用于制备微米级生物硬组织材料的恒低温研磨装置及方法与流程

1.本发明属于生物材料制备技术领域，尤其是涉及一种用于将骨、牙本质、牙釉质等生物硬组织材料加工成微米级粉末或颗粒的恒低温研磨装置及生物硬组织材料的制备方法。


背景技术：

2.生物硬组织材料(例如骨、牙本质、牙釉质等)已广泛应用于生命科学研究以及临床诊疗过程。与金属材料、无机材料以及高分子材料不同，生物硬组织材料由包括羟基磷灰石、胶原蛋白、蛋白聚糖以及水分在内的多种物质有序排列而成，具有天然生物活性，可有效促进生物硬组织的再生修复。低温冷冻处理是目前保持材料生物组织活性的重要策略。
3.在生命科学研究和临床应用过程中，通常需要在维持材料生物活性的前提下，将提取的块状生物材料制备至微米级尺寸加以应用。原因在于：一、随之生物材料尺寸的降低，材料的比表面积增加，可一定程度上提升材料的理化活性，从而有利于材料与生物体的相互作用；二、微米级粉末可以充分填补硬组织缺损部位，减少缺损部位形态与生物修复材料间的结构不匹配性；三、在科学研究过程中，制备均质微米级生物材料是包括光电子能谱、x射线衍射等实验在内的模型构建的要求和基础。
4.目前，在制备生物硬组织材料粉末时，首先将收集的硬组织生物材料制备为预定体积的立方块形态，然后每次将一定数量的生物硬组织块放置于球磨粉碎罐中，放置于装有液氮的保温器皿中冷冻预定时间。待粉碎罐表面结霜后取出，快速安置于研磨仪上进行研磨处理。由于研磨过程中球磨粉碎罐及内部的研磨球高速震动碰撞，产生大量热量，因此研磨过程中球磨粉碎罐温度会快速上升，通过观察粉碎罐表面，待白霜完全消失时立刻停止研磨。取出球磨粉碎罐观察研磨情况，若仍存在生物组织块，则重复上述步骤，直到将生物硬组织块完全研磨为粉末后，使用刮匙将其取出。取出的生物组织粉末再次置于-80℃进行冷冻保存后，放置于冷冻干燥机中进行冷冻干燥后制备出干燥的生物组织粉末。
5.然而，在上述过程中，由于生物硬组织材料在多个环节的处理过程中需要多次更换仪器装置，容易造成材料损失；同时，由于仅通过肉眼观察进行温度的定性评估，易导致研磨温度过高，破坏材料的生物活性；不仅如此，由于缺乏实时定量温度检测，因此在碾磨过程中无法实现对生物材料的全流程免疫原性控制，增加了其在生物组织应用中发生免疫排斥反应机率；此外，在研磨过程中可能的重复液氮冷冻处理增加了操作人员的受伤风险。


技术实现要素：

6.根据本发明的第1方面，公开了一种用于制备生物硬组织材料的恒低温研磨设备，该设备包括：球磨装置，用于将块状生物硬组织材料研磨成粉末或颗粒状生物硬组织材料，具有第一接口、第二接口以及第三接口；低温介质供应装置，具有介质输出口，该介质输出口与所述球磨装置的第一接口连接，用于向所述球磨装置输送低温介质，从而在所述球磨装置研磨过程中保持生物硬组织材料始终处于恒低温状态；低温干燥装置，具有材料输入
口，该材料输入口与所述球磨装置的第二接口连接，用于收集所述球磨装置制得的生物硬组织材料并在低温下对材料进行干燥；鼓风装置，具有气体输出口，该气体输出口与所述球磨装置的第三接口连接，用于通过气体压力将所述球磨装置制得的生物硬组织材料输送至所述干燥装置。
7.在其他的一些示例中，所述介质输出口或第一接口设有第一开关装置，用于控制所述介质输出口与第一接口之间的连通或截止；所述材料输入口或第二接口设有第二开关装置，用于控制所述材料输入口与第二接口之间的连通或截止；所述气体输出口或第三接口设有第三开关装置，用于控制连接所述气体输出口与第三接口之间的连通或截止。
8.在其他的一些示例中，所述球磨装置包括：罐体，该罐体为双层罐体，具有相互隔离的内外腔体，其中，外腔体与所述第一接口连接，所述第二接口、第三接口分别连接在该内腔体相对的两侧；以及驱动机构，用于驱动所述罐体振动，进而使放置在内腔体中的磨球对生物硬组织材料进行研磨。
9.在其他的一些示例中，所述罐体外壁设有温度传感器，用于检测外腔体内的温度；所述罐体外壁设有与外腔体连通的气体回收接口，用于将低温介质气化后产生的气体排出；其中，所述气体回收接口位于所述罐体外壁的顶部，所述温度传感器位于所述罐体外壁高度方向的中间部位且远离所述顶部气体回收接口。
10.在其他的一些示例中，所述介质输出口与第一接口之间、所述材料输入口与第二接口之间以及所述气体输出口与第三接口之间通过以下方式之一进行连接：(1)螺纹连接；(2)卡接；(3)通过连接装置连接。
11.在其他的一些示例中，所述球磨装置与低温介质供应装置、干燥装置以及鼓风装置之间均设有隔振机构。
12.在其他的一些示例中，所述介质输出口与第一接口之间、所述材料输入口与第二接口之间以及所述气体输出口与第三接口之间分别通过连接装置连接，所述隔振机构设置在连接装置上。
13.在其他的一些示例中，所述开关装置为手动插销或流量控制阀。
14.在其他的一些示例中，所述低温干燥装置为真空干燥收集箱，该真空干燥收集箱的材料收集腔由上至下设有隔离金属板以及多层筛网，所述筛网具有不同网孔大小，且位于上层的筛网网孔大小大于位于下层的筛网网孔大小。
15.根据本发明的第2方面，公开了一种用于制备生物硬组织材料的恒低温研磨方法，该方法包括：
16.将球磨装置的第一接口与低温介质供应装置的介质输出口机械连接，并通过第一开关装置将第一接口与介质输出口之间置于截止状态；将球磨装置的第二接口与干燥装置的材料输入口连接，并通过第二开关装置将第二接口与材料输入口之间置于截止状态；将球磨装置的第三接口与鼓风装置的气体输出口连接，并将第三接口与气体输出口置于截止状态；其中，所述球磨装置包括罐体以及用于驱动所述罐体振动的驱动机构，该罐体具有相互隔离的内外腔体，外腔体与所述第一接口连接，所述第二接口、第三接口分别连接在该内腔体相对的两侧；
17.依次开启球磨装置罐体外壁、内壁上的密闭门，将块状生物硬组织材料与磨球混合物加入内腔体，并依次将所述密闭门关闭，使内腔体、外腔体分别形成密封空间；
18.开启第一开关装置，使预定量低温介质进入外腔体，关闭第一开关装置；当检测外腔体内温度持续低于预设值预定时间后，启动球磨装置进行生物硬组织材料研磨；
19.研磨完成后，打开第二开关装置、第三开关装置，启动鼓风装置、干燥装置，利用气体压力将生物硬组织材料粉末或颗粒输送至所述干燥装置，对不同粒径的粉末或颗粒进行干燥及收集。
20.本发明通过连接装置将液氮冷冻体系与研磨装置相结合，并利用温度检测装置，能够实现在恒低温条件下的生物硬组织材料研磨处理，避免了生物硬质材料丧失活性。
21.同时，结合负压真空装置以及筛板同步实现生物材料的冷冻干燥处理和不同粒径粉末的筛选收集。
附图说明
22.图1为根据本发明实施例的生物硬组织材料低温研磨装置结构示意图；
23.图2为根据本发明实施例的研磨罐驱动机构结构示意图；
24.图3为根据本发明实施例的研磨罐细节结构示意图；
25.图4为根据本发明实施例的生物硬组织材料低温研磨方法流程示意图。
具体实施方式
26.以下，基于附图及实施例，对本发明公开的生物硬组织材料恒低温研磨设备及方法进行详细地描述，但本发明并不限定于这些实施例。
27.此外，应当注意，在使用了以下的附图来进行的说明中，附图是示意性的，各尺寸的比率等与实际不同，为了易于理解，除了说明中所必须的部件之外的图示将被适当省略。
28.本发明中的生物硬组织材料为组织结构复合体，包括羟基磷灰石、胶原蛋白、蛋白聚糖以及水分等多种物质，具有组织修复功能，例如可以是骨、牙本质、牙釉质等材料，这些材料可以应用于生命科学研究以及临床诊疗中。
29.如图1、图3所示，根据本发明的一种实施方式，公开了一种用于制备生物硬组织材料的恒低温研磨设备，该设备包括：球磨装置100，用于将块状生物硬组织材料研磨成粉末或颗粒状生物硬组织材料，具有第一接口j1、第二接口j2以及第三接口j3；低温介质供应装置200，具有介质输出口，该介质输出口与所述球磨装置的第一接口连接，用于向所述球磨装置输送低温介质，从而在所述球磨装置研磨过程中保持生物硬组织材料始终处于恒低温状态；低温干燥装置300，具有材料输入口，该材料输入口与所述球磨装置的第二接口连接，用于收集所述球磨装置制得的生物硬组织材料并在低温下对材料进行干燥；鼓风装置400，具有气体输出口，该气体输出口与所述球磨装置的第三接口连接，用于通过气体压力将所述球磨装置制得的生物硬组织材料输送至所述干燥装置。
30.参照图2和图3，根据本发明的实施例，所述球磨装置包括罐体101，该罐体为双层罐体，由通过连接结构(例如板、筋或壁结构)连接为一体的内壁和外壁构成，所述内壁限定一内腔体1011，所述内壁与外壁之间限定一外腔体1012，所述内腔体1011与外腔体相隔离。
31.在一些示例中，该罐体为圆筒形或球形，例如由圆筒形外壁和圆筒形内壁连接而成。
32.所述内壁设有与内腔体连通的第一开口1013以及用于封闭该第一开口的第一密
闭门。所述外壁设有与外腔体连通的第二开口1014以及用于封闭该第二开口的第二密闭门。所述第一开口1013与第二开口1014对应设置，例如，具有相同的中心轴线且开口方向相同。通过所述第一开口1013与第二开口1014，操作人员可以将块状生物硬组织材料与磨球m混合物加入到内腔体1011中。
33.优选地，所述第二开口1014尺寸大于所述第一开口1013尺寸。这里，根据开口的形状，例如圆形、方形等，尺寸可以指面积、直径、边长等。
34.如图1和图3所示，所述第一接口设置在罐体外壁上，并与所述外腔体1012连通。所述第二接口、第三接口相对设置在罐体外壁上的两侧，且分别穿过所述外壁与所述内腔体1011的一侧连通。
35.通过所述第一接口，所述低温介质供应装置200向所述球磨装置输送低温介质，从而在所述球磨装置研磨过程中保持生物硬组织材料始终处于恒低温状态。当生物硬组织材料研磨完成后，鼓风装置400通过所述第三接口利用气体压力将所述球磨装置制得的生物硬组织材料经由所述第二接口输送至所述低温干燥装置300。
36.本发明中，所述罐体101安装在框架102上，该框架与驱动机构连接，该驱动机构用于驱动所述罐体振动，进而使放置在内腔体中的磨球对生物硬组织材料进行研磨。在一些示例中，所述驱动机构包括振动电机103，该振动电机103通过振动轴103与所述框架102连接。当所述振动电机104以预定转速转动时，通过振动轴103带动罐体101振动，进而使内腔体中的磨球对生物硬组织材料进行研磨，得到生物硬组织材料粉末或颗粒。
37.所述介质输出口或第一接口设有第一开关装置10，用于控制所述介质输出口与第一接口之间的连通或截止。该第一开关装置可以是手动插销、插板等隔断机构，或者采用流量控制阀，该流量控制阀可以采用手动控制，可以采用下文描述的方式进行自动控制。当该开关装置10处于打开状态时，低温介质供应装置200中的低温介质可以经由所述介质输出口、第一接口向球磨装置100输送。当该开关装置10处于关闭状态时，由低温介质供应装置200向球磨装置100输送的低温介质流被截止。此外，通过控制插销插入的距离或控制流量控制阀的开度，能够对向球磨装置100输送的低温介质流量进行控制。
38.所述材料输入口或第二接口设有第二开关装置20，用于控制所述材料输入口与第二接口之间的连通或截止。该第二开关装置20可以采用插销、插板等隔断机构，并可以通过手动或自动方式进行开闭操作。当该开关装置20处于打开状态时，球磨装置100中的生物硬组织材料粉末或颗粒可以经由所述第二接口、材料输入口向低温干燥装置300输送。当该开关装置20处于关闭状态时，球磨装置100与低温干燥装置300之间的材料通路被封闭。
39.所述气体输出口或第三接口设有第三开关装置30，用于控制连接所述气体输出口与第三接口之间的连通或截止。当该开关装置30处于打开状态时，利用鼓风装置400产生的气体压力将所述球磨装置制得的生物硬组织材料经由所述第二接口输送至所述低温干燥装置300。当该开关装置30处于关闭状态时，鼓风装置400与球磨装置之间的气体通路被封闭。
40.如图3所示的示例中，第一开关装置10设置在介质输出口上，第二开关装置20设置在第二接口上，第三开关装置30设置在第三接口上。本发明中，通过将该设备采用模块化设计，并将用于控制生物硬组织材料的开关装置集成在球磨模块上，将用于控制低温介质的开关装置设置在低温介质供应装置200上，从而使得各模块在设计制造方面具有一致性，并
且便于设备组装及维修。例如，集成有第一开关装置10的低温介质供应装置200能够作为独立单元进行低温介质的灌装、存储及转送，并且在开关装置关闭的状态下，方便与球磨装置100进行组装连接。
41.在研磨过程中，磨球与生物硬组织材料及磨球进行挤压、摩擦会产生热量，过高的温度会导致生物硬组织材料丧失活性，而过量的低温介质的使用不仅会延长材料研磨时间，也会导致低温介质浪费。为避免出现该问题，本发明中，在所述罐体101外壁设有温度传感器105，用于检测外腔体内的温度。根据检测的外腔体温度，可以估计内腔体内(也即生物硬组织材料)的温度。例如，t
内
＝t
外-δ，其中δ根据经验或通过实验确定。通过上述结构，可以在满足温度检测精度要求的情况下，简化温度检测装置的安装结构。
42.进一步地，本发明中，所述罐体101外壁设有与外腔体连通的气体回收接口106，用于将低温介质气化后产生的气体排出或回收。
43.在一些示例中，所述气体回收接口106位于所述罐体101外壁的顶部，所述温度传感器105位于所述罐体101外壁高度方向的中间部位且远离顶部的气体回收接口。通过上述结构，最大限度地避免了低温介质气化的气体对温度传感器的影响，使得到的温度检测值更接近实际值，提高了温度检测的准确性。
44.本发明中，所述介质输出口与第一接口之间，所述材料输入口与第二接口之间，以及所述气体输出口与第三接口之间，通过以下方式之一进行连接：(1)螺纹连接；(2)卡接；(3)通过连接装置连接。
45.在一些示例中，所述介质输出口与第一接口之间，所述材料输入口与第二接口之间，以及所述气体输出口与第三接口之间，分别通过连接机构连接，并且所述连接机构具有隔振单元。从而，将球磨装置100与低温介质供应装置200、低温干燥装置300以及鼓风装置400之间通过隔振机构连接，避免球磨装置100研磨时产生的振动影响其他装置。
46.可选地，所述的连接机构例如可以是螺纹连接器、卡接连接器等管连接件。所述隔振单元为柔性件，例如橡胶弹性件、金属波纹管等。
47.进一步地，所述球磨装置100还包括外部壳体107，所述第一接口、第二接口、第三接口从该壳体107伸出，以方便与低温介质供应装置200、低温干燥装置300以及鼓风装置400进行连接。
48.本发明中，所述低温介质供应装置200包括低温介质容器201，用于存储低温介质。
49.本发明中，所述低温干燥装置300为真空干燥收集箱。该真空干燥收集箱的材料收集腔由上至下设有隔离金属板301以及多层筛网302，所述筛网302具有不同网孔大小，且位于上层的筛网网孔大小大于位于下层的筛网网孔大小。在一些示例中，也可以省略所述隔离金属板301。通过所述筛网，可以实现对不同粒径大小生物硬质组织粉末或颗粒的筛选收集。
50.所述低温干燥装置300还包括制冷设备303，用于将低温干燥装置中的生物硬组织材料粉末或颗粒保持在恒定的预定低温状态下。
51.本发明中，所述低温介质例如可以是液氮。
52.本发明，内腔体、各管路、接口、连接机构的内壁均为光滑金属壁或金属镀层，以减少材料残留。
53.进一步地，该研磨设备还包括控制主机500，该控制主机500包括控制单元501以及
显示单元502，该控制单元与所述振动电机、鼓风装置及温度传感器连接。此外，所述控制单元也可以与所述开关装置中的一个或几个连接，以控制开关装置的通断状态。
54.所述显示单元502用于显示设备的工作参数，例如研磨腔温度、开关装置状态、振动电机转速、研磨时间等。
55.以下对采用上述设备制备生物硬组织材料粉末或颗粒的恒低温研磨方法进行具体描述。如图4所示，该方法包括如下步骤：
56.步骤1、组装恒低温研磨设备；
57.将球磨装置的第一接口与低温介质供应装置的介质输出口机械连接，并通过第一开关装置将第一接口与介质输出口之间置于截止状态；将球磨装置的第二接口与干燥装置的材料输入口连接，并通过第二开关装置将第二接口与材料输入口之间置于截止状态；将球磨装置的第三接口与鼓风装置的气体输出口连接，并将第三接口与气体输出口置于截止状态；其中，所述球磨装置包括罐体以及用于驱动所述罐体振动的驱动机构，该罐体具有相互隔离的内外腔体，外腔体与所述第一接口连接，所述第二接口、第三接口分别连接在该内腔体相对的两侧；
58.步骤2、填充原材料及磨球；
59.依次开启球磨装置罐体外壁、内壁上的密闭门，将块状生物硬组织材料与磨球混合物加入内腔体，并依次将所述密闭门关闭，使内腔体、外腔体分别形成密封空间；
60.步骤3、在预定温度下降原材料冷冻预定时间后开启研磨；
61.开启第一开关装置，使预定量低温介质进入外腔体，关闭第一开关装置；当检测外腔体内温度持续低于预设值预定时间后，启动球磨装置进行生物硬组织材料研磨；
62.步骤4、对研磨的材料粉末或颗粒进行干燥收集；
63.研磨完成后，打开第二开关装置、第三开关装置，启动鼓风装置、干燥装置，利用气体压力将生物硬组织材料粉末或颗粒输送至所述干燥装置，对不同粒径的粉末或颗粒进行干燥及收集。
64.上述步骤中，研磨前冷冻时，当显示温度低于预定温度，例如-80℃条件下，控制振动电机根据设定转速和时间，开始进行研磨处理。在研磨过程中，实时检测罐体内材料温度，当温度高于-80℃时，打开第一开关装置10，添加低温介质，全程控制研磨主体温度低于-80℃。
65.待研磨完成，打开第二开关装置20和第三开关装置30，控制单元启动鼓风装置，利用风力将粉末或颗粒统一收集至真空干燥收集箱。
66.待收集完成后，关闭第二开关装置20，启动真空干燥收集箱，用以对不同目数的粉末进行处理和筛分收集。
67.在一些示例中，若所需粉末无需进行干燥冷冻处理，则待研磨完成时，打开第二开关装置20和第三开关装置30，将隔离金属板置于隔离状态，从而利用隔离金属板直接进行材料收集。
68.采用本发明进行生物硬质材料制备，可以有效保持生物材料的活性，降低生物材料免疫原性。同时，由于可以同步实现材料的冷冻干燥，减少了研究人员操作处理风险。此外，本发明还能够实现对不同粒径大小生物组织粉末的筛选收集。
69.以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述各实
施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。