压电超声显微切割工具的研究1

《压电超声显微切割工具的研究1》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、http://www.paper.edu.cn1压电超声显微切割工具的研究陈立国，孙立宁，刘亚欣，王会香哈尔滨工业大学机器人研究所，哈尔滨(150080)E-mail:clg@hit.edu.cn摘要：在癌症基因组学研究领域，经常需要自动、快速、精确地分离和提取指定细胞群或单个细胞等显微操作。本文将超声振动切割引入生物显微操作领域，并利用叠堆压电陶瓷作为超声发生装置，研制了面向生物显微操作的微切割工具及其驱动与控制系统。在显微切割工具驱动与控制系统驱动下，该显微切割工具操作频率0.5~40kHz，振动输出位移0~2μm。最后，针对

2、肝脏组织病理切，利用该显微切割工具进行超声振动显微切割实验，获得了较好的切割效果，充分验证了生物组织切片超声振动显微切割可行性。该显微切割工具的研制为生物显微切割操作系统的研究开发提供了技术保证,必将推动癌症基因组学研究快速发展。关键词：显微切割；超声；压电；组织切片中图分类号：TP2421.引言显微切割技术是指通过显微操作系统来实现显微目标物质切割分离的目的，为从众多不同的样品中无污染地选择单细胞或细胞群进行DNA、RNA和蛋白质分析提供了简单快捷的方法，特别是对癌症的研究，它在同样的样品上、甚至在同样的单细胞上给研究人员提供了

3、基于形态学的传统方法和分子技术相结合的独特本领。例如，研究癌症侵袭转移的分子机制，需从病理切片中提取肿瘤细胞或细胞群进行下一步显微分析，如：RNAamplification、RT-PCR化验（实时连续变异逆转录酶聚合酶链反应），由于组织切片中肿瘤组织中存在正常间质细胞成分的影响，一些生物信息经常被干扰或掩盖，因而制约了分子诊断技术的应用。但要分析病理或分析基因排列情况等，必须从切片中提取指定的单个细胞或细胞群切割[1-5]等虽然近年来基于激光捕获，微玻璃切割等显微切割技术不断发展。但采用激光原理切割容易损伤目标组织；操作者使用微玻

4、璃针等工具，在显微镜下长时间工作，工作强度大，[6]操作人员易疲劳，人为误差不可避免。因此，开展自动化程度较高且能够精确地、准确地、无伤害的切割以及拾取组织切片的感兴趣组织的显微切割技术的研究具有重要的意义。本文将超声振动切割引入生物显微操作领域，提出压电超声振动微切割理论。基于此理论，利用叠堆压电陶瓷作为超声发生装置，研制了面向生物显微操作的微切割工具及其驱动与控制系统，满足了实际操作中不同显微切割样本对不同切割能量即不同振动频率和振动幅值调整的需求。2.超声切割技术理论研究超声振动显微切割切割过程可以用图1来表示。切割时，微切

5、割刀具在高精度微动台的驱动下沿预定切割轨迹运动，同时，刀具不断作超声振动。在超声的作用下，切割更容易，边缘更平滑。如图1所示切割刀具沿着刀具轴线的振动轨迹：St()=Acos(2πft)(1)式中A—振动位移幅值；f—振动频率那么刀具在x-y坐标平面内相对于被切割物质的运动轨迹为：1本课题得到国家自然科学基金（60605025）和高等学校博士点基金（（20050213029）的资助。-1-http://www.paper.edu.cnx()tA=cos(2πft)cosθ+vt(2)yt()=Acos(2πft)sinθ(3)式中

6、θ——切割刀具与水平面倾角；v——刀具按切割轨迹横向进给速度切割速度切割针被切割组织图1超声显微切割示意图Fig.1Schematicillustrationofultrasonicvibrationcutting那么刀具在x-y坐标平面内的速度为：vtvAf()=−2πsin(2πθft)cos(4)xvt()=−Af2πsin(2πθft)sin(5)y当A2πf0的时候，切割刀具不与被切割物质和切屑分离，这时候的切割叫做不分离状态的振动切割；当A2πf>v，即vxmin<0的时候，切割刀具与被切割物质和切

7、屑分[3]离，这时候的切割叫做分离状态的振动切割；对于超声振动切割时一般频率较高，工作在分离状态的振动切割状态。这种状态的刀具相对于被切割物质的切割速度可以表示为:vAf−+2sππθin(2)ftcos(tnTttn)≤≤(+T)bevt()=(6)xx{0(tn+≤TttnT)≤++((1))eb−+Af2ππθsin(2ft)sin(tnTttn)≤≤(+T)bevtyx()={(7)0(tn+≤TttnT)≤++((1))eb式中T—振动周期；t—每次循环中切割开始的时间；t—每次循环中切割结束的时be间；n—0，1，2…

8、可见超声振动切割过程是不连续的。切割过程中的切割力变化也是不连续的。假设推进切割力正比与切割的深度u0和宽度b0平均推进切割力Feve在超声切割的过程中可以表述如下：F()tKb=uh()t(8)eveeve00式中K—推进方向的阻力系数；ht()