用于产生工具运动的设备和方法

专利名称：用于产生工具运动的设备和方法
技术领域：
本发 明涉及用于产生工具运动的设备和方法，尤其是应用于软生物细胞材料。
背景技术：
这样的设备和方法在生物医学应用中是已知的，例如尤其是用于细胞的去核和移核。在人类或动物细胞的体外受精(IVF)领域中，已知所谓的精子卵浆内注射(ICSI)的方法，这是体外受精过程，在该过程中，单个精子被注射到卵细胞(卵母细胞)中。小鼠或大鼠的卵母细胞的直径通常为100至120 ii m。这种较大的细胞允许机械地处理涉及的生物成分。在显微镜下用微操纵装置执行ICSI方法，具体地，该微操纵装置包括用于精确定位的微操纵器，用于施加压力或进给例如几微升级别的小体积的微注射器，同时用于引导小体积流动路径且用于与活的细胞接触的微毛细部件。通过微注射器施加的微微抽吸由保持毛细部件稳定卵母细胞。从相对侧，具有通常仅仅几(例如7) iim的开口直径的薄的中空玻璃微毛细部件用来收集单个精子，通过利用微毛细部件的末端切精子的尾部而将其固定。微毛细部件刺穿卵膜并且进入到卵母细胞(细胞质)的内部。然后精子被释放到卵母细胞中。在ICSI期间，卵母细胞必须被微毛细部件刺穿。由此，卵母细胞的外部保护壳(透明膜环)失去抗性并且需要特定的设备用于刺穿。这对于辅助孵化的生物医学方法同样是需要的，其中透明膜环被从外侧点状腐蚀，以便于孵出产生的胚胎。还从软细胞材料例如组织的解剖中已知这样的设备和方法。附图的图I中示出了这种已知的设备，微解剖器。微解剖器I用于切开细胞组织，例如用于从组织学标本提取生物成分和结构。由于微解剖器I的工作原理，基部通常具有U形构型。在“U”的上部开口中安装有压电致动器2，其相对于右侧部分移动“U”的左侧部分。因为“U”的左侧部分安装成经由可枢转支撑臂4而能够在基部上位移，所以安装到基部3的运动部分5b上的工具5能够沿着X轴的方向移动。然而，由于明显的U形，具体是支撑臂4的较大确定长度，所以该运动还示出了沿y方向的较大分量。此外，“U”形基部由于其沿7方向的长杠杆臂而特别倾向于绕X轴扭转。压电致动器通常不会例如仅仅沿X方向以最佳线性方式膨胀和约束。相反，它们趋于稍稍弯曲，在这种情况下转换为沿y方向和z方向的附加运动。这样的多维运动有时候是有用的，但并不总是期望的。

发明内容
本发明的目的在于提供一种用于产生工具运动的改进的设备和方法，尤其适用于软的生物细胞材料。本发明通过提供根据权利要求I的设备和根据权利要求12的方法来实现所述目的。从属权利要求描述了本发明的优选实施例。根据本发明的用于产生工具运动，尤其应用于生物细胞材料的操作的设备，包括至少一个致动器元件、能够弹性变形的被致动的构件、可以布置有工具且联结到被致动的构件上的运动部分，至少一个致动器元件联结到被致动的构件，使得至少一个致动器元件的致动使被致动的构件弹性变形一定距离，该距离对应于被致动的构件的长度变化，其中所述长度变化弓I起运动部分的所述运动。根据本发明的设备和方法优选地适用于生物、医学、生物医学或化学(例如生物化学)应用等，优选地适用于软的物质并且优选地不适用于非软物质。软的物质被理解为类似于生物物质的物质，例如组织，例如具有的杨氏模量优选地相应小于10GPa、5GPa、lGPa、0. lGPa、0.01GPa或O.OOlGPa。然而，根据本发明的设备和方法关于非软物质的应用，尤其是对于杨氏模量大于IOGPa的物质，也是可能的。根据本发明的设备和方法优选地用于或适用于IVF、ICSI、辅助孵化、去核、移核、微外科、膜片夹紧和其它生物和医学领域，尤其适用于人类、动物(例如小鼠、大鼠或牛)的细胞，具体是适用于卵母细胞，或者相应地适用于多种这样的应用。该设备还优选地适于执行细胞材料的切开，例如从石蜡部分切开单个细胞，从组织学部分的区域的切开和/或与从3D细胞培养聚合的干细胞分离。然而，该设备和/或方法也可以用于其它的应用，具体是用于非生物医学应用，其尤其需要幅度在纳米到微米范围或其它范围的运动，并且通常用于能够从根据本发明的设备和/或方法的优点和特征获益的那些应用。借助被致动的构件实现根据本发明的设备的运动部分的运动，该被致动的构件由至少一个致动器元件致动并且其自身致动该运动部分，该运动部分联结到被致动的构件。优选地，由至少一个致动器元件产生的一个致动作用使被致动的构件弹性变形一段距离，该距离基本上等于被致动的构件的受影响的一个长度变化。优选地，至少一个致动器元件的致动作用导致被致动的构件的净长度变化。优选地，基本上通过执行一个致动作用的至少一个致动器元件的第一长度变化来弓I起被致动的构件的第二长度变化。所述第一长度变化和所述第二长度变化优选地基本上同时发生。优选地，被致动的构件的运动和至少一个致动器元件的运动之间基本上没有相移。优选地，第二长度变化的值(v_am)和第一长度变化的值(v_ae)相同。这种构型提供的优点在于，优选地实现致动器元件的作用与被致动的构件的(反)作用之间的直接相互作用，这允许更加精确地控制运动部分的运动并且能够实现运动部分以受控数量的位移进行位移，例如1、2、3、4、5或更多个确定的位移，而不是以无限数量的振荡来执行振荡运动。优选地，比v_am/V_ae满足以下条件之一，分别为v_am/v_ae=l ； I v_am/v_ae-l |〈O. 5或0. 2或0. I或0. 01。优选地,所述净长度变化的值为v_am。设备优选地被构造为使得与运动部分(由被致动的构件致动)的至少部分地线性的运动的方向平行的直线(其穿过运动部分或穿过安装在运动部分处的细长工具的长度)不会穿过致动器元件或穿过致动器元件的一部分。对于这样的构型，从外侧作用在运动部分或安装到运动部分的工具上的冲击不会沿着力传递直线直接作用在致动器元件上。相反，所述冲击和其它机械载荷至少部分地或(几乎)完全被被致动的构件吸收。最优选地，设备被构造为使得尤其是从设备外侧施加在运动部分或安装到运动部分的工具上的力基本上被传递至被致动的构件，并且基本上被进一步从被致动的构件朝向优选地设置在被致动的构件处的连接部分传递，并且优选地能够经由所述连接部分进一步传递到保持装置，该保持装置优选地适于保持设备并且吸收从外侧(几乎)完全或至少部分地施加的力。因此，运动部分、被致动的构件和连接部分以及优选地还有可能的保持装置， 优选地串联，以形成直接力传递链。此外，至少一个致动器元件优选地安装在被致动的构件处，使得尤其是从设备外侧施加在运动部分或安装到运动部分的工具上的力仅仅以最小的比率作用在致动器元件上，例如优选地小于0.001、0.01、0. I或0.5的比率。相反，所述力主要进行传递并且进一步由被致动的构件优选地朝向被致动的构件处的连接部分分布，并且优选地能够进一步分布到保持装置，这可以将设备保持在所述连接部分处。优选地,作用在运动部分上的力以比force_on_ae/force_on_am分布在致动器元件(ae)和被致动的构件(am)之间，所述比优选地分别小于0. 5 ；0. 25 ；0. 2 ；0. I ；0. 5 ；0. 01 ；0. 005 ；0. 001。具体地，如果抵消作用在运动部件上的冲击力的抗性主要是基于被致动的构件的抗性并且很少基于致动器元件的抗性，那么可以实现上述这种情况。为此，被致动的构件和至少一个致动器元件的布置是优选的，其促进了所述力以较大的比率分布在被致动的构件上并且以较小的比率分布在致动器元件上，具体地，这是通过根据本发明的设备的几个实施例实现的。另外，如果例如与致动器元件的对应能力相比被致动的构件在施加变形能量的情况下(例如，在冲击力的情况下)变形的能力较低而对于致动器元件而言该能力较高，那么 被致动的构件将提供较大量的抗性。从而，被致动的构件的材料的杨氏模量(Y_am)优选地较高，且致动器元件的材料的杨氏模量(Y_ae)优选地较低。优选地，Y_ae比Y_am小的因子为至少 0. 9,0. 85,0. 75,0. 5,0. 25,0. I 或 0. 05。例如，优选的是，0. 85<Y_ae/Y_am<0. 90，0. 5<Y_ae/Y_am<0. 80 或 0. l〈Y_ae/Y_am〈0. 5。这些构型提供的优点在于，该设备比其它设备更稳固，其中运动部分以力传递直链而直接连接到例如压电元件的致动器，该致动器可能在工具无意中撞击玻璃基底、经由所述分量线而无阻尼地作用在致动器上的长期应力或其它机械应力的情况下损坏。本发明采用致动元件，该致动元件缓冲冲击，提供较高的结构稳定性和稳固性，并且使得根据本发明的方法更加可靠。在这样的构型中，被致动的构件可以看作是设备的“主干”，其通过致动器元件而移动，致动器元件优选地安装成与被致动的构件(“主干”)平行，从而形成“肌肉”。另外，根据本发明，致动器元件相对于被致动的构件的联结允许使用较轻和较小的部件，从而提供整体质量较小的系统，这允许较快的致动变化，并且对于振荡运动的情况允许较高的振荡频率。此外，致动器元件可以布置成靠近运动部分，以使得力更加有效地传递至可能的工具(毛细部件等)。具体而言，优选地避免已知的U形布置使得设备具有较好的扭转刚度。这对于使用压电致动器的优选情况而言是至关重要的。压电致动器通常不会例如仅仅沿X方向以最佳线性方式膨胀和约束。相反，它们另外往往会稍稍弯曲，如果不被该被致动的构件阻止，那么这种弯曲将会转换为运动部分沿X方向和/或y方向的不期望运动。U形由于其沿y方向的长杠杆臂而特别倾向于绕X轴扭转。在本发明的内容中，第一元件与第二元件的联结优选地指的是两个部件的运动联接，其中优选的是第一元件的运动引起第二元件的运动。联结和“联结到”可以指的是两个部件在所有维度或至少一个维度或两个维度上彼此永久地或非永久地彼此固定，例如通过借助力封闭、形成封闭或粘合剂粘结中的至少一个类型的连接而一体地形成两个部件。第一部件和第二部件的联结还包括这样的情况第一部件经由第三部件或另外的部件联结到第二部件，其中例如第一部件联结到第三部件，第三部件联结到第二部件。这里，例如第一部件可以是致动器元件，第二部件可以是致动的元件，第三部件可以是一个或多个连接器件。对于根据本发明的设备和方法，优选的是，部件的联结使得避免部件之间的游隙。具体地，没有浮动支承被强制用于该设备。这使得该设备的设计成本较低并且提高了产生的运动的精度和该设备的能力。运动部分优选地与设备的另一个部件一体地构建，例如与被致动的构件一体地构建。被致动的构件优选地沿着中心轴线延伸，并且运动部分优选地布置在被致动的构件处，使得所述轴线延伸穿过所述运动部分。具体地，运动部分优选为设备的适于安装工具的部分。运动部分优选地适于永久性地或可移除地承载或连接或保持进一步的元件，具体为工具，例如微解剖器针或毛细部件，所述工具优选地由金属、玻璃或塑料制成。优选地，用于可移除地安装工具的安装头部牢固地连接或能够连接到运动部分，使得由设备(具体由被致动的构件)提供的运动优选地完全传递到工具，但是优选至少部分 地传递到工具，以移动该工具。安装头部可以包括用于将例如工具的元件连接到安装头部上的连接器件。连接器件可以包括螺纹、用于闭锁的器件、磁体和/或类似物。安装头部可以与设备的例如被致动的构件或承载体的另一个部件一体地形成。第二安装头部优选地设置成通过第二连接器件与第一安装头部可移除地连接，以允许使用不同的第二安装头部，该第二安装头部分别适于保持特定类型的元件，例如工具，例如取决于毛细部件或针的外径的类型。安装头部可以适于形成至少一个通道，使得流体可以流过安装头部。如果例如毛细部件用作工具，那么这可以用来施加压力或低压力，以利用所述压力变化和受控的压力来用于目标材料，例如细胞。对于设备与显微注射器组合使用或者对于垫片夹紧应用(其中经由通道中的导电电解质形成点触头)而言，通道的使用是优选的，或者对于通道有用的其它应用而言，通道的使用是优选的。另外，任选的第二安装头部可以适于形成通道，使得流体可以流过安装头部。如果需要的话，例如塑料制成的0形环的密封器件设置成相对于外部密封所述通道的内部，具体是在接头位置处密封该通道，在该接头处两个通道部分连接。被致动的构件优选地为设备的能够被致动器元件致动的部分，并且为设备的用于使运动部分移动的致动器的部分。被致动的构件优选地为优选地承载设备的其它部件的基部部分或基部部分的一部分。例如，基部部分可以是至少一个致动器元件的承载体和/或任何联结器件的承载体，该联结器件将致动器元件在其第一和第二位置处联结至被致动的构件。优选地，被致动的构件为一体地形成的部件。然而，还可能且优选的是，被致动的构件包括至少两个部件或更多部件，这些部件彼此联结，优选地在所有三个维度上彼此固定。被致动的构件优选地提供至少一个通道，使得流体可以流过被致动的构件。此外，如果例如毛细部件用作工具，那么这可以用来施加压力或低压力，以利用所述压力变化和/或受控的压力来用于目标材料，例如细胞。如果需要的话，例如塑料制成的0形环的密封器件设置成相对于外部密封所述通道的内部，具体是在接头位置处密封该通道。通道可以适于填充有气体、液体，尤其是填充有细胞等离子体、培养基、水、溶液或汞、Fluorinert 或硅油。然而，对于根据本发明的设备和方法而言，提供通道或填充的通道并不是强制性的，而是任选的。被致动的构件可以是杆部件或管状部件，其优选地沿着(虚)轴延伸，并且优选地相对于所述轴至少部分地同时构建。优选地，致动的元件为细长装置，其中长度分别大于高度或深度，虚轴穿过被致动的构件，且与其长度平行；另外，致动器元件布置成基本上沿着第二虚轴作用，以主要产生致动器元件的与所述第二轴平行的线性运动；被致动的构件和至少一个致动器元件优选地布置成使得第一轴和第二轴平行或同轴。还优选的是，从与所述第二轴平行的所述致动器元件的运动得到的净力矢量与被致动的构件的横截面的形心或矩心匹配，取得的所述横截面优选地垂直于所述第一轴，这优选地应用于被致动的构件的所有可能的横截面或横截面的至少主要部分。这提供的优点在于，被致动的构件将正好为细长的但是基本上不会弯曲，这使得工具具有小的切割或钻孔宽度。优选地，被致动的构件为或包括中空圆柱体形部件或管，以形成通道。管或通道提供的优点在于，压力或下压力可以施加到合适的工具，例如毛细部件，以通过压力或通过将一定体积的注射材料(例如精子)注射到目标材料(例如 细胞)而机械地处理目标软样品材料(例如细胞)，或者从样品中去除一定体积的目标软材料。优选的是，所述管或通道填充有流体，该流体优选为气体(例如空气)、液体(例如Fluorinert )或萊。被致动的构件优选地包括第三连接器件，该第三连接器件优选地与被致动的构件一体地构建，以用于将其它部件(例如至少一个致动器元件)联结或连接到被致动的构件。这样的第三连接器件优选地联结到被致动的构件上的位置为所述第一和/或第二位置，在该位置处至少一个致动器构件优选地联结到被致动的构件。所述第三连接器件可以包括至少一个凸起或至少一个凹部，其优选地绕着被致动的构件延伸的轴线轴向地布置在被致动的构件处。优选地，第三连接器件在被致动的构件的外表面上包括凸起、凹部或台阶，其优选地分别提供用于接合互补地形成的连接器件的接合位置。被致动的构件优选地提供第一位置和第二位置，其中被致动的构件优选地沿着其延伸，优选地与所述第一位置和所述第二位置之间的距离平行地延伸，并且优选地与所述第一位置和所述第二位置之间的限定了轴线的直线距离平行地延伸。在所述第一和所述第二位置之间，优选地在不使其弯曲的情况下或优选地通过额外地使其弯曲，被致动的构件优选地形成为使得所述距离的增大或减小优选地使得被致动的构件的材料沿着所述距离膨胀或压缩。所述第一位置和所述第二位置之间的直线距离优选地在5到IOOmm之间，优选地在5到50mm之间，优选地在10到50mm之间，优选地在10到30mm之间，同样优选地处于第一状态以及处于第二状态，在该第一状态，被致动的构件没有弹性地变形，在该第二状态，被致动的构件弹性变形。优选地，所述距离仅仅用于被致动的构件的膨胀，以便沿着所述距离的长度膨胀该被致动的构件。将所述弹性变形直接施加到优选地形成设备主干的被致动的构件所提供的优点在于，与例如已知的具有U形基部的设备相比，该设备可以保持为较小。另外，在设备中提供内部膨胀距离所提供的优点在于，操作更加独立于设备的悬挂，该设备可以利用线性马达等连接到其它的微操纵器，从而允许设备的应用具有更多的灵活性。被致动的构件优选地在其第一状态不变形，在其第二状态变形，并且在第三状态较少地变形。在第三状态中，被致动的构件的变形优选地比第二状态中小的因子为至少10~2、10~3或10~4或不同的值。在第三状态中，至少一个致动器元件借助被致动的构件优选地保持处于弹性机械应力下，优选地处于压缩下。压缩(优选地为偏压压缩)优选地选择成使得致动器元件在设备操作期间绝不处于拉伸应力下。在致动器元件的静止状态下，如果压缩致动器元件的抵触支撑件的紧固转矩为500Nmm，那么所述压缩例如可产生1025N的偏压力。这可以通过例如包括螺纹的连接器件实现，该连接器件优选地将致动器元件固定到被致动的构件，该被致动的构件优选地承载所述部件。这样的偏压应力的好处在于，可以在其所有状态下避免致动器元件与被致动的构件之间的游隙。因此，致动器元件的力可以立即直接传递到被致动的构件。如果致动器元件包括压电元件，那么偏压压缩具体地引起压电元件的负载容量增大。压电元件在压力下工作的能力比在张力下工作的能力高得多，有时候高10到20倍。当压电元件以错误的电压处于拉伸应力下时，除了易碎失效的风险，还有使压电元件偏极的风险。当在持久(偏压)压缩下驱动压电元件时，与具有混合张力/压缩状态的系统相比可以增大机械负载容量，并且可以施加较高的交流电频率。提供偏压力的主要优点在于，可以实现运动部分的较快速的前后运动。运动部分可以通过快速电压偏移返回，而没有在张力载荷的情况下可能出现的致动器元件(例如压电元件)偏极的风险。被致动的构件优选地由弹性材料制成或至少部分地由弹性材料制成，或者包括由弹性材料制成的部分。另外，被致动的构件优选地包括弹性不同的部分。所述弹性材料具有的杨氏模量优选地大于O. 2kN/mm2，优选地大于lOOkN/mm2，优选地大于200kN/mm2以及优选地在180到240kN/mm2之间。优选地,所述弹性材料为或包括钢、陶瓷或玻璃。杨氏模量 优选地大于180kN/mm2的钢或其它材料提供的优点在于，可以设计稳定的结构，具体是稳定的致动的部分。具体地，这允许构造更加稳固和耐久的设备，并且提供更加可靠的用于产生运动的方法。另一方面，这样的材料适合于由于其弹性而优选地借助致动器元件进行压缩或膨胀，该致动器元件包括作为致动器构件的常规的压电元件或其它压电元件，例如这种强效的压电元件，该压电元件例如应用于汽车工业，该汽车工业中它们用于燃料喷射器，其可以用于本发明。优选地，被致动的构件用作电导体并且优选地用作设备的电路元件。通过至少一个致动器元件的致动所引起的被致动的构件相对于任何方向的长度变化优选地对应于所述第一位置和所述第二位置之间的直线距离在它们分别在被致动的构件的变形的第二状态和不变形的第一状态中测量时的差。通过限定，对于膨胀的被致动的构件，长度变化具有正的指示，对于压缩的被致动的构件，长度变化具有相对于所述方向的负的指示。被致动的构件的长度变化优选地取自长度变化的范围的组，包括O. 5至
2.O μ m、0. 5 至 I. O μ m、0. I 至 O. 5 μ m、0. 05 至 O. 5 μ m、0. 01 至 O. 5 μ m、0. 01 至 I. 8 μ m 或不同的范围。优选地，通过提供具有至少一个压电元件的致动器元件，并且分布在优选地为200V至425V、200V至600V或100V至300V的电压状况下驱动所述致动器元件，来实现所述幅度。向所述致动器元件施加相应的电压，可以实现幅度，其中在这种情况下没有施加偏压压缩，如以下的实例参考列表示意性地描述的，(电压[V];幅度[μ m]) :(700 ；1. 1032)，(600 ；0. 9456)； (425 ；0. 6698), (200 ;0. 3152)，(300 ；0. 4728), (100 ；0. 1576)。在偏压压缩下，幅度可以期望稍稍较小，例如小于5. O、I. O或O. 01%。最大长度变化取决于致动的部分的长度或具体取决于所述直线距离，并且取决于所采用的至少一个致动器元件的强度。对于给定的力，具有较高杨氏模量的弹性材料将提供较小的长度变化。运动部分优选地联结到致动的部分，使得致动的元件沿限定的方向的长度变化引起运动部分的运动，运动的幅度对应于(优选地等于)所述长度变化。例如50至250nm的幅度可以用于ICSI，其例如在牛的卵母细胞上进行，具体地用于利用玻璃毛细部件刺穿透明膜环，该玻璃毛细部件具有直径为几μπι (例如5-8)的开口。杨氏模量优选地大于ISOkN/_2的钢或其它材料可以提供这种合适的幅度，其允许精确地适用于生物细胞材料或其它结构。优选地以I或10 μ m级别的宏观比例看，所述弹性材料优选地为均匀的，或者具有至少均匀的部分。另外，优选的是，所述弹性材料不是均匀的或包括至少不均匀的部分。例如该材料可以具有一结构，例如颗粒尺寸为微米状况，如典型的可变结构或结构值大于微米或毫米的结构。弹性材料可以由实心材料制成，其可以具有中空部分，该中空部分填充有任何压力的气体，所述中空部分优选地是孔或开口或类似物。例如沿着X方向延伸的被致动的构件通过在X方向上作用的力的任选弯曲可以引起运动部分在X方向上的位置的变化。然而，对于本发明，优选的是，被致动的构件在致动器构件沿X方向进行致动的情况下由于其弹性变形而引起的长度变化优选地为主要的影响，其使得运动部分沿X方向移动，其中弯曲优选地忽略不计。具体地，这对于运动部分的 量，具体产生沿不止一个方向的运动，例如，还至少部分地沿X方向、y方向和/或Z方向。如果期望运动部分进行线性运动，则优选的是，至少一个致动器元件联结到被致动的构件，使得在致动器构件致动的情况下沿所述方向(基本上)不会出现被致动的构件的弯曲。如果运动部分将要进行线性运动，则优选的是，所述弯曲优选地忽略不计。忽略不计意味着容许实现设备应用的期望技术目的，例如用于执行ICSI。优选地，线性运动提供运动部分或近侧端部伸长至运动部分的工具的远侧末端沿y方向(和/或z方向，分别地)的最大幅度A_y(A_z)与沿优选的X方向的最大幅度A_x的比R,其中R=A_y/A_x和/或R=A_z/A_x相应地优选小于 O. 5,0. 2,0. 1,0. 05,0. 01,0. 005,0. 001,0. 0005,0. 0001，更优选地小于 O. 00005、
O.00001,0.000005,0. 000001,0. 0000005,0. 0000001。另外，优选的是，至少一个致动器元件联结到被致动的构件，使得在致动器元件致动的情况下被致动的构件沿运动方向发生有限量的弯曲，所述方向优选地为在致动器构件致动的情况下被致动的构件由于其弹性变形而发生长度变化的方向。有限量意味着，被致动的构件的所述弯曲沿期望线性方向偏移运动部分所根据的第一比率小于由于弹性变形的被致动的构件沿所述方向的长度变化而出现的第二比率。优选地，第一比率处于第二比率的商小于2或小于I,并且相应地优选小于值O. 5、0. 1、0. 01或O. 001中的任何一个。在所述第一或第二位置处，至少一个致动器元件优选地联结到被致动的构件，使得被致动的构件在通过致动器元件致动的情况下承受所述长度变化。第一位置可以包括或可以为点或接触区域或者多个点或接触区域，在该位置处，传递由致动器元件(例如致动器元件自身)产生的力的元件接触被致动的构件或联结到被致动的构件，以具体地将致动器元件产生的力传递至被致动的构件。优选地，至少第三位置设置在被致动的构件上，在该位置处，致动器元件联结到被致动的构件。优选地，联结到被致动的构件的致动器元件的致动引起被致动的构件沿着所述第一位置和所述第二位置之间的线性距离的长度变化。优选地，被致动的构件适于在所述第一位置和所述第二位置之间膨胀第一长度变化的长度。还优选地，被致动的构件适于在所述第一位置和所述第二位置之间压缩第二长度变化的长度。还优选地，被致动的构件适于在所述第一位置和所述第二位置之间膨胀第一长度变化的长度，同时适于在第三位置和第四位置之间压缩第二长度变化的长度。可以通过将被致动的构件构造为在所述位置处提供抵触支撑件(例如凸起、凹部、开口、台阶)以用于至少一个致动器元件联结到所述位置，来实现这样的改型。设有至少一个致动器元件。优选地设有多个，例如两个、三个、四个、五个、六个或者更多个致动器元件。每个致动器元件优选地包括至少一个，优选地多个，例如两个、三个、四个、五个、六个或者甚至更多个(如数十个或数百个)致动器构件。优选地，设有至少两个或三个致动器元件，其绕着被致动的构件布置，以允许被致动的构件沿坐标系统的X方向、y方向和z方向的致动。致动器元件或致动器构件可以是压电元件，例如压电陶瓷，例如软陶瓷或硬陶瓷，例如 BaTi03、PbTi03、Pb[ZrxTil-x]03 (0〈x〈l ;PZT)、KNb03、LiNb03、LiTa03、Na2W03、Ba2NaNb505、Pb2KNb5015、PMN 或类似物。优选地，致动器元件或致动器构件具有环形结构，优选地为对称圆环结构，使得其能够围绕圆柱形的被致动的构件的本体布置。优选地，至少一个致动器元件和/或至少一个致动器构件(例如压电箔)层叠在一起，以形成一个致动装置。致动器元件和/或致动器构件优选地相对于至少一个方向(例如X方向)成序列地布置。强效压电元件是优选的，其例如应用于汽车工业，该汽车工业中它们用于燃料喷射器，其可以用于本发明(例如，基于PbTi03、Pb[ZrxTil-x]03 (0<χ<1 ;PZT))。层叠的压电元件是优选的，包括数十个到数百个单独连接的压电元件(例如压电箔)的叠层。优选地，致动器元件和/或致动器元件并联。这允许保持供应电压较低，优选地在600V以下，还更优选地在500V以下。另外，获得的运动幅度高达例如O. 5至I. 8 μ m，并且控制电子元件更易于且更廉价地获得。优选地，至少一个致动器元件布置成围绕穿过被致动的构件的轴线，使得从所有致动器元件的相等致动获得的力矢量指向所述轴线的方向。这是例如用于圆形环压电元件的情况，该压电元件围绕圆柱形的被致动的构件布置。这提供的优点是被致动的构件的线性致动和联结的运动部分沿一个确定方向(例如X方向)的运动，这对于例如ICSI的许多应用而言是期望的。优选地，至少一个致动器元件和将致动器元件联结到被致动的构件的连接器件布置成使得致动器元件的力被轴向传递到被致动的构件。这意味着在所有致动器元件的相等控制下，它们的净力作用在被致动的构件的横截面的中心上。这提供的任选的优点在于，避免了被致动的构件的弯曲。从而，因为优选地仅仅实现了线性运动，所以任选地连接的工具的偏转被减小，使得截面宽度或孔径减小。然而，可能且优选的是，对于某些应用而言，通过不同地控制至少一个(例如两个或三个)致动器元件而允许被致动的构件的弯曲，以实现更多维度的运动。优选地，设备包括用于将设备连接到第二设备的连接器件，该第二设备可以是微操纵器或悬挂装置。优选地，被致动的构件设置有连接部分，该连接部分可以是被致动的构件的布置成与运动部分相对的部分，使得致动器元件布置在运动部分和连接部分之间，但是优选地平行于被致动的构件。另外，还可能且优选的是，设有用于至少一个致动器元件的 壳体，其中所述连接器件接下来可以布置到壳体上。优选地，设备上设有惰性质量块元件，其优选地布置在至少一个致动器元件和将设备连接到其它设备的所述连接器件之间的力传递链中。所述惰性质量块元件优选地由钢或其它材料制成。在这种情况下，惰性质量块元件的功能是分布从致动器元件获得的力以有利于优选地为设备的前部部分的运动部分的推进，并且减小优选地形成设备的后部部分的连接器件(或任选地连接其它设备，例如悬挂装置)的推进。这遵循牛顿第三定律，“作用力=反作用力”，这意味着较高质量被加速得比连接的较低质量小，从而使得与较大的质量块(惰性质量块元件和任选的连接的其它设备)的位移相比，较轻的质量块(运动部分)具有较大的位移。从而，运动的产生更加有效，并且该设备的优选地连接其它设备的接头以及其它设备受到较小的应力。优选地，控制装置设置成用于设备，其控制至少一个致动器元件的致动。控制装置优选地包括电路，具体地为用于控制致动器元件的供电的电路。这样的电路优选地包括绝缘门极双极性晶体管(IGBT)。由供应电压产生器件供应的高电压优选地借助IGBT以期望的幅度和频率分布到压电元件。控制装置优选地包括微控制器、优选的微处理器和优选的数据存储装置，例如RAM、R0M或EEPROM或类似物。控制装置优选地适于能够由设备的用户编程，以优选地实施预定的运动程序，根据该预定的运动程序，以期望的序列、频率、脉冲数量、幅度和类似物产生运动，从而提高与设备一起工作的可重复性。控制装置优选地布置在根据本发明的设备的外部，具体地安装在外部，并且优选地经由线缆连接到该设备。然而， 还可能且优选的是，控制装置联结或安装到设备。优选地，设备包括接收信号的输入器件和/或发送信号的输出器件。输入器件可以包括按钮或控制面板或类似物，以用于用户控制设备。输入器件还可以包括数据接口，以借助另一个装置(例如工作站或PC)远程控制该控制装置，以用于设备工作的自动化。具体地，脚踏开关可以优选地作为所述输入装置之一而设置成允许用户通过他的脚进行控制。脚踏开关可以连接到设备或连接到外部控制装置。输出器件可以包括视觉和/或声学器件，例如扩音器或显示器或LED，其中控制装置适于将控制装置或设备的状态的信息用于信号发送给用户。输出器件还可以包括数据接口，以向另一个数据处理装置(例如工作站或PO发送信息。此外，设备可以包括控制装置和/或输入器件和/或输出器件，具体地为数据接口，以提供其状态和致动器元件(例如压电元件)的状态的信息。这允许监测设备的操作和容量。控制装置优选地适于控制至少一个致动器元件的致动。优选地，控制装置适于使得至少一个致动器元件执行可以由用户选择或者可以自动地选择的多个致动作用，所述数量优选地为1、2、3、4、5或更大。优选地，控制装置适于向所有的致动器元件供应相同的电力。然而，还优选的是，控制装置适于优选地根据预定的程序向不同的致动器元件或致动器构件供应不同的电力，该预定的程序优选地存储在控制装置的数据存储器中。优选地，控制装置适于控制运动部分的运动。优选地，控制装置适于产生单个脉冲或单个冲击或者具有预定或用户限定数量的脉冲的运动部分的推进序列，具有不同运动幅度、频率、延迟时间等的振荡运动或运动模式。根据本发明的用于产生致动器设备的运动部分的运动的方法，尤其应用于生物细胞材料的操作，其中所述致动器设备还包括至少一个致动器元件、与该致动器元件连接的可弹性变形的被致动的构件、以及与所述致动元件连接的运动部分，所述方法包括以下步骤_借助所述致动器元件，通过使所述被致动的构件变形，例如使所述被致动的构件伸展或压缩，而致动所述被致动的构件，以引起被致动的构件的长度变化；-通过所述长度变化产生所述运动部分的运动。从根据本发明的设备及其优选实施例的对应描述中可以得到根据本发明的方法的进一步优选构型和优点。


此外，参考附图，从根据本发明的设备和方法的以下实施例中可以得到本发明进一步的优点、特征和应用。在下文中，相同的附图标记基本上表示相同的装置。图I示出了现有技术的设备的侧视图，其包括U形基部。图2示出了包括根据本发明的设备的任意实施例的具有功能性部件的系统的方框图，其根据本发明的方法的任何优选构型进行操作。图3示出了沿着根据本发明的设备的实施例的长度竖向横截面。图4示出了图3的竖向横截面的细节。图5示出了致动器元件的布置和连接的实例，其为压电元件的序列，可以用于图3和4的设备。
具体实施例方式图I示出了以上已经描述的现有技术的设备。根据本发明的设备的实施例涉及“细胞钻孔器”，其是在需要例如执行ICSI时适于在生物细胞的膜或壳中钻孔的设备。术语“钻孔器”并不是强制暗示能够连接到钻孔器上的工具的旋转运动，而是可能暗示旋转运动。图2示出了包括根据本发明的设备的任意实施例的具有功能性部件的系统的方框图，其根据本发明的方法的任何优选构型进行操作。细胞钻孔器6优选用于整个系统(6 ；7 ；8 ；9 ；10 ;11)。细胞钻孔器是悬挂的并且由微操纵器7保持，该微操纵器7为例如Eppendorf TransferMan NK 2 。微操纵器7安装到倒置的显微镜8上，该显微镜为例如尼康 Eclipse Ti 。细胞钻孔器6经由外部控制装置9控制。外部控制器包括控制面板和连接到控制面板上的两个脚踏开关。或者，可以使用具有至少两个开关的手动开关。第一脚踏开关(通道I)的操作触发脉冲序列的开始，其中细胞钻孔器6的工具根据适用于刺穿卵母细胞的透明膜环(膜环)的参数而进行前后线性运动。第二脚踏开关(通道2)触发适用于刺穿卵母细胞的卵膜的脉冲序列。分别根据三个单个参数来确定用于连个通道的参数组工具的脉冲的幅度(a); —个序列中脉冲的数量(η);以及限定了脉冲的时间序列的频率(f)或延迟时间。对于刺穿膜环或卵膜，以下的参数组是有用的膜环a=优选地 O. 20 至 O. 95 μ m,优选地 O. 20 至 O. 67 μ m ;η=优选地I至70,优选地I至10 ; f =优选地I至40Hz,优选地I至10Hz。卵膜a=优选地 O. 12 至 O. 5 μ m ;η=优选地I至20,优选地I至5 ;f =优选地I至40Hz,优选地I至10Hz。
参数的最佳选择取决于必须被刺穿的细胞的类型。其还取决于用作工具的毛细部件以及其可能的填充材料，该填充材料可以是Fluorinert FC-77或汞。因此，最佳参数可能不同于本文所述的参数的范围。优选地，设备(即细胞钻孔器6)适于容许其它参数。例如，可能多次开始脉冲序列以成功完成刺穿特定的膜。除了细胞钻孔器功能，本文所述的细胞钻孔器6的实施例还提供第二功能，并且能够用作微解剖器以切开细胞膜或组织。如果解剖模式经由控制面板开始，则优选地不能选择参数η。相反，优选地通过操作脚踏开关来控制解剖工具，直到该开关被释放。能够执行f = O至1000Hz的标准频率解剖或f = 20至40kHz的高频率解剖。此外，根据本发明的设备(具体为细胞钻孔器6)和/或控制装置(具体为控制装置9)适于提供清洁功能，其目的在于清洁工具的粘附材料，例如细胞材料。优选地通过控制面板或者通过“双击”脚踏板来开始清洁功能。清洁方法提供脉冲序列，其实用于以清洁频率抖落细胞材料，该清洁频率优选地在2至10000Hz、10至2000Hz、100至2000Hz、800至1200Hz,950至1050Hz之间，或者为不同的频率。 如果细胞钻孔器6用于将材料注射到细胞中(例如ICSI)，则该设备除了需要对控制装置9和微操纵器7的接口，还需要对显微注射器11的第三接口，例如EppendorfCellTram Oil 。显微注射器11将最小体积的流体，例如100至1000 μ m3或不同的体积，施用到毛细部件中，具体为由细胞钻孔器6移动的大约380 μ m3的单个人类精子所占据的体积。如果微电极取代毛细部件用作工具，那么必须由合适的控制装置(11)提供微电极。如果细胞钻孔器6用于组织样品10的微切，那么可以省略或断开用于微电极的显微注射器11或控制器。图3示出了沿着根据本发明的设备的实施例的长度的竖向横截面，该设备为细胞钻孔器6。该实施例包括细胞钻孔器(用于产生工具运动的设备)，以用于与显微注射器11结合。微毛细部件101 (工具)由改变为夹持头部的安装头部102保持。替代形式的工具可为用作微解剖器的微电极或切割工具，其安装到被致动的构件103的运动部分5b上。微毛细部件101的通道借助密封器件紧密地连接到被致动的构件103的通道104，该被致动的构件改变为毛细管103。毛细管103经由接头105连接到显微注射器11。连接器件106 (例如夹紧装置)设置在被致动的构件(即管103)的后部部分处，以保持细胞钻孔器6。经由电源线107执行细胞钻孔器的操作，该电源线107将驱动部分108连接至控制装置9。在操作期间，对显微注射器11的进给管道105、毛细管103、以及微毛细部件101的一部分填充有硅油。微毛细部件101的前部部分通常填充有Fluorinert FC-77或汞。通过用显微注射器11向上或向下泵送流体，管道系统中的整个流体柱可以移动，从而可以控制通过微毛细部件101进行的流体体积(和/或细胞材料)的吸收或释放。图4示出了图3的细胞钻孔器6的竖向横截面的驱动部分108的细节图。解释细胞钻孔器的组装，具体是驱动部分108的组装。驱动部分108位于管103上，该管103是承载体。首先，螺纹套筒109在管上滑动，直到其停止在凹部110处，该螺纹套筒也用作连接器件，其中来自致动器元件的力在第一位置处传递到管。然后，放置隔绝/中心套筒111。在管103的前部中设置有同心凹槽，该同心凹槽也用作连接器件并且限定了第二位置，在该第二位置处来自致动器元件的力被传递至管103，以便在通过压电元件致动的情况下使所述第一位置和所述第二位置之间的管膨胀。所述凹槽中放置两个锥形环元件112，这提供朝向细胞钻孔器的前部部分增大的外径，即其外表面具有成一定角度的斜坡。锥形盘113滑动到锥形环元件112上，该锥形盘在其内侧处具有角度相同但是方向相反的斜坡，使得部件112和113以形成封闭的方式彼此接触。压电环元件114抵靠盘113，该压电环元件通过套筒111与管103电绝缘并且居中靠着管103。抵触支撑件115螺纹接合到螺纹套筒109上，直到压电元件114处于充分偏压压缩状态下。所述压缩优选地选择成使得压电元件114在设备操作期间总是处于压缩状态下，优选地至少处于所述偏压压缩状态下。这确保通过夹紧而安全安装压电元件114，从而避免不期望的移动。因此，压电元件114不需要进行粘结剂粘结或其它连接。另外，可以避免可能 导致陶瓷破裂的压电元件的拉伸应力。抵触支撑件115保持电源线107和抗扭结构116。壳体117和覆盖件118封闭细胞钻孔器的驱动结构。经由密封环119、120和121，所得到的内部空间相对于环境不透空气和不透蒸汽地密封。因此，压电元件114免于受到灰尘和湿气。在下文中，参考图3至5解释细胞钻孔器6的工作原理。如果合适的电压经由电源线107施加到压电元件114上，则压电元件沿X方向膨胀。然而，它们被夹紧在第一和第二位置之间，即抵触支撑件115和锥形盘113之间。这些部件被螺纹套筒109和环元件112分别相对于管的膨胀方向通过管的凹槽和凹部110 (即通过管103自身)牢固地保持。原理上还可以采用管的压缩来代替管的膨胀，这不是此处的实施例的情况。用于管103的优选材料是钢。众所周知，甚至钢也是能够弹性变形的材料，其具有较高的杨氏模量(大约200kN/mm2，与此相比，硅橡胶为O. 05kN/mm2)。这意味着在预定的体积内钢比其它材料能够存储多得多的能量。另一方面，如果使用具有高杨氏模量的材料，例如钢，那么存储预定的能量需要小得多的压缩距离。对于本文所需的运动的幅度，可以通过本发明的致动器元件容易地执行钢的膨胀，尤其是在不使管103破裂或者不使钢塑形地和不可逆地变形的情况下。钢提供的优点还在于，管103获得高的机械稳定性。因为环形压电元件114布置成与管103同轴，所以所得到的力的矢量处于管的横截面的中心，并且指向管的中心轴线(X轴)的方向。因此，不会引起管103的弯曲，而是仅仅影响管的膨胀，随后弹性放松。由于避免了弯曲，所以防止了微毛细部件101的末端沿y和z方向的偏转，这保持孔径和截面宽度较小。图5示出了致动器元件的布置和连接的实例，其为压电元件的序列，可以用于图3和4的设备。使用四个圆环形压电元件114a、114b、114c和114d，其极性形成为在电压下膨胀。元件的表面设置有银电极。电压经由环形金属垫片盘利用延伸的触头板122、123、124施加到电极。触头122和123的极性为正极并且连接到同轴线缆的内线，触头124的极性为负极并且连接到线缆的外线。压电元件114的叠层的后端部的极性经由与金属抵触支撑件115电接触而形成为负极，其中抵触支撑件115与外线接触。叠层的前端部的极性也经由金属锥形盘113而形成为负极，该金属锥形盘113与锥形环区段112、毛细管103、金属螺纹壳109和抵触支撑件115电接触。压电元件114的膨胀与施加的电压成比例。通常，通过使用少于四个的压电元件114可以获得例如2μπι的期望运动幅度。然而，接下来待施加的所需电压值增大。对于相同类型的两个压电元件114而言，该值为大约1000V，对于四个元件而言其为500V，对于八个压电元件114而言其为250V。如果操作电力需要大于或远大于500V，那么所需的电子部件的成本急剧增加。与500V电子产品相比可能安全的250V下的成本与由于额外数量的压电元件114而增加的成本相比忽略不计。因此，用于细胞驱动器6的优选操作电压在300V与600V之间，并且优选地为500V。然而，如上所述，其它的值也是优选的。具体地，示出了细胞钻孔器6还可以以小于所讨论的2μπι (具体为Iym或更小)的运动幅度充分地操作，见以上幅度的实施例。压电元件114包括晶体，其电场强度对应于晶体偏转的主方向。从而它 们必须在膨胀方向上接触。这提供的优点在于，触头可以设置在平的表面上，也就是压电元件114的表面上。否则，不同类型的压电元件必须经由其周向侧进行接触，这使得成本较高，但是在根据本发明的设备的某些构型中可以提供其它的优点。
权利要求
1.一种用于产生工具的运动的设备，尤其用于生物细胞材料的操作，所述设备包括 至少一个致动器元件， 被致动的构件，所述被致动的构件能够弹性变形，以及 运动部分，在所述运动部分处能够布置有工具，并且所述运动部分与所述被致动的构件连接， 所述至少一个致动器元件连接到所述被致动的构件，从而所述至少一个致动器元件的致动作用使得所述被致动的构件弹性变形一段距离，所述一段距离对应于所述被致动的构件的长度变化， 其中所述长度变化引起所述运动部分的运动。
2.根据权利要求I所述的致动器设备，其中所述被致动的构件提供第一位置和第二位置，所述第一位置和所述第二位置间隔开一直线距离，所述直线距离限定了轴线，所述致动器元件至少在所述第一位置和所述第二位置处连接到所述被致动的构件，其中在所述致动器元件致动的情况下，所述被致动的构件沿所述轴线的方向经受长度变化，其中所述长度变化对应于所述被致动的构件在所述第一位置和所述第二位置之间的弹性变形的距离。
3.根据权利要求I或2所述的致动器设备，其中所述被致动的构件由弹性材料制成或者包括由弹性材料制成的部分。
4.根据前述权利要求中至少一项所述的致动器设备，其中所述被致动的构件由弹性材料制成或者包括由弹性材料制成的部分，其中所述弹性材料的杨氏模量优选地大于0. 2kN/mm2,优选地大于lOOkN/mm2，优选地大于200kN/mm2，优选地在180到240kN/mm2之间，和/或其中所述弹性材料为钢。
5.根据前述权利要求中至少一项所述的致动器设备，其中所述被致动的构件沿着中心轴线延伸，并且其中所述致动器元件至少在第一位置和第二位置处连接到所述被致动的构件，使得在所述至少一个致动器元件致动的情况下由所述被致动的构件的长度变化引起的运动至少具有沿着所述中心轴线的分量并且优选地为线性的且平行于所述中心轴线。
6.根据前述权利要求中至少一项所述的致动器设备，其中所述至少一个致动器元件布置成处于偏压压缩下，所述偏压压缩优选地选择成使得致动器元件在设备操作期间绝不处于拉伸应力下。
7.根据前述权利要求中至少一项所述的致动器设备，其中所述被致动的构件沿着中心轴线延伸，并且其中所述致动器元件包括至少一个致动器构件，所述致动器构件具体为压电元件，且相对于所述轴线对称地布置。
8.根据前述权利要求中至少一项所述的致动器设备，其中所述致动器元件包括至少一个圆环形致动器构件。
9.根据前述权利要求中至少一项所述的致动器设备，其中所述被致动的构件沿着中心轴线延伸，并且其中所述运动部分布置在所述被致动的构件处，使得所述轴线延伸穿过所述运动部分。
10.根据权利要求2至9中至少一项所述的致动器设备，其中所述致动器设备用于产生所述运动部分的单个运动，所述单个运动至少具有沿着线性轴线的分量，其中所述单个运动包括基于所述距离增大的一步向前运动和基于所述距离减小的一步向后运动。
11.根据前述权利要求中至少一项所述的致动器设备，其中设有惰性质量块元件，所述惰性质量块元件布置在所述至少一个致动器元件的相对于致动方向的第一端部与设置成将所述致动器设备安装到保持器上的连接器件之间的力传递链中。
12.根据前述权利要求中至少一项所述的致动器设备，其中所述被致动的构件包括通道部分或为通道，或者包括管状部分或为管。
13.一种利用设备产生工具的运动的方法，尤其应用于生物细胞材料的操作，其中所述设备还包括至少一个致动器元件、与所述至少一个致动器元件连接的可弹性变形的被致动的构件、以及与所述致动的元件连接的运动部分，所述运动部分能够连接有工具，所述方法包括以下步骤 -借助所述至少一个致动器元件，通过使所述被致动的构件变形，例如使所述被致动的构件伸展或压缩，而致动所述被致动的构件，以引起所述被致动的构件的长度变化； -通过所述长度变化引起所述运动部分的运动。
14.根据权利要求I至12中至少一项所述的设备和根据权利要求13所述的方法的在生物细胞薄膜中钻孔的用途(“细胞钻孔器”)。
15.根据权利要求I至12中至少一项所述的设备和根据权利要求13所述的方法的切割生物材料的用途(“微解剖器”)。
全文摘要
本发明涉及根据本发明的用于产生工具的运动的设备，尤其用于生物细胞材料的操作，尤其用于执行ICSI，所述设备包括至少一个致动器元件、被致动的构件、运动部分，在所述运动部分处能够布置有工具，并且所述运动部分与所述被致动的构件连接，所述被致动的构件能够弹性变形，所述致动器元件连接到所述被致动的构件，从而所述致动器元件的致动使得所述被致动的构件弹性变形一段距离，所述一段距离对应于所述被致动的构件的长度变化，其中所述长度变化引起所述运动部分的运动。此外，还提供一种用于产生工具运动的对应方法。
文档编号C12M3/00GK102725391SQ201080062394
公开日2012年10月10日 申请日期2010年12月21日 优先权日2009年12月23日
发明者A·席尔, A·格拉夫, J·伦布克 申请人:埃佩多夫股份公司