(57)【要約】【課題】本発明は、電子放出素子の電子放出領域を有効的に確保することができ、電子放出領域における電子放出量の均一性を向上させることができる円形電子放出素子を提供する。【解決手段】本発明の円形電子放出素子は、下部電極と、前記下部電極に対向する表面電極と、前記下部電極と前記表面電極との間に配置された中間層と、開口を有する絶縁層とを備え、前記絶縁層は、前記下部電極と前記中間層との間、又は前記中間層と前記表面電極との間に配置され、前記下部電極、前記中間層及び前記表面電極は、前記下部電極と前記表面電極との間に電位差を生じさせることにより前記中間層に電流が流れ、前記表面電極の電子放出領域から電子が放出されるように設けられ、前記電子放出領域は、前記絶縁層の前記開口により定められ、前記開口は、円形又は一部が欠けた円形であることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
下部電極と、前記下部電極に対向する表面電極と、前記下部電極と前記表面電極との間に配置された中間層と、開口を有する絶縁層とを備え、
前記絶縁層は、前記下部電極と前記中間層との間、又は前記中間層と前記表面電極との間に配置され、
前記下部電極、前記中間層及び前記表面電極は、前記下部電極と前記表面電極との間に電位差を生じさせることにより前記中間層に電流が流れ、前記表面電極の電子放出領域から電子が放出されるように設けられ、
前記電子放出領域は、前記絶縁層の前記開口により定められ、
前記開口は、円形又は一部が欠けた円形であることを特徴とする円形電子放出素子。
【請求項２】
前記下部電極、前記中間層及び前記表面電極は、円形、一部が欠けた円形又は環帯形状であり、
前記絶縁層は、前記開口を囲む環帯形状を有する請求項１に記載の円形電子放出素子。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の円形電子放出素子と、電荷回収電極とを備え、
前記円形電子放出素子は、円形、一部が欠けた円形又は環帯形状であり、かつ、細胞を培養するための培地に気相を介して電荷を供給するように設けられ、
前記電荷回収電極は、前記培地から電荷を回収するように設けられた細胞刺激装置。
【請求項４】
円柱形状の基材をさらに備え、
前記円形電子放出素子は、前記基材の上面上に取り外し可能に固定された請求項３に記載の細胞刺激装置。
【請求項５】
前記円形電子放出素子は、一部が欠けた円形であり、
前記電荷回収電極は、ピン電極又は棒電極であり、前記円形電子放出素子の欠けた領域において前記基材から突出する請求項４に記載の細胞刺激装置。
【請求項６】
前記円形電子放出素子は、環帯形状であり、
前記電荷回収電極は、ピン電極又は棒電極であり、前記円形電子放出素子の中心の開口において前記基材から突出する請求項４に記載の細胞刺激装置。
【請求項７】
前記電荷回収電極は、円筒形状又は一部が欠けた円筒形状を有し、かつ、前記円形電子放出素子を囲むように前記基材から突出する請求項４に記載の細胞刺激装置。
【請求項８】
前記電荷回収電極は、絶縁体層により部分的に覆われた電極であり、
前記絶縁体層は、前記円形電子放出素子と前記電荷回収電極との間に配置された請求項３〜７のいずれか１つに記載の細胞刺激装置。
【請求項９】
電源装置をさらに備え、
前記電源装置は、前記下部電極と前記表面電極との間に電位差を生じさせることができるように設けられ、かつ、前記円形電子放出素子と前記電荷回収電極との間に電位差を生じさせることができるように設けられた請求項３〜８のいずれか１つに記載の細胞刺激装置。
【請求項１０】
前記培地を収容するための円形のウェルを有する培養容器をさらに備え、
前記円形電子放出素子は、前記表面電極が前記ウェルに収容された前記培地の表面と気相を挟んで対向するように配置された請求項３〜９のいずれか１つに記載の細胞刺激装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、円形電子放出素子及び細胞刺激装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気刺激に対して反応のある培養細胞に電気刺激を与える細胞培養方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。この細胞培養方法では、電気刺激により細胞の代謝が促進され、細胞の増殖速度を速めることができる。
一方、下部電極と表面電極との間に電圧を印加することにより中間層に電子を流し、電子を放出させる長方形の電子放出素子が知られている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭６０−１１０２８７号公報
【特許文献２】特開２０１６−１３６４８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の長方形の電子放出素子では、長方形の電子放出領域の角部における電子放出量が電子放出領域の中心部より低下する場合や必要な電子放出領域が十分に確保できない場合があった。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、電子放出領域における電子放出量の均一性を向上させることができ、電子放出領域を最大限まで確保することで素子の電子放出総量を増やすことができる円形電子放出素子を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、下部電極と、前記下部電極に対向する表面電極と、前記下部電極と前記表面電極との間に配置された中間層と、開口を有する絶縁層とを備え、前記絶縁層は、前記下部電極と前記中間層との間、又は前記中間層と前記表面電極との間に配置され、前記下部電極、前記中間層及び前記表面電極は、前記下部電極と前記表面電極との間に電位差を生じさせることにより前記中間層に電流が流れ、前記表面電極の電子放出領域から電子が放出されるように設けられ、前記電子放出領域は、前記絶縁層の前記開口により定められ、前記開口は、円形又は一部が欠けた円形であることを特徴とする円形電子放出素子を提供する。
【発明の効果】
【０００６】
本発明の円形電子放出素子において、電子放出領域の範囲を定める絶縁層の開口は円形又は一部が欠けた円形である。このため、電子放出領域が、電子放出量が低下する角部を有さない。このため、電子放出領域における電子放出量の均一性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の一実施形態の円形電子放出素子の概略平面図である。
【図２】図１の破線Ａ−Ａにおける円形電子放出素子の概略断面図である。
【図３】（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ本発明の一実施形態の円形電子放出素子の概略平面図である。
【図４】本発明の一実施形態の円形電子放出素子の概略断面図である。
【図５】本発明の一実施形態の細胞刺激装置の概略斜視図である。
【図６】（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ本発明の一実施形態の細胞刺激装置の概略平面図である。
【図７】本発明の一実施形態の細胞刺激装置の概略断面図である。
【図８】本発明の一実施形態の細胞刺激装置の概略平面図である。
【図９】本発明の一実施形態の細胞刺激装置に含まれる培養容器の概略斜視図である。
【図１０】本発明の一実施形態の細胞刺激装置の概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明の円形電子放出素子は、下部電極と、前記下部電極に対向する表面電極と、前記下部電極と前記表面電極との間に配置された中間層と、開口を有する絶縁層とを備え、前記絶縁層は、前記下部電極と前記中間層との間、又は前記中間層と前記表面電極との間に配置され、前記下部電極、前記中間層及び前記表面電極は、前記下部電極と前記表面電極との間に電位差を生じさせることにより前記中間層に電流が流れ、前記表面電極の電子放出領域から電子が放出されるように設けられ、前記電子放出領域は、前記絶縁層の前記開口により定められ、前記開口は、円形又は一部が欠けた円形であることを特徴とする。
本発明の円形電子放出素子に含まれる下部電極、中間層及び表面電極は、円形、一部が欠けた円形又は環帯形状であることが好ましく、絶縁層は、前記開口を囲む環帯形状を有することが好ましい。このことにより、円形電子放出素子の形状を円形、一部が欠けた円形又は環帯形状とすることができる。
【０００９】
本発明は、本発明の円形電子放出素子と、電荷回収電極とを備えた細胞刺激装置も提供する。前記円形電子放出素子は、円形、一部が欠けた円形又は環帯形状であり、かつ、細胞を培養するための培地に気相を介して電荷を供給するように設けられ、電荷回収電極は、培地から電荷を回収するように設けられる。
この細胞刺激装置により、円形のウェル中の培地の広い範囲に電荷を供給することができ、培地で培養する多くの細胞に電気刺激を与えることができる。また、円形電子放出素子の電子放出量の均一性を向上させることができるため、培地で培養する細胞に均質性の高い電気刺激を与えることができる。
【００１０】
本発明の細胞刺激装置は、円柱形状の基材を備えることが好ましく、円形電子放出素子は、基材の上面上に取り外し可能に固定されることが好ましい。このことにより、円形電子放出素子の電子放出領域が円形のウェル中の培地の表面と広い範囲で気相を介して対向することができる。このことにより、培地の広い範囲の細胞に電気刺激を与えることが可能になる。
前記円形電子放出素子は、一部が欠けた円形であり、電荷回収電極は、ピン電極又は棒電極であり、円形電子放出素子の欠けた領域において基材から突出することが好ましい。このことにより、基材の上面上に配置する円形電子放出素子を大きくすることができ、電子放出領域を大きくすることができる。この結果、培地のより広い範囲に向けて電子を放出させることができ、より多くの細胞に電気刺激を与えることが可能になる。
【００１１】
前記円形電子放出素子は、環帯形状であることが好ましく、電荷回収電極は、ピン電極又は棒電極であり、円形電子放出素子の中心の開口において基材から突出することが好ましい。このことにより、基材の上面上に配置する円形電子放出素子を大きくすることができ、電子放出領域を大きくすることができる。この結果、培地のより広い範囲に向けて電子を放出させることができ、より多くの細胞に電気刺激を与えることが可能になる。また、電荷回収電極を培地の中心に配置することができ、細胞に与える電気刺激の均質性を向上させることができる。
前記電荷回収電極は、円筒形状又は一部が欠けた円筒形状を有することが好ましく、かつ、円形電子放出素子を囲むように基材から突出することが好ましい。このことにより、電荷回収電極を円形ウェルの内壁面に沿って配置することができ、細胞に与える電気刺激の均質性を向上させることができる。
【００１２】
前記電荷回収電極は、絶縁体層により部分的に覆われた電極であることが好ましく、絶縁体層は、円形電子放出素子と電荷回収電極との間に配置されることが好ましい。このことにより、電荷回収電極と円形電子放出素子との間にリーク電流が生じることを抑制することができる。
本発明の細胞刺激装置は、電源装置を備えることが好ましい。電源装置は、下部電極と表面電極との間に電位差を生じさせることができるように設けられることが好ましく、かつ、円形電子放出素子と電荷回収電極との間に電位差を生じさせることができるように設けられることが好ましい。このことにより、下部電極と表面電極との間の中間層に電界を生じさせることができ、円形電子放出素子の電子放出領域から電子を放出させることができる。また、この電子により気相成分を帯電させ陰イオンを発生させることができる。また、電荷回収電極と接続した培地と表面電極との間の気相に電界を生じさせることができ、気相に発生させた陰イオンを培地に供給することができ、この陰イオン又はこの陰イオンから生じた培地中の陰イオンで培地中の細胞に電気刺激を与えることができる。
本発明の細胞刺激装置は、培地を収容するための円形のウェルを有する培養容器を備えることが好ましく、円形電子放出素子は、表面電極がウェルに収容された培地の表面と気相を挟んで対向するように配置されることが好ましい。
【００１３】
以下、複数の実施形態を参照して本発明をより詳細に説明する。図面や以下の記述中で示す構成は、例示であって、本発明の範囲は、図面や以下の記述中で示すものに限定されない。
【００１４】
第１実施形態
図１は、本実施形態の円形電子放出素子の概略平面図であり、図２は、図１の破線Ａ−Ａにおける円形電子放出素子の概略断面図である。また、図３（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ本実施形態の円形放出素子の変形例の概略平面図である。
本実施形態の円形電子放出素子２０は、下部電極２と、下部電極２に対向する表面電極３と、下部電極２と表面電極３との間に配置された中間層４と、開口６を有する絶縁層５とを備え、絶縁層５は、下部電極２と中間層４との間に配置され、下部電極２、中間層４及び表面電極３は、下部電極２と表面電極３との間に電位差を生じさせることにより中間層４に電流が流れ、表面電極３の電子放出領域７から電子が放出されるように設けられ、電子放出領域７は、絶縁層５の開口６により定められ、開口６は、円形又は一部が欠けた円形であることを特徴とする。
【００１５】
円形電子放出素子２０は、電子放出領域７から空気中、気体中、減圧雰囲気中などに電子を放出する素子である。電子放出領域７から放出された電子は空気中、気体中、減圧雰囲気中などにおいて気体を陰極に帯電さしめる陰イオンを発生させる。円形電子放出素子２０は、細胞刺激装置、帯電が必要となる被対象物を帯電する帯電装置、被硬化物を硬化させる電子線硬化装置、送風装置、冷却装置、発光体を発光させる自発光デバイス、前記発光デバイスを備えた画像表示装置などに用いることができる。
円形電子放出素子２０の形状は、図１に示したように円形度の高い円形であってもよく、図３（ａ）に示したように一部が欠けた円形であってもよく、図３（ｂ）に示したように、中心に開口１６を有する環帯形状を有してもよく、図３（ｃ）に示したように楕円形であってもよく、歪んだ円形であってもよい。また、円形電子放出素子２０の形状に合わせて、表面電極３、下部電極２及び中間層４も円形、一部が欠けた円形、環帯形状又は楕円形を有することができる。このことにより、円形電子放出素子２０の上面の広い範囲に電子放出領域７を形成することができる。
また、円形電子放出素子２０の形状は、２００μｍ以上２ｍｍ以下の厚さを有する平板形状とすることができる。
【００１６】
表面電極３は、円形電子放出素子２０の表面に位置する電極である。表面電極３は、５ｎｍ以上１００ｎｍ以下、好ましくは４０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の厚さを有することができる。また、表面電極３の材質は、例えば、金、白金である。また、表面電極３は、複数の金属層から構成されてもよい。
表面電極３は、４０ｎｍ以上の厚さを有する場合であっても、複数の開口、すき間、１０ｎｍ以下の厚さに薄くなった部分を有してもよい。中間層４を流れた電子がこの開口、すき間、薄くなった部分を通過又は透過することができ、表面電極３の電子放出領域７から電子を放出することができる。このような開口、すき間、薄くなった部分は、下部電極２と表面電極３との間に電圧を印加すること（フォーミング処理、初期電圧印加）により形成することができる。
【００１７】
下部電極２は、中間層４を介して表面電極３と対向する電極である。下部電極２は、金属板であってもよく、絶縁性基板上に形成した金属層又は導電体層であってもよい。また、下部電極２が金属板からなる場合、この金属板は円形電子放出素子２０の基板であってもよい。下部電極２の材質は、例えば、アルミニウム、ステンレス鋼、ニッケルなどである。下部電極の厚さは、例えば２００μｍ以上２ｍｍ以下である。
【００１８】
中間層４は、表面電極３と下部電極２との電位差により形成される電界により電流が流れる層である。中間層４は、半導電性を有することができる。中間層４は、絶縁性樹脂、導電性樹脂、絶縁性微粒子のうち少なくとも１つを含むことができる。また、中間層４は導電性微粒子を含むことが好ましい。中間層４の厚さは、例えば、１μｍ以上３μｍ以下とすることができる。中間層４を流れた電子が表面電極３の電子放出領域７から気相に放出されるため、円形電子放出素子２０は、電子放出領域７から電子を面放出することができる。このため、表面電極３の電子放出領域７上の気相に電子を一様に放出することができる。この電子により気相成分を帯電させることができ、酸素の陰イオンなどのイオン種を気相に発生させることができる。
【００１９】
開口６を有する絶縁層５が下部電極２と中間層４との間に配置される。絶縁層５は、電子放出領域７を定めるための層である。絶縁層５を用いて電子放出領域７を定めることにより、中間層４に局所的に電流が流れる電流集中が生じることを抑制することができる。
下部電極２と表面電極３との間に絶縁層５が配置されている領域では、絶縁層５に電流が流れないため、下部電極２と表面電極３とに電位差を生じさせたとしても中間層４にも電流が流れない。このため、この領域では、電子が放出されず、電子放出領域７とはならない。一方、開口６が配置された領域では、下部電極２と表面電極３との間に絶縁層５が配置されていないため、下部電極２と表面電極３とに電位差を生じさせると、中間層４に電流が流れ、表面電極３から電子が気相に放出される。このため、この領域は電子放出領域７となる。
このように絶縁層５に設けた開口６により電子放出領域７を定めることができ、開口６の位置と電子放出領域７は実質的に一致する。
【００２０】
絶縁層５の開口６は、円形、一部が欠けた円形、楕円形、歪んだ円形などである。また、絶縁層５は、開口６を囲む環帯形状を有することができる。開口６の直径は、例えば、絶縁層５の直径の０．７０倍以上０．９５倍以下とすることができる。
例えば、開口６は、図１、図３（ａ）〜（ｃ）において点線で示したような形状を有することができる。このことにより、電子放出領域７を円形、一部が欠けた円形、楕円形、歪んだ円形などにすることができ、電子放出領域７に９０°以下の角度を有する角部が形成されない。
電子放出領域７が９０°以下の角度を有する場合、電子放出領域７の角部は、角をつくる２つの辺に近くに位置し、絶縁層５の影響が大きくなり、電子放出量が他の部分より少なくなると考えられる。このため、電子放出領域７の角部と他の領域との間に電子放出量の不均一性が生じると考えられる。
本実施形態では、電子放出領域７に９０°以下の角度を有する角部が形成されないため、電子放出量が低下した領域が生じることを抑制することができ、電子放出領域７における電子放出量の均一性を向上させることができる。
【００２１】
絶縁層５は、電気的に絶縁性を有すればよく、絶縁層５の材料は、例えば、金属酸化物・金属窒化物などの無機材料、またはシリコーン系樹脂、フェノール系樹脂などの有機材料を使用できる。
表面電極３と表面電極接続端子との接触点は、絶縁層５上に配置することができる。このことにより、接触点直下の中間層４に電流が流れることを抑制することができ、接触点において表面電極３が電極破壊することを抑制することができる。
【００２２】
第２実施形態
図４は、本実施形態の円形電子放出素子２０の概略断面図である。
本実施形態の円形電子放出素子２０は、下部電極２と、下部電極２に対向する表面電極３と、下部電極２と表面電極３との間に配置された中間層と、開口６を有する絶縁層５とを備え、絶縁層５は、中間層４と表面電極３との間に配置され、下部電極２、中間層４及び表面電極３は、下部電極２と表面電極３との間に電位差を生じさせることにより中間層４に電流が流れ、表面電極３の電子放出領域７から電子が放出されるように設けられ、開口６は、円形又は一部が欠けた円形であり、かつ、電子放出領域７の範囲を定めることを特徴とする。
第２実施形態では、開口６を有する絶縁層５が中間層４と表面電極３との間に配置される。このような絶縁層５の開口６により、円形電子放出素子２０の電子放出領域７を定めることができる。
その他の構成は、第１実施形態と同様である。第１実施形態についての記載は、矛盾がない限り第２実施形態について当てはまる。
【００２３】
第３実施形態
第３実施形態は、細胞刺激装置に関する。
図５は、本実施形態の細胞刺激装置の概略斜視図であり、図６（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ変形例の細胞刺激装置の概略上面図である。図７は、培地で培養する細胞を電気刺激する状態における細胞刺激装置の概略断面図である。
本実施形態の細胞刺激装置３０は、円形電子放出素子２０と、電荷回収電極８とを備え、円形電子放出素子２０は、円形、一部が欠けた円形又は環帯形状であり、かつ、細胞１１を培養するための培地１０に気相１５を介して電荷を供給するように設けられ、電荷回収電極８は、培地１０から電荷を回収するように設けられたことを特徴とする。
本実施形態の細胞刺激装置３０は、基材１３、表面電極接続端子２５、下部電極接続端子２６ａ、２６ｂ（これらを総称して下部電極接続端子２６という）、蓋部材２７、絶縁体層１４、電源装置２１ａ、２１ｂ（これらを総称して電源装置２１という）又は培養容器２３を備えることができる。電源装置２１は、１つの電源装置であってもよく、複数の電源装置から構成されてもよい。
【００２４】
細胞刺激装置３０は、細胞１１の増殖や分化誘導等を目的として培地１０で培養する細胞１１に電気刺激を与えるための装置である。
培地１０で培養する細胞１１は、例えば、多細胞生物の細胞・組織、遺伝子を導入した細胞、遺伝子を組み換えた細胞、がん細胞、微生物などである。細胞１１は、電気刺激に反応のある細胞とすることができる。電気刺激に反応のある細胞としては、筋細胞、神経細胞、骨芽細胞、破骨細胞、軟骨細胞、骨細胞、繊維芽細胞等が挙げられる。
また、培地１０で培養する細胞１１には、事前に予備培養した細胞を用いることができる。また、予備培養した細胞は、培地１０に103〜106cells/cm2で細胞１１が含まれるように培地１０に播種することができる。
培地１０は、細胞１１に生育環境を提供するものである。培地１０は、通常用いられている細胞培養用培地であれば特に制限なく用いる事ができる。培地１０は、液体培地であってもよく、寒天などのゲル化剤で液体培地を固めた固体培地であってもよい。また、培地１０は、液体培地と固体培地とを組み合わせたものであってもよい。培地１０は、例えばMEM培地（イーグル最小必須培地）、D-MEM培地（ダルベッコ改変イーグル培地）、α-MEM培地（イーグル最小必須培地 α改変型）、GMEM（グラスゴー最小必須培地）、Ham‘s F-12（栄養混合物 F-12ハム）、IMDM（イスコフ改変ダルベッコ培地）、RPMI-1640培地、D-PBS（ダルベッコ リン酸緩衝生理食塩水）、HBSS（ハンクス平衡塩類溶液）等である。
【００２５】
培地１０は、培養容器２３に収容される。培養容器２３は、例えば、複数のウェル２４を備えたマルチウェルプレート、培養ディッシュなどである。マルチウェルプレートのウェル２４や培養ディッシュは、通常円形を有する。また、培養容器２３と細胞刺激装置３０とを組み合わせることにより、細胞培養装置を形成することができる。培養容器２３の材質は、既存の材料であるガラス、プラスチック等が利用できる。培養容器２３は、容器底面に細胞１１の定着に適した表面処理を付与したものが好ましい。表面処理は一般的に知られている、マトリックスタンパク質、コラーゲン、フィブロネクチン、ラミニン等を容器底面に施す処理とすることができる。
細胞培養装置は、インキュベーター中に配置することができる。このことにより、培地１０の温度、雰囲気ガスなどを制御することができ、細胞１１を安定して培養することができる。培養雰囲気は、例えば、温度：３７℃、相対湿度：９５％、雰囲気ガス：５％炭酸ガスを含む空気である。
【００２６】
細胞刺激装置３０は、円形電子放出素子２０を含む。円形電子放出素子２０は、第１又は第２実施形態の円形電子放出素子２０である。第１又は第２実施形態の記載は、第３実施形態の円形電子放出素子２０について当てはまる。円形電子放出素子２０は、平面形状を有し、電子放出領域７から電子を放出することが可能な素子である。円形電子放出素子２０は、下部電極２と、表面電極３と、下部電極２と表面電極３との間に配置された中間層４とを備える。また、電子放出領域７は、下部電極２と中間層４との間又は中間層４と表面電極３との間に配置された絶縁層５の開口６により定められる。
【００２７】
円形電子放出素子２０は、細胞１１を培養するための培地１０に気相１５を介して電荷を供給するように設けられる。また、円形電子放出素子２０は、表面電極３が培養容器２３のウェル２４に収容された培地１０の表面と気相１５を挟んで対向するように配置することができる。また、表面電極３と培地１０の表面との間の距離は、０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下とすることができる。
電源装置２１ｂにより表面電極３と下部電極２との間に電圧を印加し中間層４に電界を生じさせることができる。この電界により、中間層４に電流を流すことができ、表面電極３の電子放出領域７から電子を放出することができる。この電子により気相成分が帯電し、酸素の陰イオンなどの電荷が気相１５中に生じる。また、この陰イオンは培地１０に照射される。
【００２８】
例えば、電源装置２１ｂにより、波高値１４Ｖ0-p〜２４Ｖ0-pで周波数５００〜１００００Ｈｚの矩形波交流電圧を表面電極３と下部電極２との間に印加することができる。また、on, offデューティー比は 1〜100%までの可変とすることができる。また、電子放出素子２０からのイオン照射量（電子放出量）は、0.5〜5.0μA/cm2とすることができる。
また、駆動中のイオン照射量はほぼ一定値（振れ幅は±10％以内、好ましくは±５%以内）とし、照射量を満足するために、駆動電圧波高値あるいは矩形波デューティー比をパラメータとして制御を行うことができる。イオン照射量はほぼ一定値にすることにより、安定的に培養を進めることができる。
【００２９】
円形電子放出素子２０は、円形、一部が欠けた円形又は環帯形状である。例えば、円形電子放出素子２０は、図１、図３（ａ）〜（ｃ）に示したような形状を有することができる。
培養容器２３であるマルチウェルプレートのウェル２４や培養ディッシュは、通常円形を有する。このため、円形電子放出素子２０が、円形、一部が欠けた円形又は環帯形状を有することにより、円形電子放出素子２０の形状をウェル２４の形状に合わせることができ、より大きな電子放出素子をウェル２４中に配置することが可能になる。また、絶縁層５の開口６は、円形又は一部が欠けた円形であり、かつ、電子放出領域７の範囲を定める。このため、電子放出領域７の形状をウェル２４の形状に合わせることができ、ウェル２４中の培地１０のより広い範囲に向けて電子を放出することができる。この結果、培地１０で培養するより多くの細胞１１に電気刺激を与えることが可能になる。また、下部電極２と表面電極３との間に印加する電圧を比較的小さくすることができ（素子内電流を比較的小さくすることができ）、円形電子放出素子２０が発熱し、細胞１１の培養環境に影響を与えることを抑制することができる。
また、絶縁層５の開口６が円形又は一部が欠けた円形を有することにより、電子放出領域７から均一性の高い電子放出量で電子を放出させることができ、培地１０で培養する細胞１１に均一性の高い電気刺激を与えることができる。
【００３０】
円形電子放出素子２０は、基材１３に取り外し可能に固定することができる。この基材１３を培養容器２３の上に配置することにより、円形電子放出素子２０の表面電極３（電子放出領域７）が、培養容器２３内の培地１０の表面に気相１５を介して対向するように円形電子放出素子２０を配置することができる。このように円形電子放出素子２０を配置することにより、円形電子放出素子２０の表面電極３（電子放出領域７）から放出させた電子により、円形電子放出素子２０と培地１０との間の気相１５の成分を帯電させることができ、気相１５に酸素の陰イオンなどの電荷を発生させることができる。また、円形電子放出素子２０は、表面電極３と培地１０の表面とが実質的に平行となるように配置することができる。
【００３１】
基材１３の形状は、円柱形状である。円柱形状の直径は、培養容器２３のウェル２４の口径の０．７０倍以上０．９９倍以下とすることができる。このような基材１３を上面が培地１０側となるようにウェル２４中に配置することにより、基材１３の上面がウェル２４中の培地１０の表面の大部分と気相１５を介して対向することができる。また、基材１３は、ウェル２４と同心円となるように配置することができる。ここでは、基材１３の蓋部材２７側の面を下面とし、基材１３の培地１０側の面を上面としている。
円形電子放出素子２０は、円柱形状の基材１３の上面に取り外し可能に固定されていてもよい。円形電子放出素子２０の直径は、基材１３の上面の直径の０．６５倍以上１倍以下とすることができる。このような円形電子放出素子２０が固定された基材１３を円形電子放出素子２０が培地１０側となるようにウェル２４中に配置することにより、円形電子放出素子２０の電子放出領域７がウェル２４中の培地１０の表面と広い範囲で気相１５を介して対向することができる。このことにより、培地１０の広い範囲の細胞１１に電気刺激を与えることが可能になる。
基材１３は、例えば、図５に示したような形状を有することができる。
基材１３は、側周面に溝を有してもよい。このことにより、リーク電流が生じることを抑制することができる。
【００３２】
基材１３の材料は、絶縁性材料とすることができる。このことにより、リーク電流が流れることを抑制することができる。また、基材１３の材料は、熱に耐性のあるＰＥＥＫ材、フッ素系の材料が好ましい。細胞１１と相対する部材は、事前にオートクレーブを用いて滅菌処理される。150℃を超える高温水蒸気による処理であるため、材料の繰り返し熱変変形に耐える必要がある。
基材１３は、蓋部材２７と一体化されていてもよく、蓋部材２７に固定されていてもよい。この場合、基材１３が蓋部材２７から培地１０側（ウェル２４中）に突出するように基材１３を設けることができる。また、円形電子放出素子２０を、蓋部材２７から突出した基材１３の先端面に培地１０の表面と平行となるように固定することができる。
蓋部材２７の材質は熱に耐性のあるＰＥＥＫ材、フッ素系の材料が好ましい。
【００３３】
蓋部材２７は、基材１３及び円形電子放出素子２０が固定された蓋部材２７を培養容器２３上に載せ組み合わせることができるように設けられる。また、蓋部材２７は、絶縁性を有することができる。
基材１３、円形電子放出素子２０及び蓋部材２７は、表面電極３と培地１０の表面との間の距離が０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下となるように設けることができる。このことにより、気相１５に発生させた陰イオンを培地１０に容易に供給することができる。表面電極３と培地１０の表面との間の距離は、好ましくは１ｍｍ以上２ｍｍ以下とすることができる。
例えば、培養容器２３のウェルの深さと、培地１０の深さ、蓋部材２７から突出した基材１３の高さなどを調整することにより、表面電極３と培地１０の表面との間の距離を調整することができる。
このように円形電子放出素子２０を気相１５を介して培地１０の表面と対向させることにより、気相１５から培地１０への酸素ガスの供給が阻害されることを抑制することができる。このため、培地１０の溶存酸素量を保持することが可能になる。
また、円形電子放出素子２０を基材１３に取り外し可能に固定することにより、円形電子放出素子２０を容易に交換することができる。
【００３４】
細胞刺激装置３０は、少なくとも１つの下部電極接続端子２６を有することができる。下部電極接続端子２６は、基材１３に固定されていてもよい。また、下部電極接続端子２６は、スプリングピンコネクタであってもよい。スプリングピンコネクタは、チューブと、チューブ中に配置されるスプリングと、前記スプリングの端を押すように一部が前記チューブ中に配置されたピンとを有する。スプリングピンコネクタ（下部電極接続端子２６）は、スプリングの復元力によりピンの先端が下部電極２に押し付けられ、下部電極２と電気的に接続する。下部電極接続端子２６ａ、２６ｂは、例えば、図７のように下部電極２と接続することができる。下部電極接続端子２６を複数にしている理由は、細胞１１への刺激が温度：３７℃、相対湿度：９５％の環境下で使用しているため、下部電極２に不導通性の酸化膜が生じ易く下部電極接続端子２６との給電不良が発生する場合があり、このリスクを軽減するためである。
【００３５】
細胞刺激装置３０は、少なくとも１つの表面電極接続端子２５を有することができる。表面電極接続端子２５は、基材１３に取り外し可能に固定されていてもよい。また、表面電極接続端子２５は、絶縁層５の直上において表面電極３と接触するように設けることができる。このことにより、表面電極３が破壊されることを抑制することができる。また、表面電極接続端子２５は、基材１３に円形電子放出素子２０を固定するための部材として機能してもよい。表面電極接続端子２５は、例えば、図５、図７のように表面電極３と接続することができる。
電源装置２１ｂは、下部電極接続端子２６及び表面電極接続端子２５を介して表面電極３と下部電極２との間に電圧を印加することができる。
【００３６】
細胞刺激装置３０は、電荷回収電極８を有する。また、細胞刺激装置３０は、複数の電荷回収電極８を有してもよい。
電荷回収電極８は、細胞１１を培養する培地１０に接触することができるように設けられる。このため、培地１０から電荷回収電極８へ電子が流れることができ、電荷回収電極８と培地１０との電位を等しくあるいはほぼ等しくすることができる。例えば、電荷回収電極８を接地接続すれば、培地１０が帯電することを抑制することができる。
本実施形態の細胞刺激装置３０では、円形電子放出素子２０により発生させた電荷を気相１５を介して培地１０に供給するため、培地１０に接触する電極は電荷回収電極８だけである。このため、培地１０に含まれる水が電気分解することを抑制することができる。また、電荷回収電極８は正極性となるため、培地１０中のミネラル成分（K+, Ca2+, Na+, Mg2+等）が電荷回収電極８上に析出することなく、培地１０の成分組成が変化することを抑制することができる。
【００３７】
電荷回収電極８は、基材１３に固定することができる。電荷回収電極８は、蓋部材２７を培養容器２３に組み合わせた際に電荷回収電極８が培地１０と接触するように設けることができる。
電荷回収電極８は、ピン電極又は棒電極であってもよい。この場合、電荷回収電極８は、基材１３から培地１０側に突出するように設けることができる。また、電荷回収電極８は、スプリングピンコネクタであってもよい。この場合、電荷回収電極８の先端が培地１０を収容したウェル２４の底に押し付けられるように電荷回収電極８を設けることができる。
電荷回収電極８がピン電極又は棒電極である場合、電荷回収電極８の先端（培地１０と接触する部分）は、０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下の直径を有することができる。
【００３８】
電荷回収電極８は、基材１３の上面の端と円形電子放出素子２０との間の基材１３から突出するように設けることができる。例えば、図５、図７に示したように電荷回収電極８を設けることができる。
基材１３は、電荷回収電極８と円形電子放出素子２０との間に溝２８を有することができる。このことにより、リーク電流が生じることを抑制することができる。
図３（ａ）に示したように円形電子放出素子２０の形状の一部が欠けた円形である場合、この円形が欠けた領域において基材１３から電荷回収電極８が突出するように電荷回収電極８を設けることができる。例えば、図６（ａ）のように電荷回収電極８を設けることができる。このことにより、基材１３の上面上に配置する円形電子放出素子２０を大きくすることができ、電子放出領域７を大きくすることができる。この結果、培地１０のより広い範囲に向けて電子を放出させることができ、より多くの細胞１１に電気刺激を与えることが可能になる。
【００３９】
図３（ｂ）に示したように円形電子放出素子２０が環帯形状を有し、中心に開口１６を有する場合、この開口１６において基材１３から電荷回収電極８が突出するように電荷回収電極８を設けることができる。例えば、図６（ｂ）のように電荷回収電極８を設けることができる。このことにより、基材１３の上面上に配置する円形電子放出素子２０を大きくすることができ、電子放出領域７を大きくすることができる。この結果、培地１０のより広い範囲に向けて電子を放出させることができ、より多くの細胞１１に電気刺激を与えることが可能になる。また、電荷回収電極８を培地１０の中心に配置することができ、細胞１１に与える電気刺激の均質性を向上させることができる。
【００４０】
電荷回収電極８は、円筒形状を有してもよい。この場合、電荷回収電極８は、円形電子放出素子２０を囲むように基材１３から培地１０側に突出してもよい。例えば、図６（ｃ）のように電荷回収電極８を設けることができる。このことにより、電荷回収電極を円形ウェルの内壁面に沿って配置することができ、細胞に与える電気刺激の均質性を向上させることができる。
電荷回収電極８は、一部が欠けた円筒形状を有してもよい。この場合、電荷回収電極８は、円形電子放出素子２０を囲むように基材１３から培地１０側に突出してもよい。例えば、図６（ｄ）のように電荷回収電極８を設けることができる。このことにより、電荷回収電極８を円形ウェル２４の内壁面に沿って配置することができ、細胞１１に与える電気刺激の均質性を向上させることができる。また、図６（ｄ）のように細胞刺激装置３０は複数の電荷回収電極８を有してもよい。
電荷回収電極８が円筒形状又は一部が欠けた円筒形状を有する場合、電荷回収電極８は、例えば、０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下の厚さを有することができる。
【００４１】
細胞刺激装置３０は、電荷回収電極８を部分的に覆う絶縁体層１４を備えることができる。この絶縁体層１４を円形電子放出素子２０と電荷回収電極８との間に配置することができる。このような絶縁体層１４を設けることにより、円形電子放出素子２０と電荷回収電極８との間にリーク電流が生じることを抑制することができる。例えば、電荷回収電極８がピン電極又は棒電極である場合、絶縁体層１４は、電荷回収電極８を部分的に覆う絶縁チューブとすることができる。
【００４２】
電源装置２１ａで円形電子放出素子２０と電荷回収電極８との間に電位差を生じさせることにより、円形電子放出素子２０の表面電極３と培地１０の表面との間の気相１５に電界を生じさせることができる。この気相１５の電界の中の電気力線（電界強度の勾配）に沿って、円形電子放出素子２０が電子を放出することにより発生させた陰イオンを培地１０の表面に搬送することができ（気相１５に電流を流すことができる）、培地１０に陰イオン（ＯＨ-、Ｃｌ-、Ｏ2-など）を発生させることができる。この陰イオンにより培地１０で培養する細胞１１に電気刺激を与えることができる。また、この陰イオンは、培地１０を移動し電荷回収電極８へと流れる（培地１０に電流が流れる）ため、培地１０が帯電することを抑制することができる。
【００４３】
例えば、電荷回収電極８を接地接続し、電源装置２１ａにより円形電子放出素子２０と接地との間に−１０００Ｖ〜−５０Ｖの直流電圧を印加することができる。また、円形電子放出素子２０の表面電極３と培地１０の表面との間隔は０．５ｍｍ〜３ｍｍ（好ましくは１ｍｍ以上２ｍｍ以下）とすることができる。電荷回収電極８が接地接続しているため培地１０の電位はほぼ０Ｖになり、表面電極３の電位は−１０００Ｖ〜−５０Ｖとなる。また、培地１０と表面電極３との間隔は０．５ｍｍ〜３ｍｍであるため、培地１０と表面電極３との間の気相１５に強い電界強度の電界を生じさせることができる。この電界を利用して円形電子放出素子２０が電子を放出することにより発生させた陰イオンを培地１０に供給することができる。
【００４４】
電源装置２１ａ、２１ｂは、円形電子放出素子２０から培地１０へ電荷を供給することにより気相１５に生じる電流と、電荷回収電極８が培地１０から電荷を回収することにより培地１０に生じる電流とがループ電流となるように円形電子放出素子２０及び電荷回収電極８と電気的に接続することができる。
例えば、図７に示したように、電源装置２１ａを用いて表面電極３と電荷回収電極８との間に電圧Ｖeを印加することにより生じさせた電界により気相１５をイオンＡ-（イオンＡ-は表面電極３から放出された電子により気相１５中に生じる）が移動することにより気相１５に電流が生じ、培地１０に達したイオンＡ-は培地１０中に溶け込み、細胞１１の各種要素形成に関わるシグナル伝達系を刺激し、最終的にイオンＢ-（イオンＢ-はイオンＡ-そのもの又はイオンＡ-由来の別イオン種）として電荷回収電極８へと移動することにより培地１０に電流が生じる。従って、電源装置２１ａ、表面電極３、気相１５及び培地１０を含む回路にループ電流を流すことができる。
【００４５】
円形電子放出素子２０は、表面電極３の円形の電子放出領域７から電子を面放出させることができるため、培地１０の表面と電子放出領域７との間の気相１５に一様に陰イオンを発生させることができる。この陰イオンを電界により培地１０に供給することができるため、表面電極３の電子放出領域７の下部に位置する培地１０にも一様に陰イオンを発生させることができ、電子放出領域７の下部に位置する細胞１１に一様に電気刺激を与えることができる。このため、電気刺激を与えたい細胞１１に一様に電気刺激を与えることができる。また、電子放出領域７が円形を有することにより、電子放出領域７における電子放出量の均一性を向上させることができ、電子放出領域７の下部に位置する細胞１１に均質な電気刺激を与えることができる。
【００４６】
細胞刺激装置３０による電気刺激（イオン照射）は、例えば、播種された細胞が細胞分裂を始めるタイミングから開始することができる。
また、細胞１１が定着した培地１０に対するイオン照射は、細胞種に適した照射量、照射間隔、照射タイミングを定めて行うことができる。
円形電子放出素子２０から電子を放出させる時間（電源装置２１ａ、２１ｂにより電圧を印加する時間）は、例えば、５秒間以上１分間以内とすることができるが細胞種や増殖や分化誘導等の目的により任意に変える事ができる。
また、第１又は第２実施形態の円形電子放出素子２０についての記載は、矛盾がない限り第３実施形態の細胞刺激装置３０に含まれる円形電子放出素子２０について当てはまる。
【００４７】
第４実施形態
第４実施形態は、細胞刺激装置に関する。
図８は本実施形態の細胞刺激装置３０の概略上面図であり、図９は培養容器２３の概略斜視図である。図１０は、図８に示した細胞培養容器３０と図９に示した培養容器２３を破線Ｂ−Ｂが一致するように組み合わせた細胞培養容器３０の破線Ｂ−Ｂにおける概略断面図である。
本実施形態では、蓋部材２７に複数の電子放出部２９ａ〜２９ｆ（これらを総称して電子放出部２９という）が取り付けられており、各電子放出部２９ａ〜２９ｆは、電荷回収電極８、下部電極接続端子２６（２６ａ〜２６ｆ）、表面電極接続端子２５（２５ａ〜２５ｆ）、円形電子放出素子２０（２０ａ〜２０ｆ）及び基材１３（１３ａ〜１３ｆ）を備える。電子放出部２９は、図５、図６（ａ）〜（ｄ）に示したような細胞刺激装置３０である。第１及び第２実施形態の円形電子放出素子２０についての記載は、矛盾がない限り電子放出部２９ａ〜２９ｆに含まれる円形電子放出素子２０について当てはまる。また、第３実施形態の細胞刺激装置３０についての記載は、矛盾がない限り電子放出部２９又は第４実施形態の細胞刺激装置３０について当てはまる。
【００４８】
培養容器２３は、細胞１１を培養するための培地１０を収容する複数のウェル２４ａ〜２４ｆ（これらを総称してウェル２４という）を有する。各ウェル２４ａ〜２４ｆにおいて培地１０で細胞１１を培養することができる。培養容器２３が有するウェル２４の数は、例えば、６、１２、１８、２４、３２、４８、９６である。また、ウェル２４は円形のくぼみである。例えば、図９に示した培養容器２３は、６つのウェル２４ａ〜２４ｆを有する。
【００４９】
蓋部材２７は、培養容器２３に組み合わせてウェル２４に蓋をすることができる形状を有する。また、電子放出部２９は、培養容器２３に蓋部材２７を組み合わせた際に電子放出部２９がウェル２４中に位置し、表面電極３の電子放出領域７が培地１０の表面と対向するように蓋部材２７に固定される。また、培養容器２３の各ウェル２４に対応する電子放出部２９が蓋部材２７に取り付けられていてもよい。また、各電子放出部２９は、蓋部材２７と培養容器２３とを組み合わせた際に、対応するウェル２４と同心円となるように蓋部材２７に固定されていてもよい。
例えば、図８に示した細胞刺激装置３０は、培養容器２３の６つのウェル２４ａ〜２４ｆに対応する６つの電子放出部２９ａ〜２９ｆを有している。また、蓋部材２７を培養容器２３に組み合わせると、図１０に示した細胞刺激装置３０のように、各電子放出部２９ａ〜２９ｆはウェル２４中に位置し、各円形電子放出素子２０ａ〜２０ｆは、各ウェル２４中の培地１０の表面に対向するように配置される。
【符号の説明】
【００５０】
２：下部電極    ３：表面電極    ４：中間層    ５：絶縁層    ６：開口    ７：電子放出領域    ８、８ａ〜８ｆ：電荷回収電極    １０：培地    １１：細胞    １３、１３ａ〜１３ｆ：基材    １４：絶縁体層    １５：気相    １６：開口    ２０、２０ａ〜２０ｆ：円形電子放出素子    ２１、２１ａ、２１ｂ：電源装置    ２３：培養容器    ２４、２４ａ〜２４ｆ：ウェル    ２５、２５ａ〜２５ｆ：表面電極接続端子    ２６、２６ａ〜２６ｆ：下部電極接続端子    ２７：蓋部材    ２８：溝    ２９、２９ａ〜２９ｆ：電子放出部    ３０：細胞刺激装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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