2.2简介

半月板的机械负荷在纤维软骨细胞的代谢活动中起着至关重要的作用[1-5]。目前还不完全了解生物力学和生物化学事件如何相互作用，产生细胞外基质的变化。在测量生物响应的同时，利用组织外植体在体外重建生理力，为观察机械应力对半月板的影响提供了一种方法[4，6]，然而大多数商用生物反应器可能不适合应用于半月板负荷研究。组织外植体培养研究允许控制负载和生化条件。为了使这些研究能够准确地在体内进行，人体内的条件必须在测试系统中重现。

半月板外植体压缩生物反应器必须满足以下标准，以确保实验成功。外植体在整个过程中必须保持无菌，因此所有的测试设备和工具在接触组织之前必须能够通过高压灭菌器或酒精消毒。与新鲜组织一起使用的培养基和孵育（5%CO2，37°C）是使生物反应类似于体内反应所必需的。为了在体内产生最佳的反应，机械加载外植体需要组织经历半月板在膝关节所经历的压力。压力高达10兆帕，应变范围从2%到20%可见半月板在体内[7-9]。前、中、后三个区域经历不同的应变水平，因此有必要对这三个区域的外植体进行测试。一次测试6个外植体可以测试每个区域的组织对相同水平的负荷或应变的反应。如果要创建可重复的结果，并在数据中显示重要性，所有六个外植体必须经历相同的压缩。外植体在每次试验中应在5%的误差范围内获得相同的菌株。对于5m m的外植体，位移范围必须至少为0.1mm±2.5μm至1.0 mm±2.5μm，以分别实现2%应变至20%应变水平的精确位移。正常健康半月板的应变相对较低，但这些应变水平随着半月板部分切除而增加[9]。我们假设，较高的菌株会导致液氮变性增加的一氧化氮水平。

目前用于半月板外植体压缩的系统施加接近或低于1兆帕的压力。Biopress系统（FrExcel International，Hillsborough，NC）使用在每个井底下的柔性底部施加的空气压力。它已被用来施加压力0.1 MPa在以前的研究半月板外植体[1, 3, 4 ]，注意到染色水平约10%，由于状态的无侧限压缩。另一个双轴组织化装置，以前用于压缩关节软骨外植体，能够在一次（10）多达12个外植体上产生最大400 N轴向力。该装置还能够产生分辨率为0.0005°的旋转运动，且只能施加振幅低至10μm、大至100μm的正弦波。因此，该系统不适用于要求10%应变位移为0.5mm的5mm半月板外植体的大规模测试。

本研究的目的是设计一个组织工程生物反应器，将半月板外植体周期性地压缩到生理压力和应变下。该系统必须满足以下标准：1）对每个外植体施加和测量高达350N的压缩载荷；2）使用精确到1%的载荷或位移控制进行循环压缩试验；3）将外植体保持在生理环境中。随后的章节描述了系统的设计、精度评估以及系统在外植体测试中的应用。

2.3材料和方法

2.3.1生物反应器设计

为了产生生理负荷，该系统基于超运动和动画制作的皮带驱动线性驱动器。Smartmotor 1720（纽约州马蒂托克市Ultramotion）是Ultramotion的Bug系列执行器的一部分，它利用了Animatics的控制包。致动器的最大行程长度为5厘米，可以推力为2225 N。它的最大速度为50厘米/秒，可重复性为+/-。00762毫米，单向重复性为+/-。00254毫米。电机控制是通过使用smitmotor接口（SMI）来实现的，该接口是用SMI编程语言编写的程序。这使得执行机构的运动可以由称重传感器产生的信号或执行机构的位移来控制。执行器的位移分辨率为.4μm，因为编码器上的2500计数等于1 mm。

使用了具有两种不同负载能力的二维相同应变计称重传感器（Interface，Scottsdale，AZ）。这允许更灵活的测试范围，结合更高的精度在LO