CN112522098A - 一种声波与微气泡共驱动的多功能微操作装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种声波与微气泡共驱动的多功能微操作装置和方法，通过压电换能器产生声波激发置于液体中管内气泡振荡，气泡附近的卵母细胞在振荡气泡所产生的流场力和二次辐射力的共同作用下实现旋转和移动，再通过调节微压控制系统将卵母细胞固定并利用细胞注射系统完成卵母细胞的注射；避免了在整个操作过程中操作末端与卵母细胞的机械接触，不会对卵母细胞产生损害，且卵母细胞能够保持在原位旋转，能够将其很好地控制在观测范围内；因此本发明具有更好地安全性；另外本发明实现了将卵母细胞的移动、定向和固定通过一个执行器来完成，避免了传统多执行器而引起的操作复杂程度高，低成功率，低效等问题。

Description

一种声波与微气泡共驱动的多功能微操作装置和方法
技术领域
本发明属于微纳操作技术领域，尤其涉及一种声波与微气泡共驱动的多功能微操作装置和方法。
背景技术
近年来，显微操作技术的快速进步为工业、生物医学等领域提供了非常重要的工具。随着在生物组织及细胞检测和操控、微器件的分类和组装等过程中的深入应用，对显微操作技术提出了更高的要求。其中，最为典型的是细胞的显微注射，作为细胞内传递基因、细胞质及药物等物质的一种基本方法，已经广泛应用于细胞发育学、遗传学、转基因等多个领域。细胞显微注射包含细胞的移动、定位、固定及注射四个基本过程，其中细胞的定位主要是通过旋转操作将细胞调整到预期的姿态来适应后期注射位置的需求。特别是对于卵母细胞浆内单精子注射，其细胞核位于细胞的边缘位置，不对称分布，在细胞注射过程中需要通过旋转操作将其重新定向到合适位置，调整细胞核、注射针和固定针在同一平面以保证在显微镜下能够同时观察。因此，在卵母细胞注射过程中，细胞的移动、定位及固定过程是否顺利决定着注射操作的成败。于是，迫切需要创建一种具有多功能的、高效、精准且无损的微操作装置及方法。
迄今为止，实现卵母细胞移动和定位操作较为有效的方式主要分为接触式和非接触式两种。其中，接触式指的是利用多自由度高精度微机械手与固定针配合，通过物理接触的方式直接拨动卵母细胞，从而实现位置控制。其本质上是单纯将宏观上的操作策略通过尺寸上的缩小，然而更高精度的要求使机械手过于复杂并且难以实现较高的稳定性，同时操作终端往往会干扰微操作系统对卵母细胞的监测，影响其位置信息的反馈从而出现操作失误，另外也会给卵母细胞的观测带来不便。最重要的是操作终端常为细玻璃针，与卵母细胞物理接触时会不可避免的对其造成一定程度的机械损伤，严重时会导致卵母细胞变性或失活。而以磁、电、光等作为外场间接作用于卵母细胞的非接触式操作，虽然能够克服机械手物理操作所存在的一些弊端，但仍不能完全防止因磁场、电场或者高温等对卵母细胞的潜在损害，并且此类方法设备复杂且昂贵推广门槛高。
另外，目前在卵母细胞注射过程中，细胞的移动与定位和后面的固定操作大多使用的两个不同的操作器，需要相互配合。这就会增加操作的复杂程度，降低了操作的成功率，延长了操作时间。
综上所述，现有的显微操作技术越来越难以满足例如卵母细胞注射等具有移动、定位和固定等复杂操作过程的需求。
发明内容
为克服上述技术现有的缺陷，本发明提出一种声波与微气泡共驱动的多功能微操作装置和方法。通过声波激发管中气泡周期性振荡，在其周围产生时均流场和二次辐射力实现对目标物的旋转定向操作，通过调节本装置的移动平台可实现目标物的移动，并通过控制微玻璃管内压强实现目标物的固定，有效解决现阶段微操作方法中所存在的功能单一、损害目标物、系统复杂、灵活性差等问题。
一种声波与微气泡共驱动的微操作装置，包括三轴移动平台(1)、微调平台(2)、微压控制系统(3)、微玻璃管(4)、玻璃皿(5)以及压电换能器(6)；
所述微调平台(2)固定在三轴移动平台(1)上，其中三轴移动平台(1)用于调整微调平台(2)的位置；
所述微玻璃管(4)固定在微调平台(2)上，并在后端端口处连有微压控制系统(3)；
所述微压控制系统(3)用于在微玻璃管(4)内产生负压，以使得在充满液体微玻璃管(4)的前端端口处生成气泡(7)，且气泡(7)的整体位于微玻璃管(4)内；
所述压电换能器(6)用于产生设定频率和振幅的声波，以使得所述气泡(7)在声波的激发下出现周期性地振荡，最终在其周围产生时均流场和二次辐射力，带动玻璃皿(5)内微目标旋转和移动。
较佳的，所述微压控制系统(3)在微玻璃管(4)内产生气泡(7)的具体方法为：在充满液体微玻璃管(4)内，通过其前端端口吸入部分空气；再将微玻璃管(4)端口置于玻璃皿(5)中的液体中，在微玻璃管(4)前端端口处生成气泡(7)；最后往微玻璃管(4)前端端口内吸入液体，使得气泡(7)的整体位于微玻璃管(4)内。
较佳的，所述压电换能器(6)包括压电换能片和压电驱动器；所述压电驱动器用于给压电换能片输入正弦信号，使压电换能片产生设定频率和振幅的声波。
较佳的，所述压电换能器(6)用环氧胶粘接在玻璃皿(5)底部。
较佳的，所述微目标为卵母细胞(8)。
较佳的，所述微压控制系统(3)通过微量调整微玻璃管(4)内的压力，可将卵母细胞(8)吸附在微玻璃管(4)的端口。
一种声波与微气泡共驱动的微操作装置的操作方法，包括以下操作步骤：
调节三轴运动平台(1)微调平台(2)，将微玻璃管(4)浸没在玻璃皿(5)中的液体中，并用微压控制系统(3)将微玻璃管(4)内吸满液体，然后调节三轴运动平台(1)，将微玻璃管(4)完全移出液体，用微压控制系统(3)将微玻璃管(4)内吸入部分气体，再次调节三轴运动平台(1)将微玻璃管(4)缓慢浸没于玻璃皿(5)中的液体，利用微压控制系统(3)往微玻璃管(4)内吸入液体，在微玻璃管(4)中形成气液交界面位于管内的气泡(7)；
将卵母细胞(8)放置于玻璃皿(5)的液体中，当其沉入玻璃皿(5)的底部并静止后置于显微镜的视野中；
再次调节微调平台(2)，使得气泡(7)清晰地出现在显微镜视野中，但与卵母细胞(8)保持一定距离；
打开压电换能器(6)的开关，并调整其输出声波的频率和振幅，当声波频率接近气泡(7)的共振频率时，气泡(7)出现振荡，进而在微玻璃管(4)的端口处出现时均流场；
调节三轴运动平台(1)，将玻璃皿(5)中的气泡(7)靠近卵母细胞(8)，卵母细胞(8)在流场力和气泡(7)所产生的二次辐射力的共同作用下开始旋转，之后，缓慢调节三轴运动平台(1)即可带动卵母细胞(8)沿任意轨迹移动；
将卵母细胞(8)移动到目标位置并尽可能的靠近玻璃皿(5)底部，通过降低压电换能器(6)的输入电压，使得卵母细胞(8)转速缓慢下降到最低转速，当转动到预期位姿时，立刻切断压电换能器(6)的输入信号，卵母细胞(8)停止转动并落入玻璃皿(5)底部；
再将微玻璃管(4)缓慢靠近并刚好接触卵母细胞(8)，调节微压控制系统(3)将卵母细胞吸附在微玻璃管(4)的前端端口处，实现卵母细胞(8)的固定；
完成对卵母细胞(8)的注射任务。
本发明具有如下有益效果：
本发明提出一种声波与微气泡共驱动的多功能微操作装置和方法，通过压电换能器产生声波激发置于液体中管内气泡振荡，气泡附近的卵母细胞在振荡气泡所产生的流场力和二次辐射力的共同作用下实现旋转和移动，再通过调节微压控制系统将卵母细胞固定并利用细胞注射系统完成卵母细胞的注射；对比已有的利用微操作机械手系统，本发明避免了在整个操作过程中操作末端与卵母细胞的机械接触，因此不会对卵母细胞产生任何损害，且卵母细胞能够保持在原位旋转，能够将其很好地控制在观测范围内；对比已有的以磁、电、光等作为外场间接作用的非接触式操作，本发明具有更好地安全性；另外本发明实现了将卵母细胞的移动、定向和固定通过一个执行器来完成，避免了传统多执行器而引起的操作复杂程度高，低成功率，低效等问题。
综上，本发明能够有效解决针对一些过程相对复杂的微操作过程中所面临的运动控制复杂、功能单一、损伤目标物、低效、灵活性差等问题。本发明提供的非接触式微操作装置，在卵母细胞移动和定位中显示出了很强的优势，并且省去了在卵母细胞固定时需要更换执行器的操作过程，在卵母细胞注射等的显微操作方法中提出了新的发展方向，表现出巨大的潜力。
附图说明
图1为本发明实施方式的一种声波与微气泡共驱动的多功能微操作装置的结构示意图；
图2为本发明实施方式的一种声波与微气泡共驱动的多功能微操作装置的操作端流场分布示意图；
图3(a)、3(b)和3(c)为本发明实施方式的一种声波与微气泡共驱动的多功能微操作装置对卵母细胞进行旋转、固定、移动机注射的原理示意图；
图4为本发明实施方式的一种声波与微气泡共驱动的多功能微操作装置和方法实施于卵母细胞注射的流程图。
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，下面将以卵母细胞注射为例，并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，该图为本发明实施方式的一种声波与微气泡共驱动的多功能微操作装置的结构示意图。
一种声波与微气泡共驱动的多功能微操作装置，包括三轴移动平台1、微调平台2、微压控制系统3、微玻璃管4、玻璃皿5、压电换能器6；所述微调平台2固定在三轴移动平台1上，其中三轴移动平台1用于调整微调平台2的位置；
所述微玻璃管4固定在微调平台2上，并在固定端口处连有微压控制系统3，起初，微玻璃管4内充满液体，通过微压控制系统3将微玻璃管4内吸入部分空气，在将微玻璃管4端口置于玻璃皿5中的液体中，即可在微玻璃管4端口处生成气泡7，此时的气液交界面凸出于微玻璃管4的端口，再通过调节微压控制系统3，往微玻璃管4内吸入少量液体，使得气泡7的整体位于微玻璃管4内；
需要说明的是，三轴移动平台1可以固定在水平面上。其中，三轴移动平台起到支撑并粗略调整整个操作装置的工作位置，例如可以将气泡7调整到显微镜的视野范围中。微玻璃管4固定在微调平台2上，因此可以调整微调平台2实现对微玻璃管4内气泡7的位置进行方向及位姿调节，例如可以沿其在三轴运动平台1上的安装轴进行360°范围内的旋转，以调整气泡7与玻璃皿5以及卵母细胞8的距离和角度。
所述压电换能器6包括压电换能片和压电驱动器；所述压电驱动器用于给压电换能片输入正弦信号，使压电换能片产生一定频率和振幅的声波。
所述微压控制系统3可微量调整微玻璃管内的压力，通过负压可将卵母细胞8吸附在微玻璃管4的端口。
需要说明的是，所述气泡7在压电换能器6所产生的声波的激发下会出现周期性地振荡，从而在其周围产生时均流场和二次辐射力共同作用在卵母细胞8上，带动卵母细胞8旋转和移动。
需要说明的是，所述压电换能器6可粘接于玻璃皿5的任意适当部位，压电换能片和压电驱动器的安装位置可以相互独立，本发明实施例对压电驱动器在整个装置中的安装位置不受限定，只要压电驱动器能够为压电换能片提供正弦信号，使压电换能片产生一定频率和振幅的声波即可。
可选地，本发明实施例采用的微玻璃管4内外径分别是100μm和200μm，气泡7的直径是150μm，长度是250μm，气液交界面距离微玻璃管4端口30μm；在其他实施方式中，微玻璃管4、气泡7以及气泡7相对于微玻璃管4的位置还可以采用其他尺寸以适应其他目标物，本实施例不再赘述。
本发明实施例提供的一种声波与微气泡共驱动的多功能微操作装置的工作原理为：
在压电换能片中输入一定频率和振幅的正弦信号时，压电换能片变发射相应频率和强度的声波。当声波的频率接近微玻璃管4中气泡7的共振频率时，气泡7在其激发下则会出现明显振荡，这种高速周期性的振荡会带动其附近的液体产生一个时均流场。参见图2，该图为本发明实施方式的一种声波与微气泡共驱动的多功能微操作装置的操作端流场分布示意图，在微玻璃管4端口处形成了两个对称分布的涡流，靠近微玻璃管4中心轴线上的流场方向远离微玻璃管4的管口并且流速相对较高，靠近微玻璃管4管壁位置的流场方向指向管口处且流速相对较低。
另一方面，微玻璃管4中的气泡7振荡后会对其周围物体产生一个近场力，称为二次辐射力或Bjerknes力，这个力对物体的作用方向与物体相对其周围的液体的密度相关，本实施例中卵母细胞8的密度略大于玻璃皿5中的液体，因此卵母细胞8受到气泡7的力为吸引力。
参见图3，该图为本发明实施方式的一种声波与微气泡共驱动的多功能微操作装置对卵母细胞进行旋转、固定、移动机注射的原理示意图。卵母细胞8在液体中受到重力、浮力、气泡7所产生的二次辐射力和流场力。其中重力略大于浮力，方向相反。二次辐射力的方向始终指向气泡7，流场力可以分解成一个使卵母细胞8旋转的转矩和一个远离微玻璃管4管口方向的推力。当气泡7靠近卵母细胞8时，卵母细胞8所受到的二次辐射力、流场力的推力以及克服浮力后的重力平衡，合力为零，因此卵母细胞8可以稳定在气泡附近某一位置，同时，卵母细胞8还受到流场力所分解的一个转矩，在此作用下旋转达到某一转速后与因转动而产生的黏滞力平衡，之后保持恒速旋转。之后，通过利用三轴运动平台1调整微玻璃3的位置，即可带动卵母细胞8沿着任意轨迹移动。整个过程中，卵母细胞8不与微玻璃管4、气泡7的任意位置接触。通过降低压电换能器6的输入电压，使得卵母细胞8转速缓慢下降到最低转速，当转动到预期位姿时，立刻切断压电换能器6的输入信号，卵母细胞8在低雷诺数环境中立刻停止转动并落入玻璃皿5底部。然后将微玻璃管4缓慢靠近并刚好接触卵母细胞8，调节微压控制系统3将卵母细胞吸附在微玻璃管4的端口处，即可实现卵母细胞8的固定，最后利用细胞注射系统10完成对卵母细胞8的注射任务。
由此可见，本发明实施例的装置由三轴移动平台1、微调平台2、微压控制系统3、微玻璃管4、玻璃皿5、压电换能器6组成，结构简单，且仅由压电换能器6提供动力就能实现卵母细胞8的显微注射操作。
实施例二
基于上述实施例，本发明实施例提供一种声波与微气泡共驱动的多功能微操作装置和方法。参见图4，该图为本发明实施方式的一种声波与微气泡共驱动的多功能微操作装置和方法实施于卵母细胞注射的流程图。
一种声波与微气泡共驱动的多功能微操作方法，利用一种声波与微气泡共驱动的多功能微操作装置，应用于卵母细胞显微注射，所述装置包括三轴移动平台1、微调平台2、微压控制系统3、微玻璃管4、玻璃皿5以及压电换能器6，包括以下步骤：
S401：调节三轴运动平台1微调平台2，将微玻璃管4浸没在玻璃皿5中的液体中，利用微压控制系统3在微玻璃管4中形成气泡7；
其中，微玻璃管4浸没在玻璃皿5中的液体后，用微压控制系统3将微玻璃管4内吸满液体，然后调节三轴运动平台1，将微玻璃管4完全移出液体，用微压控制系统3将微玻璃管4内吸入部分气体，再次调节三轴运动平台1将微玻璃管4缓慢浸没于玻璃皿5中的液体，利用微压控制系统3往微玻璃管4内吸入极少量液体，在微玻璃管4中形成气液交界面位于管内的气泡7；
S402：将卵母细胞8放置于玻璃皿5的液体中，当其沉入玻璃皿5的底部并静止后置于显微镜的视野中；
S403：再次调节微调平台2，使得气泡7清晰地出现在显微镜视野中，但与卵母细胞8保持一定距离；
S404：打开压电换能器6的开关，并调整其输出声波的频率和振幅，当声波频率接近气泡7的共振频率时，气泡7出现明显振荡，进而在微玻璃管4的端口处出现时均流场；
可选地，压电换能器6包括压电换能片和压电驱动器，通过压电驱动器给压电换能片输入正弦电压信号，使压电换能片发射声波；
S405：调节三轴运动平台1，将玻璃皿5中的气泡7靠近卵母细胞8，卵母细胞8在流场力和气泡7所产生的二次辐射力的共同作用下开始旋转，
S406：调节三轴运动平台1，将卵母细胞8移动到目标位置并尽可能的靠近玻璃皿5底部，通过降低压电换能器6的输入电压，使得卵母细胞8转速缓慢下降到最低转速，当转动到预期位姿时，立刻切断压电换能器6的输入信号，卵母细胞8在低雷诺数环境中立刻停止转动并落入玻璃皿5底部；
S407：将微玻璃管4缓慢靠近并刚好接触卵母细胞8，调节微压控制系统3将卵母细胞吸附在微玻璃管4的端口处，实现卵母细胞8的固定；
S408：再利用细胞注射系统10完成对卵母细胞8的注射任务。
本发明提出一种声波与微气泡共驱动的多功能微操作装置和方法，通过压电换能器6产生声波激发置于水中管内气泡振荡，气泡7附近的卵母细胞8在振荡气泡所产生的流场力和二次辐射力的共同作用下实现旋转和移动，再通过调节微压控制系统3将卵母细胞8固定并利用细胞注射系统10完成卵母细胞的注射；对比已有的利用微操作机械手系统，本发明避免了在整个操作过程中操作末端与卵母细胞8的机械接触，因此不会对卵母细胞产生任何损害，且卵母细胞能够保持在原位旋转，能够将其很好地控制在观测范围内；对比已有的以磁、电、光等作为外场间接作用的非接触式操作，本发明具有更好地安全性；另外本发明实现了将卵母细胞8的移动、定向和固定通过一个执行器来完成，避免了传统多执行器而引起的操作复杂程度高，低成功率，低效等问题。
虽然此例结合了附图描述了本发明的实施方式，但是对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些也应视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种声波与微气泡共驱动的微操作装置，其特征在于，包括三轴移动平台(1)、微调平台(2)、微压控制系统(3)、微玻璃管(4)、玻璃皿(5)以及压电换能器(6)；
所述微调平台(2)固定在三轴移动平台(1)上，其中三轴移动平台(1)用于调整微调平台(2)的位置；
所述微玻璃管(4)固定在微调平台(2)上，并在后端端口处连有微压控制系统(3)；
所述微压控制系统(3)用于在微玻璃管(4)内产生负压，以使得在充满液体微玻璃管(4)的前端端口处生成气泡(7)，且气泡(7)的整体位于微玻璃管(4)内；
所述压电换能器(6)用于产生设定频率和振幅的声波，以使得所述气泡(7)在声波的激发下出现周期性地振荡，最终在其周围产生时均流场和二次辐射力，带动玻璃皿(5)内微目标旋转和移动。
2.如权利要求1所述的一种声波与微气泡共驱动的微操作装置，其特征在于，所述微压控制系统(3)在微玻璃管(4)内产生气泡(7)的具体方法为：在充满液体微玻璃管(4)内，通过其前端端口吸入部分空气；再将微玻璃管(4)端口置于玻璃皿(5)中的液体中，在微玻璃管(4)前端端口处生成气泡(7)；最后往微玻璃管(4)前端端口内吸入液体，使得气泡(7)的整体位于微玻璃管(4)内。
3.如权利要求1所述的一种声波与微气泡共驱动的微操作装置，其特征在于，所述压电换能器(6)包括压电换能片和压电驱动器；所述压电驱动器用于给压电换能片输入正弦信号，使压电换能片产生设定频率和振幅的声波。
4.如权利要求3所述的一种声波与微气泡共驱动的微操作装置，其特征在于，所述压电换能器(6)用环氧胶粘接在玻璃皿(5)底部。
5.如权利要求1所述的一种声波与微气泡共驱动的微操作装置，其特征在于，所述微目标为卵母细胞(8)。
6.如权利要求5所述的一种声波与微气泡共驱动的微操作装置，其特征在于，所述微压控制系统(3)通过微量调整微玻璃管(4)内的压力，可将卵母细胞(8)吸附在微玻璃管(4)的端口。
7.一种权利要求1所述声波与微气泡共驱动的微操作装置的操作方法，其特征在于，包括以下操作步骤：
调节三轴运动平台(1)微调平台(2)，将微玻璃管(4)浸没在玻璃皿(5)中的液体中，并用微压控制系统(3)将微玻璃管(4)内吸满液体，然后调节三轴运动平台(1)，将微玻璃管(4)完全移出液体，用微压控制系统(3)将微玻璃管(4)内吸入部分气体，再次调节三轴运动平台(1)将微玻璃管(4)缓慢浸没于玻璃皿(5)中的液体，利用微压控制系统(3)往微玻璃管(4)内吸入液体，在微玻璃管(4)中形成气液交界面位于管内的气泡(7)；
将卵母细胞(8)放置于玻璃皿(5)的液体中，当其沉入玻璃皿(5)的底部并静止后置于显微镜的视野中；
再次调节微调平台(2)，使得气泡(7)清晰地出现在显微镜视野中，但与卵母细胞(8)保持一定距离；
打开压电换能器(6)的开关，并调整其输出声波的频率和振幅，当声波频率接近气泡(7)的共振频率时，气泡(7)出现振荡，进而在微玻璃管(4)的端口处出现时均流场；
调节三轴运动平台(1)，将玻璃皿(5)中的气泡(7)靠近卵母细胞(8)，卵母细胞(8)在流场力和气泡(7)所产生的二次辐射力的共同作用下开始旋转，之后，缓慢调节三轴运动平台(1)即可带动卵母细胞(8)沿任意轨迹移动；
将卵母细胞(8)移动到目标位置并尽可能的靠近玻璃皿(5)底部，通过降低压电换能器(6)的输入电压，使得卵母细胞(8)转速缓慢下降到最低转速，当转动到预期位姿时，立刻切断压电换能器(6)的输入信号，卵母细胞(8)停止转动并落入玻璃皿(5)底部；
再将微玻璃管(4)缓慢靠近并刚好接触卵母细胞(8)，调节微压控制系统(3)将卵母细胞吸附在微玻璃管(4)的前端端口处，实现卵母细胞(8)的固定；
完成对卵母细胞(8)的注射任务。
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