（机械电子工程专业论文）细胞批量注射系统中细胞固定芯片的研制.pdf

厦f 大学学位论文著作权使用声明 恻燃炒 本人同意厦门大学根据中华人民共和国学位条例暂行实施办 法等规定保留和使用此学位论文，并向主管部门或其指定机构送交 学位论文( 包括纸质版和电子版) ，允许学位论文进入厦门大学图书 馆及其数据库被查阅、借阅。本人同意厦门大学将学位论文加入全国 博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和 摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于： ( ) 1 经厦门大学保密委员会审查核定的保密学位论文， 于年月日解密，解密后适用上述授权。 ( ) 2 不保密，适用上述授权。 ( 请在以上相应括号内打“ 或填上相应内容。保密学位论文 应是已经厦门大学保密委员会审定过的学位论文，未经厦门大学保密 委员会审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认 为公开学位论文，均适用上述授权。) 声明人( 签名) ：石少科辞 b 二年仁月午日 摘要 摘要 随着现代生物技术的迅速发展，细胞注射作为基本的生物微操作技术之一， 在转基因、克隆、人工受精、医药研究等方面发挥着重要作用。当前，细胞注射 主要以手动或者半自动化的注射方式来完成，但是细胞注射的高度技巧性、复杂 性和不稳定性使手动和半自动化注射方式效率低下、重复性差。本文在批量细胞 注射系统的基础上，研制了一种细胞批量固定的芯片，以提高细胞注射过程中的 效率，通过p d m s 微柱实现了细胞的固定，并明显减小了细胞在注射时的位移， 引入负介电泳力实现注射后细胞的释放。本文主要包括以下几方面的内容： 1 细胞固定芯片及细胞自动批量注射系统的综述。对现有的细胞固定方法 以及细胞注射在生物研究中的作用和研究进展进行综述，引出细胞批量注射系统 中多细胞固定芯片的研究意义。 2 p d m s 固定柱的力学设计。通过力学分析，优化固定柱的结构参数。 3 电场对细胞的作用。通过电场对细胞各种作用可以实现多重效果，重点 介绍细胞在介电电泳力的作用下移动。 4 细胞固定芯片的制备。随着m e m s 技术的快速发展和更为先进的制造设 备的研制，微加工技术使得在细胞量级的芯片制备更加广泛化、普及化，借助于 现有的m e m s 制造系统，制备出一种借助于p d m s 材质的微柱型的细胞批量固定芯 片，并详细叙述了制备的过程与方法，通过批量化的微加工技术，可实现此类芯 片的高产量和低成本。 5 在制备的细胞固定芯片上表征细胞受力。为了更好的表征细胞注射过程 中力的变化，组建了可视化的微力测试系统，检测出p d m s 微柱的受力与变形的 关系，并在视觉控制过程中直观的反映出细胞受力的变化，通过鱼卵细胞实验， 证明研制出的细胞固定芯片在最大注射力的情况下，位移小于3 0 微米。 6 细胞批量注射系统的体系结构。介绍了细胞批量注射系统中各个设备的 性能参数以及模拟批量细胞注射操作，说明研制的细胞固定芯片能够与批量注射 系统良好兼容。 关键词：微柱固定芯片；细胞批量注射；微加工技术；微力测量 a b s t r a c t c e l li n j e c t i o ni sa ne s s e n t i a lt e c h n o l o g yf o rb i o l o g i c a la p p l i c a t i o n si n c l u d i n g t r a n s g e n o s i s ，c l o n i n g ，a r t i f i c i a lf e r t i l i z a t i o no rd r u gd e l i v e r y , e t c h o w e v e r , c e l l i n j e c t i o nw a sg e n e r a l l yi m p l e m e n t e di nm a n u a lo rs e m i - a u t o m a t i cm o d e s of a r , a n di t s r e p e a t a b i l i t ya n de f f i c i e n c ya r ep o o rd u et ot h ec o m p l e x i t ya n ds p e c i f i c i t yo f t h ec e l l i n j e c t i o np r o c e s s t oa d d r e s st h i sp r o b l e m ，a na u t o m a t i c ，b a t c hc e l li n j e c t i o ns y s t e mi s i nd e m a n d ，a n dac e l lc a p t u r ec h i pb e c o m e sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n tf o rs u c hac e l l i n j e c t i o ns y s t e m i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，ac e l lc a p t u r ec h i pf o ra na u t o m a t i c ，b a t c hc e l l i n j e c t i o ns y s t e mw a sd e s i g n e d ，f a b r i c a t e da n dc h a r a c t e r i z e d t h et a r g e tc e l l sw e r e a n c h o r e db yp o l y d i m e t h y l s i l o x a n e ( p d m s ) p i l l a r st or e d u c et h ed i s p l a c e m e n to ft h e c e l ls i g n i f i c a n t l yd u r i n gt h ei n j e c t i o np r o c e s s i na d d i t i o n ，n e g a t i v ed i e l e c t r o p h o r e s i s ( n - d e p ) f o r c ew a su t i l i z e dt or e l e a s et h ec e l lf r o mt h e s ep d m sp i l l a r sa f t e ri n j e c t i o n a c c o r d i n g l y , o p t i m i z e de l e c t r o d e ss t r u c t u r ew e r ep r e p a r e do nt h es u r f a c eo ft h i sc h i p t oa p p l yae f f e c t i v en - d e pf o r c eo nt h ec e l l t h ef o l l o w i n gc o n t e n t sa r ei n c l u d e di nt h i sd i s s e r t a t i o n ： o v e r v i e wo ft h ea v a i l a b l ec e l li n j e c t i o ns y s t e m sa n dt h e i rr e l a t e dc e l lc a p t u r e c h i p t h er e p o r t e dc e l lc a p t u r ea p p r o a c h e sa r ec l a s s i f i e d ，a n dt h e i rm e r i t sa n d d i s a d v a n t a g e sa r ed i s c u s s e di nd e t a i l s t h em e c h a n i c a ld e s i g no f t h ep d m sp i l l a r s t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nae l e c t r i cf i e l da n dac e l la r et h e o r e t i c a l l yd i s c u s s e d e s p e c i a l l yt h em o v e m e n to f t h ec e l lu n d e rt h ee f f e c to f n d e pf o r c e f a b r i c a t i o no ft h ec e l lc a p t u r ec h i p m i c r of a b r i c a t i o nt e c h n o l o g i e si n c l u d i n g s o f tl i t h o g r a p h y , m e t a ld e p o s i t i o na n dp a t t e r n i n g ，s u r f a c et r e a t m e n ta n d b o n d i n g ，e t c w a se m p l o y e dt op r e p a r et h ec h i ps u c c e s s f u l l y p a c k a g i n go ft h ec e l lc a p t u r ec h i p t h ec h i pw a sm o u n t e do nap r i n t e dc i r c u i t b o a r d ( p c b ) a n dt h ee l e c t r o d e sc o n n e c t e dt ot h ep a d so np c be l e c t r i c a l l yb y w i r eb o n d i n gp r o c e s s c h a r a c t e r i z a t i o no ft h ep d m sp i l l a r s t h ef o r c e - d i s p l a c e m e n tc u r v e so ft h e p d m sp i l l a r sw e r ep l o t t e de x p e r i m e n t a l l y ，a n dt h ev a l i d i t yo ft h ep d m s i i a b s t r a c t p i l l a r sw a sd e m o n s t r a t e di naz e b r a f i s he m b r y o si n j e c t i o ne x p e r i m e n t i n t r o d u c t i o no ft h ep r e p a r e db a t c hc e l li n j e c t i o ns y s t e m t h ef a b r i c a t e dc e l l c a p t u r ec h i pw a su s e di nt h i ss y s t e ms u c c e s s f u l l y k e y w o r d ：c e l lc a p t u r ec h i p ；b a t c hc e l li n j e c t i o n ；m i c r of a b r i c a t i o n ；m i c r o f o r c e s e n s i n g i i i 目录 目录 第1 章绪论1 1 1 引言1 1 2 细胞自动批量注射系统1 1 2 1 研究意义1 1 2 2 细胞自动批量注射系统研究进展2 1 3 细胞固定芯片研究概述6 1 3 1 细胞固定技术6 1 3 2 常用的细胞固定方法7 1 4 本论文主要研究内容8 第2 章细胞在电场作用下的受力分析1 0 2 1 引言1 0 2 2 细胞的电学模型10 2 3 电场对细胞的介电电泳作用1 1 2 3 1 介电电泳的工作原理1 1 2 3 2 介电电泳的特点1 2 2 3 3 介电电泳芯片的分类13 2 4 柱一弧面电极电场仿真1 4 2 4 1 仿真软件简介15 2 4 2 仿真结果1 5 2 5 细胞模型在介电电泳中的受力分析1 6 2 6 小结18 第3 章p d h s 固定柱的理论分析和优化设计19 3 1 引言1 9 3 2p d h s 固定柱的理论模型19 3 3p d h s 固定柱的优化设计2 1 3 4 小结2 3 第4 章细胞固定芯片的制备2 4 4 1 引言2 4 4 2p d h s 固定柱制备2 5 4 2 1p d m s 的交连过程与性能2 5 4 2 2p d m s 成型工艺2 6 4 2 3 模具制备2 9 4 2 4 实验结果讨论3 9 4 3 电极制备4 1 4 3 1 溅射工艺概述4 1 目录 4 3 2 金电极的制备4 2 4 4 芯片的封装4 4 4 4 1 划片4 4 4 4 2p d m s 与玻璃基底的键合4 5 4 4 3 底座的制备4 5 4 4 4 芯片与底座的固定与互联一4 6 4 4 5 灌封4 7 4 5 小结一4 7 第5 章细胞注射过程中注射力的检测4 8 5 1 引言4 8 5 2 实验测试平台简介4 8 5 3p d m s 固定柱的受力和形变4 9 5 3 1 实验步骤4 9 5 3 2 实验结果与讨论5 0 5 4 鱼卵细胞注射过程中的受力检测5 2 5 4 1 细胞的选取与培养5 2 5 4 2 实验步骤5 2 5 4 3 鱼卵细胞的注射试验结果与讨论5 3 5 5 小结5 6 第6 章细胞固定芯片与细胞自动注射系统集成一5 7 6 1 引言5 7 6 2 自动注射系统体系的构成5 7 6 2 1 机械手与注射针系统5 7 6 2 2 二维纳米平台5 8 6 2 3 显微视觉系统5 8 6 2 4 细胞固定芯片5 9 6 3 自动注射系统工作过程5 9 6 3 1 注射步骤5 9 6 3 2 系统软件架构6 0 6 3 3 用户接口模块的实现与模拟注射6 1 6 4 小结6 4 第7 章总结与展望6 5 7 1 主要成果及问题一6 5 7 2 研究展望6 6 参考文献6 7 攻读硕士期间发表的文章7 3 致谢7 4 c o n t e n l s c o n t e n t s c h a p t e rii n t r o d u c t i o n 1 1 1b a c k g r o u d 1 1 2c e l l sb a t c hm i c r o i n j e c t i o ns y s t e m 1 1 2 1m o t i v a t i o n 1 1 2 2p u b l i c a t i o n so nc e l l sb a t c hm i c r o i n j e c t i o ns y s t e m 2 1 3t h eo v e r v i e wo f t h ec e l l c a p t u r ec h i p s 6 1 3 1t h ec e l l c a p t u r et e c h n o l o g y 6 1 3 2l i s to f c e l l c a p t u r ea p p r o a c h e s 7 1 4o r g a n i z a t i o no f t h i sd i s s e r t a t i o n 8 c h a p t e r2t h ef o r c ea n a l y s i so fc e l l si nt h ee l e c t r i cf i e l d 1 0 2 1i n t r o d u c “o n 1 0 2 2t h ee l e c t r i c a lm o d e lo f t h ec e l l 1 0 2 3d i e l e c t r o p h o r e t i ce f f e c t s 11 2 3 1p r i n c i p l eo f d i e l e c t r o p h o r e s i s 1 1 2 3 2f e a t u r e so f d i e l e c t r o p h o r e s i s 1 2 2 3 3c l a s s i f i c a t i o no f d i e l e c 仃o d h o r e s i sc h i p s 1 3 2 4t h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l ds i m u l a t i o n 1 4 2 4 1i n t r o d u c t i o no f t h es i m u l a t i o ns o f t w a r e 1 4 2 4 2t h ed e m o n s t r a t i o no fs i m u l a t i o nr e s u l t s 15 2 5t h ea n a l v s i so fd i e l e c t r o p h o r e s i sf o r c eo nc e l l s 16 2 6s u m m a r y 18 c h a p t e r3a n a l y s i sa n dd e s i g no f t h ep d m s f i x e dp i l l a r s 19 3 1i n t r o d u c t i o n 1 9 3 2t h et h e o r e t i c a lm o d e lo ft h ep d m sf i x e dp i l l a r s 19 3 3t h ed e s i g no ft h ep d m sf i x e dp i l l a r s 2 1 3 4s u m m a r y 2 3 c h a p t e r4f a b r i c a t i o no fc e l l c a p t u r ec h i p s 2 4 4 1i n t r o d u c t i o n 2 4 4 2f a b r i c a t i o no ft h ep d m sf l x e dp i l l a r s 2 5 4 2 1t h ec u r i n gp r o c e s sa n df e a t u r e so f p d m s 2 5 4 2 2t h em o l d i n gp r o c e s so f p d m s 2 6 4 2 3p r e p a r a t i o no f t h em o l d s 2 9 4 2 4r e s u l t sa n dd i s c u s s i o n s 3 9 4 3f a b r i c a t i o no f e l e c t r o d e s 4 1 v i c o n t e n t s 4 3 ，1o v e r v i e wo f s p u t t e r i n gp r o c e s s j j j j i j i i i i j i i i i i i i i i j j j 4 1 4 3 2d e p o s i t i o na n dp a t t e mo f t h ea ue l e c t r o d e s 4 2 4 4p a c k a g eo fc h i p s 4 4 4 4 1d i c i n g 4 4 4 4 2b o n d i n go f g l a s sa n dp d m s 4 5 4 4 3p r e p a r a t i o no f t h ep c bb o a r d 4 5 4 4 4i n t e r c o n n e c t i o no f t h ec h i pa n db o a r d 4 6 4 4 5s i l i c o nr e s i ne n c a p s u l a t i o n 4 7 4 5s u m m a r y 4 7 c h a p t e r5m i c r of o r c ed e t e c t i o nd u r i n gc e l li n j e c t i o n 4 8 5 1i n t r o d u c t i o n 4 8 5 2e x p e r i m e n t s e t u p 4 8 4 8 5 3s t r e s sa n dd e f o r m a t i o no f t h ep d m sf i x e dp i l l a r s 4 9 5 3 1e x p e r i m e n t a lp r o c e d u r e 4 9 1 ；：；2r e s u l t sa n dd i s c u s s i o n s 5 0 5 4m i c r of o r c ed e t e c t i o nd u r i n gf i s he m b r y o si n j e c t i o n 5 2 5 4 1c u l t u r eo f f i s he m b r y o s 5 2 5 4 2e x p e r i m e n t a lp r o c e d u r e 5 2 5 4 3r e s u l t sa n dd i s c u s s i o n s 5 3 5 5s u m m a r y ! ；6 c h a p t e r 6i n t e g r a t e do fc e l l - c a p t u r ec h i p sa n da u t o m a t e db a t c h c e l l si n j e c t i o ns y s t e m 5 7 6 1i n t r o d u c t i o n 5 7 6 2s t r u c t u r eo fa u t o m a t e db a t c hc e l l si n j e c t i o ns y s t e m 5 7 6 2 1m a n i p u l a t i n gu n i t 5 7 6 2 2t w od i m e n t i o n a ln a n o s t a g e 5 8 6 2 3m i c r o v i s i o nu n i t 5 8 6 2 4c e l l c a p t u r ec h i p ! ；9 6 3a u t o m a t e di n j e c t i o np r o c e s s 。，。5 9 6 3 1i n i e c t i o np r o c e d u r e s 5 9 6 3 2s o f t w a r ea r c h i t e c t u r e 6 0 6 3 3t h eu s e r - f r i e n d l yi n t e r f a c ea n dv i r t u a l i n j e c t i o n 6 1 6 4s u m m a r y 6 4 c h a p t e r7c o n c l u s i o n sa n df u t u r ew o r k s 6 5 7 1m a i nr e s u l t sa n dp r o b l e m s 6 5 7 2f u t u r ew o r k s 6 6 r e f e r e n c e s 6 7 p u b l i c a t i o n s 7 3 v i i c o n t e n t s a c k n o w l e d g e m e n t s 7 4 v i i i 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 近几十年，随着生物技术与医学技术的发展，研究的切入点已经转移到生命 体的基本构成细胞。伴随着微机电系统( m e m s ) 技术的不断发展与突破， 两者结合的产物功能更强大的b i o m e m s 成为目前研究的热点。 通过微注射、电场导入或病毒携带等方式，将外源生物物质( 如d n a 、r n a 、 蛋白质、精子等) 注入到个体细胞中的技术广泛应用于基因识别、疾病治疗、新 药发明、转基因产品生产和克隆技术等领域，细胞研究将在上述域产生突出的经 济和社会效益。 与电场导入和病毒携带相比，微注射具有对细胞损伤小、无需考虑生物安全 性、效率高、不易污染和易操作等优点，故被广泛研究和采用。 1 2 细胞自动批量注射系统 1 2 1 研究意义 生物技术被世界各国视为一项高新技术，广泛应用于农业、工业、医药卫生、 化工能源、食品等各行业，正对人类社会生活产生深远的影响。生物技术以现代 生命科学为基础，结合其他基础学科的科学原理，采用先进的工程技术手段，改 造或重新设计细胞的遗传物质，按照预先的设计改造生物体，获得优良品质的动 植物、微生物品系，或3 d - f 生物原料，为人类生产出所需产品，达到提高社会生 产力和生活质量的目的。现代生物技术包括基因工程、细胞工程、酶工程、发酵 工程、蛋白质工程，其中基因工程是核心技术，它能带动其他技术的发展。人类 利用转基因技术，生产出转基因动植物，这些转基因物质含有自然物种不具备的 特点和优良的品质，例如利用转基因技术开发出的大豆不仅产量高、品质好，而 且还有抗虫害作用，美国种植的大豆大约7 0 是此类抗虫害的转基因大豆。目 前已有转基因大豆、玉米、棉花、油菜等几十种作物投入商业种植，全球转基因 1 第l 章绪论 作物的种植面积已经从1 9 9 6 年的1 7 0 万公顷增长到2 0 0 3 年的6 7 7 0 万公顷，种 植转基因作物的国家数量也在2 0 0 3 年翻了一番。科学家预计，未来1 0 年内转 基因作物将会扩展到2 5 个国家，种植面积将达到1 亿公顷，将有1 0 0 0 万农民从 事转基因作物的种植。 生物技术理论已经日趋成熟，完成例如转基因操作的自动化设备却影响了生 物技术的进一步发展和广泛应用。完整的基因工程分为四个步骤：( 1 ) 克隆目的 基因，取得所需要的d n a 特异片断；( 2 ) 与d n a 载体连接成重组d n a ；( 3 ) 重组d n a 注入受体细胞；( 4 ) 增殖含有外源基因的受体细胞，指导合成优良新 品种。由于d n a 、细胞等操作对象微小，细胞生存环境的复杂性，操作难度大， 加上技术的相对落后，将重组d n a 注入受体细胞成为制约转基因技术方法进一 步广泛应用的重要瓶颈之一。因此各国都投入大量的资金对相关领域进行研究， 例如1 9 9 7 年7 月开始，“8 6 3 计划分别资助北京航空航天大学、南开大学、中 国科技大学开始研制开发用于细胞或基因显微操作的微操作机器人系统，现已取 得较大成果。 1 2 2 细胞自动批量注射系统研究进展 生物、化学领域多项关键技术如人工受精、医药研制、细胞功能性检测等方 面，也经常涉及到细胞外源物质的导入操作。目前导入的基本方法有：电导入 1 、 病毒转染 2 1 、基因枪【3 】、超声导入 4 1 、微注射等，如表1 1 所示，该图来源于富士 康c e l l i n j e c t o r 宣传单页，在细胞破坏性、适应性、大分子遗传物质导入的有效 性和导入重复性等方面，微注射有比其他方法更大的优势，图1 1 为传统的细胞 的注射过程。 常用的细胞微注射的基本过程有： 1 目标细胞的选择与固定。 2 微注射针的定位及穿刺。 3 夕 、源物质的注入。 4 微注射针退出细胞，回原位。 5 重复以上1 4 ，直至所有细胞注射完毕。 第1 章绪论 表1 1 多种导入方式比较 方式优点缺点 可使用不同的转染媒介 电导入可转染大量的细胞漏电或细胞死亡造成低效率 需要适当的操作技术 病毒入侵细胞造成的低效率 细胞损坏的风险较低 转染媒介只限于柔性材料 病毒转染需要更加熟练的操作技术 可转染大量细胞 可能需要特别的生物安全过程 准备病毒载体需要耗费较多时间 细胞损坏的风险较低由于细胞毒性造成效率低的风险 脂质体转染可转染大量细胞转染媒介只限于柔性材料 需要适当的操作技术耗材非常昂贵 可转染大量细胞由于细胞死亡和细胞毒性造成效率低的风险 基因枪 需要适当的操作技术转染媒介只限于柔性材料 转染媒介不限于柔性材料 漏电和死亡的细胞造成低效率 直接注射 需要高水平的操作技术 可转染附着的细胞 较低的效率 ( a ) 细胞固定( b ) 注射穿刺( c ) 外源物质注入 图1 1 细胞注射 随着纳米技术、微机器人技术、图像处理软件、人工智能技术的发展，细胞 微注射也由手动方式、机械化方式向自动化方式转变。 传统微注射采用手动方 式，手动方式的设备包括高倍显微镜、手持式微吸管、手持式微注射针、细胞操 作器皿等。经过专业培训的人员通过显微镜观察注射过程，一只手持微吸管吸附、 固定目标细胞，另一只手持微注射针刺透目标细胞的细胞膜，并把外源物质注入 到细胞中，然后微注射针针尖退出细胞。由于细胞微小，定位精度要求高，由显 微镜观察到的目标跟实际目标具有很大差异，同时操作人员容易疲劳，稳定性和 气 第1 章绪论 重复性差，实验室设备容易损坏，致使手动注射细胞变得异常困难，成功率l t 毛t 。 为克服手动注射的缺点，许多公司推出了机械化的微注射设备，例如美国s u t t e r 公司推出的x e n ow o r k s 标准化显微注射系统，如图1 2 所示，该系统配备多型 号可选的显微镜、两台m p 2 8 5 高精度微操纵机械手及符合人体工程学的倒置式 操纵杆，数字化注射器提供多路分离压力通道用于固定和注射细胞，该系统可用 于受精卵d n a 注射、胚胎的干细胞注射、精子卵浆内注射等。图1 3 为日本富 士康生产的c e l l i n j e c t o r 细胞自动注射系统，宣传资料提供细胞注射时间为1s 次。 ，o 一 图1 2x e n o w o r k s 标准化显微注射系统 图1 3c e l l i n j e c t o r 注射系统 我国江苏瑞祺生命科学仪器有限公司也推出了类似功能的c f t - 8 0 0 0 型生 物细胞显微操作系统，这些系统一定程度上减轻了操作人员的负担，方便了注射 过程的控制，提高了注射效率，但该系统还存在着自动化水平低，大部分工作需 要人的参与和决策，注射效率和成功率没有质的提高等问题。为实现细胞注射的 自动化，必须提高系统的智能化水平及相关的控制技术，更多地引进计算机技术， 比如图像处理技术，能自动识别细胞和提取目* # , n n 4 , 2 n c g 息，为控制微机械手 提供反馈，形成闭环控制。在文献5 。7 1 中，研究人员研究制造了集成视觉控制的 细胞自动注射系统，相比人工和机械化注射系统的最大不同在于它采用装有 c c d 摄像头及具有图像处理功能的视觉系统。该视觉系统监控注射的整个过程， 并通过高斯变换、模板匹配等图像处理算法实时识别、定位目标细胞和注射针针 尖，为控制系统提供位置信息。y ux i e 研制出成微力传感器的注射系统( 见图 1 。4 ) ，微力传感器实时反馈注射过程中注射针的受力信息，以帮助系统判断注射 针与细胞的接触状态 8 1 。h a i b oh u a n g 将微力传感器与视觉检测结合用于注射过 程中力的控制9 | ，因为注射力是细胞注射成功率的一个重要因素，正确地测量和 第1 章绪论 控制注射力有助于减小注射过程中注射针对细胞的破坏，提高细胞的存活率，但 是，由于将注射针安装在微力传感器上，与注射针相连的导管会干扰微力传感的 正常工作，因此该系统不能用于实际的细胞注射。 - j -翳 。l i i _、k t 、j 7 口 e婀 。l ：i 黝 瀚陟” i 蓊i j 霹 心矿熏舀 l- _ 矿，一 1 曩一 ，二纥 亳 露奄酗 融5 一簿i 蠹囊潦。分* 第1 章绪论 2 视觉系统及其标定 一般细胞注射系统配备高放大倍数的显微镜及配套的数字化显示系统，方便 整个微操作过程的监控。同时随着图像处理技术的发展，各种快速识别跟踪【7 j 、 自动聚焦【1 明等算法也集成到系统中，进一步提高了系统的自动化、智能化水平。 例如，文献 1 1 】中的系统利用哈夫变化算法识别晶胚核，自动聚焦算法测量深度信 息，s s d ( s u mo fs q u a r e dd i f f e r e n c e ) 光学流方法跟踪注射针运动。智能化系统中 视觉作为一个重要的传感器，其主要特点是无接触检测，能够实时检测目标和注 射针的位置，为微机器人控制系统提供反馈信息，但一个重要的前提条件是视觉 系统必须经过标定，标定的内容包括外参数和内参数标定【1 2 _ 1 3 。显微视觉与宏观 视觉存在着很大的不同，因此他它们的标定方法也有所不同，已成为很多研究者 的研究重点 1 舡15 1 。 3 视觉控制算法 细胞注射系统是非结构化的系统，操作对象又在毫米级以下，任何外界的干 扰如空气振动、热膨胀等都可能对操作产生破坏性的影响，为补偿各种因素造成 的运动误差，必须采取有效的控制方法。视觉控制方法在工业机器人领域已经得 到深入的研究，在微操作系统中也是最理想的方法。 1 3 细胞固定芯片研究概述 由于微注射的对象一般是直径介于1 0 p r n 到l m m 之间的细胞，加上注射环 境的复杂、多变、不稳定，这就要求自动批量注射系统中的固定芯片具有很好的 固定性能，执行机构具有很高的定位精度，也要求整个系统具有相当的智能性。 1 3 1 细胞固定技术 在细胞注射过程中，特别是悬浮细胞的注射，需要首先将个体细胞进行固定， 然后采用注射针进行细胞穿刺注射。传统的细胞固定都是由操作人员手持微吸 管，利用负压将细胞固定在吸管顶部。这种细胞固定方式对操作人员的技巧性和 耐力有很高的要求，而且每次只能对单个细胞进行捕获和固定，影响了细胞的注 射效率。随着m e m s 技术的发展，各种能够完成对微小器件操作的设备应运而 生。 6 第l 章绪论 特别是2 0 世纪9 0 年代初，瑞士m a n z 与w i d m e r 等人【1 6 提出了基于微机电 加工技术的微型全分析系统( m i c r o t o t a la n a