細(xì)胞注射機(jī)三坐標(biāo)微位移臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

秦運(yùn)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(gè)體的過程，是生產(chǎn)轉(zhuǎn)基因動(dòng)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(shí)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(tái)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(duì)象，包括哺乳動(dòng)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(shí)間和資金，試驗(yàn)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(yàn)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(dòng)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(dòng)等技術(shù)，國(guó)外學(xué)者［3－5］研究的微進(jìn)給裝置具有刺膜速度快、控制精度高等優(yōu)點(diǎn)，但成本很高。因此，提出一種精度較高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低的基于視覺運(yùn)動(dòng)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(tái)，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(jì)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(tái)，從而控制該位移臺(tái)快速、準(zhǔn)確地運(yùn)動(dòng)到該細(xì)胞所在位置，并使用注射器進(jìn)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(tái)的控制系統(tǒng)

X—Y—Z三坐標(biāo)微位移臺(tái)主要由X、Y、Z三個(gè)軸微位移移動(dòng)臺(tái)組合而成，其使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊化，且每軸微位移移動(dòng)臺(tái)裝有限位開關(guān)，保護(hù)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(jì)，X—Y—Z三坐標(biāo)微位移臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與驅(qū)動(dòng)方式如圖2所示。

圖2 微位移移動(dòng)臺(tái)

該平臺(tái)采用日本神津的XA07A系列，所用步進(jìn)電機(jī)為直流五相步進(jìn)電機(jī)，其步距角為0．72°，直流步進(jìn)電機(jī)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(tái)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(tái)底座相連。限位開關(guān)安裝在工作臺(tái)底座旁邊。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用奧拓尼克斯生產(chǎn)的 MD5－HD14驅(qū)動(dòng)器，其細(xì)分精度最高達(dá)250?？刂破鳛閲?guó)產(chǎn)普通三軸控制器，可實(shí)現(xiàn)三軸聯(lián)動(dòng)。

1．2 精度分析

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

即步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)步數(shù)：

則步進(jìn)精度（最小位移量）：

2 系統(tǒng)性能分析

該系統(tǒng)移動(dòng)平臺(tái)采用X—Y—Z三坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，其主要優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易操作、剛度好、不易產(chǎn)生振動(dòng)。系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)控制部分主要優(yōu)勢(shì)在于采用五相步進(jìn)電機(jī)與高細(xì)分器和性價(jià)比高的三軸控制器，實(shí)現(xiàn)了最小位移量小、運(yùn)動(dòng)精度高、控制簡(jiǎn)單的要求，且三軸聯(lián)動(dòng)的控制實(shí)現(xiàn)了斜線、圓弧線等曲線軌跡的運(yùn)動(dòng)。對(duì)于考核機(jī)器視覺測(cè)量系統(tǒng)的分辨率、運(yùn)動(dòng)形式和調(diào)試工作的精度已經(jīng)足夠，對(duì)于尺寸為1～100μm間的生殖細(xì)胞進(jìn)行微操作，已滿足所需精度。通過進(jìn)一步深入，可實(shí)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(yùn)動(dòng)控制的細(xì)胞注射系統(tǒng)及其工作原理。

（2）設(shè)計(jì)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(tái)，分析了微位移臺(tái)的最小移動(dòng)量，滿足細(xì)胞注射等微操作所需的運(yùn)動(dòng)精度。

（3）與現(xiàn)有的細(xì)胞注射機(jī)構(gòu)相比，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。

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［2］田桂中，侯麗雅，章維一．?dāng)?shù)字化進(jìn)退針裝置的設(shè)計(jì)與研究［J］．機(jī)械工程學(xué)報(bào)，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

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