自动化细胞注射中微操作与微注射技术及实验研究

论文摘要

细胞注射技术在生物、医疗等领域中扮演越来越重要的角色,但其手工或半自动化操作方式,存在实验效率低、注射量控制难等不足。研究一种自动化程度高、微注射量精确可控的细胞注射技术已成为细胞工程和机械工程的重要课题。微流体数字化技术是南京理工大学微系统研究室发明的、拥有自主知识产权的重要研究成果,该技术为建立与信息化、能量传输及固体运动数字化有同等意义的物质传输数字化开辟了道路,对微流体系统的研究和技术进步有重要意义。本论文以微流体数字化技术为起点,研究自动化细胞注射中微操作与微注射技术。从操作机理、实现方法与装置、验证实验等方面,研究了自动化细胞注射的系统结构和自动补给、位姿调节、数字化进退针、数字化微注射这四项关键技术,取得以下成果:提出了“多操作手分立式”细胞注射系统结构,简化了单操作手的任务和操作方式,降低了图像处理、伺服控制等单元的性能要求,增强了微小工件位置和姿态调节能力,为研制自动化细胞注射系统奠定基础。研制了微流体数字化技术驱动的细胞自动补给仪样机,适合于不同尺寸细胞的定点输送,具有自动计数、自动分离和实时可控等特征。提出了基于流场流动和机械运动耦合控制的细胞位姿调节技术。以细胞培养液为控制介质,分析了细胞位姿调节技术操作机理;建立了被操作细胞工程化模型和淹没射流控制模型;以吸持针为末端执行器,发明了细胞位姿调节用单细胞微操作装置。实现了三维位置坐标和三自由度姿态信息的精确控制。提出了前后端双支撑结构的冲击式微进给驱动原理,建立了该驱动原理的动力学模型,消除了传统惯性式微进给机构质心前后移动引起的横向摆动,进给步长和运动方向实时可调,运行稳定可靠,行程不受限制。研制了具有数字化进退针和数字化微注射双重功能的微注射仪,测试了其进给和喷射性能。具有进给精度高、瞬时速度快、过程实时可控等特征,精度可达纳米量级,刺膜实验效率达149枚/h;实现了注射时间节拍化、微注射量规整化,且脉冲序列人为可控,微注射分辨率达飞升量级。以小鼠卵母细胞为实验对象,进行了自动化细胞注射验证实验研究,实验效率达12枚/h。结果表明:基于细胞自动补给、位姿调节、数字化进退针和数字化微注射这四项特征操作的自动化细胞注射是可行的,“多操作手分立式”系统结构提高了细胞注射自动化程度。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 细胞工程
• 1.1.2 细胞内外源物质导入技术
• 1.2 细胞注射概念与系统组成
• 1.2.1 细胞注射定义及分类
• 1.2.2 细胞注射起源与发展
• 1.2.3 细胞注射操作特点
• 1.2.4 现有细胞注射系统结构与功能组成
• 1.3 细胞注射系统与技术的国内外研究现状
• 1.3.1 细胞注射系统国外研究现状
• 1.3.2 细胞注射系统国内研究现状
• 1.3.3 微流体驱动控制技术现状
• 1.3.4 细胞刺膜技术现状
• 1.4 自动化细胞注射研究热点及难点
• 1.4.1 自动化细胞注射系统结构
• 1.4.2 细胞搜索与定位技术
• 1.4.3 细胞位置与姿态调整技术
• 1.4.4 微注射针快速进给与精确定位技术
• 1.4.5 微注射量精确控制技术
• 1.5 选题意义与研究内容
• 1.5.1 选题意义与课题来源
• 1.5.2 研究内容、技术路线及主要工作
• 1.5.3 论文内容与结构安排
• 2 细胞自动补给实验研究
• 2.1 细胞自动补给研究目的
• 2.2 细胞自动补给技术
• 2.2.1 基本思想
• 2.2.2 前期研究
• 2.2.3 细胞自动补给驱动方式
• 2.2.3.1 微流体数字化技术基本概念与方法
• 2.2.3.2 微流体数字化技术原创特征
• 2.3 细胞自动补给仪的研制
• 2.3.1 细胞自动补给仪工作原理
• 2.3.2 细胞自动补给仪设计
• 2.4 细胞自动补给仪原理验证与性能测试实验
• 2.4.1 驱动原理验证实验
• 2.4.1.1 补给微管道内脉冲微流动
• 2.4.1.2 补给微管道端口处数字化微喷射
• 2.4.2 驱动性能测试实验
• 2.4.2.1 驱动电压与流量关系
• 2.4.2.2 驱动频率与流量关系
• 2.5 小鼠卵母细胞自动补给应用实验
• 2.5.1 小鼠卵母细胞制备与选用
• 2.5.2 细胞补给实验系统及微管道制备
• 2.5.3 自动补给实验
• 2.5.3.1 补给微管道内部运动情形
• 2.5.3.2 补给微管道端口处运动情形
• 2.6 本章小结
• 3 细胞位姿调节技术与实验研究
• 3.1 细胞位姿调节技术研究意义
• 3.1.1 细胞姿态调整需求分析
• 3.1.2 细胞姿态调整现状
• 3.1.3 细胞位姿调节技术研究目的
• 3.2 细胞位姿调节技术
• 3.2.1 细胞微操作方式选择
• 3.2.2 细胞位姿调节难点
• 3.2.3 细胞位姿调节基本思想
• 3.3 细胞位姿调节机理
• 3.3.1 细胞模型及特征平面定义
• 3.3.2 第一平面内细胞旋转运动
• 3.3.3 第二平面内细胞翻滚运动
• 3.3.4 第三平面内末端执行器转动
• 3.4 细胞位姿调节技术控制模型
• 3.4.1 末端执行器内管流控制模型
• 3.4.1.1 物理模型与基本假设
• 3.4.1.2 控制方程
• 3.4.1.3 模型求解
• 3.4.2 末端执行器外射流控制模型
• 3.4.2.1 末端执行器外射流结构
• 3.4.2.2 物理模型
• 3.4.2.3 单射流滚动模型控制方程
• 3.4.2.4 单射流滚动模型仿真
• 3.4.2.5 单射流滚动模型仿真结果与验证
• 3.4.2.6 双射流旋转模型仿真结果与验证
• 3.5 细胞位姿调节实验
• 3.5.1 细胞位姿调节实验系统
• 3.5.2 末端执行器制备
• 3.5.3 细胞位姿调节典型操作方式
• 3.5.3.1 平动转移
• 3.5.3.2 翻转调姿
• 3.5.3.3 旋转变位
• 3.6 本章小结
• 4 数字化进退针装置研究
• 4.1 微注射针刺膜运动性能分析
• 4.2 数字化进退针装置驱动方式选择
• 4.2.1 微进给机构与驱动
• 4.2.2 数字化进退针装置驱动方案提出
• 4.3 数字化进退针装置运动原理
• 4.3.1 工作机理
• 4.3.2 动力学模型建立
• 4.3.3 动力学模型求解与结果讨论
• 4.3.3.1 动力学模型求解
• 4.3.3.2 结果与讨论
• 4.3.4 性能汇总与比较
• 4.4 数字化进退针装置研制
• 4.4.1 数字化进退针装置设计
• 4.4.2 压电驱动系统选择
• 4.4.3 数字化进退针装置及驱动系统
• 4.5 数字化进退针装置性能测试实验
• 4.5.1 性能影响因素分析
• 4.5.2 性能测试实验系统
• 4.5.3 实验结果与分析
• 4.5.3.1 驱动电压对进给精度影响
• 4.5.3.2 驱动频率对进给量影响
• 4.5.3.3 移动块正压力对位移量的影响
• 4.5.4 误差分析
• 4.6 数字化进退针装置在细胞注射中应用
• 4.6.1 数字化刺膜实验装置
• 4.6.2 数字化刺膜实验
• 4.6.3 实验结果与讨论
• 4.6.3.1 驱动电压对实验效率影响
• 4.6.3.2 驱动频率对实验效率影响
• 4.7 本章小结
• 5 数字化微注射仪研制
• 5.1 研究意义与目的
• 5.1.1 细胞注射用微注射器
• 5.1.2 数字化微注射仪研制目的
• 5.2 数字化微注射仪样机
• 5.3 数字化微注射仪性能测试实验
• 5.3.1 微注射针尺寸检测
• 5.3.2 微液滴尺寸检测
• 5.3.3 结果与分析
• 5.4 数字化微注射效果验证实验
• 5.4.1 实验准备
• 5.4.2 数字化微注射
• 5.5 本章小结
• 6 自动化细胞注射验证实验研究
• 6.1 验证实验研究意义
• 6.2 “多操作手分立式”细胞注射实验系统
• 6.2.1 系统功能模块
• 6.2.2 系统装置组成
• 6.3 自动化细胞注射验证实验
• 6.3.1 实验步骤与控制流程
• 6.3.2 小鼠卵母细胞自动化注射实验
• 6.4 本章小结
• 7 总结与展望
• 7.1 工作总结
• 7.2 创新点归纳
• 7.3 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表论文
• 攻读博士学位期间申请专利
• 攻读博士学位期间参与科研项目
• 附录A:实验使用仪器
• 附录B:实验动物、试剂及耗材