面向减小细胞伤害的微纳操作关键技术研究

Because of the lack of the research on cell damage caused by micro/nano manipulation, the robotic micro/nano manipulation cannot achieve the biological effect beyond manual operation. This project carries out research on the key technologies of robotized micro/nano manipulation towards reducing cell damage. The project includes 5 research contents in 3 aspects: the mechanism of cell damage, the operation method of reducing cell damage and the demonstrative application of surpassing manual operation.1) The mechanism and characterization of cell damage; 2) The online sensing method of cell damage; 3) The control method of reducing cell damage; 4) The micro/nano manipulation and evaluation system of reducing cell damage; 5) The demonstrative animal clone experiments based on the robotic micro/nano- manipulation method. The prospective scientific objectives are as follows: ①Establish a cellular viscoelastic modeling and detection method based on non-ideal elastomer; ②Establish a cell damage and characterization method based on multivariate information description towards of biological development rate; ③Establish a calculation method of intracellular strain field based on the elastic model; ④Establish a transmembrane motion control method based on the intracellular strain; ⑤Establish a high-precision pressure adjustment method for micron scale fluid dominated by capillary action; ⑥Establish a negative pressure control method based on intracellular strain; ⑦Establish a robotic micro/nano manipulation and evaluation system of reducing cell damage; ⑧Realize the demonstrative clone experiments based on the robotic micro/nano- manipulation method that can greatly improve the success rate of clone quite .

机器人化微纳操作无法取得超越手工操作的生物效果，根本原因在于微纳操作造成细胞伤害的研究缺失，本项目开展面向减小细胞伤害的机器人化微纳操作关键技术研究，包括细胞伤害的机理、减少细胞伤害的操作方法、超越手工操作的示范应用三方面五项研究内容：1）细胞伤害的机理与表征；2）细胞伤害的在线感知方法；3）减少细胞伤害的控制方法；4）减少细胞伤害的微纳操作与评价平台；5）机器人化微纳操作方法的动物克隆示范应用。预期目标：①建立基于非理想弹性体的细胞粘弹性建模与检测方法；②面向生物发育率建立多元信息描述的细胞伤害机理与表征方法；③建立基于弹性体模型的细胞内应变场计算方法；④建立基于细胞内应变的跨膜运动控制方法；⑤建立毛细作用主导的微米尺度流体高精度压强调节方法；⑥建立基于细胞内应变的负压控制方法；⑦建立减少细胞伤害的机器人化微纳操作与评价平台；⑧实现较大幅度提高克隆成功率的机器人化微纳操作示范应用。

本项目开展面向减小细胞伤害的机器人化微纳操作关键技术研究，包括细胞伤害的机理、减少细胞伤害的操作方法、超越手工操作的示范应用三方面五项研究内容：.1).细胞伤害的机理与表征；.2).细胞伤害的在线感知方法；.3).减少细胞伤害的控制方法；.4).减少细胞伤害的微纳操作与评价平台；.5).机器人化微纳操作方法的动物克隆示范应用。.现已完成全部研究工作，取得主要进展如下：.1）建立了基于非理想弹性体的细胞粘弹性建模与检测方法，实现了基于AFM的亚细胞结构力学性质检测。.2）建立了多元信息描述的细胞伤害机理与表征方法，揭示了细胞伤害机理，实现了细胞伤害定量表征。.3）建立了基于弹性体模型的细胞内应变场计算方法，实现了高精度的细胞内应变在线感知，且精度0.34像素，效率50ms/f；实现了基于稀疏光流的细胞内应变计算，将内应变检测速度提升到了25fps。.4）建立了基于细胞内应变的跨膜运动控制方法，将跨膜后细胞的卵裂率从65%提升到86%；实现了基于细胞形变和改进点负载模型的细胞刺入过程受力分析，获得的力操作精度达到1.05μN。.5）建立了毛细作用主导的微米尺度流体高精度压强调节方法，微针内压强调节精度达到了0.1psi；实现了自动化注核，吸入细胞过程中，细胞可停在针口10μm(距离小于细胞半径)处。.6）建立了基于细胞内应变的负压控制方法，将囊胚率从2017年的21%，提升到了27.5%，提升了31%。.7）建立了减少细胞伤害的机器人化微纳操作与评价平台，分别对机器人化核移植操作中的细胞拨动、刺入、去核操作进行了定量评价；在保证去核成功率的前提下将胞质损失减小了60%。.8）获得了世界首批全自动体细胞核移植流程操作得到的8头克隆猪，项目执行期间累计推广18013头克隆猪后代，获得经济效益12170.4万元。.取得主要成果包括：.1)发表论文49篇，其中SCI收录36篇，包括中国工程院院刊《Engineering》、一区顶刊《IEEE Transactions on Automation Science and Engineering》的年度最佳论文等。.2)授权发明专利7项，受理10项。.3)获得了2022年天津市技术发明特等奖等奖项。.4)培养博士研究生10人，硕士研究生12人。