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)，破膜穿刺時注射針穿入細胞體內(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)基于膜穿刺機理的細胞破膜方法在穿刺過程會對細胞造成較大的損傷，進而造成細胞活性降低，影響微注射成功率。目前對細胞破膜損傷的研究主要集中在注射針形狀、直徑、注射力、顯微注射動力學參數(shù)及環(huán)境等方面，這些研究在一定程度上減小了細胞的損傷，但不可避

2、免的細胞變形依然存在，仍無法有效的提高注射成功率。因此，研究新型微損傷細胞破膜方法對顯微細胞注射有著重要的意義。
　　壓電破膜注射方法作為一種對細胞損害小、注射成活率高的技術(shù)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于細胞顯微注射操作中。但傳統(tǒng)壓電注射裝置存在有害振動大、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)計方法，可有效的抑制顯微注射操作過程中的有害振動，減小細胞損傷，為實現(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，對壓電顯微注射裝置進行了分析總結(jié)。針對超聲技術(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)計提供理論依據(jù)。
　　第二，設(shè)計了超聲振動發(fā)生裝置。分析壓電陶瓷特性及振動原理，選擇合適的壓電陶瓷型號，設(shè)計了壓電陶瓷封裝方式以及壓電注射器的安裝形式。經(jīng)實驗測定，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，提出了單點固定結(jié)構(gòu)、兩點固

4、定結(jié)構(gòu)和尖嘴式注射結(jié)構(gòu)三種設(shè)計方案。利用ANSYS軟件對結(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情況，最終確立了兩點固定注射針的初始構(gòu)型。對設(shè)計結(jié)構(gòu)進行了尺寸分析，設(shè)計最佳的加工參數(shù)，最終加工出壓電注射器實物。
　　第四，設(shè)計了壓電陶瓷驅(qū)動和控制模塊，實現(xiàn)對壓電注射器振動頻率和幅值可調(diào)的目的，并進行了詳細的信號測試。搭建簡易的觀測平臺，利用視覺檢測技術(shù)對所設(shè)計的壓電超聲注射器進行標定，得到超聲振動時注射微針的振動幅值

5、。測試了注射微針在空氣中和液體中的橫向振動偏移情況，得出偏移對比曲線。經(jīng)實驗測定，新設(shè)計注射器可明顯減小振動引起的橫向位移，注射微針周圍環(huán)境明顯影響其振動橫向幅值。
　　最后，利用合作課題組自主開發(fā)的NKTY-MR601微操作機器人系統(tǒng)，對小鼠卵細胞進行了注射實驗。通過系列對比實驗，得到頻率為21kHz、幅值20V的最佳破膜參數(shù)，驗證了壓電超聲顯微注射器設(shè)計的合理性和實用性，滿足顯微注射對細胞微損傷的要求，可實現(xiàn)84％的細胞注射成