CN103131664A

CN103131664A - 一种单细胞夹持方法及其位置调节装置

Info

Publication number: CN103131664A
Application number: CN201310047782XA
Authority: CN
Inventors: 黄维军; 雷武臣; 张勤
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2013-02-06
Filing date: 2013-02-06
Publication date: 2013-06-05

Abstract

本发明提供一种单细胞夹持方法及其位置调节装置。所述方法是在细胞调节操作过程中，利用夹持管间的流体压力及流体粘性力来夹持细胞，通过夹持管的移动无接触裹挟细胞运动，实现对细胞位置的调节；所述装置包括两根细胞夹持管、两根软微管、控制单元和为细胞夹持管提供所需要的流量的微泵单元；每根细胞夹持管均通过软微管与所述微泵单元相连接；两根细胞夹持管安装在所述控制单元上且分布在细胞两侧。本发明能适用于不同形状、尺寸的细胞，实现细胞的三维位置调节，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

一种单细胞夹持方法及其位置调节装置

技术领域

本发明涉及单细胞位置调节技术领域，具体涉及一种单细胞夹持方法及其位置调节装置。

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，细胞的定位操作目前是通过吸持管的吸吐来完成，通过泵瞬时抽吸使吸持管端部呈负压来吸取细胞，比较容易实现，但是属于直接接触式操作。直接接触式的方法会伤害到细胞，影响实验的成功率。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。

在这样的背景下，本发明提出非接触的流体裹挟细胞的方法，运用三自由度微动平台控制细胞夹持管实现亚微米级的三维运动，两只细胞夹持管在细胞两侧相对分布，通过两只细胞夹持管喷射流体，在细胞表面形成较均匀压力，当细胞夹持管移动时，细胞随之移动。本装置通过三自由度微动平台调整细胞夹持管之间的相对位置，通过微泵调节管内压力或流量，对细胞尺寸、形状的变化有较大的适应性，自动实现细胞的任意三维位置调节。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术存在的上述不足，提供一种单细胞夹持方法及其位置调节装置，具体技术方案如下。

本发明提供单细胞位置调节方法，在细胞位置调节操作过程中，利用两根细胞夹持管喷射流体产生的流体压力及流体粘性力来夹持细胞，实现对细胞位置的调节；其中两根细胞夹持管位于同一直线上，并在细胞两侧分布。

上述的单细胞位置调节方法中，通过两根细胞夹持管喷射的流体，在细胞表面形成较均匀压力，左右喷管喷出的流体冲向细胞其效果如两股流体握持细胞。稳定夹持后，当微管移动时，细胞随之移动，从而实现对细胞的位置调节。

本发明还提供单细胞位置调节装置，包括两根细胞夹持管、两根软微管、两个三自由度微动平台和为细胞夹持管提供所需要流量的微泵单元；每根细胞夹持管各自独立通过一根软微管与所述微泵单元相连接；两根细胞夹持管各自独立安装在一个三自由度微动平台上，且两根细胞夹持管的末端分布在细胞两侧。

进一步优化的，所述两根细胞夹持管形状和大小相同。

进一步优化的，细胞夹持管内径与细胞直径的比例为1：2～10：1，细胞夹持管端部与细胞中心的距离为1～3倍的细胞直径，微泵流量为1～300ml/h，细胞夹持管管内流体的表压为0.5～10kPa。

进一步优化的，所述两个三自由度微动平台均由一个控制器控制。

进一步优化的，所述微泵单元包括一个微泵，每根细胞夹持管均通过软微管与微泵连接，每根软微管上均设有阀门。

上述的单细胞位置调节装置中，所述控制单元包括两个三自由度微动平台及控制其运动的六通道控制器。两根夹持管分别固定安装在两个三自由度微动平台上，微动平台与所述六通道控制器连接。

上述的单细胞位置调节装置中，所述微泵单元包括一个微泵，每根细胞夹持管均通过软微管与微泵连接，每根软微管上均设有阀门。

上述的位置调节装置中，每根细胞夹持管在对应的三自由度微动平台的控制下可以实现亚微米级的3维移动。细胞夹持管通过软微管与微泵单元相连接，可以减小三自由度微动平台带动玻璃夹持管伸缩移动时的阻力。微泵单元为细胞夹持管提供所需要流量，使之在细胞周围形成关于细胞近似对称的流场，在细胞表面形成较均匀、稳定的压力分布，裹挟细胞，稳定夹持后，通过控制器控制三自由度微动平台移动细胞夹持管实施细胞的位置调节。所述的单细胞位置调节装置装配在具有视觉伺服系统的显微操作平台上，通过计算机控制能实现细胞位置调节操作过程的自动化。

上述装置采用三自由度微动平台与微流体流动相结合的操作控制方式，对单细胞进行精确的位置调节操作。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，调整细胞夹持管之间的相对位置和改变细胞夹持管的直径，实现细胞位置控制，提高了细胞位置显微操作装置的通用性。（2）采用三自由度微动平台控制夹持管的伸缩，实现低成本、高精度的三自由度亚微米级精确定位。（3）运用流体压力和粘性力实现对细胞的无接触夹持和平移，对细胞没有任何机械伤害，提高实验的成功率。

附图说明

图1为细胞位置调节装置示意图。

图2是细胞夹持管三自由度移动控制系统构成示意图。

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，单细胞位置调节装置，包括两根细胞夹持管（1和2），用于分别控制每根细胞夹持管做伸缩移动的三自由度微动平台和为细胞夹持管提供所需要的流量的微泵单元7；每根细胞夹持管均有一端分别通过软微管（5和6）与所述微泵单元7相连接，其中两根细胞夹持管位于同一直线上，并在细胞两侧分布。两根细胞夹持管（1和2）分别固定安装在两个三自由度微动平台（3和4）上，两个三自由度微动平台（可以采用KOHZU ZA系列3自由度微动平台）与所述六通道控制器8（可以采用KOHZU SC-021系列驱动器）连接，两个三自由度微动平台（3和4）的运动由六通道控制器8控制。

如图2所示，两个三自由度微动平台（3和4）在六通道控制器8的控制下，移动范围为±0.5mm，可以实现亚微米级的定位精度，满足细胞位置调整操作的控制要求。所述微泵单元7包括一个微泵，每根细胞夹持管均通过阀门与微泵连接。两根细胞夹持管由同一个微泵提供流量并且由阀门分别控制各细胞夹持管的流量。微泵单元7与细胞夹持管（1和2）之间采用弯曲软微管（5和6）连接，可减小三自由度微动平台驱动细胞夹持管伸缩时的阻力。本发明装置将细胞夹持管（1和2）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。

所述的两根细胞夹持管（1和2）均是由玻璃毛细管经拉制、磨削、锻造等工序制作而成，前端均具有平整的操作面。

利用本发明装置对细胞的位置调整和定位操作由细胞夹持管（1和2）协调动作完成。首先由微泵单元7为细胞夹持管（1和2）提供流量，将细胞12夹持在两支细胞夹持管（1和2）之间，细胞12与两支细胞夹持管（1和2）的前端均位于细胞液13中。随后通过六通道控制器8控制三自由度微动平台（3和4）移动细胞夹持管，对细胞进行三维移动。上述位置调节装置中，两根细胞夹持管分布在细胞两侧，且两支细胞夹持管位于同一直线上，可以微调细胞在细胞夹持管（1和2）间的位置。当细胞夹持管端部与细胞中心的距离约为1～2倍的细胞直径时，由于细胞两侧压力不同细胞将在压差作用下自行移动，当某一细胞夹持管与细胞之间的距离超过这一范围时，例如，当细胞12过于靠近细胞夹持管1端面时，可利用微泵单元7增大细胞夹持管1的流量或减小细胞夹持管2的流量来调节细胞12相对细胞夹持管的位置。最终在两根细胞夹持管1和2的配合下，使细胞12到达中间的平衡位置。其中细胞夹持管1和2流速的大小根据细胞的形状大小通过计算或实验而定。

当被操作细胞12的位置调整完成后，再控制其他微操作工具对细胞12进行姿态调整以及注射、切割等操作，以完成生物显微操作实验。

上述所有操作均可在具有视觉伺服系统的显微操作平台上完成，具有较高的自动化程度。在三自由度微动平台和流场微流体流动的混合作用下，通过细胞夹持管（1、2）的协调动作，可实现细胞的位置调节，并且不会对被操作细胞产生任何机械损害。

通过计算流体力学（CFD）数值模拟软件Fluent 6.3.26数值仿真可得到细胞表面压力分布，细胞直径80um，细胞夹持管直径为400um（细胞直径5倍），细胞夹持管间距为270um（细胞夹持管端部到细胞中心距离为细胞直径1.75倍），细胞夹持管喷出速度为0.77m/s, 计算结果显示此时细胞表面最大压力为1039Pa，最小压力为969Pa。最大最小压力偏差仅为最大压力的6.8%，夹持管喷出的流体在细胞周围形成较为均匀的压力分布，对细胞产生裹挟的效应。夹持稳定后，当夹持管运动时，将带动细胞移动。

作为实例，在颗粒及细胞夹持管直径均为80um，细胞夹持管间距为250um（夹持管端部到细胞中心距离为细胞直径1.56倍），微泵流量为5.5ml/h的条件下，细胞夹持管能夹持颗粒完成平移。

Claims

1.单细胞夹持方法，其特征是：在细胞位置调节操作过程中，利用两根细胞夹持管喷射流体产生的流体压力及流体粘性力来夹持细胞，实现对细胞位置的调节；其中两根细胞夹持管位于同一直线上，并在细胞两侧分布。

2.单细胞位置调节装置，其特征在于包括两根细胞夹持管、两根软微管、两个三自由度微动平台和为细胞夹持管提供所需要流量的微泵单元；每根细胞夹持管各自独立通过一根软微管与所述微泵单元相连接；两根细胞夹持管各自独立安装在一个三自由度微动平台上，且两根细胞夹持管的末端分布在细胞两侧。

3.根据权利要求2所述的单细胞位置调节装置，其特征在于：两根细胞夹持管形状和大小相同。

4.根据权利要求1所述的单细胞位置调节装置，其特征在于，细胞夹持管内径与细胞直径的比例为1：2～10：1，细胞夹持管端部与细胞中心的距离为1～3倍的细胞直径，微泵流量为1～300ml/h，细胞夹持管管内流体的表压为0.5～10kPa。

5.根据权利要求2~4任一项所述的单细胞位置调节装置，其特征在于所述微泵单元包括一个微泵，每根细胞夹持管均通过软微管与微泵连接，每根软微管上均设有阀门。