CN108893248A - 压电超声显微注射器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电超声显微注射器，所述压电超声显微注射器包括基座、固定安装于基座两端的旋盖及压电陶瓷振动模块、与旋盖固定安装的端盖、固定安装于旋盖和端盖上的弯头平口注射针、以及固定安装于压电陶瓷振动模块上的固定杆。本发明结构简单、各零部件互换性好，易于加工，且加工成本相对较低，简化了显微注射实验操作的实验成本和复杂程度。

Description

压电超声显微注射器

技术领域

本发明涉及显微注射设备技术领域，特别是涉及一种压电超声显微注射器。

背景技术

随着21世纪现代生物工程技术的发展，人类对于微小的细胞有了更多的了解和认识，许多对于重大疾病或遗传症状的认知和分析根源均来自细胞乃至更加微观的生命个体。然而，人类对于人体组织、细胞或者遗传物质的观察、分析和操作上的困难一直是阻碍生物工程发展的一个难题。对细胞的破膜与穿刺本身就是以直接破坏细胞组织的手段来实现的，再加上细胞尺度非常小，操作过程前期或者实时力学信息反馈的缺失，导致操作微针对细胞的损伤难以控制，因此细胞注射过程中损伤的削弱问题一直是所有研究者研究的核心问题。

美国康涅狄格大学研制了一款压电细胞注射装置，此注射装置将堆叠压电陶瓷块封装在圆柱形封装中作为注射装置的主体结构，在管状主体结构前端连接了一个微针锁紧装置用于夹持注射微针。在激励信号的作用下，压电陶瓷会在轴向发生一定振幅的振动，振动通过柱状主体往前端传导至针尖，使用针尖的振动刺破细胞膜。但是在实际试验中研究者发现针尖的侧向振动较大，对细胞的损伤程度较高，研究人员推断是微针前端较小的质量导致振动响应过于激烈，所以使用一小段汞置于微针前端腔体中来稳定针尖。而后实验结果表明汞柱有效减弱了微针的侧向振动，并且在细胞破膜注射实验中表现优异。而后续研究人员通过实验发现汞柱确实能够削弱针尖的横向振动，从而降低细胞损伤提高细胞注射成功率。但是研究也表明汞柱对生物细胞有毒害作用，容易在试验操作过程中杀死活细胞，因此相比之前有效缓解径向振动，其优势并不明显。之后，黄海波针对康涅尼格大学注射装置的缺点进行了设计改进，使用了压电陶瓷前置的布置方案，这样使得振动更易传导至针尖并且有效提高了振动能量利用率，同时也一定程度上减弱了微针径向振动幅度。但是在一般克隆实验中会对哺乳动物的卵母细胞进行破膜注射操作，这些卵细胞相比于斑马鱼卵更加微小更加脆弱，对注射装置的要求更高，因此目前此装置性能还不能满足现阶段应用中的操作要求。

目前，细胞注射技术都是以破膜与穿刺本身为前提，然而传统的细胞破膜和穿刺都是通过直接破坏细胞组织的手段来实现的，再加上细胞尺度非常小，因此，在细胞破膜过程中很容易造成对细胞的机械损伤，从而影响实验成功率。由于生物细胞组织和细胞膜均属弹性体，表面比较脆弱和湿滑。因此，在显微注射过程中，注射微针与细胞直接接触，注射器设计机构的好坏将直接影响被注射细胞的活性。生物工程中对细胞最常见的操作是核移植操作，该操作对细胞造成损伤的主要步骤在刺破细胞透明带这一步，因为核移植只需要穿透透明带进行核注射。传统破膜注射过程主要是利用外径10μm以上的斜口注射针对卵细胞透明带进行穿刺，然后完成注核操作，一方面斜口注射针尖端极为尖锐，在注核过程中极容易划伤内部细胞质膜而使细胞丧失活性。同时，10μm的斜口注射针内管管径过小，无法完成像细胞核等大型细胞器的移植工作。另外，现有压电显微超声细胞注射器采用压电陶作为激励驱动注射器进行轴向振动，来实现细胞破膜过程。但是，现有细胞注射器的设计在激励情况下容易导致前端注射微针发生径向窜动，从而使得注射针对细胞出现机械损伤，使细胞在注射过程中失活，降低实验成功率。最后，现有压电超声显微注射器无法配合使用常规实验室所采用的弯头微针来进行细胞操作实验。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种压电超声显微注射器。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种压电超声显微注射器。

为了实现上述目的，本发明一实施例提供的技术方案如下：

一种压电超声显微注射器，所述压电超声显微注射器包括基座、固定安装于基座两端的旋盖及压电陶瓷振动模块、与旋盖固定安装的端盖、固定安装于旋盖和端盖上的弯头平口注射针、以及固定安装于压电陶瓷振动模块上的固定杆。

作为本发明的进一步改进，所述旋盖与端盖之间、旋盖与基座之间、基座与压电陶瓷振动模块之间、压电陶瓷振动模块与固定杆之间通过内螺纹与外螺纹固定安装。

作为本发明的进一步改进，所述端盖上设有第一外螺纹，旋盖内设有第一内螺纹，第一内螺纹的底部安装有第一环形垫圈；所述旋盖上还设有第二外螺纹，基座内设有第二内螺纹，第二内螺纹的底部安装有第二环形垫圈。

作为本发明的进一步改进，所述基座上设有光面孔及与光面孔相邻的第三内螺纹，所述压电陶瓷振动模块端部设有伸出杆，伸出杆的末端设有第三外螺纹，所述基座和压电陶瓷振动模块通过第三内螺纹和第三外螺纹固定安装时，伸出杆收容于所述光面孔内。

作为本发明的进一步改进，所述伸出杆的长度大于光面孔的深度，所述基座和压电陶瓷振动模块之间设有平垫圈。

作为本发明的进一步改进，所述基座上设有贯穿至光面孔的若干螺纹孔，通过若干螺钉及螺纹孔固定所述基座和压电陶瓷振动模块。

作为本发明的进一步改进，所述压电陶瓷振动模块上设有第四内螺纹，固定杆上设有第四外螺纹，压电陶瓷振动模块和固定杆通过第四内螺纹和第四外螺纹固定安装。

作为本发明的进一步改进，所述基座包括倾斜段和水平段，所述旋盖与倾斜段固定安装，压电陶瓷振动模块和水平段固定安装。

作为本发明的进一步改进，所述基座的水平段上设有接头，所述基座的倾斜段和水平段内设有贯穿至接头的微流道，所述弯头平口注射针的末端延伸至所述微流道内。

作为本发明的进一步改进，所述水平段和倾斜段之间的夹角为155°，弯头平口注射针的头部弯折角度为155°。

本发明的有益效果是：

本发明可以满足不同需求的生物工程显微操作实验，如：细胞破膜、细胞核移植、细胞单精子注射等；

由于注射器采用两段折弯式设计可有效减轻由压电陶瓷造成的针尖径向振动，从而有效缓解注射针对细胞造成的机械损伤，提高实验成功率；

本发明细胞显微注射器能与弯头微针相配合使用，扩大其应用邻域，满足更多不同种类的实验功能需求；

本发明结构简单、各零部件互换性好，易于加工，且加工成本相对较低，简化了显微注射实验操作的实验成本和复杂程度。

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为本发明一实施例中压电超声显微注射器的结构示意图；

图2为本发明一实施例中压电超声显微注射器的装配结构示意图；

图3为本发明一实施例中基座与压电陶瓷振动模块的装配结构示意图；

图4为本发明一实施例中弯头平口注射针的头部结构示意图；

图5a为本发明一实施例中基座的剖视结构示意图；

图5b为本发明一实施例中基座的端部截面结构示意图；

图6为本发明一实施例中端盖的结构示意图；

图7为本发明一实施例中旋盖的结构示意图。

其中，1为弯头平口注射针，2为端盖，21为第一外螺纹，3为旋盖，31为第一内螺纹，32为第一环形垫圈，33为第二外螺纹，4为基座，41为倾斜段，42为水平段，43为接头，44为微流道，411为第二内螺纹，412为第二环形垫圈，421为光面孔，422为第三内螺纹，431为第一螺纹孔，432为第二螺纹孔，441为第一螺钉，442为第二螺钉，5为压电陶瓷振动模块，51为伸出杆，52为第三外螺纹，53为平垫圈，54为第四内螺纹，6为固定杆，61为第四外螺纹.

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。

本发明公开了一种压电超声显微注射器，包括基座、固定安装于基座两端的旋盖及压电陶瓷振动模块、与旋盖固定安装的端盖、固定安装于旋盖和端盖上的弯头平口注射针、以及固定安装于压电陶瓷振动模块上的固定杆。

本发明所要解决的技术问题主要有三个：

1.对现有细胞注射器微针夹持结构进行优化设计，使其能配合常规实验室弯头微针的使用；

2.减少细胞注射针在细胞破膜、注射过程中的径向窜动，从而减小对细胞的机械损伤；

3.稳固显微注射系统中压电陶瓷振动模块和细胞显微注射器的刚性连接，避免在压电陶瓷振动模块工作时，细胞显微注射器和压电陶瓷振动源发生脱落，同时保证压电振动模块和细胞显微注射器的定位精度。

参图1至图7所示，本发明一具体实施例中的压电超声显微注射器，包括基座4、固定安装于基座两端的旋盖3及压电陶瓷振动模块5、与旋盖3固定安装的端盖2、固定安装于旋盖3和端盖2上的弯头平口注射针1、以及固定安装于压电陶瓷振动模块5上的固定杆6。

本实施例中，旋盖3与端盖2之间、旋盖3与基座4之间、基座4与压电陶瓷振动模块5之间、压电陶瓷振动模块5与固定杆6之间均通过内螺纹与外螺纹固定安装。

参图1、图2所示，端盖2上设有第一外螺纹21，旋盖3内设有第一内螺纹31，第一内螺纹31的底部安装有第一环形垫圈32；旋盖3上还设有第二外螺纹33，基座4内设有第二内螺纹411，第二内螺纹411的底部安装有第二环形垫圈412。

端盖2一侧设有第一外螺纹21(M4)，与旋盖3上的第一内螺纹31(M4)实现配合，同时在旋盖3内螺纹孔底部放置内径为1mm外径为2mm的第一环形垫圈32，端盖2外螺纹断面通过与旋盖3的第一内螺纹31旋合，使得端盖2的端面对第一环形垫圈32产生挤压应力，弯头平口注射针1同时通过端盖2和旋盖3的中心孔插入到第一环形垫圈32内圈中，使得弯头平口注射针1外圈和第一环形垫圈32实现过盈紧配合，保证一定的密封性。

参图2所示，旋盖3另一端设有第二外螺纹33(M4)，而基座4一端设有第二内螺纹411(M4)。与端盖2和旋盖3配合相类似，旋盖3上的第二外螺纹33的外端面在旋合过程中与基座4上的第二内螺纹411的内端面相互逼近，挤压第二环形垫圈412，第二环形垫圈412产生弹性变形并贴合弯头平口注射针1针体外壁与基座4腔体内壁，产生两层的环形密封结构，从而提高注射装置的密封性能。上述端盖2和旋盖3的配合以及旋盖3和基座4的螺纹连接配合，促使第一环形垫圈32和第二环形垫圈412挤压变形，能够给予注射微针两点支撑，能作为细胞显微注射器的微针夹持器使得弯头平口注射针1在超声振动下不会产生滑移。

参图1、图2、图4和图5a、图5b所示，基座4包括倾斜段41和水平段42，旋盖3与倾斜段41固定安装，压电陶瓷振动模块5和水平段42固定安装。基座4的水平段42上设有接头43，基座的倾斜段和水平段内设有贯穿至接头的微流道44，弯头平口注射针1的末端延伸至微流道44内。

具体地，基座4内设有内径为1.2mm的微流道44，一直贯穿到基座4的外接管接头43处，该接头处为公母头设计，母头连接微型真空泵，与基座4管壁上的外接管公头相配合，实现外部细胞实验对象液体的吸取与注射操作。与此同时，基座4包含了折弯结构，基座4折弯角度与弯头平口注射针1针尖折弯角度互补，因此能够将轴向振动传导到针尖。为配合弯头平口注射针1的使用，基座4为两段式设计，分为水平段42和倾斜段41，水平段42和倾斜段41之间夹角为155°。基座4的倾斜段41与水平面呈25°夹角向下放置。弯头平口注射针1通过两个环形垫圈固定，且在显微注射器的微流道44中能保持一定的密封性，弯头平口注射针1从端盖2中心孔中引出，整个弯头平口注射针1主体部分与水平面呈25°角放置，弯头平口注射针1弯头处与主体之间呈155°角放置，因此，最终弯头平口注射针1弯头处在细胞操作过程中呈水平布置。

参图1、图3所示，基座4上设有光面孔421及与光面孔421相邻的第三内螺纹422，压电陶瓷振动模块5端部设有伸出杆51，伸出杆51的末端设有第三外螺纹52，基座4和压电陶瓷振动模块5通过第三内螺纹422和第三外螺纹52固定安装时，伸出杆51收容于光面孔421内。

优选地，伸出杆51的长度大于光面孔421的深度，基座4和压电陶瓷振动模块5之间设有平垫圈53。

另外，基座上设有贯穿至光面孔的若干螺纹孔，通过若干螺钉及螺纹孔固定基座和压电陶瓷振动模块。

具体地，压电陶瓷振动模块5和基座4水平段42进行装配，基座4的水平段42加工有直径φ4的光面孔421，在光面孔421的底部加工有第三内螺纹422(M4)，在竖直径向方向上加工有顶部M1的第一螺纹孔431，与之中轴线呈120°角位置加工有两个M0.5的第二螺纹孔432，第二螺纹孔432对称分布。第一螺纹孔431中轴线和外接管接头中轴线同基座φ4孔中轴线在同一平面上，且前两者布置在φ4孔中轴线的同侧。

压电陶瓷振动模块5一端设有直径φ4的伸出杆51，在伸出杆末端设有第三外螺纹52(M4)，第三外螺纹长度与基座φ4孔中第三内螺纹422长度相等，同时在伸出杆51未加工部分铣有一段平面槽。

在实际装配过程中，压电陶瓷振动模块5伸出杆51上的第三外螺纹与基座4内的第三内螺纹相旋合，并通过螺纹旋合精调两者之间的旋转角度。当压电陶瓷振动模块5伸出杆51的平面槽调节到与水平面完全平行时，用M1的第一螺钉441(平头紧定螺钉)旋入到基座4水平段的第一螺纹孔431中，通过紧定螺钉平头面和压电陶瓷振动模块伸出杆平面槽相配合，实现基座和压电陶瓷振动模块的精准定位。

同时，使用两颗M0.5的第二螺钉442(尖头紧定螺钉)对称旋入到基座4的第二螺纹孔432中，尖头部分与压电陶瓷振动模块伸出杆51的外圆柱面相接触，起到固定和夹紧作用。

另外，压电陶瓷振动模块5伸出杆部分的长度相比于基座4的φ4孔深要多出0.5mm。目的是防止内外螺纹在完全旋合情况下，基座4孔外端面与压电陶瓷振动模块5伸出杆51处端面直接接触。原因是避免在压电陶瓷振动模块工作过程中，压电陶瓷产生的高频振动使得两端面持续相互碰撞，从而造成基座4或压电陶瓷振动模块5端面的剧烈磨损，从而导致安装精度下降，最终影响实验效果、降低使用寿命。

0.5mm空隙处采用内径φ4mm外径φ8mm厚1mm橡胶平垫圈53进行套合。目的是用于缓冲两端面的摩擦，吸收多余的有害振动，减少使用过程中的刚性碰撞造成的机械磨损。

参图1、图2、图3和图5a、图5b所示，压电陶瓷振动模块5上设有第四内螺纹54，固定杆6上设有第四外螺纹61，压电陶瓷振动模块5和固定杆6通过第四内螺纹54和第四外螺纹61固定安装。

具体地，压电陶瓷振动模块5另一端设有M4的第四内螺纹54，固定杆6一端设有相同参数的第四外螺纹61，两者通过螺纹旋合相固定。固定杆6与显微操作平台相固定，并通过平台调节仪器事先调节好固定杆6的水平、旋转精度，使得固定杆6和压电陶瓷振动模块5作为统一整体，使得振动模块的定位平面与水平面保持水平。在以后实验过程中，作为基准不再调节。只对细胞注射器部分进行快换和调整，提高实验效率，降低实验成本。

参图1、图4所示，本发明设计采用的弯头平口注射针1为平口针，20μm开口针头能够容纳多种生物卵细胞细胞核，因此被广泛用于核移植操作，虽然传统10μm开口直头微针针头在手动操作与振动辅助操作过程中受到更小的阻力，但是针头部分容纳能力较差，无法应用于核移植操作。

本发明采用的弯头平口注射针1是使用直径1mm的硼硅酸盐玻璃管加热拉制而成的，最终针体长度保持在60mm左右，整个针体直径保持一致，只有在针尖端处直径由1mm突然减小为20μm。整体上可以将微针看做匀质的细长杆。

通过引入数学模型进行计算以及采用有限元软件进行优化分析，并通过一系列实验论证，弯头平口注射针1弯头处角度为25°是最优解。在该角度下的弯头平口注射针1和基座4设计能有效避免由压电陶瓷振动模块5产生的细微径向振动的影响。压电陶瓷振动模块5的振动能量通过显微注射器主体传至弯头平口注射针1弯头处能有效过滤掉径向振动的幅值，弱化弯头平口注射针1对细胞的机械损伤。

同时，由于基座4和弯头平口注射针1弯头处角度配合设计，使得弯头平口注射针1弯头处能在细胞注射过程中始终呈现水平状态，这一设计优化了使用者在显微镜下观察细胞注射状态时的视野，使得使用者能更加直观、清晰的观察细胞注射状态，弯头平口注射针1顶端的弯曲部分能够在显微镜下清晰成像，便于操作者观察核移植过程中针管内实时状态。

同时，相比传统固定杆倾斜安装的设计，本发明水平安装放置的固定杆6的设计则更易于控制其针尖水平位移的精度，弱化了注射针对Z轴(竖直)方向的运动控制精度要求，同时也降低了对运动控制系统和伺服机构的精确度要求，从而提高了针尖水平位移控制的精度。

同时，细胞注射器基座4与压电陶瓷振动模块5采用M1平头紧定螺钉与定位面(平面槽)相配合保证了两者之间的旋转精度，同时采用对称布置的M0.5尖头紧定螺钉实现夹紧固定。

相比传统内外螺纹连接配合，本发明设计更易于保证显微注射器的整体的旋转精度和水平安装精度，避免设备零件由于长时间使用下，由高频振动而导致内外螺纹连接松动的现象发生，影响实验效果。

为了保证压电陶瓷振动模块5导出能量的集中性，降低夹持部分振动损耗的振动能量，同时减弱重力对振动的影响，设计中最大程度减小了显微注射器主体的尺寸。

同时，本发明的细胞显微注射器的微针夹持器部均使用高分子材料PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)，目的是能够有效减小夹持头质量，并保持一定的结构刚度，另外材料无生物毒性，容易获取，能够保证在细胞操作过程中对细胞没有化学损伤。

本发明在加工生产上，首先通过电脑三维软件建模，然后通过3D打印技术与机械加工相结合的方式对实验模型进行加工，最终得到的微针夹持头的质量仅有1g。

由以上技术方案可以看出，本发明具有如下有益效果：

本发明可以满足不同需求的生物工程显微操作实验，如：细胞破膜、细胞核移植、细胞单精子注射等；

由于注射器采用两段折弯式设计可有效减轻由压电陶瓷造成的针尖径向振动，从而有效缓解注射针对细胞造成的机械损伤，提高实验成功率；

本发明细胞显微注射器能与弯头微针相配合使用，扩大其应用邻域，满足更多不同种类的实验功能需求；

本发明结构简单、各零部件互换性好，易于加工，且加工成本相对较低，简化了显微注射实验操作的实验成本和复杂程度。

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 (10)

1.一种压电超声显微注射器，其特征在于，所述压电超声显微注射器包括基座、固定安装于基座两端的旋盖及压电陶瓷振动模块、与旋盖固定安装的端盖、固定安装于旋盖和端盖上的弯头平口注射针、以及固定安装于压电陶瓷振动模块上的固定杆。

2.根据权利要求1所述的压电超声显微注射器，其特征在于，所述旋盖与端盖之间、旋盖与基座之间、基座与压电陶瓷振动模块之间、压电陶瓷振动模块与固定杆之间通过内螺纹与外螺纹固定安装。

3.根据权利要求2所述的压电超声显微注射器，其特征在于，所述端盖上设有第一外螺纹，旋盖内设有第一内螺纹，第一内螺纹的底部安装有第一环形垫圈；所述旋盖上还设有第二外螺纹，基座内设有第二内螺纹，第二内螺纹的底部安装有第二环形垫圈。

4.根据权利要求2所述的压电超声显微注射器，其特征在于，所述基座上设有光面孔及与光面孔相邻的第三内螺纹，所述压电陶瓷振动模块端部设有伸出杆，伸出杆的末端设有第三外螺纹，所述基座和压电陶瓷振动模块通过第三内螺纹和第三外螺纹固定安装时，伸出杆收容于所述光面孔内。

5.根据权利要求4所述的压电超声显微注射器，其特征在于，所述伸出杆的长度大于光面孔的深度，所述基座和压电陶瓷振动模块之间设有平垫圈。

6.根据权利要求4所述的压电超声显微注射器，其特征在于，所述基座上设有贯穿至光面孔的若干螺纹孔，通过若干螺钉及螺纹孔固定所述基座和压电陶瓷振动模块。

7.根据权利要求2所述的压电超声显微注射器，其特征在于，所述压电陶瓷振动模块上设有第四内螺纹，固定杆上设有第四外螺纹，压电陶瓷振动模块和固定杆通过第四内螺纹和第四外螺纹固定安装。

8.根据权利要求1所述的压电超声显微注射器，其特征在于，所述基座包括倾斜段和水平段，所述旋盖与倾斜段固定安装，压电陶瓷振动模块和水平段固定安装。

9.根据权利要求8所述的压电超声显微注射器，其特征在于，所述基座的水平段上设有接头，所述基座的倾斜段和水平段内设有贯穿至接头的微流道，所述弯头平口注射针的末端延伸至所述微流道内。

10.根据权利要求8所述的压电超声显微注射器，其特征在于，所述水平段和倾斜段之间的夹角为155°，弯头平口注射针的头部弯折角度为155°。