压电陶瓷驱动的超声振动显微穿入系统研制

摘要

核移植技术在动物克隆和转基因实验中已逐渐成为应用最广泛和最有效的方法，而使注射针在实现成功穿透卵细胞表层目标透明带以进入到细胞内部的同时又不损伤包裹于透明带内层的细胞膜是该技术面临的主要挑战。目前国外研究中一般使平口注射针在与目标透明带接触时进行超声振动，当超声振动的作用力超过透明带组织的疲劳极限时，即可使组织发生疲劳断裂从而将注射针伸入到细胞内部。为增大针端对目标透明带的作用强度，目前通常在针端加装一段水银，这为实验操作带来了极大的安全隐患。
　　 本文设计并实现的压电陶瓷驱动的超声振动显微穿入系统具备毋须加装水银的特点，有效消除安全隐患，而在不加装水银的前提下依然保证系统输出的超声振动能量较高，且振动频率和振幅均大范围可调是本设计面临的重要挑战。
　　 首先，对系统本体结构设计，采用压电陶瓷作为超声波发生器，其固定端通过固定杆与微操作平台相连，自由端通过持针器将超声振动能量传递到末端的平口注射针。除此，设计中对传统持针器的形状和材料进行改进，从而降低超声振动能量在传递过程中的损耗。
　　 其次，为方便对系统超声振动的频率和振幅进行设定，采取上位机通过USB向下位机传送电压频率和幅值命令的控制方式，以此设计并实现了相应驱动电路。经输出测试，驱动电路与上位机间的USB通信良好，最终可得到频率和幅值分别在1～100kH和0～50V范围内可调的平滑规律的正弦电压波形。经系统搭建，上述电压信号能够激励系统本体结构完成与驱动电压同步的超声振动。
　　 最后，通过对小鼠第二次减数分裂中期的卵细胞进行实验的结果表明，针端外径为2μm的平口注射针进行超声振动时可在未加装水银的前提下瞬时穿入目标透明带，且只使细胞产生微小形变，减小了因操作带来的创伤。尽管针端较细将给实验操作带来一定局限性，但未加装水银的创新点提高了实验的安全性和可操作性，为后续研究奠定基础。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

第一节 超声振动显微穿入系统研究意义

第二节 超声振动显微穿入系统研究现状

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究现状

第三节 论文主要研究内容

1.3.1 论文研究内容

1.3.2 论文章节安排

第二章 超声振动显微穿入系统结构设计

第一节 系统总体设计

第二节 系统压电陶瓷选型与持针器结构设计

2.2.1 压电陶瓷基本参量选择

2.2.2 压电陶瓷电流特性及负载频率特性

2.2.3 系统持针器结构设计

2.2.4 系统压电陶瓷选型设计

第三节 系统结构总体设计

第三章 超声振动显微穿入系统电路和控制方法设计

第一节 超声振动显微穿入系统驱动电路设计

3.1.1 驱动电路整体方案设计

3.1.2 驱动电路数字部分设计

3.1.3 驱动电路模拟部分设计

第二节 超声振动显微穿入系统控制方法设计

3.2.1 上下位机USB通信程序设计

3.2.2 FPGA控制方法实现

第三节 驱动电路输出测试

第四章 超声振动显微穿入系统实验研究

第一节 系统搭建和测试

4.1.1 实验基础

4.1.2 系统搭建

4.1.3 系统振动测试

第二节 实验设计

4.2.1 实验目的

4.2.2 实验步骤

第三节 实验结果和讨论

4.3.1 实验结果

4.3.2 讨论

第五章 结论与展望

第一节 结论

第二节 展望

参考文献

致谢

个人简历、学术论文与研究成果