数字化细胞注射器的试验研究

　　0　引言

　　细胞注射是将玻璃微针刺入细胞,将外源物质通过玻璃针注射到细胞内部的过程。目前,国内外科研机构是利用气压驱动的方法将外源物质从玻璃针尖射出,依据对注射针内药液加压时间的长短来控制注射量。玻璃针尖处内径的尺寸为微米级,毛细阻力很大,只有气体的压力超过针尖处的毛细阻力时,才能将药液从注射针中射出,针尖处的毛细阻力称为微注射玻璃针的临界喷射压力[1]。微注射玻璃针的制造要经过拉制和磨制两个复杂工艺过程,针尖的直径较难控制,每根针尖直径的差别会使临界喷射压力有所不同,注射不同的药物时,为避免交叉污染,注射玻璃针不允许重复使用,因此,不同批次注射时都需要重新调整气体压力。由于容积式气泵压力控制的延迟性及气体的压缩性,实质上注射时无法精确保证加压时间,因此也无法保证注射量的控制精度。气动注射同时存在着结构复杂、体积大、成本高和成功率低的缺点。在细胞工程研究中,迫切需要研制可精确稳定控制注射量的注射装置[2,3]。

　　1　数字化细胞微注射器的基本原理

　　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,非常适用于微位移驱动。目前,国内外在利用压电陶瓷驱动控制微操作手的精密运动方面的研究较多[4~6],但大多限于对细胞进行定位、夹持。

　　压电驱动在控制流体特性及动态响应特性方面优于普通液压泵及气压泵,薄膜式压电泵注射量为纳升级,泵压无法超过微注射玻璃针的临界喷射压力,不适用于细胞注射[7]。综合细胞注射的要求和不同流体的驱动特点,利用叠堆式压电陶瓷的微位移特性和产生较大推力的特性,使充装药液的注射器内容积产生微小变化来进行微量注射,可达到突破微注射针临界喷射压力的目的,注射量可以通过施加在压电陶瓷上的电压来控制。由于压电陶瓷电压与位移有较好的线性关系及复位性能,保证了微量注射时药液量控制的可靠性和稳定性[8~11]。

　　图1为笔者研制的数字化细胞微注射器的结构简图。注射器主要由两只叠层式陶瓷微位移器2、5与弹性薄膜9及腔体11构成,陶瓷微位移器2、5分别通过连接螺纹与过渡块3固定连接,过渡块3与筒体6之间要求一定的配合精度,沿轴线方向的相互位置关系由调整螺栓4调整确定,紧固紧定螺钉17可实现定位。筒体6上安装有腔体11,腔体11的一侧装有薄膜9以及密封圈　　10,靠有细牙螺纹的旋帽12将薄膜9压紧在腔体11上,使腔体在承受大于临界喷射压力时不产生泄漏,腔体11上装有压帽16、密封圈14和微玻璃针15,密封圈14用硬橡胶制造,旋紧压帽,使硬橡胶压紧微玻璃针,保证注射腔体11不发生泄漏。微玻璃针15,由笔者自主开发的拉针器[12]拉制而成。调压保压装置可以进行压力调整,并能将要注射的药液通过电磁阀13压进腔体11,电　　磁阀13控制输送药液回路的开启和闭合。在陶瓷微位移器5上装有螺帽7,螺帽7的环形槽中用504胶粘有淬火钢珠8,在胶粘时施加较大预压力使螺帽和淬火钢珠间消除间隙。薄膜9用60Si2Mn的材料轧制而成,厚度为0·1mm,采用淬火及中温回火热处理。细胞注射时,整个系统通过连接杆1安装在倒置显微镜的操作装置上。