细胞注射机三坐标微位移台结构设计

秦运海 金艳梅 范莹莹 李 兵

（湖州师范学院工学院，浙江 湖州313000）

0 引言

细胞显微注射，即利用微注射针穿刺细胞膜后将外源基因物质注入细胞内指定注射位置，并培育出具有外源基因特征个体的过程，是生产转基因动物的主要手段［1］。细胞注射是生命科学和生物工程的重要研究方法，显微注射是细胞注射的核心步骤，是实现外源物质导入细胞的关键技术，而微位移工作台是微注射的结构基础。显微注射以活体细胞为操作对象，包括哺乳动物体细胞、生殖细胞等，尺寸常处于1～100μm范围。

传统的显微注射系统中，培训操作人员需投入大量时间和资金，试验过程受技能、精力和情绪等因素干扰显著，且定位精度低，刺膜速度慢，易引起细胞大幅度变形或细胞膜大面积破碎，降低了细胞注射试验效率和注射后细胞存活率，制约着显微注射法制备转基因动物的成功率和生产率［2］。现有显微注射系统主要由Narishige、SuRer、Eppendorf等公司生产。利用硅加工工艺、压电陶瓷伸缩变形与振动等技术，国外学者［3－5］研究的微进给装置具有刺膜速度快、控制精度高等优点，但成本很高。因此，提出一种精度较高、结构简单、成本低的基于视觉运动控制的细胞注射系统（图1），该系统采用一种X—Y—Z三坐标微位移台，通过显微镜的CMOS摄像头获取显微镜下细胞所在位置，并通过计算将该坐标发送给带有微量注射器的X—Y—Z三坐标微位移台，从而控制该位移台快速、准确地运动到该细胞所在位置，并使用注射器进行刺膜和微量注射。

图1 细胞注射系统

1 X—Y—Z三坐标微位移台的控制系统

X—Y—Z三坐标微位移台主要由X、Y、Z三个轴微位移移动台组合而成，其使系统结构设计模块化，且每轴微位移移动台装有限位开关，保护系统结构的安全。

1．1 控制系统组成

为了方便精密位移系统的设计，X—Y—Z三坐标微位移台的结构设计与驱动方式如图2所示。

图2 微位移移动台

该平台采用日本神津的XA07A系列，所用步进电机为直流五相步进电机，其步距角为0．72°，直流步进电机通过联轴器与精密丝杠连接，丝杠导程为0．5mm，行程为20mm，精密丝杠与安装在工作台上的丝杠螺母配合使用，两侧通过精密导轨副与工作台底座相连。限位开关安装在工作台底座旁边。步进电机驱动器采用奥拓尼克斯生产的 MD5－HD14驱动器，其细分精度最高达250。控制器为国产普通三轴控制器，可实现三轴联动。

1．2 精度分析

相关参数：步进电机步距角为0．72°，丝杠导程为0．5mm，驱动器最高细分数250，则细分后电机步进角为：

即步进电机每转步数：

则步进精度（最小位移量）：

2 系统性能分析

该系统移动平台采用X—Y—Z三坐标结构，其主要优点在于结构简单、易操作、刚度好、不易产生振动。系统的驱动控制部分主要优势在于采用五相步进电机与高细分器和性价比高的三轴控制器，实现了最小位移量小、运动精度高、控制简单的要求，且三轴联动的控制实现了斜线、圆弧线等曲线轨迹的运动。对于考核机器视觉测量系统的分辨率、运动形式和调试工作的精度已经足够，对于尺寸为1～100μm间的生殖细胞进行微操作，已满足所需精度。通过进一步深入，可实现数字化控制。

3 结论

（1）本文介绍了一种基于视觉运动控制的细胞注射系统及其工作原理。

（2）设计并搭建了一种可以满足细胞注射等微操作的X—Y—Z三坐标微位移台，分析了微位移台的最小移动量，满足细胞注射等微操作所需的运动精度。

（3）与现有的细胞注射机构相比，结构简单，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，侯丽雅，章维一．数字化进退针装置的设计与研究［J］．机械工程学报，2008，44（10）：234～238

［3］SUN YU，WAN K T，ROBERTS K P，et al．Mechanical property characterization of mouse zona pellucida［J］．IEEE Transactions on Micro－bioscience，2003，2（4）：279～286

［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