一种局部外加恒定方向磁场的动物实验装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及动物实验技术领域，更具体地说，它涉及一种局部外加恒定方向磁场的动物实验装置及其使用方法。

背景技术

大段骨缺损常由创伤、骨肿瘤切除及严重感染引起，其治疗周期长，难度大，并发症多，致残率高，是骨科临床上亟待解决的一大技术难点。目前常见的治疗方法有自体骨移植、同种异体骨移植以及骨组织工程。自体骨移植由于其固有的骨传导特性、成骨诱导能力、低免疫反应风险及良好的机械稳定性，一直作为骨移植材料治疗的金标准，但其存在供体组织有限、供体部位并发疼痛、血肿形成、神经血管损伤甚至骨折等限制因素。同种异体骨移植常被认为是继自体骨移植之后的一个更优选择，可供选择的形式多样，且可以克服一些自体骨移植带来的限制，目前超过三分之一的骨移植手术都使用了同种异体骨移植。然而，同种异体骨移植同样存在其特有的缺陷，如相对于自体骨移植的成骨诱导能力降低，缺损区域缺乏骨祖细胞，免疫反应的风险增加等。骨组织工程材料的构建可以一定程度地满足缺损骨再生的基本要求，同时尽可能避免与人类组织移植相关的并发症。因此，通过骨组织工程手段治疗大段骨缺损是未来的趋势，也是当前临床研究的热点和难点。

有研究表明，物理刺激(如拉伸和压缩应力、流体剪切应力及热刺激等)能够显著促进成骨再生和骨折愈合。磁场刺激可以显著改善骨修复和再生，有助于增强种植体与宿主组织的结合，增加新生骨的密度，加速缺损的愈合。相关报道称，磁场对骨折愈合、脊柱融合、骨关节炎和伤口愈合都有促进作用，且能够与生长因子或药物联合应用，实现协同效应，显著增强骨再生。此外，磁场与含磁性纳米颗粒的组织工程材料联合应用，磁力诱导下细胞的理化学性质和内吞作用改变，可以显著提高细胞行为，促进细胞增殖并增加成骨细胞活性，从而提高骨再生能力，同时剪切应力和张力作用于内皮细胞上的机械传感器还可以刺激局部血管生成。因此，磁疗作为一种无创、安全、简便的方法，为损伤部位疼痛、炎症等疾病的治疗提供了一项可行的手段。

磁响应组织工程材料的驱动通常是通过施加磁场来实现的，包括静磁场、脉冲电磁场、旋转磁场和交变电磁场，目前在骨组织工程材料开发领域研究最多的通常是静磁场和脉冲电磁场。其中静磁场可以通过简单地使用永磁铁进行组织刺激，不需要动力装置，这使得长期的静磁场刺激促进骨愈合是可行的，在临床应用中更具备优势。考虑到磁场源应位于植入部位内部或周围，越来越多的磁响应动物实验装置被设计发明。目前常见的实验装置通常采用两种磁场发生方式，一种在整个饲养笼内外加磁场，这样可以保证实验动物在饲养笼内保持正常的活动状态，但在其活动过程中作用于局部含磁性纳米粒颗粒的组织工程材料的磁场方向不断变化，可能对实验结果造成一定程度的干扰；另一种方式是在外加磁场的套筒样结构中固定实验动物，在确保作用于磁化材料的磁场方向固定一致的情况下使实验动物失去了自由活动的能力，不符合实验动物伦理，且限制实验动物活动后可能继发废用性骨质疏松症，干扰磁场介导的成骨效果观测。因此，设计发明一种能够固定磁场方向且不影响实验动物正常活动的实验装置在磁响应组织工程材料的研究中是十分必要的。

发明内容

为了克服现有外加磁场的动物实验装置无法在实验动物自由活动状态下始终保持磁场方向一致的不足，本发明提供一种局部外加恒定方向磁场的动物实验装置，该装置不仅能保证在实验动物自由活动过程中外加磁场的方向始终一致，且可以根据实际实验需要更换磁铁以实现不同强度的磁场作用。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种局部外加恒定方向磁场的动物实验装置，包括第一固定单元、第二固定单元、以及设于第一固定单元和第二固定单元之间的中空圆柱形磁铁；

所述第一固定单元和第二固定单元呈上下镜像对称，每个固定单元包括环形固定板、以及与环形固定板相连的空心圆柱；所述环形固定板上设有第一克氏针、第二克氏针和四个用于固定两个克氏针的固定螺钉；两个固定单元均通过第一克氏针和第二克氏针固定在实验动物相应部位(即待修复部位)的骨性结构上，所述中空圆柱形磁铁的两端嵌套于第一固定单元和第二固定单元的空心圆柱部分以实现固定。中空圆柱形磁铁内部磁场由一端向另一端平行长轴发生。所述中空圆柱形磁铁可根据实际实验需求更换不同强度永磁铁。

上述技术方案中，进一步地，所述环形固定板沿径向设有两个互相垂直的管型通道，用于穿过第一克氏针和第二克氏针；所述的第一克氏针和第二克氏针从所述环形固定板中间穿过，操作过程中需避免损伤实验动物骨骼四周的动静脉主干；第一克氏针和第二克氏针不在同一水平面上，避免操作过程中相互干扰；环形固定板上方正对内部管型通道的部分设有四个螺孔，通过旋入四枚固定螺钉压紧克氏针，起固定作用，确保装置在位不易滑脱。

更进一步地，第一克氏针和第二克氏针两端伸出环形固定板的部分在操作完成后向一侧折弯，防止克氏针松动横向偏移，同时使用钢丝缠绕固定，进一步加固装置。

一种局部外加恒定方向磁场的动物实验装置的使用方法，采用上述装置实现，固定单元用于固定实验动物局部骨性结构，中空圆柱形磁铁提供方向恒定的外加磁场。使用时，将第一固定单元套入实验动物待操作的部位，用第一克氏针和第二克氏针分别刺入相应部位的皮肤和肌肉，贯穿骨骼后从对侧穿出，并通过拧紧四个固定螺钉压住第一克氏针和第二克氏针、折弯克氏针伸出环形固定板部分并使用钢丝缠绕进一步加固；随后套入中空圆柱形磁铁和第二固定单元，按上述第一固定单元的固定方式来固定第二固定单元。

本发明的有益效果是：

本发明通过将中空圆柱形磁铁固定于实验动物局部骨性结构，使实验动物在具备正常活动功能的情况下保持作用于局部磁响应组织工程材料的磁场方向恒定，避免磁场方向改变对实验结果造成干扰。

本发明具备可调节性，应用范围广泛。施加装置的实验对象可选择大鼠的尾椎或股骨，以及新西兰兔的股骨或胫骨等长骨结构；也可以通过拆卸装置，根据实验设计的实际需要更换不同强度的永磁铁。此外，除了用于研究促进局部骨修复的磁响应组织工程材料外，本发明装置也可应用于促进尾椎椎间盘修复的磁响应组织工程材料研究及含磁性纳米颗粒的尾椎融合术后外植物材料的研究等。

附图说明

图1为本发明一种实施方式的整体结构示意图。

图2为本发明一种实施方式的固定单元俯视图。

图3为本发明一种实施方式的固定单元正视图。

图4为本发明一种实施方式的固定螺钉压于克氏针上方的结构示意图。

图5为本发明一种实施方式的固定单元及中空圆柱形磁铁结构正视图。

图6为本发明一种实施方式的结构沿第一克氏针的剖面图。

图7为本发明一种实施方式的中空圆柱形磁铁结构图及磁感线示意图。

图8为本发明一种实施方式的动物实验实际应用示意图。

其中，第一固定单元1、第二固定单元2、固定螺钉3、第一克氏针4、第二克氏针5、中空圆柱形磁铁6。

具体实施方式

如图1-5所示为本发明的一种局部外加恒定方向磁场的动物实验装置，包括第一固定单元1、第二固定单元2、以及设于第一固定单元1和第二固定单元2之间的中空圆柱形磁铁6；

所述第一固定单元1和第二固定单元2呈上下镜像对称，每个固定单元包括环形固定板、以及与环形固定板相连的空心圆柱；所述环形固定板上设有第一克氏针4、第二克氏针5和四个用于固定两个克氏针的固定螺钉3；两个固定单元均通过第一克氏针4和第二克氏针5固定在实验动物相应部位的骨性结构上，所述中空圆柱形磁铁6的两端嵌套于第一固定单元1和第二固定单元2的空心圆柱部分以实现固定。中空圆柱形磁铁6内部磁场由一端向另一端平行长轴发生。所述中空圆柱形磁铁6可根据实际实验需求更换不同强度永磁铁。

所述环形固定板沿径向设有两个互相垂直的管型通道，用于穿过第一克氏针4和第二克氏针5；所述的第一克氏针4和第二克氏针5从所述环形固定板中间穿过，避免在操作过程中损伤实验动物骨四周的血管；第一克氏针4和第二克氏针5不在同一水平面上，避免操作过程中相互干扰；环形固定板上方正对内部管型通道的部分设有四个螺孔，通过旋入四枚固定螺钉3压紧克氏针，起固定作用，确保装置在位不易滑脱。

第一克氏针4和第二克氏针5两端伸出环形固定板的部分在操作完成后向一侧折弯，防止克氏针松动横向偏移，同时使用钢丝缠绕固定，进一步加固装置。

以应用于磁响应组织工程材料促进大鼠尾椎骨缺损修复的研究为例，介绍本发明的装置的使用方法：

用2％戊巴比妥钠0.2ml/100g腹腔注射麻醉，固定大鼠，尾部用碘伏消毒。通过触诊和计数确定大鼠尾椎Co7、Co8、Co9椎骨所在位置，沿Co7至Co9椎体之间连线做背侧切口，拨开局部的皮肤和肌肉组织后用生理盐水冲洗，充分暴露Co8椎骨。用球形模钻制造3×3mm临界大小的骨缺损区域，根据实验设计填充入相应的含磁性纳米颗粒的组织工程材料。确保材料填充在位后用生理盐水轻轻冲洗术区，充分止血后，分层缝合。随后将大鼠尾椎插入第一固定单元1，以Co7椎体为中心分别刺入第一克氏针4和第二克氏针5，并从对侧穿出，用止血钳弯折两端伸出于固定单元的克氏针，使其向上弯折约60-100°。为了避免在操作过程中损伤大鼠尾椎上下左右四个方位的动静脉主干，第一克氏针4和第二克氏针5在使用时需从侧方倾斜45°刺入。旋紧克氏针上方的两个固定螺钉3，使其有螺纹的一端紧紧压住克氏针，并用钢丝分别缠绕固定四个方向的固定螺钉3和伸出于固定单元的克氏针，进一步加固，防止克氏针在大鼠后续活动过程中松动滑移。随后根据实验设计套入一定磁场强度的中空圆柱形磁铁6，再套入第二固定单元2。调节第二固定单元2的位置使其对准Co9椎体，以Co9椎体为中心分别刺入两个克氏针，两端弯折后用固定螺钉和钢丝缠绕固定。检查确认实验装置固定稳妥，中空圆柱形磁铁6不会滑脱，局部碘伏消毒后肌内注射抗生素，即完成全部操作。

本发明中未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。