CN104630050B - 一种细胞注入和提取的微纳米吸管装置 - Google Patents
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Abstract
公开了一种微纳米吸管装置，包括：基座；吸管；第一机械装置，设置于所述基座上，所述第一机械装置能够沿第一方向机械运动；第二机械装置，设置于所述第一机械装置上，所述第二机械装置能够沿第二方向机械运动，所述第二方向垂直于所述第一方向；压电驱动单元，设置于所述第二机械装置上，用于产生所述吸管沿第一方向的机械运动；样品台，设置于所述基座上，用于放置样品，所述样品台可以以第二方向为轴机械转动，所述样品浸没在细胞培养液中并用光学透明的透气膜封装；所述第一机械装置、所述第二机械装置、所述压电驱动单元的机械运动使得所述吸管刺透所述透气膜穿过所述细胞培养液后到达所述样品中的预定位置。
Description
技术领域
本发明涉及纳米器件领域，具体涉及一种细胞注入和提取的微纳米吸管装置。
背景技术
当今生物医学实验随着研究需求的提高，越来越需要向多维度和复杂体系发展。培养皿是生物医学实验最主要的实验载体，但是随着研究的日益深入，大部分实验需求已严重受限于培养皿二维平面的限制。目前研究人员普遍认识到现有二维细胞培养不能重现原有组织细胞拥有的形态和生化特征。生物医学研究迫切需要从现在简单均一的体系向多尺度、可以模拟复杂三维微环境的方向发展近年来3D打印成型技术与生物医学研究交叉与渗透已迅速形成了一个崭新的研究领域—3D生物打印，结合物理、生物、材料，工程以及信息学等创新思路和前沿技术，建立起更为先进的多尺度、多功能、高度集成化和智能化的平台。然而由于生物研究对象活体细胞及组织器官的复杂性，现今3D生物打印尚不能实现对细胞微环境的真实模仿，而且对于建立的三维微环境的全面观测和对其的精确操作更是空白。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种细胞注入和提取的微纳米吸管装置，能够实现单个活细胞的三维精确操作：将单个活细胞植入到样品中的指定位置，将单个活细胞从样品的指定腔体中提取甚至可以直接对单个活细胞进行原位实时微创活检。
本发明提出的细胞注入和提取的微纳米吸管装置，包括：
包括：
基座；
吸管；
第一机械装置，设置于所述基座上，所述第一机械装置能够沿第一方向机械运动；
第二机械装置，设置于所述第一机械装置上，所述第二机械装置能够沿第二方向机械运动，所述第二方向垂直于所述第一方向；
压电驱动单元，设置于所述第二机械装置上，用于产生所述吸管沿第一方向的机械运动；
样品台，设置于所述基座上，用于放置样品，所述样品台可以以第二方向为轴机械转动，所述样品浸没在细胞培养液中并用光学透明的透气膜封装；
所述第一机械装置、所述第二机械装置、所述压电驱动单元的机械运动使得所述吸管刺透所述透气膜穿过所述细胞培养液后到达所述样品中的预定位置，
其中，所述第一机械装置在第一方向的机械运动使所述吸管向样品中的预定位置运动，当所述吸管到样品的距离小于预设距离时，所述第一机械装置停止运动，所述压电驱动单元在第一方向上的机械运动使所述吸管到达所述样品中的预定位置。
优选地，所述细胞注入和提取的微纳米吸管装置还包括显微镜，所述显微镜的物镜位于所述样品的正上方，所述显微镜用于观察所述吸管的位置。
优选地，所述细胞注入和提取的微纳米吸管装置还包括控制器，所述控制器用于控制所述样品台、所述压电驱动单元、所述第一机械装置、所述第二机械装置的机械运动。
优选地，所述样品台可以沿所述第二方向机械运动。
优选地，所述吸管为可替换的，所述吸管为微米吸管或纳米吸管。
优选地，所述微米吸管的内径为10微米至30微米，外径80微米至100微米，所述微米吸管的前端具有约10微米的开口；所述纳米吸管内径为30纳米至50纳米，外径80纳米至100纳米，所述纳米吸管的前端具有约30纳米的开口。
优选地，所述微米吸管的后端通过导管连接到微气泵，所述微气泵产生的推气流将至少一个细胞注入所述样品，所述微气泵产生的吸气流从所述样品中抽取至少一个细胞。
优选地，所述纳米吸管内设置有微电极，在所述微电极上施加偏压，从所述样品中抽取物质。
优选地，所述样品为通过3D打印生成的3D生物支架，所述3D生物支架的材料为水凝胶。
优选地，所述样品为活组织中的单个细胞，所述物质为细胞质或DNA或RNA。
本发明提出的细胞注入和提取的微纳米吸管装置，通过灵活的三维机械运动，能够实现单个活细胞的三维精确操作。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1a-1b为细胞注入和提取的微纳米吸管装置实施例的结构图；
图2a-2b为微米吸管向样品中注入细胞的示意图；
图3a-3b为纳米吸管从样品中抽取细胞质的示意图。
具体实施方式
以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。
此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
本发明提出了一种细胞注入和提取的微纳米吸管装置，能够实现单个活细胞的三维精确操作：将至少一个活细胞注入到样品中的预定位置，将单个活细胞从样品的预定位置中提取出来，甚至可以直接对单个活细胞进行原位实时微创活检，例如抽取细胞内含物、DNA/RNA等。图1a-1b为细胞注入和提取的微纳米吸管装置实施例的结构图，图1a为平视图，图1b为侧视图。如图1a-1b所示，细胞注入和提取的微纳米吸管装置包括：吸管100、压电驱动单元200、第一机械装置、第二机械装置、样品台500、控制器700、基座600以及显微镜800。在图1a-1b中，R方向为第一方向，Z方向(垂直方向)为第二方向。
第一机械装置和第二机械装置可以为滚珠丝杠式滑台也可以是直线电机，在本实施例中，第一机械装置和第二机械装置为滚珠丝杠传动装置，滚珠丝杠传动装置能够将回转运动转化为直线运动，是精密仪器中的常见部件，精度可以达到1微米。第一机械装置包括第一滑台401、第一滚珠螺杆402以及电机403。第一滚珠螺杆402沿着R方向设置于基座600上，电机403连接控制器700，用于驱动第一滑台401在R方向的机械运动。第二机械装置包括第二滑台301、第二滚珠螺杆302以及电机303。第二滚珠螺杆302沿着垂直方向设置于第一滑台401上，电机303连接控制器700，用于驱动第二滑台301在垂直方向的机械运动。
样品台500设置于基座600上用于放置和固定样品。样品台500可以以Z方向为轴正向或反向以角度α为步长作机械转动，还可以沿着Z方向上向上或向下机械运动，样品台500的机械转动和机械运动都受控制于控制器700。所述的样品可以为活体器官组织、实验室培养的生物组织，3D打印生成的水凝胶材料的3D生物支架等。在本实施例中，所述的样品为通过3D打印生成的水凝胶材料的3D生物支架。所述3D生物支架浸没在细胞培养液中并用光学透明的透气膜作无菌封装，所述透气膜透气不透水，防止细胞培养液渗出。所述透气膜为生物实验室中常用的材料，如Sarstedt公司生产的Lumox film，OriGen Biomedical公司的OriGen PermaLife Bags。3D生物支架具有多条孔洞，细胞培养液可以在孔洞内流动。在样品的上方设置有显微镜800，用于观察样品的状况以及吸管100的位置。
压电驱动单元200设置于第二滑台301上。压电驱动单元200利用压电陶瓷材料的逆压电效应，通过控制压电陶瓷材料的机械性变，产生精度很高的直线运动。压电驱动单元200在控制器700控制下用于产生吸管100在R方向上的精细机械运动。通过样品台500和第二机械装置在Z方向相互配合的机械运动，将样品中的预定位置和吸管100调整到同一水平面内后，样品台500以Z方向为轴以角度α为步长机械转动，使得样品中的预定位置移动到吸管100所处的垂直面内。然后通过第一机械装置在R方向的机械运动，使吸管100向样品中的预定位置运动，通过显微镜800观察，当吸管100到样品的距离小于预设的距离后，第一机械装置停止运动，吸管100在压电驱动单元200作用下移动到预定位置。
吸管100设置于压电驱动单元200上，用于活细胞或细胞内物质的精确注入和提取。吸管100刺透透气膜、水凝胶材料、活细胞的细胞膜时造成的损伤是可修复的，当吸管100撤离后，透气膜、水凝胶材料、活细胞的细胞膜能够自我修复。吸管100为可替换的微米吸管和纳米吸管。微米吸管内径为10微米至30微米，外径80微米至100微米，前端具有约10微米的开口，纳米吸管内径为30纳米至50纳米，外径80纳米至100纳米，前端具有约30纳米的开口。微米吸管或纳米吸管刺透透气膜后，不会造成细胞培养液的泄露。微米吸管用于将至少一个活细胞送入3D生物支架的预定位置，或将单个活细胞从3D生物支架的预定位置内抽取。纳米吸管用于单细胞原位微创活检，例如细胞内含物、DNA/RNA提取分析等。
图2a-2b为微米吸管向样品中注入细胞的示意图，如图2a-2b所示，微米吸管110通过气管111连接微气泵112,3D生物支架116浸没在细胞培养液115中并通过透气膜114封装，其中3D生物支架116具有多条孔道117，细胞培养液可以在孔道117内流动。当通过压电驱动单元200、第一机械装置、第二机械装置以及样品台500的机械运动使微米吸管110刺入所述样品的预定位置后，高精度的微气泵112在控制器700的控制下产生推气流，所述推气流将至少一个活细胞113从微米吸管110内部推入3D生物支架116上的预定位置。高精度的微气泵112还可以产生吸气流，用于将预定位置中的单个活细胞吸入微米吸管110。高精度的微气泵112的开启、关闭以及所述气流的方向受控制器700的控制。通过多次的细胞注入操作，可以实现不同类型细胞在3D生物支架116内的有序排列，供后续培养。
图3a-3b为纳米吸管从样品中抽取细胞质的示意图，如图3a-3b所示，纳米吸管120内设置有微电极121。样品台500设置有细导线，细导线的一端接地，另一端刺透透气膜123浸没在细胞培养液124中。通过控制微电极121的正向偏压大小和时间可以实现皮升容量的细胞内物质抽取。纳米吸管120刺透透气膜123后进入细胞培养液124，在微电极121上施加微小的正向偏压(50毫伏-100毫伏)，用于防止细胞培养液124流入纳米吸管120。在微电极121上施加的微小的正向偏压会在液面交集处产生了一个持续的离子电流，而当纳米吸管120的针尖碰到活组织125的细胞膜126后，所述离子电流会降低，此时在第一机械模块作用下纳米吸管120以约100微米/秒的速度迅速推进刺穿细胞膜126并浸入细胞质。当500毫伏的负电压加载在微电极121上时，将控制细胞内部的细胞质122流入纳米吸管102，然后在微电极121上施加100毫伏正电压，细胞内部的细胞质停止向纳米吸管120内流动。随后第一机械模块向远离样品方向机械运动，使纳米吸管120迅速移动脱离样品，这样便可以抽取微量的细胞质做进一步的生化分析。同理，当纳米吸管120推进刺穿细胞膜并浸入细胞质后，在微电极121上施加500毫伏的正电压，可以控制纳米吸管120中的物质从纳米吸管120流入细胞内部。
控制器700连接吸管100、压电驱动单元200、电机303、电机403以及样品台500。在图1a-1b中，控制器700与吸管100、压电驱动单元200、电机303、电机403以及样品台500之间的连线未示出。控制器700用于控制第一机械装置、第二机械装置、样品台500的机械运动以及控制压电驱动单元200产生的吸管100的机械运动。控制器700用于控制施加在微电极121上的电压以及监测流过微电极121的离子电流的大小，控制器700用于控制高精度的微气泵112的开启和关闭以及高精度的微气泵112所产生的气流的方向。在一个优选的实施例中，控制器700还具有图形用户界面，方便操作。
本发明提出了一种细胞注入和提取的微纳米吸管装置，通过灵活的三维机械运动，能够实现单个活细胞的注入和提取以及对单个活细胞进行细胞质的注入和提取。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种细胞注入和提取的微纳米吸管装置，包括：
基座；
吸管；
第一机械装置，设置于所述基座上，所述第一机械装置能够沿第一方向机械运动；
第二机械装置，设置于所述第一机械装置上，所述第二机械装置能够沿第二方向机械运动，所述第二方向垂直于所述第一方向；
压电驱动单元，设置于所述第二机械装置上，用于产生所述吸管沿第一方向的机械运动；
样品台，设置于所述基座上，用于放置样品，所述样品台可以以第二方向为轴机械转动，所述样品浸没在细胞培养液中并用光学透明的透气膜封装；
所述第一机械装置、所述第二机械装置、所述压电驱动单元的机械运动使得所述吸管刺透所述透气膜穿过所述细胞培养液后到达所述样品中的预定位置，
其中，所述第一机械装置在第一方向的机械运动使所述吸管向样品中的预定位置运动，当所述吸管到样品的距离小于预设距离时，所述第一机械装置停止运动，所述压电驱动单元在第一方向上的机械运动使所述吸管到达所述样品中的预定位置。
2.根据权利要求1所述的细胞注入和提取的微纳米吸管装置，其中，所述细胞注入和提取的微纳米吸管装置还包括显微镜，所述显微镜的物镜位于所述样品的正上方，所述显微镜用于观察所述吸管的位置。
3.根据权利要求1所述的细胞注入和提取的微纳米吸管装置，其中，所述细胞注入和提取的微纳米吸管装置还包括控制器，所述控制器用于控制所述样品台、所述压电驱动单元、所述第一机械装置、所述第二机械装置的机械运动。
4.根据权利要求1所述的细胞注入和提取的微纳米吸管装置，其中，所述样品台可以沿所述第二方向机械运动。
5.根据权利要求1所述的细胞注入和提取的微纳米吸管装置，其中，所述吸管为可替换的，所述吸管为微米吸管或纳米吸管。
6.根据权利要求5所述的细胞注入和提取的微纳米吸管装置，其中，所述微米吸管的内径为10微米至30微米，外径80微米至100微米，所述微米吸管的前端具有约10微米的开口；所述纳米吸管内径为30纳米至50纳米，外径80纳米至100纳米，所述纳米吸管的前端具有约30纳米的开口。
7.根据权利要求5所述的细胞注入和提取的微纳米吸管装置，其中，所述微米吸管的后端通过导管连接到微气泵，所述微气泵产生的推气流将至少一个细胞注入所述样品，所述微气泵产生的吸气流从所述样品中抽取至少一个细胞。
8.根据权利要求5所述的细胞注入和提取的微纳米吸管装置，其中，所述纳米吸管内设置有微电极，在所述微电极上施加偏压，从所述样品中抽取物质。
9.根据权利要求7所述的细胞注入和提取的微纳米吸管装置，其中，所述样品为通过3D打印生成的3D生物支架，所述3D生物支架的材料为水凝胶。
10.根据权利要求8所述的细胞注入和提取的微纳米吸管装置，其中，所述样品为活组织中的单个细胞，所述物质为细胞质或DNA或RNA。
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