[发明专利]基于压电陶瓷驱动的超声振动显微细胞穿入系统

说明书

【技术领域】

本发明涉及属于微操作机器人的技术领域，具体地说是一种面向生物医学工程的微操作机器人系统。

【背景技术】

在生物医学的科学研究和临床检验中，细胞级的微操作越来越受到人们的重视。其中，胚胎细胞注射技术是现代生物和医学研究的重要手段，尤其是在生物克隆和转基因实验中，已经成为应用最广泛和最有效的方法。

在胚胎干细胞、克隆等生物试验中，进行转基因注射的胚胎细胞外表面韧性较强，使得针尖较钝的注射针不能轻易地刺破该胚胎细胞外表面从而伸入细胞内部完成注射。目前国内的生物研究机构多采用针尖较锋利的斜口针对胚胎细胞先后进行刺入和注射。但由于针尖较锋利，若在刺入过程中针尖伸入胚胎细胞内部较多，极易造成细胞内部组织的划伤和破坏，最终影响胚胎成活率。因此利用斜口针进行注射的缺点不容忽视，但目前国内还没有更可行和优化的微注射操作系统。

近年来，“超声振动”由于具有能量高、对微组织和细胞损害小的特点，已逐渐受到微操作领域的广泛关注。超声振动利用其对生物组织产生的机械效应，使生物组织在超声的作用下发生弹性振动，当振动超过该组织的弹性极限时，将造成组织的断裂或粉碎。具体表现为振动加速度大于一定阈值，生物组织会被切割；反之，当加速度小于这个阈值时，生物组织表现为压缩的弹性体，而不会被破坏。

目前，哈尔滨工业大学专利(专利号：200610010025，发明人：陈立国、荣伟彬、刘亚欣、王会香)讲述了基于压电超声振动的显微切割装置，该发明能够对生物组织切片进行平整、均匀的切割和分离，克服了手工完成该工作时操作者工作强度大、易疲劳、人为误差不可避免等的缺陷问题。而对于显微细胞注射，需要完成细胞穿透和注入两项工作，因而该发明虽能很好地解决显微组织切割方面的问题，但却无法应用到显微细胞注射中来。

【发明内容】

本发明的目的是提供一种基于压电陶瓷驱动的超声振动显微细胞穿入系统。

本发明基于压电陶瓷驱动的超声振动显微细胞穿入系统(如图1)，该系统为：管状压电陶瓷在驱动控制电路产生的低压超声波信号的驱动下，进行一端固定一端自由的超声振动，通过连接环的传动将该超声振动传递到持针器及其前端相连的玻璃平口注射针上，玻璃平口注射针穿入细胞表面进入内部，继而完成后续显微注射操作。

所述的驱动控制电路(整体框图如图3所示)，是基于FPGA的超声波发生电路，主要由如下几部分组成：

USB单元——与中央处理单元电路连接；

中央处理单元——由单片机及其外围电路构成；其中，单片机通过USB总线与上位机相连以接收上位机发送的指令和参数；同时，单片机将数据进行调整和转换，与控制信号一并送入FPGA芯片；

FPGA单元——由FPGA芯片及其外围电路构成；FPGA按照单片机发送的频率幅值参数和指令数据，实现DDS即直接数字频率合成功能；DDS的工作过程为：每来一个时钟脉冲，相位累加器将其当前值与频率控制字K相加作为下一次相位累加器的当前值，同时将相加的结果作为地址送入ROM查找表，ROM输出相应波形数值，经过DA和低通滤波产生所需要的模拟波形；

DA转换单元——由三态缓冲芯片、数模转换芯片及其外围电路组成；

高压运放单元——由高压运放芯片及其外围电路组成，DA芯片的输出端与高压运放的输入端相连，经放大后输出0～150V高压正弦波信号。

所述的DDS由相位累加器、正弦查询表、数模转换器和低通滤波器组成。

所述的基于压电陶瓷驱动的超声振动显微细胞穿入系统进行细胞穿入的方法，其特征在于，包括如下步骤：

上位机通过USB接口将振动频率和幅值发送给单片机，单片机将数据进行调整和转换，与控制信号一并送入FPGA芯片，FPGA芯片输出相应频率和幅值的正弦波数据，经DA转换芯片和高压运放后输出0～150V的高压正弦波信号；

该高压正弦波信号驱动压电陶瓷超声波换能器，使之产生高频超声振动，从而将电能转化为机械能；该能量传递到持针器末端的玻璃平口注射针端，并通过与胚胎细胞表面的相互作用穿入细胞表面。

本发明针对显微细胞注射操作，同样基于超声振动原理，充分利用超声波可以破坏生物组织的特点：在胚胎注射中，当注射针端接触到胚胎细胞外表面时开始进行超声振动，当该振动传递的能量强度超过胚胎细胞外表面承受的“阈值”时，即可破坏小面积细胞外表面组织，从而达到穿入细胞的目的。