CN110760441B - 一种工程软骨体外培养超声辐射力场产生方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种工程软骨体外培养超声辐射力场产生方法及装置。本发明装置包括超声换能器、连接架、升降台、固定底座、导向环和工程软骨体外培养装置、超声发射接收装置、信号采集处理模块和示波器。本发明方法首先调节升降台的内置齿轮控制使超声换能器的发射头浸入工程软骨体外培养装置的培养基中。通过信号采集处理模块和示波器确定培养基中超声换能器的发射头的焦距，使工程软骨处于超声换能器的发射头的焦点处；通过旋转超声换能器，确定超声辐射力场方向；最后启动超声发射接收装置，激发超声换能器。本发明方法与装置产生的超声辐射力场可对体外培养工程软骨进行力学调控，获得正常的、生物性好的工程软骨。

Description

一种工程软骨体外培养超声辐射力场产生方法及装置
技术领域
本发明超声调控、关节软骨修复和生物医学组织工程领域，具体涉及一种一种工程软骨体外培养超声辐射力场产生方法及装置。
背景技术
在关节运动中，正常的软骨是不可或缺的组织。然而随着现代科技的发展与工作生活习惯的改变，越来越多的人倾向于长期保持一种动作姿势，关节软骨损伤问题极易发生。同时，关节软骨自愈能力差、不能再生，损伤后易造成关节僵硬、疼痛加重等问题，严重地影响患者的生活质量。目前关节软骨损伤的治疗方案有关节灌洗术、微骨折手术、骨膜移植与软骨移植法等，但均存在着不足。临床研究表明，工程软骨移植是目前修复关节软骨损伤、实现功能重建的有限途径，有望成为骨缺损修复的全新治疗模式。
工程软骨移植技术是利用软骨细胞种植于可降解生物材料支架上的方法体外培养软骨细胞、构建软骨组织，再将复合细胞的支架植入缺损处形成具有生理功能的骨组织的技术。工程软骨移植结合了组织工程化软骨缝合的可操作性和稳固性，将生物材料作为细胞载体提高了界面愈合能力。然而，现有技术所生成的工程软骨的力学性能与正常的软骨相比相差甚远，无法达到临床移植的要求。目前很难通过体外培养技术，获得具有良好生物相容性与力学性能的工程软骨组织。如何在体外条件下构建正常的组织工程软骨，用于软骨损伤修复，为软骨缺损治疗提供更好的选择，具有很好的临床意义。
Williamson等的研究表明软骨生长的微环境影响着其力学性能。软骨在体内一直处于静、动态压力交替活动的力学环境中，因而不断调整细胞外基质的代谢活动，促进胶原吡啶交联，改变软骨的力学性能与形状结构。在体外静态培养工程软骨，则易形成工程软骨的中空现象，最终生成的工程软骨力学性能不足。而现有生物反应器大多只能实现恒定的剪切力与动态加载的压力。两种作用力的复合方式较为单一，不利于培养出结构与功能均良好的关节软骨。因此，在体外培养工程软骨时，为了获得与天然软骨相似的结构形状与功能组织，设计一种适于工程软骨组织生长的动态微环境是十分必要的。
动态培养工程软骨近年来的研究表明，低强度超声波能够通过加速软骨形成调控工程软骨的力学性能。作为一种交替变化的压力波，超声波可以产生稳定的腔隙和传输组织内的小束。治疗强度的超声可以在细胞膜上产生剪切力，且这种作用可能通过影响细胞骨架来直接改变基因表达。超声波也可以通过细胞膜上的跨膜通道，使跨膜离子的运输及随后的细胞应答发生改变。超声辐射力改变细胞内的胶原蛋白关联情况，使得构建工程软骨的力学特性超声调控成为可能。因此在体外培养工程软骨过程中，可以通过超声辐射力调控工程软骨的结构形状与力学性能，获得正常的工程软骨。
本发明面向上述需求，通过超声换能器工作方式及上下位移模块等创新设计，设计了一种工程软骨体外培养超声辐射力场产生方法及装置。通过该方法与装置产生的超声辐射力场可对体外培养工程软骨进行力学调控，获得正常的、生物性好的工程软骨。实现工程软骨的各向异性，进行软骨细胞移植，最终实现关节软骨修复。
发明内容
针对组织工程的各向异性、体外培养工程软骨过程中的力学性能调控等场合对特定超声辐射力的应用需求，本发明提供一种工程软骨体外培养超声辐射力场产生方法及装置。该方法还可改进工程软骨的力学性能，实现软骨的快速修复与骨骼的全面愈合。
一种工程软骨体外培养超声辐射力场产生装置，包括超声换能器(1)、连接架(2)、升降台(3)、固定底座(4)、导向环(5)和工程软骨体外培养装置(6)、超声发射接收装置(7)、信号采集处理模块(8)和示波器(9)。
升降台(3)包括固定端与运动端，升降台(3)通过固定端固定在固定底座(4)上，固定底座(4)为包含圆柱形内凹的方形平台，连接架(2)固定在升降台(3)的运动端上，超声换能器(1)固定在连接架(2)上，导向环(5)固定在固定底座(4)的圆柱形内凹内，工程软骨体外培养装置(6)通过导向环(5)的限制定位和固定底座(4)固定装置固定在所述圆柱形内凹内，超声发射接收装置(7)连接超声换能器(1)，信号采集处理模块(8)连接所述超声换能器(1)，所述示波器(9)连接信号采集处理模块(8)。
所述的升降台(3)为齿轮齿条啮合升降台，所述的固定端为T形固定板，所述T形固定板横板的长度方向有对称的两个U形槽，U形槽位于横板宽度方向的中间位置，可在一定范围内左右调节升降台(3)的位置，U形槽与固定底板4上的螺纹孔配合，通过螺纹连接固定锁紧升降台(3)，所述T形固定板的竖直端安装有齿条，齿条安装于T形固定板竖直端的中心位置；所述的运动端为包含内置齿轮的方形块，所述的内置齿轮与固定端的齿条啮合，通过手动调节内置齿轮，实现方形块的上下运动。
所述的连接架(2)为T形连接件，所述T形连接件的横端通过螺纹结构安装在所述升降台(3)的运动端上，所述T形连接件的长端的竖直方向开设有用于固定超声换能器(1)的圆柱孔，所述圆柱孔与所述T形连接件的长端的底面开设有通槽，所述通槽一侧横向设置有螺纹通孔，另一侧设置有配套的螺纹孔，通过螺纹连接微小改变圆柱孔的大小，锁紧超声换能器(1)。
所述超声换能器(1)为线聚焦超声换能器。
所述导向环(5)为含微小缺口的空心环，所述微小缺口关于导向环(5)圆心对称的内环处有导向齿，所述导向环(5)的外环与所述固定底座(4)上的圆柱形内凹内相配合，所述导向环(5)的内环与工程软骨体外培养装置(6)的培养皿配合，所述导向环(5)的导向齿与培养皿的基底结构配合，限制培养皿的旋转；所述导向环(5)的微小缺口中心与导向环(5)圆心以及升降台(3)的齿条中心成一条直线，所述导向环(5)通过固定胶固定在固定底座(4)的圆柱形内凹内。
所述固定底座(4)的两端有固定块，固定块的对称中心与圆柱形内凹的轴向中心在同一直线上，所述固定块横向有相对设置的螺纹孔，通过螺纹结构固定所述工程软骨体外培养装置(6)，所述固定底座(4)的圆柱形内凹的轴向中心与连接架圆柱孔的轴向中心在同一直线上。
所述工程软骨体外培养装置(6)包括培养皿、培养基、工程软骨细胞、培养箱，用于体外培养工程软骨细胞；所述工程软骨体外培养装置(6)中的培养液的高度大于所述超声换能器(1)的焦距。
所述的超声发射接收装置(7)通过电缆连接所述超声换能器(1)，用于激发超声换能器(1)。
所述的信号采集处理模块(8)基于高速运算放大器，具体型号为LMH6629，所述的信号采集处理模块(8)与示波器(9)进行配合，确定超声换能器(1)发射头的位置。
一种工程软骨体外培养超声辐射力场产生方法：
步骤(1).通过电缆连接超声换能器(1)与超声发射接收装置(7)；
步骤(2).通过手动调节升降台(3)的内置齿轮控制超声换能器(1)的发射头与培养装置的上下距离，使超声换能器(1)的发射头浸入工程软骨体外培养装置(6)的培养基中。
步骤(3).通过信号采集处理模块(8)确定培养基中超声换能器(1)的发射头的焦距，使工程软骨处于超声换能器(1)的发射头的焦点处；
根据距离等于波形的周期T与培养基中声速c的乘积，通过示波器(9)获得超声换能器(1)的发射头与工程软骨的距离L；通过上下调节超声换能器(1)的发射头的位移，根据波峰幅值的大小，确定处于波峰最大值处的焦点位置；
步骤(4).通过旋转超声换能器(1)，与导向环(5)及工程软骨培养装置(6)相配合，确定超声辐射力场方向；
步骤(5).将示波器(9)的波形上传至电脑上位机，通过电脑上位机计算获得声强，通过获得的声强对超声换能器(1)的发射头位置进行实时调控；
步骤(6).设置相应的频率、发射能量大小及重复频率大小，启动超声发射接收装置(7)，激发超声换能器(1)产生超声辐射力场。
本发明有益效果如下：
本发明可以产生适用于工程软骨体外培养的超声辐射力场，对体外培养的软骨细胞进行调控构建正常的工程软骨；本发明产生的超声辐射力场可以通过上下调节聚焦探头的距离改变超声辐射力的大小。既可以用于工程软骨的力学性能调控，也可以用于实现工程软骨组织的各向异性，极大改善构建的工程软骨力学特性，用于关节软骨修复。
附图说明
附图1为本发明装置的结构示意图；
附图2为本发明方法的流程图；
附图3为本发明装置的俯视图。
图中：1、超声换能器 2、连接架 3、升降台 4、固定底座 5、导向环 6、工程软骨体外培养装置 7、超声发射接收装置 8、信号采集处理模块 9、示波器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但本发明保护范围不局限于以下所述。
如图1所示，一种工程软骨体外培养超声辐射力场产生装置，包括超声换能器1、连接架2、升降台3、固定底座4、导向环5和工程软骨体外培养装置6、超声发射接收装置7、信号采集处理模块8和示波器9。
升降台3包括固定端与运动端，升降台3通过固定端固定在固定底座4上，固定底座4为包含圆柱形内凹的方形平台，连接架2固定在升降台3的运动端上，超声换能器1固定在连接架2上，导向环5固定在固定底座4的圆柱形内凹内，工程软骨体外培养装置6通过导向环5的限制定位和固定底座4固定装置固定在圆柱形内凹内，超声发射接收装置7连接超声换能器1，信号采集处理模块8连接超声换能器1，示波器9连接信号采集处理模块8。
附图3为本发明装置的俯视图。
升降台3为齿轮齿条啮合升降台，固定端为T形固定板，T形固定板横端横板长度方向有对称的两个U形槽，U形槽位于横板宽度方向的中间位置，可在一定范围内左右调节升降台3的位置。U形槽的直径为3mm，长度为8mm，与固定底板4上的螺纹孔配合，通过螺纹连接固定锁紧升降台3，T形固定板的竖直端安装有齿条，齿条安装于T形固定板竖直端的中心位置；运动端为包含内置齿轮的方形块，内置齿轮与固定端的齿条啮合，通过手动调节内置齿轮，实现方形块的上下运动。升降台3的量程为±40mm,精度0.1mm。
连接架2为T形连接件，T形连接件的横端通过螺纹结构安装在升降台3的运动端上，T形连接件的长端的竖直方向开设有用于固定超声换能器1的圆柱孔，圆柱孔的尺寸大小与超声换能器1外径相同均为18mm，圆柱孔与T形连接件的长端的底面开设有通槽，通槽的大小为2*5*3mm，通槽一侧横向设置有螺纹通孔，螺纹通孔直径为2mm，另一侧设置有配套的螺纹孔，螺纹孔规格为M1.5，通过螺纹连接微小改变圆柱孔的大小，锁紧超声换能器1。
超声换能器1为线聚焦超声换能器，线聚焦超声换能器为圆柱形，其发射头为一凹半球形。线聚焦超声换能器的外径为18mm，长78mm。线聚焦超声换能器的压电材料为PET晶体，自有频率2.5MHz，焦距18mm，晶体尺寸大小为14*14mm。
导向环5为含微小缺口的空心环，微小缺口关于导向环5圆心对称的内环处有导向齿，导向环5的外环与固定底座4上的圆柱形内凹内相配合，导向环5的内环与工程软骨体外培养装置6的培养皿配合，导向环5的导向齿与培养皿的基底结构配合，限制培养皿的旋转；导向环5的微小缺口中心与导向环5圆心以及升降台3的齿条中心成一条直线，导向环5通过固定胶固定在固定底座4的圆柱形内凹内。
固定底座4的两端有固定块，固定块的对称中心与圆柱形内凹的轴向中心在同一直线上，固定块横向有相对设置的螺纹孔，通过螺纹结构固定工程软骨体外培养装置6，固定底座4的圆柱形内凹的轴向中心与连接架圆柱孔的轴向中心在同一直线上。
工程软骨体外培养装置6包括培养皿、培养基、工程软骨细胞、培养箱，用于体外培养工程软骨细胞；工程软骨体外培养装置6中的培养液的高度大于超声换能器1的焦距。
超声发射接收装置7通过电缆连接超声换能器1，用于激发超声换能器1。
信号采集处理模块8基于高速运算放大器，具体型号为LMH6629，所述的信号采集处理模块8与示波器9进行配合，确定超声换能器1发射头的位置。
如图2所示，一种工程软骨体外培养超声辐射力场产生方法：
步骤(1).通过电缆连接超声换能器1与超声发射接收装置7；
步骤(2).通过手动调节升降台3的内置齿轮控制超声换能器1的发射头与培养装置的上下距离，使超声换能器1的发射头浸入工程软骨体外培养装置6的培养基中。
步骤(3).通过信号采集处理模块8确定培养基中超声换能器1的发射头的焦距，使工程软骨处于超声换能器1的发射头的焦点处；
根据距离等于波形的周期T与培养基中声速c的乘积，通过示波器9获得超声换能器1的发射头与工程软骨的距离L；通过上下调节超声换能器1的发射头的位移，根据波峰幅值的大小，确定处于波峰最大值处的焦点位置；
步骤(4).通过旋转超声换能器1，与导向环5及工程软骨培养装置6相配合，确定超声辐射力场方向；
步骤(5).将示波器9的波形上传至电脑上位机，通过电脑上位机计算获得声强，通过获得的声强对超声换能器1的发射头位置进行实时调控；
步骤(6).设置相应的频率、发射能量大小及重复频率大小，启动超声发射接收装置7，激发超声换能器1产生超声辐射力场。
实施例1：
首先将升降台3安装于固定底座1指定位置，将升降台3的运动端调至零位，手动锁定升降台的位置。然后将连接架2安装于升降台3的运动端，使用螺纹结构固定。再将线聚焦超声换能器1安装于连接架上，使用连接架2上的固定孔与螺纹配合，锁紧线聚焦超声换能器1于连接架2上。将线聚焦超声换能器1通过电缆连接至超声发射接收装置7。将准备好的工程软骨体外培养装置6放置于固定底座4，旋转工程软骨体外培养装置6以确定施加的超声辐射力的方向，通过固定底座1的固定块固定夹紧工程软骨体外培养装置6。使用升降台3手动调节超声换能器1的发射头与培养装置的上下距离，使超声换能器1的发射头浸入培养装置的培养基中。通过信号采集处理模块8确定培养基中超声换能器1的发射头的焦距，使工程软骨处于超声换能器1的发射头的焦点处。根据距离等于波形的周期T与培养基中声速c的乘积，通过示波器9显示超声换能器1的发射头与工程软骨的距离L。通过上下调节超声换能器1的发射头的位移，根据波峰幅值的大小，确定处于波峰最大值处的焦点位置。再通过旋转超声换能器1，与导向环5及工程软骨培养装置6相配合，确定最终的超声辐射力场方向。将示波器9的波形上传至电脑上位机，通过电脑上位机计算获得声强，通过获得的声强对超声换能器1的发射头位置进行实时调控；设置超声发射的频率为2.5MHz，探头发射能量32uJ，重复频率为1KHz，采用脉冲式超声发射接收器，产生交替的超声声场。声波在培养基中传播，产生一定的压强p。遇到工程软骨组织，与其发生碰撞形成超声辐射力F。将超声辐射力上下位移模块与工程软骨体外培养装置放置于培养箱内，用于体外培养工程软骨。超声发射接收装置为脉冲负压式，可产生动态的交替式超声辐射力F，模拟人体内组织培养微环境。将整个装置放置于培养箱中，连续刺激3天。再将工程软骨组织取出，对其进行力学性能测试。观察超声辐射力场对工程软骨力学性能的调控。

Claims (6)

1.一种工程软骨体外培养超声辐射力场产生装置，其特征在于，该装置包括超声换能器(1)、连接架(2)、升降台(3)、固定底座(4)、导向环(5)和工程软骨体外培养装置(6)、超声发射接收装置(7)、信号采集处理模块(8)和示波器(9)；
升降台(3)包括固定端与运动端，升降台(3)通过固定端固定在固定底座(4)上，固定底座(4)为包含圆柱形内凹的方形平台，连接架(2)固定在升降台(3)的运动端上，超声换能器(1)固定在连接架(2)上，导向环(5)固定在固定底座(4)的圆柱形内凹内，工程软骨体外培养装置(6)通过导向环(5)的限制定位和固定底座(4)固定装置固定在所述圆柱形内凹内，超声发射接收装置(7)连接超声换能器(1)，信号采集处理模块(8)连接所述超声换能器(1)，所述示波器(9)连接信号采集处理模块(8)；
所述的升降台(3)为齿轮齿条啮合升降台，所述的固定端为T形固定板，所述T形固定板横板的长度方向有对称的两个U形槽，U形槽位于横板宽度方向的中间位置，可在一定范围内左右调节升降台(3)的位置，U形槽与固定底板4上的螺纹孔配合，通过螺纹连接固定锁紧升降台(3)，所述T形固定板的竖直端安装有齿条，齿条安装于T形固定板竖直端的中心位置；所述的运动端为包含内置齿轮的方形块，所述的内置齿轮与固定端的齿条啮合，通过手动调节内置齿轮，实现方形块的上下运动；
所述的连接架(2)为T形连接件，所述T形连接件的横端通过螺纹结构安装在所述升降台(3)的运动端上，所述T形连接件的长端的竖直方向开设有用于固定超声换能器(1)的圆柱孔，所述圆柱孔与所述T形连接件的长端的底面开设有通槽，所述通槽一侧横向设置有螺纹通孔，另一侧设置有配套的螺纹孔，通过螺纹连接微小改变圆柱孔的大小，锁紧超声换能器(1)；
所述超声换能器(1)为线聚焦超声换能器；
所述导向环(5)为含微小缺口的空心环，所述微小缺口关于导向环(5)圆心对称的内环处有导向齿，所述导向环(5)的外环与所述固定底座(4)上的圆柱形内凹内相配合，所述导向环(5)的内环与工程软骨体外培养装置(6)的培养皿配合，所述导向环(5)的导向齿与培养皿的基底结构配合，限制培养皿的旋转；所述导向环(5)的微小缺口中心与导向环(5)圆心以及升降台(3)的齿条中心成一条直线，所述导向环(5)通过固定胶固定在固定底座(4)的圆柱形内凹内。
2.根据权利要求1所述的一种工程软骨体外培养超声辐射力场产生装置，其特征在于，所述固定底座(4)的两端有固定块，固定块的对称中心与圆柱形内凹的轴向中心在同一直线上，所述固定块横向有相对设置的螺纹孔，通过螺纹结构固定所述工程软骨体外培养装置(6)，所述固定底座(4)的圆柱形内凹的轴向中心与连接架圆柱孔的轴向中心在同一直线上。
3.根据权利要求2所述的一种工程软骨体外培养超声辐射力场产生装置，其特征在于，所述工程软骨体外培养装置(6)包括培养皿、培养基、工程软骨细胞、培养箱，用于体外培养工程软骨细胞；所述工程软骨体外培养装置(6)中的培养液的高度大于所述超声换能器(1)的焦距。
4.根据权利要求3所述的一种工程软骨体外培养超声辐射力场产生装置，其特征在于，所述的超声发射接收装置(7)通过电缆连接所述超声换能器(1)，用于激发超声换能器(1)。
5.根据权利要求4所述的一种工程软骨体外培养超声辐射力场产生装置，其特征在于，所述的信号采集处理模块(8)基于高速运算放大器，具体型号为LMH6629，所述的信号采集处理模块(8)与示波器(9)进行配合，确定超声换能器(1)发射头的位置。
6.根据权利要求1-5任意所述的一种工程软骨体外培养超声辐射力场产生方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤(1).通过电缆连接超声换能器(1)与超声发射接收装置(7)；
步骤(2).通过手动调节升降台(3)的内置齿轮控制超声换能器(1)的发射头与培养装置的上下距离，使超声换能器(1)的发射头浸入工程软骨体外培养装置(6)的培养基中；
步骤(3).通过信号采集处理模块(8)确定培养基中超声换能器(1)的发射头的焦距，使工程软骨处于超声换能器(1)的发射头的焦点处；
根据距离等于波形的周期T与培养基中声速c的乘积，通过示波器(9)获得超声换能器(1)的发射头与工程软骨的距离L；通过上下调节超声换能器(1)的发射头的位移，根据波峰幅值的大小，确定处于波峰最大值处的焦点位置；
步骤(4).通过旋转超声换能器(1)，与导向环(5)及工程软骨培养装置(6)相配合，确定超声辐射力场方向；
步骤(5).将示波器(9)的波形上传至电脑上位机，通过电脑上位机计算获得声强，通过获得的声强对超声换能器(1)的发射头位置进行实时调控；
步骤(6).设置相应的频率、发射能量大小及重复频率大小，启动超声发射接收装置(7)，激发超声换能器(1)产生超声辐射力场。
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