CN105936876B - 水雾载体基因枪 - Google Patents

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Abstract

本发明属于基因导入技术领域，提供了一种水雾载体基因枪。本发明的包括：高频解离装置、压力驱动装置、电磁超声换能装置；所述高频解离装置用于将所述溶有DNA试剂的液体电解成离子状态；所述压力驱动装置用于将电解后的液体转换为水雾离子；所述电磁超声换能装置用于增加所述水雾离子的动能。本发明提供的水雾载体基因枪，产生附着有遗传物质DNA的高能量水雾离子，并喷射到目标细胞、组织和细胞器上，带有能量的水雾离子接触细胞后产生破膜破壁效果，细胞膜产生可恢复的孔洞，在此基础上，遗传物质DNA在水离子的运载下进入细胞内部；由于载体为水离子，因而不存在异物或化学残留的问题。

Description

水雾载体基因枪
技术领域
本发明涉及基因导入技术领域，具体涉及一种水雾载体基因枪。
背景技术
基因转染技术是一种将外源基因以在体(invivo)或离体(invitro)的方式导入到靶细胞核内的技术，属于基因工程技术(亦称重组DNA技术)的一个重要组成部分。基因转染技术使人类拥有了构造生物遗传物质新组合的能力。
传统的气体基因枪法是一种基因导入仪技术，它把遗传物质或其他物质附着于高速微弹直接射入细胞、组织和细胞器，是目前国际上最普遍的基因导入技术。气体基因枪以压缩气体(氦或氮)转换成的气体冲击波为动力，使气体基因枪产生一种“冷”的气体冲击波进入轰击室。气体基因枪可在广泛的细胞型中得到瞬时的、稳定的和高效率的转化作用。气体基因枪有一个产生冲击波的特殊结构，在恰当的气压范围内从3.5MPa-10MPa，具有相应不同的可破裂膜，将包覆DNA的粒子穿越，射入在轰击室底部的靶细胞中(最大靶直径50mm)。适用于动植物、细胞培养物、胚胎、细菌及小型动物的基因转染领域。
但是传统的气体基因枪存在以下一些问题：
1、某些基因枪内的高压气体需要抽真空，压缩机工作时噪音较大，此类过高气压推动微粒子轰击使得台式基因枪仅限于细胞转殖而不能用于活体转殖。基因枪的每枪轰击成本也很高，金粉与控制气压用的Rapture disk均造价较高。
2、活体动物的脏器相比于皮肤、肌肉要脆弱得多，高压气体冲击下器官会被严重破坏而导致实验失败。而过低的气体压力并不能令基因微载体具有足够的动量打入细胞内部。气体压力与粒子传递速度的矛盾成了气体基因枪发展的瓶颈。
3、本身具备高动量的生物粒子需借由微粒子载体(如金粒子)的携附方式转移至目标体中，造成靶细胞内异物残留问题。
4、气体基因枪“子弹”的制备需要烘干，流程繁琐。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供了水雾载体基因枪，可以有效解决传统压缩气体基因枪存在的问题。
本发明提供的水雾载体基因枪，包括：高频解离装置、压力驱动装置、电磁超声换能装置；所述高频解离装置用于将所述溶有DNA试剂的液体电解成离子状态；所述压力驱动装置用于将电解后的液体转换为水雾离子；所述电磁超声换能装置用于增加所述水雾离子的动能；由于载体为水离子，因而不存在异物或化学残留的问题。
本发明提供的水雾载体基因枪，产生附着有遗传物质DNA的高能量水雾离子，并喷射到目标细胞、组织和细胞器上，带有能量的水雾离子接触细胞后产生破膜破壁效果，细胞膜产生可恢复的孔洞，在此基础上，遗传物质DNA在水离子的运载下进入细胞内部。
优选地，所述高频解离装置包括高频脉冲电路和电解离管；所述高频脉冲电路用于将直流电压转换为高频交流电压输出；所述电解离管包括阳极和阴极，所述高频脉冲电路的一个输出端与所述阴极连接，所述高频脉冲电路的另一个输出端与所述阳极连接，所述电解离管用于在所述高频交流电压的作用下将所述溶有DNA试剂的液体电解成离子状态。
优选地，所述电解离管内部包括阳离子交换膜，所述阳离子交换膜用于隔开所述阴极和所述阳极。
优选地，所述阳极为钛电极，所述阴极为铁基销电极。
优选地，所述高频脉冲电路包括：差模干扰电路、过压保护电路、缓冲电路和开关电路；所述差模干扰电路并联在所述直流电压两端；所述过压保护电路并联在所述直流电压两端；所述开关电路的输入端通过所述缓冲电路并联在所述直流电源两端，所述开关电路的输出端输出所述高频交流电压。
优选地，所述电磁超声换能装置包括：静态磁场、线圈和导体；所述导体处于所述静态磁场内，所述线圈紧贴在所述导体表面，所述静态磁场的方向垂直于所述线圈所在的平面。
优选地，还包括控制电路，所述控制电路与所述线圈连接，所述控制电路用于调节所述线圈内的电流的参数。
优选地，所述线圈为加工成PCB板的回折线圈。
优选地，所述压力驱动装置包括电动水泵和控制驱动电路，所述控制驱动电路用于驱动所述电动水泵并控制所述电动水泵的转速，所述电动水泵用于将所述电解后的液体转换为水雾离子。
优选地，还包括储水装置，用于存储所述溶有DNA试剂的液体，所述储水装置通过水管与所述高频解离装置连接。
附图说明
图1示出了本发明实施例所提供的水雾载体基因枪的功能结构图；
图2示出了本发明实施例所提供的高频脉冲电路；
图3示出了本发明实施例所提供的压力驱动装置的硬件框图；
图4示出了本发明实施例所提供的电磁超声换能装置的结构示意图；
图5示出了本发明实施例所提供的回折线圈的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只是作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
本实施例发明提供的水雾载体基因枪，如图1所示，包括：高频解离装置1、压力驱动装置2、电磁超声换能装置3；高频解离装置1用于将溶有DNA试剂的液体电解成离子状态；压力驱动装置2用于将电解后的液体转换为水雾离子；电磁超声换能装置3用于增加水雾离子的动能。
本发明实施例提供的水雾载体基因枪，产生附着有遗传物质DNA的高能量水雾离子，并喷射到目标细胞、组织和细胞器上，带有能量的水雾离子接触细胞后产生破膜破壁效果，细胞膜产生可恢复的孔洞，在此基础上，遗传物质DNA在水离子的运载下进入；由于载体为水离子，因而不存在异物或化学残留的问题。
如图2所示，高频解离装置1包括高频脉冲电路和电解离管；高频脉冲电路用于将直流电压转换为高频交流电压输出；电解离管包括阳极和阴极，高频脉冲电路的一个输出端与阴极连接，高频脉冲电路的另一个输出端与阳极连接，电解离管用于在高频交流电压的作用下将溶有DNA试剂的液体电解成离子状态。
高频解离装置1采用高频脉冲电路与电解离管一体化设计。
高频脉冲电路包括：差模干扰电路、过压保护电路、缓冲电路和开关电路；差模干扰电路并联在直流电压两端；过压保护电路并联在直流电压两端；开关电路的输入端通过缓冲电路并联在直流电源两端，开关电路的输出端输出高频交流电压。高频脉冲电路本质上是电力电子变流器，其功率变换系统是由DC-AC变换器组成的变流系统，DC-AC拓扑结构为多级电平控制结构。
如图2所示，Uin为输入的直流电压，电压值为12V。R1、R3、C1、C2串联后接在输入两端，组成电路用来抑制差模干扰，R2、R3是压敏电阻，当输入过压时起到过压保护作用。L1、L2、L3、L4是缓冲电路的缓冲电感与C3、C4、C5、C6和R5、D1、R6、D2共同构成缓冲电路。G1～G8为三电平的开关器件IGBT，C7、C8分别跨接在两相桥臂中的一相，与通常采用的二极管箝位式逆变器相比，IGBT开关选择更为灵活。高频脉冲电路通过控制IGBT开关的时序实现两相交流输出，输出的高频交流电压作用于电解离管的阴极和阳极上，使电解离管内的水分子变成离子状态。
电解离管的质量和寿命取决于所用的电极，因此对电极的要求很高，一是导电性良好，二是惰性不参加化学反应。因此，发明实施例的电极的阳极采用钛电极，阴极采用铁基销电极。上述电极的价格比钴金属低很多，且效果较好，因此整体性价比很高。
为防止阴、阳两极产物混合，在电解离管中，采用有一定孔隙率的隔膜将阴、阳极室隔开，该隔膜能使离子通过，而不使分子或气体通过。当有电流流过时，隔膜的欧姆电压降要低，隔膜由惰性材料制作。本发明实施例采用阳离子交换膜隔开阴极和阳极，对目标水离子具有选择透过性，整体性能优越。阳离子交换膜可以看作是一种高分子电解质，其高分子母体是不溶解的，具有亲水性，由于阳离子交换膜带负电荷，在电解离管内通电，在电场作用下，带有正电荷的阳离子就可以通过阳离子交换膜，而阴离子因为同性排斥而不能通过，达到选择透过性的目的。
压力驱动装置2包括电动水泵和控制驱动电路，控制驱动电路用于驱动电动水泵并控制电动水泵的转速，电动水泵用于将电解后的液体转换为水雾离子，并给水雾离子提供初始动能。
如图3所示，本发明实施例中，电动水泵采用直流无刷电机；控制驱动电路包括微控制器、位置检测模块、三相桥驱动电路、触摸按键模块。微控制器作为系统控制的核心，负责处理系统数据，控制各模块协调工作；位置检测模块将无刷直流电机输出的5V霍尔信号经分压网络降为微控制器可接受的3.3V电平信号，同时对输出的霍尔信号进行滤波整形；三相桥驱动电路输出的PWM频率为20KHz，选择MOS管专用驱动芯片完成电机驱动；触摸按键模块用于接受用户的输入，实现转速设定，调整电机控制模式。
电磁超声换能装置3包括：静态磁场、线圈和导体；导体处于静态磁场内，线圈紧贴在导体表面，静态磁场的方向线垂直于圈所在的平面。具体结构如图4所示，当通线圈内通有高频大电流Ie时，导体表面会产生交变的感应电流Je，由于静态磁场的存在，与感应电流Je相互作用后产生交变洛仑兹力，作用于导体内部的带电粒子上。由于原子核的质量比电子大的多，因此原子核的位置不容易改变，这样原子核在交变洛仑兹力的作用下产生往复振动，当振动以一定方式传播出去就可产生振荡波能量。电磁超声换能装置3就是用上述方式产生的振荡波能量来增加水雾离子的动能，使其具有足够的能量穿透细胞壁。电磁超声换能装置3具有与媒质表面非接触、快速实现能量加载的优势。
其中，静态磁场可以采用磁铁产生，但不限于上述实现方式。
电磁超声换能装置3的线圈优选周期性的回折线圈，将回折线圈加工成PCB板，其形状如图5所示，这样得到的线圈的间距均匀，频率高。
线圈的间距、超声波频率、超声波速度和超声波传播方向存在以下关系：
其中，D为线圈的间距；f为超声波频率；V为超声波速度；θ为超声波声束传播角度(当垂直于导体表面传播时为0°，平行于导体表面传播时为90°)。取f为500KHz，查表知铁的切变波速度为3240m/s，取θ等于90°，算得间距D为0.7mm。
通过增加线圈的匝数，可以使信号成线性的增加。而且不影响信号峰的个数，容易得到较高的分辨率。由于工艺的限制和单匝线圈具有一定的线径，匝数的增加不可避免的会引起整个回路线圈直径的增加，进而会产生信号的相互抵消。因此经过多次试验，本发明实施例中选取的线圈层数为5，匝数为75，由内径为4.5mm，外径为7.5mm的空心铜管缠结而成；线圈总长度为150mm，平均直径为55mm，工作空间直径为30mm。
为了将电磁超声换能装置3的阻抗变换成最佳负载，使电磁超声换能装置3输出效率最高，电磁超声换能装置3还包括控制电路，控制电路与线圈连接，控制电路用于调节线圈内的电流的参数。线圈接收信号的大小与目标距离近似成指数规律衰减。通过控制电路增加线圈内的交变电流的脉冲频率，由于波形的叠加效果，可以使信号得到一定程度的增强，同时信号峰的个数会随之改变。因此，通过选取合适的脉冲频率，可以获得比较大的信号幅度，避免重叠，提高输出效率最高。通过相关实验，脉冲频率的范围在12～18khz时输出效率最高，尤其是脉冲频率为15khz时。
电磁超声换能装置3可根据转染目标对象的接受能力调节水雾离子的能量，具有快速、安全、高效和低成本等特点。
本发明实施例提供的水雾载体基因枪还包括储水装置，用于存储溶有DNA试剂的液体，储水装置通过水管与高频解离装置1连接，使用时，储水装置内的液体通过水管进入高频解离装置1。
为了使得水体基因枪具有便携的特点，本发明实施例的水雾载体基因枪采用磷酸铁锂电池作为提供能量的方式。
本发明实施例提供的水体基因枪还可用于杀菌清洁领域，电解后的水雾带有很高的能量，接触细胞后产生破膜破壁效果，以达到杀菌的效果。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (7)

1.一种水雾载体基因枪，其特征在于，包括：高频解离装置、压力驱动装置、电磁超声换能装置；
所述高频解离装置和所述压力驱动装置连接，所述压力驱动装置与所述电磁超声换能装置连接；
所述高频解离装置用于将溶有DNA试剂的液体电解成离子状态；
所述压力驱动装置用于将电解后的液体转换为水雾离子；
所述电磁超声换能装置用于增加所述水雾离子的动能；
其中，所述高频解离装置包括高频脉冲电路和电解离管；
所述高频脉冲电路用于将直流电压转换为高频交流电压输出；
所述电解离管包括阳极和阴极，所述高频脉冲电路的一个输出端与所述阴极连接，所述高频脉冲电路的另一个输出端与所述阳极连接，所述电解离管用于在所述高频交流电压的作用下将所述溶有DNA试剂的液体电解成离子状态；
所述压力驱动装置包括电动水泵和控制驱动电路，所述控制驱动电路用于驱动所述电动水泵并控制所述电动水泵的转速，所述电动水泵用于将所述电解后的液体转换为水雾离子；
所述电磁超声换能装置包括：静态磁场、线圈和导体；所述导体处于所述静态磁场内，所述线圈紧贴在所述导体表面，所述静态磁场的方向垂直于所述线圈所在的平面。
2.根据权利要求1所述的水雾载体基因枪，其特征在于，所述电解离管内部包括阳离子交换膜，所述阳离子交换膜用于隔开所述阴极和所述阳极。
3.根据权利要求1所述的水雾载体基因枪，其特征在于，所述阳极为钛电极，所述阴极为铁基销电极。
4.根据权利要求1所述的水雾载体基因枪，其特征在于，所述高频脉冲电路包括：差模干扰电路、过压保护电路、缓冲电路和开关电路；
所述差模干扰电路并联在所述直流电压两端；
所述过压保护电路并联在所述直流电压两端；
所述开关电路的输入端通过所述缓冲电路并联在所述直流电源两端，所述开关电路的输出端输出所述高频交流电压。
5.根据权利要求1所述的水雾载体基因枪，其特征在于，还包括控制电路，所述控制电路与所述线圈连接，所述控制电路用于调节所述线圈内的电流的参数。
6.根据权利要求1或5所述的水雾载体基因枪，其特征在于，所述线圈为加工成PCB板的回折线圈。
7.根据权利要求1所述的水雾载体基因枪，其特征在于，还包括储水装置，用于存储所述溶有DNA试剂的液体，所述储水装置通过水管与所述高频解离装置连接。
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