培養チャンバ、培養装置、及び培養液の送液方法
【課題】 培養液を用いる細胞や組織の培養に適した培養チャンバ、培養装置、及び培養液の送液方法を提供する。
【解決手段】 培養液１４を用いて培養物１２を培養する培養チャンバ２であって、培養液とともに培養物を収容する培養空間部１０と、この培養空間部に培養液を導入させる導入部（導入口３０）と、培養空間部から培養液を排出させる排出部（排出口３２）と、培養空間部の導入部側に形成されて、導入部から培養空間部に導入された培養液に、導入部と排出部とを結ぶ仮想線と交差方向に向けて培養空間部の内壁面から拡散することにより、排出部に至る液流を生じさせる整流部（立壁４０、小空間部４４）とを備える構成である。
【解決手段】 培養液１４を用いて培養物１２を培養する培養チャンバ２であって、培養液とともに培養物を収容する培養空間部１０と、この培養空間部に培養液を導入させる導入部（導入口３０）と、培養空間部から培養液を排出させる排出部（排出口３２）と、培養空間部の導入部側に形成されて、導入部から培養空間部に導入された培養液に、導入部と排出部とを結ぶ仮想線と交差方向に向けて培養空間部の内壁面から拡散することにより、排出部に至る液流を生じさせる整流部（立壁４０、小空間部４４）とを備える構成である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒトや動物の細胞・組織の培養に用いる培養チャンバに関し、特に、培養液を用いる培養チャンバ、培養装置、及び培養液の送液方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ヒトや動物の細胞や組織の培養には、培養液が用いられるとともに、その培養液と細胞や組織を収容するシャーレ等の容器が用いられ、容器内の培養液中で細胞や組織を成長させる技術が知られている。培養液は、細胞や組織に対する培養媒体であるとともに栄養分や酸素等の空気の伝送媒体としての機能を果たしている。培養過程において、培養液から細胞や組織に栄養分や酸素等が吸収されるので、細胞や組織に必要な栄養分の供給や、老廃物の除去等により、細胞や組織を生鮮な状態に維持するため、培養液の交換は不可欠である。この培養液の交換には、培養液源から細胞や組織を収容する容器に回路を通じて培養液を循環させる等のシステムが用いられる。雑菌による培養液や培養物の汚染を防止するため、斯かるシステムには例えば、密閉性容器や閉鎖系回路が用いられる。
【０００３】
このような培養液等の交換に関し、外部環境と隔離した状態で培養器内の培地の交換を行いながら細胞の培養を行う細胞培養装置（特許文献１）、閉鎖系の回路に設けられたチャンバへ培養液を送液する細胞・組織培養装置（特許文献２）、培養液や酸素を灌流させる細胞培養装置（特許文献３）等がある。
【特許文献１】特開２００４−０１６１９４号公報
【特許文献２】特開２００３−０６１６４２号公報
【特許文献３】特開２００４−１４７５５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、培養器で外部環境と隔離された細胞をピペットノズルで吸引して別の培養器へ移したり、培養器内の培地を吸引して移し、新しい培地を注入したりすることにより、培地交換をするもの（特許文献１）では、培養中の細胞に無用なストレスが加わったり、また、培地交換で細胞の流失等のおそれがある。例えば、図２２に示すように、シャーレ２００に培養液２０２とともに収容された培養物２０４にピペットノズル２０６で培養液２０２を注入すると、注入される培養液２０２が培養物２０４に対し、圧縮力ａや剪断力ｂを作用させ、これらが培養物２０４に対するストレスとなるとともに、培養物２０４から細胞を流出（ｃ）させてしまうおそれがある。
【０００５】
また、閉鎖系回路を用いた培養（特許文献２）では、ピストンの駆動による培養液循環が可能であるが、この培養液循環が過大な物理刺激を培養物に与え、その物理刺激が予測できない性質を持つ細胞・組織に変化させるおそれがある。例えば、図２３に示すように、閉回路中に設置された培養チャンバ２０８に管路２１０を通して培養液２０２を注入する場合では、培養チャンバ２０８の入口付近ではジェット流が発生し、出口付近では培養チャンバ２０８中の培養液２０２が合流して流速が増し、細胞や細胞外マトリクス２１２が、入口付近ではジェット流による圧縮力を受けたり、出口付近では速流を受けて流出するというおそれがある。また、細胞・組織に与えられるストレスによっては、目的外の性質を持つ細胞・組織に変化させるおそれもある。
【０００６】
このように、培養液の交換や送液は培養に影響を与えるため、慎重に行われるとともに、迅速な交換処理が行われることが要請されるが、斯かる課題について、特許文献１〜３にはその開示はなく、それを解決する構成を開示し、又は示唆する記載もない。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、斯かる課題を解決するものであり、培養液を用いる細胞や組織等の培養物の培養に適した培養チャンバ、培養装置、及び培養液の送液方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決した本発明の構成について、各側面を列挙して説明する。
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明の第１の側面は、培養液を用いて培養物を培養する培養チャンバであって、前記培養液とともに前記培養物を収容する培養空間部と、この培養空間部に前記培養液を導入させる導入部と、前記培養空間部から前記培養液を排出させる排出部と、前記培養空間部の前記導入部側に形成されて、前記導入部から前記培養空間部に導入された前記培養液に、前記導入部と前記排出部とを結ぶ仮想線と交差方向に向けて前記培養空間部の内壁面から拡散することにより、前記排出部に至る液流を生じさせる整流部とを備える構成である。
【００１０】
斯かる構成により、培養空間部に導入部から排出部に向かって流れる培養液に緩やかな流れを生じさせるコアンダ効果が得られ、培養空間部内の培養液の交換が迅速に行える。
【００１１】
上記目的を達成するためには、既述の培養チャンバにおいて、前記培養空間部の前記排出部側に形成されて、前記培養空間部の内壁面から導かれる前記培養液を前記排出部に導く排出整流部を備える構成としてもよい。斯かる構成により、培養空間部から培養液を排出部に穏やかに排出させることが可能となる。
【００１２】
上記目的を達成するためには、既述の培養チャンバにおいて、前記培養空間部は、曲面を成す第１の内壁面と、この第１の内壁面と交差方向に形成された平坦面を成す第２の内壁面とを含む構成としてもよい。この第２の内壁面により、培養液に平行流を生じさせ、コアンダ効果を助長する。
【００１３】
上記目的を達成するためには、既述の培養チャンバにおいて、前記整流部から前記排出部側に橋絡する支持部を備えた構成としてもよい。斯かる構成により、支持部に培養物が浮遊状態で支持される。
【００１４】
上記目的を達成するためには、既述の培養チャンバにおいて、前記導入部は、前記培養液を通過させる通路径を前記排出部より小さく設定した構成としてもよい。
【００１５】
上記目的を達成するためには、既述の培養チャンバにおいて、前記第１の内壁面の中途部に突部を設けた構成としてもよい。斯かる構成により、培養物を内壁面に密着させることなく、培養することができる。
【００１６】
上記目的を達成するため、本発明の第２の側面は、培養装置であって、既述の培養チャンバを備えて前記培養物を培養する構成である。斯かる構成によれば、培養チャンバ内の培養液を穏やかな流れによって交換できるので、培養物に培養液の流れによる過度の刺激やストレスを生じさせることなく、安定した培養が可能である。
【００１７】
上記目的を達成するため、本発明の第３の側面は、培養物を培養する培養液の送液方法であって、前記培養物が収容された培養空間部内に導入される培養液を、その導入方向と交差する方向に導き、前記培養空間部の内壁面から拡散させて排出させる液流を形成する構成である。斯かる構成により、培養液に穏やかな流れを生じさせ、コアンダ効果が得られる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、次の効果が得られる。
【００１９】
(1) 緩やかな培養液交換ができ、培養物に圧縮力や剪断力等の無用なストレスを与えることなく、培養液の交換等の送液が得られる。
【００２０】
(2) 少量の培養液の注入により、迅速に培養液交換を行える。
【００２１】
(3) 細胞や組織等の培養物や細胞外マトリクスの流出を防止できる。
【００２２】
(4) 培養液内の気泡の除去が容易であり、培養液の流量により、異なる液流を生成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
〔第１の実施の形態〕
【００２４】
本発明の第１の実施の形態について、図１、図２、図３、図４及び図５を参照して説明する。図１は培養チャンバを示す斜視図、図２は培養チャンバを示す分解斜視図、図３は一方の閉塞板を示す斜視図、図４は閉塞板を外して培養チャンバを示した図、図５は図４のＶ−Ｖ線断面図である。
【００２５】
この培養チャンバ２は、筒体で構成される本体部４を備えるとともに、この本体部４を閉塞する第１及び第２の閉塞板６、８を備え、円筒状の培養空間部１０を構成している。即ち、この培養空間部１０は、本体部４で構成される周回状の曲面からなる第１の内壁面１１と、整流部を構成する第２の内壁面として、閉塞板６の平坦面を成す内壁面１３（図３）と、閉塞板８の平坦面を成す内壁面１５とで構成されている。この培養空間部１０に生体の細胞や組織等の培養物１２（図１０）及び培養液１４が収容される。本体部４及び閉塞板６、８は例えば、ステンレスやガラス等で構成され、本体部４及び閉塞板６に形成された複数の貫通孔１６にボルト１８を貫通させ、これらボルト１８を閉塞板８側に形成されたねじ孔２０にねじ込み、本体部４を閉塞板６、８の間に挟み込んで一体に固定され、本体部４に形成された内壁面１１と、閉塞板６、８の内壁面１３、１５とにより、培養空間部１０が形成されている。本体部４の各閉塞板６、８の当接面部には培養空間部１０を周回する溝部２２、２４（図５）が形成され、これら溝部２２、２４にはそれぞれＯリング２６、２８が位置決めされて本体部４と閉塞板６、８との間に挟み込まれ、培養空間部１０がシールされている。
【００２６】
本体部４には培養液１４を培養空間部１０に導入する導入部として導入口３０、培養空間部１０から培養液１４を排出するための排出部として排出口３２が形成され、これら導入口３０及び排出口３２は、培養空間部１０を中心に対向するとともに、培養空間部１０の中心方向と直交方向に形成されている。導入口３０及び排出口３２には、培養液１４の循環パイプ３４が連結され、その連結部をシールするためのＯリング３６、３８が設置されている。
【００２７】
本体部４の培養空間部１０には、培養液１４の液流を整流する整流部として、導入口３０の開口部側に立壁４０が形成されるとともに、この立壁４０と培養空間部１０の内壁面１１とで包囲された小空間部４４が形成されており、この小空間部４４と閉塞板６、８の内壁面１３、１５との間にはスリット部４６、４８（図５）が形成されている。即ち、小空間部４４は、スリット部４６、４８を以て培養空間部１０に連通しており、導入口３０より導入された培養液１４が小空間部４４からスリット部４６、４８を経て培養空間部１０の内部に導かれる。
【００２８】
培養空間部１０には、培養物１２を支持する支持部として、小空間部４４の立壁４０と対向壁面部との間に橋絡するＶ字状を成す一対の支持バー５０、５２が設置され、これら支持バー５０、５２は培養空間部１０の深さ方向の中心部より閉塞板８側に変移した位置に設置され、閉塞板６、８と平行面を成している。これら支持バー５０、５２に対向する支持部として一対の立壁５４、５６が閉塞板６に設置されている。これら支持バー５０、５２と立壁５４、５６との間には間隙部５８（図５）が形成され、この間隙部５８に培養物１２が設置される。また、この間隙部５８を包囲する、培養空間部１０の内壁面１１には培養物１２を内壁面１１に密着させないための山形の突起部６０、６２が対向して形成される。
【００２９】
この培養チャンバ２の導入口３０の構成について、図６及び図７を参照して説明する。図６は導入口３０及びその近傍部分を切断して表した斜視図、図７は、閉塞板とともに導入口３０の近傍部分を示す断面図である。
【００３０】
導入口３０は、培養空間部１０と直交方向に本体部４に形成された貫通孔であり、本体部４の外壁面側を径大孔部６４、内壁面側を小径のノズル孔部６６とし、これら径大孔部６４とノズル孔部６６との間の中間部の口径を階段状に異ならせるとともに、Ｏリング３６を設置する中間孔部６８とともに錐状孔部７０が形成されている。
【００３１】
また、小空間部４４を形成する立壁４０の高さが培養空間部１０の高さより僅かに小さく設定され、小空間部４４から培養空間部１０に培養液１４を導くためのスリット部４６、４８が形成されている。
【００３２】
この培養チャンバ２の排出口３２側の構成について、図８及び図９を参照して説明する。図８は、培養空間部側から見た排出口部分を示す図、図９は、排出口を切断して示した斜視図である。
【００３３】
排出口３２の周囲部には、排出整流部として、排出口３２の中心部で交差する格子状の立壁７２が形成され、この立壁７２は、支持バー５０、５２と平行方向に形成された立壁部７４と、この立壁部７４と直交する立壁部７６とで構成され、この立壁部７６の一方の端面７８は、支持バー５０、５２と同一面に形成されている（図５）。また、立壁７２の排出口３２と対向する部分には、排出口３２の入口部を拡開するため、湾曲面からなる切欠部８０が形成されている。
【００３４】
また、排出口３２は、培養空間部１０と直交方向に本体部４に形成された貫通孔であって、本体部４の外壁面側を径大孔部８２、本体部４の内壁面側を径小孔部８４、これら径大孔部８２と径小孔部８４との間の中間部の口径を階段状に異ならせるとともに、Ｏリング３８を設置する中間孔部８６とともに錐状孔部８８が形成されている。
【００３５】
そして、この培養チャンバ２の培養空間部１０には、図１０（閉塞板６を除いて示した培養チャンバ２）及び図１１（図１０のXI−XI線断面図）に示すように、培養物１２が、突起部６０、６２、支持バー５０、５２、立壁５４、５６に囲まれた空間部分に内壁面１１、１３、１５に密着することなく設置され、培養液１４内に浮遊状態で保持されて維持される。
【００３６】
次に、この培養チャンバ２における培養液１４の送液方法及び流れについて、図１２、図１３及び図１４を参照して説明する。図１２は、導入口及び小空間部から培養空間部に至る培養液の流れを示す図、図１３は、培養空間部内の培養液の流れを示す図、図１４は、培養空間部から排出口に至る培養液の流れを示す図である。
【００３７】
図１２に示すように、導入口３０から培養空間部１０に導入される培養液１４は、径大孔部６４からノズル孔部６６に向かって開口径が狭小化するため、その流速が早くなり、小空間部４４に至る。ノズル孔部６６の前面部に存在する立壁４０により、培養液１４は、その流速が低下されるとともに、スリット部４６、４８側に導かれ、スリット部４６、４８から閉塞板６、８の内壁面１３、１５に沿って流れを生じ、その流れは培養空間部１０の内壁面１１に沿うことになる。
【００３８】
培養空間部１０では、図１３に示すように、培養液１４がコアンダ効果により内壁面１３、１５に沿って移動する。内壁面１３、１５に沿って移動する培養液１４は、徐々に速度を緩めながら、徐々に培養空間部１０内の培養液１４に拡散して混合される。
【００３９】
そして、培養空間部１０内の培養液１４は排出口３２に向かって流れ、排出口３２の近傍では、図１４に示すように、格子状の立壁７２が存在するため、直交部に小さく形成された排出口３２より、培養液１４が排出される。
【００４０】
この培養液１４の流速は、臨界レイノルズ数より小さく、非常に緩やかであるので、流入された培養液１４は、層流状態を維持して流れるとともに、既に満たされている培養液１４に徐々に拡散されて混じり込むとともに、流入された培養液１４と同量の、培養空間部１０の培養液１４が排出される。
【００４１】
次に、この培養チャンバ２の培養液１４の交換機能について、図１５、図１６、図１７、図１８及び図１９に示す実験結果を参照して説明する。図１５は、培養液の培養空間部内の全体的な流れを示す図、図１６は、図１５の（Ａ）に対応する培養液が交換される様子を時系列的に示した図、図１７は、図１５の（Ａ）に対応する培養空間部の各部における培養液の交換変化を示す図、図１８は、図１５の（Ｂ）に対応する培養液が交換される様子を時系列的に示した図、図１９は、図１５の（Ｂ）に対応する培養空間部の各部における培養液の交換変化を示す図である。
【００４２】
実験には、培養チャンバ２の本体部４の内径を３６〔mm〕、深さを１５〔mm〕とし、培養物１２を設置する。この場合、培養空間部１０の容積は、約１５〔ml〕である。培養チャンバ２には、培養空間部１０に満たされた培養液１４中に培養物１２が浮遊している状態である。培養液１４の流れは既述の通りであり、培養チャンバ２の培養空間部１０の容積と同量の１５〔ml〕の培養液１４を培養空間部１０に２．５時間で入れようとすると、１００〔μｌ／min 〕の流量が必要となる。
【００４３】
培養液１４の流速を変化させた場合、流速が遅い場合（単位時間当たりの流量が少ない場合）には、図１５の（Ａ）（図５に示す断面における培養液１４の流れ）に示すように、遮蔽板６、８の内壁面１３、１５側に沿った層流が形成される。即ち、導入口３０に注入された培養液１４は、培養空間部１０の内壁面１３、１５に達し、その後、コアンダ効果により内壁面に沿って薄い膜が漂うように流れ、直接中央部に流れ込まない。非常にゆっくりとした流速の流量では、レイノルズ数は、臨界レイノルズ数より遙かに小さいため、層流が維持される。そのため、内壁面にあたっても、流れは乱れないし、流体は壁に沿って流れる性質があるため、培養液１４は内壁面に沿って流れる。層流であるため、摩擦抵抗は大きく、内壁面に張り付くように漂い、流速を失う。その後、滞留していた培養液１４中に、徐々に新しい培養液１４が拡散し、培養空間部１０の内壁面側から培養物１２側に徐々に新鮮な培養液１４に遷移していく。
【００４４】
また、培養液１４の流量を増し、例えば、１０００〔μｌ／min 〕の流量とした場合には、図１５の（Ｂ）に示す流れとなる。即ち、小空間部４４に導入された培養液１４は、スリット部４６、４８を通路にして流れる。その際、流量が多くなった分、スリット部４６、４８に広がった流れになるので、立壁４０に回り込む流れも生じ、培養空間部１０の内壁面１３、１５と立壁４０との問に扇型に広がった流れも生じる。流速が１０００〔μｌ／min 〕であっても、レイノルズ数は低く例えば、２０程度であり、層流であるがために流れは乱れず、流体の流管は、大きく拡管する。流管の断面積は、急激に拡大するため、連続の理論によって流速は、更に低下する。そのため、流速が失われ、新たに導入された培養液１４は底部側に溜まっていくことになる。
【００４５】
図１５の（Ａ）及び（Ｂ）に示す流速に対応した実験結果を説明すると、図１５の（Ａ）の場合には、図１６及び図１７に示すように、培養空間部１０の内壁面側から徐々に、培養液１４の拡散が生じ、やがて中央部に遷移する。図１７では、培養空間部１０の４個所即ち、Ａ（＝排出口３２部分）、Ｂ（＝遮蔽板６側の壁面）、Ｃ（＝遮蔽板８側の壁面）、Ｄ（＝導入口３０部分）の箇所について、培養液１４の交換推移を示している。また、図１８及び図１９は、図１５の（Ｂ）に対応した実験結果を示す。この場合、培養空間部１０の下側から培養液１４が新しい培養液１４に遷移し、新しい部分と古い部分とが層を成して移動して、古い培養液１４が排出口３２から押し出されるように排出され、このため、培養空間部１０に１．５倍程度の流量が導入された時点で、殆ど新しい培養液１４に交換されることになる。
【００４６】
このような培養液１４の流れは、流体の制御に使われる流体素子の流れに似ている。流体素子では、Ｙ字に分かれた、どちらか一方の方向に流体が流れ、Ｙ字の手前で流れに何らかの作用を与えると、流れが別の方向に切り替わる。この培養空間部１０内の構造では、流量を変えることによって、特定の壁面に添う流れを生じたり、複数の壁面で形成される流管内を拡散する流れに切り替わる層流パターンが生じることが理解できるであろう。このような層流パターンが生じても、流速が低く、培養中の培養物１２への刺激やストレスを与えることはなく、従来の培養で生じた剪段応力等の無用な応力はほとんど生じないことが実験により確認された。
【００４７】
そして、排出口３２側では、一旦広口径から小口径に縮管し、広い口径の手前では、格子状の立壁７２が備えられているので、これにより、流速の早い部分が培養物１２に近づかないようになっており、しかも、立壁７２によって排出口３２が４つの部分に仕切られているので、仮に１つが塞がれたとしても、吸引する圧力は強くならず、培養物１２等が排出口３２側に吸い込まれることがなく、培養空間部１０外に流出することがない。即ち、排出口３２側から流出する培養液１４で渦等の旋回流が生じることがない。また、培養空間部１０に混入した気泡は、広い口径の排出口３２から流出させることができる。
【００４８】
この実施の形態の特徴事項を列挙すれば、次の通りである。
【００４９】
(1) 培養チャンバ２内での培養液１４の交換を制御でき、この培養液１４の交換に際し、培養物１２にストレスを与えないようにすることができる。
【００５０】
(2) 導入される培養液１４をコアンダ効果を利用して内壁面に沿って流し、そこから拡散させることができる。
【００５１】
(3) この培養チャンバ２は、後述の通り、安定した培養液１４の交換をするためには密閉回路を形成し、定量の送液が可能なポンプを用いた培養液１４の循環に適する。
【００５２】
(4) 培養物１２が流速の早いジェット流に晒されることがないので、安定した培養が可能である。
【００５３】
(5) 小空間部４４を前置し、スリット部４６、４８を噴出口にして培養液１４を培養空間部１０に少量ずつ流し、培養液１４の交換を実現している。
【００５４】
(6) 培養液１４の流量を多くすることにより、流管を大きく拡管させ、拡管によって流速を衰えさせ、培養空間部１０の下部から緩やかに新しい培養液１４に遷移させることができる。
【００５５】
(7) 排出口３２側には、大口径の通路を設定して培養液１４の流速を低下させている。この場合、格子状の立壁７２が設けられ、培養物１２が急速な縮流の付近で、流れに晒されることがない。培養物１２の流出も防止できる。
【００５６】
(8) 流量調節により、最適な層流等の流れを選択することができる。
【００５７】
〔第２の実施の形態〕
【００５８】
次に、本発明の第２の実施の形態について、図２０を参照して説明する。図２０は培養装置を示す図である。図２０において、図１及び図１１と同一部分には同一符号を付してある。
【００５９】
この培養装置１００は既述の培養チャンバ２を用いて培養物１２を培養する構成である。この培養チャンバ２は培養回路１０２に組み込まれ、この培養回路１０２には、既述の循環パイプ３４が用いられるとともに、培養液バッグ１０４、ガス交換部１０６、パフューズポンプ１０８、背圧調整弁１１０が設置されている。この培養回路１０２は、インキュベータ１１２に内蔵されている。培養液バッグ１０４には培養に必要な栄養や成長因子、抗生物質が含まれる培養液１４が貯えられている。ガス交換部１０６は、循環パイプ３４に形成されたガス透過機能部であり、インキュベータ１１２の内部空間と培養液１４との間でガス交換を行う。
【００６０】
パフューズポンプ１０８は、培養液１４を連続的又は間欠的に循環させる送液手段であって、電気信号により駆動力を発生させるアクチュエータ１１４をインキュベータ１１２の外部に備えている。また、背圧調整弁１１０は、培養液１４の送液に対応して培養チャンバ２の背圧を調整する手段であって、電気信号により駆動力を発生させるアクチュエータ１１６をインキュベータ１１２の外部に備えている。これらアクチュエータ１１４、１１６には制御装置１１８が接続され、この制御装置１１８は、パーソナルコンピュータ等で構成され、ＣＰＵ（Central Processing Unit ）や、記憶手段としてＲＯＭ（Read-Only Memory）やＲＡＭ（Random-Access Memory）で構成され、ＲＯＭには培養制御プログラムが格納されている。入力装置１２０に入力された設定入力により所望の制御パターンが制御装置１１８よりアクチュエータ１１４、１１６に付与され、培養液１４の循環形態が制御される。例えば、培養液１４について、流量、背圧調整値等を入力装置１２０で選択し、その指示に従い、制御装置１１８により培養運転が実行される。
【００６１】
斯かる構成において、培養液１４は、培養回路１０２をパフューズポンプ１０８の駆動により流れ、ガス交換部１０６でガスの吸収が行われることにより、インキュベータ１１２の内部のガス分圧とほぼ等しいガス分圧となる。即ち、培養に必要な酸素ガスや炭酸ガスを含む培養液１４に調整される。この培養液１４はパフューズポンプ１０８によって培養チャンバ２に送られ、培養物１２である細胞や組織が培養される。培養物１２で培養液１４から養分や酸素ガス等が消費され、培養物１２から滲出した滲出物が培養液１４に混入する。培養チャンバ２の培養液１４は、背圧調整弁１１０により圧力が調整され、培養液バッグ１０４に至る。
【００６２】
このような培養装置１００において、既述の培養チャンバ２が設置されることにより、培養液バッグ１０４から供給される培養液１４が培養チャンバ２内でコアンダ効果により内壁面に沿って流れ、拡散されて迅速に交換されるとともに、その交換の際に、培養物１２に過度な刺激やストレスを与えることがなく、最適な培養環境の形成に寄与する。
【００６３】
この培養液１４の循環については、パフューズポンプ１０８の駆動により、徐々に新しい培養液１４を培養チャンバ２に少量ずつ継続的に送り込んで培養チャンバ２内の培養液１４を交換する方法と、一定時間の間隔を以て一括して（但し、急速にではなく）送ることにより、培養液１４を交換する方法があるが、いずれの方法でもよく、また、これらを組み合わせてもよい。また、培養液１４は、背圧調整弁１１０を通過後、使用済みの培養液１４を培養液バッグ１０４とは別のバッグに排出し、培養チャンバ２には常に新鮮な培養液１４を供給するようにしてもよい。
【００６４】
〔第３の実施の形態〕
【００６５】
次に、本発明の第３の実施の形態について、図２１を参照して説明する。図２１は第３の実施の形態に係る培養チャンバを示す図である。図２１において、図１１と同一部分には同一符号を付してある。
【００６６】
この培養チャンバ２には、既述の閉塞板８に代えて受圧板１２２が設置され、この受圧板１２２を介して外部からの加圧力を培養物１２に加える構成である。受圧板１２２は例えば、ＰＦＡ（tetrafluoroethylene perfluoroalkyl vinyl ether）フィルムで構成すればよい。そして、この受圧板１２２には加圧装置１２４が設置され、この加圧装置１２４を既述の制御装置１１８で制御するように構成すれば、培養物１２に加圧装置１２４からの加圧力によって所望の刺激を付与することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
本発明は、培養液を用いた培養チャンバに関し、培養液の交換機能を高めるとともに、培養物に対する過大な刺激やストレスを生じさせることがなく、ヒトや動物の細胞や組織の培養に広く利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】第１の実施の形態に係る培養チャンバを示す斜視図である。
【図２】培養チャンバを示す分解斜視図である。
【図３】閉塞板を示す斜視図である。
【図４】培養チャンバの内部を示す図である。
【図５】図４のＶ−Ｖ線断面図である。
【図６】導入口部を切断して示した本体部の一部を示す斜視図である。
【図７】導入口部を切断した本体部の一部を示す断面図である。
【図８】培養空間部から排出口部を見て示した本体部の一部を示す斜視図である。
【図９】排出口部を切断して示した本体部の一部を示す斜視図である。
【図１０】培養物を設置した培養チャンバを示す平面図である。
【図１１】図１０のXI−XI線断面図である。
【図１２】導入口部における培養液の流れを示す図である。
【図１３】培養空間部の培養液の流れを示す図である。
【図１４】排出口部における培養液の流れを示す図である。
【図１５】培養空間部の培養液の流れを示す図である。
【図１６】培養液の交換状態を示す図である。
【図１７】培養液の交換状態を示す図である。
【図１８】培養液の交換状態を示す図である。
【図１９】培養液の交換状態を示す図である。
【図２０】第２の実施の形態に係る培養装置を示す図である。
【図２１】第３の実施の形態に係る培養チャンバを示す図である。
【図２２】従来の培養液の交換を示す図である。
【図２３】従来の培養液の交換を示す図である。
【符号の説明】
【００６９】
２ 培養チャンバ
１０ 培養空間部
１１ 第１の内壁面
１２ 培養物
１３、１５ 第２の内壁面
１４ 培養液
３０ 導入口
３２ 排出口
４０ 立壁（整流部）
４４ 小空間部（整流部）
５０、５２ 支持バー（支持部）
５４、５６ 立壁（支持部）
７２ 立壁（排出整流部）
１００ 培養装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒトや動物の細胞・組織の培養に用いる培養チャンバに関し、特に、培養液を用いる培養チャンバ、培養装置、及び培養液の送液方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ヒトや動物の細胞や組織の培養には、培養液が用いられるとともに、その培養液と細胞や組織を収容するシャーレ等の容器が用いられ、容器内の培養液中で細胞や組織を成長させる技術が知られている。培養液は、細胞や組織に対する培養媒体であるとともに栄養分や酸素等の空気の伝送媒体としての機能を果たしている。培養過程において、培養液から細胞や組織に栄養分や酸素等が吸収されるので、細胞や組織に必要な栄養分の供給や、老廃物の除去等により、細胞や組織を生鮮な状態に維持するため、培養液の交換は不可欠である。この培養液の交換には、培養液源から細胞や組織を収容する容器に回路を通じて培養液を循環させる等のシステムが用いられる。雑菌による培養液や培養物の汚染を防止するため、斯かるシステムには例えば、密閉性容器や閉鎖系回路が用いられる。
【０００３】
このような培養液等の交換に関し、外部環境と隔離した状態で培養器内の培地の交換を行いながら細胞の培養を行う細胞培養装置（特許文献１）、閉鎖系の回路に設けられたチャンバへ培養液を送液する細胞・組織培養装置（特許文献２）、培養液や酸素を灌流させる細胞培養装置（特許文献３）等がある。
【特許文献１】特開２００４−０１６１９４号公報
【特許文献２】特開２００３−０６１６４２号公報
【特許文献３】特開２００４−１４７５５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、培養器で外部環境と隔離された細胞をピペットノズルで吸引して別の培養器へ移したり、培養器内の培地を吸引して移し、新しい培地を注入したりすることにより、培地交換をするもの（特許文献１）では、培養中の細胞に無用なストレスが加わったり、また、培地交換で細胞の流失等のおそれがある。例えば、図２２に示すように、シャーレ２００に培養液２０２とともに収容された培養物２０４にピペットノズル２０６で培養液２０２を注入すると、注入される培養液２０２が培養物２０４に対し、圧縮力ａや剪断力ｂを作用させ、これらが培養物２０４に対するストレスとなるとともに、培養物２０４から細胞を流出（ｃ）させてしまうおそれがある。
【０００５】
また、閉鎖系回路を用いた培養（特許文献２）では、ピストンの駆動による培養液循環が可能であるが、この培養液循環が過大な物理刺激を培養物に与え、その物理刺激が予測できない性質を持つ細胞・組織に変化させるおそれがある。例えば、図２３に示すように、閉回路中に設置された培養チャンバ２０８に管路２１０を通して培養液２０２を注入する場合では、培養チャンバ２０８の入口付近ではジェット流が発生し、出口付近では培養チャンバ２０８中の培養液２０２が合流して流速が増し、細胞や細胞外マトリクス２１２が、入口付近ではジェット流による圧縮力を受けたり、出口付近では速流を受けて流出するというおそれがある。また、細胞・組織に与えられるストレスによっては、目的外の性質を持つ細胞・組織に変化させるおそれもある。
【０００６】
このように、培養液の交換や送液は培養に影響を与えるため、慎重に行われるとともに、迅速な交換処理が行われることが要請されるが、斯かる課題について、特許文献１〜３にはその開示はなく、それを解決する構成を開示し、又は示唆する記載もない。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、斯かる課題を解決するものであり、培養液を用いる細胞や組織等の培養物の培養に適した培養チャンバ、培養装置、及び培養液の送液方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決した本発明の構成について、各側面を列挙して説明する。
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明の第１の側面は、培養液を用いて培養物を培養する培養チャンバであって、前記培養液とともに前記培養物を収容する培養空間部と、この培養空間部に前記培養液を導入させる導入部と、前記培養空間部から前記培養液を排出させる排出部と、前記培養空間部の前記導入部側に形成されて、前記導入部から前記培養空間部に導入された前記培養液に、前記導入部と前記排出部とを結ぶ仮想線と交差方向に向けて前記培養空間部の内壁面から拡散することにより、前記排出部に至る液流を生じさせる整流部とを備える構成である。
【００１０】
斯かる構成により、培養空間部に導入部から排出部に向かって流れる培養液に緩やかな流れを生じさせるコアンダ効果が得られ、培養空間部内の培養液の交換が迅速に行える。
【００１１】
上記目的を達成するためには、既述の培養チャンバにおいて、前記培養空間部の前記排出部側に形成されて、前記培養空間部の内壁面から導かれる前記培養液を前記排出部に導く排出整流部を備える構成としてもよい。斯かる構成により、培養空間部から培養液を排出部に穏やかに排出させることが可能となる。
【００１２】
上記目的を達成するためには、既述の培養チャンバにおいて、前記培養空間部は、曲面を成す第１の内壁面と、この第１の内壁面と交差方向に形成された平坦面を成す第２の内壁面とを含む構成としてもよい。この第２の内壁面により、培養液に平行流を生じさせ、コアンダ効果を助長する。
【００１３】
上記目的を達成するためには、既述の培養チャンバにおいて、前記整流部から前記排出部側に橋絡する支持部を備えた構成としてもよい。斯かる構成により、支持部に培養物が浮遊状態で支持される。
【００１４】
上記目的を達成するためには、既述の培養チャンバにおいて、前記導入部は、前記培養液を通過させる通路径を前記排出部より小さく設定した構成としてもよい。
【００１５】
上記目的を達成するためには、既述の培養チャンバにおいて、前記第１の内壁面の中途部に突部を設けた構成としてもよい。斯かる構成により、培養物を内壁面に密着させることなく、培養することができる。
【００１６】
上記目的を達成するため、本発明の第２の側面は、培養装置であって、既述の培養チャンバを備えて前記培養物を培養する構成である。斯かる構成によれば、培養チャンバ内の培養液を穏やかな流れによって交換できるので、培養物に培養液の流れによる過度の刺激やストレスを生じさせることなく、安定した培養が可能である。
【００１７】
上記目的を達成するため、本発明の第３の側面は、培養物を培養する培養液の送液方法であって、前記培養物が収容された培養空間部内に導入される培養液を、その導入方向と交差する方向に導き、前記培養空間部の内壁面から拡散させて排出させる液流を形成する構成である。斯かる構成により、培養液に穏やかな流れを生じさせ、コアンダ効果が得られる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、次の効果が得られる。
【００１９】
(1) 緩やかな培養液交換ができ、培養物に圧縮力や剪断力等の無用なストレスを与えることなく、培養液の交換等の送液が得られる。
【００２０】
(2) 少量の培養液の注入により、迅速に培養液交換を行える。
【００２１】
(3) 細胞や組織等の培養物や細胞外マトリクスの流出を防止できる。
【００２２】
(4) 培養液内の気泡の除去が容易であり、培養液の流量により、異なる液流を生成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
〔第１の実施の形態〕
【００２４】
本発明の第１の実施の形態について、図１、図２、図３、図４及び図５を参照して説明する。図１は培養チャンバを示す斜視図、図２は培養チャンバを示す分解斜視図、図３は一方の閉塞板を示す斜視図、図４は閉塞板を外して培養チャンバを示した図、図５は図４のＶ−Ｖ線断面図である。
【００２５】
この培養チャンバ２は、筒体で構成される本体部４を備えるとともに、この本体部４を閉塞する第１及び第２の閉塞板６、８を備え、円筒状の培養空間部１０を構成している。即ち、この培養空間部１０は、本体部４で構成される周回状の曲面からなる第１の内壁面１１と、整流部を構成する第２の内壁面として、閉塞板６の平坦面を成す内壁面１３（図３）と、閉塞板８の平坦面を成す内壁面１５とで構成されている。この培養空間部１０に生体の細胞や組織等の培養物１２（図１０）及び培養液１４が収容される。本体部４及び閉塞板６、８は例えば、ステンレスやガラス等で構成され、本体部４及び閉塞板６に形成された複数の貫通孔１６にボルト１８を貫通させ、これらボルト１８を閉塞板８側に形成されたねじ孔２０にねじ込み、本体部４を閉塞板６、８の間に挟み込んで一体に固定され、本体部４に形成された内壁面１１と、閉塞板６、８の内壁面１３、１５とにより、培養空間部１０が形成されている。本体部４の各閉塞板６、８の当接面部には培養空間部１０を周回する溝部２２、２４（図５）が形成され、これら溝部２２、２４にはそれぞれＯリング２６、２８が位置決めされて本体部４と閉塞板６、８との間に挟み込まれ、培養空間部１０がシールされている。
【００２６】
本体部４には培養液１４を培養空間部１０に導入する導入部として導入口３０、培養空間部１０から培養液１４を排出するための排出部として排出口３２が形成され、これら導入口３０及び排出口３２は、培養空間部１０を中心に対向するとともに、培養空間部１０の中心方向と直交方向に形成されている。導入口３０及び排出口３２には、培養液１４の循環パイプ３４が連結され、その連結部をシールするためのＯリング３６、３８が設置されている。
【００２７】
本体部４の培養空間部１０には、培養液１４の液流を整流する整流部として、導入口３０の開口部側に立壁４０が形成されるとともに、この立壁４０と培養空間部１０の内壁面１１とで包囲された小空間部４４が形成されており、この小空間部４４と閉塞板６、８の内壁面１３、１５との間にはスリット部４６、４８（図５）が形成されている。即ち、小空間部４４は、スリット部４６、４８を以て培養空間部１０に連通しており、導入口３０より導入された培養液１４が小空間部４４からスリット部４６、４８を経て培養空間部１０の内部に導かれる。
【００２８】
培養空間部１０には、培養物１２を支持する支持部として、小空間部４４の立壁４０と対向壁面部との間に橋絡するＶ字状を成す一対の支持バー５０、５２が設置され、これら支持バー５０、５２は培養空間部１０の深さ方向の中心部より閉塞板８側に変移した位置に設置され、閉塞板６、８と平行面を成している。これら支持バー５０、５２に対向する支持部として一対の立壁５４、５６が閉塞板６に設置されている。これら支持バー５０、５２と立壁５４、５６との間には間隙部５８（図５）が形成され、この間隙部５８に培養物１２が設置される。また、この間隙部５８を包囲する、培養空間部１０の内壁面１１には培養物１２を内壁面１１に密着させないための山形の突起部６０、６２が対向して形成される。
【００２９】
この培養チャンバ２の導入口３０の構成について、図６及び図７を参照して説明する。図６は導入口３０及びその近傍部分を切断して表した斜視図、図７は、閉塞板とともに導入口３０の近傍部分を示す断面図である。
【００３０】
導入口３０は、培養空間部１０と直交方向に本体部４に形成された貫通孔であり、本体部４の外壁面側を径大孔部６４、内壁面側を小径のノズル孔部６６とし、これら径大孔部６４とノズル孔部６６との間の中間部の口径を階段状に異ならせるとともに、Ｏリング３６を設置する中間孔部６８とともに錐状孔部７０が形成されている。
【００３１】
また、小空間部４４を形成する立壁４０の高さが培養空間部１０の高さより僅かに小さく設定され、小空間部４４から培養空間部１０に培養液１４を導くためのスリット部４６、４８が形成されている。
【００３２】
この培養チャンバ２の排出口３２側の構成について、図８及び図９を参照して説明する。図８は、培養空間部側から見た排出口部分を示す図、図９は、排出口を切断して示した斜視図である。
【００３３】
排出口３２の周囲部には、排出整流部として、排出口３２の中心部で交差する格子状の立壁７２が形成され、この立壁７２は、支持バー５０、５２と平行方向に形成された立壁部７４と、この立壁部７４と直交する立壁部７６とで構成され、この立壁部７６の一方の端面７８は、支持バー５０、５２と同一面に形成されている（図５）。また、立壁７２の排出口３２と対向する部分には、排出口３２の入口部を拡開するため、湾曲面からなる切欠部８０が形成されている。
【００３４】
また、排出口３２は、培養空間部１０と直交方向に本体部４に形成された貫通孔であって、本体部４の外壁面側を径大孔部８２、本体部４の内壁面側を径小孔部８４、これら径大孔部８２と径小孔部８４との間の中間部の口径を階段状に異ならせるとともに、Ｏリング３８を設置する中間孔部８６とともに錐状孔部８８が形成されている。
【００３５】
そして、この培養チャンバ２の培養空間部１０には、図１０（閉塞板６を除いて示した培養チャンバ２）及び図１１（図１０のXI−XI線断面図）に示すように、培養物１２が、突起部６０、６２、支持バー５０、５２、立壁５４、５６に囲まれた空間部分に内壁面１１、１３、１５に密着することなく設置され、培養液１４内に浮遊状態で保持されて維持される。
【００３６】
次に、この培養チャンバ２における培養液１４の送液方法及び流れについて、図１２、図１３及び図１４を参照して説明する。図１２は、導入口及び小空間部から培養空間部に至る培養液の流れを示す図、図１３は、培養空間部内の培養液の流れを示す図、図１４は、培養空間部から排出口に至る培養液の流れを示す図である。
【００３７】
図１２に示すように、導入口３０から培養空間部１０に導入される培養液１４は、径大孔部６４からノズル孔部６６に向かって開口径が狭小化するため、その流速が早くなり、小空間部４４に至る。ノズル孔部６６の前面部に存在する立壁４０により、培養液１４は、その流速が低下されるとともに、スリット部４６、４８側に導かれ、スリット部４６、４８から閉塞板６、８の内壁面１３、１５に沿って流れを生じ、その流れは培養空間部１０の内壁面１１に沿うことになる。
【００３８】
培養空間部１０では、図１３に示すように、培養液１４がコアンダ効果により内壁面１３、１５に沿って移動する。内壁面１３、１５に沿って移動する培養液１４は、徐々に速度を緩めながら、徐々に培養空間部１０内の培養液１４に拡散して混合される。
【００３９】
そして、培養空間部１０内の培養液１４は排出口３２に向かって流れ、排出口３２の近傍では、図１４に示すように、格子状の立壁７２が存在するため、直交部に小さく形成された排出口３２より、培養液１４が排出される。
【００４０】
この培養液１４の流速は、臨界レイノルズ数より小さく、非常に緩やかであるので、流入された培養液１４は、層流状態を維持して流れるとともに、既に満たされている培養液１４に徐々に拡散されて混じり込むとともに、流入された培養液１４と同量の、培養空間部１０の培養液１４が排出される。
【００４１】
次に、この培養チャンバ２の培養液１４の交換機能について、図１５、図１６、図１７、図１８及び図１９に示す実験結果を参照して説明する。図１５は、培養液の培養空間部内の全体的な流れを示す図、図１６は、図１５の（Ａ）に対応する培養液が交換される様子を時系列的に示した図、図１７は、図１５の（Ａ）に対応する培養空間部の各部における培養液の交換変化を示す図、図１８は、図１５の（Ｂ）に対応する培養液が交換される様子を時系列的に示した図、図１９は、図１５の（Ｂ）に対応する培養空間部の各部における培養液の交換変化を示す図である。
【００４２】
実験には、培養チャンバ２の本体部４の内径を３６〔mm〕、深さを１５〔mm〕とし、培養物１２を設置する。この場合、培養空間部１０の容積は、約１５〔ml〕である。培養チャンバ２には、培養空間部１０に満たされた培養液１４中に培養物１２が浮遊している状態である。培養液１４の流れは既述の通りであり、培養チャンバ２の培養空間部１０の容積と同量の１５〔ml〕の培養液１４を培養空間部１０に２．５時間で入れようとすると、１００〔μｌ／min 〕の流量が必要となる。
【００４３】
培養液１４の流速を変化させた場合、流速が遅い場合（単位時間当たりの流量が少ない場合）には、図１５の（Ａ）（図５に示す断面における培養液１４の流れ）に示すように、遮蔽板６、８の内壁面１３、１５側に沿った層流が形成される。即ち、導入口３０に注入された培養液１４は、培養空間部１０の内壁面１３、１５に達し、その後、コアンダ効果により内壁面に沿って薄い膜が漂うように流れ、直接中央部に流れ込まない。非常にゆっくりとした流速の流量では、レイノルズ数は、臨界レイノルズ数より遙かに小さいため、層流が維持される。そのため、内壁面にあたっても、流れは乱れないし、流体は壁に沿って流れる性質があるため、培養液１４は内壁面に沿って流れる。層流であるため、摩擦抵抗は大きく、内壁面に張り付くように漂い、流速を失う。その後、滞留していた培養液１４中に、徐々に新しい培養液１４が拡散し、培養空間部１０の内壁面側から培養物１２側に徐々に新鮮な培養液１４に遷移していく。
【００４４】
また、培養液１４の流量を増し、例えば、１０００〔μｌ／min 〕の流量とした場合には、図１５の（Ｂ）に示す流れとなる。即ち、小空間部４４に導入された培養液１４は、スリット部４６、４８を通路にして流れる。その際、流量が多くなった分、スリット部４６、４８に広がった流れになるので、立壁４０に回り込む流れも生じ、培養空間部１０の内壁面１３、１５と立壁４０との問に扇型に広がった流れも生じる。流速が１０００〔μｌ／min 〕であっても、レイノルズ数は低く例えば、２０程度であり、層流であるがために流れは乱れず、流体の流管は、大きく拡管する。流管の断面積は、急激に拡大するため、連続の理論によって流速は、更に低下する。そのため、流速が失われ、新たに導入された培養液１４は底部側に溜まっていくことになる。
【００４５】
図１５の（Ａ）及び（Ｂ）に示す流速に対応した実験結果を説明すると、図１５の（Ａ）の場合には、図１６及び図１７に示すように、培養空間部１０の内壁面側から徐々に、培養液１４の拡散が生じ、やがて中央部に遷移する。図１７では、培養空間部１０の４個所即ち、Ａ（＝排出口３２部分）、Ｂ（＝遮蔽板６側の壁面）、Ｃ（＝遮蔽板８側の壁面）、Ｄ（＝導入口３０部分）の箇所について、培養液１４の交換推移を示している。また、図１８及び図１９は、図１５の（Ｂ）に対応した実験結果を示す。この場合、培養空間部１０の下側から培養液１４が新しい培養液１４に遷移し、新しい部分と古い部分とが層を成して移動して、古い培養液１４が排出口３２から押し出されるように排出され、このため、培養空間部１０に１．５倍程度の流量が導入された時点で、殆ど新しい培養液１４に交換されることになる。
【００４６】
このような培養液１４の流れは、流体の制御に使われる流体素子の流れに似ている。流体素子では、Ｙ字に分かれた、どちらか一方の方向に流体が流れ、Ｙ字の手前で流れに何らかの作用を与えると、流れが別の方向に切り替わる。この培養空間部１０内の構造では、流量を変えることによって、特定の壁面に添う流れを生じたり、複数の壁面で形成される流管内を拡散する流れに切り替わる層流パターンが生じることが理解できるであろう。このような層流パターンが生じても、流速が低く、培養中の培養物１２への刺激やストレスを与えることはなく、従来の培養で生じた剪段応力等の無用な応力はほとんど生じないことが実験により確認された。
【００４７】
そして、排出口３２側では、一旦広口径から小口径に縮管し、広い口径の手前では、格子状の立壁７２が備えられているので、これにより、流速の早い部分が培養物１２に近づかないようになっており、しかも、立壁７２によって排出口３２が４つの部分に仕切られているので、仮に１つが塞がれたとしても、吸引する圧力は強くならず、培養物１２等が排出口３２側に吸い込まれることがなく、培養空間部１０外に流出することがない。即ち、排出口３２側から流出する培養液１４で渦等の旋回流が生じることがない。また、培養空間部１０に混入した気泡は、広い口径の排出口３２から流出させることができる。
【００４８】
この実施の形態の特徴事項を列挙すれば、次の通りである。
【００４９】
(1) 培養チャンバ２内での培養液１４の交換を制御でき、この培養液１４の交換に際し、培養物１２にストレスを与えないようにすることができる。
【００５０】
(2) 導入される培養液１４をコアンダ効果を利用して内壁面に沿って流し、そこから拡散させることができる。
【００５１】
(3) この培養チャンバ２は、後述の通り、安定した培養液１４の交換をするためには密閉回路を形成し、定量の送液が可能なポンプを用いた培養液１４の循環に適する。
【００５２】
(4) 培養物１２が流速の早いジェット流に晒されることがないので、安定した培養が可能である。
【００５３】
(5) 小空間部４４を前置し、スリット部４６、４８を噴出口にして培養液１４を培養空間部１０に少量ずつ流し、培養液１４の交換を実現している。
【００５４】
(6) 培養液１４の流量を多くすることにより、流管を大きく拡管させ、拡管によって流速を衰えさせ、培養空間部１０の下部から緩やかに新しい培養液１４に遷移させることができる。
【００５５】
(7) 排出口３２側には、大口径の通路を設定して培養液１４の流速を低下させている。この場合、格子状の立壁７２が設けられ、培養物１２が急速な縮流の付近で、流れに晒されることがない。培養物１２の流出も防止できる。
【００５６】
(8) 流量調節により、最適な層流等の流れを選択することができる。
【００５７】
〔第２の実施の形態〕
【００５８】
次に、本発明の第２の実施の形態について、図２０を参照して説明する。図２０は培養装置を示す図である。図２０において、図１及び図１１と同一部分には同一符号を付してある。
【００５９】
この培養装置１００は既述の培養チャンバ２を用いて培養物１２を培養する構成である。この培養チャンバ２は培養回路１０２に組み込まれ、この培養回路１０２には、既述の循環パイプ３４が用いられるとともに、培養液バッグ１０４、ガス交換部１０６、パフューズポンプ１０８、背圧調整弁１１０が設置されている。この培養回路１０２は、インキュベータ１１２に内蔵されている。培養液バッグ１０４には培養に必要な栄養や成長因子、抗生物質が含まれる培養液１４が貯えられている。ガス交換部１０６は、循環パイプ３４に形成されたガス透過機能部であり、インキュベータ１１２の内部空間と培養液１４との間でガス交換を行う。
【００６０】
パフューズポンプ１０８は、培養液１４を連続的又は間欠的に循環させる送液手段であって、電気信号により駆動力を発生させるアクチュエータ１１４をインキュベータ１１２の外部に備えている。また、背圧調整弁１１０は、培養液１４の送液に対応して培養チャンバ２の背圧を調整する手段であって、電気信号により駆動力を発生させるアクチュエータ１１６をインキュベータ１１２の外部に備えている。これらアクチュエータ１１４、１１６には制御装置１１８が接続され、この制御装置１１８は、パーソナルコンピュータ等で構成され、ＣＰＵ（Central Processing Unit ）や、記憶手段としてＲＯＭ（Read-Only Memory）やＲＡＭ（Random-Access Memory）で構成され、ＲＯＭには培養制御プログラムが格納されている。入力装置１２０に入力された設定入力により所望の制御パターンが制御装置１１８よりアクチュエータ１１４、１１６に付与され、培養液１４の循環形態が制御される。例えば、培養液１４について、流量、背圧調整値等を入力装置１２０で選択し、その指示に従い、制御装置１１８により培養運転が実行される。
【００６１】
斯かる構成において、培養液１４は、培養回路１０２をパフューズポンプ１０８の駆動により流れ、ガス交換部１０６でガスの吸収が行われることにより、インキュベータ１１２の内部のガス分圧とほぼ等しいガス分圧となる。即ち、培養に必要な酸素ガスや炭酸ガスを含む培養液１４に調整される。この培養液１４はパフューズポンプ１０８によって培養チャンバ２に送られ、培養物１２である細胞や組織が培養される。培養物１２で培養液１４から養分や酸素ガス等が消費され、培養物１２から滲出した滲出物が培養液１４に混入する。培養チャンバ２の培養液１４は、背圧調整弁１１０により圧力が調整され、培養液バッグ１０４に至る。
【００６２】
このような培養装置１００において、既述の培養チャンバ２が設置されることにより、培養液バッグ１０４から供給される培養液１４が培養チャンバ２内でコアンダ効果により内壁面に沿って流れ、拡散されて迅速に交換されるとともに、その交換の際に、培養物１２に過度な刺激やストレスを与えることがなく、最適な培養環境の形成に寄与する。
【００６３】
この培養液１４の循環については、パフューズポンプ１０８の駆動により、徐々に新しい培養液１４を培養チャンバ２に少量ずつ継続的に送り込んで培養チャンバ２内の培養液１４を交換する方法と、一定時間の間隔を以て一括して（但し、急速にではなく）送ることにより、培養液１４を交換する方法があるが、いずれの方法でもよく、また、これらを組み合わせてもよい。また、培養液１４は、背圧調整弁１１０を通過後、使用済みの培養液１４を培養液バッグ１０４とは別のバッグに排出し、培養チャンバ２には常に新鮮な培養液１４を供給するようにしてもよい。
【００６４】
〔第３の実施の形態〕
【００６５】
次に、本発明の第３の実施の形態について、図２１を参照して説明する。図２１は第３の実施の形態に係る培養チャンバを示す図である。図２１において、図１１と同一部分には同一符号を付してある。
【００６６】
この培養チャンバ２には、既述の閉塞板８に代えて受圧板１２２が設置され、この受圧板１２２を介して外部からの加圧力を培養物１２に加える構成である。受圧板１２２は例えば、ＰＦＡ（tetrafluoroethylene perfluoroalkyl vinyl ether）フィルムで構成すればよい。そして、この受圧板１２２には加圧装置１２４が設置され、この加圧装置１２４を既述の制御装置１１８で制御するように構成すれば、培養物１２に加圧装置１２４からの加圧力によって所望の刺激を付与することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
本発明は、培養液を用いた培養チャンバに関し、培養液の交換機能を高めるとともに、培養物に対する過大な刺激やストレスを生じさせることがなく、ヒトや動物の細胞や組織の培養に広く利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】第１の実施の形態に係る培養チャンバを示す斜視図である。
【図２】培養チャンバを示す分解斜視図である。
【図３】閉塞板を示す斜視図である。
【図４】培養チャンバの内部を示す図である。
【図５】図４のＶ−Ｖ線断面図である。
【図６】導入口部を切断して示した本体部の一部を示す斜視図である。
【図７】導入口部を切断した本体部の一部を示す断面図である。
【図８】培養空間部から排出口部を見て示した本体部の一部を示す斜視図である。
【図９】排出口部を切断して示した本体部の一部を示す斜視図である。
【図１０】培養物を設置した培養チャンバを示す平面図である。
【図１１】図１０のXI−XI線断面図である。
【図１２】導入口部における培養液の流れを示す図である。
【図１３】培養空間部の培養液の流れを示す図である。
【図１４】排出口部における培養液の流れを示す図である。
【図１５】培養空間部の培養液の流れを示す図である。
【図１６】培養液の交換状態を示す図である。
【図１７】培養液の交換状態を示す図である。
【図１８】培養液の交換状態を示す図である。
【図１９】培養液の交換状態を示す図である。
【図２０】第２の実施の形態に係る培養装置を示す図である。
【図２１】第３の実施の形態に係る培養チャンバを示す図である。
【図２２】従来の培養液の交換を示す図である。
【図２３】従来の培養液の交換を示す図である。
【符号の説明】
【００６９】
２ 培養チャンバ
１０ 培養空間部
１１ 第１の内壁面
１２ 培養物
１３、１５ 第２の内壁面
１４ 培養液
３０ 導入口
３２ 排出口
４０ 立壁（整流部）
４４ 小空間部（整流部）
５０、５２ 支持バー（支持部）
５４、５６ 立壁（支持部）
７２ 立壁（排出整流部）
１００ 培養装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
培養液を用いて培養物を培養する培養チャンバであって、
前記培養液とともに前記培養物を収容する培養空間部と、
この培養空間部に前記培養液を導入させる導入部と、
前記培養空間部から前記培養液を排出させる排出部と、
前記培養空間部の前記導入部側に形成されて、前記導入部から前記培養空間部に導入された前記培養液に、前記導入部と前記排出部とを結ぶ仮想線と交差方向に向けて前記培養空間部の内壁面から拡散することにより、前記排出部に至る液流を生じさせる整流部と、
を備える構成としたことを特徴とする培養チャンバ。
【請求項２】
請求項１に記載の培養チャンバにおいて、
前記培養空間部の前記排出部側に形成されて、前記培養空間部の内壁面から導かれる前記培養液を前記排出部に導く排出整流部を備えることを特徴とする培養チャンバ。
【請求項３】
請求項１に記載の培養チャンバにおいて、
前記培養空間部は、曲面を成す第１の内壁面と、この第１の内壁面と交差方向に形成された平坦面を成す第２の内壁面とを含むことを特徴とする培養チャンバ。
【請求項４】
請求項１に記載の培養チャンバにおいて、
前記整流部から前記排出部側に橋絡する支持部を備えたことを特徴とする培養チャンバ。
【請求項５】
請求項１に記載の培養チャンバにおいて、
前記導入部は、前記培養液を通過させる通路径を前記排出部より小さく設定したことを特徴とする培養チャンバ。
【請求項６】
請求項３に記載の培養チャンバにおいて、
前記第１の内壁面の中途部に突部を設けたことを特徴とする培養チャンバ。
【請求項７】
請求項１〜請求項６記載の培養チャンバを備えて前記培養物を培養する培養装置。
【請求項８】
培養物を培養する培養液の送液方法であって、
前記培養物が収容された培養空間部内に導入される培養液を、その導入方向と交差する方向に導き、前記培養空間部の内壁面から拡散させて排出させる液流を形成することを特徴とする培養液の送液方法。
【請求項１】
培養液を用いて培養物を培養する培養チャンバであって、
前記培養液とともに前記培養物を収容する培養空間部と、
この培養空間部に前記培養液を導入させる導入部と、
前記培養空間部から前記培養液を排出させる排出部と、
前記培養空間部の前記導入部側に形成されて、前記導入部から前記培養空間部に導入された前記培養液に、前記導入部と前記排出部とを結ぶ仮想線と交差方向に向けて前記培養空間部の内壁面から拡散することにより、前記排出部に至る液流を生じさせる整流部と、
を備える構成としたことを特徴とする培養チャンバ。
【請求項２】
請求項１に記載の培養チャンバにおいて、
前記培養空間部の前記排出部側に形成されて、前記培養空間部の内壁面から導かれる前記培養液を前記排出部に導く排出整流部を備えることを特徴とする培養チャンバ。
【請求項３】
請求項１に記載の培養チャンバにおいて、
前記培養空間部は、曲面を成す第１の内壁面と、この第１の内壁面と交差方向に形成された平坦面を成す第２の内壁面とを含むことを特徴とする培養チャンバ。
【請求項４】
請求項１に記載の培養チャンバにおいて、
前記整流部から前記排出部側に橋絡する支持部を備えたことを特徴とする培養チャンバ。
【請求項５】
請求項１に記載の培養チャンバにおいて、
前記導入部は、前記培養液を通過させる通路径を前記排出部より小さく設定したことを特徴とする培養チャンバ。
【請求項６】
請求項３に記載の培養チャンバにおいて、
前記第１の内壁面の中途部に突部を設けたことを特徴とする培養チャンバ。
【請求項７】
請求項１〜請求項６記載の培養チャンバを備えて前記培養物を培養する培養装置。
【請求項８】
培養物を培養する培養液の送液方法であって、
前記培養物が収容された培養空間部内に導入される培養液を、その導入方向と交差する方向に導き、前記培養空間部の内壁面から拡散させて排出させる液流を形成することを特徴とする培養液の送液方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【公開番号】特開２００７−２０４９３（Ｐ２００７−２０４９３Ａ）
【公開日】平成１９年２月１日（２００７．２．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２０８７５２（Ｐ２００５−２０８７５２）
【出願日】平成１７年７月１９日（２００５．７．１９）
【出願人】（０００１７０１３０）高木産業株式会社 (87)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年２月１日（２００７．２．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年７月１９日（２００５．７．１９）
【出願人】（０００１７０１３０）高木産業株式会社 (87)
【Ｆターム（参考）】
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