多孔鈦合金中骨骼細胞壓應(yīng)力的加載裝置及加載方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種多孔鈦合金中骨骼細胞壓應(yīng)力的加載裝置及加載方法，加載裝置包括伺服電機、動作腔室、動作活塞、加壓腔室、活動壁板、傳動桿、壓力、溫度傳感器等，伺服電機通過PC由運動控制卡控制，并與傳動桿連接，傳動桿與動作活塞連接，伺服電機通過傳動桿帶動活塞上下運動。加壓腔室的前側(cè)壁設(shè)可開合活動壁板。該裝置經(jīng)消毒滅菌操作后置于細胞培養(yǎng)箱中，將骨骼細胞懸液種植于多孔鈦合金，加壓系統(tǒng)對多孔鈦合金中的細胞進行壓縮載荷的刺激。系統(tǒng)工作時的壓力、溫度和濕度傳感器將其實時采集的壓力、溫度等信號傳送至數(shù)據(jù)采集卡中，通過PC端在顯示器上實時顯示和存儲。
【專利說明】多孔鈦合金中骨骼細胞壓應(yīng)力的加載裝置及加載方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種對多孔鈦合金中骨骼細胞加載壓縮應(yīng)力的裝置及壓縮應(yīng)力的加載方法，以實現(xiàn)對種植在多孔鈦合金表面的體外培養(yǎng)的骨骼細胞(包括成骨細胞、破骨細胞及骨細胞)施加應(yīng)力載荷的刺激，并進一步研究這些骨骼細胞的力學生物學信號轉(zhuǎn)導，為應(yīng)力載荷協(xié)同多孔鈦合金對臨床上骨缺損的治療提供科學的理論依據(jù)。
【背景技術(shù)】
[0002]骨缺損的修復和功能重建是骨科臨床的常見病和難治病，其中尤以長骨的大段骨缺損的修復最為困難。我國肢體不自由患者有1500萬人以上，其中由于缺乏重建手術(shù)和材料，已有約300萬人截肢；我國每年大約有350萬人因不同原因(包括交通和運動事故、意外傷害、人口老齡化、病變等)出現(xiàn)骨缺損，而骨骼不健全的人數(shù)也有上千萬之多，且有日益增多的趨勢。不少骨缺損病人并未實施手術(shù)，特別是大段骨缺損患者不得不實施截肢手術(shù)或用假肢替代。骨缺損給患者帶來極大的痛苦，給家庭帶來巨大的經(jīng)濟和精神負擔。
[0003]臨床上對于小于6cm的節(jié)段性缺損可通過傳統(tǒng)的自體骨或人工骨移植恢復患肢的長度和功能。但大段骨缺損的修復治療則較復雜，運用最廣泛的方法為帶血供的自體骨移植、同種異體骨移植和牽拉成骨技術(shù)等，但這些方法均存在各自的不足。帶血管的自體骨移植愈合快而牢固，但通常受到來源的限制，且取骨量有限，并會在供區(qū)造成新的骨缺損，且取骨區(qū)有感染、疼痛等并發(fā)癥發(fā)生。異體骨移植是替代自體骨移植的良好材料，多用于修復腫瘤切除所致的缺損，但其并發(fā)癥及失敗率較高，且還具有引發(fā)免疫排異反應(yīng)和疾病傳播等風險。牽拉成骨是 在牽引應(yīng)力作用下，逐漸牽開兩個有血供的骨表面，使骨表面之間形成新骨。但其具有時間長的缺點，而且感染、延遲愈合、肌肉攣縮和關(guān)節(jié)僵直等并發(fā)癥的發(fā)生率很高。
[0004]鈦合金憑借其優(yōu)良的生物相容性、抗腐蝕性、綜合力學性能和工藝性能已成為牙種植體、骨創(chuàng)傷產(chǎn)品以及人工關(guān)節(jié)等人體硬組織替代物和修復物的首選材料。而將鈦合金制備成多孔結(jié)構(gòu)后，在植入長骨中后不僅可形成體液傳輸通道，利于成骨細胞在鈦合金孔隙中的生長并礦化形成新生的骨組織，同時能夠在骨小梁水平上實現(xiàn)彈性模量的匹配，可以實現(xiàn)骨小梁與合金多孔結(jié)構(gòu)的機械鉚合，因此在骨缺損的修復治療中具有廣闊的臨床應(yīng)用前景。但在動物實驗中人們發(fā)現(xiàn):骨組織在多孔材料的表層長入較好，但卻難以完全長入大體積多孔鈦合金材料內(nèi)部；在骨小梁水平上，骨組織與鈦合金材料不能達到完全骨整合。
[0005]大量研究證實外源性的施加適當強度生理水平的周期載荷刺激可以顯著提高骨量和骨強度。生理水平的周期應(yīng)力載荷刺激能夠提高正常和骨質(zhì)疏松動物的骨量、改善松質(zhì)骨和皮質(zhì)骨的微結(jié)構(gòu)、提高骨的力學強度、促進骨生成并抑制骨吸收。而對于骨折的實驗動物，將骨折部位經(jīng)適當固定后再施加周期性載荷刺激，能加速骨痂生長，促進骨折愈合并增加愈合處的強度和剛度。臨床研究證實，力學載荷刺激(如有氧慢跑、中強度抗阻訓練等)可以有效提升絕經(jīng)后婦女的骨密度，抑制絕經(jīng)后的高骨代謝并降低骨折風險。因此，我們提出一種將周期載荷與多孔鈦合金協(xié)同作用修復治療骨缺損的設(shè)計思想，為多孔鈦合金的修復區(qū)域構(gòu)建其原本缺失的力學微環(huán)境，有望在較大程度上提高骨缺損的修復效率。
[0006]針對以上設(shè)計思想，我們需要將周期載荷對植入種植體表面的骨骼細胞生物學影響進行系統(tǒng)研究評估，從而明確周期載荷對于成骨細胞與鈦合金表面的生物兼容性的關(guān)系，為周期載荷對于改善鈦植入物的骨整合作用的相關(guān)機制奠定堅實的理論基礎(chǔ)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為深入開展種植在多孔鈦合金表面的骨骼細胞力學信號轉(zhuǎn)導的研究，以及為應(yīng)力載荷協(xié)同多孔鈦合金對臨床上骨缺損治療提供科學理論依據(jù)，本發(fā)明的目的是提供一種對種植在多孔鈦合金表面的骨骼細胞進行動態(tài)壓縮載荷的空氣動態(tài)壓加載裝置及相應(yīng)的壓應(yīng)力加載方法，以實現(xiàn)對骨骼細胞在其適宜的生長環(huán)境下施加應(yīng)力載荷的刺激。
[0008]為達到以上目的，本發(fā)明是采取如下技術(shù)方案予以實現(xiàn)的:
[0009]一種多孔鈦合金中骨骼細胞壓應(yīng)力的加載裝置，其特征在于，包括一個矩形的加壓腔室，其前側(cè)設(shè)有一可開合的活動壁板，加壓腔室上面連通一個筒形的動作腔室，其中設(shè)置動作活塞，該動作活塞上面連接一傳動桿，傳動桿通過傳動組件連接伺服電機，該伺服電機由一臺PC通過運動控制卡控制該伺服電機通過傳動組件驅(qū)動傳動桿帶動動作活塞在動作腔室進行上下運動，進而在加壓腔室中產(chǎn)生壓縮載荷，并最終作用于事先放置于加壓腔室中的多孔鈦合金骨骼細胞試樣，加壓腔室中至少設(shè)置有壓力傳感器和溫度傳感器。
[0010]上述方案中，所述的動作腔室和加壓腔室均由熱傳導性能良好、且透明的聚甲基丙烯酸甲酯材料制成。
[0011]一種多孔鈦合金中骨骼細胞壓應(yīng)力的加載方法，采用前述多孔鈦合金中骨骼細胞壓應(yīng)力的加載裝置完成，其特征在于，包括下述步驟:
[0012](I)將壓應(yīng)力加載裝置用鈷60放射性消毒，置于37°C、5% CO2的細胞培養(yǎng)箱中；
[0013](2)將多孔鈦合金進行消毒處理，置于細胞培養(yǎng)板中，隨后將經(jīng)傳代消化處理的骨骼細胞懸液滴入多孔鈦合金中，將細胞培養(yǎng)板于細胞培養(yǎng)箱中靜置3小時待細胞完全粘附于多孔鈦合金表面；
[0014](3)隨后加入細胞培養(yǎng)液覆蓋多孔鈦合金，靜置12小時后，將細胞培養(yǎng)板經(jīng)活動壁板放入加壓腔室中；
[0015](4)在PC端設(shè)置需要的周期載荷的加載強度、頻率和加載時間，通過運動控制卡控制伺服電機，伺服電機按照設(shè)定參數(shù)通過傳動組件驅(qū)動傳動桿帶動動作活塞對加壓腔室內(nèi)的多孔鈦合金表面的骨骼細胞施加周期載荷；
[0016](5)PC端通過數(shù)據(jù)采集卡實時動態(tài)的采集各傳感器的信號，并通過顯示器將信號的變化以曲線形式顯現(xiàn)出來。
[0017]上述方法中，步驟(4)所述周期載荷的加載強度為60kPa，加載頻率為0.5Hz，加載時間為每天lh，連續(xù)3天。
[0018]本發(fā)明的優(yōu)點是，操作 簡單，能夠使種植在多孔鈦合金表面的骨骼細胞在其適宜的生長環(huán)境中對細胞進行動態(tài)的壓縮應(yīng)力載荷的刺激，可顯著提高實驗的穩(wěn)定性和可重復性，并可較真實的模擬骨骼細胞在其原位骨骼生長環(huán)境的受力狀況。對于細胞所受應(yīng)力及其周圍溫度、濕度的實時數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測和存儲可以提高實驗的精確性。該應(yīng)力加載系統(tǒng)可用于研究應(yīng)力載荷對種植在多孔鈦合金中的骨骼細胞的力學信號轉(zhuǎn)導的相關(guān)機制，為應(yīng)力載荷協(xié)同多孔鈦合金應(yīng)用于臨床治療修復骨缺損提供重要的理論依據(jù)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)圖。圖中:1、伺服電機；2、動作腔室；3、動作活塞；4、加壓腔室；5、活動壁板；6、傳動桿；7、傳感器(包括壓力、溫度和濕度傳感器)。
[0020]圖2為圖1加載裝置中多孔鈦合金骨骼細胞試樣應(yīng)力加載的信號采集、處理及控制的原理框圖。
[0021]圖3為實驗組和對照組成骨細胞在多孔鈦合金中的細胞增殖情況(490nm下的吸光值)的比較。
[0022]圖4為圖1加載裝置進行加壓的過程中加壓系統(tǒng)壓力傳感器與標準測壓計所測的壓力值的比較圖。
【具體實施方式】
[0023]以下結(jié)合附圖及具體實例對本發(fā)明作進一步的詳細描述。
[0024]如圖1所示，本發(fā)明多孔鈦合金中骨骼細胞壓應(yīng)力的加載裝置包括一個矩形的加壓腔室4，其前側(cè)設(shè)有一可拆卸活動壁板5，可以方便細胞培養(yǎng)器皿的取放。加壓腔室上面連通一個筒形的動作腔室2，其中設(shè)置動作活塞3，該動作活塞上面連接一傳動桿6，傳動桿通過齒輪連接伺服電機I的轉(zhuǎn)動軸。伺服電機采用MCAC706-N全數(shù)字交流伺服型電機，由基于PC的LabVIEW軟件控制程序通過運動控制卡DMC1380 (圖2)從而控制交流伺服電機，保證獲得精確的運動控制。交流伺服電機通過齒輪驅(qū)動傳動桿進而帶動動作活塞3在動作腔室2中進行上下運動，最后在加壓腔室4中產(chǎn)生壓縮載荷。動作腔室和加壓腔室均由熱傳導性能良好、且透明度高的聚甲基丙烯酸甲酯材料制成。加壓腔室中設(shè)有多個傳感器7(可包括壓力、溫度、濕度三個傳感器)，系統(tǒng)在工作時，壓力傳感器、溫度傳感器和濕度傳感器將其實時采集的電信號傳送至數(shù)據(jù)采集卡(NI USB-6008)，通過基于PC端的LabVIEW軟件控制程序在PC上實時顯示和存儲壓力、溫度、濕度信號。
[0025]參見圖1圖2，本發(fā)明多孔鈦合金中骨骼細胞壓應(yīng)力加載的方法，包括下述步驟:
[0026](I)將圖1裝置用鈷60放射性消毒，置于37°C、5% CO2的細胞培養(yǎng)箱中；
[0027](2)將多孔鈦合金(--2448)進行高溫、高壓的消毒處理，置于24孔的細胞培養(yǎng)板中，隨后將經(jīng)傳代消化處理的離體鼠脛骨骨骼細胞懸液滴入多孔鈦合金中，將細胞培養(yǎng)板于細胞培養(yǎng)箱中靜置3小時待細胞完全粘附于多孔鈦合金表面；
[0028](3)隨后加入細胞培養(yǎng)液覆蓋多孔鈦合金，靜置12小時后，將細胞培養(yǎng)板經(jīng)活動壁板5放入加壓腔室4中；
[0029](4)在PC端通過LabVIEW軟件控制程序設(shè)置需要的周期載荷的加載強度、頻率和加載時間，通過控制運動控制卡驅(qū)動交流伺服電機，保證獲得精確的運動控制，交流伺服電機I按照設(shè)定參數(shù)通過傳動桿6帶動動作活塞3對加壓腔室內(nèi)的多孔鈦合金表面的骨骼細胞施加周期載荷；
[0030](5) PC端通過LabVIEW軟件控制程序由數(shù)據(jù)采集卡實時動態(tài)的采集壓力、溫度和濕度傳感器的信號，并通過顯示器將壓力、溫度和濕度信號的變化以曲線形式顯現(xiàn)出來。
[0031]加壓和不加壓的對比試驗[0032]取新生乳鼠顱骨組織，采用組織塊法分離原代培養(yǎng)的成骨細胞，加入10%胎牛血清的MEM培養(yǎng)基，置于37°C、5% CO2的細胞培養(yǎng)箱中，通過測定堿性磷酸酶特異性表達及礦化結(jié)節(jié)鑒定成骨細胞，取傳代2~4代的成骨細胞作為實驗細胞。細胞分實驗組和對照組，兩組均以2X 104/ml的密度接種于多孔鈦合金表面并分別置于24孔細胞培養(yǎng)板中，實驗組放入圖1應(yīng)力加載裝置的加壓腔室中，該裝置置于細胞培養(yǎng)箱中使細胞在5% CO2濃度，37°C條件下生長，實驗組施加60kPa空氣動態(tài)周期壓縮載荷刺激，加壓頻率為0.5Hz。每天加壓lh，連續(xù)作用3天。對照組細胞放入加壓腔室中，但不給予應(yīng)力加載的刺激。3天后取出細胞，先用PBS洗去多孔鈦合金中未黏附的細胞，每孔加入5g/L的ΜΤΤ200μL，37°C孵育4h后吸棄上清，加入ImL的DMSO溶解生成結(jié)晶物，每孔吸取200 μ L溶解液轉(zhuǎn)移至96孔細胞培養(yǎng)板，使用酶標儀測量490nm下的吸光值，結(jié)果參見圖3。
[0033]由圖3所示，相比于對照組，空氣動態(tài)周期壓縮載荷刺激下的細胞其在490nm下的吸光值顯著升高(η = 10,Ρ<0.05)，表明空氣動態(tài)周期壓縮載荷刺激對成骨細胞在多孔鈦合金中的細胞增殖具有顯著的促進作用。
[0034]加載裝置加壓腔室壓力校準方法:
[0035]將德國菲索AFRISO公司的手持式測壓儀放入圖1裝置的加壓腔室4中，通過動作腔室2、動作活塞3對加壓腔室施加載荷，伺服電機每旋轉(zhuǎn)25圈(動作活塞向下運動)，PC端的LabVIEW軟件控制程序進行一次壓力數(shù)據(jù)的采集，同時讀取手持式測壓所測量的壓力值，對所采樣的數(shù)據(jù)點進行直線線性擬合，比較加載裝置進行加壓的過程中加壓系統(tǒng)壓力傳感器與標準測壓計所測的壓力值。測量結(jié)果如圖4所示，由圖可見本發(fā)明的應(yīng)力加載系統(tǒng)與標準測壓計所測的壓力值具有良好的匹配性，證實了該加壓裝置的良好工作精確性。
【權(quán)利要求】
1.一種多孔鈦合金中骨骼細胞壓應(yīng)力的加載裝置，其特征在于，包括一個矩形的加壓腔室，其前側(cè)設(shè)有一可開合的活動壁板，加壓腔室上面連通一個筒形的動作腔室，其中設(shè)置動作活塞，該動作活塞上面連接一傳動桿，傳動桿通過傳動組件連接伺服電機，該伺服電機由一臺PC通過運動控制卡控制該伺服電機通過傳動組件驅(qū)動傳動桿帶動動作活塞在動作腔室進行上下運動，進而在加壓腔室中產(chǎn)生壓縮載荷，并最終作用于事先放置于加壓腔室中的多孔鈦合金骨骼細胞試樣，加壓腔室中至少設(shè)置有壓力傳感器和溫度傳感器。
2.如權(quán)利要求1所述的多孔鈦合金中骨骼細胞壓應(yīng)力的加載裝置，其特征在于，所述的動作腔室和加壓腔室均由熱傳導性能良好、且透明的聚甲基丙烯酸甲酯材料制成。
3.—種多孔鈦合金中骨骼細胞壓應(yīng)力的加載方法，采用權(quán)利要求1所述的多孔鈦合金中骨骼細胞壓應(yīng)力的加載裝置完成，其特征在于，包括下述步驟: (1)將壓應(yīng)力加載裝置用鈷60放射性消毒，置于37°C、5%CO2的細胞培養(yǎng)箱中； (2)將多孔鈦合金進行消毒處理，置于細胞培養(yǎng)板中，隨后將經(jīng)傳代消化處理的骨骼細胞懸液滴入多孔鈦合金中，將細胞培養(yǎng)板于細胞培養(yǎng)箱中靜置3小時待細胞完全粘附于多孔鈦合金表面； (3)隨后加入細胞培養(yǎng)液覆蓋多孔鈦合金，靜置12小時后，將細胞培養(yǎng)板經(jīng)活動壁板放入加壓腔室中； (4)在PC端設(shè)置需要的周期載荷的加載強度、頻率和加載時間，通過運動控制卡控制伺服電機，伺服電機按照設(shè)定參數(shù)通過傳動組件驅(qū)動傳動桿帶動動作活塞對加壓腔室內(nèi)的多孔鈦合金表面的骨骼細胞施加周期載荷； (5)PC端通過數(shù)據(jù)采集卡實時動態(tài)的采集各傳感器的信號，并通過顯示器將信號的變化以曲線形式顯現(xiàn)出來。
4.如權(quán)利要求3所述的多孔鈦合金中骨骼細胞壓應(yīng)力的加載方法，其特征在于，步驟(4)所述周期載荷的加載強度為60kPa，加載頻率為0.5Hz，加載時間為每天lh，連續(xù)3天。
【文檔編號】C12N5/077GK103992947SQ201410228727
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年5月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月27日
【發(fā)明者】景達, 羅二平, 劉戈, 佟世超, 翟明明, 申廣浩 申請人:中國人民解放軍第四軍醫(yī)大學