CN111565850B - 用于自动化解冻袋状存储容器的系统，设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了样品解冻设备、系统以及方法，其被配置为采用袋装样品容器，这里称做“冻存袋”，并且解冻所述冻存袋中的内容物。所述冻存袋的内容物为细胞样品，并且基于温度、体积以及样品质量解冻，以均匀地分配热量并且避免在解冻过程中对细胞造成冰晶伤害。成对的加热器板形成了被配置为支撑、夹持以及解冻独立冻存袋的组件。加热器板对具有铰接的构件，所述构件被重新定位以为样品的插入与移除提供便利。

Description

用于自动化解冻袋状存储容器的系统，设备和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年8月3日提交的美国申请No.62/540,976的权益，其全部内容通过引用合并于本文。

技术领域

本公开总体上涉及用于解冻在袋状存储容器中冷冻样品的系统和方法。在许多方面，本公开涉及细胞、组织和流体的低温保存，并且涉及用于恢复低温保存的细胞、组织和流体的系统、设备和方法。

背景技术

悬浮液中细胞的低温保存是用于活细胞的长期归档存储和恢复的完善的和公认的技术。作为一般方法，将细胞悬浮在通常包括盐溶液、缓冲液、营养物、生长因子、蛋白质和冷冻保存剂的冷冻保存介质中。然后将细胞分配到具有所需尺寸和体积的归档存储容器中，之后降低容器的温度，直到容器内容物冷冻。典型的长期归档条件包括液氮蒸气存储，其中温度通常在-196℃和-150℃之间。根据给定冷冻保存的样品的体积或应用，可以使用小瓶或袋状存储容器来存储此类样品液。

通过这种方法保存的活细胞的成功恢复可以取决于在冷冻和解冻处理期间使细胞内区域中有害的冰晶体生长最小化。在冷冻过程期间减少细胞内冰晶生长方面已经取得了一些进展。例如，可以通过向组织或细胞悬浮液中加入冷冻保护剂化合物来减少细胞内冰晶体生长，所述冷冻保护剂化合物抑制细胞外和细胞内的冰晶成核和生长。另外，可以通过管理样品温度降低的速率来控制细胞内冰的生长。在冷冻过程期间，细胞外冰晶形成将从发展的冰晶体结构中排除溶质和细胞，从而将溶质和细胞浓缩在剩余的液相中。溶质浓度的增加将建立渗透势，该渗透势将促进细胞的脱水，同时使得时间上能让细胞膜可渗透的冷冻保护剂在细胞内体积内的浓度达到平衡。随着冷冻过程的进行，将达到一定的温度，在该温度下高溶质浓度将凝固成玻璃状态，在细胞内空间内具有最小尺寸的冰晶核。然后将固态细胞悬浮液进一步降低温度，直到达到低温存储温度。在该温度下，分子活性充分降低，使得细胞可以无限期地被存储。对于在低温存储后的最佳细胞恢复，在冷冻过程期间降温速率的值必须在一定范围内。如果降温速率太快，则细胞会在细胞内水的量已经充分降低之前冻结，从而促进细胞内冰晶体的生长。如果降温速率太慢，则细胞会变得过度脱水，并且细胞外溶质浓度会变得太高，两种情况都导致关键细胞结构的损伤。因此，通常控制冷冻处理期间的降温速率。例如，控制降温速率的一种方法包括用绝缘材料包围样品并将组件置于静态温度环境中，而另一种方法包括将暴露的样品容器置于内部温度以受控的速率降低的隔离室中。

使样品从低温归档状态返回包括将样品解冻至完全液体状态。在解冻处理期间，温度变化速率也会影响低温保存的细胞的生存力。样品存储容器的固体内容物含有结晶水的大的岛状物，其通过与冰晶的小核混合的玻璃态水溶质的通道插入。在从低温存储温度到最终相变成完全液体状态的转变期间，存在样品中水分子的重排的机会，包括细胞内的小冰核的热力学有利的延伸。由于细胞内冰晶的生长具有与细胞损伤相关的潜在性，并且由于晶体生长的程度是时间相关的现象，因此最小化通过相变的转变的时间间隔是合乎期望的。样品容器温度中的快速回转速率通常通过将容器在设定为约37℃的温度的水浴中部分浸没来实现。虽然可以通过提高浴的温度来实现更快的解冻速率，但是将容器浸没在浴中将在容器内建立温度梯度，其中最高温度位于容器壁处。结果，将发生暂态热力学状态，其中液体-固体混合物的温度将超过熔化温度，即使冷冻材料非常靠近地存在也是如此。因此，器皿内温度梯度对浴温度设置了上限。此外，由于常见的冷冻保护剂对细胞具有已知的毒性作用，所以液体状态的细胞相对于时间和温度的差异暴露使得在完成解冻处理时细胞的存活力发生变化。由于冷冻保护剂的毒性效应在高温下增强，因此较低的液体温度是合乎期望的。为此，常见的解冻方案通常包括快速解冻阶段，当少量固体材料仍然保留在样品容器中时该解冻阶段终止。样品从水浴中取出后，样品温度将迅速平衡至接近相变温度的温度。解冻方案通常寻求使经解冻的样品保持在冷冻保护剂浓缩的状态下的持续时间最小化，并且稀释样品或将冷冻保存介质替换为培养基的后续步骤通常以尽可能短的间隔完成。

虽然已经提出了一些解冻设备来自动解冻样品，但可以进行进一步的改进，特别是对于袋状冷冻保存容器(称为“冻存袋”)中存储的样品。

发明内容

对于存储在冻存袋中的解冻细胞，常规实践是在温水浴(例如，37℃)中将细胞快速加热至刚好在最后一块冰即将融化的点，然后将细胞慢慢稀释到生长培养基中。如果使样品温度过高，那么细胞可能开始代谢，并被冷冻过程中使用的二甲基亚砜(DMSO)污染。通常，低温保存的细胞和组织的解冻由实验室技术人员进行，并且应用的方案不仅可以在每个实验室技术人员之间变化，而且还会是技术依赖性的。样品解冻的完成通常由每个单个的技术人员主观判断，并且可能导致解冻速率和样品的变化，这已经使得样品变得太热。尽管使用浴和手动控制冻存袋插入在理论上可能实现可重复的解冻曲线，但是技术和方案顺应性程度的预期差异，特别是结合频繁地从浴中取出冻存袋以监测解冻状态的要求，使得偏离标准曲线是几乎确定的。从浴中取出冻存袋中断从浴水到冻存袋的热能传递，并且对解冻状态的视觉评估通常是困难的，且可能由于作为冻存袋产品的整体特征而提供的冻存袋标签和印刷书写表面的存在而变得复杂。另外的水浴也是污染源，并且冻存袋密封结的不经意的浸没可能导致在移除冻存袋密封结期间将浴液引入冻存袋内容物中。

提供简化的、自动化的和/或更一致的样品解冻的系统、设备和方法可能是有利的，并且可以提高细胞恢复率。尽管已经提出了一些解冻设备和方法，但是可能需要进一步的改进。例如，在某些情况下，提高传热速率可能是有利的，尤其是在解冻较大的细胞和/或多细胞生物时。另外，增加解冻设备的便携性使得该设备可以用于现场应用中(例如使用活细胞或生物体的偏远疫苗接种中)可能是有利的。本公开的实施方案可以解决这些问题中的一个或多个。

在一些实施方案中，所公开的样品解冻设备被配置用于解冻在袋状容器中的冷冻样品的样品解冻设备并且包括：壳体；悬臂组件，其支撑上加热器板，所述上加热器板具有与第一多个电阻加热器热耦合的顶表面；抽屉组件，其能够在打开(延伸)位置和关闭(缩回)位置之间致动，所述抽屉组件支撑下加热器板，其中所述下加热器板具有被配置为接收袋状容器的顶表面和与第二多个电阻加热器热耦合的底表面；以及嵌入在所述下加热器板中的一个或多个热传感器，所述热传感器每个都具有接触盘，所述接触盘位于暴露在所述下加热器板的顶表面上的绝缘盘内的中心。

在袋状容器样品解冻设备的一些方面，所述第一多个电阻加热器的构件是能独立控制的，其适于控制所述上加热器板的局部区域的温度。类似地，在其他方面，所述第二多个电阻加热器的构件是能独立控制的，其适于控制所述下加热器板的局部区域的温度。在一些方面，所述上加热器板具有底表面，所述上加热器板被构造成夹住(clamp down on)袋状容器并向其施加压力。在一些方面，所述样品解冻设备还包括：螺杆驱动马达，其被配置为驱动所述悬臂组件的夹持运动；以及抽屉驱动马达，其被配置为在打开位置和关闭位置之间驱动所述抽屉组件。在一些方面，所述样品解冻设备还包括摇臂马达，所述摇臂马达被配置为以振动的摇摆运动驱动所述上加热器板。在一些实现方式中，所述一个或多个热传感器沿着所述下加热器板的横向中线线性地布置。在一些实施方案中，所述样品解冻设备还可以包括：触摸屏界面；以及控制单元，其被配置为通过所述触摸屏界面接收指令，并且被配置为控制反馈电路，所述反馈电路调节所述第一多个电阻加热器的温度或对所述第一多个电阻加热器的供电、所述第二多个电阻加热器的温度或对所述第二多个电阻加热器的供电或其组合。在一些方面，所述绝缘盘可以是半刚性泡沫材料。在其他方面，所述样品解冻设备可以具有下加热器板，所述下加热器板被配置成接纳用于10ml至500ml的样品体积的袋状容器。

在其他实施方案，所公开的样品解冻系统被配置用于解冻冻存袋中的冷冻样品的样品解冻系统并且包括：上加热器板，其由悬臂组件支撑，所述上加热器板具有固定在所述上加热器板的顶表面上的两个或多个垫式加热器；下加热器板，其被配置成支撑位于抽屉组件中的冻存袋，所述下加热器板具有固定在所述下加热器板的底表面上的两个或多个垫式加热器；位于所述下加热器板中的多个传感器岛，其被配置和布置为测量位于所述下加热器板(当冻存袋存在时)上的冻存袋的温度；控制单元，其被配置为控制固定在所述上加热器板和所述下加热器板上的所述垫式加热器中的每一个；以及通信模块，其被配置为收集和发送与容纳在所述冻存袋内的样品有关的样品数据。

在其他实施方案中，本公开涉及一种用于解冻在袋状容器中的冷冻样品的方法，其包括以下步骤：将袋状容器装入样品解冻设备的敞开的样品抽屉中，置于下加热器板上；关闭所述样品抽屉；用由悬臂组件支撑的上加热器板夹住所述袋状容器；将所述袋状容器保持在所述下加热器板和所述上加热器板之间；用所述下加热器板和所述上加热器板两者加热所述袋状容器；测量所述袋状容器的一个或多个位置的温度；根据来自所述温度的测量的反馈来调节所述下加热器板和所述上加热器板的温度；当测得的温度达到阈值时，结束对所述袋状容器的所述加热。

本专利所涵盖的本发明的实施方案由下面的权利要求而不是本发明内容来限定。本发明内容是本发明的各个方面的高级概述，并且介绍在下面的具体实施方式部分中进一步描述的构思中的一些。本发明内容不旨在标识所要求保护的主题的关键或必要特征，也不旨在单独用于确定所要求保护的主题的范围。应当通过参考本专利的整个说明书的适当部分、任何或所有附图和每个权利要求来理解主题。

附图说明

下面参照以下附图详细描述本公开的说明性方面。意在将本文公开的实施方案和附图视为说明性的而非限制性的。

图1A根据多种实施方案示出了样品解冻装置的外部的透视图。

图1B示出了图1A中所示的样品解冻装置，其中样品抽屉被拉伸并且顶部壳体被移到到下部壳体和内部部件上方。

图2根据多种实施方案示出了图1A中所示的样品解冻装置的透视图，其中壳体外部的顶部已被去除。

图3根据多种实施方案示出了从左上角观察的图2所示的样品解冻装置的视图。

图4根据多种实施方案示出了图3所示的相同透视图，其中该装置的其他部分被选择性地移除以显示本发明的特定部件和组件。

图5示出了图4所示的装置的部分的更后面的视图。

图6A根据多种实施方案示出了图5中所示的装置的左上后视图，其中该装置的其他部分被选择性地移除以显示本发明的特定部件和组件。

图6B根据多种实施方案示出了图5中所示的装置的左下后视图，其中该装置的其他部件被选择性地移除以显示本发明的特定部件和组件。

图7根据多种实施方案示出了图6所示的装置的上部右上方视图，其中该装置的其他部件被选择性地移除以显示本发明的特定部件和组件。

图8根据多种实施方案示出了热传感器的截面图。

图9示出了可商购的冻存袋容器内的冷冻内容物解冻期间随时间变化的温度数据的曲线图，所述温度数据如从嵌入在容器内并附接到内表面的热电偶传感器收集的。

图10示出了可商购的冻存袋容器内的冷冻内容物解冻期间随时间变化的温度数据的曲线图，所述温度数据如从嵌入在与容器接触的加热器板上的热电偶传感器收集的。

具体实施方式

这里具体地描述了本发明的实施方式的主题，但是该描述不一定旨在限制权利要求的范围。所要求保护的主题可以以其他方式实施，可以包括不同的元件或步骤，并且可以与其他现有或未来技术结合使用。该描述不应被解释为暗示各个步骤或元件之中或之间的任何特定顺序或布置，除非明确描述了各个步骤或元件布置的顺序。

本公开描述了用于有机样品的热控制和/或解冻的多种实施方案，以及相关的设备、系统和方法。在以下描述和附图中阐述了某些细节，以提供对本技术的多种实施方案的透彻理解。然而，下面没有阐述描述通常与加热和/或冷却过程、马达等相关联的已知结构和系统的其他细节，以避免不必要地使本技术的多种实施方案的描述不清楚。附图中所示的许多细节、尺寸、角度和其他特征仅是特定实施方案的说明。因此，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，其他实施方案可以包括其他细节、尺寸、角度和特征。本技术的多种实施方案还可以包括除了附图中所示的那些结构以外的结构，并且明确地不受限于附图中所示的结构。此外，附图中所示的各种元件和特征可能未按比例绘制。在附图中，相同的附图标记表示相同或至少大致相似的元件。

如本文所使用的术语“基本上”是指动作、特征、性质、状态、结构、项目或结果的完整或接近完整的程度。例如，一个物体的高度与另一个物体“基本”一致将意味着所述物体的高度完全或几乎完全一致。在某些情况下，偏离绝对完整性的确切允许偏差程度可能取决于特定的上下文，但是，总的来说，完整的接近度将与实现绝对和完全完整时具有相同的总体结果。

在整个公开和权利要求书中，术语“通常”具有“大约”或“接近”或“在...附近或范围内”的含义。本文所使用的术语“通常”并非旨在对选择其来修饰的术语进行模糊或不精确的扩展，而是作为针对那些希望以其他方式实施、但试图以不重要的或无关紧要的或很小的变化来规避所附权利要求者的澄清和潜在阻止方式(potential stop gap)。所有这些不重要的、无关紧要的或小的变化都应通过使用术语“通常”作为所附权利要求的一部分来涵盖。

如本文所用，术语“约”用于通过提供给定值可以大于或小于指示值来为数值范围端点提供灵活性。特别地，由“约”修饰的给定值可以与该值相差±10％或相差在±10％内。

如本文所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”也意指包括复数形式，除非上下文另外明确指出。可以进一步理解的是，术语“包括”和/或包含当在本说明书中使用时表示存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元素、部件和/或其组的存在或添加。

在本发明的一些实施方案中，与冻存袋容器完全或部分浸没在水浴中相反，可以消除与冻存袋外部的直接液体接触。如此，在本公开的许多实施方案中，冻存袋的外表面(其可以包括容器的外加叠片，诸如标签或收缩包装套筒或辅助容纳袋)仅与固体材料接触，其例如，成形为和布置为加热器板。在一些方面，与容器外部接触的固体材料可以是均质的固体，而在其他情况下，固体材料可以是复合材料。在一些实施方案中，固体材料可由铝、铜、锌、镁、钛、铁、铬、镍、碳或这些元素的合金形成。在一些这样的方面，固体材料的热导率可以大于十瓦每米-开尔文(κ>10.0W/(m·K))。在其他实施方案中，固体材料可以由合成材料形成，例如由聚合物或陶瓷形成。在进一步的实施方案中，固体材料可以由合成的导热柔性材料形成，例如由硅酮聚合物泡沫或腻子形成。在一些这样的方面，固体材料的热导率可以大于0.2瓦每米-开尔文(κ>0.2W/(m·K))。在一些方面，固体材料可以由材料的组合形成，例如但不限于，由导电柔性材料和金属合金形成。

在一些实施方案中，形成用于支撑和接触样品容器的加热器板的固体材料包括一个或多个加热元件，以提高固体材料的温度，从而当将样品容器放置在加热器板之上或之间时，热能将从固体材料迁移到样品容器中。在各个方面中，与加热器板机械和/或热连接的加热器元件可以是电阻加热器或热电元件加热器。在其他方面，加热器板可以替代地由热电元件加热和冷却。在其他方面，加热器板可以包括一个或多个温度传感器，其可以检测组件的温度，并向微控制器提供模拟或数字信号，所述微控制器被配置为解释测温信号并由此调节供应给加热元件以将加热器板的温度保持在所需温度的功率电平或占空比。

本文所公开的解冻设备的典型操作温度将为37℃或更高，因为所公开的设备将可能用于在现有实验方案中代替水浴的性能的应用。与标准的水浴相比，本解冻设备可以达到的工作温度范围要宽得多，并且控制起来也要容易得多。在某些方面，可以将初始操作温度设置在30℃至60℃的范围内，或以在该范围内的任何温度增量或梯度设置。在其他方面，可以将初始操作温度设置在45℃至50℃的范围内。应当理解，本解冻设备可以在一定的工作操作温度下使过程开始，然后在冷冻样品达到目标温度时适当地调节系统的温度。

在一些实施方案中，加热器板可以被分段化，轮廓化，包括由不同材料制成的突起或具有这些特征的组合。加热器板结构的变化可以在融化过程中有意地对加热器板的部分进行不均匀或局部控制。

在一些实施方案中，加热器板可以包括一个或多个温度传感器，所述温度传感器与加热器板材料热隔离，但是其被定位成与容纳在加热器组件内的样品容器的外表面接触，从而，可以确定并跟踪随时间推移的样品容器的表面处的温度。在多种实施方案中，容器传感器可以是热电偶、热敏电阻器、电阻温度检测器(RTD)或非接触式红外传感器。

在-150℃至-196℃的低温温度范围内存储是无限期保存活细胞悬浮液的常用方法。在此温度范围内，可以安全地保存单细胞甚至多细胞生物，然后通过应用适当的解冻技术使其恢复到生物活性状态。由于细胞内形成冰晶而对细胞膜和细胞器造成损害，因此对于大多数真核细胞类型而言，通过冷冻状态的转变将是灾难性的。虽然某些特别的生物体已经进化成有制备调节的手段，并适于承受通过冰冻状态进行的转变，但是哺乳动物细胞特别容易受到冰冻损伤，其中细胞死亡是普遍的结果。然而，当适当地制备单细胞或小的多细胞细胞组体时，冷冻状态的存活不仅是可能的，而且是很普遍的。这种调节通常涉及将细胞悬浮于有多种形式的低温保存溶液中，但是大多数情况下通常都包含了干扰冰晶形成的有机溶剂、缓冲剂和在干燥过程中使细胞脱水的盐溶液，从而使细胞内结晶水的存在和程度最小化。由于冷冻过程中细胞的脱水对于冻融循环后的最终生存能力至关重要，因此必须控制细胞的冷冻速率，以留出时间使逐渐浓缩的盐溶质能够在冷冻进展过程中适当地从细胞中吸水

与冷冻速率对于正确制备冷冻细胞悬浮液至关重要相同，解冻速率可以直接影响低温保存细胞的生存能力。在从低温到液化温度的过渡过程中，遇到的温度范围约为-50℃至0℃，其中分子的移动受到抑制，但仍然存在，并且在此温度范围内，可能会出现细小的冰晶迁移并重新形成更大的分子结构，从而增加了细胞损伤的可能性。因此，希望通过该温度范围使过渡时间尽可能短，以使冰晶重新形成的机会最小化。冷冻细胞恢复到解冻状态的应用速率的典型目标是“尽可能快”。

尽管在选择冷冻细胞的理想储存容器时需要权衡各种参数，但解冻速率通常是主要考虑因素。对于10mL至500mL范围内的细胞体积，通常选择冻存袋容器。在多种实施方案中，本解冻设备可以容纳和解冻具有25ml、50ml、250ml、500ml、750ml、1000ml或2000ml的容积的冻存袋的内容物。可以理解的是，对于冷冻保存，这种袋状容器通常没有装满。

作为示例(但不限于此)，当将已经平衡至-77℃的低温的冻存袋插入已经平衡至45℃的较高温度的加热器板组件中时，热能的重新分配过程将开始，其最终将使合并的物料达到共同的温度。如果将加热器板组件的温度主动保持在例如45℃，则合并的物料的温度将随时间推移在45℃的温度下平衡。热能重新分布模式可以被认为是热能从加热器板沿向内的方向朝合并的物料的中心平面迁移或流动。

袋状存储容器提出了一些挑战，因为可以存储的流体的体积是以机械稳定性和材料壁薄为代价的，这可能导致在低温下容易破裂。此外，在这种系统的热路径中存在热源-容器界面形式的另外的热阻源。由于任何尺寸(无论如何小)的缝隙都会对热路径造成热阻，因此消除或减少任何间隙都会提高热能传递的效率。由于任何装有材料的袋子在其冻结时都会在袋子的设置和形状上产生至少一些变化，因此在垫子表面会有小尺寸(气隙)瑕疵，在冻存袋容器和加热器板之间的这些瑕疵无法消除。在关于本加热器板组件的背景中的一种解决方案是控制解冻的速率，以使得在解冻循环开始后相对较短的时间，冻存袋就与加热器板的表面相配合，同时仍然考虑并最小化解冻期间的冰晶形成。如果未施加一定的力使加热器板弄平冻存袋容器，则在样品容器的外部和加热器板之间的间隙将保留太长时间。在没有施加足够的力的情况下，热源-容器界面的热导率将无法优化，因此，对于给定的热源与容器之间的给定温差，热能传递的速率将无法准确计算。

相反，袋状存储容器为流体存储提供了一些优势。冻存袋容器通常由通常耐穿刺且可热封的材料制成。冻存袋容器可以被有效地存储，因为它们被平整地冷冻在可像书本一样存储在架子上的盒子中。本解冻设备所利用的一个特殊优点是，通向容器芯中线的热路径几乎总是最大约0.2英寸，其与较大比例的表面积比体积组合，使得冻存袋内容物能迅速解冻。此外，并且尤其是出于实验目的，冻存袋容器通常不含可能浸入冷冻容器中的流体和/或内容物的化学物质。

对于某些冻存袋容器，热能重新分布可能无法以可以维持样品内细胞完整性的充分或理想的速率来平衡流体的体积。因此，在一些方面，可以经由内部模块对冻存袋容器施加物理搅动，以确保解冻样品的全部体积并在目标时间范围内达到目标温度。解冻任何给定样品的目标时间范围取决于冻存袋容器的大小、样品的起始温度、冻存袋容器内的样品流体体积、冻存袋容器的内含物的热容量以及冻存袋容器中的内容物的特性(例如，细胞的类型、添加到样品流体中的冷冻保护剂或溶质的量、流体体积中的细胞密度等)。

在一些方面，可以用条形码、QR码等对冻存袋进行标记，以识别容纳在冻存袋中的样品的内容物。因此，解冻系统可以包括视觉传感器，以读取这样的代码，从而识别冻存袋的样品内容物，然后将这些数据用于计算冻存袋的相应解冻时间。

图1A示出了解冻单元100的外表面。解冻单元100封闭在由上壳105形成的模制壳中，该上壳与下壳110配合，在仪器的两个侧面上的接缝130处接合。附接到内部抽屉结构的前面板115覆盖仪器的前表面，而后面板135覆盖仪器的后部。在一些方面，前面板115可以被水平地分割(横跨前面板115的宽度)，使得抽屉面的一部分直接附接到内部抽屉结构并且可以随着内部抽屉结构移动。在一些实施方案中，在下壳体110中设置有指尖凹部120，以允许在需要时手动推进内部抽屉；例如，在仪器断电的情况下。

在各个方面，上壳体105和下壳体110可以分别由塑料、合成或聚合材料、陶瓷、金属或其组合形成。解冻单元100可具有由相同或不同材料形成的上壳体105和下壳体110。在一些方面，上壳体105和下壳体110均可以由合成塑料形成，并且还可以具有装饰特征，诸如特定颜色、纹理或其他此类装饰。在一些方面，上壳体105和下壳体110可以借助于摩擦或卡扣特征或通过螺钉紧固件彼此机械地耦合。

在一些实施方案中，上壳体105包括定位在固定角度的罩125中的触摸屏界面140。在其他实施方案中，具有触摸屏界面140的罩125可以是独立的和/或可分离的容器，其可以通过铰链结构附接到上壳体105上。在一些方面，铰链结构可以限制触摸屏界面140在单轴上运动，而在其他方面，可以提供多轴铰链组件以使得触摸屏界面140能进行复杂定位。触摸屏界面140可以作为上壳105的一部分电子连接到位于罩125内或位于其他地方的驱动器电路板上。上壳体还可以在罩125内包括访问端口145(例如，USB串行端口插孔)以允许访问外部通信或存储介质。

在一些方面，上壳体105和/或前面板115可以由透明材料(例如，塑料)形成，操作者可以通过该透明材料(例如，塑料)观察加热组件的动作以及冻存袋容器解冻过程的进展。透明材料可以是合成材料，例如聚合物或透明塑料，或玻璃或另一种透明材料。在这些方面，可以将光源(例如，LED)或照相机放置在内部加热组件附近。

在其他实施方案中，可以在没有触摸屏面板的情况下形成仪器。仪器在上壳体105或下壳体110或两者的外部上可替代地包括控制特征，例如按钮或开关，以用于设置时间、温度以及与操作该仪器有关的其他方面。

图1B示出了图1A所示的样品解冻设备，其中样品抽屉和前面板115在打开位置延伸，可用于容纳样品袋或移除样品袋。在下壳体110和内部部件(下面进一步详细讨论)上方示出了升高的上壳体105。

图2示出了解冻单元100的内部组件，具体示出了图1A中的解冻单元100，其中上壳体105、触摸屏罩125、触摸屏界面140和前面板115被移除。示出了上加热器板240，其可以由具有通常高热导率的材料形成，该材料可以为例如但不限于铝、铝合金、铜、铜合金、不锈钢、碳纤维、石墨烯材料等。在这样的方面中，上加热器板240可以具有从十二到四百瓦特每米每开尔文的热导率(κ＝12-400W/(m·K))，或者在该范围内具有增量或梯度的热导率。两个或多个加热器255结合到上加热器板240的上表面。在一些方面，加热器255包括电阻加热器，例如柔性硅酮垫加热器。在其他方面，加热器255可以覆盖加热器板240的上表面的大部分表面积。在一些实施方案中，两个加热器255由间隙256隔开，间隙256使得一个或多个热敏电阻257能通过或放置其中。一个或多个热敏电阻257可以被嵌入在加热器板240中以监视上加热器板240的温度，并且可以向控制单元提供热测量信息，从而可以由控制单元的反馈电路来控制温度，从而调节施加到两个加热器255的能量。在一些实施方案中，在加热器板240上或内的加热器255可以在独立的控制电路上操作，从而可以响应于可能与上加热器板240接触的不均匀散热片，主动地(通过操作员输入手动地或通过算法自动)调节输入到加热器板的热以平衡上加热器板240的局部区域的温度。在一些实施方案中，上板上的各个加热器255的数量可以大于2以对上加热器板240的温度进行更大的区域控制，从而对输入到板上的热量进行更精确的控制和动态平衡，以使解冻单元可以以大范围的大小或体积容纳并均匀解冻袋状容器。

在一些方面，可以基于加热器255在上加热器板240的上表面上的位置来将加热器255做为子设备单独地控制。例如，可以将朝向上加热器板240的前部定位的加热器255调节为与朝向上加热器板240的后部定位的加热器不同的温度。可替代地或组合地，可以将朝向上加热器板240的左侧定位的加热器255的温度调节为与朝向上加热器板240的右侧的加热器不同的温度。在其他方面，加热器255可以在上加热器板240的表面上彼此隔热，和/或与解冻设备的其余部分隔热。

加热器板240通过两个同心环表面轴承连接到悬臂组件202，这两个同心环表面轴承与三个带凸缘的干轴承250接合，这些干轴承在嵌入两个悬臂205中的每一个的轴上旋转。悬臂组件202可以看作是由两个悬臂205、横板210和推杆215组成的悬臂夹紧机构。圆形轴承座圈245将加热器板240的运动限制为围绕与穿过冻存袋中间的水平面与穿过冻存袋中线的前垂直平面的相交部分重合的轴旋转。两个悬臂205由两个横板210连接，这两个横板将悬臂组件加固并防止在不均匀的夹紧载荷下组件的变形。悬臂205在两个枢轴225上旋转，这两个枢轴与同样连接至基板285的两个轴承块(如下图3所示)相连。悬臂组件202整体上由推杆215铰接，推杆215通过两个枢轴轴承220附接到两个悬臂205上。推杆215通过螺旋千斤顶机构290产生的力铰接。

标准低温储物袋的模型显示为夹在上加热器板240和下加热器板230之间的容器260。下加热器板230放在框架接收器235中，其中框架接收器235是可延伸抽屉265的一部分并且可以与可延伸抽屉265一起移动。如关于上加热器板240所描述的，下加热器板230可以由具有相应的热导率的相同或不同材料形成。随着螺旋千斤顶组件290产生的夹持力的释放以及悬臂组件202的抬升以与上加热器板240相连，抽屉265(以及放置在其中的容器260)可以自由地从仪器的其余部分在滚柱轴承滑块上向前延伸(参见下面的图6A)。抽屉265的前进和缩回使得任何合适的存储袋(在此由容器260表示)可以引入仪器中或从仪器中取出。

进一步示出了附接到上壳体的图形控制电路板280，该上壳体包括独特的非暂时性计算机可读介质，该介质可以电连接到触摸屏界面140和/或访问端口145。也包括独特的非暂时性计算机可读介质的外围电路板295包括控制仪器的机械和电力部件的微控制器。解冻单元100还可以包括电源线和电源开关接口模块270，冷却风扇292以及布线链-链式带265(显示为体积填充原始元件)。

图3示出了解冻单元100的内部部件，从着眼于螺旋千斤顶机构290的部件的角度具体示出了图2中的解冻单元100。示出了驱动蜗轮机构310的螺杆驱动马达305，其中马达的轴由耦合器315连接，耦合器315又与螺杆320连接。螺杆320与带螺纹的凸缘套筒325相连，该套筒通过四个载簧螺钉330固定在推杆215上。根据丝杆320的旋转方向，悬臂205夹紧或释放位于上加热器板240和下加热器板230之间的物体。测力传感器355位于马达305和螺旋千斤顶组件290的支撑基座360之间。在空载条件下，蜗轮传动机构310在测力传感器355上的压力通过压缩在蜗轮传动箱310和支撑基座360之间的四个弹簧365抵消。在某些方面，支撑基座360可以通过嵌入轴承座370中的枢轴衬套附接到仪器底板285，轴承座370直接附接到基板285上。在其他方面，轴承座370可以通过中间安装结构附接到基板285上。

应当理解，在容器260的外表面上的上加热器板240和下加热器板230之间的界面的热导率(κ)可以部分地取决于施加到该界面的压力。因此，由螺旋千斤顶组件290驱动的夹持悬臂组件202的接合和脱离提供了对从加热器板到冻存袋容器260中的热能传递速率的一定程度的控制。因此，通过控制悬臂组件202和螺旋千斤顶组件290，上加热器板240和下加热器板230可以以可选择的压缩力的量将压力施加到冻存袋容器260上。对由于通过夹持悬臂组件202施加到加热器板的界面与容器260的外表面的均匀力而产生的从上加热器板240和下加热器板230到冻存袋容器260的热能传递的精确控制，使得热能传递的速率成为可计算的值以及由此导致解冻终点时间成为可计算的值。在确定解冻端点时间时，可以通过从螺旋千斤顶组件290释放或收回压力来实现从夹持悬臂组件202释放容器260，这可以由控制单元的反馈回路控制。一旦螺旋千斤顶组件290的力被释放，并且上加热器板240已经解除对容器260施加压力，就可以将抽屉解锁并打开，并且可以移除容器260。

图4示出了解冻单元100的内部部件，具体示出用于上加热器板240的摇摆机构的部件。摇臂齿轮马达415通过安装支架410安装到基板285上。以竖直振动的形式驱动线性轴承座425的偏心曲柄420附接到齿轮马达415的轴，其中，轴承座425响应于曲柄420的旋转而上下移动。轴承座425安装至弹簧杠杆臂430上，该弹簧杆臂430终止于角安装托架435并且被机械地固定在角安装托架435上。角安装托架435进而被附接到上加热器板240上。升高和降低弹簧杆臂430在上加热器板240中引起摇摆运动，其可以起到混合由仪器保持的容器260的液体内容物的作用。在解冻序列的开始，容器260的内容物可能处于固态，因此，当将容器260夹在板240和230之间时，由于容器的刚度，上加热器板230的运动将受到限制，并且直到冻存袋容器260的内容物因温度升高引起的部分熔化而获得一定程度的可塑性后，才能够摇摆。因此，在限制加热器板的摇摆运动的同时，杠杆臂430的弹力作用使得曲柄420的旋转运动得以继续。附接到偏心曲柄420臂的端部的是标志422，其可以激活安装在外围电路板295上的光闸。由标志422触发的光闸信号可以使齿轮马达停止在适当的旋转角度，从而确保上加热器板240形成适当或必要的角度，使得当悬臂组件202升高时，上加热器板240的后边缘在抽屉组件向前延伸时不会干扰运动抽屉265，也不会与运动抽屉265发生物理冲突。

在各个方面，齿轮马达415可以被配置为以每分钟20至120个循环的频率或者在该范围内具有增量或梯度的速度来振荡上加热器板240。在其他方面，齿轮马达415可以被配置为以小于每分钟20个循环的频率或大于每分钟120个循环的频率振荡上加热器板240。

在样品解冻过程中，摇摆运动将在容器有效载荷中引入混合振荡，从而增加样品流体中的热对流并减小样品流体中的热梯度，其净效应为(1)减少总解冻时间和(2)抑制高温区域，在某些情况下所述高温区域可能会对细胞生存能力有害。流体混合还有助于均匀化和稀释由冷冻过程产生的浓盐溶液区域。

在几个实施方案中，上加热器板240和下加热器板230的与容器260相接的表面是裸露的、平坦的金属或合金板。对于许多(如果不是大多数)典型的低温保存溶液，冻结的盐和缓冲溶质在升温时往往会逆转过程，其中在纯水晶体的间隙空间中，盐浓度最高的低共熔材料首先熔化，并且这会松动被冻结的物质的晶体结构，然后较多纯净的水晶体融化发生。换句话说，随着样品材料的解冻，其变成泥浆状物。因此，当在如本文所述的夹持力作用下时，容器表面最初可能具有不规则性和高接触点，但是容器的形状趋于迅速平整并提供优异的热接触。

一旦裸露的加热器板与容器的表面之间有柔性的接触，在这些表面之间就没有热敏电阻(例如硅树脂或腻子)，并且热量可以快速地引入到袋容器系统中。在这些方面，袋本身可以被认为是使得流体适合用加热器板解冻的柔性材料。在这些方面，需要通过加热器板在容器上施加一定的夹持力。在示例性系统中，对于九乘五英寸的袋(9”×5”英寸(in.))，面积为四十五平方英寸(45”in.²)的袋，需要约十到二十磅(10-20lbs.)的压力，其换算后为约0.2至0.4PSI。由于压力集中在几个初始接触点上，并且能够施加更大的压力，因此在解冻过程中，容器对于加热器板的形状顺应性很快发生。

通常，解冻单元100将被供电，以使得解冻单元100的盖和抽屉的打开和关闭将由抽屉驱动齿轮马达605驱动，并且使得通过螺旋千斤顶组件290的悬臂组件202的升降将由蜗轮蜗杆马达305驱动。在诸如局部停电之类的紧急事件期间，可能有必要恢复容纳在未被供电的仪器中的容器。由于解冻单元100依靠夹持力来提供有效的热传导，因此在夹持状态期间的电源故障将需要在打开仪器的抽屉265以移出容器之前升高上加热器板240的悬臂组件202。因此，本发明的一些实施方案包括悬臂释放机构。

图5示出了解冻单元100的内部部件，具体地集中在紧急悬臂释放机构上。在机械释放的一个实施方案中，螺旋千斤顶组件290的底板360在嵌入轴承座370的衬套中枢转，其中轴承座370安装在滑轨550中，滑轨在安装在端座540中的两个导轨555上滑动，其中端座540进而安装在基板285上。滑轨550通过紧定螺钉545保持在向前位置，如图所示，紧定螺钉545是右手紧定螺钉。通过以逆时针方向旋转紧定螺钉545，滑轨550将朝着仪器后部缩回，从而减轻了上加热器板240和下加热器板230之间的夹持力。进一步逆时针旋转紧定螺钉545将随后升高上加热器板240的悬臂组件202，从而升高上加热器板240以使得其中安装有下加热器板230的抽屉组件265能向前运动。在恢复向仪器供电之前或之后，可以顺时针旋转紧定螺钉545，以将滑轨550向前推进到向前停止位置，以恢复仪器的全部正常功能。

在其他实施方案中，解冻装置可以包括故障安全或安全结构以防冻存袋容器破裂。例如，下加热器板可包括凹槽或屏障，以引导和收集来自破裂或未密封容器的解冻流体。在一些方面，下加热器板和/或上加热器板可具有用于定位冻存袋容器的特征，以确保任何意外的流体泄漏被正确地引导至收集和处置系统。在其他替代实施方案中，冻存袋可以被保持在辅助容纳袋内，使得冻存袋的任何泄漏或结构故障将在辅助容纳袋内容纳流体。

图6A示出了解冻单元100的内部部件，其聚焦于抽屉移动机构的结构。图6B示出了图6A所示的仪器子组件的底视图，其中基板285从视图中移除。抽屉驱动齿轮马达605通过安装框架610安装在基板285上。同步带滑轮615安装在抽屉驱动齿轮马达605的轴上，并且同步带620在该同步带轮615、惰轮642和张紧滑轮645的周围环绕。同步带620附接到也被附接到抽屉(未示出)的连杆支架630上，使得同步滑轮615的旋转将使抽屉前进和缩回。抽屉支撑下加热器板635，并且抽屉也固定到两个轴承滑块640，该轴承滑块640使得抽屉能完全伸展。

在图6B中，同步带620、连杆支架630、同步滑轮615、惰轮642和张紧滑轮645以及两个轴承滑动件640的完整电路都是可见的。下加热器板230的底面也是可见的。如图所示，固定在下加热器板230的底面的是两组垫式加热器，前置加热器650和后置加热器660(前后方向是根据抽屉265移动并被访问的方向)。每组前置加热器650和后置加热器660具有多于两个加热器。在其他实施方案中，前置加热器650和后置加热器660或两者可包括多于两个的加热器。前置加热器650和后置加热器660的加热器数量使得能对下加热器板230的加热进行更精确和分级的控制。此外，两组垫式加热器使得从每个加热器输入的热能能被独立调节，以便在动态散热条件(例如与低温冷冻容器接触)下平衡下加热器板230的温度。

还示出了来自嵌入到下加热器板230中的三个温度传感器670的电引线。在一些方面，可以使用三个以上的温度传感器来监视下加热器板230的各个区域。在该图中可见嵌入到下加热器板230中的多个容器温度传感器岛675中的一个的下部。与嵌入式传感器670、675连接并向前置加热器650和后置加热器660供电的电路板680被显示为安装在下加热器板230的后下侧。在其他方面，每个前置加热器650和后置加热器660可以彼此热绝缘，和/或与解冻设备的其余部分热绝缘。

图7示出了解冻单元100的内部部件，其聚焦于内置在下加热器板230的结构中的温度传感器。特别地，多个容器温度传感器岛675存在于下加热器板230的主体中并穿过下加热器板230的主体，使得温度传感器岛675可以监视放置在下加热器板230内或夹持在下加热器板230上的低温存储容器表面的温度。多个温度传感器岛675沿着下加热器板230的横向中线分布。温度传感器岛675之间的间隔通常是使两个或多个温度传感器岛675与代表大多数可商购的袋容器产品的标准抗冻存储袋容器接触的布置。在一些方面，例如对于具有相对较小表面积的25毫升存储袋，温度传感器岛675中的仅一个可以与该存储袋接触。下加热器板230内的温度传感器岛675的与上加热器板240相对的位置的优点在于，由于重力，容器内容物在达到液相时将取代存在于容器中出现在容器底部的任何气穴，从而在内容物与温度传感器岛675之间提供最佳的热路径。换句话说，冻存袋中的任何气泡将上升到袋的顶部，并且袋的底部在下加热器板230的表面上将基本平坦，从而最大程度地与可用的热传感器接触。将传感器安装在下加热器板230中的另一个优点是，下加热器板230的位置保持静态，而安装在上加热器板240中的传感器将在部分解冻过程期间发生振荡。当然，在一些实施方案中，应当理解，位于上加热器板240中的热传感器可以提供替代的优点，例如针对特定位置以在特定容器上进行热测量。在其他实施方案中，温度传感器可以是热电偶、热敏电阻、IR传感器或RTD传感器。

整个样品解冻装置的另一方面可以包括通信模块，该通信模块由非暂时性计算机可读介质形成，并且配置为向其他设备传输样品数据，包括关于由解冻设备保持的样品容器的热数据。通信模块可以直接与样品解冻装置的温度传感器耦合，例如与温度传感器岛675耦合。通信模块也可以与图形控制电路板280、外围电路板295和触摸屏接口140电子耦合，使得仪器可以控制各个方面。通信模块可以进一步被配置为与远程微处理器(例如，基于云的服务器或计算机)进行通信，以便对数据进行分类和显示。通信模块还被配置为接收指令数据或样品瓶识别数据，并相应地控制样品瓶的加热。

图8示意性地示出了下加热器板传感器800(可替代地称为“热传感器”)的横截面，其示出了传感器岛的子部件。绝缘盘810搁置在下加热器板230的圆柱形凹口中，该绝缘盘810由环形凸缘805支撑，该环形凸缘可以是下加热器板230的整体式结构。在某些方面，该绝缘盘可以固定在导热材料上，该材料进而连接到热电偶或其他温度传感器结构上。在一些实施方案中，绝缘盘810可以由但不限于由半刚性泡沫材料构造，该半刚性泡沫材料对向下的力提供类似弹簧的阻力，并且可以具有在0.02至0.15W/(m·K)的范围内的热导率(κ)。在多种实施方案中，半刚性泡沫材料可以是聚乙烯泡沫共混物，可替代的也可以是聚合物泡沫或泡沫材料层合物。绝缘盘810在上表面中包括凹槽812，该凹槽812容纳导热材料的接触盘815。在一些实施方案中，接触盘815可以由(但不限于)铜、铜合金、银、银合金、铝或铝合金构造。在一些方面，接触盘815具有大于一百五十瓦每米每开尔文的热导率(κ>150W/(m·K))。在一些实施方案中，接触盘815可以镀有诸如镍或金之类的涂层，以防止接触盘815的腐蚀。热电偶结820被固定到接触盘815的下侧，通常在接触盘815的中心。在一些方面，热电偶结820可以通过焊点825附接到接触盘815。在一些实施方案中，可以使用电阻温度检测器代替热电偶结。热电偶导线830通过通道835离开绝缘盘810的底侧。在一些方面，接触盘815可以通过粘合剂接合而结合到绝缘盘810上。

在运行中，冷冻的冻存袋或样品容器可被视为散热片负载。放置在下加热器板230上的散热负载与接触盘815接触，从而产生通过传感器系统的动态热通量，该传感器系统包括加热器板230、绝缘盘810、接触盘815和冻存袋容器。应当理解，下加热器板230中的一个或多个热传感器(例如，温度传感器岛675)中的每一个可以形成如图7所示的这样的传感器系统，其基于所测量的传感器数据的汇总可以被单独地或组合地被控制。绝缘盘810可以由被选择为传感器系统的具有最低热导率的材料形成，并且因此在下加热器板230和冻存袋容器之间建立了温度通量的条件下，整个绝缘盘810上将发生热传导路径上的最大温降。从而，接触盘815的温度将与冻存袋的温度紧密耦合。换句话说，对于下加热器板230内的各个热传感器处的冻存袋的一部分，温度的测量将相对更具体。

由于与下加热器板230接触放置的冷冻冻存袋容器的温度将迅速开始升高，因此在下加热器板230与冻存袋容器之间的温差将增加，并且通过每个传感器系统的热通量的大小将不断变化，并且可能具有如在下加热器板230中每个热传感器处测得的局部差别。结果，接触盘815的温度不一定会与冻存袋容器达到平衡，而是接触盘815的温度将成为冻存袋容器的在接触袋和接触盘815的界面的区域中的温度的相对代表。因为冻存袋容器的温度升高，并且下加热器板230和冻存袋容器之间的温度差减小，所以传感器接触盘815的温度将更紧密地表示冻存袋容器的温度，直到冻存袋容器内容物的相变几乎完成时，接触盘的温度与安装在袋内壁上的传感器记录的温度相关，准确度为±10％。

因此，传感器接触盘815的温度可以用作冻存袋容器内容物的相变完成状态的准确和可重复的量度。这样，从传感器接触盘815导出的温度曲线的解释可以用作主要或专用数据流，以完成控制仪器中的解冻序列的解冻算法。将多个传感器应用于接触冻存袋容器(如图7所示)，可以在容器的不同位置测量冻存袋容器的温度曲线，并将其集成到更复杂的数据处理算法中，该算法除了在传感器之一发生故障的情况下可以提供冗余传感器作为功能保证之外，还可以补偿容器内或加热器板内的温度梯度的功能。

解冻装置的各种用途应从以上附图中理解，其包括但不限于本文所述的示例性操作顺序。应当认识到，所描述的随后的事件序列表示可以应用于本发明的实施方案的许多可能的特定事件序列之一，并且无意于以任何方式限制可能与仪器的使用有关的事件的状态、阶段或序列。

在标准冷冻冻存袋容器解冻序列开始时，冻存袋容器260将不存在于仪器内部。悬臂推杆215将在蜗轮蜗杆和螺旋千斤顶机构290施加的动力下处于缩回状态，并且在此状态下，整个悬臂组件202和相关的机械耦合零件(例如，轴承、加热器板、垫加热器、热敏电阻等)也将处于缩回状态，使得上加热器板240悬挂在下加热器板230上方，并且在两个加热器板之间插入间隙。两个加热器板之间的间隙提供了抽屉组件265后壁移动的自由度，特别是抽屉组件265可以向前移动而不受上加热器板240的阻碍。

为了启动解冻序列，抽屉组件265向前延伸，使得抽屉265的后壁与上壳体105和下壳体110的前边缘大致共面，从而使抽屉265的整个表面和下加热器板230可接近。冷冻的冻存袋容器可以在局部温度管理环境中保持或制备，例如在具有相变制冷剂(例如干冰或液氮)的绝热容器中保持或制备。然后将冷冻的冻存袋容器260放置在下加热器板230的表面上，并使容器的长尺寸中线与下加热器板230的长尺寸中线对齐。抽屉组件265的闭合和解冻序列的开始可以通过触摸屏140上的触摸激活按钮来激活，并且在这种情况下，抽屉组件265将通过抽屉驱动齿轮马达605的驱动力关闭。替代地，抽屉可以通过来自操作员的手动力关闭，并且触摸屏组件可用于启动解冻序列。当抽屉组件265安全关闭时，程序序列将激活蜗轮和螺杆驱动马达305，这将使推杆215向前移动，从而将内部结构的悬臂元件(包括上加热器板240)封闭到冻存袋上。当蜗轮和螺杆机构继续将推杆215向前推动时，蜗轮蜗杆壳体310朝着支撑基座360移动，从而将压缩力施加到俘获测力传感器355上。

外围电路板295微控制器可以接收来自测力传感器355的信号输入，以便外围电路板295微控制器可以调节上加热器板240施加在俘获的冻存袋容器260上的压力。在压缩力作用下，冷冻的冻存袋的可预测的不平坦表面将在多个点处与上加热器板240的下侧以及在下加热器板230上的互补表面接触。尽管最初冻存袋容器260与加热器板的接触将被限制在容器表面的高点，但由于间歇接触面积而引起的热能传递的任何限制都是短暂的。由于冷冻细胞冷冻介质通常包含在水溶液中的盐、缓冲液、蛋白质、冷冻保护性溶剂和其他溶质，因此固相至液相的转化事件将在一定温度范围而不是特定温度点发生。结果，在融化的温度升高期间，固体材料将经历刚度的逐渐降低以及在压力下的顺应性的增加，这将使容器表面能与加热器板表面相配合。随着加热器板和冻存袋容器260之间的接触点的表面积增加并在整个冻存袋表面上扩展，总的热传递速率将提高，直到实现最大接触为止。在这一点上，加热器板和袋子表面之间的接触表面积将等同于通过将容器浸入水浴中而获得的接触的程度。由于液相的热导率小于固相的热导率，因此液相的任何积累都表示从加热器板到容器内容物的固相的热路径中的热阻。除了减慢热传递速率之外，液相还将包含解冻的细胞，因此，重要的是，不让液体停滞在容器的内壁并继续升温至对细胞活性有害的温度。

部分地为了防止液相的过度加热，由摇臂齿轮马达415驱动的悬臂组件202可以摇动以保持冻存袋容器260及其内容物运动。在一些实现方案中，悬臂组件202的摇动可以在解冻序列中启动三十到六十秒(30-60秒)。摇臂齿轮马达415可由外围电路板295微控制器供能，其中偏心曲柄420先在轴承座圈425中并且然后在弹簧臂430中引入竖直的振动位移。通过托架435连接到上加热器板的弹簧臂430的振动运动将在上加热器板230中产生扭力。如果冻存袋容器260的内容物为固相，则在夹持力作用下，上加热器板230将被限制在运动范围内。然而，随着液相开始在容器内积聚，上加热器板230中的摇摆振荡将增大振幅并开始在液相中的移动，从而促进两个加热器板与其余固相之间的热传递，导致固相解冻速率的增加以及降低液相内的温度梯度。随着解冻过程的继续以及固相至液相的转化接近完成，可基于算法触发来终止解冻，算法触发可包括但不限于简单时间间隔到期、或从冻存袋容器外部收集的测温数据或两者。在达到触发阈值时，外围电路板295微控制器可以使蜗轮和螺杆驱动马达305反转，以释放冻存袋容器上的夹持力，并使悬臂式上加热器板240缩回。在悬臂缩回之后，抽屉式驱动器齿轮马达605由微控制器供能以使抽屉235伸展。在抽屉265完全伸展后，使用者可以收回已解冻的冻存袋容器260。

由于弹簧力是弹簧常数和连接至螺旋千斤顶组件290的弹簧部件的延伸的函数，因此在加热器板与容器表面接触的位置上，可以在每单位面积的容器上产生已知且可重复的力。样品袋容器在冷冻时的形状变化，因此可能至少略微不规则，可以在样品袋中的内容物基本上处于液相之前的最初时间段内以足够的可信度进行解释或估计。通过建立热能传递路径的传导性，可以通过调节热源与容器温度之间的温差来精确控制热传递速率。如果已知容器和内含物的质量、热容量、容器的起始温度，则在控制传热速率的情况下，可以精确地计算和预测解冻过程的所期望的终点。这样，在一些实施方案中，即使不对容器内容物持续应用热计量，也可以调节解冻过程使其正确终止。

此外，在一些实施方案中，上加热器板240和下加热器板230中的一个或两个可以具有从板的表面延伸的轮廓、脊或其他突起，以保持、支撑或以其他方式与解冻过程中样品袋的形状配合。加热器板的这种延伸或特征，与由悬臂组件202施加在样品袋上的压力的量相结合，可以适当地帮助提供均匀的加热分布或局部加热。此外，解冻设备的结构和压力会导致在解冻过程中样品袋内的样品的体积膨胀和尺寸变化，使得样品袋保持结构完整性。

应该认识到，在以上段落中描述的事件序列中，仪器的编程人员以及最终用户可以使用该过程的几种变体。例如，在某些方面，可以施加从零牛顿到一百牛顿(0N–100N)或更大的范围的冻存袋容器夹持力，并且在解冻过程中可以动态改变夹持力的持续时间和施加顺序。在其他方面，施加到加热器的瓦数可以在0至1400瓦或更大的范围内。其他可控变量包括为给电阻加热器供电以产生热量的持续时间、为电阻加热器供电的序列或顺序、在任何时间被供电的电阻加热器的分布或其组合。可以改变安装的加热器的数量以及加热器板的与加热器接触的区域。在其他方面，可以调节通过摇摆板引入的搅拌的开始，并且可以改变振荡的频率和幅值。另外，下加热器板传感器675的放置和数量可以改变，例如以圆形、椭圆形或其他图案分布在下加热器板230内。这样，仪器可以配置成根据在解冻情况要求，对各种复杂需求产生各种响应。

图9示出了在可商购的冻存袋容器内的冷冻内容物解冻期间随时间变化的实验温度数据的图。具体而言，图9的曲线图显示了从一组六个热电偶传感器收集的温度数据，这些传感器通过一个填充口引入到标称500ml尺寸的冻存袋容器中。在冻存袋容器内，热电偶传感器的结点均终止于单独的焊点，该焊点将热电偶结点粘结到直径为0.125英寸并且厚度为0.001英寸的铜盘上。铜盘通过粘合剂在相对于冻存袋上的端口特征在表示远端、中间和近端位置的各个位置处粘合到冻存袋容器的内壁上，以平等地代表容器的两个相对的内壁。袋中装有100ml体积的90％的磷酸盐缓冲液(PBS)和10％的DMSO作为冷冻保存液的性能指标。将冻存袋的容器冷冻至-196℃的温度，然后插入塑料瓶(a plastic overage)中，随后从其中除去大部分空气，之后用塑料拉链密封。立即将容器和塑料瓶浸入先前已加热至37℃的水浴中，并自动调节以维持相同的37℃温度。

当冻存袋中的内容物解冻后，电子收集来自热电偶传感器的温度数据。来自在水浴中的解冻的数据以虚线示出，而来自本文公开的解冻装置的实施方案的数据以实线示出。当冻存袋最初浸入水浴中时，可以看到虚线簇的快速上升。温度升高的速率在大约50秒时开始减慢，并且随着容器内容物的相变开始发生并且固体物料液化，升高速率继续降低。在大约250秒时，相变几乎完成，仅仅偶然有的残余固体物质残留在容器中，这时从水浴中移除了冻存袋和塑料瓶。使用本文公开的解冻装置的实施方案而不是水浴来解冻冻存袋容器内容物，重复实验过程。从实线的行进中可以看出，数据迹线以与虚线水浴数据的速率相比略有降低(但相似)的速率上升。基于外部传感器值达到预设值时触发的终止算法，使用解冻装置终止解冻在约280秒(用向下箭头标记)处发生。两个并置的成簇的传感器迹线的表明，解冻装置能够以与37℃水浴几乎相同的速率解冻。

图10示出了从一组5个热电偶传感器收集的实验温度数据随时间变化的曲线图，该5个热电偶传感器沿着下加热器板的中线安装在下加热器板中。传感器1位于最左侧的位置(类似于图7中所示)，该位置靠近冻存袋容器的颈部末端。实际上，大多数标准的冻存袋容器定位在本文公开的解冻设备的下加热器板上，将具有颈部区域，该颈部区域不必与冻存袋容器的其他部分一样完全接合。其余的传感器2、3、4和5以递增的数字顺序分配到传感器1的右侧，其中传感器5相对于冻存袋容器的颈部最远。显示以供参考的是识别冻存袋容器的相对于传感器1、2、3、4和5的位置的示意图。

将具有90％/10％PBS/DMSO的100ml负荷的标称500ml尺寸的冻存袋容器冷冻，如图9所示，然后在本文所述的装置中解冻，并收集从五个传感器获得的热电偶温度的数据，如图10所示。如下加热器板传感器数据所示，接触盘的动态热通量依赖性温度(如图8所示)，由给定的传感器给出的温度最小值取决于传感器局部处的下加热器板和与接触盘接触的冻存袋容器表面温度之间的温差，以及接触盘与冻存袋容器表面的接触和耦合程度或完整性。示例性的500ml冻存袋容器没有足够的长度来覆盖所有五个下加热器板传感器，因此传感器5没有与冻存袋容器接触，并且因此缺少在该传感器上产生温差所需的散热器，导致与板中的其他传感器相比，该传感器5的相对静态的温度曲线。换句话说，传感器5没有与相对较短的冻存袋容器接触，因此传感器5没有记录冻存袋容器的温度变化。

查看与冻存袋容器接触的传感器1-4的数据，在从传感器4到传感器1的过程中，存在朝向较低温度最小值的偏向，这是温度梯度的反映，所述温度梯度在下加热器板上响应于由于与加热器板接触的冷冻的冻存袋容器的左偏位置所施加的不相等的热负荷。尽管在下加热器板中建立了初始热梯度，但随着容器内容物解冻的进行，传感器1-4的温度值逐渐趋于平衡状态，因此该点可用于确定或设置解冻过程的终点。在此示例中，终止阈值设置为14℃，最后一条迹线(来自传感器1)在约280秒处越过阈值，该阈值作为触发解冻状态结束的触发器。应当认识到，可以应用多种触发算法来将传感器数据用作解冻状态结束的决定因素，例如但不限于：第一传感器迹线越过阈值、传感器平均值超过阈值或加权传感器平均值超过阈值。

图10中所示的数据图取自一实施方案，在该实施方案中有源下板式加热器是两个垫式加热器条，其位于下加热器板下侧的中值线的相对侧，该中值线与放置热传感器阵列的线重合。因此可以理解，在该实验实例中，除了使加热器条通电或断电之外，没有其他方法来平衡出现在下侧加热器板230中的热梯度。在其他实施方案中，在额外的加热器条被安装在相似的、细分的或替代的位置中的情况下，所述加热器可以被动态地通电以平衡在解冻过程中在下加热器板中出现的热梯度，并且板温度的局部降低可以通过有选择地给温度降低区域附近的加热器通电来补偿。

在替代实施方案中，本文公开的解冻设备可具有竖直入口，使得可将冻存袋容器从设备的顶部插入和移除。通俗地说，解冻设备可以像烤面包机那样构造，并且冻存袋容器将相应地定位在设备内。这样的实施方案将绕过对在打开位置和关闭位置之间移动的抽屉的需要，并且将使盖结构的尺寸最小化，如果这些中的任何一项需要的话。

在一些实施方案中，可以提供多种算法来确定解冻结束时间。可选地，多个算法中的每一个可以同时运行以提供解冻结束时间的单独估计。系统可以被配置为基于首先提供估计的解冻结束时间的算法来结束解冻。可选地，系统可以被配置为允许每个算法完成其估计，并且可以利用所计算的最短解冻间隔。在其他实施方案中，系统可以被配置为平均估计的解冻间隔并且利用平均的解冻间隔来确定解冻结束时间。

根据前述内容，应当理解的是，出于说明的目的已经在本文中描述了本发明的特定实施方案，但是在不脱离本发明的各个实施方案的精神和范围的情况下，可以进行各种修改。此外，尽管以上已经在那些实施方案的上下文中描述了与本发明的某些实施方案相关的各种优点，但是其他实施方案也可以表现出这样的优点，并且并非所有实施方案都必须表现出这样的优点以落入本发明的范围内。因此，除了所附权利要求书外，本发明不受限制。

尽管上面的说明描述了本发明的多种实施方案和预期的最佳模式，但是不管上面的文字有多么详细，本发明可以以许多方式来实践。该系统的细节可以在其具体实现方式中有很大变化，同时仍然被本公开所涵盖。如上所述，当描述本发明的某些特征或方面时所使用的特定术语不应被认为暗示该术语在本文中被重新定义为限于与本发明的该术语相关联的任何特定特征、特点或方面。通常，除非以上详细描述部分明确定义了这些术语，否则不应将以下权利要求书中使用的术语解释为将本发明限制为说明书中公开的特定示例。因此，本发明的实际范围不仅涵盖所公开的示例，而且还涵盖按照权利要求书实践或实施本发明的所有等同方式。

本文提供的本发明的教导可以应用于其他系统，不一定是上述系统。可以将上述各种示例的元件和动作组合以提供本发明的进一步的实现方式。本发明的一些替代实现方式不仅可以包括上述那些实现方式的附加元件，而且可以包括更少的元件。另外，在此指出的任何特定数字仅是示例；替代实现方式可以采用不同的值或范围，并且可以包含在这样的范围的边界内和处的具有各种增量和梯度的值。

在前面所有的描述中，对特征，优点或类似语言的引用并不意味着可以用本技术实现的所有的特征和优点是或应该是在本发明的任何单个实施方案中的特征和优点。而是，提及特征和优点的语言应理解为是指结合实施方案描述的特定特征、优点或特性包括在本技术的至少一个实施方案中。因此，贯穿本说明书对特征和优点的讨论以及类似的语言可以但不必指代相同的实施方案。

此外，在一个或多个实施方案中，可以以任何合适的方式来组合本技术的所描述的特征、优点和特性。相关领域的技术人员应认识到，可以在没有特定实施方案的一个或多个特定特征或优点的情况下实践本技术。在其他情况下，可以在某些实施方案中认识到可能不在本技术的所有实施方案中出现的附加特征和优点。

上面提到的任何专利、专利申请和其他参考文献，包括可能在随附申请文件中列出的任何文献，均通过引用并入本文。如果需要，可以修改本发明的各方面以采用上述各种参考文献的系统、功能和概念，以提供本发明的还有的另外的实施方案。

一个或多个计算设备可以用于适于通过访问以计算机可读形式呈现的软件指令来提供期望的功能。当使用软件时，可以使用任何适当的编程、脚本或其他类型的语言或语言的组合来实现本文所包含的教导。但是，软件不必专用或根本不使用。例如，本文阐述的方法和系统的一些实施方案还可以通过硬连线逻辑或其他电路(包括但不限于专用电路)来实现。计算机执行软件和硬连线逻辑或其他电路的组合也可能是合适的。

本文公开的方法的实施方案可以由一个或多个合适的计算设备执行。这样的系统可以包括适于执行本文公开的方法的一个或多个实施方案的一个或多个计算设备。如上所述，这样的设备可以访问体现计算机可读指令的一个或多个计算机可读介质，所述指令在由至少一台计算机执行时使至少一台计算机实现本主题方法的一个或多个实施方案。附加地或替代地，计算设备可以包括使得该设备可操作以实现本发明的主题的一种或多种方法的电路。

任何合适的一种或多种计算机可读介质都可以用于实施或实践当前公开的主题，包括但不限于磁盘，驱动器和其他基于磁的存储介质，光学存储介质，包括磁盘(例如CD-ROM，DVD-ROM，其变体等)，闪存，RAM，ROM和其他存储设备等。可以理解，如本文所使用的，“微处理器”包括合适的计算机可读介质。

此处具体描述了本发明的主题，但是所要求保护的主题可以以其他方式体现，可以包括不同的元件或步骤，并且可以与其他现有或未来技术结合使用。

除非明确描述了各个步骤的顺序或元件的布置，否则本说明不应解释为暗含各个步骤或元件中或之间的任何特定顺序或布置。附图中描述的或上述的部件的不同布置以及未示出或描述的组件和步骤是可能的。类似地，一些特征和子组合是有用的，并且可以在不参考其他特征和子组合的情况下使用。已经出于说明性而非限制性目的描述了本发明的实施方案，并且替代实施方案对于本发明的读者将是显而易见的。因此，本发明不限于上述实施方案或附图所示的实施方案，在不脱离权利要求的范围的情况下，可以进行各种实施方案和修改方案。

Claims (16)

1.一种用于解冻在袋状容器中的冷冻样品的样品解冻设备，所述样品解冻设备包括：

壳体；

悬臂组件，其支撑上加热器板，所述上加热器板具有与第一多个电阻加热器热耦合的顶表面；

布置成在打开位置和关闭位置之间致动的抽屉组件，其支撑下加热器板，所述下加热器板具有被配置为接收袋状容器的顶表面和与第二多个电阻加热器热耦合的底表面；以及

嵌入在所述下加热器板中的一个或多个热传感器，所述热传感器每个都具有接触盘，所述接触盘位于暴露在所述下加热器板的顶表面上的绝缘盘内的中心。

2.根据权利要求1所述的样品解冻设备，其中，所述第一多个电阻加热器的构件是能独立控制的，其适于控制所述上加热器板的局部区域的温度。

3.根据权利要求1所述的样品解冻设备，其中，所述上加热器板具有底表面，所述上加热器板被构造成夹住袋状容器并向其施加压力。

4.根据权利要求1所述的样品解冻设备，其中，所述第二多个电阻加热器的构件是能独立控制的，其适于控制所述下加热器板的局部区域的温度。

5.根据权利要求1所述的样品解冻设备，其还包括：

螺杆驱动马达，其被配置为驱动所述悬臂组件的夹持运动；以及

抽屉驱动马达，其被配置为在打开位置和关闭位置之间驱动所述抽屉组件。

6.根据权利要求1所述的样品解冻设备，其还包括摇臂马达，所述摇臂马达被配置为以振动的摇摆运动驱动所述上加热器板。

7.根据权利要求1所述的样品解冻设备，其中，所述一个或多个热传感器沿着所述下加热器板的横向中线线性地布置。

8.根据权利要求1所述的样品解冻设备，其还包括：

触摸屏界面；以及

控制单元，其被配置为通过所述触摸屏界面接收指令，并且被配置为控制反馈电路，所述反馈电路调节对所述第一多个电阻加热器的供电、对所述第二多个电阻加热器的供电或其组合。

9.根据权利要求1所述的样品解冻设备，其中，所述绝缘盘是半刚性泡沫材料。

10.根据权利要求1所述的样品解冻设备，其中，所述下加热器板被配置成接纳适于容纳10ml至500ml的样品体积的袋状容器。

11.一种用于解冻在冻存袋中的冷冻样品的样品解冻系统，其包括：

上加热器板，其由悬臂组件支撑，所述上加热器板具有固定在所述上加热器板的顶表面上的两个或多个垫式加热器；

下加热器板，其被配置成支撑位于抽屉组件中的冻存袋，所述下加热器板具有固定在所述下加热器板的底表面上的两个或多个垫式加热器；

位于所述下加热器板中的多个传感器岛，其被配置和布置为测量位于所述下加热器板上的冻存袋的温度；

控制单元，其被配置为控制固定在所述上加热器板和所述下加热器板上的所述垫式加热器中的每一个；以及

通信模块，其被配置为收集和发送与容纳在所述冻存袋内的样品有关的样品数据。

12.根据权利要求11所述的样品解冻系统，其中，所述传感器岛的每个传感器具有接触盘，所述接触盘位于暴露在所述下加热器板的顶表面上的绝缘盘内的中心。

13.根据权利要求11所述的样品解冻系统，其中所述传感器岛存在于所述下加热器板的主体中并穿过所述下加热器板的主体以监测下加热器板上的所述冻存袋的表面温度。

14.根据权利要求11所述的样品解冻系统，其中所述传感器岛沿着所述下加热器板的横向中线对齐地分布。

15.一种用于解冻在袋状容器中的冷冻样品的方法，所述方法包括：

将袋状容器装入样品解冻设备的敞开的样品抽屉中，置于下加热器板上；

关闭所述样品抽屉；

用由悬臂组件支撑的上加热器板夹住所述袋状容器；

将所述袋状容器保持在所述下加热器板和所述上加热器板之间；

用所述下加热器板和所述上加热器板两者加热所述袋状容器；

测量所述袋状容器的一个或多个位置的所述袋状容器的温度；

根据来自所述温度的测量的反馈来调节所述下加热器板和所述上加热器板的温度；并且

当测得的温度达到阈值时，结束对所述袋状容器的所述加热。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，测量所述袋状容器的温度包括绝缘所述下加热器板的测量。

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