数字化进退针装置在显微注射中的应用实验

　　0　引言

　　细胞显微注射是一种在显微镜视野内,微注射针通过机械方式穿刺细胞膜,刺入指定注射位置,将基因物质注入细胞的技术,是生产转基因动物的主要手段[1]。被注射细胞变形程度和基因物质注射位置与微注射针进退针操作的刺膜速度、进给精度和可控性等特征密切相关,决定了细胞显微注射实验成功率和转基因动物生产效率,成为基因工程的研究热点[2,3]。现有显微操作系统主要由Narishige、Sutter、Eppendorf等公司生产,进退针操作以传统机械式、液压球铰式等手控驱动方式为主,进针速度慢,进给精度低,操作人员培训需投入大量时间和资金,实验过程受操作人员技能、精力、情绪等因素干扰,生产效率低,可重复性差,限制了显微注射技术的应用。国外学者利用压电陶瓷伸缩变形和硅加工工艺研制的微操作装置具有刺膜速度　　快、控制精度高等优点,但存在行程小、非线性失真严重、环境要求苛刻、成本高等不足,无法满足基因工程的发展需求[2-4]。

　　基于惯性式微进给机构原理[5,6],笔者研制了显微注射用的数字化进退针装置。以小鼠卵母细胞为实验材料,进行数字化穿刺细胞膜实验(以下称数字化刺膜实验),研究了数字化进退针装置带动微注射针穿刺细胞膜的效果。

　　1　数字化刺膜实验原理

　　1.1　数字化进退针装置

　　数字化进退针装置采用压电驱动方式,如图1所示。压电驱动器为装置动力源,前后端质量块正压力和摩擦力由前后端压电陶瓷调节。计算机发送数字化波形至压电驱控电源,控制压电驱动器和前后端压电陶瓷的驱动电压,使压电驱动器形成低频可控微振动,驱动前后端质量块产生周期性轴向惯性力,克服摩擦力运动。在惯性力和摩擦力交替作用下,数字化进退针装置实现步进式微进给运动。

　　数字化进退针装置的控制参数包括压电驱动器驱动电压U、频率f、脉冲数目n和前后端压电陶瓷驱动电压Uf、Ub等,运动具有进给精度高、运动速度快、过程参数可控等特性,精度可达纳米级,进给量和进退针操作方式可数字化控制。

　　1.2　数字化刺膜实验原理

　　作为有机生命体,细胞的严整结构与其生物活性密切相关。细胞膜由磷脂和蛋白质分子组成,具有很大的弹性,要求微注射针快速穿刺细胞膜,减小细胞变形,避免破坏细胞内部具有信息传递和物质传输等功能的骨架结构[7]。

　　数字化刺膜实验系统由数字化进退针装置、压电驱控电源、吸持针夹持机构、微注射针及其压力控制器、吸持针及其压力控制器、倒置式显微镜及CCD摄像系统等组成,如图2所示。吸持针固定细胞后,调整至一定位置,设定数字化进退针装置压电驱动器的驱动参数,带动微注射针对准指定注射位置进针刺膜;刺入注射位置后,经微量细胞注射后,再调整前后端质量块正压力,使微注射针自动退出细胞。