面向应用的微能微创卵母细胞压电显微注射技术机理及实验研究

• 作 者: 闫肃
• 出 处: 苏州大学
• 发表日期: 2020年01期
• 关键词: 三角形柔性机构 显微注射 超声振动 细胞破膜

自迈入21世纪以来,生命科学领域迎来了一个发展的高潮,各种显微操作技术层出不穷。其中最核心的技术还属应用范围最为广泛的超声显微注射技术,该技术在各个微操作领域都占有一席之地,例如克隆技术、辅助生殖技术以及转基因技术等。传统的显微注射技术是通过物理穿刺的方法直接刺穿细胞的透明带和细胞膜,对细胞的损伤很大,不利于细胞的后期培养。经过大量学者的深入研究,将超声技术引入了显微注射技术中,很大程度上解决了被注射细胞的大变形问题,但是超声技术带来的横向振动对细胞的损伤又是另一个难题。因此,研发出一款具有较小横向振动的显微注射器对当前显微操作领域具有重大的意义。本课题针对当前显微注射领域的难题,提出了一款基于三角形柔性机构的显微注射器。该显微注射器在显微注射的过程中,一方面能够大大减小针尖的横向振动,降低对细胞的伤害;另一方面又能够保证细胞在微形变,微创伤的情况下成功完成破膜的过程;同时,注射器的结构又能够完美地匹配当前显微镜的成像系统以及商用显微注射针的结构。主要的研究内容如下:第一,简述了当前显微注射技术的发展情况,概括出当前显微注射技术发展的方向是尽量的减小破膜针针尖的横向振动。之后,结合着超声技术给出了相应的超声破膜理论。第二,对当前商用显微注射针的物理特性进行分析,再根据材料力学中挠度和转角的微分方程,对显微注射针进行分析研究;然后通过叠加原理,拟合出针尖处的振动状态。最后,确定针尖横向振动的影响因素,并得出这些因素的最佳参数。第三,对基于柔性机构的显微注射器进行设计。由于压电陶瓷本身的振动特性,输出端的振动不仅有轴向振动,还有横向振动,再经由类悬臂梁的注射针放大,针尖的横向振动会更大,对细胞造成较大的损伤。本课题将三角形柔性机构引入到压电驱动源中,从振动源处减少横向振动,根据AWTAR理论,优化出压电驱动源最大分辨率下的三角形柔性机构的最优参数。通过欧拉伯努利栋梁方程优化出显微注射中的参数设置。另外,再通过ANSYS仿真,优化出微针的最佳夹持距离,进一步保证了针尖的振动稳定性。第四,基于前期理论研究基础,对相应的实验设备进行设计和加工,搭建卵母细胞显微手术系统平台并进行卵母细胞显微注射实验。分析基于三角形柔性机构的压电超声显微注射器在显微视觉下针尖的横向和轴向振幅大小,得出了该注射器的实用性。并进行了小鼠卵母细胞注射实验,通过对比多组数据,总结出当信号发生器输出25KHz的振动频率以及5V的振动幅值时,显微注射器处于最佳的注射状态。最后观察实验中卵母细胞的损伤现象,分析出相对应的原因,为以后的显微注射技术提供了一定的理论依据。