细胞注射微针的流动特性研究

　　0　引言

　　细胞注射要求针尖内孔直径在0·5~1μm之间,这样才能保证针尖可以刺入细胞核并进行药物注射。注射物质的数量级在纳升级以下。微注射首先由Grassmann和Diacumakos提出并应用,随着显微操作技术和微量注射技术的发展,细胞注射已成为现代细胞学与分子生物学领域对各种过程和结构进行研究的重要方法[1]。细胞注射微玻璃针的流动特性研究是实现细胞定量注射、提高注射效率和注射成功率的理论基础。

　　1　细胞注射微玻璃针流动特性的研究意义

　　细胞注射时所用的微玻璃针是由硼硅酸盐材料制造的毛细管拉伸而成,一般最初拉制的微针头部是封闭的或破碎的,经磨针器磨后针尖内孔直径可以在0·5~1μm之间,图1为笔者自主开发的拉针器拉制的微针在显微镜下的CCD图像。

　　动物细胞直径约为20μm,细胞核直径约为5μm,要求药液分辨量在皮升级,注射的药液量根据实际需要能自由准确控制[2]。当液体流动的特征尺度减小到微米级时,管道的表面积/体积比大大增加,表面效应明显会在流体流动中起主要作用。宏观尺度下与微观尺度下物理法则有所区别,表面张力在宏观尺度下许多工程问题中可以忽略不计,但在毛细现象、泡或液滴的形成、液体射流破碎、小尺寸模型试验中却是重要的[3]。注射用微玻璃针的长径比很大,图2为微玻璃针结构尺寸,内孔直径为0·5~1μm,表面张力成为主要阻力。表面层的液体分子间引力的作用使液体分子力图向液体内部收缩,犹如液体表面蒙上一层弹性薄膜,紧紧地把表面层拉向液体内部,使液体表面层受到容器的约束力与外部力相平衡[4]。玻璃针尖处的表面张力见图3,图3a为未加压前由于毛细作用使表面张力层内凹,图3b为对液体加压后液体从针尖即将射出的状态,定义为玻璃针临界喷射状态,此时对液体施加的压力为p1。在细胞注射时,压力在瞬间超越p1,有液体从针尖射出,此时的压力设为p2(p2> p1)。如果压力p2保持,由于针尖部分的液体由未喷射前的静压状态转换到流动状态,毛细现象消失,此时液体克服流动粘滞阻力所需的压力小于p1,液体会从针尖连续流出且流量无法控制,不能满足细胞注射的微量要求;而起始压力小于p1又无法使液体喷出。要实现定量注射,必须明确了解微玻璃针临界喷射状态的几何条件及能量条件,了解微玻璃针流动喷射状态的流动特性及粘滞阻力。

　　对细胞注射微玻璃针的流动喷射状态的研究有助于微流体产品的开发,如喷墨打印机喷头的进一步微型化等。注射压力在p1附近微小波动引起的注射针尖通断的现象在微量化学检测中也有实际应用。