CN103087898A

CN103087898A - 一种基于漩流的单细胞姿态调节方法

Info

Publication number: CN103087898A
Application number: CN2013100005994A
Authority: CN
Inventors: 黄维军; 张勤
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2013-01-04
Filing date: 2013-01-04
Publication date: 2013-05-08

Abstract

本发明提出一种基于漩流的单细胞姿态调节方法。所述方法是在细胞姿态调节操作过程中，根据细胞的形状大小调节两根相互平行的微管的端面距离和轴向距离；控制两根微管同时喷射流体产生漩流；利用漩流的粘性力驱动细胞旋转，并通过脉动喷射的方式实现细胞任意角度的调节。本发明能适应不同细胞形状尺寸及溶液粘度的变化，精确地旋转细胞达到希望的姿态，并且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

一种基于漩流的单细胞姿态调节方法

技术领域

本发明涉及单细胞姿态调节技术领域，具体涉及基于漩流的单细胞姿态调节方法。

背景技术

细胞姿态调节是生物工程中一个难点问题。目前，实际应用的细胞姿态调节操作方法是采用微针管拨弄细胞使其旋转，存在着对细胞损伤大、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。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。

直接接触式的细胞姿态调节方法会伤害到细胞，影响实验的成功率，而且细胞操作的效率也非常低。非接触式的调节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。非接触式细胞姿态调节方法，目前国内外主要有激光法、介电泳法、静电场法、超声波法、微杆振动法、两微管对流法等。激光法、介电泳法、静电场法、超声波法等对细胞的损伤还未能明确，而且这些方法所需要的技术设备都十分昂贵，不利于实现工程产业化。微杆振动法、两微管对流法都是属于采用微流体的方法对细胞进行姿态调节。微杆振动法是通过振动微杆使其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的两微管对流法，是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。可见，在现有的基于微流动的细胞姿态调节方法中，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，本发明提出基于漩流的单细胞姿态调节方法。该方法可以根据细胞尺寸、形状的变化，培养液粘度的变化等，通过调整微管的相对距离和微管喷射速度自由地调节漩流的尺寸和强度，通过挤压和释放连接微管的硅胶软管进行脉动喷射，实现细胞姿态的精确调节。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术方法存在的上述不足，提供一种基于漩流的单细胞姿态调节方法，可实现非接触式地驱动细胞旋转到希望的角度，具体技术方案如下。

基于漩流的单细胞姿态调节方法，该方法是在细胞姿态调节操作过程中，根据细胞的形状大小调节两根相互平行的相同的微管的端面距离和轴间距离；控制两根微管同时喷射流体产生漩流；利用漩流的粘性力驱动细胞旋转，并通过脉动喷射的方式实现细胞任意角度的调节。

上述方法进一步优化的，所述的脉动喷射是通过压电陶瓷来挤压和释放连接微泵与微管的硅胶软管完成的。

上述方法进一步优化的，采用所述脉动喷射的方式驱动细胞一个角度一个角度地转动以达到所需的姿态。

上述方法进一步优化的，根据细胞形状大小调节两根微管的端面距离与细胞直径的比例为0.5：1~5：1。

上述方法进一步优化的，根据细胞形状大小调节两根微管的端面距离与细胞直径的比例为1:1~3:1。

上述方法进一步优化的，调节两根微管的轴间距离与微管的端面距离保持一致。

上述方法进一步优化的，所述的脉动喷射是通过控制流体的流速来实现的，脉动喷射的流体低流速为0.01~0.1m/s，脉动喷射的流体高流速为0.05~1.0m/s ，且高流速大于低流速，使喷射速度与时间的关系呈脉冲状态。

上述方法进一步优化的，脉动喷射的流体高流速为0.1~0.5m/s。

上述的基于漩流的单细胞姿态调节方法中，所述的脉动喷射是指在细胞未能转动前突然很快地增大微管的流体喷射速度，随即迅速减小到原来较低的速度水平，使微管的喷射速度与时间的关系呈脉冲的形状。

与现有技术相比，本发明具有显著的优点：

（1）可以自由地调整微管之间的相对位置以适应不同细胞的形状尺寸及溶液粘度变化的需要，提高细胞姿态调节方法的通用性。（2）利用漩流驱动细胞旋转实现其姿态的调节，不会对细胞产生任何机械伤害（3）采用脉动喷射的方式可以驱动细胞精确地旋转到希望的角度，即实现细胞姿态的精确调节。

附图说明

图1为两根微管与细胞的相关尺寸关系图。

图2为微管与压电陶瓷装置及微泵的连接图。

图3为根据实验得到的脉动喷射速度峰值与细胞旋转角度的关系曲线图。

图4为实例中进行挤压和释放连接微管的硅胶软管进行脉动喷射的示意图。

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。

基于漩流的单细胞姿态调节方法主要包括以下几个步骤实现细胞的姿态调节：

（1）如图1，根据细胞3的形状尺寸，使细胞处于第一移动微管1和第二移动微管2的对称中心位置，并调节两支微管的端面距离a与细胞3的直径b的比例为：1:1~3:1。

（2）保持两根微管（1和2）的端面距离a不变，调节两根微管（1和2）的内径之间距离b与其端面距离a一致为止，即使a=b；在步骤（1）及步骤（2）的调节过程中，细胞3始终处于两根微管（1和2）的对称中心位置。

（3）见图2，开启微泵6为两根微管（1和2）提供流量，但控制微管的喷射速度较小使细胞未能转动；给胶管挤压释放装置5（如压电陶瓷装置、步进马达等）通入电流，使其突然挤压硅胶软管4后立即释放；挤压硅胶管使管内流体流速增大，脉冲压力作用后，速度恢复到原来的低速水平，脉冲作用时间0.1-0.5，优选0.2s，细胞3将在速度突然变化的漩流中旋转一个小角度（15-150°）后停止下来。作为例子，此处可以使低速微管喷出流体速度为0.04m/s，突然挤压硅胶软管时喷出流体速度为0.45m/s。

（4）以步骤（3）中相同的脉动方法继续驱动细胞3一个角度一个角度地旋转，直至达到需要的姿态。

上述基于漩流的单细胞姿态调节方法中，要根据细胞3的形状尺寸调节两支微管（1和2）的端面距离a和微管内径之间的距离b，是为了使细胞3能在漩流中按定轴旋转，即不会在姿态调节过程中被吹跑。

上述采用的脉动方式驱动细胞旋转的方法中，细胞3每一步旋转的角度与脉动喷射的速度峰值及喷射时间相关，速度峰值越大，喷射时间越长，细胞3旋转的角度就越大。具体的脉动喷射的速度峰值及喷射时间需要经过标定，然后换算成压电陶瓷装置需要的脉冲电流。实验表明，在喷射时间相同的情况下，喷射速度峰值与细胞旋转角度成良好的线性关系，如图3所示。实验中用到的一种挤压和释放连接微管的硅胶软管的装置，进行脉动喷射的装置如图4所示，401为步进电机，402为脉冲挤压装置的移动端，403为脉冲挤压装置的固定端。步进电机可实现0.5um的移动精度，并可以控制步进速率从而改变脉冲压力大小。

Claims

1.基于漩流的单细胞姿态调节方法，其特征是：在细胞姿态调节操作过程中，根据细胞的形状大小调节两根相互平行的相同的微管的端面距离和轴间距离；控制两根微管同时喷射流体产生漩流；利用漩流的粘性力驱动细胞旋转，并通过脉动喷射的方式实现细胞任意角度的调节。

2.根据权利1所述的基于漩流的单细胞姿态调节方法，其特征是所述的脉动喷射是通过压电陶瓷来挤压和释放连接微泵与微管的硅胶软管完成的。

3.根据权利1所述的基于漩流的单细胞姿态调节方法，其特征是采用所述脉动喷射的方式驱动细胞一个角度一个角度地转动以达到所需的姿态。

4.根据权利1所述的基于漩流的单细胞姿态调节方法，其特征是根据细胞形状大小调节两根微管的端面距离与细胞直径的比例为0.5：1~5：1。

5.根据权利4所述的基于漩流的单细胞姿态调节方法，其特征是根据细胞形状大小调节两根微管的端面距离与细胞直径的比例为1:1~3:1。

6.根据权利1所述的基于漩流的单细胞姿态调节方法，其特征是调节两根微管的轴间距离与微管的端面距离保持一致。

7.根据权利1所述的基于漩流的单细胞姿态调节方法，其特征是所述的脉动喷射是通过控制流体的流速来实现的，脉动喷射的流体低流速为0.01~0.1m/s，脉动喷射的流体高流速为0.05~1.0m/s ，且高流速大于低流速，使喷射速度与时间的关系呈脉冲状态。

8.根据权利7所述的基于漩流的单细胞姿态调节方法，其特征是脉动喷射的流体高流速为0.1~0.5m/s。