(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210677211.3 (22)申请日 2022.06.16 (71)申请人 天津工业大学 地址 300387 天津市西青区 宾水西道39 9号 (72)发明人 张宏杰　高嵘心　宁向菲　高欣玥　 刘晓晨　 (51)Int.Cl. C12M 1/42(2006.01) C12M 1/00(2006.01) (54)发明名称 一种新型超 声辅助细胞破膜穿刺装置 (57)摘要 本发明公开了一种新型的超声辅助细胞破 膜穿刺装置， 属于细胞精密微操作技术领域， 该 装置由压电陶瓷振子、 机械变幅结构、 柔性夹持 法兰、 持针器和破膜细针组成， 利用微米级超声 机械纵振， 实现细胞精准破膜穿刺微操。 其中压 电陶瓷振子产生机械超声振动； 机械变幅结构利 用锥状变截面杆实现轴向超声机械振动的放大； 持针器利用内部的两个橡胶圈实现破膜细针的 夹紧安装， 同时降低破膜细针因轴向振动引发的 径向摆振； 夹持法兰引入平行四边形柔顺机构， 减小破膜装置固定安装引入的扰动力矩对超声 振动能量传递效率的影 响。 新型细胞破膜装置支 持30kHz、 60kHz两种 纵振工作模式， 不 同的工作 模式具有不同的能量输出特性， 提升了装置对不 同生物细胞破膜微操的适应性。 权利要求书1页 说明书3页 附图3页 CN 114854580 A 2022.08.05 CN 114854580 A 1.新型超声辅助细胞破膜穿刺装置， 包括压电陶瓷振子、 机械变幅结构、 柔性夹持法 兰、 持针器和破膜细针； 机械变幅结构由机械串联连接的一级圆柱段和两级圆锥段构成， 能 够实现机械振动振 幅的二级放大， 为细胞破膜提供适宜的超声振动能量； 所述压电陶瓷振 子固定在所述机械变幅结构一级圆柱段的尾端， 所述压电陶瓷振子在简谐激励电信号作用 下产生超声振动， 该超声振动的微小振 幅由机械变幅结构放大并传输至持针器， 持针器通 过其内部橡胶 圈， 进一步将超声振动传递至破膜细针上， 使得细针具有微米级的超声振动 输出。 2.根据权利要求1所述的一种新型超声辅助细胞破膜穿刺装置， 其特征在于， 所述后质 量块和预紧螺钉采用一体化结构和整体加工， 能够抑制独立预紧螺栓引起的破膜装置工作 频率偏移和模态密集问题； 此外， 后质量块上设计了适用于内六角扳手和开口扳手拧紧操 作的六边形 结构， 使得破膜装置的组装更加方便 。 3.根据权利要求1所述的一种新型超声辅助细胞破膜穿刺装置， 其特征在于， 所述柔性 夹持法兰设置在机械变幅结构的轴向振动位移节 点处， 并且夹持法兰连接臂引入平行四边 形柔顺机构， 为夹持法兰提供沿泼墨装置振动传递方向的平动运动副， 降低破膜细针由于 轴向振动引发的径向摆 振对细胞造成过渡伤害。 4.根据权利要求1所述的一种新型超声辅助细胞破膜装置， 其特征在于， 所述持针器采 用分体结构， 在持针器与机械变幅结构 螺纹连接端、 持针器与端盖螺纹连接处内嵌橡胶圈， 夹紧破膜细针并形成两点支撑 。 5.根据权利要求1所述的一种新型超声辅助细胞破膜穿刺装置， 其特征在于， 所述细胞 破膜穿刺装置支持30kHz、 60kHz两种纵振工作模态， 不同的工作模态具有不同的能量输出 特性， 提升 了装置对不同生物细胞破膜穿刺微操的适应性。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 114854580 A 2一种新型超声辅助细胞 破膜穿刺装 置 技术领域 [0001]本发明属于细胞精密微操作技术领域， 特别是涉及一种新型超声辅助细胞破膜穿 刺装置。 背景技术 [0002]1.传统细胞破膜穿刺装置是通过电机带动破膜装置使得破膜细针与细胞接触， 在 穿刺力的作用下， 使细胞产生挤压变形， 实现破膜， 这种方式常常会破坏细胞的内部结构和 组织， 造成细胞过度损伤或死亡。 利用超声范围内的高频机械振动进行细胞破膜穿刺微操 是一项新的技术， 通过破膜细针将超声振动作用在细胞膜上， 带动透明带局部粒子产生共 振， 当振动加速度突破一定阈值时， 透明带的局部粒子会脱离原来位置， 实现破膜。 由于振 幅小， 在破膜过程中， 细胞与透明带不会发生明显变形， 以避免细胞的过度损伤。 因此， 基于 超声辅助细胞破膜穿刺微操 将会发展成为 一种应用广泛的微损伤破膜手段； [0003]2.目前， 超声辅助细胞破膜穿刺技术常采用压电振子和破膜细针直连的方式。 为 了增加压电振子的输出振动， 需要增加压电陶瓷的输入功 率， 但是单方面增加输入功率， 会 显著增加陶瓷振子的自发热， 长时间工作将导致压电陶瓷材料 的电学非线性现象， 进而引 发压电振子的机械非线性问题， 使破膜过程中破膜细针的动力学特性发生显著性变化， 破 坏超声能量的有效输出； 同时， 细长破膜针在自然状态下具有较大的挠度， 在简谐激励作用 下产生纵向振动时， 会引起其自身的径向摆振， 过大的径向振动会对细胞造成划伤； 3.为了 解决超声辅助细胞破膜穿刺微操中存在的问题， 本发明提出一种新型破膜装置， 在压电振 子和破膜细针间引入了机械变幅结构、 持针器和柔性夹持法兰， 在不增加压电振子输入功 率的情况下， 利用机械聚能实现超声振动的有效传递和放大， 在持针结构 中引入两点支撑 以削弱细长破膜针的径向振动， 同时利用柔性夹持法兰抑制破膜装置安装机架引入的扰动 力矩。 发明内容 [0004]1.为了克服现有超声辅助细胞破膜技术中存在的问题， 本发明提出一种新型超声 辅助细胞破膜穿刺装置； [0005]2.本发明为 解决公知技 术中存在的技 术问题所采取的技 术方案是： [0006]3.一种新型超声辅助细胞破膜穿刺装置， 包括压电陶瓷振子、 机械变幅结构、 柔性 夹持法兰、 持针器和破膜细针， 机械变幅结构由机械串联连接的一级圆柱段和两级圆锥段 构成， 实现机械振动能量的二级放大， 为细胞破膜提供适宜的超声振动能量。 所述压电陶瓷 振子固定在所述机械变幅结构一级圆柱段的尾端， 所述压电陶瓷振子在控制系统的作用下 产生超声振动， 该超声振动的微小振 幅由机械变幅结构放大后并传输至持针器， 持针器通 过其内部橡胶 圈， 进一步将超声振动传递至破膜细针上， 使得细针具有微米级的超声振动 输出； [0007]4.所述后质量块和预紧螺钉采用一体化结构和整体加工， 结构紧凑， 该结构能够说　明　书 1/3 页 3 CN 114854580 A 3