專利名稱：一種單細胞位置調節裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及單細胞位置調節技術領域，具體涉及一種單細胞位置調節裝置。
背景技術：
目前，生物工程中的細胞顯微操作基本處于手動或半自動狀態，存在著效率低、精度低、可重復性低、成本高、勞動強度大等問題，大大制約了顯微操作技術的普及和應用。此夕卜，培養一個熟練的操作人員要花2年的時間。科研人員普遍希望能夠以機械代替手工，以自動代替手動，使顯微操作技術能夠簡單化、自動化，進而實現工程化。細胞顯微操作過程中，細胞的定位操作目前是通過吸持管的吸吐來完成，通過泵瞬時抽吸使吸持管端部呈負壓來吸取細胞，比較容易實現，但是屬于直接接觸式操作。直接接觸式的方法會傷害到細胞，影響實驗的成功率。非接觸式的操作方法可避免或減少給細胞帶來的傷害，是國內外研究人員研究的主流。在這樣的背景下，本實用新型提出非接觸的流體裹挾細胞的方法，運用三自由度微動平臺控制細胞夾持管實現亞微米級的三維運動，兩只細胞夾持管在細胞兩側相對分布，通過兩只細胞夾持管噴射流體，在細胞表面形成較均勻壓力，當細胞夾持管移動時，細胞隨之移動。本裝置通過三自由度微動平臺調整細胞夾持管之間的相對位置，通過微泵調節管內壓力或流量，對細胞尺寸、形狀的變化有較大的適應性，自動實現細胞的任意三維位置調節。

實用新型內容本實用新型目的在于克服現有技術存在的上述不足，提供一種單細胞位置調節裝置，具體技術方案如下。—種單細胞 位置調節方法中，通過兩根細胞夾持管噴射的流體，在細胞表面形成較均勻壓力，左右噴管噴出的流體沖向細胞其效果如兩股流體握持細胞。穩定夾持后，當微管移動時，細胞隨之移動，從而實現對細胞的位置調節。本實用新型還提供單細胞位置調節裝置，包括兩根細胞夾持管、兩根軟微管、兩個三自由度微動平臺和為細胞夾持管提供所需要流量的微泵單元；每根細胞夾持管各自獨立通過一根軟微管與所述微泵單元相連接；兩根細胞夾持管各自獨立安裝在一個三自由度微動平臺上，且兩根細胞夾持管的末端分布在細胞兩側。進一步優化的，所述兩根細胞夾持管形狀和大小相同。進一步優化的，細胞夾持管內徑與細胞直徑的比例為1:2 10:1，細胞夾持管端部與細胞中心的距離為I 3倍的細胞直徑，微泵流量為I 300ml/h，細胞夾持管管內流體的表壓為0.5 lOkPa。進一步優化的，所述兩個三自由度微動平臺均由一個控制器控制。進一步優化的，所述微泵單元包括一個微泵，每根細胞夾持管均通過軟微管與微泵連接，每根軟微管上均設有閥門。上述的單細胞位置調節裝置中，所述控制單元包括兩個三自由度微動平臺及控制其運動的六通道控制器。兩根夾持管分別固定安裝在兩個三自由度微動平臺上，微動平臺與所述六通道控制器連接。上述的單細胞位置調節裝置中，所述微泵單元包括一個微泵，每根細胞夾持管均通過軟微管與微泵連接，每根軟微管上均設有閥門。上述的位置調節裝置中，每根細胞夾持管在對應的三自由度微動平臺的控制下可以實現亞微米級的3維移動。細胞夾持管通過軟微管與微泵單元相連接，可以減小三自由度微動平臺帶動玻璃夾持管伸縮移動時的阻力。微泵單元為細胞夾持管提供所需要流量，使之在細胞周圍形成關于細胞近似對稱的流場，在細胞表面形成較均勻、穩定的壓力分布，裹挾細胞，穩定夾持后，通過控制器控制三自由度微動平臺移動細胞夾持管實施細胞的位置調節。所述的單細胞位置調節裝置裝配在具有視覺伺服系統的顯微操作平臺上，通過計算機控制能實現細胞位置調節操作過程的自動化。上述裝置采用三自由度微動平臺與微流體流動相結合的操作控制方式，在細胞位置調節操作過程中，利用兩根細胞夾持管噴射流體產生的流體壓力及流體粘性力來夾持細胞，實現對單細胞進行精確的位置調節操作。操作過程中不會對細胞產生任何機械損害，并且在計算機視覺伺服系統配合下進行操作，可以提高細胞顯微操作成功率。與現有技術相比，本實用新型具有顯著的優點:(I)可以根據不同細胞尺寸形狀，溶液類型，調整細胞夾持管之間的相對位置和改變細胞夾持管的直徑，實現細胞位置控制，提高了細胞位置顯微操作裝置的通用性。(2)采用三自由度微動平臺控制夾持管的伸縮，實現低成本、高精度的三自由度亞微米級精確定位。(3)運用流體壓力和粘性力實現對細胞的無接觸夾持和平移，對細胞沒有任何機械傷害，提高實驗的成功率。

圖1為細胞位置·條件裝置示意圖。圖2是細胞夾持管三自由度移動控制系統構成示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型的具體實施作進一步介紹，但本實用新型的實施和保護范圍不限于此。如圖1，單細胞位置調節裝置，包括兩根細胞夾持管(I和2)，用于分別控制每根細胞夾持管做伸縮移動的三自由度微動平臺和為細胞夾持管提供所需要的流量的微泵單元7 ;每根細胞夾持管均有一端分別通過軟微管(5和6)與所述微泵單元7相連接，其中兩根細胞夾持管位于同一直線上，并在細胞兩側分布。兩根細胞夾持管(I和2)分別固定安裝在兩個三自由度微動平臺(3和4)上，兩個三自由度微動平臺(可以采用KOHZU ZA系列3自由度微動平臺)與所述六通道控制器8 (可以采用KOHZU SC-021系列驅動器)連接，兩個三自由度微動平臺(3和4)的運動由六通道控制器8控制。如圖2所示，兩個三自由度微動平臺(3和4)在六通道控制器8的控制下，移動范圍為±0.5mm，可以實現亞微米級的定位精度，滿足細胞位置調整操作的控制要求。所述微泵單元7包括一個微泵，每根細胞夾持管均通過閥門與微泵連接。兩根細胞夾持管由同一個微泵提供流量并且由閥門分別控制各細胞夾持管的流量。微泵單元7與細胞夾持管(I和2)之間采用彎曲軟微管(5和6)連接，可減小三自由度微動平臺驅動細胞夾持管伸縮時的阻力。本實用新型裝置將細胞夾持管(I和2)裝配到一起，形成一個顯微操作整體單元，并安裝在具有視覺伺服系統的三維顯微操作平臺上。所述的兩根細胞夾持管(I和2)均是由玻璃毛細管經拉制、磨削、鍛造等工序制作而成，前端均具有平整的操作面。利用本實用新型裝置對細胞的位置調整和定位操作由細胞夾持管(I和2)協調動作完成。首先由微泵單元7為細胞夾持管(I和2)提供流量，將細胞12夾持在兩支細胞夾持管(I和2)之間，細胞12與兩支細胞夾持管(I和2)的前端均位于細胞液13中。隨后通過六通道控制器8控制三自由度微動平臺(3和4)移動細胞夾持管，對細胞進行三維移動。上述位置調節裝置中，兩根細胞夾持管分布在細胞兩側，且兩支細胞夾持管位于同一直線上，可以微調細胞在細胞夾持管(I和2)間的位置。當細胞夾持管端部與細胞中心的距離約為I 2倍的細胞直徑時，由于細胞兩側壓力不同細胞將在壓差作用下自行移動，當某一細胞夾持管與細胞之間的距離超過這一范圍時，例如，當細胞12過于靠近細胞夾持管I端面時，可利用微泵單元7增大細胞夾持管I的流量或減小細胞夾持管2的流量來調節細胞12相對細胞夾持管的位置。最終在兩根細胞夾持管I和2的配合下，使細胞12到達中間的平衡位置。其中細胞夾持管I和2流速的大小根據細胞的形狀大小通過計算或實驗而定。當被操作細胞12的位置調整完成后，再控制其他微操作工具對細胞12進行姿態調整以及注射、切割等操作，以完成生物顯微操作實驗。上述所有操作均可在具有視覺伺服系統的顯微操作平臺上完成，具有較高的自動化程度。在三自由度微動平臺和流場微流體流動的混合作用下，通過細胞夾持管(1、2)的協調動作，可實現細胞的位置調節，并且不會對被操作細胞產生任何機械損害。通過計算流 體力學(CFD)數值模擬軟件Fluent 6.3.26數值仿真可得到細胞表面壓力分布，細胞直徑80um，細胞夾持管直徑為400um (細胞直徑5倍)，細胞夾持管間距為270um (細胞夾持管端部到細胞中心距離為細胞直徑1.75倍)，細胞夾持管噴出速度為
0.77m/s,計算結果顯示此時細胞表面最大壓力為1039Pa，最小壓力為969Pa。最大最小壓力偏差僅為最大壓力的6.8%，夾持管噴出的流體在細胞周圍形成較為均勻的壓力分布，對細胞產生裹挾的效應。夾持穩定后，當夾持管運動時，將帶動細胞移動。作為實例，在顆粒及細胞夾持管直徑均為80um，細胞夾持管間距為250um (夾持管端部到細胞中心距離為細胞直徑1.56倍)，微泵流量為5.5ml/h的條件下，細胞夾持管能夾持顆粒完成平移
權利要求1.一種單細胞位置調節裝置，其特征在于包括兩根細胞夾持管、兩根軟微管、兩個三自由度微動平臺和為細胞夾持管提供所需要流量的微泵單元；每根細胞夾持管各自獨立通過一根軟微管與所述微泵單元相連接；兩根細胞夾持管各自獨立安裝在一個三自由度微動平臺上，且兩根細胞夾持管的末端分布在細胞兩側。
2.根據權利要求1所述的單細胞位置調節裝置，其特征在于:兩根細胞夾持管形狀和大小相同。
3.根據權利要求1所述的單細胞位置調節裝置，其特征在于，細胞夾持管內徑與細胞直徑的比例為1:2 10:1，細胞夾持管端部與細胞中心的距離為I 3倍的細胞直徑，微泵流量為I 300ml/h，細胞夾持管管內流體的表壓為0.5 lOkPa。
4.根據權利要求1所述的單細胞位置調節裝置，其特征在于兩個三自由度微動平臺均由一個控制器控制。
5.根據權利要求f4任一項所述的單細胞位置調節裝置，其特征在于所述微泵單元包括一個微泵，每 根細胞夾持管均通過軟微管與微泵連接，每根軟微管上均設有閥門。
專利摘要本實用新型提供一種單細胞位置調節裝置。所述裝置包括兩根細胞夾持管、兩根軟微管、控制單元和為細胞夾持管提供所需要的流量的微泵單元；每根細胞夾持管均通過軟微管與所述微泵單元相連接；兩根細胞夾持管安裝在所述控制單元上且分布在細胞兩側。在細胞調節操作過程中，利用夾持管間的流體壓力及流體粘性力來夾持細胞，通過夾持管的移動無接觸裹挾細胞運動，實現對細胞位置的調節；本實用新型能適用于不同形狀、尺寸的細胞，實現細胞的三維位置調節，不會對細胞產生機械損害，有利于提高細胞實驗操作的成功率。
文檔編號C12M1/00GK203112838SQ201320069550

公開日2013年8月7日 申請日期2013年2月6日 優先權日2013年2月6日
發明者黃維軍, 雷武臣, 張勤 申請人:華南理工大學