專利名稱：一種基于漩流的單細(xì)胞姿態(tài)調(diào)節(jié)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及單細(xì)胞姿態(tài)調(diào)節(jié)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及基于漩流的單細(xì)胞姿態(tài)調(diào)節(jié)方法。
背景技術(shù)：
細(xì)胞姿態(tài)調(diào)節(jié)是生物工程中一個(gè)難點(diǎn)問題。目前，實(shí)際應(yīng)用的細(xì)胞姿態(tài)調(diào)節(jié)操作方法是采用微針管撥弄細(xì)胞使其旋轉(zhuǎn)，存在著對(duì)細(xì)胞損傷大、精度低、可重復(fù)性低、成本高、勞動(dòng)強(qiáng)度大等問題，大大制約了顯微操作技術(shù)的普及和應(yīng)用?？蒲腥藛T普遍希望能夠以機(jī)械代替手工，以自動(dòng)代替手動(dòng)，使顯微操作技術(shù)能夠簡(jiǎn)單化、自動(dòng)化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)工程化。直接接觸式的細(xì)胞姿態(tài)調(diào)節(jié)方法會(huì)傷害到細(xì)胞，影響實(shí)驗(yàn)的成功率，而且細(xì)胞操作的效率也非常低。非接觸式的調(diào)節(jié)方法可避免或減少給細(xì)胞帶來的傷害，是國內(nèi)外研究人員研究的主流。非接觸式細(xì)胞姿態(tài)調(diào)節(jié)方法，目前國內(nèi)外主要有激光法、介電泳法、靜電場(chǎng)法、超聲波法、微桿振動(dòng)法、兩微管對(duì)流法等。激光法、介電泳法、靜電場(chǎng)法、超聲波法等對(duì)細(xì)胞的損傷還未能明確，而且這些方法所需要的技術(shù)設(shè)備都十分昂貴，不利于實(shí)現(xiàn)工程產(chǎn)業(yè)化。微桿振動(dòng)法、兩微管對(duì)流法都是屬于采用微流體的方法對(duì)細(xì)胞進(jìn)行姿態(tài)調(diào)節(jié)。微桿振動(dòng)法是通過振動(dòng)微桿使其周圍產(chǎn)生一定的流場(chǎng)，包括旋渦流場(chǎng)。這些流場(chǎng)可以將遠(yuǎn)處的細(xì)胞引到桿附近，也可以將細(xì)胞旋轉(zhuǎn)。在這種方法中玻璃微桿振動(dòng)的頻率和振幅，需要根據(jù)細(xì)胞參數(shù)的變化而調(diào)整，特別是當(dāng)細(xì)胞尺寸和溶液粘度變化時(shí)，需要重新對(duì)振動(dòng)頻率和振幅進(jìn)行標(biāo)定和設(shè)置，甚至重新設(shè)計(jì)，將導(dǎo)致實(shí)際應(yīng)用的困難。南京理工大學(xué)的章維一提出的兩微管對(duì)流法，是將細(xì)胞由存儲(chǔ)導(dǎo)管輸送到兩根水平面內(nèi)不同軸噴管之間，液體噴射對(duì)流時(shí)產(chǎn)生的流場(chǎng)使細(xì)胞在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。`在豎直平面內(nèi)則是采用噴射流體推著細(xì)胞滾動(dòng)以達(dá)到需要的方位。但是由于兩根噴射管是固定在水平面內(nèi)，則對(duì)細(xì)胞大小的要求是固定的，且在細(xì)胞姿態(tài)調(diào)整之前的定位操作比較困難?？梢?，在現(xiàn)有的基于微流動(dòng)的細(xì)胞姿態(tài)調(diào)節(jié)方法中，一般只能針對(duì)某種固定尺寸，形狀的細(xì)胞和一定粘度的培養(yǎng)液，當(dāng)這些參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，微流體的驅(qū)動(dòng)和控制參數(shù)都必須重新調(diào)整，甚至需要重新設(shè)計(jì)。在這樣的背景下，本發(fā)明提出基于漩流的單細(xì)胞姿態(tài)調(diào)節(jié)方法。該方法可以根據(jù)細(xì)胞尺寸、形狀的變化，培養(yǎng)液粘度的變化等，通過調(diào)整微管的相對(duì)距離和微管噴射速度自由地調(diào)節(jié)漩流的尺寸和強(qiáng)度，通過擠壓和釋放連接微管的硅膠軟管進(jìn)行脈動(dòng)噴射，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞姿態(tài)的精確調(diào)節(jié)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)方法存在的上述不足，提供一種基于漩流的單細(xì)胞姿態(tài)調(diào)節(jié)方法，可實(shí)現(xiàn)非接觸式地驅(qū)動(dòng)細(xì)胞旋轉(zhuǎn)到希望的角度，具體技術(shù)方案如下。基于漩流的單細(xì)胞姿態(tài)調(diào)節(jié)方法，該方法是在細(xì)胞姿態(tài)調(diào)節(jié)操作過程中，根據(jù)細(xì)胞的形狀大小調(diào)節(jié)兩根相互平行的相同的微管的端面距離和軸間距離；控制兩根微管同時(shí)噴射流體產(chǎn)生漩流；利用漩流的粘性力驅(qū)動(dòng)細(xì)胞旋轉(zhuǎn)，并通過脈動(dòng)噴射的方式實(shí)現(xiàn)細(xì)胞任意角度的調(diào)節(jié)。
上述方法進(jìn)一步優(yōu)化的，所述的脈動(dòng)噴射是通過壓電陶瓷來擠壓和釋放連接微泵與微管的硅膠軟管完成的。上述方法進(jìn)一步優(yōu)化的，采用所述脈動(dòng)噴射的方式驅(qū)動(dòng)細(xì)胞一個(gè)角度一個(gè)角度地轉(zhuǎn)動(dòng)以達(dá)到所需的姿態(tài)。上述方法進(jìn)一步優(yōu)化的，根據(jù)細(xì)胞形狀大小調(diào)節(jié)兩根微管的端面距離與細(xì)胞直徑的比例為0.5:1 5:1。上述方法進(jìn)一步優(yōu)化的，根據(jù)細(xì)胞形狀大小調(diào)節(jié)兩根微管的端面距離與細(xì)胞直徑的比例為1:廣3:1。上述方法進(jìn)一步優(yōu)化的，調(diào)節(jié)兩根微管的軸間距離與微管的端面距離保持一致。上述方法進(jìn)一步優(yōu)化的，所述的脈動(dòng)噴射是通過控制流體的流速來實(shí)現(xiàn)的，脈動(dòng)噴射的流體低流速為0.ΟΓΟ.lm/s,脈動(dòng)噴射的流體高流速為0.05^1.0m/s，且高流速大于低流速，使噴射速度與時(shí)間的關(guān)系呈脈沖狀態(tài)。上述方法進(jìn)一步優(yōu)化的，脈動(dòng)噴射的流體高流速為0.Γ0.5m/s。上述的基于漩流的單細(xì)胞姿態(tài)調(diào)節(jié)方法中，所述的脈動(dòng)噴射是指在細(xì)胞未能轉(zhuǎn)動(dòng)前突然很快地增大微管的流體噴射速度，隨即迅速減小到原來較低的速度水平，使微管的噴射速度與時(shí)間的關(guān)系呈脈沖的形狀。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有顯著的優(yōu)點(diǎn):
(I)可以自由地調(diào)整微管之間的相對(duì)位置以適應(yīng)不同細(xì)胞的形狀尺寸及溶液粘度變化的需要，提高細(xì)胞姿態(tài)調(diào) 節(jié)方法的通用性。(2)利用漩流驅(qū)動(dòng)細(xì)胞旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)其姿態(tài)的調(diào)節(jié)，不會(huì)對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生任何機(jī)械傷 害(3)采用脈動(dòng)噴射的方式可以驅(qū)動(dòng)細(xì)胞精確地旋轉(zhuǎn)到希望的角度，即實(shí)現(xiàn)細(xì)胞姿態(tài)的精確 調(diào)節(jié)。


圖1為兩根微管與細(xì)胞的相關(guān)尺寸關(guān)系圖。圖2為微管與壓電陶瓷裝置及微泵的連接圖。圖3為根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到的脈動(dòng)噴射速度峰值與細(xì)胞旋轉(zhuǎn)角度的關(guān)系曲線圖。圖4為實(shí)例中進(jìn)行擠壓和釋放連接微管的硅膠軟管進(jìn)行脈動(dòng)噴射的示意圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施作進(jìn)一步介紹，但本發(fā)明的實(shí)施和保護(hù)范圍不限于此?；阡隽鞯膯渭?xì)胞姿態(tài)調(diào)節(jié)方法主要包括以下幾個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的姿態(tài)調(diào)節(jié):
(I)如圖1，根據(jù)細(xì)胞3的形狀尺寸，使細(xì)胞處于第一移動(dòng)微管I和第二移動(dòng)微管2的
對(duì)稱中心位置，并調(diào)節(jié)兩支微管的端面距離a與細(xì)胞3的直徑b的比例為:1:廣3:1。(2)保持兩根微管(I和2)的端面距離a不變，調(diào)節(jié)兩根微管(I和2)的內(nèi)徑之間距離b與其端面距離a —致為止，即使a=b ;在步驟(I)及步驟(2)的調(diào)節(jié)過程中，細(xì)胞3始終處于兩根微管(I和2)的對(duì)稱中心位置。(3)見圖2，開啟微泵6為兩根微管(I和2)提供流量，但控制微管的噴射速度較小使細(xì)胞未能轉(zhuǎn)動(dòng)；給膠管擠壓釋放裝置5 (如壓電陶瓷裝置、步進(jìn)馬達(dá)等)通入電流，使其突然擠壓硅膠軟管4后立即釋放；擠壓硅膠管使管內(nèi)流體流速增大，脈沖壓力作用后，速度恢復(fù)到原來的低速水平，脈沖作用時(shí)間0.1-0.5，優(yōu)選0.2s，細(xì)胞3將在速度突然變化的漩流中旋轉(zhuǎn)一個(gè)小角度(15-150° )后停止下來。作為例子，此處可以使低速微管噴出流體速度為0.04m/s，突然擠壓硅膠軟管時(shí)噴出流體速度為0.45m/s。(4)以步驟(3)中相同的脈動(dòng)方法繼續(xù)驅(qū)動(dòng)細(xì)胞3 —個(gè)角度一個(gè)角度地旋轉(zhuǎn)，直至達(dá)到需要的姿態(tài)。上述基于漩流的單細(xì)胞姿態(tài)調(diào)節(jié)方法中，要根據(jù)細(xì)胞3的形狀尺寸調(diào)節(jié)兩支微管(I和2)的端面距離a和微管內(nèi)徑之間的距離b，是為了使細(xì)胞3能在漩流中按定軸旋轉(zhuǎn)，即不會(huì)在姿態(tài)調(diào)節(jié)過程中被吹跑。上述采用的脈動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)細(xì)胞旋轉(zhuǎn)的方法中，細(xì)胞3每一步旋轉(zhuǎn)的角度與脈動(dòng)噴射的速度峰值及噴射時(shí)間相關(guān)，速度峰值越大，噴射時(shí)間越長(zhǎng)，細(xì)胞3旋轉(zhuǎn)的角度就越大。具體的脈動(dòng)噴射的速度峰值及噴射時(shí)間需要經(jīng)過標(biāo)定，然后換算成壓電陶瓷裝置需要的脈沖電流。實(shí)驗(yàn)表明，在噴射時(shí)間相同的情況下，噴射速度峰值與細(xì)胞旋轉(zhuǎn)角度成良好的線性關(guān)系，如圖3所示。實(shí)驗(yàn)中用到的一種擠壓和釋放連接微管的硅膠軟管的裝置，進(jìn)行脈動(dòng)噴射的裝置如圖4所示，401為 步進(jìn)電機(jī)，402為脈沖擠壓裝置的移動(dòng)端，403為脈沖擠壓裝置的固定端。步進(jìn)電機(jī)可實(shí)現(xiàn)0.5um的移動(dòng)精度，并可以控制步進(jìn)速率從而改變脈沖壓力大小。
權(quán)利要求
1.關(guān)于漩流的單細(xì)胞姿態(tài)調(diào)節(jié)方法，其特征是:在細(xì)胞姿態(tài)調(diào)節(jié)操作過程中，根據(jù)細(xì)胞的形狀大小調(diào)節(jié)兩根相互平行的相同的微管的端面距離和軸間距離；控制兩根微管同時(shí)噴射流體產(chǎn)生漩流；利用漩流的粘性力驅(qū)動(dòng)細(xì)胞旋轉(zhuǎn)，并通過脈動(dòng)噴射的方式實(shí)現(xiàn)細(xì)胞任意角度的調(diào)節(jié)。
2.根據(jù)權(quán)利I所述的基于漩流的單細(xì)胞姿態(tài)調(diào)節(jié)方法，其特征是所述的脈動(dòng)噴射是通過壓電陶瓷來擠壓和釋放連接微泵與微管的硅膠軟管完成的。
3.根據(jù)權(quán)利I所述的基于漩流的單細(xì)胞姿態(tài)調(diào)節(jié)方法，其特征是采用所述脈動(dòng)噴射的方式驅(qū)動(dòng)細(xì)胞一個(gè)角度一個(gè)角度地轉(zhuǎn)動(dòng)以達(dá)到所需的姿態(tài)。
4.根據(jù)權(quán)利I所述的基于漩 流的單細(xì)胞姿態(tài)調(diào)節(jié)方法，其特征是根據(jù)細(xì)胞形狀大小調(diào)節(jié)兩根微管的端面距離與細(xì)胞直徑的比例為0.5:Γ5:1。
5.根據(jù)權(quán)利4所述的基于漩流的單細(xì)胞姿態(tài)調(diào)節(jié)方法，其特征是根據(jù)細(xì)胞形狀大小調(diào)節(jié)兩根微管的端面距離與細(xì)胞直徑的比例為1: f 3:1。
6.根據(jù)權(quán)利I所述的基于漩流的單細(xì)胞姿態(tài)調(diào)節(jié)方法，其特征是調(diào)節(jié)兩根微管的軸間距離與微管的端面距離保持一致。
7.根據(jù)權(quán)利I所述的基于漩流的單細(xì)胞姿態(tài)調(diào)節(jié)方法，其特征是所述的脈動(dòng)噴射是通過控制流體的流速來實(shí)現(xiàn)的，脈動(dòng)噴射的流體低流速為0.ΟΓΟ.lm/s，脈動(dòng)噴射的流體高流速為0.05^1.0m/s，且高流速大于低流速，使噴射速度與時(shí)間的關(guān)系呈脈沖狀態(tài)。
8.根據(jù)權(quán)利7所述的基于漩流的單細(xì)胞姿態(tài)調(diào)節(jié)方法，其特征是脈動(dòng)噴射的流體高流速為 0.Γο.5m/s。
全文摘要
本發(fā)明提出一種基于漩流的單細(xì)胞姿態(tài)調(diào)節(jié)方法。所述方法是在細(xì)胞姿態(tài)調(diào)節(jié)操作過程中，根據(jù)細(xì)胞的形狀大小調(diào)節(jié)兩根相互平行的微管的端面距離和軸向距離；控制兩根微管同時(shí)噴射流體產(chǎn)生漩流；利用漩流的粘性力驅(qū)動(dòng)細(xì)胞旋轉(zhuǎn)，并通過脈動(dòng)噴射的方式實(shí)現(xiàn)細(xì)胞任意角度的調(diào)節(jié)。本發(fā)明能適應(yīng)不同細(xì)胞形狀尺寸及溶液粘度的變化，精確地旋轉(zhuǎn)細(xì)胞達(dá)到希望的姿態(tài)，并且不會(huì)對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生機(jī)械損害，有利于提高細(xì)胞實(shí)驗(yàn)操作的成功率。
文檔編號(hào)C12M1/00GK103087898SQ201310000599
公開日2013年5月8日 申請(qǐng)日期2013年1月4日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月4日
發(fā)明者黃維軍, 張勤 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)