自动研磨装置及在获取单细胞中的应用的制作方法

1.本发明涉及生物实验设备领域，尤其涉及生物研磨、提取的组织处理实验设备技术领域，具体涉及自动研磨装置及在获取单细胞中的应用。


背景技术：

2.生物组织处理是实验室最为常规的实验之一，多种生物实验都需要以细胞悬液作为基础方可进行。随着技术的发展，根据实验室规格和要求的不同，进行生物组织处理，细胞破碎和单细胞处理的技术也相应变得丰富起来。常见的物理处理方法有研磨，网搓，以及震荡这三种，更为先进的还有采用消融技术进行组织单细胞化，但常规物理酶法还是占据绝大部分的实验室用户。
3.现有的实验室研磨尚处于手工作业状态，为了提升单细胞化的得率，通常多采用酶法和物理研磨协同操作，由于单细胞悬液的质量好坏几乎直接影响着后续的诸多生物实验，因此，如何获得较高单细胞率，甚至保留尽可能多的存活单细胞是现目前单细胞悬液制备领域亟待解决的技术问题，同时，也是基于后续单细胞培养存在的技术瓶颈。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术在通过采用手工研磨方式制备单细胞悬液过程中存在的单细胞得率低，时间消耗长，每次操作获得的单细胞质量不稳定，受到操作者的经验和实验条件的影响大等诸多问题，本申请提供一种用于替代人工研磨的自动研磨装置，能够完全替代人工进行研磨，得率稳定，不受操作者水平和经验的影响，同时，本发明提供的自动研磨装置具有多种研磨模式，根据不同的生物组织块的性质选择温和、适中和强烈的研磨力度，能够满足多种生物组织的有效研磨。同时，再通过适时的调整配合的剪切磁珠大小、数量和硬度等参数，以及匹配的松解试剂浓度，能够针对多种生物组织实现有效研磨，并获得一定数量的单细胞和存活单细胞。值得说明的是，由于本发明采用的研磨原理属于机械原理研磨，虽通过自动研磨设备替代了人工的研磨，消除了手动研磨带来的诸多不确定性，但不可避免的将造成一部分生物组织细胞的破坏，甚至造成细胞的死亡破碎。尽管如此，通过自动研磨装置研磨获得的单细胞率和存活单细胞率同样会高于纯手工研磨。
5.为了达到上述目的，本申请所采用的技术方案为：
6.自动研磨装置，由控制单元和执行单元组成，其特征在于：
7.所述控制单元包括：输入面板，用于输入自定义控制参数；显示面板，用于显示执行单元当前执行参数；
8.处理器，用于将输入面板自定义输入的参数转换为控制指令发送至所述执行单元；解码驱动单元，安装于处理器和执行单元之间，用于将处理器发出的控制指令转换为脉冲信号发送至执行单元；
9.所述执行单元包括：离心单元和研磨单元，所述研磨单元转动设置在离心单元上，并通过第二伺服电机驱动；所述研磨单元包括通过第一伺服电机驱动的水平移动机构和竖
直移动机构，所述处理器与第一伺服电机之间依次连接有第一解码器和第一驱动器；所述处理器与第二伺服电机之间依次连接有第二解码器和第二驱动器。
10.优选地，所述水平移动机构包括与第一伺服电机输出轴固连的驱动盘，与第一伺服电机输出轴同心安装呈圆环状的转盘，所述转盘呈中心射线设置有多个向下开口的滑槽，所述滑槽内滑动安装有导轨，所述导轨靠近驱动盘的一端转动设置有第一定滑轮，导轨的另一端头伸出至转盘外并连接有用于安装离心管的离心管架。
11.为了提升导轨在往复滑动过程中的稳定性，优选地，所述导轨的截面为燕尾形或者t型滑动嵌入在所述滑槽内。值得说明的是，按照本申请提供的发明构思，只要导轨截面呈上大下小的方式均能够实现有效的滑动卡接，从理论上将均能够实现，只是不同的截面形状，在实际应用中存在效果差异，但均应理解为本结构局部发明构思范围之列，在无其他创造性改进的前提下，均应理解为实质相同。
12.优选地，所述导轨伸出转盘下表面部分的侧壁与转盘的下表面之间还设置有回位机构；所述回位机构包括固定连接在所述转盘下表面的第一固定座，固定连接在所述导轨上的第二固定座，所述第二固定座上固连有防倾杆，所述防倾杆上套设有弹簧，所述弹簧的两端分别与所述第一固定座和第二固定座固定连接。
13.作为回位机构的另一种技术方案，优选地，所述导轨伸出转盘下表面部分的侧壁与转盘的下表面之间还设置有回位机构，所述回位机构为单根或者多跟并列设置的橡筋。
14.进一步优选，所述竖直移动机构包括安装在转盘下表面的滑轮支架，以及转动连接在所述滑轮支架上的第二定滑轮，所述第二定滑轮与设置在所述导轨下表面的起伏面抵靠接触；所述导轨的上表面与转盘上的滑槽内壁之间存在间隙，所述间隙内安装有始终推动所述轨道向下与转盘紧贴的压簧片，所述压簧片与导轨滑动接触。
15.优选地，所述离心单元还包括与所述转盘下表面固连的套管，所述套管的内底面与所述第一伺服电机固连，所述套管的外底面与所述第二伺服电机的输出轴固连。
16.为了尽可能到降低因温度升高导致的细胞死亡，减小非破坏性带来的细胞死亡，本申请下提供下述优选方案，具体地自动研磨装置还包括用于安装所述控制单元和执行单元的壳体，所述执行单元安装在壳体的内部，壳体的内底部与所述第二伺服电机固定连接，所述第二伺服电机与壳体的圆周侧壁之间的环状空间内还设置有用于盛装冷凝物的冷却槽，所述壳体上还铰接有密闭盖合的盖体，所述壳体的外圆周侧壁上安装有用于容纳所述控制单元的控制面板。众所周知，相对低的研磨温度能够尽可能的降低因温度不适宜导致的细胞死亡，然而，现有的降温手段通常有两种：其一是通过液氮进行急速冷却，其二是通过制冷设备将整个研磨环境置于相对低的环境中。然而，上述方式的成本都相对较高，本申请为了解决这一问题，提供了一种既能满足相对低温的研磨环境，又使得成本投入更低，能够为广泛实验室所采用。
17.尽管本申请提供的自动研磨装置无法达到诸如超声无损消融可以达到的超高单细胞得率和存活率，但与手工研磨相比而言，能够提供更加均匀和温和的研磨，在单细胞得率和单细胞存活方面亦具有稳定的得率，且更加省时、省力，整个研磨过程无需人工介入，对于普通实验室需求或者实验需求已经能够得到足够满足；任何人通过该自动研磨装置均可以获得完全可以媲美甚至超过经验丰富的手工研磨专家所制备的单细胞悬液，足以彰显其在组织单细胞化方面成功的应用前景，能够在以获取单细胞、及存活单细胞的需求和实
验中广泛应用。
18.同时，在本申请提供的包括水平、竖直、旋转方向上驱动组织块进行旋转和线性往复移动的技术启示下，为了达到相同或者实质相同的技术目的，本领域技术人员在结合本申请的发明构思下，有动机进一步结合现有技术基础上，通过改变结构或者连接方式以达到不同的结构组合而实现相同或者实质相同技术效果的。譬如，利用现有的偏心机械结构与约束性滑槽结构同样可以实现转转运动与往复直线运动之间的切换或者通过将提供旋转驱动力的输出轴设置成完全或者部分偏心结构，使得与之连接的部件能够在不同平面内实现旋转，从而产生震荡和研磨的技术效果。偏心结构还可以采用柔性或者半柔性的结构，例如现有技术中的软轴，既能够提供扭矩的传递，又能够实现非同一平面内旋转，在此基础上，本领域技术人员为了实现既定的或者有规律的运动轨迹，还可以利用刚性或者柔性的结构加以束缚，以达到预设的目的。上述内容在本申请公开的技术启示下，可以通过多种结构设计实现，虽本申请中无法逐一列举，穷尽详述，但基于多方向，多维度机械规律性运动而实现对组织块的震荡和研磨实现单细胞化的应用应当理解为本申请所要求保护的范畴之类。本申请虽未穷尽所有具体技术方案，但基于该多维度，多方向，规律性运动作为技术目的而进行的增加或组合的技术方案可以通过本申请得到技术启示，本领域亦有动机多方寻求基于该整体发明构思的可执行技术方案。
19.有益效果：
20.1.本发明采用全自动控制，能够根据不同的组织块特性调整不同的振动模式，通过不同频率的研磨能够自由调节研磨的强烈程度，从而使得能够既满足单细胞化的要求，同时又不足以对细胞产生破坏，以更好地获得单细胞收率。
21.2.本发明利用最多三个方向的周期性震荡研磨，同时辅以剪切磁珠和松解试剂，能够极大程度的保证单细胞的完整性，同时保持单细胞化后的细胞活力。
22.3.本发明提供的往复周期性震荡实现组织块的研磨，其强度始终保持一致，相较于人工研磨而言，更具稳定性。
附图说明
23.为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
24.图1是本发明的工作流程图；
25.图2是本发明控制单元的结构原理图；
26.图3是本发明处于加强研磨模式下离心管在水平和竖直方向上的运动轨迹示意图；
27.图4是本发明处于加强研磨模式下离心管在水平和旋转方向上的运动轨迹示意图；
28.图5是本发明的外观结构示意图；
29.图6是图1的主视图；
30.图7是图6中沿剖切符号a
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a的剖视图；
31.图8是图6中沿剖切符号b
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b的剖视图；
32.图9是图1去除壳体后的内部结构示意图；
33.图10是图5的俯视图；
34.图11是研磨单元轴测图；
35.图12是图11中c区结构放大图。
36.图中：1
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壳体；2
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盖体；3
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控制面板；4
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研磨单元；41
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转盘；42
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水平移动机构；421
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导轨；4211
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起伏面；422
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第一定滑轮；423
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离心管架；424
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离心管；43
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驱动盘；44
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压簧片；45
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第一伺服电机；46
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回位机构；461
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第一固定座；462
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弹簧；463
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防倾杆；464
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第二固定座；47
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竖直移动机构；471
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滑轮支架；472
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第二定滑轮；5
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套管；6
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第二伺服电机；7
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冷却槽。
具体实施方式
37.为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
38.因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
39.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
40.在本申请的描述中，需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，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申请的限制。此外，本申请的描述中若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
41.此外，本申请的描述中若出现术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
42.在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
43.在对本发明实施例进行详细阐述之前，申请人首先对本发明的初衷和欲达到的技术效果进行简要阐述。
44.本发明的目的旨在通过全自动研磨装置实现对现有手工研磨制备单细胞悬液的
替代，在单细胞的得率上获得更好的技术效果；同时，避免了现有手工研磨的繁琐操作流程，以及其不得不受操作者技术水平和经验的影响。在采用本发明所述自动研磨装置进行组织块研磨时，需要借助于松解试剂和剪切磁珠共同作用，在自动研磨装置的物理震荡作用下，带动剪切磁珠做不规则运动，在剪切磁珠的不规则运动的碰撞下实现组织块儿的单细胞化，为了尽可能的实现快速单细胞化，同时将剪切磁珠碰撞带来的物理伤害降到最低，不可缺少的需要松解试剂实现对组织块进行松解。所述松解试剂和剪切磁珠均可采用现有技术，本发明只提供自动研磨装置本身，基于剪切磁珠进行震荡或者研磨实现单细胞化的原理为本领域技术人员所公知，在此就不做赘述。
45.实施例1：
46.自动研磨装置，由控制单元和执行单元组成，所述控制单元包括：输入面板，用于输入自定义控制参数；显示面板，用于显示执行单元当前执行参数；
47.处理器，用于将输入面板自定义输入的参数转换为控制指令发送至所述执行单元；解码驱动单元，安装于处理器和执行单元之间，用于将处理器发出的控制指令转换为脉冲信号发送至执行单元；所述处理器还包括有用于控制信号持续时间的计时单元和用于稳定和运算输出的数字信号的调制单元。
48.所述执行单元包括：离心单元和研磨单元4，所述研磨单元4转动设置在离心单元上，并通过第二伺服电机6驱动；所述研磨单元4包括通过第一伺服电机45驱动的水平移动机构42和竖直移动机构47，所述处理器与第一伺服电机45之间依次连接有第一解码器和第一驱动器；所述处理器与第二伺服电机6 之间依次连接有第二解码器和第二驱动器。
49.工作原理及操作步骤简述：
50.当需要进行研磨时，首先将需要进行研磨的生物组织块进行无菌化处理，然后将生物组织块碎化为1
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2mm的组织块，组织块碎化应尽可能的做到细化、均匀，经多次洗涤后置入松解试剂中。松解试剂可采用现有的酶解试剂，本实施例中采用的是申请人自行研制的松解试剂，其配比主要如申请号为 202010069120.2的发明专利申请中所述，根据组织部位的不同灵活选择浸泡时间。经浸泡后的组织块细胞之间的粘附力会明显降低，此时通过物理的外力作用能实现细胞与细胞之间的分离，这是本领域技术人员公知的，但其难点在于施加在组织块上的力的均匀程度和力度是难以掌握的，这也就是导致不同方法、不同操作人员制备获得的单细胞悬液差异巨大的原因之所在。
51.如图6
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7、图11
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12所示，本实施例是分别通过第一伺服电机45同时驱动水平移动机构42和竖直移动机构47同时做周期性、往复性的直线运动，通过第二伺服电机6驱动整个研磨单元4在水平面内做旋转运动，旋转的方向为顺时针、逆时针或者交替进行，如图3
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4示出的运动轨迹示意。
52.第一伺服电机45和第二伺服电机6的转速越高，所述研磨单元4的研磨频率越高，作用在组织块上的外力越大，与组织块混合盛装的多个剪切磁珠对组织块的作用力越大，频率越高，那么研磨程度越剧烈；反之，亦然。根据不同的组织块需要的研磨剧烈程度可以通过输入面板进行自定义，由处理器、解码驱动单元发送至第一伺服电机45和第二伺服电机6，从而实现不同频率的输出，从而以调整到适合的频率实现对组织块的研磨。这一点是现有所有的手工研磨和其他同类研磨设备所不能达到的，正是多方位的移动实现运动的紊乱性，导致剪切磁珠运动的无序性而实现对组织块切割的均匀性。
53.如图1和图2所示，操作人员可以通过输入面板选择不同模式进行研磨，研磨的剧烈程度由弱到强依次有震荡模式、普通研磨和加强研磨三种模式。选择任意模式都由处理器执行预设的频率，方便，快捷，稳定。若需要处理的组织块操作者认为预设模式并不能实现良好的研磨效果，亦可以通过输入面板自定义，直到满足当前组织块研磨的需求。当然，在此需要说明的是，操作者亦可通过增加剪切磁珠或者延长松解时间或者加大松解浓度，由于本申请旨在提供自动研磨装置，因此不涉及装置本身的内容，在本实施例中就不做详述。
54.实施例2：
55.为了详细阐述本申请的水平移动机构42，在实施例1的整体工作原理的原则下，本实施例对水平移动机构42进行进一步细化，具体结合说明书附图5
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图10所示，所述水平移动机构42包括与第一伺服电机45输出轴固连的驱动盘 43，与第一伺服电机45输出轴同心安装呈圆环状的转盘41，所述转盘41呈中心射线设置有多个向下开口的滑槽，所述滑槽内滑动安装有导轨421，所述导轨421靠近驱动盘43的一端转动设置有第一定滑轮422，所述第一定滑轮422 与驱动盘43抵靠接触；导轨421的另一端头伸出至转盘41外并连接有用于安装离心管424的离心管架423。本实施例中，如图10所示，驱动盘43外边缘采用规律性内凹和外凸的平滑连接结构设置，使其在旋转过程中，能够对于之接触的结构施加周期性的向外推力，从而实现往复直线运动的驱动力。由于导轨421限制在滑槽内，因此在驱动盘43对第一定滑轮422的周期性抵靠作用下，导轨421将带动盛装有剪切磁珠和组织块的离心管424做周期性的直线运动。在驱动盘43的起伏幅度a一定的前提下，驱动盘43转动越快，施加在离心管 424上的往复移动频率越高，反之越低；当然，通过缩小驱动盘43的起伏幅度 a可以缩短导轨421的最大位移量，反之亦可增加。所述变换的周期t和起伏幅度a均可根据实际情况而进行自定义设定，因此在本发明构思下，具有非常广阔的技术延展空间。
56.为了提升导轨421在往复滑动过程中的稳定性，本实施例中，所述导轨421 的截面为燕尾形或者t型滑动嵌入在所述滑槽内。值得说明的是，按照本申请提供的发明构思，只要导轨421截面呈上大下小的方式均能够实现有效的滑动卡接，从理论上将均能够实现，只是不同的截面形状，在实际应用中存在效果差异，但均应理解为本结构局部发明构思范围之列，在无其他创造性改进的前提下，均应理解为实质相同。
57.本实施例中，所述导轨421伸出转盘41下表面部分的侧壁与转盘41的下表面之间还设置有回位机构46；所述回位机构46包括固定连接在所述转盘41 下表面的第一固定座461，固定连接在所述导轨421上的第二固定座464，所述第二固定座464上固连有防倾杆463，所述防倾杆463上套设有弹簧462，所述弹簧462的两端分别与所述第一固定座461和第二固定座464固定连接。所述弹簧462始终处于拉升状态，使得第一固定座461和第二固定座464始终都具有相向运动的趋势，从而使得导轨421的运动始终都与所述驱动盘43的推动作用保持高度一致，从而使得研磨的移动量或者带来的振动幅度、频率始终处于一个高度可控的状态。
58.同理，为了达到上述技术效果，作为回位机构46的另一种技术方案，本实施例还提供一种更加简洁的回位机构46，所述导轨421伸出转盘41下表面部分的侧壁与转盘41的下表面之间还设置有回位机构46，所述回位机构46为单根或者多跟并列设置的橡筋。
59.实施例3：
60.本实施例是在上述实施例的基础上针对竖直移动机构47进行结构细化，具体结合说明书附图9
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图12所示，所述竖直移动机构47包括安装在转盘41下表面的滑轮支架471，以及转动连接在所述滑轮支架471上的第二定滑轮472，所述第二定滑轮472与设置在所述导轨421下表面的起伏面4211抵靠接触；所述导轨421的上表面与转盘41上的滑槽内壁之间存在间隙，所述间隙内安装有始终推动所述轨道421向下与转盘41紧贴的压簧片44，所述压簧片44与导轨 421滑动接触。所述离心单元还包括与所述转盘41下表面固连的套管5，所述套管5的内底面与所述第一伺服电机45固连，所述套管5的外底面与所述第二伺服电机6的输出轴固连。
61.为了尽可能到降低因温度升高导致的细胞死亡，减小非破坏性带来的细胞死亡，本申请下提供下述优选方案，具体地自动研磨装置还包括用于安装所述控制单元和执行单元的壳体1，所述执行单元安装在壳体1的内部，壳体1的内底部与所述第二伺服电机6固定连接，所述第二伺服电机6与壳体1的圆周侧壁之间的环状空间内还设置有用于盛装冷凝物的冷却槽7，所述壳体1上还铰接有密闭盖合的盖体2，所述壳体1的外圆周侧壁上安装有用于容纳所述控制单元的控制面板3。众所周知，相对低的研磨温度能够尽可能的降低因温度不适宜导致的细胞死亡，然而，现有的降温手段通常有两种：其一是通过液氮进行急速冷却，其二是通过制冷设备将整个研磨环境置于相对低的环境中。然而，上述方式的成本都相对较高，本申请为了解决这一问题，提供了一种既能满足相对低温的研磨环境，又使得成本投入更低，能够为广泛实验室所采用。譬如，可以在进行研磨之前10
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20分钟，将实现准备好的冰块置于冷却槽7中，然后将盖体2紧密盖合在壳体1上，以使得壳体1和盖体2之间的空间内的温度得以保持在相对低的温度。为了更好的实现整个研磨环境的低温环境，所述壳体1和盖体2的内层覆盖有保温层。
62.尽管本申请提供的自动研磨装置无法达到诸如超声无损消融可以达到的超高单细胞得率和存活率，但与手工研磨相比而言，能够提供更加均匀和温和的研磨，在单细胞得率和单细胞存活方面亦具有稳定的得率，且更加省时、省力，整个研磨过程无需人工介入，对于普通实验室需求或者实验需求已经能够得到足够满足；任何人通过该自动研磨装置均可以获得完全可以媲美甚至超过经验丰富的手工研磨专家所制备的单细胞悬液，足以彰显其在组织单细胞化方面成功的应用前景，能够在以获取单细胞、及存活单细胞的需求和实验中广泛应用。
63.最后，申请人需要强调的是，基于现有的研磨原理，本申请提供了一种全新的机械结构设计，能够有效带动离心管424在空间多个方向维度进行周期性变化的运动，能够使得组织块在稳定的研磨力度下与剪切磁珠接触实现均匀、柔和研磨。本申请仅限于提供研磨运动的新方式替换，旨在提供多运动维度实现稳定研磨，以基于机械接触研磨实现稳定的单细胞化，以替代人为手工研磨，使得单细胞得率更高，存活单细胞量更多。
64.以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。