本发明属于机械工程、生物3d打印技术领域，具体涉及一种面向生物3d打印的便携式细胞冷冻存储装置及其方法
背景技术：
对人体受损皮肤的治疗，根据创口面积采取不同的治疗方案。若创面较小，临床上一般采用直接包扎或自体移植；若创面很大，则通常采用异体移植的方法，
自身健康皮肤移植会导致重症患者的皮肤缺失，造成二次损伤；而皮肤捐赠又会引发免疫排斥反应。因此利用培养出的患者自身细胞与生物材料，打印出人工皮肤的皮肤损伤治疗方式受到广泛重视。
用于生物3d打印的细胞存储现有方案一般为存储在大型的液氮罐或冰箱中，置于低温环境，能被冻存极长时间。当需要使用细胞时，再将装有细胞的冻存管捞出解冻。这种方案虽然简单，但是存在以下缺陷：
存储装置过于笨重，仅适用于实验室等固定的环境，不能适应于机动、灵活的使用要求。这一缺陷掣肘了便携式3d打印机在野外急救时的使用。
这种方案需要人工将细胞冻存管从液氮中捞出或浸入，在存取过程中若操作不当容易导致人身上沾上液氮，进而造成冻伤等危害。
技术实现要素：
本发明基于细胞保存的基本原理，设计了一种面向3d打印的便携式细胞冷冻存储装置及其方法。本发明装置体积小、质量轻、模块化，可以安装于便携式3d打印机，改善了上述现有存储装置的笨重的缺点，改良了存取环节的安全性和便捷性，创造一个能较长时间保存细胞的低温环境，适应机动化的应用场所。
本发明的技术方案具体如下：
一种面向生物3d打印的细胞冷冻存储装置，包括箱体、与箱体连接的箱盖和位于箱体内的存取装置；所述的存取装置包括细胞冻存大管、存储转盘、棘轮、驱动棘爪、驱动摆杆、驱动推杆、止动棘爪、固定杆、支撑结构、连杆、顶杆和扭转弹簧；
支撑结构底部与箱体固连，顶部与棘轮中心可旋转连接；存储转盘安装在棘轮上且两者同轴心，存储转盘上设有呈圆形均匀排布的圆孔，细胞冻存大管放置于圆孔内；驱动棘爪和止动棘爪上设有扭转弹簧使其始终与棘轮紧贴；其中驱动棘爪与驱动摆杆铰接，止动棘爪与固定杆铰接，驱动摆杆一端与支撑结构上部铰接，驱动推杆一端穿过支撑结构底部并与连杆铰接、连杆与顶杆铰接；
顶杆位于存储转盘的圆孔底部，每个圆孔底部均设有贯穿棘轮的小孔，小孔可供顶杆穿过；棘轮每转过一个棘齿角度时，顶杆顶部的存储转盘也正好转动到下一圆孔；
固定杆与箱体固定连接；驱动摆杆、驱动推杆的另一端均穿出箱体；
箱体内设有冷却盘管，箱体上设有透气螺钉、透气管口；透气管口与冷却盘管相连，透气螺钉设置在透气管口内。
优选的，所述的箱体由金属层、绝热层和可动夹层构成；金属层位于内部，绝热层位于外部，金属层和绝热层之间设有弧形空腔，可动夹层呈弧形位于弧形空腔内，可动夹层与驱动摆杆固连；金属层、绝热层上均设有供驱动摆杆摆动的横槽。可动夹层位于箱体壁的横槽处，当驱动摆杆摇动时，可动夹层跟随驱动摆杆移动，始终将横槽内外的环境隔断，减少经横槽的热量交换。优选的，所述的可动夹层为绝热材质。
优选的，所述的透气螺钉和透气管口用螺纹连接，冷却盘管和箱体壁内壁焊接，透气管口穿过箱体壁和冷却管焊接。
进一步的，所述的透气螺钉包括螺钉和多孔绝热材料；螺钉中心为通孔，多孔绝热材料装在通孔中，两者为过盈连接。液氮吸热温度升高的过程中会有部分转化为氮气，氮气可以通过多孔绝热材料被排出装置。
优选的，所述的箱盖由包括金属层、绝热层组成；金属层在下，绝热层在上，两者用胶粘牢，箱盖上设有一箱盖口；箱盖口位于顶杆正上方，且箱盖口直径大于细胞冻存大管的直径；箱盖口上设有一螺栓。
本发明还公开了一种所述装置的细胞冷冻存取方法，具体如下：
将装有细胞的若干冻存管装入细胞冻存大管，将细胞冻存大管依此放入存储转盘的圆孔内；
通过透气管口向里灌注足量液氮，用透气螺钉旋紧管口；
盖上箱盖，用螺栓旋紧箱盖口，进行冷冻存储；
当需要取出细胞时，打开箱盖口的螺栓；推动驱动推杆，推动驱动通过连杆带动顶杆向上运动，顶杆将细胞冻存大管顶出箱盖口，即可取走细胞冻存大管；
每摇动一次驱动摆杆，存储转盘转动一个棘齿单位，使下一个存储转盘上的圆孔对准箱盖口；推动驱动推杆，可以再次将细胞冻存大管顶出箱盖口，若取细胞完毕，用螺栓旋紧箱盖口。
本发明采用密绕的冷却管，管内灌入液氮，密绕冷却管与空气的接触面积大，吸热效率高，从而在箱体内部制造一个低温的环境。这个方案大大减少了所需液氮的量，从而减轻整体装置的重量，创造的低温环境足以使细胞存活很长时间。此外，箱体外壁的绝热层减少箱体内外部的热量交换，从而保证箱体内能较长时间处于低温环境。
本发明利用棘轮机构的单向步进的运动特性，设计存取机构，规避了存取风险，减少热量交换，方便快捷。该存取机构有两个相互独立的主动件。下端为驱动推杆，前后推动可带动顶杆上下运动，顶杆穿过存储转盘下的小孔将细胞冻存大管顶出，箱盖上的孔与存储转盘的某一圆孔同轴心，细胞冻存大管被顶出后从箱盖孔中拿出。上端为驱动摆杆，摇动摆杆带动棘轮使存储转盘转动，换为下一个圆孔正对箱盖孔，如此可以取出下一个细胞冻存大管。此外，细胞冻存大管内可装入一组八个冻存管，故取一次就能获得更多的细胞。注：箱盖孔在不使用装置时用螺栓拧紧堵住，避免热量经该孔交换。
附图说明
图1为本发明的装置内部(去箱盖)示意图图；
图2为本发明的装置外观示意图。
图3为本发明的存取机构示意图。
图4为本发明的棘轮、棘爪配合示意图。
图5为本发明的透气螺钉示意图。
图6为本发明的可动夹层示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做进一步的说明。
如图1-4所示，本发明的一种面向生物3d打印的细胞冷冻存储装置，包括箱体1、与箱体1连接的箱盖12和位于箱体1内的存取装置；所述的存取装置包括细胞冻存大管5、存储转盘6、棘轮7、驱动棘爪8、驱动摆杆9、驱动推杆10、止动棘爪11、固定杆13、支撑结构14、连杆15、顶杆16和扭转弹簧21；
支撑结构14底部与箱体1固连，顶部与棘轮7中心可旋转连接；存储转盘6安装在棘轮7上且两者同轴心，存储转盘6上设有呈圆形均匀排布的圆孔，细胞冻存大管5放置于圆孔内；驱动棘爪8和止动棘爪11上设有扭转弹簧21使其始终与棘轮7紧贴；其中驱动棘爪8与驱动摆杆9铰接，止动棘爪11与固定杆13铰接，驱动摆杆9一端与支撑结构14上部铰接，驱动推杆10一端穿过支撑结构14底部并与连杆15铰接、连杆15与顶杆16铰接；
顶杆16位于存储转盘6的圆孔底部，每个圆孔底部均设有贯穿棘轮7的小孔，小孔可供顶杆16穿过；棘轮每转过一个棘齿角度时，顶杆16顶部的存储转盘6也正好转动到下一圆孔；
固定杆13与箱体1固定连接；驱动摆杆9、驱动推杆10的另一端均穿出箱体1；
箱体1内设有冷却盘管4，箱体1上设有透气螺钉2、透气管口3；透气管口3与冷却盘管4相连，透气螺钉2设置在透气管口3内。
本发明的工作过程如下：将装有细胞的若干冻存管装入细胞冻存大管，将细胞冻存大管依此放入存储转盘的圆孔内；
通过透气管口向里灌注足量液氮，用透气螺钉旋紧管口；
盖上箱盖，用螺栓旋紧箱盖口，进行冷冻存储；
当需要取出细胞时，打开箱盖口的螺栓；推动驱动推杆，推动驱动通过连杆带动顶杆向上运动，顶杆将细胞冻存大管顶出箱盖口，即可取走细胞冻存大管；
每摇动一次驱动摆杆往后拉再往前推为一次，存储转盘转动一个棘齿单位，使下一个存储转盘上的圆孔对准箱盖口；在图4所示的示意图中，每摇动一次驱动摆杆，棘轮即逆时针方向选择一个棘齿单元，止动棘爪11用于卡主棘轮，防止棘轮在驱动摆杆运动时回退。推动驱动推杆，可以再次将细胞冻存大管顶出箱盖口，若取细胞完毕，用螺栓旋紧箱盖口。
如图6所示，在本发明的一个具体实施例中，所述的箱体1由金属层19、绝热层18和可动夹层20构成；金属层位于内部，绝热层位于外部，金属层和绝热层之间设有弧形空腔，可动夹层呈弧形位于弧形空腔内，可动夹层与驱动摆杆9固连；金属层、绝热层上均设有供驱动摆杆9摆动的横槽。可动夹层位于箱体壁的横槽处，当驱动摆杆9摇动时，可动夹层跟随驱动摆杆移动，始终将横槽内外的环境隔断，减少经横槽的热量交换。优选的，所述的可动夹层为绝热材质。
在本发明的一个具体实施例中，所述的透气螺钉和透气管口用螺纹连接，冷却盘管和箱体壁内壁焊接，透气管口穿过箱体壁和冷却管焊接。
如图5所示，在本发明的一个具体实施例中，所述的透气螺钉包括螺钉和多孔绝热材料17；螺钉中心为通孔，多孔绝热材料装在通孔中，两者为过盈连接。液氮吸热温度升高的过程中会有部分转化为氮气，氮气可以通过多孔绝热材料被排出装置。
在本发明的一个具体实施例中，所述的箱盖12由包括金属层、绝热层组成；金属层在下，绝热层在上，两者用胶粘牢，箱盖12上设有一箱盖口；箱盖口位于顶杆16正上方，且箱盖口直径大于细胞冻存大管5的直径；箱盖口上设有一螺栓。
本发明采用密绕的冷却管，管内灌入液氮，密绕冷却管与空气的接触面积大，吸热效率高，从而在箱体内部制造一个低温的环境。这个方案大大减少了所需液氮的量，从而减轻整体装置的重量，创造的低温环境足以使细胞存活很长时间。此外，箱体外壁的绝热层减少箱体内外部的热量交换，从而保证箱体内能较长时间处于低温环境。
本发明利用棘轮机构的单向步进的运动特性，设计存取机构，规避了存取风险，减少热量交换，方便快捷。该存取机构有两个相互独立的主动件。下端为驱动推杆，前后推动可带动顶杆上下运动，顶杆穿过存储转盘下的小孔将细胞冻存大管顶出，箱盖上的孔与存储转盘的某一圆孔同轴心，细胞冻存大管被顶出后从箱盖孔中拿出。上端为驱动摆杆，摇动摆杆带动棘轮使存储转盘转动，换为下一个圆孔正对箱盖孔，如此可以取出下一个细胞冻存大管。此外，细胞冻存大管内可装入一组八个冻存管，故取一次就能获得更多的细胞。注：箱盖孔在不使用装置时用螺栓拧紧堵住，避免热量经该孔交换。