CN108410690A - 一种用于卵细胞显微注射的操作系统及方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种用于卵细胞显微注射的操作系统，利用振动机构的振动带动置入水中的玻璃针高速旋转从而在水中引起涡流，进而对卵细胞进行移动和旋转，最终达到卵细胞注射的目的；对比已有的利用微操作机械手操作卵细胞的系统，本申请不与卵细胞进行机械接触，避免了对卵细胞的直接或间接的损害，且玻璃针末端可在原位对卵细胞进行连续的旋转，易于将卵细胞控制在视野范围内，便于观察；对比已有的在微流控芯片内操作卵细胞的系统，本申请不受操作任务和卵细胞大小的限制，操作灵活性强。

Description

一种用于卵细胞显微注射的操作系统及方法

技术领域

本发明属于微纳操作技术领域，尤其涉及一种用于卵细胞显微注射的操作系统及方法。

背景技术

细胞显微注射是单细胞分析的重要组成部分，是向细胞内传递基因的一种基本方式，克隆、转基因技术等都需要用到细胞注射。其中细胞移动和细胞旋转是细胞显微注射中最重要和最基础的操作，在将细胞移动到确定位置前后需要对其进行多自由度旋转和定向，以调整姿态来适应注射位置的需求。尤其是对于卵细胞，其细胞核位于细胞的边缘位置，不对称分布，所以在细胞注射过程中需要将其重新定位到显微镜焦平面的可观察位置。因此移动和旋转技术在卵细胞的注射操作中起着重要的作用，寻找一种在微尺度范围内简单、高效、连续的微操作方法至关重要。

用于卵细胞的微操作技术一般分为有接触式和无接触式。有接触式微操作在单卵细胞操作方面已经应用已久，主要利用多自由度微操作机械手实现在微观范围内对卵细胞的机械接触，可以对卵细胞提供一个大的驱动力，并实现准确控制。这种操作方式一般要通过显微镜来获得图像，但显微镜的视野极为有限，末端执行器在旋转时很容易移出视野，所以只适合三自由度的平移运动和小范围的旋转运动，操作灵活性差。而且这种方式要实现对末端执行器和卵细胞精确的运动控制需要复杂的机械结构，直接接触还会对卵细胞造成一定的机械损害。此外，微操作机械手与卵细胞之间的直接接触会产生粘附力，从而增加对卵细胞有效释放的难度。非接触式微操作可以避免这些弊端，但是利用磁场、电场、光等方式对卵细胞进行的操作，会因为操作介质的原因限制这些方法的应用，造成对生物物体的潜在损害。另外现在流行的微流控芯片对卵细胞的微操作，通常用流体充当介质，并提供一个非接触式显微操作环境。流场在通道内提供驱动力，它不会对卵细胞造成任何额外的损害，在生物显微操作中显示出巨大的潜力。然而，传统的细胞注射方式虽然也能实现卵细胞的旋转，但不能实现连续旋转，且会造成对卵细胞的机械损伤。

综上所述，目前现有的微操作技术已经越来越不能满足于卵细胞显微注射的需求。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种用于卵细胞显微注射的操作系统及方法，通过玻璃针的振动使水中形成涡流，从而带动卵细胞移动和/或旋转，进而对卵细胞进行注射，有效解决接触式微操作运动控制的复杂性、直接接触对于卵细胞造成损害的问题。

一种用于卵细胞显微注射的操作系统，包括微纳操作装置和细胞吸附装置10；

所述微纳操作装置包括三坐标操作平台1、手动平台2、金属棒3、振动机构4以及玻璃针6；所述金属棒3一端固定在手动平台2上，另一端与振动机构4相连；所述玻璃针6与振动机构4远离金属棒3的一端连接，且玻璃针6的针尖置于水滴7中；

所述手动平台2固定在三坐标操作平台1上，其中三坐标操作平台1用于调节手动平台2的位置；

所述振动机构4用于产生振动，使玻璃针6的针尖振动轨迹为圆形；

所述玻璃针6用于通过自身振动使水滴7中形成涡流，从而带动位于水滴7中的卵细胞8进行移动和旋转，并用于注射卵细胞8；

所述细胞吸附装置10用于在玻璃针6对卵细胞8进行注射时固定卵细胞8。

可选地，所述金属棒3和玻璃针6分别垂直连接在振动机构4的两端。

可选地，所述振动机构4包括压电致动器和压电驱动器；

所述金属棒3和玻璃针6分别连接在压电致动器的两端；所述压电驱动器用于给压电致动器输入正弦电压信号，使压电致动器产生振动。

可选地，一种用于卵细胞显微注射的操作系统，还包括金属连接件5，所述玻璃针6通过金属连接件5与振动机构4连接。

一种用于卵细胞显微注射的操作方法，应用与一种用于卵细胞显微注射的操作系统，包括以下步骤：

将卵细胞8放入水滴7中，并将包含卵细胞8的水滴7通过载玻片置于显微镜的视野中；

调节手动平台2，将玻璃针6的针尖置入水滴7，其中所述针尖不接触卵细胞8；

使振动机构4产生振动，从而带动玻璃针6的针尖进行圆周振动，进而在玻璃针6的针尖周围产生涡流，则所述涡流带动卵细胞8旋转；

调节三坐标操作平台1，使玻璃针6产生位移，从而改变所述涡流的位置，进而由涡流带动卵细胞8移动；

当卵细胞8移动和旋转到所需位置后，通过细胞吸附装置10固定卵细胞8；

通过玻璃针6对卵细胞8进行注射。

可选地，所述金属棒3和玻璃针6分别垂直连接在振动机构4的两端。

可选地，所述玻璃针6通过金属连接件5与振动机构4连接。

可选地，所述振动机构4包括压电致动器和压电驱动器，则使振动机构4产生振动包括：

通过压电驱动器给压电致动器输入正弦电压信号，使压电致动器产生振动。

有益效果：

本申请提供一种用于卵细胞显微注射的操作系统，利用振动机构的振动带动置入水中的玻璃针高速旋转从而在水中引起涡流，进而对卵细胞进行移动和旋转，最终达到卵细胞注射的目的；对比已有的利用微操作机械手操作卵细胞的系统，本申请不与卵细胞进行机械接触，避免了对卵细胞的直接或间接的损害，且玻璃针末端可在原位对卵细胞进行连续的旋转，易于将卵细胞控制在视野范围内，便于观察；对比已有的在微流控芯片内操作卵细胞的系统，本申请不受操作任务和卵细胞大小的限制，操作灵活性强；而且通过振动的玻璃针注射卵细胞，能够减小卵细胞的创伤；

本申请能够有效解决接触式微操作运动控制复杂性的问题、直接接触对于卵细胞造成的损害的问题、非接触式微操作方式中由介质导致对卵细胞造成潜在损害的问题以及微流控芯片方式的灵活性差的问题，本申请提供的基于非接触微操作的操作系统，在卵细胞移动和卵细胞旋转操作中显示了很强的优越性和巨大的潜力，为卵细胞显微注射提供的新的方向。

附图说明

图1为本申请实施例提供的一种用于卵细胞显微注射的操作系统的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种卵细胞注射示意图；

图3为本申请实施例提供的一种用于卵细胞显微注射的操作系统移动卵细胞的原理示意图；

图4为本申请实施例提供的一种用于卵细胞显微注射的操作系统旋转卵细胞的原理示意图；

图5为本申请实施例提供的一种用于卵细胞显微注射的操作方法的流程图；

图6为本申请实施例提供的一种玻璃针与卵细胞的相对位置示意图；

1-三坐标操作平台、2-手动平台、3-金属棒、4-振动机构、5-金属连接件、6-玻璃针、7-水滴、8-卵细胞、9-载玻片，10-细胞吸附装置，11-极体。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例一

参见图1，该图为本申请实施例提供的一种用于卵细胞显微注射的操作系统的结构示意图。

一种用于卵细胞显微注射的操作系统，包括微纳操作装置和细胞吸附装置；

所述微纳操作装置包括三坐标操作平台1、手动平台2、金属棒3、振动机构4、金属连接件5以及玻璃针6；所述手动平台2固定在三坐标操作平台1上，其中三坐标操作平台1用于调节手动平台2的位置；所述金属棒3一端固定在手动平台2上，另一端与振动机构4垂直相连；所述玻璃针6通过金属连接件5与振动机构4远离金属棒3的一端垂直连接，且玻璃针6的针尖置于水滴7中。

需要说明的是，三坐标操作平台1可以固定在水平面上。其中，三坐标操作平台1作为整个微纳操作装置的支撑，还用于粗略调节微纳操作装置整体的工作位置，例如可以根据显微镜所在位置任意移动；且三坐标操作平台1的三个方向上都安装有电机，则可以调节手动平台2的位置，以此实现玻璃针6的平移。此外，由于金属棒3、振动机构4以及玻璃针6通过连接形成了一个整体，而金属棒3又固定在手动平台2上，因此手动平台2可以用于对玻璃针6的位置进行方向及位姿调节，例如，可以沿其在三坐标操作平台1上的安装轴进行360°旋转，以此调节玻璃针6与载玻片表面的垂直距离以及与卵细胞8的相对距离和角度。

所述振动机构4用于产生振动，使玻璃针6的针尖振动轨迹为圆形；其中，所述振动机构4包括压电致动器和压电驱动器；所述金属棒3和玻璃针6分别垂直连接在压电致动器的两端；所述压电驱动器用于给压电致动器输入正弦电压信号，使压电致动器产生振动。

需要说明的是，所述正弦电压信号使压电致动器和金属棒3形成共振。由于玻璃针6振动的位移实际上是金属棒3的位移和压电致动器的位移的矢量和，因此压电致动器分别与玻璃针6和金属棒3垂直相连，便于控制玻璃针6的振动轨迹为圆形。

需要说明的是，压电致动器和压电驱动器的安装位置可以相互独立，本申请实施例对压电驱动器在所述操作系统中的安装位置不作具体限定，只要压电驱动器能够为压电致动器提供正弦电压信号即可。

可选地，本申请实施例采用的压电致动器长度为20mm，最大位移为17.2-17.6μm；在其他实施方式中，还可以采用其他长度和最大位移的压电致动器，本实施例对此不作赘述。

所述玻璃针6用于通过自身振动使水滴7中形成涡流，从而带动位于水滴7中的卵细胞8进行移动和旋转，并用于注射卵细胞8。

由此可见，玻璃针6既作为振动元件，又作为卵细胞8的注射元件，使得整个系统的元件得到了精简。

所述细胞吸附装置用于在玻璃针6对卵细胞8进行注射时固定卵细胞8。

需要说明的是，所述细胞吸附装置可以与外部的真空泵连接，以便于在细胞吸附装置中形成压力差，从而固定卵细胞。

参见图2，该图为本申请实施例提供的一种卵细胞注射示意图。可选地，所述细胞吸附装置10包括吸管，所述细胞吸附装置10通过吸管吸住卵细胞8，从而实现卵细胞8的固定。通过本申请实施例提供的操作系统对卵细胞8进行移动和旋转，就是为了在注射时避开卵细胞8的极体11，以免对极体11造成损害。

本申请实施例提供的一种用于卵细胞显微注射的操作系统工作原理为：

在压电致动器中输入一定数值和频率的正弦电压信号时，压电致动器会将电信号转化成机械位移，从而表现出压电致动器沿着自身轴向方向振动。当金属棒3与压电致动器相连时，金属棒3会与压电致动器一起振动，在大多数情况下，金属棒3的振动是不规则的，但当输入正弦电压信号的频率接近金属棒3的共振频率时，金属棒3的振动方向则主要沿着垂直于压电致动器振动的方向。而与压电致动器相连的另一端，玻璃针6也会发生振动，其振动的位移实际上是金属棒3的位移和压电致动器的位移的矢量和。玻璃针6振动的轨迹主要受共振频率的影响，而振动轨迹的幅值受峰值电压的影响。为了在水中能够产生涡流，需要调整正弦电压信号频率来使金属棒3与压电致动器形成共振，使得玻璃针6针尖的振动轨迹为圆形，玻璃针6的振动频率为金属棒3与压电致动器的共振频率。

将振动的玻璃针6放入水中，水会随玻璃针6的圆周振动产生局部流动，从而产生涡流现象。参见图3，该图为本申请实施例提供的一种用于卵细胞显微注射的操作系统移动卵细胞的原理示意图。微尺度内涡流的高速旋转会使涡流的中心压力变低，当流体远离涡旋流的中心时流速变低，压力变高。因此在玻璃针6接近卵细胞8时，卵细胞8的不同位置所受压力会随着其与玻璃针针尖的距离不同而不同，这个压力差会推动卵细胞8沿玻璃针6针尖的方向运动。所以涡流可以实现微尺度内对卵细胞8的捕获，并通过控制手动平台2移动玻璃针6来实现对卵细胞8的运输，并在可操作范围内，能够将卵细胞8运送到任意位置。

参见图4，该图为本申请实施例提供的一种用于卵细胞显微注射的操作系统旋转卵细胞的原理示意图。随着卵细胞8的运动，卵细胞8会受到阻力的作用，且阻力在卵细胞8表面的分布也会随流体流速的增大而增大，阻力的差异可以在卵细胞8表面上产生驱动力，驱动力与流速的平方成正比，越靠近振动的玻璃针6，驱动力越大，从而在卵细胞8表面产生一个驱动转矩，带动卵细胞8的连续旋转，其中旋转方向与玻璃针6的针尖的振动轨迹方向相反。

由此可见，本申请实施例的操作系统主要由金属棒3、振动机构4、金属连接件5、玻璃针6、手动平台2以及三坐标操作平台1六部分串联组成，且仅由振动机构4来提供动力，就能实现卵细胞8的移动、旋转及注射，结构简单、操作便捷。

实施例二

基于上述实施例，本申请实施例提供一种用于卵细胞显微注射的操作方法。参见图5，该图为本申请实施例提供的一种用于卵细胞显微注射的操作方法的流程图。

一种用于卵细胞显微注射的操作方法，应用于一种用于卵细胞显微注射的操作系统，所述操作系统包括微纳操作装置和细胞吸附装置10，包括以下步骤：

S501：将卵细胞8放入水滴7中，并将包含卵细胞8的水滴7通过载玻片9置于显微镜的视野中；

S502：调节手动平台2，将玻璃针6的针尖置入水滴7，其中所述针尖不接触卵细胞8；

参见图6，该图为本申请实施例提供的一种玻璃针与卵细胞的相对位置示意图。为了不损害卵细胞8，所述针尖除了不接触卵细胞8外，玻璃针6的针尖与载玻片9上表面保持一定的距离，并控制玻璃针6的针尖沿竖直载玻片9方向抬高50μm，防止与载玻片9直接接触，损坏针尖。同时将玻璃针6针尖置入水滴7中指向视野中心的卵细胞8附近，由于此时玻璃针6的针尖也处于显微镜视野中，玻璃针6在小范围内振动时将不会移出视野范围，便于观察卵细胞8移动、旋转或注射的整个操作过程。

S503：使振动机构4产生振动，从而带动玻璃针6的针尖进行圆周振动，进而在玻璃针6的针尖周围产生涡流，则所述涡流带动卵细胞8旋转；

可选地，振动机构4包括压电致动器和压电驱动器，通过压电驱动器给压电致动器输入正弦电压信号，使压电致动器产生振动，最终由压电致动器带动玻璃针6进行圆周振动；

在振动机构4包括压电致动器和压电驱动器的情况下，可选地，所述金属棒3和玻璃针6分别垂直连接在压电致动器的两端；

在振动机构4包括压电致动器和压电驱动器的情况下，可选地，所述玻璃针6通过金属连接件5与压电致动器连接；

S504：调节三坐标操作平台1，使玻璃针6产生位移，从而改变所述涡流的位置，进而由涡流带动卵细胞8移动；

S505：当卵细胞8移动和旋转到所需位置后，通过细胞吸附装置10固定卵细胞8；

可选地，所述细胞吸附装置10包括吸管；

S506：通过玻璃针6对卵细胞8进行注射。

本申请实施例提供的一种用于卵细胞显微注射的操作方法，利用振动机构的振动带动置入水中的玻璃针6高速旋转从而在水中引起涡流，进而对卵细胞8进行移动和/或旋转，最终达到卵细胞8注射的目的；对比已有的利用微操作机械手操作卵细胞8的方法，本申请不与卵细胞8进行机械接触，避免了对卵细胞8的直接或间接的损害，且玻璃针6末端可在原位对卵细胞8进行连续的旋转，易于将卵细胞8控制在视野范围内，便于观察；对比已有的在微流控芯片内操作卵细胞8的方法，本申请不受操作任务和卵细胞8大小的限制，操作灵活性强。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当然可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种用于卵细胞显微注射的操作系统，其特征在于，包括微纳操作装置和细胞吸附装置(10)；

所述微纳操作装置包括三坐标操作平台(1)、手动平台(2)、金属棒(3)、振动机构(4)以及玻璃针(6)；所述金属棒(3)一端固定在手动平台(2)上，另一端与振动机构(4)相连；所述玻璃针(6)与振动机构(4)远离金属棒(3)的一端连接，且玻璃针(6)的针尖置于水滴(7)中；

所述手动平台(2)固定在三坐标操作平台(1)上，其中三坐标操作平台(1)用于调节手动平台(2)的位置；

所述振动机构(4)用于产生振动，使玻璃针(6)的针尖振动轨迹为圆形；

所述玻璃针(6)用于通过自身振动使水滴(7)中形成涡流，从而带动位于水滴(7)中的卵细胞(8)进行移动和旋转，并用于注射卵细胞(8)；

所述细胞吸附装置(10)用于在玻璃针(6)对卵细胞(8)进行注射时固定卵细胞(8)。

2.如权利要求1所述的一种用于卵细胞显微注射的操作系统，其特征在于，所述金属棒(3)和玻璃针(6)分别垂直连接在振动机构(4)的两端。

3.如权利要求1所述的一种用于卵细胞显微注射的操作系统，其特征在于，所述振动机构(4)包括压电致动器和压电驱动器；

所述金属棒(3)和玻璃针(6)分别连接在压电致动器的两端；所述压电驱动器用于给压电致动器输入正弦电压信号，使压电致动器产生振动。

4.如权利要求1所述的一种用于卵细胞显微注射的操作系统，其特征在于，还包括金属连接件(5)，所述玻璃针(6)通过金属连接件(5)与振动机构(4)连接。

5.一种用于卵细胞显微注射的操作方法，应用于权利要求1所述的操作系统，其特征在于，包括以下步骤：

将卵细胞(8)放入水滴(7)中，并将包含卵细胞(8)的水滴(7)通过载玻片置于显微镜的视野中；

调节手动平台(2)，将玻璃针(6)的针尖置入水滴(7)，其中所述针尖不接触卵细胞(8)；

使振动机构(4)产生振动，从而带动玻璃针(6)的针尖进行圆周振动，进而在玻璃针(6)的针尖周围产生涡流，则所述涡流带动卵细胞(8)旋转；

调节三坐标操作平台(1)，使玻璃针(6)产生位移，从而改变所述涡流的位置，进而由涡流带动卵细胞(8)移动；

当卵细胞(8)移动和旋转到所需位置后，通过细胞吸附装置(10)固定卵细胞(8)；

通过玻璃针(6)对卵细胞(8)进行注射。

6.如权利要求5所述的一种用于卵细胞显微注射的操作方法，其特征在于，所述金属棒(3)和玻璃针(6)分别垂直连接在振动机构(4)的两端。

7.如权利要求5所述的一种用于卵细胞显微注射的操作方法，其特征在于，所述玻璃针(6)通过金属连接件(5)与振动机构(4)连接。

8.如权利要求5所述的一种用于卵细胞显微注射的操作方法，其特征在于，所述振动机构(4)包括压电致动器和压电驱动器，则使振动机构(4)产生振动包括：

通过压电驱动器给压电致动器输入正弦电压信号，使压电致动器产生振动。