一种高加速度条件下动态压缩加载的生物反应器

摘要

一种高加速度条件下动态压缩加载的生物反应器，包括高加速加载装置和动态压缩加载装置，其中高加速加载装置包括U型直线电机实验平台机座、U型直线电机电磁导轨、U型直线电机滑动导轨、载物台和生物反应器防尘罩；动态压缩加载装置由水平驱动机构、压头加载机构、位移检测机构和位置调节机构组成，压缩加载机构固定在高加速装置的载物台上。本发明的优点是：该生物反应器机通过设置转子转速和升降速加速度，实现在水平方向恒定高加速度直线加载；根据位移传感器的反馈，实现加载过程的精确控制和定量加载；具有自动化程度高、精度高、控制性能优异、操作简便的特点，为组织工程培养提供了新的实践条件、方法和装置。

说明书

技术领域

本发明专利涉及生物医学组织工程技术领域，特别是一种高加速度条件下动态压缩加载的生物反应器，用于组织工程培养物的体外培育。

背景技术

随着科技和现代航空航天事业的发展，战斗机的机动性能得到很大的改善，在飞行中高性能战斗机可以产生高达+9Gz以上的加速度，这种极端的力学环境对飞行员的身体有很大伤害，已经成为威胁飞行员健康的主要因素之一。在现实生活中，类似于过山车等娱乐场所越来越受到人们的喜爱。调查研究显示，经过层层选拔身体健康的飞行员，在从事飞行工作一段时间后，他们心律失常的发生率比平常人群要高。研究还表明，空间特殊环境对人体也有一定影响，会导致人体骨质丢失、肌肉萎缩与内分泌功能紊乱等。而在航天飞机在升空和返回过程中，尤其在应急返回阶段，航天员会受到高正加速度作用，通过对猴进行高正加速度实验研究，发现高正加速度会对猴的肺脏、肾脏等组织产生明显的病理损伤，所以高加速度的力学生物学影响越来越受到重视。

在细胞水平，学者发现进行不同正加速度(+Gz)暴露和加载不同时间，对大鼠脑神经元有不同程度的影响，低G值时在短时间(3min)即可引起大鼠大脑皮质神经元线粒体结构损伤；研究还发现进行3次加载12G(+Gz)，暴露3min后大鼠星形胶质细胞活化，GFAP(胶质纤维酸性蛋白)表达上调，所以高加速度对细胞也有一定的影响。

大量研究实验表明，由于软骨组织再生能力极为有限，软骨损伤自我修复几乎是不可能的。而自体移植或异体移植都存在较大的局限和弊端，例如材料的选取或者排异反应等。在这种背景之下，软骨组织工程成为一种较为理想的方法。软骨组织工程的基本方法是在体外造就一个与体内相似的环境，将自体或异体细胞经体外培养、扩增后，接种到一种组织相容性好的支架材料上进行体外培养，然后植入身体缺损部位，与宿主软骨融合，达到修复软骨缺损的目的。使用生物反应器的目的是为体外软骨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相似的结构与功能。

研制一种高加速度条件下动态压缩加载的新型生物反应器，培养物在水平直线高加速加载的同时受到单向动态压缩，能对支架内软骨细胞实现特定的力学刺激，可保证培表养物内部信号分子、营养和废物的有效运输，促进培养物的功能化发展，达到软骨构建的结构与功能的统一。该生物反应器占用空间小，可在培养箱内工作，加载过程精确可控，密封性好，可实现定时、定量、定速加载，可多次准确重复，允许长时间连续运行，观察检测方便，适用性强，是研究组织工程培养物在动态压缩同时实现高加速度加载等极端力学环境的力学生物学反应的理想装置，可广泛运用于组织工程的相关研究、实验工作。

发明内容

本发明的目的是基于上述技术分析，旨在提供一种高加速度条件下动态压缩加载的生物反应器，该生物反应器占用空间小，可在培养箱内工作，加载过程精确可控，密封性好，可实现定时、定量、定速加载，可多次准确重复，允许长时间连续运行，观察检测方便，适用性强，是研究组织工程培养物在动态压缩同时实现高加速度加载等极端力学环境的力学生物学反应的理想装置，可广泛运用于组织工程的相关研究、实验工作。

本发明的技术方案：

一种高加速度条件下动态压缩加载的生物反应器，包括高加速加载装置和动态压缩加载装置，其中高加速加载装置包括U型直线电机实验平台机座、U型直线电机电磁导轨、U型直线电机滑动导轨、载物台和生物反应器防尘罩；动态压缩加载装置由水平驱动机构、压头加载机构、位移检测机构和位置调节机构组成，压缩加载机构固定在高加速装置的载物台上，整个生物反应器由生物反应器防尘罩盖住；

载物台安装在位于U型直线电机实验平台机座上的U型直线电机电磁导轨和U型直线电机滑动导轨上，其中U型直线电机电磁导轨为培养物载物台提供高加速度，U型直线电机滑动导轨保证培养物载物台实现直线运动，培养物载物台包括培养箱和载物台，培养箱包括培养箱箱体、培养箱箱盖，顶面为具有观察功能的密封透明结构，培养箱顶部设有培养液入口，侧面设有代谢物出口；载物台是一个多孔长方体形状，孔的设置方便上面物体与载物台的固定，载物台与机座通过U型直线电机电磁导轨和U型直线电机滑动导轨相连接；培养箱箱体与载物台通过培养箱挡板、培养箱固定板、固定板螺钉连接固定；生物反应器防尘罩是一个近似长方体空壳状的塑料外壳，防尘罩与机座接触端有磁铁，通过与钢制的U型直线电机实验平台机座产生的磁力固定，对整个生物反应器起到防尘防污染的作用；

水平驱动机构由步进电机和联轴器组成，步进电机通过电机侧挡板固定在载物台上并通过挡板安装螺钉固定，通过电机转轴与联轴器相连，联轴器通过联轴器上螺钉固定；

位置调节机构包括弹簧、位置调节螺母、丝杠螺旋结构、培养箱密封结及限位挡块，弹簧套在连杆上，位置调节螺母与连杆为轴毂联结，限位挡块与培养箱密封结为螺纹联结，用来实现不同实验要求的培养物初始位置的手动调节；

压头加载机构由培养箱固定板、连杆、压头组成，其中压头位于培养箱内，培养箱固定板通过螺钉与载物台固定，连杆与压头通过螺纹联结；

位移检测机构核心装置是位于培养箱内的自回复式防水直线位移传感器，该位移传感器胶装在培养室的内壁上，计算机通过位移传感器的实时反馈可实现培养物压缩量的精确调节，确保加载过程准确、可控。

本发明的工作过程：

加载过程中，先启动高加速度加载装置，此时培养物载物台以及其上的动态压缩装置会在U型直线电机电磁导轨的驱动下沿着U型直线电机滑动导轨进行高加速直线运动，同时动态压缩装置上，水平驱动步进电机带动联轴器，联轴器与连杆相接，在连杆的驱动下，通过丝杠螺母的传动，带动压头水平滑动，实现对加载物的加载。卸载时，电机反转，驱动压头返回初始位置。

本发明的工作原理：

该生物反应器是一种用于组织工程培养的加载装置，可为组织工程培养物提供定时、定量、定速的高加速度压缩加载。高加速度实现装置通过控制U型直线电机的运行时间、转速、步距、频率等，可以调节高加速度加载的时间、速度，且控制性能好、无累计误差，启停准确。动态压缩装置由另一套驱动机构驱动，可以保证两个加载互不干扰，又能达到多项加载的效果。加载量的控制由步进电机驱动丝杠机构实现，通过位移传感器示数的变化来确定步进电机的运动。使用前，根据指定的压缩量，通过丝杠结构与步进电机的配合，确定压头机构在加载时的工作位置并固定；加载时，水平驱动步进电机带动压头运动，实现加载。

本发明的优点是：该生物反应器机以U型直线电机为基础，通过设置转子转速和升降速加速度参数，实现在水平方向恒定高加速度直线加载；根据位移传感器的反馈，控制步进电机和调整加载压头的位置，实现加载过程的精确控制和定量加载；通过位置控制机构与丝杠和水平步进电机的配合运动，实现定时、定速加载；电机运行、停止、调速都可PC端或显示端控制，具有自动化程度高、精度高、控制性能优异、操作简便的特点。该生物反应器为组织工程培养提供了新的实践条件、方法和装置。

附图说明

图1为该生物反应器整体结构示意图。

图2该生物反应器的局部放大轴侧结构示意图。

图3为该生物反应器局部放大结构示意图。

图中：1.U型直线电机实验平台机座；2.电机侧挡板；3.步进电机；4.挡板安装螺钉5.联轴器上螺钉；6.联轴器；7.连杆；8.弹簧；9位置调节螺母.；10.丝杠螺旋结构；11.培养箱密封结；12.培养箱固定板；13.培养箱箱体；14.培养箱箱盖；15.培养液入口；16.培养箱挡板；17.培养箱固定板；18.固定板螺钉；19.U型直线电机电磁导轨；20.U型直线电机滑动导轨；21.生物反应器防尘罩；22.代谢物出口；23.载物台；24.压头；25.自回复式防水直线位置传感器；26.限位挡块。

具体实施方式

实施例：

一种高加速度条件下动态压缩加载的生物反应器，包括高加速加载装置和动态压缩加载装置，其中高加速加载装置包括U型直线电机实验平台机座1、U型直线电机电磁导轨19、U型直线电机滑动导轨20、载物台23和生物反应器防尘罩21；动态压缩加载装置由水平驱动机构、压头加载机构、位移检测机构和位置调节机构组成，压缩加载机构固定在高加速装置的载物台上，整个生物反应器由生物反应器防尘罩21盖住；

载物台23安装在位于U型直线电机实验平台机座1上的U型直线电机电磁导轨19和U型直线电机滑动导轨20上，其中U型直线电机电磁导轨19为培养物载物台提供高加速度，U型直线电机滑动导轨20保证培养物载物台实现直线运动，培养物载物台包括培养箱和载物台23，培养箱包括培养箱箱体13、培养箱箱盖14，顶面为具有观察功能的密封透明结构，培养箱顶部设有培养液入口15，侧面设有代谢物出口22；载物台23是一个多孔长方体形状，孔的设置方便上面物体与载物台的固定，载物台23与机座1通过U型直线电机电磁导轨19和U型直线电机滑动导轨20相连接；培养箱箱体13与载物台23通过培养箱挡板16、培养箱固定板17、固定板螺钉18连接固定；生物反应器防尘罩21是一个近似长方体空壳状的塑料外壳，防尘罩与机座接触端有磁铁，通过与钢制的U型直线电机实验平台机座1产生的磁力固定，对整个生物反应器起到防尘防污染的作用；

水平驱动机构由步进电机3、联轴器6组成，步进电机3通过电机侧挡板2固定在载物台23上并通过挡板安装螺钉4固定，通过电机转轴与联轴器6相连，联轴器6通过联轴器上螺钉5固定；

位置调节机构包括弹簧8、位置调节螺母9、丝杠螺旋结构10、培养箱密封结11及限位挡块26，弹簧8套在连杆7上，位置调节螺母9与连杆7为轴毂联结，限位挡块26与培养箱密封结11为螺纹联结，用来实现不同实验要求的培养物初始位置的手动调节；

压头加载机构由培养箱固定板12、连杆7、压头24组成，其中压头24位于培养箱内，培养箱固定板12通过螺钉与载物台23固定，连杆7与压头24通过螺纹联结；

位移检测机构核心装置是位于培养箱内的自回复式防水直线位移传感器25，该位移传感器25胶装在培养室的内壁上，计算机通过位移传感器25的实时反馈可实现培养物压缩量的精确调节，确保加载过程准确、可控。

该生物反应器是一种高加速度条件下动态压缩加载的新型生物反应器，U型直线电机实验平台通过U型直线电机控制高加速度以及加载时间、频率，其他各机构均固定在机座底板载物台23上。使用前，先根据不同的实验条件及实验要求，通过位置调节螺母9、丝杠螺旋结构10进行压缩压头位置粗调，使压头能够与培养物平台接触，并留有上下移动的空间，同时约束住限位挡块，使其在加载过程中不能向下移动。位移检测机构的核心部件是自回复式防水直线位移传感器25。压头与培养物平台接触后，记录位移传感器读数；然后控制步进电机3转动，观察位移传感器示数变化，实现压缩量的准确调节。