CN103255049A - 一种复合压电注射系统及注射方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合压电注射系统及注射方法，包括工作台，用于放置培养皿的定位平台，设置于定位平台斜上方的压电超声注射装置，监测压电超声注射装置操作的倒置显微镜，与倒置显微镜相连接采集倒置显微镜放大物象的摄像机，以及控制注射系统运行的控制系统；压电超声注射装置包括注射针、压电陶瓷以及注射泵，工作台上还设置有固定所述注射针的三自由度调节板。通过设置注射针与压电陶瓷，在注射时，通过驱动压电陶瓷振动使得注射针刺破细胞膜后进行注射，操作简便，劳动强度较低，工作效率较高，且无需在采用专门的激光打孔破膜设备，降低了使用成本，同时无需使用水银，避免对操作人员造成危害，降低了操作环境的要求。

Description

一种复合压电注射系统及注射方法

技术领域

本发明属于生物医学技术领域生物组织细胞破膜注射，具体涉及一种复合压电注射系统及注射方法。

背景技术

显微注射技术，是指在高倍倒置显微镜下，利用显微操作器，控制显微注射针在显微镜视野内移动的机械装置，利用管尖极细（0.1至0.5μm）的玻璃微量注射针，将外源基因片段直接注射到原核期胚或培养的细胞中，然后藉由宿主基因组序列可能发生的重组、缺失、复制或易位等现象而使外源基因嵌入宿主的染色体内，是用来进行细胞或早期胚胎操作的一种方法。显微注射应用的范围非常广泛，从辅助（体外）细胞受精技术至分子和细胞基本组分的转运都需使用这一技术，比较典型的是将某些物质注射进细胞中以操作或监测某种特定的存活细胞中的基本机体生物化学状态。这些可以注射进细胞的物质包括有：各种细胞器、激酶、组织化学标志物（比如辣根过氧化物酶或者荧光黄）、蛋白质、代谢物质、微磁头、离子、抗体、基因、分子生物学的mRNA和DNA等等。运用这一技术，也可以实现用于单个细胞或一组细胞的较少量（皮升至毫升）药剂或药物的精确输送（微灌注），例如药理学的药物检验。转基因动物的制作，可以利用基因微注射、胚干细胞、精子载体、反转录病毒感染及体细胞核移置等方法达成，其中显微注射为目前应用最普遍之方法之一。

显微注射技术是50年代发展起来的，早期是大多数采用手动显微注射方法，手动显微注射方法是直接在显微镜下，通过调节显微注射装置，来确定需要注射的细胞位置以及注射针位置，进行破膜注射，此种方式操作复杂，费时费力，操作员训练周期长、工作效率低下以及易受人为因素影响等问题。后来出现了激光显微注射方法，激光显微注射方法是利用激光破膜仪，进行破膜之后进行显微注射的一种方法，此种方法破膜效率比较高，打孔精度可以控制，但是需特殊的设备，激光器造价昂贵。目前又出现了压电注射方法，压电注射方法是利用压电超声进行破膜，然后进行注射的一种方法，但是目前应用的压电超声注射的系统中，大多的注射装置需要用到水银，以减少干扰摆动，由于水银剧毒并且易挥发，易对操作人员造成危害，因此对操作环境要求较高，需要安装专门的通风装置。

因此，鉴于以上问题，有必要提出一种注射方法，操作简单，工作效率较高，劳动强度低，使用成本较低，且在操作过程中不需要用到水银，因此不会对操作人员造成危害，同时也降低了操作环境的要求。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种操作简单，工作效率较高，劳动强度低的复合压电注射系统及注射方法，以达到降低使用成本，避免使用水银对操作人员造成危害，同时也降低操作环境要求的目的。

根据本发明的目的提出的一种复合压电注射系统，包括工作台，位于所述工作台上用于放置培养皿的定位平台，设置于所述定位平台斜上方的压电超声注射装置，监测所述压电超声注射装置操作的倒置显微镜，与所述倒置显微镜相连接采集所述倒置显微镜放大物象的摄像机，以及控制所述注射系统运行的控制系统；

所述压电超声注射装置包括注射针、设置于所述注射针上的压电陶瓷以及与所述注射针相连接驱动所述注射针运行的注射泵，所述工作台上还设置有固定所述注射针的三自由度调节板，通过压电陶瓷的振动实现注射针的破膜；

所述控制系统包括计算机，与所述计算机电连接用于控制所述三自由度调节板移动的调节板控制器、驱动所述压电陶瓷振动的压电陶瓷电源、控制所述注射泵运行的注射泵控制器，以及调节所述定位平台水平移动的定位平台控制器；所述摄像机与所述计算机的输入端电连接，反馈倒置显微镜的物象信息，所述调节板控制器、压电陶瓷电源、注射泵控制器以及定位平台控制器分别于所述计算机的输出端电连接，根据所述计算机的输出信号进行操作。

优选的，所述注射系统还包括用于定位所述培养皿中细胞的吸持装置。

优选的，所述吸持装置包括吸持针以及驱动所述吸持针作用的注射器以及线性电动平台，所述吸持针与所述注射器间连接有导管；所述线性电动平台驱动所述注射器前后移动为所述吸持针提供负压。

优选的，所述三自由度调节板为对称所述倒置显微镜设置的两个，分别为左调节板与右调节板，左调节板用于固定所述吸持针，右调节板用于固定所述注射针。

优选的，所述注射针倾斜设置。

优选的，所述注射针与所述培养皿间呈30°-45°的夹角。

优选的，所述摄像机为CCD摄像机。

优选的，所述压电超声注射装置还包括连接于所述注射针后方的固定杆，所述固定杆固定连接于所述三自由度调节板上。

一种复合压电注射方法，其特征在于，采用所述的复合压电注射系统，具体步骤如下：

（一）、首先将含有细胞的培养皿放置于定位平台上，同时将吸持针与注射针分别向下倾斜固定于左调节板与右调节板上，同时摄像机实时的检测倒置显微镜的物象情况，并将信号传递给计算机；

（二）、根据摄像机的反馈信息，计算机输出信号给定位平台控制器，定位平台控制器控制定位平台在水平方向上前后左右移动，使得培养皿与倒置显微镜对应设置；

（三）、通过倒置显微镜对培养皿中的细胞进行自动对焦、目标识别找到细胞；

（四）、计算机输出信号给调节板控制器，调节板控制器驱动左调节板运行，使得吸持针与细胞接触，同时启动线性电动平台带动注射器移动产生负压，使得吸持针吸住细胞；

（五）、之后调节板控制器调节固定注射针的右调节板，使得注射针接近细胞的细胞膜，此时所述压电陶瓷电源给予所述压电陶瓷驱动信号，压电陶瓷产生振动，从而实现细胞破膜，之后关闭压电陶瓷电源；

（六）、计算机输出信号给注射泵控制器，注射泵控制器控制注射泵运行，通过注射针将组织注入到细胞所需的位置，完成细胞的显微注射。

与现有技术相比，本发明公开的一种复合压电注射系统及注射方法的优点是：通过设置注射针与压电陶瓷，在注射时，通过驱动压电陶瓷振动使得注射针刺破细胞膜后进行注射，操作简便，劳动强度较低，工作效率较高，且无需再采用专门的激光打孔破膜设备，降低了使用成本，同时无需使用水银，避免对操作人员造成危害，降低了操作环境的要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明公开的一种复合压电注射系统的结构示意图。

图2为压电超声注射装置的结构示意图。

图中数字或字母所代表的相应部件的名称：

1、工作台  2、定位平台  3、倒置显微镜  4、摄像机  5、注射针  6、压电陶瓷  7、吸持针  8、左调节板  9、右调节板  10、注射器  11、线性电动平台  12、导管  13、计算机  14、调节板控制器  15、压电陶瓷电源16、定位平台控制器  17、注射泵控制器  18、固定杆  19、注射泵

具体实施方式

早期大多数采用手动显微注射方法，此种方式操作复杂，费时费力，操作员训练周期长、工作效率低下以及易受人为因素影响等问题。后来出现了激光显微注射方法，但是需特殊的设备，激光器造价昂贵。目前还存在一种压电注射方法，但是目前应用的压电超声注射的系统中，大多在注射装置需要用到水银，由于水银剧毒并且易挥发，易对操作人员造成危害，因此对操作环境要求较高，需要安装专门的通风装置。

本发明针对现有技术中的不足，一种操作简单，工作效率较高，劳动强度低的复合压电注射系统及注射方法，以达到降低使用成本，避免使用水银对操作人员造成危害，同时也降低操作环境要求的目的。

下面将通过具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1、2所示，一种复合压电注射系统，包括工作台1，位于工作台1上用于放置培养皿的定位平台2，设置于定位平台2斜上方的压电超声注射装置，监测压电超声注射装置操作的倒置显微镜3，与倒置显微镜3相连接采集倒置显微镜放大物象的摄像机4，以及控制注射系统运行的控制系统；摄像机与控制系统电连接。其中摄像机为CCD摄像机，CCD摄像机分辨率及成像灵敏度均较高。

压电超声注射装置包括注射针5、设置于注射针5上的压电陶瓷6以及与注射针5相连接驱动注射针运行的注射泵19，工作台1上还设置有固定注射针5的三自由度调节板，注射针5倾斜设置。通过将注射针倾斜设置便于注射针与细胞的接触，同时便于注射针内的组织进入细胞内。

注射针5与培养皿间呈30°或45°或40°的夹角，使得注射针倾斜固定，便于破膜注射。

注射装置还包括连接于注射针5后方的固定杆18，注射针通过固定杆18固定连接于三自由度调节板上。

注射系统还包括用于定位培养皿中细胞的吸持装置。吸持装置包括吸持针7以及驱动吸持针7作用的注射器10以及线性电动平台11，吸持针7与注射器10间连接有导管12；线性电动平台11驱动注射器10前后移动给吸持针7提供负压。通过负压的作用使得吸持针有效的吸住细胞，将细胞固定。

控制装置包括计算机13，与计算机13电连接用于控制三自由度调节板移动的调节板控制器14、驱动压电陶瓷6振动的压电陶瓷电源15、控制注射泵19运行的注射泵控制器17、以及调节定位平台2水平移动的定位平台控制器16。CCD摄像机与计算机13的输入端电连接，将倒置显微镜放大的物象信息反馈给计算机，调节板控制器、压电陶瓷电源、注射泵控制器以及定位平台控制器分别于计算机的输出端电连接，根据计算机的输出信号进行操作，以便计算机控制注射系统操作。

三自由度调节板为对称倒置显微镜3设置的两个，分别为左调节板8与右调节板9，左调节板8用于固定吸持针7，右调节板9用来固定注射针5。计算机13的一个信号输出端连接调节板控制器14，通过CCD摄像机反馈的物象信息计算机13输出移动信号给调节板控制器14，调节板控制器14带动左、右调节板在三维空间内进行位置调整，使得吸持针有效的定位细胞，且同时使得注射针的针尖与细胞膜接触，便于后续振动破膜。

计算机13的一个信号输出端连接定位平台控制器16，根据CCD摄像机反馈的物象信息，计算机13输出调整信号给定位平台控制器16，定位平台控制器16对定位平台进行水平方向的调整。

一种复合压电注射方法，采用复合压电注射系统，具体步骤如下：

（一）、首先将含有细胞的培养皿放置于定位平台上，同时将吸持针与注射针分别向下倾斜固定于左调节板与右调节板上，同时摄像机实时的检测倒置显微镜的物象情况，并将信号传递给计算机；

（二）、根据摄像机的反馈信息，计算机输出信号给定位平台控制器，定位平台控制器控制定位平台在水平方向上前后左右移动，使得培养皿与倒置显微镜对应设置；

（三）、通过倒置显微镜对培养皿中的细胞进行自动对焦、目标识别找到细胞；

（四）、计算机输出信号给调节板控制器，调节板控制器驱动左调节板运行，使得吸持针与细胞接触，同时启动线性电动平台带动注射器移动产生负压，使得吸持针吸住细胞；

（五）、之后调节板控制器调节固定注射针的右调节板，使得注射针接近细胞的细胞膜，此时所述压电陶瓷电源给予所述压电陶瓷驱动信号，压电陶瓷产生振动，从而实现细胞破膜，之后关闭压电陶瓷电源；

（六）、计算机输出信号给注射泵控制器，注射泵控制器控制注射泵运行，通过注射针将组织注入到细胞所需的位置，完成细胞的显微注射。

本发明公开了一种复合压电注射系统及注射方法，通过设置注射针与压电陶瓷，在注射时，通过驱动压电陶瓷振动使得注射针刺破细胞膜后进行注射，操作简便，劳动强度较低，工作效率较高，且无需在采用专门的激光打孔破膜设备，降低了使用成本，同时无需使用水银，避免对操作人员造成危害，降低了操作环境的要求。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种复合压电注射系统，其特征在于，包括工作台，位于所述工作台上用于放置培养皿的定位平台，设置于所述定位平台斜上方的压电超声注射装置，监测所述压电超声注射装置操作的倒置显微镜，与所述倒置显微镜相连接采集所述倒置显微镜放大物象的摄像机，以及控制所述注射系统运行的控制系统；

所述压电超声注射装置包括注射针、设置于所述注射针上的压电陶瓷以及与所述注射针相连接驱动所述注射针运行的注射泵，所述工作台上还设置有固定所述注射针的三自由度调节板，通过压电陶瓷的振动实现注射针的破膜；

所述控制系统包括计算机，与所述计算机电连接用于控制所述三自由度调节板移动的调节板控制器、驱动所述压电陶瓷振动的压电陶瓷电源、控制所述注射泵运行的注射泵控制器，以及调节所述定位平台水平移动的定位平台控制器；所述摄像机与所述计算机的输入端电连接，反馈倒置显微镜的物象信息，所述调节板控制器、压电陶瓷电源、注射泵控制器以及定位平台控制器分别于所述计算机的输出端电连接，根据所述计算机的输出信号进行操作。

2.如权利要求1所述的复合压电注射系统，其特征在于，所述注射系统还包括用于定位所述培养皿中细胞的吸持装置。

3.如权利要求2所述的复合压电注射系统，其特征在于，所述吸持装置包括吸持针以及驱动所述吸持针作用的注射器以及线性电动平台，所述吸持针与所述注射器间连接有导管；所述线性电动平台驱动所述注射器前后移动为所述吸持针提供负压。

4.如权利要求3所述的复合压电注射系统，其特征在于，所述三自由度调节板为对称所述倒置显微镜设置的两个，分别为左调节板与右调节板，左调节板用于固定所述吸持针，右调节板用于固定所述注射针。

5.如权利要求1所述的复合压电注射系统，其特征在于，所述注射针倾斜设置。

6.如权利要求5所述的复合压电注射系统，其特征在于，所述注射针与所述培养皿间呈30°-45°的夹角。

7.如权利要求1所述的复合压电注射系统，其特征在于，所述摄像机为CCD摄像机。

8.如权利要求1所述的复合压电注射系统，其特征在于，所述压电超声注射装置还包括连接于所述注射针后方的固定杆，所述固定杆固定连接于所述三自由度调节板上。

9.一种复合压电注射方法，其特征在于，采用权利要求1-8任一项所述的复合压电注射系统，具体步骤如下：

（一）、首先将含有细胞的培养皿放置于定位平台上，同时将吸持针与注射针分别向下倾斜固定于左调节板与右调节板上，同时摄像机实时的检测倒置显微镜的物象情况，并将信号传递给计算机；

（二）、根据摄像机的反馈信息，计算机输出信号给定位平台控制器，定位平台控制器控制定位平台在水平方向上前后左右移动，使得培养皿与倒置显微镜对应设置；

（三）、通过倒置显微镜对培养皿中的细胞进行自动对焦、目标识别找到细胞；

（四）、计算机输出信号给调节板控制器，调节板控制器驱动左调节板运行，使得吸持针与细胞接触，同时启动线性电动平台带动注射器移动产生负压，使得吸持针吸住细胞；

（五）、之后调节板控制器调节固定注射针的右调节板，使得注射针接近细胞的细胞膜，此时所述压电陶瓷电源给予所述压电陶瓷驱动信号，压电陶瓷产生振动，从而实现细胞破膜，之后关闭压电陶瓷电源；

（六）、计算机输出信号给注射泵控制器，注射泵控制器控制注射泵运行，通过注射针将组织注入到细胞所需的位置，完成细胞的显微注射。

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