专利名称：一种椎间盘力学性能测试的加载装置的制作方法
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Mechanicalstimulation 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�。谢锢硪窖в肟蹈丛又�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。本发明的技术方案一种椎间盘力学性能测试的加载装置，由上加载头、角度调节滑块、观测室、高速摄像头、下加载头、椎体和固定爪组成，上加载头为底面呈圆柱面的矩形块，上加载头的两各侧面分别设有导块，上加载头的前面中间设有准星，上加载头固定于力学加载装置的下端面；角度调节滑块为工字型半圆阶梯柱，包括中间半圆柱、前调节板和后挡板，中间半圆柱的上圆柱面与上加载头的底圆柱面形成滑动配合，上加载头的两侧面与工字型半圆阶梯柱两内侧面为间隙配合，中间半圆柱的下表面设有方型凸台，前调节板和后挡板上分别设有圆弧形导槽并与上加载头的前后导块形成滑动配合，前调节板的前表面圆弧线上设有刻度，前调节板的前表面设有两个螺孔并通过锁紧螺钉与上加载头固定，前调节板和后挡板的侧面分别设有四个螺孔并通过固定螺钉与观测室侧板固定；观测室为由四块板组成的中空矩型箱体，角度调节滑块通过中间半圆柱下表面的方型凸台镶嵌于观测室两侧板之间，观测室的四块板底面均为阶梯面并整体构成方型凸台；高速摄像头位于观测室内并固定于角度调节滑块凸台的底面；下加载头为矩形方框，其长宽尺寸与观测室相同，下加载头的上表面中心设有方型凹槽并与观测室底部的方型凸台镶嵌配合固定，下加载头框架内装有钢化玻璃；固定爪为三爪式结构，固定爪上设有涡轮并与蜗杆配合构成减速机构带动固定爪旋转，椎体固定于固定爪上面的三爪内，椎间盘置于椎体之上并与下加载头的钢化玻璃下表面接触。该加载装置的工作原理通过调节加载角度，模拟人体椎间盘在脊柱各种角度弯曲时的受力状态，再由摄像机观测记录受载物体表面发生的相关变化，利用现代计算机技术进行分析。观测室内装有高速摄像头，始终垂直于被加载物体表面观测。本装置可在±15°范围内通过调节角度调节滑块，实现弯曲加载功能；通过旋转固定爪，可实现扭转加载功能；通过在上加载头加转振动装置，则可实现动态加载功能。本发明的加载系统与现有力学加载装置相比的优点是I)该加载装置提供轴向压缩、扭转和侧弯中任意一个、两个或三个不同形式的共同作用，实现机械载荷的耦合，更加接近体内真实生理力学状态；2)该加载装置具有较好的变量调节功能，可以提供不同大小的载荷，可设计因变量、自变量进行生物学对照试验，比较分析不同载荷对组织生长的影响，验证装置加载的有效性；3)该加载装置的加载力是一种具体但非限定的实施力，不但可用于测试各阶段椎间盘、椎体工程化组织的的生物学和力学性能的试验仪器，还可以用作颈椎或腰椎不同节段椎间盘工程化组织培养，有较大的经济实用性；4)可利用数字图像技术实时载荷下观测与分析被测物体受载状态。
图I为该加载装置结构示意图。图2为上加载头结构放大示意图。图3为角度调节滑块结构放大示意图。图4为该加载装置立体图。图中1.上加载头 2.角度调节滑块 3.观测室 4.高速摄像头5.下加载头6.椎体7.固定爪8.导块9.中间半圆柱10.前调节板11.后挡板12.导槽13.锁紧螺钉14.固定螺钉15.椎间盘16.涡轮17.蜗杆18.底座19.刻度20.准星
具体实施例方式以下结合附图对本发明的加载系统实例进行详细叙述。实施例一种椎间盘力学性能测试的加载装置，如图I-图4所示，由上加载头I、角度调节滑块2、观测室3、高速摄像头4、下加载头5、椎体6和固定爪7组成，上加载头I为底面呈圆柱面的矩形块，上加载头I的两各侧面分别设有导块8，上加载头I的前面中间设有准星20，上加载头I固定于力学加载装置的下端面；角度调节滑块2为工字型半圆阶梯柱，包括中间半圆柱9、前调节板10和后挡板11,中间半圆柱9的上圆柱面与上加载头I的底圆柱面形成滑动配合，上加载头的两侧面与工字型半圆阶梯柱两内侧面为间隙配合，中间半圆柱9的下表面设有方型凸台，前调节板10和后挡板11上分别设有圆弧形导槽12并与上加载头I的前后导块8形成滑动配合，前调节板10的前表面圆弧线上设有刻度19，前调节板10的前表面设有两个螺孔并通过锁紧螺钉13与上加载头I固定，前调节板10和后挡板11的侧面分别设有四个螺孔并通过固定螺钉14与观测室3侧板固定；观测室3为由四块板组成的中空矩型箱体，角度调节滑块2通过中间半圆柱9下表面的方型凸台镶嵌于观测室3两侧板之间，观测室3的四块板底面均为阶梯面并整体构成方型凸台；高速摄像头4位于观测室3内并固定于角度调节滑块2凸台的底面；下加载头5为矩形方框，其长宽尺寸与观测室3相同，下加载头5的上表面中心设有方型凹槽并与观测室3底部的方型凸台镶嵌配合固定，下加载头5的框架内装有钢化玻璃；固定爪7为三爪式结构，固定爪7上设有涡轮16并与蜗杆17配合构成减速机构带动固定爪7旋转，椎体6固定于固定爪7上面的三爪内，椎间盘15置于椎体6之上并与下加载头5框架内的钢化玻璃下表面接触。该加载装置的工作程序I)制斑取带有椎间盘的椎体测试样本，把样本用固定爪固定，固定过程中在椎间盘观察面上挡上透明玻璃，在需观察的软骨表面嵌入深色纳米颗粒进行制斑，椎间盘观察面浸入生理盐水中可使测试图像更清晰。在椎间盘加载过程中，软骨观测获得清晰而有斑点的图像，采用数字图像相关方法进行椎间盘力学性能的分析。2 )调节加载装置各个参数这是一种模拟椎体力学环境的可观测加载装置，包括侧弯和扭转功能。首先根据所研究的对象确定研究方法，确定合适参数，如调节的角度，加载的力的大小。调节的角度包括角度调节滑块与上加载块之间的角度，固定爪的旋转角度以及加载力的大小。下面分别具体说明如何调节以上所说的各个参数I)弯曲角度首先，松开锁紧螺钉，调节角度调节滑块，对照其上所标的刻度，调到所需的角度，具体的调节范围是±15°，精确为±0. 05-0. I。调到所需角度后，锁紧螺钉，根据所要加载的力的大�。鹘诼荻さ乃舫潭龋源锏阶晕冶；さ淖饔茫灰坏┘釉亓螅榻诘疾勰诳蓟佣釉毓讨罩梗鸬阶员Ｗ饔�。2)固定爪旋转角度利用涡轮蜗杆减速机构实现固定爪旋转并且具有自锁功能。此调节分动态调节及静态调节两种，静态调节即为测试前利用蜗杆旋转固定爪，由于椎间盘上端与下加载头无相对运动，所以将产生确定的扭转力矩；动态调节为加载中利用蜗杆调节固定爪，从而产生动态测试扭转力矩。
权利要求
1.一种椎间盘力学性能测试的加载装置，其特征在于由上加载头、角度调节滑块、观测室、高速摄像头、下加载头、椎体和固定爪组成，上加载头为底面呈圆柱面的矩形块，上加载头的两各侧面分别设有导块，上加载头的前面中间设有准星，上加载头固定于力学加载装置的下端面；角度调节滑块为工字型半圆阶梯柱，包括中间半圆柱、前调节板和后挡板，中间半圆柱的上圆柱面与上加载头的底圆柱面形成滑动配合，上加载头的两侧面与工字型半圆阶梯柱两内侧面为间隙配合，中间半圆柱的下表面设有方型凸台，前调节板和后挡板上分别设有圆弧形导槽并与上加载头的前后导块形成滑动配合，前调节板的前表面圆弧线上设有刻度，前调节板的前表面设有两个螺孔并通过锁紧螺钉与上加载头固定，前调节板和后挡板的侧面分别设有四个螺孔并通过固定螺钉与观测室侧板固定；观测室为由四块板组成的中空矩型箱体，角度调节滑块通过中间半圆柱下表面的方型凸台镶嵌于观测室两侧板之间，观测室的四块板底面均为阶梯面并整体构成方型凸台；高速摄像头位于观测室内并固定于角度调节滑块凸台的底面；下加载头为矩形方框，其长宽尺寸与观测室相同，下加载头的上表面中心设有方型凹槽并与观测室底部的方型凸台镶嵌配合固定，下加载头的框架内装有钢化玻璃；固定爪为三爪式结构，固定爪上设有涡轮并与蜗杆配合构成减速机构带动固定爪旋转，椎体固定于固定爪上面的三爪内，椎间盘置于椎体之上并与下加载头钢化玻璃的下表面接触。
全文摘要
一种椎间盘力学性能测试的加载装置，由上加载头、角度调节滑块、观测室、高速摄像头、下加载头、椎体和固定爪组成，上加载头的设有导块；角度调节滑块包括中间半圆柱、前调节板和后挡板，前调节板和后挡板上分别设有圆弧形导槽并与上加载头的前后导块形成滑动配合；高速摄像头位于观测室内；固定爪为三爪式结构并设有涡轮并与蜗杆配合构成减速机构带动固定爪旋转，椎体固定于固定爪上面的三爪内，椎间盘置于椎体之上并与下加载头钢化玻璃下表面接触。本发明的优点该加载装置结构简单、易于操作，可提供轴向压缩、扭转和侧弯加载，具有较好的变量调节功能，可用于颈椎或腰椎不同节段椎间盘工程化组织培养、性能试验，具有较大的经济实用性。
文档编号G01N3/02GK102980801SQ20121058465
公开日2013年3月20日 申请日期2012年12月27日 优先权日2012年12月27日
发明者张春秋, 朱辉, 刘清, 刘振中, 徐宝山, 杨强, 董心 申请人:天津理工大学
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