CN100408668C - 细胞显微注射仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种细胞显微注射仪，它包括细胞输送器、细胞注射器、细胞吸持器以及数字化控制驱动系统，在细胞注射时利用细胞输送器，采用微流体输送方法，以自动送料的形式将细胞输送到细胞输送器、细胞注射器、细胞吸持器出口的汇聚区域。在注射过程中，细胞的输送、吸持定位、注射针进针进行细胞膜穿刺、细胞内药液定量注射、注射针退出细胞、细胞释放等显微操作过程完全实现在计算机的周一操作界面上的计算机数字化控制，细胞吸持时吸持针保持固定，注射针以固定参数的单自由度伸缩运动完成细胞穿刺过程，操作简单、注射成功率高、可实现已注射和未注射的细胞自动分离和自动计数。
Description
所属技术领域
本发明涉及一种细胞显微注射仪，它包括细胞输送器、细胞注射器、细胞吸持器以及数字化控制驱动系统，可实现细胞的数字化显微注射。
背景技术
目前的现有技术中，细胞显微注射主要采用手动式显微注射方式和主动式自动化寻找细胞注射方式。手动式显微注射方式以日本尼康NT-88NE手动显微操作器为例，操作者通过显微镜肉眼观测细胞注射时放大的图像、位姿、注射工具与细胞之间的距离等视觉信息，采用在倒置显微镜上安装两套手动机械式粗调和手动式液压微调机构分别控制吸持针和注射针对细胞进行寻找、定位、吸持及注射。注射过程强烈依赖于操作人员自身的各种因素，如情绪、疲劳等及周围的环境影响。目前，能够从事这种高精密度操作的实验人员，至少要经过两三年的严格培训，成本很高，注射细胞成功率只有百分之一左右。主动式自动化寻找细胞注射方式是通过倒置式显微镜及安装在显微镜上的高分辨率的摄像头完成对细胞的观测，摄像头将采集的到的细胞图像利用计算机图像处理技术使细胞清晰的展现在计算机屏幕上，找到细胞后计算机通过控制软件对细胞目前位置进行计算和标定，引导自动化控制的微操作臂携带自动吸持细胞的吸持针或微夹钳等固定细胞的微小器件移动到标定的位置固定细胞。由于培养液中悬浮着很多细胞，细胞受到轻微的扰动位置就会变化，对不同位置的细胞要想清晰表达都必须对显微镜的焦距等参数进行调整，因此寻找、定位的效率比较低，定位准确性受到整个系统的传动精度和控制精度的影响。如何提高寻找、瞄准、定位的速度和准确性是目前国内外研究机构的研究热点。在开发自动化细胞注射系统和细胞注射机器人过程中，控制和操作方面实施技术创新受到微机械电子技术、计算机控制和图像识别技术、光学显微技术等诸多技术发展的限制，该技术尚处于实验开发阶段。
发明内容
本发明的目的是提供一种细胞显微注射仪，在细胞注射时采用微流体输送方法，以自动送料的形式将细胞输送到指定位置，在注射过程中，细胞的输送、吸持定位、注射针进针进行细胞膜穿刺、细胞内药液定量注射、注射针退出细胞、细胞释放等显微操作过程完全实现在计算机的同一操作界面上的计算机数字化控制。该细胞显微注射仪操作简单，注射成功率高，可实现已注射和未注射的细胞自动分离和自动计数。
为此本发明提供了一种细胞显微注射仪，它包括细胞输送器、细胞注射器、细胞吸持器以及数字化控制驱动系统。所述的细胞输送器包括一个由压电陶瓷驱动的步进式数字化输送装置、不同规格的微量进样器，各种微米级尺寸内径输送玻璃微管道、用于调整微管道位置的精密微移调整机构。其特征在于：所述的细胞输送器1逐个地输送细胞3汇聚在一个注射区域，该区域为细胞注射器18和细胞吸持器5出口所在区域。细胞输送器1的驱动电源10由计算机11进行驱动，细胞3在微管道2内的输送步长和频率实现数字化控制。有一个计数器16，自动细胞吸持器5内气体压力变化信号的变化次数提供给记数器16进行计数。在细胞输送器1中是未注射过的细胞，已注射过的细胞释放到培养液15中。细胞输送器1安装在三维微位移器12上，三维微位移器12安装在倒置显微镜7上。注射过程中，所述细胞注射器18注射过程中与输送微管道2的位置固定，注射针19只做单自由度进针和退针。所述细胞吸持器5和细胞注射器18的驱动电源10由计算机11进行数字化控制。细胞输送器1、细胞吸持器5、细胞注射器18间的顺序动作借助细胞吸持器5内气体压力变化信号和电信号由计算机11控制。
采用上述细胞输送器之后，在进行细胞注射时，操作者不需要在细胞注射时以手动调节或自动控制调节的方式控制吸持针在细胞培养液中去寻找和吸持悬浮不定的细胞，而是将含有细胞的培养液安装在细胞输送器中，通过驱动使培养液经微管道逐渐向出口做微米级步进式流动。细胞被培养液包裹着在微管道内呈单排排列并依次逐个从微管道口输送到指定位置，由于吸持针和注射针已经调整到该位置，在进行细胞吸持时吸持针保持固定，注射针以固定参数的单自由度伸缩运动完成细胞穿刺过程。整个过程实现在同一操作界面下的数字化控制，从而使细胞注射过程操作简单、成功率高。并实现已注射和未注射的细胞自动分离和自动计数。
附图说明
图1是本发明用于细胞注射的细胞显微注射仪的示意性视图
图2是图1所示实施方式的注射位置示意图
图3是图1所示实施方式的细胞输送器原理示意图
具体实施方式
首先看图1，实验装置由细胞输送器1和输送微管道2组成细胞输送装置，吸持针4与可产生正负压的压力装置的吸持器5及注射药液的细胞注射器18组成，细胞吸持器5内安装有压力传感器，压力传感器通过控制电路与控制细胞输送器的计算机11连接。微管道2弯曲165°，安装在细胞输送器1上，细胞输送器1安装在可以进行三维方向调整的三维调整器12上。吸持针4弯曲为135°，细胞吸持器5安装在和水平面成45°的具有5维调整功能的右微调器6上，三维调整器12和右微调器6都安装在倒置显微镜7的支架上。左微调器上17上安装细胞注射器18，负责细胞的注射.
图2是本发明所示实施方式的注射位置示意图，安装细胞输送器1和吸持针4时与倒置显微镜7的载物台是呈一定角度，主要考虑安装的可能性和方便性。利用吸持针4上面右微调器6和调整细胞输送器1位置的三维微位移器12，可以使输送管2出口部位的中心线(轴线)与吸持针4吸口部位的中心线垂直相交在一个平面上，将此平面定义为主平面。该平面与倒置显微镜7的工作台平面平行。调整注射器上的左微调器上17调整细胞注射器18空间位置，使注射针19与上述平面呈45°角。如图2所示。
驱动电源10在计算机11的软件控制下具有X、Y、Z三路控制接口，X接口控制细胞输送器1进行细胞的输送，Y、Z接口控制细胞注射器18，使注射器18完成注射针19的进给量和细胞注射量的控制。
注射开始阶段，初步估算该玻璃微针19的针尖内径并计算临界喷射压力，调整压力系统21，使系统加在微针19内的压力略大于微针19的临界喷射压力，打开电磁阀26，待发现针尖有液体射出后关闭电磁阀26，利用粗微调使输送管2、吸持针4、注射针19呈图2的状态，图中控制驱动电源10的X轴驱动开始，细胞输送器1开始工作，微管道2中细胞3接近输送管道口2，此时吸持针处于负压状态
细胞3被吸持针4吸持住，吸持针内4吸持细胞3前后压力发生变化，通过传感器、电荷放大器8、D/A转换器9、计算机11、控制电源10使X轴驱动停止，Y轴驱动开始，使细胞输送器1停止工作的同时。注射器18开始进行进针。
注射针19已刺入细胞3，穿刺细胞3时对细胞产生挤压作用，细胞3沿针19的穿刺方向变扁。当Y轴驱动完毕，注射针19已刺入细胞3的指定位置，Z轴驱动开始，细胞注射器开始进行药液注射
注射结束后，吸持针4产生正压，将吸持着的已注射过的细胞3释放到盛有培养液的培养皿15中。细胞3一旦脱离吸持针4的针口，吸持针4内的压力立即产生变化，通过压力传感器、、计算机11、控制驱动电源10使细胞输送器1重新开始工作，微管道2中的待注射细胞3开始步进向微管道口移动，开始下一个细胞注射。
装在倒置显微镜7上的CCD摄像机13可以采集注射过程，操作者可通过计算机14的监视器监控注射情况。记数器16可以通过感知在吸持器5内的正负压力变化次数进行细胞注射个数的统计。
图3为本发明的细胞输送器原理，利用压电陶瓷的微位移特性，设计出小于微米级单方向连续步进运动机构，实现细胞3在微管道2内的步进式输送.移动体22(质量M)及惯性体20(质量m)分别粘接在压电陶瓷21的两侧，移动体22与外壳24之间间隙配合，惯性体20与外壳24之间不接触，压电陶瓷21与驱动电源连接，移动体22上有密封圈23，外壳24与微管道2密封胶接，压电陶瓷21充放电一次，移动体22作微米级移动一次，微管道2内的培养液25包裹着细胞3实现在微管道2内的步进式输送。
Claims (7)
1. 一种细胞显微注射仪，它包括细胞注射器、细胞吸持器、细胞输送器及驱动系统，其特征在于：所述的细胞输送器(1)逐个地输送细胞(3)汇聚在一个注射区域，该区域为细胞注射器(18)和细胞吸持器(5)出口所在区域，细胞输送器(1)和输送微管道(2)组成细胞输送装置，利用吸持针(4)上面右微调器(6)和调整细胞输送器(1)位置的三维微位移器(12)，使输送微管道(2)出口部位的中心线与吸持针(4)吸口部位的中心线垂直相交在一个平面上，将此平面定义为主平面，该平面与倒置显微镜(7)的工作台平面平行，细胞输送器(1)安装在三维微位移器(12)上，三维微位移器(12)安装在倒置显微镜(7)上。
2. 根据权利要求1所述的细胞显微注射仪，其特征在于：细胞输送器(1)的驱动电源(10)由计算机(11)进行驱动，细胞(3)在微管道(2)内的输送步长和频率实现数字化控制。
3. 根据权利要求1所述的细胞显微注射仪，其特征在于：有一个计数器(16)，自动细胞吸持器(5)内气体压力变化信号的变化次数提供给记数器(16)进行计数。
4. 根据权利要求1所述的细胞显微注射仪，其特征在于：在细胞输送器(1)中是未注射过的细胞，已注射过的细胞释放到培养液(15)中。
5. 根据根据权利要求1所述的细胞显微注射仪，其特征在于：注射过程中，所述细胞注射器(18)注射过程中与输送微管道(2)的位置固定，注射针(19)只做单自由度进针和退针。
6. 根据根据权利要求1所述的细胞显微注射仪，其特征在于：所述细胞吸持器(5)和细胞注射器(18)的驱动电源(10)由计算机(11)进行数字化控制。
7. 根据根据权利要求1或7所述的细胞显微注射仪，其特征在于：细胞输送器(1)、细胞吸持器(5)、细胞注射器(18)间的顺序动作借助细胞吸持器(5)内气体压力变化信号和电信号由计算机(11)控制。
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