碩士論文數(shù)字化細(xì)胞微注射儀研制及拉針儀設(shè)計(jì) 摘要 細(xì)胞微注射技術(shù)是細(xì)胞工程領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的技術(shù)之一，而目前國內(nèi)細(xì)胞微注射 裝備基本依賴進(jìn)口，價(jià)格昂貴，存在刺膜細(xì)胞變形大、流動(dòng)正常性較差、生產(chǎn)率較低 等缺點(diǎn)，且并未實(shí)現(xiàn)細(xì)胞注射自動(dòng)化。 本文以微流體數(shù)字化技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)基于壓電驅(qū)動(dòng)的數(shù)字化細(xì)胞微注射儀，通 過搭建的數(shù)字化細(xì)胞微注射儀位移測試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究驅(qū)動(dòng)波形、電壓、頻率、傾斜角 度、預(yù)緊力對微注射儀位移特性的影響規(guī)律，進(jìn)一步研究數(shù)字化細(xì)胞微注射儀用于細(xì) 胞微注射的可行性。并提出注射微針制備裝置拉針儀的設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行原理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 和拉針參數(shù)控制研究。 本文設(shè)計(jì)的數(shù)字化細(xì)胞微注射儀通過軟件控制驅(qū)動(dòng)波形、電壓、頻率等參數(shù)的變 化來實(shí)現(xiàn)細(xì)胞注射快速進(jìn)退針及注射操作，該方法避免了直接對結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整以適應(yīng) 不同的操作要求，簡單可靠，易于實(shí)現(xiàn)細(xì)胞注射自動(dòng)化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，數(shù)字化細(xì)胞 微注射儀具有刺膜細(xì)胞變形小、流動(dòng)正常性好、注射分辨率高的優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)的拉針儀 系統(tǒng)穩(wěn)定性高、重復(fù)性好，能夠拉制出符合要求的注射針。參數(shù)控制實(shí)驗(yàn)分析表明， 應(yīng)在有效的范圍內(nèi)減小加熱時(shí)間和加熱長度，提高加熱電壓。 關(guān)鍵詞：細(xì)胞微注射；微流體數(shù)字化；壓電驅(qū)動(dòng)器；數(shù)字化微注射 a b s t r a c t 碩士論文 a b s t r a c t c e l lm i e r o i n j e c t i o ni so n eo ft h et e c h n o l o g i e sw i d e l yu s e di nt h ed o m a i no fc e l l e n g i n e e r i n g h o w e v e r , t h ed o m e s t i ce q u i p m e n to fc e l lm i e r o i n j e c t i o nn o wi st o t a l l y d 印e n d e do nt h ef o r e i g nc o m p a n i e sw h o s ep r o d u c t sa r ev e r ye x p e n s i v ea n di n f e r i o ri nc e l l d i s t o r t i o n , f l o ws t a b i l i t ya n dp r o d u c t i v i t y f u r t h e r m o r e , t h e i rp r o d u c t sh a v e n tr e a l i z e dt h e a u t o m a t i o no fc e l lm i c r o i n j e c t i o n b a s e do nt h ed i 西t a lm i e r o f l u i d i ct e c h n o l o g y , ac e l lm i e r o i n j e c t i o nd e v i c ei sd e s i g n e d , d r i v e db yp i e z o e l e c t r i ca c t u a t i o n d i g i t a lm i e r o i n j e e t i o nd i s p l a c e m e n tt e s t i n ge x p e r i m e n t s y s t e mi sb u i l d e dt or e s e a r c ht h ei n f l u e n c eo fd r i v ew a v e ，v o l t a g e ，f r e q u e n c y , g r a d i e n t d e g r e ea n di m p a c t e df o r e , f u r t h e r m o r e ，t h ec e l lm i c r o i n j e c t i o ne x p e r i m e n ts y s t e mi s b u i l d e dt or e s e a r c ht h ee f f e c to ft h em i c r o i n j e c t i o nd e v i c e i na d d i t i o n , ad e s i g ns c h e m ei s p r e s e n t e dt od e v e l o pam i c r o p i p e t t ep u n e r , i no r d e r t of a b r i c a t eg o o dc e l li n j e c t i o np i p e t t e b yc o n t r o l l i n gt h ec h a n g eo fd r i v ew a v e , v o l t a g ea n df r e q u e n c yw i t hs o f t , t h ec e l l m i e r o i n j e e t i o nd e v i c e 鋤w e l lr e a l i z en o to n l yt h er a p i dm o v e m e n to fp i p e t t e sg o i n g a h e a da n db a c k , b u ta l s ot h em i e r o i n j e c t i o nm a n i p u l a t i o n t h ed e v i c e a v o i d sd i r e c t a d j u s t m e n tt ot h es t r u c t u r e ，w h i c hm a k e si te a s yt or e a l i z et h e a u t o m a t i o no fc e l l m i e r o i n j e c t i o n t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ed e v i c em a k e sl e s sd i s t o r t i o nt ot h ec e l lw h e n p e n e t r a t i n gi n t oi t a l s ot h ed e v i c eh a sa b e t t e rf l o ws t a b i l i t ya n dah i g h e rr e s o l v i n gp o w e r o fi n j e c t i o n t h em i c r o p i p e t t ep u l l e rs y s t e md e s i g n e di nt h ep a p e rc a l lf a b r i c a t eg o o dc e l l i n j e c t i o np i p e t t ew i t hh i 曲s t a b i l i t y t h er e s u l t si n d i c a t et h a ti t sb e t t e rt oi n c r e a s et h eh e a t v o l t a g ea n dr e d u c et h eh e a tt i m ea n dl e n g t hi nap r o p e rr a n g e k e y w o r d s ：c e l lm i 鋤i n j e e t i o n , d i g i t a l i z a t i o no fm i e r o f l u i & , p i e z o e l e c t r i ca c t u a t i o n , i i d i g i t a l i z a t i o no f m i c r o i n j e c t i o n 碩士論文 數(shù)字化細(xì)胞微注射儀研制及拉針儀設(shè)計(jì) 圖表編號(hào) 圖1 1 1 圖2 2 1 圖2 2 2 圖2 3 1 圖2 3 2 圖2 3 3 圖2 3 4 圖2 4 1 圖2 4 2 圖2 4 3 圖2 4 4 圖2 4 5 圖2 4 6 表2 4 1 圖2 4 7 圖2 4 8 圖2 4 9 圖3 1 1 圖3 1 2 圖3 1 3 圖3 1 4 圖3 2 1 圖3 2 2 表3 3 1 表3 3 2 表3 3 3 表3 3 4 圖3 3 1 表3 3 5 表3 3 6 圖3 3 2 圖表目錄 圖表名 手動(dòng)微注射儀原理 壓電驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的移動(dòng)原理 驅(qū)動(dòng)電壓波形 “慣性體一移動(dòng)體”運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型 水平急速伸長時(shí)動(dòng)力學(xué)參照系 p z t 壓電陶瓷在長度方向上加速度梯度 p z t 壓電陶瓷在長度方向上速度梯度 數(shù)字化細(xì)胞微注射儀結(jié)構(gòu) 壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的聯(lián)接 細(xì)胞注射針聯(lián)接件 c e t c 二十六所w n 巾型壓電陶瓷 w n 巾型壓電陶瓷電壓一位移特性 位移系數(shù)與慣性體( m ) 、移動(dòng)體質(zhì)量( m ) 關(guān)系 裝置關(guān)鍵零部件質(zhì)量 持針器約束示意圖 持針器彈性變形 數(shù)字化細(xì)胞微注射儀設(shè)計(jì)圖 數(shù)字化細(xì)胞微注射儀進(jìn)退針位移特性測試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖 參數(shù)設(shè)置和發(fā)送模塊界面 數(shù)字化細(xì)胞微注射儀 細(xì)胞注射微針外觀圖 注射針臨界注射角度示意圖 微注射針臨界注射角度與微針半錐度、細(xì)胞半徑的關(guān)系 不同傾斜角度下進(jìn)針單步位移實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 不同傾斜角度下退針單步位移實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 不同傾斜角度下進(jìn)針實(shí)際單步位移 不同傾斜角度下退針實(shí)際單步位移 傾斜角度與單步位移關(guān)系 不同預(yù)緊力下測得的機(jī)構(gòu)單步位移數(shù)據(jù) 不同預(yù)緊力下機(jī)構(gòu)實(shí)際單步位移數(shù)據(jù) 單步位移與預(yù)緊力關(guān)系曲線 v 鄹4 9 m m 他b h ：2 m怕掩博侈侉加俎絲勉乃拐m簽筋巧笱笱拍拍” 圖表目錄碩士論文 圖3 4 1電壓驅(qū)動(dòng)波形 表3 4 1進(jìn)針波形、電壓與單步位移的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 圖3 4 2進(jìn)針驅(qū)動(dòng)波形a ，b 的位移驅(qū)動(dòng)特性 圖3 4 3進(jìn)針驅(qū)動(dòng)波形 表3 4 2退針波形、電壓與單步位移的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 圖3 4 4退針驅(qū)動(dòng)波形釓b 的位移驅(qū)動(dòng)特性 圖3 4 5退針驅(qū)動(dòng)波形 圖3 5 1單步位移與驅(qū)動(dòng)電壓線性關(guān)系曲線 表3 5 2驅(qū)動(dòng)頻率與進(jìn)退針?biāo)俣汝P(guān)系實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 圖3 5 2驅(qū)動(dòng)頻率與進(jìn)退針?biāo)俣葘?shí)驗(yàn)值曲線 圈4 1 1注射驅(qū)動(dòng)波形 表4 1 1注射波形釓b 在不同電壓下測得的機(jī)構(gòu)單步位移數(shù)據(jù) 圖4 1 2注射波形a b 位移特性曲線 圈4 2 1細(xì)胞微注射實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 圖4 3 1細(xì)胞注射過程 圖4 3 2刺膜瞬間細(xì)胞變形對比圖 圖5 1 1微注射針外形圖 圖5 2 1無預(yù)緊力拉制微針原理圖 圖5 3 1拉針實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖 圈5 3 2加熱絲電路 表5 3 1加熱絲參數(shù)與加熱時(shí)間的關(guān)系 圈5 3 3加熱絲功率與電阻函數(shù)曲線圖 表5 3 2加熱長度與微器件內(nèi)徑的關(guān)系 表5 3 3加熱電壓與微針內(nèi)徑的關(guān)系 圖5 3 4加熱電壓與加熱時(shí)間的關(guān)系 表5 3 4加熱時(shí)間與微器件內(nèi)徑的關(guān)系 表5 3 5微針內(nèi)徑與加熱電壓的關(guān)系 表5 3 6半錐度與加熱電壓的關(guān)系 圖5 3 5微針內(nèi)徑與加熱電壓關(guān)系實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)散點(diǎn)圖 圖5 3 6微針半錐度與加熱電壓關(guān)系實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)散點(diǎn)圖 表5 3 7微針內(nèi)徑與加熱時(shí)間的關(guān)系 表5 3 8半錐度與加熱時(shí)間的關(guān)系 圖5 3 7微針內(nèi)徑與加熱時(shí)間關(guān)系實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)散點(diǎn)圖 圖5 3 8微針半錐度與加熱時(shí)間關(guān)系實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)散點(diǎn)圖 v i 7 8 8 8 9 9 o o l 2 3 3 4 4 5晤喀吣h h 眨眨b m m：2撕拓”牾牾韜”勰勰勰汐汐如孔勉硌弘弭弭於撕強(qiáng)釘釘鉈鉈躬鉗鉗鈣鉑鉑釘釘釘鋁鋁鎬 碩士論文 數(shù)字化細(xì)胞微注射儀研制及拉針儀設(shè)計(jì) 表5 3 9 表5 3 1 0 圖5 3 9 圖5 3 1 0 表5 3 1 1 圖5 3 1 1 表5 3 1 2 圖5 3 1 2 圖5 3 1 3 微針內(nèi)徑與加熱長度的關(guān)系 半錐度與加熱長度的關(guān)系 微針內(nèi)徑與加熱長度關(guān)系實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)散點(diǎn)圖 半錐度與加熱長度關(guān)系實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)散點(diǎn)圖 控制參數(shù)相關(guān)性分析結(jié)果 微針針尖外形圖 兩種裝置拉制的微針內(nèi)徑值對比 重力拉針儀原理圖 電缸外形及參數(shù)圖 v i l 9 9 9 9 o 1 l 2 8 印4 4 4 5 5 5 5 5 聲明 本學(xué)位論文是我在導(dǎo)師的指導(dǎo)下取得的研究成果，盡我所知，在本 學(xué)位論文中，除了加以標(biāo)注和致謝的部分外，不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或 公布過的研究成果，也不包含我為獲得任何教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使 用過的材料。與我一同工作的同事對本學(xué)位論文做出的貢獻(xiàn)均已在論文 中作了明確的說明。 研究生簽名：2 d 雪暑年石月加日 學(xué)位論文使用授權(quán)聲明 南京理工大學(xué)有權(quán)保存本學(xué)位論文的電子和紙質(zhì)文檔，可以借閱或 上網(wǎng)公布本學(xué)位論文的部分或全部內(nèi)容，可以向有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交并 授權(quán)其保存、借閱或上網(wǎng)公布本學(xué)位論文的部分或全部內(nèi)容。對于保密 論文，按保密的有關(guān)規(guī)定和程序處理。 研究生簽名：生j 塹 ：珈富年多月加日 碩士論文數(shù)字化細(xì)胞微注射儀研制及拉針儀設(shè)計(jì) 1 緒論 1 1 細(xì)胞工程概述 細(xì)胞工程是指應(yīng)用細(xì)胞生物學(xué)和分子生物學(xué)的方法，通過類似于工程學(xué)的步驟， 在細(xì)胞整體水平或細(xì)胞器水平上，按照人們的意愿來改變細(xì)胞內(nèi)的遺傳物質(zhì)以獲得新 型生物或特定細(xì)胞產(chǎn)品的一門綜合性科學(xué)技術(shù)。 細(xì)胞工程涉及的領(lǐng)域十分廣泛。根據(jù)研究對象可以將細(xì)胞工程分為微生物細(xì)胞工 程、植物細(xì)胞工程和動(dòng)物細(xì)胞工程三大類。從研究水平來劃分，細(xì)胞工程可分為細(xì)胞 水平、組織水平、細(xì)胞器水平和基因水平等幾個(gè)不同的研究層次。就其技術(shù)范圍而言， 主要包括細(xì)胞培養(yǎng)、組織培養(yǎng)、細(xì)胞融合、細(xì)胞拆合、染色體操作、胚胎移植、細(xì)胞 核移植等。 總體來說，細(xì)胞工程的應(yīng)用主要體現(xiàn)以下四個(gè)方面：創(chuàng)造新物種；優(yōu)良物種的快 速繁殖與保護(hù)；相關(guān)產(chǎn)品的制備，包括有用代謝產(chǎn)物、人工組織或器官、生物能源； 在遺傳學(xué)、發(fā)育學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用。具體而言，細(xì)胞工程的一些主要研究領(lǐng)域包括：新 型物種的培育、優(yōu)良動(dòng)植物的快速繁育與資源保存、植物細(xì)胞培養(yǎng)生產(chǎn)代謝產(chǎn)物、多 倍體育種、試管動(dòng)物、動(dòng)物制藥、干細(xì)胞、組織修復(fù)、器官培養(yǎng)、細(xì)胞工程能源等【i 】。 1 2 細(xì)胞微操作技術(shù) 細(xì)胞的大小在微米級尺度，在細(xì)胞克隆、細(xì)胞雜交、染色體及胚胎移植等細(xì)胞操 作中必須借助顯微手段，采用微工具進(jìn)行。這種顯微條件下進(jìn)行的操作稱為微操作 ( m i e r o m a n i p u l a t i o n ) ，其操作空間是微米級的三維微空間。 根據(jù)不同的要求微操作有多種形式，如細(xì)胞的切割、分離、融合，細(xì)胞內(nèi)器官( 核、 染色體、基因) 的轉(zhuǎn)移、重組、拉伸、固定，細(xì)胞壁擠孔，細(xì)胞群體的操縱【2 】，用微 操作對細(xì)胞進(jìn)行解剖手術(shù)、人工受精、細(xì)胞核移植、基因注入、細(xì)胞內(nèi)微量注射等。 目前，經(jīng)常用到的細(xì)胞微操作技術(shù)主要包括細(xì)胞核移植、細(xì)胞內(nèi)藥物注射、細(xì)胞核內(nèi) d n a 注射、胚胎注射及細(xì)胞單個(gè)分離等，例如多莉羊就是運(yùn)用細(xì)胞核移植技術(shù)而成 功的。將外源物質(zhì)導(dǎo)入細(xì)胞是細(xì)胞顯微操作中使用非常頻繁的操作過程。 將外源物質(zhì)導(dǎo)入細(xì)胞的方法很多，常見的有微注射( m i c r o i n j e c t i o n ) 、電穿孔、 鈣沉淀、脂質(zhì)體轉(zhuǎn)染等。電穿孔是將細(xì)胞、原代培養(yǎng)物混合在培養(yǎng)基中，在直流電場 作用的瞬間，細(xì)胞膜表面產(chǎn)生疏水或親水的納米級微小通道，這種通道能維持幾毫秒 到幾秒，然后自行恢復(fù)。在此期間生物大分子如d n a 可通過這種微小的孔道進(jìn)入細(xì) 胞。鈣沉淀法( 以磷酸鈣沉淀法為例) 是基于磷酸鈣d n a 復(fù)合物的一種將d n a 導(dǎo) 入真核細(xì)胞的轉(zhuǎn)染方法。磷酸鈣有利于促進(jìn)外源d n a 與靶細(xì)胞表面的結(jié)合。磷酸鈣 1 緒論碩士論文 d n a 復(fù)合物黏附到細(xì)胞膜并通過胞飲作用進(jìn)入靶細(xì)胞【3 1 。脂質(zhì)體轉(zhuǎn)染法是在體外進(jìn) 行細(xì)胞培養(yǎng)轉(zhuǎn)染，轉(zhuǎn)染試劑與靶細(xì)胞作用必須長達(dá)數(shù)小時(shí)，能得到很高的外源基因表 達(dá)效率。微注射是利用玻璃微針刺入細(xì)胞，用藥物注射的方式將原代培養(yǎng)物質(zhì)導(dǎo)入細(xì) 胞，是最常見、最簡單有效的操作方法。 1 2 1 細(xì)胞微注射技術(shù) 細(xì)胞微注射技術(shù)是在顯微環(huán)境下，通過機(jī)械的方法使微注射針穿刺細(xì)胞膜，將外 源基因物質(zhì)注入細(xì)胞核或細(xì)胞質(zhì)內(nèi)，培育成帶有目的基因特征個(gè)體的技術(shù)。該技術(shù)廣 泛應(yīng)用于原核內(nèi)基因顯微注射、體細(xì)胞核移植克隆動(dòng)物、卵母細(xì)胞極體重組、單精子 顯微注射技術(shù)( i n t r a c y t o p l a s m i cs p e r mi n j e c t i o n , i c s i ) 等轉(zhuǎn)基因動(dòng)物生產(chǎn)領(lǐng)域。 微注射技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)【4 5 】： 對于原代培養(yǎng)物對培養(yǎng)基的變化特別敏感的細(xì)胞，微注射是d n a 轉(zhuǎn)移實(shí)驗(yàn) 中唯一可行方法。電穿孔、脂質(zhì)體轉(zhuǎn)染等方法中原代培養(yǎng)物與培養(yǎng)基是混合 的，要求原代培養(yǎng)物對培養(yǎng)基變化不敏感。 微注射只需要少量的樣品，不需要制備和純化大量昂貴的d n a 、抗體或重組 蛋白質(zhì)等，節(jié)約大量的成本和時(shí)間i 電穿孔、脂質(zhì)體轉(zhuǎn)染等方法中需要大量 的原代培養(yǎng)物。 微注射技術(shù)可以通過注射入細(xì)胞內(nèi)的樣品量估計(jì)出每個(gè)細(xì)胞所注入的分子數(shù) 量?？梢酝瑫r(shí)或連續(xù)向一個(gè)細(xì)胞注射兩種或兩種以上的樣品，還可以將注射 到細(xì)胞中的樣品重新取出細(xì)胞再次注入同樣的樣品或不同的樣品。微注射可 以與細(xì)胞的前期、同期和后期處理相結(jié)合，以便達(dá)到最佳效果。 如果與免疫熒光法、原位雜交法或p c r 法等敏感的分析技術(shù)相結(jié)合，注入樣 品的作用可以在單細(xì)胞水平上得到測定。 微注射可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)細(xì)胞內(nèi)的主要成分細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)直接接觸，可以精確 改變單個(gè)細(xì)胞或兩個(gè)細(xì)胞的內(nèi)環(huán)境和培養(yǎng)環(huán)境。 微注射可以向細(xì)胞注射d n a 、r n a ，注射核酶、抗體、蛋白質(zhì)、提純的細(xì)胞 器及其他天然或合成物。注射后可很快得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 微注射技術(shù)的局限性： 微注射需要逐個(gè)進(jìn)行細(xì)胞操作，就目前的微注射技術(shù)發(fā)展情況，每次實(shí)驗(yàn)時(shí) 只能研究有限的細(xì)胞，一般僅限在幾百個(gè)左右。 當(dāng)針頭穿過細(xì)胞膜或核膜時(shí)，微注射會(huì)給細(xì)胞帶來一定程度的損傷，可能引 起細(xì)胞局部離子強(qiáng)度及滲透壓的改變。 2 碩士論文數(shù)字化細(xì)胞微注射儀研制及拉針儀設(shè)計(jì) 微注射細(xì)胞膜穿刺是細(xì)胞注射關(guān)鍵操作之一，細(xì)胞膜穿刺過程是微米級的移動(dòng)， 不同性質(zhì)的細(xì)胞膜要求不同的微針穿刺運(yùn)動(dòng)特性，例如彈性較大的細(xì)胞膜要求微針以 較大的加速度刺入才能刺破細(xì)胞膜，而較硬的細(xì)胞膜則需要以較緩慢的速度刺入以避 免產(chǎn)生細(xì)胞膜的損傷。在細(xì)胞微注射過程中，微注射的量一般要求不超過細(xì)胞總體積 的2 0 ，要求微注射量分辨率在納升( 1 0 母l ) 至皮升( 1 0 。1 2 l ) 甚至更高【6 】，對微注 射量的可控性提出了較高的要求。 目前，定量微注射常用的有如下幾種方法 7 】： ( 1 ) 包被針尖法 在包被針尖方法中，將針尖( 密閉針) 浸到即將導(dǎo)入到細(xì)胞的物質(zhì)溶液中。然后 將浸蘸有樣品液的微注射針刺入細(xì)胞，樣品在細(xì)胞質(zhì)中溶解。這種方法雖然既快又簡 單，但對實(shí)際導(dǎo)入細(xì)胞中樣品的量是難以控制的。 ( 2 ) 被動(dòng)注射法 在被動(dòng)注射法中，針中充滿注射溶液。溶液的填充是依賴虹吸的作用，即將針管 末端插入溶液中使其針頭充滿溶液。也可將針頭置于一定體積的樣品中，使針的開放 端由于虹吸作用而充滿。將針刺入細(xì)胞中，樣品被動(dòng)地注入細(xì)胞中。這種方法避免了 包被針尖方法所遇到的許多問題，包括由于針尖干燥使樣品變性問題。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是 導(dǎo)入到細(xì)胞中的物質(zhì)的濃度是已知的，但控制注射的量極為困難。這是由于時(shí)間、位 置以及導(dǎo)入樣品進(jìn)入細(xì)胞的速度無法精確控制。 ( 3 ) 直接壓力法 相對于以上兩種方法而言，直接壓力法微注射應(yīng)用較為廣泛。它對大量的特異分 子如細(xì)胞骨架蛋白質(zhì)是很有效的。這種方法有如下兩種不同的方式： 恒定流動(dòng)微注射 恒定流動(dòng)微注射方法最初是由g r a e s s m a n 開發(fā)成功的。他提出將相對恒定量的物 質(zhì)導(dǎo)入到生長于玻璃器皿的培養(yǎng)細(xì)胞中。注射物質(zhì)的量取決于注射液中樣品濃度、通 過針尖的速度和針尖停留在細(xì)胞質(zhì)中的時(shí)間。然而由于要精確的測定樣品溶液流過針 尖的速度有一定困難，因此難以精確測定最后注射入細(xì)胞中的溶液量。另該方法所需 注射物質(zhì)較多，因此對于十分寶貴的樣品是不適合的。 氣壓脈沖流動(dòng)注射 氣壓脈沖流動(dòng)注射方法可能是當(dāng)前最為廣泛使用的方法。其主要原理是利用壓力 控制裝置導(dǎo)入可控的脈沖氣流來驅(qū)動(dòng)一小份溶液通過針尖，從而實(shí)現(xiàn)定量注射。但由 于氣體的可壓縮性導(dǎo)致流動(dòng)正常性、注射量可控性較差。 3 1 緒論碩士論文 南京理工大學(xué)微系統(tǒng)研究室提出的微流體數(shù)字化細(xì)胞微注射方法具有分辨率高， 可達(dá)飛升級，擾動(dòng)性好、流動(dòng)阻力低等優(yōu)點(diǎn) 8 , 9 1 。 1 2 2 細(xì)胞微注射裝備 細(xì)胞基因工程受到微注射裝備這個(gè)瓶頸在自動(dòng)化程度、成功率和生產(chǎn)率方面的制 約。目前手動(dòng)式微注射裝備在國外已實(shí)現(xiàn)商品化生產(chǎn)，著名制造廠商有美國的s u t t e r 公司、日本的n i k o n 公司及n a r i s h i g e 公司、德國的e p p e n d o r f 公司等。微注射裝備由 微操作器、微注射儀和注射配套微工具制造儀組成。目前我國各個(gè)生物實(shí)驗(yàn)室都購買 上述產(chǎn)品進(jìn)行微注射工作。 各國制造的微操作器結(jié)構(gòu)差別不大，以日本尼康n t - 8 8 n e 手動(dòng)微操作器為例， 在細(xì)胞定位、尋找、接近技術(shù)上采用在倒置顯微鏡上安裝兩套手動(dòng)機(jī)械式粗調(diào)和手動(dòng) 式液壓微調(diào)機(jī)構(gòu)分別控制吸持針和注射針，由安裝在顯微鏡上的高分辨率攝像頭采集 微針和細(xì)胞的圖像通過計(jì)算機(jī)屏幕觀察，也可直接在顯微鏡的目鏡上觀察，靠粗調(diào)旋 鈕和微調(diào)手柄進(jìn)行空間三維操作。具有高放大倍數(shù)和高分辨率的顯微鏡將細(xì)胞注射圖 片放大，由固定在顯微鏡上的攝像頭( c c d ) 攝取檢測圖像并經(jīng)圖像采集卡a d 轉(zhuǎn) 換成數(shù)字信號(hào)，由計(jì)算機(jī)軟件對數(shù)字圖像進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，得到所需的各種目標(biāo)圖 像特征值，實(shí)現(xiàn)模式識(shí)別、坐標(biāo)計(jì)算、灰度分布圖等多種功能，完成細(xì)胞注射的監(jiān)控 和精確檢測定位。 手動(dòng)微注射儀均采用傳統(tǒng)的活塞原理，以氣體或液體作為壓力傳導(dǎo)介質(zhì)，如德國 e p p e n d o r f 公司的手動(dòng)微注射儀，結(jié)構(gòu)原理圖見圖1 1 1 。 圖1 1 1 手動(dòng)微注射儀原理 盡管手動(dòng)注射已成為細(xì)胞微注射的常規(guī)方法，但手動(dòng)注射方法成功率低，藥物易 被污染，操作者的技能和經(jīng)驗(yàn)成為注射成功與否的關(guān)鍵性因素，操作技能的培訓(xùn)耗時(shí) 長，人工操作穩(wěn)定性差【l o 】。同時(shí)由于氣體的可壓縮性及壓力傳輸管道的膨脹性，微流 動(dòng)正常性差，易出現(xiàn)無流量或流量過大脹破細(xì)胞的現(xiàn)象，導(dǎo)致難以精確的控制注射量。 在國外從2 0 世紀(jì)八十年代以來一直在開展對細(xì)胞微操作的自動(dòng)化技術(shù)研究，目 的是充分利用計(jì)算機(jī)視覺和智能控制等先進(jìn)技術(shù)，研制出能夠自動(dòng)完成操作過程的微 注射系統(tǒng)。自動(dòng)化細(xì)胞注射涉及到細(xì)胞的捕捉、定位、刺膜、注射等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，國外 相繼研制出了一些各具特色的微操作機(jī)器人實(shí)驗(yàn)樣機(jī)系統(tǒng)。 4 碩士論文數(shù)字化細(xì)胞微注射儀研制及拉針儀設(shè)計(jì) 日本j u n k os a k i y a m a 等人開發(fā)了基于立體顯微鏡的視覺反饋伺服系統(tǒng)，以提高運(yùn) 動(dòng)和刺膜精度，減小微注射對人工的依賴程度1 1 1 。 為解決微注射效率較低的問題日本s a t o r us a k a i ，s a c h i h i r oy o u o k u 等人提出了一 種可以同時(shí)捕捉許多細(xì)胞的微注射系統(tǒng)，通過在硅基底上加工的微孔陣列同時(shí)吸持多 個(gè)細(xì)胞，然后逐一注射【1 2 1 。 韓國的j e a - h o n gs h i m ，s u n g - y o n g 等人提出了一種基于三維重建技術(shù)的視覺引導(dǎo) 微注射系統(tǒng)。該系統(tǒng)克服了二維圖像易導(dǎo)致人工操作失準(zhǔn)及細(xì)胞受損等問題【1 3 1 。 美國明尼蘇達(dá)大學(xué)的s u n y u 和b r a d l e yj n e l s o n 提出了用于胚胎生殖領(lǐng)域的微注 射系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用視覺伺服技術(shù)搜尋捕捉細(xì)胞，注射終端裝有反饋?zhàn)⑸渥饔昧Φ奈?型力傳感器，該微型力傳感器由m e m s 技術(shù)制造，該系統(tǒng)為視覺引導(dǎo)手動(dòng)注射，且 成本昂貴【l4 。 德國和西班牙的f t a g l i a r e n i j b r u f a u 等人提出了用于細(xì)胞注射的微機(jī)器人系統(tǒng)， 采用數(shù)個(gè)微型機(jī)器人分別完成細(xì)胞的捕捉、吸持和注射，可連續(xù)注射1 0 0 至1 0 0 0 個(gè) 細(xì)胞，機(jī)器人與主機(jī)通過紅外無線通信，但該系統(tǒng)尚處于實(shí)驗(yàn)階段【1 5 】。 盡管國外有一些不同類型的微注射機(jī)器人的出現(xiàn)，但實(shí)質(zhì)上并未實(shí)現(xiàn)細(xì)胞注射的 自動(dòng)化，仍依賴于人工的操作來實(shí)現(xiàn)各個(gè)環(huán)節(jié)的統(tǒng)一，例如廣為采用的氣壓脈沖流動(dòng) 注射系統(tǒng)其特點(diǎn)是微注射時(shí)通過對注射壓力及注射時(shí)間的精確控制來實(shí)現(xiàn)對注射量 的控制，適合注射量在飛升至1 0 0 皮升的顯微注射操作【l6 1 。其工作壓力可達(dá)0 7 m p a ， 氣體的可壓縮性及壓力控制裝置對脈沖時(shí)間的滯后反應(yīng)特性導(dǎo)致流動(dòng)正常性較差，且 該裝置裝載注射液操作不便，每次裝載可注射細(xì)胞數(shù)量較少，生產(chǎn)率較低。 細(xì)胞刺膜是細(xì)胞微注射的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，細(xì)胞變形太大會(huì)對損傷細(xì)胞的活性，目 前商品化的細(xì)胞注射設(shè)備的細(xì)胞刺膜操作基本分為手動(dòng)和電動(dòng)兩種，手動(dòng)刺膜通過精 密液壓泵來實(shí)現(xiàn)注射針的微進(jìn)給刺膜，但該原理難以產(chǎn)生較大的速度和加速度，刺膜 時(shí)細(xì)胞變形量大，容易損傷細(xì)胞。有研究人員采用m e m s 技術(shù)加工的微型力傳感器 來感知刺膜時(shí)力的變化并反饋到人手的觸覺【1 4 】，但該方法成本昂貴，效果不夠理想， 仍在進(jìn)一步研究中；電動(dòng)方式刺膜采用精密步進(jìn)電機(jī)控制注射針的微進(jìn)給刺膜，但受 步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)精度影響，注射針位移難以精確控制，且步進(jìn)電機(jī)在微米級的運(yùn)動(dòng)中難 以產(chǎn)生較大的速度與加速度，刺膜時(shí)細(xì)胞變形量依然較大。 相比較而言，在國內(nèi)，關(guān)于細(xì)胞微注射方面的研究尚處于初級階段，南開大學(xué)機(jī) 器人與信息自動(dòng)化研究所主要對細(xì)胞染色體切割的微操作機(jī)器人進(jìn)行了一定的研究， 并且取得了一定的成績，其主要工作是基于視覺控制的研究【1 7 , 1 8 】。中科院長春光機(jī)所 以立體顯微鏡為核心，建立了立體視覺系統(tǒng)，主要用來顯示微操作的動(dòng)態(tài)過程。系統(tǒng) 由體視顯微鏡、左右c c d 、監(jiān)視器、液晶眼鏡和控制電路構(gòu)成。在控制電路的控制 5 1 緒論 碩士論文 下，將左右兩個(gè)光路的圖像分別交替地顯示在監(jiān)視器上，同時(shí)控制觀察者配戴的液晶 眼鏡與監(jiān)視器上顯示的圖像同步，兩眼觀察到不同的圖像，觀察者就可以感覺到立體 效果【1 9 】。南京理工大學(xué)微系統(tǒng)研究室主要集中于基于微流體數(shù)字化技術(shù)的壓電驅(qū)動(dòng)微 注射機(jī)器人系統(tǒng)及其裝備的研究。 細(xì)胞注射針作為細(xì)胞注射的關(guān)鍵器件，其參數(shù)對注射效果有著直接的影響，目前 國內(nèi)其制作工具拉針儀基本依賴進(jìn)口，而國外拉針儀的售價(jià)約在3 0 0 0 美元左右，配 售專用拉針?biāo)璧拿?xì)玻璃管單只售價(jià)近5 7 元人民幣，且所售拉針儀在拉制微針時(shí) 拉制參數(shù)是根據(jù)該配售毛細(xì)玻璃管材料及規(guī)格制定的，當(dāng)我國用戶試圖利用該拉針儀 拉制國產(chǎn)毛細(xì)玻璃管時(shí)往往達(dá)不到微注射針的要求，且微操作成功率僅1 0 左右，對 微針需求量大，因此拉針儀的國產(chǎn)化是一個(gè)緊迫必要的課題。 1 3 課題來源及研究內(nèi)容 1 3 1 課題來源 教育部博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金項(xiàng)目“物質(zhì)數(shù)字化中微特性系統(tǒng)及合理流動(dòng) 形態(tài)的理論基礎(chǔ)”( 項(xiàng)目編號(hào)：2 0 0 6 0 2 8 8 0 0 5 ) 江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目物質(zhì)數(shù)字化微傳輸轉(zhuǎn)化用微流體器件設(shè)計(jì)與制造 基礎(chǔ)( 項(xiàng)目編號(hào)：b k 2 0 0 7 2 0 9 ) 1 3 2 研究內(nèi)容 ( 1 ) 數(shù)字化細(xì)胞微注射原理分析；數(shù)字化細(xì)胞微注射儀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、分析計(jì)算、 零部件的選型、加工與裝配。 ( 2 ) 搭建數(shù)字化細(xì)胞微注射儀位移特性測試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；驅(qū)動(dòng)波形編制：驅(qū)動(dòng)波 形、電壓、頻率等參數(shù)對細(xì)胞微注射儀進(jìn)退針位移特性的影響，以及微注 射儀傾斜角度、彈簧預(yù)緊力等參數(shù)對進(jìn)退針位移特性影響的實(shí)驗(yàn)研究。 ( 3 ) 搭建數(shù)字化細(xì)胞微注射實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；驅(qū)動(dòng)波形、電壓、頻率等參數(shù)對細(xì)胞微 注射儀注液位移特性影響的實(shí)驗(yàn)研究；數(shù)字化細(xì)胞微注射儀微注射效果的 實(shí)驗(yàn)研究。 6 ( 4 ) 細(xì)胞注射微針的制備方法研究；注射微針制備裝置拉針儀設(shè)計(jì)；拉針儀設(shè) 計(jì)方案的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和優(yōu)化。 碩士論文數(shù)字化細(xì)胞微注射儀研制及拉針儀設(shè)計(jì) 2 基于微流體數(shù)字化技術(shù)的數(shù)字化細(xì)胞微注射儀設(shè)計(jì) 本章闡述數(shù)字化細(xì)胞微注射儀的技術(shù)背景和原理，對工作原理作理論分析計(jì)算， 在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)數(shù)字化細(xì)胞微注射儀結(jié)構(gòu)，根據(jù)理論計(jì)算確定各零部件參數(shù)并對結(jié)構(gòu) 進(jìn)行剛度校核，以保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性。 2 1 微流體數(shù)字化技術(shù) 本論文研究起點(diǎn)是南京理工大學(xué)微系統(tǒng)研究室章維一、侯麗雅兩位教授發(fā)明的、 擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“微流體數(shù)字化技術(shù)一。對于章維一、侯麗雅發(fā)明的“微流體數(shù) 字化技術(shù) 原創(chuàng)性和先進(jìn)性，在江蘇省科技廳于2 0 0 0 年3 月2 3 日主持的“微流體系 統(tǒng)數(shù)字化技術(shù)”鑒定會(huì)上作了肯定( 蘇科鑒字 2 0 0 4 第1 4 5 號(hào)) 。鑒定意見認(rèn)為：引微 流體系統(tǒng)數(shù)字化技術(shù)的研究在基本概念和理論上有原創(chuàng)性，為建立與信息數(shù)字化、 能量傳輸及固體運(yùn)動(dòng)數(shù)字化有等同意義的物質(zhì)傳輸數(shù)字化開辟了道路，對微流體系統(tǒng) 的研究和技術(shù)進(jìn)步有重要意義；該項(xiàng)研究總體達(dá)到國際先進(jìn)水平。 “微流體數(shù)字化技術(shù) 被科技導(dǎo)報(bào)( 中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)會(huì)刊) 遴選為“2 0 0 4 年中國科學(xué)、技術(shù)與工程重大進(jìn)展 2 0 l 。 國家科學(xué)技術(shù)部基礎(chǔ)研究司科技部高技術(shù)研究發(fā)展中心2 0 0 4 年4 月2 5 日編輯的 基礎(chǔ)科學(xué)研究快報(bào)第4 期( 總第1 5 0 期) 上的國內(nèi)研究欄目中以“新微流體數(shù)字 化技術(shù)可使液滴量分辨率達(dá)到飛升級 為題報(bào)道了這一研究成果。 “微流體數(shù)字化技術(shù)及其應(yīng)用 于2 0 0 7 年1 0 月在深圳召開的第九屆中國國際高 新技術(shù)成果交易會(huì)被評為“優(yōu)秀產(chǎn)品獎(jiǎng)”。 “微流體數(shù)字化技術(shù) 的原創(chuàng)技術(shù)特征如下：方法上以脈沖為微流動(dòng)基本形態(tài)； 以脈沖當(dāng)?shù)貞T性力為主動(dòng)力；以脈沖波形、頻率、幅值、相位、波數(shù)、波序列為驅(qū)動(dòng) 控制擾動(dòng)參量：裝置上既無微可動(dòng)件又無嵌入式微電路；以外部宏驅(qū)動(dòng)器影響微流 道內(nèi)部流動(dòng)。性能上：適用流體廣，包括各種液體和粉體；流動(dòng)分辨率高達(dá)飛升級； 脈沖量規(guī)整、序列可控的數(shù)字化流動(dòng)；可靠性高、抗固粒堵塞、氣泡阻斷；工作條件 利于保持生物活性；結(jié)構(gòu)簡單、成本低【8 翔, 1 2 1 。 2 2 壓電驅(qū)動(dòng)器 2 2 1 壓電與電致伸縮效應(yīng) 對某些壓電晶體施加機(jī)械力，晶體內(nèi)部正負(fù)電荷中心發(fā)生相對位移并產(chǎn)生極化， 導(dǎo)致晶體兩端表面出現(xiàn)符號(hào)相反的束縛電荷，其電荷密度與外機(jī)械力成正比，這種現(xiàn) 7 2 基于微流體數(shù)字化技術(shù)的數(shù)字化細(xì)胞微注射儀設(shè)計(jì)碩士論文 象稱為正壓電效應(yīng)。當(dāng)把具有正壓電效應(yīng)的壓電晶體置于電場中，電場的極化作用引 起晶體內(nèi)部正負(fù)電荷中心產(chǎn)生相對位移，而導(dǎo)致晶體發(fā)生形變，這種由電場產(chǎn)生形變 的現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)總稱為壓電效應(yīng)。逆壓電效應(yīng)數(shù)學(xué) 表達(dá)式為： 島= 島3 互+ 吒3 e ( 2 1 ) 式中s 3 一伸縮應(yīng)變；s 3 3 一彈性順度系數(shù)；t 3 一作用應(yīng)力；d 3 3 一壓電效應(yīng)常數(shù)； e 3 一作用電場強(qiáng)度。 壓電晶體在電場的作用下，還有另外一種效應(yīng)一電致伸縮效應(yīng)。即壓電晶體在電 場的作用下，由于感應(yīng)極化作用而引起的應(yīng)變，應(yīng)變大小與電場平方成正比，與電場 方向無關(guān)。對于壓電晶體，當(dāng)只受到外電場作用時(shí)，應(yīng)變是由上述兩種效應(yīng)疊加的結(jié) 果，即具有機(jī)電耦合效應(yīng)。因此，壓電晶體在外電場的作用下，應(yīng)變與電場的關(guān)系為 2 3 , 2 4 ： s = 趕+ 匹2( 2 2 ) 式中：d e 一逆壓電效應(yīng)；m e 2 一電致伸縮效應(yīng)；d 一壓電系數(shù)( m v ) ；m 一電致 伸縮系數(shù)( m 2 n 2 ) ie 一電場( v m ) ；s 一應(yīng)變。 逆壓電效應(yīng)僅在無對稱中心晶體中才有，而電致伸縮效應(yīng)則在所有的晶體中都 有。但很多壓電材料如石英、羅息鹽等的壓電系數(shù)比電致伸縮系數(shù)大幾個(gè)數(shù)量級，結(jié) 果在低于1x1 0 6 v m 的電場作用下只有第一項(xiàng)，即逆壓電效應(yīng)。 壓電驅(qū)動(dòng)器由壓電晶體制造的，可以將壓電體的逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生的變形直接作用 于從動(dòng)件，使從動(dòng)件產(chǎn)生變形或位移而實(shí)現(xiàn)機(jī)械驅(qū)動(dòng)或機(jī)械控制。 壓電驅(qū)動(dòng)器具有極高的靈敏度，電壓上極微小的變化可以被轉(zhuǎn)換成非常平滑的變 形，其最小變形量可以達(dá)到亞納米級，相對變形量很少超過1 1 0 0 0 。壓電驅(qū)動(dòng)器可以 產(chǎn)生較大的力，高達(dá)1 0 0 0 0 n ，且具有極快的響應(yīng)特性，可以達(dá)到微秒級，另外，壓 電驅(qū)動(dòng)器具有穩(wěn)定的性能和很長的使用壽命。因此，壓電驅(qū)動(dòng)器非常適用于每次循環(huán) 機(jī)械位移非常小的器件【2 5 1 。 本研究論文中涉及應(yīng)用的都是堆棧式p z t 壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器( p z ts t a c ka c t u a t o r ) ， 論文以下部分下列相關(guān)名詞等價(jià)： p z t 壓電陶瓷，堆棧式壓電陶瓷，壓電驅(qū)動(dòng)器。 2 2 2 機(jī)構(gòu)移動(dòng)原理 機(jī)構(gòu)的移動(dòng)原理如圖2 2 1 。移動(dòng)體置于一個(gè)水平平面上，摩擦力保持不變，在 垂直的端面上慣性體通過壓電元件與之聯(lián)接成一剛性整體。通過計(jì)算機(jī)控制驅(qū)動(dòng)電 路，給壓電元件施以一定形式的電壓波形，利用壓電元件的“伸長一收縮”變形引起移 r 碩士論文數(shù)字化細(xì)胞微注射儀研制及拉針儀設(shè)計(jì) 動(dòng)體在某一方向上步進(jìn)式移動(dòng)陽。 、m 咖孟 開始 盯i 急速伸長 咖r 慢收縮( 加速運(yùn)動(dòng)) r。-_一 咖 突然停止 匝 、m 岫f 開始 岫曠_ 急速收縮 啞r 慢伸長( 加速運(yùn)動(dòng)) 咖r 突然停止 咖r 結(jié)束結(jié)束 ( a ) 向左運(yùn)動(dòng)( b ) 向右運(yùn)動(dòng) 圖2 2 1 壓電驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的移動(dòng)原理 向左驅(qū)動(dòng)時(shí)( 如圖2 2 1 ( a ) 所示) ( 1 ) 壓電陶瓷在一定的初始狀態(tài)( 零電壓或某基礎(chǔ)電壓) 開始； ( 2 ) 跳變電壓使壓電陶瓷急速伸長，慣性體快速向右移動(dòng)，同時(shí)移動(dòng)體克服靜摩 擦力向左移動(dòng)； ，( 3 ) 驅(qū)動(dòng)電壓逐漸減小，壓電陶瓷收縮，移動(dòng)體向左移動(dòng)并不斷得到加速。 此時(shí)靜摩擦力足以阻止移動(dòng)體向右移動(dòng)； ( 4 ) 壓電陶瓷的收縮突然停止； ( 5 ) 由于慣性體具備一定的速度，從而沖擊移動(dòng)體向左又克服摩擦力移動(dòng)一定距 離，最后機(jī)構(gòu)整體停止運(yùn)動(dòng)。 逆方向( 向右) 驅(qū)動(dòng) 如圖2 2 1 ( b ) 所示，只要將上述步驟中的“伸”與“縮”的關(guān)系反過來，則同樣可以 引起機(jī)構(gòu)整體逆方向( 向右) 移動(dòng)。 驅(qū)動(dòng)電壓波形 9 2 基于微流體數(shù)字化技術(shù)的數(shù)字化細(xì)胞微注射儀設(shè)計(jì)碩士論文 為了得到上述運(yùn)動(dòng)要求，設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)波形如圖2 2 2 所示。 且 ( _ ) 急速變形 ( b ) 加速及停止( c ) 組合波形 ( 伸長或收縮) ( d ) 連續(xù)波形 圖2 2 2 驅(qū)動(dòng)電壓波形 2 3 移動(dòng)原理分析 動(dòng)力學(xué)模型的建立 系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型如圖2 3 1 所示： 一 兒 m 捌k 矧t m i 圖2 3 1 “慣性體一移動(dòng)體”運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型 參數(shù)及變量的定義如下： m 、x 、宕、量為慣性體質(zhì)量、位移、速度、加速度；m 、x 、賈、j 為移動(dòng) 體質(zhì)量、位移、速度、加速度；五、坼為壓電元件閉路、小信號(hào)操作時(shí)的阻尼系數(shù)、 剛度。 另外定義m r z r 為壓電陶瓷的質(zhì)量，, u o 、為移動(dòng)體與接觸平面的靜、動(dòng)摩擦系 數(shù)；址( f ) 為壓電元件在t 時(shí)刻自然長度的變化量。 慣性體運(yùn)動(dòng)方程式 實(shí)際描述阻尼力很困難，但理想阻尼模型仍能滿足反應(yīng)預(yù)測的結(jié)果【2 7 1 。其數(shù)學(xué)模 型為： 乃= 西 ( 2 3 ) 式中：c 一正比常數(shù)； j 一運(yùn)動(dòng)速度。 1 0 碩士論文數(shù)字化細(xì)胞微注射儀研制及拉針儀設(shè)計(jì) 對慣性體而言，其運(yùn)動(dòng)方程式可描述為： 聊舅+ 旯( 文+ x ) + 巧 x - x - a l ( t ) 】= 0 ( 2 4 ) 這正好與激振動(dòng)外力f ( t ) = o 時(shí)的自由阻尼振動(dòng)( 觸d a m p e d ，v i b r a t i o n ) 在系統(tǒng)具有 兩個(gè)自由度( x 、x ) 時(shí)相吻合。自由阻尼振動(dòng)時(shí)，在阻尼作用下，系統(tǒng)能量衰減。但是 在壓電位移系統(tǒng)中由于有a l ( t ) 項(xiàng)存在，使得系統(tǒng)能量得以不斷補(bǔ)充。a l ( t ) 與工作信 號(hào)放大器輸出的驅(qū)動(dòng)波形有關(guān)。因此慣性體運(yùn)動(dòng)為2 自由度非線性振動(dòng)系統(tǒng)【2 7 1 。 當(dāng)x = 0 時(shí)，運(yùn)動(dòng)方程滿足描述非線性系統(tǒng)振動(dòng)的微分方程的一般形式： j f + 廠( 毫x ，f ) = 0 ( 2 5 ) 移動(dòng)體運(yùn)動(dòng)方程式 按摩擦狀態(tài)分為兩種情況： ( 1 ) 靜止時(shí) 此時(shí)，移動(dòng)體不能克服靜摩擦阻力而產(chǎn)生位移因此同時(shí)滿足： ， lx = 0 缸文一j ) _ + 巧【x - x 一缸】l 一專7 刊 1 7 一 0c a b - l - 圖2 4 7 待計(jì)器約束不葸圖 持針器在彎矩m 作用下發(fā)生彈性變形，彎曲變形公式為2 8 】： 撓度，= 。m 刖x ，( t 2 3 6 2 _ x 2 ) ，( o x 莖a ) v = 志 - - x 3 + 3 取_ 口) 2 州2 塒2 ) x ，( a x 9 ) ( 2 3 3 ) 轉(zhuǎn)角銘= 面mi ( ，2 3 6 2 ) ；艮= 石m 面( ，2 3 口2 ) 。 ( 2 3 4 ) 式中：e 一黃鋇彈性模量( 1 1 0 g p a ) ；i 一持針器慣性矩，對于環(huán)形管道 ，2 云( d 4 一d 4 ) ；l 一約束之間長度( o 0 8 m ) 。根據(jù)以上公式計(jì)算初始狀態(tài)( a _ o 0 3 2 m ) 時(shí)b c 段變形量( 圖2 4 8 ) 及轉(zhuǎn)角0 b 、0 c 。 重一 0 b = - 1 4 6 1 5 e - 5 r i d ：0 c = 9 4 9 9 7 e - 5r a d o 從圖2 4 8 可看出持針器最大彈性變形量為2 “m 左右，分析可知影響注射操作要 求的不是最大變形量，而是轉(zhuǎn)角0 b ，隨著持針器向前( 或向后) 移動(dòng)，彎矩m 作用 點(diǎn)隨之變化，因此轉(zhuǎn)角0 b 也隨之變大( 或變小) ，e b 的變化將引起注射針針尖在豎直 方向上產(chǎn)生位移s ，s 的變化量若達(dá)到微米級則必然對尺寸在同一數(shù)量級的細(xì)胞產(chǎn)生 不可忽略的影響。一般的注射細(xì)胞直徑在2 0 m 一1 2 0 1 上m 之間，從接近細(xì)胞膜、刺入 細(xì)胞膜到進(jìn)入核質(zhì)附近進(jìn)行注射，整個(gè)針的位移不超過6 0 1 a m ，根據(jù)式( 2 3 4 ) 計(jì)算 位移為6 0 i t m 時(shí)轉(zhuǎn)角0 b 的變化量a o b = 8 9 7 3 9 e 7 r a d ，a b 段距離為6 1 0 c m ，以1 0 c m 1 9 2 托j 微i f , t f l i 數(shù)“t 技術(shù)的數(shù)j + 化釧j 微汀制儀i 2 【i壩l 。論衛(wèi) 訓(xùn)算i 叮得s 最大變化量為89 7 3 9 e 一2 , u r n ，其位移變化最比細(xì)胞尺寸低兩個(gè)數(shù)量級，兇 此持針囂剛度完全滿足細(xì)j 地微注射操作的要求。 各個(gè)零忭參數(shù)確定后 ! | jr q 完成數(shù)字化細(xì)胞微注射儀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，最終袈配圖及分 解視圖見圈2 49 。 ( a ) 皴配l 割( b ) 分解視例 倒2 49 數(shù)字化細(xì)胞做注射儀啦計(jì)幽 2 5 本章小結(jié) ( 1 ) 闡述了微流體數(shù)字化技術(shù)的概念及應(yīng)用。 ( 2 ) 分析了壓電與電致伸縮效應(yīng)以及壓屯驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)位移產(chǎn)生的原理，并對機(jī)構(gòu) 移動(dòng)原理進(jìn)行分析計(jì)算，得出了機(jī)構(gòu)位移總量與壓電陶瓷變形量、慣性體 質(zhì)最、移動(dòng)體質(zhì)量之問對應(yīng)關(guān)系的計(jì)算公，。 ( 3 ) 提出數(shù)字化細(xì)胞微汴射儀的設(shè)計(jì)原理及方案，并討論關(guān)鍵零部什選型、參 數(shù)確定的依掘，校核關(guān)鍵部件的剛度，完成了數(shù)字化細(xì)胞微注射儀結(jié)構(gòu)設(shè) 計(jì)方案。 碩十論文數(shù)字化細(xì)胞微注射儀研制及拉針儀設(shè)計(jì) 3 數(shù)字化細(xì)胞微注射儀進(jìn)退針位移特性測試 本章搭建數(shù)字化細(xì)胞微注射儀進(jìn)退針位移特性測試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上探索裝 置的各個(gè)參數(shù)對位移特性的影響規(guī)律，并研究驅(qū)動(dòng)波形、電壓、頻率等參數(shù)對裝置位 移特性的影響。 3 1 數(shù)字化細(xì)胞微注射儀位移特性測試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 數(shù)字化細(xì)胞微注射儀進(jìn)退針位移特性測試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理如圖3 1 1 。 1 數(shù)字化細(xì)胞微注射儀2 注射針3 微尺4 顯微鏡5 數(shù)碼c c d 圖3 1 1 數(shù)字化細(xì)胞微注射儀進(jìn)退針位移特性測試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖 壓電驅(qū)動(dòng)器在驅(qū)動(dòng)波形的作用下實(shí)現(xiàn)注射針的前進(jìn)及后退，通過顯微鏡、數(shù)碼 c c d 和計(jì)算機(jī)記錄微注射針在標(biāo)尺刻度上方迸針及退針的過程，根據(jù)驅(qū)動(dòng)頻率及每 一百或幾百微米進(jìn)針和退針?biāo)璧臅r(shí)間計(jì)算出進(jìn)針和退針的單步位移，從而得出數(shù)字 化細(xì)胞微注射儀進(jìn)退針的位移特性。 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由驅(qū)動(dòng)電源、數(shù)字化細(xì)胞微注射儀、細(xì)胞注射微針及聯(lián)接件、微尺 度顯微測量系統(tǒng)等組成。實(shí)驗(yàn)設(shè)備有： ( 1 ) 驅(qū)動(dòng)電源 實(shí)驗(yàn)中使用的壓電驅(qū)動(dòng)電源是由一塊插在計(jì)算機(jī)主板上的信號(hào)源和外部的功率 放大器組成。通過任意波形驅(qū)動(dòng)軟件將波形的1 0 0 0 個(gè)數(shù)據(jù)寫入信號(hào)源電路的e 2 p r o m ， 由e 2 p r o m 配合其它電路產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)，然后通過d a 轉(zhuǎn)換器輸出模擬波形信號(hào)。外 部的功率放大器將信號(hào)源輸出的模擬波形信號(hào)放大1 0 倍，通過b n c 口輸出給壓電陶 瓷，使壓電陶瓷產(chǎn)生微量的位移。其最大輸出功率5 0 w ；閉環(huán)增益2 0 d b ；失真度 o 1 【2 9 1 。 任意波形驅(qū)動(dòng)軟件有兩個(gè)特點(diǎn)： 用戶可以通過任意波形驅(qū)動(dòng)軟件寫入各種波形，還可以根據(jù)實(shí)際的需要，調(diào) 2 1 3nj 化捫胞觸1 剩位mj b ”n 糾憚試m 1 論z 整輸出泣彤的硼率，i u 三等參數(shù)值。 州戶可以通過仃意波形驅(qū)動(dòng)軟件刈i u 源進(jìn)行單步馳動(dòng) 參數(shù)設(shè)背和發(fā)送模塊群如圖312 所幣。 凝軍( 1 0 1 1 0 )電 相位卵3 6 腰) 步行萬式 步數(shù) 枷 1 5 爿 j 8 0 j o爿l j 蘭 二j 1 1 0 0n * i 、軸 fl1 8 0i o ：- t辟女二】 1 1 0 0q * l 瑚 pf lii o爿障攘二| 1