[发明专利]一种椎间盘力学性能测试的加载装置

说明书

技术领域

本发明涉及细胞培养、组织工程领域，特别是一种椎间盘力学性能测试的加载装置。

背景技术

随着计算机技术、现代光电子技术以及数字图像处理水平的发展，数字图像相关方法日益成为实验力学领域的一种重要的测试方法。本发明为完善并克服椎间盘力学测试现有研究中明显存在并未能全面合理解决的问题，采用数字图像相关方法提供了一种新的进行椎间盘力学性能测试的方法。包括在观察表面挡玻璃以避免边界效应的影响、椎间盘表面嵌入深色纳米颗粒制斑进而获取清晰准确的图像以及在加载过程中将受载椎间盘浸入生理盐水中使测试图像更清晰，更有利于椎间盘力学性能的测量。

椎间盘位于相邻椎体之间，将相邻椎体牢固连接以维持椎管的排列，厚度约占骶骨以上脊柱全长的四分之一。椎间盘由纤维环、髓核和软骨盘三部分组成。外围纤维环主要承受拉力，髓核组织主要受压力。相比各组织的单独受载，它们作为一个整体可承担更复杂的载荷，如弯曲、扭转等，这也进一步说明了完整的组织结构的重要性。软骨盘对于髓核细胞的生存发育起着至关重要的作用，同时保护着邻近的椎体，防止棘突的刺入。

随着人们生活节奏的加快，椎间盘退变及其他脊椎病已经对人类的生活和经济造成了严重影响。近年来体外椎间盘髓核和纤维环组织细胞培养技术的建立，特别是软骨组织工程研究的不断深入，为退变椎间盘的形态结构与生理功能的完全再生修复带来了希望。

组织工程，是指用工程科学和生命科学的原理和方法，制备组织和器官替代物，以恢复维持或改善人体组织器官的功能，是一个发展迅速意义深远的生物医学工程应用领域。目前，组织工程化皮肤产品已正式进人临床应用，培育的组织工程骨骼、软骨、皮肤以及神经组织正在进行体内实验。但是，目前组织工程距离广泛应用于临床、成为社会经济新的增长点还有相当长的路要走。组织工程生物反应器是在体外造就一个与体内相似的环境，加速培养细胞、组织乃至器官的系统，可广泛应用于如器官缺损患者替代、构建、保持或增强其组织功能，以及生物制药等领域。通过研究细胞组织生长的体内生理条件下的各种环境特点力学、生化环境等，研究体外环境下力学、生化因素如何影响细胞的三维培养和功能化过程，尤其是在体组织的力学问题对于更合理的设计仿生的加载装置具有重要意义。

Powell，Courtney A.等设计了一种能够用于骨骼肌组织培养的生物反应器，将骨骼肌组织支架一段固定，一段与步进电机相连，通过步进电机提供恒定或周期性拉压应力，支架所受的拉压应力通过传感器检测，组织培养腔不能旋转，参见Mechanical stimulation improvestissue-engineeredhuman skeletal muscle，Am J Physiol，2002；282（5）：1557-1565。“一种低频高幅叠加高频低幅加载的方法及生物反应器”，中国NO.200710303886.7专利中采用两串联压电陶瓷位移器作为驱动来源，可以对软骨双频叠加加载。许多学者对于椎体运动节段做了大量的研究，参见：脊柱运动的解剖和生物力学基础，中华物理医学与康复杂志2004年5月第26卷第5期、308-310，主要介绍了脊柱运动与受载的关系，以及不同载荷与各组织结构的关联作用。文献：“应用三维有限元模型研究颈椎不同工况下的生物力学变化”，临床骨科杂志.2003Dec、6(4).294-296，采用有限元方法分析仿真了颈椎的力学环境。文献：“人工腰椎间盘置换术的生物力学及中期临床疗效分析”，中华骨科杂志2007年5月第27卷第5期.374-377，结合临床结果分析了正常颈椎与置换人工颈椎盘后，椎体与椎间盘之间力学环节和结构上的变化。

综上所述，分析研究组织在体力学环境，设计模拟其真实生物力学环境对于构建功能化组织器官至关重要。至今，还未曾报道过一种可以模拟椎间盘在体复杂力学环境的加载系统，同时对侧弯和扭转等等机械载荷对椎间盘的的力学状态进行实时观测，并采集图像以便确定椎间盘的应变场分布，探索椎间盘的力学状态，同时为大型软件进行科学分析提供基础数据。

发明内容

本发明的目的是针对上述存在问题，提供一种椎间盘力学性能测试的加载装置，该装置具有弯曲、扭转和轴向动态压缩功能的加载并测试力学状态系统，可以同时提供几种不同的力学加载，实现不同力学条件的耦合，为组织生长提供近似在体的生物力学环境，同时也可以进行各种力学性能测试。

本发明的技术方案：