用于骨组织工程的加载装置[实用新型专利]

[19]
中华人民共和国国家知识产权局
[12]实用新型专利说明书
[11]授权公告号CN 2797373Y [45]授权公告日2006年7月19日
专利号 ZL 200520026244.3[22]申请日2005.06.21
[21]申请号200520026244.3
[73]专利权人中国人民解放军军事医学科学院卫生装
备研究所
地址300161天津市河东区万东路106号
[72]设计人张春秋 张西正 郭勇 李瑞欣 吴金辉 [74]专利代理机构天津市三利专利商标代理有限公司代理人李世萱
[51]Int.CI.C12M 3/00 (2006.01)
权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 3 页
[54]实用新型名称
用于骨组织工程的加载装置
[57]摘要
本实用新型公开了一种将直接加载和灌流系统
结合起来改善骨组织工程化的培养器，提供能够更
接近在体骨组织内部的力学环境的加载装置。

本实
用新型加载装置包括龙门式刚性框架、压电陶瓷位
移器、微位移电容传感器及培养小室设备，所述框
架顶部设置有预紧调整螺杆，所述框架内设置有压
电陶瓷位移器并与顶部相联，所述框架内设置有培
养小室设备并与底部相联，所述压电陶瓷位移器下
部设置有微位移电容传感器。

本装置针对骨组织工
程化构建设计的，其经过改进也可用于其它组织工
程化培养，其特点是培养物的力学环境精确控制。

200520026244.3权 利 要 求 书第1/1页
1.一种用于骨组织工程的加载装置，其特征是，所述加载装置包括龙门式刚性框架、压电陶瓷位移器、微位移传感器及培养小室设备，所述框架顶部设置有预紧调整螺杆，所述框架内设置有压电陶瓷位移器并与顶部相联，所述框架内设置有培养小室设备并与底部相联，所述压电陶瓷位移器下部设置有微位移传感器。

2.根据权利要求1所述的用于骨组织工程的加载装置，其特征是，所述培养小室一侧通过硅胶管依次连接培养液池、蠕动泵、以及培养小室另一侧形成灌注系统。

200520026244.3说 明 书第1/4页
用于骨组织工程的加载装置
技术领域
本实用新型涉及组织工程生物反应器领域，更具体地说，是一种用于骨组织工程的加载装置。

背景技术
生物反应器是骨组织工程化培养的重要因素，生物反应器的目的是为体外组织工程构建提供合适的生长条件，使工程化组织获得与活体组织有相似的结构与功能。

合适的生物反应器的研制除考虑生化因素外还取决于骨结构与功能关系的理解程度。

当前的生物反应器很少有针对骨组织工程构建，通常使用的有三种：即旋转培养瓶、旋转壁式生物反应器和灌流式生物反应器。

这三类骨组织工程化构建的生物反应器都显示了比培养皿中静态培养有更多的优点。

但旋转培养瓶不能使培养液和其他营养物很好地渗透到支架材料的多孔网络中去，细胞生长和基质钙化被限制在支架材料的外表面。

旋转壁式生物反应器的培养对象只能是各向同性的组织或器官，并且支架只能选择密度较低的材料。

尽管灌流式生物反应器允许培养液通过支架材料中相互联接的孔隙，灌流式生物反应器能提供更好的营养物传输，并且对培养的细胞以剪应力刺激，但灌流式生物反应器的力学环境与在体骨组织的力学环境仍有较大差别，还不能满足骨组织工程化的培养。

骨力学感知传导机理表明骨组织的正常生理过程需要直接动态压载荷的作用。

骨结构比较复杂，存在三种不同水平的孔隙：第一种是含有血管的孔隙，这包含骨小梁间的孔隙，半径大约10μm；第二种是
位于基质中骨细胞所在的陷窝-骨小管孔隙，半径约为0.1μm；第三种是胶原-羟磷灰石(水平)的孔隙，半径约为20nm。

在这三种水平的孔隙中，窝陷-骨小管孔隙是外界载荷引起液体流动的主要腔隙，与其内部的骨细胞构成窝陷-骨小管系统，是骨力学感知传导的主要结构。

动态载荷作用引起窝陷-骨小管孔隙中液体流动，结果造成营养、废物的对流(convection)传输。

液体的流动不仅对骨细胞发出激励，而且保证骨细胞信号分子、营养和废物的有效传输。

位于骨基质中远离血管的骨细胞仅仅通过渗透传输营养和代谢物是不够的，必须通过窝陷-骨小管孔隙中液体的对流形式传输，满足骨细胞的新陈代谢。

从骨组织工程培养过程看，复合体培养开始时灌流系统可以对贴壁细胞施加流体剪应力和正常营养和废物运输，但培养一阶段，成骨细胞分泌骨基质，包埋后变为骨细胞，骨细胞通过细胞突与四周骨细胞、成骨细胞、骨衬细胞形成细胞网络，骨基质钙化后，即窝陷-骨小管孔隙形成后，特别是形成有一定厚度的钙化基质，仅灌流过程很难满足此时培养物的需求。

直接施加动载才可形成类似在体骨组织内的力学环境。

实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是，提供一种将直接加载和灌流系统结合起来改善骨组织工程化的培养器，提供能够更接近在体骨组织内部的力学环境的加载装置。

本实用新型用于骨组织工程的加载装置，通过下述技术方案予以实现，加载装置包括龙门式刚性框架、压电陶瓷位移器、微位移电容传感器及培养小室设备，所述框架顶部设置有预紧调整螺杆，所述框架内设置有压电陶瓷位移器并与顶部相联，所述框架内设置有培养小室设备并与底部相联，所述压电陶瓷位移器下部设置有微位移电容传感器。

本实用新型所述培养小室一侧通过硅胶管依次连接培养液池、蠕动泵、以及培养小室另一侧形成灌注系统。

在骨组织工程化培养中骨的支架材料应有一定的强度，而且必须有合适的力学环境。

一小块支架材料达到骨生理水平的应变采用传统
的机械设计原理是很难做到的，本实用新型采用智能材料-压电陶瓷作为动力来源，可实现骨支架材料骨生理水平应变的精确控制。

不同波形的应变(方波、正弦波、三角波)以及任意假设的波形应变都可实现，这为工程化构建骨组织的结构与功能统一的研究提供了条件。

本装置的设计是为工程化骨组织构建中载荷影响的研究，同时经过完善后可能成为一个较好的体外骨组织工程化培养的生物反应器。

采用压电陶瓷位移器作为加载装置动力来源，这是本装置的最重要的优点。

压电陶瓷位移器具有结构紧凑、体积小、无摩擦、驱动灵敏、微位移精度高的特点；此外，使用压电陶瓷位移器，由于机电耦合效应进行的速度很快，不存在发热问题，影响培养细胞的电导和热辐射都可以忽略，因为压电陶瓷位移器是电容器相似的结构，所以有最少的电力消耗，甚至在高速和高电压驱动情况下也是如此。

附图说明
图1是本实用新型结构示意图；
图2是本实用新型培养小室结构示意图；
图3是本实用新型灌流系统流动循环示意图.
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型做进一步描述。

如图1所示，加载装置包括龙门式刚性框架1、压电陶瓷位移器2、微位移电容传感器3及培养小室4，框架顶部设置有预紧调整螺杆5，框架内设置有压电陶瓷位移器2并与顶部相接触，框架内设置有培养小室4并与底部相接触，压电陶瓷位移器2下部设置有微位移电容传感器3。

其中培养小室结构如图2所示，小室盖9上面设置小室盖上压块8；小室盖9底部设置有下压块10。

采用智能材料-压电陶瓷位移器(WTYD081045型)作为核心部件，与压电陶瓷电源连接构成加载动力系统，通过微机调控为骨组织培养
提供生理范围内不同波形的载荷(方波、正弦波、三角波等)。

具有输出精度高，结构简洁的特点。

如图3所示，培养小室4一侧通过硅胶管依次连接培养液池6、蠕动泵7、以及培养小室4另一侧形成灌注系统。

通过蠕动泵的驱动，培养液从培养液池被泵出，然后流过培养小室，又流回培养液池。

循环灌注子系统可保证培养物营养、废物的有效运输，同时具有可控的灌流速度，为培养物提供可变的流动剪应力。

尽管本装置针对骨组织工程化构建设计的，但也可提供软骨组织工程化构建的力学环境，或者经过改进也可用于其它组织工程化培养，其特点是培养物的力学环境精确控制。

该装置的设计完善可成为一个较好的体外骨组织工程化培养的生物反应器，例如，采用光栅仪测量位移，直接转换成应变单位，并且通过连接微机实现反馈控制，使培养的复合体应变动态控制在某个生理应变范围，这符合在体骨组织应变的变化规律。

200520026244.3说 明 书 附 图第1/3页
图1
图2
图3。