МИКРОМАНИПУЛЯТОР

МИКРОМАНИПУЛЯТОР — устройство, предназначенное для проведения контролируемых визуально в поле зрения микроскопа процедур и операций над микрообъектами, осуществляемых с помощью специальных микроинструментов. М. нашли широкое применение в различных областях биологии, медицины и техники. Посредством М. в биологии и медицине выполняют три основных вида микроманипуляционных работ: 1) микрургические манипуляции, осуществляемые на целых клетках и касающиеся лишь их относительного перемещения; 2) микрургические операции, или так наз. цитохирургические манипуляции, к к-рым относятся операции, затрагивающие внутренние структуры клеток и их компонентов, напр, различного типа трансплантации, микроинъекции, микродиссекции, энуклеации и др. (см. Микрургия); 3) микрохирургические операции, напр, микроглазные операции, сшивание мелких сосудов, электрофизиол. исследования с применением микроэлектродов (см. Микрохирургия, Микроэлектродный метод исследования). М. нашли применение в промышленности для механического тестирования текстильных волокон, сборки электронных микроцепей и т. д. Первые М. современного типа были сконструированы голл. ученым Схутеном (S. L. Schouten, 1899) и амер. микробиологом Барбером (М. A. Barber, 1904). В 1912 г. С. С. Чахотиным был создан М., давший возможность производить внутриклеточные операции. Следует отметить работы франц. ученого Фонбрюна (P. Fonbrune) по усовершенствованию техники микроманипуляционных исследований. Сконструированный им пневматический М. широко применяется (с нек-рыми модификациями) в микробиологической практике.

Существуют две основные группы М.— по типу управления перемещением микроинструментов (в трех возможных направлениях): М., имеющие три винта управления, и М., имеющие один управляющий рычаг. М. второй группы, несмотря на сложность конструкции по сравнению с первым типом, имеет несомненные преимущества в отношении легкости управления и обладает большими манипуляционными возможностями. Принцип передачи движений в М. может быть различным: механическим, пневматическим, гидравлическим, электрическим (пьезо- и термоэлектрическим, электромеханическим) .

Рис. 1. Общий вид механического микроманипулятора, входящего в состав комплекта КМ-1: 1 — 4 — элементы позиционера (1 — основание; 2 — микрометрические винты; 3 — столик; 4 — направляющая); 5 — 8 — элементы головки микроманипулятора (5 — узлы крепления держателей микроинструментов; 6 — держатели микроинструментов; 7 — винты продольного перемещения микроинструментов; 8 — винты механизма перемещений, управляющие держателями).

У механических М. управление микроинструментами осуществляется путем непосредственной механической передачи движений управляющих органов (микрометрических винтов или других). Их характерной особенностью являются высокая точность, стабильность положения и возможность перемещения микроинструментов в больших пределах. В практике применяются отечественные микроманипуляторы ММ-1 и механический М., входящий в комплект КМ-1 (рис. 1), а также М. фирм Leitz (ФРГ) и Brikman (США) и др.

Рис. 2. Общий вид пневматического микроманипулятора, входящего в комплект КМ-1: слева — блок управления (1 — пневмоцилиндры горизонтальных перемещений; 2 — пневмоцилиндр вертикального перемещения; 3 — управляющий рычаг; 4 — трубки для передачи давления); справа — пневматическая головка, установленная на позиционере (5 — головка микроманипулятора; 6 — держатель микроинструмента; 7 — позиционер).

У пневматических и гидравлических М. микроинструменты перемещаются посредством рычажков, расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях и прикрепленных к трем мембранным коробкам, расширяющимся или сжимающимся в зависимости от величины давления подаваемых в них воздуха или жидкости. Эти М. имеют один управляющий рычаг и обеспечивают мягкое и плавное перемещение микроинструментов. К недостаткам таких М. следует отнести нестабильность положении микроинструментов во времени из-за утечки газа или жидкости и теплового расширения их в пневмо- или гидросистеме. Общий вид пневматического М., входящего в комплект КМ-1, показан на рисунке 2.

Электрические М. включают в себя все микроманипуляторы, перемещение микроинструментов у к-рых осуществляется за счет электрической энергии. Пьезоэлектрический М. подобен пневматическому, с той лишь разницей, что роль мембранных коробок здесь выполняют пьезоэлектрические пластины. Эти М. удобны в управлении и позволяют производить резкие перемещения микроинструментов, что совершенно необходимо при нек-рых исследованиях, напр, при прокалывании толстых оболочек клеток. В термоэлектрических М. перемещение производится за счет изменения длины металлических стержней вследствие нагревания их электрическим током. Электромеханические М.— весьма сложные устройства. Управление у них ручное или автоматическое, осуществляемое по заданной программе.

Часто применяют упрощенные М., предназначенные для конкретных исследований, напр. М. для перемещения микроэлектродов при отведении потенциалов головного мозга, крепящихся на самом животном.

Для нек-рых исследований, где очень важна точность погружения микроинструмента на определенную глубину изучаемого объекта, применяют М. с «шаговыми» двигателями — двигателями, осуществляющими перемещение отрезками (шагами). Для осуществления большинства микроманипуляционных работ необходима микрокамера (см.), в к-рую помещают микрообъект для про ведения манипуляций.

Рис. 3. Схема комплекта микроманипуляторов КМ-1: 1 — основание комплекта; 2 — микроскоп; 3 — позиционер; 4 — механизм перемещений для сведения двух микроинструментов на одном участке объекта; 5 — узел крепления держателя микроинструмента; 6 — механическая головка с одним управляющим рычагом; 7 — пьезоэлектрическая головка; 8 — держатель с микроинструментом; 9 — пневматическая головка- 10 — блок управления пневматического микроманипулятора; 11 — пульт управления пьезоэлектрического микроманипулятора; 12 — блок управления пьезоэлектрического микроманипулятора; 13 — блок питания; сплошными линиями на схеме обозначено постоянное соединение незаменяемых частей комплекта, пунктирными — соединение заменяемых и съемных частей его.

В состав современных наборов для микроманипуляционных работ входят различные устройства и приборы: микроманипуляторы, микроинструменты, микрокамеры, микроскопы и осветители, фото- и кинокамеры, микрокузницы, устройства для вытягивания капилляров, ультразвуковые приставки и др. Нередко М. соединяют с автоматическими и телевизионными устройствами; при этом теле устройство включается в микроскоп, что дает возможность наблюдать за объектом и проводимыми микрооперациями на телевизионном экране. В отечественный комплект микроманипуляторов КМ-1, схема к-рого представлена на рисунке 3, входят пневматическая, механические, пьезоэлектрические микроманипуляционные головки, позиционеры для их крепления и предварительной установки в рабочее положение, блоки управления, механизмы перемещения для сведения двух микроинструментов на одном участке объекта и др. В зависимости от характера проводимых работ можно устанавливать различные микроскопы. Конструкция комплекта позволяет в зависимости от требований эксперимента легко заменять одни составные элементы другими.

Библиография: Микроманипуляционные методы экспериментальной микробиологии, под ред. Б. А. Фихте, М., 1977, библиогр.; Фонбрюн П. Методы микроманипуляции, пер. с франц., М., 1951; Хохлов А. М., Решетников В. И. и Я ч и н Б.М. Принцип построения и описание комплекта микроманипуляторов КМ-1, Цитология, т. 13, № 4, с. 540, 1971; E 1 — В a d г у H. М. Micromanipulators and micromanipulation, Wien, 1963, bibliogr.; К о p а с М. J. Micromanipulators, principles of design, operation and application, в кн.: Phys. techn. biol, res., ed. by W. L. Nastuk, v. 5, pt A, p. 191, N. Y.— L., 1964, bibliogr.; К о p а с М. J. a. H а г г i s J. Microsurgery and visible light television, Ann. N. Y. Acad. Sci., v. 97, p. 331, 1962.

А. Б. Цыпин, Ю. В. Агибалов.