软骨支架复合加载装置研制

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用。 此类反应器设计中应尽量减小介质混合所产生 的剪切力对细 分别测量 ， 由单片机实时采集并通过软件绘制对应 的位移曲线 和
胞造成的损伤 。文献【 报道了一种流体动力学环境下组织工程化 力 曲线 。
软骨 结构 培养 的 同心 圆筒 型生 物反应 器 （ Ｃ ｏ ｎ ｃ ｅ ｎ ｔ ｒ ｉ ｃ Ｃ ｙ ｌ ｉ ｎ ｄ ｅ ｒ
ｎ ｏ ｖ ｅ ｌ ｃ ｒｔ ａ ｉ ｌ ｇｅ ａ ｂ ｉ ｏ ｒ ｅ ａ ｃ ｔ ｏ ｒ ｗ ｈ ｉ ｃ ｈ ｃ ａ ｎ ａ ｐ ｐ ｌ ｙ ｍ ｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ ｓ ｔ ｉ ｍｕ ｌ ｉ ｆｂ ｏ ｏ ｔ ｈ ｃ ｏ ｍ ｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ ｓ ｈ ｅ ｒｆ ａ ｏ ｒ ｃ ｅ ｓ ｏ ｎ ｃ ｒｔ ａ ｉ ｌ ｇｅ ａ ｓ ｃ ａ ｆ ｆ ｏ ｌ ｄ ｗ ｈ ｉ ｌ ｅ
１ 引 言
在体外构建＿ Ｔ程化组织 的过程 中， 为了模 拟体内微环境并 使细胞 和支架材料更好地复合 ， 学者们开始把 眼光投 向生 物反
关 节软骨是一种特殊的功能组织 ，主要 由软骨细胞和细胞 应 用生 物 反 应器 可 以在 三维 组织 支 架 上扩 增 细胞 并 引 导细 外基质组成。细胞外基质对软骨细胞起支撑作用 ， 并赋予其力学 应 器 。 胞形成组织替代物 ， 为此须满足细胞的扩增 、 多孔支架材料与细 特性『 Ｊ １ 。 因软骨损伤后 的 自我修 复能力差 ， 病理与外伤等原 因所致
第３ 期
液的合适的流动可以实现营养物质的传输 ， 使软骨细胞能够及时进 牛顿 以内的范围变化。 实际加载过程 中的位移和加载力的变化采 行新陈代谢并且排除废物 ， 同时促进 了三维支架内部的传质 ， 因 用位移传感器 和力传感器 （ 两者 均为接触式传感方式 ， 位移量程 此能够更好 的模拟人体内的生理环境 ，起到调控生长 因子的作 为 ｌ ｍｍ， 分辨率为 ４ ｍ； 力传感 器量 程 １ ０ ０ Ｎ， 压力 分辨率 ０ ． １ Ｎ）
的软骨损伤最终会导致骨关节病隅 。 目前采用的人工关节置换方 胞复合 、营养物质 的转运及细胞组织所需各种刺激等多方 丽要 生物反应器应满足的基本要求有 ： （ １ ） 控制体外微环 法由于植 入后粒磨损及 由此引起 的骨溶解使得植入件的寿命较 求 。一般地 ， 如氧张力 、 ｐ Ｈ值 、 温度 、 湿度和机械应力等； （ ２ ） 捉供精确的传 低， 病人常常要进行两次或多次手术 和假体置换 ， 而近些年来发 境，
架、 种子细胞和生长 因子。要使上述三要素有机结合促进细胞 繁
被认为是组织工程 中的第 四要素。
来 稿 日期 ： ２ ０ １ ３ － ０ ８ — １ ０
几种 具有代表 性的生物反 应器包括 １ ３ 】 旋转瓶 式 、 机械搅拌
殖、 形成组织前体 ， 必须提供细胞生长的微环境。 这种微环境可以 式 、 旋转壁式 、 直接灌注式和机械应力式。 前几种反应器主要是为 改善流体传质而开发研制的。在软骨组织体外构建过程中 ， 培养
２ ． 哈尔滨工业大学 精密工程研究所 ， 黑龙江 哈尔滨
摘
要： 通过分析 总结现有软骨组织工程 生物反应 器的原理与特点， 研 制了一 台集压缩加载 、 剪切加载和灌流传质 作用
于一体的新型软骨生物反应 器。 该反应器的驱动控制和测量是 由以单片机为下位机 的电机控制 系统和 Ｐ ｃ为上位机的软
ｌ ｏ ａ ｄ ｉ ｎ ｇ ｅ ｘ ｐ ｅ ｒ ｉ ｍ ｅ ｎ ｔ ｓ ｓ ｈ ｏ ｗ ｔ ｈ ａ ｔ ，ｔ ｈ ｉ ｓ ｄ ｅ ｖ ｉ ｃ ｅ Ｃ ｎ ａ ｐ ｒ ｏ ｖ ｉ ｄ ｅ ｔ ｈ ｅ ｃ ｒｔ ａ ｉ ｌ ｇｅ ａ ｓ ｃ ａ ｆｏ ｌ ｄ ｗ ｉ ｔ ｈ ｐ ｒ ｅ ｃ ｉ ｓ ｉ ｏ ｎ ｃ ｏ ｍ ｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｉ ｏ ｎ ｆ ｏ ｒ ｃ ｅ ｓ ａ ｎ ｄ ｓ ｈ ｅ ｒ ａ
作者简介 ： 翟天博 ， （ １ ９ ９ １ ～ ） ， 男， 黑龙江人， 本科生， 主要研究方 向： 生物 医学机械设计制造 ； 孙 涛， （ １ ９ ６ ４ 一 ） ， 男， 黑龙江人 ， 教授 ， 博士生导师 ， 主要研究方 向： 精密 、 超精密加工技术
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翟天博等： 软骨支架复合加载装置研制
ｃ ｅ ｌ ｌ ｐ ｈ ｙ ｓ ｉ ｏ ｌ ｏ ｇ ｉ ｃ ｌ ａ ｃ ｈ ｎｇ ａ ｅ ｓ ｏ ｎ ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ｌ ａ ｓ ｔ ｉ ｍｕ ｌ ｔｉ ａ ｏ ｎ ． Ｋｅ ｙ Ｗｏ ｒ ｄ ｓ ： Ｃｏ ｍｂ ｉ ｎ ｅ ｄ Ｌｏ ａ ｄ ｉ ｎ ｇ Ｄｅ ｖ ｉ ｃ ｅ ； Ｃａ ｒ ｔ ｉ ｌ ａ ｇ ｅ Ｓ ｃ ａ ｆｏ ｌ ｄ ｓ ； Ｍｉ ｃ ｒ ｏ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｌ ｅ ｒ ； Ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ Ｓ ｔ ｉ ｍｕ ｌ ｉ
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剪切加载模块的步进电机经 Ａ Ｐ Ｅ Ｘ高精度行星轮减 速器减 物实施 给定规律的剪切加载。 所施加 的剪切力大小取决于构建物
Ｂ ｉ ｏ ｒ ｅ ａ ｃ ｔ ｏ ｒ ） ， 其内环境剪切力小 、 结构生长空间大并 可实现动态种 速后 ， 带动连接主轴 的载物台往复旋 转 ， 从而对圆周布置的构建 植， 它还能提供一致 的加载环境 ， 以利于软骨结构生长。 步进电机按正弦规 对 于关节软骨组织 ，应力刺激是软骨细胞生长不可或缺 的 的剪切应变大小和支架材料的剪切弹性模量 。 生长调控因子。除了流体剪应力外 ， 软骨细胞还受静态液压力和 律加载 ， 支架实现 （ １ － １ Ｏ ） ％剪应变时主轴所对应 的周 向转角变化
第 ３期 ２ ０ １ ４年 ３月
机 械 设 计 与 制 造
Ｍａ ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ ｒ ｙ Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ＆ Ｍａ ｎ ｕ ｆ ａ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ １ ０ ３
软 骨 支架复合加载装置研制
翟天博 ， 孙 涛
１ ５ ０ ０ ０ １ ）
（ １ ． 哈尔滨工业大学 机械设计制造及其 自动化系 ， 黑龙江 哈尔滨 １ ５ห้องสมุดไป่ตู้０ ０ ０ １ ；
０ ． ３ ～ ３ ） 。 ， 其分辨率可达 ０ ． ０ ３ 。 。 直接压缩力的影响 ， 两者均对软骨细胞发育成熟和基质分泌起促 范围为（
ＺＨＡＩ Ｔｉ ａ ｎ — ｂ ｏ ，Ｓ ＵＮ Ｔａ ｏ
（ １ ． Ｄ ｅ ｐ ａ ｒ ｔ ｍ ｅ ｎ ｔ ｏ ｆ Ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ Ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ，Ｍａ ｎ ｕ ｆ ａ ｃ ｔ ｕ ｒ ｉ ｎ ｇ ａ ｎ ｄ Ａ ｕ ｔ ｏ ｍａ ｔ ｉ ｏ ｎ ，Ｈ ａ ｒ ｂ ｉ ｎ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ｏ ｆ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ，Ｈ ｅ ｉ ｌ ｏ ｎ ｇ ｊ ｉ ａ ｕ ｇ ｔ ｌ ａ ｒ ｂ ｉ ，
包括气体交换 ； （ ３ ） 能进行无菌操作 。此外 ． 一个完整的 展起来的组织工程方法更具潜力。 组织工程的核心是应用生物学 质控制 ， 以便进行相 关的 和工程学的原理和方法来发展具有生物活性 的人工替代物 ， 用 以 生物反应器 系统 还应 具有 自动化的操作程序 ，
维持 、 恢 复或提高人体组织 的功能。 组织工程 的三要素为 ： 载体支 基础研究和将来制备用于临床的丁程化组织。
关键词 ： 复合加载 ； 软骨支架 ； 单片机 ； 力学激励
中 图分 类 号 ： Ｔ Ｈ１ ６ ； Ｑ ９ ５ ４ ． ６ ５ ＋ ７ 文献 标 识 码 ： Ａ 文章 编 号 ： １ ０ ０ １ — ３ ９ ９ ７ （ ２ ０ １ ４ ） ０ ３ — ０ １ ０ ３ — ０ ４
Ｃａ ｒ ｔ ｉ ｌ ａ ｇ ｅ Ｃｏ ｍｐ ｏ ｓ ｉ ｔ ｅ Ｌ ｏ ａ ｄ ｉ ｎ ｇ Ｄｅ ｖ ｉ ｃ ｅ ｉ ｓ Ｄｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｐ ｅ ｄ
件 系统共同完成的。综合加载 实验结果表明 ， 该装置能够精确地为软骨支架提供生理 范围内不同大小和频率的压缩力和
剪切 力， 并能协同灌流传质 系统为培养物提供 营养的有效传输。 借助本装置可以更好地提供接近在体骨组织 内 部的力学
环境 ，为软骨组 织体外培养及定量研 究力学刺激对细胞的生理变化的影响提供 了保证。