微创化压电超声细胞注射仪的优化设计及实验研究

发布时间：2020-06-07 05:04

【摘要】：随着现代生物医学技术研究的不断深入,对于细胞个体的生物显微操作过程越来越复杂和精密。其操作精度已经逼近亚微米甚至纳米水平,这对生物显微操作技术提出了更高的要求。因此研制面向复杂细胞“手术”的高精密和微损伤细胞显微注射装置成为了现代生物医学发展的迫切需求。本课题以细胞显微注射的微创化为总体目标,借助压电陶瓷超声振动技术实现了微损伤细胞破膜。新型细胞注射仪具有三大优势:(1)新型轻量化压电陶瓷封装结构传导速率高,散热快,寿命长;(2)优化的微针夹持头兼容普通商用弯头平口针,使得注射仪通用性大大提升;(3)集成细胞弹性模量检测与细胞压电破膜功能于一体的陶瓷封装设计,初步实现了细胞弹性模量实时检测与细胞注射于一体的流程构想。总体上,新型微创化压电超声细胞显微注射仪的操作效果相比传统装置有了较大进步。主要研究内容如下:一,阐述了细胞注射技术的概念,并对与其紧密相关的辅助技术进行了介绍,对细胞注射仪的研究现状进行了概括,总结出“机器视觉代替人眼视觉”,“机械手代替人手”的显微注射技术发展趋势。二,研究了压电技术与超声技术,并对微针的振动进行了数学分析,对微针的受迫振动微分方程进行了推导。在破膜机理上,通过对比分析提出了新的破膜理论。文中将微针针尖振动进行了分解,分别研究各振动在三个破膜阶段中的作用机理,发现侧向振动在破膜第二阶段能够明显减小微针阻力,对破膜具有一定的辅助作用。细胞弹性模量检测功能方面,在对已有技术总结掌握的基础上,阐述了本文所用技术的技术原理。三,进行了注射装置结构的设计与优化。新压电封装使用6061铝合金开放式外壳,减轻质量并提高了散热性;同时使用弓形弹变结构传导振动,传导速率与稳定性更高。微针夹持头优化后结构更小,质量更轻仅有lg,适合未来实验室快速3D打印。折弯设计使得传统20μm弯头微针适用于压电注射,大大提升了装置的通用性。最后对整体进行了模态与谐响应仿真,仿真结果显示装置低阶模态频率最高2KHz,对装置超声振动无影响,且在超声频段22KHz处侧向位移最小仅有18.5μm,初步满足破
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偏振光,去核,成像技术,细胞

细胞质与极体结构等，黄海波等人使用的显微注射系统中就使用了普通光的图像检测逡逑技术，通过相关算法提取出了细胞与微针的轮廓特征，从而实现对两者的相对位置实逡逑时监测［１３］。图１－２邋（ａ）中可以发现斑马鱼卵的轮廓被清晰地提取了出来。但是细胞逡逑内部的重要的高分子物质比如细胞骨架、纺锤体、卵细胞的透明带亚结构等以往则需逡逑要通过用荧光标记法或者偏振光成像装置才能够实现成像［１４］。图１－２邋（ｂ）中细胞纺逡逑锤体结构在荧光染色剂的帮助下清晰可见。于莹等人进行多种去核方法实验对比后也逡逑发现使用荧光染剂去核效率相比于其他方法最高，后续研究发现虽然光标记辅助操作逡逑过程中细胞胞质流失量少，但成像过程中使用的高能量紫外光照射造成的伤害不可逆逡逑转，且紫外光照射剂量无法控制，因此总体上该辅助技术方法引起胞质损伤较大［１５％］。逡逑相比于上述方法偏振光成像技术就没有这种缺点，，现在由美国Ｍａｒｉｎｅ实验室最早开逡逑发的偏振光成像系统己经广泛应用于人工辅助生殖领域，操作者使用它们观察体外受逡逑精的卵母细胞的纺捶体［１７］。图卜２邋（ｃ）中分别是普通光与偏振光下的卵母细胞图像，逡逑可见偏振光下细胞核清晰可见。Ｏｌｄｅｎｂｏｕｒｇ和Ｉｎｏｕｅ在２１世纪初对偏振光成像技术逡逑做了较为深入的研宄，并研发了专业级偏振光设备ＬＣ－Ｐｏ丨

调节技术,位姿

高精度的机械手来实现细胞的夹持搬运与简单位姿调节［２１１。此技术优点是结构简单易逡逑于加工实现，缺点则有两点，一是存在着对细胞的机械损伤，二是姿势调节的效果与逡逑效率依旧不理想，图１－３邋（ａ）展示了微钳的结构。Ｌｉａｎｇ邋ＹＬ等人使用激光器产生的逡逑激光束照射在细胞附近，利用照射区域的“光镊”的捕获力来进行细胞位姿调节［２２］。逡逑此技术优点是过程作用力小，无接触无明显的机械损伤，缺点则一是激光的能量对细逡逑胞有一定的损伤效应，二就是“光镊”作用力微弱，调节与控制效率依旧不高，图逡逑１－３邋（ｂ）展示的是一个光镊正作用于一个细胞。电泳位姿调节技术则是现阶段很有前逡逑景的一项技术，ＰａｒｋＪ等人使用介电泳技术产生的非均匀电场推动细胞旋转［２３］，此技逡逑术优点是适用范围广，操作效率高，操作精度高，缺点最主要的一点则是外加电场对逡逑细胞活性存在一定程度的影响［２４］，图１－３邋（ｃ）展示了两个细胞正在介电泳芯片上移逡逑４逡逑
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH77

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