组织工程支架动态力学实验装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种组织工程支架动态力学实验装置及方法，所述装置包括压力传感器、往复电机、循环动态应力加载组件以及用于放置往复电机和循环动态应力加载组件的组装支架，所述压力传感器包括传感垫片和显示设备，所述传感垫片设置在往复电机和循环动态应力加载组件之间，并与显示设备连接往复电机；所述循环动态应力加载组件包括用于向上传递推动力的下端支架、用于传递动态力的弹簧、用于向下传递压应力的上端支架、用于将应力传递给实验材料的顶针以及用于固定顶针和实验用多孔板的定位多孔盖。本发明装置及方法可以满足1～150Hz频率下的不同大小的循环应力环境加载下组织工程支架体内模拟实验，可同时进行多组实验，提升实验效率。
【专利说明】组织工程支架动态力学实验装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种力学和细胞生物学的实验装置，尤其是一种组织工程支架动态力学实验装置及方法，属于医疗器械领域。
【背景技术】
[0002]生物体体内环境是个循环动态环境，然而，以往有关组织工程支架材料的力学性能表征、模拟体内降解、仿生矿化和细胞共培养多局限于静态试验，对循环动态体液、生理运动状态及高速碰撞病理状态下组织工程支架的生物医学应用性能表征的研究欠缺。
[0003]动态力学载荷下的组织工程支架的模拟体内疲劳、降解、细胞共培养等实验是研究组织工程支架仿生制备及其生物医用过程中涉及的性能研究领域的重点。理想的组织工程支架材料应是生物相容性好、有组织诱导性和组织传导性、力学性能，与天然组织相近，能支持血管化、降解速率和新组织形成速率相匹配的生物活性材料。这就要求组织工程支架材料的研究不仅要从材料科学的角度考虑，更要从生命科学的角度进行探讨。为达到这一目的，需要对支架材料的制备进行优化设计，在体外实验中更加注重模拟真实的体内环境。组织工程支架的传统表征和构建方法是在体外将组织功能细胞接种在三维支架材料上，经过一定时间培养后表征其细胞学性能或植入人体内。培养方法往往采用静置培养。然而，组织工程支架在体内是收到周围组织的力学因素影响的，人体组织也受到体液、血液等流体的液压力，骨组织工程支架还受到周围骨组织的压应力影响，因此，用循环动态应力加载培养取代传统的静态培养方法更为科学。同样，组织工程支架材料在生物体内的降解、仿生矿化性能也应在体外动态环境下进行探讨。
[0004]目前，许多针对动态应力加载培养的装置及方法都是针对细胞的力学环境而多采用应力刺激下的单独的细胞培养或采用灌流式生物反应器，然而，没有考虑到动态力学刺激对组织工程支架这一受力主体在模拟体内降解、仿生矿化和细胞共培养等过程中的影响。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供了一种组织工程支架动态力学实验装置，该装置结构简单、成本低廉、操作方便、功能多样，可以满足I?150HZ频率下的不同大小的循环应力环境加载下组织工程支架动态力学实验。
[0006]本发明的另一目的在于提供一种上述组织工程支架动态力学实验装置的实验方法。
[0007]本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到:
[0008]组织工程支架动态力学实验装置，包括压力传感器、往复电机、位于往复电机上方的循环动态应力加载组件以及用于放置往复电机和循环动态应力加载组件的组装支架；所述压力传感器包括传感垫片和显示设备，所述传感垫片设置在往复电机和循环动态应力加载组件之间，并与显示设备连接；所述循环动态应力加载组件包括用于向上传递推动力的下端支架、用于传递动态力的弹簧、用于向下传递压应力的上端支架、用于将应力传递给实验材料的顶针以及用于固定顶针和实验用多孔板的定位多孔盖；所述弹簧套设在上端支架底部的支柱上，并与下端支架连接；所述顶针的上端与上端支架的底部相接触，下端与实验材料相接触。
[0009]作为一种优选方案，所述往复电机包括电机主体、升降台、调频器和驱动电源，所述电机主体与驱动电源连接，并带动升降台进行升降运动；所述调频器设置在电机主体上，所述压力传感器的传感垫片设置在升降台与下端支架之间，且底面与升降台相接触，顶面与下端支架相接触。
[0010]作为一种优选方案，所述组装支架包括主支架、副支架和支撑底座，所述副支架固定在主支架上，用于放置实验用多孔板和支撑定位多孔盖；所述往复电机和循环动态应力加载组件整体放置在支撑底座上。
[0011]作为一种优选方案，所述主支架为两边向外延伸、中间向内凹的凹形结构，该凹形结构中间向内凹的部分开有两道平行的通槽；所述副支架由支撑架和固定架组成，所述支撑架与固定架之间相互垂直，所述支撑架用于放置实验用多孔板和支撑定位多孔盖，所述固定架上开有两个通孔；所述固定架通过两根螺钉穿过两个通孔后固定在两道平行的通槽的任意位置上，以调节实验用多孔板的高度。
[0012]作为一种优选方案，所述往复电机的振动频率在I?150Hz的范围内，保真载荷为5Kg。
[0013]作为一种优选方案，所述压力传感器的显示设备固定在电机主体上，在显示实时力学数据时，并进行记录，可拷贝并做数据分析用。
[0014]作为一种优选方案，所述顶针的上端设有橡胶片，该橡胶片与上端支架的底部相接触。
[0015]作为一种优选方案，所述顶针的针体呈矩形体状、下端呈尖状，或所述顶针的整体呈圆柱体状。
[0016]本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到:
[0017]组织工程支架动态力学实验装置的实验方法，包括以下步骤:
[0018]I)将压力传感器安装在往复电机上，再将往复电机和循环动态应力加载组件整体放置在支撑底座上；
[0019]2)将组织工程支架材料或片状生物材料放置在细胞培养多孔板内，然后盖上定位多孔盖；
[0020]3)将顶针放置在相应的孔内材料上面，然后将上端支架放置在顶针的上端，调节副支架的高度，使顶针的下端与孔内材料完全接触，上端与上端支架完全接触，在上端支架上端放置所需重量的砝码；
[0021]4)接通驱动电源，采用调频器调节往复电机的升降频率，使电机主体带动升降台按照设定的频率进行循环升降运动，开启压力传感器进行监测；
[0022]5)下端支架在升降台上升时向上传递推动力，此时弹簧受压，在升降台下降时，上端支架在弹簧和砝码的作用下向下传递压应力，使顶针将应力传递给孔内材料；
[0023]6)实验结束后，关闭驱动电源，依次取下砝码、上端支架、顶针、定位多孔盖、细胞培养多孔板和下端支架，取出压力传感器采集的数据；[0024]7)处理实验数据并进行分析:根据压力传感器采集的数据，结合已知的装置各个部件的质量、升降台的振幅以及往复电机的升降频率，在计算机中通过计算公式转换为真实的感应力数据。
[0025]作为一种优选方案，步骤2)中，当将片状生物材料放置在细胞培养多孔板内时，每块片状生物材料的底部用垫片垫住。
[0026]本发明相对于现有技术具有如下的有益效果:
[0027]1、本发明的组织工程支架动态力学实验装置使用往复电机作为循环动态应力输出装置，采用间接加压的方法施加循环动态应力，通过调频器可以调节往复电机的循环动态频率，模拟体内不同组织部位受到的动态应力或临床过程施加的体外动态应力，以研究不用力学因素对实验结果的影响。
[0028]2、本发明的组织工程支架动态力学实验装置设计了组装支架，可以将压力传感器、往复电机、循环动态应力加载组件等部件固定在一起成为一个完整的仪器，组装支架的主支架起到约束循环动态应力加载组件运动轨道的作用，而平行通槽设计更是使不同高度组织工程支架材料实验过程中的调节更加方便，不需要设计统一高度，放宽了材料设计因素。
[0029]3、本发明的组织工程支架动态力学实验装置采用压力传感垫片对力学信号进行监测，表面有多个感应点，其监测数据可以在数字显示窗中显示且保存，以便在计算机中进行数据处理和分析。
[0030]4、本发明组织工程支架动态力学实验装置所使用的往复电机的振动频率在I?150Hz，保真载荷达到5Kg，基本符合正常的人体动态应力频率的实验要求。
[0031]5、本发明的组织工程支架动态力学实验装置在循环动态应力加载组件中使用弹簧作为力学传递介质，弹簧与往复电机的配合使用，使得顶针在往材料施加应力过程中实现循环动态应力而保持顶针的接触状态。
[0032]6、本发明的组织工程支架动态力学实验装置在顶针上端设有橡胶片，防止在实验过程中微小的尺寸误差导致顶针与上端支架无法接触而导致的实验误差。
[0033]7、本发明的组织工程支架动态力学实验装置通过在组装支架的副支架上放置实验用多孔板，可以使多组实验同时进行，对涉及重复组和对照实验的进行极为方便。
[0034]8、本发明的组织工程支架动态力学实验装置应用范围广，可以用来研究片状组织工程支架和柱状生物支架的模拟体内循环动态应力环境下的降解、仿生矿化、体外细胞毒性、体外细胞黏附增殖分化等实验。
[0035]9、本发明的组织工程支架动态力学实验装置结构简单、成本低廉、操作方便、功能多样，可以满足各种频率下的不同大小的循环应力环境加载下组织工程支架体内模拟实验，可同时进行多组实验，提升实验效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0036]图1为本发明的组织工程支架动态力学实验装置中压力传感器、显示设备、往复电机、循环动态应力加载组件与副支架在实验时的位置关系示意图。
[0037]图2为本发明的组织工程支架动态力学实验装置中组装支架结构示意图。
[0038]图3a为本发明的组织工程支架动态力学实验装置中第一种顶针结构的主视图；图3b为第一种顶针结构的右视图；图3c为第一种顶针结构的俯视图。
[0039]图4a为本发明的组织工程支架动态力学实验装置中第二种顶针结构的主视图；图4b为第二种顶针结构的俯视图。
[0040]图5a为本发明的组织工程支架动态力学实验装置中主支架结构的右视图；图5b为主支架结构的俯视图。
[0041]图6a为本发明的组织工程支架动态力学实验装置中副支架结构的主视图；图6b为副支架结构的右视图。
[0042]图7为本发明的组织工程支架动态力学实验装置在循环动态应力加载组件上放置组织工程支架材料的示意图。
[0043]图8为本发明的组织工程支架动态力学实验装置在循环动态应力加载组件上放置片状生物材料的示意图。
[0044]其中，1-电机主体，2-升降台，3-调频器，4-下端支架，5-弹簧，6-上端支架，7-顶针，8-定位多孔盖，9-橡胶片，10-细胞培养多孔板，11-主支架，12-副支架，13-支撑底座，14-通槽，15-支撑架，16-固定架，17-通孔，18-螺钉，19-传感垫片，20-显示设备，21-组织工程支架材料，22-砝码，23-片状生物材料，24-垫片。
【具体实施方式】
[0045]实施例1:
[0046]如图1和图2所示，本实施例的组织工程支架动态力学实验装置，包括压力传感器、显示设备、往复电机、循环动态应力加载组件以及组装支架，其中:
[0047]所述往复电机的振动频率在I?150Hz的范围内，保真载荷为5Kg,包括电机主体
1、升降台2、调频器3和驱动电源(图中未示出)，所述电机主体I与驱动电源连接，并带动升降台2进行升降运动；所述调频器3设置在电机主体I上。
[0048]所述循环动态应力加载组件包括下端支架4、弹簧5、上端支架6、顶针7以及定位多孔盖8，考虑到往复电机保真情况下的载荷原因，下端支架4、上端支架6、顶针7和定位多孔盖8都是采用亚克力玻璃材质制成，所述下端支架4用于向上传递推动力，所述上端支架6用于向下传递压应力；所述顶针7用于将应力传递给实验材料，顶针7的上端设有橡胶片9，该橡胶片9与上端支架6的底部相接触，顶针7的下端与实验材料相接触，实验材料可以为组织工程支架材料、片状生物材料等，顶针7可以有两种结构，以满足不同实验的要求，其中一种结构如图3a?图3c所示，针体呈矩形体状、下端呈尖状，另一种结构如图4a?图4b所示，整体呈圆柱体状；所述弹簧5用于传递动态力，其套设在上端支架6底部的支柱上，并与下端支架4连接；所述定位多孔盖8顶部的多个开孔可以固定顶针7，左右两边可以固定实验用多孔板，本实施例采用的实验用多孔板为细胞培养多孔板10。
[0049]所述组装支架采用不锈钢材质制成，包括主支架11、副支架12和支撑底座13，所述往复电机和循环动态应力加载组件整体放置在支撑底座13上；所述主支架11为两边向外延伸、中间向内凹的凹形结构，如图5a?图5b所示，该凹形结构中间向内凹的部分开有两道平行的通槽14 ;所述副支架12由支撑架15和固定架16组成，如图6a?6b所示，所述支撑架15与固定架16之间相互垂直，所述支撑架15用于放置实验用多孔板和支撑定位多孔盖8，所述固定架16上开有两个通孔17 ;所述固定架16通过两根螺钉18穿过两个通孔17后固定在两道平行的通槽14的任意位置上，以调节实验用多孔板的高度。
[0050]所述压力传感器包括传感垫片19和显示设备20，所述传感垫片19表面有多个感应点，可以监测出在实验过程中实时应力数据，其设置在升降台2与下端支架4之间，且底面与升降台2相接触，顶面与下端支架4相接触；所述显示设备20为数字显示窗，该数字显示窗固定在电机主体I上，并与传感垫片19连接，以便观察传感垫片19采集的实时数据。
[0051]如图1、图2和图7所示，本实施例的实验过程，包括以下步骤:
[0052]1)将压力传感器安装在往复电机上，再将往复电机和循环动态应力加载组件整体放置在支撑底座13上；
[0053]2)将组织工程支架材料21在细胞培养多孔板10内，然后盖上定位多孔盖8 ；
[0054]3)将顶针7放置在相应的孔内材料上面，然后将上端支架6放置在顶针7上端，调节副支架12的高度，使顶针7的下端与孔内材料完全接触，上端与上端支架6完全接触，在上端支架6上端放置所需重量的砝码22 ；
[0055]4)接通驱动电源，采用调频器3调节往复电机的升降频率，使电机主体I带动升降台2按照设定的频率进行循环升降运动，开启压力传感器进行监测；
[0056]5)下端支架4在升降台2上升时向上传递推动力，此时弹簧5受压，在升降台2下降时，上端支架6在弹簧5和砝码22的作用下向下传递压应力，使顶针7将应力传递给孔内材料；
[0057]6)实验结束后，关闭驱动电源，依次取下砝码22、上端支架6、顶针7、定位多孔盖
8、细胞培养多孔板10和下端支架4，取出压力传感器采集的数据；
[0058]7)处理实验数据并进行分析:根据压力传感器采集的数据，结合已知的装置各个部件的质量、升降台2的振幅以及往复电机的升降频率，在计算机中通过计算公式转换为真实的感应力数据。
[0059]步骤7)所述计算公式如下:
[0060]F0+m2g = f
[0061]F0+nF = Mg+m^+nnio
[0062]综合上述公式:F= (Mg+m1g+nm0+m2g-f) /η
[0063]F0为弹簧受到的力，f为传感器监测的力，M为砝码质量，Hi1为上端支架的质量，m2为下端支架的质量，m0为顶针的质量，F为材料受到的压力，η为材料数量。
[0064]注:该往复电机频率为低频，加速度对压力数据的采集影响较小，故计算公式为考虑电机升降过程中的加速度影响。
[0065]实施例2:
[0066]本实施例的主要特点是:如图8所示，在实施例1的实验过程中，步骤2)所放置在细胞培养多孔板内的是片状生物材料23，每块片状生物材料23的底部用垫片24垫住。其余同实施例1。
[0067]综上所述，本发明的组织工程支架动态力学实验装置结构简单、成本低廉、操作方便、功能多样，可以满足I~150Hz频率下的不同大小的循环应力环境加载下组织工程支架体内模拟实验，可同时进行多组实验，提升实验效率。
[0068]以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本【技术领域】的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明专利构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。
【权利要求】
1.组织工程支架动态力学实验装置，其特征在于:包括压力传感器、往复电机、位于往复电机上方的循环动态应力加载组件以及用于放置往复电机和循环动态应力加载组件的组装支架；所述压力传感器包括传感垫片和显示设备，所述传感垫片设置在往复电机和循环动态应力加载组件之间，并与显示设备连接；所述循环动态应力加载组件包括用于向上传递推动力的下端支架、用于传递动态力的弹簧、用于向下传递压应力的上端支架、用于将应力传递给实验材料的顶针以及用于固定顶针和实验用多孔板的定位多孔盖；所述弹簧套设在上端支架底部的支柱上，并与下端支架连接；所述顶针的上端与上端支架的底部相接触，下端与实验材料相接触。
2.根据权利要求1所述的组织工程支架动态力学实验装置，其特征在于:所述往复电机包括电机主体、升降台、调频器和驱动电源，所述电机主体与驱动电源连接，并带动升降台进行升降运动；所述调频器设置在电机主体上，所述压力传感器的传感垫片设置在升降台与下端支架之间，且底面与升降台相接触，顶面与下端支架相接触。
3.根据权利要求1所述的组织工程支架动态力学实验装置，其特征在于:所述组装支架包括主支架、副支架和支撑底座，所述副支架固定在主支架上，用于放置实验用多孔板和支撑定位多孔盖；所述往复电机和循环动态应力加载组件整体放置在支撑底座上。
4.根据权利要求3所述的组织工程支架动态力学实验装置，其特征在于:所述主支架为两边向外延伸、中间向内凹的凹形结构，该凹形结构中间向内凹的部分开有两道平行的通槽；所述副支架由支撑架和固定架组成，所述支撑架与固定架之间相互垂直，所述支撑架用于放置实验用多孔板和支撑定位多孔盖，所述固定架上开有两个通孔；所述固定架通过两根螺钉穿过两个通孔后固定在两道平行的通槽的任意位置上，以调节实验用多孔板的高度。
5.根据权利要求2所述的组织工程支架动态力学实验装置，其特征在于:所述往复电机的振动频率在I~150Hz的范围内，保真载荷为5Kg。
6.根据权利要求2所述的组织工程支架动态力学实验装置，其特征在于:所述压力传感器的显示设备固定在电机主体上。
7.根据权利要求1所述的组织工程支架动态力学实验装置，其特征在于:所述顶针的上端设有橡胶片，该橡胶片与上端支架的底部相接触。
8.根据权利要求1所述的组织工程支架动态力学实验装置，其特征在于:所述顶针的针体呈矩形体状、下端呈尖状，或所述顶针的整体呈圆柱体状。
9.组织工程支架动态力学实验装置的实验方法，其特征在于包括以下步骤: 1)将压力传感器安装在往复电机上，再将往复电机和循环动态应力加载组件整体放置在支撑底座上； 2)将组织工程支架材料或片状生物材料放置在细胞培养多孔板内，然后盖上定位多孔盖； 3)将顶针放置在相应的孔内材料上面，然后将上端支架放置在顶针的上端，调节副支架的高度，使顶针的下端与孔内材料完全接触，上端与上端支架完全接触，在上端支架上端放置所需重量的砝码； 4)接通驱动电源，采用调频器调节往复电机的升降频率，使电机主体带动升降台按照设定的频率进行循环升降运动，开启压力传感器进行监测；5)下端支架在升降台上升时向上传递推动力，此时弹簧受压，在升降台下降时，上端支架在弹簧和砝码的作用下向下传递压应力，使顶针将应力传递给孔内材料； 6)实验结束后，关闭驱动电源，依次取下砝码、上端支架、顶针、定位多孔盖、细胞培养多孔板和下端支架，取出压力传感器采集的数据； 7)处理实验数据并进行分析:根据压力传感器采集的数据，结合已知的装置各个部件的质量、升降台的振幅以及往复电机的升降频率，在计算机中通过计算公式转换为真实的感应力数据。
10.根据权利要求9所述的组织工程支架模拟实验方法，其特征在于:步骤2)中，在片状生物材料放置在细胞培 养多孔板内时，每块片状生物材料的底部用垫片垫住。
【文档编号】G01N3/34GK104007029SQ201410227965
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年5月27日 优先权日:2014年5月27日
【发明者】宁成云, 余遵雄 申请人:华南理工大学