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面向生命科学的原位显微分析与微操作机器人

研究方向：微操作机器人系统、微纳设计与加工、生物模式形成与组织发育建模。项目简介：在国家自然科学基金国家重大科研仪器设备研制专项（项目编号 61327802）等资助下，本项目研究团队自主研发了面向生命科学的原位显微分析与操作仪。研究团队利用该仪器实现了机器人化的体细胞核移植，进而将该技术应用于猪克隆流程，成功获得了克隆猪仔。这是国际上首次利用机器人技术获得的克隆猪。作为一种常用的外源物导入细胞的方式，细胞显微操作技术广泛应用于生物工程领域。为了减轻实验操作者的工作负担，研究者开发出自动化微操作系统，实现了自动化胚胎注射、机器人化单精注射、机器人化贴壁细胞注射等多类微操作。然而，目前自动化微操作的操作过程与手工操作类似，这些操作在保证操作本身高效、高成功率的同时，并没有考虑到微操作对后续生物过程（如后续细胞培养）的影响，因此无法获得显著优于手工操作的生物结果。研究团队面向生命科学发展的迫切需求，研制出具有可视化、微创化、定点化、定量化功能的，集检测分析与操作于一体的原位显微分析与操作仪，利用该仪器实现了机器人化的细胞核移植流程，并通过分析微操作工具与细胞接触过程中的细胞受力情况，实现了基于最小力的细胞拨动与细胞抽核，保证了细胞核移植操作过程中细胞受力最小。实验结果表明，基于最小力的细胞拨动与细胞抽核方法，显著减少了细胞拨动过程对细胞的伤害；后续细胞培养实验表明，与人工操作相比，细胞后续发育率显著提高,标志克隆成功的体外囊胚率从 10%提高到 21%。2017 年 1 月初，研究团队分四批完成了 510 例核移植操作,并将这 510 枚克隆胚胎移植到 6 头母猪体内，两头母猪顺利受孕；4 月底，两头受孕母猪产下成活克隆猪 17 头。上述研究第一次用后续细胞培养成功率作为评测依据，建立了操作过程细胞受力情况与后续细胞发育的联系,得出了操作过程细胞受力越小，则伤害越小，最终细胞发育成功率越高的结论。该研究对其它机器人化生物操作有借鉴意义。

南开大学 2021-04-11