細胞又は組織の培養装置及び培養方法
【課題】細胞及び／又は組織を含む培養物の培養装置及び培養方法に関し、人等の体の部位に適正な細胞及び／又は組織の培養装置及び培養方法を提供する。
【解決手段】培養物を収容する培養器部４と、前記培養器部の内外に貫通させ、前記培養器部の壁部又はその近傍に設定された支点を中心に円弧運動することが可能なレバー７０とを備え、前記レバーを操作して前記培養物に変位を付与する構成である。細胞及び／又は組織を含む培養物に曲げ力を作用させることができ、培養器部内の培養液の増減を伴うことなく、即ち、培養液に対する圧力を増減させることなく、培養器部内の培養物に対して培養に必要な変位を付与し得る。湾曲させることにより、その凹の部分から凸の部分の厚み方向に連続的な圧縮と伸長とを生じさせている。
【解決手段】培養物を収容する培養器部４と、前記培養器部の内外に貫通させ、前記培養器部の壁部又はその近傍に設定された支点を中心に円弧運動することが可能なレバー７０とを備え、前記レバーを操作して前記培養物に変位を付与する構成である。細胞及び／又は組織を含む培養物に曲げ力を作用させることができ、培養器部内の培養液の増減を伴うことなく、即ち、培養液に対する圧力を増減させることなく、培養器部内の培養物に対して培養に必要な変位を付与し得る。湾曲させることにより、その凹の部分から凸の部分の厚み方向に連続的な圧縮と伸長とを生じさせている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、再生医療分野、ティッシュエンジニアリング（Tissue Engineering）の分野における細胞又は組織の培養に関し、三次元組織又は器官再生のための三次元組織培養方法、具体的には、細胞構成体（Cell construct) として、細胞、細胞担体（Scaffold）、細胞が産出する細胞外マトリクス（Extracellar Matrix：ＥＣＭ）の何れかを含み、場合により、培養液や、その他の添加物や、グロスファクター或いは薬品等を添加して行う培養に用いられる培養装置及び培養方法に関する。
【０００２】
要するに、本発明の培養装置及び培養方法は、従来の静置培養と異なり、物理作用併用の三次元培養に関する培養装置であって、細胞構成体の細胞に積極的に刺激を与えるとともに、細胞構成体に変位を与え、増殖、細胞移動、物質移動を促し、分化の促進又は停止により、目的とする再生組織の実現を図るものである。
【背景技術】
【０００３】
細胞や組織の培養には、培養しようとする細胞や組織に圧力や張力等の物理刺激を与える方法が検討され、各種のバイオリアクタ等が提案されている。二次元培養（平面培養）は、平底培養基材を用いる培養方法であり、一般的には、インキュベータ内での静置培養である。浮遊培養は、非接着性の細胞を浮遊培養する方法である。これもインキュベータ内で静置培養する。三次元培養は、細胞を播種した細胞担体をインキュベータ内で静置し、培養するのが一般的方法である。三次元培養（バイオリアクタ使用）は、細胞担体に細胞を接着又は包含させ、培養液の攪拌等の処理を行うのが一般的であるが、細胞担体の三次元培養で細胞に加圧、圧縮、張力、せん断等の物理的作用を付加する培養方法も考えられている。
【０００４】
物理的作用を与えるための培養装置は、「バイオリアクタ」、「ティッシュエンジニアリングプロセッサ」等と称され、ティッシュエンジニアリングの培養実験や再生医療のための体外（in vitro）における細胞・組織の培養装置として実用化が期待されている。
【０００５】
このような細胞や組織の培養、その培養に用いられる物理的な変位や応力、刺激を与える機能を有するバイオリアクタに関し、圧力、振動（超音波）を用いる例として、特許文献１には、細胞又は組織の培養方法及びその装置が開示され、圧力を用いる例として、特許文献２には、生体内、生体外及び試験管内での軟骨及びコラーゲンの修復及び再生並びに骨再形成方法が開示され、せん断力を用いる例として、特許文献３には、細胞・組織培養装置が開示され、引っ張り力を用いる例として、特許文献４には、細胞・組織培養装置が開示され、圧縮力を用いる例として、特許文献５には、圧縮力を用いる例として、細胞・組織培養装置が開示され、せん断力を用いる例として、特許文献６には、細胞培養装置が開示され、引っ張り力を用いる例として、特許文献７には、シリコンベルトを使った培養細胞用伸縮刺激負荷装置が開示され、引っ張りとせん断とを併用する例として、特許文献８には、組織、 合成又は天然血管移植片の滅菌、接種、培養、保存、輸送、並びに検査を行う装置及び方法が開示されている。また、特許文献９には、膜体状に保持された細胞に膜体によって歪みを生じさせる培養方法等が開示されている。また、特許文献１０及び特許文献１１には、培養に半透膜を利用することが開示されている。様々な物理的作用及び刺激の付与や、半透膜の利用による細胞等の培養についての試みがなされている。
【特許文献１】特開２００１−２３８６６３号公報（要約等）
【特許文献２】特表２００４−５１２０３１号公報（要約等）
【特許文献３】特開２００２−３１５５６６号公報（要約等）
【特許文献４】特開２００３−０６１６４２号公報（要約等）
【特許文献５】特開２００３−１８０３３１号公報（要約等）
【特許文献６】特開平０９−３１３１６６号公報（要約等）
【特許文献７】特開平１０−１５５４７５号公報（要約等）
【特許文献８】特表平１１−５０４２１６号公報（要約等）
【特許文献９】特開２００５−１４３３４３号公報（要約等）
【特許文献１０】ＷＯ２００６／０１５３０４Ａ２（要約等）
【特許文献１１】特表２０００−５１３２１４号公報（要約等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、人体には、種々の応力を受けている部位が存在し、これらの部位の修復に用いる組織はその部位毎に異なるものである。例えば、椎間板、半月板、骨、繊維軟骨、心臓の弁では体内で曲げ力を受けている。この曲げ応力は、単純な圧力、圧縮、引っ張り、せん断等とは異なるものである。斯かる曲げ力を受けている部位に対し、単純な圧力、圧縮、引っ張り、せん断等の刺激ファクタを以て培養された組織を適用させることでは不十分である。
【０００７】
このため、本発明者は、培養する細胞や組織に付与する刺激又は負荷として曲げが細胞や組織の増殖等に極めて有益であることに気づいたのである。斯かる課題については、特許文献１〜１１には開示されておらず、その示唆もない。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、細胞及び／又は組織を含む培養物の培養装置及び培養方法に関し、人等の体の部位に適正な細胞及び／又は組織の培養装置及び培養方法を提供することにある。
【０００９】
また、本発明の他の目的は、人等の体の部位に適正な細胞及び／又は組織の培養装置に関し、培養物を湾曲又は伸縮させることにより、適正な細胞及び／又は組織の培養に寄与することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、本発明の培養装置は、細胞及び／又は組織を含む培養物に曲げ力を作用させることができ、培養器部内の培養液の増減を伴うことなく、即ち、培養液に対する圧力を増減させることなく、培養器部内の培養物に対して培養に必要な変位を付与し得る。具体的には、湾曲させることにより、その凹の部分から凸の部分の厚み方向に連続的な圧縮と伸長とを生じさせ、従前の加圧、せん断、引っ張りでは得られない物理的な刺激や負荷を培養物に付与することにより、曲げを伴う部位の組織の修復に適合する培養物を実現するものである。本発明は、このような曲げに限定されるものではなく、培養器部内の培養液の増減を伴うことなく、即ち、培養液に対する圧力を増減させることなく、培養に必要な運動や刺激等を培養物に付与することができる。
【００１１】
そこで、上記目的を達成するため、本発明の第１の側面は、細胞及び／又は組織を含む培養物の培養装置であって、前記培養物を収容する培養器部と、前記培養器部の内外に貫通させたレバーとを備え、前記レバーを操作して前記培養物に変位を付与する構成である。斯かる構成により、上記目的を達成することができる。
【００１２】
また、上記目的を達成するため、本発明の第２の側面は、細胞及び／又は組織を含む培養物の培養装置であって、前記培養物を載置するベッドと、このベッドとともに前記培養物を収容する培養器部と、前記培養器部の内外に貫通させたレバーと、前記レバーを操作して前記ベッドを押し、前記ベッドの湾曲変形により前記培養物に変位を付与する駆動手段とを備える構成である。斯かる構成により、上記目的を達成することができる。
【００１３】
上記目的を達成するためには、上記培養装置において、好ましくは、前記レバーは、前記培養器部の壁部又はその近傍に設定された支点を中心に円弧運動する構成としてもよく、斯かる構成により、上記目的を達成することができる。
【００１４】
また、上記目的を達成するため、本発明の第３の側面は、細胞及び／又は組織を含む培養物の培養装置であって、前記培養物を載置するベッドと、このベッドとともに前記培養物を収容する培養器部と、前記培養器部の内外に貫通させ、前記培養器部の壁部又はその近傍に設定された支点を中心に円弧運動することが可能なレバーと、前記レバーを操作して前記ベッドに伸縮力を付与し、前記ベッドの伸縮変形により前記培養物を伸縮させる駆動手段とを備える構成である。斯かる構成により、上記目的を達成することができる。
【００１５】
また、上記目的を達成するため、本発明の第４の側面は、細胞及び／又は組織を含む培養物の培養方法であって、培養器部に前記培養物を収容し、前記培養器部の内外に貫通させたレバーに、前記培養器部の壁部又はその近傍に設定された支点を中心に円弧運動を付与し、この円弧運動によって前記培養物に曲げ変位を付与する構成である。斯かる構成により、上記目的を達成することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、次の効果が得られる。
【００１７】
(1) 培養中の培養物に曲げる等の変位（応力) を加え、純粋に曲げ動作を生じさせることができる。
【００１８】
(2) 椎間板等の体内で曲げ力を受ける組織の再生に使用できる。
【００１９】
(3) 幹細胞は分化を、組織細胞は脱分化を防ぐことが期待でき、組織構造等に方向性がある場合、その配列方向を一様にでき、体内の組織と同等のものを得ることができる。
【００２０】
(4) 圧力等、他の物理作用を排除し、又は最小にして、曲げ作用で必要な組織の培養ができる。
【００２１】
(5) 細胞移動をし易くすることが期待できる。
【００２２】
(6) 栄養物、酸素を三次元細胞構成体の内部まで浸透させることができ、老廃物を排出することが期待できる。
【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ないし図１２を参照して説明する。図１は、培養装置の第１の実施の形態に係る培養ユニットを示す縦断面図、図２は培養器部を示す分解斜視図、図３は、カバー部を含む培養器本体部を示す分解斜視図、図４は、カバー部の下面側を示した斜視図、図５は、駆動部を示す分解斜視図、図６は、培養器部からカバー部を外して示した培養ユニットを示す平面図、図７は、培養ベッドを拡大して示した斜視図、図８は、アクチュエータを示す正面図、図９は、アクチュエータを示す平面図、図１０及び図１１は、アクチュエータにおける運動変換部の具体例を示す図、図１２は、培養装置の制御系統の一例を示す図である。図１０及び図１１において、図８及び図９のアクチュエータと共通部分には同一符号を付してある。
【００２５】
この第１の実施の形態は、培養物である細胞構成体に対して曲げ変位を付与する培養ユニットを示している。この培養ユニット２は、図１に示すように、培養チャンバとして培養器部４と、培養器部４内の培養物である例えば、細胞構成体６に所望の運動を付与する駆動部８とを備えている。以下、各機能部の構成及び機能を述べ、培養方法に言及する。
【００２６】
Ａ）培養器部（培養チャンバ）４
【００２７】
培養器部４は、細胞構成体６の培養空間を構成し、細胞構成体６に対して培養液４８（図６）や、培養に必要な変位や刺激を付与する機能部である。そこで、この培養器部４は、図２に示すように、培養器本体部１０と、培養器底部１２と、カバー部１４とを備えている。培養器本体部１０は例えば、偏平状の円筒体であって、シリンダ状の培養空間部１６を形成している。
【００２８】
培養器底部１２は、培養空間部１６を塞ぐダイヤフラム部２０を備え、培養器本体部１０の下面側に、密閉手段である例えば、Ｏリング２２を介して複数の固定ねじ２３により取り付けられる。ダイヤフラム部２０は、培養空間部１６に外部から圧力を加えるために設置されており、培養器底部１２には、培養空間部１６に対応する箇所に筒状の立壁部２４が形成され、この立壁部２４で包囲された窓部２６が形成され、加圧装置２７とともに、圧力センサ２９が設置される。加圧装置２７は、水等の流体を媒介としてダイヤフラム部２０を通してその圧力Ｐを培養空間部１６に加える。この圧力Ｐは、圧力センサ２９によって検出される。
【００２９】
培養器本体部１０の上部には図３に示すように、円筒状の立壁部２８によって窓部３０が形成され、立壁部２８の内側及び外側にＯリング３２、３４を介在させてカバー部１４が着脱可能に取り付けられている。
【００３０】
また、培養器本体部１０の培養空間部１６には、その内壁面に棚部３８、４０が形成され、これら棚部３８、４０には、両者間に跨がって培養ベッド３６が載置される。培養器本体部１０には、培養ベッド３６の位置決め突部４２（図６）、４４が形成され、一方の位置決め突部４２に培養ベッド３６の縁部を当て、他方の位置決め突部４４を培養ベッド３６の係合凹部４６に係合させることにより、培養ベッド３６は、培養空間部１６の所定位置に位置決めされ、着脱可能に保持される。即ち、培養ベッド３６の高さ位置は、棚部３８、４０によって決定され、水平方向の位置及び角度は、位置決め突部４２と培養ベッド３６の位置、位置決め突部４４と係合凹部４６との位置関係及び係合によって決定される。
【００３１】
また、培養ベッド３６は、培養空間部１６の上下方向においても保持される。図４に示すように、カバー部１４の下面側には、培養ベッド３６側に突出する複数の支持突部４７が形成されており、この支持突部４７が培養ベッド３６の縁部側に接触して培養ベッド３６を保持し、培養ベッド３６の上下方向の自由移動が阻止される。
【００３２】
培養器本体部１０には、図６に示すように、培養液４８を培養空間部１６に流し込む入側ポート部５０と、培養空間１６から培養液４８を排出させる出側ポート部５２とが形成されている。入側ポート部５０の貫通孔５４は、培養ベッド３６を載置する棚部３８の下側に開口されており、位置決め突部４２に開口した透孔部５６に連通している。また、出側ポート部５２の貫通孔５８は、培養ベッド３６を載置する棚部４０の下側に開口されており、棚部４０に開口した透孔部６０に連通している。従って、入側ポート部５０から供給される培養液４８は棚部３８の下側に流れ込み、位置決め突部４２の透孔部５６から培養ベッド３６の上側に至り、培養空間部１６内を経て貫通孔５８に至るが、その一部は培養ベッド３６の上部から棚部４０の透孔部６０を経て出側ポート部５２に至る。入側ポート部５０には循環パイプ５１、出側ポート部５２には循環パイプ５３が連結され、これら循環パイプ５１、５３は培養液４８の循環路を構成する。
【００３３】
培養器本体部１０には、図１、図２、図３及び図６に示すように、ジョイント部６２が取付ねじ６５によって固定され、培養空間部１６と駆動部８との間には培養器本体部１０の壁部を跨がってレバー７０が設置されている。このレバー７０は、培養器本体部１０の壁部に設定された支点７２（図１）を中心に円弧回動が可能であり、駆動部８によって付与される駆動力により、その先端部が上下動し、その先端部が培養ベッド３６に接触することにより、培養ベッド３６を湾曲させることができ、培養ベッド３６に保持されている細胞構成体６に変位動作を付与することができる。
【００３４】
レバー７０は、図３に示すように、培養空間部１６側から作用部７４、径小部７６、径大部（シール部）７８、フランジ部８０、円柱部８２、先端部を最も先鋭にした円錐部８４を備えている。フランジ部８０は、作用部７４側から見て前面側をフラット面とし、後面側に球面からなる摺動面８６を備えている。
【００３５】
培養器本体部１０にはレバー７０を貫通させる貫通孔８８が形成され、貫通孔８８は、培養空間部１６側のレバー７０の回動を許容するために培養空間部１６側に向かって径大に形成され、レバー７０と培養器本体部１０の壁部との気密性を保持するため、Ｏリング９０が設置されている。このＯリング９０の中心がレバー７０の回動中心であり、既述の支点７２を構成する。このＯリング９０とレバー７０のフランジ部８０との間には、環状のレバーガイド９２が設置されており、レバー７０は、Ｏリング９０の中心を回転中心として回動する構成である。
【００３６】
また、ジョイント部６２は駆動部８のフレーム６４と培養器本体部１０とを結合するための部材であり、図６に示すように、取付ねじ６６、６８によって固定され、このジョイント部６２の突出部９６（図３）を貫通孔８８に対応する凹部９８（図１）に係合させるとともに、この突出部９６にはレバー７０のフランジ部８０の摺動面８６と接する球面からなる摺動面１００が形成されている。また、ジョイント部６２には、レバー７０の回動を許容するための開口端側を径大にした透孔部１０２が形成されている。
【００３７】
この培養器部４において、ダイヤフラム部２０は例えば、シリコーンゴムのような成分の溶出等がない安全性の高い柔軟材料で形成する。ダイヤフラム部２０は薄く形成され、その周囲にはＯリング部２２が形成されている。ダイヤフラム部２０が薄い膜状であるのは、外側の圧力Ｐを培養空間部１６内に伝えるための構成であって、培養器部４の圧力をダイヤフラム部２０を隔てて反対側の圧力と概ね同圧にするためである。また、レバー７０は、Ｏリング９０によってシールされ、培養器本体部１０の気密性及び水密性が保持されている。
【００３８】
Ｂ）駆動部８
【００３９】
駆動部８は、外部から付与される駆動力を受けて、細胞構成体６に変位動作を付与するレバー７０を駆動する機能部である。そこで、駆動部８のフレーム６４には、図１及び図５に示すように、カバー部１０４が複数のねじ１０６によって固定される。カバー部１０４はワイヤ１１０を通して駆動力を受ける。また、カバー部１０４には、上下動する第１のスライダ１１２が摺動可能に取り付けられ、このスライダ１１２の先端部がレバー７０に当接している。そして、フレーム６４にはスライダ１１２と同一直線上に配置された第２のスライダ１１４が設置され、このスライダ１１４とフレーム６４との間にはスライダ１１４を上方に移動させるために復元力を作用させるスプリング１１６が設置されている。スプリング１１６は、スライダ１１２を移動前の位置に戻す戻しばねを構成する。
【００４０】
スライダ１１２にはワイヤ１１０の先端部が取り付けられ、ワイヤ１１０の外面部には外筒部１１８が備えられ、ワイヤ１１０は外筒部１１８と独立して摺動可能である。ワイヤ１１０と外筒部１１８を以てケーブル１１９が構成されている。外筒部１１８は、固定ナット１２０を貫通し、固定ナット１２０によってカバー部１０４に固定されている。固定ナット１２０とカバー部１０４との間にはスライドブッシュ１２２が設置されている。ワイヤ１１０の端部にはスライダ１１２を上下動させるための駆動源としてアクチュエータ１２４（図８、図９）が取り付けられる。この場合、スライダ１１２が下降すると、レバー７０とともにスライダ１１４が押し下げられ、その駆動力を解除すると、スライダ１１２、１１４がスプリング１１６の復元力により、元の位置に復帰する。
【００４１】
また、フレーム６４には、レバー７０を挿入するための開口部１２６が形成されているとともに、レバー７０の挿入をガイドするガイド板１２８、１３０が開口部１２６からスライダ１１２、１１４の間に挿入されている。このガイド板１２８、１３０の間にレバー７０の円錐部８４を挿入すれば、スライダ１１２、１１４の間の所定位置にレバー７０を容易に挿入することができる。
【００４２】
Ｃ）培養ベッド３６
【００４３】
培養ベッド３６は、細胞構成体６を保持するとともに、細胞構成体６に変位動作を伝達する手段であって、培養ベッド３６が持つ弾性を利用して細胞構成体６を変位動作前の状態に戻す機能部である。培養空間部１６には例えば、細胞構成体６が培養ベッド３６に載置されて収容される。
【００４４】
培養ベッド３６には、図７に示すように、２つの細胞構成体６を平行に載置する載置部１３６が備えられ、、この載置部１３６は、外部からの作用を受けて変形する受力部を構成しており、２つの細胞構成体６を平行に載置する面積及び形状を持ち、各細胞構成体６に曲げ運動を付与するため、弾性材料により板状に形成されている。弾性材料として例えば、ばね用ステンレス鋼板やその他のばね性の高い材料が用いられる。この場合、培養ベッド３６の全体を弾性材料で形成してもよく、曲げ運動を可能にする載置部１３６又はその一部を弾性材料で形成してもよい。載置部１３６は、フラットな板状部に限定されるものではなく、ネット状であってもよい。また、バネ材の成分溶出を防ぐため、安定なコーティングを施してもよい。
【００４５】
この載置部１３６は長方形状であって、その長手方向の端部には長方形状の立壁部１３８、１４０が形成され、各立壁部１３８、１４０は載置部１３６に対して直角をなすとともに、各細胞構成体６が挿入される楕円形の透孔部１４２が形成されている。この透孔部１４２は、細胞構成体６の両端を固定する役目がある。また、各立壁部１３８、１４０は、各細胞構成体６の寸法に応じて所定の高さｈに設定されている。
【００４６】
各立壁部１３８、１４０の頂部には、載置部１３６と平行して一定幅を持つ支持面部１４４、１４６が形成され、各支持面部１４４、１４６には、その一部を折り返して各立壁部１３８、１４０と平行に折返し部１４８が形成されている。各折返し部１４８により、各支持面部１４４、１４６及び各立壁部１３８、１４０が補強されているとともに、細胞構成体６が固定される。即ち、薄い板状部からなる載置部１３６と同一の板材で各支持面部１４４、１４６及び各立壁部１３８、１４０を形成しても十分な強度が得られ、この実施の形態の場合、長手方向のみに曲がる。また、培養ベッド３６には、支持面部１４４側を固定するため、図６に示す位置決め突部４４に対応するＵ字形の係合凹部４６が形成されている。
【００４７】
また、載置部１３６の中間縁部には、載置される細胞構成体６の側面部を支える支持壁部１５２、１５４が形成され、各支持壁部１５２、１５４の頂部には、細胞構成体６の上面部を覆う押え部１５６、１５８が形成されている。各支持壁部１５２、１５４は載置部１３６と直交する壁部であって、その高さは既述の立壁部１３８、１４０と同様である。また、各押え部１５６、１５８は載置部１３６と平行面を構成している。細胞構成体６は載置部１３６と各押え部１５６、１５８との間隔内に配置される。各押え部１５６、１５８の終端部は曲面部を構成し、両者間には細胞構成体６の着脱のための間隔１６０が設定されている。
【００４８】
ここで、培養器部４に関し、その構成材料は、培養物や培養液に対する安定性、経済性、耐滅菌性、加工性、耐磨耗性、取扱性等から選択される。培養液４８に接触する部品、例えば、培養器本体部１０、カバー部１４、Ｏリング３２、３４、９０、培養ベッド３６、レバー７０は、構成材料から物質の溶出がない安定性の高いものを使用すべきであり、例えば、ステンレス鋼材、プラスチック等を使用することができる。ステンレス鋼材は、安定性、耐滅菌性に優れ、プラスチックは加工性に優れ、軽量化や使い捨て等の取扱性に優れる。
【００４９】
プラスチックを使用した場合には、雑菌による汚染や他人の細胞又は遺伝子による汚染を防ぐ必要から使い捨てが可能であり、ステンレス鋼材に比較して安価である。また、培養器部４は、組み立てられた状態で滅菌する必要があるが、ステンレス鋼材及びプラスチックは、何れも滅菌処理に耐えられる。例えば、１２１℃、２気圧の条件で滅菌処理を行うオートクレープでは、充分な耐熱性が求められるが、このような処理にはＰＴＦＥ、ＥＴＦＥ、ＰＦＡ等のフッ素樹脂、或いはポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、ポリカーボネート、硝子強化のＰＥＴ、ポリエーテルサルフォン等が適する。γ線や電子線による滅菌処理では、ＥＴＦＥ、或いはポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、ポリカーボネート、ＰＥＴ、ポリエチレン、ポリプロピレン等が適する。
【００５０】
培養器部４において、ジョイント部６２、レバーガイド９２等では、レバー７０のフランジ部８０との摺動が繰り返されるので、耐磨耗性が要求される。そこで、ポリアセタールやポリエチレン、ポリプロピレン、ＰＴＦＥ、ＥＴＦＥ、ＰＦＡ等のフッ素樹脂が適している。
【００５１】
カバー部１４を外すことなく、その内部を観察するためには、透明な材料が適する。カバー部１４には、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、ポリカーボネート、ＰＥＴ等の透明材料が適する。
【００５２】
培養物の汚染を防止するには、滅菌処理は不可欠であるから、滅菌に対する耐性からの材料の選択は重要である。滅菌処理がオートクレープでもγ線や電子線のどちらでも可能で、且つ、それぞれの部品が必要とする機能性等を考慮すれば、最適材料は次の通りである。
【００５３】
培養器本体部１０や培養器底部１２及びカバー部１４には、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、又は、ポリカーボネート、Ｏリング３２、３４、９０には、フッ素ゴム、シリコーンゴム、ダイヤフラム部２０やＯリング２２には、フッ素ゴム、シリコーンゴム、又はＥＴＦＥＥフィルム、ジョイント部６２やレバーガイド９２には、ＥＴＦＥ、レバー７０には、ステンレス鋼（ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３０４）、培養ベッド３６には、ばね用ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４ＣＳＰシリーズ）が適する。
【００５４】
ばね用ステンレス鋼は、ＳＵＳ３１６シリーズに比べて耐食性が若干劣るので、それを補うには、例えば、ダイヤモンド・ライク・コーティング（ＤＬＣ）等のコーティングを施せばよい。
【００５５】
洗浄を綿密に行って再使用を前提とするのであれば、プラスチックに代え、ステンレス鋼ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３０４を使用すればよい。培養ベッド３６の構成材料について、加圧により必要な変位運動を生じさせ、変位前の状態に戻す機能が不可欠であるから、例えば、ばね用ステンレス鋼板等の強靱な弾性材料を用いればよい。
【００５６】
Ｄ）アクチュエータ１２４
【００５７】
アクチュエータ１２４は、駆動部８に外部からレバー７０の駆動力を付与する駆動源を構成している。図８及び図９に示すように、アクチュエータ１２４は、モータ回転をワイヤ１１０の進退移動に変換し、その移動を駆動部８のスライダ１１２に加える。そこで、駆動部８のワイヤ１１０は、外筒部１１８とともにアクチュエータ１２４に導かれ、その端部がクランクレバー１６２にワイヤ止めねじ１６４を以て固定されている。ワイヤ１１０を被覆する外筒部１１８は、アクチュエータ１２４のフレーム部１６６に中継部材として設置された補強板１６８の固定部１７０に固定されている。
【００５８】
クランクレバー１６２は、ベア軸受１７２を介してクランク軸１７４に固定されている。クランク軸１７４が固定されたクランク１７６には、モータ１７８が取り付けられている。モータ１７８は、例えば、ＤＣモータで構成される。このモータ１７８には、回転を検出するエンコーダ１８０が設置されている。
【００５９】
アクチュエータ１２４のフレーム部１６６には、回転調節器１８２、電源スイッチ１８３、運転スイッチ１８４、回転調節ダイヤル１８６の他、回転数等を表示する表示装置１８８が設置されている。
【００６０】
このアクチュエータ１２４のクランク機構を拡大して示した例として、図１０に示すように、モータ１７８の回転軸１９０にクランク１７６を示すクランクアーム１９２が取り付けられ、このクランクアーム１９２にクランク軸１７４によってクランクレバー１６２が回動可能に取り付けられ、このクランクレバー１６２にワイヤ１１０の端部がワイヤ止めねじ１６４によって固定されている。
【００６１】
斯かる構成によれば、モータ１７８の回転により、回転軸１９０を中心にクランクアーム１９２が回転し、その先端にクランク軸１７４で取り付けられたクランクレバー１６２が、図１１の一点鎖線Ｘで示す軌道を描くように動く。その先端部に固定されたワイヤ１１０がクランクアーム１９２の長さＳに応じたストローク２Ｓに応じて前後動し、この変位運動がワイヤ１１０を通じて駆動部８に付与される。この変位運動がレバー７０に伝えられ、レバー７０に円弧運動を生じさせる。
【００６２】
なお、クランクアーム１９２を連続回転する必要はなく、ステッピングモータやサーボモータにより必要な角度だけ変移させても、同様にレバー７０の変移運動を得ることができる。
【００６３】
このアクチュエータ１２４には、図１２に示すように、モータ１７８を制御する制御装置２００が備えられ、この制御装置２００には、加圧装置２７、圧力センサ２９、モータ１７８、エンコーダ１８０、回転調節器１８２、電源スイッチ１８３、運転スイッチ１８４、表示装置１８８等が接続されている。制御装置２００には、回転調節ダイヤル１８６によって回転調節器１８２に回転数が設定され、設定された回転数にモータ１７８の回転が設定され、この回転力がワイヤ１１０の進退運動に変換され、駆動部８に付与される。モータ１７８の回転はエンコーダ１８０によって検出され、設定された回転数との変動が算出され、所定回転数に制御される。この実施の形態では、制御装置２００を用いることにより、圧力センサ２９の検出圧力に応じて加圧装置２７の出力圧Ｐを制御する構成としているが、加圧装置２７の制御や、圧力センサ２９の検出圧力の取込みを他の制御装置で行うようにしてもよい。
【００６４】
Ｅ）培養方法
【００６５】
次に、培養ユニット２を用いる、細胞又は組織の培養方法について、図１３ないし図１６を参照して説明する。図１３は、培養の処理手順を示すフローチャート、図１４は、細胞構成体の設置を示す図、図１５は、細胞構成体に対する曲げ運動の付与及びその解除を示す図、図１６は、アクチュエータの動作手順を示すフローチャートである。
【００６６】
図１３に示すように、細胞構成体６の培養処理は、前処理（ステップＳ１）、培養処理（ステップＳ２）及び後処理（ステップＳ３）を含んでいる。前処理には、細胞構成体６の形成、半透膜の包み込み処理等が含まれる。培養処理には、曲げ運動処理を含み、湾曲処理（ステップＳ２１）、湾曲解除（ステップＳ２２）、湾曲処理（ステップＳ２３）・・・湾曲解除（ステップＳ２Ｎ）の繰り返しが実行される。そして、後処理では、培養を終了した細胞構成体６の培養ベッド３６からの取り出し等が含まれる。
【００６７】
Ｉ 前処理（ステップＳ１）
【００６８】
図１４のＡ及びＢに示すように、培養物である細胞構成体６を形成する。この細胞構成体６は、例えば、半透膜で覆われている。
【００６９】
細胞構成体６は、細胞、細胞担体（Scaffold）、前記細胞が産出する細胞外マトリクス（Extracellar Matrix）、培養液４８の何れかを含み、他の要素として添加物を含んでもよい。
【００７０】
細胞構成体６は、細胞が播種された三次元スキャフォールドとゲル状物質であってもよいし、細胞が播種された三次元スキャフォールドを半透膜で密封したものであってもよいし、また、細胞が播種された三次元スキャフォールドとゲル状物質を半透膜で密封したものであってもよい。三次元スキャフォールド及びゲル状物質は、生体吸収性材料で構成される。
【００７１】
また、細胞構成体６は、三次元のスキャフォールドに細胞を播種したもの、或いは前記構成体に他の担体を複合させたもの、或いはそれらを半透膜製の袋又はチューブに入れたもの、或いは半透膜製の袋又はチューブに細胞を浮遊させた培養液を封入したもの、又は、半透膜製の袋又はチューブに細胞とゲル状のスキャフォールドを封入したものであってもよい。
【００７２】
また、半透膜（Semi-permeable membrane ）は、透過分子量が１００〔Ｄａ〕から１０００〔ｋＤａ〕の半透膜の中から選択して使用すればよい。半透膜を培養に利用する考えは、ＰＣＴ／ＵＳ２００５／０２７２２０（Amorphous cell delivery vehicle treated with physical/physicochemical stimuli ）等に述べられている。この半透膜は、通過できる分子の大きさに応じて様々なものが提供されているので、それを用いればよい。即ち、培養液中の栄養分、必要な酸素等のガスや細胞が出した老廃物等の低分子の物質等は通過し、細胞や大分子の細胞外マトリクスを通過させないような半透膜を選択し、細胞を閉じ込めれば、細胞や細胞外マトリクスの流失を防ぎながら、栄養分と酸素の供給が可能となり効率的な培養が実現する。この場合、半透膜が栄養物の通過を妨げる場合の対策として、本発明では、曲げ動作を付加するので、曲げ部の変位が能動的に上昇し、また、圧力の差が生じて、栄養分の移動を促す。血管のない段階の細胞構成体６（血管のない組織においても）曲げ動作が血管や心臓の働きを代行することになり、同時に、細胞に対し物理的刺激の付与にもなる。
【００７３】
半透膜で覆われた細胞構成体６は、図１４のＡ及びＢに示すように、培養ベッド３６の載置部１３６に設置する。細胞構成体６は培養ベッド３６に支持されて載置される。
【００７４】
II 培養処理（ステップＳ２）
【００７５】
細胞構成体６は、図１及び図１５のＡに示すように、培養ベッド３６とともに培養空間である培養器部４に移送する。
【００７６】
培養器部４内には培養液４８を入れ、カバー部１４が取り付けられる。カバー部１４が取り付けられると、カバー部１４に設けられた４個所の支持突部４７が培養ベッド３６の縁部を軽く押さえて支持する。
【００７７】
培養ベッド３６の背面側からレバー７０により力Ｆを付与すると、図１５のＢに示すように、培養ベッド３６の載置部１３６が力Ｆによって上方に湾曲し、この湾曲により、載置部１３６上の細胞構成体６も湾曲する。即ち、細胞構成体６には曲げが生じる。
【００７８】
この曲げ状態から力Ｆを解除すると、培養ベッド３６の載置部１３６は弾性により、原形状に復帰し、平坦になるため、図１５のＡに示すように、載置部１３６上の細胞構成体６も平坦状態に移行する。この場合、細胞構成体６の上面部には、培養ベッド３６の押え部１５６、１５８が存在しており、上方に凸に変形した細胞構成体６は、載置部１３６の復帰とともに押え部１５６、１５８により押さえ付けられ、載置部１３６の原状復帰に応じて平坦化する。
【００７９】
そして、このような曲げ運動が繰り返され（ステップＳ２１〜ステップＳ２Ｎ）、必要な培養時間の経過により、組織が形成される。また、図１等に示した培養ユニット２を用いれば、培養器底部１２のダイヤフラム部２０に圧力Ｐを加えることにより、培養液４８を通じて細胞構成体６に曲げとは別に所望の圧力Ｐを作用させることが可能である。
【００８０】
なお、この培養において、培養液４８は、入側ポート部５０から培養空間部１６に供給し、出側ポート部５２から排出させることにより、培養空間部１６に新鮮な培養液４８を供給することができる。培養液４８は、酸素等の気体や養分等を細胞構成体６に供給する供給媒体であるとともに、細胞構成体６から排出される老廃物等の伝送媒体である。
【００８１】
III 後処理（ステップＳ３）
【００８２】
培養を完了した細胞構成体６は、培養ベッド３６とともに、培養器部４（図１等）から取り出される。そして、細胞構成体６は、人体の修復部位に適用される。
【００８３】
このような培養の処理手順において、制御装置２００の制御動作について、図１６に示すフローチャートを参照して説明する。
【００８４】
運転スイッチ１８４を投入すると、表示装置１８８が点灯し（ステップＳ１１）、この状態で回転数を設定する（ステップＳ１２）。これにより、回転が開始し、アクチュエータ１２４からワイヤ１１０を通して駆動部８のスライダ１１２に変位が付与される（ステップＳ１３）。ワイヤ１１０の進退によってレバー７０が回動し、既述の運動が細胞構成体６に付与される。
【００８５】
回転及び変位が発生すると、表示装置１８８にその設定回転数及び実回転数が表示され（ステップＳ１４）、制御装置２００では実回転数と設定回転数との回転数差が監視され（ステップＳ１５）、回転数差や回転むらが所定値以上に到達したとき、異常と判定する。異常が生じたとき、表示装置１８８に警告を表示する（ステップＳ１６）。
【００８６】
〔第２の実施の形態〕
【００８７】
本発明の第２の実施の形態について、図１７ないし図１９を参照して説明する。図１７ないし図１９は細胞構成体の構成例を示している。
【００８８】
ところで、この細胞構成体を用いた細胞及び／又は組織の培養方法の工程は以下の通りである。
【００８９】
ａ 組織、又は細胞を体内から取り出す。
ｂ 取り出した組織を酵素等で分解して細胞を分離し、必要とする細胞を選別する。培養対象である細胞は種別を問わない。
ｃ 選別した細胞数が不足している場合、又は、増す必要がある場合には、単層培養等で一旦細胞数を増やす。
ｄ 細胞構成体を作成する。
i 不定形構成体の場合（以下の何れかを必要に応じて、成長因子、薬剤等を添加すればよい。）
・培養液に細胞を浮遊させる。
・ハイドロゲルに細胞を浮遊させる。
・ゲル状担体に細胞を混ぜる。
ii 定型構成体の場合（以下の何れかを必要に応じて、成長因子、薬剤等を添加すればよい。）
・培養液に細胞を浮遊させ、これをコラーゲンスポンジ、キトサンスポンジ等の細胞担体に入れ、細胞を担体に付着させる。
・ゾルの状態で担体に細胞を混入させ、これをコラーゲンスポンジ、キトサンスポンジ等の細胞担体に入れ、細胞を担体に付着させるとともに、ゲル化させる。
ｅ 細胞構成体６は、半透膜製のチューブ又は袋に細胞等を入れて、そのチューブ又は袋を密封して構成する。半透膜は、細胞や分子量の大きなものは透過せず、培養液中成分の栄養分、薬剤、酸素等の気体等分子量の小さいものは透過する。
ｆ 細胞構成体６は、培養ベット３６に取り付ける。
ｇ 培養液を循環させる場合は、培養液の循環回路を用意しておく。循環回路には、ガス交換部を設けて、培養装置内のガスと培養回路の培養液中のガスとのガス交換ができるようにする。
ｈ 細胞構成体６を培養ベッド３６とともに、培養器部４に入れ、培養液４８を満たす。
ｉ 培養器部４にカバー部１４を取り付け、培養器部４（及び培養回路）を密封する。以上は、クリーンルーム及びクリーンベンチ等のクリーンな環境で行う。以後は、回路が密封させているので、それ以外の場所でも雑菌の汚染はない。
ｊ 培養器部４には、駆動部８を取り付ける。
ｋ 温度、ガス濃度を最適状態に保つ。
ｌ 繰り返し、曲げ動作を細胞構成体６に付加する。曲げ動作の周期、大きさ、動作スケジュール等は前もって設定して運転する。
ｍ 必要に応じて、培養液の循環、加圧を行う。加圧は、一定、断続、周期的な繰り返し等の加圧パターンから最適なパターンを選択する。
ｎ 所定の時間が経過したら、培養器部４から駆動部８を外す。
【００９０】
このような培養方法において、細胞構成体６は、図１７に示すように、半透膜を以てチューブ２０２に入れられ、この場合、培養液４８と、ゲルに細胞を混合した混合物２０４とで構成されている。チューブ２０２は、両端の開口を封止栓２０６を以て封止されている。
【００９１】
この細胞構成体６は例えば、２本を一組とし、培養ベッド３６に取り付け、既述の曲げ変位動作を繰り返し付与する。これにより、細胞が増殖するとともに、細胞外マトリクス等が産出され、不定形な新生組織が生成される。
【００９２】
この生成過程についてみると、培養前には、細胞、培養液、ハイドロゲル又はゲル状スキャフォールドの全部又はこれらの一部の組み合わせであった細胞構成体６が、培養後にあっては、細胞、培養液、ハイドロゲル、ゲル状スキャフォールド、細胞外マトリクス又はその他の細胞の産出物の全部又はこれらの一部の組み合わせに変換される。
【００９３】
そして、細胞構成体６から抽出した培養物を体内の損傷又は欠損部に注入すれば、その注入部分で本来の組織が再生され、注入した培養物は周囲の組織に融合し、一体化される。
【００９４】
また、細胞構成体６は、図１８に示すように、半透膜を以てチューブ２０２に入れられ、この場合も、培養液４８と、ゲルに細胞を混合させた混合物２０４とで構成されている。チューブ２０２は、各開口端側を折り曲げ、クリップ２０８で挟んで封止されている。この場合、チューブ２０２には余裕を持たせ、培養液４８及び混合物を充填されたチューブ２０２が断面楕円となる程度に培養液４８及び混合物２０４を入れる。これら細胞構成体６は、既述の培養ベッド３６に取り付け、繰り返し湾曲させる。
【００９５】
このような細胞構成体６を用いても、細胞の増殖が得られ、細胞外マトリクス等の産出により不定形な新生組織が生成される。即ち、培養前には、細胞と培養液とハイドロゲルとゲル状スキャフォールドの全部又はこれらの一部の組み合わせからなる細胞構成体６が、培養後には、細胞と培養液とハイドロゲルとゲル状スキャフォールドと細胞外マトリクスとその他の細胞の産出物の全部又はこれらの一部の組み合わせに変換される。
【００９６】
このような培養物を人体の損傷又は欠損部分に注入すれば、体内の注入した部分で本来の組織を再生し、かつ、周囲組織に融合させることができる。
【００９７】
また、細胞構成体６は、図１９に示すように、半透膜からなるチューブ２０２に入れられており、この場合、定型の細胞担体（スキャフォールド）２０５に細胞を播種したものである。チューブ２０２の各開口端は、封止栓２０６によって封止される。
【００９８】
この細胞構成体６は、単体又は複数個並べて培養ベッド３６に取り付け、繰り返し湾曲させる。これにより、細胞の増殖とともに、細胞外マトリクス等が産出され、不定形な、新生組織が生成される。即ち、培養前の細胞とコラーゲンスポンジ等の細胞担体とゲル状担体とからなる細胞構成体６は、培養後、細胞と細胞担体と細胞外マトリクスとその他の細胞の産出物とからなる新生組織に生成される。
【００９９】
半透膜を取り除き、中の新生組織を取り出し、これを人体の損傷又は欠損部分に縫合或いは接着等によって移植すれば、移植部分で、本来の組織を再生させ、周囲の組織に融合させることができる。
【０１００】
〔第３の実施の形態〕
【０１０１】
本発明の第３の実施の形態について、図２０ないし図２２を参照して説明する。図２０は、第３の実施の形態に係る培養システムを示す図、図２１は、制御部の構成例を示す図、図２２は、培養動作の処理手順を示すフローチャートである。
【０１０２】
この培養システム２４０では、培養液４８の循環や随時、新鮮な培養液４８を供給するため、培養室２４２内に培養ユニット２の培養器部４を含む培養回路２４４を設置したものである。培養回路２４４は、循環チューブ２４６を以て培養液槽２４８、ガス交換部２５０、ポンプ２５２、逆止弁２５４、培養器部４、圧力調節弁２５６を連結した循環路を構成する。この培養回路２４４では、培養液４８の循環を任意で行うことができるが、その循環の制御の一態様として、例えば、培養液４８の循環を停止又は禁止する場合には、培養回路２４４を閉塞すればよい。上記のポンプ２５２は、ピストン式ポンプ、シリンジポンプ、ペリスタルティックポンプ等で構成することができる。循環チューブ２４６には、例えば、培養液４８の滴下をカウントする等の方法によって培養液４８の流れを検出する流れセンサ２６８が設置されている。
【０１０３】
培養室２４２には、温度調節器２５８、ガス濃度調節器２６０及び制御装置２６２が設置されている。培養室２４２内は、温度調節器２５８によって培養に必要な温度に設定され、ガス濃度調節器２６０によって一定のガス濃度に保たれ、制御装置２６２によって培養液４８の循環、培養器部４内の圧力の制御が実行される。
【０１０４】
培養器部４にはアクチュエータ１２４からケーブル１１９を通して曲げ応力が付加される。この場合、アクチュエータ１２４は培養室２４２内に設置されているが、培養室２４２の外部に設置してもよい。
【０１０５】
アクチュエータ１２４の動作は、培養液４８の加圧循環と一括して制御してもよいし、それぞれを独立して制御してもよい。この場合、培養液４８の加圧と、アクチュエータ１２４による曲げ応力が細胞構成体６に付加される。
【０１０６】
そして、細胞構成体６に対し、曲げ変位の付与と、培養液４８の循環及び培養器部４内の圧力を一括して制御するには、図２１に示すように、制御系統を構成すればよい。制御装置２６２には、入力装置２６４からモータ１７８の回転数、培養液４８の循環量を設定し、モータ１７８及びポンプ２５２を駆動する。制御装置２６２は、ＣＰＵ（Central Processing Unit ）、ＲＯＭ（Read-Only Memory）及びＲＡＭ（Random-Access Memory）を備えたコンピュータで構成されている。
【０１０７】
モータ１７８、エンコーダ１８０及び制御装置２６２により変位付与制御が実行され、モータ１７８の回転がエンコーダ１８０に検出され、その検出情報が制御装置２６２に加えられている。
【０１０８】
圧力調節弁２５６、ポンプ２５２、流れセンサ２６８及び制御装置２６２により培養液送液制御が実行される。この培養液送液制御では、ポンプ２５２の回転数を上昇させれば、培養液４８の流量が増加するが、その送液による圧力は圧力調節弁２５６によって調節することができる。培養液４８の流れは、例えば、培養液４８の滴下をカウントする等の方法により流れセンサ２６８に検知され、その検知情報がポンプ制御等の制御情報に用いられる。
【０１０９】
加圧装置２７、圧力センサ２９及び制御装置２６２により加圧制御が実行され、圧力センサ２９で圧力が検出され、この検出情報によって加圧制御が実行される。
【０１１０】
温度調節器２５８を構成する温度センサ２８０、ヒータ２８２及び制御装置２６２により温度調節制御が実行され、温度センサ２８０の検出情報に基づき、ヒータ２８２の発熱温度が制御される。ガス濃度調節器２６０を構成するＣＯ2 濃度センサ２８４、ＣＯ2 電磁弁２８６、Ｏ2 濃度センサ２８８、Ｎ2 電磁弁２９０及び制御装置２６２によりガス濃度制御が実行される。ＣＯ2 濃度センサ２８４の検出情報に基づき、ＣＯ2 電磁弁２８６の開度が制御され、また、Ｏ2 濃度センサ２８８の検出情報に基づき、Ｎ2 電磁弁２９０の開度が制御される。これら温度調節及びガス濃度の制御により、培養室２４２内の環境制御が実行される。即ち、培養室２４２内のガス濃度雰囲気により、ガス交換部２５０において、培養液４８と培養室２４２内との間でガス交換が行われる。
【０１１１】
このような培養システム２４０では、図２２に示すように、電源スイッチ２９２の投入により（ステップＳ５１）、表示装置２６６が点灯する（ステップＳ５２）。そこで、環境制御値の入力（ステップＳ５３）、制御動作値の入力（ステップＳ５４）の後、設定値が表示装置２６６に表示される（ステップＳ５５）。ここで、運転スイッチ２９４を投入する（ステップＳ５６）。
【０１１２】
培養システム２４０が動作状態に入ると、温度調節（ステップＳ５７）、ガス濃度調節（ステップＳ５８）、加圧制御（ステップＳ５９）、培養液送液運転（ステップＳ６０）、変位付与運転（ステップＳ６１）が実行され、運転状態が表示装置２６６に表示される（ステップＳ６２）。
【０１１３】
変位付与に必要な運転状態が監視され（ステップＳ６３）、異常があれば、警告表示の後、運転を停止し（ステップＳ６４）、培養システム２４０をリセットさせ（ステップＳ６５）、異常原因を除去し（ステップＳ６６）、再度、ステップＳ５１〜Ｓ６３を動作させ、培養終了に至る（ステップＳ６７）。培養終了の後、運転スイッチ２９４を切り（スイッチ６８）、培養処理を終了する（ステップＳ６９）。
【０１１４】
〔第４の実施の形態〕
【０１１５】
本発明の第４の実施の形態について、図２３及び図２４を参照して説明する。図２３は、第４の実施の形態に係る培養ユニットを示す図、図２４は、図２３のXXIV−XXIV線断面を示す図である。図２３及び図２４において、図１ないし図８と同一部分には同一符号を付してある。
【０１１６】
第１ないし第３の実施の形態では、細胞構成体６に対して曲げ変位を付与する処理について説明したが、本発明は、細胞構成体６００の伸縮処理に適用することができ、レバー７０の運動による培養器部４の培養空間部１６における内部圧力に変化を生じさせることなく、所望の変位を細胞構成体６００に付与することができる。
【０１１７】
この実施の形態の培養器部４には長方形状の培養空間部１６が形成され、この培養空間部１６の棚部２９５に突出させた突起２９６に細胞構成体６００の一端を取り付け、その他端側に取り付けた保持枠２９８にレバー７０の先端部が回動可能に固定されている。この実施の形態では、保持枠２９８に固定ピン３００が突設されているので、この固定ピン３００にレバー７０の先端部に形成された係合環３０２を可動可能に係合させている。
【０１１８】
斯かる構成とすれば、駆動部８にワイヤ１１０を介してアクチュエータ１２４（図８、図９）から付与される応力により、レバー７０を円弧回動させれば、その円弧回動に応じて細胞構成体６を矢印ｍ、ｎ方向に伸縮させ、培養に必要な刺激、張力の付与及びその解除を繰り返し行うことができる。
【０１１９】
この場合、入側ポート部５０から培養液４８を培養空間部１６内に流し込み、出側ポート部５２から流出させ、新鮮な培養液４８を細胞構成体６００に供給することができる。
【０１２０】
〔実施の形態から抽出される特徴事項〕
【０１２１】
次に、以上述べた各実施の形態から抽出される特徴事項に関し、特許請求の範囲に記載した事項以外の特徴事項を以下に列挙する。列挙した特徴事項に本発明が限定されるものではない。
【０１２２】
(1) 上記培養装置において、
前記ベッドと前記レバーとを平行又は直角に配置したことを特徴とする培養装置。
【０１２３】
(2) 上記培養装置において、
前記培養器部は、密閉構造であることを特徴とする培養装置。
【０１２４】
(3) 上記培養装置において、
前記レバーの端部に作用部を備えることを特徴とする培養装置。
【０１２５】
(4) 上記培養装置において、
前記ベッドは、前記培養物を支持し、前記レバーからの加圧を受けて湾曲し、前記加圧の解除により加圧前の状態に復帰することを特徴とする培養装置。
【０１２６】
(5) 上記培養装置において、
前記ベッドは、端部に前記培養器部に支持させる支持部、中間部に前記レバーから作用を受ける受力部を備えることを特徴とする培養装置。
【０１２７】
(6) 上記培養装置において、
前記レバーは前記支点の近傍に円弧状面を持つフランジ部を備え、このフランジ部に対応して円弧状面を持つジョイント部を前記培養器部に備え、前記フランジ部の前記円弧状面と前記ジョイント部の円弧状面とを摺動可能に接触させたことを特徴とする培養装置。
【０１２８】
(7) 上記培養装置において、
上記ジョイント部は、前記レバーを回転させたとき、その回転の中心が、前記レバーのシール部中央に一致することを特徴とする培養装置。
【０１２９】
(8) 上記培養装置において、
前記培養器部から引き出された前記レバーの後端部に駆動力を付与する駆動部を前記培養器部の側部に設置してなることを特徴とする培養装置。
【０１３０】
(9) 上記培養装置において、
前記駆動部は、前記培養器部に着脱可能に設置されることを特徴とする培養装置。
【０１３１】
(10) 上記培養装置において、
前記駆動部から前記レバーに付与される前記加圧を周期的、連続的に制御し、及び／又は加圧速度を制御する制御部を備えることを特徴とする培養装置。
【０１３２】
(11) 上記培養装置において、
前記培養器部には、培養液が供給口から供給され、排出口から排出されることを特徴とする培養装置。
【０１３３】
(12) 培養器部にダイヤフラム部を備え、該ダイヤフラム部を通して前記培養器部内に圧力を付与することが可能であることを特徴とする培養装置。
【０１３４】
(13) 上記培養装置において、
前記駆動部は、
前記培養器部の側部に設置された筐体部と、
前記筐体部に摺動可能に支持され、外部から加えられる駆動力により摺動し、前記レバーに円弧運動を生じさせる第１のスライダと、
前記筐体部に摺動可能に支持され、前記レバーに前記スライダと反対方向に復帰力を作用させる第２のスライダと、
を備えることを特徴とする培養装置。
【０１３５】
(14) 上記培養装置において、
前記レバーを挿入する挿入口と、
前記挿入口から挿入される前記レバーの端部を前記第１のスライダと前記第２のスライダとの間にガイドするガイド部と、
を前記筐体部に備えることを特徴とする培養装置。
【０１３６】
〔実験結果〕
【０１３７】
次に、上記の培養装置及び培養システムを用いた実験結果について、図２５ないし図２９を参照して説明する。
【０１３８】
図２５は細胞構成体を示し、この細胞構成体は、培養液中に浮遊させた細胞を半透膜のチューブに入れて構成されている。図２６に示すように、細胞構成体は培養ベッドに固定され、培養器部（チャンバ）に収容される。この場合、駆動部は培養器部から分離されている。
【０１３９】
培養ユニットにはアクチュエータからの加圧が作用し、細胞構成体に曲げ動作が付加される。アクチュエータは、培養室の外に置かれ、ケーブルは培養室のドアを貫通させ、駆動部に接続されている。アクチュエータの動作状態は表示装置により確認できる。
【０１４０】
アクチュエータは、モータの回転運動をクランクで直線運動に変換しており、クランクアームの長さ選択により、ワイヤの進退幅が調節でき、これに応じて細胞構成体に付与される曲げの大きさが調節される。
【０１４１】
この実験では、加圧動作に関し、大気圧を維持し、曲げ動作だけに限定し、培養液循環を行った。圧力と、アクチュエータによる曲げ動作は個々に無関係に単独で付加した。この実験では、例えば、０．５〔ＭＰａ〕以上の加圧を付与することも考えられる。
【０１４２】
また、図２７ないし図２９は、脊椎器官の培養実験（Vertebrae organ culture of 2 days old mouse ）を示している。実験は、生後２日のマウスから取り出した脊椎を培養ベッドに設置し（図２７）、０．１〔Ｈｚ〕の周波数で曲げ動作を付加し、１０日間の培養を実施した。この実験では加圧はしていない。
【０１４３】
比較例として、静置培養を行った。図２８及び図２９は、１０日間の静置培養（Static 10 days）を示している。１０日後に、器官の断面をトルイジンブルー染色し、細胞の生存状況を観測した。図中、着色部分は明示できないが、明度の低下している部分（染色部分）が生きた細胞の存在を表している。静置培養では、椎間板内部の細胞密度が上がらず、マトリクスの変性が見られた（図２８のａ）。
【０１４４】
これに対し、曲げ動作、Displacement（変位）を付加した脊椎には、椎間板内部の細胞の増生並びに新生マトリクスの蓄積が認められた（図２９のｂ）。
【０１４５】
この実験結果から、曲げ動作を付与した培養は、静置培養と比較し、細胞の増生並びに新生マトリクスの堆積が見られることから、その曲げ動作が細胞構成体に刺激を与えるとともに、物質移動を促進させていることを推察することができる。
【０１４６】
以上の通り、本発明を最も好ましい実施の形態として説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【０１４７】
本発明は、細胞及び／又は組織を含む培養物の培養装置に関し、人等の体の部位に適正な細胞及び／又は組織の培養装置を提供するものであり、細胞構成体に曲げ動作を付与することにより、脊椎等の組織培養を効率的に行うことができ、有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１４８】
【図１】第１の実施の形態に係る培養装置の培養ユニットを示す縦断面図である。
【図２】培養器部を示す分解斜視図である。
【図３】カバー部を含む培養器本体部を示す分解斜視図である。
【図４】カバー部の下面側を示した斜視図である。
【図５】駆動部を示す分解斜視図である。
【図６】培養器部からカバー部を外して示した培養ユニットを示す平面図である。
【図７】培養ベッドを拡大して示した斜視図である。
【図８】アクチュエータを示す図である。
【図９】アクチュエータを示す平面図である。
【図１０】アクチュエータにおける運動変換部の一例を示す図である。
【図１１】運動変換部の動作の一例を示す図である。
【図１２】培養装置の制御系統の一例を示すブロック図である。
【図１３】培養の処理手順を示すフローチャートである。
【図１４】細胞構成体を設置した培養ベッドを示す図である。
【図１５】細胞構成体に対する曲げ動作を示す図である。
【図１６】アクチュエータの動作手順を示すフローチャートである。
【図１７】第２の実施の形態に係る細胞構成体の構成例を示す図である。
【図１８】細胞構成体の他の構成例を示す図である。
【図１９】細胞構成体の他の構成例を示す図である。
【図２０】第３の実施の形態に係る培養システムを示す図である。
【図２１】培養システムの制御系統を示すブロック図である。
【図２２】培養システムの処理手順を示すフローチャートである。
【図２３】第４の実施の形態に係る培養装置の培養ユニットを示す図である。
【図２４】図２３のXXIV−XXIV線断面を示す図である。
【図２５】実験例を示す図である。
【図２６】実験例を示す図である。
【図２７】実験例を示す図である。
【図２８】実験例を示す図である。
【図２９】実験例を示す図である。
【符号の説明】
【０１４９】
２ 培養ユニット
４ 培養器部
６、６００ 細胞構成体
８ 駆動部
１６ 培養空間部
４８ 培養液
７０ レバー
７２ 支点
【技術分野】
【０００１】
本発明は、再生医療分野、ティッシュエンジニアリング（Tissue Engineering）の分野における細胞又は組織の培養に関し、三次元組織又は器官再生のための三次元組織培養方法、具体的には、細胞構成体（Cell construct) として、細胞、細胞担体（Scaffold）、細胞が産出する細胞外マトリクス（Extracellar Matrix：ＥＣＭ）の何れかを含み、場合により、培養液や、その他の添加物や、グロスファクター或いは薬品等を添加して行う培養に用いられる培養装置及び培養方法に関する。
【０００２】
要するに、本発明の培養装置及び培養方法は、従来の静置培養と異なり、物理作用併用の三次元培養に関する培養装置であって、細胞構成体の細胞に積極的に刺激を与えるとともに、細胞構成体に変位を与え、増殖、細胞移動、物質移動を促し、分化の促進又は停止により、目的とする再生組織の実現を図るものである。
【背景技術】
【０００３】
細胞や組織の培養には、培養しようとする細胞や組織に圧力や張力等の物理刺激を与える方法が検討され、各種のバイオリアクタ等が提案されている。二次元培養（平面培養）は、平底培養基材を用いる培養方法であり、一般的には、インキュベータ内での静置培養である。浮遊培養は、非接着性の細胞を浮遊培養する方法である。これもインキュベータ内で静置培養する。三次元培養は、細胞を播種した細胞担体をインキュベータ内で静置し、培養するのが一般的方法である。三次元培養（バイオリアクタ使用）は、細胞担体に細胞を接着又は包含させ、培養液の攪拌等の処理を行うのが一般的であるが、細胞担体の三次元培養で細胞に加圧、圧縮、張力、せん断等の物理的作用を付加する培養方法も考えられている。
【０００４】
物理的作用を与えるための培養装置は、「バイオリアクタ」、「ティッシュエンジニアリングプロセッサ」等と称され、ティッシュエンジニアリングの培養実験や再生医療のための体外（in vitro）における細胞・組織の培養装置として実用化が期待されている。
【０００５】
このような細胞や組織の培養、その培養に用いられる物理的な変位や応力、刺激を与える機能を有するバイオリアクタに関し、圧力、振動（超音波）を用いる例として、特許文献１には、細胞又は組織の培養方法及びその装置が開示され、圧力を用いる例として、特許文献２には、生体内、生体外及び試験管内での軟骨及びコラーゲンの修復及び再生並びに骨再形成方法が開示され、せん断力を用いる例として、特許文献３には、細胞・組織培養装置が開示され、引っ張り力を用いる例として、特許文献４には、細胞・組織培養装置が開示され、圧縮力を用いる例として、特許文献５には、圧縮力を用いる例として、細胞・組織培養装置が開示され、せん断力を用いる例として、特許文献６には、細胞培養装置が開示され、引っ張り力を用いる例として、特許文献７には、シリコンベルトを使った培養細胞用伸縮刺激負荷装置が開示され、引っ張りとせん断とを併用する例として、特許文献８には、組織、 合成又は天然血管移植片の滅菌、接種、培養、保存、輸送、並びに検査を行う装置及び方法が開示されている。また、特許文献９には、膜体状に保持された細胞に膜体によって歪みを生じさせる培養方法等が開示されている。また、特許文献１０及び特許文献１１には、培養に半透膜を利用することが開示されている。様々な物理的作用及び刺激の付与や、半透膜の利用による細胞等の培養についての試みがなされている。
【特許文献１】特開２００１−２３８６６３号公報（要約等）
【特許文献２】特表２００４−５１２０３１号公報（要約等）
【特許文献３】特開２００２−３１５５６６号公報（要約等）
【特許文献４】特開２００３−０６１６４２号公報（要約等）
【特許文献５】特開２００３−１８０３３１号公報（要約等）
【特許文献６】特開平０９−３１３１６６号公報（要約等）
【特許文献７】特開平１０−１５５４７５号公報（要約等）
【特許文献８】特表平１１−５０４２１６号公報（要約等）
【特許文献９】特開２００５−１４３３４３号公報（要約等）
【特許文献１０】ＷＯ２００６／０１５３０４Ａ２（要約等）
【特許文献１１】特表２０００−５１３２１４号公報（要約等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、人体には、種々の応力を受けている部位が存在し、これらの部位の修復に用いる組織はその部位毎に異なるものである。例えば、椎間板、半月板、骨、繊維軟骨、心臓の弁では体内で曲げ力を受けている。この曲げ応力は、単純な圧力、圧縮、引っ張り、せん断等とは異なるものである。斯かる曲げ力を受けている部位に対し、単純な圧力、圧縮、引っ張り、せん断等の刺激ファクタを以て培養された組織を適用させることでは不十分である。
【０００７】
このため、本発明者は、培養する細胞や組織に付与する刺激又は負荷として曲げが細胞や組織の増殖等に極めて有益であることに気づいたのである。斯かる課題については、特許文献１〜１１には開示されておらず、その示唆もない。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、細胞及び／又は組織を含む培養物の培養装置及び培養方法に関し、人等の体の部位に適正な細胞及び／又は組織の培養装置及び培養方法を提供することにある。
【０００９】
また、本発明の他の目的は、人等の体の部位に適正な細胞及び／又は組織の培養装置に関し、培養物を湾曲又は伸縮させることにより、適正な細胞及び／又は組織の培養に寄与することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、本発明の培養装置は、細胞及び／又は組織を含む培養物に曲げ力を作用させることができ、培養器部内の培養液の増減を伴うことなく、即ち、培養液に対する圧力を増減させることなく、培養器部内の培養物に対して培養に必要な変位を付与し得る。具体的には、湾曲させることにより、その凹の部分から凸の部分の厚み方向に連続的な圧縮と伸長とを生じさせ、従前の加圧、せん断、引っ張りでは得られない物理的な刺激や負荷を培養物に付与することにより、曲げを伴う部位の組織の修復に適合する培養物を実現するものである。本発明は、このような曲げに限定されるものではなく、培養器部内の培養液の増減を伴うことなく、即ち、培養液に対する圧力を増減させることなく、培養に必要な運動や刺激等を培養物に付与することができる。
【００１１】
そこで、上記目的を達成するため、本発明の第１の側面は、細胞及び／又は組織を含む培養物の培養装置であって、前記培養物を収容する培養器部と、前記培養器部の内外に貫通させたレバーとを備え、前記レバーを操作して前記培養物に変位を付与する構成である。斯かる構成により、上記目的を達成することができる。
【００１２】
また、上記目的を達成するため、本発明の第２の側面は、細胞及び／又は組織を含む培養物の培養装置であって、前記培養物を載置するベッドと、このベッドとともに前記培養物を収容する培養器部と、前記培養器部の内外に貫通させたレバーと、前記レバーを操作して前記ベッドを押し、前記ベッドの湾曲変形により前記培養物に変位を付与する駆動手段とを備える構成である。斯かる構成により、上記目的を達成することができる。
【００１３】
上記目的を達成するためには、上記培養装置において、好ましくは、前記レバーは、前記培養器部の壁部又はその近傍に設定された支点を中心に円弧運動する構成としてもよく、斯かる構成により、上記目的を達成することができる。
【００１４】
また、上記目的を達成するため、本発明の第３の側面は、細胞及び／又は組織を含む培養物の培養装置であって、前記培養物を載置するベッドと、このベッドとともに前記培養物を収容する培養器部と、前記培養器部の内外に貫通させ、前記培養器部の壁部又はその近傍に設定された支点を中心に円弧運動することが可能なレバーと、前記レバーを操作して前記ベッドに伸縮力を付与し、前記ベッドの伸縮変形により前記培養物を伸縮させる駆動手段とを備える構成である。斯かる構成により、上記目的を達成することができる。
【００１５】
また、上記目的を達成するため、本発明の第４の側面は、細胞及び／又は組織を含む培養物の培養方法であって、培養器部に前記培養物を収容し、前記培養器部の内外に貫通させたレバーに、前記培養器部の壁部又はその近傍に設定された支点を中心に円弧運動を付与し、この円弧運動によって前記培養物に曲げ変位を付与する構成である。斯かる構成により、上記目的を達成することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、次の効果が得られる。
【００１７】
(1) 培養中の培養物に曲げる等の変位（応力) を加え、純粋に曲げ動作を生じさせることができる。
【００１８】
(2) 椎間板等の体内で曲げ力を受ける組織の再生に使用できる。
【００１９】
(3) 幹細胞は分化を、組織細胞は脱分化を防ぐことが期待でき、組織構造等に方向性がある場合、その配列方向を一様にでき、体内の組織と同等のものを得ることができる。
【００２０】
(4) 圧力等、他の物理作用を排除し、又は最小にして、曲げ作用で必要な組織の培養ができる。
【００２１】
(5) 細胞移動をし易くすることが期待できる。
【００２２】
(6) 栄養物、酸素を三次元細胞構成体の内部まで浸透させることができ、老廃物を排出することが期待できる。
【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ないし図１２を参照して説明する。図１は、培養装置の第１の実施の形態に係る培養ユニットを示す縦断面図、図２は培養器部を示す分解斜視図、図３は、カバー部を含む培養器本体部を示す分解斜視図、図４は、カバー部の下面側を示した斜視図、図５は、駆動部を示す分解斜視図、図６は、培養器部からカバー部を外して示した培養ユニットを示す平面図、図７は、培養ベッドを拡大して示した斜視図、図８は、アクチュエータを示す正面図、図９は、アクチュエータを示す平面図、図１０及び図１１は、アクチュエータにおける運動変換部の具体例を示す図、図１２は、培養装置の制御系統の一例を示す図である。図１０及び図１１において、図８及び図９のアクチュエータと共通部分には同一符号を付してある。
【００２５】
この第１の実施の形態は、培養物である細胞構成体に対して曲げ変位を付与する培養ユニットを示している。この培養ユニット２は、図１に示すように、培養チャンバとして培養器部４と、培養器部４内の培養物である例えば、細胞構成体６に所望の運動を付与する駆動部８とを備えている。以下、各機能部の構成及び機能を述べ、培養方法に言及する。
【００２６】
Ａ）培養器部（培養チャンバ）４
【００２７】
培養器部４は、細胞構成体６の培養空間を構成し、細胞構成体６に対して培養液４８（図６）や、培養に必要な変位や刺激を付与する機能部である。そこで、この培養器部４は、図２に示すように、培養器本体部１０と、培養器底部１２と、カバー部１４とを備えている。培養器本体部１０は例えば、偏平状の円筒体であって、シリンダ状の培養空間部１６を形成している。
【００２８】
培養器底部１２は、培養空間部１６を塞ぐダイヤフラム部２０を備え、培養器本体部１０の下面側に、密閉手段である例えば、Ｏリング２２を介して複数の固定ねじ２３により取り付けられる。ダイヤフラム部２０は、培養空間部１６に外部から圧力を加えるために設置されており、培養器底部１２には、培養空間部１６に対応する箇所に筒状の立壁部２４が形成され、この立壁部２４で包囲された窓部２６が形成され、加圧装置２７とともに、圧力センサ２９が設置される。加圧装置２７は、水等の流体を媒介としてダイヤフラム部２０を通してその圧力Ｐを培養空間部１６に加える。この圧力Ｐは、圧力センサ２９によって検出される。
【００２９】
培養器本体部１０の上部には図３に示すように、円筒状の立壁部２８によって窓部３０が形成され、立壁部２８の内側及び外側にＯリング３２、３４を介在させてカバー部１４が着脱可能に取り付けられている。
【００３０】
また、培養器本体部１０の培養空間部１６には、その内壁面に棚部３８、４０が形成され、これら棚部３８、４０には、両者間に跨がって培養ベッド３６が載置される。培養器本体部１０には、培養ベッド３６の位置決め突部４２（図６）、４４が形成され、一方の位置決め突部４２に培養ベッド３６の縁部を当て、他方の位置決め突部４４を培養ベッド３６の係合凹部４６に係合させることにより、培養ベッド３６は、培養空間部１６の所定位置に位置決めされ、着脱可能に保持される。即ち、培養ベッド３６の高さ位置は、棚部３８、４０によって決定され、水平方向の位置及び角度は、位置決め突部４２と培養ベッド３６の位置、位置決め突部４４と係合凹部４６との位置関係及び係合によって決定される。
【００３１】
また、培養ベッド３６は、培養空間部１６の上下方向においても保持される。図４に示すように、カバー部１４の下面側には、培養ベッド３６側に突出する複数の支持突部４７が形成されており、この支持突部４７が培養ベッド３６の縁部側に接触して培養ベッド３６を保持し、培養ベッド３６の上下方向の自由移動が阻止される。
【００３２】
培養器本体部１０には、図６に示すように、培養液４８を培養空間部１６に流し込む入側ポート部５０と、培養空間１６から培養液４８を排出させる出側ポート部５２とが形成されている。入側ポート部５０の貫通孔５４は、培養ベッド３６を載置する棚部３８の下側に開口されており、位置決め突部４２に開口した透孔部５６に連通している。また、出側ポート部５２の貫通孔５８は、培養ベッド３６を載置する棚部４０の下側に開口されており、棚部４０に開口した透孔部６０に連通している。従って、入側ポート部５０から供給される培養液４８は棚部３８の下側に流れ込み、位置決め突部４２の透孔部５６から培養ベッド３６の上側に至り、培養空間部１６内を経て貫通孔５８に至るが、その一部は培養ベッド３６の上部から棚部４０の透孔部６０を経て出側ポート部５２に至る。入側ポート部５０には循環パイプ５１、出側ポート部５２には循環パイプ５３が連結され、これら循環パイプ５１、５３は培養液４８の循環路を構成する。
【００３３】
培養器本体部１０には、図１、図２、図３及び図６に示すように、ジョイント部６２が取付ねじ６５によって固定され、培養空間部１６と駆動部８との間には培養器本体部１０の壁部を跨がってレバー７０が設置されている。このレバー７０は、培養器本体部１０の壁部に設定された支点７２（図１）を中心に円弧回動が可能であり、駆動部８によって付与される駆動力により、その先端部が上下動し、その先端部が培養ベッド３６に接触することにより、培養ベッド３６を湾曲させることができ、培養ベッド３６に保持されている細胞構成体６に変位動作を付与することができる。
【００３４】
レバー７０は、図３に示すように、培養空間部１６側から作用部７４、径小部７６、径大部（シール部）７８、フランジ部８０、円柱部８２、先端部を最も先鋭にした円錐部８４を備えている。フランジ部８０は、作用部７４側から見て前面側をフラット面とし、後面側に球面からなる摺動面８６を備えている。
【００３５】
培養器本体部１０にはレバー７０を貫通させる貫通孔８８が形成され、貫通孔８８は、培養空間部１６側のレバー７０の回動を許容するために培養空間部１６側に向かって径大に形成され、レバー７０と培養器本体部１０の壁部との気密性を保持するため、Ｏリング９０が設置されている。このＯリング９０の中心がレバー７０の回動中心であり、既述の支点７２を構成する。このＯリング９０とレバー７０のフランジ部８０との間には、環状のレバーガイド９２が設置されており、レバー７０は、Ｏリング９０の中心を回転中心として回動する構成である。
【００３６】
また、ジョイント部６２は駆動部８のフレーム６４と培養器本体部１０とを結合するための部材であり、図６に示すように、取付ねじ６６、６８によって固定され、このジョイント部６２の突出部９６（図３）を貫通孔８８に対応する凹部９８（図１）に係合させるとともに、この突出部９６にはレバー７０のフランジ部８０の摺動面８６と接する球面からなる摺動面１００が形成されている。また、ジョイント部６２には、レバー７０の回動を許容するための開口端側を径大にした透孔部１０２が形成されている。
【００３７】
この培養器部４において、ダイヤフラム部２０は例えば、シリコーンゴムのような成分の溶出等がない安全性の高い柔軟材料で形成する。ダイヤフラム部２０は薄く形成され、その周囲にはＯリング部２２が形成されている。ダイヤフラム部２０が薄い膜状であるのは、外側の圧力Ｐを培養空間部１６内に伝えるための構成であって、培養器部４の圧力をダイヤフラム部２０を隔てて反対側の圧力と概ね同圧にするためである。また、レバー７０は、Ｏリング９０によってシールされ、培養器本体部１０の気密性及び水密性が保持されている。
【００３８】
Ｂ）駆動部８
【００３９】
駆動部８は、外部から付与される駆動力を受けて、細胞構成体６に変位動作を付与するレバー７０を駆動する機能部である。そこで、駆動部８のフレーム６４には、図１及び図５に示すように、カバー部１０４が複数のねじ１０６によって固定される。カバー部１０４はワイヤ１１０を通して駆動力を受ける。また、カバー部１０４には、上下動する第１のスライダ１１２が摺動可能に取り付けられ、このスライダ１１２の先端部がレバー７０に当接している。そして、フレーム６４にはスライダ１１２と同一直線上に配置された第２のスライダ１１４が設置され、このスライダ１１４とフレーム６４との間にはスライダ１１４を上方に移動させるために復元力を作用させるスプリング１１６が設置されている。スプリング１１６は、スライダ１１２を移動前の位置に戻す戻しばねを構成する。
【００４０】
スライダ１１２にはワイヤ１１０の先端部が取り付けられ、ワイヤ１１０の外面部には外筒部１１８が備えられ、ワイヤ１１０は外筒部１１８と独立して摺動可能である。ワイヤ１１０と外筒部１１８を以てケーブル１１９が構成されている。外筒部１１８は、固定ナット１２０を貫通し、固定ナット１２０によってカバー部１０４に固定されている。固定ナット１２０とカバー部１０４との間にはスライドブッシュ１２２が設置されている。ワイヤ１１０の端部にはスライダ１１２を上下動させるための駆動源としてアクチュエータ１２４（図８、図９）が取り付けられる。この場合、スライダ１１２が下降すると、レバー７０とともにスライダ１１４が押し下げられ、その駆動力を解除すると、スライダ１１２、１１４がスプリング１１６の復元力により、元の位置に復帰する。
【００４１】
また、フレーム６４には、レバー７０を挿入するための開口部１２６が形成されているとともに、レバー７０の挿入をガイドするガイド板１２８、１３０が開口部１２６からスライダ１１２、１１４の間に挿入されている。このガイド板１２８、１３０の間にレバー７０の円錐部８４を挿入すれば、スライダ１１２、１１４の間の所定位置にレバー７０を容易に挿入することができる。
【００４２】
Ｃ）培養ベッド３６
【００４３】
培養ベッド３６は、細胞構成体６を保持するとともに、細胞構成体６に変位動作を伝達する手段であって、培養ベッド３６が持つ弾性を利用して細胞構成体６を変位動作前の状態に戻す機能部である。培養空間部１６には例えば、細胞構成体６が培養ベッド３６に載置されて収容される。
【００４４】
培養ベッド３６には、図７に示すように、２つの細胞構成体６を平行に載置する載置部１３６が備えられ、、この載置部１３６は、外部からの作用を受けて変形する受力部を構成しており、２つの細胞構成体６を平行に載置する面積及び形状を持ち、各細胞構成体６に曲げ運動を付与するため、弾性材料により板状に形成されている。弾性材料として例えば、ばね用ステンレス鋼板やその他のばね性の高い材料が用いられる。この場合、培養ベッド３６の全体を弾性材料で形成してもよく、曲げ運動を可能にする載置部１３６又はその一部を弾性材料で形成してもよい。載置部１３６は、フラットな板状部に限定されるものではなく、ネット状であってもよい。また、バネ材の成分溶出を防ぐため、安定なコーティングを施してもよい。
【００４５】
この載置部１３６は長方形状であって、その長手方向の端部には長方形状の立壁部１３８、１４０が形成され、各立壁部１３８、１４０は載置部１３６に対して直角をなすとともに、各細胞構成体６が挿入される楕円形の透孔部１４２が形成されている。この透孔部１４２は、細胞構成体６の両端を固定する役目がある。また、各立壁部１３８、１４０は、各細胞構成体６の寸法に応じて所定の高さｈに設定されている。
【００４６】
各立壁部１３８、１４０の頂部には、載置部１３６と平行して一定幅を持つ支持面部１４４、１４６が形成され、各支持面部１４４、１４６には、その一部を折り返して各立壁部１３８、１４０と平行に折返し部１４８が形成されている。各折返し部１４８により、各支持面部１４４、１４６及び各立壁部１３８、１４０が補強されているとともに、細胞構成体６が固定される。即ち、薄い板状部からなる載置部１３６と同一の板材で各支持面部１４４、１４６及び各立壁部１３８、１４０を形成しても十分な強度が得られ、この実施の形態の場合、長手方向のみに曲がる。また、培養ベッド３６には、支持面部１４４側を固定するため、図６に示す位置決め突部４４に対応するＵ字形の係合凹部４６が形成されている。
【００４７】
また、載置部１３６の中間縁部には、載置される細胞構成体６の側面部を支える支持壁部１５２、１５４が形成され、各支持壁部１５２、１５４の頂部には、細胞構成体６の上面部を覆う押え部１５６、１５８が形成されている。各支持壁部１５２、１５４は載置部１３６と直交する壁部であって、その高さは既述の立壁部１３８、１４０と同様である。また、各押え部１５６、１５８は載置部１３６と平行面を構成している。細胞構成体６は載置部１３６と各押え部１５６、１５８との間隔内に配置される。各押え部１５６、１５８の終端部は曲面部を構成し、両者間には細胞構成体６の着脱のための間隔１６０が設定されている。
【００４８】
ここで、培養器部４に関し、その構成材料は、培養物や培養液に対する安定性、経済性、耐滅菌性、加工性、耐磨耗性、取扱性等から選択される。培養液４８に接触する部品、例えば、培養器本体部１０、カバー部１４、Ｏリング３２、３４、９０、培養ベッド３６、レバー７０は、構成材料から物質の溶出がない安定性の高いものを使用すべきであり、例えば、ステンレス鋼材、プラスチック等を使用することができる。ステンレス鋼材は、安定性、耐滅菌性に優れ、プラスチックは加工性に優れ、軽量化や使い捨て等の取扱性に優れる。
【００４９】
プラスチックを使用した場合には、雑菌による汚染や他人の細胞又は遺伝子による汚染を防ぐ必要から使い捨てが可能であり、ステンレス鋼材に比較して安価である。また、培養器部４は、組み立てられた状態で滅菌する必要があるが、ステンレス鋼材及びプラスチックは、何れも滅菌処理に耐えられる。例えば、１２１℃、２気圧の条件で滅菌処理を行うオートクレープでは、充分な耐熱性が求められるが、このような処理にはＰＴＦＥ、ＥＴＦＥ、ＰＦＡ等のフッ素樹脂、或いはポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、ポリカーボネート、硝子強化のＰＥＴ、ポリエーテルサルフォン等が適する。γ線や電子線による滅菌処理では、ＥＴＦＥ、或いはポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、ポリカーボネート、ＰＥＴ、ポリエチレン、ポリプロピレン等が適する。
【００５０】
培養器部４において、ジョイント部６２、レバーガイド９２等では、レバー７０のフランジ部８０との摺動が繰り返されるので、耐磨耗性が要求される。そこで、ポリアセタールやポリエチレン、ポリプロピレン、ＰＴＦＥ、ＥＴＦＥ、ＰＦＡ等のフッ素樹脂が適している。
【００５１】
カバー部１４を外すことなく、その内部を観察するためには、透明な材料が適する。カバー部１４には、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、ポリカーボネート、ＰＥＴ等の透明材料が適する。
【００５２】
培養物の汚染を防止するには、滅菌処理は不可欠であるから、滅菌に対する耐性からの材料の選択は重要である。滅菌処理がオートクレープでもγ線や電子線のどちらでも可能で、且つ、それぞれの部品が必要とする機能性等を考慮すれば、最適材料は次の通りである。
【００５３】
培養器本体部１０や培養器底部１２及びカバー部１４には、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、又は、ポリカーボネート、Ｏリング３２、３４、９０には、フッ素ゴム、シリコーンゴム、ダイヤフラム部２０やＯリング２２には、フッ素ゴム、シリコーンゴム、又はＥＴＦＥＥフィルム、ジョイント部６２やレバーガイド９２には、ＥＴＦＥ、レバー７０には、ステンレス鋼（ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３０４）、培養ベッド３６には、ばね用ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４ＣＳＰシリーズ）が適する。
【００５４】
ばね用ステンレス鋼は、ＳＵＳ３１６シリーズに比べて耐食性が若干劣るので、それを補うには、例えば、ダイヤモンド・ライク・コーティング（ＤＬＣ）等のコーティングを施せばよい。
【００５５】
洗浄を綿密に行って再使用を前提とするのであれば、プラスチックに代え、ステンレス鋼ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３０４を使用すればよい。培養ベッド３６の構成材料について、加圧により必要な変位運動を生じさせ、変位前の状態に戻す機能が不可欠であるから、例えば、ばね用ステンレス鋼板等の強靱な弾性材料を用いればよい。
【００５６】
Ｄ）アクチュエータ１２４
【００５７】
アクチュエータ１２４は、駆動部８に外部からレバー７０の駆動力を付与する駆動源を構成している。図８及び図９に示すように、アクチュエータ１２４は、モータ回転をワイヤ１１０の進退移動に変換し、その移動を駆動部８のスライダ１１２に加える。そこで、駆動部８のワイヤ１１０は、外筒部１１８とともにアクチュエータ１２４に導かれ、その端部がクランクレバー１６２にワイヤ止めねじ１６４を以て固定されている。ワイヤ１１０を被覆する外筒部１１８は、アクチュエータ１２４のフレーム部１６６に中継部材として設置された補強板１６８の固定部１７０に固定されている。
【００５８】
クランクレバー１６２は、ベア軸受１７２を介してクランク軸１７４に固定されている。クランク軸１７４が固定されたクランク１７６には、モータ１７８が取り付けられている。モータ１７８は、例えば、ＤＣモータで構成される。このモータ１７８には、回転を検出するエンコーダ１８０が設置されている。
【００５９】
アクチュエータ１２４のフレーム部１６６には、回転調節器１８２、電源スイッチ１８３、運転スイッチ１８４、回転調節ダイヤル１８６の他、回転数等を表示する表示装置１８８が設置されている。
【００６０】
このアクチュエータ１２４のクランク機構を拡大して示した例として、図１０に示すように、モータ１７８の回転軸１９０にクランク１７６を示すクランクアーム１９２が取り付けられ、このクランクアーム１９２にクランク軸１７４によってクランクレバー１６２が回動可能に取り付けられ、このクランクレバー１６２にワイヤ１１０の端部がワイヤ止めねじ１６４によって固定されている。
【００６１】
斯かる構成によれば、モータ１７８の回転により、回転軸１９０を中心にクランクアーム１９２が回転し、その先端にクランク軸１７４で取り付けられたクランクレバー１６２が、図１１の一点鎖線Ｘで示す軌道を描くように動く。その先端部に固定されたワイヤ１１０がクランクアーム１９２の長さＳに応じたストローク２Ｓに応じて前後動し、この変位運動がワイヤ１１０を通じて駆動部８に付与される。この変位運動がレバー７０に伝えられ、レバー７０に円弧運動を生じさせる。
【００６２】
なお、クランクアーム１９２を連続回転する必要はなく、ステッピングモータやサーボモータにより必要な角度だけ変移させても、同様にレバー７０の変移運動を得ることができる。
【００６３】
このアクチュエータ１２４には、図１２に示すように、モータ１７８を制御する制御装置２００が備えられ、この制御装置２００には、加圧装置２７、圧力センサ２９、モータ１７８、エンコーダ１８０、回転調節器１８２、電源スイッチ１８３、運転スイッチ１８４、表示装置１８８等が接続されている。制御装置２００には、回転調節ダイヤル１８６によって回転調節器１８２に回転数が設定され、設定された回転数にモータ１７８の回転が設定され、この回転力がワイヤ１１０の進退運動に変換され、駆動部８に付与される。モータ１７８の回転はエンコーダ１８０によって検出され、設定された回転数との変動が算出され、所定回転数に制御される。この実施の形態では、制御装置２００を用いることにより、圧力センサ２９の検出圧力に応じて加圧装置２７の出力圧Ｐを制御する構成としているが、加圧装置２７の制御や、圧力センサ２９の検出圧力の取込みを他の制御装置で行うようにしてもよい。
【００６４】
Ｅ）培養方法
【００６５】
次に、培養ユニット２を用いる、細胞又は組織の培養方法について、図１３ないし図１６を参照して説明する。図１３は、培養の処理手順を示すフローチャート、図１４は、細胞構成体の設置を示す図、図１５は、細胞構成体に対する曲げ運動の付与及びその解除を示す図、図１６は、アクチュエータの動作手順を示すフローチャートである。
【００６６】
図１３に示すように、細胞構成体６の培養処理は、前処理（ステップＳ１）、培養処理（ステップＳ２）及び後処理（ステップＳ３）を含んでいる。前処理には、細胞構成体６の形成、半透膜の包み込み処理等が含まれる。培養処理には、曲げ運動処理を含み、湾曲処理（ステップＳ２１）、湾曲解除（ステップＳ２２）、湾曲処理（ステップＳ２３）・・・湾曲解除（ステップＳ２Ｎ）の繰り返しが実行される。そして、後処理では、培養を終了した細胞構成体６の培養ベッド３６からの取り出し等が含まれる。
【００６７】
Ｉ 前処理（ステップＳ１）
【００６８】
図１４のＡ及びＢに示すように、培養物である細胞構成体６を形成する。この細胞構成体６は、例えば、半透膜で覆われている。
【００６９】
細胞構成体６は、細胞、細胞担体（Scaffold）、前記細胞が産出する細胞外マトリクス（Extracellar Matrix）、培養液４８の何れかを含み、他の要素として添加物を含んでもよい。
【００７０】
細胞構成体６は、細胞が播種された三次元スキャフォールドとゲル状物質であってもよいし、細胞が播種された三次元スキャフォールドを半透膜で密封したものであってもよいし、また、細胞が播種された三次元スキャフォールドとゲル状物質を半透膜で密封したものであってもよい。三次元スキャフォールド及びゲル状物質は、生体吸収性材料で構成される。
【００７１】
また、細胞構成体６は、三次元のスキャフォールドに細胞を播種したもの、或いは前記構成体に他の担体を複合させたもの、或いはそれらを半透膜製の袋又はチューブに入れたもの、或いは半透膜製の袋又はチューブに細胞を浮遊させた培養液を封入したもの、又は、半透膜製の袋又はチューブに細胞とゲル状のスキャフォールドを封入したものであってもよい。
【００７２】
また、半透膜（Semi-permeable membrane ）は、透過分子量が１００〔Ｄａ〕から１０００〔ｋＤａ〕の半透膜の中から選択して使用すればよい。半透膜を培養に利用する考えは、ＰＣＴ／ＵＳ２００５／０２７２２０（Amorphous cell delivery vehicle treated with physical/physicochemical stimuli ）等に述べられている。この半透膜は、通過できる分子の大きさに応じて様々なものが提供されているので、それを用いればよい。即ち、培養液中の栄養分、必要な酸素等のガスや細胞が出した老廃物等の低分子の物質等は通過し、細胞や大分子の細胞外マトリクスを通過させないような半透膜を選択し、細胞を閉じ込めれば、細胞や細胞外マトリクスの流失を防ぎながら、栄養分と酸素の供給が可能となり効率的な培養が実現する。この場合、半透膜が栄養物の通過を妨げる場合の対策として、本発明では、曲げ動作を付加するので、曲げ部の変位が能動的に上昇し、また、圧力の差が生じて、栄養分の移動を促す。血管のない段階の細胞構成体６（血管のない組織においても）曲げ動作が血管や心臓の働きを代行することになり、同時に、細胞に対し物理的刺激の付与にもなる。
【００７３】
半透膜で覆われた細胞構成体６は、図１４のＡ及びＢに示すように、培養ベッド３６の載置部１３６に設置する。細胞構成体６は培養ベッド３６に支持されて載置される。
【００７４】
II 培養処理（ステップＳ２）
【００７５】
細胞構成体６は、図１及び図１５のＡに示すように、培養ベッド３６とともに培養空間である培養器部４に移送する。
【００７６】
培養器部４内には培養液４８を入れ、カバー部１４が取り付けられる。カバー部１４が取り付けられると、カバー部１４に設けられた４個所の支持突部４７が培養ベッド３６の縁部を軽く押さえて支持する。
【００７７】
培養ベッド３６の背面側からレバー７０により力Ｆを付与すると、図１５のＢに示すように、培養ベッド３６の載置部１３６が力Ｆによって上方に湾曲し、この湾曲により、載置部１３６上の細胞構成体６も湾曲する。即ち、細胞構成体６には曲げが生じる。
【００７８】
この曲げ状態から力Ｆを解除すると、培養ベッド３６の載置部１３６は弾性により、原形状に復帰し、平坦になるため、図１５のＡに示すように、載置部１３６上の細胞構成体６も平坦状態に移行する。この場合、細胞構成体６の上面部には、培養ベッド３６の押え部１５６、１５８が存在しており、上方に凸に変形した細胞構成体６は、載置部１３６の復帰とともに押え部１５６、１５８により押さえ付けられ、載置部１３６の原状復帰に応じて平坦化する。
【００７９】
そして、このような曲げ運動が繰り返され（ステップＳ２１〜ステップＳ２Ｎ）、必要な培養時間の経過により、組織が形成される。また、図１等に示した培養ユニット２を用いれば、培養器底部１２のダイヤフラム部２０に圧力Ｐを加えることにより、培養液４８を通じて細胞構成体６に曲げとは別に所望の圧力Ｐを作用させることが可能である。
【００８０】
なお、この培養において、培養液４８は、入側ポート部５０から培養空間部１６に供給し、出側ポート部５２から排出させることにより、培養空間部１６に新鮮な培養液４８を供給することができる。培養液４８は、酸素等の気体や養分等を細胞構成体６に供給する供給媒体であるとともに、細胞構成体６から排出される老廃物等の伝送媒体である。
【００８１】
III 後処理（ステップＳ３）
【００８２】
培養を完了した細胞構成体６は、培養ベッド３６とともに、培養器部４（図１等）から取り出される。そして、細胞構成体６は、人体の修復部位に適用される。
【００８３】
このような培養の処理手順において、制御装置２００の制御動作について、図１６に示すフローチャートを参照して説明する。
【００８４】
運転スイッチ１８４を投入すると、表示装置１８８が点灯し（ステップＳ１１）、この状態で回転数を設定する（ステップＳ１２）。これにより、回転が開始し、アクチュエータ１２４からワイヤ１１０を通して駆動部８のスライダ１１２に変位が付与される（ステップＳ１３）。ワイヤ１１０の進退によってレバー７０が回動し、既述の運動が細胞構成体６に付与される。
【００８５】
回転及び変位が発生すると、表示装置１８８にその設定回転数及び実回転数が表示され（ステップＳ１４）、制御装置２００では実回転数と設定回転数との回転数差が監視され（ステップＳ１５）、回転数差や回転むらが所定値以上に到達したとき、異常と判定する。異常が生じたとき、表示装置１８８に警告を表示する（ステップＳ１６）。
【００８６】
〔第２の実施の形態〕
【００８７】
本発明の第２の実施の形態について、図１７ないし図１９を参照して説明する。図１７ないし図１９は細胞構成体の構成例を示している。
【００８８】
ところで、この細胞構成体を用いた細胞及び／又は組織の培養方法の工程は以下の通りである。
【００８９】
ａ 組織、又は細胞を体内から取り出す。
ｂ 取り出した組織を酵素等で分解して細胞を分離し、必要とする細胞を選別する。培養対象である細胞は種別を問わない。
ｃ 選別した細胞数が不足している場合、又は、増す必要がある場合には、単層培養等で一旦細胞数を増やす。
ｄ 細胞構成体を作成する。
i 不定形構成体の場合（以下の何れかを必要に応じて、成長因子、薬剤等を添加すればよい。）
・培養液に細胞を浮遊させる。
・ハイドロゲルに細胞を浮遊させる。
・ゲル状担体に細胞を混ぜる。
ii 定型構成体の場合（以下の何れかを必要に応じて、成長因子、薬剤等を添加すればよい。）
・培養液に細胞を浮遊させ、これをコラーゲンスポンジ、キトサンスポンジ等の細胞担体に入れ、細胞を担体に付着させる。
・ゾルの状態で担体に細胞を混入させ、これをコラーゲンスポンジ、キトサンスポンジ等の細胞担体に入れ、細胞を担体に付着させるとともに、ゲル化させる。
ｅ 細胞構成体６は、半透膜製のチューブ又は袋に細胞等を入れて、そのチューブ又は袋を密封して構成する。半透膜は、細胞や分子量の大きなものは透過せず、培養液中成分の栄養分、薬剤、酸素等の気体等分子量の小さいものは透過する。
ｆ 細胞構成体６は、培養ベット３６に取り付ける。
ｇ 培養液を循環させる場合は、培養液の循環回路を用意しておく。循環回路には、ガス交換部を設けて、培養装置内のガスと培養回路の培養液中のガスとのガス交換ができるようにする。
ｈ 細胞構成体６を培養ベッド３６とともに、培養器部４に入れ、培養液４８を満たす。
ｉ 培養器部４にカバー部１４を取り付け、培養器部４（及び培養回路）を密封する。以上は、クリーンルーム及びクリーンベンチ等のクリーンな環境で行う。以後は、回路が密封させているので、それ以外の場所でも雑菌の汚染はない。
ｊ 培養器部４には、駆動部８を取り付ける。
ｋ 温度、ガス濃度を最適状態に保つ。
ｌ 繰り返し、曲げ動作を細胞構成体６に付加する。曲げ動作の周期、大きさ、動作スケジュール等は前もって設定して運転する。
ｍ 必要に応じて、培養液の循環、加圧を行う。加圧は、一定、断続、周期的な繰り返し等の加圧パターンから最適なパターンを選択する。
ｎ 所定の時間が経過したら、培養器部４から駆動部８を外す。
【００９０】
このような培養方法において、細胞構成体６は、図１７に示すように、半透膜を以てチューブ２０２に入れられ、この場合、培養液４８と、ゲルに細胞を混合した混合物２０４とで構成されている。チューブ２０２は、両端の開口を封止栓２０６を以て封止されている。
【００９１】
この細胞構成体６は例えば、２本を一組とし、培養ベッド３６に取り付け、既述の曲げ変位動作を繰り返し付与する。これにより、細胞が増殖するとともに、細胞外マトリクス等が産出され、不定形な新生組織が生成される。
【００９２】
この生成過程についてみると、培養前には、細胞、培養液、ハイドロゲル又はゲル状スキャフォールドの全部又はこれらの一部の組み合わせであった細胞構成体６が、培養後にあっては、細胞、培養液、ハイドロゲル、ゲル状スキャフォールド、細胞外マトリクス又はその他の細胞の産出物の全部又はこれらの一部の組み合わせに変換される。
【００９３】
そして、細胞構成体６から抽出した培養物を体内の損傷又は欠損部に注入すれば、その注入部分で本来の組織が再生され、注入した培養物は周囲の組織に融合し、一体化される。
【００９４】
また、細胞構成体６は、図１８に示すように、半透膜を以てチューブ２０２に入れられ、この場合も、培養液４８と、ゲルに細胞を混合させた混合物２０４とで構成されている。チューブ２０２は、各開口端側を折り曲げ、クリップ２０８で挟んで封止されている。この場合、チューブ２０２には余裕を持たせ、培養液４８及び混合物を充填されたチューブ２０２が断面楕円となる程度に培養液４８及び混合物２０４を入れる。これら細胞構成体６は、既述の培養ベッド３６に取り付け、繰り返し湾曲させる。
【００９５】
このような細胞構成体６を用いても、細胞の増殖が得られ、細胞外マトリクス等の産出により不定形な新生組織が生成される。即ち、培養前には、細胞と培養液とハイドロゲルとゲル状スキャフォールドの全部又はこれらの一部の組み合わせからなる細胞構成体６が、培養後には、細胞と培養液とハイドロゲルとゲル状スキャフォールドと細胞外マトリクスとその他の細胞の産出物の全部又はこれらの一部の組み合わせに変換される。
【００９６】
このような培養物を人体の損傷又は欠損部分に注入すれば、体内の注入した部分で本来の組織を再生し、かつ、周囲組織に融合させることができる。
【００９７】
また、細胞構成体６は、図１９に示すように、半透膜からなるチューブ２０２に入れられており、この場合、定型の細胞担体（スキャフォールド）２０５に細胞を播種したものである。チューブ２０２の各開口端は、封止栓２０６によって封止される。
【００９８】
この細胞構成体６は、単体又は複数個並べて培養ベッド３６に取り付け、繰り返し湾曲させる。これにより、細胞の増殖とともに、細胞外マトリクス等が産出され、不定形な、新生組織が生成される。即ち、培養前の細胞とコラーゲンスポンジ等の細胞担体とゲル状担体とからなる細胞構成体６は、培養後、細胞と細胞担体と細胞外マトリクスとその他の細胞の産出物とからなる新生組織に生成される。
【００９９】
半透膜を取り除き、中の新生組織を取り出し、これを人体の損傷又は欠損部分に縫合或いは接着等によって移植すれば、移植部分で、本来の組織を再生させ、周囲の組織に融合させることができる。
【０１００】
〔第３の実施の形態〕
【０１０１】
本発明の第３の実施の形態について、図２０ないし図２２を参照して説明する。図２０は、第３の実施の形態に係る培養システムを示す図、図２１は、制御部の構成例を示す図、図２２は、培養動作の処理手順を示すフローチャートである。
【０１０２】
この培養システム２４０では、培養液４８の循環や随時、新鮮な培養液４８を供給するため、培養室２４２内に培養ユニット２の培養器部４を含む培養回路２４４を設置したものである。培養回路２４４は、循環チューブ２４６を以て培養液槽２４８、ガス交換部２５０、ポンプ２５２、逆止弁２５４、培養器部４、圧力調節弁２５６を連結した循環路を構成する。この培養回路２４４では、培養液４８の循環を任意で行うことができるが、その循環の制御の一態様として、例えば、培養液４８の循環を停止又は禁止する場合には、培養回路２４４を閉塞すればよい。上記のポンプ２５２は、ピストン式ポンプ、シリンジポンプ、ペリスタルティックポンプ等で構成することができる。循環チューブ２４６には、例えば、培養液４８の滴下をカウントする等の方法によって培養液４８の流れを検出する流れセンサ２６８が設置されている。
【０１０３】
培養室２４２には、温度調節器２５８、ガス濃度調節器２６０及び制御装置２６２が設置されている。培養室２４２内は、温度調節器２５８によって培養に必要な温度に設定され、ガス濃度調節器２６０によって一定のガス濃度に保たれ、制御装置２６２によって培養液４８の循環、培養器部４内の圧力の制御が実行される。
【０１０４】
培養器部４にはアクチュエータ１２４からケーブル１１９を通して曲げ応力が付加される。この場合、アクチュエータ１２４は培養室２４２内に設置されているが、培養室２４２の外部に設置してもよい。
【０１０５】
アクチュエータ１２４の動作は、培養液４８の加圧循環と一括して制御してもよいし、それぞれを独立して制御してもよい。この場合、培養液４８の加圧と、アクチュエータ１２４による曲げ応力が細胞構成体６に付加される。
【０１０６】
そして、細胞構成体６に対し、曲げ変位の付与と、培養液４８の循環及び培養器部４内の圧力を一括して制御するには、図２１に示すように、制御系統を構成すればよい。制御装置２６２には、入力装置２６４からモータ１７８の回転数、培養液４８の循環量を設定し、モータ１７８及びポンプ２５２を駆動する。制御装置２６２は、ＣＰＵ（Central Processing Unit ）、ＲＯＭ（Read-Only Memory）及びＲＡＭ（Random-Access Memory）を備えたコンピュータで構成されている。
【０１０７】
モータ１７８、エンコーダ１８０及び制御装置２６２により変位付与制御が実行され、モータ１７８の回転がエンコーダ１８０に検出され、その検出情報が制御装置２６２に加えられている。
【０１０８】
圧力調節弁２５６、ポンプ２５２、流れセンサ２６８及び制御装置２６２により培養液送液制御が実行される。この培養液送液制御では、ポンプ２５２の回転数を上昇させれば、培養液４８の流量が増加するが、その送液による圧力は圧力調節弁２５６によって調節することができる。培養液４８の流れは、例えば、培養液４８の滴下をカウントする等の方法により流れセンサ２６８に検知され、その検知情報がポンプ制御等の制御情報に用いられる。
【０１０９】
加圧装置２７、圧力センサ２９及び制御装置２６２により加圧制御が実行され、圧力センサ２９で圧力が検出され、この検出情報によって加圧制御が実行される。
【０１１０】
温度調節器２５８を構成する温度センサ２８０、ヒータ２８２及び制御装置２６２により温度調節制御が実行され、温度センサ２８０の検出情報に基づき、ヒータ２８２の発熱温度が制御される。ガス濃度調節器２６０を構成するＣＯ2 濃度センサ２８４、ＣＯ2 電磁弁２８６、Ｏ2 濃度センサ２８８、Ｎ2 電磁弁２９０及び制御装置２６２によりガス濃度制御が実行される。ＣＯ2 濃度センサ２８４の検出情報に基づき、ＣＯ2 電磁弁２８６の開度が制御され、また、Ｏ2 濃度センサ２８８の検出情報に基づき、Ｎ2 電磁弁２９０の開度が制御される。これら温度調節及びガス濃度の制御により、培養室２４２内の環境制御が実行される。即ち、培養室２４２内のガス濃度雰囲気により、ガス交換部２５０において、培養液４８と培養室２４２内との間でガス交換が行われる。
【０１１１】
このような培養システム２４０では、図２２に示すように、電源スイッチ２９２の投入により（ステップＳ５１）、表示装置２６６が点灯する（ステップＳ５２）。そこで、環境制御値の入力（ステップＳ５３）、制御動作値の入力（ステップＳ５４）の後、設定値が表示装置２６６に表示される（ステップＳ５５）。ここで、運転スイッチ２９４を投入する（ステップＳ５６）。
【０１１２】
培養システム２４０が動作状態に入ると、温度調節（ステップＳ５７）、ガス濃度調節（ステップＳ５８）、加圧制御（ステップＳ５９）、培養液送液運転（ステップＳ６０）、変位付与運転（ステップＳ６１）が実行され、運転状態が表示装置２６６に表示される（ステップＳ６２）。
【０１１３】
変位付与に必要な運転状態が監視され（ステップＳ６３）、異常があれば、警告表示の後、運転を停止し（ステップＳ６４）、培養システム２４０をリセットさせ（ステップＳ６５）、異常原因を除去し（ステップＳ６６）、再度、ステップＳ５１〜Ｓ６３を動作させ、培養終了に至る（ステップＳ６７）。培養終了の後、運転スイッチ２９４を切り（スイッチ６８）、培養処理を終了する（ステップＳ６９）。
【０１１４】
〔第４の実施の形態〕
【０１１５】
本発明の第４の実施の形態について、図２３及び図２４を参照して説明する。図２３は、第４の実施の形態に係る培養ユニットを示す図、図２４は、図２３のXXIV−XXIV線断面を示す図である。図２３及び図２４において、図１ないし図８と同一部分には同一符号を付してある。
【０１１６】
第１ないし第３の実施の形態では、細胞構成体６に対して曲げ変位を付与する処理について説明したが、本発明は、細胞構成体６００の伸縮処理に適用することができ、レバー７０の運動による培養器部４の培養空間部１６における内部圧力に変化を生じさせることなく、所望の変位を細胞構成体６００に付与することができる。
【０１１７】
この実施の形態の培養器部４には長方形状の培養空間部１６が形成され、この培養空間部１６の棚部２９５に突出させた突起２９６に細胞構成体６００の一端を取り付け、その他端側に取り付けた保持枠２９８にレバー７０の先端部が回動可能に固定されている。この実施の形態では、保持枠２９８に固定ピン３００が突設されているので、この固定ピン３００にレバー７０の先端部に形成された係合環３０２を可動可能に係合させている。
【０１１８】
斯かる構成とすれば、駆動部８にワイヤ１１０を介してアクチュエータ１２４（図８、図９）から付与される応力により、レバー７０を円弧回動させれば、その円弧回動に応じて細胞構成体６を矢印ｍ、ｎ方向に伸縮させ、培養に必要な刺激、張力の付与及びその解除を繰り返し行うことができる。
【０１１９】
この場合、入側ポート部５０から培養液４８を培養空間部１６内に流し込み、出側ポート部５２から流出させ、新鮮な培養液４８を細胞構成体６００に供給することができる。
【０１２０】
〔実施の形態から抽出される特徴事項〕
【０１２１】
次に、以上述べた各実施の形態から抽出される特徴事項に関し、特許請求の範囲に記載した事項以外の特徴事項を以下に列挙する。列挙した特徴事項に本発明が限定されるものではない。
【０１２２】
(1) 上記培養装置において、
前記ベッドと前記レバーとを平行又は直角に配置したことを特徴とする培養装置。
【０１２３】
(2) 上記培養装置において、
前記培養器部は、密閉構造であることを特徴とする培養装置。
【０１２４】
(3) 上記培養装置において、
前記レバーの端部に作用部を備えることを特徴とする培養装置。
【０１２５】
(4) 上記培養装置において、
前記ベッドは、前記培養物を支持し、前記レバーからの加圧を受けて湾曲し、前記加圧の解除により加圧前の状態に復帰することを特徴とする培養装置。
【０１２６】
(5) 上記培養装置において、
前記ベッドは、端部に前記培養器部に支持させる支持部、中間部に前記レバーから作用を受ける受力部を備えることを特徴とする培養装置。
【０１２７】
(6) 上記培養装置において、
前記レバーは前記支点の近傍に円弧状面を持つフランジ部を備え、このフランジ部に対応して円弧状面を持つジョイント部を前記培養器部に備え、前記フランジ部の前記円弧状面と前記ジョイント部の円弧状面とを摺動可能に接触させたことを特徴とする培養装置。
【０１２８】
(7) 上記培養装置において、
上記ジョイント部は、前記レバーを回転させたとき、その回転の中心が、前記レバーのシール部中央に一致することを特徴とする培養装置。
【０１２９】
(8) 上記培養装置において、
前記培養器部から引き出された前記レバーの後端部に駆動力を付与する駆動部を前記培養器部の側部に設置してなることを特徴とする培養装置。
【０１３０】
(9) 上記培養装置において、
前記駆動部は、前記培養器部に着脱可能に設置されることを特徴とする培養装置。
【０１３１】
(10) 上記培養装置において、
前記駆動部から前記レバーに付与される前記加圧を周期的、連続的に制御し、及び／又は加圧速度を制御する制御部を備えることを特徴とする培養装置。
【０１３２】
(11) 上記培養装置において、
前記培養器部には、培養液が供給口から供給され、排出口から排出されることを特徴とする培養装置。
【０１３３】
(12) 培養器部にダイヤフラム部を備え、該ダイヤフラム部を通して前記培養器部内に圧力を付与することが可能であることを特徴とする培養装置。
【０１３４】
(13) 上記培養装置において、
前記駆動部は、
前記培養器部の側部に設置された筐体部と、
前記筐体部に摺動可能に支持され、外部から加えられる駆動力により摺動し、前記レバーに円弧運動を生じさせる第１のスライダと、
前記筐体部に摺動可能に支持され、前記レバーに前記スライダと反対方向に復帰力を作用させる第２のスライダと、
を備えることを特徴とする培養装置。
【０１３５】
(14) 上記培養装置において、
前記レバーを挿入する挿入口と、
前記挿入口から挿入される前記レバーの端部を前記第１のスライダと前記第２のスライダとの間にガイドするガイド部と、
を前記筐体部に備えることを特徴とする培養装置。
【０１３６】
〔実験結果〕
【０１３７】
次に、上記の培養装置及び培養システムを用いた実験結果について、図２５ないし図２９を参照して説明する。
【０１３８】
図２５は細胞構成体を示し、この細胞構成体は、培養液中に浮遊させた細胞を半透膜のチューブに入れて構成されている。図２６に示すように、細胞構成体は培養ベッドに固定され、培養器部（チャンバ）に収容される。この場合、駆動部は培養器部から分離されている。
【０１３９】
培養ユニットにはアクチュエータからの加圧が作用し、細胞構成体に曲げ動作が付加される。アクチュエータは、培養室の外に置かれ、ケーブルは培養室のドアを貫通させ、駆動部に接続されている。アクチュエータの動作状態は表示装置により確認できる。
【０１４０】
アクチュエータは、モータの回転運動をクランクで直線運動に変換しており、クランクアームの長さ選択により、ワイヤの進退幅が調節でき、これに応じて細胞構成体に付与される曲げの大きさが調節される。
【０１４１】
この実験では、加圧動作に関し、大気圧を維持し、曲げ動作だけに限定し、培養液循環を行った。圧力と、アクチュエータによる曲げ動作は個々に無関係に単独で付加した。この実験では、例えば、０．５〔ＭＰａ〕以上の加圧を付与することも考えられる。
【０１４２】
また、図２７ないし図２９は、脊椎器官の培養実験（Vertebrae organ culture of 2 days old mouse ）を示している。実験は、生後２日のマウスから取り出した脊椎を培養ベッドに設置し（図２７）、０．１〔Ｈｚ〕の周波数で曲げ動作を付加し、１０日間の培養を実施した。この実験では加圧はしていない。
【０１４３】
比較例として、静置培養を行った。図２８及び図２９は、１０日間の静置培養（Static 10 days）を示している。１０日後に、器官の断面をトルイジンブルー染色し、細胞の生存状況を観測した。図中、着色部分は明示できないが、明度の低下している部分（染色部分）が生きた細胞の存在を表している。静置培養では、椎間板内部の細胞密度が上がらず、マトリクスの変性が見られた（図２８のａ）。
【０１４４】
これに対し、曲げ動作、Displacement（変位）を付加した脊椎には、椎間板内部の細胞の増生並びに新生マトリクスの蓄積が認められた（図２９のｂ）。
【０１４５】
この実験結果から、曲げ動作を付与した培養は、静置培養と比較し、細胞の増生並びに新生マトリクスの堆積が見られることから、その曲げ動作が細胞構成体に刺激を与えるとともに、物質移動を促進させていることを推察することができる。
【０１４６】
以上の通り、本発明を最も好ましい実施の形態として説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【０１４７】
本発明は、細胞及び／又は組織を含む培養物の培養装置に関し、人等の体の部位に適正な細胞及び／又は組織の培養装置を提供するものであり、細胞構成体に曲げ動作を付与することにより、脊椎等の組織培養を効率的に行うことができ、有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１４８】
【図１】第１の実施の形態に係る培養装置の培養ユニットを示す縦断面図である。
【図２】培養器部を示す分解斜視図である。
【図３】カバー部を含む培養器本体部を示す分解斜視図である。
【図４】カバー部の下面側を示した斜視図である。
【図５】駆動部を示す分解斜視図である。
【図６】培養器部からカバー部を外して示した培養ユニットを示す平面図である。
【図７】培養ベッドを拡大して示した斜視図である。
【図８】アクチュエータを示す図である。
【図９】アクチュエータを示す平面図である。
【図１０】アクチュエータにおける運動変換部の一例を示す図である。
【図１１】運動変換部の動作の一例を示す図である。
【図１２】培養装置の制御系統の一例を示すブロック図である。
【図１３】培養の処理手順を示すフローチャートである。
【図１４】細胞構成体を設置した培養ベッドを示す図である。
【図１５】細胞構成体に対する曲げ動作を示す図である。
【図１６】アクチュエータの動作手順を示すフローチャートである。
【図１７】第２の実施の形態に係る細胞構成体の構成例を示す図である。
【図１８】細胞構成体の他の構成例を示す図である。
【図１９】細胞構成体の他の構成例を示す図である。
【図２０】第３の実施の形態に係る培養システムを示す図である。
【図２１】培養システムの制御系統を示すブロック図である。
【図２２】培養システムの処理手順を示すフローチャートである。
【図２３】第４の実施の形態に係る培養装置の培養ユニットを示す図である。
【図２４】図２３のXXIV−XXIV線断面を示す図である。
【図２５】実験例を示す図である。
【図２６】実験例を示す図である。
【図２７】実験例を示す図である。
【図２８】実験例を示す図である。
【図２９】実験例を示す図である。
【符号の説明】
【０１４９】
２ 培養ユニット
４ 培養器部
６、６００ 細胞構成体
８ 駆動部
１６ 培養空間部
４８ 培養液
７０ レバー
７２ 支点
【特許請求の範囲】
【請求項１】
細胞及び／又は組織を含む培養物の培養装置であって、
前記培養物を収容する培養器部と、
前記培養器部の内外に貫通させたレバーと、
を備え、前記レバーを操作して前記培養物に変位を付与することを特徴とする培養装置。
【請求項２】
細胞及び／又は組織を含む培養物の培養装置であって、
前記培養物を載置するベッドと、
このベッドとともに前記培養物を収容する培養器部と、
前記培養器部の内外に貫通させたレバーと、
前記レバーを操作して前記ベッドを押し、前記ベッドの湾曲変形により前記培養物に変位を付与する駆動手段と、
を備えることを特徴とする培養装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の培養装置において、
前記レバーは、前記培養器部の壁部又はその近傍に設定された支点を中心に円弧運動することを特徴とする培養装置。
【請求項４】
細胞及び／又は組織を含む培養物の培養装置であって、
前記培養物を載置するベッドと、
このベッドとともに前記培養物を収容する培養器部と、
前記培養器部の内外に貫通させ、前記培養器部の壁部又はその近傍に設定された支点を中心に円弧運動することが可能なレバーと、
前記レバーを操作して前記ベッドに伸縮力を付与し、前記ベッドの伸縮変形により前記培養物を伸縮させる駆動手段と、
を備えることを特徴とする培養装置。
【請求項５】
細胞及び／又は組織を含む培養物の培養方法であって、
培養器部に前記培養物を収容し、前記培養器部の内外に貫通させたレバーに、前記培養器部の壁部又はその近傍に設定された支点を中心に円弧運動を付与し、この円弧運動によって前記培養物に曲げ変位を付与することを特徴とする培養方法。
【請求項１】
細胞及び／又は組織を含む培養物の培養装置であって、
前記培養物を収容する培養器部と、
前記培養器部の内外に貫通させたレバーと、
を備え、前記レバーを操作して前記培養物に変位を付与することを特徴とする培養装置。
【請求項２】
細胞及び／又は組織を含む培養物の培養装置であって、
前記培養物を載置するベッドと、
このベッドとともに前記培養物を収容する培養器部と、
前記培養器部の内外に貫通させたレバーと、
前記レバーを操作して前記ベッドを押し、前記ベッドの湾曲変形により前記培養物に変位を付与する駆動手段と、
を備えることを特徴とする培養装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の培養装置において、
前記レバーは、前記培養器部の壁部又はその近傍に設定された支点を中心に円弧運動することを特徴とする培養装置。
【請求項４】
細胞及び／又は組織を含む培養物の培養装置であって、
前記培養物を載置するベッドと、
このベッドとともに前記培養物を収容する培養器部と、
前記培養器部の内外に貫通させ、前記培養器部の壁部又はその近傍に設定された支点を中心に円弧運動することが可能なレバーと、
前記レバーを操作して前記ベッドに伸縮力を付与し、前記ベッドの伸縮変形により前記培養物を伸縮させる駆動手段と、
を備えることを特徴とする培養装置。
【請求項５】
細胞及び／又は組織を含む培養物の培養方法であって、
培養器部に前記培養物を収容し、前記培養器部の内外に貫通させたレバーに、前記培養器部の壁部又はその近傍に設定された支点を中心に円弧運動を付与し、この円弧運動によって前記培養物に曲げ変位を付与することを特徴とする培養方法。
【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２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【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２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【公開番号】特開２００８−１７７１７（Ｐ２００８−１７７１７Ａ）
【公開日】平成２０年１月３１日（２００８．１．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１８９７３３（Ｐ２００６−１８９７３３）
【出願日】平成１８年７月１０日（２００６．７．１０）
【出願人】（０００１７０１３０）高木産業株式会社 (87)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１月３１日（２００８．１．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年７月１０日（２００６．７．１０）
【出願人】（０００１７０１３０）高木産業株式会社 (87)
【Ｆターム（参考）】
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