CN105441325B - 可调节细胞姿态的显微注射芯片、控制装置及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可调节细胞姿态的显微注射芯片、控制装置及工作方法，其中，本显微注射芯片包括：细胞姿态调整注射区域，且与该细胞姿态调整注射区域连通的细胞姿态调整流道组；即通过细胞姿态调整流道组所喷射的相应方向的流体，以调整位于细胞姿态调整注射区域中心轴处的待注射细胞的姿态。本发明的显微注射芯片、控制装置及工作方法提供了一种成本低廉，结构紧凑，操作方便，自动化程度相对较高的显微注射方案；并且克服了由于目前的显微注射装置在对细胞进行显微注射之前未调整其位置，造成细胞在显微注射之后成活率低的技术问题。

Description

可调节细胞姿态的显微注射芯片、控制装置及工作方法

技术领域

本发明属于细胞生物学研究技术领域，具体是一种用于显微注射的实验装置及操作方法。

背景技术

显微注射技术是在显微镜视野内将被注射细胞调整固定后，利用微注射针将外源基因物质注入细胞内的一种技术，是现代生物工程的重要技术手段之一，尤其是转基因、克隆和试管婴儿等细胞工程领域。与其他转基因技术相比，显微注射的优点是转基因效率稳定、注射基因大小不受限制、无需载体以及操作对象物特殊要求等，在濒危动物保护、生殖与健康、物种改良和细胞内核质研究中得到广泛应用。现有的显微注射装置，包括具有移动控制旋钮的移动部件，与移动部件相连的持针器和注射针、通过螺纹连接将持针器和注射针相连的压电陶瓷。这种装置虽然可以明显提高准确率，减少注射针对细胞膜的损伤，但是其也存在设备复杂，自动化程度不高等问题。而且，传统的细胞显微注射装置在对细胞进行显微注射之前，并没有将细胞调整到适合注射的“姿态”，这将大大降低显微注射之后细胞的成活率。虽然目前存在调整细胞姿态的装置，但其将细胞姿态调整好之后，注射时显微注射等设备和调整细胞姿态的设备发生干涉而无法完成显微注射。针对以上问题有必要提出进一步的解决方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种显微注射芯片，通过对待注射细胞的姿态进行调整，进而提高显微注射的成功率。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种显微注射芯片，包括：细胞姿态调整注射区域，且与该细胞姿态调整注射区域连通的细胞姿态调整流道组；即通过细胞姿态调整流道组所喷射的相应方向的流体，以调整位于细胞姿态调整注射区域中心轴处的待注射细胞的姿态。

进一步，所述显微注射芯片采用多层结构，即包括上层、中间层和下层；

所述细胞姿态调整注射区域呈圆柱形，且位于中间层内；

一对电极中的上电极、下电极组分别位于所述上层、下层，所述下电极组中心处垂直设有显微注射针；

通过对所述下电极组通电使位于待注射细胞在负介电泳力的作用下，悬浮移动至显微注射针的正上方；

所述细胞姿态调整注射区域的侧壁分别与细胞输入流道、细胞输出流道以及细胞姿态调整流道组相连通；以及

所述细胞姿态调整流道组中各细胞姿态调整流道的尺寸均小于细胞输入流道和细胞输出流道。

进一步，所述上层为透明材质，以适于拍摄细胞姿态调整注射区域内细胞姿态；以及

所述细胞姿态调整流道组包括：适于使细胞纵向旋转的第一细胞姿态调整流道，适于使细胞横向旋转的第二细胞姿态调整流道。

进一步，所述下电极组包括若干环形电极，各环形电极同心设置且嵌套间距相等；

各环形电极通电以在细胞姿态调整注射区域产生非均匀电场，待注射细胞在细胞姿态调整注射区域的液体中通过非均匀电场受到负介电泳力场的作用，悬浮移动至显微注射针的正上方后，所述下电极组失电，上电极得电，待注射细胞垂直向下移动，使显微注射针刺入细胞。

进一步，所述上层和下层均采用玻璃基片，中间层采用聚二甲基硅氧烷制成，且中间层的上、下表面分别与上层、下层键合紧密连接；

所述上电极位于上层玻璃基片的下表面，所述下电极组位于上层玻璃基片的上表面。

进一步，所述细胞输入流道包括：适于将待注射细胞送入显微注射芯片中的第一微流道，与第一微流道相交的第二微流道，且所述第二微流道与第一微流道相交形成相交区域，并通过该相交区域连通细胞姿态调整注射区域；

当待注射细胞由第一微流道流进所述相交区域后，通过第二微流道通入的流体将待注射细胞带入细胞姿态调整注射区域；

所述上层设有第一微流道的流入、流出口，第二微流道的流入口，第一、第二细胞姿态调整流道的流入口，以及细胞输出流道的流出口。

又一方面，在所述显微注射芯片的基础上，本发明还提供了一种适用于所述显微注射芯片的控制装置，以解决对显微注射芯片进行注射操作的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明还提供了一种适用于所述的显微注射芯片的控制装置。

所述控制装置包括：第一、第二微流泵，若干个分别用于连接各流入、流出口的微阀；所述第一微流泵适于通过相应微阀连接第一微流道的流入口和第二微流道的流入口；

所述第二微流泵适于通过相应微阀连接第一细胞姿态调整流道的流入口和第二细胞姿态调整流道的流入口；

各微阀和第一、第二微流泵的控制端分别与一处理器模块相连；

各微阀及第一、第二微流泵默认处于关闭状态；

所述处理器模块适于在控制第一微流泵以及第一微流道的流入、流出口的微阀打开，使待注射细胞流进相交区域后，控制第二微流道的流入口处的微阀及细胞输出流道的流出口的微阀打开，第一微流道的流入口处的微阀关闭，通过从第二微流道通入的流体将待注射细胞带入细胞姿态调整注射区域；

并且在待注射细胞带入细胞姿态调整注射区域后，关闭第二微流道的流入口处和细胞输出流道的流出口的微阀。

进一步，所述控制装置还包括：用于拍摄细胞姿态调整注射区域中细胞姿态的摄像装置，该摄像装置将细胞图像数据发送至处理器模块，与处理器模块相连的电极供电模块；所述电极供电模块通过相应供电输出端分别与下电极组的各供电输入端相连，以提供适于将待注射细胞悬浮移动至显微注射针正上方的电压及交流电流；以及

所述电极供电模块还通过另一供电输出端与上电极相连，且当待注射细胞悬浮移动至显微注射针正上方后；所述处理器模块适于根据细胞图像数据识别细胞当前姿态，并通过控制第二微流泵及相应微阀分别从第一细胞姿态调整流道的流入口或第二细胞姿态调整流道的流入口导入流体，调整待注射细胞姿态，以使待注射细胞上的第一极体远离显微注射针待注射位置；

随后，所述处理器模块控制电极供电模块使下电极组失电，上电极得电，迫使待注射细胞垂直向下移动，即显微注射针刺入细胞，完成显微注射。

第三方面，为了解决所述控制装置同样的技术问题，本发明还提供了一种显微注射芯片的控制装置的工作方法，该方法包括如下步骤：

步骤S1，将待注射细胞送入至显微注射芯片内的细胞姿态调整注射区域内；

步骤S2，通过细胞姿态调整注射区域内形成的非均匀电场，使待注射细胞悬浮移动至显微注射针正上方；

步骤S3，调整细胞姿态，以至待注射细胞上的第一极体远离显微注射针待注射位置；

步骤S4，通过细胞姿态调整注射区域内的向下作用的电场，使待注射细胞垂直向下移动，即显微注射针刺入细胞，完成显微注射。

进一步，所述控制装置包括：第一、第二微流泵，若干个分别用于连接各流入、流出口的微阀；

所述第一微流泵适于通过相应微阀连接第一微流道的流入口和第二微流道的流入口；

所述第二微流泵适于通过相应微阀连接第一细胞姿态调整流道的流入口和第二细胞姿态调整流道的流入口；

各微阀和第一、第二微流泵的控制端分别与一处理器模块相连；

所述步骤S1中将待注射细胞送入至显微注射芯片内的细胞姿态调整注射区域内的方法包括：所述处理器模块适于在控制第一微流泵以及第一微流道的流入、流出口的微阀打开，使待注射细胞流进相交区域后，控制第二微流道的流入口处的微阀及细胞输出流道的流出口的微阀打开，第一微流道的流入口处的微阀关闭，通过从第二微流道通入的流体将待注射细胞带入细胞姿态调整注射区域；

并且在待注射细胞带入细胞姿态调整注射区域后，关闭第二微流道的流入口处和细胞输出流道的流出口的微阀；

所述控制装置还包括：用于拍摄细胞姿态调整注射区域中细胞姿态的摄像装置，以及该摄像装置将细胞图像数据发送至处理器模块，与处理器模块相连的电极供电模块，且电极供电模块通过相应供电输出端分别与下电极组的各供电输入端相连，以提供适于将待注射细胞悬浮移动至显微注射针正上方的电压及交流电流；

所述电极供电模块还通过另一供电输出端与上电极相连；

所述步骤S3中调整细胞姿态，以至待注射细胞上的第一极体远离显微注射针待注射位置的方法包括：

当待注射细胞悬浮移动至显微注射针正上方后；

所述处理器模块适于根据细胞图像数据识别细胞当前姿态，并通过控制第二微流泵及相应微阀分别从第一细胞姿态调整流道的流入口或第二细胞姿态调整流道的流入口导入流体，调整细胞姿态，以至待注射细胞上的第一极体远离显微注射针待注射位置；

随后，所述处理器模块控制电极供电模块使下电极组失电，上电极得电，迫使待注射细胞垂直向下移动，即显微注射针刺入细胞，完成显微注射；

所述工作方法还包括：步骤S5，被注射细胞排出显微注射芯片；

所述步骤S5中被注射细胞排出显微注射芯片的方法包括：

当显微注射完毕，所述处理器模块控制电极供电模块使上电极失电，下电极组得电，使被注射细胞向上移动，以脱离显微注射针，并悬浮；

打开细胞输入流道、细胞输出流道的微阀，启动第一微流泵引入流体，使被注射细胞从流出口排出至培养皿。

本发明的有益效果是，本发明的显微注射芯片、控制装置及工作方法提供了一种成本低廉，结构紧凑，操作方便，自动化程度相对较高的显微注射方案；并克服了由于目前的显微注射装置在对细胞进行显微注射之前未调整其位置，造成细胞在显微注射之后成活率低的技术问题。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的显微注射芯片的整体结构示意图；

图2是本发明的显微注射芯片微流道结构示意图；

图3是本发明的显微注射芯片玻璃基板上电极结构示意图；

图4是本发明的显微注射芯片微流道俯视图；

图5是本发明的下电极组的俯视图；

图6是本发明的显微注射芯片二维装配示意图

图7是细胞受力示意图(图中，F1表示第一细胞姿态调整流道对待注射细胞姿态调整的方向，F2表示第二细胞姿态调整流道对待注射细胞姿态调整的方向)。

图中，上层100、中间层101、下层102、上电极501、下电极组502、显微注射针11，第一微流道的流入口1、第一微流道的流出口2、第二微流道的流入口3、第一细胞姿态调整流道的流入口4、第二细胞姿态调整流道的流入口5、细胞输出流道的流出口6、第一微流道10、第二微流道30、第一细胞姿态调整流道40、第二细胞姿态调整流道50、细胞输出流道60、细胞姿态调整注射区域70、供电输入端112。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

术语解释：

介电泳：也称双向电泳，是中性粒子在非匀强电场中受力并运动的现象。包含，传统介电泳、行波介电泳和电旋转介电泳。

聚二甲基硅氧烷：(Polydimethylsioxane)简称PDMS，是一种高分子有机硅化合物。具有光学透明，且在一般情况下，被认为是惰性，五毒，不易燃，具有很好的生物兼容性，可用于生物微机电中的微流道系统。

本发明的工作原理是：经研究，在单精子注射中，由于卵母细胞第一极体位于不同位置，对细胞成活率、受精卵质量及胚胎发育均有显著影响。通常实验要求第一极体远离注射针的操作位置，以降低对纺锤体等细胞器的伤害。本发明适于对细胞进行显微注射之前进行全方位调整其姿态，将大大提高进行显微操作后细胞的成活率。

实施例1

如图1所示，本发明提供了一种显微注射芯片，包括：细胞姿态调整注射区域，且与该细胞姿态调整注射区域连通的细胞姿态调整流道组；即通过细胞姿态调整流道组所喷射的相应方向的流体，以调整位于细胞姿态调整注射区域中心轴处的待注射细胞的姿态。

进一步，所述显微注射芯片采用多层结构，即包括上层100、中间层101和下层102；所述细胞姿态调整注射区域呈圆柱形，且位于中间层101内(所述细胞姿态调整注射区域在将中间层101看成是通孔)；一对电极中的上电极501、下电极组502分别位于所述上层100、下层102，所述下电极组502中心处垂直设有显微注射针11针；通过对所述下电极组502通电使位于待注射细胞在负介电泳力的作用下，悬浮移动至显微注射针11针的正上方；所述细胞姿态调整注射区域的侧壁分别与细胞输入流道、细胞输出流道以及细胞姿态调整流道组相连通；以及所述细胞姿态调整流道组中各细胞姿态调整流道的尺寸均小于细胞输入流道和细胞输出流道。

具体的，细胞输入流道包括：第一、第二微流道；所述细胞姿态调整流道组包括：第一、第二细胞姿态调整流道，假设待注射细胞近似球形，其直径设为d；所述第一、第二微流道及细胞输出流道的宽度均为D，且有d<D<2d，其深度均为H且有2d<H<3d；第一、第二细胞姿态调整流道宽度均为D的一半，第一细胞姿态调整流道的深度为D的三分之一，第二细胞姿态调整流道的深度为D的二分之一。这样待注射细胞可以一个一个依次通过相应微流道而不产生“并排”移动，方便后续操作。

所述上层100为透明材质，以适于拍摄细胞姿态调整注射区域内细胞姿态；以及所述细胞姿态调整流道组包括：适于使细胞纵向旋转的第一细胞姿态调整流道，适于使细胞横向旋转的第二细胞姿态调整流道。

所述下电极组502包括若干环形电极，各环形电极同心设置且嵌套间距相等；各环形电极通电以在细胞姿态调整注射区域产生非均匀电场，待注射细胞在细胞姿态调整注射区域的液体中通过非均匀电场受到负介电泳力场的作用，悬浮移动至显微注射针11针的正上方后，所述下电极组502失电，上电极501得电，待注射细胞垂直向下移动，使显微注射针11针刺入细胞。

所述上层100和下层102均采用玻璃基片，中间层101采用聚二甲基硅氧烷制成，且中间层101的上、下表面分别与上层100、下层102键合紧密连接；所述上电极501位于上层100玻璃基片的下表面，所述下电极组502位于上层100玻璃基片的上表面。通过采用聚二甲基硅氧烷将大大降低设备的复杂程度和设备成本，有利于推广。

所述细胞输入流道包括：适于将待注射细胞送入显微注射芯片中的第一微流道，与第一微流道相交的第二微流道，且所述第二微流道与第一微流道相交形成相交区域，并通过该相交区域连通细胞姿态调整注射区域；当待注射细胞由第一微流道流进所述相交区域后，通过第二微流道通入的流体将待注射细胞带入细胞姿态调整注射区域；所述上层100设有第一微流道的流入、流出口，第二微流道的流入口，第一、第二细胞姿态调整流道的流入口，以及细胞输出流道的流出口。

实施例2

在实施例1基础上，本发明还提供了一种适用于所述的显微注射芯片的控制装置，所述控制装置包括：第一、第二微流泵，若干个分别用于连接各流入、流出口的微阀；所述第一微流泵适于通过相应微阀连接第一微流道的流入口和第二微流道的流入口；所述第二微流泵适于通过相应微阀连接第一细胞姿态调整流道的流入口和第二细胞姿态调整流道的流入口；各微阀和第一、第二微流泵的控制端分别与一处理器模块相连；各微阀及第一、第二微流泵默认处于关闭状态；所述处理器模块适于在控制第一微流泵以及第一微流道的流入、流出口的微阀打开，使待注射细胞流进相交区域后，控制第二微流道的流入口处的微阀及细胞输出流道的流出口的微阀打开，第一微流道的流入口处的微阀关闭，通过从第二微流道通入的流体将待注射细胞带入细胞姿态调整注射区域；并且在待注射细胞带入细胞姿态调整注射区域后，关闭第二微流道的流入口处和细胞输出流道的流出口的微阀。

所述处理器模块例如但不限于采用CPLD、DSP等处理器芯片。

所述控制装置还包括：用于拍摄细胞姿态调整注射区域中细胞姿态的摄像装置，该摄像装置将细胞图像数据发送至处理器模块，与处理器模块相连的电极供电模块；所述电极供电模块通过相应供电输出端分别与下电极组502的各供电输入端112相连，以提供适于将待注射细胞悬浮移动至显微注射针11针正上方的电压及交流电流；以及所述电极供电模块还通过另一供电输出端与上电极501相连，且当待注射细胞悬浮移动至显微注射针11针正上方后；所述处理器模块适于根据细胞图像数据识别细胞当前姿态，并通过控制第二微流泵及相应微阀分别从第一细胞姿态调整流道的流入口或第二细胞姿态调整流道的流入口导入流体，调整待注射细胞姿态，以使待注射细胞上的第一极体远离显微注射针11针待注射位置；随后，所述处理器模块控制电极供电模块使下电极组502失电，上电极501得电，迫使待注射细胞垂直向下移动，即显微注射针11针刺入细胞，完成显微注射针11。

具体操作方法如下：

首先，采用电极供电模块，例如但不限于采用可产生频率可变正弦波或方波信号的发生器对电极施加电信号后，使得细胞姿态调整注射区域内产生非均匀电场，进而使得悬浮于其中的待注射细胞受到介电泳力场的作用。

然后，根据待注射细胞此时的初步运动趋势(比如向着竖直正方向或竖直负方向)，其中，运动趋势可以通过摄像装置获取，并与预期的待注射细胞运动方向和目标位置对比，对信号频率和电压进行相应的反馈式调节，即通过控制信号发生器产生的信号频率和电压间接控制其产生的介电泳力的大小和方向，从而使细胞快速靠近显微注射针11针所在的细胞姿态调整注射区域中心。

接着，与细胞姿态调整注射区域相连通的其他微流道喷射出细胞培养液，推动细胞姿态调整注射区域内的流体运动形成“漩涡”，“漩涡”带动细胞运动，同时可利用底部电极产生的旋转介电泳力场对漩涡扭矩进行大小和方向调节，即对细胞进行全向姿态调节，调整好姿态的待注射细胞此时位于细胞姿态调整注射区域中心且离其底部的距离大于显微注射针11针的长度。

最后，将上电极501接通电信号，调节至合适频率，使其产生的非匀强电场驱动细胞沿垂直方向向下移动，进而使细胞“自己”撞上显微注射针11针从而完成显微注射针11操作。由于显微注射针11针固定，因此，本发明专利无需位移分辨精度很高的机电装置持显微注射针11针进行精确定位以寻找细胞或细胞表面特定位置。

在被显微注射针11细胞的量不多的情况下，操作者可以逐个进行注射，当细胞移动到显微注射针11的细胞姿态调整注射区域后，根据摄像装置例如但不限于包括倒置显微镜、CCD相机等设备观察到的细胞“姿态”图像，利用“旋流”和旋转介电泳效应将细胞调整到合适的姿态在进行显微注射针11操作，这样可以提高细胞显微注射针11后的成活率。当需要批量注射时，根据细胞通过每段路程的时间，结合每个流道通断的逻辑关系，记录一个细胞完成显微注射针11的全过程。通过处理器模块控制每个流道上电磁阀的通断、微流泵的通断及通断时间、电极上的电流频率及电压等信号来间接控制细胞的运动状态，如此往复循环直到所有的细胞完成显微注射针11操作，即可实现全自动化操作。

实施例3

在实施例1和实施例2基础上，本发明还提供了一种显微注射芯片的控制装置的工作方法，包括如下步骤：

步骤S1，将细胞送入至显微注射芯片内的细胞姿态调整注射区域内；

步骤S2，通过细胞姿态调整注射区域内形成的非均匀电场，使待注射细胞悬浮移动至显微注射针11针正上方；

步骤S3，调整细胞姿态，以至待注射细胞上的第一极体远离显微注射针11针待注射位置；

步骤S4，通过细胞姿态调整注射区域内的向下作用的电场，使待注射细胞垂直向下移动，即显微注射针11针刺入细胞，完成显微注射针11。

所述控制装置包括：第一、第二微流泵，若干个分别用于连接各流入、流出口的微阀；

所述第一微流泵适于通过相应微阀连接第一微流道的流入口和第二微流道的流入口；

所述第二微流泵适于通过相应微阀连接第一细胞姿态调整流道的流入口和第二细胞姿态调整流道的流入口；

各微阀和第一、第二微流泵的控制端分别与一处理器模块相连；

所述步骤S1中将细胞送入至显微注射芯片内的细胞姿态调整注射区域内的方法包括：所述处理器模块适于在控制第一微流泵以及第一微流道的流入、流出口的微阀打开，使待注射细胞流进相交区域后，控制第二微流道的流入口处的微阀及细胞输出流道的流出口的微阀打开，第一微流道的流入口处的微阀关闭，通过从第二微流道通入的流体将待注射细胞带入细胞姿态调整注射区域；

并且在待注射细胞带入细胞姿态调整注射区域后，关闭第二微流道的流入口处和细胞输出流道的流出口的微阀；

所述控制装置还包括：用于拍摄细胞姿态调整注射区域中细胞姿态的摄像装置，以及该摄像装置将细胞图像数据发送至处理器模块，与处理器模块相连的电极供电模块，且电极供电模块通过相应供电输出端分别与下电极组502的各供电输入端112相连，以提供适于将待注射细胞悬浮移动至显微注射针11针正上方的电压及交流电流；

所述电极供电模块还通过另一供电输出端与上电极501相连；

所述步骤S3中调整细胞姿态，以至待注射细胞上的第一极体远离显微注射针11针待注射位置的方法包括：

当待注射细胞悬浮移动至显微注射针11针正上方后；所述处理器模块适于根据细胞图像数据识别细胞当前姿态，并通过控制第二微流泵及相应微阀分别从第一细胞姿态调整流道的流入口或第二细胞姿态调整流道的流入口导入流体，调整细胞姿态，以至待注射细胞上的第一极体远离显微注射针11针待注射位置；

随后，所述处理器模块控制电极供电模块使下电极组502失电，上电极501得电，迫使待注射细胞垂直向下移动，即显微注射针11针刺入细胞，完成显微注射针11；

所述工作方法还包括：步骤S5，被注射细胞排出显微注射芯片；

所述步骤S5中被注射细胞排出显微注射芯片的方法包括：

当显微注射针11完毕，所述处理器模块控制电极供电模块使上电极501失电，下电极组502得电，使被注射细胞向上移动，以脱离显微注射针11针，并悬浮；打开细胞输入流道、细胞输出流道的微阀，启动第一微流泵引入流体，使被注射细胞从流出口排出至培养皿。

实施4

通过实施例4对实施例1、实施例2和实施例3的技术方案进行详细说明。

基于实施例1的芯片结构，在被显微注射针11细胞的量不多的情况下，第一微流泵将载有待显微注射针11的细胞培养液通过第一微流道的流入口注入进芯片，此时第一微流道的流出口和细胞输出流道的流出口分别通过与不同的细胞培养皿连通(与其连接的微阀处于连通状态)，在第一微流泵通过第一微流道的流入口持续注入培养液的过程中待注射细胞在第一微流道中跟随培养液移动，当待注射细胞到达流道的“十字路口”(相交区域)时，与第一微流道连接的微阀关闭，此时该细胞也停留在微流道的“十字路口”(相交区域)，接通与第一微流道的流入口所连接的微阀，闭合与第一微流道的流出口连接的微阀，则从第二微流道导入的流体将待注射细胞带动至细胞姿态调整注射区域处，当细胞靠近下电极组502时对其施加特定电压和频率的交流电压，同时关闭与第二微流道的流入口连接的微阀，则待注射细胞将会在负介电泳力的作用下悬浮到一定高度(大于显微注射针11针的长度)并以持续翻转运动的状态向细胞姿态调整注射区域的中心轴处(也是下电极组502)移动，并悬浮在显微注射针11针11的正上方。此时通过摄像装置观察细胞的姿态(细胞的姿态识别和调整可以根据自动图像识别或者手动调整来实现)，如果待注射细胞此时的姿态不适合显微注射针11，如在单精子注射中卵母细胞第一极体正对显微注射针11针，则可以接通与第一细胞姿态调整流道的流入口所连接的微阀，从第一细胞姿态调整流道导入的流体在细胞姿态调整注射区域内逆时针(也可以顺时针)方向流动，带动细胞逆时针方向转动(也可以顺时针方向转动)；也可以接通与第一细胞姿态调整流道的流入口所连接的微阀，同时接通与第二细胞姿态调整流道的流入口所连接的微阀，当有流体从第二细胞姿态调整流道导入时，待注射细胞可以在垂直于纸面纵向平面内转动；还可以调整下电极组502上的信号的参数使细胞在垂直于纸面横向平面内转动。分别调整待注射细胞横向或纵向转动，即可把待注射细胞调整到适合注射的姿态。当调整好待注射细胞的姿态后，将下电极组502断电，对上电极501通以直流电，在该电极产生的非匀强电场力的作用下，待注射细胞垂直向下运动直到显微注射针11针刺入细胞，此时即可通过显微注射针11针将待注射的物质注入细胞内。完成显微注射针11操作后，上电极501断电，下电极组502通电，使得细胞将在下电极组502产生的负介电泳力的作用下上升，脱离显微注射针11针，当细胞重力与介电泳力相等时细胞达到平衡位置，此时接通第二微流道上的微阀，闭合第二微流道的流出口和第一、第二细胞姿态调整流道的流入口上的微阀，接通细胞输出流道的流出口上的微阀，使以完成注射的细胞在从第二微流道的流入口导入的流体的作用力下偏离中心位置，将下电极组502断电并持续通过第二微流道向芯片内注入培养液，最终细胞会被导入的流体通过细胞输出流道驱动到指定的培养皿。若继续注射其他细胞时，按上述过程循环操作。

当要批量注射时，为提高效率不再调整细胞姿态，但可以实现全自动化。与上类似，当细胞由第一微流道的流入口随第一微流道中的流体运动到“十字路口”(相交区域)时，关闭与第一微流道的流入口和第一微流道的流出口连接的微阀，接通与第二微流道的流入口和第一细胞姿态调整流道的流入口连接的微阀，有第二微流道喷出的流体驱动细胞向细胞姿态调整注射区域移动，当细胞运动到电极附近时，关闭与第二微流道的流入口连接的微阀，与此同时采用可产生频率可变正弦波或方波信号的信号发生器对下电极组502施加电信号，使得细胞姿态调整注射区域内产生非均匀电场，进而使得悬浮于其中的细胞受到介电泳力场的作用，细胞在负介电泳力，行波介电泳力和旋转介电泳力的作用下“翻转”着向电极中心移动(也是显微注射针11针所在的细胞姿态调整注射区域)；并且在调整细胞姿态后，所述上电极501接通电信号，调节至合适频率，使其产生的非匀强电场驱动细胞沿垂直方向向下移动，进而使细胞“自己”撞上显微注射针11针从而完成显微注射针11操作。完成显微注射针11操作后，上电极501断电，下电极组502通电，使得细胞将在下电极组502产生的负介电泳力的作用下上升，脱离显微注射针11针，当细胞重力与介电泳力相等时细胞达到平衡位置，此时接通第二微流道的流入口上的微阀，闭合第一微流道的流出口和第一、第二细胞姿态调整流道的流入口上的微阀，接通细胞输出流道的流出口上的微阀，使细胞在从第一微流道导入的流体的作用力下偏离中心位置，将下电极组502断电并持续通过微第二微流道向芯片内注入培养液，最终细胞会被移动的流体通过细胞输出流道驱动到指定的培养皿。在批量显微注射针11的情况下，与第一、第二细胞姿态调整流道的流入口上的微阀始终处于关闭状态。因此，无需人工反馈来调节参数，而且每一个步骤都有着严格的先后顺序和逻辑关系。按照上述注射一个细胞的过程编写控制各个微阀开闭和电极通断的专用控制程序，根据每个微阀和电极通断的逻辑和时序关系描述对一个细胞进行显微注射针11的全过程，设立循环操作，即可完成自动化操作。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (8)

1.一种显微注射芯片，其特征在于，包括：细胞姿态调整注射区域，且与该细胞姿态调整注射区域连通的细胞姿态调整流道组；即

通过细胞姿态调整流道组所喷射的相应方向的流体，以调整位于细胞姿态调整注射区域中心轴处的待注射细胞的姿态；

所述显微注射芯片采用多层结构，即包括上层、中间层和下层；

所述细胞姿态调整注射区域呈圆柱形，且位于中间层内；

一对电极中的上电极、下电极组分别位于所述上层、下层，所述下电极组中心处垂直设有显微注射针；

通过对所述下电极组通电使位于待注射细胞在负介电泳力的作用下，悬浮移动至显微注射针的正上方；

所述细胞姿态调整注射区域的侧壁分别与细胞输入流道、细胞输出流道以及细胞姿态调整流道组相连通；以及

所述细胞姿态调整流道组中各细胞姿态调整流道的尺寸均小于细胞输入流道和细胞输出流道。

2.根据权利要求1所述的显微注射芯片，其特征在于，所述上层为透明材质，以适于拍摄细胞姿态调整注射区域内细胞姿态；以及

所述细胞姿态调整流道组包括：适于使细胞纵向旋转的第一细胞姿态调整流道，适于使细胞横向旋转的第二细胞姿态调整流道。

3.根据权利要求2所述的显微注射芯片，其特征在于，所述下电极组包括若干环形电极，各环形电极同心设置且嵌套间距相等；

各环形电极通电以在细胞姿态调整注射区域产生非均匀电场，待注射细胞在细胞姿态调整注射区域的液体中通过非均匀电场受到负介电泳力场的作用，悬浮移动至显微注射针的正上方后，所述下电极组失电，上电极得电，待注射细胞垂直向下移动，使显微注射针刺入细胞。

4.根据权利要求3所述的显微注射芯片，其特征在于，所述上层和下层均采用玻璃基片，中间层采用聚二甲基硅氧烷制成，且中间层的上、下表面分别与上层、下层键合紧密连接；

所述上电极位于上层玻璃基片的下表面，所述下电极组位于上层玻璃基片的上表面。

5.根据权利要求4所述的显微注射芯片，其特征在于，所述细胞输入流道包括：适于将待注射细胞送入显微注射芯片中的第一微流道，与第一微流道相交的第二微流道，且所述第二微流道与第一微流道相交形成相交区域，并通过该相交区域连通细胞姿态调整注射区域；

当待注射细胞由第一微流道流进所述相交区域后，通过第二微流道通入的流体将待注射细胞带入细胞姿态调整注射区域；

所述上层设有第一微流道的流入、流出口，第二微流道的流入口，第一、第二细胞姿态调整流道的流入口，以及细胞输出流道的流出口。

6.一种适用于如权利要求5所述的显微注射芯片的控制装置，其特征在于，

所述控制装置包括：第一、第二微流泵，若干个分别用于连接各流入、流出口的微阀；

所述第一微流泵适于通过相应微阀连接第一微流道的流入口和第二微流道的流入口；

所述第二微流泵适于通过相应微阀连接第一细胞姿态调整流道的流入口和第二细胞姿态调整流道的流入口；

各微阀和第一、第二微流泵的控制端分别与一处理器模块相连；

各微阀及第一、第二微流泵默认处于关闭状态；

所述处理器模块适于在控制第一微流泵以及第一微流道的流入、流出口的微阀打开，使待注射细胞流进相交区域后，控制第二微流道的流入口处的微阀及细胞输出流道的流出口的微阀打开，第一微流道的流入口处的微阀关闭，通过从第二微流道通入的流体将待注射细胞带入细胞姿态调整注射区域；

并且在待注射细胞带入细胞姿态调整注射区域后，关闭第二微流道的流入口处和细胞输出流道的流出口的微阀。

7.根据权利要求6所述的控制装置，其特征在于，

所述控制装置还包括：用于拍摄细胞姿态调整注射区域中细胞姿态的摄像装置，该摄像装置将细胞图像数据发送至处理器模块，与处理器模块相连的电极供电模块；所述电极供电模块通过相应供电输出端分别与下电极组的各供电输入端相连，以提供适于将待注射细胞悬浮移动至显微注射针正上方的电压及交流电流；以及

所述电极供电模块还通过另一供电输出端与上电极相连，且当待注射细胞悬浮移动至显微注射针正上方后；所述处理器模块适于根据细胞图像数据识别细胞当前姿态，并通过控制第二微流泵及相应微阀分别从第一细胞姿态调整流道的流入口或第二细胞姿态调整流道的流入口导入流体，调整待注射细胞姿态，以使待注射细胞上的第一极体远离显微注射针待注射位置；

随后，所述处理器模块控制电极供电模块使下电极组失电，上电极得电，迫使待注射细胞垂直向下移动，即显微注射针刺入细胞，完成显微注射。

8.一种显微注射芯片的控制装置的工作方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1，将待注射细胞送入至显微注射芯片内的细胞姿态调整注射区域内；

步骤S2，通过细胞姿态调整注射区域内形成的非均匀电场，使待注射细胞悬浮移动至显微注射针正上方；

步骤S3，调整细胞姿态，以至待注射细胞上的第一极体远离显微注射针待注射位置；

步骤S4，通过细胞姿态调整注射区域内的向下作用的电场，使待注射细胞垂直向下移动，即显微注射针刺入细胞，完成显微注射；

所述控制装置包括：第一、第二微流泵，若干个分别用于连接各流入、流出口的微阀；

所述第一微流泵适于通过相应微阀连接第一微流道的流入口和第二微流道的流入口；

所述第二微流泵适于通过相应微阀连接第一细胞姿态调整流道的流入口和第二细胞姿态调整流道的流入口；

各微阀和第一、第二微流泵的控制端分别与一处理器模块相连；

所述步骤S1中将待注射细胞送入至显微注射芯片内的细胞姿态调整注射区域内的方法包括：所述处理器模块适于在控制第一微流泵以及第一微流道的流入、流出口的微阀打开，使待注射细胞流进相交区域后，控制第二微流道的流入口处的微阀及细胞输出流道的流出口的微阀打开，第一微流道的流入口处的微阀关闭，通过从第二微流道通入的流体将待注射细胞带入细胞姿态调整注射区域；

并且在待注射细胞带入细胞姿态调整注射区域后，关闭第二微流道的流入口处和细胞输出流道的流出口的微阀；

所述控制装置还包括：用于拍摄细胞姿态调整注射区域中细胞姿态的摄像装置，以及该摄像装置将细胞图像数据发送至处理器模块，与处理器模块相连的电极供电模块，且电极供电模块通过相应供电输出端分别与下电极组的各供电输入端相连，以提供适于将待注射细胞悬浮移动至显微注射针正上方的电压及交流电流；

所述电极供电模块还通过另一供电输出端与上电极相连；

所述步骤S3中调整细胞姿态，以至待注射细胞上的第一极体远离显微注射针待注射位置的方法包括：

当待注射细胞悬浮移动至显微注射针正上方后；

所述处理器模块适于根据细胞图像数据识别细胞当前姿态，并通过控制第二微流泵及相应微阀分别从第一细胞姿态调整流道的流入口或第二细胞姿态调整流道的流入口导入流体，调整细胞姿态，以至待注射细胞上的第一极体远离显微注射针待注射位置；

随后，所述处理器模块控制电极供电模块使下电极组失电，上电极得电，迫使待注射细胞垂直向下移动，即显微注射针刺入细胞，完成显微注射；

所述工作方法还包括：步骤S5，被注射细胞排出显微注射芯片；

所述步骤S5中被注射细胞排出显微注射芯片的方法包括：

当显微注射完毕，所述处理器模块控制电极供电模块使上电极失电，下电极组得电，使被注射细胞向上移动，以脱离显微注射针，并悬浮；

打开细胞输入流道、细胞输出流道的微阀，启动第一微流泵引入流体，使被注射细胞从流出口排出至培养皿。