一种用于细胞注射的皮升级液体注射装置及注射方法

摘要

本发明属于细胞注射技术领域，具体公开了一种用于细胞注射的皮升级液体注射装置及注射方法，该装置包括细胞注射模块、运动控制模块和显微成像模块；细胞注射模块包括毛细玻璃管、注射针筒、推杆、注射位移台和针筒固定块；运动控制模块包括二维运动平台和三维运动平台，二维运动平台上放置有用于承载待注射细胞的载玻片；注射位移台和注射针筒固定块连接在三维运动平台上，实现毛细玻璃管三维定位；注射针筒上端与推杆连接，下端与毛细玻璃管连接；推杆固定件用于夹持推杆，滑块连接有上位机，通过上位机控制推杆移动达到精确控制皮升级的液体注射。本发明的注射装置注射精度高，结构紧凑简单，成本低。

说明书

技术领域

本发明涉及细胞注射技术领域，尤其涉及一种用于细胞注射的皮升级液体注射装置及注射方法。

背景技术

细胞注射利用尖端极细的玻璃注射针头，将外源物质直接注射到培养的细胞或原核胚胎中，是最常用的进行细胞或早期胚胎操作的一种方法。这种细胞注射的方法，需有高精密的注射仪器和操作设备。传统的细胞注射主要通过研究人员手动操作，因为操作硬件水平的限制，加之操作人员的自身操作能力不一，细胞注射实验的成功率较低、可重复性差。随着生物工程的发展和细胞注射自动化的发展，国内外相关研究机构相继推出了多种自动化细胞注射仪器和平台，但注射精度和定位精度仍然有待提高，同时仪器结构复杂，价格昂贵，需要操作者长时间练习。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于细胞注射的皮升级液体注射装置及注射方法，解决目前细胞注射领域注射精度低和结构复杂的问题。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种用于细胞注射的皮升级液体注射装置，包括细胞注射模块、运动控制模块和显微成像模块；

运动控制模块包括二维运动平台和三维运动平台，二维运动平台上放置有用于承载待注射细胞的载玻片，二维运动平台上用于带动载玻片在X向和Y向移动；

细胞注射模块包括毛细玻璃管、注射针筒、推杆、注射位移台和针筒固定块，注射针筒的内径为微米级；

注射位移台和针筒固定块连接在三维运动平台上，针筒固定块用于夹持注射针筒，注射针筒上端与推杆连接，下端与毛细玻璃管连接；三维运动平台用于带动细胞注射模块在三坐标系内移动；

注射位移台内设有滑块和导轨，滑块安装在导轨上，滑块上固定连接有推杆固定件，推杆固定件用于夹持推杆，滑块连接有上位机；

载玻片放置在毛细玻璃管下方，显微成像模块放置在二维运动平台一侧。

进一步，推杆包括针体和与针体连接的尾部挤压块，针体用于插入注射针筒内，针体的直径为微米级。

进一步，针体采用不锈钢针。

进一步，毛细玻璃管上部安装在注射针筒下端，下部为尖端。

进一步，针筒固定块连接有针筒固定件，针筒固定块与针筒固定件相对的一侧开有半圆槽，两半圆槽形成用于夹持注射针筒的通道。

进一步，推杆固定件包括连接板和夹持板，连接板上开有两个螺栓孔，夹持板上开有U形槽，形成前挡板和后挡板；

在前挡板上开有V形槽，后挡板设有紧定螺钉。

进一步，三维运动平台包括X方向线性位移台、Y方向线性位移台和Z方向线性位移台；X方向线性位移台内设有第一导轨，第一导轨上套设有第一滑块，Y方向线性位移台固定在第一滑块上；Y方向线性位移台内设有第二导轨，第二导轨上套设有第二滑块，在第二滑块上设有连接块，Z方向线性位移台连接在连接块上；Z方向线性位移台内设有第三导轨，第三导轨上套设有第三滑块，注射位移台和针筒固定块固定连接在第三滑块上。

进一步，显微成像模块包括螺纹连接的显微相机和高倍显微镜头，显微相机通过相机固定板固定在相机支架上。

本发明还公开了所述的一种用于细胞注射的皮升级液体注射装置的注射方法，包括以下步骤：

S1、将注射针筒中吸入注射液体，且将注射针筒固定于针筒固定件上；

S2、在二维运动平台上放置载有待注射细胞的载玻片；

S3、控制二维运动平台和三维运动平台移动，直至显微成像模块观察到毛细玻璃管的下端和待注射细胞置于视野范围内并对齐；

S4、通过三维运动平台控制毛细玻璃管刺入待注射细胞；

S5、在上位机上设置参数，通过上位机控制滑块移动，滑块带动推杆向下运动，将注射针筒中的注射液体推出。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明公开了一种用于细胞注射的皮升级液体注射装置及注射方法，该注射装置包括细胞注射模块、显微成像模块、二维运动平台和三维运动平台，二维运动平台上放置有用于承载待注射细胞的载玻片，显微成像模块用于观测毛细玻璃管与细胞的相对位置；细胞注射模块包括毛细玻璃管、注射针筒、推杆、注射位移台和针筒固定块，注射位移台和针筒固定块连接在三维运动平台上，通过三维运动平台带动细胞注射模块在三坐标系内移动，通过二维运动平台带动载玻片做初步对其移动；注射位移台内设有导轨滑块机构，滑块连接有上位机，通过上位机控制滑块移动，滑块带动推杆向下运动，将注射针筒中的注射液体推出，实现毛细玻璃管的皮升级液体注射。通过上位机控制推杆实现纳米级步进距离，同时结合微米级的针筒内径，达到精确控制皮升级的液体注射的目的。该注射方法精度高，且本发明的结构紧凑简单，成本低。

进一步，注射针筒和针体具有相同大小的微米级内径，保证了推杆在注射针筒内的运动，保证了注射精度和稳定性。

进一步，毛细玻璃管使用玻璃毛细管拉制而成，尖端直径可达0.1微米，人体细胞的直径在5-200微米之间，动物细胞大小在20-30微米之间，该毛细玻璃管满足绝大部分细胞注射使用需求。

附图说明

图1为本发明的用于细胞注射的皮升级液体注射装置的结构示意图；

图2为本发明的毛细玻璃管、注射针筒和推杆连接的结构示意图；

图3为本发明的推杆固定件的结构示意图；

图4为本发明细胞注射的皮升级液体注射方法流程图。

其中，1为毛细玻璃管，2为注射针筒，3为推杆，4为推杆固定件，5为注射位移台，6为针筒固定块，7为针筒固定件，8为针筒固定板，9为固定螺钉，10为X方向线性位移台，11为Y方向线性位移台，12为Z方向线性位移台，13为平板连接块，14为减震台，15为直角连接块，16为二维运动平台，17为载玻片，18为显微相机，19为高倍显微镜头，20为相机固定板，21为相机支架，22为直角连接件，23为滑块，24为导轨；

31为针体，32为尾部挤压块；

41为连接板，42为夹持板，43为螺钉孔，44为V形槽，45为U形槽，46为紧定螺钉。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

如图1所示，本发明公开了一种用于细胞注射的皮升级液体注射装置，包括细胞注射模块、运动控制模块和显微成像模块，细胞注射模块、运动控制模块和显微成像模块集成在减震台14上。

细胞注射模块包括毛细玻璃管1、注射针筒2、推杆3、推杆固定件4和注射位移台5，用于实现毛细玻璃管1的精确微量注射。毛细玻璃管1通过注射针筒2端部的安装孔紧密连接，同时更换方便。注射针筒2通过针筒固定块6固定于针筒固定板8上，方便注射针筒2的安装与拆卸。

针筒固定块6连接有针筒固定件7，针筒固定块6与针筒固定件7相对的一侧开有半圆槽，两半圆槽形成用于夹持注射针筒2的通道。针筒固定块6和针筒固定件7通过手动固定螺钉9连接，两半圆槽内都设有橡胶软垫，可以保护注射针筒2不会因手动固定螺钉9施加压力过大而损坏，同时增加了注射针筒2与针筒固定块6和针筒固定件7之间的摩擦力，防止针筒移动。

如图2所示，推杆3由微米直径的针体31和尾部挤压块32组成，针体31采用不锈钢针，与注射针筒2的内壁紧密结合。通过推杆3在注射针筒2中的不锈钢针部分注射微量液体到毛细玻璃管1的顶部。推杆3的尾部通过推杆固定件4固定在注射位移台5上。推杆固定件4使不锈钢针和注射针筒2内腔轴线重合。

注射位移台5通过螺钉固定在针筒固定板8上，注射位移台5具有纳米级精度，其通过推杆固定件4带动推杆3挤压注射针筒2内的液体到达毛细玻璃管1的端部完成细胞注射。注射位移台5的纳米级微量运动结合注射针筒2的微米级内径，实现了本发明液体注射装置的皮升级液体注射。同时减小注射针筒2的内径和推杆3的外径，可实现本发明注射装置的更加微量的注射控制。

注射位移台5内设有滑块23和导轨24，滑块23安装在导轨24上，滑块上固定连接有推杆固定件4，推杆固定件4用于夹持推杆3，滑块23通过伺服电机连接有上位机，在上位机可设置运动速度、最小步长和运动距离等参数，进而控制推杆3的位移，以达到控制注射的液体量。

运动控制模块包括二维运动平台16和三维运动平台，盛放有待注射细胞的载玻片17放置于二维运动平台16上，通过旋转二维运动平台16上的控制旋钮移动载玻片17，使待注射细胞与毛细玻璃管1位置大致相同。

三维运动平台包括X方向线性位移台10、Y方向线性位移台11和Z方向线性位移台12三个精密电动线性平台，用于实现控制毛细玻璃管1的三维运动。其中X方向线性位移台10通过平板连接块13与减震台14连接，X方向线性位移台10上安装了Y方向线性位移台11，Y方向线性位移台11通过直角连接块15与Z方向线性位移台12连接，针筒固定板8固定在Z方向线性位移台12的滑块上。通过X方向线性位移台10、Y方向线性位移台11和Z方向线性位移台12三个精密电动线性平台带动针筒固定板8实现毛细玻璃管1尖端的精确三维运动。同时，Y方向线性位移台11与Z方向线性位移台12也可以使用带有一定角度的连接块连接，从而使毛细玻璃管1获得一定的初始注射角度，可以完成更加广泛的注射功能。

具体地，X方向线性位移台10通过螺栓与平板连接块13连接，平板连接块13通过螺钉与减震台14连接。X方向线性位移台10内设有第一导轨，第一导轨上套设有第一滑块，Y方向线性位移台11固定在第一滑块上；Y方向线性位移台11内设有第二导轨，第二导轨上套设有第二滑块，在第二滑块上设有连接块，Z方向线性位移台12连接在连接块上；Z方向线性位移台12内设有第三导轨，第三导轨上套设有第三滑块，注射位移台5和针筒固定块6通过针筒固定板8固定连接在第三滑块上。

显微成像模块主要由显微相机18和高倍显微镜头19组成，其用于观测毛细玻璃管1尖端和载玻片17上待注射细胞的相对位置。其中显微相机18和高倍显微镜头19通过螺纹连接，显微相机18通过相机固定板20固定在相机支架21上，相机支架21通过直角连接件22固定在减震台14上。显微成像功能也可通过倒置式生物显微镜等其他方式提供。

该装置通过注射位移台5的纳米级微量运动和注射针筒2的微米级内径，实现了皮升级液体注射。组合使用了三个方向的精密线性平台，实现了毛细玻璃管1尖端纳米级定位。同时，该装置结构简单、成本低，可广泛应用于细胞注射领域。

本发明所述毛细玻璃管1使用玻璃毛细管拉制而成，尖端直径可达0.1微米，人体细胞的直径在5-200微米之间，动物细胞大小在20-30微米之间，该毛细玻璃管1满足绝大部分细胞注射使用需求。毛细玻璃管1通过注射针筒2端部的安装孔紧密连接，更换方便。

注射针筒2使用玻璃材料制成，有效减少了推杆3的推注阻力，有利于注射过程的平均性。注射针筒2的外壁上刻有刻度线、最小分辨率和量程，可通过眼睛观测大致注射量，方便实验记录。注射针筒2具有微米级内径，其大小和推杆3外径相同，保证了推杆3在注射针筒2内的运动，同时不留空隙，保证了注射精度和稳定性。同时减小注射针筒2的内径和推杆3的外径，可实现本发明装置更加微量的注射控制。

推杆3由微米直径的不锈钢针和尾部挤压块32组成，与注射针筒2的内壁紧密结合。通过推杆3挤压注射针筒2内的液体将微量液体通过毛细玻璃管1注射到细胞中。

最小理论注射量为注射针筒2内壁横截面积与注射位移台5最小位移的乘积。注射位移台5的纳米级进给运动结合注射针筒2的微米级内径，实现了本发明液体注射装置的皮升级液体注射精度。

如图3所示，推杆固定件4由铝块加工而成，包括连接板41和夹持板42，连接板41上开有两个螺栓孔，夹持板42上开有U形槽45，形成前挡板和后挡板，在前挡板上开有V形槽44，V形槽44底部设有与不锈钢针相同直径的弧形支撑面，不锈钢针安装在此弧形支撑面上。后挡板设有手动紧定螺钉46。

U形槽45的高度大于尾部挤压块32，用于放置尾部挤压块32。通过手动紧定螺钉46，固定尾部挤压块32。

同时，本发明提供了一种用于细胞注射的皮升级液体注射方法。其中，该所述细胞注射方法采用上述用于细胞注射的皮升级液体注射装置。如图4所示，本发明提供的用于细胞注射的皮升级液体注射方法主要包括以下几个步骤：

S1、将注射针筒2中吸入注射液体；

S2、安装注射针筒2于针筒固定件7上；

S3、在二维运动平台16上放置载有待注射细胞的载玻片17；

S4、使用三维运动平台和显微相机18，使毛细玻璃管1尖端和待注射细胞置于视野范围内并对齐；

S5、通过三维运动平台控制毛细玻璃管1精准刺入待注射细胞；

S6、在上位机上设置参数，通过上位机控制滑块移动，滑块带动推杆3向下运动，将注射针筒2中的注射液体推出，对待注射细胞进行精确定量注射。

待注射操作完成，通过三维运动平台控制毛细玻璃管1离开注射细胞，取下载有已注射细胞的载玻片17，完成整个操作过程。

通过上述步骤，实现了精确微量细胞注射，对于细胞培养、体外受精、早期胚胎显微操作具有指导意义。同时，该细胞注射的皮升级液体注射方法注射精度高、毛细玻璃管1尖端定位精度高，可广泛应用于细胞注射领域。

本发明结合了微米级毛细玻璃管1、纳米级定位方法和皮升级注射方法，装置结构设计简单、成本低、实用性强，可广泛应用于细胞精密定量注射。