CN219522120U - 用于实现自动化微流操作的机械臂接口组件及玻璃化冷冻*** - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种机械臂接口组件，包括机械臂接口以及与之配套使用的配合件；所述机械臂接口包括第一基体和第一密封件；所述第一基体上设有第一连接面、第二连接面和液体连通通道，液体连通通道的第一连接端口和第一密封件均设置在第一连接面上；第一密封件为密封圈，其口径与液体连通通道的口径相等并与液体连通通道同轴布置；所述配合件包括第二基体和第二密封件。本实用新型能与机械臂手爪配合使用，实现微流控芯片的自动化抓取和释放，进而实现自动化微流操作。进一步，本实用新型还公开一种具有该机械臂接口组件的玻璃化冷冻***，不仅能实现精确可调地产生连续的液体浓度梯度，还能较好的用于高通量的生物样品玻璃化冻融。

Description

用于实现自动化微流操作的机械臂接口组件及玻璃化冷冻 ***

技术领域

本实用新型属于生物样品显微操作技术领域，具体涉及一种用于实现自动化微流操作的机械臂接口组件及玻璃化冷冻***。

背景技术

低温冷冻保存生物样品通常是指在超低温(零下196摄氏度)的液氮中保存活体，以维持其融化复原后的活性。低温保存技术当前被广泛应用于细胞、组织和器官的长期储存并且已经在诸多领域获得突破性的进展，例如在辅助生殖领域(卵子、***、胚胎的冷冻等)以及干细胞冷冻领域等。玻璃化冷冻法是通过添加高浓度的冷冻液使得细胞在超低温环境下快速冷冻(冷却速度约10000摄氏度每分钟)，形成不规则的玻璃化样固体，避免了冷冻的过程中生成冰晶。由于其冷冻速度快以及对细胞的损失小(没有产生冰晶)，玻璃化快速冷冻技术是现在最常用的低温冷冻保存技术。然而，玻璃化冷冻技术的一大难点是细胞会被暴露在高浓度的冷冻液中，而高浓度冷冻液是对细胞有化学毒性。为了解决这一问题，常见的解决方案是对细胞逐步换带浓度梯度的缓冲液以及冷冻液，让细胞逐步接触和适应浓度从低到高的冷冻液以缓慢达到内外渗透压的平衡，减小化学毒性。

当前细胞换液的方式有两大类，一是手动换液，二是自动化换液。然而，这两种换液方式都是用传统的类似移液枪稀释的方式，通常只能产生特定浓度梯度的平衡液和冷冻液，难以产生大范围的跨多个浓度的梯度，有进一步的改进空间。为了使得换液过程对细胞的活性的影响降到最小，理想的换液方式是产生从低到高连续的多个精确可控的浓度梯度。专利CN112430531A针对生物样品微流操作提出了一种可数字化操作的装置，通过在微流控芯片内集成的数字液滴流量计实现了液体吸入移除的精确定量，可用数字式液滴生成的方式使生物样品周围的液体浓度梯度连续可调。然而，该方案目前只能手动操作，无法实现自动化微流操作，这也限制了其在高通量应用场景中的使用。

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型针对生物样品玻璃化冻融提出一种机械臂接口组件，能与自动化机械臂手爪配合使用，可利用现有的智能操控技术实现微流控芯片的自动化抓取和释放，进而实现自动化微流操作(即微流控细胞玻璃化冷冻操作)。进一步，本实用新型还公开一种具有该机械臂接口组件的玻璃化冷冻***，其通过该机械臂接口连接微流控芯片和数字式液滴生成装置，不仅能实现精确可调地产生连续的液体浓度梯度以最大程度提高细胞在换液过程中的活性，自动化操作方案还能较好的用于高通量的生物样品玻璃化冻融。

本实用新型的第一方面公开一种用于实现自动化微流操作的机械臂接口组件，其主要包括机械臂接口以及与之配套使用的配合件；所述机械臂接口包括第一基体以及与之固定连接的第一密封件；所述第一基体上设有第一连接面、第二连接面和液体连通通道，所述液体连通通道具有第一连接端口和第二连接端口，所述第一连接端口和第一密封件均设置在第一连接面上；所述第一密封件为密封圈，其口径与液体连通通道的口径相等并与液体连通通道同轴布置；所述配合件包括第二基体以及与之固定连接的第二密封件。

作为一种可选方案，所述第一连接面和第二连接面背向设置；所述第二连接端口设置在第一连接面和第二连接面之间。

作为一种可选方案，所述第一基体和第二基体选用能被灭菌的硬质生物惰性材料，所述第一密封件和第二密封件选用能被灭菌的柔性或具有弹性的生物惰性材料。

作为一种可选方案，所述硬质生物惰性材料材料为聚合物、金属或陶瓷，所述金属为不锈钢或铝，所述聚合物包括PP、PS、PMMA、COC、COP中的任意一种；所述柔性或具有弹性的生物惰性材料包括PE、PP、PEEK、PTFE、FEP、ETFE中的任意一种。

作为一种可选方案，所述第一密封件和第一基体之间，所述第二密封件和第二基体之间均通过生物兼容性胶粘剂粘接固定。

作为一种可选方案，所述机械臂接口的总体厚度和配合件的总体厚度相等，其中，第一基体和第二基体的厚度为0.01mm～20mm，第一密封件和第二密封件的厚度为0.01mm～5mm。

作为一种可选方案，所述机械臂接口还包括至少一个第一定位销，所述第一定位销沿第一密封件外沿周向布置。

作为一种可选方案，所述配合件还包括至少一个第二定位销，所述第二定位销沿第二密封件外沿周向布置。

作为一种可选方案，所述配合件采用与机械臂接口相同的结构设计，其中，第二基体与第一基体的结构相同，第二密封件与第一密封件的结构相同。

本实用新型的第二方面公开一种用于实现自动化微流操作的玻璃化冷冻***，其主要包括微流控芯片、用于数字式液滴生成和移除的数字式液滴生成装置，以及采用本实用新型的第一方面公开或其可选方案的用于实现自动化微流操作的机械臂接口组件；使用时，所述微流控芯片和数字式液滴生成装置通过机械臂接口的液体连通通道相连；所述机械臂接口具有第一定位销或者第一和第二定位销时，所述微流控芯片上设有与之配合使用的销孔。

与现有技术相比，本实用新型具以下有益效果：

(1)本实用新型通过特殊设计的用于自动化微流操作的机械臂接口组件，可借助现有的智能操控技术实现微流控芯片的自动化抓取和释放以及微流控芯片与数字液滴式玻璃化冷冻装置的连通，使得微流操作向智能化、无人化发展。

(2)本实用新型通过在机械臂接口组件上设置定位机构，能保证夹取时芯片和接口的快速定位及高精度对准，确保微流控芯片自动化连接的气密性和可靠性。

(3)本实用新型还提出了一种自动化的玻璃化冷冻***，结合数字液滴生成的方式以及自动化操控技术，不仅能实现数字式浓度梯度连续精确可调，还能自动化地实现连续的数字式液体稀释，大大提高换液过程中细胞的活性，保证换液效率。

(4)使用本实用新型所公开的用于实现自动化微流操作的玻璃化冷冻***，，操作生物样品的通量高，可有效节省人力成本，方便用户操作，更重要的是还能实现生物样品玻璃化冷冻流程的标准化，提高相应生物样品冷冻效果的一致性。

附图说明

图1是实施例1所述的机械臂接口结构示意图，其中，A为主视图，B为侧视图。

图2是实施例1所述机械臂接口的剖视图。

图3是实施例2所述的机械臂接口组件结构示意图。

图4是另一种机械臂接口结构示意图，其中，A为主视图，B为侧视图。

图5是实施例3所述的机械臂接口组件结构示意图。

图6是实施例4所述的玻璃化冷冻***的结构示意图。

图7是实施例4中微流控芯片的剖视图，其中，A为主视图，B为侧视图。

图8是实施例4中数字式液滴生成装置的结构示意图。

图9是借助两指机械臂手爪实现自动化微流操作的示意图。

图10是另一种机械臂接口和微流控芯片的结构示意图，其中，A为机械臂接口的剖视图，B为微流控芯片的剖视图，C为机械臂接口组件和微流控芯片配合使用的示意图。

具体实施方式

下面将结合具体实施例和附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，若出现“上”、“下”、“内”、“外”等指示方位或位置关系的术语，其为基于附图所示方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。另外，若出现与“第一”、“第二”等术语，用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或相对重要性。若出现A与B相连的描述，可以是直接连接，也可以是通过管路等结构间接连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以结合具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。此外，术语"包括"和"具有"以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些产品或设备固有的其它单元。

可以理解的，本实用新型中所涉及的细胞包括人或其他生物的***、胚胎、***、干细胞和胚泡等生物样品。

结合图1至图3所示，实施例1公开了一种机械臂接口10，用于配合实现微流控芯片的自动化抓取和移除等操作。该机械臂接口10主要包括基体11和与之固定连接的密封件12。基体11包括第一连接面111和第二连接面112，以及集成在内部的液体流通通道113，其中，第一连接面111主要用于与微流控芯片相连，第二连接面112主要用于与机械臂手爪相连，液体流通通道113用于连通微流控芯片和数字式液滴生成装置，更具体的，液体流通通道113的第一连接端口113a可通过软管与数字式液滴生成装置相连，第二连接端口113b可直接与微流控芯片的通道相连。基体11的外轮廓可以是圆形(图1所示)、矩形(图4所示)、椭圆形或者其它形状，可以设计具有台阶状结构，也可以为板状或块状结构。密封件12设置在第一连接面111处，具体结构为密封圈，其口径与液体流通通道113的直径相等，且二者同轴布置。第一连接面111和第二连接面112背面布置，液体连通通道113可以设计为L形结构，第一连接端口113a布置在第一连接面111，第二连接端口113b布置在第一连接面111和第二连接面112之间。

基体11的材料可选用能被灭菌的硬质生物惰性材料，包括聚合物、金属、陶瓷等，其中，金属可选用不锈钢、铝等轻质金属，聚合物可选择PP(聚丙烯)、PS(聚苯乙烯)、PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、COC(环烯烃类共聚物)、COP(环烯烃类共聚物)等材料。基体11厚度D1可以是0.01mm到20mm，优选5mm到10mm。密封件12可选用能被灭菌的柔性或带有弹性的生物惰性材料，如PE(聚乙烯)、PP(聚丙烯)、PEEK(聚醚醚酮)、PTFE(聚四氟乙烯)、FEP(氟化乙烯丙烯)、ETFE(乙烯四氟乙烯)等。密封圈的厚度D2可选0.01mm到5mm，优选0.5mm到1mm。密封件12和基体11之间可通过生物兼容性胶黏剂粘接固定，例如，可选用高黏性的灭菌生物惰性胶黏剂，包括CA(丙烯酸树脂)，PU(聚氨酯)以及硅树脂等。

在实际使用时，该机械臂接口10通常安装在两指机械臂手爪上，机械臂手爪的两指在操作时是同步进行，因此需要组成配套的组件来使用。

实施例2公开一种机械臂接口组件，其包括机械臂接口10和与之配套使用的配合件20，其中，机械臂接口10可采用实施例1所述的结构设计。配合件20主要的作用是保证在机械臂手爪夹持物件的过程中，两指距离物件的距离相等，以确保两指同步移动时能稳固的抓紧物件。基于上述考虑，配合件20通常只要满足其总体厚度与机械臂接口10的总体厚度相等即可。

如图3所示，实施例2公开的机械臂接口组件主要由一对结构相同的机械臂接口10组成。其中，机械臂接口10可采用实施例1所述的结构设计。在该实施例中，配合件20采用与机械臂接口10相同的结构设计，在使用时机械臂手爪在夹持物件不用区分方向，更方便操作。

如图5所示，实施例3公开另一种机械臂接口组件，在该实施例中，配合件20主要包括基体21和与之固定连接的密封件22。基体21同样包括第一连接面211和第二连接面212，第一连接面211主要用于与微流控芯片相连，第二连接面212主要用于与机械臂手爪相连。与基体11不同的是，其内部无需开设液体流通通道，可采用实心结构设计。密封件22可以采用与密封件12相同的结构设计，如圆环形的密封圈结构，也可以直接采用圆饼状或矩形密封垫等结构，其外轮廓与密封件12相同。该实施例中，简化了配合件20的结构设计，在加工工艺和成本上更具有优势。

结合图6至图9所示，实施例4公开一种用于实现自动化微流操作的玻璃化冷冻***，该玻璃化冷冻***主要包括机械臂接口组件、微流控芯片30和数字式液滴生成装置40。

其中，机械臂接口组件可采用实施例2，主要由机械臂接口10和配合件20组成，当然在其它实施例中，也可以采用如实施例3所述的机械臂接口组件。

如图7所示，微流控芯片30主要包括芯片本体31，以及集成在芯片本体31上的微流移液管32和细胞筛33，微流移液管21中的流体通道两端分别为吸头32a和液体连接端口32b。其中，细胞筛33主要设置在微流移液管32内，用于拦截和捕获从吸头32a吸入的细胞，使其无法从液体连接端口32b处溜走。微流控芯片30的材料可选用能被灭菌的生物惰性材料，并具备高导热性和高热扩散性，例如，可选择PP(聚丙烯)、PS(聚苯乙烯)、PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、COC(环烯烃类共聚物)、COP(环烯烃类共聚物)等。微流控芯片的厚度可以是0.01mm到5mm，优选0.1mm到2mm，这种薄片式设计能提高导热效率。

数字式液滴生成装置40主要用于液滴产生和移除，其带有空气密封腔以产生气液界面，进一步的，产生的液体移除后还可临时储存。如图8所示，数字式液滴生成装置40主要包括基体41和一体化集成在基体41中的数字液滴流量计42和储液池43。其中，数字液滴流量计42也称“数字液滴生成器42”，能实现液体吸入移除的精确定量，使生物样品周围的液体浓度梯度连续可调，其具体工作原理并非本专利的重点，可参见美国专利US16538307中以及中国专利CN112430531A中的技术方案，此处不再赘述。数字液滴流量计42具有空气密封腔421以及分别设置在空气密封腔421入口处和出口处的液滴生成部422和液滴移除部423，液滴生成部422用于连接微流控芯片30的液体连接端口32b，液滴移除部423通过液体流通通道424连接至储液池43。数字液滴流量计42还设有气体流通通道425，气体流通通道425的一端连接空气密封腔421的通气口，另一端连接至外部气压源。数字液滴流量计42还设有气体流通通道426。储液池43主要储存从微流控芯片30中的微流移液管41吸取后经液滴移除部423移除的液体。一方面储液池43的液体接口431通过液体流通通道424连接数字液滴生成器12出口处的液滴移除部423；另一方面储液池43的气体接口432还通过气体流通通道426与数字液滴流量计42的气体流通通道425相连。需要注意的是，储液池43的气体接口432通常设置在液体接口431的上方，即储液池的气体接口432高于液体接口431设置。当储液池43内液面高度即将与气体流通通道426持平时，结束该数字式液滴生成装置40的使用，并抛弃整个基体41。储液池43的大小可根据需求进行设计，一般可设计其容量为1～5mL，该容量下通常可使用10～20次左右，可充分满足同一用户的使用需求。当然，在其它实施例中，数字液滴流量计42也可以采用其它类似的结构设计，只要能实现数字式液滴的生成和移除功能即可，本实用新型并不对其结构作限制。

进一步的，该玻璃化冷冻***还可以包括气压源50，气压源50通过连接管路70连接至数字液滴生成装置40。气压源50可连接至正压气源或负压气源，连接管路70中带有电磁阀80，可通过控制电磁阀80的开启或断开输出正压或负压，以施加至连接管路70。需要说明的是，本实用新型中的连接管路均可选用能被灭菌的生物惰性材料，如PE(聚乙烯)、PP(聚丙烯)、PEEK(聚醚醚酮)、PTFE(聚四氟乙烯)、FEP(氟化乙烯丙烯)、ETFE(乙烯四氟乙烯)等。连接管路70两端的气密性可通过连接时的过盈配合保证。其中，电磁阀80可采用高精度毫秒级响应的电磁阀，但也可以选择手动阀门、电磁阀，也可以是其他类型的阀门，只要能实现控制气体进入通道的开关功能即可。

如图9所示，该玻璃化冷冻***组装使用时，首先将机械臂接口组件所包含的机械臂接口10和配合件20分别安装在两指机械臂手爪60的两指上，固定方式包括但不限于胶水、螺栓等机械结构等。机械臂手爪60之间可以自主调节间距，从而使得固定于其上的机械臂接口10和配合件20之间的间距可调，进而通过机械臂所具有的高精度定位移动功能实现微流控芯片30抓取的精准定位。当需要抓取微流控芯片30时，先将手爪张开，然后利用机械臂将装有机械臂接口组件的两指机械臂手爪60移动至微流控芯片30处，通过两指机械臂手爪60自动夹紧微流控芯片30，以实现后续操作。在此过程中，微流控芯片30与机械臂接口10和配合件20之间通过密封件保证密封性，可通过机械臂接口10的液体流通通道113将微流控芯片30内的流体通道与数字液滴生成装置40的数字液滴流量计42相连通。由此可通过自动化操作方式实现微流控芯片30与数字液滴生成装置40之间的多次气密性连接。

如图10所示，作为一种改进，本实用新型还可以对机械臂接口组件和微流控芯片30的结构进行优化。以实施例2所述机械臂接口组件为例，可以在机械臂接口10的基体11的第一连接面111上设置定位销14，定位销14可以是一个、两个或多个，周向布置在密封件12的外沿。可选的，配合件20上同样也可以设置与机械臂接口10相对应的定位销。类似的，如果是以实施例3所述机械臂接口为例，同样可以在机械臂接口10的基体11的第一连接面111上设置定位销14，在配合件20的基体21的第一连接面211上设置定位销24(图中未示意)。与之相配合的，可在微流控芯片30的芯片本体31上设置销孔34。销孔34的位置、数量和大小与定位销相匹配即可。通过这种改进，在自动化操作时，可实现机械臂接口组件和微流控芯片30的精准定位、快速对准。

综上可见，本实用新型通过特殊设计的机械臂接口及组件，能与两指机械臂手抓配合使用，借助智能操控技术实现自动化微流操作。

最后需要说明的是，尽管以上结合附图对本实用新型的实施方案进行了描述，但本实用新型并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下，在不脱离本实用新型权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本实用新型保护之列。

Claims (10)

1.一种用于实现自动化微流操作的机械臂接口组件，其特征在于，包括机械臂接口以及与之配套使用的配合件；所述机械臂接口包括第一基体以及与之固定连接的第一密封件；所述第一基体上设有第一连接面、第二连接面和液体连通通道，所述液体连通通道具有第一连接端口和第二连接端口，所述第一连接端口和第一密封件均设置在第一连接面上；所述第一密封件为密封圈，其口径与液体连通通道的口径相等并与液体连通通道同轴布置；所述配合件包括第二基体以及与之固定连接的第二密封件。

2.如权利要求1所述的机械臂接口组件，其特征在于，所述第一连接面和第二连接面背向设置；所述第二连接端口设置在第一连接面和第二连接面之间。

3.如权利要求1所述的机械臂接口组件，其特征在于，所述第一基体和第二基体选用能被灭菌的硬质生物惰性材料，所述第一密封件和第二密封件选用能被灭菌的柔性或具有弹性的生物惰性材料。

4.如权利要求3所述的机械臂接口组件，其特征在于，所述硬质生物惰性材料为聚合物、金属或陶瓷，所述金属为不锈钢或铝，所述聚合物为PP、PS、PMMA、COC、COP中的任意一种；所述柔性或具有弹性的生物惰性材料为PE、PP、PEEK、PTFE、FEP、ETFE中的任意一种。

5.如权利要求1所述的机械臂接口组件，其特征在于，所述第一密封件和第一基体之间，所述第二密封件和第二基体之间均通过生物兼容性胶粘剂粘接固定。

6.如权利要求1所述的机械臂接口组件，其特征在于，所述机械臂接口的总体厚度和配合件的总体厚度相等，其中，第一基体和第二基体的厚度为0.01mm～20mm，第一密封件和第二密封件的厚度为0.01mm～5mm。

7.如权利要求1所述的机械臂接口组件，其特征在于，所述机械臂接口还包括至少一个第一定位销，所述第一定位销沿第一密封件外沿周向布置。

8.如权利要求7所述的机械臂接口组件，其特征在于，所述配合件还包括至少一个第二定位销，所述第二定位销沿第二密封件外沿周向布置。

9.如权利要求1至8任意一项所述的机械臂接口组件，其特征在于，所述配合件采用与机械臂接口相同的结构设计，其中，第二基体与第一基体的结构相同，第二密封件与第一密封件的结构相同。

10.一种用于实现自动化微流操作的玻璃化冷冻***，其特征在于，包括微流控芯片、用于数字式液滴生成和移除的数字式液滴生成装置，以及采用权利要求1至9任意一项所述的用于实现自动化微流操作的机械臂接口组件；使用时，所述微流控芯片和数字式液滴生成装置通过机械臂接口的液体连通通道相连；所述机械臂接口具有第一定位销或者第一和第二定位销时，所述微流控芯片上设有与之配合使用的销孔。