CN114525205A - 用于细胞培养的自动换液装置 - Google Patents

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CN114525205A CN202111672772.6A CN202111672772A CN114525205A CN 114525205 A CN114525205 A CN 114525205A CN 202111672772 A CN202111672772 A CN 202111672772A CN 114525205 A CN114525205 A CN 114525205A
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赵振波
夏信群
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Abstract

本发明公开了用于细胞培养的自动换液装置，包括：固定台；转运机械臂，其用于移动培养皿本体，转运机械臂设置在固定台上；换液机构，其设置在固定台上，换液机构包括针头模块和用于移动针头模块的移动驱动机构，针头模块包括固定块、加液针管和吸液针管，加液针管和吸液针管固定在固定块上，吸液针管上设有吸液针头；培养皿工作台，其用于放置培养皿本体。本发明提供了用于细胞培养的自动换液装置，使整个换液过程实现了全自动换液，减少因为人工操作带来的操作误差与污染的风险。

Description

用于细胞培养的自动换液装置
技术领域
本发明涉及细胞换液设备技术领域，尤其是涉及用于细胞培养的自动换液装置。
背景技术
目前细胞制备操作大都是在开放式细胞实验室中进行，以人工操作为主，需要对细胞制备人员进行培训。因人工操作导致的污染风险、重现性差等问题影响细胞制备的质量。此外，人工操作效率较低，在整个细胞制备周期中通常需要多次进行换液，需要耗费大量的人工来完成此项工作，这也是导致细胞制备成本较高的原因之一。如果能在细胞换液过程中用自动化来代替人工，那么细胞换液污染风险将下降，换液效率将大幅提高。因此，需要提供用于细胞培养的自动换液装置，使整个换液过程实现了全自动换液，减少因为人工操作带来的操作误差与污染的风险；且可以自动对吸液针头进行更换，进一步提高自动化程度，也避免交叉污染；同时，通过结构设置使吸液针头将废液吸取干净。
中国专利申请公开号CN113025482A，公开日为2021年06月25日，名称为“一种全自动换液系统”，公开了一种全自动换液系统，用于细胞存放容器的加液或吸液；包括：依次设置的拧盖装置、吸液装置、加液装置以及称重平台；其中，所述拧盖装置用于所述细胞存放容器盖的拧开或拧合；所述吸液装置包括依次连通的吸液针头、吸液管、吸液蠕动泵以及废液储存器，以吸出所述细胞存放容器中的液体；所述加液装置包括依次连通的加液针头、加液管、加液蠕动泵以及加液储存机构以向所述细胞存放容器中加入培养液。但是该换液系统只能针对放置在平台上的细胞存放容器进行换液，无法自动更换细胞存放容器，需要人工和外部设备进行配合才能完成连续的换液操作。且该专利中的吸液针头无法自动更换，容易造成交叉污染，影响细胞培养的质量，也没有设置使吸液更加彻底的结构，导致存在吸液不彻底问题。
发明内容
本发明为了克服现有技术中细胞制备操作大都是在开放式细胞实验室中进行，以人工操作为主，因人工操作导致的污染风险、重现性差等问题影响细胞制备的质量的不足，提供用于细胞培养的自动换液装置，使整个换液过程实现了全自动换液，减少因为人工操作带来的操作误差与污染的风险。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
用于细胞培养的自动换液装置，包括：
固定台；
转运机械臂，其用于移动培养皿本体，转运机械臂设置在固定台上；
换液机构，其设置在固定台上，换液机构包括针头模块和用于移动针头模块的移动驱动机构，针头模块包括固定块、加液针管和吸液针管，加液针管和吸液针管固定在固定块上；
培养皿工作台，其用于放置培养皿本体，所述培养皿工作台包括并排设置的固定座和转动座，固定座与固定台固定，转动座与固定台转动连接，转动座的转动轴与水平面平行设置，固定台上设有驱动转动座转动的转动驱动器，换液时，培养皿本体放置在转动座上。
上述技术方案中，吸液针管与外部吸液装置连通，可以吸走废液；加液针管与外部细胞培养液输送机构连通，可以提供需要的培养液。上述技术方案的工作过程是：通过转运机械臂可以将培养箱中的培养皿本体取出，并将培养皿本体放置到培养皿工作台上，通过换液机构将吸液针头伸入培养皿本体进行吸液，吸液完成后，将加液针管伸入培养皿本体添加培养液，然后通过转运机械臂将培养皿本体送回培养箱中。上述技术方案中的整个换液过程实现了全自动换液，减少因为人工操作带来的操作误差与污染的风险。当转运机械臂将培养箱中的培养皿本体取出后，放置在固定座上，然后培养皿拨片可以将培养皿本体移动到转动座上，再通过转动驱动器使转动座转动倾斜，使培养皿本体倾斜，便于吸液针头将废液吸取干净，然后再通过加液针管进行加液，加液完成后，转动驱动器使转动座转动回水平，培养皿拨片可以将培养皿本体移动到固定座上，通过转运机械臂可以将培养皿本体送回培养箱中。
作为优选，所述转运机械臂包括平移机构、升降机构、转动机构和转运板，转运板固定在转动机构上，转动机构设置在升降机构上，升降机构固定在平移机构上。平移机构包括滑轨和直线驱动器，直线驱动器可以是气缸、油缸、推杆电机、电机驱动的丝杆螺母机构、电机驱动的齿轮齿条机构等，此处选用电机驱动的齿轮齿条机构；升降机构可以是气缸、油缸、推杆电机、电机驱动的丝杆螺母机构、电机驱动的齿轮齿条机构等，此处选用电机驱动的齿轮齿条机构；转动机构为电机。所述结构可以实现转运机械臂横移、升降以及转动的动作需要，转运板用于将培养皿本体托起。
作为优选，所述吸液针管上固定有吸液针头，固定台上设有针头摆放架，针头摆放架上设有若干个未使用的吸液针头。若干个未使用的吸液针头整齐排列。当培养皿本体上设有多个孔位时，为了避免每个孔位之间的相互污染，每个孔位内的废液吸取后，需要更换吸液针头，针头摆放架用于放置未使用的吸液针头。所述针头摆放架的周围设有定位柱，定位柱与固定台固定。
作为优选，所述吸液针管的外侧壁上设有卡环，吸液针管通过卡环与吸液针管上的吸液针头卡接。所述结构方便吸液针管与吸液针头卡接，吸液针头本身具有一定的弹性，通过卡环可以将吸液针头卡住。
作为优选，所述转动座的转动轴偏心设置在转动座下方，所述转动驱动器包括电磁铁，电磁铁固定在转动座下方，转动轴设置在转动座的重心与电磁铁之间，转动座下端与电磁铁对应的位置上设有磁吸块，电磁铁通电时，电磁铁与磁吸块接触。所述结构可以实现对转动座的转动，且转动结构简单可靠，成本低，控制简单，只需要一个电磁铁即可实现转动。且利用转动座本身的重力使转动座保持水平。
作为优选，所述转动座的下方设有调节基座，调节基座与固定台固定，调节基座上设有与调节基座螺纹连接且可上下调节的调节杆，调节杆的顶端与转动座的底端接触，调节杆与电磁铁设置在转动轴的相对两端。所述结构可以通过转动调节杆调节转动座的水平状态，便于设备调整。
作为优选，所述转动座的转动轴偏心设置在转动座下方，所述转动驱动器包括电磁铁，电磁铁固定在转动座下方，转动座的重心设置在转动轴与电磁铁之间，转动座下端与电磁铁对应的位置上设有永磁体，电磁铁通电时，电磁铁与永磁体相互排斥。所述结构可以实现对转动座的转动，且转动结构简单可靠，成本低，控制简单，只需要一个电磁铁即可实现转动。且换液过程中倾斜状态时间大于水平状态所需时间，因此电磁铁可以缩短通电时间，节约系统功耗。
作为优选，所述加液针管的下端设有加液针头，加液针头的下端向转动座倾斜后高度较低的一侧弯曲。所述结构可以使加液针头的出液口靠近培养基位于相对下方侧壁，使细胞培养液沿着培养基的侧面缓慢下流，避免液流过快冲走侧壁和底面上附着的细胞。
作为优选，所述转动轴上设有旋转阻尼器。所述结构可以使转动座转动时具有一定的缓冲，避免转动过快导致培养液晃动洒出。
作为优选，所述固定台上设有真空吸盘和吸盘升降机构，吸盘升降机构与固定台固定，真空吸盘与吸盘升降机构固定，真空吸盘设置在固定座的正上方。所述结构可以用于吸取培养皿本体上的盖子。
本发明的有益效果是：（1）使整个换液过程实现了全自动换液，减少因为人工操作带来的操作误差与污染的风险；（2）可以自动对吸液针头进行更换；（3）使加液针头的出液口靠近培养基的一侧的侧壁，使细胞培养液沿着培养基的侧面缓慢下流，避免液流过快冲走侧壁和底面上附着的细胞；（4）通过转动驱动器使转动座转动倾斜，使培养皿本体倾斜，便于吸液针头将废液吸取干净；（5）转动座的转动结构简单可靠，成本低，控制简单，只需要一个电磁铁即可实现转动，且利用转动座本身的重力使转动座保持水平。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明中转运机械臂的结构示意图；
图3是本发明的局部结构示意图；
图4是本发明中针头模块的结构示意图；
图5是本发明中培养皿工作台的结构示意图；
图6是本发明中废弃针头收集盒的结构示意图；
图7是实施例4的结构示意图。
图中：固定台1、转运机械臂2、平移机构2.1、升降机构2.2、转动机构2.3、转运板2.4、换液机构3、针头模块3.1、固定块3.1.1、加液针管3.1.2、吸液针管3.1.3、卡环3.1.4、吸液针头3.1.5、限位环3.1.6、加液针头3.1.7、移动驱动机构3.2、培养皿工作台4、固定座4.1、转动座4.2、转动轴4.3、容纳槽4.4、转动驱动器4.5、磁吸块4.6、限位块4.7、永磁体4.8、培养皿本体5、针头摆放架6、废弃针头收集盒7、脱针块8、限位槽8.1、培养皿拨片9、调节基座10、调节杆11、废液排放桶12、定位柱13、显微镜拍照工位14。
具体实施方式
实施例1：
如图1所示，用于细胞培养的自动换液装置，包括固定台1、转运机械臂2、换液机构3和培养皿工作台4、针头摆放架6；转运机械臂2用于移动培养皿本体5，转运机械臂2设置在固定台1上；如图2所示，所述转运机械臂2包括平移机构2.1、升降机构2.2、转动机构2.3和转运板2.4，转运板2.4固定在转动机构2.3上，转动机构2.3设置在升降机构2.2上，升降机构2.2固定在平移机构2.1上，平移机构2.1和升降机构2.2为电机驱动的齿轮齿条机构，转动机构2.3为电机。
如图1和图3所示，换液机构3设置在固定台1上，换液机构3包括针头模块3.1和用于移动针头模块3.1的移动驱动机构3.2，如图4所示，针头模块3.1包括固定块3.1.1、加液针管3.1.2和吸液针管3.1.3，加液针管3.1.2和吸液针管3.1.3固定在固定块3.1.1上，吸液针管3.1.3上设有吸液针头3.1.5；移动驱动机构3.2包括X轴移动机构、Y轴移动机构和Z轴移动机构，针头模块3.1固定在Z轴移动机构上，Z轴移动机构固定在Y轴移动机构上，Y轴移动机构固定在X轴移动机构上。X轴移动机构、Y轴移动机构和Z轴移动机构采用电机驱动的丝杆螺母机构。培养皿工作台4用于放置培养皿本体5。固定块3.1.1上固定有培养皿拨片9，培养皿拨片9用于横向拨动培养皿工作台4上的培养皿本体5。固定台1上设有废液排放桶12、显微镜拍照工位14、真空吸盘和吸盘升降机构2.2。废液排放桶12周围设有定位柱13，定位柱13与固定台1固定。显微镜拍照工位14上固定有与培养皿本体5适配的拍照固定座4.1。吸盘升降机构2.2与固定台1固定，真空吸盘与吸盘升降机构2.2固定，真空吸盘设置在固定座4.1的正上方。
上述技术方案中，吸液针管3.1.3与外部吸液装置连通，可以吸走废液；加液针管3.1.2与外部细胞培养液输送机构连通，可以提供需要的培养液。上述技术方案的工作过程是：通过转运机械臂2可以将培养箱中的培养皿本体5取出，并将培养皿本体5放置到培养皿工作台4上，通过换液机构3将吸液针头3.1.5伸入培养皿本体5进行吸液，吸液完成后，将加液针管3.1.2伸入培养皿本体5添加培养液，然后通过转运机械臂2将培养皿本体5送回培养箱中。上述技术方案中的整个换液过程实现了全自动换液，减少因为人工操作带来的操作误差与污染的风险。
实施例2：
如图1和图3所示，在实施例1的基础上，所述固定台1上设有废弃针头收集盒7，废弃针头收集盒7上方固定有脱针块8，若干个未使用的吸液针头3.1.5整齐排列。如图6所示，脱针块8上设有与吸液针头3.1.5适配的限位槽8.1，所述废液排放桶12周围设有定位柱13，定位柱13与固定台1固定。吸液针管3.1.3的外侧壁上设有卡环3.1.4，吸液针管3.1.3通过卡环3.1.4与吸液针管3.1.3上的吸液针头3.1.5卡接。固定台1上设有废弃针头收集盒7，废弃针头收集盒7上方固定有脱针块8，脱针块8上设有与吸液针头3.1.5适配的限位槽8.1。吸液针头3.1.5的上端设有限位环3.1.6，限位环3.1.6的外径大于限位槽8.1的宽度。废液排放桶12周围设有定位柱13，定位柱13与固定台1固定。
若干个未使用的吸液针头3.1.5整齐排列。当培养皿本体5上设有多个孔位时，为了避免每个孔位之间的相互污染，每个孔位内的废液吸取后，需要更换吸液针头3.1.5，针头摆放架6用于放置未使用的吸液针头3.1.5。吸液针头3.1.5本身具有一定的弹性，通过卡环3.1.4可以将吸液针头3.1.5卡住。所述技术方案可以用于使吸液针头3.1.5脱离吸液针管3.1.3，吸液针头3.1.5吸过废液后，需要进行更换，移动驱动机构3.2将吸液针头3.1.5移动到限位槽8.1下方，然后向上抬升针头模块3.1，使脱针块8挡住吸液针头3.1.5的上端，使吸液针头3.1.5脱离吸液针管3.1.3，落入废弃针头收集盒7中。定位柱13可以对废弃针头收集盒7进行定位和固定。
实施例3：
如图5所示，在实施例1的基础上，所述培养皿工作台4包括并排设置的固定座4.1和转动座4.2，固定座4.1与固定台1固定，转动座4.2与固定台1转动连接，转动座4.2的转动轴4.3与水平面平行设置，固定台1上设有驱动转动座4.2转动的转动驱动器4.5，换液时，培养皿本体5放置在转动座4.2上。转动座4.2的转动轴4.3偏心设置在转动座4.2下方，转动轴4.3上设有旋转阻尼器。转动驱动器4.5包括电磁铁，电磁铁固定在转动座4.2下方，转动轴4.3设置在转动座4.2的重心与电磁铁之间，转动座4.2下端与电磁铁对应的位置上设有磁吸块4.6，电磁铁通电时，电磁铁与磁吸块4.6接触。转动座4.2的下方设有调节基座10，调节基座10与固定台1固定，调节基座10上设有与调节基座10螺纹连接且可上下调节的调节杆11，调节杆11的顶端与转动座4.2的底端接触，调节杆11与电磁铁设置在转动轴4.3的相对两端。
固定座4.1设有用于容纳转运机械臂2的转运板2.4的容纳槽4.4。转动座4.2远离固定座4.1的一端设有用于限制培养皿本体5位置的限位块4.7。所述加液针管3.1.2的下端设有加液针头3.1.7，加液针头3.1.7的下端向转动座4.2倾斜后高度较低的一侧弯曲。
上述技术方案中，当转运机械臂2将培养箱中的培养皿本体5取出后，放置在固定座4.1上，然后培养皿拨片9可以将培养皿本体5移动到转动座4.2上，再通过转动驱动器4.5使转动座4.2转动倾斜，使培养皿本体5倾斜，便于吸液针头3.1.5将废液吸取干净，然后再通过加液针管3.1.2进行加液，加液完成后，转动驱动器4.5使转动座4.2转动回水平，培养皿拨片9可以将培养皿本体5移动到固定座4.1上，通过转运机械臂2可以将培养皿本体5送回培养箱中。所述结构可以实现对转动座4.2的转动，且转动结构简单可靠，成本低，控制简单，只需要一个电磁铁即可实现转动。且利用转动座4.2本身的重力使转动座4.2保持水平。
实施例4：
如图7所示，本实施例大部分方案与实施例3相同，不同处为：转动座4.2的重心设置在转动轴4.3与电磁铁之间，转动座4.2下端与电磁铁对应的位置上设有永磁体4.8，电磁铁通电时，电磁铁与永磁体4.8相互排斥。
所述结构可以实现对转动座的转动，且转动结构简单可靠，成本低，控制简单，只需要一个电磁铁即可实现转动。且换液过程中倾斜状态时间大于水平状态所需时间，因此电磁铁可以缩短通电时间，节约系统功耗。
本发明的有益效果是：（1）整个换液过程实现了全自动换液，减少因为人工操作带来的操作误差与污染的风险；（2）可以自动对吸液针头3.1.5进行更换；（3）使加液针头3.1.7的出液口靠近培养基的一侧的侧壁，使细胞培养液沿着培养基的侧面缓慢下流，避免液流过快冲走侧壁和底面上附着的细胞；（4）通过转动驱动器4.5使转动座4.2转动倾斜，使培养皿本体5倾斜，便于吸液针头3.1.5将废液吸取干净；（5）转动座4.2的转动结构简单可靠，成本低，控制简单，只需要一个电磁铁即可实现转动，且利用转动座4.2本身的重力使转动座4.2保持水平。

Claims (10)

1.用于细胞培养的自动换液装置，其特征在于，包括：
固定台（1）；
转运机械臂（2），其用于移动培养皿本体（5），转运机械臂（2）设置在固定台（1）上；
换液机构（3），其设置在固定台（1）上，换液机构（3）包括针头模块（3.1）和用于移动针头模块（3.1）的移动驱动机构（3.2），针头模块（3.1）包括固定块（3.1.1）、加液针管（3.1.2）和吸液针管（3.1.3），加液针管（3.1.2）和吸液针管（3.1.3）固定在固定块（3.1.1）上；
培养皿工作台（4），其用于放置培养皿本体（5），培养皿工作台（4）包括并排设置的固定座（4.1）和转动座（4.2），固定座（4.1）与固定台（1）固定，转动座（4.2）与固定台（1）转动连接，转动座（4.2）的转动轴（4.3）与水平面平行设置，固定台（1）上设有驱动转动座（4.2）转动的转动驱动器（4.5），换液时，培养皿本体（5）放置在转动座（4.2）上。
2.如权利要求1所述用于细胞培养的自动换液装置，其特征在于，转运机械臂（2）包括平移机构（2.1）、升降机构（2.2）、转动机构（2.3）和转运板（2.4），转运板（2.4）固定在转动机构（2.3）上，转动机构（2.3）设置在升降机构（2.2）上，升降机构（2.2）固定在平移机构（2.1）上。
3.如权利要求1所述用于细胞培养的自动换液装置，其特征在于，吸液针管（3.1.3）上固定有吸液针头（3.1.5），固定台（1）上设有针头摆放架（6），针头摆放架（6）上设有若干个未使用的吸液针头（3.1.5）。
4.如权利要求3所述用于细胞培养的自动换液装置，其特征在于，吸液针管（3.1.3）的外侧壁上设有卡环（3.1.4），吸液针管（3.1.3）通过卡环（3.1.4）与吸液针管（3.1.3）上的吸液针头（3.1.5）卡接。
5.如权利要求1至4任一项所述用于细胞培养的自动换液装置，其特征在于，转动座（4.2）的转动轴（4.3）偏心设置在转动座（4.2）下方，所述转动驱动器（4.5）包括电磁铁，电磁铁固定在转动座（4.2）下方，转动轴（4.3）设置在转动座（4.2）的重心与电磁铁之间，转动座（4.2）下端与电磁铁对应的位置上设有磁吸块（4.6），电磁铁通电时，电磁铁与磁吸块（4.6）接触。
6.如权利要求5所述用于细胞培养的自动换液装置，其特征在于，转动座（4.2）的下方设有调节基座（10），调节基座（10）与固定台（1）固定，调节基座（10）上设有与调节基座（10）螺纹连接且可上下调节的调节杆（11），调节杆（11）的顶端与转动座（4.2）的底端接触，调节杆（11）与电磁铁设置在转动轴（4.3）的相对两端。
7.如权利要求1至4任一项所述用于细胞培养的自动换液装置，其特征在于，转动座（4.2）的转动轴（4.3）偏心设置在转动座（4.2）下方，转动驱动器（4.5）包括电磁铁，电磁铁固定在转动座（4.2）下方，转动座（4.2）的重心设置在转动轴（4.3）与电磁铁之间，转动座（4.2）下端与电磁铁对应的位置上设有永磁体（4.8），电磁铁通电时，电磁铁与永磁体（4.8）相互排斥。
8.如权利要求1至4任一项所述用于细胞培养的自动换液装置，其特征在于，加液针管（3.1.2）的下端设有加液针头（3.1.7），加液针头（3.1.7）的下端向转动座（4.2）倾斜后高度较低的一侧弯曲。
9.如权利要求1至4任一项所述用于细胞培养的自动换液装置，其特征在于，转动轴（4.3）上设有旋转阻尼器。
10.如权利要求1至4任一项所述用于细胞培养的自动换液装置，其特征在于，固定台（1）上设有真空吸盘和吸盘升降机构（2.2），吸盘升降机构（2.2）与固定台（1）固定，真空吸盘与吸盘升降机构（2.2）固定，真空吸盘设置在固定座（4.1）的正上方。
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