一种仿生理环境力学刺激式生物反应器系统

摘要

一种仿生理环境力学刺激式生物反应器系统，包括CO

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种生物医学工程领域的组织工程生物反应器系统,具体涉及一种仿生 理环境力学刺激式生物反应器系统。

背景技术

骨组织是一种动力学器官，其结构和功能在很大程度上依赖于所处的力学环境，依据力 学环境而产生适应性变化。在生理状态下，骨组织为适应机体活动所需的物理支持而在不断 的改建和塑形，以满足不同个体对动作或姿势的特殊需求。过分的、不适当的外力刺激容易 导致人体骨骼的损伤。临床上长期卧床或制动可导致相应的部位出现骨质疏松。适宜的力学 刺激可以促进人体骨骼的生长、重建，如：合理、科学的训练可以改善人体骨质密度，提高 人体承受外部载荷的能力，降低骨折的发生概率；适当的力学刺激还可以促进骨的再生，加 快骨折愈合。骨组织缺损的修复过程本质上是细胞的生物学过程和应力作用下生长过程。因 此，研究力学刺激对人体骨组织健康和损伤修复的影响，对于促进生物学、医学、力学和工 程学科的交叉和融合，为探索研究骨相关性疾病发生发展的规律和防治以及人们生活质量的 提高，提供力学生物学与工程学的新思维和新方法，具有重要的科学意义和实用价值。

经对现有技术文献的检索发现，中国发明专利申请号：20101249985.3，授权公开号： CN101899393A，名称：《动态载荷与循环灌流生物反应器》，该发明公开的是一种动态载荷 与循环灌流生物反应器，其采用具有位移反馈的压电陶瓷动态压应变加载系统，结合三维循 环灌流培养系统，可用于细胞和组织工程化组织的体外培养。由于该发明采用的是位移传感 器控制加载系统，因此，加载装置是否与工程化组织形成接触，接触后工程化组织实际所受 力的大小都无从知晓，且压电陶瓷的产生的伸长位移范围仅为0～105微米，这个位移范围过 小，与实际需要相差甚远。

又如：中国发明专利申请号：201110139146.0，授权公开号：CN102796664A，名称：《一 种人体韧带组织工程生物反应器》，该发明公开的是一种能够进行拉伸/压缩和双向扭转多维 应力加载，可自动检测支架松弛情况并能进行支架松弛在线补偿的人体韧带组织工程生物反 应器。人体韧带组织是一种软组织，在体内主要承受拉伸和扭转力的作用，该发明主要是针 对人体韧带组织在体内所受力的情况设计的，而人体骨组织在体内主要受到压应力和流体剪 应力的作用，且所受压应力呈现循环特性变化，通常类似正弦波的变化规律。所述发明不适 合工程化骨组织的体外培养。

发明内容

本发明旨在克服现有生物反应器的不足，提供一种仿生理环境力学刺激式生物反应器系 统，其能够构建一种类似人体的生理环境，工程化组织在该仿生力学生物反应器系统中不仅 能够按照预设载荷变化规律受到拉伸或压缩力的作用，而且还会受到流体剪应力的刺激作用， 该生物反应器系统具有多功能特性，只需更换夹具装置，即可通过相应的预设程序实现拉伸 和压缩模式的转换。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种仿生理环境力学刺激式生物反应器系统，包括CO₂培养箱、主体部件、循环流动部 件和控制部件，其特征在于：

所述CO₂培养箱的工作环境是：100％湿度、CO₂浓度为5％和37℃温度；

所述主体部件放置在所述CO₂培养箱中，包括用以放置工程化组织的培养室和用以对该 工程化组织施力的加载构件，该加载构件伸入所述培养室内，培养室中充满培养液；

所述控制部件放置在所述CO₂培养箱的外面，与主体部件通过电源线和数据线连接，该 控制部件控制所述加载构件按照预设变化规律对所述工程化组织施加相应的拉伸力载荷或压 缩力载荷；

所述循环流动部件与所述培养室连接，包括通过泵管连接的蠕动泵和储液箱，在该蠕动 泵的驱动下，所述培养液从该储液箱中流到培养室，再由该培养室流回储液箱，形成循环流 动，所述培养室内的工程化组织受到该培养液流动产生的流体剪应力的刺激作用。

进一步地，所述的主体部件还包括电动缸、密封罩、电机架、防尘套、连接杆、力传感 器、衔接盘、固定套、底座、固定销和两固定杆；

所述电机架与位于底部的底座通过四根直立的支撑杆连接固定；

所述固定套通过所述固定销固定在底座上，并且将所述培养室固定在该固定套与底座之 间，该培养室上部固定有培养室盖板，所述两固定杆的上端连接于该培养室盖板上；

所述电动缸设置在所述电机架之上，所述密封罩密封地盖在该电机架上，将所述电动缸 与所述CO₂培养箱的工作环境进行隔离，位于所述电机架下方的力传感器通过所述连接杆连 接于该电动缸的下部，该力传感器的下部固定连接所述衔接盘，该衔接盘由此受所述电动缸 驱动实现上下运动，能够伸缩的所述防尘套的上端连接所述电机架，下端连接所述衔接盘， 将所述力传感器密封在其中并与所述CO₂培养箱的工作环境进行隔离；

所述加载构件包括上部件和下部件，该上部件连接于所述衔接盘的下端并穿过所述培养 室盖板伸入所述培养室内，该下部件固定连接于所述两固定杆的下端。

进一步地，所述的加载构件为压模式，其上部件包括压杆，该压杆伸入所述培养室内的 下端呈圆盘状，该压杆的上端固定连接所述衔接盘，所述加载构件的下部件包括放置所述工 程化组织的压模式平台，该压模式平台固定连接于所述两固定杆的下端；所述控制部件控制 所述压杆按照预设变化规律对该工程化组织施加相应的压缩力载荷；

或者，所述的加载构件为拉模式，其上部件包括拉杆、螺纹夹头和通孔夹头，该拉杆的 上端通过一联轴器与所述衔接盘形成刚性连接，该螺纹夹头和通孔夹头安装于该拉杆伸入所 述培养室内的下端并且配合一起夹持所述工程化组织的一端，所述加载构件的下部件包括拉 模式平台和固定于该拉模式平台上的下端夹头，该下端夹头夹持所述工程化组织的另一端， 该拉模式平台固定连接于所述两固定杆的下端；所述控制部件控制所述拉杆按照预设变化规 律对该工程化组织施加相应的拉伸力载荷。

进一步地，所述的控制部件包括计算机以及分别与该计算机连接的数据采集器和驱动器， 该驱动器连接所述电动缸，该数据采集器连接所述力传感器。

进一步地，所述的预设变化规律包括：正弦波、余弦波、方波或锯齿波的周期性变化规 律，其变化频率范围为0～10Hz，所述载荷变化范围为0～3000N。

进一步地，所述的流体剪应力的大小通过所述蠕动泵调节所述培养液的流速进行控制， 控制范围为：0～300ml/min。

与现有技术相比，本发明所述的仿生理环境力学刺激式生物反应器系统有以下几个特点：

1)所述生物反应器系统具有多功能特性。只需更换不同的拉模式或压模式加载构件，即 可通过相应的预设程序实现对工程化组织施加拉伸或压缩载荷的转换。

2)本发明的循环流动部件通过培养液在储液箱与培养室之间的循环流动，对培养室内的 工程化组织产生流体剪应力的刺激作用，因此工程化组织在所述生物反应器系统中不仅能够 按照预设载荷变化规律受到拉伸或压缩力的作用，而且还会受到流体剪应力的刺激作用，使 生物反应器系统所创造的试验环境更接近人体骨组织的生理环境。

3)本发明的力传感器能够精确地监测工程化组织所承受的实时负载。

4)所述生物反应器系统中的电动缸和力传感器分别通过密封罩和防尘套与培养箱的工作 环境形成相对隔离，避免了水蒸气进入电动缸和力传感器而影响其功能。

附图说明

图1是本发明的结构原理图。

图2是主体部件的结构简图。

图3是压模式加载构件的纵剖面构造图。

图4是拉模式加载构件的纵剖面构造图。

图中，

1电动缸，2密封罩，3电机架，4防尘套，5连接杆，6力传感器，7衔接盘，8支撑杆， 9压杆，10固定套，11培养室盖板，12培养室，13底座，14固定杆，15压模式平台， 16固定销，17联轴器，18拉杆，19螺纹夹头，20通孔夹头，21下端夹头，22拉模式平台， 30CO₂培养箱，31蠕动泵，32储液箱，41计算机，42驱动器，43数据采集器。

具体实施方式

本发明提供了一种仿生理环境力学刺激式生物反应器系统，工程化组织在该生物反应器 系统中不仅能够按照预设载荷变化规律受到拉伸或压缩力的作用，而且还会受到流体剪应力 的刺激作用。

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，以下实施例在以本发明技术方案为前提， 给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1——压模式实施案例

请结合参阅图1和图2，本实施例所述的仿生理环境力学刺激式生物反应器系统包括CO₂培养箱30、主体部件、循环流动部件和控制部件。

所述CO₂培养箱30的工作环境通常是：100％湿度、CO₂浓度为5％和37℃温度。

所述主体部件放置在所述CO₂培养箱30中，该主体部件包括电动缸1、密封罩2、电机 架3、防尘套4、连接杆5、力传感器6、衔接盘7、固定套10、底座13、固定销16、两固定 杆14、培养室12和加载构件。

所述电机架3与位于底部的底座13通过四根直立的支撑杆8连接固定，形成主体部件的 基础支撑。

所述电动缸1设置在所述电机架3之上，所述密封罩2密封地盖在该电机架3上，对电 动缸1形成相对密封，将所述电动缸1与所述CO₂培养箱30的工作环境进行隔离。所述力传 感器6位于所述电机架3的下方，通过所述连接杆5连接于该电动缸1的下部，该力传感器 6的下部固定连接所述衔接盘7，该衔接盘7由此通过力传感器6和连接杆5受所述电动缸1 驱动实现上下运动。所述防尘套4由能够伸缩的材料制成，如胶膜，或者为能够伸缩的结构， 如波纹管，该防尘套4的上端连接所述电机架3，下端连接所述衔接盘7，将所述力传感器6 密封在其中并与所述CO₂培养箱30的工作环境进行隔离。

主体部件中的电动缸1和力传感器6分别通过密封罩2和防尘套4与CO₂培养箱30的工 作环境形成相对隔离，主要是为了避免水蒸气进入电动缸1或力传感器6，影响其功能。

所述固定套10通过所述固定销16销固于底座13上，并且将所述培养室12固定在该固 定套10与底座13之间。所述培养室12中充满着培养液，用于放置工程化组织；该培养室 12的上部固定有培养室盖板11，所述两固定杆14的上端连接于该培养室盖板11上。

所述加载构件伸入所述培养室12内，用于对工程化组织施加力载荷。该加载构件包括上 部件和下部件两个部分，该上部件连接于所述衔接盘7的下端并穿过所述培养室盖板11伸入 所述培养室12内，该下部件固定连接于所述两固定杆14的下端。所述加载构件分为两种： 压模式和拉模式，通过更换不同模式的加载构件，就能够实现对工程化组织施加拉伸或压缩 载荷的转换。

本实施例中，所述加载构件为压模式，请参阅图3，其上部件包括压杆9，该压杆9的下 端呈圆盘状，穿过所述培养室盖板11伸入培养室12内，该压杆9的上端固定连接所述衔接 盘7；所述加载构件的下部件包括压模式平台15，该压模式平台15固定连接于所述两固定杆 14的下端，所述工程化组织放置于该压模式平台15上。所述控制部件通过电动缸1控制所 述压杆9按照预设变化规律对该工程化组织施加相应的压缩力载荷。

所述控制部件放置在所述CO₂培养箱30的外面，与主体部件通过电源线和数据线连接； 该控制部件包括计算机41、数据采集器43和驱动器42，该数据采集器43和驱动器42分别 与该计算机41连接，该驱动器42连接所述电动缸1，该数据采集器43连接所述力传感器6， 该力传感器6能够精确地监测工程化组织所承受的实时负载。

所述的控制部件控制所述加载构件按照预设变化规律对所述工程化组织施加相应的拉伸 力载荷或压缩力载荷；该预设变化规律包括：正弦波、余弦波、方波或锯齿波的周期性变化 规律，其变化频率范围为0～10Hz，所述载荷变化范围为0～3000N。

所述循环流动部件包括蠕动泵31和储液箱32，该蠕动泵31和储液箱32通过泵管与所 述培养室12连接，请参阅图1。在该蠕动泵31的驱动下，所述培养液从该储液箱32中流到 培养室12，再由该培养室12流回储液箱32，形成循环流动，所述培养室12内的工程化组织 受到该培养液流动产生的流体剪应力的刺激作用；所述的流体剪应力的大小通过所述蠕动泵 31调节所述培养液的流速进行控制，控制范围为：0～300ml/min。

实施例2——拉模式实施案例

本实施例的系统结构基本与实施例1相同，所不同的在于加载构件部分。请参阅图4， 本实施例的加载构件为拉模式；其上部件包括拉杆18、螺纹夹头19和通孔夹头20，该拉杆 18的上端通过一联轴器17与所述衔接盘7形成刚性连接，该螺纹夹头19和通孔夹头20安 装于该拉杆18伸入所述培养室12内的下端，用螺丝穿过通孔夹头20与螺纹夹头19连接， 旋转螺丝即能使通孔夹头20与螺纹夹头19配合一起夹紧所述工程化组织的一端；所述加载 构件的下部件包括拉模式平台22和固定于该拉模式平台22上的下端夹头21，该下端夹头21 夹持所述工程化组织的另一端，该拉模式平台22固定连接于所述两固定杆14的下端。所述 控制部件通过电动缸1控制所述拉杆18按照预设变化规律对该工程化组织施加相应的压缩力 载荷。

本发明可根据人行走过程中人体组织细胞所受力的变化规律，包括压应力、拉应力以及 人体组织液流动形成的流体剪应力，通过计算机预设程序，对工程化组织施加仿生理环境的 力学刺激，包括：按照正弦波、余弦波、方波获锯齿波等规律变化的拉力或压力载荷，以及 蠕动泵驱动培养液形成的流体剪应力。