[發明專利]一種新型超聲輔助細胞破膜穿刺裝置

在審

• 申請號: 202210677211.3
• 申請日: 2022-06-16
• 公開（公告）號: CN114854580A
• 公開（公告）日: 2022-08-05
• 發明（設計）人: 張宏杰;高嶸心;寧向菲;高欣玥;劉曉晨
• 申請（專利權）人: 天津工業大學
• 主分類號: C12M1/42
• 分類號: C12M1/42;C12M1/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種新型的超聲輔助細胞破膜穿刺裝置，屬于細胞精密微操作技術領域，該裝置由壓電陶瓷振子、機械變幅結構、柔性夾持法蘭、持針器和破膜細針組成，利用微米級超聲機械縱振，實現細胞精準破膜穿刺微操。其中壓電陶瓷振子產生機械超聲振動；機械變幅結構利用錐狀變截面桿實現軸向超聲機械振動的放大；持針器利用內部的兩個橡膠圈實現破膜細針的夾緊安裝，同時降低破膜細針因軸向振動引發的徑向擺振；夾持法蘭引入平行四邊形柔順機構，減小破膜裝置固定安裝引入的擾動力矩對超聲振動能量傳遞效率的影響。新型細胞破膜裝置支持30kHz、60kHz兩種縱振工作模式，不同的工作模式具有不同的能量輸出特性，提升了裝置對不同生物細胞破膜微操的適應性。

技術領域

本發明屬于細胞精密微操作技術領域，特別是涉及一種新型超聲輔助細胞破膜穿刺裝置。

背景技術

1.傳統細胞破膜穿刺裝置是通過電機帶動破膜裝置使得破膜細針與細胞接觸，在穿刺力的作用下，使細胞產生擠壓變形，實現破膜，這種方式常常會破壞細胞的內部結構和組織，造成細胞過度損傷或死亡。利用超聲范圍內的高頻機械振動進行細胞破膜穿刺微操是一項新的技術，通過破膜細針將超聲振動作用在細胞膜上，帶動透明帶局部粒子產生共振，當振動加速度突破一定閾值時，透明帶的局部粒子會脫離原來位置，實現破膜。由于振幅小，在破膜過程中，細胞與透明帶不會發生明顯變形，以避免細胞的過度損傷。因此，基于超聲輔助細胞破膜穿刺微操將會發展成為一種應用廣泛的微損傷破膜手段；

2.目前，超聲輔助細胞破膜穿刺技術常采用壓電振子和破膜細針直連的方式。為了增加壓電振子的輸出振動，需要增加壓電陶瓷的輸入功率，但是單方面增加輸入功率，會顯著增加陶瓷振子的自發熱，長時間工作將導致壓電陶瓷材料的電學非線性現象，進而引發壓電振子的機械非線性問題，使破膜過程中破膜細針的動力學特性發生顯著性變化，破壞超聲能量的有效輸出；同時，細長破膜針在自然狀態下具有較大的撓度，在簡諧激勵作用下產生縱向振動時，會引起其自身的徑向擺振，過大的徑向振動會對細胞造成劃傷；3.為了解決超聲輔助細胞破膜穿刺微操中存在的問題，本發明提出一種新型破膜裝置，在壓電振子和破膜細針間引入了機械變幅結構、持針器和柔性夾持法蘭，在不增加壓電振子輸入功率的情況下，利用機械聚能實現超聲振動的有效傳遞和放大，在持針結構中引入兩點支撐以削弱細長破膜針的徑向振動，同時利用柔性夾持法蘭抑制破膜裝置安裝機架引入的擾動力矩。

發明內容

1.為了克服現有超聲輔助細胞破膜技術中存在的問題，本發明提出一種新型超聲輔助細胞破膜穿刺裝置；

2.本發明為解決公知技術中存在的技術問題所采取的技術方案是：

3.一種新型超聲輔助細胞破膜穿刺裝置，包括壓電陶瓷振子、機械變幅結構、柔性夾持法蘭、持針器和破膜細針，機械變幅結構由機械串聯連接的一級圓柱段和兩級圓錐段構成，實現機械振動能量的二級放大，為細胞破膜提供適宜的超聲振動能量。所述壓電陶瓷振子固定在所述機械變幅結構一級圓柱段的尾端，所述壓電陶瓷振子在控制系統的作用下產生超聲振動，該超聲振動的微小振幅由機械變幅結構放大后并傳輸至持針器，持針器通過其內部橡膠圈，進一步將超聲振動傳遞至破膜細針上，使得細針具有微米級的超聲振動輸出；

4.所述后質量塊和預緊螺釘采用一體化結構和整體加工，結構緊湊，該結構能夠抑制傳統分體結構中，獨立預緊螺栓所導致的細胞破膜裝置工作頻率偏移和寄生模態密集的問題。同時，一體化結構減少了破膜裝置結構件間的結合面數量，更有利于預緊力的均勻分布，促進超聲能置的有效傳遞。此外，后質置塊上設計了適用于內六角扳手和開口扳手擰緊操作的六邊形結構，使得破膜裝置的組裝更加方便；

5.所述柔性夾持法蘭設置在機械變幅結構的軸向振動位移節點處，夾持法蘭連接臂16是在傳統的剛性連接臂上引入了平行四邊形柔順機構，為新型破膜裝置提供沿其振動傳遞方向的平動運動副，以降低破膜裝置使用時，傳統剛性連接引入的擾動力矩對超聲能量軸向傳遞的影響，