(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転駆動装置と、
ｘ方向の軸心を有するｘ回転軸と、
前記ｘ回転軸に取り付けられたｘ回転体と、
前記ｘ回転体に取り付けられ、ｘ方向と直交するｙ方向の軸心を有するｙ回転軸と、
前記ｙ回転軸に取り付けられ、培養容器を収容するｙ回転体と、
前記回転駆動装置により回転される回転主軸と、
前記回転主軸の回転力を前記ｙ回転軸に伝達する回転伝達機構と、
前記回転主軸と前記ｘ回転軸との間で回転力を伝達するクラッチであって、前記回転主軸の一方の方向の回転を前記ｘ回転軸へ伝達し、他方の方向の回転を切断するラチェット機構若しくはワンウェイクラッチと、
未分化維持培養の運転モード若しくは分化促進培養の運転モードを、前記回転駆動装置の回転を制御することにより切り替える制御装置とを有することを特徴とするクリノスタット。
【請求項２】
請求項１に記載のクリノスタットにおいて、
前記ｘ回転軸は軸心にｘ方向の中空を有し、
前記回転主軸は、前記ｘ回転軸の中空内に同心に配置されていることを特徴とするクリノスタット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、細胞の培養に用いられるクリノスタットに関する。
【背景技術】
【０００２】
再生医学においては、細胞を未分化のまま培養して増殖させ、適切な分化誘導をして生体への移植を行う。
多能性幹細胞は、無重力の状態において培養することで、分化を抑えた状態で増殖可能であることが知られている（未分化維持培養）。また、骨や軟骨などに分化させる場合、地球の重力加速度よりも大きい過重力において適当な培地と共に培養すると分化が促進されることも知られている（分化促進培養）。地上において、このような培養を行うために、無重力状態で多能性幹細胞を培養する重力分散型培養装置や、過重力状態で多能性幹細胞を培養する過重遠心培養装置が用いられる。
【０００３】
例えば、特許文献１には、本体に取り付けられたモータにより外側フレームを回転し、外側フレームに取り付けられたモータによりさらに内側フレームを回転させて、内側フレームに同体に接続された培養容器を回転させる技術が開示されている。多能性幹細胞の分化を押さえて培養する場合には２軸回転させ、一方、分化を誘導する場合には、内側フレームの回転を止めた状態で外側フレームを回転させる１軸回転を行う。これにより、未分化維持培養と分化促進培養とを１つの装置により実現している。
また、特許文献２には、回転枠にモータを取り付けることによるモータ故障を回避するために、モータの固定枠に取り付けられたモータにより、２軸回転を実現して未分化維持培養を行うクリノスタットが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開2003-9852号公報
【特許文献２】特許第4974283号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の技術においては、外側フレーム、内側フレームそれぞれにモータを配置し、さらに内側フレームを回転させるモータは、外側フレームに取り付けられているため、外側フレームの回転半径が大きく、外形の寸法も大きくなる。通常、細胞培養は温度、湿度、二酸化炭素濃度を適切な条件に維持したインキュベータの中で行われる。各研究機関で使用されているインキュベータのサイズは、１６０〜１７０Ｌクラスが一般的である。特許文献１の装置を１６０〜１７０Ｌクラスのインキュベータに入れると、インキュベータ内の空間をほぼ占有してしまい、空いたスペースでディッシュなどを用いて細胞培養をすることができにくかった。
特許文献２の技術は、２軸回転の装置であるため、重力分散型培養専用であり、１軸回転をさせることができない。従って、過重遠心培養ができない。また、露出状態にある円板の弾性体を介して回転力を内側の回転体に伝達させるため、長期間使用すると摩耗し回転不良を引き起こす。
【０００６】
本発明はクリノスタットを小型化して、クリノスタットが設置されるべきインキュベータ内を有効に利用できるようにし、かつ、未分化維持培養と分化促進培養を1台のクリノスタットで行うことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、回転駆動装置と、ｘ方向の軸心を有するｘ回転軸と、
前記ｘ回転軸に取り付けられたｘ回転体と、前記ｘ回転体に取り付けられ、ｘ方向と直交するｙ方向の軸心を有するｙ回転軸と、前記ｙ回転軸に取り付けられ、培養容器を収容するｙ回転体と、
前記回転駆動装置により回転される回転主軸と、前記回転主軸の回転力を前記ｙ回転軸に伝達する回転伝達機構と、前記回転主軸と前記ｘ回転軸との間で回転力を伝達するクラッチであって、前記回転主軸の一方の方向の回転を前記ｘ回転軸へ伝達し、他方の方向の回転を切断するラチェット機構若しくはワンウェイクラッチと、未分化維持培養の運転モード若しくは分化促進培養の運転モードを、前記回転駆動装置の回転を制御することにより切り替える制御装置とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
回転を制御するだけで、1台の回転駆動装置で、未分化維持培養（ｘ回転体とｙ回転体を回転させる）と分化促進培養（ｘ回転体を停止させたままｙ回転体を回転させる）ができ、かつ、回転駆動装置が1台となるため、クリノスタットの小型化が可能となり、クリノスタットがインキュベータ内を占有する容積が小さくなる。そのため、空いた空間で他の培養が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】インキュベータに格納されたクリノスタットを示す図である。
【図２】クリノスタットの断面を示す図である。
【図３】クラッチを示す図である。
【図４】他のクラッチの例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１において、本実施例によるクリノスタット１００は、固定フレーム２３、回転駆動装置２２、ｘ回転体１、及び培養容器３０を収容するｙ回転体３を有している。培養容器３０には、細胞と培地とが封入される。クリノスタット１００は、温度、湿度、二酸化炭素濃度を適切な条件に維持可能なインキュベータ２００の内部に設置され、インキュベータ２００の外側にクリノスタット１００を制御する制御装置３００を配置している。回転駆動装置２２はステップモータであり、回転数の制御が制御装置３００により可能である。制御装置３００は、後述するように、未分化維持培養の運転モードと、分化促進培養の運転モードを、回転駆動装置２２の回転を制御することにより切り替える。
【００１１】
ｘ回転体１は図中ｘ方向の軸心を有するｘ回転軸２により回転可能であり、ｙ回転体３はｘ回転体１内においてｘ軸と異なる方向のｙ方向の軸心を有するｙ回転軸４により回転可能である。よってｙ回転体３は、ｘ回転軸２、ｙ回転軸４により回転するので、クリノスタット１００は２軸回転を実現可能となっている。尚、３１は、培養容器３０をｙ回転体３に収容したときに、培養容器３０の脱落を防止するストッパである。
【００１２】
図２は、クリノスタット１００の断面を示す側面図である。ｘ回転体１は、ｘ回転軸２に取り付けられており、ｘ回転軸２は、ｘ回転軸支持軸受１３を介して固定フレーム２３に取り付けられている。ｙ回転体３は、ｘ回転軸２と平行ではないｘ回転軸２に取り付けられており、ｙ回転軸４は、ｙ回転軸支持軸受２０を介してｘ回転体１に取り付けられている。本実施例では、ｘ回転軸２とｙ回転軸４とは交差している。
【００１３】
一方、回転主軸１９は、固定フレーム２３に固定されている回転駆動装置２２により回転される。ｘ回転軸２は中空となっており、回転主軸１９と同心同軸である。一方、回転主軸１９はｘ回転軸２内において、軸受２１により支持されており、ｘ回転軸２とは独立して回転できるようになっている。
【００１４】
回転主軸１９からｙ回転軸４までの回転伝達は、ｘ回転体１上において、傘歯車１４ａ、１４ｂ、伝達軸１５ａ、プーリー１６、１８、タイミングベルトからなる回転力伝達機構４０によりなされる。ｙ回転軸４から上流に向けて説明すると、ｙ回転軸４へは傘歯車１４ａ、１４ｂを介して回転力が伝達されている。傘歯車１４ｂは、軸受１５ｂに支持された伝達軸１５ａに取り付けられている。伝達軸１５ａはプーリー１６が取り付けられている。プーリー１６とプーリー１８の間には、タイミングベルト１７がかけ回されている。プーリー１８は、回転主軸１９に取り付けられており、
【００１５】
さらに回転主軸１９の回転は、歯車５を介して歯車６に伝達されるようになっている。歯車６は、ｘ回転軸駆動補助軸１０を中心に軸受１２に支持されて回転するようになっている。クラッチ９は、歯車６とｘ回転軸駆動補助軸１０との間に設けられており、歯車６の回転をｘ回転軸駆動補助軸１０に伝達し、或いは抑止する。ｘ回転軸駆動補助軸１０には、歯車７が取り付けられており、ｘ回転軸２に取り付けられた歯車８に回転を伝達する。ｘ回転軸駆動補助軸１０は、ｘ回転軸駆動補助軸支持軸受１１を介して固定フレーム２３に取り付けられている。すなわち、クラッチ９は、回転主軸１９の回転をｘ回転軸２に伝達するか否かを切り替えている。
【００１６】
図３は、クラッチ９を説明する図である。クラッチ９は、一方の方向のみに回転を伝達するラチェット機構若しくは、ワンウェイクラッチであって、本実施例においては、回転板２４、ストッパ２６、支点ピン２８およびスプリング２９を有している。
【００１７】
回転板２４はガンギ車状の形をしており、外周には引っ掛かり部２５が数カ所設けられている。回転板２４はｘ回転軸駆動補助軸１０に固定されており、回転板２４が回転すると、ｘ回転軸駆動補助軸１０も一緒に回転する。
【００１８】
ストッパ２６は、歯車６と支点ピン２８で連結されており、ストッパ２６は支点ピン２８を中心に回転可能となっている。スプリング２９は歯車６とストッパ２６の間に取り付けられており、ストッパ２６は、スプリング２９によって、常に回転板２４に押し付けられる方向に力を受けている。歯車６が回転すると、ストッパ２６、支点ピン２８およびスプリング２９も一緒に回転する。
【００１９】
次に、クラッチ９の動作について説明する。
歯車６が図面上で反時計方向に回転すると、歯車６とともにストッパ２６、支点ピン２８およびスプリング２９は反時計方向に回転する。その際、ストッパ２６の先端にある引っ掛かり部２７は、スプリング２９の力で回転板２４に押し付けられながら回転する。回転を続けると、ストッパ２６の先端にある引っ掛かり部２７は、回転板２４側の引っ掛かり部２５に接触する。さらに回転を続けると、歯車６の回転力がストッパ２６を介して回転板２４およびｘ回転軸駆動補助軸１０に伝わり、回転板24およびｘ回転軸駆動補助軸１０は反時計方向に回転する。
【００２０】
歯車６が図面上で時計方向に回転すると、歯車６とともにストッパ２６、支点ピン２８およびスプリング２９は時計方向に回転する。その際、ストッパ２６の先端にある引っ掛かり部２７は、スプリング２９の力で回転板２４に押し付けられながら回転する。回転を続けると、ストッパ２６は回転板２４によって、支点ピン２８を中心に歯車６側に回転させるような力を受ける。ストッパ２６は、スプリング２９を押し縮めながら歯車６側に回転するため、回転板２４側の引っ掛かり部２５とストッパ２６側の引っ掛かり部２７は引っ掛かることはない。よって、歯車６が時計方向に回転を続けても、回転板２４およびｘ回転軸駆動補助軸１０は回転しない。
【００２１】
未分化維持培養の運転モードを行う場合は、培養容器３０をｙ回転体３に搭載した後、制御装置３００により回転駆動装置２２を歯車６が図２の図面で反時計方向に回転する方向に運転する。回転駆動装置２２の回転は、回転主軸１９、プーリー１８、タイミングベルト１７、プーリー１６、伝達軸１５ｂ、傘歯車１４ａ、１４ｂによってｙ回転軸４およびｙ回転体3に伝えられ、ｙ回転軸４およびｙ回転体3は回転する。
【００２２】
また、回転駆動装置２２の回転は、回転主軸１９に取り付けられた歯車５を介して歯車６に伝えられる。歯車６が図面上で反時計方向に回転すると、歯車６とともにストッパ２６、支点ピン２８およびスプリング２９は反時計方向に回転する。その際、ストッパ２６の先端にある引っ掛かり部２７は、スプリング２９の力で回転板２４に押し付けられながら回転する。回転を続けると、ストッパ２６の先端にある引っ掛かり部２７は、回転板２４側の引っ掛かり部２５に接触する。さらに回転を続けると、歯車６の回転力がストッパ２６を介して回転板２４およびｘ回転軸駆動補助軸１０伝わり、回転板２４およびｘ回転軸駆動補助軸１０は反時計方向に回転する。ｘ回転軸駆動補助軸１０が回転すると、歯車７および歯車８を介してｘ回転軸２およびｘ回転体１が回転する。
【００２３】
培養容器３０は、任意の姿勢で回転され、培養容器３０に作用する重力加速度は、培養容器３０の全方向に作用する。一定の時間が経過すると、培養容器３０に作用している重力加速度は、培養容器３０の全方向に均一に作用することになり、重力加速度の時間平均値は、培養容器３０の全方向に対して０となる。よって、未分化維持培養では、宇宙環境に近い模擬微小重力環境を得ることができる。このような模擬微小重力環境下で細胞培養を行うと、細胞は未分化を維持したまま培養することができる。
【００２４】
分化促進培養の運転モードを行う場合は、培養容器３０をｙ回転体３に搭載した後、図示しない制動機構でｘ回転体１は任意の位置に停止させたまま、制御装置３００により回転駆動装置２２を歯車６が図２の図面で時計方向に回転する方向に運転する。ｙ回転軸４の軸心の方向は、水平に対して垂直でなくても良く、また垂直でも良い。回転駆動装置２２の回転は、回転主軸１９、プーリー１８、タイミングベルト１７、プーリー１６、伝達軸１５ａ、傘歯車１４ａ、１４ｂによってｙ回転軸４およびｙ回転体３に伝えられ、ｙ回転軸４およびｙ回転体３が回転する。回転駆動装置２２の回転数は、一定の回転数でも良いし、培養途中で変えても良い。
【００２５】
また回転駆動装置２２の回転は、回転主軸１９に取り付けられた歯車５を介して歯車６に伝えられる。歯車６が図面上で時計方向に回転すると、歯車６とともにストッパ２６、支点ピン２８およびスプリング２９は時計方向に回転する。その際、ストッパ２６の先端にある引っ掛かり部２７は、スプリング２９の力で回転板２４に押し付けられながら回転する。回転を続けると、ストッパ２６は回転板２４によって、支点ピン２８を中心に歯車６側に回転させるような力を受ける。ストッパ２６は、スプリング２９を押し縮めながら歯車６側に回転するため、回転板２４側の引っ掛かり部２５とストッパ２６側の引っ掛かり部２７は引っ掛かることはない。よって、歯車６が時計方向に回転を続けても、回転板２４およびｘ回転軸駆動補助軸１０は回転しない。ｘ回転軸駆動補助軸１０が回転しないため、ｘ回転軸駆動補助軸１０、歯車７、歯車８、ｘ回転軸2およびｘ回転体１も回転しない。
【００２６】
培養容器３０はｙ回転軸４を中心に回転し、回転半径と、角速度の2乗に比例した遠心力が回転半径方向に作用する。培養容器には、この遠心力と重力加速度の合力が作用することになる。地球の重力加速度の３倍程度の合力を発生させるためには、ｙ回転体３をおよそ１００〜２００回転／分程度で高速回転させる。
【００２７】
本実施例によれば、制御装置３００により回転駆動装置２２の回転方向を変えるだけで、クリノスタット１００を未分化維持培養用の装置にしたり、分化促進培養用の装置にしたりすることができるという効果がある。また、ｘ回転体１とｙ回転体３の回転に対して、固定位置にある回転駆動装置２２が１つで回転力を与えることができるので、クリノスタットの小型化が可能となり、クリノスタットがインキュベータ内を占有する容積を小さくできる。そのため、空いた空間で他の培養が可能となる。
【００２８】
図４は、クラッチ９をクラッチ９０により置き換えた他の実施例を示している。
分化促進培養を行うには、重力加速度と遠心力とによる適当な合力を得るためにｙ回転体３を回転させる速度は決まってくるが、未分化維持培養により模擬微小重力環境を再現するには、早く回転させる必要はないことが出願人の実験で分かってきた。例えば、１０回転／分以下の低速回転数でｘ回転体１とｙ回転体３とを回転させれば良く、回転速度の差は少なくとも１桁相違する。
【００２９】
クラッチ９０は、このような回転数の差を利用して、歯車６の回転が遅いときには回転力をｘ回転軸駆動補助軸１０に伝達し、歯車６の回転が早いときにはｘ回転軸駆動補助軸１０への回転力の伝達を遮断する。クラッチ９０は、ｘ回転軸駆動補助軸１０と同心に固定された円筒９１、円筒９１の側面に対向した制動片９２、制動片９２を歯車６から円筒９１に案内する案内路９３及び制動片９２を円筒９１の側面に押しつけるように付勢するバネ９４とを有している。
【００３０】
未分化維持培養を行う場合は、培養容器３０をｙ回転体３に搭載した後、制御装置３００により低い回転速度で回転駆動装置２２を回転させる。制動片９２は、バネ９４に押しつけられた状態であり、円筒９１と歯車６とは相対的に固定されるため、歯車６の回転はｘ回転軸駆動補助軸１０へ伝達され、ｘ回転体１とｙ回転体３とが回転する。
【００３１】
分化促進培養を行う場合は、培養容器をｙ回転体３に搭載した後、制御装置３００により回転駆動装置２２を高速に回転させる。制動片９２は、遠心力によりバネ９４を押し縮め、制動片９２は円筒９１の側面との制動を保てなくなり、ｘ回転体１には回転駆動装置２２の回転力は伝達しなくなる。遠心力は角速度の２乗で関係するため、制御装置３００に対して未分化維持培養の時の回転数に対して少なくとも１桁相違させて分化促進培養の回転数を設定しておけば、クラッチ９０が所望のとおり作動することができる。ｙ回転体３の回転によるジャイロ効果により、ｙ回転体３のｙ回転軸４の軸方向は、ほぼ一定の方向に維持される。
【００３２】
上記実施例においては、回転主軸１９の回転をｙ回転軸１に伝達するために、傘歯車１４ａ、１４ｂ、プーリー１６，１８、タイミングベルト１７による回転力伝達機構４０を用いているが、これ以外の周知の伝達要素を組み合わせた回転力伝達機構を用いても良い。例えば、タイミングベルト１７の代わりに歯車を用いて回転主軸１９の回転を伝達軸１５ａへ伝達しても良く、また、傘歯車１４ａ、１４ｂの代わりに冠歯車やねじ歯車を用いても良い。または、回転主軸１９とｙ回転軸４の間をフレキシブルシャフトでつないでも良い。また、ｘ回転体１の内側で、ｙ回転体２を回転させたが、逆でも良い。
【符号の説明】
【００３３】
１：ｘ回転体
２：ｘ回転軸
３：ｙ回転体
４：ｙ回転軸
５−８：歯車
９，９０：クラッチ
１０：ｘ回転軸駆動補助軸
１１−１３，２０，２１：.軸受
１４ａ、１４ｂ：傘歯車
１５ａ：伝達軸
１６，１８：プーリー
１７：タイミングベルト
１９：回転主軸 
２２：回転駆動装置
２３：固定フレーム
２４：回転板
２５，２７：引っ掛かり部
２６：ストッパ
２８：支点ピン
２９：スプリング
３０：培養容器
４０：回転力伝達機構
９１：円筒
９２：制動片
９３：案内路
９４：バネ
１００：クリノスタット
２００：インキュベータ
３００：制御装置
【図１】
0006474970.tif 000002
【図２】
0006474970.tif 000003
【図３】
0006474970.tif 000004
【図４】
0006474970.tif 000005