基于細(xì)胞力學(xué)性質(zhì)的顯微操作方法研究.pdf

1、顯微操作技術(shù)是人類改造細(xì)胞的重要手段。隨著計(jì)算機(jī)和機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，顯微操作已經(jīng)進(jìn)入了自動(dòng)化和批量化的階段。然而，當(dāng)前的自動(dòng)化顯微操作基本不考慮對(duì)細(xì)胞的傷害，并且忽略細(xì)胞的力學(xué)性質(zhì)，因此相比于傳統(tǒng)手動(dòng)操作，操作方法較為單一，操作水平較為有限。本文將細(xì)胞的力學(xué)性質(zhì)引入到顯微操作中，利用傳統(tǒng)的顯微操作平臺(tái)進(jìn)行基于細(xì)胞力學(xué)性質(zhì)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(duì)基于細(xì)胞的力學(xué)性質(zhì)的顯微操作存在的主要挑戰(zhàn)—

2、—細(xì)胞力學(xué)性質(zhì)在線檢測(cè)方法和基于該性質(zhì)的顯微操作方法展開(kāi)研究;在通用的顯微操作系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞的兩個(gè)重要力學(xué)特性參數(shù)——細(xì)胞重量和彈性模量的在線測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果應(yīng)用于核移植中的關(guān)鍵操作步驟——細(xì)胞撥動(dòng)中，建立了基于細(xì)胞力學(xué)性質(zhì)的撥動(dòng)幅度定量控制方法;進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了一種機(jī)器人化的批量卵母細(xì)胞去核流程，通過(guò)將該流程應(yīng)用到家畜核移植操作中，實(shí)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(gè)方面:
　　當(dāng)前細(xì)胞稱重方法依賴于特制的設(shè)備和

3、昂貴的儀器，無(wú)法應(yīng)用到顯微操作中且不能對(duì)卵母細(xì)胞和胚胎等較大的細(xì)胞進(jìn)行測(cè)量。本文在課題組自制的顯微操作平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了一種基于落球法的細(xì)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(xì)胞的密度，進(jìn)而計(jì)算細(xì)胞的重量。實(shí)驗(yàn)表明，該方法測(cè)得的細(xì)胞密度與生物學(xué)方面的結(jié)果基本一致，本文方法至少可以檢測(cè)到1％的細(xì)胞重量變化量(約為2.83×10-11kg)。
　　針對(duì)當(dāng)前顯微操作中常用的氣壓注射器的吸持壓受毛細(xì)作用影響較大，難以進(jìn)行細(xì)胞

4、彈性模量測(cè)量的不足，本文提出了一種基于平衡壓模型的細(xì)胞彈性模量測(cè)量方法。該方法通過(guò)平衡壓模型首次量化了毛細(xì)作用對(duì)氣動(dòng)注射器吸持壓的影響;進(jìn)一步的，利用該模型實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞吸持過(guò)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(tái)上實(shí)現(xiàn)了100μm尺度的家豬卵母細(xì)胞和10μm尺度的大鼠神經(jīng)球彈性模量在線測(cè)量。
　　本文將在線獲得的細(xì)胞的力學(xué)特性應(yīng)用到細(xì)胞撥動(dòng)操作中，提出了一種基于細(xì)胞力學(xué)特性的細(xì)胞定量撥動(dòng)方法。該方法通過(guò)對(duì)細(xì)胞進(jìn)行受力

5、分析，獲得了定量撥動(dòng)細(xì)胞的最小撥動(dòng)力;隨后本文利用細(xì)胞力學(xué)性質(zhì)確定了撥動(dòng)針的運(yùn)動(dòng)軌跡，最終實(shí)現(xiàn)了卵母細(xì)胞的定量撥動(dòng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文方法可以有效提高撥動(dòng)操作精度，并明顯降低撥動(dòng)操作中對(duì)細(xì)胞的機(jī)械損害。
　　進(jìn)一步的，將本文研究工作與前期工作相結(jié)合，我們完成了一種機(jī)器人化的批量卵母細(xì)胞去核流程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該流程操作速度基本達(dá)到了高水平操作人員的水平;完全去核率和胞質(zhì)去除量方面均優(yōu)于手動(dòng)操作結(jié)果。將該去核流程應(yīng)用到綿羊核移植操作