CN115379900A - 模块化反应器系统和装置及其制造方法、以及执行反应的方法 - Google Patents

Abstract

本发明的方面提供了一种模块化反应器装置，该模块化反应器装置具有外壳体以及容纳在外壳体内的多个部件，这些部件包括：反应腔；流体通路，流体通路连接到反应腔；以及阀，阀被布置成控制装置内的流体的流动，其中，外壳体具有多个连接端口，连接端口提供从装置的外部到内部的连接，连接端口包括：流体输入部和流体输出部；电输入部；以及气动输入部；其中，电输入部或气动输入部连接到阀以提供对阀的控制，并且流体输入部或流体输出部连接到反应腔或流体通路。其他方面提供了一种用于接纳和控制模块化反应器装置的基站，以及用于制造该模块化反应器装置和用于使用模块化反应器装置执行反应的方法。

Description

模块化反应器系统和装置及其制造方法、以及执行反应的 方法

技术领域

本发明总体涉及模块化反应器系统和装置、制造这种装置和系统的相关方法、以及使用这种装置执行反应的方法。本发明特别地但不排他地涉及具有相似或相同的外壳的模块化反应器装置，在该外壳中容纳有一系列可选部件，特别地其中，可选部件使得模块化反应器能够被设计成执行特定的化学过程或生物过程，或者执行化学过程或生物过程的一部分。在一些实施例中，模块化反应器装置通过增材制造工艺制造。

背景技术

生物制造(也被称为“生物生产”)是广义的术语，用于描述在包括医药、食品以及能源的广泛领域中基于生物学的产品(“生物产品”)的制造。不同领域之间对货物成本、生产量等的潜在要求非常不同，因此对于所涉及的挑战有许多方法和解决方案。

除了商业要求(例如成本和生产目标)之外，对生物制造的相当大的影响来自用于开发生物产品的设计过程，设计过程将是生物制造的主题。在设计阶段所做的技术决定会对生物产品的制造能力产生重大影响，并且会限制可用于该制造的生物制造解决方案的范围。

此外，生物产品实现其期望的功能的能力可以很大程度上取决于生物制造硬件以及在该产品的制造中使用的过程控制。因此，重要的是要与生物产品的设计并行地开发生物制造过程，以确保生物制造过程能够以足够的精度和/或足够的量来生产生物产品，并且不会导致生物产品的不期望的特征。

因此，典型的生物制造过程是需要专业人员、技能以及知识的专业活动。此外，进行生物制造的现有方法的数量有限。这两个限制一起可能导致对生物产品的开发和可用性的显著限制。

大批量地制造的生物产品通常是在具有专业人员和装备的大型生物制造设备中制造的。然而，这需要大量的资本投资以用于专业的大型设备和装备，并且每个过程步骤通常需要专业人员。这也倾向于将能够从事这种生产的公司限制为那些具有可用资本和技能人员的公司。

在大批量地制造的情况下，生物制造过程开发的工作和费用可以是合理的，因为最终的规模经济将导致完成后商品的成本较低。

因此，虽然大批量的生物制造过程可能适合于大批量地生产的单个产品，但是可能例如在以小规模开始以及随后规模扩大的情况下，存在长的过程开发前置时间，以及由于必须的质量保证(quality assurance，QA)活动而导致的批次制造的相关前置时间，质量保证活动只能在整个批次制造之后进行。

由于基于生物学的方法越来越多地应用于例如医药、食品以及能源领域，因此，在这些领域内对利基应用的生物产品(例如个性化药物)进行裁制和定制具有增加的趋势。利基生物产品通常以小批量至中等批量进行制造。

然而，当需要小的产量的生物产品和/或期望生产大范围的替代生物产品时，可用的解决方案很少，这通常导致由高度训练的操作员手动地进行生物制造，从而对成本和吞吐量/生产速度产生影响。手动处理还可能增加可变的产品质量的风险。

此外，实施主要手动的生物制造解决方案将生物制造设备的地点限制于具有合适的专业装备和人员的集中的地点。由于利基生物产品(例如个性化药物)的最终用户/客户倾向于在远离集中的生物制造地点的、地理上不同的位置处，因此这是个问题。

由于无法i)在接近需要点以及ii)小批量的情况下执行生物制造，因此限制了最终用户以可负担的起的价格点获取利基生物产品的能力。由于在接下来的5至10年中在多个领域中越来越多数量的利基生物产品被开发，这种情况预计也将变得更加普遍。这导致了这样的情况：利基生物产品存在以服务未满足的需求，但是由于目前生物制造技术的限制而无法到达最终用户。

这种对小批量的生物制造的可用性的限制正在成为在应用生物学来解决对医药、食品以及能源的迫切需要方面的显著障碍。

虽然能够使用常规的实验室自动化来协助操作员进行常规操作(例如，机器人移液器并行地转移液体)，但这种实验室自动化过程主要基于现有的手动操作的自动化，因此只能直接影响总体制造过程中的单独的阶段。此外，这种实验室自动化仍然需要有技能的操作员为加工准备装备，并且由于前面讨论的原因，这种实验室自动化并不特别适合于小批量的制造。

目前无法使利基生物产品的小批量生物制造自动化是由以下基本问题中的一个或多个基本问题引起的：

·不易调整的通用的“一体适用”的解决方案。

·缺乏标准化-对于同一挑战存在许多不同的解决方案，但是这些解决方案来自多个制造商，互操作性或连通性有限(如果有的话)。

·从生物过程收集的数据与执行该过程的硬件/自动化之间的有限的反馈。

·目前的生物制造自动化解决方案是基于依赖规模经济的制造方法(例如注射成型)，并且不利于创建特定应用的、小批量的生物制造解决方案。

·大批量的制造方法对于复杂几何形状具有有限的能力，并且需要对微观尺度的几何形状和宏观尺度的几何形状进行单独处理。

·制造过程涉及大量的资本投资来委托和维护，这形成了规避风险的研发政策，新产品被限制于通过现有的制造基础结构来制造。这种情况可能导致产品按代际的迭代改进，而不能够使真正破坏性的开发商业化。

·依赖规模经济；大量的资本支出导致锁定现有的制造方法，压制了新的生物制造自动化解决方案的创新。

·利基生物产品的生产需求不一致并且是可变的，从而导致需要根据要求的/及时的生物制造。

·利基生物产品的最终用户通常在地理上是分散的，因此需要在确定的控制下在不同的地理位置执行生物制造，以确保最终生物产品的一致性。

·保持生物加工装备的无菌性，防止原材料污染。

·生物学的创新越来越多地受到软件和数据的驱动。然而，由于数据的使用变得越来越普遍，在收集重要的生物制造数据的能力与根据由数据提供的洞察力来执行以及更新生物制造协议的能力之间存在越来越大的脱节。造成这种情况的主要原因是目前生物制造解决方案的不灵活性，以及对固定的、不灵活的制造方法(例如注射成型)的依赖。

发明内容

本发明的方面寻求通过提供模块化反应器系统和装置和/或制造这种装置的方法和/或使用这种装置来执行反应的方法来解决以上问题中的一个或多个问题。

本发明的目的是提供一种新的生物制造方法，该生物制造方法使得能够根据需要对大范围的显著不同的利基生物产品进行生物制造，该生物制造理想地以小批量进行，并且优选地更接近使用点/需要点。

本发明的另一个目的是提供使得能够对大范围的显著不同的利基生物产品进行灵活的研究、开发以及设计的方法和系统。

本发明的另一个目的是在标准化的、紧凑的、易于使用的硬件上提供特定应用的生物制造解决方案，并且特别地使得能够在标准的硬件上执行多个显著不同的、冗长的且复杂的生物制造协议。

在最广泛的方面，本发明提供了模块化反应器装置，模块化反应器装置具有容纳在壳体内的选择的内部部件，壳体具有标准化布置的用于装置的外部与内部之间的连接的连接端口，连接端口与基站一起用于连接到这种装置以及控制这种装置。

本发明的第一方面提供了一种模块化反应器装置，该模块化反应器装置具有外壳体以及容纳在外壳体内的多个部件，这些部件包括：反应腔；流体通路，流体通路连接到反应腔；以及阀，阀被布置成控制装置内的流体的流动，其中，外壳体具有多个连接端口，连接端口提供从装置的外部到内部的连接，连接端口包括：流体输入部和流体输出部；电输入部；以及气动输入部；其中，电输入部或气动输入部连接到阀以提供对阀的控制，并且流体输入部或流体输出部连接到反应腔或流体通路。

在许多实施例中，该装置将包括多个部件，从而提供自足式的反应器。

在许多实施例中，装置将包括多个连接端口，从而使得能够与装置内的部件进行大范围的连接和/或对装置内的部件进行大范围地控制。

多个部件还可以包括存储室和连接存储室和反应腔的流体通路。存储室可以存储将用于由该装置执行的一个或多个反应的试剂。试剂从存储室到反应腔的流动可以由一个或多个阀控制。

在许多实施例中，部件中的至少一个部件(例如存储室或反应腔)包括用于化学反应或生物反应的试剂。因此，模块化反应器装置在执行一种或多种期望的反应所需的试剂方面可以是自足式的。这意味着可能不需要这种试剂的外部供应以用于反应器装置来执行一种或多种反应，这使得能够简化与操作反应器装置的基站或标准设备相接的接口。反应器装置的自足式性质还意味着反应器装置可以在非专用环境中使用和/或由非专业操作员使用，并且可以以根据需要的方式使用，而不需要考虑试剂的供应或存储。

多个连接端口还可以包括光学输入部或光学输出部。该装置可以包括光学部件，光学部件向该装置的其他部件中发射光(或其他电磁波)，或者从该装置的其他部件接收光。光学部件可以例如使得能够执行光敏反应，或者用于查询和/或监控反应的进展或特定部件的状态。

多个连接端口还可以包括热输入部或热输出部。该装置可以包括热元件，热元件被布置成对装置的其他部件或其他部分进行冷却或加热。热元件的示例是电加热器或热管。

优选地，部件包括多个阀，多个阀被布置成控制流体流向反应腔/从反应腔流出；和/或控制流体沿着流体通路流动。

在一些实施例中，阀可以具有可移动元件，可移动元件被布置成在流体路径中移动，使得可移动元件的位置阻塞流体路径或疏通流体路径。可移动元件可以至少在阻塞位置具有弹性尖端，以与流体路径的形状一致。

阀可以具有阀主体，阀主体的一部分具有大致管状结构，从而形成内部流动路径。阀主体可以具有至少两个与内部流动路径流体连通的孔口，以使得流体能够穿过管状阀主体从一个孔口流动到另一个孔口。孔口中的一个孔口可以形成在阀主体的端部部分上，并且孔口中的一个孔口可以形成在阀主体的侧壁中。阀可以被布置成使得形成在侧壁中的孔口的位置能相对于阀主体的端部部分移动。这可以使得可移动孔口能够相对于尖端在不同的位置之间移动。例如，这可以使得孔口能够在第一位置与第二位置之间移动和/或在孔口与不同的通路连通的位置之间移动，在第一位置处，孔口与流体通路流体连通，在第二位置处，孔口不与任何流体通路流体连通。这可以使得阀能够通过打开、阻塞和/或选择要进行的连接来控制流体通路之间的连接。

这些阀可以用于使得装置中的流体通路能够通风，从而使得流体能够沿着通路移动。在微型尺度上，这可能特别重要，在微型尺度上，如果不置换通路中的空气，流体就不能沿着通路流动，因此提供使得能够对流体通路进行通风(随后用空气填充)的机构对装置的运行可能是重要的。

在装置中可以存在多个流体通路，其中，一个或多个阀被布置成控制通路之间的流体连通，并且在装置中的部件之间沿着流体通路中的一个或多个流体通路输送流体。

流体通路中的一些流体通路可以被布置在网格元件中，使得网格具有与流体通路流体连通的多个输入/输出端口以及流体通路之间的多个交点。交点可以由阀控制，并且对控制交点的阀的集中控制可以使得能够选择穿过矩阵元件的流体通路到选择的输入/输出端口的路线。因此，网格元件和阀可以提供多个部件之间的可控制路线规划解决方案。

通过适当的控制，特定网格元件中的多个通路可以同时使用。控制器可以被布置成基于网格元件中的哪些其他通路已经在使用和/或容纳有流体来选择特定输入端口与特定输出端口之间的通路。

网格元件内的流体通路还可以为装置内的流体提供存储位置，例如用于暂时存储来自一个部件的流体，该部件正等待用于流体处理中的下一个阶段的另一个部件的空闲。

在一些实施例中，网格单元中的流体通路被布置成大致二维的阵列，例如被布置成菱形晶格构造。多个网格单元可以以分层的方式布置。阀可以被布置成使得一个阀可以控制多个层中的流体流动和/或允许/控制层之间的流体流动。

部件可以包括传感器。可以在模块化反应器装置中布置各种传感器，以监控例如反应的进展、装置内流体的移动、装置内的一个或多个部件的温度等。

多个连接端口可以包括传感器输出部，传感器输出部连接到传感器，以使得来自传感器的信息能够从外部传递到装置。这使得来自装置上的传感器的信息能够被传递到外部控制器，使得例如可以监控反应的进展，和/或对在反馈回路中调节的反应进行控制。

根据该方面的模块化反应装置可以提供特定应用的硬件，特定应用的硬件可以围绕特定生物制造协议要求进行优化。特别地，可以设计和制造单独的反应装置以执行单个反应或反应的组合，以生产特定的生物产品或化学产品，或者执行对样品的特定种类的分析。

因此，模块化反应装置为用于生物制造的小的、紧凑的且自动的硬件解决方案提供了可能性。

模块化反应装置的小型化可以使得反应装置能够以更接近使用点/需要点的方式更方便地分布和使用。

连接点以及连接点的构造在装置的外壳体上的标准化可以使得能够使用单个标准化基站或设备与所有的模块化反应装置进行联接，并且对所有的模块化反应装置进行供应/控制，而无需考虑单独的模块化反应装置的内部功能如何。

根据该方面的模块化反应装置可以通过增材制造工艺(“3D打印”)制造。这可以使得能够生产完全密封的模块化反应装置，这使生物产品或试剂从装置泄漏和/或污染装置中的内部工作空间的风险最小化。

该方面的模块化反应器装置可以包括上述优选特征和可选特征中的一些、全部的任何组合或不包括上述优选特征和可选特征。

本发明的第二方面提供了一种包括至少两个根据上述第一方面的模块化反应器装置的套件，该模块化反应器装置包括第一方面的可选特征和优选特征中的一些、全部或不包括第一方面的可选特征和优选特征，其中，在模块化反应器装置中的每一个模块化反应器装置中，容纳在外壳体内的部件的布置是不同的，并且在模块化反应器装置中的每一个模块化反应器装置中，连接端口的布置是相同的。

模块化反应器装置中的每一个模块化反应器装置的外壳体在尺寸和形状上可以是相同的。由于外壳体的物理布置是相同的，这使得模块化反应器装置能够与标准化接口一起使用，因此接口仅需要具有单一的构造以使得能够容纳所有的反应器装置。

替代地或另外地，可以提供附加的外壳，附加的外壳具有用于连接到多个模块化反应器装置的连接端口的连接器的布置，并提供与外壳自身的多个连接端口的适当连通。因此，外壳可以提供到标准化接口的标准化连接布置，同时各个模块反应器装置也以标准化的单一构造连接到外壳。

每个模块化反应器装置的外壳体还可以被构造成使得多个模块化反应器装置能够例如以线性(一维)构造或矩阵(二维或三维)构造彼此连接。以这种方式连接的模块化反应器装置能够彼此交换流体、信号等而无需流体、信号等穿过外部装置。

相互连接的多个模块化反应器装置的布置可以提供更大的处理灵活性，例如使得能够处理不同的流体体积或提供不同的标准化子过程，这些子过程可以被包括在总体过程中，装置的组合旨在执行该总体过程。多个设备的连接还可以使得能够实现设备功能方面的冗余，并且因此使得能够具有更高的可靠性。

在一些实施例中，模块化反应器装置在尺寸和形状方面仅在一个或两个维度上相同。由于一个或多个相同的尺寸，这种模块化反应器装置仍然可以与标准化接口一起使用，但是由于外壳体的尺寸可以在至少一个维度上变化，因此在模块化反应器装置的结构方面具有更大的灵活性，例如，期望在模块化反应器装置内包括更多的部件以执行一个或多个期望的反应。

本发明的第三方面提供了一种基站，该基站被布置成与至少一个模块化反应器装置接合，并且具有：对接部分，对接部分被布置成接纳模块化反应器装置；多个连接器，多个连接器以预定构造布置，以使得当装置被接纳在对接部分中时能够连接到在反应器装置上的预定构造的多个连接端口，连接器包括：流体输出部和流体供应部，电连接器，以及气动连接器；处理器，处理器被配置成控制流体、电能或电信号、以及气动压力或气动信号中的一种或多种的供应，以使反应器装置在反应装置内进行化学反应或生物反应。

通过具有预定的连接器布置，基站能够与具有对应的标准化构造的控制模块化反应器装置交互。这意味着单个基站能够根据所需的产品或反应来容纳和运行多个盒部。

基站可以容纳一个以上的模块化反应器装置，并且可以提供在与一个装置相关联的连接端口和与另一个装置相关联的连接端口之间的可选连接，使得反应产品可以在装置之间传递。

连接器还可以包括热连接器，并且处理器可以被布置成控制加热或冷却介质向反应器装置的供应。这可以使得反应器装置内的部件的温度能够被控制，并且将热量供应到反应区位(或者将热量从反应区位带走)，并且可选地，特定部件的温度被控制成保持在期望范围内。

连接器还可以包括光学连接器，并且因此处理器可以被配置成控制光能或光信号向反应器装置的供应，和/或被配置成接收来自反应器装置的光信号。光信号包括任意波长的电磁信号。光信号可以通过波导在模块化反应器装置内被引导到期望的位置。光信号可以用于向装置的特定部分提供辐射，例如以实现或帮助反应的执行，或用于感测目的。当用于感测时，可以供应光信号以照射特定部件或特定部件的内容物，光学传感器用于感测该照射的结果(例如反射、吸收、透射或荧光)。

处理器可以被配置成通过向反应器装置供应电能或电信号、或者气动压力或气动信号来控制由反应器装置实施的反应，以使反应器装置通过在反应器装置中的部件重复地处理小体积的流体。

重复地处理小体积的流体的基站可以精确地控制模块化反应器装置周围的流体的移动。流体可以以预定的单位量或预定的单位量的倍数移动，类似于集成电路中的包。

替代地或另外地，处理器可以被配置成使反应器装置或在反应器装置中的部件在规则的周期中执行多个操作，多个操作各自使模块化反应器装置内的预定量的流体同时在反应器的不同部分中被处理。该操作方法可以类似于集成电路中的“时钟周期”，以控制模块化反应器装置中的操作的计时。这可以使得各种动作能够彼此同步，并且使得能够对操作(例如流体移动)进行精确调度，使得操作根据期望而相继地或并行地发生。

处理器可以被配置成基于从模块化反应器装置接收的信号来控制反应。这可以使得能够根据所感测的反应进展来对反应的控制进行调整，或者在反应执行期间做出关于反应协议的决定。

该方面的基站可以包括上述优选特征和可选特征中的一些、全部的组合或不包括上述优选特征和可选特征。

本发明的另一个方面提供了一种包括至少一个根据上述第一方面的模块化反应器装置和根据上述第三方面的基站的套件，该模块化反应器装置包括第一方面的可选特征和优选特征中的一些、全部或不包括第一方面的可选特征和优选特征，该基站包括第三方面的可选特征和优选特征中的一些、全部或不包括第一方面的可选特征和优选特征。

本发明的另一个方面提供了一种制造模块化反应器装置的方法，模块化反应器装置用于执行反应以生产化学产品或生物产品，该方法包括以下步骤：确定执行反应所需的至少一种试剂；从有限范围的预定部件中选择包含在模块化反应器装置中的部件，并确定所述选择的部件在模块化反应器装置内的布置，以使得反应能够执行；通过增材制造工艺生产模块化反应器装置，模块化反应器装置具有：

外壳体，外壳体具有位于固定位置的多个端口，流体、电能或电信号、以及气动压力或气动信号通过多个端口能够被供应到模块化反应器装置；所述选择的部件，所述选择的部件以确定的布置被布置在外壳体内，并且彼此连接和/或连接到端口中的一个或多个端口；以及

所述至少一种试剂，所述至少一种试剂被存储在选择的部件中的至少一个选择的部件内。

通过提供有限范围的预确定的部件，这些部件可以标准化并且基于集中的测试和认证。

端口的固定位置使得能够在外壳体上制造标准化布置的端口，使得所有根据本方面的方法制造的模块化反应器装置可以与单个标准化基站(例如但不必须地，根据上述第三方面的基站)一起使用。

还可以通过集中地更新预定部件设计来快速地更新和修改模块化反应器装置的设计，从而对随后制造的装置自动地修改。

选择的部件可以包括：阀；反应器腔；以及流体通路，并且因此，确定的布置可以包括：所述流体通路将所述多个端口中的至少一个端口连接到反应器腔；并且用于供应电能或电信号的端口、或者用于供应气动压力或气动信号的端口连接到所述阀。

外壳体还可以包括端口，加热或冷却介质、和/或光能或光信号能够通过端口供应到模块化反应器装置。

本发明的另一个方面提供了一种制造模块化反应器装置的方法，模块化反应器装置用于执行反应以生产化学产品或生物产品，该反应需要至少一种试剂，该方法包括以下步骤：接收用于制造模块化反应器装置的计算机编码指令；使用增材制造工艺生产模块化反应器装置，增材制造工艺由处理器控制，处理器使用接收到的用于制造的计算机编码指令，模块化反应器装置具有：外壳体，外壳体具有位于固定位置的多个端口，流体、电能或电信号、以及气动压力或气动信号通过多个端口能够被供应到模块化反应器装置；所述选择的部件，所述选择的部件以确定的布置被布置在外壳体内，并且彼此连接和/或连接到端口中的一个或多个端口；以及所述至少一种试剂，所述至少一种试剂被存储在选择的部件中的至少一个选择的部件内。

在本方面的方法中，可以使用从制造地点远程存储的指令来制造模块化反应器装置。这可以使得在一系列不同地点对模块化反应器装置进行标准化制造。

本发明的另一个方面提供了一种制造化学产品或生物产品的方法，该方法包括以下步骤：接收模块化反应器装置和计算机编码指令，模块化反应器装置被特别设计成生产所述化学产品或所述生物产品，计算机编码指令被配置成控制所述反应器装置的操作；将接收到的反应器装置连接到基站，基站被配置成通过多个连接器向反应装置供应流体、电能或电信号、以及气动压力或气动信号，多个连接器以固定的布置来布置，以使得能够连接到在反应装置上的预定构造的连接端口；以及在所述基站中的处理器上运行计算机编码指令，使基站向反应器装置供应流体、电能或电信号、和/或气动压力或气动信号中的一种或多种，从而控制反应器，使反应器执行生产所述化学产品或所述生物产品的步骤。

本发明的另一个方面提供了一种制造化学产品或生物产品的方法，该方法包括以下步骤：接收模块化反应器装置和计算机编码指令，模块化反应器装置被特别设计成生产所述化学产品或所述生物产品，计算机编码指令被配置成控制所述反应器装置的操作，其中，模块化反应器装置包括至少一个传感器，至少一个传感器被配置成监控反应器装置中的试剂或反应的特征；并且模块化反应器装置被设计成使得能够执行多个替代反应通路以生产化学产品或生物产品，在所述模块化反应器装置中的处理器上运行计算机编码指令，使模块化反应器装置控制在模块化反应器装置中的流体流、电能或电信号、和/或气动压力或气动信号中的一种或多种，从而使模块化反应器装置执行生产所述化学产品或所述生物产品的步骤；从所述传感器接收信号，并且基于接收到的信号选择待遵循的替代反应通路中的一个替代反应通路；以及相应地控制模块化反应器装置，以使模块化反应器装置遵循选择的反应通路。

本方面的方法使得模块化反应器装置能够具有可以根据接收到的控制信号来实施的多个替代反应通路或协议步骤。可以基于从模块化装置内的传感器接收的一个或多个信号来选择遵循这些通路或协议步骤中的哪一个，该一个或多个信号可以例如是指示装置内反应的进展、装置内特定产品的数量或质量的信号。

本发明的另一个方面提供了一种制造化学产品或生物产品的方法，该方法包括以下步骤：接收模块化反应器装置和计算机编码指令，模块化反应器装置被特别设计成生产所述化学产品或所述生物产品，计算机编码指令被配置成控制所述反应器装置的操作；以及在所述模块化反应器装置中的处理器上运行所述计算机编码指令，使模块化反应器装置控制在模块化反应器装置中的流体流、电能或电信号、和/或气动压力或气动信号中的一种或多种，从而使模块化反应器装置执行生产所述化学产品或所述生物产品的步骤，其中，计算机编码指令被配置成使处理器控制模块化反应器装置以在规则的周期中执行多个操作，多个操作各自导致模块化反应器装置内的预定量的流体同时在反应器的不同部分中被处理。

本方面的方法使用规则的周期，规则的周期可以类似于集成电路中的“时钟周期”，以控制模块化反应器装置中的操作的计时。这可以使得各种动作能够彼此同步，并且使得能够对操作(例如流体移动)进行精确调度，使得操作根据期望而相继地或并行地发生。

使用“时钟周期”可以使得能够精确地控制模块化反应器装置周围的流体的移动。流体可以以预定的单位量或预定的单位量的倍数移动，类似于集成电路中的包。

本发明的另一个方面提供了一种制造化学产品或生物产品的方法，该方法包括以下步骤：接收用于制造模块化反应器装置的计算机编码指令以及被配置成控制所述反应器装置的操作的计算机编码指令，所述模块化反应器装置被特别设计成生产所述化学产品或所述生物产品；使用增材制造工艺生产模块化反应器装置，增材制造工艺由处理器控制，处理器使用接收到的计算机编码指令以进行制造；将制造的反应器装置连接到基站，基站被配置成通过多个连接器向反应装置供应流体、电能或电信号、以及气动压力或气动信号，多个连接器以固定的布置来布置，以使得能够连接到反应装置上的预定构造的连接端口；以及在所述基站中的处理器上运行用于控制的计算机编码指令，使基站向反应器装置供应流体、电能或电信号、和/或气动压力或气动信号中的一种或多种，从而控制反应器，以使反应器执行生产所述化学产品或所述生物产品的步骤。

在以上方面中的任何方面的方法中，模块化反应器装置可以是根据上述第一方面的模块化反应器装置，该模块化反应器装置包括(但非必须地)第一方面的可选特征和优选特征中的一些、全部或不包括第一方面的可选特征和优选特征。

以上方面的模块化反应装置、套件、基站以及方法使得能够单独地或组合地在生物制造和/或化学反应和生物反应的进行中具有显著的潜在改进。

特别地，以上方面的模块化反应装置、套件、基站以及方法使得能够在物理上小的解决方案上使用最少的资源来执行高复杂性的生物制造协议。模块化反应装置可以基于最有效的执行路线进行高度优化。

总体而言，本发明的各方面潜在地提供了相对于当前的现有技术的显著益处，例如物理上更小的设备以及减少的总体生物制造协议执行时间。

许多优点可以通过模块化反应装置内的功能器件的集成以及对该功能器件的控制来产生。

增材制造技术所实现的3D设计自由使得能够实现(流体和电子等)设备领域的紧密集成，这种紧密集成用常规制造方法是不可能实现的。这使得模块化反应装置能够围绕单独的测试化学成分进行定制，并且还减小了系统的总体物理尺寸，特别是与需要点/使用点应用相关的系统的总体物理尺寸。

不同功能器件的紧密集成也可以使得能够具有新的系统架构以及将更大的功能器件布置在模块化反应装置上，这可能导致在“设备”和“消耗品”之间的常规诊断系统界线的模糊。

三维地制造模块化装置功能器件可以使得现有的基于实验室的设备能够显著地小型化，并且集成单独的设备/工作流程。例如，新的3D架构导致不受常规2D制造技术的限制的、集成的整体3D盒部/设备/系统。

通过本发明的方面实现的总体小型化可以产生许多优点。这在使得复杂的生物制造协议能够在高度专业化的地点以外以及由不太专业的操作员使用方面可能特别有利。

较小的潜在体积(例如100ml或更小的反应腔)可以提供更好的过程控制，从而提供更高质量的输出。

由于模块化反应装置的特别应用和对更少量的输入/输出材料的需要，模块化反应装置可以以更小的物理体积制造。这使得能够在一个3D打印批次中制造多个单元，这可以导致更低的单元成本。

在需要较大体积的产品时，多个(可能相同的)较小的装置可以并行操作。

以上方面的显著益处中的许多显著益处来自于使得能够实现在模块化反应装置、基站以及用于制造和操作这些装置和基站的方法方面的标准化。

例如，本发明的共用数字方面可以通过将大规模生产过程的低单元成本与针对最终用户的单独定制的灵活性相结合来实现大规模定制。大规模定制还使得能够对现有设计进行重新构造，以适应在每个应用区域中的不同用户的不同应用需求。

例如，可以维护部件或部件的组合的库，使得每个新的模块化反应器设计不必从零开始，而是可以使用具有已知功能器件的已反复测试的“构建块”。这可以实现系统元件的优化和成熟，减少每个新变型所需的重新设计的程度。

这种共用部件/模块/解决方案的库还可以减少较小的生物产品开发商的自动化障碍，从而提高利用生物制造的多个领域的总体成功。

由以上方面提供的标准化使得能够相对不复杂地创建专有生物制造解决方案，并且可能意味着利基生物产品开发商不需要在时间和资本方面昂贵的定制的生物制造设备或者潜在地不是最佳的多种成品生物制造解决方案。

进一步的优点可以来自模块化反应装置的可配置性。

例如，通过具有“模块”库的标准的模块化反应装置架构和使用数字编辑能够为每个生物制造领域创建特定应用的解决方案，从而轻松地创建特定应用的设计。

这可以导致减少需要创建新的系统设计的开发工作。

这还可以降低创建多领域(流体领域、电子领域、光学领域等)的仪器所需的技能水平。特别地由于在这些装置的设计制造、建造以及测试中需要许多不同类型的专业知识，因此，采用微流体和其他混合半导体/生物技术的主要障碍中的一个障碍是设计这些装置的复杂性。

本发明的方面还可以提供生物制造性能的改进。

因为由于集成的和小型化的盒部的小的物理尺寸和部件的紧密物理接近，盒部更快地执行操作，因此使用以上方面的模块化反应装置和套件的系统性能可以很高。

本发明的方面可以使复杂过程(例如生物生产)所需的基础结构最小化，并且使技术水平较低的用户能够更容易地实现自动化。

特别是在传感器可以作为以上方面的增材制造工艺的一部分而被集成制造的情况下，根据以上方面的模块化反应器装置和套件可以以相对低的附加成本来集成多个传感器。这可以使得能够对装置中的一个或多个反应进行更密切的过程监控。

在装置的制造中使用增材制造原理可以使得部件(例如具有反应腔的加热元件或具有包括流体的元件的光学传感器)能够在装置内非常紧密地集成，从而提高性能和效率。

通过3D打印实现的模块化反应器装置设计可以确保盒部内完全封闭的环境，从而保持生物制造环境的无菌性并且防止污染。

根据以上方面的模块化反应器装置和套件可以在执行一个或多个反应协议期间集合多个过程中测量。根据以上方面的模块化反应器装置和套件可以使用自适应过程控制算法来确保最终生物产品的质量在预定的质量限度内，而不考虑原材料(例如，来自病人的样品)的质量。

本发明的方面还可以提供生物产品开发的改进。

根据本发明的方面的模块化反应装置提供了共用设备，共用设备可以使得能够在生物产品研发与生物产品的生物制造之间进行无缝过渡。

利基生物产品的设计和制造可以由多个合作伙伴潜在地在不同的地理位置通过使用标准化的平台来并行地开发和工作。

本发明的方面还可以提供生物制造过程的改进。

用于制造大批量的生产设计和原型的共用平台使得能够从研发更顺利地过渡到生产，从而降低了复杂性和成本。

本发明的方面可以使得生物产品设计在开发早期考虑到生物制造要求和能力，以使得能够具有更高质量的生物制造过程和潜在地降低的成本。

通过使用以上方面的方法和途径，由于一个灵活的制造平台取代了特定产品的工具和设置，因此可以显著地降低生物制造设备的资本支出。

在生物制造地点使用标准化的设备或基站可以减少总体供应链，从而降低制造物流的复杂性以及待存储的原材料的量。

反应装置和基站的标准化可以使得生物制造协议能够扩大/缩小，而不需要为不同的生产量来重新设计和重新限定制造过程。

由模块化反应装置和基站的集成所提供的“灵活但标准”的方法使得能够在单一的位置以体积无关的、根据需要的、自动化的方式来制造大范围的生物产品，从而减少成本管理(例如，在制造每一批之前需要对不同的生物制造协议进行再培训)。

通过模块化反应装置、套件以及基站提供的物理紧凑性和自动化的解决方案可以使得生物制造不再局限于大的昂贵的洁净室。这可以使得能够在更接近需要点/使用点的各种不同位置处进行生物制造。

如上所述，存在由潜在的小型化带来的益处，然而根据本发明的实施例的装置连接在一起的能力(以及在装置和装置所匹配的基站标准化的情况下这可以容易地实现)可以提供并行地使用多个设备的能力。这提供了灵活性，以适应不同利基生物产品的不同生产需求，并且可以使得能够扩大反应过程，同时保留中心制造的益处，并且不需要特别的使用点环境和/或操作员。

例如，根据以上方面的模块化反应器装置和基站以及模块化反应器装置和基站的组合可以使得能够通过应用类似集成电路的操作和模拟技术/特征来并行地执行复杂的生物制造协议。这又可以使得能够具有生产量灵活性，使得能够制造用于所考虑的应用的正确的所需的量的治疗/产品。

对每个生物制造子过程使用较小的物理流体体积可以通过监控较小的液体体积来实现更大的过程监督。

由于所使用的制造方法和具有标准化的部件和连接点的标准化反应装置的使用，能够根据需要生产反应装置。这减少了大规模生产生物产品以实现规模经济的需要，并提供了根据需要以实时的方式制造的能力，以适应用户需求。这与目前的现有技术显著不同，在现有技术中，生物产品需要大量制造以实现规模经济，然后在使用前进行存储。

反应装置、基站以及操作方法的标准化可以使得能够在广泛的地理区域上的一系列地点重复地且一致地制造化学产品或生物产品。

本发明的方面可以使得能够更快地开发和制造生物产品，并且使得生物产品能够更快地到达最终用户，这对于诸如医学的领域特别有利，在医学领域中，本发明使得能够将新的治疗方法更快地转化到临床和患者的手中。

根据本发明的方面的模块化反应装置的物理紧凑性和自动化性质可以使得生物制造过程被布置得更接近最终用户，从而减少对生物原材料的处理风险，减少制造提前时间，降低成本，同时消除污染风险，并且增加生物制造工艺的可重复性。

本发明的方面还可以随着潜在的3D制造技术的改进而实现持续的改进。这使得每个新一代的系统都有显著的改进，从而进一步改进系统的性能。

3D打印分辨率的未来的提高将使得能够减小盒部功能器件的物理尺寸。对于给定的盒部设计，这将为持续的成本降低/性能升级提供两种选择：在保持性能的同时减小系统尺寸；或者保持系统尺寸，同时增加其他的性能(例如，在单个包装中进行多个生物制造过程)。

组成模块化反应装置的特定应用的硬件可以随着时间的推移基于设备使用反馈的过程数据来修改。这种修改可以包括使用人工智能(artificial intelligence，AI)技术和机器学习(machine learning，ML)技术来优化特定装置的设计。

附图说明

现在将参照附图以示例的方式来描述本发明的实施例，在附图中：

图1是形成本发明的实施例的各种部件之间的层次关系的示意图；

图2是对本发明的各个方面做出贡献的益处和使能器的概述；

图3是根据本发明的实施例的盒部的模块化架构的各种部件的示意图；

图4A和图4B是示出根据本发明的实施例的盒部的一些关键物理特征的示意图；

图5A和图5B是示出根据本发明的实施例的盒部的示意图；

图6是示出图5A和图5B的盒部的主要功能器件的示意图；

图7是图5A和图5B的盒部的平面图和侧视图，示出了可以如何对不同的芯部和缓存部模块进行寻址；

图8示出了试剂存储装置如何被布置在图5A和图5B的盒部中；

图9示出了流体总线(bus)如何被布置在图5A和图5B的盒部中；

图10示出了子总线在图5A和图5B的盒部中的定位；

图11示出了芯部装置在图5A和图5B的盒部中的布置；

图12示出了缓存装置在图5A和图5B的盒部中的布置；

图13示出了在图5A和图5B的盒部中使用的各种阀的构造；

图14是示出多个阀如何以多路复用器型布置来组合的示意图；

图15示出了多个阀如何作为蠕动泵运行；

图16示出了热敏电阻在图5A和图5B的盒部中的布置；

图17示出了加热器在图5A和图5B的盒部中的布置；

图18示出了在图5A和图5B的盒部中的热元件的替代构造；

图19示出了在图5A和图5B的盒部中的总线回路的示例；

图20示出了在图5A和图5B的盒部中的子总线回路的示例；

图21示出了在图5A和图5B的盒部中的芯部/缓存部回路的示例；

图22示出了在图5A和图5B的盒部中的光学回路的示例；

图23示出了在图5A和图5B的盒部中的PCR反应区位栅部的示例；

图24示出了在图5A和图5B的盒部中的主盒部总线栅部的示例；

图25示出了在图5A和图5B的盒部中的PCR实验模块的示例；

图26示出了模块和栅部如何装配到根据本发明的实施例的盒部中；

图27示出了根据本发明的实施例的标准设备或基站；

图28是根据本发明的实施例的标准设备的实施例的控制架构的示意图；

图29示出了图27的标准设备的盒部模块；

图30示出了图29的盒部模块的关键功能器件；

图31示出了图29的盒部模块的电子和热接口部分的布置；

图32示出了图29的盒部模块的气动接口的安装的布置；

图33更详细地示出了图32的气动接口；

图34示出了确定液体包尺寸的方法；

图35示出了在本发明的实施例中使用的液体包和指定的标识符；

图36示出了确定时钟周期长度的方法；

图37示出了对标准化操作进行调度的方法；

图38示出了在用于根据本发明的实施例的操作方法的调度中使用标准化操作的示例；

图39是用于根据本发明的实施例的实验的执行的协议执行计时示意图；

图40是盒部设计工作流程步骤的概述；

图41是盒部设计和开发工作流程步骤的概述；

图42是盒部制造过程步骤的概述；

图43是在使用盒部期间的处理步骤的概述；

图44是当在盒部上执行反应时协议执行步骤的概述；

图45是在图44中示出的工作流程的每个实验中的子步骤的示意图；

图46是在硬件使用之后的工作流程的概述；

图47示出了流体通路的网格布置的示例；

图48示出了流体通路的三维网格布置的示例；

图49示出了可以用于本发明的实施例的一类型的阀的运行部分；

图50示出了两个在图49中示出的类型的阀的布置，这两个阀被布置成允许并且控制流体流动；

图51示出了两个根据本发明的实施例的盒部的并排的布置；以及

图52示出了具有标准接口部件的盖子如何围绕根据本发明的实施例的盒部布置。

具体实施方式

本发明的实施例利用了增材制造(也被称为3D打印)的益处，并且因此具有数字领域和物理领域中的多个元件和模块。

在以下的实施例中更详细地描述的元件和模块可以被视为被布置成如在图1中所示的被称为“堆栈(stack)”的抽象层次的架构。该架构基于在集成电路(IntegratedCircuit，IC)领域中所采取的方法，并且使得“堆栈”的每个方面能够解耦，以使得能够对每个方面单独地进行修改和开发，同时仍然确保每个层彼此的兼容性。

总体的硬件架构(图1中的实线)沿着“模块”和部件的库限定，“模块”和部件的库可以重复使用以改进性能和可靠性，模块之间的接口也在硬件架构中限定。

该方法降低了设计复杂性，因为低层的细节被“黑箱化”，这使得能够在硬件的每个方面实施设计、开发以及优化工作，而不需要考虑在整个“堆栈”中的影响。

堆栈的数字方面(图1中的虚线)覆盖(overarch)硬件，并且包括从顶层设计工具(生物制造协议、和设计/模拟工具)到控制硬件的嵌入式代码(操作方法)的与生物制造协议的执行相关的不同的层。

数字编辑工具在整个堆栈中使用，并且由于使用了如3D打印的基础数字技术，使得能够实现一种总体方法，该总体方法减少了与开发新的特定应用的生物制造解决方案相关的设计工作和风险。

这种方法的益处意味着本发明可以利用由3D打印赋予的设计自由来为每个生物制造协议创建多个解决方案，然而每个特定应用的生物制造解决方案仍然可以在标准化硬件上运行并执行标准的软件控制协议。

此外，抽象观点还使得设计活动(例如功能电路设计)能够与“后端”过程(例如物理实施和盒部制造)解耦。

架构的抽象方法还使得能够对技术“堆栈”的不同方面进行持续改进，而不需要在实施每个改进时进行基础的重新设计。因此，本发明的架构具有使得多个小的改进并行发生、从而提供较大的累积性能改进的益处。

在技术架构的每一层下方是建立在彼此之上以实现本发明实施例的多个使能器和益处。在图2中提供了在堆栈的每一层处的使能器和益处的概述。

所列出的由3D打印/增材制造技术的特征引起的益处中的一些益处包括：设计自由、嵌入功能器件的能力、超个性化和适合于少量制造。

3D设计自由使得功能器件能够小型化并且集成到新的系统架构中，从而产生物理上更小的生物制造解决方案，以便在更接近使用点/需求点处使用。

数字制造还具有“免于复杂性”特征，这使得能够通过3D打印过程创建多种不同的硬件选择。该特征使得能够以几乎为零的成本将生物制造协议所需的尽可能多的特征/功能添加到硬件设计中。这与设备的常规制造方法形成对比，在设备的常规制造方法中，增加附加特征/功能会增加成本、零件数量以及制造复杂性。

同时的并且紧挨着聚合物材料打印导电材料的能力使得能够在同一制造过程中同时制造多领域解决方案(例如，以下更详细地描述的加热器和流体反应容器部件)。这使得装置的功能器件能够在制造过程期间被植入。

超个性化或“大规模定制”是通过数字制造实现的，并且使得能够创建许多不同的生物制造技术解决方案，这些生物制造技术解决方案仍然可以在硬件上的标准接口内适用。这使得能够实现关于以下实施例进一步描述的“标准但灵活”的方法。

数字制造也是“量无关”的，因为设计的一个单个的单元可以被制造，或者大批量的相同的设计可以被制造。也能够在一个单个的制造运行中制造许多不同的设计，以使生产效率最大化并且利用最大生产能力。

标准化基站或台式设备的使用为特定应用的盒部的运行提供了接口。该设备可以是具有标准化的盒部接口的，在物理上小的、自动化的、桌面安装装置，以使得能够实现一个“通用”设备而无需考虑生物产品和生物制造协议。

这种标准化使得一个装置能够通过标准接口来运行各种生物制造盒部，该标准接口能与所有盒部一起运行。

特别地，台式设备可以通过以随机访问的方式并行运行的不同的盒部来同时执行多个生物制造协议。这种“即插即用”类型的方法使得低技能的用户能够以最小的干预在自动化设备上有效地执行生物制造协议，实际上仅需要用户插入特定的盒部，启动该盒部的处理，并且在由盒部实施的处理完成时返回。

该设备具有内置的图形用户界面(Graphical User Interface，GUI)，图形用户界面除了收集生物制造过程分析数据之外，还用于提供正在实施的生物制造协议的进展概述，生物制造过程分析数据可以(通过无线连接或固定连接)传输到基于云的数据库。

设备和单独的盒部的“标准但灵活”的特征有效地使得一个设备能够用于各种生物制造协议。用于每个生物制造协议的硬件定制被容纳在仍然具有标准化设备接口的盒部中。

本发明的实施例利用集成电路(IC)工业的原理，在集成电路工业中，在物理上小的封壳中容纳非常小型化的且集成的功能器件是常见的挑战。因此，本发明的实施例包括微系统架构，微系统架构具有例如被设计成以最小的基础结构来执行复杂程序的总线、芯部、缓存部等特征。

本发明的实施例提供了模块化盒部，该模块化盒部具有反应器功能器件，以使得能够在盒部中实施一个或多个生物制造协议。特别地，使用通过3D打印获得的自由度以及采用与IC工业的架构类似的架构使得能够进行集成和小型化，从而导致更多的硬件/基础结构，这使得能够在一个给定的时间内在物理上更小的封壳中实施更多的操作。

盒部架构的模块化方法使得“模块”能够根据需要而被添加/编辑，以创建特定应用的生物制造协议。

此外，可以通过软件从专有模块库中选择模块。用于常规生物制造步骤的标准模块减少了盒部设计工作。可以创建新的模块以保护专有的生物制造步骤并使得能够进行专有的生物制造步骤。

在外部，无论盒部是为哪种特定应用而设计的，盒部具有连接到台式装置的标准接口，该标准接口具有相同的接口部件(例如端口和连接器)布置，而盒部内部针对特定的制造协议进行定制。

模块化方法可以使可靠性最大化，同时减少工程开发工作。

盒部架构还被设计成可缩放，以使得能够利用微流体或微流体方法，以减少流体体积并且改进过程控制。

可以为不同的生物制造应用创建一系列的盒部设计或“引擎”，不同的生物制造应用各自具有带有已知性能的特征性的“基线”设计。从已知的盒部性能基线出发获得的益处包括改进的可靠性、减少的开发风险以及减少的工程开发工作。

对3D打印的“免于复杂性”方面的进一步利用是在盒部内添加冗余功能器件，冗余功能器件可以适应生物制造协议内的多个场景，即使在协议执行期间可能不会使用一些功能器件。这与常规生物技术消耗品和微流体形成对比，在常规生物技术消耗品和微流体中，更大的复杂性/功能器件通常导致更大的成本，因此相继地实施批量操作。

冗余功能器件使得能够在执行生物制造协议时具有灵活性，并且使得能够具有在生物材料被处理时响应于生物材料的行为的能力。

例如，特定的生物制造协议可以具有四个可能的执行路线，四个可能的执行路线中仅一个执行路线将被完全执行以生产期望的产品。然而，在协议开始时可能不清楚哪一个执行路线将被执行。在本发明的实施例中，一个盒部设计容纳了所有的四个替代协议执行路线。虽然仅25％的盒部功能器件可能被使用，但是不清楚是哪25％的盒部功能器件可能被使用，所以所有可能的选择都被容纳。下面将更详细地描述该可选功能器件。

通常，生物制造是以大的体积(例如1L、5L、50L等)实施的。然而，大部分生物制造过程需要高级别的过程控制，因此，希望将大的流体体积分成较小的流体体积。例如，根据所需的步骤，1L的体积可以分成2个500ml、4个250ml或者5个200ml的体积。

更小的流体体积使得能够更大程度地控制生物制造子过程(和子子过程)，从而导致对子过程执行的更大程度的过程控制，并且导致最终生物产品的更高的质量级别。

在一些实施例中，高复杂性盒部和减少的流体体积的组合使得能够并行地实施更多操作。例如，多个较短的路径可以并行地输送单独的试剂，而不是在较长的流体路径中一次输送一种试剂。

高复杂性的盒部和减少的液体体积使得能够将生物制造协议分成许多子过程和子子过程。这又使得能够对资源的调度和使用进行更大程度的控制，并且使得能够以与现有技术相比完全不同的方式实施生物制造协议；

例如，大的步骤和/或操作可以被分成具有更大量的较小操作的子步骤和子子步骤，每个子步骤和子子步骤在尽可能短的时间内实施。这可以使得能够对一些操作进行并行处理，并且可以利用以上讨论的3D打印的“免于复杂性”的益处。

并行运行在集成电路领域也是常见的，在集成电路领域中，已经开发了诸如过程时钟、资源调度以及核线程的技术。类似技术在生物制造领域中的应用可以使得能够使用高复杂性的盒部并行地优化地执行复杂的生物制造协议。

类似地，来自IC领域的技术(例如模拟)适用于本发明的实施例的生物制造装置和过程。通过使得高复杂性的系统能够分解成更易于处理的子任务，这些技术使得能够在物理制造之前在吞吐量、总体复杂性、成本等方面对设计进行分析，包括：用子系统的功能性宏观模型进行架构系统模拟，用流体、电子、热等元件的集总参数节点模型进行电路元件模拟。

因此，本发明的实施例包括系统级别的性能分析方法，并且结合来自多个学科的现象学定律，以表征从总体应用执行到系统架构再到单独部件运行的动态行为。

用于实施盒部中的协议的指令可以以多种方式执行，这些方式可以根据需要以自适应的方式自动修改。通过从盒部中的各种传感器获得的反馈和这些传感器创建的过程中分析数据，能够实现自适应的协议执行。位于基站中的计算机控制器能够作用于该过程中数据，并且调整总体协议执行以进行适应。这使得能够例如容纳各种质量的原料。

这种方法可以包括使用盒部，该盒部具有容纳用于多个生物制造协议执行场景的冗余功能器件的能力，即使最终发生一个执行场景，并且仅需要使用少量的总体盒部功能器件。这种容纳不同协议执行选项的内在能力为总体过程控制提供了高度的灵活性。这还使得能够针对早期的协议步骤并行地执行多个协议执行路线，然后针对后期的生物制造协议步骤执行单个最优执行路线。

因此，该技术平台能够容纳可变质量的起始原材料(例如，从患者获得的生物材料)。因此在选择最优路线之前，在早期的协议步骤中可以探索多个协议执行路线。

由该功能器件产生的益处也适用于使用附加的技术和方法(例如机器学习和人工智能)来确定优选执行场景或最佳执行场景。来自单独盒部的运行的数据也可以反馈到中心位置，以用于这种技术的持续改进。

实际上，存在着在每个盒部中实施许多传感器以收集运行数据的选项。传感器在盒部设计阶段被识别，并且可以针对该生物制造协议所需的特定参数进行特定设计。收集对于每个协议的每个步骤特定的大量元数据有利于AI/ML的长期使用和训练集的创建。

盒部硬件的固有的灵活性提供了在单个设备或基站上将多个盒部连接在一起的能力。例如，这可以用于执行复杂的生物制造协议(即两个盒部有效地充当“超级盒部”)或者同时执行可能需要在相同的时间或以受控的方式(例如，批量2应该在批量1已经生产之后(而不是之前)X小时可获取)同时执行的两个批量的相同的生物制造协议。

在同一设备上使盒部一起联网的能力提供了很大程度的灵活性，这使得一个单个的设备能够具有运行例如5个单独的生物制造协议(每个协议具有不同的盒部)的能力，或者通过5个连接的且同步的盒部来运行1个非常复杂的生物制造协议的能力。

应当理解，提供并行的或连接的盒部的数量的以上示例仅用于说明，而不应被视为限制性的。本领域技术人员将通过本描述理解，原则上可以并行地或组合地执行任意数量的盒部，这仅受到基站或设备的设计的限制。

类似地，虽然以上描述已经聚焦于在单个设备或基站上运行的多个盒部，但是该联网能力并不限制于盒部到盒部的基础上，还适用于设备到设备的级别，有可能使多个设备一起联网。例如，高度复杂的生物制造协议可能需要十五个子过程，每个子过程本身都很复杂。这可以通过使三个设备一起联网来实现，三个设备各自能够容纳五个盒部，从而使得能够并行地同时执行期望的十五个子过程。

在一些实施例中，数字联网能力可以用于使得多个在地理上不同的盒部和/或设备能够在虚拟网络中连接，以使得能够执行分散的大规模实验。这种布置对于生物产品的研发可能特别有用，在生物产品的研发中，实验空间可能非常大，在一个地方并行进行大量实验的能力是具有挑战性的。

生物制造协议与设计/模拟

3D打印从根本上说是数字技术，因此通过等底层数字技术(例如3D打印)来制造生物制造硬件使得能够在生物制造过程数据和使用的硬件之间建立直接联接。这使得能够基于实际生物制造数据来优化生物制造硬件，并且可以克服当前不灵活的生物制造解决方案的问题。

通过使用数字编辑工具来集成在该部分描述的本发明的各种元件，并且使得能够形成特定应用的生物制造硬件，从而使得能够在生物制造过程数据与生物制造硬件之间建立联接。

使用数字编辑工具可以具有显著的益处，例如能够以数字方式为每个特定的生物制造协议设计和模拟不同的生物制造硬件选项。该方法可以减少与开发新的特定应用的生物制造解决方案相关的设计工作和风险。

在本发明的实施例中提供的数字工具包括：生物制造过程编辑器软件程序，生物制造过程编辑器软件程序通过从现有的制造“模块”创建高级别的生物制造协议来指导非专业人员(即那些不具备深入的生物制造知识的人员)；以及硬件设计编辑器，硬件设计编辑器将该过程编辑器的输出转换成可以在设备上使用的物理盒部设计。

一旦特定应用的生物制造盒部已经被设计、开发以及制造，通过盒部的使用而生成的数据将发回到数字工具中，从而使得能够识别生物制造协议的优化机会。因此，这使得能够利用生物制造过程数据与生物制造硬件之间的数字联接来更新底层的盒部设计。

数字工具被保存在中心平台上，从而使得多个外部团体比开发他们自己的内部产品/解决方案更快、更迅速、更便宜地构建特定应用的生物制造解决方案。

具有多个外部合作伙伴使得该平台能够汇集整个生物制造领域的学习和发展。通过减少开发时间、开发工作和开发成本，并且使得合作伙伴能够通过平台更有效地(与没有平台相比)取得进展，这可以提供显著的益处。这还可以通过使用经过验证的模块和解决常见挑战的解决方案来降低技术风险。

PCR盒部实施例

现在将描述根据本发明的实施例的模块化反应器或“盒部”的实施例。在图1中示出的层次的背景下，这是“硬件-盒部”的实施例。

该实施例的盒部被布置成执行PCR，并且体现了在该文献前面讨论的多个使能器。

3D打印的益处(“免于复杂性”等)使得3D打印功能器件(例如流体功能器件、电子功能器件等)能够在单独盒部内高度地小型化和集成。为了使小型化和集成的益处最大化，提供了一些技术，这些技术是从集成和小型化是常规挑战的其他技术领域(特别是集成电路工业)中改造的。

盒部设计是基于在常规集成电路(IC)架构中使用的拓扑结构。IC架构的已经被调整以用于在本实施例的盒部中实施的关键特征包括：

·环形总线，环形总线使得能够围绕IC并行地传输数据“包”。

·多个芯部，多个芯部各自是装置的用于实施(计算)任务的执行的特定区域。

·多个缓存部。每个芯部具有一个或多个缓存部，在使用之前将数据包存储在芯部附近，在执行之前的计算任务时将数据包传输到芯部。恰好在使用前将数据包保存在芯部附近加快了计算任务的执行，并且减少了总体系统延迟。

·时钟周期。IC与执行计算任务的芯部并行地执行多个数据包的传输和存储操作，所有这些操作都由系统时钟同步化，这有助于确保所有IC资源的最佳使用。

应当理解，该实施例的高复杂性PCR盒部仅作为形成本发明的实施例的许多可能的盒部的示例来提供的。根据特定实施例的盒部遵循具有多个共同特征的共同架构，多个共同特征包括盒部的模块化架构、标准盒部框架、标准盒部包以及寻址惯例。

盒部模块化架构通过限定层次中的不同级别(例如如在图3中示出的装置、回路、栅部以及模块)使得能够具有许多盒部变型。

硬件级别和接口的限定使得硬件和软件更容易交互操作。该标准化使得盒部、设备以及协议具有通用性，同时使得能够集成特定应用模块。

盒部模块化架构还使得能够具有向后兼容性，使得能够重复使用不同的盒部元件(例如装置、回路、栅部以及模块)，以减少开发新的特定应用盒部的时间、工作和成本。

标准盒部框架是单个框架，该单个框架为特定应用、特定生物产品研发实验、特定生物制造协议、多种流体体积和/或特定化学合成反应(例如小分子药物中的API制造)提供可无限配置的盒部范围。

盒部全部提供了标准化特征以及与同一设备上的其他盒部联网的能力，并且可以支持盒部中的不同级别的硬件，标准化特征包括与设备的标准接口(端口、连接部等)。

在图4A和图4B中示出了标准盒部框架的关键物理特征，图4A和图4B示出了盒部10，该盒部包括全部被容纳在外壳体15内的多个流体路径或“总线”12以及多个体积14。外壳体15具有多个接口点16，接口点包括端口16a以及连接器16b，端口用于流体的输入/输出，连接器用于电连接、热连接、气动连接和/或光学连接到设备或基站。图4B示出了图4A的反转视图，使得能够更清楚地看到接口点16。在图4A和图4B的示例中可以看出，特定的盒部10不一定具有连接到接口点16中的每个接口点的内部部件。通过以下详细描述应当理解，在图4中示出的盒部是高度简化的实施例，以示出部件的结构和布置。

如在图4中示出，盒部10在水平平面(X-Y)中具有固定的占用空间，并且还可以具有固定的竖直尺寸，或者可以具有可缩放的竖直尺寸。固定的占用空间便于与设备或基站的模块化接合。如果盒部在竖直尺寸上是可缩放的，那么接口点16全部位于最小竖直高度内和/或在盒部10的底部侧，使得接口点总是存在以与基站上的对应接口点接合。

因此，盒部10在物理尺寸和构造(特别是接口点16)方面具有标准框架，但是盒部的内部构造实际上具有无限的可能性，其中内部部件的每个构造被定制为特定应用区域。

盒部的示例应用包括生物产品研发实验和研究，例如：包括合成生物学的生物产品设计、制造、测试周期；通过广泛的技术(例如PCR和流式细胞计量术)进行的实验的实验设计(design of experiment，DoE)方法；细胞表征和细胞筛选实验(例如针对具有期望的性状的细胞变异体)；生物制造协议开发；程序开发；生物产品/治疗产品制造；制造协议步骤；上游加工(即细胞培养)；下游加工；制造质量保证(quality assurance，QA)过程。

盒部架构的变型也可以针对应用区域来进行定制，在应用区域中，在多个应用之间，生物加工参数和期望的最终生物产品可以不同。示例包括：药品制造；细胞治疗；基因治疗；疫苗；常规生物治疗(例如基于抗体的药物、胰岛素、生物仿制药等)；生物燃料；利基生物产品；高价值香料；特色食品；化学合成反应；小分子药物、仿制药等的API制造。

上述标准盒部架构的具体实施例是高复杂性PCR盒部。在图5A和图5B中示出了根据本实施例的高复杂性PCR盒部的总体设计。以下更详细地描述的该实施例基于聚合酶链反应(polymerase chain reaction，PCR)，聚合酶链反应是一种常见的生命科学技术，并且在本示例中在生物产品研发场景中讨论。

因为PCR是常用技术，不需要引入任何新的复杂的生物制造技术，因此PCR被用作工具来说明高复杂性的盒部。然而，应当理解，该实施例仅是高复杂性盒部可以实施的一种方式。

高复杂性盒部在图6中示出的盒部的物理设计中被实施，为了清楚起见，详细的部件被移除，关键模块被识别。这示出了如何使用各个“模块”(例如芯部22和缓存部24的组合)以在整个盒部10中构建并行处理的可能性。

提供了物理解决策略，该物理解决策略使得能够通过使用以下惯例来识别盒部内的18个芯部/缓存部模块中的任何一个芯部/缓存部模块(如在图7中示出)：

[水平位置]，[竖直位置]，[编号]

例如，每个芯部/缓存部模块具有标记，例如芯部/缓存部：[左侧]，[中间]、[1]或芯部/缓存部：[右侧]，[下部]，[3]。

高复杂性PCR盒部包括由3D打印实现的多个芯部构建块(被称为“装置”)，多个芯部构建块具有以下领域的功能器件：流体领域；气动领域；电子领域；热领域；光学领域；以及生物领域。

每个装置通常执行特定领域的功能，虽然这些装置可以单独地使用，但是这些装置通常组合使用，如在下文中更详细地描述的。在图1中示出了装置在抽象层次中的位置。

由于3D打印是数字技术，因此能够对装置设计进行数字编辑，从而使得能够创建参数化/可扩展的装置设计，以适应不同的流体体积和/或协议步骤，并且提供快速的重新构造和创建装置的新的变型的能力。在中长期内，创建新装置和现有装置的变型将使得装置库能够扩大，从而减少总体的盒部开发时间、开发工作和开发成本。

流体装置

流体装置使得能够在盒部内存储、输送、修改(例如混合多种液体)以及处理流体体积。

试剂存储装置

高复杂性PCR盒部具有存储在盒部中的三种液体：样品；缓冲液以及无核酸酶的水。

试剂存储装置在盒部主体内提供了用于容纳给定的液体体积的体积。试剂存储装置还可以使得能够在盒部制造过程之前或盒部制造过程期间注入液体体积。图8示出了试剂存储装置14如何被布置在该实施例的盒部中(为了清楚起见，其他部件大部分被去除)。

试剂存储装置提供了到相关流体总线的连接，以使得能够将液体输送到盒部内的其他位置，并且还将提供到致动源的连接，以为盒部周围的液体输送提供动力。

试剂存储装置可以提供过滤的通风功能，以使得能够在用液体填充试剂体积时排出置换的气体(下面将更详细地描述)。

试剂存储体积包括盒部主体内的材料空隙(在增材制造过程期间未填充的/创建的体积)，附加功能(例如过滤通风功能)被制造到空隙或周围的材料中。

多个构造是可能的；几何形状和物理形状可以改变，以适应液体体积和液体的特定性质(例如粘性)。试剂存储部的形状可以被修改以适应盒部内的空间限制，从而导致使用不规则的形状。这在空间很重要的地方可能是有用的，并且可以用于实现紧凑的总体盒部体积。

存储体积可以从一个大的试剂体积变化到几何上能实现的多个较小的子体积。

试剂存储装置使得液体能够被存储在3D打印的盒部内的密封体积中，从而导致使泄漏路径最小化或没有泄漏路径，这导致减少了泄漏风险并且减少了污染风险。

3D参数化过滤装置

液体试剂体积通常需要通风路径，以使得置换气体能够逸出。需要防止大分子的释放，同时气体能逸出，因此需要在通风口上布置过滤器来捕获大分子。

试剂存储装置14具有包括合适的孔尺寸(例如20μm)的这种特征。3D制造使得能够修改孔尺寸，以适应每个特定盒部设计感兴趣的更大的分子。孔尺寸在过滤器表面上不一定是均匀的，并且可以通过各种方法来修改(例如，修改实际孔尺寸，修改形成孔的几何结构，例如但不限于矩阵型结构)以进行适应。

过滤器可以由刚性材料、柔性材料或者定制的半柔性材料混合物制成，刚性材料、柔性材料或者定制的半柔性材料混合物通过以不同的比例同时对两种材料进行3D打印来得到。

流体总线

流体总线提供了在盒部内输送液体体积的装置，并且以与IC内总线相同的方式运行。

因此，流体总线提供了将液体输送到盒部的不同区域(或子区域)的装置，特别地，流体总线在一个流体路径上提供了盒部的所有主要区域之间的流体连接。图9示出了流体总线12如何被布置在该实施例的盒部中(为了清楚起见，其他部件大部分被去除)。

流体总线能够容纳到盒部的许多区域(和子区域)的流体连接点，并且可以具有通风功能，以使得在用液体天聪总线体积时排出置换的气体。

与试剂存储部一样，总线包括盒部主体内的材料的空隙。

总线的多个构造是可能的，并且尺寸、几何形状以及物理形状可以改变，以适应液体体积和液体的特定性质(例如粘性)。总线的几何形状和物理横截面也可以改变，以适应被输送的一种或多种液体。

总线的路线和包装可以被修改以适应盒部内的空间限制，从而使用不规则形状，单个的或多个的总线可以一起被使用或按顺序被使用。

该总线可以在竖直方向或水平方向上实施(或者实际上在竖直方向和水平方向的混合方向上实施，以产生3D轮廓)，并且可以与其他总线并行使用，以增强盒部中的液体吞吐量。也可以使用与主总线并行布置的子总线。图10示出了PCR盒部10内的多个子总线12a的位置。

由于总线被容纳在盒部主体内，从而消除了单独的流体管道的需要，这减少了装配时间和复杂性。此外，总线设计可以被优化以适应被输送的特定液体。

此外，由于总线被容纳在盒部10的主体(盒部的主体是高集成性容器)内，所以总线能够以最小的安全风险承受高致动压力。此外，盒部10的主体内的总线的集成制造显著地减少或消除了泄漏路径，特别是与每个连接部引起泄漏风险的管道布置相比，还减少或消除了污染的风险。

流体网格总线

在流体总线的开发中，多个流体通路的布置可以被布置成网格构造，例如在图47中所示的。网格总线80具有多个输入/输出端口81，多个输入/输出端口通过多个流体通路82互连。流体通路在多个流体交点83处相交。

由于流体通路82的相交性质，存在穿过网格总线80从输入/输出端口81到另一个输入/输出端口的多个流体路径。虽然这些路径中的一些路径在交点83处相交，但一些路径彼此隔离。

阀(未示出)位于交点83中的一些交点或全部交点83处，以控制以下一项或两项：流体是否穿过交点83和/或流体在附接到该交点83的流体通路82中的哪些流体通路之间穿过。这样，通过阀的协调操作可以实现对穿过网格总线80的流的精确控制。

因此，能够通过输入/输出端口81来在附接到网格总线80的使用流体的部件(fluid-using component)之间实现多个连接选项。如果对每个流使用不同的通路82，也能够同时具有穿过网格总线80的多个不同的液体流。

在一些构造中，可以控制在交点83处相交的流体通路82，以使一种液体流优先于另一种液体流，并且在第二液体经过时暂停第一液体穿过交点83(或通路82)的流动。

穿过网格总线80的各种路线还可以使得计算机调度器能够根据网格总线80的其他部分中的“流量(traffic)”状况规划出将流体从一个输入/输出端口81输送到另一个输入/输出端口的不同选项。特别地，可用于输送的选项不限于单个物理路径，而是如果“笔直路径”上的一个或多个流体通路82已经被另一种液体使用，则可以选择替代路线(替代路线可能比“笔直路径”路线更长)。

例如，如果需要在传递到另一部件或更永久的存储位置之前暂时存储液体包，每个流体通路82(或相继的流体通路82的组合)还可以提供存储或“停放”液体包(如果如以下进一步讨论的，使用分离的液体体积)的位置。这可以使得在减少液体在目的地之间的输送时间方面能够具有更大的灵活性。例如，如果完整的单个路径不完全可用，则可以通过两个操作将分离的液体包从位置A移动到位置B，这些步骤之间存在“停放”操作。

虽然在图47中的网格总线80以“二维构造”示出，使得流体通路82在单个水平平面中延伸，但是也能够在与每个网格总线80的平面正交的方向上在两层或更多层中堆叠多个网格总线。在这种构造中，控制穿过交点83中的一些交点或全部交点的流的阀也能够被构造成控制多于一个网格总线80中的交点。替代地或另外地，阀中的一个或多个阀能够控制在相应的一个或多个交点83处的流体流动，使得流体流动能够在不同的分层的网格总线80之间进行。

网格总线80也可以被布置成三维结构，例如在图48中所示出的，在图48中，三维网格总线80与流体存储器14布置在一起。

流体混合器装置

许多生物制造协议要求混合两种或更多种试剂(干燥的试剂或液体试剂)，因此在此描述了流体混合器装置，尽管流体混合器装置不构成高复杂性PCR盒部实施例的一部分。

流体混合器装置提供了穿过盒部的主体的曲折的2D路径和/或3D路径，曲折的2D路径和/或3D路径促进了至少两种不同流体(液体或气体)的混合。

与上述其它流体部件一样，流体混合器包括了由盒部主体中的材料的空隙形成的特征。流体混合器装置连接到其他流体装置(试剂存储部、一个或多个总线等)，通过其他流体装置，流体被供应到混合器并且混合的结果被输送到其他流体装置。致动器迫使流体穿过混合器的2D曲折路径和/或3D曲折路径。

多个构造是可能的，并且2D曲折路径和/或3D曲折路径的几何形状、物理形状和长度以及曲折路径的长度可以改变以适应流体体积、混合要求以及特定性质(例如，液体粘度)。

盒部内的2D曲折路径和/或3D曲折路径的包装可以被设计以适应盒部内的空间限制，从而导致使用不规则形状。特别地，混合器装置可以被实施成所需的任何3D轮廓。

可以在单个盒部内使用多个流体混合装置，并且每个流体混合装置可以被“调节”以适应待混合的流体的特定要求和/或在协议执行的特定阶段期望的特定特征。

芯部装置

在高复杂性PCR盒部10中，芯部装置22充当在其中进行PCR反应的反应容器。芯部装置22与下文更详细地描述的缓存装置24组合运行。

芯部装置22在盒部主体11内提供了可以在其中进行PCR反应的体积。应当理解，为不同的反应设计的盒部也将具有芯部装置，芯部装置将被调整或构造成用于所讨论的特定反应。图11示出了芯部装置22如何被布置在该实施例的盒部中(为了清楚起见，其他部件大部分被去除)。

芯部装置22具有：连接到一个或多个缓存装置的流体连接，以使得预存储的液体能够注入到芯部中；以及连接到总线的流体连接，以使得液体能够在不使用缓存部的情况下直接注入到芯部体积中。芯部装置也可以具有通风口，以使得在用液体填充芯部装置的体积时，置换气体能够排出。

与所描述的其它流体部件一样，芯部装置22形成为盒部主体中的材料的空隙。一系列构造是可能的，尺寸、几何形状和/或物理形状可以被选择以适应反应液体体积及反应液体的特定性质(例如液体粘度)，并且还可以被构造或设计成提供有利的反应动力学。

芯部装置22的形状和构造也可以被设计成适应盒部内的空间限制，从而导致使用不规则的形状。特定的芯部装置的构造选项包括单个的大的芯部装置，以及由可用空间和几何形状实现的多个较小的子体积。

芯部装置22可以被布置成提供足够的表面面积，以使得能够集成一个或多个相关联的装置，例如加热器，这将实现或改善芯部装置中的反应的执行。

由于每个盒部中的芯部装置的尺寸、形状以及构造的灵活性，因此可以优化每个反应区位以适应在该区位发生的特定反应，而无需考虑盒部中的其他反应容器。与在标准实验室自动化中使用96孔板相比，这是有利的。

此外，在芯部装置22中发生的反应发生在被容纳在盒部内的密封体积内，从而导致减少了泄漏路径或没有泄漏路径，也减少了污染风险。

缓存装置

在PCR盒部中，缓存装置24使得材料在用于芯部装置22中的反应之前能够被存储在芯部装置22附近或邻近芯部装置被存储。这使得预处理步骤能够发生(例如，在转移到芯部之前达到给定温度)，并且还通过减少围绕高复杂性PCR盒部输送液体“包”的总输送时间来减少总协议执行时间。

缓存装置24在盒部主体内提供了体积，该体积用于存储流体体积，并且在转移到芯部装置进行PCR反应之前对这些流体体积进行反应前处理。图12示出了缓存装置24如何被布置在该实施例的盒部中(为了清楚起见，其他部件大部分被去除)。

缓存装置24具有：连接到一个或多个芯部装置22的流体连接，以使得预存储的液体能够注入到芯部中；以及连接到总线的流体连接，以使得能够将液体“包”转移到缓存装置24中。缓存装置也可以具有通风口，以使得在用液体填充缓存装置的体积时，置换气体能够排出。

缓存装置24可以被布置成提供足够的表面面积，以使得能够集成一个或多个相关联的装置，例如加热器，这将例如通过在转移到芯部装置22之前对反应部件进行预加热来实现或改善缓存装置24中的预处理步骤的性能。

下面更详细地描述芯部装置和缓存装置的组合运行。

与所描述的其它流体部件一样，缓存装置24形成为盒部主体10中的材料的空隙。一系列构造是可能的，尺寸、几何形状和/或物理形状可以被选择以适应反应液体体积及反应液体的特定性质(例如液体粘度)，并且还可以被构造或设计成适应缓存装置24中所期望的任何预处理步骤。

由于每个盒部中的缓存装置24的尺寸、形状以及构造的灵活性，因此可以优化每个反应区位以适应在该区位发生的特定反应而无需考虑盒部中的其他反应容器。与在标准实验室自动化中使用96孔板相比，这是有利的。还能够将缓存装置实施为从单个大的缓存部到多个较小的体积中的任意一种，以适应几何形状和可用空间。例如，如果需要多种材料和/或在主反应之前需要预处理操作，则还可以提供具有子缓存部的布置，子缓存部被布置成供应较大的缓存部。

此外，在缓存装置24中发生的任何预处理操作发生在被容纳在盒部内的密封体积内，从而导致减少了泄漏路径或没有泄漏路径，也减少了污染风险。

气动阀

液体围绕盒部10的移动由阀26控制，阀根据需要打开和/或关闭总线12与芯部22/缓存部24和/或其他部件之间的连接。这些阀由基站通过设备中的歧管与盒部之间的连接而被气动地驱动。在图13中示出了阀26的各种布置，这些阀用于盒部10的不同部分，其中，为了清楚起见，周围的部件被移除。

阀26可以被认为类似于电子电路内的晶体管，在电子电路中，穿过晶体管的电流由控制信号控制。

这些阀通过阀隔膜的打开和关闭来控制穿过流体路径的液体的流动。形成了从阀26到盒部10的外部的控制路径，这使得能够通过接口点16将阀26连接到基站或设备。

与所描述的其它流体部件一样，阀26形成为盒部主体10中的材料的空隙。为了使阀能够运行，在空隙中形成一个或多个弹性隔膜。

弹性隔膜具有“非激活”位置，并且弹性隔膜被构造成保持在该位置直到被激活。隔膜通过由设备或基站提供和控制的气动输入(压力)被激活，该气动输入(压力)通常为压缩空气的气动输入(压力)，这导致隔膜移动到一个(或多个)“激活”位置。气动压力的移除使得隔膜能够返回到“非激活”位置。在一些布置中，摩擦或其他迟滞效应可能使得隔膜即使在没有施加压力时或者在停止施加压力之后的短时间内能够保持在激活位置。在这种情况下，隔膜可以通过反向力的施加(负压力或相反方向上的压力)而返回到“非活动”位置。

阀26可以以两种方式构造。“常闭式”(normally closed，NC)阀被布置成使得液体穿过阀的流动通常被禁止，而气动信号的施加使得液体能够在气动信号被施加的持续时间内流动穿过该阀。“常开式”(normally open，NO)阀被布置成使得液体穿过阀的流动通常被允许，而气动信号的施加阻止液体在气动信号被施加的持续时间内流动穿过该阀。

如在图13中示出，由阀控制的流体通道的数量可以被修改以适应期望的应用。NC功能器件和NO功能器件的组合可以集成到单个阀主体中，该单个阀主体可以控制多于一个液体路径的流动。

NC阀或NO阀能够有多种构造。阀和隔膜的尺寸、几何形状以及物理形状可以改变，以适应反应液体体积和反应液体的特定性质(即液体粘性)。

阀和隔膜可以被布置成所需的或所期望的任何三维轮廓。例如，每个阀可以被优化以适应特定的液体、流量以及在该区位处所需的生物材料，而无需考虑相邻的阀。还可以基于周围的部件来选择构造和轮廓。阀的形状和包装可以被修改以适应盒部内的空间限制，从而导致根据需要使用不规则形状(未示出)。这不同于现有技术的微流体阀，由于光刻制造方法，微流体阀通常限于平坦的二维结构。

隔膜的轮廓、厚度以及表面面积可以根据期望的功能器件和使用的弹性材料进行选择。这些参数的改变将影响所需的指定气动压力和阀的响应。对轮廓的改变可以用于产生期望的行为，例如双动作(关闭一个路径，同时打开另一个路径)。

一个或多个阀是本发明的实施例的盒部10的重要部件，因为阀能够控制流体围绕盒部中的其他部件的移动和转移。

气动操作阀通过使用成熟的气动技术简化了盒部与设备的接口。阀设计也可以在3D打印中相对简单地呈现。然而，应当理解，具有电子致动部件的阀可以代替气动阀使用，或者除了气动阀之外，还可使用具有电子致动部件的阀。

气动驱动阀的使用使得所有液体保留在盒部中，从而减少了盒部内的生物产品污染的风险，减少了设备污染的风险，并且减少了设备操作员的风险。

图13示出了三种类型的阀的示例。

左侧的图画示出了主总线阀26a的实施例。主总线阀控制样品或试剂向芯部/缓存部的每个“块”的流动。这些阀26a具有安装在一个主体中的3个NC隔膜，3个NC隔膜各自具有单独的气动控制(通过连接器28)。这些阀使得每种液体的流动根据需要发生，例如一次有一种液体流动或一次有高达三种液体并行地流动。

中间的图画示出了缓存部控制阀26b的实施例。这些阀控制了样品或试剂向每个缓存部中的供应。这些阀26b具有安装在单个主体中的2个NC隔膜，2个NC隔膜各自具有单独的气动控制(通过连接器28)。这些阀使得能够存在通向缓存部的单个输入部或者并行的两个输入部。

右侧的图画示出了芯部/缓存部模块阀26c的实施例。该芯部/缓存部模块阀控制了液体从两个不同的缓存部到芯部中的流动。该阀26c具有安装在单个主体中的两个NC隔膜，两个NC隔膜各自具有单独的气动控制。这使得一个或两个缓存部的内容物能够进入芯部体积，对每个缓存部的独立控制使得缓存部1的液体体积和缓存部2的液体体积中的不同体积能够根据要求的协议进入芯部。

通过将多个阀组合在一起可以提供其他的功能器件。其他的功能器件的三个示例是多路器、蠕动泵以及混合器。

通过将多个阀(多个阀各自可能具有不同数量的输入部和输出部)并行地组合成在一个总体计算机控制器下的单个实体可以产生“多路器”，多路器使得对于相对少量的被控制的阀能够具有大量的输出部。

对于阀的大致二维的布置，图14中示出了这种布置的示例的示意图。在此，使用三个阀来控制八个输出部。应当注意，三维设计自由度将使得能够具有新的多路器设计，新的多路器设计将与在图14中示出的二维设计显著不同。

按顺序被致动的三个(或更多个)阀的线性组合使得能够产生泵的功能。以预定顺序对阀进行致动使得液体能够以类似于由蠕动泵致动的液体的方式被迫使穿过阀。

图15示出了该原理的操作。还应当注意，3D设计自由度将使得能够具有新的泵设计，新的泵设计将与所示出的2D设计显著不同。

对在图14中示出的阀的布置的致动顺序的修改也使得当输入部在传递到一个或多个输出部之前被允许组合在一起时能够出现混合功能。

芽阀

可以用于本发明的盒部的另一种类型的阀是机械“芽(bud)”阀。示例芽阀90的运行部分在图49中示出，并且包括具有弹性尖端92的聚合物轴91，该弹性尖端可以变形并且符合流体路径或输入/输出端口的形状，该弹性尖端插入到流体路径或输入/输出端口中以产生紧密的流体密封。

芽阀90可以用作通/止阀，以通过使得流体能够流通穿过呈预定布置的阀来控制流体流动或者从一系列的可能性中选择流体通路。在特定的布置中，芽阀可以用于管理进入或离开流体路径的空气流，以提供流体路径中的空气/气体的通风，从而使得液体能够进入流体路径和/或向流体通路中的液体提供动力。

芽阀90被构造成通过至少在轴91的尖端端部中具有中空管状结构来使得能够可选地选择通路和/或通风。尖端92具有连接到轴91的中空内部的开口93。中空内部可以在轴的长度的大约一半上延伸，并且可以与一个或多个侧开口94连通。

当用作通/止阀时，芽阀可以与如上所述的网格总线80结合，并且被定位在该总线中的流体通路82的交点83处。芽阀可以被布置成使得芽阀的轴垂直于网格总线80的平面延伸，并且位于每个交点处，使得当芽阀打开(从交点移除)时，芽阀使得流体能够流动穿过交点。

同时控制多个芽阀使得能够通过网格产生预定的流体路径。穿过网格总线80的各种路线可以由控制器选择，以适应由用户或反应协议规定的流量状况和/或输送规则。控制还可能受到规则的限制(例如，在第二化学试剂接触表面之后，一些第一化学试剂不应立即接触该表面-这可以用于了解或规划穿过网格总线的路线)。

例如如在图50中示出，一对芽阀90可以组合使用，以形成能够控制液体流动并且选择性地还能够通风的装置(阀90a)，和/或向同一通路提供动力源(阀90b)。

这使得每个装置能够控制液体的流动，并且每个装置是液体路径的起始部(连接到动力总线95的水平阀90b)、中间部或结尾部(连接到通风总线96的水平阀90b)。

芽阀90由伺服机构(未示出)驱动，伺服机构附接到阀的与尖端91相对的端部，并且具有集成的导向螺杆。伺服机构可以直接地安装在盒部上，或者整体地制造。伺服机构可以替代地位于基站上，其中，联接机构将在基站安装的伺服机构连接到在盒部安装的芽阀。

电子装置

盒部10内的电子功能器件使得能够将各种感测元件集成到盒部的不同区域中，以测量和/或控制多个参数。

用于一个或多个电子装置的制造方法不限于3D打印，还包括外表面上的喷墨打印。

在该特定实施例中，描述了热敏电阻，尽管这仅是过多的电子传感器可以如何结合到本发明中的一个示例。以下描述可以被认为适用于所有电子传感器。

类似地，集成电子传感器的许多益处都适用而无需考虑传感器类型。

由于能够在每个位置(例如，本实施例中的芯部或PCR反应区位)处以数字方式设计和编辑每个电子传感器设计，因此能够按照在特定区位处所需的测量(例如在灵敏度和动态范围方面)来定制每个传感器，并且能够单独地校准每个传感器。

由于传感器是在盒部的制造期间作为每个盒部的一部分制造的，因此不需要作为单独的部件制造或采购，因此可以制造大量的传感器(“免于复杂性”)，并且将这些传感器添加到许多位置，即使这些传感器并不总是在盒部的每次使用中被使用。这与目前的布置相比给予了大得多的灵活性。特别地，更多数量的传感器使得能够具有更大程度的测量，从而导致对生物制造协议执行的更高程度的控制，因而导致更高质量的生物产品。

由于电子传感器可以以常规的离散的电子传感器不可能实现的方式紧密地集成到盒部中，因此可以获得更高精度的测量。

所有的电子传感器可以被实施为所需的任何3D轮廓，并且轮廓可以被选择为适应或适应于单独盒部和其他部件的要求。

热敏电阻

用于PCR的盒部10在每个芯部24(PCR反应区位)处具有热敏电阻30，以测量反应液体的温度，并且使得局部控制器能够修改加热器的输入(下文将进一步描述)，从而导致对每个PCR反应区位进行闭环控制。图16示出了本发明的实施例的PCR盒部10中的热敏电阻30的示例。

热敏电阻向热敏电阻所连接到的用于特定的芯部/PCR反应区位的设备或基站提供电信号。该信号可以由控制器转换成温度值。

热敏电阻30可以被制造成非常接近相关的芯部装置(PCR反应区位)22。热敏电阻由导电油墨形成，作为盒部制造过程的一部分，该导电油墨被制造在预定路径中，该路径的输入部和输出部连接到在盒部外部的接口16，并且因此连接到基站中的热控制器。导电油墨路径的尺寸被构造成适应所需的温度测量的期望水平。

热控制器将已知的电流发送到热敏电阻30导电油墨路径的一侧。沿着导电油墨路径的电流通过芯部22(PCR反应区位)中的液体的热行为成比例地改变。热控制器读取在热敏电阻导电油墨路径的另一个端部上的电流值，从而提供芯部22(PCR反应区位)中的液体的温度的量化值。

热敏电阻可以被构造成适应以下各项中的一项或多项：芯部的尺寸或位置、期望的热灵敏度以及待测量的温度范围。

在一些实施例中，多个热敏电阻可以彼此串联或并联地(或者以串联布置和并联布置组合的方式)布置。

热敏电阻可以采用具有路径长度、蛇形轮廓(“线圈”的间距和数量)、路径宽度(路径宽度可以沿着路径长度固定或者在沿着路径长度的多个点处相应地改变)的任何构造。

附加/替代电子功能器件

除了上述热敏电阻之外，在盒部10中还可以制造其他电子装置。其他电子装置可以包括以下各项中的一项或多项：

·其他传感器，例如：pH传感器、电导率传感器；压力传感器和/或流动传感器；

·无源电子功能器件，例如：通信功能器件(例如RFID天线/NFC天线)或电容性传感器(例如用于感测盒部内的液体流动)；

·有源电子功能器件，例如：打印的电池或打印的光伏功能器件(参见例如“用于结构电子器件的快速成型的3D打印(3D Printing for the Rapid Prototyping ofStructural Electronics)”，Macdonald等-2014，以及“使用UV转换的电子器件的3D喷墨打印(3D Inkjet Printing of Electronics Using UV Conversion)”，Saleh等-2017)。

热装置

对生物材料在反应之前和反应期间所经历的热条件进行控制是生物制造硬件的关键方面。例如，热循环是在本实施例的PCR盒部中执行的PCR技术的关键方面。

在此将描述热装置的两个示例，这两个示例可以单独使用，或者根据期望以任何组合的方式使用。然而，无论热装置组合的类型如何，以下益处都适用。

由于能够在每个位置(例如，本实施例中的芯部或PCR反应区位)处以数字方式设计和编辑每个热装置，因此能够按照每个特定区位的加热需要(例如在加热速度和热传递总量方面等)来定制每个热传感器。

由于热装置是在盒部的制造期间作为每个盒部的一部分制造的，因此不需要作为单独的部件制造或采购，因此可以制造大量的热装置(“免于复杂性”)，并且将热装置添加到许多位置，即使热装置并不总是在盒部的每次使用中被使用。这与目前的布置相比给予了大得多的灵活性。特别地，更多数量的热装置使得能够对特定液体体积具有更大程度的热控制，从而导致对生物制造协议执行的更高程度的控制，因而导致更高质量的生物产品。

由于热装置可以以常规的离散的电子传感器不可能实现的方式紧密地集成到盒部中，因此可以获得更高精度的测量。

所有热装置可以被实施为所需的任何3D轮廓，并且轮廓可以被选择为适应或适应于单独的盒部和其他部件的要求。

加热器

本实施例的PCR盒部10在每个芯部22(PCR反应区位)处具有加热器32，以控制反应液体的温度。加热器由局部控制器驱动，局部驱动器具有来自热敏电阻电子传感器(如以上所描述的)的闭环反馈。图17示出了在本发明的实施例的PCR盒部10中的加热器32的示例。图18示出了加热器32的替代构造，加热器32被布置成对盒部内的不同部件进行加热。

加热器32用于将输入电能转换成热能，热能被转移到芯部22(或其他目标区位；例如，热能可以被转移到缓存部，以在内容物被供应到芯部以用于将要进行的反应之前对内容物进行预加热)。

加热器32可以被制造成非常接近相关的芯部22(PCR反应区位)。加热器由导电油墨形成，作为盒部制造过程的一部分，该导电油墨被制造在预定路径中，该路径的输入部和输出部连接到在盒部外部的接口16，并且因此连接到基站中的热控制器。导电油墨路径的尺寸被构造成适应所需的温度输入的期望水平。

通过热控制器将已知的电流发送到加热器导电油墨路径，并且通过将路径设计成使得路径的电阻在特定点处变化(或者路径例如通过图17中所示的蛇形构造而集中在特定区域)，可以导致沿着加热器的整个长度或部分长度的温度升高。

由于芯部22靠近加热器32的高电阻的或集中的部分，因此芯部中的液体可以被加热。应当理解，加热器也可以用于加热其他部件，例如对存储在缓存部中的试剂或穿过总线的流体进行预加热。

加热器可以被构造成适应以下各项中的一项或多项：芯部的尺寸或位置、期望的热范围或者所需的加热速度。

在一些实施例中，多个加热器可以彼此串联或并联地(或者以串联布置和并联布置组合的方式)布置。

加热器可以采用具有路径长度、蛇形轮廓(“线圈”的间距和数量)、路径宽度(路径宽度可以沿着路径长度固定或者在沿着路径长度的多个点处相应地改变)的任何构造。

3D热管

还能够将来自盒部外的热能源部或热能汇集部(例如基站或设备)的热量有效地输送到盒部10内的一个或多个期望位置。

这是通过3D打印的热管实现的，该热管具有在壳体内制造的蒸汽空腔结构，以提供除了在期望的地方之外与其他盒部功能器件隔离的、封闭的且密封的热管。热管连接到盒部外部的接口16。

热管结构可以以参数化方式设计，使得能够快速地构造热管，以适应盒部内特定位置的需要，从而使得能够在单个盒部主体内定制多个热管。

3D热管可以在盒部主体内以几乎不受限制的几何形状制造，以使得能够根据需要将热量输送到盒部的内部体积中或者将热量从盒部的内部体积输送出来。

3D热管在需要冷却的应用中特别有利(例如，因为正在执行的反应是高度放热的)，因为3D热管使得能够从盒部内的部件中移除热量。例如，热管可以在冷却流体流通穿过热管的情况下运行。在提供了用于冷却和加热的功能器件的情况下，可以使用基站上的多个单独的接口，使得基站可以被构造成提供热流体和冷流体的源。

光学装置

光学功能器件在生命科学应用中广泛地使用，以用于反应分析(例如PCR中荧光团数量的测量)以及需要生物材料的非接触感测的其他感测方式。

在本实施例中，为了测量PCR反应，光学功能器件被包括在PCR盒部中。

PCR盒部包括用于产生不同波长的电磁能量的LED以及用于检测不同波长的电磁能量的光电二极管。目前不能通过3D打印技术来制造这些LED和光电二极管，因此这些LED和光电二极管将是在制造步骤期间被插入到盒部中的成品部件。在插入之后，3D打印过程可以将这些部件密封到盒部的总体主体中，和/或将这些部件连接到盒部结构的其他元件，例如电连接部。

3D设计自由使得光学器件能够被定位在几乎无限数量的位置和方向上，以适应期望的功能。此外，使用3D几何结构来定位光学装置导致对几何结构公差堆叠的高级别控制(例如，与诸如高精度机加工的常规制造方法相比)，从而导致高精度光学测量系统。

随着3D打印技术的改进和发展，可以设想未来的盒部实施例将包括3D打印的和/或喷墨打印的光学功能器件，光学功能器件包括3D打印的和/或喷墨打印的LED，和/或3D打印的和/或喷墨打印的光电二极管。当这是可得到的时，这些部件可以与盒部一体地制造，具有以下关于光波导列出的优点。

光波导

为了进行光学读取(例如PCR反应)，可以在盒部的主体中设计和制造光波导，以向/从盒部内的不同物理位置传输电磁能量。

光波导(“芯部”)由盒部的主体内的聚合物材料制成。围绕芯部的是具有不同光学折射的材料，在这种情况下是弹性材料(“包层”)，包层沿着芯部的长度完全包围芯部。因此，能够在盒部的内部体积内有效地设计和制造光纤构造。

波导的一个端部与电磁能量源(例如LED)或电磁能量检测器(例如光电二极管)相匹配。波导的相对的端部位于容纳有待进行光学分析的液体的芯部的内部体积内。

波导的芯部的尖端被成形为光学透镜，从而相应地聚焦或分散电磁能量。

因此，波导可以沿着波导的长度向或者从盒部内的多个位置传输电磁波。例如，在PCR实施例中，波导可以从在盒部10的外部的接口16延伸到芯部22，使得芯部中的液体可以被盒部外部的光源照亮，以激发液体内的荧光团。另一个波导将观察到的荧光传输回到在盒部10的外部的另一个接口16，另一个接口在盒部的外部连接到光学传感器。

光波导可以以各种芯部直径、长度以及通路制造。例如但不限于，能够具有：具有较大的芯部直径的单个光波导；一系列平行布置的直径较小的光波导；或者具有变化的芯部直径的构造，以适应不同光波长。

光波导可以被实施为所需的任何3D轮廓，这例如取决于盒部内其他部件的构造和设计，并且可以根据期望有效地嵌入在盒部主体内。还可以设计和制造波导的网络和子网络。

将光波导集成到盒部主体中能够使光波导和待分析的材料之间的光联接更紧密，从而使得与使用单独的装置相比具有更高程度的灵敏度。此外，集成的性质避免了由于将光学部件密封到反应体积而导致的复杂性或复杂化，或者从反应体积泄漏的可能性。

在每个芯部(PCR反应区位)处对光波导进行数字编辑的能力使得光波导能够被定制以适应于在每个区位处进行的特定反应(例如荧光团波长)。

由于波导是在盒部的制造期间作为每个盒部的一部分制造的，因此不需要作为单独的部件制造或采购，因此可以制造大量的光学装置(“免除复杂性”)，并且将这些光学装置添加到许多位置，即使这些光学装置并不总是在盒部的每次使用中被使用。这与目前的布置相比给予了大得多的灵活性。

多材料3D打印使得能够在打印光波导的芯部的同时制造包层材料，从而使得许多光波导能够紧密集成，并且使光波导之间的串扰最小化。

由于波导能够以单独提供的离散的波导不可能实现的方式紧密地集成到盒部中，因此可以获得更高程度的灵敏度。

波导可以被实施为所需的任何3D轮廓，并且轮廓可以被选择为适应或适应于单独的盒部和其他部件的要求。

其他光学装置

制造具有芯部和包层的光波导的能力使得能够在盒部内制造附加光学装置，这些光学装置包括但不限于分束器和衍射光栅。

滤光器

多材料3D打印使得能够同时打印不同的材料，并且将这些材料混合以形成混合的“数字材料”。透明聚合物(即，如针对光波导中的芯部的材料所建议的)与多种不同颜色的材料的混合使得能够制造定制的滤光器，滤光器可以根据需要进行修改，以使得特定的电磁波长能够穿过。

滤光器是PCR反应的光学分析所固有的，以使得能够对具有不同光学波长的荧光团进行量化。PCR盒部包括3D打印滤光器，3D打印滤光器在每个LED和光电二极管上原位地制造，以使得能够传输对于每组LED和光电二极管来说不同的感兴趣的波长。

生物装置和部件

干燥的PCR试剂

多材料3D打印使得能够将生物材料打印到盒部中，例如在PCR盒部中制造干燥的PCR试剂。使得PCR反应能够在每个芯部处发生所需的生物试剂在与液体试剂和液体样品结合时可以预先被打印，因此不需要在使用时供应到盒部。

PCR试剂被冷冻干燥并且被容纳在小的片状承载部结构中，片状承载部结构在与液体接触时溶解。在盒部制造之前，干燥的PCR试剂被装载到3D打印机的一个原材料位置中。在盒部制造之前，承载部材料被装载到3D打印机的另一个原材料位置中。

在盒部制造期间，与盒部制造过程同时地，由3D打印机在每个芯部(PCR反应区位)内原位地制造包括PCR试剂和承载部材料的片状装置。PCR试剂保留在芯部中，直到盒部被使用。

在使用时，液体试剂和/或液体被引入到芯部(PCR反应区位)中，在芯部中，液体试剂和/或液体将片状结构溶解，从而释放PCR试剂并且开始PCR反应。

干燥的PCR试剂可以在几乎无限制的构造范围内制造以适应PCR反应参数。这些构造包括但不限于离散的“装置”以及在盒部本身的结构内(例如在盒部结构的任何表面上(例如在反应容器的壁上))的印刷部，印刷部潜在地从一种或多种试剂创建盒部结构的一部分。

当多个试剂区位存在于一个盒部内，干燥的试剂也可以被构造成在盒部内的每个芯部(PCR反应区位)处进行特定反应和协议步骤。

承载部材料的几何形状、形状以及内部结构也可以被定制以适应期望的反应(例如，片状装置的内部形态可以被调整成适应液体性质)。干燥的试剂和承载部材料不限于2D轮廓，并且可以被制造成任何期望的3D几何形状。

一种或多种干燥的试剂和承载部材料的量和密度也可以根据期望而改变。

由于芯部和干燥的试剂的设计可以互补地进行，因此在盒部主体内的试剂的原位制造通常使得能够具有更高程度的反应性能。

干燥的试剂的原位制造消除了装配的复杂性以及不正确的试剂被装配在错误的位置的风险。

在每个芯部(或盒部布局中的其他地方)处对试剂进行数字编辑的能力使得能够进行定制以适应在每个区位处进行的特定反应。

参照测试试剂

盒部在制作过程期间可能经受一系列的测试。然而，在盒部测试期间不可能测试实际的特定应用的试剂，因为这将阻止试剂在实际盒部使用期间的使用。因此，制造能够在制造后的测试期间使用的专用测试试剂是有用的，对参照材料的成功测试可以推断出用于预期使用(例如PCR)的实际的干燥的试剂的正确制造。

附加生物材料

在盒部制造过程期间，其他有机材料和生物材料也可以在盒部中原位制造。除了支撑材料(例如在以下清单中示出的试剂)之外，这些有机材料和生物材料还可以包括但不限于原始生物材料(诸如细胞)：

·在3D打印过程期间制造到盒部中的打印的湿的试剂

·在3D打印过程期间制造到盒部中的打印的干燥的试剂

·在3D打印过程期间制造到盒部中的打印的湿的生物材料(例如原核生物细胞或真核生物细胞)

·在3D打印过程期间制造到盒部中的打印的干燥的生物材料(例如原核生物细胞或真核生物细胞)

·粘附促进剂/生长促进剂(化学刺激物和其他刺激物)

·抗体、酶、激素、DNA寡核苷酸

·生物聚合物和支架(例如层粘连蛋白、PGLA)

·细胞(例如成骨细胞)

·现有的细胞

·工程生物体

·病毒(例如噬菌体)

·有机化合物(例如葡萄糖、尿素)

·阻断剂(例如牛血清白蛋白)

·试剂(例如丁醇)

·介质(例如细胞生长介质)

印刷的生物试剂存储部

虽然3D打印能够按要求制造盒部，但是可能会出现不能立即使用盒部或者需要贮存或提前制造的情况。

在这些情况下，在盒部中制造的生物材料可能需要附加的次级保护层来防止降解。这种次级结构可以(但不限于)由可机械变形的结构或可热变形的结构提供。

可机械变形的结构提供了次级结构，次级结构在制造期间容纳有打印的生物试剂。由于来自液体试剂的压力提供了机械力以使次级结构在预定的薄弱点处变形并且释放打印的生物试剂，因此当液体试剂与次级结构接触时，次级结构可以变形。

机械结构的设计可以被定制成适应印刷的生物试剂、液体试剂体积以及所需的驱动力。

可热变形的结构提供了替代的次级结构，该替代的次级结构由热敏感材料制成，使得当局部温度升高时，次级结构以受控的方式在预定的薄弱点处变形。因此，升高的温度导致次级层的移除，从而根据需要使打印的生物试剂暴露。当不期望液体与打印的生物试剂接触时，该实施例特别有利。

可热变形结构的设计可以被定制成适应打印的生物试剂和限定的量的热能。

应当理解，其他形式的持续释放可以被用于保护生物试剂，直到生物试剂需要使用。

回路级别的设计与实施

盒部中的装置(例如上述的那些装置)可以集成到“回路”中，回路包括两个或更多个配合装置，这些配合装置被布置成在盒部的运行中执行特定的任务。

该回路使得能够对特定领域的特征进行定制。例如，总线回路(下文更详细地描述)可以被定制成适应特定液体试剂的流量、粘度等，并且光学回路(下文更详细地描述)针对特定的激发/发射光学波长来进行定制。

这种“回路”的形成还使得能够对回路设计进行数字编辑，以使得能够进行可扩展的设计以适应不同的流体体积和/或协议步骤，并且使得具有能够快速重新构造和创建新版本的能力。

总线回路

总线回路由总线12与3通式气动阀26d的集成形成，例如如在图19中示出的示例。该回路使得能够从总线快速地注入和移除液体，并且提供了将液体材料从盒部的一个部分输送到另一个部分的有效手段，以及当液体材料从一个位置被输送到另一个位置时遵循的特定可寻址的输送路径。

根据需要，多个总线和气动阀可以在回路中组合，如之前所说明的，部件的方向可以被选择以适应盒部的其他部件周围的包装。

总线回路提供了将液体包从盒部的不同部分高效地移动到另一个部分的基本能力。通过对部件的运行进行细分，能够并行地运行多个总线和阀，这使得能够在短的持续时间内转移大量的液体，从而减少总体系统延迟。总线回路使得能够根据协议和系统时钟周期来输送单个的液体包或多个液体包。

总线回路可以为液体包提供可寻址的路线，从而使得能够根据需要将液体从任何给定位置转移到任何其他给定位置。总线回路是可扩展单元，该可扩展单元使得能够根据需要创建子总线和子子总线，从而提供了在非常复杂的盒部中输送大量液体包的有效方式。

子子回路的示例在图20中示出。该构造的子总线回路包括多个子总线12和多个2通式气动阀26e。子总线由如上所述的总线回路提供，并且在围绕盒部输送液体包时提供了进一步的控制层级。

芯部/缓存部回路

芯部/缓存部回路由芯部22与缓存部24和芯部/缓存部阀26f的集成来形成，例如如在图21中示出的示例。该回路提供了集成的PCR反应区位，集成的PCR反应区位能够在协议子任务(PCR反应)的执行和使用点之前对液体材料进行保存和预处理。

一个或多个(例如在图22中示出的两个)缓存部24可以与单个芯部22一起使用。例如，如果任何试剂在任何预处理步骤之前需要修改/存储，则可以包括子缓存部。如之前所说明的，可以选择部件的方向以适应盒部的其他部件周围的包装。

通过使用较小的流体体积以及在使用之前保存这些体积的能力，提高了总体的系统效率。例如，如果芯部的体积是30ml，那么3个10ml的体积可以在三个独立的移动中与其他液体包并行地转移。这可以比转移单个30ml的包更快地完成。

通过使材料输送与协议执行步骤同时并行，芯部/缓存部回路减少了在使用之前将液体包输送到协议执行点的总体系统延迟并且减少了执行复杂协议的总体持续时间(例如，大量的试剂可以在大量的试剂被需要之前被送到芯部，从而减少了由于转移导致的处理时间)。

芯部/缓存部回路提供了通过针对每个协议步骤定制的解决方案来适应不同的协议步骤的能力，并且提供了可扩展单元，可扩展单元适用于不同的液体体积以及在不同的协议执行步骤中所需的试剂/预处理的量。

热控制器回路

热控制器回路是特定领域控制器的一个示例。也可以沿着类似的路线布置其他特定领域的控制器，例如光学控制器回路，在此将不进一步描述。

热控制器回路集成了热敏电阻、加热器、用于电子器件的标准盒部接口，以及取决于加热器的性质的热输入部和可选的盒部上的局部微控制器。

热控制器在特定反应区位提供具有特定领域功能的闭环控制。

使用不同数量的电子传感器和加热器使得能够具有多种构造。在物理限制允许的情况下，电子传感器、加热器以及局部微控制器可以被安装成彼此靠近或彼此分离。

热控制器回路使得能够对协议执行的非常特定的方面(例如盒部中特定区位的温度)进行高精度的控制。硬件和控制软件/算法可以根据需要针对每个反应区位进行定制。

通过对反应区位行为的局部控制可以实现总体的系统延迟的减少，并且控制方法是可扩展的，以适应具有不同数量的传感器和加热器的不同的芯部/缓存部尺寸，或者传感器和加热器的不同尺寸。

光学回路

光学回路的示例在图22中示出。该光学回路集成了LED 34、激发滤光器38a、一个或多个光波导40、发射滤光器38b以及光电二极管36。

该光学回路为PCR反应提供了总体光学解决方案，该总体光学解决方案可以被定制以适应每个PCR反应区位，并且使得能够具有针对每个PCR反应区位而定制的特定协议的光学解决方案。该光学回路还通过光学溶液与PCR反应区位的紧密集成而提供了高的光学灵敏度，还提供了可扩展的光学方法，该光学方法通过根据需要集成的较少或较多数量的光学部件来适应不同的芯部/缓存部尺寸。

根据需要，具有不同数量的光学部件的多种构造是可能的，每个光学部件包括但不限于联接到单个光纤的单个LED、或者宽带LED，宽带LED具有联接到宽带LED上的多个滤光器和多个波导。

栅部级别的设计与实施

两个或更多的回路可以集成以形成“栅部”，栅部是对于生物制造或生物产品研发协议的一个子任务所特定的硬件组合。

这种“栅部”的形成还使得能够对栅部设计进行数字编辑，以使得能够进行可扩展的设计以适应不同的流体体积和/或协议步骤，并且使得能够具有快速重新构造和创建新版本的能力。

PCR反应区位栅部

PCR反应区位栅部集成了如上所述的芯部/缓存部回路、如上所述的热控制器回路以及如上所述的光学回路。PCR反应区位栅部的示例性构造在图23中示出。

PCR反应区位栅部集成了进行PCR反应所需要的流体功能器件、热功能器件以及光学功能器件。

特别地根据所包括的流体体积，PCR反应区位栅部的确切构造可能不同。例如，相对小的体积的芯部/缓存部可以与单个热控制器和单个光学回路集成，单个热控制器具有单个热敏电阻和单个加热器。更大体积的芯部/缓存部可以与多个热控制器和多个光学回路集成，以使得能够在多个位置进行光学分析，每个热控制器具有多个热敏电阻和多个加热器。

PCR反应区位栅部使得能够具有针对每个PCR反应区位而定制的协议特定硬件解决方案。高精确度的PCR反应可以通过热方面和光学方面的紧密集成来实现，针对在该反应区位发生的特定PCR反应对热方面和光学方面中的每一个进行了优化。集成还提供了可扩展的硬件方法，该硬件方法能够适应不同的PCR反应流体体积和不同的PCR协议。

主盒部总线栅部

主盒部总线栅部集成了如上所述的总线回路和试剂存储装置。示例性主盒部总线栅部在图24中示出。主盒部总线栅部集成了流体存储功能器件和运输功能器件，以便为将液体移动到PCR盒部的不同区域提供了集成的且优化的解决方案。

在主盒部总线栅部的实施例中，多种构造是可能的。这些可以用于适应在总体液体体积、所需液体包的尺寸、液体材料的吞吐量以及盒部的总体复杂性方面的差异。在这些不同的实施例中，可以根据需要提供和集成不同数量的各个构成回路。

主盒部总线栅部使得能够具有针对每个协议的液体处理需求和由此产生的盒部设计而定制的特定协议的硬件解决方案，同时该特定协议的硬件解决方案可扩展以适应不同的流体体积和协议。

其他栅部

除了上述栅部之外，通过上述(以及其他的)装置和回路，栅部的进一步设计是可能的。非限制性的，这些栅部包括：

·细胞系存储栅部

·细胞系制备栅部(例如冷冻细胞系的解冻)

·试剂存储栅部，试剂存储栅部提供针对试剂(例如细胞介质)的精确的环境控制

·细胞培养栅部(例如生物反应器)

·其他存储栅部(例如用于细胞培养的氧气)

·下游处理栅部(例如，用于执行过滤步骤和/或层析步骤)

·质量控制操作栅部(例如流式细胞术)

·生物产品精加工栅部(例如产品浓缩)

·废弃物存储与管理栅部

模块级别的设计与实施

多个栅部可以可选地与附加回路和装置组合，以形成“模块”。模块提供特定于生物制造或生物产品研发协议的主要任务或步骤的硬件。

可以对每个模块设计进行数字编辑，以使得能够进行可扩展的设计以适应不同的流体体积和/或协议步骤，并且使得能够具有快速重新构造和创建新版本的能力。

PCR实验模块

根据本发明的实施例的一个示例模块是PCR实验模块，PCR实验模块的示例在图25中示出，该PCR实验模块的示例将三个PCR反应区位栅部与子总线回路集成在一起。

该模块集成了PCR反应区位功能器件和流体输送功能器件，以便为并行地或连续地执行多个PCR反应提供了集成的且优化的解决方案。

构造

·由于所需的总体PCR反应、协议执行、液体体积以及盒部的总体复杂性，可能会导致多种构造

·根据需要具有不同数量的集成的各个栅部/回路的多种构造是可能的，在可能性范围的两端的两个示例为：

o单个PCR反应区位栅部以及单个子总线回路

o具有多个子总线栅部的多个PCR反应区位栅部

益处

·使得能够实现针对将进行的每个PCR实验的需要而定制的特定协议硬件解决方案

·可扩展的硬件方法，以能够适应不同的PCR实验和总体协议

其他模块

具有3个PCR反应区位栅部的上述PCR模块对于所描述的高复杂性PCR盒部实施例是特定的。栅部的其他组合是可能的，以为特定的生物制造操作创建集成模块。另一个模块的示例是以下各项的集成：

·细胞培养栅部(例如生物反应器)

·质量控制操作栅部(例如流式细胞术)

·PCR栅部

·下游处理栅部(例如，用于执行过滤步骤和/或层析步骤)

·子总线回路

这些栅部的集成可以提供针对所需的特定生物制造操作优化的独立生物制造模块，并且能够相应地对每个模块进行定制/优化。

系统级别的设计与实施

在层次的顶部，系统集成了多个模块，以创建用于生物制造协议和/或生物产品研发实验的特定应用的硬件解决方案。通常，根据需要集成尽可能多的模块，以提供执行生物产品研发实验和/或生物制造协议所需的最高级别的解决方案。

系统的一个实施例提供了高复杂性的PCR盒部，该盒部由上述的部件形成，所有部件都集成到标准盒部架构中。具体地，高复杂性的PCR盒部集成了六个PCR实验模块和主盒部总线栅部(集成到每个子总线回路中)。图26示出了根据该实施例的高复杂性的PCR盒部。

在本发明的另一个实施例中，可以提供低复杂性的PCR盒部，例如，包括两个或四个PCR实验模块的盒部。

还能够创建具有多个不同模块(与高复杂性PCR盒部实施例中的相同的模块不同)的替代高复杂性盒部。这些盒部可以用于需要更多种类的功能器件的应用，例如涵盖生物制造协议中的上游处理和下游处理中的一个或多个，或者上游处理步骤和下游处理步骤(例如细胞治疗和基因治疗)的混合组合。

类似地，也能够在盒部中具有其他模块。这可以通过在竖直(Z-轴线)方向上堆叠其他模块来实现，使得在x-y平面中保持标准盒部架构的占用空间，并且使与设备的接口标准化。

多盒部架构

在另外的或替代的实施例中，盒部可以被构造成组合在一起，使得多个较小的盒部可以组合成一个较大的盒部组件，并且被布置成彼此流体(以及电气、电子和/或气动)连通。这些较小的盒部将作为单独的盒部呈现给基站。

这种方法的优点是在单个封装内提供更大的生物处理灵活性，提供对不同的液体体积进行处理(例如，一个小的盒部可以处理～10μL，另一个盒部可以处理1ml至5ml)以及对用于在整个生物协议内的不同生物子过程的硬件进行处理的能力。

该方法还可以增强使用期间的可靠性。例如，盒部的一个部件的故障不一定使整个组件无法使用。该方法还可以在制造过程期间实现更高级别的质量控制(qualitycontrol，QC)(与更大、更复杂的盒部相比，在更小的盒部中的制造缺陷可以更容易被检测到)。

在多盒部布置中，每个盒部组件包括多个较小的盒部，多个较小的盒部中的每一个较小的盒部具有标准的外部构造，该构造提供了使这些较小的盒部之间能够流体连通(以及根据需要，电气连通、电子连通和/或气动连通)的手段。实现这种连通的流体总线还可以为可以在任何芯部上使用的附加试剂存储提供体积。

例如，双盒部组件100可以如在图51中所示的形成，其中，两个盒部10a、10b沿着两个盒部的内表面连接在一起。在图51中示出的布置中，盒部具有不同的构造和不同的功能，其中，第一盒部10a提供主要的生物处理能力，第二盒部10b为在第一盒部上执行的反应提供较大的流体存储器，因此不消耗第一盒部中的功能空间。应当理解，提供功能(例如附加存储功能)的这种“标准”盒部可以与多种不同的专注处理(processing-focused)的盒部组合，这可以简化制造。替代地或另外地，组件内的多个盒部可以具有相同的功能器件以提供并行处理，或者布置成执行不同处理的盒部可以被“链接”，使得一个盒部的输出可以供应到另一个盒部的输入，如在以下部分中进一步详细描述的。

应当理解，虽然图51示出了两个盒部的组件的示例，但是根据期望的功能器件可以创建更大的组件。这些组件可以是线性的，或者盒部的二维阵列或三维阵列。

功能性盖子

上述实施例的盒部具有用于与基站兼容的共用外部构造(以下将进一步详细描述)。

为了进一步改进功能交互盒部，特别是在前一部分中描述的盒部组件可以被包括在共用的盖子或外壳中。这可以提供盒部的改进的表面呈现以及使盒部与基站之间的接口潜在地组合和简化。

图52示出了包括在外壳110内的盒部10的示例。

外壳110通过USB或类似的限定的接口111来提供与基站的共用电气接口。外壳110可以使得能够将成品部件(例如USB端口)并入，使得盒部10本身可以被3D打印，而不必将这些部件并入(或形成)在打印主体内。这可以包括通信部件(例如用于4G/5G连接的SIM卡或RFID标签)，通信部件可以实现盒部10与远程网络位置之间的数据传输。

外壳110还可以包括难以并入在盒部本身中的、用于过程控制和其他功能的附加电子器件。附加电子器件可以包括诸如光学相机的特征件，以拍摄盒部10内的液体移动的图像，从而提供用于盒部10中的液体处理的闭环控制装置。

外壳110还可以包括电源，例如电池，以使得能够具有自给自足的盒部/盒部组件。

标准设备/基站-概述

标准设备或基站提供了与上述盒部的接口。

标准设备是在根据本发明的实施例的盒部中实施的功能器件的关键使能器，并且控制协议在那些盒部上的执行以及使盒部启用的操作方法。

与根据本发明的实施例的盒部相关的上述功能使得能够创建用于多种生命科学应用(包括生物产品研发和生物制造)的特定应用的盒部。

然而，尽管盒部高度地集成，但仍然需要用于运行盒部的常规功能器件，该常规功能器件例如提供电能、过程控制、用户界面等。这种常规功能器件由标准设备提供。

标准设备以标准形式提供了该常规功能器件，以使得能够在可能连接到标准设备的多个盒部上执行协议。使用共用的盒部接口(用于硬件和处理)使得能够在标准设备上使用任何盒部，同时对于每个应用所特定的硬件被容纳在盒部中。这使得能够在发生制造或加工的每个地点处提供单个的标准设备，并在需要时(实际上是“根据需求”)提供用于特定制造或加工的一个或多个盒部。

针对每个盒部的协议执行在标准设备上通过使用每个特定应用的盒部所特有的软件程序来控制。该软件是围绕通用程序结构的使用而构建的，以在标准框架内创建各种协议执行程序。在该软件中考虑了由设备操作每个盒部所需的灵活性。

标准盒部接口和定制软件的使用使得标准设备能够有效地成为通用设备，该通用设备能够运行许多不同的生物产品和生物制造协议，定制软件使用标准程序结构和命令。

盒部的中心制造的定制和/或特定指令集使得能够对由盒部执行的处理进行修改而不修改标准设备，特定指令集被分配以使得标准设备能够控制每个盒部的运行。

格式和功能器件

标准设备50的实施例在图27中以打开构造和关闭构造的形式示出。标准设备50是具有模块化的和灵活的架构的，在物理上小的、自动化的、桌面安装的装置。

标准设备50具有标准化的盒部接口60，该标准化的盒部接口提供了呈标准化模式的连接器，用于与盒部的标准化的电子连接和气动连接。该接口使得标准设备能够操作各种各样的生物制造盒部，并且有效地提供单个通用设备，而无需考虑在每个盒部上执行的特定生物产品和生物制造协议。

标准设备50可以通过多个单独的盒部同时执行多个生物制造协议，多个单独的盒部在设备中的不同“端口”或“站”处并行地运行。在图27中示出的标准设备50具有两个这样的站，但是应当理解，可以提供具有更多站或仅具有单个站的变型。

标准设备50与盒部设计之间的集成意味着能够提供“即插即用”或“易于实现”的能力，其中，盒部可以插入到标准设备中，并且加载和启动用于盒部的适当软件，使得低技能用户可以在对自动化设备进行最小干预的情况下有效地执行复杂的生物制造协议。

标准设备50具有内置的图形用户界面(graphical user interface，GUI)52，用于提供正在由一个或多个盒部执行的生物制造协议的进展概况。

根据实验和生物制造协议的复杂性，能够以不同的配置使多个盒部和/或标准设备联网。这可以包括例如在单个标准设备上连接盒部，通过对多个标准设备进行物理连接来使多个标准设备联网，和/或通过企业级别的物联网类型的网络来使多个标准设备虚拟地联网。

盒部的特定应用的性质以及标准设备的标准但灵活的功能器件有效地使得一个设备能够用于各种各样的生物制造协议。针对每个生物制造协议的硬件定制被容纳在盒部内，盒部通过标准化的设备接口连接到标准设备。

控制架构

标准设备50可以通过CANBUS型网络来同时控制多个盒部，CANBUS型网络被设计用于主设备计算机和分布式盒部模块之间的分布式I/O。该控制架构在图28中示出，并且在下面更详细地描述。

标准设备计算机70通过设备软件和/或嵌入式固件来执行运行标准设备所需的所有控制程序。标准设备计算机还为连接到更广泛的网络(未示出)提供了数据和通信功能器件，例如通信到云数据库。

标准设备计算机70连接到用于每个盒部10的模块控制器72，并且对在设备上执行的所有生物制造协议提供整体控制。标准设备计算机根据需要将下载的实验程序和数据分配到每个盒部模块控制器72，并且管理整个设备的电能分配，如在图29中由虚线示出。标准设备计算机还具有机载过程分析处理器。

用于每个盒部10的盒部控制模块PCB 72布置有固件，该固件在盒部上执行用于实验协议执行的操作方法的指令，并且将来自已执行的协议的测量数据传输回到标准设备计算机70，以用于设备上的数据分析或设备外的过程控制。

标准的设备计算机运行设备软件，该设备软件被设计成使得生物制造协议能够从一个设备移植到另一个设备并且在盒部架构的代之间移植。该软件可以针对不同的用户具有不同的权限级别。

实验协议控制执行可以通过本地控制在设备上进行。数据可以被传送到云，以用于设备外的数据分析以及做出决定。根据控制决定和/或监管要求的临界，可以使用这些方法的混合。

数据能力

标准设备具有用于设备内数据操作的装置，以及用于设备外数据操作的、使用通信网络(有线的或无线的)的装置，并且可以适当地将这些装置组合。可用的功能包括收集和汇总数据；接收数据；存储数据；数据的传输以及数据的挖掘/分析。

该功能意味着设备上的对过程执行进行控制的软件还能够收集生物制造过程分析数据，生物制造过程分析数据可以用于过程执行本身和/或被传输到外部本地，例如用于基于云的软件应用层/数据库。

标准设备将能够利用人工智能(artificial intelligence，AI)和机器学习(machine learning，ML)方法来优化生物制造协议的执行和控制。这些AI功能和ML功能可以使用标准的设备功能器件执行，或者在云中执行，然后通过通信网络传送到标准设备。

通过提供网络连接，标准设备制造商可以与标准设备远程通信，以进行监控、维护、更新、升级以及修复。

模块化架构

由标准设备使用的模块化的且灵活的架构使得能够具有几乎无限数量的可能的构造。例如，在一个实施例中，标准设备是非常小的紧凑的设备，该设备具有能够运行单个盒部的单个模块，该单个盒部用于低吞吐量的场景，例如在家庭或护理点环境中制造生物产品(例如基于生物的药物)。

在替代实施例中，单个的标准设备可以在具有更大占用空间的一个设备中容纳多个模块，该设备适用于高吞吐量的场景(例如医院药房)，在高吞吐量的场景中，需要根据需求同时执行多个生物制造操作(例如，基于生物的药物的制造)。

类似地，在所有标准设备中都可以容纳不同的盒部构造，而无需考虑可以容纳的模块的数量。

因此，标准设备提供了创建硬件解决方案的能力，以根据需要适应每个生物制造协议和使用场景的复杂性。

多个用户可以潜在地与标准设备和/或从生物制造协议的执行中获得的数据进行交互。为了实现这一点，可以向每个用户提供加载到设备软件中的不同的用户档案，以确保仅相关信息被获取和/或仅一些用户可以启动或停止实验。

标准设备-详细描述

本文献的该部分描述了标准设备50的实施例，该实施例用于在盒部10(例如上述高复杂性PCR盒部)上执行以下更详细地描述的操作方法。本实施例的标准设备50的总体结构在图27中示出。

标准设备50具有基座54，其余的元件固定到基座，其余的元件特别是外壳主体56、模块/盒部(在图27中未示出；应当理解，根据构造，模块/盒部可以固定到外壳主体而不是基座或者可以固定到外壳主体以及基座上)以及电池/电源模块。基座54被设计成容纳整个设备共用的一些部件(例如电源模块)以及根据用于容纳盒部的槽的数量而重复的一些部件(例如盒部接口60)。在图27中示出的布置中，基座54可以在宽度方向上延伸，以并排地容纳不同数量的模块。

外壳主体56提供容纳部以对标准设备50的内部部分相对于外部环境进行隔离和保护，以保护盒部并且帮助保持标准设备的内部温度。外壳主体56由具有圆形的且没有锋利边缘的塑料材料或类似材料构成，以帮助清理和防止碎片等的积累。

外壳主体56(以及以下进一步描述的盖部58)的精确设计可以被调整以适应使用环境。例如，可以生产用于在外部或恶劣环境中使用的加固版本，并且可以制造用于家庭使用的具有视觉吸引力的设计。

与基座54一样，外壳主体56被设计成柔性设计，可以被制造成多种构造以适应不同数量的模块。

外壳主体56具有盖部58，该盖部被安装在外壳主体上，盖部通过消除环境光并且防止空气中的微粒在不对盒部进行操作的模块上的积聚来起到将标准设备的内部与外部环境隔离的作用。

盖部58的尺寸可以改变以适应更高的盒部。盖部58可以被布置成多个独立但相互锁定的盖部，使得能够打开盖部以接近一个盒部而不过度干扰安装在设备中的另一个盒部。

提供用户界面52以使得用户能够与标准设备50交互，用户界面包括用于显示信息的屏幕(也可以是用于接收用户输入的触摸屏)。屏幕可以为用户显示指令、信息、数据或讯息中的一些或全部。用户交互可以包括输入数据、调整设置、确认讯息中的一些或全部。

电池/电源模块(未示出)向标准设备50提供电能。电源模块可以提供与外部电源的连接以及安装在设备上的电池，或提供与外部电源的连接来代替安装在设备上的电池。电池的提供使得标准设备能够在有限的时间内运行而不需要连接到外部电源。当标准设备下一次连接到外部电源时，电池可以充电。

盒部和/或用户ID读取器53提供从外部源获取机器可读数据的手段。例如，盒部和/或用户ID读取器可以从盒部和/或用户标识牌或用户标识标记来读取条形码或其他标识(例如，RFID标签)。

盒部接口/模块

盒部接口或模块60是标准设备50内的独立单元，该独立单元为盒部提供接口以在标准设备的控制下执行协议。如以上所讨论的，在标准设备50的任何特定实施例中使用的相同盒部模块60的数量可以改变。本实施例具有两个盒部模块。图29示出了本实施例的盒部模块60中的一个盒部模块，其中，为了清楚起见，标准设备的其他部分被去除。

盒部模块60包括底架62，底架提供了安装框架，以保持盒部模块的所有部件。底架62提供了与基座部件54的机械连接，并且限定了用于所有盒部设计的标准XY占用空间，但不限制在Z方向上可以容纳的盒部的尺寸。

底架62提供了如在图30中示出的“键槽”特征，以防止不希望的盒部的联接和装载。底架安装部件上的凸特征与盒部上的凹轮廓联接，从而防止具有不兼容特征的盒部被装载。

底架62后部的竖直安装的PCB 64提供了标准设备与盒部10之间的电子和热接口。图31示出了电子和热接口PCB 64的示例性布置，以及分解视图，分解视图示出了将该PCB与盒部10联接的连接器65中的一个连接器的。

PCB是具有固定物理尺寸的标准化设计。安装在PCB上的是商业上可获得的“弹簧探针(pogo-pin)”65的多个布置，该测试毯子具有弹簧安装触点，以与安装的盒部上的电子通路联接。

各个盒部不一定与PCB 64上的所有连接器65接合。冗余连接器65的布置使得能够具有大量的电子接触并且提供灵活性以适应不同的盒部设计和要求。

PCB 64通过连接器65从标准设备向安装的盒部10提供电能，用于为盒部上的电子功能器件供电。PCB还从标准设备向盒部提供电能，用于为盒部上的热功能器件(例如电阻式加热器)供电，如在上文中更详细地讨论的。

除了提供电能之外，PCB 64上的连接器65还可以为电子控制信号在标准设备和安装的盒部之间的双向交换提供路径。

气动接口66水平地安装在底架62中，并且提供用于将盒部10定位和固定到标准设备50的机械接口。该接口66的标准化XY尺寸限定了盒部的XY占用空间。图32示出了接口66在底架62上的安装的示例性布置以及接口本身的分解视图。图33示出了接口66本身以及安装在接口上的各种气动部件的分解视图。

气动接口66容纳大量的气动连接部和部件，这提供了适应不同盒部设计和要求的灵活性，尽管特定的盒部不需要所有的连接部或部件或者不与所有的连接部或部件相互作用。

布置在气动接口66上的典型气动部件在图33中示出，并且在下文单独地描述。应该理解，在该图中示出的这些部件的布置只是众多可能性中的一种可能性。

主歧管67在特定位置处提供了接口，该接口连接到安装的盒部的底部侧。每个连接位置对应于盒部内的气动阀。歧管67包含大量的通路，以用于使压缩空气从空气存储器68流向特定的歧管/盒部接口。

空气存储器68是预填充有压缩空气的存储器，压缩空气提供能量源以用于对容纳在安装的盒部内的阀进行致动。压缩空气朝向在安装的盒部中的阀的流动由在气动接口66内的气动阀69控制。

可以容纳多个空气存储器68，以使得能够在持续时间周期内持续运行多个盒部。气动接口可以提供一个或多个空气存储器68与泵之间的连接，以用于对存储器进行再填充，或者用于连接到外部空气源以进行再填充。替代地或另外地，空气存储器68可以可拆卸地连接到气动接口66，使得空气存储器可以根据需要互换。

多个气动阀69控制气动接口中的流体(例如压缩空气)的流动。这些阀由盒部模块控制PCB 72来控制，并且根据对于安装的盒部所特定的实验协议而被致动。阀通过带状电缆来电子地连接到盒部模块控制PCB 72，以使得能够对每个阀进行电子控制。

液体泵61为在安装的盒部内的液体存储器提供致动源，以使得能够进行盒部内的液体移动操作。泵61与对应的气动阀69一起被致动，以使液体在安装的盒部内的移动同步。

泵61连接到盒部模块控制PCB 72并且由盒部模块控制PCB 72控制，并且根据对于安装的盒部所特定的实验协议而被致动。

应当理解，虽然以上文描述的并且在附图中示出的方式来安装气动接口66和电气接口PCB 64在将电气功能/电子功能与气动功能分开的方面是有利的，但是只要提供跨越不同标准设备的连接器的标准化布置以使得能够进行模块化盒部设计，这些接口就可以组合和/或以不同的组合或方向布置。

盒部模块控制PCB 72提供了对盒部接口60上的所有功能器件(电子功能器件、热功能器件、气动功能器件、泵)的控制，以在一个或多个安装的盒部上执行实验协议。如上所述，控制PCB 72电子连接到气动阀69、泵61以及电子接口PCB 64。

如在图28中示出，控制PCB 72还连接到标准设备计算机70，标准设备计算机提供了对标准设备中的所有盒部模块的总体控制。

用于控制每个安装的盒部的特定软件程序从标准设备计算机70下载到盒部模块控制PCB 72。

联网和连接

盒部10和标准设备50可以根据期望的应用以许多不同的方式联网。

该联网可以包括通过多个盒部的物理连接而进行的设备内联网，多个盒部以本地区域网络(Local Area Network，LAN)型布置被安装在一个设备上，在该布置中，每个盒部就像LAN上的节点一样运行。这可以使得能够具有在下文更详细地描述的资源监控和资源分配技术，并且使得流体能够在多个盒部之间移动，就像这些盒部是单个实体。这可以使得能够跨越多个盒部实施特定的生物制造协议。

替代地或另外地，该联网可以包括通过以宽区域网络(Wide Area Network，WAN)型布置将多个标准设备物理连接在一起的设备间联网，在该布置中，每个标准设备是WAN上的节点，每个盒部是WAN上的子节点。这可以使得能够具有在下文更详细地描述的资源监控和资源分配技术，并且使得流体能够在多个盒部之间(包括在不同的标准设备上)移动，就像这些盒部是单个实体。这可以使得能够跨越多个盒部实施特定的生物制造协议。

替代地或另外地，该联网可以包括通过多个标准设备的非物理连接(例如通过无线协议)来形成虚拟网络，以共享数据和实验性执行。中心控制器和/或数据库可以连接到网络。该虚拟网络可以使得多个实验能够高效地执行。资源监控可以使得网络能够根据实验的复杂性和不同资源的可用性来将实验分配给单独的设备或设备的组合，甚至分配给单独的盒部。

操作方法

通过采用在硬件上执行协议的新方法，由根据本发明的实施例(在上文详细描述的PCR盒部中实施的)的盒部提供的集成的且小型化的硬件的益处被最大化。

在以下的实施例中描述的操作方法利用了盒部内的减少的液体体积的使用，并且使得能够在液体体积内并行处理小批量的生物产品。

多个小的体积的并行处理类似于IC/SoC的运行方式，其中，数据“包”与时钟周期并行移动。因此，在控制PCR盒部的实施例中使用的操作方法可以被认为类似于在系统级芯片(System on Chip，SoC)中使用的指令集架构(Instruction Set Architecture，ISA)，该指令集架构限定了如何使用以下关键特征来控制SoC：

·液体“包”

·时钟

·盒部寻址方案

·“罐装的(canned)”操作

·(标准的和特定应用的)子例程

·协议执行惯例

以上关键特征中的每一个关键特征的益处都建立在彼此的基础上，并且实现了进一步的功能，最终能够执行复杂协议(例如PCR协议)。使用具有创建特定应用方面的能力的标准关键特征减少了特定应用的协议的总体开发工作，同时仍然在标准框架内运行。

关键的操作方法特征的概述

在描述根据本发明的实施例的PCR盒部的总体运行之前，以下描述了关机的操作方法特征。

液体“包”

根据本发明的实施例的盒部使得能够围绕盒部同时输送多个小的液体体积；这些小的液体体积类似于在IC系统中传输的数据“包”。在PCR实施例中，每个包是小体积的液体(样品、缓冲液或无核酸酶的水)。

每种液体基于在盒部内被输送的最小液体体积被分配基本体积，基本体积变成盒部内的液体“包”的基本单位。每一个基本体积的值可以在盒部至盒部的基础上配置，并且可以由多个考虑因素(例如，液体粘度、盒部单元之间的潜在转移时间(例如，从主总线到子总线，从子总线到芯部等))来确定和/或限制。

每个包的体积不一定是相等的，并且能够以基本单位的倍数输送大的体积(例如根据需要，“双倍”体积或“三倍”体积)。

包的使用还使得每个包能够用下面描述的惯例来识别，从而提供了简写识别方案。该方案可以应用于盒部的不同结构，从而提供标准化的方式来描述材料围绕盒部的移动。

针对每种试剂/液体使用给定尺寸的预定液体包使得标准液体体积(或成倍数的标准液体体积)能够围绕盒部输送。标准液体体积的使用还使得能够对盒部内的不同操作进行同步，并且能够具有对操作进行同步的标准化方法，从而使得多个操作能够并行。

液体包尺寸/体积的确定在图34中示出，其中，突出显示的行被识别为最小液体体积。

一旦确定了每种液体的液体包的尺寸，就能够识别协议执行所需的所有液体包。在以上实施例中描述的高复杂性PCR盒部中，该列表在图35中示出。

时钟

盒部与实验执行任务并行地执行多个包输送操作。时钟信号是并行操作的基石，为在盒部中执行的协议的正确时间操作提供了计时参照。

由于时钟被用作协议步骤的参照而不是对已过去的持续时间进行计时，因此时钟对“时间”的强调较少，而对操作和这些操作的同步的强调较多。因此，在盒部之间，用于时钟周期的实际时间单位可以不同。具体时间值由将最小液体体积从一个栅部/模块移动到下一个栅部/模块以及因此使另一个液体包跟随所需的转移时间决定。

可以提供多个时钟，例如系统时钟、盒部时钟和/或模块时钟。这些时钟可以彼此同步(“同步的”)，也可以彼此独立地运行(“异步的”)。在异步运行中，系统时钟将保持为用于总体调度的主时钟。

多个时钟使得能够在每个实验中存在局部波动，同时仍然确保运行与总体协议执行同步。

使用中心时钟存在多种益处。使用中心时钟确保了满足物理计时约束，并且使得仅在所有转换都已结束并且系统达到稳定状态时才能够开始下一个周期。使用中心时钟还考虑了所有栅部和线路中固有的延迟。此外，中心时钟通过提供确定接下来发生什么的时间基础来用作全局系统事件的逻辑排序机制。每次时钟转换时，发生改变系统状态的操作。

时钟的使用使得能够有效地调度操作、子操作以及子子操作，从而提高调度效率，这对于较长的协议非常有利。例如在可能会持续几周的细胞治疗和基因治疗制造协议中，这特别有意义。时钟还使得能够对子过程的同步进行更大程度的控制，从而有助于减少总体协议持续时间。

时钟还优化了盒部内的资源使用，从而使得通过增加硬件使用的效率，用较少的硬件来执行高复杂性协议。多个时钟的使用使得能够在盒部内实施自适应过程控制方法。这有利于内在的动态生物过程(例如细胞生长)，从而使得多个子过程能够在盒部内进行，每个子过程具有自己的时钟周期，但仍然在全局系统时钟的控制下。

标准协议执行单元(即时钟周期)的使用使得能够对资源消耗进行预测以及对内在动态生物过程中剩余资源的最佳使用进行计划。例如，标准协议执行单元可以对细胞介质的使用以及细胞生长场景中的批次供给循环进行优化。

在上述实施例的高复杂性PCR盒部中实施的时钟用于指示液体包的移动并且使不同实验的执行同步。适当的时钟周期(7秒)的确定在图36中示出，并且是基于使最小的包移动所需的时间，并且根据行进的距离、流量、流体路径直径、流体粘度等进行。

针对高复杂性PCR盒部确定的时钟周期可以举例说明如下：

·最小液体体积(单个包)为0.695ml(参见上文)

·将液体包从样品存储器转移到主总线所需的7秒＝1个时钟周期(即时钟周期1)

·然后将第一液体包从主总线移动到模块子总线所需的7秒(即时钟周期2)

·与第二操作并行地，将第二液体包从样品存储器转移到主总线(即在时钟周期2中)

以上确定的时钟周期用于控制在盒部中执行的子例程中实施的“罐装的操作”(下面更详细地描述)的调度。时钟并行地同步多个“罐装的操作”，以减少总体子例程持续时间，并且使硬件利用(例如，将液体并行地转移到同一芯部的缓存部1和缓存部2的能力)最大化。图37示出了这些罐装的操作是如何并行同步的。

盒部寻址方案

盒部使用地址惯例来识别盒部内的每个位置。寻址惯例使得能够在不同设备上的不同盒部上的模块内对装置/回路/栅部(参见以上描述)进行识别。寻址惯例使得能够对每个液体包的每个起始位置和目的地位置进行识别。寻址位置还在将液体包从一个位置输送到另一个位置中识别需要激活的功能，例如哪些阀需要打开/关闭，需要哪些致动源等。

每个地址可以被存储在具有单个参照标记编号(例如“位置122”)的查找表中，参照标记编号使得能够在隐藏复杂性的同时实现用于识别盒部内的每个功能的方便简写。以简写形式进行的地址识别使得能够容易地编写协议和实施“罐装的操作”。

该方案可以应用于盒部的不同结构，从而提供了标准化的方式来描述任何盒部内的位置。

基于上述高复杂性的PCR盒部的物理设计的寻址惯例的示例是：

[位置ID]＝[网络参照标记]，[设备参照标记]，[盒部参照标记]，[水平参照标记]，[竖直参照标记]，[芯部参照标记ID]，[领域参照标记]，[ID参照标记]

在上述实施例的高复杂性PCR盒部中使用的寻址方案基于不同的芯部、每个芯部的位置、以及装置/回路/栅部/模块相对于每个芯部的位置。

“罐装的”操作

盒部中的协议执行由有限数量的相继的操作组成，这些操作通常需要在协议进程中执行多次，例如在每个时钟周期中将液体包从一个位置输送到另一个位置。

罐装的操作建立在使用之前描述的液体包和盒部地址的基础上。罐装的操作背后的原理是，一些操作将由盒部内的特定模块执行，这些操作可以在任何协议创建工作之前预先识别。例如，PCR盒部中的加热器模块将执行PCR热循环。

因此，能够创建这些通用操作的查找表，并且使用简写方案来识别每个潜在的操作。例如，在每个时钟周期中将液体包从一个位置输送到另一个位置的通用操作可以被给定参照标记[液体转移]，随后是目的地地址。该方案可以应用于盒部的不同构造，从而提供了标准化的方式来描述在任何盒部内的典型协议操作的运行。

每个罐装的操作可以具有与该罐装的操作相关的一些变量或参数，这些变量或参数指定了在执行典型操作期间所需的特定动作和行为，例如源、目的地或时间段。

罐装的操作的简写可以被认为类似于编程语言，通用操作的使用使得能够使例程、子例程标准化以及创建例程、子例程。

在子例程中使用现有的罐装的操作和多个罐装的操作的组合使得能够以最小的工作和高可靠性来创建高复杂性的协议。这还使得能够使操作细节与主协议执行程序解耦，使得可以以最小的工作并且在不影响整体协议的总体执行的情况下使特定操作的执行中的行为发生改变。

图39示出了在子例程中使用罐装的操作的示例，该子例程在高复杂性PCR盒部内执行的协议中使用，对每个罐装的操作进行的排序由盒部时钟确定。

执行[液体转移]罐装操作的软件代码除了所需的起始地址和目的地地址之外，还识别所需的液体包。

子例程建立在上述功能器件的基础上，并且对罐装操作的顺序进行编码和同步。子例程提供了操作方法的层次中的另一层，从而使得能够对协议的特定方面进行修改，这些修改可以影响整个协议，减少错误的风险并且使开发工作最少化。

盒部将具有两类子例程：标准子例程，标准子例程对每个盒部所需的通用程序进行编码而无需考虑具体功能，例如在使用前对盒部进行测试和装填；以及特定应用的子例程，特定应用的子例程是针对每个盒部设计而执行的特定操作，并且在每个盒部设计之间可以不同，例如在PCR实验之间冲洗芯部，这对于PCR盒部实施例是高度特定的。

当盒部被装载到设备上时并且在协议执行之前(例如，盒部内置测试、盒部的装填等)，在以上实施例中描述的硬件具有需要执行的多个标准操作。这些操作发生，而无需考虑盒部设计或待执行的协议。

标准子例程被证明为描述标准操作的便捷的方法，从而避免了在每次创建新的盒部设计时需要重新创建这些过程。

示例性盒部标准子例程包括但不限于：

·[盒部BIT(内部测试)]-当盒部首次装载到设备上时，对关键的盒部硬件进行测试以检查是否正确运行

·[盒部装填]-从盒部流体通路移除空气以及用相关液体对主总线进行装填

·[盒部关闭]-将所有液体移动到相关存储区域，并且在从设备移除和清理之前对盒部进行减压。

除了用于典型盒部操作的标准子例程之外，还能够使用子例程来描述每个不同的盒部设计所需的特定应用的操作。与标准子例程相比，定制的子例程是为每个特定应用创建的，这些定制子例程的创建构成了盒部设计的基础和设计工作的重点。

上述实施例的高复杂性PCR盒部体现了创建单个PCR实验的多个定制子例程：

·[子例程-实验前流体转移]-将所有液体转移到相关的芯部/缓存部

·[子例程-PCR协议]-执行PCR反应中的热操作和光学操作

·[子例程-实验后数据传输]-将实验数据传输到云数据库

·[子例程-实验后芯部冲洗]-将液体转移到芯部/缓存部，芯部/缓存部用于进行其他的PCR反应

子例程和罐装的操作的使用使得能够以简洁的方式描述高复杂性协议，其中，每个操作背后所需的细节隐藏在查找表中。

通过描述顶层协议，标准设备计算机控制器能够以灵活的方式执行盒部的操作，并且使用时钟来并行地且尽可能高效地对不同的操作进行调度。

例如，在上述实施例的高复杂性PCR盒部上执行的协议包括多个PCR实验，每个PCR实验具有不同的实验参数(例如，温度)和不同的持续时间。协议执行确保了这些多个实验以最优化的方式执行，这使得多个实验能够并行，并且使用尽可能少的资源。

特定格式的协议执行使得能够接受来自更高级别的许多其他外部软件源数据库(例如Microsoft Station B(微软站B)和其他实验室软件平台)的输入和协议，然后这些输入和协议可以转换成能够在盒部上执行的格式。

此外，程序结构的总体格式可以根据需要修改和更新，以与现有的和未来的将基因和生物部分的描述标准化的标准(例如，SBOL标准)以及现有生物部分的数据库(例如标准生物部分的iGEM注册表)交互。

在联网的盒部和/或设备的情况下，标准协议执行使得能够将相同的协议或协议的部分推送到网络上的多个位置。例如，这可以使得相同的协议能够被推送到网络以使得能够进行多次复制和/或使得非常高复杂性的协议的多个部分能够被选派到一个或多个网络上的不同位置，使得大规模实验能够大规模并行而无需考虑物理位置。

协议执行通常将在盒部设计之间有所不同。对于特定盒部设计的每次使用，协议执行也可能不同。由于协议的执行由设备(通过软件)控制，因此协议可以根据需要被编辑和更新。此外，当为每个盒部设计获得实验数据时，协议可以被更新以解决问题和/或被进一步优化。

然而，协议执行也不一定特定于盒部设计，协议(通过软件)可以根据需要而转移到其他盒部设计。通过这种方式，盒部设计和在盒部设计上执行的协议是可互换的，使得固定的盒部设计能够执行单个协议，单个协议根据需要进行更新，以使得能够进行进一步优化或实现全新协议，该全新协议以新的且不同的方式来利用现有盒部设计。类似地，固定的协议可以在根据需要被更新以使得能够进行进一步优化的盒部设计上执行，和/或，固定的协议可以在全新的盒部设计上执行，作为其自身完整的协议，或者作为更大、更高复杂性的协议的一部分。

在上述实施例的高复杂性PCR盒部上建立整个协议从识别用于每个PCR实验的计时图表和执行逻辑开始。每个实验包括定制子例程和由此产生的罐装的操作。

因此有必要识别特定参数(例如，不同的温度，PCR反应周期的数量等)和每个PCR实验的计时的持续时间。然后，顶级协议执行计划对PCR实验的连续和/或并行执行进行识别，以减少总体协议持续时间并且使硬件资源最小化。

这使得能够构建协议执行计时图表，协议执行计时图表识别特定的时钟周期，每个PCR实验的特定子例程应该在该特定的时钟周期内执行。然后该协议执行计时图表被用于创建协议执行逻辑图表，协议执行逻辑图表识别除了每个PCR实验之外所需的附加标准子例程，如在图39中示出。

然后协议执行逻辑被用于创建用于在高复杂性PCR盒部上执行协议的特定程序。

附加的操作方法功能器件

该部分描述了潜在的操作方法功能器件，其没有体现在上述高复杂性的PCR盒部中，但是可以在其他盒部设计和协议中利用。

灵活的协议执行

标准的设备计算机控制器使得能够在协议执行期间在盒部内灵活地为材料规划路线。盒部地址位置被映射，计算机控制器能够识别执行操作的多个可能选项，并且相应地选择最合适的操作执行路线。例如，在子例程内的[液体转移]操作中，液体从一个地址到另一个地址的移动可能通过多个路线以及打开不同的阀的组合来实现。

因此，标准设备计算机控制器被布置成在执行之前的多个时钟周期内评估每个液体包的多个潜在路线，并且对液体包在可用路线上的潜在冲突进行检查。

通过使用液体包和盒部寻址方案实现的这种灵活的协议执行方式还使得计算机控制器能够响应于在协议执行期间获得的测量结果和读数，并且对下游操作进行调度/执行，从而提供一定程度的自适应控制。

作为该方法的一部分，计算机控制器还可以分析协议中即将发生的操作，并且选择相对于在即将到来的时间点上预期的盒部工作量的最佳操作执行路线。

灵活的协议执行的概念不仅适用于液体包的转移；例如，可能希望在反应执行期间将反应材料从一个芯部转移到另一个芯部。当并行培养多个独立体积的细胞时，这种功能是非常令人满意的。来自较小的芯部(例如25ml体积)的液体体积/细胞群可以转移到较大的芯部体积(例如75ml)以适应扩大的细胞群。这可以使较小体积的芯部自由地开始进一步的细胞培养操作，并且通过将正确的任务与正确的芯部体积匹配来优化总体协议执行。这种方法类似于在SoC/IC应用中使用的“芯部线程”技术。

基于优先级的服务

盒部内的协议的默认操作方法用于并行运行尽可能多的操作。然而，可能会出现这样的情况，其中，例如，如果需要大量材料/液体的快速转移，特定的协议步骤需要快速地执行以响应协议执行期间不可预见的情况，并且如果与其他操作并行执行，这将需要许多许多的时钟周期。

灵活的协议执行使得能够在需要时使用基于优先级的服务，以确保每个协议操作具有用于峰值协议执行所需的最适当的带宽。

冗余功能器件

如上所述，盒部可能包括冗余特征(例如，过多数量的芯部栅部)，冗余特征不被期望在协议的正常执行中使用，但是如果需要在执行高度复杂的协议期间用于应对不可预见的问题，冗余特征提供一定程度的灵活性。

盒部内的冗余功能器件对于具有可变质量起始材料(例如，在细胞治疗和基因治疗中取自患者的原材料)的高复杂性生物制造过程也非常有益。盒部内可能存在可以由设备计算机控制器执行的多个处理路线，但是这在原材料进入盒部和协议开始之前无法确定。因此，设备计算机控制器可以基于来自正在进行的过程的数据来决定在给定过程中采用哪种处理路线。

盒部设计与使用方法

该部分描述了根据本发明的实施例的生物制造协议和设计/模拟工具。这种设计方法是总体方面，并且使得能够实现上述硬件的益处。

在本文献的该子部分中描述的方法描述了用于设计根据本发明的实施例的盒部(例如以上详细描述的高复杂性的PCR盒部)的过程，并且可以被认为类似于在定制SoC的设计中使用的方法。盒部设计工作流程的概述在图40中示出。

数字主文件

数字主文件是特定盒部所需的电子文件。数字主文件记录了盒部的各个方面，包括：

·原始设计意图以及相关文件和数据(例如协议计时图表)

·与制造相关的记录和数据(例如CAD数据和3D打印机设置)

·测试和质量控制测试数据(例如所有在3D打印后的测试所需的数据)

·盒部使用和历史数据(例如盒部序列号、用户ID、订单号等)

盒部设计和开发工作流程

如在图40中示出所示，设计和开发工作流程是盒部设计和使用方法的第一步骤。该步骤的构成子步骤在图41中示出。盒部设计的所有步骤的输出都存储在用于该盒部设计的数字主文件中。

1.1限定

该步骤包括对总体生物产品研发实验和可能的执行路线进行限定，以确认顶级盒部要求。

a)确认过程的顶级目标和关键期望结果

对于正在执行研发应用的高复杂性PCR盒部实施例，在遵循以下列出的方法之前，可能需要最少的工作。然而，生物制造应用可能在开始该盒部设计过程之前需要确认以下方面：

·确认总体生物制造过程；

·过程中需要的质量保证(Quality Assurance，QA)检查；

·正在制造的生物产品的关键质量属性(Critical Quality Attribute，CCQA)；

·质量源于设计(Quality by Design，QbD)方法；

·生物制造过程的关键工艺参数(Critical Process Parameter，CPP)。

该阶段的关键步骤是：确认重点调查/生产目标；确认约束；确认基线/控制；确认关键过程参数和变量；确认期望的结果。

b)限定实验方法

该步骤的目的是确认可能的实验方法，由此产生所需的特定实验或过程及其参数。

该阶段的关键步骤是：确认总体实验方法；确认特定实验；确认每个实验的关键参数的值；确认实验材料；实验持续时间的概要；确认最长持续时间实验和最短持续时间实验。

c)限定实验细节

该步骤的目的是确认将在盒部中执行的每个实验的特定细节，以确认总体实验步骤、所需的液体包以及时钟周期影响。

限定液体包是盒部设计的关键，因为这决定了在以下步骤中的一些步骤或全部步骤：可能的并行操作的程度；盒部时钟周期；对总体协议复杂性的影响；由此产生的总体盒部的复杂性。

可选地，在该阶段，确认用于特定液体及液体内含有的生物材料的具体存储要求、处理要求以及转移要求也是有用的。

在该阶段中的关键步骤是：确认实验液体；确定液体包和时钟周期参数；确定实验前和实验后的步骤和相关细节；确定具体实验步骤；确定实验计时概要；确认液体包并且分配ID。

首先，该过程确定了每个实验所需的所有液体，并且确定了所需的反应容器(芯部和缓存部)的总数，以及每个反应容器中所需的一个或多个体积。

接下来，该过程确定液体包尺寸(在协议中使用的最小液体尺寸)，并且因此确定了实验中使用的每种液体的包的尺寸的倍数。这使得能够确定时钟周期单位，以与实验持续时间相协调。作为指导，该单位可能是将最小尺寸的包从主总线转移到子总线所花费的时间。

接下来，确定实验前步骤和实验后步骤的概要，以及具体步骤和用于这些具体步骤的定时/时钟周期，以建立相关的子例程。

接下来，确认具体实验步骤，并且创建最长实验持续时间和最短实验持续时间的概要。然后确定每个子实验的具体步骤和定时/时钟周期。

然后可以产生总体实验定时概要，总体实验定时概要是所有实验时间的图形说明。

最后，对使用的液体包进行确认并分配ID。

d)协议执行选择

该步骤的目的是对执行先前确认的多个实验的可用选择/路线进行确认。

该步骤可能不太适用于研发实验(例如，在高复杂性PCR盒部中进行的PCR反应)，在研发实验中可能存在最少的执行选项。然而，该步骤可能高度适用于生物制造方案执行，在生物制造方案执行中，根据输入材料可能存在多个方案执行选项(例如，起始原材料在患者之间将不同)。

该步骤限定了实验执行的顺序，并且在实施物理盒部设计之前确认期望的协议执行行为(即，将期望的行为从物理架构设计中分离)。

需求在协议之间可能不同，并且导致不同的驱动程序(例如，一个协议可能需要在尽可能短的总持续时间内执行，而其他协议可能优先使用最少资源)。

该步骤包括：基于来自前一步骤的信息，确认实验协议执行选项、决策点以及结果实验路线；确认实现多个协议执行路线所需的附加功能器件(例如附加子例程)以及确认所需的附加液体包。

e)顶级盒部要求确认

该步骤限定了相关的盒部架构，以确认执行期望的实验所需的盒部功能器件。该步骤是对盒部上应该有“什么”功能器件的确认，是限定盒部要求的第一步骤；该步骤不是“如何”执行，“如何”执行将在下文进一步描述。

该步骤包括：对实验执行路线和相关的液体体积信息进行审查；确认所需的总液体体积；确认顶级盒部要求；选择合适的标准盒部架构；创建顶级盒部架构。

f)对限定进行审查

此步骤对所有实施的活动进行审查，以确保在a)中确认的原始实验目标和以下步骤的结果输出之间的一致性。

1.2盒部架构开发

该活动的目的是为执行在前一阶段中限定的实验所需的盒部限定总体架构。

a)装置/回路/栅部/模块选择

该步骤的目的是从相关库中识别和选择相关装置/回路/栅部/模块，相关装置/回路/栅部/模块将使得盒部设计能够实现在步骤1.1e)中确认的顶级盒部要求。

该步骤包括：对适用于选定盒部架构的相关的且可用的装置/回路/栅部/模块进行审查和确认；确认所需的新的装置/回路/栅部/模块是否不可用/不存在；确认适用的所需盒部架构、盒部发动机以及装置/回路/栅部/模块。

b)详细的盒部架构

该活动的目的是限定详细的盒部架构和物理盒部布局的示意图。该步骤将来自以下先前步骤的输出集合在一起：协议执行路线；液体特征；装置/回路/栅部/模块选择(上文的步骤1.2a))。

该步骤包括创建特定的盒部示意图和创建盒部地址位置。该阶段的输出是盒部架构/引擎示意图、对用于功能器件测试的单独的流体回路和气动回路的识别、以及盒部地址列表。

c)确定操作方法

该步骤的目的是限定盒部的操作方法，该方法限定了盒部架构(步骤1.2b)将如何执行协议执行路线(步骤1.1d)。

操作方法描述了如何在盒部上执行协议(即步骤和阀打开)。特别地，操作方法限定了将执行的相关的罐装的操作以及罐装的操作将被执行的具体顺序。该步骤还识别了在盒部和标准设备上实施协议所需的总体协议控制程序以及不同操作的并行。

该步骤包括创建所需的所有子例程的列表和计时图表；为所有子例程创建程序；用罐装的操作参照标记(表)来更新子例程；对先前确认的协议执行计划进行审查，并且对实验重新排序，以使总持续时间最小化；以及为整个协议创建完整的计时图表。

d)对盒部架构开发工作进行审查

该步骤包括对所有盒部架构开发活动进行审查，以确保与在阶段1中确认的总体限定工作和前一次审查的结果保持一致(步骤1f)。

1.3盒部架构建模和分析

该步骤包括对在前一步骤中开发的盒部架构实施建模和分析工作，以确保该盒部架构能够按照期望执行实验/生物制造协议。

a)盒部物理建模

该步骤的目的是理解盒部架构的总体物理性能。由于盒部架构由装置/回路/栅部/模块组成，因此有必要对这些元件中的每一个元件的物理行为单独地进行建模，然后以各种组合对这些元件中的每一个元件的物理行为进行建模，以理解总体盒部架构物理行为。

由于总体盒部架构对低层级模块性能的强依赖性，因此有必要对模块性能以及将多个模块集成到一个盒部设计中导致的累积效应进行数值建模和分析。例如，气动止回阀的静态和动态性能对于确定试剂的流量以及总体的系统性能非常重要。

在该阶段的该建模是基于盒部示意图和模块数据表，而不是物理设计。重点是数值分析(即基于物理第一性原理)，而不是广泛的计算模拟。

将模块分析独立于总体盒部架构的能力是本发明的架构的另一个益处，本发明的架构利用了层次和抽象方法。模块分析包括静态性能(湿的和干的)运行范围、动态性能(湿的和干的)运行范围。

该步骤包括识别协议内感兴趣的特定物理场景，例如多个模块在高温下同时运行；针对相关协议场景分析各个模块的物理行为，例如对在高温下的单独模块性能进行表征；以及当所有模块集成时对在总体盒部中出现的紧急行为进行分析，例如对在高温下运行的多个模块进行表征。

这使得能够根据需要对物理分析基线和盒部架构进行审查和更新。

b)协议执行建模

该步骤的目的是理解盒部架构执行在先前步骤中确认的操作方法的能力。该模型考虑了诸如材料吞吐量、流量分析、协议执行时间、资源利用率、时钟周期等方面，以确保最佳的盒部架构。

特别地，协议执行建模包括：盒部架构的缩放；速度/吞吐量；物理尺寸；计时；频率响应；能量消耗；协议调度；盒部操作范围。

该步骤建立在可重复使用的子例程以及具有已知性能的罐装的操作的库的益处之上。

在该步骤中，特别地，对在步骤1.2c中确认的操作方法进行审查以进行如下操作：识别感兴趣的特定协议执行场景，例如高度并行发生的高流量场景；对感兴趣的各个模块的协议执行行为进行分析(例如主总线液体转移能力与需求相比)；针对识别的场景，对在总体盒部中存在的协议执行紧急行为(例如并行运行的多个总线结果行为)进行分析；运行每个识别的协议执行场景，特别地在所有可能场景的极端情况下(例如，最大的材料被处理，最小的材料被处理)进行分析；根据需要创建协议执行分析基线，对盒部架构进行审查和更新。

c)建模和分析审查

该步骤的目的是对盒部架构分析工作进行审查，以确保与对总体限定活动的审查(步骤1f)和对盒部架构开发活动的审查(步骤2d)一致，并且签发盒部架构。

1.4盒部物理设计与模拟

该步骤的目的是将在之前的步骤中创建的盒部架构变成可以制造的物理盒部设计。

a)物理细节设计

该步骤包括基于以下各项来创建盒部物理布局设计：盒部架构示意图；操作方法；步骤1.3a中的模块和架构物理分析以及步骤1.3b中的架构协议执行分析。该步骤还包括盒部微架构和各个元件的细节设计。

b)物理盒部设计的物理模拟

该步骤的目的是进行物理模拟，通过对在步骤1.3a中创建的物理分析基线进行审查、创建盒部物理设计模拟以及将模拟数据与在步骤1.3a中创建的物理分析基线进行比较，来验证盒部物理设计相对于在步骤1.3a中开发的物理建模基线的性能。

c)物理盒部设计的协议执行模拟

该步骤的目的是进行协议执行模拟，以验证盒部物理设计相对于在步骤1.3b中开发的协议执行模型基线的性能，确保期望的协议执行时间表在盒部的物理设计中是可行的，并且所有盒部资源得到充分利用。

特别地，目标是识别系统可能崩溃以及阻止协议执行的场景，例如在盒部资源同时被两个单独的步骤需要的情况下出现的“死锁”，或者在累积的计时/调度错误导致问题的情况下出现的“急转”情况。

该步骤包括对在步骤1.3b中创建的协议执行分析基线进行审查、创建协议执行模拟以及将模拟数据与在步骤1.3b中创建的协议执行分析基线进行比较。

d)对盒部设计进行更新和优化

该步骤包括对盒部的物理设计进行更新，以反映在实施的模拟工作中识别的任何更新和改进，从而实现优化的盒部物理设计。特别地，可以对物理盒部设计进行详细的优化以适应协议执行的各个步骤，例如调整特定的流体轨道直径/表面性质以适应每个阶段生物材料的状况，以及使用3D打印特定软件来“调整”物理设计几何形状以适应正在使用的3D打印平台。

e)模拟审查

该步骤包括通过之前的审查的发现来对盒部物理设计和模拟结果进行审查，以确保与总体限定审查(步骤1.1f)、盒部架构开发活动审查(步骤1.2d)以及盒部架构分析审查(步骤1.3c)一致。

1.5盒部设计审查

该审查的目的是逐步调试全部的盒部架构以及盒部物理设计工作，以确保其满足在限定步骤中确认的实验/生物制造协议的原始目标。

该步骤包括对盒部设计方法中每项活动的输出进行正式验证审查，从而导致物理盒部设计的设计签发，并且物理设计被锁定和“冻结”。

1.6盒部设计验证

该步骤包括在前一次审查中签发的盒部设计的制造和测试。

a)初始盒部制造

首先，制造初始盒部(物理盒部原型)，并且基于在步骤1.4中进行的模拟工作来创建“工程”测试协议，基于在步骤1.1中进行的协议执行工作来创建“生物学”测试协议。

b)工程测试-阶段1

该步骤的目的是对根据在活动1.4中进行的物理模拟和协议执行模拟来制造的盒部的性能进行初步评估。

这包括对照设计规范，对模块性能进行基于工程的测试。这可以包括盒部的物理行为(例如流体流动特性、热行为等)以及协议执行行为(例如材料转移周期时间实验)。

这还包括对照设计规范，对完整盒部性能进行基于工程的测试。这可以包括物理行为(例如，整个盒部的总体流体流动特性、相邻模块的热行为和累积热性能)和协议执行行为(例如，在每个时钟周期内执行期望的总体步骤的能力)。

当完成时，将对照设计规范，对模块和盒部性能进行审查，并且根据需要更新盒部物理设计。

c)工程测试-阶段2

该步骤包括对按照步骤1.6b中的发现对盒部设计进行的任何更新实施进一步测试。因此，重复“工程”测试协议，对照设计规范对模块和盒部的性能进行审查，并且更新盒部物理设计。该过程可以根据需要而被重复，以优化物理盒部设计。

d)生物学测试-阶段1

该步骤的目的是与在步骤1.2c中确认的操作方法相比，使用实际协议材料对制造的盒部的性能进行初步评估。

这包括对每个协议步骤和完整协议进行基于生物学的测试。当完成后，对结果进行审查，并且根据需要更新协议和盒部物理设计。

e)生物学测试-阶段2

该步骤包括对按照步骤1.6d中的发现对盒部设计和/或协议进行的任何更新实施进一步测试。因此，重复“生物学”测试协议，对结果进行审查，并且根据需要更新协议和盒部物理设计。该过程可以根据需要而被重复，以优化协议执行。

f)正式的盒部确认审查

该步骤包括对所有的工程验证测试和生物学验证测试进行审查，以确保令人满意的盒部性能。最后，对所有文件和盒部物理设计进行正式签发，并且盒部设计和数字主文件可以在需要制造的盒部设计的数据库上从“设计中”状态转变到“可用”状态。

硬件使用前-用户步骤

按照盒部设计，用户需要选择和订购相关盒部以启动制造过程，并且需要使得物理盒部能够从本地制造设备处运送。这是在图40中示出的总体方法中的步骤二。

一旦一个特定细节被设计，用户需要订购盒部并且启动盒部制造过程。

一旦用户确定需要特定的功能器件或反应(例如PCR)，用户就访问可用盒部设计的在线目录，并且选择最合适的可用盒部。通过在线系统下订单。

一旦已经下了盒部的订单，在线系统就生成订单号，订单号用于在制造和使用期间识别和追踪盒部，然后将盒部订单以电子方式发送到用户本地的盒部制造设备。盒部制造设备最好位于每个主要城市、地区以及国家，以能够快速地根据需要制造符合本地需求的盒部。盒部制造设备也可以被布置在护理点场所，例如医生的手术室、医院、护理中心等。

盒部制造过程

所选择的盒部根据需要在用户本地的制造设备中制造。由于3D打印机能够使用相同的3D打印过程制造多个盒部设计，因此制造过程对所有当前和未来的盒部设计是通用的。

在图42中示出了盒部制造过程中的多个步骤。

3.1制造前活动

该步骤包括在实际盒部制造开始之前所需的所有活动。

a)收到的盒部订单

由用户通过在线目录下的电子订单通过电子方式(例如电子邮件)发送并且在本地制造设备处被接收，然后在本地制造设备处向用户发送订单确认。

b)数字主文件下载

该订单确定了所需的特定盒部设计(例如高复杂性PCR盒部)，并且从云数据库下载相关数字主文件。

c)分配的盒部ID

一旦已经下载了相关数字主文件，为盒部订单和相关的数字主文件分配盒部ID参照标记(例如序列号或条形码)，以使得能够在盒部制造过程中进行追踪和追溯。

3.2盒部制造过程

该步骤包括通过商业上可用的3D打印机对选择的盒部进行实际制造。来自制造过程的相关信息可以被添加到用于该特定盒部的数字主文件，以用于QC和审核跟踪目的。

a)将数字主文件发送到打印机

一旦追踪编号已经被分配到订单，则通过电子方法(例如，电子文件传输)将数字主文件(包括制造过程数据)发送到3D打印机。

b)盒部制造

然后，3D打印机在一批次中以相关数量制造选择的盒部。批量大小将适合特定时间的制造需求，这意味着盒部可以以一批次一个盒部(即仅订购单个盒部)或一批次多个不同的盒部的方式制造。以一批次多个不同的盒部的方式制造盒部的场景利用3D打印的灵活性，用于以体积无关的方式在同一批次中为不同的应用制造非常不同的盒部。

在该阶段，盒部ID参照标记被物理地标记在盒部主体上。

c)制造过程测量

在盒部的制造期间，为了质量控制目的，3D打印过程的相关参数被测量和记录。这可以包括盒部建造时间、3D打印工艺设置、盒部在3D建造封壳中的位置、原材料批次编号等。

d)对制造过程测量数据进行审查

在盒部制造之后，对收集的过程测量数据进行审查，以确保关键参数保持在预定的限度内。

e)盒部被释放到下一个阶段

如果令人满意，那么打印的盒部被给予“合格”，并且继续进行制作过程的下一个步骤。

f)数据更新

在“合格”之后，收集的3D打印制造过程数据和过程测量数据被添加到数字主文件，以实现可追溯性目的。

3.3制造后检查和质量控制(Quality Control，QC)

在盒部制造之后，需要确认盒部已经被正确地制造。盒部体积内的高度集成的功能器件要求侵入式使用、非破坏性检查技术。

a)检查准备

3D打印制造过程可能在盒部的内部通路和几何结构中留下残余和其他液体。在检查之前，需要用水(或类似液体)冲洗内部通路，以移除多余的材料。

b)非接触式测量

在不破坏盒部的情况下，不能接近盒部的内部体积内的内部特征和通路以进行检查。因此，需要使用非接触式的方法(例如CT扫描、X射线方法等)来扫描物理盒部，并且创建物理盒部的数字模型。

c)与数字主文件相比的结果

然后将这样创建的物理盒部的数字模型导入到相关软件(例如CAD软件)中，以使得能够将物理盒部与原始数字主文件进行虚拟比较。

d)对过程数据进行审查检查

然后将来自物理盒部的数字检查数据与数字主文件进行比较，以确保制造的盒部的关键参数在预定的范围内。

e)盒部被释放到下一个阶段

如果令人满意，那么打印的盒部被给予“合格”，并且继续进行制作过程的下一个步骤。

f)数据更新

在“合格”结果之后，收集的质量控制测试数据和过程测量数据被添加到数字主文件，以实现可追溯性目的。

g)盒部安全密钥

在物理盒部的制造和检查之后，将创建安全密钥，以确保仅最初下订单的用户能够访问相关的盒部制造历史。安全密钥通过电子方式(例如电子邮件)发送到用户。

3.4盒部功能测试

随着物理盒部的正确制造的建立，需要测试制造的功能中的每一个制造的功能，以确保正确的操作。测试是在逐个领域的基础上进行的。

a)流体功能器件测试

该测试的目的是确保物理盒部功能内的流体功能器件正确运行。为了实现该目的，对物理盒部进行称重，针对每个流体回路，执行以下步骤：

·将已知的液体体积装载到盒部中，并且对盒部进行称重。

·以模拟盒部使用中的液体输送操作的方式，将已知的液体体积转移通过每个流体回路中的所有液体体积。

·测量液体转移例程的特定性能方面(例如转移时间、液体流量等)。

·将已知的液体体积从盒部移除，并且对盒部进行称重。

b)气动功能器件试验

该测试的目的是确保物理盒部功能内的气动功能器件正确运行。为了实现该目的，物理盒部被连接到压缩空气供应部，并且针对每个气动回路，执行以下步骤：

·测量每个气动阀和激活路径空气体积-确保正确的制造；

·多次操作每个阀(打开/关闭操作)-确保阀机构被正确地制造；

·阀压力完整性测试-确保每个阀可以在持续的时间内运行；

·阀操作顺序测试-阀被组合地操作，以确保多个阀能够同时运行。

c)电子功能器件测试

该测试的目的是确保物理盒部功能内的电子功能器件正确运行。为了实现该目的，例如通过对标准设备安装的探针进行复制来将物理盒部连接到测试连接点，并且针对每个电子回路，执行以下步骤：

·每个电气回路的连续性测试-确保整个电气回路的成功制造；

·扫描测试，扫描测试使预定的电压和电流穿过每个电子元件-确保每个电子元件可以在期望的性能范围内运行；

·电子操作顺序测试-组合地操作所有的盒部电子功能器件(即多个电子回路)，以确保适当的同时性能。

d)热功能器件测试

该测试的目的是确保物理盒部功能内的热功能器件正确运行。为了实现该目的，例如通过对标准设备安装的连接器进行复制来将物理盒部连接到测试连接点，并且针对每个热回路，执行以下步骤：

·每个热回路的连续性测试-确保整个热回路的成功制造；

·温度循环测试-操作每个热装置/回路/栅部以产生预定的温度范围-确保每个热元件能够以期望的性能范围运行；

·热操作顺序测试-组合地操作所有的盒部热功能器件(即多个热回路)，以确保适当的同时性能。

e)光学功能器件测试

该测试的目的是确保物理盒部内的光学功能器件正确运行。为了实现该目的，物理盒部被连接到光学测试装备，并且针对每个光学回路，执行以下步骤：

·LED循环，以确保正确运行；

·光电二极管(Photodiode，PD)循环，以确保正确运行；

·光波导传输测试；在多个强度下的一范围下的已知波长穿过光波导并且测量结果；

·光学操作测试-每个光学回路按照每个协议执行被操作(即，LED、波导以及PD全部都被测试)；

·光学操作顺序测试-组合地操作所有的盒部光学功能器件(即多个光学回路)，以确保适当的同时性能。

f)生物试剂功能器件测试

该测试的目的是确保在物理盒部中正确地制造生物试剂。该测试使用在盒部中与在以上实施例中描述的特定应用试剂同时制造的参照生物试剂。参照生物试剂的令人满意的性能表示了特定应用的生物试剂的正确制造。具体测试取决于盒部，但是遵循以下常见顺序：

·将液体转移到容纳参照生物试剂的测试芯部/缓存部中，以对参照试剂进行再水合；

·对参照试剂的再水合进行测试，其中，性能表示了特定应用的干燥的试剂的性能。

g)-i)最后步骤

将功能测试结果与预定的标准进行比较，并且确定盒部合格/不合格。如果测试结果令人满意，那么盒部被给予“合格”，并且继续进行制作过程的下一个步骤。功能测试数据和合格/不合格结果被附到数字主文件。

3.5盒部最终测试

在确定了每个领域中的功能器件的性能后，现在需要对盒部进行系统测试(即多个领域的功能器件同时运行)，以说明在盒部被设计用于的特定应用中盒部的使用。

a)系统测试的准备工作

来自之前的测试的材料可能在盒部的内部通路和几何结构中留下残余和其他液体。在系统测试之前，需要用水(或类似的惰性液体)冲洗内部通路，以移除多余的材料。

b)装载的测试材料

由于系统测试是特定应用的，对盒部的运行特定的测试材料(例如，在PCR盒部的情况下，样品、缓冲液以及无核酸酶的水)在系统测试之前被装载到盒部中。

c)执行系统测试

在盒部上进行一系列特定应用的测试，以确保在反应/制造循环中相关功能器件(例如，流体功能器件、热功能器件、光学功能器件)的正确运行。该测试对于每个盒部设计是特定应用的，并且可以例如包括用于生物制造相关的盒部设计的细胞培养周期。

d)-f)最终步骤

将功能测试结果与预定的标准进行比较，并且确定盒部合格/不合格。如果测试结果令人满意，那么打印的盒部被给予“合格”，并且继续进行制作过程的下一个步骤。功能测试数据和合格/不合格结果被附到数字主文件。

3.6盒部完成

在系统测试之后，需要准备盒部，以运送到用户位置。

a)移除测试材料

来自之前的测试的材料可能在盒部的内部通路和几何结构中留下残余和其他液体。在完成步骤之前，需要用水(或类似的惰性液体)冲洗内部通路，以移除多余的材料。

b)装载材料

将最终盒部使用所需的试剂(例如，在例如在上文的实施例中描述的PCR盒部的情况下，缓冲液，无核酸酶的水)装载到盒部中。

c)包装

将盒部布置到准备运送给用户的包装材料中。将盒部订单编号和盒部ID参照标记打印在包装材料的外部。

3.7最终QC检查

在运送给用户之前，盒部经受了对所有制造和测试数据的最终审查，作为最终质量控制(QC)步骤。

a)对数字主文件进行审查

在向用户释放盒部之前，对所有的检查和测试的结果进行审查，以确保测量结果和测试数据令人满意。

b)安全检查

对照盒部ID参照标记(即序列号或条形码)，对之前发送给用户的盒部安全密钥(以上步骤3.2g)进行检查，以确保用户能够访问正确的盒部制造历史。

c)订单检查

对照在用户对盒部下原始订单时创建的盒部订单编号，对盒部ID参照标记(即序列号或条形码)进行检查。

d)释放盒部

一旦确认了以上步骤，盒部就被释放以运送到用户。

3.8盒部运送

在制造之后，盒部将通过常规输送方式(邮政、快递等)运送到用户位置。将运送以电子方式通知用户。

硬件使用

一旦用户接收到盒部，需要一工作流程来将盒部装载到设备上，以使得能够执行协议。在图43中示出了根据本发明的实施例的硬件使用工作流程中的步骤。

4.1初始用户活动

开始时，用户将设备连接在电源上，并且按下电源按钮以启动设备。

4.2设备活动

设备自动运行[设备开机]子例程，以准备使用设备。然后设备自动地运行[设备BIT]子例程。该自动例程对设备功能器件(包括：i)每个模块，ii)外壳功能器件(例如风扇))进行基本测试，以确保正确运行。一旦自动子例程完成，设备确认i)设备已经准备好使用，以及ii)用户必须通过设备屏幕上的信息登录。

4.3用户识别

每个用户具有用户档案，并且需要登录设备，以确保使用设备和盒部的授权。用户在设备相机上扫描用户ID以进行登录。(可以使用其他授权方法/识别方法，例如接近标签)

4.4设备授权

设备运行[用户ID读取]子例程，等待用户在设备相机上扫描用户的ID。当已经读取用户ID时，设备然后运行[用户登录]子例程以i)将用户ID与授权用户数据库核对，ii)识别用户档案和适用的访问级别。然后，设备确认用户被授权，并且通过设备屏幕上的信息提示用户扫描盒部。

4.5盒部识别-用户

用户在设备相机上扫描盒部ID参照标记(例如序列号或条形码)，或者使用实施的其他识别方法(例如RFID标签)。

4.6盒部识别-设备

设备自动运行[盒部读取]子例程，以使得设备相机能够读取盒部条形码。一旦盒部条形码被读取，设备自动地运行[确认盒部ID]子例程，从而将盒部ID发送到云数据库并且等待确认。

设备从云数据库接收关于盒部ID的确认命令，然后自动运行[下载盒部协议]子例程来下载特定盒部的协议。一旦完成这项工作，设备将通过设备屏幕上的信息来确认设备已经准备好将盒部装载到设备。

4.7盒部装载-用户

在设备确认装载盒部之后，用户将所需的一种或多种任何样品装载到盒部中。然后用户将盒部装载到设备中。

4.8盒部装载-设备

在步骤4.6之后，设备在后台自动地运行[盒部装载/卸载]子例程，等待用户装载盒部。一旦用户装载盒部，子例程检查设备上的盒部位置传感器的输出。当盒部被正确地装载时，设备通过设备屏幕向用户指示“已正确装载”的信息。

4.9盒部测试-盒部

一旦盒部被装载到设备上，设备自动执行[盒部BIT]子例程。该子例程对盒部内的所有地址进行了基本功能器件(包括阀、LED、PD、电子功能器件等)的测试以确保运行。

设备通过设备屏幕上的信息向用户确认成功的盒部BIT结果。如果盒部未通过BitIT，那么这也将传达给用户，提示用户移除盒部。

在盒部BIT之后，设备会自动运行[盒部装填]子例程，以自动清除空气并且装填盒部内的所有主总线，为协议执行做准备。

4.10盒部测试-设备

一旦盒部已经被装填，设备自动地运行[盒部准备就绪]子例程，该子例程用云数据库确认盒部BIT的结果，并且等待确认以继续进行。一旦从云数据库接收到继续进行的确认，设备就准备在盒部上执行实验协议，并且通过设备屏幕上的“准备执行协议”信息通知用户。

4.11确认-用户

一旦设备显示“准备执行协议”信息，用户就可以通过设备触摸屏来确认执行协议。

4.12确认-设备

一旦用户确认协议执行，设备自动运行[执行盒部操作]子例程。

盒部协议执行

一旦盒部被装载到设备，实验协议就可以执行。

对于上述高复杂性PCR盒部的示例性协议，如在图44中示出，盒部协议执行工作流程有多个步骤。以下表1描述了软件程序的执行，该软件程序由设备计算机控制并且在盒部上执行。具体实验的执行在该表之后进行描述。

协议执行软件程序

软件程序包括被称为“标准”子例程和“定制”子例程的多个子例程(参见关于操作方法的描述)。标准子例程体现了每个盒部需要的关键步骤。定制子例程是特定应用的，并且在每个盒部设计之间会显著不同(例如，在这种情况下，在高复杂性PCR盒部上进行PCR实验)。

表1

一旦盒部向标准设备发出信号，表明盒部已经完成[盒部关闭]子例程，设备就执行[盒部协议完成]子例程。该子例程将实验数据传输到云数据库。

对于特定的盒部ID参照标记，该子例程还向云数据库发送“盒部已使用”状态，以防止将来重复使用盒部ID参照标记。然后，设备通过设备屏幕上的信息向用户表明：盒部协议已经成功执行，盒部可以被移除。然后，设备运行[盒部装载/卸载]子例程，等待盒部正确地从设备移除。

盒部协议执行-实验

在根据上述实施例的高复杂性PCR盒部的使用示例中，由盒部执行的协议包括25个单独的PCR实验。该部分提供了用于执行每个PCR实验的步骤顺序的概述。图45概略地示出了在每个实验中的步骤。在步骤中的每一个步骤(即子例程等)下的详细操作方法的描述在本文献的其他地方进行了描述。

表2

硬件使用后活动

一旦盒部已成功地执行了该协议，盒部就需要从设备移除，使得设备可以关闭或接收另一个盒部。

硬件使用后的工作流程中的步骤在图46中示出。

6.1盒部移除

一旦设备指示盒部协议已成功地执行，用户确认该信息，然后将盒部从设备移除并且对盒部进行处理。

6.2操作后测试

在盒部协议完成之后，设备自动地运行[盒部装载/卸载]子例程。设备通过传感器感测到用户移除盒部，并且这将停止[盒部装载/卸载]子例程。

在成功移除盒部之后，设备将自动地运行[设备BIT]子例程(按照设备启动例程)，以测试每个模块上的功能器件和外壳功能器件(例如风扇)，以确保设备为下一个盒部准备就绪。设备BIT的成功完成使得设备能够在设备屏幕上显示“为下一个盒部准备就绪”的信息。

6.3-6.4接下来的步骤

用户可以装载另一个盒部或者使设备关机。装载另一个盒部导致用户返回到步骤4.3，并且遵循之前描述的步骤。如果用户通过按下设备电源按钮来选择使设备关机，则设备自动地运行[设备关机]子例程，在关闭电源之前使模块和外壳中的所有设备功能器件关闭/减压。

设计更新

在执行协议并且将PCR实验数据输送回到云数据库之后，有机会确定对协议和盒部进行优化的区域。

在协议完成之后，用户对所有的PCR实验数据进行审查，并且对照高复杂性PCR盒部设计对所有的PCR实验数据进行审查。审查的目的是确定可以优化的盒部的区域和操作方法。优化可以包括以下各项中的一项或多项：改进特定协议以进一步改进总体实验(例如，执行实验的另一个重复)；对盒部设计和操作方法进行总体改进，以用于将来可能希望使用特定盒部的其他用户。

本领域技术人员应当理解，尽管前面已经描述了本发明的实施例，但本发明不应限于在优选实施例的该描述中公开的特定构造和方法。本领域技术人员应当认识到，本发明具有广泛的应用范围，并且实施例可以进行广泛的修改，而不背离在所附权利要求中限定的任何创造性概念。

Claims (24)

1.一种模块化反应器装置，所述模块化反应器装置具有外壳体以及容纳在所述外壳体内的多个部件，所述部件包括：

反应腔；

流体通路，所述流体通路连接到所述反应腔；以及

阀，所述阀被布置成控制所述装置内的流体的流动，

其中，所述外壳体具有多个连接端口，所述连接端口提供从所述装置的外部到内部的连接，所述连接端口包括：

流体输入部和流体输出部；

电输入部；以及

气动输入部；

其中，所述电输入部或所述气动输入部连接到所述阀以提供对所述阀的控制，并且

所述流体输入部或所述流体输出部连接到所述反应腔或所述流体通路。

2.根据权利要求1所述的模块化反应器装置，其中，所述多个部件还包括存储室和连接所述存储室和所述反应腔的流体通路。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的模块化反应器装置，其中，所述部件中的至少一个部件包括用于化学反应或生物反应的试剂。

4.根据前述权利要求中任一项所述的模块化反应器装置，其中，所述多个连接端口还包括光学输入部或光学输出部和/或热输入部。

5.根据前述权利要求中任一项所述的模块化反应器装置，其中，所述部件包括多个阀，所述多个阀被布置成控制流体流向一个反应腔/从一个反应腔流出；和/或控制流体沿着所述流体通路流动。

6.根据前述权利要求中任一项所述的模块化反应器装置，其中，所述部件包括传感器。

7.根据权利要求6所述的模块化反应器装置，其中，所述多个连接端口包括传感器输出部，所述传感器输出部连接到所述传感器，以使得来自所述传感器的信息能够从外部传递到所述装置。

8.一种包括至少两个根据前述权利要求中任一项所述的模块化反应器装置的套件，其中，在所述模块化反应器装置中的每一个模块化反应器装置中，容纳在所述外壳体内的部件的布置是不同的，并且在所述模块化反应器装置中的每一个模块化反应器装置中，所述连接端口的布置是相同的。

9.根据权利要求8所述的套件，其中，所述模块化反应器装置中的每一个模块化反应器装置的外壳体在尺寸和形状上是相同的。

10.一种基站，所述基站被布置成与至少一个模块化反应器装置接合，并且具有：

对接部分，所述对接部分被布置成接纳所述模块化反应器装置；

多个连接器，所述多个连接器以预定构造来布置，以使得当所述装置被接纳在所述对接部分中时能够连接到在所述反应器装置上的预定构造的多个连接端口，所述连接器包括：

流体输出部和流体供应部；

电连接器；以及

气动连接器；

处理器，所述处理器被配置成控制流体、电能或电信号、以及气动压力或气动信号中的一种或多种的供应，以使所述反应器装置在所述反应装置内进行化学反应或生物反应。

11.根据权利要求10所述的基站，其中，所述连接器还包括热连接器，并且所述处理器被布置成控制加热或冷却介质向所述反应器装置的供应。

12.根据权利要求10或权利要求11所述的基站，其中，所述连接器还包括光学连接器，并且所述处理器被配置成控制光能或光信号向所述反应器装置的供应，和/或被配置成接收来自所述反应器装置的光信号。

13.根据权利要求10至12中任一项所述的基站，其中，所述处理器被配置成通过向所述反应器装置供应电能或电信号、或者气动压力或气动信号来控制由所述反应器装置实施的反应，以使所述反应器装置通过在所述反应器装置中的部件重复地处理小体积的流体。

14.根据权利要求10至13中任一项所述的基站，其中，所述处理器被配置成基于从所述模块化反应器装置接收的信号来控制所述反应。

15.一种包括至少一个根据权利要求1至9中任一项所述的模块化反应器装置以及根据权利要求10至14中任一项所述的基站的套件。

16.一种制造模块化反应器装置的方法，所述模块化反应器装置用于执行反应以生产化学产品或生物产品，所述方法包括以下步骤：

确定执行所述反应所需的至少一种试剂；

从有限范围的预定部件中选择包含在所述模块化反应器装置中的部件，并确定所述选择的部件在所述模块化反应器装置内的布置，以使得所述反应能够执行；

通过增材制造工艺生产模块化反应器装置，所述模块化反应器装置具有：

外壳体，所述外壳体具有位于固定位置的多个端口，流体、电能或电信号、以及气动压力或气动信号通过所述多个端口能够被供应到所述模块化反应器装置；

所述选择的部件，所述选择的部件以确定的布置被布置在所述外壳体内，并且彼此连接和/或连接到所述端口中的一个或多个端口；以及

所述至少一种试剂，所述至少一种试剂被存储在所述选择的部件中的至少一个选择的部件内。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述选择的部件包括：

阀；

反应器腔；以及

流体通路，

并且其中，所述确定的布置包括：

所述流体通路将所述多个端口中的至少一个端口连接到所述反应器腔；和

用于供应电能或电信号的端口、或者用于供应气动压力或气动信号的端口，所述用于供应电能或电信号的端口或所述用于供应气动压力或气动信号的端口连接到所述阀。

18.根据权利要求16或权利要求17所述的方法，其中，所述外壳体还包括端口，加热或冷却介质、以及光能或光信号能够通过所述端口供应到所述模块化反应器装置。

19.一种制造模块化反应器装置的方法，所述模块化反应器装置用于执行反应以生产化学产品或生物产品，所述反应需要至少一种试剂，所述方法包括以下步骤：

接收用于制造所述模块化反应器装置的计算机编码指令；

使用增材制造工艺生产模块化反应器装置，所述增材制造工艺由处理器控制，所述处理器使用接收到的用于制造的计算机编码指令，所述模块化反应器装置具有：

外壳体，所述外壳体具有位于固定位置的多个端口，流体、电能或电信号、以及气动压力或气动信号通过所述多个端口能够被供应到所述模块化反应器装置；

所述选择的部件，所述选择的部件以确定的布置被布置在所述外壳体内，并且彼此连接和/或连接到所述端口中的一个或多个端口；以及

所述至少一种试剂，所述至少一种试剂被存储在所述选择的部件中的至少一个选择的部件内。

20.一种制造化学产品或生物产品的方法，所述方法包括以下步骤：

接收模块化反应器装置和计算机编码指令，所述模块化反应器装置被特别设计成生产所述化学产品或所述生物产品，所述计算机编码指令被配置成控制所述反应器装置的操作；

将接收到的反应器装置连接到基站，所述基站被配置成通过多个连接器向所述反应装置供应流体、电能或电信号、以及气动压力或气动信号，所述多个连接器以固定的布置来布置，以使得能够连接到所述反应装置上的预定构造的多个连接端口；以及

在所述基站中的处理器上运行所述计算机编码指令，使所述基站向所述反应器装置供应流体、电能或电信号、和/或气动压力或气动信号中的一种或多种，从而控制所述反应器，使所述反应器执行生产所述化学产品或所述生物产品的步骤。

21.一种制造化学产品或生物产品的方法，所述方法包括以下步骤：

接收模块化反应器装置和计算机编码指令，所述模块化反应器装置被特别设计成生产所述化学产品或所述生物产品，所述计算机编码指令被配置成控制所述反应器装置的操作，其中，所述模块化反应器装置包括至少一个传感器，所述至少一个传感器被配置成监控所述反应器装置中的试剂或反应的特征；并且所述模块化反应器装置被设计成使得能够执行多个替代反应通路以生产化学产品或生物产品，

在所述模块化反应器装置中的处理器上运行所述计算机编码指令，使所述模块化反应器装置控制在所述模块化反应器装置中的流体流、电能或电信号、和/或气动压力或气动信号中的一种或多种，从而使所述模块化反应器装置执行生产所述化学产品或所述生物产品的步骤；

从所述传感器接收信号，并且基于接收到的信号选择待遵循的替代反应通路中的一个替代反应通路；以及

相应地控制所述模块化反应器装置，以使所述模块化反应器装置遵循选择的反应通路。

22.一种制造化学产品或生物产品的方法，所述方法包括以下步骤：

接收模块化反应器装置和计算机编码指令，所述模块化反应器装置被特别设计成生产所述化学产品或所述生物产品，所述计算机编码指令被配置成控制所述反应器装置的操作；以及

在所述模块化反应器装置中的处理器上运行所述计算机编码指令，使所述模块化反应器装置控制在所述模块化反应器装置中的流体流、电能或电信号、和/或气动压力或气动信号中的一种或多种，从而使所述模块化反应器装置执行生产所述化学产品或所述生物产品的步骤，

其中，所述计算机编码指令被配置成使所述处理器控制所述模块化反应器装置在规则的周期中执行多个操作，所述多个操作各自导致所述模块化反应器装置内的预定量的流体同时在所述反应器的不同部分中被处理。

23.一种制造化学产品或生物产品的方法，所述方法包括以下步骤：

接收用于制造模块化反应器装置的计算机编码指令以及被配置成控制所述反应器装置的操作的计算机编码指令，所述模块化反应器装置被特别设计成生产所述化学产品或所述生物产品；

使用增材制造工艺生产模块化反应器装置，所述增材制造工艺由处理器控制，所述处理器使用接收到的计算机编码指令以进行制造；

将制造的反应器装置连接到基站，所述基站被配置成通过多个连接器向所述反应装置供应流体、电能或电信号、以及气动压力或气动信号，所述多个连接器以固定的布置来布置，以使得能够连接到所述反应装置上的预定构造的多个连接端口；以及

在所述基站中的处理器上运行用于控制的所述计算机编码指令，使所述基站向所述反应器装置供应流体、电能或电信号、和/或气动压力或气动信号中的一种或多种，从而控制所述反应器，以使所述反应器执行生产所述化学产品或所述生物产品的步骤。

24.根据权利要求16至23中任一项所述的方法，其中，所述模块化反应器装置是根据权利要求1至9中任一项所述的模块化反应器装置。

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