一种实现对单细胞或小组织内部的注射和吸引的超声装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种实现对单细胞或小组织内部的注射和吸引的超声装置，包括穿刺微针本体的末端通过过渡接头与变幅杆固定；一超声换能器由一段中心开有螺孔的金属圆柱，一段加工出螺钉的金属圆柱，２压电陶瓷圆环与３片电极相间排列，加装在金属圆柱之间，通过螺钉连接成一体；第一金属圆柱的另一端面设一凸台，橡胶导管一端套在凸台上，该橡胶导管的另一端与压力调节部件连接；功率正弦信号发生器与所述的电极片电连接；超声换能器一端相连的变幅杆。本发明专利技术的超声装置，适于操作植物细胞或卵细胞类具有坚固细胞壁或具有弹性细胞膜，能避免细胞膜和细胞骨架的大幅度变形对细胞本体造成的伤害，提高穿刺成功率，实现向胞内注射外源物质或吸引胞内或组织内部组分。

An ultrasonic device for the injection and attraction of single cells or small tissues

The invention relates to an ultrasonic device for internal injection of single cell or tissue and attract, at the end of the micro needle body comprises a puncture through the transition joint and fixed horn; an ultrasonic transducer consists of a cylindrical metal center with a screw hole, a screw machined metal cylinder, 2 piezoelectric ceramic ring with 3 electrodes alternately, installed in a metal cylinder, connected together through screws; the other end of the first metal cylinder with a convex platform, rubber catheter end is sheathed on the boss, and the other end of the pressure regulating member is connected with the rubber catheter; the connecting piece of electric power sine signal generator and electrode the ultrasonic horn; the transducer is connected with one end of the. Ultrasound device of the present invention, suitable for operation of plant cells or oocytes with strong cell wall or with elastic membrane, can avoid cell membrane and cytoskeleton of cells caused by large deformation body damage, improve the success rate of puncture, to achieve intracellular injection of exogenous substances or attract intracellular or tissue internal components.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种医用器械，特别是涉及一种用于细胞或小组织穿剌，并实现 向胞内注射外源物质或吸弓I胞内或组织内部组分的装置。
技术介绍
单细胞层次的分子或药物筛选，在分子生物学和药物开发等研究领域具有重 要的意义。在该研究领域中，研究者经常需要将外源物质(染色剂，大分子，基 因等)准确的引入目标细胞中或从细胞中提取待测的细胞质，而其中主要面临的 困难就是来自于细胞壁(仅植物细胞具有)和细胞膜的阻挡。细胞壁和膜的存在， 与细胞的物质交换、细胞识别、分泌、排泄、免疫等功能密切相关。其不仅提供 了对于细胞本体的结构性保护，更重要的是具备选择透过性，而选择性恰是生命 活动的体现，因为只有活细胞才具备该种特性。除水以外，单细胞膜只允许被选 择的离子和小分子通过，这一特性很重要，对于以单细胞为目标的研究者而言， 大分子物质除特殊情况下可通过胞吞和胞吐的作用进出细胞以外，一般情况下均 不能自由通过细胞膜，必须通过其它手段进行人为的干预。目前国际上用于外源物质注入细胞的方法包括电穿孔法，脂质体载体法，病毒载体导入法，基因枪，超声渗透法，显微注射法，基于MEMS器件的注射，基于纳米管的注射。其中，前五种方法属于批量操作，适用于针对一定浓度的细胞群一次性导入。其缺点是需要外界载体或瞬间大能量的介入，容易对细胞本体造成污染或伤害，转染量不易控制，已转染和未转染细胞无法分离，因此不适合稀有或珍贵的细胞样本，也不适合针对体积较大的卵细胞进行的转基因实验。显微注射是当前单细胞注射操作中应用最普遍的方法，实验者依靠固定于显微镜上的微操作器，在镜下采用手动或电动的方式控制玻璃中空微针寻找并刺入目标细胞，然后将微针中灌注的物质注入细胞内。其优点是技术成熟，操作可视化，能 够针对单细胞进行主动操作。缺点是使用这种静态力穿刺细胞时引起较大的变形将对细胞造成一定的伤害，穿刺的成功率低，对实验者的操作技能要求高，需要 对细胞进行预处理，例如提前去除植物细胞的细胞壁。基于MEMS器件的注射 方法和基于纳米管的注射法都属于显微注射范畴内，是采用新材料、新结构的一 种创新性尝试，器件制备复杂，作用原理仍然为静力穿刺，无法减少细胞由于受 挤压变形而遭受的损伤。目前用于细胞和小组织内物质提取的方法主要包括高速组织捣碎法，机械研磨法，反复冻融法，化学处理法和超声处理法等。它们的原理是通过机械、物 理、化学等手段破坏细胞壁或细胞膜，继而将细胞内质或核酸释放到溶液中以待 进一步检测。但无论用哪一种方法破碎组织细胞，都会使细胞内蛋白质或核酸水 解酶释放到溶液中，使大分子生物降解，导致天然物质量的减少。现在尚缺乏一 种可实现细胞胞内或小组织内部物质吸引的技术。随着现代科学技术的不断深入发展和交叉融合，本专利技术结合微纳米技术、微 制造技术、微流体技术、功率超声技术和细胞生物学等，为实现针对单细胞和小 组织内部的注射和吸引提供了一种新的方法和手段。本专利技术的特点是改变通常显 微注射中采用的静态力穿剌原理，在中空微针穿刺细胞膜的同时，在针尖上施加 瞬间的超声频率振动，在局部极大加速度的影响下，产生一个瞬间的冲击力，以 提高微针的穿刺效率并减少由于挤压变形对细胞造成的伤害。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服通常显微注射中采用的静态力穿刺，无法减少细 胞由于受挤压变形而遭受损伤的缺陷；从而提供一种在中空微针穿刺细胞膜的装 置。此装置能将超声频率振动传递至针尖，引起局部极大的加速度，从而产生一 个瞬间的冲击力，以提高微针的穿刺效率，并减少由于挤压变形对细胞造成的伤 害，实现对单细胞或小组织内部的注射和吸引。本专利技术的目的是这样实现的本专利技术提供的实现对单细胞或小组织内部的注射和吸引的超声装置，包括穿 刺微针本体l、过渡接头2和变幅杆3;其特征在于，还包括超声换能器4、橡 胶导管5、压力调节部件6和正弦信号发生器8;所述的穿刺微针本体1为一根 中空管,该穿刺微针本体1的末端通过所述的过渡接头2与所述的变幅杆3固定； 所述的超声换能器4由第一金属圆柱401和第二金属圆柱402， 2个或4个压电陶瓷圆环和3片电极13组成，所述的第一金属圆柱401 —端中心开有螺孔，另 一端面上设置一凸台14;所述的第二金属圆柱402 —端加工出螺钉15，另一端 与所述的变幅杆3的另一端固定；所述的压电陶瓷圆环与所述的3片电极相间排 列，并加装在金属圆柱401和402之间的螺钉15上，通过螺钉15连接第一金属 圆柱与第二金属圆柱，并对压电陶瓷圆环施加预应力；所述的橡胶导管5—端套 在所述的凸台14上，该橡胶导管5的另一端与所述的压力调节部件6连接；所 述的功率正弦信号发生器8与所述的电极片13电连接；所述的超声换能器4 一 端相连的变幅杆3，实现能量传递和放大，即完成一个微型超声吸引器，参考图 1和2。在上述技术方案中，所述的压力调节部件6为双向泵。在上述技术方案中，所述的压力调节部件6为一由注射器9和螺旋测微仪 12组成；包括第一支架IO、第二支架10'、联轴器ll、注射器9和螺旋测微仪 12;其中所述的联轴器11连接注射器9的推杆和螺旋测微仪12的顶杆；所述的 第一支架10与第二支架10'同轴安装在一块平台上，分别支撑所述的注射器9 和螺旋测微仪12，如图3所示。在上述技术方案中，所述的穿刺微针本体l的针尖(刺入端)，考虑其生物 兼容性和强度，可采用微针拉制器拉制的内径为1 5(^m玻璃针尖，或通过冷拔， 金属巻饶、激光焊接、精磨等工艺制成内孔径为50 500nm的金属针尖。在上述技术方案中，所述的压电陶瓷圆环7和压电陶瓷圆环7'为PZT-8 (锆 钛酸铅)，该压电陶瓷圆环7和7'的外径15mmx内径8mmx厚度2mm。使用压 电陶瓷圆环7的特点是发热小，工作稳定，在实际工作中，压电陶瓷的两端被加 载正弦变化的交流电压，幅值在1 100V之间，压电陶瓷将产生纵向振动。由于 压电陶瓷变形率小，在低电压下为了达到较大的振幅，必须令穿剌针尖工作于超 声谐振状态下，并使用变幅杆3完成超声能量传递和振幅放大。在上述技术方案中，所述的3片电极13为青铜材料的制成的，其厚度 0.05~0.3蘭。在上述技术方案中，所述的变幅杆3采用阶梯形和圆锥形设计，尺寸大小由 四端网络法或有限元仿真设计法确定。在上述技术方案中，其穿剌微针本体1与过渡接头2固定的方式可采用激光 焊接，氩弧焊，粘接或钎焊，保证机械连接并可完成超声波的传递。在上述技术方案中，所述的压电陶瓷7和7'与3片所述的电极13相间粘结在一起，再套在所述的螺钉15上。在上述技术方案中，本专利技术的对单细胞或小组织内部实现注射和吸引的超声装置，工作频率为20kHz 50kHz，尖端振幅设计为l~20pm，总加速度设计超过 50000g，符合软组织受加速度破坏的阈值。超声换能器4、变幅杆3、过渡接头 2和穿刺微针本体1的总长度根据工作频率和设计差异，可在lcm 50cm以内。本专利技术提供的实现对单细胞或小组织内部的注射和吸引的超声装置，及其相 应的方法，适合对直径10^un 10mm的细胞和直径在5cm以内的小组织进行操 作，可广泛用于基因工程，药物筛选，细胞生物学和微创生化检测等领域。本专利技术的优点在于本专利技术提供的对单细胞或小组织内部实现注射和吸引的超声装置，适合本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种实现对单细胞或小组织内部的注射和吸引的超声装置，包括穿刺微针本体（１）、过渡接头（２）和变幅杆（３）；其特征在于，还包括超声换能器（４）、橡胶导管（５）、压力调节部件（６）和正弦信号发生器（８）；所述的穿刺微针本体（１）为一根中空管，该穿刺微针本体（１）的末端通过所述的过渡接头（２）与所述的变幅杆（３）固定；所述的超声换能器（４）由第一金属圆柱（４０１）和第二金属圆柱（４０２），２个或４个压电陶瓷圆环和３片电极（１３）组成；所述的第一金属圆柱（４０１）一端中心开有螺孔，另一端面上设置一凸台（１４）；所述的第二金属圆柱（４０２）一端加工出螺钉（１５），另一端与所述的变幅杆（３）的另一端固定；所述的压电陶瓷圆环与所述的３片电极相间排列，并加装在金属圆柱（４０１）和（４０２）之间的螺钉（１５）上，通过螺钉（１５）连接第一金属圆柱与第二金属圆柱，并对压电陶瓷圆环施加预应力；所述的橡胶导管（５）一端套在所述的凸台（１４）上，该橡胶导管（５）的另一端与所述的压力调节部件（６）连接；所述的功率正弦信号发生器（８）与所述的电极片（１３）电连接；所述的超声换能器（４）一端相连的变幅杆（３），实现能量传递和放大。...

【技术特征摘要】
1.一种实现对单细胞或小组织内部的注射和吸引的超声装置，包括穿刺微针本体(1)、过渡接头(2)和变幅杆(3)；其特征在于，还包括超声换能器(4)、橡胶导管(5)、压力调节部件(6)和正弦信号发生器(8)；所述的穿刺微针本体(1)为一根中空管，该穿刺微针本体(1)的末端通过所述的过渡接头(2)与所述的变幅杆(3)固定；所述的超声换能器(4)由第一金属圆柱(401)和第二金属圆柱(402)，2个或4个压电陶瓷圆环和3片电极(13)组成；所述的第一金属圆柱(401)一端中心开有螺孔，另一端面上设置一凸台(14)；所述的第二金属圆柱(402)一端加工出螺钉(15)，另一端与所述的变幅杆(3)的另一端固定；所述的压电陶瓷圆环与所述的3片电极相间排列，并加装在金属圆柱(401)和(402)之间的螺钉(15)上，通过螺钉(15)连接第一金属圆柱与第二金属圆柱，并对压电陶瓷圆环施加预应力；所述的橡胶导管(5)一端套在所述的凸台(14)上，该橡胶导管(5)的另一端与所述的压力调节部件(6)连接；所述的功率正弦信号发生器(8)与所述的电极片(13)电连接；所述的超声换能器(4)一端相连的变幅杆(3)，实现能量传递和放大。2. 按权利要求1所述的实现对单细胞或小组织内部的注射和吸引的超声装 置，所述的压力调节部件(6)为双向泵，橡胶导管(5)装在双向泵(6)的管 路接头上。3. 按权利要求1所述的实现对单细胞或小组织内部的注射和吸引的超声装 置，所述的压力调节部件(6)为一由注射器(9)和螺旋测微仪(12)组...

【专利技术属性】
技术研发人员：周兆英，肖名飞，罗晓宁，朱俊华，张毓笠，杨兴，邬婷，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]