压电超声显微注射器的研究

摘要

随着生物技术的快速发展，显微注射技术已经成为诸如人工辅助生殖等细胞工程研究的重要手段。破膜技术是显微注射的关键技术，破膜穿刺时注射针穿入细胞体内，然后完成相应的注射任务，如外源基因注射、核移植等。传统基于膜穿刺机理的细胞破膜方法在穿刺过程会对细胞造成较大的损伤，进而造成细胞活性降低，影响微注射成功率。目前对细胞破膜损伤的研究主要集中在注射针形状、直径、注射力、显微注射动力学参数及环境等方面，这些研究在一定程度上减小了细胞的损伤，但不可避免的细胞变形依然存在，仍无法有效的提高注射成功率。因此，研究新型微损伤细胞破膜方法对显微细胞注射有着重要的意义。
　　压电破膜注射方法作为一种对细胞损害小、注射成活率高的技术已经广泛的应用于细胞显微注射操作中。但传统压电注射装置存在有害振动大、操作复杂等缺陷，极大的影响了显微注射成功率。本文提出了一种新的压电超声注射器优化设计方法，可有效的抑制显微注射操作过程中的有害振动，减小细胞损伤，为实现安全、高效的显微注射奠定基础。主要研究内容如下：
　　第一，在国内外压电注射方法研究的基础上，对压电显微注射装置进行了分析总结。针对超声技术的特性，研究了超声破膜、切割原理，确定了最佳超声破膜参数，为压电注射器的设计提供理论依据。
　　第二，设计了超声振动发生装置。分析压电陶瓷特性及振动原理，选择合适的压电陶瓷型号，设计了压电陶瓷封装方式以及压电注射器的安装形式。经实验测定，该封装结构稳定可靠。
　　第三，在传统注射装置的基础上，提出了单点固定结构、两点固定结构和尖嘴式注射结构三种设计方案。利用ANSYS软件对结构建模及谐响应分析，分析不同频率下注射针尖的横向振动情况，最终确立了两点固定注射针的初始构型。对设计结构进行了尺寸分析，设计最佳的加工参数，最终加工出压电注射器实物。
　　第四，设计了压电陶瓷驱动和控制模块，实现对压电注射器振动频率和幅值可调的目的，并进行了详细的信号测试。搭建简易的观测平台，利用视觉检测技术对所设计的压电超声注射器进行标定，得到超声振动时注射微针的振动幅值。测试了注射微针在空气中和液体中的横向振动偏移情况，得出偏移对比曲线。经实验测定，新设计注射器可明显减小振动引起的横向位移，注射微针周围环境明显影响其振动横向幅值。
　　最后，利用合作课题组自主开发的NKTY-MR601微操作机器人系统，对小鼠卵细胞进行了注射实验。通过系列对比实验，得到频率为21kHz、幅值20V的最佳破膜参数，验证了压电超声显微注射器设计的合理性和实用性，满足显微注射对细胞微损伤的要求，可实现84％的细胞注射成功率。

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第一章 绪论

1.1课题研究的背景和意义

1.2国内外研究现状

1.3课题来源及主要研究内容

第二章 压电超声破膜机理的研究

2.1超声技术概述

2.2超声振动特性

2.3超声振动破膜注射理论

2.4超声振动总结

2.5本章小结

第三章 压电显微注射器的结构设计与分析

3.1压电陶瓷驱动器选择和设计

3.2显微注射针的制备

3.3压电超声显微注射器总体机构设计

3.4本章小结

第四章 超声振动驱动与控制方法设计

4.1超声破膜驱动和控制结构总体设计

4.2信号发生器

4.3压电陶瓷驱动电源设计

4.4功放模块信号测试

4.5压电陶瓷驱动电源性能测试指标

4.6压电驱动器振动测试

4.7本章小结

第五章 压电超声注射器性能测试与超声破膜实验研究

5.1压电超声注射器性能测试

5.2压电超声注射器细胞破膜实验

5.3本章小结

总结与展望

总结

展望

参考文献

攻读学位论文期间公开发表的论文及科研成果

致谢