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面向生命科學的原位顯微分析與微操作機器人

研究方向：微操作機器人系統、微納設計與加工、生物模式形成與組織發育建模。項目簡介：在國家自然科學基金國家重大科研儀器設備研制專項（項目編號 61327802）等資助下，本項目研究團隊自主研發了面向生命科學的原位顯微分析與操作儀。研究團隊利用該儀器實現了機器人化的體細胞核移植，進而將該技術應用于豬克隆流程，成功獲得了克隆豬仔。這是國際上首次利用機器人技術獲得的克隆豬。作為一種常用的外源物導入細胞的方式，細胞顯微操作技術廣泛應用于生物工程領域。為了減輕實驗操作者的工作負擔，研究者開發出自動化微操作系統，實現了自動化胚胎注射、機器人化單精注射、機器人化貼壁細胞注射等多類微操作。然而，目前自動化微操作的操作過程與手工操作類似，這些操作在保證操作本身高效、高成功率的同時，并沒有考慮到微操作對后續生物過程（如后續細胞培養）的影響，因此無法獲得顯著優于手工操作的生物結果。研究團隊面向生命科學發展的迫切需求，研制出具有可視化、微創化、定點化、定量化功能的，集檢測分析與操作于一體的原位顯微分析與操作儀，利用該儀器實現了機器人化的細胞核移植流程，并通過分析微操作工具與細胞接觸過程中的細胞受力情況，實現了基于最小力的細胞撥動與細胞抽核，保證了細胞核移植操作過程中細胞受力最小。實驗結果表明，基于最小力的細胞撥動與細胞抽核方法，顯著減少了細胞撥動過程對細胞的傷害；后續細胞培養實驗表明，與人工操作相比，細胞后續發育率顯著提高,標志克隆成功的體外囊胚率從 10%提高到 21%。2017 年 1 月初，研究團隊分四批完成了 510 例核移植操作,并將這 510 枚克隆胚胎移植到 6 頭母豬體內，兩頭母豬順利受孕；4 月底，兩頭受孕母豬產下成活克隆豬 17 頭。上述研究第一次用后續細胞培養成功率作為評測依據，建立了操作過程細胞受力情況與后續細胞發育的聯系,得出了操作過程細胞受力越小，則傷害越小，最終細胞發育成功率越高的結論。該研究對其它機器人化生物操作有借鑒意義。

南開大學 2021-04-11

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