【摘要】：隨著現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)技術(shù)研究的不斷深入,對于細胞個體的生物顯微操作過程越來越復(fù)雜和精密。其操作精度已經(jīng)逼近亞微米甚至納米水平,這對生物顯微操作技術(shù)提出了更高的要求。因此研制面向復(fù)雜細胞“手術(shù)”的高精密和微損傷細胞顯微注射裝置成為了現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)發(fā)展的迫切需求。本課題以細胞顯微注射的微創(chuàng)化為總體目標(biāo),借助壓電陶瓷超聲振動技術(shù)實現(xiàn)了微損傷細胞破膜。新型細胞注射儀具有三大優(yōu)勢:(1)新型輕量化壓電陶瓷封裝結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)速率高,散熱快,壽命長;(2)優(yōu)化的微針夾持頭兼容普通商用彎頭平口針,使得注射儀通用性大大提升;(3)集成細胞彈性模量檢測與細胞壓電破膜功能于一體的陶瓷封裝設(shè)計,初步實現(xiàn)了細胞彈性模量實時檢測與細胞注射于一體的流程構(gòu)想�？傮w上,新型微創(chuàng)化壓電超聲細胞顯微注射儀的操作效果相比傳統(tǒng)裝置有了較大進步。主要研究內(nèi)容如下:一,闡述了細胞注射技術(shù)的概念,并對與其緊密相關(guān)的輔助技術(shù)進行了介紹,對細胞注射儀的研究現(xiàn)狀進行了概括,總結(jié)出“機器視覺代替人眼視覺”,“機械手代替人手”的顯微注射技術(shù)發(fā)展趨勢。二,研究了壓電技術(shù)與超聲技術(shù),并對微針的振動進行了數(shù)學(xué)分析,對微針的受迫振動微分方程進行了推導(dǎo)。在破膜機理上,通過對比分析提出了新的破膜理論。文中將微針針尖振動進行了分解,分別研究各振動在三個破膜階段中的作用機理,發(fā)現(xiàn)側(cè)向振動在破膜第二階段能夠明顯減小微針阻力,對破膜具有一定的輔助作用。細胞彈性模量檢測功能方面,在對已有技術(shù)總結(jié)掌握的基礎(chǔ)上,闡述了本文所用技術(shù)的技術(shù)原理。三,進行了注射裝置結(jié)構(gòu)的設(shè)計與優(yōu)化。新壓電封裝使用6061鋁合金開放式外殼,減輕質(zhì)量并提高了散熱性;同時使用弓形彈變結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)振動,傳導(dǎo)速率與穩(wěn)定性更高。微針夾持頭優(yōu)化后結(jié)構(gòu)更小,質(zhì)量更輕僅有l(wèi)g,適合未來實驗室快速3D打印。折彎設(shè)計使得傳統(tǒng)20μm彎頭微針適用于壓電注射,大大提升了裝置的通用性。最后對整體進行了模態(tài)與諧響應(yīng)仿真,仿真結(jié)果顯示裝置低階模態(tài)頻率最高2KHz,對裝置超聲振動無影響,且在超聲頻段22KHz處側(cè)向位移最小僅有18.5μm,初步滿足破
【圖文】：

細胞質(zhì)與極體結(jié)構(gòu)等，黃海波等人使用的顯微注射系統(tǒng)中就使用了普通光的圖像檢測逡逑技術(shù)，通過相關(guān)算法提取出了細胞與微針的輪廓特征，從而實現(xiàn)對兩者的相對位置實逡逑時監(jiān)測［１３］。圖１－２邋（ａ）中可以發(fā)現(xiàn)斑馬魚卵的輪廓被清晰地提取了出來。但是細胞逡逑內(nèi)部的重要的高分子物質(zhì)比如細胞骨架、紡錘體、卵細胞的透明帶亞結(jié)構(gòu)等以往則需逡逑要通過用熒光標(biāo)記法或者偏振光成像裝置才能夠?qū)崿F(xiàn)成像［１４］。圖１－２邋（ｂ）中細胞紡逡逑錘體結(jié)構(gòu)在熒光染色劑的幫助下清晰可見。于瑩等人進行多種去核方法實驗對比后也逡逑發(fā)現(xiàn)使用熒光染劑去核效率相比于其他方法最高，后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)雖然光標(biāo)記輔助操作逡逑過程中細胞胞質(zhì)流失量少，但成像過程中使用的高能量紫外光照射造成的傷害不可逆逡逑轉(zhuǎn)，且紫外光照射劑量無法控制，因此總體上該輔助技術(shù)方法引起胞質(zhì)損傷較大［１５％］。逡逑相比于上述方法偏振光成像技術(shù)就沒有這種缺點，，現(xiàn)在由美國Ｍａｒｉｎｅ實驗室最早開逡逑發(fā)的偏振光成像系統(tǒng)己經(jīng)廣泛應(yīng)用于人工輔助生殖領(lǐng)域，操作者使用它們觀察體外受逡逑精的卵母細胞的紡捶體［１７］。圖卜２邋（ｃ）中分別是普通光與偏振光下的卵母細胞圖像，逡逑可見偏振光下細胞核清晰可見。Ｏｌｄｅｎｂｏｕｒｇ和Ｉｎｏｕｅ在２１世紀(jì)初對偏振光成像技術(shù)逡逑做了較為深入的研宄，并研發(fā)了專業(yè)級偏振光設(shè)備ＬＣ－Ｐｏ丨

高精度的機械手來實現(xiàn)細胞的夾持搬運與簡單位姿調(diào)節(jié)［２１１。此技術(shù)優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單易逡逑于加工實現(xiàn)，缺點則有兩點，一是存在著對細胞的機械損傷，二是姿勢調(diào)節(jié)的效果與逡逑效率依舊不理想，圖１－３邋（ａ）展示了微鉗的結(jié)構(gòu)。Ｌｉａｎｇ邋ＹＬ等人使用激光器產(chǎn)生的逡逑激光束照射在細胞附近，利用照射區(qū)域的“光鑷”的捕獲力來進行細胞位姿調(diào)節(jié)［２２］。逡逑此技術(shù)優(yōu)點是過程作用力小，無接觸無明顯的機械損傷，缺點則一是激光的能量對細逡逑胞有一定的損傷效應(yīng)，二就是“光鑷”作用力微弱，調(diào)節(jié)與控制效率依舊不高，圖逡逑１－３邋（ｂ）展示的是一個光鑷正作用于一個細胞。電泳位姿調(diào)節(jié)技術(shù)則是現(xiàn)階段很有前逡逑景的一項技術(shù)，ＰａｒｋＪ等人使用介電泳技術(shù)產(chǎn)生的非均勻電場推動細胞旋轉(zhuǎn)［２３］，此技逡逑術(shù)優(yōu)點是適用范圍廣，操作效率高，操作精度高，缺點最主要的一點則是外加電場對逡逑細胞活性存在一定程度的影響［２４］，圖１－３邋（ｃ）展示了兩個細胞正在介電泳芯片上移逡逑４逡逑
【學(xué)位授予單位】：蘇州大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TH77

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本文編號：2700886