細(xì)胞注射機三坐標(biāo)微位移臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

秦運海 金艷梅 范瑩瑩 李 兵

（湖州師范學(xué)院工學(xué)院，浙江 湖州313000）

0 引言

細(xì)胞顯微注射，即利用微注射針穿刺細(xì)胞膜后將外源基因物質(zhì)注入細(xì)胞內(nèi)指定注射位置，并培育出具有外源基因特征個體的過程，是生產(chǎn)轉(zhuǎn)基因動物的主要手段［1］。細(xì)胞注射是生命科學(xué)和生物工程的重要研究方法，顯微注射是細(xì)胞注射的核心步驟，是實現(xiàn)外源物質(zhì)導(dǎo)入細(xì)胞的關(guān)鍵技術(shù)，而微位移工作臺是微注射的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。顯微注射以活體細(xì)胞為操作對象，包括哺乳動物體細(xì)胞、生殖細(xì)胞等，尺寸常處于1～100μm范圍。

傳統(tǒng)的顯微注射系統(tǒng)中，培訓(xùn)操作人員需投入大量時間和資金，試驗過程受技能、精力和情緒等因素干擾顯著，且定位精度低，刺膜速度慢，易引起細(xì)胞大幅度變形或細(xì)胞膜大面積破碎，降低了細(xì)胞注射試驗效率和注射后細(xì)胞存活率，制約著顯微注射法制備轉(zhuǎn)基因動物的成功率和生產(chǎn)率［2］?，F(xiàn)有顯微注射系統(tǒng)主要由Narishige、SuRer、Eppendorf等公司生產(chǎn)。利用硅加工工藝、壓電陶瓷伸縮變形與振動等技術(shù)，國外學(xué)者［3－5］研究的微進給裝置具有刺膜速度快、控制精度高等優(yōu)點，但成本很高。因此，提出一種精度較高、結(jié)構(gòu)簡單、成本低的基于視覺運動控制的細(xì)胞注射系統(tǒng)（圖1），該系統(tǒng)采用一種X—Y—Z三坐標(biāo)微位移臺，通過顯微鏡的CMOS攝像頭獲取顯微鏡下細(xì)胞所在位置，并通過計算將該坐標(biāo)發(fā)送給帶有微量注射器的X—Y—Z三坐標(biāo)微位移臺，從而控制該位移臺快速、準(zhǔn)確地運動到該細(xì)胞所在位置，并使用注射器進行刺膜和微量注射。

圖1 細(xì)胞注射系統(tǒng)

1 X—Y—Z三坐標(biāo)微位移臺的控制系統(tǒng)

X—Y—Z三坐標(biāo)微位移臺主要由X、Y、Z三個軸微位移移動臺組合而成，其使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計模塊化，且每軸微位移移動臺裝有限位開關(guān)，保護系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的安全。

1．1 控制系統(tǒng)組成

為了方便精密位移系統(tǒng)的設(shè)計，X—Y—Z三坐標(biāo)微位移臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計與驅(qū)動方式如圖2所示。

圖2 微位移移動臺

該平臺采用日本神津的XA07A系列，所用步進電機為直流五相步進電機，其步距角為0．72°，直流步進電機通過聯(lián)軸器與精密絲杠連接，絲杠導(dǎo)程為0．5mm，行程為20mm，精密絲杠與安裝在工作臺上的絲杠螺母配合使用，兩側(cè)通過精密導(dǎo)軌副與工作臺底座相連。限位開關(guān)安裝在工作臺底座旁邊。步進電機驅(qū)動器采用奧拓尼克斯生產(chǎn)的 MD5－HD14驅(qū)動器，其細(xì)分精度最高達250。控制器為國產(chǎn)普通三軸控制器，可實現(xiàn)三軸聯(lián)動。

1．2 精度分析

相關(guān)參數(shù)：步進電機步距角為0．72°，絲杠導(dǎo)程為0．5mm，驅(qū)動器最高細(xì)分?jǐn)?shù)250，則細(xì)分后電機步進角為：

即步進電機每轉(zhuǎn)步數(shù)：

則步進精度（最小位移量）：

2 系統(tǒng)性能分析

該系統(tǒng)移動平臺采用X—Y—Z三坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，其主要優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)簡單、易操作、剛度好、不易產(chǎn)生振動。系統(tǒng)的驅(qū)動控制部分主要優(yōu)勢在于采用五相步進電機與高細(xì)分器和性價比高的三軸控制器，實現(xiàn)了最小位移量小、運動精度高、控制簡單的要求，且三軸聯(lián)動的控制實現(xiàn)了斜線、圓弧線等曲線軌跡的運動。對于考核機器視覺測量系統(tǒng)的分辨率、運動形式和調(diào)試工作的精度已經(jīng)足夠，對于尺寸為1～100μm間的生殖細(xì)胞進行微操作，已滿足所需精度。通過進一步深入，可實現(xiàn)數(shù)字化控制。

3 結(jié)論

（1）本文介紹了一種基于視覺運動控制的細(xì)胞注射系統(tǒng)及其工作原理。

（2）設(shè)計并搭建了一種可以滿足細(xì)胞注射等微操作的X—Y—Z三坐標(biāo)微位移臺，分析了微位移臺的最小移動量，滿足細(xì)胞注射等微操作所需的運動精度。

（3）與現(xiàn)有的細(xì)胞注射機構(gòu)相比，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。

［1］GORDON J W，SCANGOS G A，PLOTKIN D J，et al．Genetic transformation of mouse embryos by microinjection of purified DNA［J］．Proc．Natl．Sci．USA，1980，77（12）：7 380～7 384

［2］田桂中，侯麗雅，章維一．?dāng)?shù)字化進退針裝置的設(shè)計與研究［J］．機械工程學(xué)報，2008，44（10）：234～238

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［4］TAN K K，NG S C，HUANG S N．Assisted reproduction system usin g piezo actuator［A］．International Conference on Co mmunications，Circuits and Systems［C］．Chengdu，China，2004

［5］EDIZ K，OLGAC N．Microdynamics of the piezo driven pipettes in ICS［J］．IEEE Transformation on Biomedical Engineering，2004，51（7）：1 262～1 268