[发明专利]一种工程软骨体外培养超声辐射力场产生方法及装置

说明书

本发明提供一种工程软骨体外培养超声辐射力场产生方法及装置。本发明装置包括超声换能器、连接架、升降台、固定底座、导向环和工程软骨体外培养装置、超声发射接收装置、信号采集处理模块和示波器。本发明方法首先调节升降台的内置齿轮控制使超声换能器的发射头浸入工程软骨体外培养装置的培养基中。通过信号采集处理模块和示波器确定培养基中超声换能器的发射头的焦距，使工程软骨处于超声换能器的发射头的焦点处；通过旋转超声换能器，确定超声辐射力场方向；最后启动超声发射接收装置，激发超声换能器。本发明方法与装置产生的超声辐射力场可对体外培养工程软骨进行力学调控，获得正常的、生物性好的工程软骨。

技术领域

本发明超声调控、关节软骨修复和生物医学组织工程领域，具体涉及一种一种工程软骨体外培养超声辐射力场产生方法及装置。

背景技术

在关节运动中，正常的软骨是不可或缺的组织。然而随着现代科技的发展与工作生活习惯的改变，越来越多的人倾向于长期保持一种动作姿势，关节软骨损伤问题极易发生。同时，关节软骨自愈能力差、不能再生，损伤后易造成关节僵硬、疼痛加重等问题，严重地影响患者的生活质量。目前关节软骨损伤的治疗方案有关节灌洗术、微骨折手术、骨膜移植与软骨移植法等，但均存在着不足。临床研究表明，工程软骨移植是目前修复关节软骨损伤、实现功能重建的有限途径，有望成为骨缺损修复的全新治疗模式。

工程软骨移植技术是利用软骨细胞种植于可降解生物材料支架上的方法体外培养软骨细胞、构建软骨组织，再将复合细胞的支架植入缺损处形成具有生理功能的骨组织的技术。工程软骨移植结合了组织工程化软骨缝合的可操作性和稳固性，将生物材料作为细胞载体提高了界面愈合能力。然而，现有技术所生成的工程软骨的力学性能与正常的软骨相比相差甚远，无法达到临床移植的要求。目前很难通过体外培养技术，获得具有良好生物相容性与力学性能的工程软骨组织。如何在体外条件下构建正常的组织工程软骨，用于软骨损伤修复，为软骨缺损治疗提供更好的选择，具有很好的临床意义。

Williamson等的研究表明软骨生长的微环境影响着其力学性能。软骨在体内一直处于静、动态压力交替活动的力学环境中，因而不断调整细胞外基质的代谢活动，促进胶原吡啶交联，改变软骨的力学性能与形状结构。在体外静态培养工程软骨，则易形成工程软骨的中空现象，最终生成的工程软骨力学性能不足。而现有生物反应器大多只能实现恒定的剪切力与动态加载的压力。两种作用力的复合方式较为单一，不利于培养出结构与功能均良好的关节软骨。因此，在体外培养工程软骨时，为了获得与天然软骨相似的结构形状与功能组织，设计一种适于工程软骨组织生长的动态微环境是十分必要的。

动态培养工程软骨近年来的研究表明，低强度超声波能够通过加速软骨形成调控工程软骨的力学性能。作为一种交替变化的压力波，超声波可以产生稳定的腔隙和传输组织内的小束。治疗强度的超声可以在细胞膜上产生剪切力，且这种作用可能通过影响细胞骨架来直接改变基因表达。超声波也可以通过细胞膜上的跨膜通道，使跨膜离子的运输及随后的细胞应答发生改变。超声辐射力改变细胞内的胶原蛋白关联情况，使得构建工程软骨的力学特性超声调控成为可能。因此在体外培养工程软骨过程中，可以通过超声辐射力调控工程软骨的结构形状与力学性能，获得正常的工程软骨。

本发明面向上述需求，通过超声换能器工作方式及上下位移模块等创新设计，设计了一种工程软骨体外培养超声辐射力场产生方法及装置。通过该方法与装置产生的超声辐射力场可对体外培养工程软骨进行力学调控，获得正常的、生物性好的工程软骨。实现工程软骨的各向异性，进行软骨细胞移植，最终实现关节软骨修复。

发明内容

针对组织工程的各向异性、体外培养工程软骨过程中的力学性能调控等场合对特定超声辐射力的应用需求，本发明提供一种工程软骨体外培养超声辐射力场产生方法及装置。该方法还可改进工程软骨的力学性能，实现软骨的快速修复与骨骼的全面愈合。

一种工程软骨体外培养超声辐射力场产生装置，包括超声换能器(1)、连接架(2)、升降台(3)、固定底座(4)、导向环(5)和工程软骨体外培养装置(6)、超声发射接收装置(7)、信号采集处理模块(8)和示波器(9)。