CN101880626A - 单细胞位姿全方位调节方法及混合驱动式全方位调节装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出单细胞位姿全方位调节方法及混合驱动式全方位调节装置。所述方法是在细胞姿态调节操作过程中，利用流场粘性力驱动使细胞在两个正交平面内分别旋转，实现对细胞任意姿态的调节；所述装置包括细胞吸持管、四根玻璃微弯管、控制单元和为玻璃微弯管提供所需要的负压或流量的微泵单元；每根玻璃微弯管均有一端通过软微管与所述微泵单元相连接，另一端为弯头部分，且弯头部分的管口朝向细胞吸持管的轴线；四根玻璃微弯管安装在所述控制单元上且均匀间隔分布在细胞吸持管的周围。本发明能适应不同细胞尺寸形状的变化，实现细胞的任意三维姿态和位置调节，不会对细胞产生机械损害，有利于提高细胞实验操作的成功率。

Description

单细胞位姿全方位调节方法及混合驱动式全方位调节装置

技术领域

本发明涉及单细胞位姿调节技术领域，特别涉及单细胞位姿全方位调节方法及混合驱动式全方位调节装置。

背景技术

目前，生物工程中的细胞显微操作基本处于手动或半自动状态，存在着效率低、精度低、可重复性低、成本高、劳动强度大等问题，大大制约了显微操作技术的普及和应用。此外，培养一个熟练的操作人员要花2年的时间。科研人员普遍希望能够以机械代替手工，以自动代替手动，使显微操作技术能够简单化、自动化，进而实现工程化。

细胞显微操作过程中，细胞的定位操作可以通过吸持管的吸吐来完成，比较容易实现，但是对细胞进行姿态调节却是一件十分艰难的任务。大多数细胞大小在1-100μm之间，属于微米级范围，细胞的姿态调节操作可以采用直接接触式与非接触式两种方法。直接接触式的方法会伤害到细胞，影响实验的成功率，而且细胞操作的效率也非常低。非接触式的操作方法可避免或减少给细胞带来的伤害，是国内外研究人员研究的主流。对于非接触式细胞显微姿态调节操作方法，目前国内外主要采用两种操作思想。一是运用某一种“力”或者“力矩”直接作用于细胞上，让其移动或者旋转；另外一种是让细胞所处的溶液产生微流动，以此带动细胞移动或者旋转。

1.第一种思想可以分有几种具体的方法，如激光法、介电泳法、静电场法等细胞显微操作方法。激光法是使用某些特定条件下的光束，这些光束不仅具有线性动量，还携带角动量，包括自旋角动量和轨道角动量，当光束照射到细胞上时，细胞可以吸收光子获得光束的角动量从而产生转动。虽然激光操作可以达到很高的控制精度，但是细胞吸收光子会产生一定影响，不利于生物实验研究。介电泳法、静电场法都是让细胞在变化的电场中极化受力，使其转动起来。用这两种方法操作时，需要在细胞的四周放置电极或磁极。但是如果想让细胞在两个正交平面内分别旋转，则需要在空间放置更多的电极或磁极，将会导致没有足够的空间角度来放置细胞吸持管、注射针等。

2.第二种操作思想也有几种具体的方法。在日本，已经有人研究出可以利用振动玻璃微杆的方法，在微杆周围产生一定的流场，包括旋涡流场。这些流场可以将远处的细胞引到杆附近，也可以将细胞旋转。在这种方法中玻璃微杆振动的频率和振幅，需要根据细胞参数的变化而调整，特别是当细胞尺寸和溶液粘度变化时，需要重新对振动频率和振幅进行标定和设置，甚至重新设计，将导致实际应用的困难。南京理工大学的章维一提出一种两喷管对流法。将细胞由存储导管输送到两根水平面内不同轴喷管之间，液体喷射对流时产生的流场使细胞在水平面内转动。在竖直平面内则是采用喷射流体推着细胞滚动以达到需要的方位。但是由于两根喷射管是固定在水平面内，则对细胞大小的要求是固定的，且在细胞姿态调整之前的定位操作比较困难。此外，也有学者研究通过激光或磁场控制某一微小工具进行运动，让其在细胞周围产生流场，以培养液的粘性力带动细胞运动。对于两种方法，前者的激光装置十分昂贵且操作的效率也并不高，后者只能用于细胞的二维定位操作，用于姿态调节并不理想。可见，在现有的基于微流动的细胞位姿控制方法中，一般只能针对某种固定尺寸，形状的细胞和一定粘度的培养液，当这些参数发生变化时，微流体的驱动和控制参数都必须重新调整，甚至需要重新设计。

在这样的背景下，本发明提出使用音圈马达控制玻璃微弯管实现亚微米级的轴向运动。本装置可以根据细胞尺寸，形状的变化，自动调整玻璃微弯管之间的相对位置，微弯管内压力，实现细胞的任意三维姿态和位置调节。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术存在的上述不足，提供单细胞位姿全方位调节方法及混合驱动式全方位调节装置，具体技术方案如下。

本发明提供单细胞位姿全方位调节方法，具体是在细胞姿态调节操作过程中，利用流场的粘性力驱动使细胞在两个正交平面内分别旋转，实现对细胞任意姿态的调节；所述流场通过四根微弯管喷射流体产生；其中两根微弯管位于所述两个正交平面中的一个平面内并使细胞在该平面内旋转，另外两根微弯管位于另一个平面内并使细胞在该平面内旋转。

本发明还提供单细胞位姿混合驱动式全方位调节装置，包括细胞吸持管、四根玻璃微弯管、用于分别控制每根玻璃微弯管做伸缩移动的控制单元和为玻璃微弯管提供所需要的负压或流量的微泵单元；每根玻璃微弯管均有一端通过软微管与所述微泵单元相连接，另一端为弯头部分，且弯头部分的管口朝向细胞吸持管的轴线；四根玻璃微弯管安装在所述控制单元上且均匀间隔分布在细胞吸持管的周围。

上述的混合驱动式全方位调节装置中，所述软微管为Z型软微管。

上述的混合驱动式全方位调节装置中，所述控制单元包括四个音圈马达和用于控制四个音圈马达工作的四通道控制器，四根玻璃微弯管分别固定安装在四个音圈马达上，四个音圈马达均与所述四通道控制器连接。

上述的混合驱动式全方位调节装置中，所述微泵单元包括两个微泵，其中一个微泵与细胞吸持管连接，每根玻璃微弯管均通过软微管与另一个微泵连接，每根软微管上均设有阀门。

上述的混合驱动式全方位调节装置中，四根玻璃微弯管对称分布在细胞吸持管的圆柱面的周围，各玻璃微弯管的轴线均与细胞吸持管的轴线平行，且其中对称的两根玻璃微弯管与另外两根对称的玻璃微弯管所在的平面相互垂直。

上述的混合驱动式全方位调节装置中，玻璃微弯管为L型，细胞吸持管的外径与玻璃微弯管的外径尺寸比例为4∶1～6∶1。

上述的混合驱动式全方位调节装置中，每个玻璃微弯管在对应的音圈马达的控制下可以实现亚微米级的伸缩定位精度。玻璃微弯管通过Z型软微管与微量泵单元相连接，可以减小音圈马达带动玻璃弯管伸缩移动时的阻力。微泵单元为细胞吸持管和玻璃微弯管提供所需要的负压或流量，在细胞吸持管末端附近区域形成流速可控的流场，可用于细胞的位姿调节操作。所述的单细胞位姿全方位调节装置装配在具有视觉伺服系统的显微操作平台上，通过计算机控制将能实现细胞位姿调节操作过程的自动化。

上述装置采用音圈马达与微流场流动相结合的操作控制方式，对单细胞进行精确的位置和姿态调节操作。操作过程中不会对细胞产生任何机械损害，并且在计算机视觉伺服系统配合下进行操作，可以提高细胞显微操作的效率和成功率。

与现有技术相比，本发明具有显著的优点：

(1)可以根据不同细胞尺寸形状，溶液类型变化，自由地调整微弯管之间的相对位置，实现三维全方位细胞位姿控制，提高了细胞位姿显微操作装置的通用性。(2)采用音圈马达控制微弯管的伸缩，实现低成本、高精度的亚微米级精确定位。(3)在微流体驱动和微电机(音圈马达)驱动的混合控制下使细胞在两个正交平面内旋转，可以实现细胞任意姿态的调整，且对细胞没有任何机械伤害，提高实验的成功率。(4)主要用于细胞姿态调整的微弯管是与用于细胞定位的吸持管装配在一起，只通过一个装置就可以满足细胞位置和姿态操作的要求，使细胞位姿显微操作调整简单化。

附图说明

图1为实施方式中细胞位姿调节装置末端三维结构及被操作细胞相对位置关系示意图。

图2为图1所示装置的微弯管装配分布及音圈马达控制线路示意图。

图3为细胞位姿显微操作装置的剖视示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施作进一步介绍，但本发明的实施和保护范围不限于此。

如图1～3，单细胞位姿全方位调节装置，包括细胞吸持管1、四根玻璃微弯管(2、3、4和5)、用于分别控制每根玻璃微弯管做伸缩移动的控制单元和为操作微管提供所需要的负压或流量的微泵单元11；每根玻璃微弯管均有一端分别通过Z型软微管12与所述微泵单元11相连接，另一端为弯头部分，且弯头部分的管口朝向细胞吸持管1的轴线；四根玻璃微弯管(2、3、4和5)安装在控制单元上且均匀分布在细胞吸持管1的周围。所述四根玻璃微弯管(2、3、4和5)是对称分布在细胞吸持管1的圆柱面的周围，各玻璃微弯管的轴线均与细胞吸持管1的轴线平行，且其中对称的两根玻璃微弯管(2和4)与另外两根对称的玻璃微弯管(3和5)所在的平面相互垂直，如图1所示。所述控制单元包括四个音圈马达(6、7、8和9)和用于控制四个音圈马达工作的四通道控制器10，四根玻璃微弯管(2、3、4和5)分别固定安装在四个音圈马达上，四个音圈马达均与所述四通道控制器10连接，如图2所示；四个音圈马达(6、7、8和9)在四通道控制器10的控制下，移动范围为±0.5mm，可以实现亚微米级的定位精度，满足细胞姿态调整操作的控制要求。所述微泵单元11包括两个微泵，其中一个微泵与细胞吸持管1连接，每根玻璃微弯管均通过阀门与另一个微泵连接。四根玻璃微弯管(2、3、4和5)由同一个微泵提供流量并且由阀门分别控制各玻璃微弯管的流量回路，细胞吸持管1单独使用另外一个微泵控制。微泵单元11与玻璃微弯管2、3、4和5之间采用弯曲Z型的软微管12连接，可减小音圈马达驱动玻璃微弯管伸缩时的阻力。本发明装置将细胞吸持管1与四根玻璃微弯管(2、3、4和5)装配到一起，形成一个显微操作整体单元，并安装在具有视觉伺服系统的三维显微操作平台上。

所述的四根玻璃微弯管2、3、4、5和细胞吸持管1均是由玻璃毛细管经拉制、磨削、锻造等工序制作而成，前端均具的平整的操作面。各玻璃微弯管为L型，细胞吸持管1的外径与玻璃微弯管的外径尺寸比例为4∶1～6∶1。

利用本发明装置对细胞进行位姿调节操作主要分为位置定位和姿态调整两个步骤。细胞的位置调整和定位操作由细胞吸持管1和玻璃微弯管(2、3、4和5)协调动作完成。首先由微泵单元11为细胞吸持管1提供负压，将细胞13吸引到细胞吸持管1前端面。随后控制微泵单元11为细胞吸持管1提供适当流量，将细胞13释放到细胞吸持管1前端附近可用于姿态调节操作的区域。上述适合细胞姿态调整的位置区域是处于四根玻璃微弯管(2、3、4和5)的伸缩范围内，且细胞13的球心应该在细胞吸持管1的管轴线延长线上；如果细胞13的位置不合适，则可以通过调整四根玻璃微弯管(2、3、4和5)的相对位置，喷射或吸持压力与吸持管1协调作用进行微调。例如，当细胞13过于远离或者靠近细胞吸持管1端面时，可利用吸持管1吸引回来或者推斥出去；当细胞13偏向某个玻璃微弯管时，则控制该玻璃微弯管的管口指向细胞13球心喷射，使其回到细胞吸持管1的轴线延长线上。最终在四根玻璃微弯管(2、3、4和5)和细胞吸持管1的配合下，细胞13处于细胞吸持管1轴线延长线上并在各玻璃微弯管(2、3、4和5)的伸缩范围内。接着进行细胞的姿态调整操作，使细胞13先在对称的两根玻璃微弯管2和4所在的平面旋转，如图3所示。先根据细胞的形状及大小，伸缩玻璃微弯管2和4，使其相对位置适应细胞的形状及大小。由计算机控制四通道控制器10向音圈马达6和8发出控制电流，在控制电流的作用下音圈马达6和8驱动玻璃微弯管2和4精确地伸缩定位，使玻璃微弯管2和4的弯头管口方向大致分布在细胞13球心的两侧，如图3所示。接着控制微泵单元11的阀门使其只让玻璃微弯管2和4射流出相同流速的培养液，流速的大小根据细胞的形状大小通过计算或实验而定。此时被操作的细胞13将会在流动液体粘性力拖拽下受到平面力偶作用，使其在图3所示的平面内绕球心转动。同样道理，利用另外两根对称的玻璃微弯管3和5可以控制被操作细胞13在这两根玻璃微弯管所在平面内绕其球心旋转。通过分别控制细胞13在两个正交平面内转动，可以使细胞的极体14调整到任何方向，即实现细胞13的任何三维姿态调节控制。

当被操作细胞13的姿态调整完成后，由细胞吸持管1将其吸持固定，再控制另外的微操作工具对细胞13及其细胞核15进行注射、切割等操作，以完成生物显微操作实验。

上述所有操作均是在具有视觉伺服系统的显微操作平台上完成的，具有较高的自动化程度。在微电机(音圈马达)和流场流动的混合作用下，通过细胞吸持管1，玻璃微弯管(2、3、4和5)的协调动作，可实现细胞的位置和姿态调节，并且不会对被操作细胞产生任何机械损害。

Claims (7)

1.单细胞位姿全方位调节方法，其特征是：在细胞姿态调节操作过程中，利用流场的粘性力驱动使细胞在两个正交平面内分别旋转，实现对细胞任意姿态的调节；所述流场通过四根微弯管喷射流体产生；其中两根微弯管位于所述两个正交平面中的一个平面内并使细胞在该平面内旋转，另外两根微弯管位于另一个平面内并使细胞在该平面内旋转。

2.单细胞位姿混合驱动式全方位调节装置，包括细胞吸持管、四根玻璃微弯管、用于分别控制每根玻璃微弯管做伸缩移动的控制单元和为玻璃微弯管提供负压或流量的微泵单元；每根玻璃微弯管均有一端通过软微管与所述微泵单元相连接，另一端为弯头部分，且弯头部分的管口朝向细胞吸持管的轴线；四根玻璃微弯管安装在所述控制单元上且均匀间隔分布在细胞吸持管的周围。

3.根据权利要求2所述的混合驱动式全方位调节装置，其特征在于所述软微管为Z型软微管。

4.根据权利要求2所述的混合驱动式全方位调节装置，其特征在于所述控制单元包括四个音圈马达和用于控制四个音圈马达工作的四通道控制器，四根玻璃微弯管分别固定安装在四个音圈马达上，四个音圈马达均与所述四通道控制器连接。

5.根据权利要求2所述的混合驱动式全方位调节装置，其特征在于所述微泵单元包括两个微泵，其中一个微泵与细胞吸持管连接，每根玻璃微弯管均通过软微管与另一个微泵连接，每根软微管上均设有阀门。

6.根据权利要求2所述的混合驱动式全方位调节装置，其特征在于：四根玻璃微弯管对称分布在细胞吸持管的圆柱面的周围，各玻璃微弯管的轴线均与细胞吸持管的轴线平行，且其中对称的两根玻璃微弯管与另外两根对称的玻璃微弯管所在的平面相互垂直。

7.根据权利要求2～6任一项所述的混合驱动式全方位调节装置，其特征在于：玻璃微弯管为L型，细胞吸持管的外径与玻璃微弯管的外径尺寸比例为4∶1～6∶1。

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