电热驱动微夹持器的设计、制作及细胞操作实验

发布时间：2020-06-17 03:56

【摘要】：随着科技水平的进步,生物、医学等领域的科学研究和应用逐渐走向微观化和精准化。细胞微操作是推动这一趋势的关键技术,是人工受精、克隆、新药研制及基因工程的前提技术保障。目前,传统微吸管真空吸附的操作方式存在失败率高、灵活性和可重复性差、效率和精度低等问题,远不能满足相关领域科学研究和临床应用的发展需求。电热驱动微夹持器结构紧凑、可靠,控制简单,操作方式灵活多样,用电热驱动微夹持器机械夹持代替传统微吸管真空吸附的操作方式为解决上述问题提供了新思路,但当前研究尚处于静态层次的初级水平,在功能和性能上都无法满足细胞微操作的要求。本文以电热驱动微夹持器为研究对象,围绕静力学、动力学、设计、制作、测试、控制,及实验等方面,从理论到实验、软件到硬件开展了深入、系统的研究,有效提升了电热驱动微夹持器的性能。主要包括以下几个方面内容:(1)针对真空与空气两种环境,分别建立了V型和Z型电热驱动器的电-热和热-机多物理场耦合子模型,进而建立了V型和Z型电热驱动器统一的静力学模型,并对V型和Z型电热驱动器进行了详细分析与性能比较,为电热驱动器设计提供了依据。(2)建立了偏微分方程形式电热驱动器电-热场的动态模型。考虑轴向和横向振动的耦合,分别建立了V型和Z型电热驱动器的自由振动模型,求出了固有频率和模态。通过详细参数分析,发现了电热驱动器的动力学特性主要由电-热场决定,从而求出了电热驱动器的系统动态响应,揭示了电热驱动器的动力学特性。并进一步建立了常微分方程形式的电热驱动器动力学方程,为电热驱动微夹持器的控制奠定了基础。(3)设计并制作了多组电热驱动器,从静态响应、动态响应、氧化失效及失稳等方面开展了一系列测试与比较分析,改进了电热驱动器结构尺寸,提高了输出位移。利用拓扑优化方法,设计了一种柔顺微夹持机构,并制作了电热驱动微夹持器,实验测试表明,其输出位移可完全满足细胞操作需要。(4)根据动力学方程,建立了电热驱动器和电热驱动微夹持器的系统传递函数,并通过实验求得了综合材料参数,进而修正了传递函数模型。从而设计了P和PD控制器,通过数值仿真和实验,显著提高了电热驱动微夹持器的响应速度,并抑制了稳态振动。(5)搭建了一套细胞微操作系统,集成了机械臂、电动平台、电热驱动微夹持器、相机及显微镜等硬件,开发了操作软件,可实现图像实时显示、设备连接、手动操作、自动操作和反馈控制等功能。按照所规划的细胞微操作过程,首次实现了电热驱动机械夹持方式的斑马鱼卵细胞自动穿刺。
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH789
【图文】：

微操作工具

其中细胞微操作是推动这一发展趋势的前提技术保障。人工受精[1,2]、克隆[3]、基因工程[4]和药物研发[5]都依赖于对生物细胞的精准操作。细胞微操作的技术水平直接决定着相关科学研究和临床应用的精细程度和成败。目前，细胞微操作还停留在手动操作层面，存在失败率高、效率和精度低等问题，严重制约了生物、医学等相关领域科学研究和临床应用的发展。细胞微操作的关键是对细胞的有效拾取、释放和移动，以及在操作过程中对细胞的牢固固定。目前，对细胞的拾取、释放、移动和固定操作均依赖于传统操作工具微吸管对细胞局部或整体的负压吸附作用，如图 1-1(a)所示。负压的控制完全依赖于操作人员的经验和熟练程度，操作过程需要长时间集中精力，对细胞拾取和释放很难做到一次成功，远不能实现自动化细胞操作，且在操作过程中，容易使局部负压过大而损伤细胞，造成操作失败。另一方面，在操作过程中，靠局部负压的吸附作用无法牢固固定细胞，更无法限制细胞的变形，操作精度低，无法实现在细胞内部更精细的细胞操作。此外，微吸管操作方式单一，无法满足更复杂、灵活多样的细胞操作。

斑马鱼,卵细胞,疾病,模式生物

第 1 章绪论疾病能出现在斑马鱼身上，作为广泛使用的模式生物，它可以模拟耳聋、恶性肿瘤等疾病，帮助快速筛选出有用的新药。相比小白鼠理和药理上更适合药物研发，如图 1-2 所示。此外，斑马鱼胚胎内就可以发育成形，不用解剖就可以在显微镜下实时观察胚胎发育能力强，价格低廉，极大缩短了药物的开发周期和成本。

【参考文献】