【摘要】：隨著科技水平的進(jìn)步,生物、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的科學(xué)研究和應(yīng)用逐漸走向微觀化和精準(zhǔn)化。細(xì)胞微操作是推動(dòng)這一趨勢的關(guān)鍵技術(shù),是人工受精、克隆、新藥研制及基因工程的前提技術(shù)保障。目前,傳統(tǒng)微吸管真空吸附的操作方式存在失敗率高、靈活性和可重復(fù)性差、效率和精度低等問題,遠(yuǎn)不能滿足相關(guān)領(lǐng)域科學(xué)研究和臨床應(yīng)用的發(fā)展需求。電熱驅(qū)動(dòng)微夾持器結(jié)構(gòu)緊湊、可靠,控制簡單,操作方式靈活多樣,用電熱驅(qū)動(dòng)微夾持器機(jī)械夾持代替?zhèn)鹘y(tǒng)微吸管真空吸附的操作方式為解決上述問題提供了新思路,但當(dāng)前研究尚處于靜態(tài)層次的初級水平,在功能和性能上都無法滿足細(xì)胞微操作的要求。本文以電熱驅(qū)動(dòng)微夾持器為研究對象,圍繞靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、設(shè)計(jì)、制作、測試、控制,及實(shí)驗(yàn)等方面,從理論到實(shí)驗(yàn)、軟件到硬件開展了深入、系統(tǒng)的研究,有效提升了電熱驅(qū)動(dòng)微夾持器的性能。主要包括以下幾個(gè)方面內(nèi)容:(1)針對真空與空氣兩種環(huán)境,分別建立了V型和Z型電熱驅(qū)動(dòng)器的電-熱和熱-機(jī)多物理場耦合子模型,進(jìn)而建立了V型和Z型電熱驅(qū)動(dòng)器統(tǒng)一的靜力學(xué)模型,并對V型和Z型電熱驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行了詳細(xì)分析與性能比較,為電熱驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。(2)建立了偏微分方程形式電熱驅(qū)動(dòng)器電-熱場的動(dòng)態(tài)模型。考慮軸向和橫向振動(dòng)的耦合,分別建立了V型和Z型電熱驅(qū)動(dòng)器的自由振動(dòng)模型,求出了固有頻率和模態(tài)。通過詳細(xì)參數(shù)分析,發(fā)現(xiàn)了電熱驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)力學(xué)特性主要由電-熱場決定,從而求出了電熱驅(qū)動(dòng)器的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng),揭示了電熱驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)力學(xué)特性。并進(jìn)一步建立了常微分方程形式的電熱驅(qū)動(dòng)器動(dòng)力學(xué)方程,為電熱驅(qū)動(dòng)微夾持器的控制奠定了基礎(chǔ)。(3)設(shè)計(jì)并制作了多組電熱驅(qū)動(dòng)器,從靜態(tài)響應(yīng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)、氧化失效及失穩(wěn)等方面開展了一系列測試與比較分析,改進(jìn)了電熱驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)尺寸,提高了輸出位移。利用拓?fù)鋬?yōu)化方法,設(shè)計(jì)了一種柔順微夾持機(jī)構(gòu),并制作了電熱驅(qū)動(dòng)微夾持器,實(shí)驗(yàn)測試表明,其輸出位移可完全滿足細(xì)胞操作需要。(4)根據(jù)動(dòng)力學(xué)方程,建立了電熱驅(qū)動(dòng)器和電熱驅(qū)動(dòng)微夾持器的系統(tǒng)傳遞函數(shù),并通過實(shí)驗(yàn)求得了綜合材料參數(shù),進(jìn)而修正了傳遞函數(shù)模型。從而設(shè)計(jì)了P和PD控制器,通過數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn),顯著提高了電熱驅(qū)動(dòng)微夾持器的響應(yīng)速度,并抑制了穩(wěn)態(tài)振動(dòng)。(5)搭建了一套細(xì)胞微操作系統(tǒng),集成了機(jī)械臂、電動(dòng)平臺(tái)、電熱驅(qū)動(dòng)微夾持器、相機(jī)及顯微鏡等硬件,開發(fā)了操作軟件,可實(shí)現(xiàn)圖像實(shí)時(shí)顯示、設(shè)備連接、手動(dòng)操作、自動(dòng)操作和反饋控制等功能。按照所規(guī)劃的細(xì)胞微操作過程,首次實(shí)現(xiàn)了電熱驅(qū)動(dòng)機(jī)械夾持方式的斑馬魚卵細(xì)胞自動(dòng)穿刺。
【學(xué)位授予單位】：北京工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TH789
【圖文】：

其中細(xì)胞微操作是推動(dòng)這一發(fā)展趨勢的前提技術(shù)保障。人工受精[1,2]、克隆[3]、基因工程[4]和藥物研發(fā)[5]都依賴于對生物細(xì)胞的精準(zhǔn)操作。細(xì)胞微操作的技術(shù)水平直接決定著相關(guān)科學(xué)研究和臨床應(yīng)用的精細(xì)程度和成敗。目前，細(xì)胞微操作還停留在手動(dòng)操作層面，存在失敗率高、效率和精度低等問題，嚴(yán)重制約了生物、醫(yī)學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域科學(xué)研究和臨床應(yīng)用的發(fā)展。細(xì)胞微操作的關(guān)鍵是對細(xì)胞的有效拾取、釋放和移動(dòng)，以及在操作過程中對細(xì)胞的牢固固定。目前，對細(xì)胞的拾取、釋放、移動(dòng)和固定操作均依賴于傳統(tǒng)操作工具微吸管對細(xì)胞局部或整體的負(fù)壓吸附作用，如圖 1-1(a)所示。負(fù)壓的控制完全依賴于操作人員的經(jīng)驗(yàn)和熟練程度，操作過程需要長時(shí)間集中精力，對細(xì)胞拾取和釋放很難做到一次成功，遠(yuǎn)不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化細(xì)胞操作，且在操作過程中，容易使局部負(fù)壓過大而損傷細(xì)胞，造成操作失敗。另一方面，在操作過程中，靠局部負(fù)壓的吸附作用無法牢固固定細(xì)胞，更無法限制細(xì)胞的變形，操作精度低，無法實(shí)現(xiàn)在細(xì)胞內(nèi)部更精細(xì)的細(xì)胞操作。此外，微吸管操作方式單一，無法滿足更復(fù)雜、靈活多樣的細(xì)胞操作。

第 1 章 緒 論疾病能出現(xiàn)在斑馬魚身上，作為廣泛使用的模式生物，它可以模擬耳聾、惡性腫瘤等疾病，幫助快速篩選出有用的新藥。相比小白鼠理和藥理上更適合藥物研發(fā)，如圖 1-2 所示。此外，斑馬魚胚胎內(nèi)就可以發(fā)育成形，不用解剖就可以在顯微鏡下實(shí)時(shí)觀察胚胎發(fā)育能力強(qiáng)，價(jià)格低廉，極大縮短了藥物的開發(fā)周期和成本。

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前7條

1 黃心漢;;微裝配機(jī)器人系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)[J];華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2011年S2期

2 李宇鵬;孫紅勝;陰學(xué)樸;;電熱微夾持器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與數(shù)值仿真分析[J];機(jī)械設(shè)計(jì);2008年11期

3 李劍鋒;費(fèi)仁元;劉德忠;吳光中;管長樂;楊小勇;;基于高頻微幅振動(dòng)的微操作機(jī)器人實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[J];北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào);2008年03期

4 張憲民;柔順機(jī)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)[J];機(jī)械工程學(xué)報(bào);2003年11期

5 張永宇,沈雪瑾,陳曉陽;V型電致熱微驅(qū)動(dòng)器的力學(xué)特性分析[J];微納電子技術(shù);2003年Z1期

6 李旭東,宗光華,畢樹生,趙瑋;生物工程微操作機(jī)器人視覺系統(tǒng)的研究[J];北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào);2002年03期

7 趙瑋,于靖軍,畢樹生,宗光華;串并聯(lián)微操作機(jī)器人系統(tǒng)的研究[J];北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào);2001年06期

本文編號(hào)：2717037