专利名称：显微注射用单细胞微操作装置的制作方法
技术领域：
本发明属于微系统技术，涉及基于机械运动与流场流动耦合作用的单细胞微操作装置，特别是一种显微注射用单细胞微操作装置。
背景技术：
在不同的细胞工程应用场合，显微注射对细胞的操作目标是不同的，如受精卵原核注射的雌原核、卵母细胞极体重组的极体、单精子显微注射的纺锤体等，要求精确定位被操作细胞的位置和姿态。现有单细胞微操作方式分接触式和非接触式两种，艮P:
1、 接触式，以现有手工调节显微注射系统的机械操作方式为主，如日本Narishige公司的NT-88NE型显微注射系统。该系统中用于细胞操作的末端执行器仅有1支吸持针，实现细胞的吸持和释放等简单操作。实验过程中，单支吸持针无法有效控制细胞操作环境流场的流动状况，不能调节细胞的姿态。细胞被吸持固定后，借助于微操作
手机械运动，操作人员以手工方式调节细胞位置。现有接触式机械操作方式存在以下缺点调节细胞位置和姿态的操作难度大，受操作人员主观因素影响严重，对操作人员的培训周期长，成本高，可自动化性差，无法精确调节细胞姿态，显微实验效率低，易伤害被操作细胞，实验成功低。
2、 非接触式，包括激光势阱、电场力、超声波振动等操作方式。以中国科技大学研究的激光势阱操作单细胞方式为例，在一定条件下，光不但具有产生辐射压力的线性动量，而且带有角动量，包括自旋角动量和轨道角动量，这些动量均可产生光致旋转，控制细胞转动(2003年第40巻第10期《激光与光电子学进展》杂志在"激光光阱中微粒的光致旋转")。非接触式细胞微操作方式，适合于操作空间狭小或常规末端执行器不能到达的场合，但激光势阱、电场力和超声波等非接触式操作方式下的细胞是很难固定静止的。由于显微注射中注射针是剌入细胞内部进行基因物质传输的，会产生一定的轴向作用力，要求细胞保持静止，且需一定的支撑来平衡注射针的轴向作用力。因此，非接触式细胞微操作方式无法满足细胞显微注射的应用要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种显微注射用单细胞微操作装置，基于细胞操作环境流场流动和微操作手机械运动耦合控制方式，在细胞工程的各类应用场合中，对被操作细胞进行精确的位置和姿态调节，提高显微注射实验效率和成功率，具有计算机自动控制功能，进而实现自动化细胞显微注射。
实现本发明目的的技术解决方案为 一种显微注射用单细胞微操作装置，包括气源及压力控制阀、图像检测处理单元、具有图像采集和自动伺服功能的计算机以及倒置式显微镜工作台，所述图像检测处理单元由倒置式显微镜的物镜、CCD摄像头和图像采集处理卡组成，所述的气源及压力控制阀分别通过夹持器内的通道与左右末端执行器形成密封气路，该左右末端执行器分别通过夹持器与左右三维微动平台连接，该左右三维微动平台对称安装于倒置式显微镜工作台的左右两边，所述的左右末端执行器在倒置式显微镜工作台上形成流速分布可控的单细胞微操作流场；计算机采集图像检测处理单元的信号分别控制压力控制阀和左右三维微动平台。
本发明与现有技术相比，其显著优点(1)在左右末端执行器作用下，有效控制细胞的操作环境流场，形成稳定的、流速分布可控的单细胞微操作流场，驱动细胞运动，在三维正交平面内实现任意调整细胞角度，精确控制细胞三自由度姿态；左右三维微动平台与左右末端执行器夹持器可分别控制细胞末端执行器的三维平动和沿轴向转动，调节细胞三维空间位置，实现细胞位置与姿态的精确定位。在流场流动和机械运动耦合作用下，实现了被操作细胞的接触式和非接触式混合控制，减轻对被操作细胞的机械损伤，提高实验成功率；(2)结合图像处理和自动伺服技术，利用计算机实时控制左右微动工作台三维位置和左右末端执行器内部压力，可实现被操作细胞位置和姿态调节自动化，降低了对操作人员的依赖程度，提高了显微注射的自动化程度和实验效率；(3)末端执行器结构简单，无需嵌入微电极或施加电场，简化了细胞微操作装置系统结构；无需涂覆化学催化剂，消除了对被操作细胞的刺激；细胞末端执行器具有几何旋转对称的裸微特性，内部无可动件，使用寿命长，制造工艺简洁，成本低，光学性能好，便于监测。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
图1为本发明显微注射用单细胞微操作装置的结构与组成示图。
4图2为图1所示末端执行器与被操作细胞相对位置关系的显微示图。图3为图2所示实施方式末端执行器控制被操作细胞在水平面内旋转的俯视图。图4为图2所示实施方式末端执行器控制被操作细胞在垂直面内滚动的正视图。图5为图2所示实施方式末端执行器夹持器控制被操作细胞沿轴向转动的左视图。
具体实施例方式
结合图l，本发明显微注射用单细胞微操作装置，包括气源1及压力控制阀2、图像检测处理单元、具有图像采集和自动伺服功能的计算机6以及倒置式显微镜工作台10，所述图像检测处理单元由倒置式显微镜的物镜9、 CCD摄像头8和图像釆集处理卡7组成，所述的气源1及压力控制阀2分别通过夹持器12、 4内的通道与左右末端执行器13、 3形成密封气路，该左右末端执行器13、 3分别通过夹持器12、 4与左右三维微动平台ll、 5连接，该左右三维微动平台ll、 5对称安装于倒置式显微镜工作台10的左右两边，所述的左右末端执行器13、 3在倒置式显微镜工作台IO上形成流速分布可控的单细胞微操作流场；计算机6采集图像检测处理单元的信号分别控制压力控制阀2和左右三维微动平台11、 5。其中，左右末端执行器13、 3与倒置式显微镜工作台10呈10°~30°夹角。
如图2，细胞末端执行器13、 3由玻璃毛细管经拉制、磨削、锻造等工序制作而成，具有几何旋转对称的裸微结构，内部无可动件或嵌入式电路。且宏夹持端尺寸与玻璃毛细管的一致，微操作端尺寸与被操作细胞的相近，具有平整的微操作端面，为注射针穿刺细胞膜提供支撑，微操作端内径与外径尺寸比例在1:4和3:4之间，具有吸持固定细胞和控制流场流动的双重功能；末端执行器夹持器12、 4具有高度同轴的、沿轴向旋转自由度，该夹持器旋转角度由精密电机控制。所述的末端执行器夹持器12、4控制细胞在垂直面内的旋转角度；三维微动平台11、5具有三维微米级精密定位功能，可由计算机6自动控制；气源1及压力控制阀2具有正压、负压和置零三项功能，可由计算机6自动控制；图像检测处理单元7、 8、 9具有识别生物细胞结构功能，为计算机6提供反馈信号；被操作细胞14具有可视觉识别的工程化结构特征，以小鼠卵母细胞为例，Oc为卵母细胞中心，A为卵母细胞的卵细胞，B为卵母细胞的极体。
本发明装置的被操作细胞位姿调节操作分为姿态调整和位置定位两步。图3~图5为图2所示被操作细胞姿态调整实施方式
如图3，在细胞操作过程中，左右末端执行器13、 3在倒置式显微镜工作台10上形成稳定的、速度分布可控的单细胞微操作流动场，调节被操作细胞姿态。左右末端执行器13、 3以被操作细胞14的Oe为对称中心分布，在气源1及压力控制阀2施加相等压力情况下，内部细胞培养液以相同速度流出端口，在倒置式显微镜工作台IO上形成以Oe为中心的涡漩流场。被操作细胞14在培养液粘性拖拉力作用下，受到平面力偶，产生水平面内旋转运动。通过设定左右末端执行器13、 3的压力值和作用时间等参数，可任意调节被操作细胞14在水平面内旋转角度。
如图4，左右末端执行器13、 3关于被操作细胞14对称分布，在端口射出的培养液"吹打"下，被操作细胞14受到一组过中心Oc的相对推力，由于与倒置式显微镜工作台10底壁间的黏附力，被操作细胞14向气源压力小的末端执行器滚动，滚动角度与滚动距离保持一致。当滚到指定位置后，使左右末端执行器3、 3的气源压力相等，被操作细胞14静止，即实现垂直平面内的滚动定位。
如图5，以右末端执行器3为例。当被操作细胞14滚到右末端执行器3端口处，右末端执行器3产生负压，将其吸持股定。右末端执行器3沿轴向旋转，可在第三平面内调整被操作细胞14的姿态，被操作细胞14转过的角度与右末端执行器3 —致，与细胞尺寸无关。左末端执行器13功能同上。
被操作细胞14的姿态调整完成，被右末端执行器3吸持固定，进入空间位置定位阶段。被操作细胞14的位置定位由右三维微动平台5实现的，根据显微注射中注射针的三维位置信息，可由计算机6自动控制。注射完成后，右末端执行器3在气源1、压力控制阀2和右三维微动平台5作用下，将已注射细胞释放在指定的位置或器皿内。
上述所有操作，均由具有图像采集和伺服功能的计算机6控制完成的。经姿态调整和位置定位两阶段操作，在流场流动和机械运动耦合作用下，可实现被操作细胞三自由度姿态和三维空间位置的自动化调节和精确控制。
权利要求
1、一种显微注射用单细胞微操作装置，包括气源(1)及压力控制阀(2)、图像检测处理单元、具有图像采集和自动伺服功能的计算机(6)以及倒置式显微镜工作台(10)，所述图像检测处理单元由倒置式显微镜的物镜(9)、CCD摄像头(8)和图像采集处理卡(7)组成，其特征在于气源(1)及压力控制阀(2)分别通过夹持器(12、4)内的通道与左右末端执行器(13、3)形成密封气路，该左右末端执行器(13、3)分别通过夹持器(12、4)与左右三维微动平台(11、5)连接，该左右三维微动平台(11、5)对称安装于倒置式显微镜工作台(10)的左右两边，所述的左右末端执行器(13、3)在倒置式显微镜工作台(10)上形成流速分布可控的单细胞微操作流场；计算机(6)采集图像检测处理单元的信号分别控制压力控制阀(2)和左右三维微动平台(11、5)。
2、 根据权利要求1所述的显微注射用单细胞微操作装置，其特征在于左右末端执行器(13、 3)与倒置式显微镜工作台(10)呈10。 30。夹角。
3、 根据权利要求1所述的显微注射用单细胞微操作装置，其特征在于左右末端执行器(13、 3)具有几何旋转对称的裸微结构特性，内部无可动件或嵌入式电路。
4、 根据权利要求3所述的显微注射用单细胞微操作装置，其特征在于所述左右末端执行器(13、 3)为玻璃毛细管拉制而成的微管道，该微管道的前端具有平整的微操作面，该微操作面内外径之比为1 : 4~3 : 4。
5、 根据权利要求l所述的显微注射用单细胞微操作装置，其特征在于所述左右末端执行器夹持器(12、 4)具有高度同轴的、沿轴向旋转自由度，该夹持器旋转角度由精密电机控制。
6、 根据权利要求1所述的显微注射用单细胞微操作装置，其特征在于在细胞操作过程中，左右末端执行器(13、 3)在倒置式显微镜工作台(10)上形成稳定的、速度分布可控的单细胞微操作流动场，调节被操作细胞姿态。
全文摘要
本发明公开了一种显微注射用单细胞微操作装置。该装置的气源及压力控制阀分别通过夹持器内的通道与左右末端执行器形成密封气路，该左右末端执行器分别通过夹持器与左右三维微动平台连接，该左右三维微动平台对称安装于倒置式显微镜工作台的左右两边，所述的左右末端执行器在倒置式显微镜工作台上形成流速分布可控的单细胞微操作流场；计算机采集图像检测处理单元的信号分别控制压力控制阀和左右三维微动平台。本发明有效控制细胞的操作环境流场，形成稳定的、流速分布可控的单细胞微操作流场，驱动细胞运动，在三维正交平面内实现任意调整细胞角度，精确控制细胞三自由度姿态；调节细胞三维空间位置，实现细胞位置与姿态的精确定位。
文档编号C12M1/36GK101481653SQ20081001909
公开日2009年7月15日 申请日期2008年1月11日 优先权日2008年1月11日
发明者侯丽雅, 田桂中, 章维一 申请人:南京理工大学