一种在体外对胶原施加外力作用场的加载装置

1.本发明涉及生物医学组织工程体外培养领域，特别是涉及一种在体外对胶原施加外力作用场的加载装置。


背景技术：

2.胶原在细胞复杂生化信号的调控下，协调有序，逐级组装成结构、尺寸和功能精准特异的结构。不同组织中胶原纤维的数量和排布方式有很大差异，这些差异与器官和组织的功能特点相适应。(1)皮肤中胶原纤维的排列呈网状，相互结合成束，纵横交错与皮肤表面平行排列，具有伸缩性能；(2)骨单体中胶原纤维排列为同轴的圆柱体结构，在每个圆柱体中胶原纤维平行排列，相邻圆柱体中的胶原纤维以一定角度周期性旋转；(3)角膜组织是由大量与弧状表面平行的胶原纤维板层组成，每一板层厚度均匀且含大量平行排列、直径一致的胶原纤维，相邻板层的纤维排列呈垂直关系。角膜内的这种胶原纤维排列，形成了衍射光栅单元，使角膜具有光散射和透光性；(4)髓核纤维环同一层内纤维相互平行，相邻纤维层的纤维之间排列呈30
°‑
60
°
的交角，整个纤维环的外层纤维较垂直，越靠近中央纤维越倾斜，接近软骨终板时几乎呈水平排列，这种结构保证了在前屈、后伸、侧曲和扭转运动时脊柱的稳定性；(5)肌腱中胶原纤维互相平行，彼此紧密排布成束，胶原纤维呈线形、螺旋形或交叉方式，由纤维细胞基质腱内膜分隔成束，肌腱的力学性能依赖于胶原纤维的直径和方向，构造中具有很强的伸张力；(6)胶原纤维在软骨表面密集排列，呈切线位，与运动轴线平行。中间层内的胶原纤维粗大，与关节面呈斜行排列，相互交织成网状。放射层胶原纤维呈自下而上的放射状排列，垂直于软骨表面，这种结构与软骨的抗压性、抗张力性、膨胀性与渗透性有关。
3.相同的三螺旋状胶原单体在三维空间中以不同的方式进行排列组成特定粗细、长短和排列方向的结构，构成了生物物理性能与生物功能迥异的结缔组织，为活组织提供稳定性和独一无二的生物物理特征，这一过程与自组装过程中的力学微环境息息相关。因此，本专利从生物力学的角度出发，在体外无细胞的调控下，通过设计力学加载装置，对胶原自组装—降解过程施加均匀或非均匀应力应变场，从而探索胶原对力学微环境的力学传导机制，研究胶原逐级组装结构—属性—功能之间跨尺度的相互关系。
4.本技术研制一种可对聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,pdms)基底薄膜进行载荷施加的施力装置，可以在体外模拟生理条件下胶原所受应力应变场，使得胶原培养基底薄膜安装拆卸方便，且提高胶原培养基底薄膜的固定效果，此外，本装置可多次准确重复加载，允许长时间连续运行，观察检测方便，适用性强，是研究、比较组织工程培养物的理想装置，也可广泛运用于细胞工程的相关研究、实验工作。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种在体外对胶原施加外力作用场的加载装置，以解决上述现有技术存在的问题，能够实现在体外模拟生理条件下胶原所受应力应变场，一方面使得
胶原培养基底薄膜便于安装拆卸，另一方面可以使用不同大小的载荷进行加载，且可多次准确重复加载，允许长时间连续运行，观察检测方便，适用性强，是研究、比较组织工程培养物的理想装置，也可广泛运用于细胞工程的相关研究、实验工作。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种在体外对胶原施加外力作用场的加载装置，包括胶原培养基底薄膜，所述胶原培养基底薄膜顶端种植有胶原，
7.夹持部，包括四个夹持件，四个所述夹持件分别与所述胶原培养基底薄膜四个侧边一一对应，所述夹持件包括上夹具和下夹具，所述胶原培养基底薄膜位于所述上夹具与所述下夹具之间；
8.固定件，设置在所述上夹具底端，所述固定件将所述胶原培养基底薄膜固定在所述下夹具顶端；
9.安装件，设置在所述上夹具底端，所述上夹具通过所述安装件与所述下夹具可拆卸连接，所述安装件与所述固定件传动连接；
10.拉伸部，设置在所述胶原培养基底薄膜下方，所述拉伸部与所述下夹具传动连接。
11.优选的，所述上夹具内开设有空腔，所述固定件包括设置在所述空腔内的固定板，所述固定板穿过所述上夹具底端与所述胶原培养基底薄膜顶端抵接，所述固定板与所述上夹具滑动连接，所述上夹具顶端开设有凹槽，所述凹槽内设置有转杆，所述转杆穿过所述上夹具并伸入所述空腔内，所述转杆与所述上夹具转动连接，所述转杆上固接有把手和挤压杆，所述把手位于所述凹槽内，所述挤压杆位于所述空腔内，所述挤压杆远离所述转杆的一端与所述固定板顶端抵接。
12.优选的，所述固定板上固接有第一回板，所述第一回板位于所述空腔内，所述第一回板与所述上夹具底端设置有第一弹簧，所述第一弹簧两端分别与所述第一回板和所述上夹具底端内壁固接。
13.优选的，所述上夹具顶端开设有滑动槽，所述滑动槽上方设置有推板，所述推板底端固接有l型连板，所述l型连板通过所述滑动槽与所述上夹具滑动连接，所述l型连板末端伸入所述凹槽内，所述l型连板末端固接有阻挡板，所述转杆上开设有与所述阻挡板相匹配的豁口，所述转杆通过所述豁口和所述阻挡板进行限位。
14.优选的，所述安装件包括与所述上夹具固接的连接块，所述连接块位于所述上夹具远离所述胶原培养基底薄膜的一侧，所述下夹具上固接有两支板，两所述支板之间固接有一旋转杆，所述连接块套设在所述旋转杆上，且所述连接块与所述旋转杆转动连接，所述上夹具上固接有插杆，所述下夹具上开设有与所述插杆相匹配的插孔，所述上夹具通过所述插杆与所述下夹具可拆卸连接。
15.优选的，所述插孔内开设有两固定孔，所述插杆内滑动连接有运动板，所述运动板内穿设有直杆，所述直杆与所述运动板固接，所述转杆上固接有按压杆，所述按压杆末端与所述直杆顶端抵接，所述直杆底端固接有圆台，所述插杆内壁穿设有两挡块，所述挡块与所述插杆滑动连接，且所述挡块一端与所述圆台相适配，所述挡块另一端伸入所述固定孔内。
16.优选的，所述挡块上固接有第二回板，所述第二回板位于所述插杆内，所述挡块上套设有第二弹簧，所述第二弹簧两端分别与所述第二回板和所述插杆内壁固接。
17.优选的，所述拉伸部包括对所述胶原培养基底薄膜进行支撑的底座，所述底座侧壁固接有支撑杆，所述下夹具远离所述胶原培养基底薄膜的一侧转动连接有螺杆，所述螺
杆穿过所述支撑杆，且所述螺杆与所述支撑杆螺纹连接。
18.优选的，所述胶原培养基底薄膜顶端固接有围栏，所述胶原位于所述围栏内。
19.本发明公开了以下技术效果：
20.1.通过在胶原培养基底薄膜的四个侧面分别设置一夹持件，并通过夹持件对胶原培养基底薄膜四个侧面进行夹持，在四个方向上的夹持件均相同，每个独立的夹持件都能使胶原培养基底薄膜达到一倍以上的变形量，还能实现两个方向施加力的大小及基底薄膜变形量的精确控制，以进一步研究复合力对胶原体外自组装的影响。
21.2.通过固定件与安装件配合，便于胶原培养基底薄膜的安装与拆卸，且其对胶原培养基底薄膜的固定效果好，一方面操作简单，提高实验效率，另一方面固定效果好，提高实验精度。
22.3.通过手动控制拉伸部，可实现对胶原培养基底薄膜加载，通过控制胶原培养基底薄膜形变量大小来控制胶原受力学微环境。用于体外力学加载的持续性以及间歇性，能够定时、定量地研究不同力学环境对胶原体外自组装的影响。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
24.图1为加载装置的立体图；
25.图2为加载装置的俯视图；
26.图3为夹持部对胶原培养基底薄膜固定状态的立体图；
27.图4为夹持部解除对胶原培养基底薄膜固定状态的立体图；
28.图5为夹持件的侧视图；
29.图6为图5中a-a的剖视图；
30.图7为夹持件解除对胶原培养基底薄膜固定状态的结构示意图；
31.其中，1-胶原培养基底薄膜，2-上夹具，3-下夹具，4-空腔，5-固定板，6-凹槽，7-转杆，8-把手，9-挤压杆，10-第一回板，11-第一弹簧，12-滑动槽，13-推板，14-l型连板，15-阻挡板，16-豁口，17-连接块，18-支板，19-旋转杆，20-插杆，21-固定孔，22-运动板，23-直杆，24-按压杆，25-圆台，26-挡块，27-第二回板，28-第二弹簧，29-底座，30-支撑杆，31-螺杆，32-围栏，33-旋转钮。
具体实施方式
32.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
33.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
34.参照图1-7，本发明提供一种在体外对胶原施加外力作用场的加载装置，包括胶原培养基底薄膜1，胶原培养基底薄膜1顶端种植有胶原，夹持部，包括四个夹持件，四个夹持件分别与胶原培养基底薄膜1四个侧边一一对应，夹持件包括上夹具2和下夹具3，胶原培养基底薄膜1位于上夹具2与下夹具3之间；固定件，设置在上夹具2底端，固定件将胶原培养基底薄膜1固定在下夹具3顶端；安装件，设置在上夹具2底端，上夹具2通过安装件与下夹具3可拆卸连接，安装件与固定件传动连接；拉伸部，设置在胶原培养基底薄膜1下方，拉伸部与下夹具3传动连接。
35.在进行实验前，先对整体装置进行消毒，在进行实验时，首先将下夹具3安装在拉伸部上，随后将胶原培养基底薄膜1的四个侧边放置在下夹具3顶端，放置完毕后，旋转上夹具2并扣合在下夹具3上，待上夹具2扣合完毕后，拉动固定件，固定件带动安装件运动，一方面使得上夹具2与下夹具3连接固定，另一方面固定件对胶原培养基底薄膜1进行固定。随后记下初始位置，再将要培养观察的胶原溶液放置在胶原培养基底薄膜1中。通过目的载荷的大小计算拉伸部的移动的距离，调节拉伸部，让拉伸部带动下夹具3从而带动胶原培养基底薄膜1达到工作距离后停止调节，这样便给了胶原培养基底薄膜1持续、恒定的外加载荷，在体外对胶原施加单向/双向均匀/不均匀外力作用场。待实验完毕后，复位固定件，使得固定件不再对胶原培养基底薄膜1固定，同时上夹具2与下夹具3解除固定，随后可对胶原培养基底薄膜1进行更换。
36.进一步优化方案，上夹具2内开设有空腔4，固定件包括设置在空腔4内的固定板5，固定板5穿过上夹具2底端与胶原培养基底薄膜1顶端抵接，固定板5与上夹具2滑动连接，上夹具2顶端开设有凹槽6，凹槽6内设置有转杆7，转杆7穿过上夹具2并伸入空腔4内，转杆7与上夹具2转动连接，转杆7上固接有把手8和挤压杆9，把手8位于凹槽6内，挤压杆9位于空腔4内，挤压杆9远离转杆7的一端与固定板5顶端抵接。当需要对胶原培养基底薄膜1进行固定时，拉动把手8，把手8带动转杆7旋转，转杆7带动空腔4内的挤压杆9旋转，使得挤压杆9挤压固定板5，从而通过固定板5对胶原培养基底薄膜1进行挤压固定，防止在拉伸过程中与上夹具2和下夹具3脱离。
37.进一步优化方案，固定板5上固接有第一回板10，第一回板10位于空腔4内，第一回板10与上夹具2底端设置有第一弹簧11，第一弹簧11两端分别与第一回板10和上夹具2底端内壁固接。第一回板10和第一弹簧11配合，使得挤压杆9不对固定板5进行挤压时，固定板5可自动解除对胶原培养基底薄膜1的固定。
38.进一步优化方案，上夹具2顶端开设有滑动槽12，滑动槽12上方设置有推板13，推板13底端固接有l型连板14，l型连板14通过滑动槽12与上夹具2滑动连接，l型连板14末端伸入凹槽6内，l型连板14末端固接有阻挡板15，转杆7上开设有与阻挡板15相匹配的豁口16，转杆7通过豁口16和阻挡板15进行限位。由于把手8拉动后容易出现自动复位的问题，因此在转杆7上开设豁口16，当需要转动把手8时，推板13带动l型连板14前移，使得阻挡板15不影响转杆7的正常转动，当把手8调节完毕后，推动推板13，使得阻挡板15通过豁口16与转杆7接触，由于转杆7存在一个复位的作用力，使得转杆7挤压阻挡板15，且不能继续转动，此时胶原培养基底薄膜1被固定，当需要解除胶原培养基底薄膜1的固定时，仅需要移动阻挡板15离开豁口16即可。
39.进一步优化方案，安装件包括与上夹具2固接的连接块17，连接块17位于上夹具2
远离胶原培养基底薄膜1的一侧，下夹具3上固接有两支板18，两支板18之间固接有一旋转杆19，连接块17套设在旋转杆19上，且连接块17与旋转杆19转动连接，上夹具2上固接有插杆20，下夹具3上开设有与插杆20相匹配的插孔，上夹具2通过插杆20与下夹具3可拆卸连接。在旋转杆19与连接块17的配合下，使得上夹具2可以相对于下夹具3转动，一方面便于胶原培养基底薄膜1放置在下夹具3的顶端，另一方面便于上夹具2对胶原培养基底薄膜1进行固定。
40.进一步优化方案，插孔内开设有两固定孔21，插杆20内滑动连接有运动板22，运动板22内穿设有直杆23，直杆23与运动板22固接，转杆7上固接有按压杆24，按压杆24末端与直杆23顶端抵接，直杆23底端固接有圆台25，插杆20内壁穿设有两挡块26，挡块26与插杆20滑动连接，且挡块26一端与圆台25相适配，挡块26另一端伸入固定孔21内。需要对胶原培养基底薄膜1进行固定时，旋转上夹具2，使得插杆20进入插孔内，随后实验人员一手按压上夹具2顶端和下夹具3底端，另一手拉动把手8，此时转杆7旋转时，其带动按压杆24转动，使得按压杆24按压直杆23，直杆23向下运动，通过圆台25挤压两挡块26，使得两挡块26进入固定孔21内，从而实现上夹具2与下夹具3的固定，随后即可松开上夹具2与下夹具3。
41.进一步优化方案，挡块26上固接有第二回板27，第二回板27位于插杆20内，挡块26上套设有第二弹簧28，第二弹簧28两端分别与第二回板27和插杆20内壁固接。第二弹簧28的存在，当按压杆24不再挤压直杆23时，两挡块26复位并离开固定孔21，使得上夹具2可以与下夹具3分离。
42.进一步优化方案，拉伸部包括对胶原培养基底薄膜1进行支撑的底座29，底座29侧壁固接有支撑杆30，下夹具3远离胶原培养基底薄膜1的一侧转动连接有螺杆31，螺杆31穿过支撑杆30，且螺杆31与支撑杆30螺纹连接。
43.本发明的一个实施例中，螺杆31与下夹具3连接处优选使用深沟球轴承，其连接效果较好。
44.本发明的一个实施例中，螺杆31末端固接有旋转钮33。旋转钮33的存在，便于对螺杆31进行旋转。
45.进一步优化方案，胶原培养基底薄膜1顶端固接有围栏32，胶原位于围栏32内。胶原培养基底薄膜1表面培养胶原，与普通细胞培养基底薄膜不同的是，此基底薄膜的制成需要特殊的模具使胶原培养基底薄膜1上有能够防止胶原溶液流动的“围栏”并与胶原培养基底薄膜1成为一个整体，并在实验中随胶原培养基底薄膜1共同变形。
46.使用原理：
47.在进行实验前，先对整体装置进行杀毒，在进行实验时，首先将下夹具3通过深沟球轴承安装在螺杆31上，随后将胶原培养基底薄膜1的四个侧边放置在下夹具3顶端，放置完毕后，旋转上夹具2并扣合在下夹具3上，待上夹具2扣合完毕后，拉动把手8，把手8带动转杆7旋转，转杆7带动空腔4内的挤压杆9旋转，使得挤压杆9挤压固定板5，从而通过固定板5对胶原培养基底薄膜1进行挤压固定，同时，转杆7旋转时，其带动按压杆24转动，使得按压杆24按压直杆23，直杆23向下运动，通过圆台25挤压两挡块26，使得两挡块26进入固定孔21内，待胶原培养基底薄膜1固定完毕后，记下初始位置，再将要培养观察的胶原溶液放置在胶原培养基底薄膜1中。通过目的载荷的大小计算拉伸部的移动的距离，旋转螺杆31，让螺杆31带动下夹具3从而带动胶原培养基底薄膜1达到工作距离后停止调节，这样便给了胶原
培养基底薄膜1持续、恒定的外加载荷，在体外对胶原施加单向/双向均匀/不均匀外力作用场。待实验完毕后，复位固定件，使得固定件不再对胶原培养基底薄膜1固定，同时上夹具2与下夹具3解除固定，随后可对胶原培养基底薄膜1进行更换。
48.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
49.以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。