(57)【要約】  開示されるものは、内部培養容積(101)を画成する頂部壁および底部壁(105、115)を有する可撓性バッグバイオリアクター(100)である。頂部壁(105)は、少なくとも、1つまたは複数の電気抵抗加熱素子(109、図2d)を組み込む。さらに開示されるものは、バイオリアクターのための層状シートヒーターであって、可撓性透明ポリマーシートの1つまたは複数の層(206、207)および(208)と、前記1つまたは複数のポリマーシート内のまたはその上の1つまたは複数の電気抵抗加熱素子(209)と、ポリマーシートの上もしくは複数のポリマーシートのうちの1つの上の接着剤(210)の任意選択の層と、前記接着剤層の上の任意選択の剥離可能裏地層とを備え、前記層状シートヒーター(205)は、実質的にその領域全体にわたって透明であり、または加熱素子(209)は、不透明であるが、ヒーターの層を通して伝播する光の大部分(>50%)を見えにくくしないように、もしくは完全には見えなくしないように十分な幅のそれらの間の間隙とともに形成され、またはその層もしくは各層は、前記加熱素子がない部分を有して、素子のない領域内に前記透明性をもたらす、バイオリアクターのための層状シートヒーターである。
2020513760.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
頂部壁(105)を含む内部培養容積(101)を画成する少なくとも1つの壁(105、115)を有するバイオリアクター(100)であって、
前記頂部壁(105)は、使用中の前記バイオリアクターの頂部にあることを意図されており、
少なくとも前記頂部壁は、1つまたは複数の電気抵抗加熱素子(109)を組み込む、バイオリアクター。
【請求項２】
前記壁もしくは各壁(105、115)は、透明である1つまたは複数の材料から実質的に全体的に形成されており、または前記電気抵抗加熱素子もしくは各電気抵抗加熱素子は、前記内部培養容積が見えにくくならないように、もしくは完全に見えなくならないように十分に狭く、または加熱素子を有する前記1つまたは複数の壁は、加熱素子を含む領域と、前記バイオリアクターの前記内部培養容積が少なくとも素子のない領域を通して見えるように前記素子が存在していないさらなる領域とを有する、請求項1に記載のバイオリアクター。
【請求項３】
実質的に可撓性バッグ状バイオリアクターとして形成され、前記壁または各壁は、前記それぞれの壁または前記壁の表面上に前記素子を組み込んだポリマー材料から形成される、請求項1または2に記載のバイオリアクター。
【請求項４】
各々がシート材料から形成され、使用中にそれらの間に前記内部培養容積を画成するように縁において結合されている底部壁(115)と頂部壁(105)とを備える、請求項3に記載のバイオリアクター。
【請求項５】
前記頂部壁(105)は、少なくとも、外層(106)、前記内部培養容積(101)に面する内層(108)、および前記外層と前記内層との間のヒーター素子担持層(107)を含み、すべてが前記頂部壁(105)を形成するように結合される層状構成である、請求項4に記載のバイオリアクター。
【請求項６】
前記ヒーター素子担持層は、前記ヒーター素子(109)を担持し、前記素子は、下記の技術、すなわち、
a)事前に存在している導電性膜または導電性箔の切断、エッチング、切除、または蒸発、
b)蒸着、スパッタリング、または3D印刷を含む印刷を用いた、1つまたは複数の導電性材料の堆積、
c)ワイヤ、ケーブル、またはひもなどの導電性材料の予備形成または整形
のうちの1つまたは複数によって形成される、請求項5に記載のバイオリアクター。
【請求項７】
前記素子材料は、アルミニウム、銅、鉄、ニッケル、白金、ニクロム、カンタル、キュプロニッケル、銀ベース導電性インク、銅ベース導電性インク、導電性ポリマーインク、およびカーボンベース抵抗インク、二ケイ化モリブデンまたは酸化スズインジウム(ITOアルミニウムドープ酸化亜鉛(AZO)およびインジウムドープ酸化カドミウム)などの導電性セラミックス、アルミニウム、ガリウム、またはインジウムドープ酸化亜鉛(AZO、GZO、またはIZO)、カーボンナノチューブ導電性コーティング、グラフェン、グラフェンで被覆された金属薄膜またはナノワイヤ、ポリアニリンおよびPEDOTもしくはPSSなどの本質的に導電性のポリマー、非晶質酸化インジウム亜鉛、銀ナノ粒子ITOハイブリッドのうちの1つまたは複数からなる群から選択される、請求項5に記載のバイオリアクター。
【請求項８】
バイオリアクターのための層状シートヒーター(205)であって、
可撓性透明ポリマーシートの1つまたは複数の層(206、207、208)と、
前記1つまたは複数のポリマーシート内のまたはその上の1つまたは複数の電気抵抗加熱素子と、
前記ポリマーシートの上もしくは前記複数のポリマーシートのうちの1つの上の接着剤の任意選択の層と、
前記接着剤層の上の任意選択の剥離可能裏地層と
を備え、前記層状シートヒーター(205)は、実質的にその領域全体にわたって透明であり、または加熱素子(209)は、不透明であるが、前記層状シートヒーターの前記層を通して伝播する光の大部分(>50%)を見えにくくしないように、もしくは完全には見えなくしないように十分な幅のそれらの間の間隙とともに形成され、または前記層もしくは各層は、前記加熱素子がない部分を有して、前記素子のない領域内に透明性をもたらす、バイオリアクターのための層状シートヒーター(205)。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バイオリアクターおよびバイオリアクター加熱、特に電気抵抗加熱における改善に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
細胞、微生物、および同様のものの培養のための囲まれた容積を形成する、様々なバイオリアクターシステムが市販されている。すべて、何らかの形態の加熱を含む。一般に、安定した制御可能な加熱は、細胞などを培養する満足のゆく環境を提供するために望ましいものである。免疫療法における最近の進歩により、手ごろで信頼に足る処理を行うために、容積がより小さく、望ましくは低コストであってしかも信頼性が高くなければならないバイオリアクターが必要になってきた。そのニーズに応えている1つの方法は、加熱部品を含む、バイオリアクターの周りのバイオリアクターシステムハードウェアの大部分を再利用可能にする一方で、バイオリアクターを一度使用したら廃棄できる可撓性バッグの形態にすることである。内部攪拌手段の代わりにロッキングプラットフォームが使用されてもよく、これは使い捨て部品のコストをなおいっそう引き下げる。そのような1つのシステムが、米国特許第6544788号において開示されている。
【０００３】
従来、そのシステムの商業用実施形態では、加熱部品は、使用しているバッグを加熱するためにバッグの下のロッキングトレイ内に配置される。そのシステムは、一般的には満足のゆくものであるが、上述の免疫療法用途では、たとえば、自家免疫療法では、種細胞が最初に少量の液体中で培養される。少量はかなり慎重な熱制御を必要とし、固定サイズの再利用可能なハードウェアは、概して、初期少量に対して最適化されていない。1つの問題は、凝結がバッグの頂部に形成され、これが望ましくない効果をもたらし得る点である。この凝結は、培養液から水分を奪い、それによって、培養液のpHおよび重量オスモル濃度を変化させる。この変化は、培養条件を変え、培養細胞の増殖速度に影響を与え得る。極端な条件の下では、細胞死が起きる。自家療法において使用するための提供者からの種細胞が、替えがきかないものであり得るとすれば、特に培養液の量が少ない、たとえば、約1リットル未満、より具体的には500ml以下である場合に、バイオリアクター内に著しい凝結を有することは許容できないリスクである。
【０００４】
少数の自家種細胞バッチが同じように振る舞うので、培養パラメータ、たとえば、細胞濃度、酸素/CO2レベル、および培養添加物の供給を測定し、調整する必要がある。また、目視検査を行うことができ、光を用いた測定が実行され得るように、バイオリアクターを通して細胞培養を見ることができると都合がよい。この目的のために、より少ない量については、透明または少なくとも半透明のバイオリアクターが好ましい。本明細書において、「透明」という用語または物質に関係する類似の用語は、完全に澄んだ透明性から半透明性までの範囲の光透過性を包含することを意図しており、そこでは、大部分の光は、たとえば透けて見えるものとして記述され得る物質を含めて、場合によっては拡散もしくは半拡散する形ではあるが、物質中を伝播する。絶縁バイオリアクターを実現すると、凝結の問題が軽減されるが、検査/測定に望ましいバイオリアクターの透明性をなくし、または少なくとも減じることにもなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第6544788号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、使い捨て可能であり、低コストで、凝結が低減されるバイオリアクターを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者は、この目的が、内部培養容積を画成する壁を有するバイオリアクターを提供することによって達成され得ることを認識しており、壁の少なくとも一部は、少なくともバイオリアクター上またはその頂部に電気抵抗加熱素子を含み、この素子は、実施形態において、培養容積が見えにくくならないように、もしくは完全に見えなくならないように十分に狭く、またはバイオリアクターの培養容積が目に見えるように素子が存在しない壁上の領域を有する。加えて、本発明者は、そのような素子は、バイオリアクター内への見通しを遮らないように十分に狭くしたときに、低コストで使い捨て可能に作製され得る、低コストの可撓性バイオリアクターバッグとともに組み込まれる十分な可撓性を有することを認識している。
【０００８】
それによって、たとえば、実質的にポリマーから形成される可撓性バッグの形態で、低コストのバイオリアクターを作製して、使い捨て可能にできる。加熱素子は、薄く、可撓性もあるものとすることができ、これにより、バッグを曲げたり、折り畳んだり、または湾曲させたりすることが可能となり、バッグの内容物の視認性を妨げない。
【０００９】
本発明の一態様によれば、使用中のバイオリアクターの頂部にあることを意図されている頂部壁を含む内部培養容積を画成する少なくとも1つの壁を有するバイオリアクターであって、少なくとも頂部壁は、1つまたは複数の電気抵抗加熱素子を組み込む、バイオリアクターが提供される。
【００１０】
一実施形態において、その壁もしくは各壁は、透明である材料から形成され、その加熱素子もしくは各加熱素子は、培養容積が見えにくくならないように、もしくは完全に見えなくならないように十分に狭く、および/または加熱素子を有するその1つまたは複数の壁は、加熱素子を備える領域と、バイオリアクターの培養容積が見えるように素子が存在していないさらなる領域とを有する。
【００１１】
一実施形態において、バイオリアクターは、実質的に可撓性バッグ状バイオリアクターから形成され、その壁、または前記壁のうちの1つまたは複数は、それぞれの壁もしくは前記壁の表面上に前記素子を組み込んだポリマー材料から形成される。
【００１２】
本発明の別の態様によれば、可撓性透明ポリマーシートの1つまたは複数の層と、前記1つまたは複数のポリマーシート内のまたはその上の1つまたは複数の電気抵抗加熱素子と、ポリマーシートもしくは複数のポリマーシートのうちの1つの上の接着剤の任意選択の層と、前記接着剤層の上の任意選択の剥離可能裏地層とを備える、バイオリアクターのための層状シートヒーターであって、前記層状シートヒーターは、実質的にその領域全体にわたって透明であり、または加熱素子は、不透明であるが、ヒーターの層を通して伝播する光の大部分(>50%)を見えにくくしないように、もしくは完全には見えなくしないように十分な幅のそれらの間の間隙とともに形成され、またはその層もしくは各層は、前記加熱素子がない部分を有して、素子のない領域内に前記透明性をもたらす、バイオリアクターのための層状シートヒーターが提供される。
【００１３】
本発明のさらなる態様、利点、および便益は、以下の詳細な説明から当業者にとって容易に明らかなものとなり、その実施形態の、または一緒に説明されている特徴または要素は、単一の請求項の範囲に包含されることを必ずしも意図されず、したがって、新規事項を導入することなく別々に特許請求され得る。
【００１４】
次に、本発明は、添付の図面を参照しつつ、より詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】バイオリアクターシステムを示す図である。
【図２ａ】加熱素子を組み込んだバイオリアクターを示す異なる図である。
【図２ｂ】加熱素子を組み込んだバイオリアクターを示す異なる図である。
【図２ｃ】加熱素子を組み込んだバイオリアクターを示す異なる図である。
【図３ａ】図2のバイオリアクターを示す分解図である。
【図３ｂ】図3aに示されている構成の代替的構成を示す図である。
【図４】バイオリアクター加熱シートを示す図である。
【図５】図4に示されている加熱シートの分解図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図1は、この場合には使用中の培養容積11を画成する熱可塑性ポリマーシート材料の可撓性バッグの形態のバイオリアクター100を例示している。バッグ10は、バイオリアクターシステム200と一緒に使用され、このシステムは、細胞培養時にバッグ100内の培養液を担持し、攪拌するための電気的加熱ロッキングトレイ210を含む。システム200は、導管220を介してガス、液体、および信号入力/出力を提供し、培養パラメータを制御するためのコントローラ230をさらに含み、そのすべては、たとえば、GE HealthcareによってWAVEバイオリアクターシステムという商標名の下で市販されているものとして一般的に知られており、そのような市販されているシステムの特徴は、参照により本明細書に組み込まれている。
【００１７】
図2aは、バイオリアクター10の代わりに、図1に例示されている従来のバイオリアクターシステムと一緒に使用され得る、新規のバイオリアクター100の断面をわずかな修正点と共に示している。供給されているように、バイオリアクター100は大部分の空気が抜かれたバッグであるが、約50mlの少ない液体量LとガスヘッドスペースGとを有する半分膨らませた状態で図示され、両方とも培養容積101内にある。バッグ100は、全体的に滅菌された環境内で、細胞、または微生物の培養のための閉じた容積101を提供する。上で述べたように、特に脆弱であるものは、その初期液体量L内の種細胞Sである。この新規のバッグ100は、その縁において熱融合接合部110を有する多重シート構造物から製造され、上側バイオリアクター壁105と下側バイオリアクター壁115とを有する枕状バッグを形成する。当業者であれば、他の壁構造物も容易に想定できる。上側壁105は、図1に示されているガス/液体入力/出力導管220を担持する多岐管ブロック120を備える。
【００１８】
図2bは、ポリエチレンシートの外層106から形成された、層状構造物と、これも同様にポリエチレン材料から作られる外層106と内層108との間に挟装され、前記層状構造物を形成するように熱融合される、以下でより詳しく説明される中間の加熱素子キャリアである層107とを有する、上側壁105の拡大図を示している。
【００１９】
中間層107は、ポリマー層、都合よくはポリアミドもしくはシリコンゴム層であり、この上に導電性加熱素子が施され、抵抗性導電経路もしくは領域を形成し、十分な電流がそれらに通されたときに熱を放射する。そのような経路/領域を提供するための様々な代替的技術が知られているが、可撓性については、いくつかの材料から以下で説明されているようないくつかの技術によってトラックを形成することが好ましい。
【００２０】
1)たとえば、レーザー切除、もしくは化学薬品、光もしくは電子ビーム蒸発を介したエッチングによって切削、エッチング、または他の何らかの形で導電性経路に形成される、またはたとえば蒸着、スパッタリング、もしくは3D印刷によって薄膜内に堆積される、箔または層、たとえば、アルミニウム、銅、鉄、もしくはこれらの合金の箔、または二ケイ化モリブデンもしくは酸化インジウムスズ(ITO)などの導電性セラミック(いわゆる、エレクトロセラミックス)。
【００２１】
2)循環経路内に構成された、アルミニウム、銅、鉄、ニッケル、白金、ニクロム、カンタル、キュプロニッケルのワイヤなどの事前形成された細ひも。
【００２２】
3)たとえば、銀ベース導電性インク、銅ベース導電性インク、導電性ポリマーインク、およびカーボンベース抵抗インクなどの導電性インクのスクリーン印刷またはインクジェット印刷を用いて印刷される、印刷トラック。
【００２３】
上記の技術および材料の組み合わせも想定される。
【００２４】
加熱素子の特に重要な一特徴は、培養容積101の見通しを遮るのを回避すべきである点である。この目的のために、箔トラックの薄い幅が製造され得るか、または箔それ自体が実質的に透明になるように十分薄く作られ得る。細ひもまたはワイヤも使用され得る。特に有利なのはITOの使用であるが、それは、その材料が透明であり、スペクトルの赤外部分において鏡のような働きをするという追加の利点を有し、それによって容積101から放射されるIR放射線を反射して容積内に戻し、それによってバッグからの熱損失を低減するからである。ITOは、たとえば光学グレードのポリエステルのキャリア層107上に蒸着することで10〜100nmの層に堆積することができ、90%を超える光透過率をもたらすが、最大100μmまでの層が想定される。したがって、「加熱素子」という用語は、個別導電性経路、さらには薄い連続膜を包含することを意図していることが理解されるであろう。
【００２５】
図2cは、頂部壁105の構造物の一例の分解図を示している。より明確に示されているのは、多岐管120の外側部分120'と熱融合されている外層106、多岐管120の内側部分120"とここでも同様に熱融合されている内層108、および加熱素子キャリア層107である。この場合、加熱素子は、たとえば100本のひもから形成されている24AWGのニクロム合金の複数の微細ひもから形成された回路状に置かれた単一ワイヤであり、すべてワイヤランの間に少なくとも約5mmの間隙を有するポリアミドキャリア層107上に担持される。ワイヤは、多岐管101の近くに置かれない。層106、107、および108は圧着され、熱融合によって結合するように熱が加えられる。この場合、層は、周辺領域110においてさらに熱融合することによって内側底部壁115にも結合され、バッグを形成する。ワイヤ109のむき出し端は、熱を発生させるために電源を接続できるように領域110を超えて露出されたままになっている。その構造物は可撓性をもたらし、培養容積101を完全に見えなくすることはない。
【００２６】
図2dは、中間層107の代替的構造物を示している。この実施形態では、加熱素子109は、幅約100mmの導電性トラックをもたらすようにマスク内に蒸着することで堆積されたITOの10〜100nmの層から形成される。トラックは、ポリアミドキャリア層に接着され、中間層107の実質的に透明な最終構造物を実現する。この実施形態における加熱素子109は実質的に透明なので、図2cに示されているように、素子間に観察用間隙を有する必要はない。
【００２７】
本発明は、また、図3の分解図に示されている層状加熱シート205を含む。この構造物は、外層206と、中間層207と、内層208とを含み、すべて層106、107、および108と類似の仕方でそれぞれ構成され、結合される。この実施形態において、開口220が各層内に形成される。任意選択で、製造時に内層208の下側に接着され、使用されるまで接着部をきれいに保持するための剥離裏地層211を含む、接着剤層210が使用され得る。加熱シートの目的は、従来のバイオリアクターバッグ10の頂部壁を加熱するが、それと同時に、バッグ容積11の目視検査を可能にすることである。加熱素子209の構造物は、上で説明されている加熱素子109の構造物と同じであってよい。ヒーター205は、多岐管領域220の周りに嵌るように各層内に開口220をさらに備える。
【００２８】
凝結を回避するために、約1〜10ワットの加熱が想定され、安全のために、最大48ボルトまでの電圧が考慮される。長さ、断面積、および印加電力はすべて、必要な熱出力と一致するように選択されることが可能であり、ヒーターへの電源の電流および/または電圧は、使用中のヒーター素子の熱出力を変えるように修正されることが可能であり、それにより、上側壁105の温度をたとえばヘッドスペースGの露点に基づいて凝結を回避または低減するように制御することができる。
【００２９】
本発明は、上で説明されている実施形態によって限定されているものとみなされるべきでないが、当業者には容易に明らかであるように、添付の特許請求の範囲の範囲内で変更され得る。たとえば、上側壁105のみが、加熱素子を組み込むように図示されているが、底部壁115が上で説明されている加熱素子と類似の仕方で製造されている追加の加熱素子も含むようにすることが可能であろう。それらの底部加熱素子は、凝結を回避するためではなく培養液を加熱するために使用される可能性が高いので、より高い熱出力、たとえば、50〜100ワットが要求され、これは、たとえばヒーター素子の断面積を増やすことで対応できる。加えて、底部壁がロッキングトレイまたは同様のものの上に静止しているので透明である必要性は減じる。素子109の厚さが、それらが本質的に透明であるというわけではないことを意味する場合、それらの素子のない領域は、培養容積が観察できるように窓として使用され得る。
【００３０】
ITOは、加熱素子のための有用な材料として強調されているが、代替的材料も使用することが可能であり、たとえば、アルミニウムドープ酸化亜鉛(AZO)およびインジウムドープ酸化カドミウムなどのドープされた化合物、アルミニウム、ガリウム、またはインジウムドープ酸化亜鉛(AZO、GZO、またはIZO)、カーボンナノチューブ導電性コーティング、グラフェン、グラフェンで被覆された金属薄膜またはナノワイヤ、ポリアニリンおよびPEDOTもしくはPSSなどの本質的に導電性のポリマー、非晶質酸化インジウム亜鉛、銀ナノ粒子ITOハイブリッドである。
【００３１】
加熱素子内に熱を発生させるための電力は外部導電性経路を介して供給される可能性が最も高いけれども、素子に隣接する誘導コイルを介した誘導を用いて素子内に電流を発生させ、それによって外部導電性接続の必要性をなくすことが可能である。
【００３２】
好ましくはポリマーシートから形成される、可撓性バックの形態のバイオリアクターが説明され、図示されているが、特許請求の範囲の範囲内にある任意のバイオリアクターまたはバイオリアクター形状が使用されることが可能であり、たとえば、硬質円筒形アクリルバイオリアクターが使用されることが可能である。しかしながら、バイオリアクターは経済的に処分することができるように十分に低コストで作製されることが好ましく、したがって、その部品の大部分がプラスチックシートおよび/または成型プラスチック部品から製造されることが望ましい。
【符号の説明】
【００３３】
10  バッグ
11  バッグ容積
100  バイオリアクター
100  バッグ
101  培養容積
105  上側バイオリアクター壁
105  頂部壁
106  外層
107  中間の加熱素子キャリアである層
107  ヒーター素子担持層
108  内層
109  加熱素子
110  熱融合接合部
115  下側バイオリアクター壁
115  底部壁
120  多岐管ブロック
120'  外側部分
120"  内側部分
200  バイオリアクターシステム
205  層状加熱シート
205  ヒーター
206  外層
207  中間層
208  内層
209  加熱素子
210  電気的加熱ロッキングトレイ
210  接着層
211  剥離裏地層
220  導管
220  ガス/液体入力/出力導管
220  開口
220  多岐管領域
230  コントローラ
【図１】
2020513760.tif 000003
【図２ａ−２ｂ】
2020513760.tif 000004
【図２ｃ】
2020513760.tif 000005
【図２ｄ】
2020513760.tif 000006
【図３】
2020513760.tif 000007
【国際調査報告】
2020513760.tif 000008
2020513760.tif 000009
2020513760.tif 000010