一種具有生物培養功能的關節運動模擬測試系統的制作方法
【專利摘要】一種具有生物培養功能的關節運動模擬測試系統，包括關節模擬機以及生物培養循環系統；所述的生物培養循環系統包括依次連通的培養腔、離位滅菌玻璃發酵罐以及儲液罐，培養腔由能夠連通在一起的上腔和下腔組成，且上腔與離位滅菌玻璃發酵罐相連通，下腔與儲液罐的進口相連；上腔與關節模擬機的橫軸相連，下腔與關節模擬機的縱軸相連。本發明關節模擬機可以實現對培養腔的運動控制，離位滅菌玻璃發酵罐可以實現循環系統中培養液的氧氣、二氧化碳、pH值、溫度的控制。本發明不僅能夠進行組織工程軟骨體外培養還能夠高效地進行活性關節軟骨在體外摩擦磨損性能評價試驗。
【專利說明】一種具有生物培養功能的關節運動模擬測試系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種運動模擬測試系統，具體涉及一種具有生物培養功能的關節運動模擬測試系統。
【背景技術】
[0002]組織工程軟骨發展至今，雖然已有很多實驗研究成果和少量的臨床應用，但是無論在培養后所具有的功能還是植入后的長期效果都是差強人意的。如何提高組織工程軟骨的功能以及如何評價其功能達到何種程度才能被允許植入，這是現在所關注的焦點。組織工程軟骨培養的一個重要因素就是力學刺激。大量研究表明，適當的力學刺激能夠提高膠原、多糖蛋白等軟骨基質成分的表達，從而提高了組織工程軟骨的性能。到目前為止，研究中所應用的力學刺激都是壓力、流體剪切力、拉力、液體靜壓力、組織剪切力中的一種或兩種的復合，而且在這樣的力學刺激下，組織工程軟骨的性能提高后相對自然軟骨還是不夠的。自然膝關節的運動是非常復雜的，股骨和脛骨之間既有滾動又有滑動，所受的力也是很復雜的，而之前所述的研究中考慮摩擦環境是很少的。但是現有的關節模擬機僅僅能夠模擬自然關節的運動力學環境，從而對軟骨性能的研究的局限性非常大。

【發明內容】

[0003]本發明的目的在于提供一種具有生物培養功能的關節運動模擬測試系統，該系統能夠提供近似自然關節的運動力學環境和生物學環境，同時不僅能夠進行組織工程軟骨培養還能夠進行活性關節軟骨在體外長期的摩擦磨損測試。
[0004]為了達到上述目的，本發明采用的技術方案是:包括關節模擬機以及生物培養循環系統；所述的生物培養循環系統由培養腔和離位滅菌玻璃發酵罐以及儲液罐組成，培養腔由能夠連通在一起的上腔和下腔組成，下腔與儲液罐的入口連通，儲液罐的出口與離位滅菌玻璃發酵罐的入口相連通，離位滅菌玻璃發酵罐的出口與上腔相連通；上腔與關節模擬機的橫軸相連，下腔與關節模擬機的縱軸相連。
[0005]所述的培養腔外設有培養腔溫度監控單元、培養腔氧氣監控單元以及能夠對摩擦副表面情況和培養液中磨屑進行觀察的影像監控單元。
[0006]所述的上腔和下腔分別通過嵌入配合的方式與彈性透明套相連，且彈性透明套與上腔和下腔分別用卡箍箍緊。
[0007]所述的上腔上開設有進料口，下腔上開設有出料口，且進料口與離位滅菌玻璃發酵罐的出口之間、離位滅菌玻璃發酵罐的入口與出料口之間均通過硅膠管連通。
[0008]所述的進料口與離位滅菌玻璃發酵罐的出口之間設有蠕動泵。
[0009]所述的儲液罐的入口和出口處均設有截止閥。
[0010]所述的儲液罐的出口處還設有過濾器。
[0011]所述的上腔通過上底座固定在夾具上，且夾具與關節模擬機的橫軸相連，上底座與夾具之間通過固定板連接，下腔通過下底座與關節模擬機的縱軸相連。[0012]所述的上腔內頂壁上開設有用于固定股骨夾具的螺紋孔，下腔的內底壁上設有用于嵌入脛骨夾具的脛骨夾具嵌入凹槽，下腔的外底壁上設有用于嵌入下底座的底座嵌入凹槽。
[0013]與現有技術相比，本發明的有益效果在于:
[0014]本發明的關節模擬機與培養腔相連，培養腔能夠在培養組織工程軟骨時提供近似自然關節的運動力學環境，而且，由于離位滅菌玻璃發酵罐上本來就帶有監控單元，該發酵罐的監控單元能夠在培養組織工程軟骨或軟骨摩擦磨損測試時對培養液的PH值、氧氣濃度、二氧化碳濃度以及溫度進行監控，因此，本發明能夠提供自然關節的運動力學環境和生物學環境，維持組織活性，延長測試時間，實現多種條件下的組織工程軟骨培養以及活性關節軟骨在體外長期的摩擦磨損測試。
[0015]進一步，本發明還設置了培養腔溫度監控單元、培養腔氧氣監控單元以及影像監控單元，影像監控單元能夠實現對摩擦副表面情況以及培養液中磨屑的觀察；培養腔溫度監控單元與離位滅菌玻璃發酵罐相結合使用就可以實現對培養腔中液體的恒溫控制，培養腔氧氣監控單元可以實現對培養腔中液體中的氧氣濃度的監控。另外，由于上腔和下腔用彈性透明套連接，這樣一方面能夠通過被拉伸壓縮彈性透明套使培養腔具有一定的運動空間，另一方面能夠在測試時從外面觀察到培養腔內部的情況。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本發明具有生物培養功能的關節運動模擬測試系統的結構示意圖；
[0017]圖2為培養腔的結構示意圖；
[0018]圖3為培養腔的的剖視圖；
[0019]圖4為培養腔在關節模擬機上的裝夾示意圖；
[0020]圖5為上腔、固定板以及夾具的連接關系圖；
[0021 ] 圖6為上底座的不意圖；
[0022]圖7為固定板的示意圖；
[0023]圖8為關節模擬機的橫軸和縱軸的運動圖；其中，a為橫軸，b為縱軸；
[0024]其中，1-關節模擬機，2-夾具，3-上底座，4-固定板，5-培養腔，6_硅膠管，7_蠕動泵，8-離位滅菌玻璃發酵罐，9-截止閥，10-過濾器，11-儲液罐，12-下底座，13-上腔，14-下腔，15-彈性透明套，16-股骨夾具，17-脛骨夾具，18-底座嵌入凹槽，19-脛骨夾具嵌入凹槽，20-螺紋孔,21一屈伸運動,22一內外翻運動，23一內外旋運動，24一前后運動，25一左右運動，26—軸向加載運動。
【具體實施方式】
[0025]下面結合具體實施例對本發明作出進一步詳細描述。
[0026]參見圖1，本發明包括關節模擬機I以及生物培養循環系統；生物培養循環系統包括依次連通的培養腔5、蠕動泵7、離位滅菌玻璃發酵罐8以及儲液罐11，培養腔5與蠕動泵7之間、蠕動泵7與離位滅菌玻璃發酵罐8之間、離位滅菌玻璃發酵罐8與儲液罐11之間、儲液罐11與培養腔5之間均通過硅膠管6連通，儲液罐11的入口和出口處均設有截止閥9。[0027]參見圖2-4，培養腔5由能夠連通在一起的透明的上腔13和透明的下腔14組成，上腔13內頂壁上開設有用于固定股骨夾具16的螺紋孔20，下腔14的內底壁上設有用于嵌入脛骨夾具17的脛骨夾具嵌入凹槽19，下腔14的外底壁上設有用于嵌入上底座12的底座嵌入凹槽18，且上腔13上開設有進料口，下腔14上開設有出料口，進料口與蠕動泵7的出口相連，儲液罐11的入口與出料口相連；上腔13和下腔14分別通過嵌入配合的方式與彈性透明套15相連，彈性透明套15分別通過卡箍與上腔13和下腔14相連；上腔13、彈性透明套15、下腔14均采用醫用級材料如聚碳酸酯、高透液態硅膠制成。彈性透明套15因具有彈性能夠被拉伸壓縮，是為了使培養腔5有一定的運動空間，上腔13和下腔14用彈性透明套15進行密封，構成一個密封的無菌的培養環境，而且上腔和套的透明使得在測試時能夠從外面觀察到里面的情況。
[0028]參見圖4-7，上腔13通過螺釘與上底座3相連，上底座3通過螺釘與夾具2相連的同時又通過螺釘、固定板4與夾具2相連，而夾具2與關節模擬機I的橫軸相連，如此實現上腔13與關節模擬機I的橫軸相連；下腔14通過螺釘、下底座12與關節模擬機I的縱軸相連。
[0029]本發明還設有監控單元，監控單元能夠進行pH值、溫度、濃度、力等的一系列的在線或離線控制，監控單元包括內監控單元和外監控單元。其中，內監控單元包括離位滅菌玻璃發酵罐8自帶的監控單元以及關節模擬機I自帶的監控單元，關節模擬機監控單元可以實現對運動和力的監控，離位滅菌玻璃發酵罐8自帶的監控單元可以實現培養液的pH值、氧氣濃度、二氧化碳濃度、溫度的控制。外監控單元包括影像監控單元、培養腔溫度監控單元以及培養腔氧氣監控單元，影像監控單元可以實現對摩擦副表面情況以及培養液中磨屑的觀察。在儲液罐11的出口處設有過濾器10，使得磨屑盡量保留在儲液罐11中，便于培養液中磨屑濃度的檢測。培養腔溫度監控單元加上發酵罐可以實現對培養腔中液體的恒溫控制，培養腔氧氣監控單元可以實現對培養腔中液體中的氧氣濃度的監控。
[0030]本發明關節模擬機可以實現對培養腔的運動控制，離位滅菌玻璃發酵罐可以實現循環系統中培養液的氧氣、二氧化碳、PH值、溫度的控制。本發明不僅能夠進行組織工程軟骨體外培養還能夠高效地進行活性關節軟骨在體外摩擦磨損性能評價試驗。
[0031]下面結合附圖詳細說明本發明生物反應器的搭建、工作原理和工作過程。
[0032](一 )本發明具有生物培養功能的關節運動模擬測試系統的搭建:
[0033]如圖4所示，首先在超凈臺中將股骨固定在股骨夾具16上，通過螺釘將股骨夾具16固定在上腔13上；同理，將脛骨固定在脛骨夾具17上，然后將脛骨夾具17嵌入到下腔14的凹槽19上；把彈性透明套15兩端分別通過嵌入配合與上腔13和下腔14連接，然后用兩卡箍分別將彈性透明套15兩端與上腔13和下腔14固定在一起。
[0034]接著，如圖1所示，通過硅膠管6將培養腔5、蠕動泵7、離位滅菌玻璃發酵罐8、截止閥9、過濾器10、儲液罐11串聯成生物培養循環系統。
[0035]最后，如圖1所示，通過螺釘、上底座3、固定板4將培養腔5固定在夾具2上端，然后通過螺釘將夾具2與關節模擬機I的橫軸連接，通過螺釘、下底座12將培養腔5的下腔14與關節模擬機I的縱軸連接。最后布置外監控單元。
[0036]( 二)本發明具有生物培養功能的關節運動模擬測試系統的工作原理
[0037] 參見圖8，關節模擬機I為本發明生物反應器的動力單元，它的橫軸和縱軸由關節模擬機I自帶的智能控制系統控制，橫軸可實現屈伸運動21、內外翻運動22(見圖8a)，縱軸可實現內外旋運動23，前后運動24、左右運動25、軸向加載運動26(見圖Sb)，能夠近似模擬自然關節的運在組織工程軟骨培養時它能夠提供近似自然關節的力學刺激，同時在活性關節軟骨體外測試時它能夠提供近似自然關節的運功環境。離位滅菌玻璃發酵罐可以實現循環系統中培養液的氧氣、二氧化碳、PH值、溫度的控制，
[0038](三)本發明在軟骨摩擦磨損測試中的工作過程
[0039]1、調好室內溫度濕度，然后進行關節模擬機I標定
[0040]2、標定完后，停轉關節模擬機I，將培養腔5固定到關節模擬機I上，然后啟動關節模擬機I，進行輸入調試；
[0041]3、調試好后，開始做測試，同時啟動外監控單元和內監控單元監控測試情況。測試方法為:往滅菌玻璃發酵罐8中注入培養液，啟動蠕動泵7并設定好參數，使培養液從滅菌玻璃發酵罐8經過培養腔5、儲液罐11回到中滅菌玻璃發酵罐8中，形成循環。在滅菌玻璃發酵罐8設定好培養環境參數后啟動關節模擬機1，在之后的測試中恒定溫度，監控培養腔中的培養液的氧氣濃度變化以及股骨脛骨的運動力學情況，觀察摩擦副的表面情況以及培養中的磨屑的有無。一段時間后從儲液罐11中取樣，檢測磨屑的濃度。測試結束后對軟骨進行摩擦磨損評估。
【權利要求】
1.一種具有生物培養功能的關節運動模擬測試系統，其特征在于:包括關節模擬機(I)以及生物培養循環系統；所述的生物培養循環系統由培養腔(5)和離位滅菌玻璃發酵罐⑶以及儲液罐(11)組成，培養腔(5)由能夠連通在一起的上腔(13)和下腔(14)組成，下腔(14)與儲液罐(11)的入口連通，儲液罐(11)的出口與離位滅菌玻璃發酵罐(8)的入口相連通，離位滅菌玻璃發酵罐⑶的出口與上腔(13)相連通；上腔(13)與關節模擬機(I)的橫軸相連，下腔(14)與關節模擬機(I)的縱軸相連。
2.根據權利要求1所述的具有生物培養功能的關節運動模擬測試系統，其特征在于:所述的培養腔(5)外設有培養腔溫度監控單元、培養腔氧氣監控單元以及能夠對摩擦副表面情況和培養液中磨屑進行觀察的影像監控單元。
3.根據權利要求1或2所述的具有生物培養功能的關節運動模擬測試系統，其特征在于:所述的上腔(13)和下腔(14)分別通過嵌入配合的方式與彈性透明套(15)相連，且彈性透明套(15)與上腔(13)和下腔(14)分別用卡箍箍緊。
4.根據權利要求1或2所述的具有生物培養功能的關節運動模擬測試系統，其特征在于:所述的上腔(13)上開設有進料口，下腔(14)上開設有出料口，且進料口與離位滅菌玻璃發酵罐(8)的出口之間、離位滅菌玻璃發酵罐(8)的入口與出料口之間均通過硅膠管(6)連通。
5.根據權利要求4所述的具有生物培養功能的關節運動模擬測試系統，其特征在于:所述的進料口與離位滅菌玻璃發酵罐(8)的出口之間設有蠕動泵(7)。
6.根據權利要求1所述的具有生物培養功能的關節運動模擬測試系統，其特征在于:所述的儲液罐(11)的入口和出口處均設有截止閥(9)。
7.根據權利要求1或6所述的具有生物培養功能的關節運動模擬測試系統，其特征在于:所述的儲液罐(11)的出口處還設有過濾器(10)。
8.根據權利要求1或2所述的具有生物培養功能的關節運動模擬測試系統，其特征在于:所述的上腔(13)通過上底座(3)固定在夾具(2)上，且夾具(2)與關節模擬機⑴的橫軸相連，上底座⑶與夾具⑵之間通過固定板⑷連接，下腔(14)通過下底座(12)與關節模擬機(I)的縱軸相連。
9.根據權利要求1所述的具有生物培養功能的關節運動模擬測試系統，其特征在于:所述的上腔(13)內頂壁上開設有用于固定股骨夾具(16)的螺紋孔(20)，下腔(14)的內底壁上設有用于嵌入脛骨夾具(17)的脛骨夾具嵌入凹槽(19)，下腔(14)的外底壁上設有用于嵌入下底座(12)的底座嵌入凹槽(18)。
【文檔編號】C12M3/00GK104031837SQ201410271255
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年6月17日 優先權日:2014年6月17日
【發明者】王玲, 朱祝山, 朱錦宇, 劉亞雄, 李滌塵, 靳忠民 申請人:西安交通大學