用于椎间盘髓核组织仿生培养的静水压生物反应器

技术领域

本发明涉及组织仿生培养领域，特别涉及一种用于椎间盘髓核组织仿生培养的静水压生物反应器。

背景技术

椎间盘是连接脊柱椎体之间的软组织关节，主要起到连接椎体、缓冲应力负荷以及提供一定的脊柱活动度的作用，完整的椎间盘关节由终板软骨、纤维环及髓核三部分构成。研究表明，椎间盘退变始于髓核，髓核退变所引起的椎间盘突出、椎间隙狭窄是椎间盘退行性疾病发生、发展的最重要的始动因素。因此，在体外模拟髓核组织的生物学环境对于研究髓核退变及再生机制、构建组织工程髓核具有极大的研究意义及临床价值。髓核组织处于椎间盘中央位置，位于由上、下终板软骨及四周环形的纤维环包裹形成一个密闭腔室内，髓核细胞外基质主要由亲水性糖胺多糖和部分胶原纤维构成，丰富的亲水性细胞外基质使得髓核细胞处于一种静水压状态中，静水压是一种由液体传导应力的“万向”压强负荷状态，当脊柱负重髓核组织腔内静水压可处于正压状态，而当处于脊柱拉伸状态髓核组织静水压可处于负压状态。而现有的用于椎间盘离体培养的生物反应器装置多为机械压传导装置，是将离体椎间盘直接置于机械压盘之间轴向施加机械压力，由于椎间盘在人体内受到脊柱肌肉及软组织包绕，其受到多方向的复杂负荷机械力学作用，单纯轴向机械压难以准确模拟其生理状态下力学环境，并且对于椎间盘内部髓核组织的压力状态更是难以准确定量。

现有公开的组织培养装置有以下几类：

①专利号CN200810232868.9的《组织工程组织仿生培养的模拟人体生理应力的施力装置》，该类组织培养装置施加机械压应力的压盘直接与组织表面接触，不能有效模拟椎间盘髓核组织的力学微环境。

②专利号CN201210401945.5的《用于组织工程的可控液压生物反应器》，该类反应器采用气体加压方式和可控卸压技术，利用柔性隔膜使加压系统与培养系统分离，通过气体加压使培养液产生液压，对培养物提供压力刺激，避免引起培养物的机械变形。然而，这类反应器因采用高压气瓶提供气压，通过柔性隔膜对培养液施压，受柔性隔膜的影响，压应力的正压或负压状态不能得到精确调控，并且采用高压气瓶提供气压，培养腔内压力为5Mpa，每次施压需保压30分钟，无法形成脉冲式水压，不能有效建立适于模拟椎间盘髓核组织的生理环境，尤其是这种5Mpa高压强负荷并不符合髓核组织的0.15-3MPa压强的生理环境。

而且，现有的生物反应器多为金属罐体，无可视化观察窗，精细调控压力值能力差，不利于培养过程中组织状态观察，并且循环培养液的进水口设置在培养腔内，位于放置的培养组织附近，水流冲击会破坏培养环境。

鉴于椎间盘髓核组织的特性，目前在组织仿生培养领域尚无适合于椎间盘髓核组织仿生培养的装置。

发明内容

本发明的目的是针对现有组织培养生物反应器存在的不足，提供一种用于椎间盘髓核组织仿生培养的静水压生物反应器，它能模拟椎间盘髓核组织的生理环境，能有效培养椎间盘髓核组织。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种用于椎间盘髓核组织仿生培养的静水压生物反应器，包括底座、上盖，以及位于底座和上盖之间的培养室，所述培养室与底座、上盖连接固定，其特征在于：所述底座上端设置一凹腔，一组织载台位于培养室下部内与底座固定连接，组织载台的下端与凹腔腔底之间留有培养液交换腔，所述组织载台为台阶结构，下端为大径端，上端为小径凸台，所述小径凸台的上端面设有若干供培养液通过的水平凹槽，所述大径端上环绕小径凸台圆周分布多个将培养液交换腔与培养室连通的过液通道，所述底座上分别设置进液孔和出液孔与培养液交换腔贯通，进液孔、出液孔分别由阀门控制，所述培养室内设置一施压活塞，该施压活塞位于组织载台上方，所述施压活塞的活塞杆穿过上盖与一用于连接施力装置的连接头连接，所述培养室壳体为透明体。

所述上盖的上端设有凹腔，凹腔上设有一波纹硅胶罩，波纹硅胶罩的下端与上盖固定连接，上端与活塞杆或连接头固定连接，凹腔的侧壁设有调压孔。

所述调压孔中设有空气过滤网，或者设置压力平衡阀。

所述培养室包括加强支架，所述加强支架由上连接环、下连接环，以及位于上、下连接环之间的至少两根立柱构成，所述培养室壳体固定在加强支架中，上盖通过螺纹与加强支架的上连接环连接固定，底座通过螺栓与加强支架的下连接环连接固定。

所述底座上的进液孔、出液孔均设有安装进液管、出液管的内螺纹。

所述进液管、出液管上分别设置阀门。

采用上述方案，在底座和上盖之间设置培养室，在底座上端设置一凹腔，一组织载台位于培养室下部内与底座固定连接，组织载台的下端与凹腔腔底之间留有培养液交换腔，所述组织载台为台阶结构，下端为大径端，上端为小径凸台，所述小径凸台的上端面设有若干供培养液通过的水平凹槽，这些水平凹槽能够在把培养组织放置在组织载台上端面后，使培养液进入水平凹槽中与培养组织的下端接触，为培养组织提供营养，避免培养组织底部的细胞因得不到充足的营养而坏死；同时，静水压可通过凹槽内培养液传导至组织底面，使得培养环境更加仿生。在大径端上环绕小径凸台圆周分布多个将培养液交换腔与培养室连通的过液通道，底座上分别设置进液孔和出液孔与培养液交换腔贯通，进液孔、出液孔分别由阀门控制，更换培养液时，进入培养室的新鲜培养液不对培养组织形成冲击，避免冲击力破坏培养环境。在培养室内设置一施压活塞，该施压活塞位于组织载台上方，所述施压活塞的活塞杆穿过上盖与一用于连接施力装置的连接头连接，当培养室内注满培养液关闭进液孔、出液孔的阀门后，通过施力装置驱动施压活塞往复运动，使培养室内的培养液体积压缩对培养组织产生静水状态下的正压，或培养液体积扩大对培养组织产生静水状态下的负压，由此形成对培养组织的脉冲式正、负压刺激，尤其是培养室内的负压环境，更有利于模拟脊柱牵拉状态时髓核腔内的负压状态，为所培养的椎间盘髓核组织提供模拟仿生的生理环境，有效促进椎间盘髓核组织的生长。而培养室壳体为透明体，利于观察组织培养情况。

本发明能够准确模拟椎间盘髓核组织的静水压力学环境，可进行长时间髓核组织离体培养，并且结构简单、小巧，制作方便，易于推广应用。

附图说明

图1为本生物反应器的外部结构图；

图2为图1的A-A向剖视图；

图3为底座结构示意图；

图4为组织载台的结构示意图；

图5为加强支架的结构示意图。

具体实施方式

参见图1至图5，一种用于椎间盘髓核组织仿生培养的静水压生物反应器，包括底座5、上盖3，以及位于底座和上盖之间的培养室4，所述培养室4与底座5、上盖3连接固定。本实施例的所述培养室包括加强支架6，所述加强支架6由上连接环6a、下连接环6b，以及位于上、下连接环之间的两根或三根立柱6c构成，加强支架6为一体结构。所述加强支架6和上盖3、底座5可用金属或高强度塑料制作，所述培养室壳体粘接或卡紧固定在加强支架6中，上盖3通过螺纹与加强支架6的上连接环6a连接固定，底座5通过螺栓与加强支架6的下连接环6b连接固定。所述底座5上端设置一凹腔5a，一组织载台7位于培养室4下部内与底座5固定连接，所述凹腔5a设置成阶梯状，组织载台7的下端与凹腔腔底之间留有培养液交换腔8，所述组织载台7为台阶结构，下端为大径端，上端为小径凸台7a，所述小径凸台7a的上端面设有若干供培养液通过的水平凹槽7b，所述大径端上环绕小径凸台7a圆周分布多个将培养液交换腔与培养室连通的过液通道7c，组织载台7的大径端上设置定位凸缘7d，所述底座5上凹腔5a设置阶梯槽，组织载台7的定位凸缘7d下端由阶梯槽的台阶限位，上端由加强支架6压住固定，便于装配、拆卸，定位凸缘7d与加强支架6的下连接环6b之间设有密封垫。所述底座5上分别设置进液孔13和出液孔14与培养液交换腔8贯通，本实施例的进液孔13和出液孔14分别位于培养液交换腔8侧壁，可在更换培养液时流体形成缓冲，培养液缓慢从过液通道逐渐进入培养室内，避免冲击流造成旋流导致培养组织发生移位。所述进液孔13、出液孔14分别由阀门控制。所述底座5上的进液孔、出液孔均设有安装进液管、出液管的内螺纹，进液管、出液管通过螺纹对应连接在进液孔、出液孔，所述进液管、出液管上分别设置阀门（为图示）。所述培养室4内设置一施压活塞9，该施压活塞9位于组织载台7上方，所述施压活塞9的活塞杆10穿过上盖3与一用于连接施力装置的连接头1连接，该施力装置采用直线电机，连接头与直线电机之间设有压力传感器，压力传感器、直线电机与控制器点连接（为图示）。所述培养室壳体为透明体，可采用透明亚克力材料制作。

本发明不局限于上述实施例，所述上盖3的上端还设有凹腔11，凹腔11上设有一波纹硅胶罩2，波纹硅胶罩2的下端与上盖3固定连接，上端与活塞杆10或连接头1固定连接，凹腔11的侧壁设有调压孔12。所述调压孔12中设有空气过滤网，或者设置一压力平衡阀（为图示）。通过调压孔12可以保持波纹硅胶罩2内的压力平衡，使活塞9的往复运动不受阻碍。

使用本静水压生物反应器培养椎间盘髓核组织时，将椎间盘髓核组织20放置在组织载台7上，盖上上盖，使活塞位于培养室内上部，关闭出液孔，打开进液孔，通过蠕动泵向培养室内灌注培养液，直至培养液与活塞下端面接触，然后关闭进液孔，启动直线电机驱动活塞在培养室做往复运动，活塞下行时，使培养液压缩，压缩的培养液对椎间盘髓核组织产生正压应力，活塞上行时，培养液形成负压，对椎间盘髓核组织产生负压应力，正、负压形成脉冲频率，反复刺激椎间盘髓核组织，为椎间盘髓核组织仿生培养提供能准确模拟脊柱运动时椎间盘髓核组织在髓核腔内的正、负压状态，创造椎间盘髓核组织的生理环境。当培养液中的营养和氧气消耗一定程度后，即可打开出液孔，通过活塞下行，使废旧培养液从出液孔排出一部分，再关闭出液孔，打开进液孔，新鲜培养液在活塞上行时补充满培养室，完成换液。由于采用直线电机驱动活塞形成静水压，可以将压强控制在0.15-3Mpa内，以满足椎间盘髓核组织在髓核腔内的生理环境。

本静水压生物反应器针对离体髓核组织作为体外仿生培养对象，通过模拟静水压环境对髓核组织进行仿生培养，可以模拟髓核组织受到的仿生力学环境，对于体外构建组织工程髓核、研究椎间盘髓核退变机制以及探索髓核再生的力学诱导因素有着重要的实用价值。