CN108660072B - 基于靶向区域辅助支撑的卵母细胞显微操作系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于靶向区域辅助支撑的卵母细胞显微操作系统及方法，所述显微操作系统包括：真空吸附式悬浮细胞夹持装置，包括旋转平台、设于旋转平台上的螺旋电极、以及设于旋转平台上的真空泵，所述螺旋电极中心设有用于对卵母细胞进行真空吸附的操作区域，所述真空泵控制所述操作区域对卵母细胞进行真空吸附；卵母细胞靶向区域辅助支撑装置，用于对卵母细胞靶向区域透明带进行辅助支撑；压电超声卵母细胞显微操作装置，用于对卵母细胞进行辅助支撑后对卵母细胞的具体显微操作。本发明由于卵母细胞透明带靶向区域有了辅助支撑，透明带穿刺时可以精确定位，结合显微视觉技术，可以真正实现细胞内定点化操作。

Description

基于靶向区域辅助支撑的卵母细胞显微操作系统及方法

技术领域

本发明涉及生物显微操作技术领域，特别是涉及一种基于靶向区域辅助支撑的卵母细胞显微操作系统及方法。

背景技术

卵母细胞包含重要的生物遗传信息，是生命孕育过程中最重要的细胞，因此，对卵母细胞的显微操作技术在生命科学研究与相关医学技术中一直占据着最重要的位置。针对卵母细胞不同发育阶段的不同靶向部位显微操作技术如转基因注射技术、卵胞浆内单精子显微注射(ICSI)技术、移植前基因诊断(PGD)技术、体细胞核移植技术等层出不穷。

现有的卵母细胞生物显微操作基本上是“一眼加双臂(一吸持臂一操作臂)”模式。这种双臂操作模式基本是一端利用吸持针或者细胞吸持平台进行细胞定位，另一端用高速运动或高速振动的毛细玻璃尖针对卵母细胞无约束的另一端进行穿刺卵母细胞透明带，然后抵达卵母细胞内特定部位如细胞核细胞质等进行特定操作如抽取或注射物质。

现有的卵母细胞生物显微操作模式的主要缺陷在于：

(1)定位精度差，虽然有大量的图像识别技术可以实现细胞内部结构分析得到最佳操作目标点，但前提是到达目标点前必须保证注射针穿越透明带这个障碍，而由于不同卵母细胞个体性差异，传统操作模式细胞破膜时刻和位置基本上是无法精确判定的。为了保证注射针穿越透明带障碍，针尖运动范围通常要超过目标点，这样对细胞内部结构肯定有损伤。而且，由于细胞大形变造成的图像畸变，在穿刺过程中，注射针位置也无法实时通过图像处理技术获取，只能按照预定位置走。

(2)细胞损伤大，传统细胞透明带穿刺过程中，由于细胞为超弹性体，因此要达到穿刺强度，细胞会有非常大的变形。传统卵母细胞显微操作模式大都把焦点汇聚到穿刺过程中对细胞透明带的损伤上，而忽略了对细胞高强度的挤压会对细胞内部结构如细胞骨架造成不可逆的伤害。无靶向区域透明带约束的压电显微注射技术确实可以实现传统显微操作模式下卵母细胞微形变穿刺，然而那是建立在加大超声能量的基础上，对细胞伤害又陷入了另一个误区。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种基于靶向区域辅助支撑的卵母细胞显微操作系统及方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于靶向区域辅助支撑的卵母细胞显微操作系统及方法。

为了实现上述目的，本发明一实施例提供的技术方案如下：

一种基于靶向区域辅助支撑的卵母细胞显微操作系统，所述显微操作系统包括：

真空吸附式悬浮细胞夹持装置，包括旋转平台、设于旋转平台上的螺旋电极、以及设于旋转平台上的真空泵，所述螺旋电极中心设有用于对卵母细胞进行真空吸附的操作区域，所述真空泵控制所述操作区域对卵母细胞进行真空吸附；

卵母细胞靶向区域辅助支撑装置，用于对卵母细胞靶向区域透明带进行辅助支撑；

压电超声卵母细胞显微操作装置，用于对卵母细胞进行辅助支撑后对卵母细胞的具体显微操作。

作为本发明的进一步改进，所述旋转平台包括基板及位于基板下方的细胞位姿调节芯片，所述基板和细胞位姿调节芯片之间形成有一真空腔，所述真空泵通过所述真空腔与操作区域相连通。

作为本发明的进一步改进，所述螺旋电极在旋转平台阵列分布。

作为本发明的进一步改进，所述螺旋电极包括四个电极焊垫与电极焊垫一一相连的电极，所述电极自电极焊垫向操作区域螺旋设置。

作为本发明的进一步改进，所述卵母细胞靶向区域辅助支撑装置包括基座、与基座固定安装的第一旋盖、与第一旋盖固定安装的第二旋盖、固定安装于基座、第一旋盖及第二旋盖中的注射针、及安装于注射针一端的吸持部。

作为本发明的进一步改进，所述吸持部与注射针之间的夹角为钝角。

作为本发明的进一步改进，所述吸持部呈凹槽型设置，吸持部的端部为圆滑面，吸持部靠近端部的内侧表面设置为向吸持部外表面凹陷的凹槽。

作为本发明的进一步改进，所述压电超声卵母细胞显微操作装置包括操作臂及设于操作臂端部的操作部。

作为本发明的进一步改进，所述操作部与操作臂之间的夹角为钝角。

本发明另一实施例提供的技术方案如下：

一种基于靶向区域辅助支撑的卵母细胞显微操作方法，所述显微操作方法包括：

S1、将卵母细胞放置于真空吸附式悬浮细胞夹持装置中的操作区域上，通过旋转平台和螺旋电极进行卵母细胞的位姿调节，并通过真空泵进行真空吸附；

S2、确定卵母细胞靶向操作区域，通过卵母细胞靶向区域辅助支撑装置对卵母细胞靶向区域透明带进行辅助支撑；

S3、通过压电超声卵母细胞显微操作装置对卵母细胞的具体显微操作。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S3中，所述卵母细胞靶向区域辅助支撑装置端部的吸持部和所述压电超声卵母细胞显微操作装置端部的操作部均指向卵母细胞圆心。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S3中，所述卵母细胞靶向区域辅助支撑装置端部的吸持部和所述压电超声卵母细胞显微操作装置端部的操作部之间的夹角为30°。

本发明的有益效果是：

由于卵母细胞透明带靶向区域有了辅助支撑，透明带穿刺时可以精确定位，结合显微视觉技术，可以真正实现细胞内定点化操作；

由于卵母细胞透明带靶向区域有了辅助支撑，卵母细胞穿刺力不再依赖与卵母细胞的大形变，对细胞的挤压很小，实现了微形变显微操作，从而对细胞内部的细胞骨架等结构的损害更小；

该显微操作模式使得整个自动化显微操作过程尽量不受细胞各异性的影响，操作结果更具有统一性与稳定性，更有利于批量化与重复性操作。

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中记载的一些实施例，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为本发明第一实施例中卵母细胞显微操作系统的立体结构示意图；

图2a为图1中圆圈处的局部结构示意图，图2b为图1中圆圈处对应的俯视结构示意图；

图3为本发明第一实施例中卵母细胞靶向区域辅助支撑装置的结构示意图；

图4为本发明第一实施例中吸持部的剖视结构示意图；

图5为本发明第一实施例中吸持部的立体结构示意图；

图6为本发明第二实施例中卵母细胞显微操作方法的流程图；

图7为本发明第二实施例中卵母细胞显微操作的原理图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明公开了一种基于靶向区域辅助支撑的卵母细胞显微操作系统，该显微操作系统包括：

真空吸附式悬浮细胞夹持装置，包括旋转平台、设于旋转平台上的螺旋电极、以及设于旋转平台上的真空泵，螺旋电极中心设有用于对卵母细胞进行真空吸附的操作区域，真空泵控制操作区域对卵母细胞进行真空吸附；

卵母细胞靶向区域辅助支撑装置，用于对卵母细胞靶向区域透明带进行辅助支撑；

压电超声卵母细胞显微操作装置，用于对卵母细胞进行辅助支撑后对卵母细胞的具体显微操作。

本发明还公开了一种基于靶向区域辅助支撑的卵母细胞显微操作方法，该显微操作方法包括：

S1、将卵母细胞放置于真空吸附式悬浮细胞夹持装置中的操作区域上，通过旋转平台和螺旋电极进行卵母细胞的位姿调节，并通过真空泵进行真空吸附；

S2、确定卵母细胞靶向操作区域，通过卵母细胞靶向区域辅助支撑装置对卵母细胞靶向区域透明带进行辅助支撑；

S3、通过压电超声卵母细胞显微操作装置对卵母细胞的具体显微操作。

以下结合说明书附图对本发明具体实施例进行详细说明。

参图1所示，本发明第一实施例中公开的一种基于靶向区域辅助支撑的卵母细胞显微操作系统，包括：

真空吸附式悬浮细胞夹持装置10，包括旋转平台11、设于旋转平台11上的螺旋电极12、以及设于旋转平台11上的真空泵13，螺旋电极12中心设有用于对卵母细胞进行真空吸附的操作区域14，真空泵13控制操作区域14对卵母细胞40进行真空吸附；

卵母细胞靶向区域辅助支撑装置20，用于对卵母细胞40靶向区域透明带进行辅助支撑；

压电超声卵母细胞显微操作装置30，用于对卵母细胞40进行辅助支撑后对卵母细胞的具体显微操作。

具体地，旋转平台11包括基板111及位于基板下方的细胞位姿调节芯片112，基板111和细胞位姿调节芯片112之间形成有一真空腔113，真空泵13通过真空腔113与操作区域14相连通。

参图1并结合图2a、2b所示，螺旋电极12在旋转平台阵列分布。本实施例中的旋转平台11上设有四个阵列分布的螺旋电极12，每个螺旋电极12包括四个电极焊垫121与电极焊垫一一相连的电极122，电极122自电极焊垫121向操作区域螺旋设置。

参图3所示，卵母细胞靶向区域辅助支撑装置20包括基座21、与基座21固定安装的第一旋盖22、与第一旋盖22固定安装的第二旋盖23、固定安装于基座、第一旋盖及第二旋盖中的注射针24、及安装于注射针一端的吸持部25。

结合图4、图5所示，吸持部25呈凹槽型设置，吸持部25的端部为圆滑面，吸持部靠近端部的内侧表面设置为向吸持部外表面凹陷的凹槽。

优选地，本实施例中的吸持部25与注射针24之间的夹角为钝角。

本实施例中的压电超声卵母细胞显微操作装置30包括操作臂及设于操作臂端部的操作部，优选地，操作部与操作臂之间的夹角为钝角。

参图6所示，本发明第二实施例中的一种基于靶向区域辅助支撑的卵母细胞显微操作系统的操作方法，包括以下步骤：

S1、将卵母细胞放置于真空吸附式悬浮细胞夹持装置中的操作区域上，通过旋转平台和螺旋电极进行卵母细胞的位姿调节，并通过真空泵进行真空吸附；

S2、确定卵母细胞靶向操作区域，通过卵母细胞靶向区域辅助支撑装置对卵母细胞靶向区域透明带进行辅助支撑；

S3、通过压电超声卵母细胞显微操作装置对卵母细胞的具体显微操作。

其中在步骤S3中，卵母细胞靶向区域辅助支撑装置端部的吸持部和压电超声卵母细胞显微操作装置端部的操作部均指向卵母细胞圆心。

优选地，卵母细胞靶向区域辅助支撑装置端部的吸持部和压电超声卵母细胞显微操作装置端部的操作部之间的夹角为30°，当然，在其他实施例中也可以设置为其他角度。

具体地，参图1、图2a、图2b所示，首先，卵母细胞40在真空吸附式悬浮细胞夹持装置10中四个螺旋电极12的行波介电泳力的作用下运动到环形电极的中央操作区域14。接着，利用四个螺旋电极12配合着旋转平台11完成卵母细胞40的位姿调节，即卵母细胞40的极体在卵母细胞靶向区域辅助支撑装置20所在的方向，纺锤体和极体在同一平面内，并且靠近压电超声卵母细胞显微操作装置30的方位与极体成30°的夹角，待卵母细胞40的位姿调节完成后，利用真空泵13吸持定位。

卵母细胞40在真空吸附式悬浮细胞夹持装置10上固定后，确定卵母细胞靶向操作区域，卵母细胞靶向区域辅助支撑装置20的吸持部25吸持住卵母细胞的靶向区域，以防止卵母细胞40在操作过程中产生大变形破坏卵母细胞的内部结构。

卵母细胞靶向区域辅助支撑装置20吸附到卵母细胞40后，压电超声卵母细胞显微操作装置30开始操作，进针角度与吸持部成30°，并与吸持部同时指向卵母细胞的圆心。

参图3所示，在此过程中，卵母细胞靶向区域辅助支撑装置20和压电超声卵母细胞显微操作装置30是特制的，第一旋盖22和第二旋盖23的端头都是有一定的倾斜角，配合着密封圈26，起到了良好的密封作用。

参图4、图5及图7所示，在卵母细胞靶向区域辅助支撑装置20中，吸持部25呈凹槽型设置，增大了吸附力以及在吸附过程中的透明带与辅助支撑装置内壁的摩擦力，能够更好地固定卵母细胞，起到良好的辅助支撑作用。

本发明从传统的适合人手操作的双臂操作模式升级为适合机器人辅助自动化操作的基于靶向区域辅助支撑的卵母细胞显微操作系统及方法，在此模式下，卵母细胞显微操作由真空吸附式悬浮细胞夹持装置10、卵母细胞靶向区域辅助支撑装置20、压电超声卵母细胞显微操作装置30三大功能模块组成。

卵母细胞的位姿调节和吸持由真空吸附式悬浮细胞夹持装置10来实现，卵母细胞靶向区域透明带的辅助支撑由卵母细胞靶向区域辅助支撑装置20来实现，卵母细胞的具体显微操作由压电超声卵母细胞显微操作装置30来实现，三个功能模块各司其职，相互配合，共同完成微形变卵母细胞显微操作。

其中，真空吸附式悬浮细胞夹持装置10主要完成细胞阵列化传输、细胞位姿调节和细胞吸持定位功能，制作了四操作区的真空吸附式悬浮细胞夹持芯片，同时实现四个卵母细胞批量化操作，卵母细胞传输至显微镜操作区后，利用四个螺旋电极配合旋转平台可以实现卵母细胞位姿360°水平调节和垂直调节，将细胞调节到位以后，利用真空泵进行吸持定位。

在确定了卵母细胞靶向操作区域后，利用卵母细胞靶向区域辅助支撑装置的吸持部25来实现卵母细胞显微操作期间，卵母细胞靶向区域透明带辅助支撑，为了保证靶向区域透明带的良好固定，吸持部采用凹槽型设计，此设计能增大吸附力以及在吸附过程中的透明带与吸持部内壁的摩擦力，能够更好地固定细胞，起到良好的辅助支撑作用。

为了便于观测和显微图像处理，卵母细胞靶向区域辅助支撑装置的吸持部与压电超声卵母细胞显微操作装置的操作部均采用弯头针，在卵母显微操作过程中，均处于同一水平高度，两针均指向卵母细胞圆心并互相成30°夹角。

由以上技术方案可以看出，本发明具有如下有益效果：

1、由于卵母细胞透明带靶向区域有了辅助支撑，透明带穿刺时可以精确定位，结合显微视觉技术，可以真正实现细胞内定点化操作；

2、由于卵母细胞透明带靶向区域有了辅助支撑，卵母细胞穿刺力不再依赖与卵母细胞的大形变，对细胞的挤压很小，实现了微形变显微操作，从而对细胞内部的细胞骨架等结构的损害更小；

3、该显微操作模式使得整个自动化显微操作过程尽量不受细胞各异性的影响，操作结果更具有统一性与稳定性，更有利于批量化与重复性操作。

因此，本发明的基于靶向区域辅助支撑的卵母细胞显微操作系统及方法具有极大潜力，有望彻底改变传统的卵母细胞显微操作技术。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (1)

1.一种基于靶向区域辅助支撑的卵母细胞显微操作系统，其特征在于，所述显微操作系统包括：

真空吸附式悬浮细胞夹持装置，包括旋转平台、设于旋转平台上的螺旋电极、以及设于旋转平台上的真空泵，所述螺旋电极中心设有用于对卵母细胞进行真空吸附的操作区域，所述真空泵控制所述操作区域对卵母细胞进行真空吸附；

卵母细胞靶向区域辅助支撑装置，用于对卵母细胞靶向区域透明带进行辅助支撑；

压电超声卵母细胞显微操作装置，用于对卵母细胞进行辅助支撑后对卵母细胞的具体显微操作；

所述旋转平台包括基板及位于基板下方的细胞位姿调节芯片，所述基板和细胞位姿调节芯片之间形成有一真空腔，所述真空泵通过所述真空腔与操作区域相连通；

所述螺旋电极在旋转平台阵列分布；

所述螺旋电极包括四个电极焊垫与电极焊垫一一相连的电极，所述电极自电极焊垫向操作区域螺旋设置；

所述卵母细胞靶向区域辅助支撑装置包括基座、与基座固定安装的第一旋盖、与第一旋盖固定安装的第二旋盖、固定安装于基座、第一旋盖及第二旋盖中的注射针、及安装于注射针一端的吸持部；

所述吸持部与注射针之间的夹角为钝角；

所述吸持部呈凹槽型设置，吸持部的端部为圆滑面，吸持部靠近端部的内侧表面设置为向吸持部外表面凹陷的凹槽；

所述压电超声卵母细胞显微操作装置包括操作臂及设于操作臂端部的操作部；

所述操作部与操作臂之间的夹角为钝角。