压电驱动下显微注射仪的设计

　　在细胞克隆、细胞杂交、染色体及胚胎移植等细胞操作中必须借助显微手段,采用微工具进行。这种显微条件下进行的操作称为显微操作(Micromanipulation),其操作空间是微米级的三维微空间。根据不同的要求,显微操作有多种形式,如细胞的切割、分离、融合,细胞内器官〔核、染色体、基因〕的转移、重组、拉伸、固定,细胞壁挤孔,细胞群体的操纵。借助显微镜在微观尺度下进行观察和操作。显微操作技术中应用最广泛的是显微注射技术,该技术是将外源物质导入细胞的常见方法。微注射是利用玻璃微针刺破细胞核后再刺入细胞核,用药物注射的方式是将原代培养物导入细胞,是生物工程中最常见操作方法[1]。细胞膜是由极性脂质分子构成的双分子层膜,质膜本身具有弹性,要求注射针刺破细胞膜时应能使注射针尖有效的刺破细胞膜而又尽量减少对细胞膜的损伤,在注射完退针后使细胞能够快速愈合,这由穿刺细胞膜时玻璃微针的运动特性所决定,微针刺破和退出细胞膜的位移尺度为微米级[2-4]。目前的微注射装置仍然停留在手工操作阶段,在细胞定位、寻找、接近技术上采用在倒置显微镜上安装两套手动机械式粗调和手动式液压微调机构分别控制吸持针和注射针。操作时靠操作员在显微镜下用左右手完成粗-微运动调节、全局视场和局部视野视场的转换与聚焦,操作者必须经过专职培训才能熟练操作,注射成功率仍受操作者自身因素的影响,注射效率低、成功率低及极差的再现性是手动注射的致命缺点。刺破细胞膜时对细胞和胚胎会造成不可预料的机械损伤;胚胎或细胞在体外的操作时间过长,容易致死,因此迫切需要研制精确控制注射针的穿刺位置及穿刺速度,有效提高显微注射时注射位置精度和减小细胞膜损伤的显微注射装置[5-6]。

　　1　基于压电驱动的微小步进运动工作原理

　　压电驱动具有体积小、响应速度快、位移分辨率高以及抗干扰能力强、功耗低、无噪声等特点,并且控制方法简单,图1为利用陶瓷的伸缩性能实现微小的步进运动的基本工作原理。

　　对箝位器1、3及伸缩器2按一定时序施加驱动信号及电压,则可实现双向的微小步进运动。以向右步进运动为例,向箝位器1发信号及电压使其收缩抱紧导杆4并按保持,向伸缩器2发信号及电压使其伸长并保持,向箝位器3发信号及电压使其收缩抱紧导杆4并按保持,去除箝位器1的信号及电压使其放松导杆4,去除伸缩器2的信号及电压使其缩短,去除箝位器3的信号及电压使其放松导杆4。箝位器1、3及伸缩器2作为1个整体向右移动一个步距,该步距为伸缩器2施加电压伸长量。

　　伸缩器2采用WTDS型电致伸缩陶瓷位移器,该位移器由PZT陶瓷材料经独石叠层工艺而成的一种高分辨率电控元件,其微位移量是由叠层制成数和电场大小控制的,叠层数越多,压电陶瓷长度越大,最大位移越大。WTDS-IF型,叠层数很多,最大位移≧100μm,是WTDS型电致伸缩陶瓷中可产生最大位移的一种,同时具有工作电压低,分辨率高,响应快,滞后小,回零再现性好,无老化现象.驱动电压0~300 V,最大荷重50 kg,回零位移再现性小于0. 05μm,在逆压电效应中,即在电场作用下,产生形变,在弹性限度内,其位移量正比于电压的平方,电压位移曲线如图2所示。