(57)【要約】【課題】細胞機能に影響を与えず、装置強度を維持しつつ培養液の漏れをなくすことができる細胞培養装置を提供すること。【解決手段】リザーバ容器側の培養液を培養皿側に供給する供給ポンプと、培養皿側の培養液を廃液容器側に排出する排出ポンプと、リザーバ容器と供給ポンプとの間、供給ポンプと培養皿との間、培養皿と排出ポンプとの間、排出ポンプと廃液容器との間の各流路Ｆ１１〜Ｆ１４，Ｆ２１〜Ｆ２４は、各流路を形成する流路溝がそれぞれ対向面に形成された弾性部材からなる流路上部プレート４ａ、流路中部プレート４ｂ、及び流路下部プレート４ｃを分子結合技術による化学接合によって形成された流路プレートと、が一体化された流路一体プレートを設けている。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
培養細胞を培養皿内に配置し、前記培養皿内に前記培養細胞の増殖あるいは維持に必要な液体をリザーバ容器から供給するとともに前記培養皿内の前記液体を廃液容器に排出して前記培養細胞を連続して培養する細胞培養装置であって、
前記リザーバ容器側の前記液体を前記培養皿側に供給する供給ポンプと、前記培養皿側の前記液体を前記廃液容器側に排出する排出ポンプと、前記リザーバ容器と前記供給ポンプとの間、前記供給ポンプと前記培養皿との間、前記培養皿と前記排出ポンプとの間、前記排出ポンプと前記廃液容器との間の各流路を該各流路を形成する流路溝がそれぞれ対向面に形成された弾性部材からなる流路上部プレート及び流路下部プレートを分子結合技術による化学接合によって形成された流路プレートと、前記供給ポンプ及び前記排出ポンプの吸引端ノズル及び吐出端ノズルと前記供給ポンプ側及び前記排出ポンプ側の各流路端部とを嵌合によって直接接合するとともに、各流路の前記リザーバ容器側、前記培養皿側、及び前記廃液容器側の各流路端に容器側ノズルを嵌合によって直接接合し、各流路と前記供給ポンプと前記排出ポンプとが一体化された流路一体プレートと、
前記リザーバ容器、前記培養皿、及び、前記廃液容器が配置されるベースプレートと、
を備え、前記流路一体プレートは、前記ベースプレート上部に対して着脱可能に配置されることを特徴とする細胞培養装置。
【請求項２】
前記供給ポンプ及び前記排出ポンプは、前記流路上部プレート及び前記流路下部プレートの一側面で並列配置されることを特徴とする請求項１に記載の細胞培養装置。
【請求項３】
前記流路一体プレートは、前記流路上部プレートと前記流路下部プレートとの間に流路中部プレートを設け、前記流路上部プレートと前記流路中部プレートとの間及び前記流路中部プレートと前記流路下部プレートとの間にそれぞれ上部流路と下部流路とを形成し、上部流路及び下部流路に対応して並列配置された２段の前記供給ポンプ及び前記排出ポンプを設け、前記上部流路と前記下部流路とに対応する２つの培養皿で前記培養細胞を連続して培養することを特徴とする請求項２に記載の細胞培養装置。
【請求項４】
少なくとも前記液体が接する面を形成する部材は生体適合性材料で形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の細胞培養装置。
【請求項５】
前記生体適合性材料は、シリコンゴムまたはポリプロピレンであることを特徴とする請求項４に記載の細胞培養装置。
【請求項６】
前記流路プレートは、シリコンゴムまたはポリプロピレンで形成され、
前記供給ポンプ、前記排出ポンプ、前記吸引端ノズル、前記吐出端ノズル、及び前記容器側ノズルは、前記流路プレートに比して大きい弾性率をもつプラスチックで形成されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の細胞培養装置。
【請求項７】
前記ベースプレートには、前記リザーバ容器、前記培養皿、及び、前記廃液容器の各底部を位置決めする底部位置決め部が形成され、
前記流路プレートの下部には前記リザーバ容器、前記培養皿、及び、前記廃液容器の各上部を位置決めする上部位置決め部が形成され、
前記流路プレートの上部には、前記リザーバ容器、前記培養皿、及び、前記廃液容器に対応する各蓋が位置決めされる蓋位置決め部が形成されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の細胞培養装置。
【請求項８】
前記ベースプレートには、前記供給ポンプ及び前記排出ポンプを駆動する駆動源が配置され、前記駆動源の回転軸は前記供給ポンプ及び前記排出ポンプの回転軸に一致する位置に配置されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の細胞培養装置。
【請求項９】
前記駆動源の回転軸の端部は、前記供給ポンプ及び前記排出ポンプの回転軸の溝に係合する回り止め部を備え、前記回り止め部は、前記駆動源の回転軸の回転に伴って軸方向に上下動して前記供給ポンプ及び前記排出ポンプの回転軸に結合することを特徴とする請求項８に記載の細胞培養装置。
【請求項１０】
前記容器側ノズルは、前記リザーバ容器側、前記培養皿側、及び、前記廃液容器側に向けて延び、
少なくとも前記培養皿側から吸引する排出側の容器側ノズルは、前記培養皿に形成されるメニスカスリング内に配置されることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一つに記載の細胞培養装置。
【請求項１１】
前記流路一体プレートに生理的不活性金属をパターニングしたセンサを設けたことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一つに記載の細胞培養装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、細胞機能に影響を与えず、装置強度を維持しつつ培養液の漏れをなくすことができる細胞培養装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年における幹細胞を利用した再生医療としては、例えば、肝硬変や血液疾患、心筋梗塞の治療、血管の構築、骨や角膜の再生、移植用皮膚の確保、などが考えられている。再生医療では、培養皿内で幹細胞などから目的とする細胞や臓器を増殖させ、人に移植するようにしている。最近では、骨髄由来の幹細胞から血管新生を行い、狭心症、心筋梗塞などの治療に成功している。
【０００３】
ここで、従来の細胞培養装置は、培養皿内の培養液を定期的に入れ替えて培養細胞の増殖を行っていた。この細胞培養装置は、培養液の入れ替えに伴って細胞に大きな刺激が与えられ、また、細胞の代謝活動に伴って培養液中に老廃物が排出されることから、細胞にストレスや傷害を与えてしまうという問題があった。
【０００４】
これに対して、培養液の入れ替えを行わず、培養皿に培養液を送液して細胞培養を行うものがある。例えば、特許文献１には、細胞の増殖速度をモニタリングし、このモニタリングした増殖速度をもとに培養液中の栄養分の減少を予測し、消費された栄養素を培養液に追加する細胞培養装置が記載されている。
【０００５】
また、培養液の入れ替えを行わず、培養液の送液及び排液を行って細胞培養を行うものがある。例えば、特許文献２には、中空繊維からなるフィルタモジュールによって培養液を培養槽に循環させ、培養液中の栄養分の追加と老廃物の除去を行う細胞培養方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１２−１７０３６６号公報
【特許文献２】特開２０１２−０９０６３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、従来の細胞培養装置では、培養液の送液及び排液の流路と送液及び排液を行うポンプとの間を可撓性チューブなどによって接続していた。この結果、接続部分では培養液の漏れが生じる場合があり、この場合、流量制御の精度が低下する。
【０００８】
一方、培養液は培養細胞に対応して異なるものとなることから、流路部分が使い捨てでき、かつ小型であることが好ましい。このため、プラスチック成形加工の２つのプレートの対向面に溝を形成し、この対向面を貼り合わせることによって流路を形成した流路プレートを用いるものがある。
【０００９】
しかし、この場合も、ポンプと流路との接続部分をコネクタ接続しているため、培養液の漏れが生じる場合がある。さらに、流路プレートの流路はプラスチックの貼りあわせであるため、表面の微細な凹凸や、そりで空隙が生じやすく、培養液の漏れが生じる場合がある。また、接着剤は、シアノアクリル系やエポキシ系などの生体適合性のあるものしか用いることができなかったため、流路の貼り合わせ強度を十分に確保することができなかった。さらに、流路形成時に熱融着によるプラスチックの貼り合わせを行うと加熱時にプラスチックから可塑剤が溶出し、細胞機能に影響を与えることになる。なお、細胞培養装置の構成要素は、オートクレーブ滅菌や電子線滅菌などの滅菌処理が行われる。ほとんどの接着剤は、この滅菌処理によって熱や放射線に弱いため、この点からも流路の貼り合わせ強度を十分に確保できなかった。
【００１０】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、細胞機能に影響を与えず、装置強度を維持しつつ培養液の漏れをなくすことができる細胞培養装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる細胞培養装置は、培養細胞を培養皿内に配置し、前記培養皿内に前記培養細胞の増殖あるいは維持に必要な液体をリザーバ容器から供給するとともに前記培養皿内の前記液体を廃液容器に排出して前記培養細胞を連続して培養する細胞培養装置であって、前記リザーバ容器側の前記液体を前記培養皿側に供給する供給ポンプと、前記培養皿側の前記液体を前記廃液容器側に排出する排出ポンプと、前記リザーバ容器と前記供給ポンプとの間、前記供給ポンプと前記培養皿との間、前記培養皿と前記排出ポンプとの間、前記排出ポンプと前記廃液容器との間の各流路を該各流路を形成する流路溝がそれぞれ対向面に形成された弾性部材からなる流路上部プレート及び流路下部プレートを分子結合技術による化学接合によって形成された流路プレートと、前記供給ポンプ及び前記排出ポンプの吸引端ノズル及び吐出端ノズルと前記供給ポンプ側及び前記排出ポンプ側の各流路端部とを嵌合によって直接接合するとともに、各流路の前記リザーバ容器側、前記培養皿側、及び前記廃液容器側の各流路端に容器側ノズルを嵌合によって直接接合し、各流路と前記供給ポンプと前記排出ポンプとが一体化された流路一体プレートと、前記リザーバ容器、前記培養皿、及び、前記廃液容器が配置されるベースプレートと、を備え、前記流路一体プレートは、前記ベースプレート上部に対して着脱可能に配置されることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明にかかる細胞培養装置は、上記の発明において、前記供給ポンプ及び前記排出ポンプは、前記流路上部プレート及び前記流路下部プレートの一側面で並列配置されることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明にかかる細胞培養装置は、上記の発明において、前記流路一体プレートは、前記流路上部プレートと前記流路下部プレートとの間に流路中部プレートを設け、前記流路上部プレートと前記流路中部プレートとの間及び前記流路中部プレートと前記流路下部プレートとの間にそれぞれ上部流路と下部流路とを形成し、上部流路及び下部流路に対応して並列配置された２段の前記供給ポンプ及び前記排出ポンプを設け、前記上部流路と前記下部流路とに対応する２つの培養皿で前記培養細胞を連続して培養することを特徴とする。
【００１４】
また、本発明にかかる細胞培養装置は、上記の発明において、少なくとも前記液体が接する面を形成する部材は生体適合性材料で形成されていることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明にかかる細胞培養装置は、上記の発明において、前記生体適合性材料は、シリコンゴムまたはポリプロピレンであることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明にかかる細胞培養装置は、上記の発明において、前記流路プレートは、シリコンゴムまたはポリプロピレンで形成され、前記供給ポンプ、前記排出ポンプ、前記吸引端ノズル、前記吐出端ノズル、及び前記容器側ノズルは、前記流路プレートに比して大きい弾性率をもつプラスチックで形成されることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明にかかる細胞培養装置は、上記の発明において、前記ベースプレートには、前記リザーバ容器、前記培養皿、及び、前記廃液容器の各底部を位置決めする底部位置決め部が形成され、前記流路プレートの下部には前記リザーバ容器、前記培養皿、及び、前記廃液容器の各上部を位置決めする上部位置決め部が形成され、前記流路プレートの上部には、前記リザーバ容器、前記培養皿、及び、前記廃液容器に対応する各蓋が位置決めされる蓋位置決め部が形成されることを特徴とする。
【００１８】
また、本発明にかかる細胞培養装置は、上記の発明において、前記ベースプレートには、前記供給ポンプ及び前記排出ポンプを駆動する駆動源が配置され、前記駆動源の回転軸は前記供給ポンプ及び前記排出ポンプの回転軸に一致する位置に配置されることを特徴とする。
【００１９】
また、本発明にかかる細胞培養装置は、上記の発明において、前記駆動源の回転軸の端部は、前記供給ポンプ及び前記排出ポンプの回転軸の溝に係合する回り止め部を備え、前記回り止め部は、前記駆動源の回転軸の回転に伴って軸方向に上下動して前記供給ポンプ及び前記排出ポンプの回転軸に結合することを特徴とする。
【００２０】
また、本発明にかかる細胞培養装置は、上記の発明において、前記容器側ノズルは、前記リザーバ容器側、前記培養皿側、及び、前記廃液容器側に向けて延び、少なくとも前記培養皿側から吸引する排出側の容器側ノズルは、前記培養皿に形成されるメニスカスリング内に配置されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、リザーバ容器と供給ポンプとの間、供給ポンプと培養皿との間、培養皿と排出ポンプとの間、排出ポンプと廃液容器との間の各流路は、流路を形成する流路溝がそれぞれ対向面に形成された弾性部材の流路上部プレート及び流路下部プレートを分子結合技術による化学接合によって形成されているので、細胞機能に影響を与えず、装置強度を維持しつつ培養液の漏れをなくすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１は、本発明の実施の形態である細胞培養装置の構成を示す分解斜視図である。
【図２】図２は、図１に示した流路一体プレートの（ａ）正面図、（ｂ）平面図、（ｃ）下面図である。
【図３】図３は、図１に示した流路一体プレートの右側面図である。
【図４】図４は、流路プレートの構成を示す斜視図である。
【図５】図５は、流路プレートの構成を示す平面図である。
【図６】図６は、流路プレートの構成を示す分解斜視図である。
【図７】図７は、流路を流れる培養液の流れを示す説明図である。
【図８】図８は、流路プレートのＡ−Ａ線断面図である。
【図９】図９は、培養皿の排出側に形成されるノズルの配置を示す説明図である。
【図１０】図１０は、図１に示した細胞培養装置に適用される培養皿の一例を示す図である。
【図１１】図１１は、図１に示した細胞培養装置に適用される培養皿の一例を示す図である。
【図１２】図１２は、図１に示した細胞培養装置に適用される培養皿の一例を示す図である。
【図１３】図１３は、流路プレートに形成される粒度測定センサの一例を示す図である。
【図１４】図１４は、流路プレートに形成される流量測定センサの一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、添付図面を参照してこの発明を実施するための形態について説明する。
【００２４】
（全体構成）
図１は、本発明の実施の形態である細胞培養装置１の構成を示す分解斜視図である。また、図２は、図１に示した流路一体プレート３の（ａ）正面図、（ｂ）平面図、（ｃ）下面図である。図３は、図１に示した流路一体プレート３の右側面図である。図４は、流路プレート４の構成を示す斜視図である。図５は、流路プレート４の構成を示す平面図である。図６は、流路プレート４の構成を示す分解斜視図である。図７は、流路を流れる培養液の流れを示す説明図である。
【００２５】
図１〜図３に示すように、細胞培養装置１は、ベースプレート２の上部に流路一体プレート３が着脱自在に配置される。ベースプレート２と流路一体プレート３との間には、培養液が蓄えられたリザーバ容器、かけ流しされる培養液で細胞を培養する培養皿、及び、細胞皿から排出された培養液を収容する廃液容器が配置される。リザーバ容器、培養皿、及び、廃液容器は、シャーレのように有底の筒状の容器である。リザーバ容器は、底部が底部位置決め部３１によって位置決めされ、上部が上部位置決め部２１によって位置決めされる。２つの培養皿は、それぞれ底部が底部位置決め部３２，３３によって位置決めされ、それぞれ上部が上部位置決め部２２，２３によって位置決めされる。また、廃液容器は、底部が底部位置決め部３４によって位置決めされ、上部が上部位置決め部２４によって位置決めされる。底部位置決め部３１〜３４は、各容器の底部が凹部に嵌るように形成され、上部位置決め部２１〜２４は、各容器の上端外側がリング状の凸部内側に嵌るように形成されている。なお、流路一体プレート３の上部には、リザーバ容器、培養皿、及び、廃液容器に対応する各蓋が位置決めされる蓋位置決め部４１〜４４が形成され、各蓋が位置決めされる。蓋位置決め部４１〜４４は、リング状の凸部がキャップ状の蓋の下端内側に嵌るように形成されている。これによって、リザーバ容器、培養皿、及び、廃液容器は、それぞれ密閉空間が形成されることになる。
【００２６】
図１に示すように、ベースプレート２には、リザーバ容器、培養皿、及び、廃液容器が配置される位置に穴ｈ１１〜ｈ１４が形成されている。また、流路一体プレート３には、リザーバ容器、培養皿、及び、廃液容器、並びにこれらの蓋が配置される位置に穴ｈ１〜ｈ４が形成されている。リザーバ容器、培養皿、及び、廃液容器が透明である場合、穴ｈ１〜ｈ４及び穴ｈ１１〜１４を介して上下方向からリザーバ容器、培養皿、及び、廃液容器内の状態を直接観察することができる。
【００２７】
ベースプレート２の一側部には、モータなどの駆動源６が配置されている。一方、流路一体プレート３は、内部に培養液の流路が形成される流路プレート４と培養液の供給及び排出を行うポンプ群が配置されたポンプ部５とを有し、ポンプ部５は、流路一体プレート３の一側面であって、駆動源６の上部には、供給ポンプＰ１，Ｐ３及び排出ポンプＰ２，Ｐ４が配置されている。供給ポンプＰ１と排出ポンプＰ２、及び供給ポンプＰ３と排出ポンプＰ４はそれぞれ水平方向に並列配置され、２段構成になっている。なお、駆動源６の回転軸は、２つあり、供給ポンプＰ１，Ｐ３の回転軸及び排出ポンプＰ２，Ｐ４の回転軸とそれぞれ同じ軸上となるように配置されている。供給ポンプＰ１，Ｐ３の回転方向は同じ向きであり、排出ポンプＰ２，Ｐ４の回転方向も同じ向きである。なお、供給ポンプＰ１，Ｐ３及び排出ポンプＰ２，Ｐ４は、例えばペリスタポンプである。
【００２８】
なお、流路プレート４の四隅と、流路プレート４の四隅に対応するベースプレート２の部分には流路プレート４とベースプレート２との位置決め構造を有している。
【００２９】
駆動源６の各回転軸の上端部は、供給ポンプＰ１，Ｐ３及び排出ポンプＰ２，Ｐ４の回転軸の溝に係合する図示しない回り止め部を備え、回り止め部は、駆動源６の回転軸の回転に伴って軸方向に上下動して供給ポンプＰ１，Ｐ３及び排出ポンプＰ２，Ｐ４の回転軸に自動的に結合できるようになっている。
【００３０】
（流路プレートの構造）
図５〜図７に示すように、流路プレート４の内部には、複数の流路Ｆ１１〜Ｆ１４，Ｆ２１〜Ｆ２４が形成される。流路プレート４は、流路下部プレート４ｃ、流路中部プレート４ｂ、流路上部プレート４ａを順次、重ねて分子接合技術によって接合されたものである。上段の流路Ｆ１１〜Ｆ１４は、対向面である、流路上部プレート４ａの下面Ｓ１１と流路中部プレート４ｂの上面Ｓ１２の各面に形成された溝によって形成される。下段の流路Ｆ２１〜Ｆ２４は、対向面である、流路中部プレート４ｂの下面Ｓ２１と流路下部プレート４ｃの上面Ｓ２２の各面に形成された溝によって形成される。
【００３１】
ここで、流路プレート４の流路下部プレート４ｃ、流路中部プレート４ｂ、流路上部プレート４ａは、生体適合性材料である、シリコンゴムまたはポリプロピレンで形成されている。これによって、流路プレート４は、少なくとも培養液が接する面を形成する部材が生体適合性材料で形成されることになる。
【００３２】
接合面Ｓ１，Ｓ２の接合は、分子接合技術を用いる。分子接合技術は、樹脂と金属との間などの異種材料間を化学結合によって接合する技術である。もちろん、分子接合技術は、異種材料間に限らず、同種材料間であっても化学結合によって接合する技術でもある。分子結合技術は、例えば、被着体表面に予めジチオールトリアジン基を導入し、あらゆる固体表面を１種類の官能基表面に変換し、この官能基の結合によって接着する。ジチオールトリアジン基は、コロナ放電処理によって被着体表面にＯＨ基を生成し、このＯＨ基とＴＥＳとを反応させることによって被着体表面に生成することができる。ジチオールトリアジン基含有材料表面は、他の材料と接触して反応し、官能基の化学結合によって接着接合する。
【００３３】
分子接合技術は、分子一層で部材間を科学結合によって接合する技術であるため、分子接合技術によって形成された流路Ｆ１１〜Ｆ１４，Ｆ２１〜Ｆ２４は、接着剤からの汚染物の溶出がなく、耐溶剤性を有する。また、分子接合技術によって形成された流路Ｆ１１〜Ｆ１４，Ｆ２１〜Ｆ２４は、化学結合による直接接合で形成されているため、従来の分子間力による接合に比して密着力が高く、高い接合状態を長期で維持するという高い接合信頼性を有する。
【００３４】
なお、流路Ｆ１１は、リザーバ容器５１と供給ポンプＰ１の吸引ノズルとの間を結ぶ。流路Ｆ１２は、供給ポンプＰ１の吐出ノズルと培養皿５３との間を結ぶ。流路Ｆ１３は、培養皿５３と排出ポンプＰ２の吸引ノズルとの間を結ぶ。流路Ｆ１４は、排出ポンプＰ２の吐出ノズルと廃液容器５４との間を結ぶ。
【００３５】
また、流路Ｆ２１は、リザーバ容器５１と供給ポンプＰ３の吸引ノズルとの間を結ぶ。流路Ｆ２２は、供給ポンプＰ３の吐出ノズルと培養皿５２との間を結ぶ。流路Ｆ２３は、培養皿５２と排出ポンプＰ４の吸引ノズルとの間を結ぶ。流路Ｆ２４は、排出ポンプＰ４の吐出ノズルと廃液容器５４との間を結ぶ。
【００３６】
図６に示すように、流路Ｆ１１のリザーバ容器側、流路Ｆ１２の培養皿側、流路Ｆ１３の培養皿側、流路Ｆ１４の廃液容器側には、それぞれ上下方向に延びる流路Ｆ１１ａ，Ｆ１２ａ，Ｆ１３ａ，Ｆ１４ａが流路中部プレート４ｂ及び流路下部プレート４ｃに形成される。また、図２及び図３に示すように、流路Ｆ１１ａの先端、流路Ｆ１２ａの先端、流路Ｆ１３ａの先端、流路Ｆ１４ａの先端には、それぞれノズルｎ２，ｎ７，ｎ８，ｎ４が配置される。
【００３７】
また、図６に示すように、流路Ｆ２１のリザーバ容器側、流路Ｆ２２の培養皿側、流路Ｆ２３の培養皿側、流路Ｆ２４の廃液容器側には、それぞれ上下方向に延びる流路Ｆ２１ａ，Ｆ２２ａ，Ｆ２３ａ，Ｆ２４ａが流路下部プレート４ｃに形成される。また、図２及び図３に示すように、流路Ｆ２１ａの先端、流路Ｆ２２ａの先端、流路Ｆ２３ａの先端、流路Ｆ２４ａの先端には、それぞれノズルｎ１，ｎ６，ｎ５，ｎ３が配置される。
【００３８】
なお、流路プレート４はシリコンゴムなどの弾性部材で形成されており、ノズルｎ１〜ｎ８は、流路プレート４に比して弾性率が大きいプラスチック材料で形成されている。図８に示すように、ノズルｎ１〜ｎ８は、環状突起付きノズルであり、基部の環状突起が流路Ｆ１１ａ〜Ｆ１４ａ，Ｆ２１ａ〜Ｆ２４ａの下部方向から圧入されて各流路に嵌合する。流路Ｆ１１ａ〜Ｆ１４ａ，Ｆ２１ａ〜Ｆ２４ａ側は弾性率が小さいため、ノズルｎ１〜ｎ８の環状突起は流路内壁に食い込み、ノズルｎ１〜ｎ８の抜けを確実に防止でき、接着剤等を用いずとも漏れのない接合となる。
【００３９】
（流路プレートとポンプ部との接合）
図４，５に示すように、流路プレート４のポンプ部５側端部には、径の広い流路端部１１〜１８が形成されている。図８に示すように、この流路端部１１〜１８には、供給ポンプＰ１，Ｐ３及び排出ポンプＰ２，Ｐ４の吸引用のノズルｎ１１，ｎ１５，ｎ１３，ｎ１７及び吐出用のノズルｎ１２，ｎ１６，ｎ１４，ｎ１８が圧入されて嵌合する。ノズルｎ１１〜ｎ１８及びポンプ部５は、ノズルｎ１〜ｎ８と同様に、流路プレート４に比して弾性率が大きいプラスチック材料で形成されている。ポンプ部５がプラスチック材料で形成されているのでは、ある程度の剛性がなければ、ポンプ機能を発揮しないからである。ノズルｎ１１〜ｎ１８の環状突起は流路内壁に食い込み、ノズルｎ１１〜ｎ１８の抜けを確実に防止でき、接着剤等を用いずとも漏れのない接合となる。
【００４０】
（ノズルの配置）
なお、培養皿５２，５３側に形成されるノズルｎ６，ｎ８は、図１０に示すように、メニスカスリングＲ１内に配置されることが好ましい。このような配置にすると、培養皿５２，５３を傾ける機構を設けなくても、表面張力によって培養液を排出側周囲に集めることができ、培養皿５２，５３内の培養液を全て取り除くことができる。
【００４１】
また、ノズルｎ１〜ｎ８は、流路プレート４に対して垂直下方に延びているため、例えば、図１０に示したセンターウェル６１を有した培養皿５３ａを用いることができる。この培養皿５３ａは、センターウェル６１内で細胞培養を行うことによって、培養液の交換作業を行っても細胞６０が押し流されない。この場合、ノズルｎ１〜ｎ８は、センターウェル６１外に配置される。
【００４２】
さらに、図１１に示した培養皿５３ｂを用いることができる。培養皿５３ｂは、密閉式の培養皿であり、細胞６０の中心部分にガラス製の蓋６２を設けて培養液及び細胞６０を密閉している。この際、ノズルｎ１〜ｎ８は、内周縁に設けた密閉部材に嵌入される。なお、図１２に示すように、中央部分が開放される培養皿５３ｃを用いることもできる。
【００４３】
（流路一体プレートの１段構成）
なお、上述した実施の形態では、流路プレート４内に２段の流路群を形成するとともに、供給ポンプ及び排出ポンプの対を２段とする構成としていたが、それぞれ１段構成としてもよい。例えば、上段の供給ポンプＰ１及び排出ポンプＰ２を用いる場合には、下段の流路を形成しないので、流路下部プレート４ｃが削除された構成となる。この場合、培養皿５２は用いられない。
【００４４】
（流路プレートに対するセンサの配置）
流路プレート４にセンサ機能を持たせるためには、金属とプラスチックまたは樹脂との接合が必要であるが、上述した分子接合技術を用いると接着剤を用いなくても、プラスチックまたは樹脂に金属を直接接合したり、金属めっき等を直接接続することができる。この分子接合技術を用いて流路プレート４に金属を接合することにより、生体適合性を十分確保したまま、十分な接合強度を得ることができる。なお、金属は、金や白金などの生理的不活性金属であることが好ましい。そして、このような金属を用いて流路プレート４にパターニングしたセンサを得ることができる。
【００４５】
例えば、電極の通電による水位検出センサ、コールター原理による細胞の吸込みによる粒度測定センサ、サーマル式マスフローメーターによる流量測定センサなどを流路プレート４に配置することができる。具体的に、上述した粒度測定センサは、図１３に示すように、細径（アパチャー）１０２が形成されたアパチャーチューブ１０１の内外に電極１０３，１０４を設けて電流を流し、この電気系の電流抵抗を計測する。粒子１０５がアパチャー１０２を通過すると、電気抵抗が増加することを利用して粒度測定などを行う。この際、金属である電極１０３，１０４及びリード線を流路プレート４にパターニングする。また、図１４に示す流量測定センサでは、流路Ｆの２箇所に感温抵抗線２０２，２０３を巻き、感温抵抗線２０２，２０３間に加熱専用ヒータ２０１を設ける。加熱専用ヒータ２０１で加熱すると、流路Ｆ内の流体が流れている場合、熱の移動により、上流側は下流側に比べて温度が低下する。この温度差は流量に対応するものであり、この温度差を計測することによって流量を計測することができる。ここで、感温抵抗線２０２，２０３及び加熱専用ヒータ２０１のリード線は金属であり、この金属を流路プレート４にパターニングする。
【００４６】
（細胞培養装置の大きさ）
なお、流路一体プレート３は、例えば直径３５ｍｍの容器を縦横に２個ずつの配置を可能にする形状とすることができ、駆動源６を含めて、ＡＮＳＩ（American National Standards Institute）／ＳＢＳ（the Society for Biomolecular Screening）規格サイズ以下とすることができる。このため、例えば、生きたままの細胞を観察するライブイメージャー等に搭載が可能となる。
【００４７】
また、上述した実施の形態では、供給及び排出される培養液の流量は極めて少なくしている。このため、細胞面積の大きな細胞を培養する場合であっても、培養液の消費量を低減することができる。また、近年の再生医療等で求められる細胞が得られるまでの培養期間が１か月程度の長期間であっても、大量の培養液を消費することはなく、細胞培養のコスト低下を図ることができる。
【００４８】
なお、上述した流路一体プレート３は、流路一体プレート４がシリコンゴムで形成され、ポンプ部５及びノズルｎ１〜ｎ８，ｎ１１〜ｎ１８がプラスチックで形成されているため、焼却破棄が可能なデュスポーザブル品となる。
【００４９】
ところで、上述した培養液は、液体培地である。液体培地には、合成培地と天然培地とがある。合成培地は、天然培地と異なり、生理的塩類溶液（塩類溶液）に糖類やビタミン類などの化学物質を混ぜ合わせたものである。そして、天然培地は、特定の哺乳動物、爬虫類、魚類、昆虫、直物などの組織や細胞に、それぞれ、浸透圧、ｐＨ、イオン組成などが至適な塩類溶液の組成であることが要求される。この塩類溶液の組成が最適化された塩類溶液を見い出すために、本実施の形態の細胞培養装置を用いることができる。すなわち、栄養素を含まない塩類溶液を細胞培養装置に供給及び排出して、細胞培養装置内の細胞の生存状態を観察することによって、最適な塩類溶液の組成を見い出すことができる。この場合、本実施の形態の細胞培養装置では、細胞からの老廃物を連続的で長期に排除することができ、かつ、細胞の生存に関するストレスや傷害という他の要因を排除することができるので、最適な塩類溶液の組成を決定することができる。なお、最適な合成培地を見い出す場合、さらに各種栄養素の組成を変えて細胞の生存状態を観察すればよい。
【００５０】
すなわち、本実施の形態の細胞培養装置では、培養細胞の増殖のために必要な栄養素を含む培養液や、培養細胞の短期間の生命維持に必要な、栄養素を含まない塩類溶液などの液体を培養皿内に供給し、かつ、排出するものである。
【００５１】
上述した実施の形態では、流路プレート４の流路が分子接合技術の接合によって形成されているので、継時的な変化が少なく、温度や湿度により溶剤が揮発することもないので、細胞に与える影響がほとんどない。また、ポンプ部５と流路プレート４とが一体となっているので、チューブなどの接続が不要となり、小型化を促進することができる。
【符号の説明】
【００５２】
１  細胞培養装置
２  ベースプレート
３  流路一体プレート
４  流路プレート
４ａ  流路上部プレート
４ｂ  流路中部プレート
４ｃ  流路下部プレート
５  ポンプ部
６  駆動源
１１〜１８  流路端部
２１〜２４  上部位置決め部
３１〜３４  底部位置決め部
４１〜４４  蓋位置決め部
５１  リザーバ容器
５２，５３，５３ａ〜５３ｃ  培養皿
５４  廃液容器
６０  細胞
６１  センターウェル
６２  蓋
１０１  アパチャーチューブ
１０２  アパチャー
１０３，１０４  電極
１０５  粒子
２０１  加熱専用ヒータ
２０２，２０３  感温抵抗線
Ｆ，Ｆ１１〜Ｆ１４，Ｆ１１ａ〜Ｆ１４ａ，Ｆ２１〜Ｆ２４，Ｆ２１ａ〜Ｆ２４ａ  流路
ｈ１〜ｈ４，ｈ１１〜ｈ１４  穴
ｎ１〜ｎ８，ｎ１１〜ｎ１８  ノズル
Ｐ１，Ｐ３  供給ポンプ
Ｐ２，Ｐ４  排出ポンプ
Ｒ１  メニスカスリング
Ｓ１，Ｓ２  接合面
Ｓ１１，Ｓ２１  下面
Ｓ１２，Ｓ２２  上面
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【手続補正書】
【提出日】平成29年6月26日(2017.6.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
培養細胞を培養皿内に配置し、前記培養皿内に前記培養細胞の増殖あるいは維持に必要な液体をリザーバ容器から供給するとともに前記培養皿内の前記液体を廃液容器に排出して前記培養細胞を連続して培養する細胞培養装置であって、
前記リザーバ容器側の前記液体を前記培養皿側に供給する供給ポンプと、前記培養皿側の前記液体を前記廃液容器側に排出する排出ポンプと、前記リザーバ容器と前記供給ポンプとの間、前記供給ポンプと前記培養皿との間、前記培養皿と前記排出ポンプとの間、前記排出ポンプと前記廃液容器との間の各流路を該各流路を形成する流路溝がそれぞれ対向面に形成された弾性部材からなる流路上部プレート及び流路下部プレートを分子接合技術による化学結合によって形成された流路プレートと、前記供給ポンプ及び前記排出ポンプの吸引端ノズル及び吐出端ノズルと前記供給ポンプ側及び前記排出ポンプ側の各流路端部とを嵌合によって直接接合するとともに、各流路の前記リザーバ容器側、前記培養皿側、及び前記廃液容器側の各流路端に容器側ノズルを嵌合によって直接接合し、各流路と前記供給ポンプと前記排出ポンプとが一体化された流路一体プレートと、
前記リザーバ容器、前記培養皿、及び、前記廃液容器が配置されるベースプレートと、
を備え、前記流路一体プレートは、前記ベースプレート上部に対して着脱可能に配置されることを特徴とする細胞培養装置。
【請求項２】
前記供給ポンプ及び前記排出ポンプは、前記流路上部プレート及び前記流路下部プレートの一側面で並列配置されることを特徴とする請求項１に記載の細胞培養装置。
【請求項３】
前記流路一体プレートは、前記流路上部プレートと前記流路下部プレートとの間に流路中部プレートを設け、前記流路上部プレートと前記流路中部プレートとの間及び前記流路中部プレートと前記流路下部プレートとの間にそれぞれ上部流路と下部流路とを形成し、上部流路及び下部流路に対応して並列配置された２段の前記供給ポンプ及び前記排出ポンプを設け、前記上部流路と前記下部流路とに対応する２つの培養皿で前記培養細胞を連続して培養することを特徴とする請求項２に記載の細胞培養装置。
【請求項４】
少なくとも前記液体が接する面を形成する部材は生体適合性材料で形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の細胞培養装置。
【請求項５】
前記生体適合性材料は、シリコンゴムまたはポリプロピレンであることを特徴とする請求項４に記載の細胞培養装置。
【請求項６】
前記流路プレートは、シリコンゴムまたはポリプロピレンで形成され、
前記供給ポンプ、前記排出ポンプ、前記吸引端ノズル、前記吐出端ノズル、及び前記容器側ノズルは、前記流路プレートに比して大きい弾性率をもつプラスチックで形成されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の細胞培養装置。
【請求項７】
前記ベースプレートには、前記リザーバ容器、前記培養皿、及び、前記廃液容器の各底部を位置決めする底部位置決め部が形成され、
前記流路プレートの下部には前記リザーバ容器、前記培養皿、及び、前記廃液容器の各上部を位置決めする上部位置決め部が形成され、
前記流路プレートの上部には、前記リザーバ容器、前記培養皿、及び、前記廃液容器に対応する各蓋が位置決めされる蓋位置決め部が形成されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の細胞培養装置。
【請求項８】
前記ベースプレートには、前記供給ポンプ及び前記排出ポンプを駆動する駆動源が配置され、前記駆動源の回転軸は前記供給ポンプ及び前記排出ポンプの回転軸に一致する位置に配置されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の細胞培養装置。
【請求項９】
前記駆動源の回転軸の端部は、前記供給ポンプ及び前記排出ポンプの回転軸の溝に係合する回り止め部を備え、前記回り止め部は、前記駆動源の回転軸の回転に伴って軸方向に上下動して前記供給ポンプ及び前記排出ポンプの回転軸に結合することを特徴とする請求項８に記載の細胞培養装置。
【請求項１０】
前記容器側ノズルは、前記リザーバ容器側、前記培養皿側、及び、前記廃液容器側に向けて延び、
少なくとも前記培養皿側から吸引する排出側の容器側ノズルは、前記培養皿に形成されるメニスカスリング内に配置されることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一つに記載の細胞培養装置。
【請求項１１】
前記流路一体プレートに生理的不活性金属をパターニングしたセンサを設けたことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一つに記載の細胞培養装置。