CN105379706A - 冷冻细胞的自动存取控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冷冻细胞的自动存取控制装置，包括保温系统、自动存取控制系统、条形码识别系统、温度检测系统、中央控制系统及液氮容量检测系统；保温系统包括两层中空保温箱，其中间夹层填充保温材料，其内部安装液氮吸附剂；自动存取控制系统包括旋转密封门及细胞冻存架，细胞冻存架的每层均放置细胞冷冻盒，在细胞冻存架的两侧设有用于使其上下移动的导轨；自动存取控制系统还包括伺服电机驱动螺杆及挂钩，挂钩与细胞冻存架连接，在伺服电机驱动螺杆的驱动下带动细胞冻存架上下移动；自动存取控制系统包括电动推杆，其顶端设有顶针，在电动推杆的驱动下推动细胞冷冻盒移动至取件窗口。本发明可保证冷冻细胞质量，提高冷冻细胞存取的效率。

Description

冷冻细胞的自动存取控制装置

技术领域

本发明涉及液氮存储技术领域、细胞存储技术领域、超低温下的机械运动技术领域及保温密封技术领域，特别是涉及一种通用性强的冷冻细胞的超低温自动存取控制装置。

背景技术

随着科学的发展，生物学研究早就从生物机体整体研究进入到细胞甚至分子的层面。细胞生物学是以细胞为研究对象，从细胞的整体水平、亚显微水平、分子水平等三个层次，研究细胞和细胞器的结构和功能、细胞的生活史和各种生命活动规律的学科。细胞生物学是现代生命科学的重要支柱和核心学科之一，同时也是生命科学研究的前沿分支学科。细胞生物学在分子和整体之间、在形态和功能之间架起了桥梁，而且强有力地渗透进其他生命学科并促进这些学科的发展。

细胞生物学研究的主要实验对象是各种原代培养或传代培养的细胞或细胞株。为了避免培养细胞在长期体外培养过程中造成的污染或多次传代引起的基因突变，实验者会将所培养的细胞在生长旺盛期时进行冻存，冻存细胞储存在加入细胞冻存液的细胞冻存管中，然后放置于-196℃的液氮中，在这种超低温环境下，细胞可以长期保存。在实验需要时，实验者可以将所冻存细胞在37℃复苏进行所需要的实验。

目前的细胞冻存和都是由实验者人工进行操作的。但是在人工操作的条件下冻存细胞的质量会受到明显的影响。由于液氮储存罐体积较大，价格较高，现有的细胞冻存都是将上百甚至上千只细胞冻存管放置于一个冻存管存储架后再置于液氮冻存罐中以节约空间和成本。提取复苏冻存细胞时需要将整个存储架整体取出。每一次人工提取复苏冻存细胞都会使同一个存储架上暂不使用的冻存细胞经历一次不必要的冻融过程，即从-196℃低温环境中拿到25℃左右的室温环境中，再由25℃左右的环境温度回到-196℃的液氮中。这样剧烈的温度变化会使冻存细胞活性和质量带来严重的影响。即使暴露时间很短，暂无需取用的冻存细胞还是经历了一次剧烈的温度变化，只要冻存细胞温度从-196℃升高到接近玻璃化的温度，即-130℃以上，细胞冻存液溶液内部会发生缓慢持续的变化，发生重结晶。绝大多数细胞在-5℃～-60℃时，胞内形成冰晶，导致细胞死亡，因此-5℃～-60℃称作细胞的危险温度区。

细胞生物学研究表明冻存细胞储存温度最好控制在-130℃以下，冻存细胞内的水不会形成结晶，细胞结构不会受到破坏，从而最大限度保证冻存细胞的质量，使复苏后的细胞活率较高。此外，研究表明细胞内的新陈代谢在温度降低到-130℃时几乎会完全停止，细胞内部高度有序的结构状态不会被打乱，细胞内部蛋白质、酶以及其他细胞器不会被破坏。冻存细胞复苏后不仅具有正常的细胞形态，更重要的是保持了细胞的完整生物学特征。因此在对冻存状态下细胞的存取必须保证始终处于-130℃以下的超低温环境中，只有这样存储的冻存细胞在将来科学研究或治疗回输时才能保证所需要的质量。

除上述严重影响外，在常规的冻存细胞存取的手工操作中，由于液氮罐内外的剧烈温差，在液氮罐的罐口附近区域会形成严重的雾气，妨碍视线，使操作人员无法看清和判断细胞冻存盒以及细胞冻存管上的标记，因而在提取冻存细胞时，时常发生差错，造成冻存细胞多次反复从-196℃低温环境中拿出和放回，来校对信息是否正确。特别是随着存储的细胞量的增大，这种人工存取细胞出错的几率就会明显增多。

在申请号为CN201210485044.9、发明名称为“冻存管自动存取及识别装置”的中国专利申请中，提供了一种冻存管自动存取及识别装置，提高了冷冻细胞存取的效率，并且降低了细胞存取的差错率。但该装置还存在如下问题：1、不能配合目前广泛使用的商业化大型液氮罐使用，仅可存储于装置自带的液氮槽中，存储量少，通用性差，基本没有市场应用前景；2、该装置不具备温度监控报警装置，而温度对于冻存细胞的质量是至关重要的；3、其自动化系统依托电磁铁运行，一旦磁场力不足则会发生严重故障问题，冻存管脱落造成冻存细胞完全报废，而其磁场力完全没有监测装置；4、装置运行时液氮槽操作人员会直接暴露于液氮槽中的液氮，一旦存取时液氮溢出，会造成操作人员不必要人身伤害。

因此，发明一种通用性强，可以配合大型商业化液氮罐使用的，始终保持冻存细胞处于液氮存储温度中，具备温度监测和报警装置和电子设备识别系统的高效率全自动冻存细胞存取装置就成为当前细胞科研和商业化应用的必须。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中对冷冻细胞存取容易出错、存取效率很低的缺陷，提供一种配合商业化大型液氮罐使用的冷冻细胞的自动存取控制装置。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：

本发明提供了一种冷冻细胞的自动存取控制装置，其特点在于，包括保温系统及自动存取控制系统；

所述保温系统包括内外两层中空保温箱，所述内外两层中空保温箱共有同一侧壁且在中间夹层填充有保温材料，所述内外两层中空保温箱的内部四周安装有液氮吸附剂，在内层中空保温箱的内部填充有液氮；

所述自动存取控制系统包括设置于所述同一侧壁上的旋转密封门及设置于内层中空保温箱内的细胞冻存架，所述细胞冻存架包括多层，每一层均放置细胞冷冻盒，在所述细胞冻存架的两侧设有用于使得所述细胞冻存架上下移动的导轨；

所述自动存取控制系统还包括伺服电机驱动螺杆及设置于所述伺服电机驱动螺杆下方的挂钩，所述挂钩与所述细胞冻存架相连接，并用于在所述伺服电机驱动螺杆的驱动下带动所述细胞冻存架上下移动；

所述自动存取控制系统还包括电动推杆，所述电动推杆的顶端设有一顶针，用于在所述电动推杆的驱动下推动细胞冷冻盒移动至一设置于所述旋转密封门上方的取件窗口。

较佳地，所述自动存取控制装置还包括条形码识别系统，所述条形码识别系统包括设在所述取件窗口上方的扫描仪，所述细胞冷冻盒的正面贴设有用于记录细胞信息的条形码，所述扫描仪用于扫描位于所述取件窗口的细胞冷冻盒上的条形码。

较佳地，所述自动存取控制装置还包括温度检测系统，所述温度检测系统包括设置于中空保温箱内的温度传感器、设置于中空保温箱外部的温度显示器及用于在温度超出预设范围进行报警的温度报警装置。

较佳地，所述自动存取控制装置还包括中央控制系统，所述中央控制系统包括RAM存储器(随机存取存储器)，用于采集中空保温箱内部的温度值及细胞冷冻盒的存取时间和温度值。

较佳地，所述自动存取控制装置还包括液氮容量检测系统，所述液氮容量检测系统包括用于检测内层中空保温箱内的液氮容量的液位传感器及用于在液氮容量低于设定范围时进行报警的液氮报警装置。

较佳地，所述自动存取控制装置还包括一用于向所述内层中空保温箱补充液氮的液氮充气接口。

较佳地，所述自动存取控制装置的底部还安装有滑轮。

较佳地，所述挂钩及所述顶针的材料均为环氧树脂。

较佳地，所述旋转密封门的底部设有一用于支撑所述细胞冻存架的托盘，所述细胞冻存架的上端设有一卡扣，用于在所述旋转密封门关闭时与所述挂钩卡接。

本发明的积极进步效果在于：本发明的冷冻细胞的自动存取控制装置，通过超低温环境下的机械运动实现自动化操作，使得不用将细胞长时间置于非超低温环境中，从而能够有效的保存细胞和避免细胞受到污染和恶劣环境的刺激。通过计算机控制的中央控制系统的指令，控制伺服电机作用下的螺杆和行程开关控制的电动推杆来实现冷冻细胞盒的自动存取，从而降低了人为出错率，并且本发明还能够实时检测细胞所处的环境温度并记录存储。本发明可显著提高冷冻细胞存取的效率，降低差错率，尤其重要的是可以有效地保证冷冻细胞始终处于-196℃的超低温下存取，避免反复冻融从而确保冷冻细胞的质量，为后续的科学研究或细胞治疗奠定基础。

附图说明

图1为本发明的较佳实施例的冷冻细胞的自动存取控制装置的模块示意图。

图2为本发明的较佳实施例的冷冻细胞的自动存取控制装置的结构示意图。

图3为利用本发明的较佳实施例的冷冻细胞的自动存取控制装置和手工存取方式存取冷冻细胞30次后复苏细胞的活率比较图。

图4为利用本发明的较佳实施例的冷冻细胞的自动存取控制装置和手工存取方式存取冷冻细胞30次后复苏细胞的72小时倍增率比较图。

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

如图1-2所示，本发明的冷冻细胞的自动存取控制装置包括保温系统1、自动存取控制系统2、条形码识别系统3、温度检测系统4、中央控制系统5及液氮容量检测系统6。

其中，所述保温系统1包括内层中空保温箱11及外层中空保温箱12，所述内外两层中空保温箱共有同一个侧壁，且在内外两层中空保温箱之间的中间夹层填充有保温材料，在内外两层中空保温箱的内部四周还安装有液氮吸附剂，用于保存气体液氮，在内层中空保温箱11的内部填充有液氮，不仅保证-130℃以下的细胞冷冻温度，而且给操作者以较好的保护。

所述自动存取控制系统2包括设置于所述同一侧壁的旋转密封门21及设置于所述内层中空保温箱11内的细胞冻存架22，所述细胞冻存架22包括多层，每一层均放置细胞冷冻盒，在所述细胞冻存架22的两侧设有使得细胞冻存架22上下移动的导轨，配合中空保温箱内部的导轨，用以控制细胞冻存架22在中空保温箱内部的运动方向。

所述自动存取控制系统2还包括伺服电机驱动螺杆23及设置于所述伺服电机驱动螺杆23下方的挂钩24，所述挂钩24与所述细胞冻存架22相连接，并用于在所述伺服电机驱动螺杆23的驱动下带动所述细胞冻存架22上下移动，具体地，在所述旋转密封门21的底部还设有一托盘28，所述托盘28用于放置并支撑所述细胞冻存架22，而在所述细胞冻存架22的上端则设有一卡扣，用于在所述旋转密封门21关闭时与所述挂钩24卡接在一起，并在所述旋转密封门21打开时脱离所述挂钩24。

所述自动存取控制系统2还包括电动推杆25，所述电动推杆25的顶端设有一顶针26，用于在所述电动推杆25的驱动下推动细胞冷冻盒移动至一设置于所述旋转密封门21的上方的取件窗口27，在所述取件窗口27的上方还设有行程控制开关，用以控制电动推杆的运动。

其中，所述挂钩24及所述顶针26均由隔温材料构成，优选地，二者的材料均为环氧树脂。

所述条形码识别系统3包括设置在所述取件窗口上方的扫描仪31，所述细胞冷冻盒的正面贴设有用于记录细胞信息的条形码，所述扫描仪31用于扫描位于所述取件窗口的冷冻细胞盒上的条形码，从而确认从所述取件窗口输出的冷冻细胞盒为指定的冷冻细胞盒。

所述温度检测系统4包括设置于中空保温箱内的温度传感器41、设置于中空保温箱外部的温度显示器42以及用于在温度超出预设范围进行报警的温度报警装置43。

所述中央控制系统5包括RAM存储器51，用以采集中空保温箱内部的温度值以及细胞冷冻盒的存取时间和温度值及冷冻细胞盒的相关信息，可以通过U盘将RAM存储器51内的信息导出，保证冷冻细胞盒的细胞相关信息，包括存取时间过程中的时间和温度数据的原始性、真实性、安全性和可追溯性，输入需要取出的细胞信息，将配合自动存取控制系统完成细胞的自动存取功能。

所述液氮容量检测系统6包括液位传感器61及液氮报警装置62，所述液位传感器61用以检测内层中空保温箱内的液氮容量，所述液氮报警装置62用于在液氮容量低于设定范围时进行报警。

所述自动存取控制装置还包括一液氮充气接口7，用于向所述内层中空保温箱补充液氮，在所述自动存取控制装置的底部还安装有滑轮，从而使得自动存取控制装置移动更自由，可供实验室中的不同细胞房使用。

如图2所示，本发明是在将从保存细胞的液氮罐内将装有冷冻细胞盒的细胞冻存架取出放置在本发明的旋转密封门21的托架上，然后将旋转密封门关闭，在关闭旋转密封门的同时伺服电机升降系统启动电机，对应指示灯将在显示器上显示。当需要选择指定的冷冻细胞盒时，只需要在操控面板上选择对应的冷冻细胞盒的层数，电机将会自动将选择的冷冻细胞盒运送到对应的取件窗口27。当对应的冷冻细胞盒到达对应的取件窗口时，将点亮相应的指示灯，即可手动打开对应的取件窗口密封门，并同时启动电动推杆25将冷冻细胞盒顶出。当指定的冷冻细胞盒被顶出的同时，扫描仪31将对冷冻细胞盒正面的条形码进行扫描，并记录和读取冷冻细胞盒的信息。冷冻细胞盒上贴有的条形码记录细胞采集时间、地点、来源、保存时间和离开中空保温箱的时间节点等细胞相关信息。当取出的冷冻细胞盒在使用完毕后又回到此细胞冻存架22内时将再次启动扫描仪31，再次对冷冻细胞盒进行扫描确认，并提示和显示条形码上的相关信息进行确认核对。在人为确认无误并确认后将启动电机复位。传感器将采集细胞冻存架内部温度变化和冷冻细胞盒在中空保温箱内存、取的时间和温度的变化，并将数据传给温度监控仪器和控制面板，液氮充气接口将保证冷冻细胞自动存取控制装置的液氮量。

当电机复位回归到原点时，将会触动液氮容量检测系统和温度检测系统，并作出相应的显示。当液氮容量检测装置、温度检测装置显示检测值超出预设的范围时将触动相应的报警装置，直到人为确认后恢复预设值。

使用本专利较佳实施例的自动存取控制装置从液氮罐中取出冻存细胞，使冻存细胞在本专利装置中维持60秒后再置回液氮罐中，每天做这样细胞存取1次，如此连续反复30天，总计30次。对照组按照现行的细胞存取方式，即从液氮罐中取出冷冻细胞置于室温60秒，放回液氮罐中，每天做这样细胞存取一次，如此连续反复30天，总计30次。对比实验结果(如图3和4所示)表明SMMC7721和hybridoma两种细胞按上述两种不同存取方法30次以后，细胞的活率上存在明显的差异(应用双因子方差分析，P<0.0001)。按照本发明较佳实施例的自动存取装置在30次反复存取后，冻存细胞的活率基本维持在97％左右，而按照现行的细胞存取方式在30次反复存取后，冻存细胞的活率由97％下降至50％左右。在存取过程中对环境温度有严格控制的细胞存取方式(模拟本发明专利)，可有效地保证冷冻细胞反复存取后复苏细胞的活率，30次存取后的活率接近原来的细胞活率，且这种保护的效果不受细胞类型影响的(应用双因子方差分析，P＝0.4782)。这个对比实验清楚地证明了在细胞冻存过程中避免温度剧烈变化对保护细胞活率的必要性，体现本专利的价值所在。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种冷冻细胞的自动存取控制装置，其特征在于，包括保温系统及自动存取控制系统；

所述保温系统包括内外两层中空保温箱，所述内外两层中空保温箱共有同一侧壁且在中间夹层填充有保温材料，所述内外两层中空保温箱的内部四周安装有液氮吸附剂，在内层中空保温箱的内部填充有液氮；

所述自动存取控制系统包括设置于所述同一侧壁上的旋转密封门及设置于内层中空保温箱内的细胞冻存架，所述细胞冻存架包括多层，每一层均放置细胞冷冻盒，在所述细胞冻存架的两侧设有用于使得所述细胞冻存架上下移动的导轨；

所述自动存取控制系统还包括伺服电机驱动螺杆及设置于所述伺服电机驱动螺杆下方的挂钩，所述挂钩与所述细胞冻存架相连接，并用于在所述伺服电机驱动螺杆的驱动下带动所述细胞冻存架上下移动；

所述自动存取控制系统还包括电动推杆，所述电动推杆的顶端设有一顶针，用于在所述电动推杆的驱动下推动细胞冷冻盒移动至一设置于所述旋转密封门上方的取件窗口。

2.如权利要求1所述的自动存取控制装置，其特征在于，所述自动存取控制装置还包括条形码识别系统，所述条形码识别系统包括设在所述取件窗口上方的扫描仪，所述细胞冷冻盒的正面贴设有用于记录细胞信息的条形码，所述扫描仪用于扫描位于所述取件窗口的细胞冷冻盒上的条形码。

3.如权利要求1所述的自动存取控制装置，其特征在于，所述自动存取控制装置还包括温度检测系统，所述温度检测系统包括设置于中空保温箱内的温度传感器、设置于中空保温箱外部的温度显示器及用于在温度超出预设范围进行报警的温度报警装置。

4.如权利要求3所述的自动存取控制装置，其特征在于，所述自动存取控制装置还包括中央控制系统，所述中央控制系统包括RAM存储器，用于采集中空保温箱内部的温度值及细胞冷冻盒的存取时间和温度值。

5.如权利要求1所述的自动存取控制装置，其特征在于，所述自动存取控制装置还包括液氮容量检测系统，所述液氮容量检测系统包括用于检测内层中空保温箱内的液氮容量的液位传感器及用于在液氮容量低于设定范围时进行报警的液氮报警装置。

6.如权利要求1所述的自动存取控制装置，其特征在于，所述自动存取控制装置还包括一用于向所述内层中空保温箱补充液氮的液氮充气接口。

7.如权利要求1所述的自动存取控制装置，其特征在于，所述自动存取控制装置的底部还安装有滑轮。

8.如权利要求1所述的自动存取控制装置，其特征在于，所述挂钩及所述顶针的材料均为环氧树脂。

9.如权利要求1所述的自动存取控制装置，其特征在于，所述旋转密封门的底部设有一用于支撑所述细胞冻存架的托盘，所述细胞冻存架的上端设有一卡扣，用于在所述旋转密封门关闭时与所述挂钩卡接。