 上放置組織工程支架材料的示意圖。
[0032] 圖8為本實用新型的組織工程支架動態(tài)力學實驗裝置在循環(huán)動態(tài)應力加載組件 上放置片狀生物材料的示意圖。
[0033] 其中，1-電機主體，2-升降臺，3-調頻器，4-下端支架，5-彈簧，6-上端支架，7-頂 針，8-定位多孔蓋，9-橡膠片，10-細胞培養(yǎng)多孔板，11-主支架，12-副支架，13-支撐底座， 14-通槽，15-支撐架，16-固定架，17-通孔，18-螺釘，19-傳感墊片，20-顯示設備，21-組 織工程支架材料，22-砝碼，23-片狀生物材料，24-墊片。
【具體實施方式】
[0034] 實施例1 :
[0035] 如圖1和圖2所示，本實施例的組織工程支架動態(tài)力學實驗裝置，包括壓力傳感 器、顯示設備、往復電機、循環(huán)動態(tài)應力加載組件以及組裝支架，其中 ：
[0036] 所述往復電機的振動頻率在1?150Hz的范圍內，保真載荷為5Kg，包括電機主體 1、升降臺2、調頻器3和驅動電源（圖中未示出），所述電機主體1與驅動電源連接，并帶動 升降臺2進行升降運動；所述調頻器3設置在電機主體1上。
[0037] 所述循環(huán)動態(tài)應力加載組件包括下端支架4、彈簧5、上端支架6、頂針7以及定位 多孔蓋8,考慮到往復電機保真情況下的載荷原因，下端支架4、上端支架6、頂針7和定位多 孔蓋8都是采用亞克力玻璃材質制成，所述下端支架4用于向上傳遞推動力，所述上端支架 6用于向下傳遞壓應力；所述頂針7用于將應力傳遞給實驗材料，頂針7的上端設有橡膠片 9,該橡膠片9與上端支架6的底部相接觸，頂針7的下端與實驗材料相接觸，實驗材料可以 為組織工程支架材料、片狀生物材料等，頂針7可以有兩種結構，以滿足不同實驗的要求， 其中一種結構如圖3a?圖3c所示，針體呈矩形體狀、下端呈尖狀，另一種結構如圖4a? 圖4b所示，整體呈圓柱體狀；所述彈簧5用于傳遞動態(tài)力，其套設在上端支架6底部的支柱 上，并與下端支架4連接；所述定位多孔蓋8頂部的多個開孔可以固定頂針7,左右兩邊可 以固定實驗用多孔板，本實施例采用的實驗用多孔板為細胞培養(yǎng)多孔板10。
[0038] 所述組裝支架采用不銹鋼材質制成，包括主支架11、副支架12和支撐底座13,所 述往復電機和循環(huán)動態(tài)應力加載組件整體放置在支撐底座13上；所述主支架11為兩邊向 外延伸、中間向內凹的凹形結構，如圖5a?圖5b所示，該凹形結構中間向內凹的部分開有 兩道平行的通槽14 ;所述副支架12由支撐架15和固定架16組成，如圖6a?6b所示，所 述支撐架15與固定架16之間相互垂直，所述支撐架15用于放置實驗用多孔板和支撐定位 多孔蓋8,所述固定架16上開有兩個通孔17 ;所述固定架16通過兩根螺釘18穿過兩個通 孔17后固定在兩道平行的通槽14的任意位置上，以調節(jié)實驗用多孔板的高度。
[0039] 所述壓力傳感器包括傳感墊片19和顯示設備20,所述傳感墊片19表面有多個感 應點，可以監(jiān)測出在實驗過程中實時應力數(shù)據(jù)，其設置在升降臺2與下端支架4之間，且底 面與升降臺2相接觸，頂面與下端支架4相接觸；所述顯示設備20為數(shù)字顯示窗，該數(shù)字顯 示窗固定在電機主體1上，并與傳感墊片19連接，以便觀察傳感墊片19采集的實時數(shù)據(jù)。
[0040] 如圖1、圖2和圖7所示，本實施例的實驗過程，包括以下步驟：
[0041] 1)將壓力傳感器安裝在往復電機上，再將往復電機和循環(huán)動態(tài)應力加載組件整體 放置在支撐底座13上；
[0042] 2)將組織工程支架材料21在細胞培養(yǎng)多孔板10內，然后蓋上定位多孔蓋8 ;
[0043] 3)將頂針7放置在相應的孔內材料上面，然后將上端支架6放置在頂針7上端，調 節(jié)副支架12的高度，使頂針7的下端與孔內材料完全接觸，上端與上端支架6完全接觸，在 上端支架6上端放置所需重量的砝碼22 ;
[0044] 4)接通驅動電源，采用調頻器3調節(jié)往復電機的升降頻率，使電機主體1帶動升降 臺2按照設定的頻率進行循環(huán)升降運動，開啟壓力傳感器進行監(jiān)測；
[0045] 5)下端支架4在升降臺2上升時向上傳遞推動力，此時彈簧5受壓，在升降臺2下 降時，上端支架6在彈簧5和砝碼22的作用下向下傳遞壓應力，使頂針7將應力傳遞給孔 內材料；
[0046] 6)實驗結束后，關閉驅動電源，依次取下砝碼22、上端支架6、頂針7、定位多孔蓋 8、細胞培養(yǎng)多孔板10和下端支架4,取出壓力傳感器采集的數(shù)據(jù)；
[0047] 7)處理實驗數(shù)據(jù)并進行分析：根據(jù)壓力傳感器采集的數(shù)據(jù)，結合已知的裝置各個 部件的質量、升降臺2的振幅以及往復電機的升降頻率，在計算機中通過計算公式轉換為 真實的感應力數(shù)據(jù)。
[0048] 步驟7)所述計算公式如下：
[0049] F〇+m2g = f
[0050] F0+nF = Mg+niig+nmo
[0051] 綜合上述公式：F = (Mg+mig+nmQ+n^g-f)/η
[0052] 匕為彈簧受到的力，f為傳感器監(jiān)測的力，M為砝碼質量，ffll為上端支架的質量，m2 為下端支架的質量，m〇為頂針的質量，F(xiàn)為材料受到的壓力，η為材料數(shù)量。
[0053] 注：該往復電機頻率為低頻，加速度對壓力數(shù)據(jù)的采集影響較小，故計算公式為考 慮電機升降過程中的加速度影響。
[0054] 實施例2 :
[0055] 本實施例的主要特點是：如圖8所示，在實施例1的實驗過程中，步驟2)所放置在 細胞培養(yǎng)多孔板內的是片狀生物材料23,每塊片狀生物材料23的底部用墊片24墊住。其 余同實施例1。
[0056] 綜上所述，本實用新型的組織工程支架動態(tài)力學實驗裝置結構簡單、成本低廉、操 作方便、功能多樣，可以滿足1?150Hz頻率下的不同大小的循環(huán)應力環(huán)境加載下組織工程 支架體內模擬實驗，可同時進行多組實驗，提升實驗效率。
[0057] 以上所述，僅為本實用新型專利較佳的實施例，但本實用新型專利的保護范圍并 不局限于此，任何熟悉本【技術領域】的技術人員在本實用新型專利所公開的范圍內，根據(jù)本 實用新型專利的技術方案及其實用新型專利構思加以等同替換或改變，都屬于本實用新型 專利的保護范圍。
【權利要求】
1. 組織工程支架動態(tài)力學實驗裝置，其特征在于：包括壓力傳感器、往復電機、位于往 復電機上方的循環(huán)動態(tài)應力加載組件以及用于放置往復電機和循環(huán)動態(tài)應力加載組件的 組裝支架；所述壓力傳感器包括傳感墊片和顯示設備，所述傳感墊片設置在往復電機和循 環(huán)動態(tài)應力加載組件之間，并與顯示設備連接；所述循環(huán)動態(tài)應力加載組件包括用于向上 傳遞推動力的下端支架、用于傳遞動態(tài)力的彈簧、用于向下傳遞壓應力的上端支架、用于將 應力傳遞給實驗材料的頂針以及用于固定頂針和實驗用多孔板的定位多孔蓋；所述彈簧套 設在上端支架底部的支柱上，并與下端支架連接；所述頂針的上端與上端支架的底部相接 觸，下端與實驗材料相接觸。
2. 根據(jù)權利要求1所述的組織工程支架動態(tài)力學實驗裝置，其特征在于：所述往復電 機包括電機主體、升降臺、調頻器和驅動電源，所述電機主體與驅動電源連接，并帶動升降 臺進行升降運動；所述調頻器設置在電機主體上，所述壓力傳感器的傳感墊片設置在升降 臺與下端支架之間，且底面與升降臺相接觸，頂面與下端支架相接觸。
3. 根據(jù)權利要求1所述的組織工程支架動態(tài)力學實驗裝置，其特征在于：所述組裝支 架包括主支架、副支架和支撐底座，所述副支架固定在主支架上，用于放置實驗用多孔板和 支撐定位多孔蓋；所述往復電機和循環(huán)動態(tài)應力加載組件整體放置在支撐底座上。
4. 根據(jù)權利要求3所述的組織工程支架動態(tài)力學實驗裝置，其特征在于：所述主支架 為兩邊向外延伸、中間向內凹的凹形結構，該凹形結構中間向內凹的部分開有兩道平行的 通槽；所述副支架由支撐架和固定架組成，所述支撐架與固定架之間相互垂直，所述支撐架 用于放置實驗用多孔板和支撐定位多孔蓋，所述固定架上開有兩個通孔；所述固定架通過 兩根螺釘穿過兩個通孔后固定在兩道平行的通槽的任意位置上，以調節(jié)實驗用多孔板的高 度。
5. 根據(jù)權利要求2所述的組織工程支架動態(tài)力學實驗裝置，其特征在于：所述往復電 機的振動頻率在1?150Hz的范圍內，保真載荷為5Kg。
6. 根據(jù)權利要求2所述的組織工程支架動態(tài)力學實驗裝置，其特征在于：所述壓力傳 感器的顯示設備固定在電機主體上。
7. 根據(jù)權利要求1所述的組織工程支架動態(tài)力學實驗裝置，其特征在于：所述頂針的 上端設有橡膠片，該橡膠片與上端支架的底部相接觸。
8. 根據(jù)權利要求1所述的組織工程支架動態(tài)力學實驗裝置，其特征在于：所述頂針的 針體呈矩形體狀、下端呈尖狀，或所述頂針的整體呈圓柱體狀。
【文檔編號】G01N3/34GK203869974SQ201420275409
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年5月27日 優(yōu)先權日:2014年5月27日
【發(fā)明者】寧成云, 余遵雄 申請人:華南理工大學