用于精准投放和提取悬浮细胞的装置和操作方法与流程

本发明涉及细胞的投放和提取，尤其涉及一种用于精准投放和提取悬浮细胞的装置和操作方法。

背景技术：

1、在研究免疫细胞的触发机制和免疫细胞与癌细胞的相互作用的过程中，需要精准观测免疫细胞比如巨噬细胞，b细胞或者t细胞与肿瘤细胞相互接触的过程。现有的研究方法通常是将一定量的免疫细胞加入到肿瘤细胞的培养液环境中，让其自由扩散到培养皿中的肿瘤细胞上。该方法具有很大的随机性，往往需要耗费大量时间去寻找成功着陆在肿瘤细胞上免疫细胞样品，极易错过最佳的观测时机。

2、为了解决该问题，单细胞定点投放技术应运而生。目前的单细胞投放和定位操作分位接触式和非接触式两种，即：1、非接触式，包括激光镊、电场力、超声波振动等操作方式。以激光镊移动单细胞方式为例，一束高能量的聚焦激光束在焦点处会产生能量辐射压力的线性动量，借此可以驱动尺寸较小的单细胞进行运动。该方法虽然能够在xy平面内短距离移动单细胞，但是无法在z方向上对于目标颗粒或单细胞进行空间排布。同时高能量的聚焦激光束也会对活细胞产生损害。2. 接触式，以现有吸持针吸取单个细胞进行空间位置转移的方式为主，如瑞士 cytosurge公司的 fluidfm 流式力场显微系统。该系统中细胞操作前端为一个尖端带有1-5微米小孔的原子力显微镜探针， 通过探针内腔压力的变化实现细胞的吸持和释放等简单操作。实验过程中，吸持器极易伤害到被操作细胞，且一次只能吸取一个细胞，实际操作中的效率和成功率都很低。

3、现有接触式和非接触式操作方法都存在以下缺点: 被投放细胞需提前混合到靶细胞的培养液环境内，然后再经过激光镊或吸持器一次操作一个细胞，且为纯手动操作，对操作者的经验和技术要求高，实验速度和效率低，易伤害被操作细胞，实验成功率低。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明设计了一种用于精准投放和提取悬浮细胞的装置和操作方法。使用该装置时，被投放的悬浮细胞直接装载在投放探针内部，无需与靶细胞提前混合，基于吸持探针内气压的变化和微操作机械运动共同控制方式，在液体环境中对悬浮细胞进行精确的投放，提高细胞接触触发实验的效率和成功率，同时该系统具有计算机自动控制功能，摆脱人工依赖，实现高效率，自动化的细胞定位投放和提取。

2、本发明采用如下技术方案：

3、一种用于精准投放和提取悬浮细胞的装置，包括夹持器、压力控制系统、气压源、三维微动平台、图像检测单元、显微镜工作台和自动化控制系统；

4、夹持器尾端连接中空探针，夹持器内具有中空内腔，中空探针的内腔连通夹持器的中空内腔；

5、气压源连通夹持器中空内腔并为中空内腔提供正负气压；

6、压力控制系统连接在气压源与夹持器中空内腔之间，用于控制提供至夹持器中空内腔的正负气压数值；

7、三维微动平台连接并控制夹持器在三维方向的移动；

8、显微镜工作台作为用于精准投放和提取悬浮细胞操作的工作台；

9、图像检测单元正对显微镜工作台设置，用于识别生物细胞；

10、自动化控制系统信号连通图像检测单元、压力控制系统和三维微动平台，用于采集图像检测单元信号反馈，自动控制气压源提供至夹持器中空内腔的气压数值以及自动控制夹持器探针三维位置的移动。

11、作为优选，所述中空探针为中空石英探针，中空石英探针由石英毛细管经激光加热拉制而成，具有几何旋转对称的裸微结构。

12、作为优选，所述中空石英探针的后端尺寸与探针夹持器的一致，前端尺寸1.5-2倍于被投放细胞的尺寸，具有平整的微操作端面。

13、作为优选，所述中空石英探针的针头的内径尺寸为15-20微米，外径尺寸为30-50微米。

14、作为优选，所述中空石英探针与显微镜工作台呈 60°～90°夹角。

15、作为优选，所述压力控制系统由三通阀门和气压计组成。

16、作为优选，所述夹持器和中空探针之间设置固定螺母和密封胶圈，中空探针通过固定螺母和密封胶圈连接在夹持器尾端，夹持器上设置气压控制导孔，通过气压控制导孔连通压力控制系统和夹持器中空内腔。

17、作为优选，所述图像检测单元由光学显微镜物镜和ccd相机组成。

18、作为优选，所述显微镜工作台为倒置式显微镜工作台。

19、一种用于精准投放和提取悬浮细胞的装置的操作方法，其方法步骤为：

20、s1、精准投放时，将需要投放的细胞吸入中空探针内，由自动化控制系统确定中空探针和被操作细胞需要投放的位置信息，通过自动化控制系统控制三维微动平台实现中空探针的定位，最后通过自动化控制系统控制压力控制系统提供投放推力实现目标细胞的投放；

21、s2、精准提取时，由自动化控制系统通过图像检测单元识别生物细胞，确定需要提取的生物细胞位置信息，通过自动化控制系统控制三维微动平台实现中空探针的定位，最后通过自动化控制系统控制压力控制系统提供吸力实现目标细胞的提取。

22、本发明的有益效果是：（1）、本发明采用中空石英探针作为细胞操作前端，目标细胞可以被装载到石英探针的中空内腔，实现多位点连续投放，提高细胞投放的通量和实验效率；（2）、可在三维正交平面内实现任意位置的细胞投放与提取；（3）、结合图像处理和自动伺服技术，利用自动化控制系统实时控制微动工作台三维位置和石英探针内部压力，可实现细胞投放的调节自动化，降低了对操作人员的依赖程度，提高了细胞投放的自动化程度和实验效率；（4）、石英探针结构简单，无需嵌入微电极或施加电场，简化了细胞微操作装置系统结构；无需高功率激光束等对细胞有伤害的操作方式；中空石英探针内部无可动件，使用寿命长，制造工艺 简洁，成本低，光学性能好，便于监测。

技术特征：

1.一种用于精准投放和提取悬浮细胞的装置，其特征是，其包括夹持器、压力控制系统、气压源、三维微动平台、图像检测单元、显微镜工作台和自动化控制系统；

2.根据权利要求1所述的用于精准投放和提取悬浮细胞的装置，其特征是，所述中空探针为中空石英探针，中空石英探针由石英毛细管经激光加热拉制而成，具有几何旋转对称的裸微结构。

3.根据权利要求2所述的用于精准投放和提取悬浮细胞的装置，其特征是，所述中空石英探针的后端尺寸与探针夹持器的一致，前端尺寸1.5-2倍于被投放细胞的尺寸，具有平整的微操作端面。

4.根据权利要求2所述的用于精准投放和提取悬浮细胞的装置，其特征是，所述中空石英探针的针头的内径尺寸为15-20微米，外径尺寸为30-50微米。

5. 根据权利要求2所述的用于精准投放和提取悬浮细胞的装置，其特征是，所述中空石英探针与显微镜工作台呈 60°～90°夹角。

6.根据权利要求1所述的用于精准投放和提取悬浮细胞的装置，其特征是，所述压力控制系统由三通阀门和气压计组成。

7.根据权利要求1所述的用于精准投放和提取悬浮细胞的装置，其特征是，所述夹持器和中空探针之间设置固定螺母和密封胶圈，中空探针通过固定螺母和密封胶圈连接在夹持器尾端，夹持器上设置气压控制导孔，通过气压控制导孔连通压力控制系统和夹持器中空内腔。

8.根据权利要求1所述的用于精准投放和提取悬浮细胞的装置，其特征是，所述图像检测单元由光学显微镜物镜和ccd相机组成。

9.根据权利要求1所述的用于精准投放和提取悬浮细胞的装置，其特征是，所述显微镜工作台为倒置式显微镜工作台。

10.一种如权利要求1-9任一项所述的用于精准投放和提取悬浮细胞的装置的操作方法，其特征是，其方法步骤为：

技术总结
本发明公开了一种用于精准投放和提取悬浮细胞的装置和操作方法。用于精准投放和提取悬浮细胞的装置包括夹持器、压力控制系统、气压源、三维微动平台、图像检测单元、显微镜工作台和自动化控制系统，使用该装置时，被投放的悬浮细胞直接装载在投放探针内部，无需与靶细胞提前混合，基于吸持探针内气压的变化和微操作机械运动共同控制方式，在液体环境中对悬浮细胞进行精确的投放，提高细胞接触触发实验的效率和成功率，同时该系统具有计算机自动控制功能，摆脱人工依赖，实现高效率，自动化的细胞定位投放和提取。

技术研发人员：李炳,陈骁骅
受保护的技术使用者：辛伯至生物科技（浙江）有限责任公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/27