壓電超聲顯微注射器的研究.pdf

1、隨著生物技術(shù)的快速發(fā)展，顯微注射技術(shù)已經(jīng)成為諸如人工輔助生殖等細(xì)胞工程研究的重要手段。破膜技術(shù)是顯微注射的關(guān)鍵技術(shù)，破膜穿刺時(shí)注射針穿入細(xì)胞體內(nèi)，然后完成相應(yīng)的注射任務(wù)，如外源基因注射、核移植等。傳統(tǒng)基于膜穿刺機(jī)理的細(xì)胞破膜方法在穿刺過程會(huì)對(duì)細(xì)胞造成較大的損傷，進(jìn)而造成細(xì)胞活性降低，影響微注射成功率。目前對(duì)細(xì)胞破膜損傷的研究主要集中在注射針形狀、直徑、注射力、顯微注射動(dòng)力學(xué)參數(shù)及環(huán)境等方面，這些研究在一定程度上減小了細(xì)胞的損傷，但不可避

2、免的細(xì)胞變形依然存在，仍無法有效的提高注射成功率。因此，研究新型微損傷細(xì)胞破膜方法對(duì)顯微細(xì)胞注射有著重要的意義。
　　壓電破膜注射方法作為一種對(duì)細(xì)胞損害小、注射成活率高的技術(shù)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于細(xì)胞顯微注射操作中。但傳統(tǒng)壓電注射裝置存在有害振動(dòng)大、操作復(fù)雜等缺陷，極大的影響了顯微注射成功率。本文提出了一種新的壓電超聲注射器優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，可有效的抑制顯微注射操作過程中的有害振動(dòng)，減小細(xì)胞損傷，為實(shí)現(xiàn)安全、高效的顯微注射奠定基礎(chǔ)。主要研究

3、內(nèi)容如下：
　　第一，在國內(nèi)外壓電注射方法研究的基礎(chǔ)上，對(duì)壓電顯微注射裝置進(jìn)行了分析總結(jié)。針對(duì)超聲技術(shù)的特性，研究了超聲破膜、切割原理，確定了最佳超聲破膜參數(shù)，為壓電注射器的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。
　　第二，設(shè)計(jì)了超聲振動(dòng)發(fā)生裝置。分析壓電陶瓷特性及振動(dòng)原理，選擇合適的壓電陶瓷型號(hào)，設(shè)計(jì)了壓電陶瓷封裝方式以及壓電注射器的安裝形式。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，該封裝結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠。
　　第三，在傳統(tǒng)注射裝置的基礎(chǔ)上，提出了單點(diǎn)固定結(jié)構(gòu)、兩點(diǎn)固

4、定結(jié)構(gòu)和尖嘴式注射結(jié)構(gòu)三種設(shè)計(jì)方案。利用ANSYS軟件對(duì)結(jié)構(gòu)建模及諧響應(yīng)分析，分析不同頻率下注射針尖的橫向振動(dòng)情況，最終確立了兩點(diǎn)固定注射針的初始構(gòu)型。對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了尺寸分析，設(shè)計(jì)最佳的加工參數(shù)，最終加工出壓電注射器實(shí)物。
　　第四，設(shè)計(jì)了壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)和控制模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓電注射器振動(dòng)頻率和幅值可調(diào)的目的，并進(jìn)行了詳細(xì)的信號(hào)測(cè)試。搭建簡易的觀測(cè)平臺(tái)，利用視覺檢測(cè)技術(shù)對(duì)所設(shè)計(jì)的壓電超聲注射器進(jìn)行標(biāo)定，得到超聲振動(dòng)時(shí)注射微針的振動(dòng)幅值

5、。測(cè)試了注射微針在空氣中和液體中的橫向振動(dòng)偏移情況，得出偏移對(duì)比曲線。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，新設(shè)計(jì)注射器可明顯減小振動(dòng)引起的橫向位移，注射微針周圍環(huán)境明顯影響其振動(dòng)橫向幅值。
　　最后，利用合作課題組自主開發(fā)的NKTY-MR601微操作機(jī)器人系統(tǒng)，對(duì)小鼠卵細(xì)胞進(jìn)行了注射實(shí)驗(yàn)。通過系列對(duì)比實(shí)驗(yàn)，得到頻率為21kHz、幅值20V的最佳破膜參數(shù)，驗(yàn)證了壓電超聲顯微注射器設(shè)計(jì)的合理性和實(shí)用性，滿足顯微注射對(duì)細(xì)胞微損傷的要求，可實(shí)現(xiàn)84％的細(xì)胞注射成