[發明專利]一種聲波與微氣泡共驅動的多功能微操作裝置和方法

有效

• 申請號: 202011359680.8
• 申請日: 2020-11-27
• 公開（公告）號: CN112522098B
• 公開（公告）日: 2022-03-22
• 發明（設計）人: 劉曉明;李玉洋;李鵬云;柳丹;唐曉慶;陳卓;黃強;新井健生
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: C12M1/42
• 分類號: C12M1/42;C12M1/36;C12M1/24;C12M1/00;C12N15/89
• 代理公司: 北京理工大學專利中心 11120
• 代理人: 李微微

本發明提出了一種聲波與微氣泡共驅動的多功能微操作裝置和方法，通過壓電換能器產生聲波激發置于液體中管內氣泡振蕩，氣泡附近的卵母細胞在振蕩氣泡所產生的流場力和二次輻射力的共同作用下實現旋轉和移動，再通過調節微壓控制系統將卵母細胞固定并利用細胞注射系統完成卵母細胞的注射；避免了在整個操作過程中操作末端與卵母細胞的機械接觸，不會對卵母細胞產生損害，且卵母細胞能夠保持在原位旋轉，能夠將其很好地控制在觀測范圍內；因此本發明具有更好地安全性；另外本發明實現了將卵母細胞的移動、定向和固定通過一個執行器來完成，避免了傳統多執行器而引起的操作復雜程度高，低成功率，低效等問題。

技術領域

本發明屬于微納操作技術領域，尤其涉及一種聲波與微氣泡共驅動的多功能微操作裝置和方法。

背景技術

近年來，顯微操作技術的快速進步為工業、生物醫學等領域提供了非常重要的工具。隨著在生物組織及細胞檢測和操控、微器件的分類和組裝等過程中的深入應用，對顯微操作技術提出了更高的要求。其中，最為典型的是細胞的顯微注射，作為細胞內傳遞基因、細胞質及藥物等物質的一種基本方法，已經廣泛應用于細胞發育學、遺傳學、轉基因等多個領域。細胞顯微注射包含細胞的移動、定位、固定及注射四個基本過程，其中細胞的定位主要是通過旋轉操作將細胞調整到預期的姿態來適應后期注射位置的需求。特別是對于卵母細胞漿內單精子注射，其細胞核位于細胞的邊緣位置，不對稱分布，在細胞注射過程中需要通過旋轉操作將其重新定向到合適位置，調整細胞核、注射針和固定針在同一平面以保證在顯微鏡下能夠同時觀察。因此，在卵母細胞注射過程中，細胞的移動、定位及固定過程是否順利決定著注射操作的成敗。于是，迫切需要創建一種具有多功能的、高效、精準且無損的微操作裝置及方法。

迄今為止，實現卵母細胞移動和定位操作較為有效的方式主要分為接觸式和非接觸式兩種。其中，接觸式指的是利用多自由度高精度微機械手與固定針配合，通過物理接觸的方式直接撥動卵母細胞，從而實現位置控制。其本質上是單純將宏觀上的操作策略通過尺寸上的縮小，然而更高精度的要求使機械手過于復雜并且難以實現較高的穩定性，同時操作終端往往會干擾微操作系統對卵母細胞的監測，影響其位置信息的反饋從而出現操作失誤，另外也會給卵母細胞的觀測帶來不便。最重要的是操作終端常為細玻璃針，與卵母細胞物理接觸時會不可避免的對其造成一定程度的機械損傷，嚴重時會導致卵母細胞變性或失活。而以磁、電、光等作為外場間接作用于卵母細胞的非接觸式操作，雖然能夠克服機械手物理操作所存在的一些弊端，但仍不能完全防止因磁場、電場或者高溫等對卵母細胞的潛在損害，并且此類方法設備復雜且昂貴推廣門檻高。

另外，目前在卵母細胞注射過程中，細胞的移動與定位和后面的固定操作大多使用的兩個不同的操作器，需要相互配合。這就會增加操作的復雜程度，降低了操作的成功率，延長了操作時間。

綜上所述，現有的顯微操作技術越來越難以滿足例如卵母細胞注射等具有移動、定位和固定等復雜操作過程的需求。

發明內容

為克服上述技術現有的缺陷，本發明提出一種聲波與微氣泡共驅動的多功能微操作裝置和方法。通過聲波激發管中氣泡周期性振蕩，在其周圍產生時均流場和二次輻射力實現對目標物的旋轉定向操作，通過調節本裝置的移動平臺可實現目標物的移動，并通過控制微玻璃管內壓強實現目標物的固定，有效解決現階段微操作方法中所存在的功能單一、損害目標物、系統復雜、靈活性差等問題。

一種聲波與微氣泡共驅動的微操作裝置，包括三軸移動平臺(1)、微調平臺(2)、微壓控制系統(3)、微玻璃管(4)、玻璃皿(5)以及壓電換能器(6)；

所述微調平臺(2)固定在三軸移動平臺(1)上，其中三軸移動平臺(1)用于調整微調平臺(2)的位置；

所述微玻璃管(4)固定在微調平臺(2)上，并在后端端口處連有微壓控制系統(3)；

所述微壓控制系統(3)用于在微玻璃管(4)內產生負壓，以使得在充滿液體微玻璃管(4)的前端端口處生成氣泡(7)，且氣泡(7)的整體位于微玻璃管(4)內；