[实用新型]动态载荷与循环灌流生物反应器

说明书

技术领域

本实用新型属于骨组织工程与细胞生物力学领域，具体涉及一种用于组织工程骨的动态培养和研究三维培养条件下动态压应变对间充质干细胞、成骨细胞、破骨细胞、软骨细胞等细胞生长及分化影响的生物反应器。 

背景技术

近年来有关生物组织应力-生长关系的研究表明，从器官、组织到细胞、亚细胞等各个层次上的生命运动都是在一定力学环境中进行的。应力和生长的关系在细胞水平上主要表现在两个方面：单个细胞的生物学行为，如增殖、形态和分泌功能等的影响；群体细胞组织的整体行为影响，如成骨细胞与破骨细胞功能的增强，骨细胞、成骨细胞、破骨细胞在对力学响应过程中的相互影响、力学信号传导以及基因的表达等。由于体内环境复杂，细胞的体外分离培养技术为研究细胞生理、病理现象提供了一种可行的研究方法，而利用组织工程原理，在体外三维培养条件下进行应力加载，也是目前细胞力学研究中的重要方法。 

目前在组织工程研究中使用的有代表性的生物反应器包括(1)搅拌式生物反应器；(2)旋转壁式生物反应器；(3)中空纤维式生物反应器；(4)直接灌流式生物反应器；(5)应力加载式生物反应器等，模拟正常生理条件下的力学环境。但真正适合对组织工程骨在体外长期培养的同时予以力学载荷的生物反应器却甚少，而且他们都与拟申请的专利有很大的不同。 

关于用于骨组织和组织工程化培养物的应力加载的生物反应器，国内外仅有少量文献和专利报道；其动态应力或应变加载的动力系统也主要是采用步进电机类，而且存在许多不足，如应力或应变加载及数据的跟踪记录不够精确；无法同时对组织培养物进行真正有效的长期无菌条件下的灌流培养；实用性能差、实验效率低等。发明人前期开发的压电陶瓷加载装置与国外报道的同类研发产品也均存在上述的不足。 

实用新型内容

本实用新型的目的是克服现有的力学刺激型生物反应器的不足，该装置可广泛应用于组织工程、细胞生物力学等方面的研究工作。 

一种动态载荷与循环灌流生物反应器，包括主体、滑动套筒模块和三维立体培养舱模块，所述主体包括底座，侧面支撑板和上支撑板，侧面支撑板的下端固定在底座上，上端固定有上支撑板，在侧面支撑板上开设有凹形滑槽，所述滑动套筒模块包括滑动套筒、压电陶瓷、升降调节螺杆、和紧固螺杆，滑动套筒能够在所述凹形滑槽内平稳地上下滑动，升降调节螺杆的一端通过轴承安装于上支撑板上，下端通过螺纹与滑动套筒相连，压电陶瓷贯穿滑动套筒，压电陶瓷的后端为固定端，固定有后端盖，紧固螺杆一端连接于上支撑板，另一端与压电陶瓷后端盖紧密接触，压电陶瓷与压电陶瓷伺服器电气相连，所述的压电陶瓷伺服器用于向其施加频率及波形可调的电压；所述的三维立体培养舱模块包括上表面开设有通孔的培养舱主体、连接在 培养舱主体底部的加载物放置平台，压电陶瓷通过所述通孔贯穿到三维立体培养舱内，其活动端连接有加载棒；所述培养舱主体还开设有外接蠕动泵的进液孔和出液孔。 

本实用新型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，构建一种既可以用于三维培养条件下研究动态压应变对间充质干细胞、成骨细胞、破骨细胞、软骨细胞等细胞生长、分化的影响，又可以用于组织工程骨长期动态培养的生物反应器。整个生物反应器系统具有操作简单，实用性高，无菌密封性能好，加载应变输出精度高，数据跟踪记录及时、准确的特点。技术效果具体如下： 

(1)通过升降调节螺杆和紧固螺杆的双向调节，既可将压电陶瓷推进到既定的位置，又可以将其锁定，消除了因螺杆的回程而产生的松动，避免压电陶瓷工作时发生漂移； 

(2)利用本实用新型的生物反应器，可以构成由三维立体培养舱模块、培养液池、多通道双向蠕动泵和连接管组成的多通道三维循环灌流培养系统，使用流速可调的多通道蠕动泵作为循环灌流的动力单元，可同时对多个培养舱进行灌流，既可用于组织培养物的长期培养也可以安装于压电陶瓷加载装置上进行应力加载； 

(3)加载动力系统采用配置位移传感器的智能封装压电陶瓷作为加载动力系统，通过计算机的调控为组织工程培养物提供频率、类型(方波、正弦波、三角波等)、振幅可调的波形，并可实时显示频率、位移的大小，位移精度达到满行程的千分之一； 

(4)限流柱有效地控制了培养液的流通途径，限流柱与加载棒的配合使用，封堵了培养液在加载物上面流通的路径，使培养液只能通过加载物处的空隙实现流通，这样的设计有利于更新培养液及控制液面高度，使加载物内部的细胞可以充分吸收到新鲜的培养液和排除新陈代谢的产物，并能够大大节约培养液的用量；