一种基于三角形柔性机构的细胞显微注射装置的制作方法

本发明涉及细胞相关的外科装置的技术领域，特别是涉及一种基于三角形柔性机构的细胞显微注射装置。

背景技术：

随着现代生物医学的快速发展，生物细胞显微注射的应用也愈发火热，如转基因生物、人工辅助生殖、生物制药以及克隆技术等等。由于细胞的脆弱性以及压电注射的高频性，在细胞注射的过程中，细胞内部结构或者细胞骨架很容易被破坏，从而导致细胞注射的成功率和被注射细胞的存活率一直较低。科研界针对如何减小注射时对细胞的伤害，降低注射振动对细胞带来的影响，做出大量的研究。经过学者研究，在细胞破膜过程中，当注射针与细胞不接触的时候(即无预紧)，起到破膜的主要振动为横向振动；当注射针与细胞接触的时候(即有预紧)，起到破膜的主要振动为轴向振动。

如图1(a)所示，为了减小横向振动，研究者提出一种采用汞段的注射装置。这种采用汞段的注射装置在微量移液管的尖端附近使用一段汞；但是由于汞的毒性，增加了对操作者的要求，在一定程度上反而增加了对细胞的损害。

如图1(b)所示，为了避免汞的伤害性，研究者提出一种压电驱动器前置的注射装置。该注射装置将压电驱动器直接放置到微量移液器支架的后面，从而可以更好地将振动聚焦在微量移液管的尖端，从而脱离了在细胞注射中对汞的需求。

如图1(c)所示，为了进一步提高细胞破膜的稳定性以及减小对细胞的损害，研究者提出一种基于柔性机构的细胞穿刺装置。该装置进行细胞显微注射的过程中，由于注射针类似于一根悬臂梁，因此注射针在进行注射的过程中，不可避免地产生横向振动与轴向振动。较大的横向振动往往会注射过程中撕裂细胞，破坏细胞的结构，使细胞产生不可修复的损伤。

现有的细胞显微注射装置，注射针都是伸出夹持装置。因此，注射针类似于一个悬臂梁，在梁的固定端施加一个超声振动，注射针不可避免产生横向振动和轴向振动。其次，由于驱动压电本身的特性，它在产生注射所需的轴向振动的同时，也会产生一个横向振动。然而，当前细胞显微注射装置主要的研究方向是如何减小细胞的破膜洞的大小，忽略了如何减小横向振动。即使有对横向振动的研究，往往是二维平面上的研究，主要研究的是横向振动的前后振动，而忽略了由于注射针的重力所产生的上下横向振动，而这种上下的横向振动是横向振动的主要原因。

进一步地，目前大多数的细胞注射装置都是针对直针设计的。由于显微镜的图像是二维成像，因此很难在二维平面上确定一个三维运动的针尖，即针尖的焦平面和细胞的焦平面不在一个平面内。这样，不仅大幅地增加了注射难度，同时还导致注射误差较大。

因此，针对上述技术问题，有必要提供能够减小振动过程中所产生的横向振动且增加注射的稳定性以及具有提高注射成功率及注射精度的细胞注射装置。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种能够减小振动过程中所产生的横向振动且增加注射的稳定性以及具有提高注射成功率及注射精度的细胞注射装置。本发明实施例所提供的基于三角形柔性机构的细胞显微注射装置实现了在三维空间范围内对压电驱动器进行振动过滤并对注射针进行三维空间上的固定支撑，从而达到很好地减小振动过程中所产生的横向振动和增加注射的稳定性的效果。进一步地，本发明实施例所提供的基于三角形柔性机构的细胞显微注射装置所提供的弯针不仅能够满足当前显微注射的要求，同时在结构上对轴向振动具有导向作用，进一步稳定轴向振动，提高注射成功率以及注射的精度。

为了实现上述目的，本发明一实施例提供的技术方案如下：一种基于三角形柔性机构的细胞显微注射装置，包括：连接杆，用于起连接作用的延伸杆；压电驱动器，用于提供运动的驱动源；封装器，与所述连接杆连接，用于固定所述压电驱动器并对所述压电驱动器施加预紧力；三角形柔性机构，与所述压电驱动器连接，用于传递所述压电驱动器产生的运动；基座，与所述三角形柔性机构连接，用于固定注射针；注射针，所述注射针的针头部包括折弯结构。

作为本发明的进一步改进，所述基座包括：底座，与所述三角形柔性机构连接；密封圈，用于固定和密封所述注射针；旋盖，位于所述密封圈的外部，用于设置所述密封圈与所述注射针之间的密封度。

作为本发明的进一步改进，所述密封圈包括间隔设置的第一密封圈和第二密封圈，所述旋盖包括第一旋盖和第二旋盖，所述第一旋盖位于所述第一密封圈的外部，所述第二旋盖位于所述第二密封圈的外部。

作为本发明的进一步改进，所述注射针的针头部的折弯角度范围为25度至30度。

作为本发明的进一步改进，所述三角形柔性机构采用四柱状的复合式三角形柔性铰链机构。

作为本发明的进一步改进，所述复合三角形柔性铰链机构中的每一个三角形柔性铰链机构包括第一簧片、第二簧片和运动块。

作为本发明的进一步改进，所述第一簧片和所述第二簧片的夹角为90度。

作为本发明的进一步改进，所述第一簧片和所述第二簧片的厚度为0.35毫米且长度为2毫米。

作为本发明的进一步改进，所述三角形柔性机构的材料为不锈钢且弹性模量为200gpa。

作为本发明的进一步改进，所述三角形柔性机构的共振频率、所述细胞显微注射装置的共振频率和所述压电驱动器的超声振动频率互不相同。

本发明具有以下优点：

本发明实施例所提供的基于三角形柔性机构的细胞显微注射装置将三角形柔性铰链机构和细胞显微注射装置结合到一起，通过这种无摩擦、无间隙、高分辨率柔性铰链运动副过滤压电驱动器传递过来的振动，从而保证注射针尖在整个往复运动中的运动误差最小，增加了柔性铰链的运行精度。同时，三角形柔性铰链由于其静态定位精度高、轴漂小等优点，对注射针针尖的往复运动又有导向作用。进一步地，为了保证注射针针尖的轴向振动的稳定性和减小横向振动，本发明实施例所提供的基于三角形柔性机构的细胞显微注射装置的三角形柔性铰链设计成四柱状，在空间范围内进一步地减小针尖的横向振动。进一步地，本发明实施例所提供的基于三角形柔性机构的细胞显微注射装置采用弯头针，在卵母显微操作过程中，弯头针与细胞的焦平面处于同一水平高度，在一定程度上增加了注射的精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1(a)为现有技术中采用汞段的注射装置的结构示意图；

图1(b)为现有技术中采用压电驱动器前置的注射装置的结构示意图；

图1(c)为现有技术中的基于柔性机构的注射装置的结构示意图；

图2(a)为本发明实施例所提供的基于三角形柔性机构的细胞显微注射装置的结构示意图；

图2(b)为图2(a)所示实施例中针尖部(b)的放大示意图；

图3(a)为弯针下的细胞焦平面示意图；

图3(b)为直针下的细胞焦平面示意图；

图4(a)为图2所示实施例中三角形柔性机构的主视图；

图4(b)为图2所示实施例中三角形柔性机构的左视图；

图4(c)为图2所示实施例中三角形柔性机构的顶视图；

图4(d)为图2所示实施例中三角形柔性机构的三维立体图；

图5为单根簧片的受力示意图；

图6为单个三角形柔性铰链受力分析图；

图7为复合式三角形柔性机构的尺寸示意图；

图8为复合式三角形柔性机构的受力示意图；

图9为三角形柔性机构与注射装置的模态分析示意图；

图10为在压电驱动器输出2μm的x轴的运动，无y轴和z轴的运动噪声情况下，本发明实施例所提供的基于三角形柔性机构的细胞显微注射装置的三角形柔性机构与注射针针尖的运动数据记录图；

图11为在压电驱动器输出2μm的x轴的运动，y轴和z轴分别添加1μm的运动噪声的情况下，，本发明实施例所提供的基于三角形柔性机构的细胞显微注射装置的三角形柔性机构与注射针针尖的运动数据记录图。

附图中的标记说明：

100、注射装置1、连接杆2、封装器

3、压电驱动器4、三角形柔性机构5、底座

6、第一密封圈7、第一旋盖8、第二密封圈

9、第二旋盖10、注射针101、弯针针头部

101’、直针针头部20、显微镜30、细胞

41、第一簧片42、第二簧片43、运动块

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

参图2(a)所示，本发明第一实施例提供一种基于三角形柔性机构的细胞显微注射装置100。该注射装置100包括用于起连接作用的连接杆1，用于提供运动的压电驱动器3，与连接杆1连接且用于固定压电驱动器3并对压电驱动器3施加预紧力的封装器2，与压电驱动器3连接且用于传递压电驱动器3产生的运动的三角形柔性机构4，与三角形柔性机构4连接且用于固定注射针10的基座，包括折弯的针头部101的注射针10。

基座具体包括与三角形柔性机构4连接的底座5，用于固定和密封所述注射针的密封圈，位于密封圈的外部且用于设置密封圈与注射针之间的密封度的旋盖。注射针套设于密封圈的内圈孔内，通过旋转旋盖可以调节密封圈与注射针之间的间隙，从而固定及密封注射针的外围或者将注射针与密封圈脱离。密封圈具体为o型密封圈，材料可以采用橡胶、硅胶、弹性金属等。密封圈一方面起固定作用，另一方面起密封作用。采用密封圈配合旋盖方式，提高了注射装置的互换性。

继续参照图2(a)，在该实施例中，密封圈包括间隔设置的第一密封圈6和第二密封圈8，所述旋盖包括第一旋盖7和第二旋盖9。第一旋盖7位于第一密封圈6的外部，第二旋盖9位于第二密封圈8的外部。第一密封圈6和第二密封圈8为o型橡胶密封圈。在该实施例中，密封圈还具有一个楔形的坡角。通过密封圈的楔形坡角，当注射针在x轴、y轴、z轴存在噪声振动力的时候，密封圈一方面能够起到良好的密封作用，另一方面能够起到支撑注射针的作用。通过两点支撑增加了注射针在运动过程中的稳定性，在一定程度上减少了针尖的横向振动。在其他实施例中，密封圈和旋盖的个数可根据需求或者工况作适应性地变化，如1个密封圈和1个旋盖，或者3个密封圈和3个旋盖等。在其他实施例中，密封圈具体的结构和材料也可根据工况进行适应性地改变，如采用v型硅胶密封圈等。

参照图2(b)，在该实施例中，注射针针头部101采用弯折结构(即弯头针)。注射针的针头部101的折弯角度γ范围为25度到30度。在该实施例中，折弯角度γ采用30度。如图3(a)所示，在卵母显微操作过程中，弯头针的针头部101与细胞30的焦平面能够很好控制在同一水平高度，从而，退针和进针能够在细胞30的焦平面内完成。因此，弯头针的显微注射装置的设计能够满足当前显微注射的要求，同时弯头针在结构上对轴向振动具有导向作用，进一步稳定轴向振动，提高注射成功率以及注射的精度。如图3(b)所示，直针下的细胞焦平面示意图。目前，大多数的细胞注射装置都是采用直针设计。由于显微镜20的图像是二维成像，因此，很难在二维平面上确定一个三维运动的针尖，即针尖的焦平面和细胞30的焦平面不在一个平面内。直针设计结构不仅大大增加了注射难度，同时还使得注射误差较大。

柔性铰链是利用材料的弹性变形产生位移的一种特殊运动副，具有无摩擦、无间隙、易维护、分辨率高和可一体化加工等优点。基础的柔性铰链的分类主要有四种：直梁型、直圆型、椭圆型和三角形型。三角形(簧片式)柔性铰链在一定程度上弥补了普通缺口式铰链行程短的缺陷，而且这种柔性铰链产生的寄生运动在整个机构中可以通过合理的结构设计使总体误差降低到最小，大大增了柔性铰链的运行精度。三角形铰链具有行程大，静态定位精度高、轴漂小等优良的静态特性。本发明实施例采用包括两个三角形铰链拼接而成的复合式三角形铰链。这种复合式三角形，不仅仅具有行程大，静态定位精度高、轴漂小等优良的静态特性，同时又增加了机构的稳固性，对注射针的轴向振动起到了导向作用，提高了注射的精度。

参照图4(a)至图4(d)所示，本发明实施例中的三角形柔性机构4采用四柱状的复合式三角形柔性铰链机构。三角形柔性机构的材料为不锈钢且弹性模量为200gpa。如图7所示，复合三角形柔性铰链机构中的每一个三角形柔性铰链机构包括第一簧片401、第二簧片402和运动块403。第一簧片401和第二簧片402之间的夹角2α为90度。第一簧片401和第二簧片402的厚度为0.35毫米且长度为2毫米。

这种复合式三角形柔性铰链是由基本的三角形柔性铰链组成的，因此只要对单三角形链的力学分析即可。由于三角形柔性铰链是由两个簧片和一个运动块组成的，不妨先利用awtar针对单根簧片的自由端受力平面的转角和两方向的平移时进行模型简化的理论。如图5所示，为单根簧片的受力示意图。对三角形的单根簧片的分析公式如公式1和公式2所示：

其中，参数设置如下所示：

在上述式子中，式中t，ft和fa为梁的自由端承受的外部载荷；δx、δy和θ表示梁自由端的位移；l和h分别为梁的长度和厚度；i为截面惯性矩；e为材料的弹性模量。

近似系数的具体值如下所示，且这些参数不会随梁的尺寸变化而发生变化：

a＝12，b＝4，c＝-6，e＝1.2，g＝2/15，

h＝-0.1，i＝-0.6，j＝-1/15，k＝1/20，

r＝1/700，s＝11/6300，q＝-1/1400

如图6所示，为单个三角形柔性铰链受力分析示意图。由于外部所受的载荷是通过自由端刚体传递给两个簧片的运动段，使其产生变形，从而使得自由端刚体产生微旋转位移，因此对单个三角形柔性铰链的受力分析如图6所示。根据理论力学中刚体力的平衡条件，可以获得公式3至公式5：

(fa2-fa1)sinα+(ft1+ft2)cosα＝ft(公式3)

(fa1+fa2)cosα+(ft1-ft2)sinα＝fa(公式4)

根据弹性力学中几何协调条件可以知道三角形柔性铰链末端的几何协调条件如公式6和公式7所示：

(δy1-δy2)cosα+(δx1+δx2)sinα＝2sinα(1-cosθ)(公式6)

(δy1+δy2)sinα-(δx1-δx2)cosα＝2sinαsinθ(公式7)

由公式1、公式2、公式3、公式4、公式5、公式6、公式7可以求得铰链的转角θ与外部载荷的关系，如公式8所示：

由公式(8)可以知道转角θ的大小和弯矩切向力有关系，而柔性机构的刚度(刚度等于转角的倒数)则是由轴向力决定的。整个机构随着轴向拉力的增大，转角会减小，但是轴向压力则恰恰相反。另外，轴漂是柔性铰链的一个重要的精度要求和性能参数，它不仅仅能够误差分析，还能够对整个机构进行误差评估，较小的轴漂还能够一定程度上减小柔性机构的往复运动。轴漂的计算公式9所示：

根据以上的参数要求，在以具体实施例中，相关尺寸的设计如下：压电陶瓷的总的阻挡力为800n，由于压电的预紧力通常为预负载的四分之一，施加在三角形柔性铰链的预紧力为200n；三角形柔性铰链的材料为不锈钢，其弹性模量为200gpa；三角形柔性铰链的两根簧片的夹角2α为90°；柔性铰链梁的厚度b为0.35mm，长度a为3mm；根据预紧力的大小，计算出相应的在由公式8可以算转角θ；最终计算出的θ约为1.12×10^-2；同时，由公式9可以算出轴漂近似为0。

由于三角形柔性铰链的复合式铰链不仅仅具备了三角形的稳定性，同时也具备了三角形柔性铰链的精度要求。它在压电显微注射的过程中一方面在横向起到了良好的支撑作用，避免发生较大的横向振动；另一方面起到了良好的导向作用。为了电火花线切割加工的方便性，如图4所示基于三角形柔性铰链的柔性机构。

如图8所示，复合式三角形柔性机构的受力示意图。在给柔性铰链施加力f的时候，由于三角形铰链的尺寸大小、材料都相同，因此力能够平均分给每一个连接点，即节点1、2、3、4每个节点所受的力都是相同的为f/4。对图4(a)中的y轴进行受力分析，得出受力公式如公式10所示：

fy＝-f1y+f2y+f3y-f4y(公式10)

其中，f1y＝f1sinγ，f2y＝f2sinγ，f3y＝f3sinβ，f4y＝f4sinβ。

对图8(a)中的z轴进行受力分析，得出受力公式如公式11所示：

fz＝-f1z+f2z+f3z-f4z+f(公式11)

其中，f1z＝f1cosγ，f2z＝f2cosγ，f3z＝f3cosβ，f4z＝f4cosβ。

由公式10可知，该柔性铰链在y轴上的运动方向不受负载f的影响，也就是说在铰链运动的每个时刻，y轴上的运动方向都能够保持平衡，不会产生位移；由公式11可知，z轴方向力的大小则和负载有关。同理，也可知道图4(b)中x轴不会产生位移，z轴方向则和负载有关系。由于在压电注射过程中，施加的负载往往不会是规则的沿z轴方向，而是受噪声或者压电陶瓷本身属性影响的，会产生一个沿着y轴和z轴的一个力。由于本发明实施例在设计三角形铰链的时候，已经考虑了三角形铰链的轴漂问题(即非轴向力对三角形柔性铰链的影响)，该设计方案通过计算可以得出轴漂值较小，可以忽略不计，而且由于其中其固定作用的是另外一个稳固的三角形，因此对于y轴和z轴的力产生相应的侧向位移理论上是可以不计的。

在压电驱动器的输出端增加三角形柔性铰链机构，使得超声振动的传播得到了良好的过滤，减小了横向振动的传播并对轴向振动起到了良好的导向作用，不仅增加了注射针针尖运动的稳定性，还在一定程度上实现了注射的定点化操作。进一步地，由于在压电驱动器的输出端增加了三角形柔性铰链机构，使得振动传递得到了过滤，从而针尖获得的横向振动很小，减小了细胞这注射过程中的创伤，实现了注射的微创化操作。

由于注射装置的驱动器采用压电振动，因此在设置压电注射参数之前需要对整个机构进行模态分析，避免振动频率与三角形柔性铰链的或者整个注射装置产生共振，影响整个注射过程。如图9所示，三角形柔性机构与注射装置的模态分析示意图。三角形柔性机构的共振频率、细胞显微注射装置的共振频率和压电驱动器的超声振动频率互不相同。在该实施例中，三角形柔性机构的共振频率大于50khz，注射装置的共振频率小于10khz，压电驱动器的超声振动频率一般的数值都是在20khz到30khz。因此，整个结构的振动范围不在共振频率区间内，因此不会因为共振频率而造成较大的实验误差。在其他实施例中，三角形柔性机构的共振频率、细胞显微注射装置的共振频率和压电驱动器的超声振动频率的具体数值也可以设置成其他振动频率，只需三者互不形成共振频率即可。

本发明实施例所提供的注射装置100在连接杆1上面连着一个压电驱动器3的封装器2，以便固定住压电驱动器3，并施加一定的预紧力；压电驱动器3与三角形柔性机构4直接相连，将运动传递给三角形柔性机构4；运动通过三角形柔性机构4的过滤、平衡传递给前面的基座；为了便于互换性，基座是由五个部分组成的，分别是第一旋盖7和第二旋盖9、第一密封圈6和第二密封圈8、一个底座5，其中，密封圈一方面起到固定作用，另一方面起到密封作用；振动通过底座传递给显微注射针10。

由以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：

本发明实施例所提供的基于三角形柔性机构的细胞显微注射装置将三角形柔性铰链机构和细胞显微注射装置结合到一起，通过这种无摩擦、无间隙、高分辨率柔性铰链运动副过滤压电驱动器传递过来的振动，从而保证注射针尖在整个往复运动中的运动误差最小，增加了柔性铰链的运行精度。同时，三角形柔性铰链由于其静态定位精度高、轴漂小等优点，对注射针针尖的往复运动又有导向作用。进一步地，为了保证注射针针尖的轴向振动的稳定性和减小横向振动，本发明实施例所提供的基于三角形柔性机构的细胞显微注射装置的三角形柔性铰链设计成四柱状，在空间范围内进一步地减小针尖的横向振动。进一步地，本发明实施例所提供的基于三角形柔性机构的细胞显微注射装置采用弯头针，在卵母显微操作过程中，弯头针与细胞的焦平面处于同一水平高度，在一定程度上增加了注射的精度。

如图10所示，为在压电驱动器输出2μm的x轴的运动，无y轴和z轴的运动噪声情况下，本发明实施例所提供的基于三角形柔性机构的细胞显微注射装置的三角形柔性机构与注射针针尖的运动数据记录图。驱动压电输出2μm的x轴的振动(方向如图中的d所示)，由于考虑到显微注射的超声振动的振动频率一般都是在20khz到30khz，因此只需要考虑到该区间的幅值变化即可。图10(a)表明柔性铰链在x轴轴向能够较好的保证运动状态，振动幅值大概为1μm；当振动传递到针尖的时候，振幅随着振动频率的增加而增加。图10(b)中，柔性机构在y轴上的振动幅值近似于0，但是针尖的跳动却很明显，尤其随着振动频率的增加，其增长速率越大。图10(c)中，柔性机构在z轴轴向有些轻微的跳动，但是相较于0.005μm可以忽略，同时，针尖处的振幅随着振动频率的增加也在增加，但是在振动区间内最大的振幅也仅仅是0.025μm，可以忽略不计。综合来讲，在该装置的注射针针尖横向振动中起主导作用的是y轴方向的振动，即上下抖动，比较y轴的上下抖动与x轴的左右振动，x轴的振动幅值还是大于y轴的振动幅值，且近似与y轴的两倍。因此，该注射装置能够满足当前的显微注射的注射参数要求。

如图11所示，在压电驱动器输出2μm的x轴的运动，y轴和z轴分别添加1μm的运动噪声的情况下，，本发明实施例所提供的基于三角形柔性机构的细胞显微注射装置的三角形柔性机构与注射针针尖的运动数据记录图。驱动压电输出2μm的x轴的振动幅值，同时在y轴和z轴添加1μm的噪声，(方向如图11(d)所示)。如图10阐述中所讲，只需要考虑20khz到30khz的振动区间内的幅值变化即可。图11(a)表明，施加负载与否对针尖的振动幅值的影响较小，两条曲线在20khz到30khz之间的拟合程度很高。在图11(b)中，有噪声的振动在20khz的时候出现了较大的振动，在设置参数的时候要避免这个振动频率，在其他振动频率下两条曲线的趋势是一样的，但是有噪声的振动幅值要略大于无噪声的振动幅值。在图11(c)中，在20khz处，出现较大的振幅，其他振动频率处的振幅低于0.5μm。综述，添加负载的显微注射装置中侧向振动中起主导作用的依然是y轴方向，但是在20khz处，侧向振动的振幅会产生一个突变，因此在设置相关的注射参数时要尽量避开这个振动频率。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。