非对称出入口平行平板流动腔

摘要

本发明涉及一种体外模拟血液流动的实验装置非对称出入口平行平板流动腔。非对称出入口平行平板流动腔与蠕动泵、储液池通过管道连接构成整体实验系统模拟血液流动。由于给定了非对称出入口平行平板流动腔矩形基座中央矩形沟槽三维尺寸的约束条件：360＞长高比＞300和200＞宽高比＞100，并采用非对称的T型入流口和水平出流口结构，在入流口与出流口处各设有一个高度大于出入流口直径的缓冲池，使得流动腔底面获得大范围层流剪应力分布均匀有效区域，精度显著提高。此外，本发明结构简单，装配和维护十分简单，加工、操作、控制及使用简便，可有效地减少人为因素对相关实验的干扰，提高实验结果准确性，可用于研究血流剪应力对血管结构、功能的调控机制。

说明书

一、技术领域

本发明属于血管生物学、生物力学领域，涉及一种体外模拟血液流动的实验装置非对称出入口平行平板流动腔。本发明可体外模拟血管内血液流动，流动腔底面可获得大范围层流剪应力分布均匀区域，可用于研究血流剪应力对血管结构、功能的调控机制。本发明较现有同类实验装置在加工、操作、控制及使用上简便，在精度上更有显著进步。

二、背景技术

在生物力学环境下，组织生长发育(growth development)和重建(remodeling)是活体组织对生理或病理条件下环境变化做出的适应性改变。人体血管遍及全身各组织和细胞间，有血流的地方就会产生剪应力(shearstress)，剪应力沿血流方向作用于血管壁。血管内皮对剪应力有很高敏感性。研究表明，生理范围剪应力参与调节血管直径的急性改变与血管壁的慢性重建这两个依赖内皮的过程。而在高血脂、高血压、糖尿病及炎症性疾病等疾病中，都会发生内皮功能损伤。剪应力跨时空尺度作用于某一区域，使该区域内皮细胞基因表达出现异质性，是引起血管病变的重要原因。对剪应力调节血管内皮生理和病理变化机制的研究，涉及流体动力学、生物力学以及细胞和分子生物学等多学科领域，用于相关研究的主要装置为平行平板流动腔(parallel-plateflow chamber)。

目前，许多学者根据需要自行设计或改进平行平板流动腔，缺少统一标准，各种不同类型平行平板流动腔，其底面剪应力分布情况各不相同，与理论剪应力值有较大相对误差，用于生命科学研究的各种仪器均要求具有操作方便，人为干扰因素少，精度高等特点，如果不能保证精度和减少人为因素干扰，这将严重影响实验结果的准确性和后期相关产品开发。

三、发明内容

本发明目的是通过重新设计一种体外模拟血液流动实验装置非对称出入口平行平板流动腔，使流动腔底面获得大范围层流剪应力分布均匀区域，从而有效解决现有装置精度不高，底面剪应力分布不均匀的弊端，为研究血流剪应力对血管结构、功能的调控机制提供更切实可行的解决方案。

具体地说，非对称出入口平行平板流动腔具有矩形基座，矩形基座中央开有矩形沟槽，该矩形沟槽的三维尺寸满足约束条件：360＞L/H(长高比)＞300和200＞W/H(宽高比)＞100，矩形沟槽两边各有一个缓冲池，出流缓冲池接水平出流口，盖板带有T型入流口和矩形密封槽，矩形密封槽内放置矩形密封圈，盖板与矩形基座相合后通过四周螺丝孔固定构成整体，中央矩形沟槽封闭构成主流场区域；非对称出入口平行平板流动腔，蠕动泵和储液池通过橡胶管道连接构成整体实验系统模拟血液流动，其中，下储液池经蠕动泵连接上储液池，上储液池出流口接非对称出入口平行平板流动腔T型入流口，非对称出入口平行平板流动腔水平出流口接下储液池；上储液池中设溢流管与下储液池连接，多余液体经溢流管口直接流入下储液池，保持上储液池液面恒定；下储液池设带滤膜的通气孔，保持系统压力恒定；上储液池置于金属架上平台，非对称出入口平行平板流动腔位于金属架中平台，下储液池位于金属架下平台。

非对称出入口平行平板流动腔的矩形基座中央矩形槽沟三维尺寸在满足约束条件360＞L/H(长高比)＞300和200＞W/H(宽高比)＞100时，可保证不考虑出入口结构的平行平板流动腔底面剪应力分布均匀(与底面中部剪应力值的相对误差＜2％)有效区域大于85％。

非对称出入口平行平板流动腔具有T型入流口与水平出流口，T型入流口与水平出流口处各设有一个高度大于入(出)流口直径的入流、出流缓冲池，用来发展入口流，使主流场区域产生充分发展的泊肃叶流，保证流场状态为片状层流，用于模拟血管内血液流动；结合中央矩形槽沟三维尺寸的约束条件，保证底面剪应力分布均匀(与底面中部剪应力值的相对误差＜5％)有效区域大于85％。

下储液池设有带滤膜的通气孔，与空气相通，可通过阀门随时关闭，方便实验开始后排出气体，保持系统压力恒定，有效地提高系统稳定性，防止污染。

非对称出入口平行平板流动腔和储液池可用玻璃和塑料制作。

本发明具有如下显著进步和优点：

(1)给定了非对称出入口平行平板流动腔的三维尺寸约束条件：360＞L/H(长高比)＞300和200＞W/H(宽高比)＞100，并采用非对称的T型入流口和水平出流口结构，在入流口与出流口处各设有一个高度大于出入流口直径的缓冲池，可保证底面剪应力分布均匀(与底面中部剪应力值的相对误差＜5％)有效区域大于85％。有效解决了平行平板流动腔精度不高、底面剪应力分布情况不佳的弊端，可用于研究血流剪应力对血管结构、功能的调控机制。

(2)下储液池接带滤膜的通气孔，与空气相通，可通过阀门随时关闭，方便实验开始后排出气体，保持系统压力恒定，有效地提高系统稳定性，防止污染。

(3)本发明专利结构简单，装配和维护十分简单，具有加工、操作、控制及使用简便的优点，可有效地减少人为因素对相关实验的干扰，提高实验结果的准确性。

四、附图说明

图1为本发明非对称出入口平行平板流动腔各部件结构示意图。

1矩形基座，2矩形沟槽，3入流缓冲池，4出流缓冲池，5水平出流口，6盖板，7T型入流口，8矩形密封槽，9矩形密封圈，10螺丝孔。

图2为本发明非对称出入口平行平板流动腔盖板纵剖面构造图。

图3为本发明非对称出入口平行平板流动腔矩形基座纵剖面构造图。

图4为本发明体外模拟血液流动的实验系统示意图。

11非对称出入口平行平板流动腔，12下储液池，13蠕动泵，14上储液池，15溢流管，16通气孔，17阀门，18金属架。

五、具体实施方式

下面通过实例对本发明进行具体描述，但不能理解为对本发明保护范围的限制。

体外模拟血管内血液流动的实验系统如图1～4所示，含有非对称出入口平行平板流动腔，蠕动泵和储液池。图1～3为非对称出入口平行平板流动腔结构示意图。非对称出入口平行平板流动腔具有矩形基座1，矩形基座中央开有矩形沟槽2，该矩形沟槽的三维尺寸满足约束条件：360＞L/H(长高比)＞300和200＞W/H(宽高比)＞100，矩形沟槽两边各有一个缓冲池3，4，出流缓冲池4接水平出流口5，盖板6带有T型入流口7和矩形密封槽8，矩形密封槽内放置矩形密封圈9，盖板与矩形基座相合后通过四周螺丝孔10固定构成整体，中央矩形沟槽封闭构成主流场区域；非对称出入口平行平板流动腔11，蠕动泵13和储液池12，14通过橡胶管道连接构成整体实验系统模拟血液流动，其中，下储液池12经蠕动泵13连接上储液池14，上储液池出流口接非对称出入口平行平板流动腔11T型入流口7，非对称出入口平行平板流动腔水平出流口5接下储液池12；上储液池中设溢流管15与下储液池连接，多余液体经溢流管口直接流入下储液池，保持上储液池液面恒定；下储液池设带滤膜的通气孔16，保持系统压力恒定；上储液池置于金属架18上平台，非对称出入口平行平板流动腔位于金属架中平台，下储液池位于金属架下平台。

非对称出入口平行平板流动腔的矩形基座中央矩形槽沟2的三维尺寸满足约束条件360＞L/H(长高比)＞300和200＞W/H(宽高比)＞100，如高度为0.3mm，长度和宽度分别为90～108cm与30～60cm的范围内的值，这时，可保证不考虑出入口结构的平行平板流动腔底面剪应力分布均匀(与底面中部剪应力值的相对误差＜2％)有效区域大于85％。

非对称出入口平行平板流动腔具有T型入流口7与水平出流口5，T型入流口与水平出流口处各设有一个高度大于入(出)流口直径的入流、出流缓冲池3，4，用来发展入口流，使主流场区域产生充分发展的泊肃叶流，保证流场状态为片状层流，用于模拟血管内血液流动；结合中央矩形槽沟三维尺寸的约束条件，保证底面剪应力分布均匀(与底面中部剪应力值的相对误差＜5％)有效区域大于85％。

下储液池12设有带滤膜的通气孔16，与空气相通，可通过阀门17随时关闭，方便实验开始后排出气体，保持系统压力恒定，有效地提高系统稳定性，防止污染。

非对称出入口平行平板流动腔和储液池可用玻璃和塑料制作。