基于細胞力學性質的顯微操作方法研究.pdf

1、顯微操作技術是人類改造細胞的重要手段。隨著計算機和機器人技術的發(fā)展，顯微操作已經(jīng)進入了自動化和批量化的階段。然而，當前的自動化顯微操作基本不考慮對細胞的傷害，并且忽略細胞的力學性質，因此相比于傳統(tǒng)手動操作，操作方法較為單一，操作水平較為有限。本文將細胞的力學性質引入到顯微操作中，利用傳統(tǒng)的顯微操作平臺進行基于細胞力學性質的顯微操作方法研究，以減小操作的傷害和提高操作的水平。
　　本文針對基于細胞的力學性質的顯微操作存在的主要挑戰(zhàn)—

2、—細胞力學性質在線檢測方法和基于該性質的顯微操作方法展開研究;在通用的顯微操作系統(tǒng)上實現(xiàn)了細胞的兩個重要力學特性參數(shù)——細胞重量和彈性模量的在線測量，并將測量結果應用于核移植中的關鍵操作步驟——細胞撥動中，建立了基于細胞力學性質的撥動幅度定量控制方法;進而實現(xiàn)了一種機器人化的批量卵母細胞去核流程，通過將該流程應用到家畜核移植操作中，實現(xiàn)了克隆胚胎的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。本文的工作主要包括以下幾個方面:
　　當前細胞稱重方法依賴于特制的設備和

3、昂貴的儀器，無法應用到顯微操作中且不能對卵母細胞和胚胎等較大的細胞進行測量。本文在課題組自制的顯微操作平臺上實現(xiàn)了一種基于落球法的細胞稱量方法，該方法利用球體在液體中的勻速下落速度在線獲得細胞的密度，進而計算細胞的重量。實驗表明，該方法測得的細胞密度與生物學方面的結果基本一致，本文方法至少可以檢測到1％的細胞重量變化量(約為2.83×10-11kg)。
　　針對當前顯微操作中常用的氣壓注射器的吸持壓受毛細作用影響較大，難以進行細胞

4、彈性模量測量的不足，本文提出了一種基于平衡壓模型的細胞彈性模量測量方法。該方法通過平衡壓模型首次量化了毛細作用對氣動注射器吸持壓的影響;進一步的，利用該模型實現(xiàn)了細胞吸持過程中的吸持壓的精確控制;最后，本文在通用的顯微操作平臺上實現(xiàn)了100μm尺度的家豬卵母細胞和10μm尺度的大鼠神經(jīng)球彈性模量在線測量。
　　本文將在線獲得的細胞的力學特性應用到細胞撥動操作中，提出了一種基于細胞力學特性的細胞定量撥動方法。該方法通過對細胞進行受力

5、分析，獲得了定量撥動細胞的最小撥動力;隨后本文利用細胞力學性質確定了撥動針的運動軌跡，最終實現(xiàn)了卵母細胞的定量撥動。實驗結果表明，本文方法可以有效提高撥動操作精度，并明顯降低撥動操作中對細胞的機械損害。
　　進一步的，將本文研究工作與前期工作相結合，我們完成了一種機器人化的批量卵母細胞去核流程。實驗結果表明，該流程操作速度基本達到了高水平操作人員的水平;完全去核率和胞質去除量方面均優(yōu)于手動操作結果。將該去核流程應用到綿羊核移植操作