(57)【要約】【課題】本発明は、電気刺激を与えたい細胞に一様に電気刺激を与えることができ、培地成分の分解・析出を抑制することができる細胞刺激装置を提供する。【解決手段】本発明の細胞刺激装置は、培地で培養する細胞に刺激を与えるための細胞刺激装置であって、前記細胞刺激装置は、前記培地に気相を介して電荷を供給する電子放出素子と、前記培地から電荷を回収する電荷回収電極とを備え、前記電子放出素子は、下部電極と、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を備え、前記電荷回収電極は、前記培地に接触することができるように設けられたことを特徴とする。【選択図】図１
2019076086.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
培地で培養する細胞に刺激を与えるための細胞刺激装置であって、
前記細胞刺激装置は、前記培地に気相を介して電荷を供給する電子放出素子と、前記培地から電荷を回収する電荷回収電極とを備え、
前記電子放出素子は、下部電極と、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を備え、
前記電荷回収電極は、前記培地に接触することができるように設けられたことを特徴とする細胞刺激装置。
【請求項２】
前記下部電極及び前記表面電極は、それぞれ複数の細長い電極を含み、前記下部電極及び前記表面電極のうち一方が行となり他方が列となる格子状に配置された請求項１に記載の細胞刺激装置。
【請求項３】
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圧を印加することができるように設けられ、かつ、前記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１又は２に記載の細胞刺激装置。
【請求項４】
前記電源装置は、前記電子放出素子から前記培地へ電荷を供給することにより前記気相に生じる電流と、前記電荷回収電極が前記培地から電荷を回収することにより前記培地に生じる電流とがループ電流となるように前記電子放出素子及び前記電荷回収電極と電気的に接続する請求項３に記載の細胞刺激装置。
【請求項５】
前記電荷回収電極を接地接続する請求項３又は４に記載の細胞刺激装置。
【請求項６】
絶縁性部材と、前記絶縁性部材に固定された針状端子とをさらに備え、
前記電子放出素子は、前記絶縁性部材に固定され、
前記針状端子は、その先端部で前記下部電極と接触する請求項１〜５のいずれか１つに記載の細胞刺激装置。
【請求項７】
前記絶縁性部材は、その表面にスリット構造を有する請求項６に記載の細胞刺激装置。
【請求項８】
前記電荷回収電極は、前記絶縁性部材に固定された請求項６又は７に記載の細胞刺激装置。
【請求項９】
請求項１〜７のいずれか１つに記載の細胞刺激装置と、前記培地を収容するための培養容器とを備え、
前記細胞刺激装置は、絶縁性部材を備え、
前記電子放出素子は、前記絶縁性部材に固定され、
前記絶縁性部材は、前記表面電極が前記培地の表面と気相を挟んで対向するように前記培養容器上に配置された細胞培養装置。
【請求項１０】
前記絶縁性部材は、前記表面電極と前記培地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られた請求項９に記載の細胞培養装置。
【請求項１１】
前記電荷回収電極は、前記培養容器に固定された請求項９又は１０に記載の細胞培養装置。
【請求項１２】
下部電極と、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を備えた電子放出素子の前記下部電極と前記表面電極との間に電圧を印加することにより、気相を介して細胞を培養する培地に電荷を供給するステップを含み、
前記電荷を供給するステップは、前記電子放出素子と前記培地との間の電界を利用して電荷を供給するステップである細胞刺激方法。
【請求項１３】
前記電荷を供給するステップは、前記電子放出素子から前記培地へ電荷を供給することにより前記気相に生じる電流と、電荷回収電極が前記培地から電荷を回収することにより前記培地に生じる電流とがループ電流として流れるステップである請求項１２に記載の細胞刺激方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、細胞刺激装置、細胞培養装置及び細胞刺激方法に関する。
【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、電子を放出させる電子放出素子が知られている（例えば、特許文献２参照）。また、電子放出素子により放出させた電子により酸素の陰イオンを発生させ、この陰イオンを気体の流れにのせて生体に向けて噴出する陰イオン生成装置が知られている（例えば、特許文献３参照）。
【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
【特許文献３】特開２００６−３２５４９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
培養細胞に電気刺激を与える従来の細胞培養方法では、培地内に少なくとも２枚の電極を設置し、この２枚の電極の間に電圧を印加する。このため、電極と培養液との界面において電気化学反応が生じ、水の電気分解や培養液成分の分解・析出などを生じる場合がある。また、電極間距離の短い部分に局所的に電流が流れやすく、電気刺激を与えたい培養細胞に一様に電気刺激を与えることが難しい。
また、従来の陰イオン生成装置では、陰イオンを気体と共に噴出させるため、電気刺激を与えたい細胞に一様に電荷を供給することが難しい。また、陰イオン生成装置から噴出させた気体により培地の水分が蒸発しやすく、培地が乾燥するという問題がある。また、細胞を培養する雰囲気ガスのガス種条件を維持することが難しい。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、電気刺激を与えたい細胞に一様に電気刺激を与えることができ、培地成分の分解・析出を抑制することができる細胞刺激装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、培地で培養する細胞に刺激を与えるための細胞刺激装置であって、前記細胞刺激装置は、前記培地に気相を介して電荷を供給する電子放出素子と、前記培地から電荷を回収する電荷回収電極とを備え、前記電子放出素子は、下部電極と、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を備え、前記電荷回収電極は、前記培地に接触することができるように設けられたことを特徴とする細胞刺激装置を提供する。
【発明の効果】
【０００６】
本発明の細胞刺激装置に含まれる電子放出素子は、下部電極と、表面電極と、下部電極と表面電極との間に配置された中間層とを備えるため、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を流れた電子を表面電極側から放出させることができる。この放出させた電子により、電子放出素子と培地との間の気相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。
本発明の細胞刺激装置に含まれる電荷回収電極は、細胞を培養する培地に接触することができるように設けられるため、培地から電荷回収電極へ電子が流れることができる。このため、電荷回収電極と培地との電位差を小さくすることができる。また、電子放出素子又は電荷回収電極に電圧を印加することにより、電子放出素子の表面電極と培地の表面との間の気相に電界を生じさせることができる。この電界の中の電気力線（電界強度の勾配）に沿って、発生させた陰イオンを培地の表面に搬送することができ、培地に陰イオンを供給することができる。この陰イオンにより培地で培養する細胞に電気刺激を与えることができる。また、この陰イオンは、電荷回収電極へと流れるため、培地が帯電することを抑制することができる。また、本発明の細胞刺激装置では、気相に生じさせた電界を利用して陰イオンを培地に供給するため、窒素ガスやアルゴンガスのガスフロー機構を必要としない。このため、細胞の電気刺激時に、培地の乾燥や細胞浮遊を引き起こす心配がない上、培養雰囲気のガス組成に影響を与える事がない。
【０００７】
本発明の細胞刺激装置に含まれる電子放出素子は、表面電極から電子を面放出させることができるため、培地の表面と表面電極との間の気相に一様に陰イオンを発生させることができる。このため、表面電極の下部に位置する培地にも一様に陰イオンを供給することができ、表面電極の下部に位置する細胞に一様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では、電子放出素子により発生させた電荷を気相を介して培地に供給するため、培地に接触する電極は電荷回収電極だけである。このため、培地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、電荷回収電極は正極性となるため、培地中のミネラル成分（K+, Ca2+, Na+, Mg2+等）が電荷回収電極上に析出することを抑制することができ、培地の成分組成が変化することを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施形態の細胞培養装置の概略断面図である。
【図２】本発明の一実施形態の細胞培養装置の概略回路図である。
【図３】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４】本発明の一実施形態の細胞刺激装置の概略分解図である。
【図５】本発明の一実施形態の細胞刺激装置に含まれる電子放出素子の概略上面図である。
【図６】本発明の一実施形態の細胞培養装置の概略断面図である。
【図７】本発明の一実施形態の細胞培養装置の概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明の細胞刺激装置は、培地で培養する細胞に刺激を与えるための細胞刺激装置であって、前記細胞刺激装置は、前記培地に気相を介して電荷を供給する電子放出素子と、前記培地から電荷を回収する電荷回収電極とを備え、前記電子放出素子は、下部電極と、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を備え、前記電荷回収電極は、前記培地に接触することができるように設けられたことを特徴とする。
【００１０】
電子放出素子に含まれる下部電極及び表面電極は、それぞれ複数の細長い電極を含み、下部電極及び表面電極のうち一方が行となり他方が列となる格子状に配置されることが好ましい。このような構成とすると、下部電極と表面電極の任意の交点から電子を放出することが可能になり、培地の所望の箇所に存在する細胞にだけ電気刺激を与えることが可能である。また、電気刺激量に所望の分布を持たせて培地中の細胞を電気刺激することが可能になる。
【００１１】
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圧を印加す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、中間層に電界を生じさせることができ、この電界により、中間層に電子を流すことができ、表面電極から電子を放出することができる。また、この電子により気相に陰イオンを発生させることができる。また、電源装置は、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、表面電極と培地の表面との間に電界を生じさせることができ、この電界により陰イオンを培地に搬送することができる。
前記電源装置は、電子放出素子から培地へ電荷を供給することにより気相に生じる電流と、電荷回収電極が培地から電荷を回収することにより培地に生じる電流とがループ電流となるように電子放出素子及び電荷回収電極と電気的に接続することが好ましい。このことにより、電荷を効率よく培地に供給することができ、適切に細胞を刺激することができる。
【００１２】
本発明の細胞刺激装置は、絶縁性部材と絶縁性部材に固定された針状端子とを備えることが好ましい。また、電子放出素子は絶縁性部材に固定されることが好ましい。さらに、針状端子は、その先端部で下部電極と接触することが好ましい。このような構成により、針状端子を介して下部電極に電圧を印加することができる。また、針状端子と下部電極との接点不良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に含まれる電荷回収電極は、絶縁性部材に固定されることが好ましい。このような構成により、絶縁性部材を培地上に配置した際に電荷回収電極と培地とを接触させることができる。
【００１３】
本発明は、本発明の細胞刺激装置と、培地を収容するための培養容器とを備えた細胞培養装置も提供する。細胞刺激装置は絶縁性部材を備える。前記電子放出素子は前記絶縁性部材に固定される。絶縁性部材は表面電極が培地の表面と気相を挟んで対向するように培養容器上に配置される。
前記絶縁性部材は、表面電極と培地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られることが好ましい。このことにより、気相に発生させた陰イオンを培地に容易に供給することができる。
前記電荷回収電極は培養容器に固定されることが好ましい。このことにより、電荷回収電極と電子放出素子との間にリーク電流が流れることを抑制することができる。
本発明は、下部電極と、表面電極と、下部電極と表面電極との間に配置された中間層とを備えた電子放出素子の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、気相を介して細胞を培養する培地に電荷を供給するステップを含む細胞刺激方法も提供する。前記電荷を供給するステップは、電子放出素子と培地との間の電界を利用して電荷を供給するステップである。
【００１４】
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。
【００１５】
第１実施形態
図１は本実施形態の細胞刺激装置３０を含む細胞培養装置３５の概略断面図であり、図２は、細胞培養装置３５の概略回路図である。
本実施形態の細胞刺激装置３０は、培地２で培養する細胞３に刺激を与えるための細胞刺激装置３０であって、細胞刺激装置３０は、培地２に気相２１を介して電荷を供給する電子放出素子４と、培地２から電荷を回収する電荷回収電極９とを備え、電子放出素子４は、下部電極６と、表面電極８と、下部電極６と表面電極８との間に配置された中間層７とを備え、電荷回収電極９は、培地２に接触することができるように設けられたことを特徴とする。
本実施形態の細胞培養装置３５は、本実施形態の細胞刺激装置３０と、培地２を収容するための培養容器２０とを備える。
本実施形態の細胞刺激方法は、下部電極６と、表面電極８と、下部電極６と表面電極８との間に配置された中間層７とを備えた電子放出素子４の下部電極６と表面電極８との間に電圧を印加することにより、気相２１を介して細胞３を培養する培地２に電荷を供給するステップを含み、電荷を供給するステップは、電子放出素子４と培地２との間の電界を利用して電荷を供給するステップである。
本明細書において、電荷には、電子、気相中のイオン、液中のイオンが含まれる。
以下、本実施形態の細胞刺激装置３０、細胞培養装置３５及び細胞刺激方法について説明する。
【００１６】
細胞刺激装置３０は、細胞の増殖や分化誘導等を目的として培地２で培養する細胞３に電気刺激を与えるための装置である。
培地２で培養する細胞３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、微生物などである。細胞３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２で培養する細胞３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２に103〜106cells/cm2で細胞３が含まれるように培地２に播種することができる。
培地２は、細胞３に生育環境を提供するものである。培地２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２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２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２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。
【００１７】
培地２は、培養容器２０に収容される。培養容器２０は、例えば、複数のウェル１２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。また、培養容器２０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３５を形成することができる。培養容器２０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２０は、容器底面に細胞３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３５は、インキュベーター１８中に配置することができる。このことにより、培地２の温度、雰囲気ガスなどを制御することができ、細胞３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。
【００１８】
細胞刺激装置３０は、培地２に気相２１を介して電荷を供給する電子放出素子４を備える。電子放出素子４は、平面形状を有し、電子を放出することが可能な素子である。電子放出素子４は、下部電極６と、表面電極８と、下部電極６と表面電極８との間に配置された中間層７とを備える。また、電源装置１１ｂにより表面電極８と下部電極６との間に電圧を印加し中間層７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７に電子を流すことができ、電子放出素子４の表面電極８から電子を放出することができる。この電子は、酸素の陰イオンなどの電荷を気相２１中に生じさせる。また、この陰イオンは培地２に照射される。
【００１９】
例えば、電源装置１１ｂ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８と下部電極６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４からのイオン照射量は、0.5〜5.0μA/cm2とすることができる。0.5μA/cm2より小さいと培養が遅くなり、5.0μA/cm2より大きいと死滅する可能性が大きく培養が遅い。
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。
【００２０】
表面電極８は、電子放出素子４の表面に位置する電極である。表面電極８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８の材質は、例えば、金、白金である。このことにより、オートクレーブ滅菌などにより表面電極８が酸化されることを抑制することができる。また、表面電極８は、複数の金属層から構成されてもよい。
表面電極８は、好ましい４０ｎｍ以上の場合であっても、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７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８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４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。
【００２１】
下部電極６は、中間層７を介して表面電極８と対向する電極である。下部電極６は、金属板であってもよく、金属層又は導電体層を有した絶縁体から成る板であってもよい。また、下部電極６が金属板からなる場合、この金属板は電子放出素子４の基板であってもよい。下部電極６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１ｍｍ以下である。
【００２２】
中間層７は、表面電極８と下部電極６とに電圧を印加することにより形成される電界により電子が流れる層である。中間層７は、半導電性を有することができる。中間層７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。また、中間層７は導電性微粒子を含むことが好ましい。中間層７の厚さは、例えば、１μｍ以上１．８μｍ以下とすることができる。中間層７を流れた電子を表面電極８から放出するため、電子放出素子４は、表面電極８から電子を面放出することができる。このため、表面電極８上の気相２１に電子を一様に放出することができ、この電子により酸素の陰イオンなどの電荷を発生させることができる。
【００２３】
電子放出素子４は、表面電極８と下部電極６との間に絶縁層５を有してもよい。この絶縁層５は、開口を有することができる。絶縁層５の開口は、表面電極の電子を放出させたい領域に対応するように設けられる。絶縁層５には電子が流れることができないため、絶縁層５の開口に対応する中間層７に電子が流れ表面電極８から電子が放出される。従って、絶縁層５を設けることにより、表面電極８に電子放出領域を形成することができる。
【００２４】
電子放出素子４は、絶縁性部材１３に取り外し可能に固定することができる。この絶縁性部材１３を培養容器２０の上に配置することにより、電子放出素子４の表面電極８が、培養容器２０内の培地２の表面に気相２１を介して対向するように電子放出素子４を配置することができる。このように電子放出素子４を配置することにより、電子放出素子４の表面電極８側から放出させた電子から、電子放出素子４と培地２との間の気相２１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、電子放出素子４は、表面電極８と培地２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。
絶縁性部材１３は、蓋部材１０と一体化されていてもよい。この場合、絶縁性部材１３が蓋部材１０から培地２側（ウェル１２中）に突出するように絶縁性部材１３を設けることができる。また、電子放出素子４を、蓋部材２から突出した絶縁性部材１３の先端面に培地２の表面と平行となるように固定することができる。
絶縁性部材１３及び蓋部材１０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。細胞と相対する部材は、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。
【００２５】
蓋部材１０は、細胞刺激装置３０を培養容器２０上に載せることができるように設けられる。また、蓋部材１０は、絶縁性を有することができる。
絶縁性部材１３又は蓋部材１０は、表面電極８と培地２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２１に発生させた陰イオンを培地２に容易に供給することができる。表面電極８と培地２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２０のウェルの深さと、培地２の深さ、蓋部材１０から突出した絶縁性部材１３の高さなどを調整することにより、表面電極８と培地２の表面との間の距離を調整することができる。
このように電子放出素子４を気相２１を介して培地２の表面と対向させることにより、気相２１から培地２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２の溶存酸素量を保持することが可能になる。
また、電子放出素子４を絶縁性部材３に取り外し可能に固定することにより、電子放出素子４を容易に交換することができる。
【００２６】
細胞刺激装置３０は、絶縁性部材１３に固定された第１端子１５及び第２端子１６を有することができる。第１端子１５及び第２端子１６は、それぞれ電子放出素子４と接触する接点を有する。電子放出素子４を絶縁性部材３に取り付けている場合に、第１端子１５が下部電極６と電気的に接続し、第２端子１６が表面電極８と電気的に接続するように第１及び第２端子並びに電子放出素子４を設けることができる。この第１及び第２端子を介して表面電極８と下部電極６との間に電圧を印加することができる。
【００２７】
電荷回収電極９は、細胞３を培養する培地２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２から電荷回収電極９へ電子が流れることができ、電荷回収電極９と培地２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９を接地接続すれば、培地２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、電子放出素子４により発生させた電荷を気相２１を介して培地２に供給するため、培地２に接触する電極は電荷回収電極９だけである。このため、培地２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９は正極性となるため、培地２中のミネラル成分（K+, Ca2+, Na+, Mg2+等）が電荷回収電極９上に析出することなく、培地２の成分組成が変化することを抑制することができる。
電荷回収電極９は、例えば、絶縁性部材１３又は蓋部材１０に固定することができる。電荷回収電極９は、絶縁性部材１３及び蓋部材１０を培養容器２０上に設置した際に電荷回収電極９が培地２と接触するように設けることができる。
電荷回収電極９の形状は、例えば、棒状、平板状、メッシュ、パンチングメタルである。また、電荷回収電極９は、棒の先に平板、メッシュ又はパンチングメタルが取り付けられた構造を有してもよい。電荷回収電極９に含まれる棒の先に取り付けた平板、メッシュ又はパンチングメタルは、細胞３が電荷回収電極９と電子放出素子４との間に位置するようにウェル１２の底に配置することができる。このような構成とすると、電子放出素子４の電子放出により培地２の表面で生じた陰イオンは、ウェル１２の底に向かって流れる。このため、培地２で培養する細胞３に効率よく電気刺激を与えることが可能になる。
【００２８】
電源装置１１ａで電子放出素子４又は電荷回収電極９に電圧を印加することにより、電子放出素子４の表面電極８と培地２の表面との間の気相２１に電界を生じさせることができる。この気相２１の電界の中の電気力線（電界強度の勾配）に沿って、電子放出素子４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２の表面に搬送することができ（気相２１に電流を流すことができる）、培地２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２で培養する細胞３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２を移動し電荷回収電極９へと流れる（培地２に電流が流れる）ため、培地２が帯電することを抑制することができる。
【００２９】
例えば、電荷回収電極９を接地接続し、電源装置１１ａにより電子放出素子４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、電子放出素子４の表面電極８と培地２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９が接地接続しているため培地２の電位はほぼ０Ｖになり、表面電極８の電位は−１０００Ｖ〜−５０Ｖとなる。また、培地２と表面電極８との間隔は０．５ｍｍ〜３ｍｍであるため、培地２と表面電極８との間の気相２１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電子放出素子４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２に供給することができる。
【００３０】
電源装置１１ａ、１１ｂは、電子放出素子４から培地２へ電荷を供給することにより気相２１に生じる電流と、電荷回収電極９が培地２から電荷を回収することにより培地２に生じる電流とがループ電流となるように電子放出素子４及び電荷回収電極９と電気的に接続することができる。
例えば、図１、２に示したように、電源装置１１ａを用いて表面電極８と電荷回収電極９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２１をイオンＢ-（イオンＢ-は表面電極８から放出された電子により気相２１中に生じる）が移動することにより気相２１に電流が生じ、培地２に達したイオンＢ-は培地２中に溶け込み、細胞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Ｃ-（イオンＣ-はイオンＢ-そのものand／orイオンＢ-由来の別イオン種）として電荷回収電極９へと移動することにより培地２に電流が生じる。従って、電源装置１１ａ、表面電極８、気相２１及び培地２を含む回路にループ電流を流すことができる。
【００３１】
電子放出素子４は、表面電極８から電子を面放出させることができるため、培地２の表面と表面電極８との間の気相２１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２に供給することができるため、表面電極８の下部に位置する培地２にも一様に陰イオンを発生させることができ、表面電極８の下部に位置する細胞３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に一様に電気刺激を与えることができる。
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３が定着した培地２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。
電子放出素子４から電子を放出させる時間（電源装置１１ａ、１１ｂ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。
【００３２】
第２実施形態
図３は本実施形態の細胞刺激装置３０の概略斜視図であり、図４は本実施形態の細胞刺激装置３０の概略分解図である。
本実施形態では、図３に示したような細胞刺激装置３０に含まれる電子放出素子４が、図４の分解図のように絶縁性部材１３から取り外し可能に設けられている。
電子放出素子４は、下部電極６である金属板上に中間層７及び表面電極８が積層されている。例えば、下部電極６は、１２ｍｍ×２４ｍｍ角、厚さ０．５ｍｍの金属板である。また、下部電極６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。また、中間層７の厚さは、例えば１．０μｍ〜１．８μｍである。
また、電子放出領域２５が形成される部分に開口を有する絶縁層５が下部電極６と表面電極８との間に積層されている。絶縁層５には電流が流れないため、絶縁層５の開口に対応した表面電極８の電子放出領域２５だけから電子が放出される。絶縁層５の開口は例えば、５ｍｍ角とすることができる。絶縁層５には、金属酸化物・金属窒化物などの無機材料、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することができる。
表面電極８は、４０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の厚さを有することができる。このことにより、絶縁層５の開口に対応する表面電極８の電子放出領域２５から中間層７を流れた電子を放出させることができる。例えば、表面電極８の大きさは１８ｍｍ×８．５ｍｍ角とすることができる。また、電子放出領域の大きさは５ｍｍ角とすることができる。表面電極８の材質は例えば金又は白金である。
【００３３】
第１端子１５ａ、１５ｂは、絶縁性部材１３に設けられた開口中に配置されており、針形状を有し、その先端部が電子放出素子４の下部電極６の裏面との接点となる。このため、第１端子１５を介して下部電極６に電圧を印加することができる。また、第１端子１５の先端部を接点とすることにより、第１端子１５と下部電極６との接点不良が生じることを抑制することができる。また、第１端子１５はバネ式針状端子であってもよい。このことにより、第１端子１５と下部電極６との接点不良が生じることを抑制することができる。
通常、細胞刺激装置３０は、細胞培養装置３５で細胞３を培養する前にオートクレーブを用いて滅菌処理される。オートクレーブ滅菌は高温水蒸気による処理であるため、この処理により細胞刺激装置３０に含まれる金属部材（例えば、下部電極６である金属板）の表面に薄い酸化膜が形成される場合がある。この酸化膜は接点不良を引き起こす原因となる。針状の第１端子１５の先端部を接点とすることにより、この先端部が酸化膜を貫通することができ、第１端子１５と下部電極６との電気的導通を確実に確保することができる。
【００３４】
第２端子１６は、絶縁性部材１３に電子放出素子４を固定するように設けられており、電子放出素子４の表面電極８に接触する。このため、第２端子１６を介して表面電極８に電圧を印加することができる。また、第２端子１６および前述の第１端子１５は表面に金めっき層を有する金属板であってもよい。このことにより、オートクレーブ滅菌により第２端子１６の表面に酸化膜が形成されることを抑制することができ、接触不良が生じることを抑制することができる。
【００３５】
絶縁性部材１３はその表面にスリット構造を有する。このため、電荷回収電極９及び電極９と電気的に接続した金属部材と、電子放出素子４及び素子４と電気的に接続した金属部材との間に漏れ電流（縁面漏れ）が生じることを抑制することができる。
他の構成は第１実施形態と同様である。また、上記の第１実施形態についての記載は、矛盾がない限り第２実施形態についても当てはまる。また、上記絶縁性部材１３の表面のスリット構造については第１実施形態等他の構造にも適用が可能である。
本実施形態では電子放出素子４は長方形（電子放出領域２５ａ、２５ｂは正方形）の形状をしているが、状況により、円形や星型等の形状も可能である。１例として培地２をできるだけ効率よく使用するために培地２の形状に合わせた形状（ただし、電荷回収電極９との接触は不可であるために、その部分は欠けた形状になる）にすることも可能である。
【００３６】
第３実施形態
図５は、本実施形態の細胞刺激装置３０に含まれる電子放出素子４の概略上面図である。
電子放出素子４に含まれる下部電極６は、複数の細長い電極からなり、例えば図５では電極６ａ〜６ｊから構成される。電極６ａ〜６ｊは平行となるように配置することができる。これらの電極６ａ〜６ｊは、例えば、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。このことにより、電極６ａ〜６ｊを電気的に分離することができる。また、電極６ａ〜６ｊにそれぞれ異なる端子を接続することができる。
電子放出素子４に含まれる表面電極８は、複数の細長い電極からなり、例えば図５では電極８ａ〜８ｊから構成される。電極８ａ〜８ｊは平行となるように配置することができる。これらの電極８ａ〜８ｊは、例えば、中間層７上に形成した金属層又は導電体層であってもよい。また、電極８ａ〜８ｊにそれぞれ異なる端子を接続することができる。
【００３７】
下部電極６及び表面電極８は、電極６ａ〜６ｊと電極８ａ〜８ｊの一方が行となり他方が列となるように格子状に配置される。また、電極６ａ〜６ｊと電極８ａ〜８ｊとが交わる箇所に開口を有する絶縁層５が下部電極６と中間層７との間に積層されている。このことにより、電極６ａ〜６ｊと電極８ａ〜８ｊとが交わる箇所（絶縁層５の開口に対応する箇所）の表面電極８に電子放出領域２５を形成することができる。これらの電子放出領域２５はマトリクス状に並んでいる。
電圧を印加する電極６ａ〜６ｊと電極８ａ〜８ｊとの組み合わせを変えることにより、マトリクス状に並んだ複数の電子放出領域２５のうち、一部の電子放出領域２５で電子を放出させず、他の電子放出領域２５で電子を放出することができる。例えば、電極６ａ〜６ｅと電極８ａ〜８ｅとの間にだけ電圧を印加すると、これらの電極の交点の電子放出領域２５では電子が放出されるが、他の電子放出領域２５では電子が放出されない。従って、電子を放出させる電子放出領域２５の下部に位置する培地中の細胞にだけ電気刺激を与えることが可能になる。つまり、培地２のうち選択した領域に存在する細胞３にのみ電気刺激を与えることが可能になる。
【００３８】
電極６ａ〜６ｊと電極８ａ〜８ｊとの組み合わせにより印加する電圧を変化させることにより、マトリクス状に並んだ複数の電子放出領域２５で電子放出量を変化させることができる。例えば、電極６ａ〜６ｅと電極８ａ〜８ｅとの間に波高値２０Ｖの交流電圧を印加し、電極６ｆ〜６ｊと電極８ｆ〜８ｊとの間に波高値１０Ｖの交流電圧を印加し、電極６ａ〜６ｅと電極８ｆ〜８ｊとの間および電極６ｆ〜６ｊと電極８ａ〜８ｅとの間に１５Ｖの電位差を与えることができる。この場合、電極６ａ〜６ｅと電極８ａ〜８ｅとの交点の電子放出領域２５では電子放出量が比較的大きくなり、電極６ｆ〜６ｊと電極８ｆ〜８ｊとの交点の電子放出領域２５では電子放出量が比較的小さくなる。また、電極６ａ〜６ｅと電極８ｆ〜８ｊとの交点の電子放出領域２５および電極６ｆ〜６ｊと電極８ａ〜８ｅとの交点の電子放出領域２５での電子放出量は中間程度になる。これらの電子放出量に対応して培地２中の細胞３に与える電気刺激の強度も変化する。従って、電気刺激量に所望の分布を持たせて培地２中の細胞３を電気刺激することが可能になる。また、１つのウェル１２中で電気刺激量を変化させることによりスクリーニング試験をすることが可能になる。
他の構成は第１又は第２実施形態と同様である。また、上記の第１又は第２実施形態についての記載は、矛盾がない限り第３実施形態についても当てはまる。
【００３９】
第４実施形態
図６は、本実施形態の細胞培養装置３５の概略断面図である。
本実施形態では、電荷回収電極９が培養容器２０に固定されている。一方、電子放出素子４は、絶縁性部材１３に固定されている。このような構成とすると、電荷回収電極９と電子放出素子４との間にリーク電流が流れることを抑制することができる。
また、電荷回収電極９は、ウェル１２の底に配置されており、細胞３は電荷回収電極９と電子放出素子４との間に位置する。このため、細胞刺激装置３０のイオン照射により培地２の表面で生じた陰イオンは、ウェル１２の底に向かって流れる。このため、培地２で培養する細胞３に効率よく電気刺激を与えることが可能になる。
他の構成は第１〜３実施形態と同様である。また、上記の第１〜３実施形態についての記載は、矛盾がない限り第４実施形態についても当てはまる。
【００４０】
第５実施形態
図７は、本実施形態の細胞培養装置３５の概略断面図である。
本実施形態では、培養容器２０が複数のウェル１２ａ〜１２ｃを備えている。また、細胞刺激装置３０が各ウェル１２ａ〜１２ｃに対応する絶縁性部材１３ａ〜１３ｃ、電子放出素子４ａ〜４ｃ及び電荷回収電極９ａ〜９ｃを備えている。このような構成にすると、培養容器２０の各ウェル１２ａ〜１２ｃで培養する細胞にそれぞれ電気刺激を与えることができる。
また、スイッチング回路を用いて電源装置１１による電圧印加を制御することにより、複数のウェル１２のうち必要な箇所にのみ、必要な時間、必要なタイミングで細胞の電気刺激を行う事ができる。
【００４１】
培養容器２０が備えるウェル１２の数は特に限定されない。例えば、培養容器２０は６ウェルプレートである。
細胞刺激装置３０は、培養容器２０が有するすべてのウェル１２に対応する絶縁性部材１３、電子放出素子４及び電荷回収電極９を備えてもよく、培養容器２０が有する一部のウェル１２に対応する絶縁性部材１３、電子放出素子４及び電荷回収電極９を備えてもよい。
また、細胞刺激装置３０は、１つの蓋部材１０に複数の絶縁性部材１３が固定された構造を有することができる。
他の構成は第１〜４実施形態と同様である。また、上記の第１〜４実施形態についての記載は、矛盾がない限り第５実施形態についても当てはまる。
【符号の説明】
【００４２】
２、２ａ〜２ｃ：培地    ３、３ａ〜３ｃ：細胞    ４、４ａ〜４ｃ：電子放出素子    ５：絶縁層    ６、６ａ〜６ｊ：下部電極    ７：中間層    ８、８ａ〜８ｊ：表面電極    ９、９ａ〜９ｃ：電荷回収電極    １０：蓋部材    １１、１１ａ、１１ｂ：電源装置    １２、１２ａ〜１２ｃ：ウェル    １３、１３ａ〜１３ｃ：絶縁性部材    １５、１５ａ、１５ｂ：第１端子    １６：第２端子    １８：インキュベーター    ２０：培養容器    ２１：気相    ２５、２５ａ、２５ｂ：電子放出領域    ３０： 細胞刺激装置    ３５：細胞培養装置
【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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