一种完全生物兼容的细胞微马达组装方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种完全生物兼容的细胞微马达组装方法，所述细胞微马达包括红外激光源、第一反射镜、声光偏转器、扩束镜、二向色镜、物镜、样品台、聚光镜、第一透镜、第二反射镜、第二透镜、CCD相机与倒置显微镜。本发明专利技术的有益效果在于，该方法所组装的细胞微马达不仅具有高度安全性、精确可控性和生物兼容性，而且不依赖于细胞的种类和大小，可广泛应用于各种细胞。此外，该方法还被进一步应用于实现细胞微马达的同步平移和旋转，以及构建可控并完全生物兼容的细胞微马达阵列。该方法在靶向药物递送、生物微环境监测、生物传感以及生物医学治疗等方面具有较大的潜在应用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种完全生物兼容的细胞微马达组装方法和应用
本专利技术属于细胞工程
更具体地，涉及种完全生物兼容的细胞微马达的组装方法及其应用。
技术介绍
由于其在生物医学、化学、环境和微/纳米工程领域的潜在应用，微型马达吸引了研究者们广泛的关注。微马达可用于装载、运输和卸载货物，调节神经纤维生长方向和选择性杀伤癌细胞等方面。这些应用主要是依靠两种基本的机械运动：平移和旋转。光镊利用高度聚焦的激光束，通过光子动量传递来捕获和操纵微米级粒子，不仅可以实现微粒的三维非接触平移，还可以通过角动量传递等方式实现其旋转。特别地，光镊在实现高效、非接触旋转的研究已经在芯片实验室技术上取得重大突破。到目前为止，使用光镊旋转微粒有两种典型的方法。一种是利用特殊调制的激光束，如利用圆偏振光旋转双折射粒子，以及利用涡旋光束和拉盖尔-高斯光束旋转粒子。另一种是利用微粒的不对称性来改变材料内部的光强分布实现旋转操控，如旋转微涡轮、叶轮状的微转子和不均匀的Janus颗粒。这两种方法都依赖于打破粒子或激光束的物理和结构对称性，需要复杂的光束调制或材料制造过程。此外，这些方法难以实现旋转方向的灵活控制且生物兼容性较差，因此不适用于体内生物医学治疗等应用。生物细胞易于培养，是构建生物兼容性微型马达最有应用前景的材料。实现微流中生物细胞的可控旋转在基础生物医学研究和临床诊断中也有巨大的应用潜力，如细胞组装、细胞注射和去核。利用光镊可控旋转生物细胞一直是国际上研究热点之一。但是，该技术存在不少亟需解决的问题。首先，利用光阱施加在细胞上的光力矩依赖于它们特殊的物理或结构特性，不能广泛应用于各种类型的生物细胞。另一方面，为了获得可控的转速，需要较大的激光功率范围，这可能超出了细胞的激光承受范围而导致细胞的光学损伤。因此，探索基于光镊的细胞旋转通用方法，实现具有高度安全性、可控性、良好的生物兼容性以及不依赖于细胞材料种类的非接触细胞旋转式微马达具有重要意义。据我们所知，现有的微型马达和相关技术都未能满足上述所有标准。微流操控过程一般对生物样品不产生附加的损伤，并且该技术对样品组成没有依赖性，而且可以通过调控微流流动方向和速率灵活调控对目标微粒施加的粘性力大小和方向。结合光镊和微流操控的显著优势，将有望构建具有高度安全性、可控性和良好生物兼容性的细胞微马达。
技术实现思路
微型马达在生物医学上有许多潜在应用，但仍面临着巨大的挑战。实际的生物医学应用要求微马达同时具有高度安全性、精确可控性和生物兼容性等特点，但迄今为止，相关报道几乎没有。在这里，我们提出了一种结合光镊技术和微流操控的多功能方法来构建可控的细胞微型马达。该方法不仅可满足上述相关要求，而且不依赖于细胞的种类和大小，可广泛应用于各种细胞。此外，该方法还被进一步应用于实现细胞微马达的同步平移和旋转，以及构建可控并完全生物兼容的细胞微马达阵列。我们相信，该方法在靶向药物递送、生物微环境监测、生物传感以及生物医学治疗等方面具有较大的潜在应用价值。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种完全生物兼容的细胞微马达组装方法，所述细胞微马达包括红外激光源、第一反射镜、声光偏转器、扩束镜、二向色镜、物镜、样品台、聚光镜、第一透镜、第二反射镜、第二透镜、CCD相机与倒置显微镜；所述红外激光源发射出的激光束由第一反射镜导入所述声光偏转器，接着利用所述扩束镜对所述激光束进行扩束整型，使所述激光束的状态为宽准直，再通过所述二向色镜进行反射，将所述激光束导入所述物镜实现高度聚焦并在所述样品池内形成光阱，用于对生物细胞的捕获和操控；所述倒置显微镜的照明光通过所述聚光镜聚焦在样品上；所述物镜采集样本平面上的图像并通过所述二向色镜、所述第二反射镜、所述第二透镜聚焦到所述CCD相机上，实现对样品台内样品的实时观察和记录。优选的，通过控制声光偏转器，可以在所述样品台内创造若干个动态或静态光阱，每个光阱可预设其运动轨迹或静止位置。优选的，所述方法中，所述声光偏转器创造一个圆形轨迹的动态扫描光阱，在光力的作用下，样品池内处于动态光阱附近的微粒或细胞会被其捕获并以恒定速度沿着圆形轨道运动，从而在圆形轨道内部形成微漩涡；通过调整动态光阱的扫描频率和方向，所施加的转矩方向和大小也随之改变，从而可以实现微漩涡内部目标细胞微马达的可控旋转。优选的，所述方法中，通过引入第二个静态光阱，目标细胞可以被稳定捕获在静态光阱中心；目标细胞将围绕静态光阱的光轴作可控性稳定旋转。优选的，所述方法中，细胞微马达还可以定位在圆形轨迹内的任何其他位置，当在其他位置处非平衡粘性剪切力较大，需要将静态光阱的光功率适当增大，以获得在非中心位置的稳定旋转。作为本专利技术的一种应用，通过所提出的本专利技术方法可以构建具有完全生物兼容性的微米级细胞马达阵列。作为本专利技术的另一种应用，还可以用于沿预定路径同步平移和旋转目标细胞。本专利技术的有益效果在于，该方法不仅可满足上述相关要求，而且不依赖于细胞的种类和大小，可广泛应用于各种细胞。此外，该方法还被进一步应用于实现细胞微马达的同步平移和旋转，以及构建可控并完全生物兼容的细胞微马达阵列。该方法在靶向药物递送、生物微环境监测、生物传感以及生物医学治疗等方面具有较大的潜在应用价值。附图说明图1为本专利技术的组装方法的光束路径结构示意图；图2为本专利技术的细胞微马达原理示意图；图3a-3e为本专利技术实施例1中酵母菌的可控旋转的示意图；图4a-4h为本专利技术实施例2中莱茵衣藻的可控旋转的示意图；图5a-5f为本专利技术实施例3中逆时针旋转过程中定向目标酵母细胞的光学显微照片；图6a、图6b为本专利技术实施例4中细胞微马达的同步平移和旋转的示意图；图7a、7b为本专利技术实施例5中具有完全生物兼容性的微米级细胞微马达阵列示意图。具体实施方式以下将结合附图对本专利技术作进一步的描述，需要说明的是，以下实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围并不限于本实施例。如图1所示，本专利技术为一种完全兼容的细胞微马达的组装方法，所述细胞微马达包括红外激光源、第一反射镜、声光偏转器、扩束镜、二向色镜、物镜、样品台、聚光镜、第一透镜、第二反射镜、第二透镜、CCD相机与倒置显微镜；所述红外激光源发射出的激光束由第一反射镜导入所述声光偏转器，接着利用所述扩束镜对所述激光束进行扩束整型，使所述激光束的状态为宽准直，再通过所述二向色镜进行反射，将所述激光束导入所述物镜实现高度聚焦并在所述样品池内形成光阱，用于对生物细胞的捕获和操控；所述倒置显微镜的照明光通过所述聚光镜聚焦在样品上；所述物镜采集样本平面上的图像并通过所述二向色镜、所述第二反射镜、所述第二透镜聚焦到所述CCD相机上，实现对样品台内样品的实时观察和记录。优选的，通过控制声光偏转器，可以在所述样品台内创造若干个动态或静态光阱，每个光阱可预设其运动轨迹或静止位置。如图2所示，所述方法中，所述声光偏转器创造一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种完全生物兼容的细胞微马达组装方法，其特征在于，所述细胞微马达包括红外激光源、第一反射镜、声光偏转器、扩束镜、二向色镜、物镜、样品台、聚光镜、第一透镜、第二反射镜、第二透镜、CCD相机与倒置显微镜；/n所述红外激光源发射出的激光束由第一反射镜导入所述声光偏转器，接着利用所述扩束镜对所述激光束进行扩束整型，使所述激光束的状态为宽准直，再通过所述二向色镜进行反射，将所述激光束导入所述物镜实现高度聚焦并在所述样品池内形成光阱，用于对生物细胞的捕获和操控；所述倒置显微镜的照明光通过所述聚光镜聚焦在样品上；所述物镜采集样本平面上的图像并通过所述二向色镜、所述第二反射镜、所述第二透镜聚焦到所述CCD相机上，实现对样品台内样品的实时观察和记录。/n

【技术特征摘要】
1.一种完全生物兼容的细胞微马达组装方法，其特征在于，所述细胞微马达包括红外激光源、第一反射镜、声光偏转器、扩束镜、二向色镜、物镜、样品台、聚光镜、第一透镜、第二反射镜、第二透镜、CCD相机与倒置显微镜；
所述红外激光源发射出的激光束由第一反射镜导入所述声光偏转器，接着利用所述扩束镜对所述激光束进行扩束整型，使所述激光束的状态为宽准直，再通过所述二向色镜进行反射，将所述激光束导入所述物镜实现高度聚焦并在所述样品池内形成光阱，用于对生物细胞的捕获和操控；所述倒置显微镜的照明光通过所述聚光镜聚焦在样品上；所述物镜采集样本平面上的图像并通过所述二向色镜、所述第二反射镜、所述第二透镜聚焦到所述CCD相机上，实现对样品台内样品的实时观察和记录。


2.根据权利要求1所述的完全生物兼容的细胞微马达的组装方法，其特征在于，通过控制声光偏转器，可以在所述样品台内创造若干个动态或静态光阱，每个光阱可预设其运动轨迹或静止位置。


3.根据权利要求1所述的完全生物兼容的细胞微马达的组装方法，其特征在于，所述方法中，所述声光偏转器创造一个圆形轨迹的动态...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷宏香，邹晓彬，贺炜琦，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：广东;44