CN111961589B - 一种用于三维类器官球体培养的自动换液装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于三维类器官球体培养的自动换液装置，包括：进样容器组件和/或进样针清洗组件，进样针组件，加样针组件，以及废液收集瓶，其中，进样针组件一端管路连接加样针组件，另一端能选择性伸入到进样容器组件或进样针清洗组件中；所述加样针组件包括吸液针和加样针，吸液针通过吸液蠕动泵管与废液收集瓶连接，加样针通过进样蠕动泵管与进样针组件连接。通过采用两组高精度自适应蠕动泵分别驱动吸液针、加样针对类器官细胞球进行换液操作，可精确地控制换液流量并尽量避免细胞球受到不可控的流体剪切应力损伤。

Description

一种用于三维类器官球体培养的自动换液装置

技术领域

本发明涉及生物细胞培养技术领域，具体涉及类器官培养方面的一种用于三维类器官球体培养的自动换液装置。

背景技术

类器官（Organoid）是近年突破发展的一种体外3D组织培养技术，可以在体外高成功率、快速地培养人的组织细胞，形成保留原器官组织结构和生物信息的“微组织”，在个性化治疗和再生医学领域有广泛的应用前景。肿瘤类器官培养技术，是通过在体外建立类似体内的微环境，把患者肿瘤组织分离的肿瘤细胞在体外实现3D培养，形成微型肿瘤模型。利用该模型帮助肿瘤患者进行个性化地测试多种药物的敏感性，实现个性化的精准医疗。

目前，类器官培养技术主要分为依赖外源支架的三维培养技术和不依赖外源支架的三维培养技术。其中不依赖外源支架的三维培养技术因无需引入外源基质材料，类器官形成效率高、操作简单，检测方便及成本更低等优势近年逐渐受到重视，该技术主要是通过物理方法使悬浮于培养基中的细胞聚集到一定密度形成紧密的细胞-细胞连接，使其自组装成为不依赖外源支架结构的三维类器官球状结构。然而，目前市场上还未出现专门设计用于三维类器官细胞球培养的自动换液装置，实验人员常采用人工操作，为避免换液时将所培养的类器官细胞球被吸出或吹出指定的培养区，以及移液枪头碰触到细胞球或因高的流体剪切力导致细胞球外表面细胞受到不同程度的损伤甚至坏死，人工更换培养液或添加药液时需格外小心谨慎，造成三维类器官细胞球培养的效率极低，并极大限制了研究人员对类器官细胞球的大规模培养和应用。

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，本发明提供了一种用于三维类器官球体培养的自动换液装置，可以实现自动换液，避免人员操作带来的类器官细胞损伤。

本发明的技术方案详述如下：

一种用于三维类器官球体培养的自动换液装置，包括：进样容器组件（8）和/或进样针清洗组件（5），进样针组件（4），加样针组件（7），以及废液收集瓶（12），其中，进样针组件（4）一端管路连接加样针组件（7），另一端能选择性伸入到进样容器组件（8）或进样针清洗组件（5）中；

所述加样针组件（7）包括吸液针（71）和加样针（72），吸液针（71）通过吸液蠕动泵管（902）与废液收集瓶（12）连接，加样针（72）通过进样蠕动泵管（901）与进样针组件（4）连接。

通过上述机械结构及常规的软件程序的结合，可以自动控制吸液针（71）将类器官细胞的培养液吸出至废液收集瓶（12），再控制加样针（72）自动从进样容器组件（8）吸取新的培养液注入到类器官培养容器中，完成吸取废液和加入新培养液的自动化操作。

可选或优选的，上述自动换液装置中，还包括洗液瓶（13）、冲洗瓶（14）、加样针清洗和废液收集组件（6）；其中，

进样针清洗组件（5）包括进样针清洗组件主体（51），进样针清洗组件主体（51）的上部开设进液口（511），下部开设出液口（512）；进液口（511）通过管路连接一个第一三通阀（15），出液口（512）通过管路连接一个第三三通阀（16）；进样针组件（4）能选择性伸入到进样针清洗组件主体（51）中；

加样针清洗和废液收集组件（6）包括加样针清洗腔（61），加样针清洗腔（61）底部连接进液管路（63），进液管路（63）通过管路连接第一三通阀（15）；

分别连接了进液口（511）和进液管路（63）的第一三通阀（15）还管路连接第二三通阀（17），连接管路上设有第一液泵（18）；第二三通阀（17）又分别连接洗液瓶（13）和冲洗瓶（14）；

连接了出液口（512）的第三三通阀（16）还管路连接废液收集瓶（12），连接管路上设有第二液泵（19）。

洗液瓶（13）、冲洗瓶（14）、加样针清洗和废液收集组件（6）的增加配合进样针清洗组件（5），使得该自动换液装置还具备了自动清洗功能，能够自动清洗进样针组件（4）、吸液针（71）和加样针（72），以及进行进样蠕动泵管（901）和吸液蠕动泵管（902），减少污染。

可选或优选的，上述自动换液装置中，所述加样针清洗和废液收集组件（6）还包括废液收集腔（62），废液收集腔（62）和加样针清洗腔（61）之间设有第二隔离壁（65），第二隔离壁（65）的高度低于加样针清洗腔（61）和废液收集腔（62）的深度；废液收集腔（62）的底部通过管路连接第三三通阀（16）。

废液收集腔（62）便于集中收集和处理废液，提高清洁性。

可选或优选的，以上任一所述自动换液装置中，所述吸液针（71）为直管形，加样针（72）为底部弯曲的直管形。加样针（72）的底部弯曲可将加样液体的冲击力有效地导向到类器官孔板的孔壁上，进一步减少换液过程中产生的高速液体对类器官细胞球的冲击和扰动，避免类器官细胞球被吹出指定的培养区域，或由于极高的流体剪切力导致细胞球外表面细胞受到不同程度的损伤甚至坏死。

可选或优选的，上述自动换液装置中，所述加样针（72）底部弯曲角度为20°-45°；吸液针（71）与加样针（72）底部的最大宽度为5-7mm；吸液针(71)的底部比加样针(72)的底部长，且二者距离差为2-5mm。

可选或优选的，以上任一所述自动换液装置中，还包括主机（1）和触控显示屏组件（3），所述进样容器组件（8）、进样针清洗组件（5）、进样针组件（4）、加样针组件（7）均安装在主机（1）上；

触控显示屏组件（3）包括显示屏单元（31）和阻尼转轴（32），显示屏单元（31）通过阻尼转轴（32）安装在主机（1）上，并与主机电连接。

触控显示屏组件（3）和主机（1）便于将各部件集成化，也更好操作。

可选或优选的，上述自动换液装置中，当包括加样针清洗和废液收集组件（6）时，所述加样针清洗和废液收集组件（6）通过推杆电磁阀组件（67）与主机（1）相连接；

所述推杆电磁阀组件（67）包括伸缩推杆铁芯（671）、电磁线圈单元（672）、卡簧片（673）和归位弹簧（674），所述伸缩推杆铁芯（671）推动加样针清洗和废液收集组件（6）在X轴方向左右位移其位移距离L的范围为10-15mm。

可选或优选的，上述自动换液装置中，所述主机（1）上还设有孔板托架（10）以及透明护罩组件（2）；透明护罩组件（2）包括用于遮盖工作中的孔板托架(10)左侧部分的第一保护罩（21）、用于遮盖吸液蠕动泵管（902）和进样蠕动泵管（901）的第二保护罩（22）以及用于遮盖工作中的孔板托架(10)右侧部分的第三保护罩（23）。

可选或优选的，上述自动换液装置中，所述第一保护罩（21）通过磁体间相互吸引的方式可拆卸地锁定在主机（1）上；所述第二保护罩（22）和第三保护罩（23）均通过阻尼铰链（221）与主机（1）相连接。

可选或优选的，以上任一所述自动换液装置中，所述进样针组件（4）包括针盖单元（41）和插入针盖单元（41）的进样针单元（43）；

所述针盖单元（41）底面向内凹陷形成圆柱形空腔（412），空腔外围绕针盖单元（41）的周边设有多个支脚（411）；针盖单元（41）在圆柱形空腔（412）顶面设有多个通孔（413），其中一个通孔（413）用作通气孔，其余通孔（413）供进样针单元（43）插入。

可选或优选的，以上任一所述自动换液装置中，所述进样针清洗组件（5）包括进样针清洗组件主体（51），进样针清洗组件主体（51）内设清洗空腔，顶部形状与进样针组件（4）适配；

进样针清洗组件主体（51）的清洗空腔一部分侧面设有观察窗盖板（52），观察窗盖板（52）通过观察窗密封圈（54）密封镶嵌有观察窗玻璃片（53）；

进样针清洗组件主体（51）的清洗空腔的另一部分侧面安装有非接触电容式液位传感器（55）和补光灯板（56）。

可选或优选的，以上任一所述自动换液装置中，所述加样针清洗腔（61）为多个，相邻的加样针清洗腔（61）之间通过第一隔离壁（66）相互隔离；

废液收集腔（62）为一个；

多个加样针清洗腔（61）与废液收集腔（62）之间通过第二隔离壁（65）相互隔离，所述第二隔离壁（65）顶部高度低于所述第一隔离壁（66）顶部高度2-6mm；所述第二隔离壁（65）的顶面靠近废液收集腔（62）一侧设置为斜面结构（651），所述废液收集腔（62）底部侧边设置有一个排液口（64）。

可选或优选的，以上任一所述自动换液装置中，所述加样针组件（7）还包括固定座（73）、LED灯板（74）和透明防水层（75）；

吸液针（71）和加样针（72）相互对称分布为一组并由固定座（73）固定，固定座（73）的底面各组吸液针（71）和加样针（72）之间设置LED灯板（74）；

ED灯板（74）至少包括紫外LED(742)、白光LED(741)、绿色LED(743)和红色LED(744)四种；紫外LED(742)的数量比吸液针（71）和加样针（72）组的数量多一个且均匀分布；白光LED(741)、绿色LED(743)和红色LED(744)均至少为一个，当数量多于一时，应均匀分布；

透明防水层（75）铺设在固定座（73）的底面最外层。

可选或优选的，以上任一所述自动换液装置中，所述进样容器组件（8）包括基座（83）和安装在基座（83）上的主体支架结构（81），主体支架结构（81）的前后左右设置有可视的矩形镂空窗口（811）,且内部放置50mL样品管(82)；

50mL样品管(82)的高度高于主体支架结构（81），50mL样品管(82)的顶部形状与进样针组件（4）适配。

可选或优选的，以上任一所述自动换液装置中，所述进样蠕动泵管（901）安装在进样蠕动泵组件（91）上，所述吸液蠕动泵管（902）安装在吸液蠕动泵组件（92）上；

进样蠕动泵组件（91）和吸液蠕动泵组件（92）结构相同，包括泵头卡片主体（93）、泵头滚轮（94）和螺纹弹簧推杆（95）；

所述泵头卡片主体（93）包括弹性接触部位（931）和顶部支撑部位（932），弹性接触部位（931）设有凸起结构（9311）；进样蠕动泵管（901）或吸液蠕动泵管（902）卡在泵头滚轮（94）和弹性接触部位（931）之间；

所述泵头滚轮（94）包括滚柱（941）；

所述螺纹弹簧推杆（95）包括螺纹外壳（951）、弹簧（952）和伸缩推杆（953）；所述螺纹外壳（951）顶部设置有凹槽（9511）；

螺纹弹簧推杆（95）设置在泵头卡片主体（93）的顶部支撑部位（932）且伸缩推杆（953）的底部轴心抵在弹性接触部位（931）上的凸起结构（9311）上。

可选或优选的，以上任一所述自动换液装置中，所述进样蠕动泵管（901）安装在进样蠕动泵组件（91）上，所述吸液蠕动泵管（902）安装在吸液蠕动泵组件（92）上；

进样蠕动泵组件（91）和吸液蠕动泵组件（92）结构相同，包括泵头卡片主体（93）、泵头滚轮（94）和弹簧压片（96）；

所述泵头卡片主体（93）包括弹性接触部位（931）和顶部支撑部位（932），所述弹簧压片（96）一端固定在顶部支撑部位（932），另一端抵在弹性接触部位（931）上的凸起结构（9311），所述弹簧压片（96）的可视截面形状为弧形曲线结构。

本发明提供的自动换液装置，具有如下有益效果：

（1）本发明所涉及的自动换液装置，通过采用2组高精度自适应蠕动泵分别驱动吸液针、加样针对类器官细胞球进行换液操作，可精确地控制换液流量并尽量避免细胞球受到不可控的流体剪切应力损伤。

（2）本发明所涉及的自动换液装置，通过将加样针组件中的加样针底部设置为弯曲一定角度，可将加样液体的冲击力有效地导向到类器官孔板的孔壁上，进一步减少换液过程中产生的高速液体对类器官细胞球的冲击和扰动，避免类器官细胞球被吹出指定的培养区域，或由于极高的流体剪切力导致细胞球外表面细胞受到不同程度的损伤甚至坏死。

（3）本发明所涉及的自动换液装置，通过设置进样针清洗组件和加样针清洗和废液收集组件等，可实现对装置中的加液和吸液液体管路进行全自动清洗，降低人工维护成本，且进一步降低装置染菌风险。

（4）本发明所涉及的自动换液装置，通过将透明护罩组件结构设计为分体结构，既方便各功能单元的护理和维护，又可对所需换液的类器官孔板进行灰尘、细菌和对流空气的防护。

（5）本发明所涉及的自动换液装置，通过在加样针组件底部设置带有紫外LED的LED灯板，可实现对吸液针、加样针的实时紫外线灭菌处理，极大地降低因仪器细菌污染而导致类器官细胞球受到污染的风险。

（6）本发明所涉及的自动换液装置，整个换液过程安全可靠、高效便捷，可满足不同领域研究人员对三维类器官细胞球培养的需求，具有很好的推广应用价值。

附图说明

图1为本发明所述自动换液装置的整体结构示意图；

图2为本发明所述自动换液装置打开护罩时的整体结构示意图；

图3为本发明所述磁性卡扣结构的结构示意图；

图4为本发明所述触控显示屏组件的侧视图；

图5为本发明所述进样针组件的结构示意图；

图6为本发明所述进样针清洗组件的3D分解图

图7为本发明所述进样针清洗组件的结构示意图；

图8为本发明所述加样针清洗和废液收集组件的结构示意图；

图9为本发明所述加样针清洗和废液收集组件与推杆电磁阀组件的结构示意图；

图10为本发明所述加样针组件的结构示意图；

图11为本发明所述加样针组件的仰视图；

图12为本发明所述进样容器组件的结构示意图；

图13为本发明所述蠕动泵组件的第一种结构示意图；

图14为本发明所述蠕动泵组件的第二种结构示意图；

图15为本发明所述自动换液装置的换液过程示意图；

图16为本发明所述自动换液装置的清洗管路过程示意图。

附图标记：

1.主机，2.透明护罩组件，21.第一保护罩，211.磁性卡扣，212.磁体，213.磁体，22.第二保护罩，221.阻尼铰链，222.左把手，23.第三保护罩，231.阻尼铰链，232.右把手，3.触控显示屏组件，31.显示屏单元，32.阻尼转轴，4.进样针组件，41.针盖单元，411.支脚，412.圆柱形空腔，413.通孔，42.磁体单元，43.进样针单元，5.进样针清洗组件，51.进样针清洗组件主体，511.进液口,512.出液口，513.圆形外壁轮廓，52.观察窗盖板，53.观察窗玻璃片，54.观察窗密封圈，55.非接触电容式液位传感器，56.补光灯板，57.圆柱形磁体，6.加样针清洗和废液收集组件，611.垂直通孔，61.加样针清洗腔，62.废液收集腔，63.进液管路，64.排液口，65.第二隔离壁，651.斜面结构，67.推杆电磁阀组件，671.伸缩推杆铁芯，672.电磁线圈单元，673.卡簧片，674.归位弹簧，7.加样针组件，71.吸液针，72.加样针，73.固定座，74.LED灯板，741.白光LED，742.紫外LED，743.绿色LED，744.红色LED，75.透明防水层，8.进样容器组件，81.主体支架结构，811.矩形镂空窗口，82.样品管，83.基座，84.圆柱形磁体，9.蠕动泵组件，91.进样蠕动泵组件，92.吸液蠕动泵组件，93.泵头卡片主体，931.弹性接触部位，9311.凸起结构，932.顶部支撑部位，94.泵头滚轮，941.滚柱，95.螺纹弹簧推杆，951.螺纹外壳，9511.凹槽，952.弹簧，953.伸缩推杆，96.弹簧压片，901.进样蠕动泵管, 902.吸液蠕动泵管，10.孔板托架，11.培养孔板，12.废液收集瓶，13.洗液瓶，14.冲洗瓶，15.第一三通阀，16.第三三通阀，17.第二三通阀，18.第一液泵，19.第二液泵。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进清楚、行详地细解释和说明，以使本领域技术人员能够更好地理解本发明并予以实施。

参见图1和图2，为一种用于三维类器官球体培养的自动换液装置总体结构图，包括主机1、主机1左侧侧边安装进样针清洗组件5，该安装位置也可以安装进样容器组件8，进样针组件4可以插接到进样针清洗组件5或进样容器组件8上。

主机1左侧内部安装蠕动泵组件9，包括两组：进样蠕动泵组件91和吸液蠕动泵组件92。蠕动泵组件9的下方还安装有废液收集瓶12、洗液瓶13和冲洗瓶14（图中未示出），当然这三个部件也可以根据需要安装在其他方便安装替换的位置。

主机1右侧安装孔板托架10，孔板托架10上用于放置三维类器官球体的培养孔板11。

主机1通过推杆电磁阀组件67连接有加样针清洗和废液收集组件6（位于左右侧之间的位置）。

加样针组件7与蠕动泵组件9连接，并安装在主机上，位于加样针清洗和废液收集组件（6）的上方位置，能够沿X轴和Z轴移动。

主机1右侧还安装触控显示屏组件3，包括显示屏单元31和连接显示屏单元31和主机1的两个阻尼转轴32。参见图4，显示屏单元31能够围绕阻尼转轴32旋转，旋转的夹角范围为0-90度。

透明护罩组件2包括三个：第一保护罩21、第二保护罩22和第三保护罩23。参见图3并结合图2，第一保护罩21的面板末尾设置有磁体213，主机上对应设置有上下两个磁性卡扣211，磁性卡扣211内镶嵌有磁体212，当磁体213插入到上下两个磁性卡扣211之间时，上下两个磁体212和磁体213刚好位于同一轴心，使磁体213分别与两个磁体212相互吸引，进而使第一保护罩21可拆卸地锁定在主机1上。参见图1结合图2，第二保护罩22位于蠕动泵组件9的前方和上方，通过阻尼铰链221与主机1相连接，且第二保护罩22的前面板还设置有左把手222。第三保护罩23位于孔板托架10的上方，通过阻尼铰链231与主机1相连接，第三保护罩23的前面板设置有右把手232。

下面详细介绍各部件的具体结构：

参见图5，进样针组件4包括针盖单元41插入针盖单元41的八个进样针单元43，进样针单元43为细长的管状结构。针盖单元41底面向内凹陷形成圆柱形空腔412，圆柱形空腔412外围绕针盖单元41的周边设有四个矩形或半圆形支脚411，每个矩形或半圆形支脚411底面嵌入一个圆柱形的磁体单元42；针盖单元41在圆柱形空腔412的顶面设有九个呈圆环均匀分布的通孔413，其中一个通孔413用作通气孔，其余八个通孔413供八个进样针单元43插入。

参见图6和图7，为进样针清洗组件5的结构拆解示意图，进样针清洗组件5包括进样针清洗组件主体51，进样针清洗组件主体51大致为带清洗空腔的立方体结构，顶部形状与进样针组件（4）适配，具体为顶部凸出一圆形外壁轮廓513，圆形外壁轮廓513的直径小于或等于所述进样针组件4中圆柱形空腔412的直径。进样针清洗组件主体51在圆形外壁轮廓513的外周下方水平向外延伸，并在延伸的位置安装四个圆柱形磁体57，圆柱形磁体57水平分布位置与进样针组件4中的四个圆柱形的磁体单元42水平分布位置相同。

进样针清洗组件主体51的清洗空腔前侧面设有观察窗盖板52，观察窗盖板52通过观察窗密封圈54密封镶嵌有观察窗玻璃片53；右侧上方设有非接触电容式液位传感器55，下方设有补光灯板56；后侧设置有进液口511和出液口512且进液口511的位置位于出液口512的位置的上方。

参见图8，加样针清洗和废液收集组件6包含八个加样针清洗腔61和一个废液收集腔62，八个加样针清洗腔61之间通过第一隔离壁66相互隔离；八个加样针清洗腔61底部通过垂直通孔611与底部的进液管路63相连通。八个加样针清洗腔61与一个废液收集腔62之间通过第二隔离壁65相互隔离，第二隔离壁65顶部高度低于第一隔离壁66顶部高度2-6mm；第二隔离壁65的顶面靠近废液收集腔62一侧设置为斜面结构651。所述废液收集腔62底部侧边设置有一个排液口64。

参见图9，加样针清洗和废液收集组件6通过推杆电磁阀组件67与主机1相连接，推杆电磁阀组件67包括伸缩推杆铁芯671、电磁线圈单元672、卡簧片673和归位弹簧674。电磁线圈单元672套设在伸缩推杆铁芯671外靠近加样针清洗和废液收集组件6的一侧，归位弹簧674一端抵住电磁线圈单元672，另一端抵住卡簧片673；主机1设有相应的供伸缩推杆铁芯671伸入的孔，卡簧片673能卡在孔口。伸缩推杆铁芯671推动加样针清洗和废液收集组件6在X轴方向左右位移，其位移距离L的范围为10-15mm。

参见图10和图11，加样针组件7包括八个吸液针71、八个加样针72、固定座73、LED灯板74和透明防水层75。吸液针71和加样针72穿过固定座73并固定在固定座73上，固定座73下表面间隔排布有LED灯板74，透明防水层75设置在固定座73下表面的最外层。

一个吸液针71与一个加样针72相互对称分布成为一组，一组内吸液针71与加样针72底部的最大宽度W为5-7mm，吸液针71底部高度高于加样针72底部高度且高差H为2-5mm（即吸液针71底部距离固定座73的长度大于加样针72底部距离固定座73的长度），加样针72的底部设置为弯曲结构，其弯曲角度θ最优范围为20°-45°，该设计可将加样液体的冲击力有效地导向到类器官孔板的孔壁上，进一步减少换液过程中产生的高速液体对类器官细胞球的冲击和扰动，避免类器官细胞球被吹出指定的培养区域，或由于极高的流体剪切力导致细胞球外表面细胞受到不同程度的损伤甚至坏死。

LED灯板74设置有紫外LED742、白光LED741、绿色LED743和红色LED744等至少四种LED，紫外LED742的数量至少为九个且在LED灯板74上均匀对称分布，实现紫外线对吸液针71与加样针72的照射全面而无死角进而实现可靠的灭菌处理。白光LED741、绿色LED743和红色LED744的数量至少为一个且在LED灯板74上也均匀对称分布，实现换液装置工作状态的指示功能，便于用户实时判断仪器工作状态及观察换液的动态过程。

参见图12，进样容器组件8包括基座83和安装在基座83上的主体支架结构81，主体支架结构81内放置50mL样品管82。50mL样品管82的顶部形状与进样针组件4适配，具体是，50mL样品管82的外直径D小于或等于所述进样针组件4中圆柱形空腔412的直径，50mL样品管82的高度高于所述主体支架结构81高度且其高度差h小于或等于进样针组件4中圆柱形空腔412的高度。主体支架结构81顶部四个角的位置设置四个圆柱形磁体84，圆柱形磁体84的水平分布位置与进样针组件4中的四个磁体单元42水平分布位置相同。以上设计可方便用户将进样针组件4与进样容器组件8进行磁性互锁，利于用户的操作且结构简单无菌清洁操作方便。主体支架结构81的前后左右设置有矩形镂空窗口811，便于用户对于样品管中剩余的溶液进行实时观察。

参见图13和图14，蠕动泵组件9包括进样蠕动泵组件91和吸液蠕动泵组件92，分别用于驱动加样针、吸液针对类器官细胞球进行换液操作。进样蠕动泵管901安装在进样蠕动泵组件91上，所述吸液蠕动泵管902安装在吸液蠕动泵组件92上。进样蠕动泵组件91和吸液蠕动泵组件92结构相同。

在一种优选的方案中，参见图13，进样蠕动泵组件91和/或吸液蠕动泵组件92的结构，包括泵头卡片主体93、泵头滚轮94和螺纹弹簧推杆95。泵头卡片主体93包括弹性接触部位931和顶部支撑部位932，弹性接触部位931设有凸起结构9311。螺纹弹簧推杆95设置在顶部支撑部位932且底部通过伸缩推杆953的轴心抵在弹性接触部位931上的凸起结构9311，该设计可使泵头卡片自适应蠕动泵管的直径，使蠕动泵管受力更均匀且延长使用寿命。螺纹弹簧推杆95结构包括螺纹外壳951、弹簧952和伸缩推杆953，螺纹外壳951顶部设置有一字型、十字型、六边型或星型等任意凹槽9511，该设计可方便用户进一步通过螺丝刀调节泵头卡片对蠕动泵管的作用力。

进样蠕动泵管901或吸液蠕动泵管902卡在泵头滚轮94和弹性接触部位931之间；泵头滚轮94包括滚柱941，滚柱941的数量优选为十个。

在另一种优选的方案中，参见图14，进样蠕动泵组件91和/或吸液蠕动泵组件92的结构，包括泵头卡片主体93、泵头滚轮94和弹簧压片96。泵头卡片主体93包括弹性接触部位931和顶部支撑部位932，弹簧压片96一端固定设置在顶部支撑部位932，另一端（底部）抵在弹性接触部位931上的凸起结构9311，弹簧压片的可视截面形状为弧形曲线结构，该设计同样可使泵头卡片自适应蠕动泵管的直径，使蠕动泵管受力更均匀且延长使用寿命。泵头滚轮94中的滚柱941的数量同样优选为十个。

主机1可以同时并列安装进样容器组件8和进样针清洗组件5，也可以根据需要只单独安装一种组件。

参见图15，为主机1安装进样容器组件8时，整个换液装置的管路连接关系，进样针组件4一端插入到进样容器组件8中，另一端通过进样蠕动泵组件91驱动的进样蠕动泵管901连接至加样针组件7的加样针72。加样针组件7的吸液针71则通过吸液蠕动泵组件92驱动的吸液蠕动泵管902连接至废液收集瓶12。

参见图16，为主机1安装进样针清洗组件5时，整个换液装置的管路连接关系，进样针组件4一端插入到进样针清洗组件5中，另一端通过进样蠕动泵组件91驱动的进样蠕动泵管901连接至加样针组件7的加样针72。加样针组件7的吸液针71则通过吸液蠕动泵组件92驱动的吸液蠕动泵管902连接至废液收集瓶12。

此外，进样针清洗组件5的进液口511管路连接至第一三通阀15，第一三通阀15同时还连接进液管路63和第二三通阀17；第一三通阀15与第二三通阀17之间的连接管路上设有第一液泵18；第二三通阀17又分别连接洗液瓶13和冲洗瓶14。

进样针清洗组件5的出液口512管路连接至第三三通阀16，第三三通阀16还分别管路连接废液收集腔62和废液收集瓶12。其中，第三三通阀16与废液收集瓶12之间的连接管路上设有第二液泵19。

工作原理：

1、自动换液过程

参见图15，首先将进样针组件4插入进样容器组件8中，开机，待开机自检完成后操控触摸显示屏设置换液参数并按开始按钮。

打开第三保护罩23，孔板托架10承载类器官球体培养孔板11沿X轴向左移动至第一排孔板微孔结构111，加样针组件7沿Z轴精确下降至工作位置，吸液蠕动泵组件92开始工作并按设置的安全流速精确地通过吸液针71从孔板微孔结构111吸出定量的废液。

待完成吸液后，进样蠕动泵组件91开始工作并按设置的安全流速精确地将样品溶液从进样容器组件8中吸出并通过加样针72定量注入到孔板微孔结构111中。

待完成注液后加样针组件7沿Z轴精确上升至安全位置，待培养孔板11继续向左移动一定距离后，加样针组件下降，进入下一轮换液工作循环。直至将培养孔板的所有微孔结构111内的液体都换掉为止。孔板托架10承载培养孔板11沿X轴移动至最初的位置，盖好第三保护罩23。

该换液操作通过采用两组高精度自适应蠕动泵分别驱动吸液针71、加样针72对类器官细胞球进行换液操作，可精确地控制换液流量并尽量避免细胞球受到不可控的流体剪切应力损伤。

此外，通过将加样针组件7中的加样针72底部设置为弯曲一定角度，可将加样液体的冲击力有效地导向到类器官孔板的孔壁上，进一步减少换液过程中产生的高速液体对类器官细胞球的冲击和扰动，避免类器官细胞球被吹出指定的培养区域，或由于极高的流体剪切力导致细胞球外表面细胞受到不同程度的损伤甚至坏死。

2、自动清洗过程

如图16所示，待装置全部换液操作完成后，将进样针组件4插入到进样针清洗组件5中。

按下显示屏单元31上的清洗按钮，加样针组件7沿Z轴精确下降至加样针清洗腔61中的工作位置。

自动开启第一三通阀15和第二三通阀17使洗液瓶13和冲洗瓶14的液路分别与加样针清洗腔61中的液路相通，加样针清洗腔61充满清洗液。自动开启第一液泵18约5-10秒同时对吸液针71和加样针72进行清洗操作。多出的清洗液会沿着第二隔离壁65流入废液收集腔62。

并且，同时自动打开第三三通阀16和第二液泵19使废液收集腔62与废液收集瓶12的液路相连通进行废液收集。

待完成吸液针71和加样针72的清洗操作后，进样蠕动泵组件91和吸液蠕动泵组件92开使工作10-60秒进行进样蠕动泵管901和吸液蠕动泵管902的清洗操作。期间自动开启第一三通阀15、第一液泵18和第二三通阀17使洗液瓶13和冲洗瓶14的液路分别与加样针清洗腔61中的液路相通，吸液针71和加样针72吸入加样针清洗腔61中的清洗液，吸液针71吸入的清洗液沿着吸液蠕动泵管902进入废液收集瓶12；加样针72吸入的清洗液沿着进样蠕动泵管901进入进样针清洗组件5。

同时，开启第三三通阀16和第二液泵19使进样针清洗组件5的出液口512与废液收集瓶12的液路相连通进行废液收集。

待完成进样蠕动泵管901和吸液蠕动泵管902的清洗操作后，自动开启第一三通阀15、第一液泵18和第二三通阀17使洗液瓶13和冲洗瓶14的液路分别与进液口511的液路相通并进行进样针组件4的清洗操作，期间同时开启第三三通阀16和第二液泵19使进样针清洗组件5的出液口512与废液收集瓶12的液路相连通进行废液收集。

以上过程自动完成了加样针组件7、进样蠕动泵管901、吸液蠕动泵管902和进样针组件4的清洗操作，极大地降低人工维护成本，且进一步降低换液装置染菌风险，提高了装置的可靠性。

本文中应用了具体个例对发明构思进行了详细阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离该发明构思的前提下，所做的任何显而易见的修改、等同替换或其他改进，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种用于三维类器官球体培养的自动换液装置，其特征在于，包括：进样容器组件（8），进样针清洗组件（5），进样针组件（4），加样针组件（7），加样针清洗和废液收集组件（6）以及废液收集瓶（12），其中，进样针组件（4）一端管路连接加样针组件（7），另一端能选择性伸入到进样容器组件（8）或进样针清洗组件（5）中；

所述加样针组件（7）包括吸液针（71）和加样针（72），吸液针（71）通过吸液蠕动泵管（902）与废液收集瓶（12）连接，加样针（72）通过进样蠕动泵管（901）与进样针组件（4）连接；

加样针清洗和废液收集组件（6）包括加样针清洗腔（61）和废液收集腔（62），废液收集腔（62）和加样针清洗腔（61）之间设有第二隔离壁（65），第二隔离壁（65）的高度低于加样针清洗腔（61）和废液收集腔（62）的深度。

2.根据权利要求1所述的自动换液装置，其特征在于，还包括洗液瓶（13）和冲洗瓶（14）；其中，

进样针清洗组件（5）包括进样针清洗组件主体（51），进样针清洗组件主体（51）的上部开设进液口（511），下部开设出液口（512）；进液口（511）通过管路连接一个第一三通阀（15），出液口（512）通过管路连接一个第三三通阀（16）；进样针组件（4）能选择性伸入到进样针清洗组件主体（51）中；

所述加样针清洗腔（61）底部连接进液管路（63），进液管路（63）通过管路连接第一三通阀（15）；

分别连接了进液口（511）和进液管路（63）的第一三通阀（15）还通过管路连接第二三通阀（17），连接管路上设有第一液泵（18）；第二三通阀（17）又分别连接洗液瓶（13）和冲洗瓶（14）；

连接了出液口（512）的第三三通阀（16）还通过管路连接废液收集瓶（12），连接管路上设有第二液泵（19）。

3.根据权利要求1或2所述的自动换液装置，其特征在于，所述吸液针（71）为直管形，加样针（72）为底部弯曲的直管形。

4.根据权利要求3所述的自动换液装置，其特征在于，所述加样针（72）底部弯曲角度为20°-45°；吸液针（71）与加样针（72）底部的最大宽度为5-7mm；吸液针(71)的底部比加样针(72)的底部长，且二者距离差为2-5mm。

5.根据权利要求1或2所述的自动换液装置，其特征在于，还包括主机（1）和触控显示屏组件（3），所述进样容器组件（8）、进样针清洗组件（5）、进样针组件（4）、加样针组件（7）均安装在主机（1）上；

触控显示屏组件（3）包括显示屏单元（31）和阻尼转轴（32），显示屏单元（31）通过阻尼转轴（32）安装在主机（1）上，并与主机（1）电连接。

6.根据权利要求5所述的自动换液装置，其特征在于，所述加样针清洗和废液收集组件（6）通过推杆电磁阀组件（67）与主机（1）相连接；

所述推杆电磁阀组件（67）包括伸缩推杆铁芯（671）、电磁线圈单元（672）、卡簧片（673）和归位弹簧（674），所述伸缩推杆铁芯（671）推动加样针清洗和废液收集组件（6）在X轴方向左右位移，位移距离L的范围为10-15mm。

7.根据权利要求5所述的自动换液装置，其特征在于，所述主机（1）上还设有孔板托架（10）以及透明护罩组件（2）；透明护罩组件（2）包括用于遮盖工作中的孔板托架（10）左侧部分的第一保护罩（21）、用于遮盖吸液蠕动泵管（902）和进样蠕动泵管（901）的第二保护罩（22）以及用于遮盖工作中的孔板托架（10）右侧部分的第三保护罩（23）。

8.根据权利要求7所述的自动换液装置，其特征在于，所述第一保护罩（21）通过磁体间相互吸引的方式可拆卸地锁定在主机（1）上；所述第二保护罩（22）和第三保护罩（23）均通过阻尼铰链（221）与主机（1）相连接。

9.根据权利要求1或2所述的自动换液装置，其特征在于，所述进样针组件（4）包括针盖单元（41）和插入针盖单元（41）的进样针单元（43）；

所述针盖单元（41）底面向内凹陷形成圆柱形空腔（412），圆柱形空腔（412）外围绕针盖单元（41）的周边设有多个支脚（411）；针盖单元（41）在圆柱形空腔（412）顶面设有多个通孔（413），其中一个通孔（413）用作通气孔，其余通孔（413）供进样针单元（43）插入。

10.根据权利要求1或2所述的自动换液装置，其特征在于，所述进样针清洗组件（5）包括进样针清洗组件主体（51），进样针清洗组件主体（51）内设清洗空腔，顶部形状与进样针组件（4）适配；

进样针清洗组件主体（51）的清洗空腔一部分侧面设有观察窗盖板（52），观察窗盖板（52）通过观察窗密封圈（54）密封镶嵌有观察窗玻璃片（53）；

进样针清洗组件主体（51）的清洗空腔的另一部分侧面安装有非接触电容式液位传感器（55）和补光灯板（56）。

11.根据权利要求1所述的自动换液装置，其特征在于，所述加样针清洗腔（61）为多个，相邻的加样针清洗腔（61）之间通过第一隔离壁（66）相互隔离；

废液收集腔（62）为一个；

多个加样针清洗腔（61）与废液收集腔（62）之间通过第二隔离壁（65）相互隔离，所述第二隔离壁（65）顶部高度低于所述第一隔离壁（66）顶部高度2-6mm；所述第二隔离壁（65）的顶面靠近废液收集腔（62）一侧设置为斜面结构（651），所述废液收集腔（62）底部侧边设置有一个排液口（64）。

12.根据权利要求1或2所述的自动换液装置，其特征在于，所述加样针组件（7）还包括固定座（73）、LED灯板（74）和透明防水层（75）；

吸液针（71）和加样针（72）相互对称分布为一组并由固定座（73）固定，固定座（73）的底面各组吸液针（71）和加样针（72）之间设置LED灯板（74）；

LED灯板（74）至少包括紫外LED(742)、白光LED(741)、绿色LED(743)和红色LED(744)四种；紫外LED(742)的数量比吸液针（71）和加样针（72）组的数量至少多一个且均匀分布；白光LED(741)、绿色LED(743)和红色LED(744)均至少为一个，当数量多于一时，应均匀分布；

透明防水层（75）铺设在固定座（73）的底面最外层。

13.根据权利要求1或2所述的自动换液装置，其特征在于，所述进样容器组件（8）包括基座（83）和安装在基座（83）上的主体支架结构（81），主体支架结构（81）的前后左右设置有可视的矩形镂空窗口（811）,且内部放置有50mL样品管(82)；

50mL样品管(82)的高度高于主体支架结构（81），50mL样品管(82)的顶部形状与进样针组件（4）适配。

14.根据权利要求1或2所述的自动换液装置，其特征在于，所述进样蠕动泵管（901）安装在进样蠕动泵组件（91）上，所述吸液蠕动泵管（902）安装在吸液蠕动泵组件（92）上；

进样蠕动泵组件（91）和吸液蠕动泵组件（92）结构相同，包括泵头卡片主体（93）、泵头滚轮（94）和螺纹弹簧推杆（95）；

所述泵头卡片主体（93）包括弹性接触部位（931）和顶部支撑部位（932），弹性接触部位（931）设有凸起结构（9311）；进样蠕动泵管（901）或吸液蠕动泵管（902）卡在泵头滚轮（94）和弹性接触部位（931）之间；

所述泵头滚轮（94）包括滚柱（941）；

所述螺纹弹簧推杆（95）包括螺纹外壳（951）、弹簧（952）和伸缩推杆（953）；所述螺纹外壳（951）顶部设置有凹槽（9511）；

螺纹弹簧推杆（95）设置在泵头卡片主体（93）的顶部支撑部位（932）且伸缩推杆（953）的底部轴心抵在弹性接触部位（931）上的凸起结构（9311）上。

15.根据权利要求1或2所述的自动换液装置，其特征在于，所述进样蠕动泵管（901）安装在进样蠕动泵组件（91）上，所述吸液蠕动泵管（902）安装在吸液蠕动泵组件（92）上；

进样蠕动泵组件（91）和吸液蠕动泵组件（92）结构相同，包括泵头卡片主体（93）、泵头滚轮（94）和弹簧压片（96）；

所述泵头卡片主体（93）包括弹性接触部位（931）和顶部支撑部位（932），所述弹簧压片（96）一端固定在顶部支撑部位（932），另一端抵在弹性接触部位（931）上的凸起结构（9311），所述弹簧压片（96）的可视截面形状为弧形曲线结构。