一种模拟椎体力学环境的加载装置的制作方法
专利名称：一种模拟椎体力学环境的加载装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及生物医学工程中的生物反应器，特别是一种模拟椎体力学环境的加载装置
背景技术：
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。脊柱是人体运动的主轴，其 活动有三维方向前后、左右、旋转)和6个自由度。而椎体作为脊柱活动单元的重要的组成 部分，随着人体静止或运动的不同姿态，在空间的六自由度也随之变化，主要受轴向压缩、 侧向弯曲以及扭转作用，据统计椎体受载通常是压缩、弯曲和扭转之间的两两复合。根据真 实生理力学环境，设计加载装置模拟在体力学环境，对组织的功能化构建至关重要，是促进 组织工程不断发展的有力工具。Powell, Courtney Α.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(Mechanical stimulation improves tissue-engineered human skeletal muscle, Am J Physiol, 2002 ；282:1557-1565)。“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，N0. 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。(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月第沈卷第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。(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，2003 Dec ； 6 ，四4_四6)采用有限元方法分析仿真 了颈椎的力学环境。(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2 7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体在体复杂力学环境的加 载系统，同时提供近似生理状态的周期性轴向压缩，侧弯和扭转等机械载荷。
发明内容
本发明针对上述技术分析，根据组织生长的体内生物力学环境，提供一种具有侧 弯、扭转和振动功能的模拟椎体力学环境的加载装置，该装置通过顶杆左右摆动实现弯曲， 由可调的偏心圆柱凸轮以及顶杆机构实现不同压缩量的动态加载，扭转由电机带动培养室 旋转来实现，该装置可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
一种模拟椎体力学环境的加载装置，包括机架、弯曲及加载机构、扭转机构和培养室组 件，机架由顶板、中板、底板和两根立柱固定连接构成，顶板和中板上分别设有穿孔，底板上 设有螺孔；弯曲及加载机构包括步进电机、圆柱凸轮、两根偏心轴、两个偏心轴支架、滑杆、 顶杆、滑杆螺钉、两个定位螺钉支架、顶杆定位螺钉、两个弹簧定位螺钉和两个复位弹簧，圆 柱凸轮设有螺旋形凹槽，两根偏心轴分别固定于圆柱凸轮的两端并支撑于两个偏心轴支架 内，靠近步进电机输出轴一端的偏心轴与步进电机输出轴偏心固定连接，另一端的偏心轴 与圆柱凸轮连接并设有调节锁紧螺钉，步进电机和两个偏心轴支架分别与机架的顶板固 定；滑杆在直立时其上端嵌入圆柱凸轮的凹槽内并与凹槽滑动配合，滑杆在平放时位于顶 杆上端的凹槽内并与圆柱凸轮的凹槽脱离使顶杆与圆柱凸轮的凹槽直接滑动配合，滑杆与 顶杆通过滑杆螺钉调节固定；两个定位螺钉支架对称设置于顶杆的两侧并分别与机架的顶 板和中板固定，两个定位螺钉支架上的顶杆定位螺钉分别与顶杆两侧的定位槽调节固定； 两个弹簧定位螺钉分别固定于顶杆的下部并与两个定位螺钉支架成90度夹角，两个复位 弹簧的一端分别与两个弹簧定位螺钉固定，另一端与机架的顶板固定；扭转机构包括扭转 步进电机、载物平台和升降台，载物平台与扭转步进电机的主轴固定连接，扭转步进电机与 升降台固定，升降台通过机架底板上的螺孔与机架底板构成可升降调节并固定；培养室组 件包括培养室盒体、培养室盒盖和压块，培养室盒体与载物平台固定，加载物置于培养室盒 体内，培养室盒盖因加载物及压块的高度支撑而与培养室盒体分离，顶杆下端与压块紧密 接触，压块穿过培养室盒盖上的中心孔作用于加载物上。本发明的工作原理
步进电机带动圆柱凸轮旋转，滑杆做往复直线运动，顶杆绕定位螺钉摆动，由于地心引 力以及弹簧调节，加载物具有一定的预压缩量，通过顶杆的摆动实现现弯曲功能。实现动态 压缩功能主要是通过调节圆柱凸轮上的调节锁紧螺母，实现一定的升程，将滑杆平放，调节 升降台高度，顶杆与凸轮紧密配合，控制电机转速、调节凸轮升程，培养物实现不同压缩量 的动态加载。底部电机通过加载平台，带动培养室正反转动，培养物实现扭转作用。该装置可以同时提供轴向压缩、扭转和侧弯中任意一个或两个或三个种不同形 式的共同作用，实现机械载荷的耦合，更加接近体内真实的生理力学状态。此外本发明 所采用的多功能的圆柱凸轮结构，无需拆卸即可达到行程的调节，方便省时(参见专利号 201019102005 偏心轮机构的升程调节方法及应用此方法的偏心轮机构)。另外顶杆的摆动 角度可通过定位螺钉调节，同时通过控制步进电机的正反转角度以及速度，提供多种变量 整合的机械载荷，有利于进行试验对比。该装置可以同时提供轴向拉压、扭转和侧弯中任意 两个或三个载荷形式的共同作用，实现机械载荷的耦合，更加接近体内真实的生理力学状态。还可通过该装置实现不同频率和幅度的振动，通过生物学试验研究不同幅频的对组织 生长的影响。 本发明的优越性1)可以同时提供轴向拉压、扭转和侧弯中任意两个或三个载荷 形式的共同作用，实现机械载荷的耦合，更加接近体内真实的生理力学状态。2)该系统具有 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)本发明的加载系统是 一种具体但非限定的实施力，不但可用于培养椎间盘、软骨、肌肉等工程化组织，还可以用 作测试工程化组织的生物学和力学性能的试验仪器，具有较大的经济实用性。
图1为本发明的加载装置的结构示意图。图2为本发明的加载装置A-A剖视放大图。图3为本发明的加载装置的等轴侧试图。图中1.顶板 2.中板 3.底板 4- I、4- II .立柱 5.步进电机 6.圆柱凸轮 7- I、7- II .偏心轴 8- I、8- II .偏心轴支架 9.滑杆 10.顶杆 11.滑杆螺钉 12- I ,12- II .定位螺钉支架
13-1、13-11.顶杆定位螺钉 14- I ,14- II .弹簧定位螺钉 15- I、15-II.复位弹簧 16.调节锁紧螺钉 17.扭转步进电机 18.载物平台 19.升降台 20.培养室盒体
21.培养室盒盖 22.加载物 23.压块 24-1、M-II.螺钉。
具体实施例方式实施例
以下结合附图对本发明的加载系统进行详细叙述。一种模拟椎体力学环境的加载装置，包括机架、弯曲及加载机构、扭转机构和培养 室组件，机架由顶板1、中板2、底板3和两根立柱4- I、4- II固定连接构成，顶板1和中板 2上分别设有穿孔，底板3上设有螺孔；弯曲及加载机构包括步进电机5、圆柱凸轮6、两根 偏心轴7- I、7_ II、两个偏心轴支架8- I、8_ II、滑杆9、顶杆10、滑杆螺钉11、两个定位 螺钉支架12- I ,12- II、顶杆定位螺钉13、两个弹簧定位螺钉14- I、14- II和两个复位弹 簧15- I ,15- II，圆柱凸轮6设有螺旋形凹槽，两根偏心轴7- I、7- II分别固定于圆柱凸 轮6的两端并支撑于两个偏心轴支架8- I、8- II内，靠近步进电机5输出轴一端的偏心轴 7- I与步进电机5输出轴偏心固定连接，另一端的偏心轴7- II与圆柱凸轮6连接并设有调 节锁紧螺钉16，步进电机5和两个偏心轴支架8- I、8- II分别与机架的顶板1固定；滑杆9 在直立时其上端嵌入圆柱凸轮6的凹槽内并与凹槽滑动配合，滑杆9在平放时位于顶杆10 上端的凹槽内并与圆柱凸轮6的凹槽脱离使顶杆10与圆柱凸轮6的凹槽直接滑动配合，滑 杆9与顶杆10通过滑杆螺钉11调节固定；两个定位螺钉支架12- I ,12- II对称设置于顶 杆10的两侧并分别与机架的顶板1和中板2固定，两个定位螺钉支架12- I ,12- II上的顶 杆定位螺钉13分别与顶杆10两侧的定位槽调节固定；两个弹簧定位螺钉14- I ,14- II分 别固定于顶杆10的下部并与两个定位螺钉支架12- I ,12- II成90度夹角，两个复位弹簧
515- I ,15- II的一端分别与两个弹簧定位螺钉14- I ,14- II固定，另一端与机架的顶板1 固定；扭转机构包括扭转步进电机17、载物平台18和升降台19，载物平台18与扭转步进电 机17的主轴固定连接，扭转步进电机17与升降台19固定，升降台19通过机架底板3上的 螺孔与机架底板3构成可升降调节并固定；培养室组件包括培养室盒体20、培养室盒盖21 和压块23，培养室盒体20与载物平台18通过螺钉M-I、24-II固定，加载物22置于培养室 盒体20内，培养室盒盖21因加载物22及压块23的高度支撑而与培养室盒体20分离，顶 杆10下端与压块23紧密接触，压块穿过培养室盒盖21上的中心孔作用于加载物22上。下面介绍分别介绍三种加载形式的工作原理旋动滑杆螺钉11将滑杆9水平放置 于顶杆10凹槽中，调节升降台19，使顶杆10与圆柱凸轮6紧密配合，并使加载物22有一定 的(例10%)压缩量，通过调节锁紧螺母16改变升程可调偏心轮机构的偏心距，实现不同压 缩量的调节，步进电机5带动圆柱凸轮6转动实现动态压缩功能。扭转作用，则通过扭转步 进电机17带动培养室盒体20正-反旋转，通过调节升降台19，加载物22将有一定的压缩 量，由于其上下都具有一定的压力，培养室盒体20旋转一定的角度，将实现对加载物的扭 转作用。将滑杆9调为竖直状态，并放置于圆柱凸轮6凹槽中，将升程可调偏心轮机构的偏 心距调节为0，顶杆定位螺钉13与顶杆10的凹槽为间隙配合，调节升降台19高度，顶杆10 与加载物22为紧密接触，圆柱凸轮6随步进电机5旋转，滑杆9作往复的平移运动，顶杆10 绕顶杆定位螺栓13实现一定的角度的摆动，实现侧弯加载。当滑杆9位于竖直状态，同时升程可调偏心轮机构的偏心距为非零时，步进电机5 旋转即可实现侧弯与动态压缩的功能。此时如果扭转步进电机17旋转，即可实现加载物22 的侧弯动态压缩和扭转的三种加载。
权利要求
1. 一种模拟椎体力学环境的加载装置，其特征在于包括机架、弯曲及加载机构、扭转 机构和培养室组件，机架由顶板、中板、底板和两根立柱固定连接构成，顶板和中板上分别 设有穿孔，底板上设有螺孔；弯曲及加载机构包括步进电机、圆柱凸轮、两根偏心轴、两个 偏心轴支架、滑杆、顶杆、滑杆螺钉、两个定位螺钉支架、顶杆定位螺钉、两个弹簧定位螺钉 和两个复位弹簧，圆柱凸轮设有螺旋形凹槽，两根偏心轴分别固定于圆柱凸轮的两端并支 撑于两个偏心轴支架内，靠近步进电机输出轴一端的偏心轴与步进电机输出轴偏心固定连 接，另一端的偏心轴与圆柱凸轮连接并设有调节锁紧螺钉，步进电机和两个偏心轴支架分 别与机架的顶板固定；滑杆在直立时其上端嵌入圆柱凸轮的凹槽内并与凹槽滑动配合，滑 杆在平放时位于顶杆上端的凹槽内并与圆柱凸轮的凹槽脱离使顶杆与圆柱凸轮的凹槽直 接滑动配合，滑杆与顶杆通过滑杆螺钉调节固定；两个定位螺钉支架对称设置于顶杆的两 侧并分别与机架的顶板和中板固定，两个定位螺钉支架上的顶杆定位螺钉分别与顶杆两侧 的定位槽调节固定；两个弹簧定位螺钉分别固定于顶杆的下部并与两个定位螺钉支架成 90度夹角，两个复位弹簧的一端分别与两个弹簧定位螺钉固定，另一端与机架的顶板固定； 扭转机构包括扭转步进电机、载物平台和升降台，载物平台与扭转步进电机的主轴固定连 接，扭转步进电机与升降台固定，升降台通过机架底板上的螺孔与机架底板构成可升降调 节并固定；培养室组件包括培养室盒体、培养室盒盖和压块，培养室盒体与载物平台固定， 加载物置于培养室盒体内，培养室盒盖因加载物及压块的高度支撑而与培养室盒体分离， 顶杆下端与压块紧密接触，压块穿过培养室盒盖上的中心孔作用于加载物上。
全文摘要
一种模拟椎体力学环境的加载装置，包括机架、弯曲及加载机构、扭转机构和培养室组件，机架由顶板、中板、底板和两根立柱固定连接构成；弯曲及加载机构包括步进电机、圆柱凸轮、偏心轴、偏心轴支架、滑杆、顶杆、滑杆螺钉、定位螺钉支架、顶杆定位螺钉、弹簧定位螺钉和复位弹簧，圆柱凸轮设有螺旋形凹槽；扭转机构包括扭转步进电机、载物平台和升降台；培养室组件包括培养室盒体、培养室盒盖和压块，压块作用于加载物上。本发明的优越性可同时提供轴向拉压、扭转和侧弯中任意两个或三个载荷形式的功能，具有变量调节功能，可用于培养椎间盘、软骨、肌肉等工程化组织和组织的生物学和力学性能的试验仪器，具有较大的经济实用性。
文档编号G09B23/28GK102147990SQ201110054080
公开日2011年8月10日 申请日期2011年3月8日 优先权日2011年3月8日
发明者付立会, 张春秋, 徐宝山, 李江, 杨强, 董心, 门玉涛 申请人:天津理工大学
技术领域：
本发明涉及生物医学工程中的生物反应器，特别是一种模拟椎体力学环境的加载装置
背景技术：
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。脊柱是人体运动的主轴，其 活动有三维方向前后、左右、旋转)和6个自由度。而椎体作为脊柱活动单元的重要的组成 部分，随着人体静止或运动的不同姿态，在空间的六自由度也随之变化，主要受轴向压缩、 侧向弯曲以及扭转作用，据统计椎体受载通常是压缩、弯曲和扭转之间的两两复合。根据真 实生理力学环境，设计加载装置模拟在体力学环境，对组织的功能化构建至关重要，是促进 组织工程不断发展的有力工具。Powell, Courtney Α.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(Mechanical stimulation improves tissue-engineered human skeletal muscle, Am J Physiol, 2002 ；282:1557-1565)。“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，N0. 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。(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月第沈卷第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。(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，2003 Dec ； 6 ，四4_四6)采用有限元方法分析仿真 了颈椎的力学环境。(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2 7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体在体复杂力学环境的加 载系统，同时提供近似生理状态的周期性轴向压缩，侧弯和扭转等机械载荷。
发明内容
本发明针对上述技术分析，根据组织生长的体内生物力学环境，提供一种具有侧 弯、扭转和振动功能的模拟椎体力学环境的加载装置，该装置通过顶杆左右摆动实现弯曲， 由可调的偏心圆柱凸轮以及顶杆机构实现不同压缩量的动态加载，扭转由电机带动培养室 旋转来实现，该装置可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
一种模拟椎体力学环境的加载装置，包括机架、弯曲及加载机构、扭转机构和培养室组 件，机架由顶板、中板、底板和两根立柱固定连接构成，顶板和中板上分别设有穿孔，底板上 设有螺孔；弯曲及加载机构包括步进电机、圆柱凸轮、两根偏心轴、两个偏心轴支架、滑杆、 顶杆、滑杆螺钉、两个定位螺钉支架、顶杆定位螺钉、两个弹簧定位螺钉和两个复位弹簧，圆 柱凸轮设有螺旋形凹槽，两根偏心轴分别固定于圆柱凸轮的两端并支撑于两个偏心轴支架 内，靠近步进电机输出轴一端的偏心轴与步进电机输出轴偏心固定连接，另一端的偏心轴 与圆柱凸轮连接并设有调节锁紧螺钉，步进电机和两个偏心轴支架分别与机架的顶板固 定；滑杆在直立时其上端嵌入圆柱凸轮的凹槽内并与凹槽滑动配合，滑杆在平放时位于顶 杆上端的凹槽内并与圆柱凸轮的凹槽脱离使顶杆与圆柱凸轮的凹槽直接滑动配合，滑杆与 顶杆通过滑杆螺钉调节固定；两个定位螺钉支架对称设置于顶杆的两侧并分别与机架的顶 板和中板固定，两个定位螺钉支架上的顶杆定位螺钉分别与顶杆两侧的定位槽调节固定； 两个弹簧定位螺钉分别固定于顶杆的下部并与两个定位螺钉支架成90度夹角，两个复位 弹簧的一端分别与两个弹簧定位螺钉固定，另一端与机架的顶板固定；扭转机构包括扭转 步进电机、载物平台和升降台，载物平台与扭转步进电机的主轴固定连接，扭转步进电机与 升降台固定，升降台通过机架底板上的螺孔与机架底板构成可升降调节并固定；培养室组 件包括培养室盒体、培养室盒盖和压块，培养室盒体与载物平台固定，加载物置于培养室盒 体内，培养室盒盖因加载物及压块的高度支撑而与培养室盒体分离，顶杆下端与压块紧密 接触，压块穿过培养室盒盖上的中心孔作用于加载物上。本发明的工作原理
步进电机带动圆柱凸轮旋转，滑杆做往复直线运动，顶杆绕定位螺钉摆动，由于地心引 力以及弹簧调节，加载物具有一定的预压缩量，通过顶杆的摆动实现现弯曲功能。实现动态 压缩功能主要是通过调节圆柱凸轮上的调节锁紧螺母，实现一定的升程，将滑杆平放，调节 升降台高度，顶杆与凸轮紧密配合，控制电机转速、调节凸轮升程，培养物实现不同压缩量 的动态加载。底部电机通过加载平台，带动培养室正反转动，培养物实现扭转作用。该装置可以同时提供轴向压缩、扭转和侧弯中任意一个或两个或三个种不同形 式的共同作用，实现机械载荷的耦合，更加接近体内真实的生理力学状态。此外本发明 所采用的多功能的圆柱凸轮结构，无需拆卸即可达到行程的调节，方便省时(参见专利号 201019102005 偏心轮机构的升程调节方法及应用此方法的偏心轮机构)。另外顶杆的摆动 角度可通过定位螺钉调节，同时通过控制步进电机的正反转角度以及速度，提供多种变量 整合的机械载荷，有利于进行试验对比。该装置可以同时提供轴向拉压、扭转和侧弯中任意 两个或三个载荷形式的共同作用，实现机械载荷的耦合，更加接近体内真实的生理力学状态。还可通过该装置实现不同频率和幅度的振动，通过生物学试验研究不同幅频的对组织 生长的影响。 本发明的优越性1)可以同时提供轴向拉压、扭转和侧弯中任意两个或三个载荷 形式的共同作用，实现机械载荷的耦合，更加接近体内真实的生理力学状态。2)该系统具有 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)本发明的加载系统是 一种具体但非限定的实施力，不但可用于培养椎间盘、软骨、肌肉等工程化组织，还可以用 作测试工程化组织的生物学和力学性能的试验仪器，具有较大的经济实用性。
图1为本发明的加载装置的结构示意图。图2为本发明的加载装置A-A剖视放大图。图3为本发明的加载装置的等轴侧试图。图中1.顶板 2.中板 3.底板 4- I、4- II .立柱 5.步进电机 6.圆柱凸轮 7- I、7- II .偏心轴 8- I、8- II .偏心轴支架 9.滑杆 10.顶杆 11.滑杆螺钉 12- I ,12- II .定位螺钉支架
13-1、13-11.顶杆定位螺钉 14- I ,14- II .弹簧定位螺钉 15- I、15-II.复位弹簧 16.调节锁紧螺钉 17.扭转步进电机 18.载物平台 19.升降台 20.培养室盒体
21.培养室盒盖 22.加载物 23.压块 24-1、M-II.螺钉。
具体实施例方式实施例
以下结合附图对本发明的加载系统进行详细叙述。一种模拟椎体力学环境的加载装置，包括机架、弯曲及加载机构、扭转机构和培养 室组件，机架由顶板1、中板2、底板3和两根立柱4- I、4- II固定连接构成，顶板1和中板 2上分别设有穿孔，底板3上设有螺孔；弯曲及加载机构包括步进电机5、圆柱凸轮6、两根 偏心轴7- I、7_ II、两个偏心轴支架8- I、8_ II、滑杆9、顶杆10、滑杆螺钉11、两个定位 螺钉支架12- I ,12- II、顶杆定位螺钉13、两个弹簧定位螺钉14- I、14- II和两个复位弹 簧15- I ,15- II，圆柱凸轮6设有螺旋形凹槽，两根偏心轴7- I、7- II分别固定于圆柱凸 轮6的两端并支撑于两个偏心轴支架8- I、8- II内，靠近步进电机5输出轴一端的偏心轴 7- I与步进电机5输出轴偏心固定连接，另一端的偏心轴7- II与圆柱凸轮6连接并设有调 节锁紧螺钉16，步进电机5和两个偏心轴支架8- I、8- II分别与机架的顶板1固定；滑杆9 在直立时其上端嵌入圆柱凸轮6的凹槽内并与凹槽滑动配合，滑杆9在平放时位于顶杆10 上端的凹槽内并与圆柱凸轮6的凹槽脱离使顶杆10与圆柱凸轮6的凹槽直接滑动配合，滑 杆9与顶杆10通过滑杆螺钉11调节固定；两个定位螺钉支架12- I ,12- II对称设置于顶 杆10的两侧并分别与机架的顶板1和中板2固定，两个定位螺钉支架12- I ,12- II上的顶 杆定位螺钉13分别与顶杆10两侧的定位槽调节固定；两个弹簧定位螺钉14- I ,14- II分 别固定于顶杆10的下部并与两个定位螺钉支架12- I ,12- II成90度夹角，两个复位弹簧
515- I ,15- II的一端分别与两个弹簧定位螺钉14- I ,14- II固定，另一端与机架的顶板1 固定；扭转机构包括扭转步进电机17、载物平台18和升降台19，载物平台18与扭转步进电 机17的主轴固定连接，扭转步进电机17与升降台19固定，升降台19通过机架底板3上的 螺孔与机架底板3构成可升降调节并固定；培养室组件包括培养室盒体20、培养室盒盖21 和压块23，培养室盒体20与载物平台18通过螺钉M-I、24-II固定，加载物22置于培养室 盒体20内，培养室盒盖21因加载物22及压块23的高度支撑而与培养室盒体20分离，顶 杆10下端与压块23紧密接触，压块穿过培养室盒盖21上的中心孔作用于加载物22上。下面介绍分别介绍三种加载形式的工作原理旋动滑杆螺钉11将滑杆9水平放置 于顶杆10凹槽中，调节升降台19，使顶杆10与圆柱凸轮6紧密配合，并使加载物22有一定 的(例10%)压缩量，通过调节锁紧螺母16改变升程可调偏心轮机构的偏心距，实现不同压 缩量的调节，步进电机5带动圆柱凸轮6转动实现动态压缩功能。扭转作用，则通过扭转步 进电机17带动培养室盒体20正-反旋转，通过调节升降台19，加载物22将有一定的压缩 量，由于其上下都具有一定的压力，培养室盒体20旋转一定的角度，将实现对加载物的扭 转作用。将滑杆9调为竖直状态，并放置于圆柱凸轮6凹槽中，将升程可调偏心轮机构的偏 心距调节为0，顶杆定位螺钉13与顶杆10的凹槽为间隙配合，调节升降台19高度，顶杆10 与加载物22为紧密接触，圆柱凸轮6随步进电机5旋转，滑杆9作往复的平移运动，顶杆10 绕顶杆定位螺栓13实现一定的角度的摆动，实现侧弯加载。当滑杆9位于竖直状态，同时升程可调偏心轮机构的偏心距为非零时，步进电机5 旋转即可实现侧弯与动态压缩的功能。此时如果扭转步进电机17旋转，即可实现加载物22 的侧弯动态压缩和扭转的三种加载。
权利要求
1. 一种模拟椎体力学环境的加载装置，其特征在于包括机架、弯曲及加载机构、扭转 机构和培养室组件，机架由顶板、中板、底板和两根立柱固定连接构成，顶板和中板上分别 设有穿孔，底板上设有螺孔；弯曲及加载机构包括步进电机、圆柱凸轮、两根偏心轴、两个 偏心轴支架、滑杆、顶杆、滑杆螺钉、两个定位螺钉支架、顶杆定位螺钉、两个弹簧定位螺钉 和两个复位弹簧，圆柱凸轮设有螺旋形凹槽，两根偏心轴分别固定于圆柱凸轮的两端并支 撑于两个偏心轴支架内，靠近步进电机输出轴一端的偏心轴与步进电机输出轴偏心固定连 接，另一端的偏心轴与圆柱凸轮连接并设有调节锁紧螺钉，步进电机和两个偏心轴支架分 别与机架的顶板固定；滑杆在直立时其上端嵌入圆柱凸轮的凹槽内并与凹槽滑动配合，滑 杆在平放时位于顶杆上端的凹槽内并与圆柱凸轮的凹槽脱离使顶杆与圆柱凸轮的凹槽直 接滑动配合，滑杆与顶杆通过滑杆螺钉调节固定；两个定位螺钉支架对称设置于顶杆的两 侧并分别与机架的顶板和中板固定，两个定位螺钉支架上的顶杆定位螺钉分别与顶杆两侧 的定位槽调节固定；两个弹簧定位螺钉分别固定于顶杆的下部并与两个定位螺钉支架成 90度夹角，两个复位弹簧的一端分别与两个弹簧定位螺钉固定，另一端与机架的顶板固定； 扭转机构包括扭转步进电机、载物平台和升降台，载物平台与扭转步进电机的主轴固定连 接，扭转步进电机与升降台固定，升降台通过机架底板上的螺孔与机架底板构成可升降调 节并固定；培养室组件包括培养室盒体、培养室盒盖和压块，培养室盒体与载物平台固定， 加载物置于培养室盒体内，培养室盒盖因加载物及压块的高度支撑而与培养室盒体分离， 顶杆下端与压块紧密接触，压块穿过培养室盒盖上的中心孔作用于加载物上。
全文摘要
一种模拟椎体力学环境的加载装置，包括机架、弯曲及加载机构、扭转机构和培养室组件，机架由顶板、中板、底板和两根立柱固定连接构成；弯曲及加载机构包括步进电机、圆柱凸轮、偏心轴、偏心轴支架、滑杆、顶杆、滑杆螺钉、定位螺钉支架、顶杆定位螺钉、弹簧定位螺钉和复位弹簧，圆柱凸轮设有螺旋形凹槽；扭转机构包括扭转步进电机、载物平台和升降台；培养室组件包括培养室盒体、培养室盒盖和压块，压块作用于加载物上。本发明的优越性可同时提供轴向拉压、扭转和侧弯中任意两个或三个载荷形式的功能，具有变量调节功能，可用于培养椎间盘、软骨、肌肉等工程化组织和组织的生物学和力学性能的试验仪器，具有较大的经济实用性。
文档编号G09B23/28GK102147990SQ201110054080
公开日2011年8月10日 申请日期2011年3月8日 优先权日2011年3月8日
发明者付立会, 张春秋, 徐宝山, 李江, 杨强, 董心, 门玉涛 申请人:天津理工大学
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