[发明专利]一种模拟椎体力学环境的加载装置

说明书

技术领域

本发明涉及生物医学工程中的生物反应器，特别是一种模拟椎体力学环境的加载装置。

背景技术

组织工程，是指用工程科学和生命科学的原理和方法，制备组织和器官替代物，以恢复维持或改善人体组织器官的功能，是一个发展迅速意义深远的生物医学工程应用领域。目前，组织工程化皮肤产品已正式进人临床应用，培育的组织工程骨骼、软骨 、皮肤以及神经组织正在进行体内实验。但是，目前组织工程距离广泛应用于临床、成为社会经济新的增长点还有相当长的路要走。组织工程生物反应器是在体外造就一个与体内相似的环境 ，加速培养细胞、组织乃至器官的系统，可广泛应用于如器官缺损患者替代、构建、保持或增强其组织功能，以及生物制药等领域。

通过研究细胞组织生长的体内生理条件下的各种环境特点力学、生化环境等，研究体外环境下力学、生化因素如何影响细胞的三维培养和功能化过程，尤其是在体组织的力学问题对于更合理的设计仿生的加载装置具有重要意义。脊柱是人体运动的主轴 , 其活动有三维方向前后、左右、旋转)和6个自由度。而椎体作为脊柱活动单元的重要的组成部分，随着人体静止或运动的不同姿态，在空间的六自由度也随之变化，主要受轴向压缩、侧向弯曲以及扭转作用，据统计椎体受载通常是压缩、弯曲和扭转之间的两两复合。根据真实生理力学环境，设计加载装置模拟在体力学环境，对组织的功能化构建至关重要，是促进组织工程不断发展的有力工具。

Powell，Courtney A.等设计了一种能够用于骨骼肌组织培养的生物反应器，将骨骼肌组织支架一段固定，一段与步进电机相连，通过步进电机提供恒定或周期性拉压应力，支架所受的拉压应力通过传感器检测，组织培养腔不能旋转（Mechanical stimulation improves tissue-engineered human skeletal muscle，Am J Physiol，2002；282（5）：1557-1565）。“一种低频高幅叠加高频低幅加载的方法及生物反应器”（中国，NO. 200710303886.7）专利中采用两串联压电陶瓷位移器作为驱动来源，可以对软骨双频叠加加载。许多学者对于椎体运动节段做了大量的研究。（脊柱运动的解剖和生物力学基础，中华物理医学与康复杂志2004年5月第26卷第5期，308-310）主要介绍了脊柱运动与受载的关系，以及不同载荷与各组织结构的关联作用。（应用三维有限元模型研究颈椎不同工况下的生物力学变化，临床骨科杂志，2003 Dec ;6 (4)，294-296）采用有限元方法分析仿真了颈椎的力学环境。（人工腰椎间盘置换术的生物力学及中期临床疗效分析，中华骨科杂志2007年5月第2 7卷第5期，374-377）结合临床结果分析了正常颈椎与置换人工颈椎盘后，椎体与椎间盘之间力学环节和结构上的变化。

综上所述，分析研究组织在体力学环境，设计模拟其真实生物力学环境对于构建功能化组织器官至关重要。至今，还未曾报道过一种可以模拟椎体在体复杂力学环境的加载系统，同时提供近似生理状态的周期性轴向压缩，侧弯和扭转等机械载荷。

发明内容

本发明针对上述技术分析，根据组织生长的体内生物力学环境，提供一种具有侧弯、扭转和振动功能的模拟椎体力学环境的加载装置，该装置通过顶杆左右摆动实现弯曲，由可调的偏心圆柱凸轮以及顶杆机构实现不同压缩量的动态加载，扭转由电机带动培养室旋转来实现，该装置可同时提供几种不同的力学加载，实现不同力学条件的耦合，为组织生长提供近似在体的生物力学环境，同时也可以进行各种力学性能测试。

本发明的技术方案：