[发明专利]多功能骨软骨生物反应器

说明书

本发明公开了一种多功能骨软骨生物反应器，包括无菌生物环境单元、垂直负载施加单元、剪切力施加单元和磨损模拟单元；磨损模拟单元固定于无菌生物环境单元中；垂直负载施加单元位于剪切力施加单元上方，用于在剪切力施加单元提供的剪切力中加入垂直压力，并通过立柱将混合力传递到磨损模拟单元中的骨软骨试样上。本发明克服了现有的骨软骨生物反应器无法同时模拟关节受到的剪切力和压力环境的不足，结合了单一作用的生物反应器的优点，能施加多种力学刺激，促进功能化骨软骨组织的形成，为骨软骨支架的测试提供良好的环境，且垂直负载的压力范围大，剪切负载摆角大，频率范围宽，扩大了适用范围。

技术领域

本发明属于生物机械领域，特别是涉及一种多功能骨软骨生物反应器。

背景技术

目前研究显示，关节软骨在日常活动中主要受到周期性的流体剪切力、持续性的静态压力或者直接压缩力作用。因此，设计良好功能的骨软骨反应器应当做到能够提供对打印的骨软骨支架施加以上几种力学刺激的环境。除此之外，骨软骨生物反应器也必须满足其他的要求，例如，创造比例适合的二氧化碳和氧气的气体环境，对pH值的精确控制等。

目前常用的骨软骨生物反应器有：机械搅拌式生物反应器，基本原理是通过叶轮或浆形搅拌器等部件的持续转动增加物质传输，保证营养和氧气的均匀分布；直接灌流式生物反应器，是将培养液挤压进支架内部，使细胞通过感受流体剪切力分泌大量细胞外基质的一种装置；旋转壁式生物反应器则是一种改良的直接灌流式生物反应器。

这些骨软骨生物反应器虽然能够在一定程度上模拟人体内骨软骨支架受到的力学刺激的环境，但它们都只能模拟关节受到的剪切力环境，并不能模拟静态压力和直接压缩力的作用环境。然而不少研究显示，这两者都对软骨细胞的发育和成熟起到重要作用。

发明内容

为了克服现有的骨软骨生物反应器无法同时模拟关节受到的剪切力和压力环境的不足，本发明提供了一种多功能骨软骨生物反应器。本发明能结合单一作用的生物反应器的优点，能施加多种力学刺激，促进功能化骨软骨组织的形成，为骨软骨支架的测试提供良好的环境。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种多功能骨软骨生物反应器，其特征在于，包括无菌生物环境单元、垂直负载施加单元、剪切力施加单元和磨损模拟单元；磨损模拟单元固定于无菌生物环境单元中；垂直负载施加单元位于剪切力施加单元上方，用于在剪切力施加单元提供的剪切力中加入垂直压力，并通过立柱将混合力传递到磨损模拟单元中的骨软骨试样上；

所述无菌生物环境单元包括无菌生物培养箱、放置在无菌生物培养箱底板上的重物基座、以及通过支撑连杆固定在无菌生物培养箱正上方的上支架；所述重物基座用于固定磨损模拟单元；所述上支架用于固定垂直负载施加单元；

所述磨损模拟单元包括固定在所述重物基座上的带盖圆筒、以及在圆筒内由下到上依次设置的导流盘、试样支架、骨磨盘和用于固定骨磨盘的磨盘架；

所述垂直负载施加单元包括固定在上支架下方的液压缸/气缸、以及用于驱动液压缸/气缸的液压泵/气泵；液压缸/气缸的活塞杆端部设有固定连接的压盘；

所述剪切力施加单元包括驱动电机、与驱动电机输出轴连接的带偏心立柱的圆盘、以及可变径向偏心盘；所述可变径向偏心盘设有带槽的连接部，所述圆盘上的偏心立柱插入槽中；所述可变径向偏心盘的上表面固定所述的推力球轴承，下底面与所述立柱的一端螺栓连接，立柱的另一端穿过无菌生物培养箱顶面开设的通孔与磨损模拟单元中的磨盘架螺栓连接。

本发明的有益效果是：

(1)改善了骨软骨生物培养测试难问题，为进一步做研究提供硬件支持。特别是解决了剪切负载和垂直负载两种负载的混合，使骨软骨生物反应器更加符合实际，也为实验室测试和培养生物骨软骨奠定了更好的基础；