JP2003169663A - 細胞・組織培養装置 - Google Patents
細胞・組織培養装置Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 乳房等の生体の所定部位に適合する細胞や組
織の被培養物の培養に適した細胞・組織培養装置を提供
する。 【解決手段】 培養すべき細胞又は組織を収容するとと
もに培養液（３４）を循環させる培養チャンバ（１８、
培養器１０）を柔軟性素材（柔軟性フィルム１２、１
４）で形成し、この培養チャンバを流体（水８）内に浸
漬し、流体中に設置した培養チャンバに対する圧力や動
揺を付与し、培養中の細胞又は組織に流体からの圧力や
その動揺による物理刺激を付与している。この結果、培
養すべき細胞又は組織に必要なせん断応力等の任意の物
理刺激を付与することができ、人体の所望の部位に応じ
た組織体を培養できる。
織の被培養物の培養に適した細胞・組織培養装置を提供
する。 【解決手段】 培養すべき細胞又は組織を収容するとと
もに培養液（３４）を循環させる培養チャンバ（１８、
培養器１０）を柔軟性素材（柔軟性フィルム１２、１
４）で形成し、この培養チャンバを流体（水８）内に浸
漬し、流体中に設置した培養チャンバに対する圧力や動
揺を付与し、培養中の細胞又は組織に流体からの圧力や
その動揺による物理刺激を付与している。この結果、培
養すべき細胞又は組織に必要なせん断応力等の任意の物
理刺激を付与することができ、人体の所望の部位に応じ
た組織体を培養できる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ティッシュエンジ
ニアリング（組織工学）を応用した細胞、組織培養等に
用いられる細胞・組織培養装置に係り、より詳細に述べ
れば、人体等の生体の細胞、組織を体外培養する際に細
胞や組織の代謝機能を効率的に発現させ、細胞の延命、
分化、促進に必要な物理刺激を被培養物に付与する細胞
・組織培養装置に関する。
ニアリング（組織工学）を応用した細胞、組織培養等に
用いられる細胞・組織培養装置に係り、より詳細に述べ
れば、人体等の生体の細胞、組織を体外培養する際に細
胞や組織の代謝機能を効率的に発現させ、細胞の延命、
分化、促進に必要な物理刺激を被培養物に付与する細胞
・組織培養装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、人体等の生体の細胞、組織を体外
培養する方法には、インキュベータ（培養庫）内の温
度、湿度、二酸化炭素濃度、酸素濃度を適切な条件に維
持し、その中で細胞を培養するという方法が取られてい
る。細胞、組織は培養液中に浮遊状態に置かれるか、そ
の培養液成分の入ったゲルの中又は表面に固定して増
殖、成長させるか、マトリクス又はスキャホールド、足
場、担体、鋳型等と呼ばれる物質（以下単に「マトリク
ス」と称する）内に細胞、組織を植え付けて増殖、成長
させている。
培養する方法には、インキュベータ（培養庫）内の温
度、湿度、二酸化炭素濃度、酸素濃度を適切な条件に維
持し、その中で細胞を培養するという方法が取られてい
る。細胞、組織は培養液中に浮遊状態に置かれるか、そ
の培養液成分の入ったゲルの中又は表面に固定して増
殖、成長させるか、マトリクス又はスキャホールド、足
場、担体、鋳型等と呼ばれる物質（以下単に「マトリク
ス」と称する）内に細胞、組織を植え付けて増殖、成長
させている。
【０００３】この場合、細胞、組織の増殖、成長には、
温度、湿度、二酸化炭素濃度、酸素濃度等の環境条件に
加え、培養すべき細胞、組織に物理刺激を与えることが
重要である。このような物理刺激は細胞や組織の分化及
び成長を促進させるとともに、生体内の細胞や組織によ
り近い細胞や組織に成長させるために不可欠な要素であ
る。細胞、組織の増殖、成長に物理刺激を付与する技術
として、例えば、特表２００１−５０４６９７号「軟骨
細胞への剪断流れ応力の印加」や特許第３１６３５３３
号「シリコンベルトを使った培養細胞用伸縮刺激負荷装
置」がある。
温度、湿度、二酸化炭素濃度、酸素濃度等の環境条件に
加え、培養すべき細胞、組織に物理刺激を与えることが
重要である。このような物理刺激は細胞や組織の分化及
び成長を促進させるとともに、生体内の細胞や組織によ
り近い細胞や組織に成長させるために不可欠な要素であ
る。細胞、組織の増殖、成長に物理刺激を付与する技術
として、例えば、特表２００１−５０４６９７号「軟骨
細胞への剪断流れ応力の印加」や特許第３１６３５３３
号「シリコンベルトを使った培養細胞用伸縮刺激負荷装
置」がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ところで、乳がん等で
乳房の除去手術が行われた患者に対する乳房の修復方法
は、切除箇所にシリコーンを注入する方法等が一般的で
あるが、形状修復材としてのシリコーンは、生体に対し
て非吸収性の生体適合材料として多用されているところ
であるが、生体内で長期間保持されると、生体内へのシ
リコーンの流出が回避できない等の指摘がある。このた
め、シリコーン等の異物ではなく、生体と同様の組織に
よる欠損部位の修復が強く望まれている。
乳房の除去手術が行われた患者に対する乳房の修復方法
は、切除箇所にシリコーンを注入する方法等が一般的で
あるが、形状修復材としてのシリコーンは、生体に対し
て非吸収性の生体適合材料として多用されているところ
であるが、生体内で長期間保持されると、生体内へのシ
リコーンの流出が回避できない等の指摘がある。このた
め、シリコーン等の異物ではなく、生体と同様の組織に
よる欠損部位の修復が強く望まれている。
【０００５】そこで、本発明は、乳房等の生体の所定部
位に適合する細胞や組織の被培養物の培養に適した細胞
・組織培養装置を提供することを課題とするものであ
る。
位に適合する細胞や組織の被培養物の培養に適した細胞
・組織培養装置を提供することを課題とするものであ
る。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明の細胞・組織培養
装置は、培養すべき細胞又は組織を収容するとともに培
養液（３４）を循環させる培養チャンバ（１８、培養器
１０）を柔軟性素材（柔軟性フィルム１２、１４）で形
成し、この培養チャンバを流体（水８）内に浸漬したこ
とを特徴とする。柔軟性素材で形成された培養チャンバ
に培養すべき細胞又は組織を収容し、培養液を循環させ
るとともに、その培養チャンバを流体に浸漬させると、
培養チャンバの外部から流体からの圧力をその内部に作
用させることができ、この圧力が培養すべき細胞又は組
織に対する物理刺激となる。
装置は、培養すべき細胞又は組織を収容するとともに培
養液（３４）を循環させる培養チャンバ（１８、培養器
１０）を柔軟性素材（柔軟性フィルム１２、１４）で形
成し、この培養チャンバを流体（水８）内に浸漬したこ
とを特徴とする。柔軟性素材で形成された培養チャンバ
に培養すべき細胞又は組織を収容し、培養液を循環させ
るとともに、その培養チャンバを流体に浸漬させると、
培養チャンバの外部から流体からの圧力をその内部に作
用させることができ、この圧力が培養すべき細胞又は組
織に対する物理刺激となる。
【０００７】本発明の細胞・組織培養装置において、前
記流体を動揺させて前記培養チャンバ内の前記細胞又は
組織に物理刺激を付与することを特徴とする。柔軟性素
材で形成された培養チャンバに培養すべき細胞又は組織
を収容し、培養液を循環させるとともに、その培養チャ
ンバを流体に浸漬させ、培養チャンバの外部から流体を
媒介として圧力や振動をその内部に作用させると、その
流体の動揺が培養チャンバ内の細胞又は組織に物理刺激
として作用する。
記流体を動揺させて前記培養チャンバ内の前記細胞又は
組織に物理刺激を付与することを特徴とする。柔軟性素
材で形成された培養チャンバに培養すべき細胞又は組織
を収容し、培養液を循環させるとともに、その培養チャ
ンバを流体に浸漬させ、培養チャンバの外部から流体を
媒介として圧力や振動をその内部に作用させると、その
流体の動揺が培養チャンバ内の細胞又は組織に物理刺激
として作用する。
【０００８】本発明の細胞・組織培養装置において、前
記培養チャンバは、培養すべき細胞又は組織の形状に対
応した形状の空間部を備えたことを特徴とする。即ち、
培養すべき細胞又は組織は、例えば、人体の修復すべき
部位の形状に培養することが必要となる場合がある。そ
こで、培養チャンバの空間部を前記部位の形状に合致さ
せておけば、培養チャンバを成形型として機能させるこ
とができ、所望の部位の形状に合致した組織体を培養、
生産することができる。
記培養チャンバは、培養すべき細胞又は組織の形状に対
応した形状の空間部を備えたことを特徴とする。即ち、
培養すべき細胞又は組織は、例えば、人体の修復すべき
部位の形状に培養することが必要となる場合がある。そ
こで、培養チャンバの空間部を前記部位の形状に合致さ
せておけば、培養チャンバを成形型として機能させるこ
とができ、所望の部位の形状に合致した組織体を培養、
生産することができる。
【０００９】本発明の細胞・組織培養装置において、前
記流体の動揺は、流体の噴流によることを特徴とする。
即ち、流体の噴流は、流体内に任意の動揺を生じさせる
ことができる。この噴流を培養チャンバに流体を通して
作用させると、培養すべき細胞や組織に噴流の強さ等の
形態に応じた加圧、振動等の物理刺激を付与することが
できる。この物理刺激は、噴流の強さや方向等の形態に
応じて制御することができる。
記流体の動揺は、流体の噴流によることを特徴とする。
即ち、流体の噴流は、流体内に任意の動揺を生じさせる
ことができる。この噴流を培養チャンバに流体を通して
作用させると、培養すべき細胞や組織に噴流の強さ等の
形態に応じた加圧、振動等の物理刺激を付与することが
できる。この物理刺激は、噴流の強さや方向等の形態に
応じて制御することができる。
【００１０】本発明の細胞・組織培養装置において、前
記流体の動揺は、波動によることを特徴とする。即ち、
波動には横波、縦波があり、周期とレベル等の変化要素
を備えているから、この波動によって流体に動揺を生じ
させれば、波動の調整で動揺の制御が容易であり、所望
の動揺を生じさせることができる。その結果、所望の物
理刺激を細胞や組織に付与することができる。
記流体の動揺は、波動によることを特徴とする。即ち、
波動には横波、縦波があり、周期とレベル等の変化要素
を備えているから、この波動によって流体に動揺を生じ
させれば、波動の調整で動揺の制御が容易であり、所望
の動揺を生じさせることができる。その結果、所望の物
理刺激を細胞や組織に付与することができる。
【００１１】本発明の細胞・組織培養装置において、前
記物理刺激は、せん断応力であることを特徴とする。せ
ん断力を細胞や組織に付与することで、強靱な組織を得
ることができる。
記物理刺激は、せん断応力であることを特徴とする。せ
ん断力を細胞や組織に付与することで、強靱な組織を得
ることができる。
【００１２】本発明の細胞・組織培養装置において、前
記物理刺激は、断続又は連続して付与することを特徴と
する。人体と同等の組織を培養するには、物理刺激を断
続又は連続とすることにより、人体と同等の刺激を細胞
や組織に付与することができる。
記物理刺激は、断続又は連続して付与することを特徴と
する。人体と同等の組織を培養するには、物理刺激を断
続又は連続とすることにより、人体と同等の刺激を細胞
や組織に付与することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に示した実施例を参照して説明する。
に示した実施例を参照して説明する。
【００１４】図１ないし図３は、本発明の細胞・組織培
養装置の第１実施例を示し、図１は細胞・組織培養装置
の全容、図２は培養ユニット、図３は培養制御装置を示
している。
養装置の第１実施例を示し、図１は細胞・組織培養装置
の全容、図２は培養ユニット、図３は培養制御装置を示
している。
【００１５】この細胞・組織培養装置には装置本体２が
設けられ、この装置本体２は培養に適した無菌空間４を
形成する手段である。この装置本体２の内部には培養槽
６が設置され、この培養槽６には流体として例えば、水
８が溜められている。この水８に代えて適当な粘性を持
つ油等を用いてもよい。この水８を溜める培養槽６は、
円筒体、角筒体等、どのような形状でもよく、ステンレ
ス等の耐腐食性材料で形成することが望ましい。
設けられ、この装置本体２は培養に適した無菌空間４を
形成する手段である。この装置本体２の内部には培養槽
６が設置され、この培養槽６には流体として例えば、水
８が溜められている。この水８に代えて適当な粘性を持
つ油等を用いてもよい。この水８を溜める培養槽６は、
円筒体、角筒体等、どのような形状でもよく、ステンレ
ス等の耐腐食性材料で形成することが望ましい。
【００１６】この培養槽６の内部には、細胞又は組織を
培養する例えば、図２に示す培養器１０が設置され、こ
の培養器１０は水８の内部に浸漬され、その浸漬される
深さに応じて物理刺激である圧力、即ち、水圧を受けて
いる。培養器１０は、ラバー等の柔軟性素材で形成され
た受圧部材であるとともに成形部材である柔軟性フィル
ム１２、１４を枠部材１６に取り付けたものであり、各
柔軟性フィルム１２、１４によって所定形状の培養チャ
ンバ１８が形成されている。各柔軟性フィルム１２、１
４は、耐熱性が高く、気体や液体が透過し難く、成分溶
出が非常に少なく化学的に安定した特性を持ち、生体に
とって安全な安定した合成樹脂、例えば弗素樹脂製フィ
ルムで形成されている。この培養チャンバ１８内に細
胞、組織の足場となる培養媒体として、例えば、生体吸
収性物質からなるマトリクス２０が収容されている。マ
トリクス２０は例えば、長い糸状の生体吸収性物質をラ
ンダムに一絡まりに丸めたものであって、その形状は患
者の乳房に類似した形状、手術前の形状を複製するもの
である。
培養する例えば、図２に示す培養器１０が設置され、こ
の培養器１０は水８の内部に浸漬され、その浸漬される
深さに応じて物理刺激である圧力、即ち、水圧を受けて
いる。培養器１０は、ラバー等の柔軟性素材で形成され
た受圧部材であるとともに成形部材である柔軟性フィル
ム１２、１４を枠部材１６に取り付けたものであり、各
柔軟性フィルム１２、１４によって所定形状の培養チャ
ンバ１８が形成されている。各柔軟性フィルム１２、１
４は、耐熱性が高く、気体や液体が透過し難く、成分溶
出が非常に少なく化学的に安定した特性を持ち、生体に
とって安全な安定した合成樹脂、例えば弗素樹脂製フィ
ルムで形成されている。この培養チャンバ１８内に細
胞、組織の足場となる培養媒体として、例えば、生体吸
収性物質からなるマトリクス２０が収容されている。マ
トリクス２０は例えば、長い糸状の生体吸収性物質をラ
ンダムに一絡まりに丸めたものであって、その形状は患
者の乳房に類似した形状、手術前の形状を複製するもの
である。
【００１７】この実施例の場合、培養器１０は、柔軟性
フィルム１２、１４を保持する枠部材１６を固定手段で
ある蝶ネジ２２、２４で支持部材２６、２８に取り付け
ることにより、培養槽６の内部に固定されている。一方
の支持部材２６は培養槽６の底面側に突設され、他方の
支持部材２８は培養槽６の内側壁側に突設され、培養器
１０の柔軟性フィルム１２、１４からなる培養チャンバ
１８が培養槽６の所定位置に設定されている。
フィルム１２、１４を保持する枠部材１６を固定手段で
ある蝶ネジ２２、２４で支持部材２６、２８に取り付け
ることにより、培養槽６の内部に固定されている。一方
の支持部材２６は培養槽６の底面側に突設され、他方の
支持部材２８は培養槽６の内側壁側に突設され、培養器
１０の柔軟性フィルム１２、１４からなる培養チャンバ
１８が培養槽６の所定位置に設定されている。
【００１８】また、培養器１０には、柔軟性フィルム１
４側に２本のチューブ３０、３２が取り付けられてお
り、これらチューブ３０、３２によって培養液３４の循
環路３６が形成されている。従って、培養器１０内に設
置されたマトリクス２０には培養に必要な培養液３４が
循環し、供給されている。
４側に２本のチューブ３０、３２が取り付けられてお
り、これらチューブ３０、３２によって培養液３４の循
環路３６が形成されている。従って、培養器１０内に設
置されたマトリクス２０には培養に必要な培養液３４が
循環し、供給されている。
【００１９】そして、培養槽６には流体としての水８に
動揺、変化を生じさせる手段が設けられており、この実
施例では噴流発生機構３８が設置されている。この噴流
発生機構３８は、培養槽６内から外部に取り出した水８
を培養槽６内に圧送して培養器１０に当てるとともに、
培養槽６内の水８に動揺を生じさせるものである。
動揺、変化を生じさせる手段が設けられており、この実
施例では噴流発生機構３８が設置されている。この噴流
発生機構３８は、培養槽６内から外部に取り出した水８
を培養槽６内に圧送して培養器１０に当てるとともに、
培養槽６内の水８に動揺を生じさせるものである。
【００２０】この実施例の場合、培養槽６には、その底
面側に水８の取出口４０が設けられ、この取出口４０と
対向面側の側壁部に戻し口４２が形成されており、これ
ら取出口４０と戻し口４２との間には水８を循環させる
循環路４４が形成され、この循環路４４には水８の圧送
循環手段としてポンプ４６が設置されている。このポン
プ４６の回転によって圧送流の強度を任意に調整するこ
とができるものである。
面側に水８の取出口４０が設けられ、この取出口４０と
対向面側の側壁部に戻し口４２が形成されており、これ
ら取出口４０と戻し口４２との間には水８を循環させる
循環路４４が形成され、この循環路４４には水８の圧送
循環手段としてポンプ４６が設置されている。このポン
プ４６の回転によって圧送流の強度を任意に調整するこ
とができるものである。
【００２１】そして、戻し口４２側には循環路４４を通
じて圧送される水８を噴出させる噴流噴出手段としてノ
ズル４８が設けられている。このノズル４８から生じる
噴流を垂直及び水平方向に変化させるため、ノズル４８
は垂直水平操作機構５０に取り付けられている。実施例
では、ノズル４８の中間部に設けられたベンチュリ部５
２を支点として垂直方向に回動させる垂直方向回動手段
としての垂直方向アクチュエータ５４、水平方向に回動
させる水平方向回動手段としての水平方向アクチュエー
タ５６が設けられている。例えば、垂直方向アクチュエ
ータ５４のプランジャ５５がノズル４８の後部に軸支さ
れている。なお、ノズル４８を回動させる機構として
は、例えば、ベンチュリ部５２の外形をボール部とし、
このボール部を合成樹脂からなる回転可能な支持部材で
挟み込んで回転可能に支持し、これを支点としてノズル
４８の中間部分に垂直又は水平方向の移動力を加えるよ
うにすればよい。
じて圧送される水８を噴出させる噴流噴出手段としてノ
ズル４８が設けられている。このノズル４８から生じる
噴流を垂直及び水平方向に変化させるため、ノズル４８
は垂直水平操作機構５０に取り付けられている。実施例
では、ノズル４８の中間部に設けられたベンチュリ部５
２を支点として垂直方向に回動させる垂直方向回動手段
としての垂直方向アクチュエータ５４、水平方向に回動
させる水平方向回動手段としての水平方向アクチュエー
タ５６が設けられている。例えば、垂直方向アクチュエ
ータ５４のプランジャ５５がノズル４８の後部に軸支さ
れている。なお、ノズル４８を回動させる機構として
は、例えば、ベンチュリ部５２の外形をボール部とし、
このボール部を合成樹脂からなる回転可能な支持部材で
挟み込んで回転可能に支持し、これを支点としてノズル
４８の中間部分に垂直又は水平方向の移動力を加えるよ
うにすればよい。
【００２２】垂直方向アクチュエータ５４及び水平方向
アクチュエータ５６は駆動手段としてそれぞれモータが
設けられ、各モータの回転を垂直方向又は水平方向の移
動に変換し、ノズル４８を垂直方向又は水平方向又は同
時に垂直及び水平方向に移動させることができる。即
ち、上下左右方向の回動により、立体角９０°以上の方
向移動が可能であり、噴流を培養器１０に万遍なく噴射
することができる。
アクチュエータ５６は駆動手段としてそれぞれモータが
設けられ、各モータの回転を垂直方向又は水平方向の移
動に変換し、ノズル４８を垂直方向又は水平方向又は同
時に垂直及び水平方向に移動させることができる。即
ち、上下左右方向の回動により、立体角９０°以上の方
向移動が可能であり、噴流を培養器１０に万遍なく噴射
することができる。
【００２３】また、ノズル４８には噴流に気泡流を付加
する手段が設けられ、この実施例では、ノズル４８のベ
ンチュリ部５２に空気取入管５８が連結されている。例
えば、ノズル４８の中間部のベンチュリ部５２にスロー
ト６０が形成されており、このスロート６０のくびれた
部分に形成した空気取入用の小穴に空気取入管５８が連
結されている。この空気取入管５８の開口端は、培養槽
６の水面よりやや高い位置に設置する。そして、この空
気取入管５８には空気６２の取込みを調整する空気弁６
４が設けられ、この空気弁６４によって気泡流の有無、
その量を調整することができる。水流の圧送によって空
気取入管５８から引き込まれた空気６２が、水８中に気
泡流を生じさせ、また、その気泡流により水８中に超音
波を発生させることができる。
する手段が設けられ、この実施例では、ノズル４８のベ
ンチュリ部５２に空気取入管５８が連結されている。例
えば、ノズル４８の中間部のベンチュリ部５２にスロー
ト６０が形成されており、このスロート６０のくびれた
部分に形成した空気取入用の小穴に空気取入管５８が連
結されている。この空気取入管５８の開口端は、培養槽
６の水面よりやや高い位置に設置する。そして、この空
気取入管５８には空気６２の取込みを調整する空気弁６
４が設けられ、この空気弁６４によって気泡流の有無、
その量を調整することができる。水流の圧送によって空
気取入管５８から引き込まれた空気６２が、水８中に気
泡流を生じさせ、また、その気泡流により水８中に超音
波を発生させることができる。
【００２４】また、培養槽６の内部には、水８を保温す
る加熱手段としてのシーズヒータ６６が取り付けられて
いる。また、水８の取出口４０には、培養槽６内の水温
検出手段としての温度センサ６８が取り付けられてい
る。
る加熱手段としてのシーズヒータ６６が取り付けられて
いる。また、水８の取出口４０には、培養槽６内の水温
検出手段としての温度センサ６８が取り付けられてい
る。
【００２５】そして、温度センサ６８の検出出力は、図
３に示すように、培養制御手段として設けられた制御装
置７０に加えられており、この制御装置７０は、プロセ
ッサ、記憶手段、入出力手段等を備えている。この制御
装置７０には、装置の運転、運転停止を指令する運転ス
イッチ７２、刺激モード等の設定や各種の制御入力を取
り込む手段として入力装置７４、運転状態又は運転停止
状態の表示を行う表示ランプ７６、培養状況等の表示手
段として表示装置７８が設けられている。そして、この
制御装置７０は各種の制御出力を発生し、ポンプ４６、
各アクチュエータ５４、５６、ヒータ６６又は空気弁６
４に各制御出力が加えられる。
３に示すように、培養制御手段として設けられた制御装
置７０に加えられており、この制御装置７０は、プロセ
ッサ、記憶手段、入出力手段等を備えている。この制御
装置７０には、装置の運転、運転停止を指令する運転ス
イッチ７２、刺激モード等の設定や各種の制御入力を取
り込む手段として入力装置７４、運転状態又は運転停止
状態の表示を行う表示ランプ７６、培養状況等の表示手
段として表示装置７８が設けられている。そして、この
制御装置７０は各種の制御出力を発生し、ポンプ４６、
各アクチュエータ５４、５６、ヒータ６６又は空気弁６
４に各制御出力が加えられる。
【００２６】このような構成において、培養チャンバ１
８の内部に細胞、組織の培養の足場となる生体吸収性物
質のマトリクス２０が入れられ、このマトリクス２０に
脂肪細胞が植えられる。この培養、神経の成長のため、
ＮＧＦ（神経成長因子）も同時に足場に固定しておくと
よい。このようなマトリクス２０が収容された培養チャ
ンバ１８、即ち、培養器１０は培養槽６の水８中に浸漬
される。
８の内部に細胞、組織の培養の足場となる生体吸収性物
質のマトリクス２０が入れられ、このマトリクス２０に
脂肪細胞が植えられる。この培養、神経の成長のため、
ＮＧＦ（神経成長因子）も同時に足場に固定しておくと
よい。このようなマトリクス２０が収容された培養チャ
ンバ１８、即ち、培養器１０は培養槽６の水８中に浸漬
される。
【００２７】培養チャンバ１８には培養液３４を循環さ
せるとともに、培養槽６内の水８をポンプ４６によって
循環路４４に循環させ、ノズル４８によって培養槽６内
に噴射させる。培養槽６内の水温は温度センサ６８によ
り検知され、その検知温度に応じてシーズヒータ６６の
発熱温度が加減され、一定温度に制御される。
せるとともに、培養槽６内の水８をポンプ４６によって
循環路４４に循環させ、ノズル４８によって培養槽６内
に噴射させる。培養槽６内の水温は温度センサ６８によ
り検知され、その検知温度に応じてシーズヒータ６６の
発熱温度が加減され、一定温度に制御される。
【００２８】そして、ポンプ４６を運転すると、循環路
４４に水８が循環するとともに、ノズル４８より噴流が
発生し、その噴流が培養チャンバ１８に当てられる。こ
の噴流の方向は二つのアクチュエータ５４、５６を駆動
させて変化させることができ、培養チャンバ１８の表面
の任意の位置に付与することができる。この噴流が衝突
した培養チャンバ１８には、その衝突箇所が加圧される
とともに、その周辺部分に変形を生じさせる。噴流の出
方向を変化させると、培養チャンバ１８のマトリクス２
０上の細胞、組織にはあらゆる方向のせん断応力が作用
し、換言すれば、揉み解し力が作用する。例えば、アク
チュエータ５４を以てノズル４８の後部側を矢印ａ、ｂ
方向に移動させると、ベンチュリ部５２を支点としてノ
ズル４８の先端側が垂直方向に移動し、作用した移動変
位の大きさに応じた角度θの範囲で振れることになる。
このような動作は、アクチュエータ５６によっても行わ
れ、ノズル４８は水平方向移動及び角度範囲で振れるこ
とになる。
４４に水８が循環するとともに、ノズル４８より噴流が
発生し、その噴流が培養チャンバ１８に当てられる。こ
の噴流の方向は二つのアクチュエータ５４、５６を駆動
させて変化させることができ、培養チャンバ１８の表面
の任意の位置に付与することができる。この噴流が衝突
した培養チャンバ１８には、その衝突箇所が加圧される
とともに、その周辺部分に変形を生じさせる。噴流の出
方向を変化させると、培養チャンバ１８のマトリクス２
０上の細胞、組織にはあらゆる方向のせん断応力が作用
し、換言すれば、揉み解し力が作用する。例えば、アク
チュエータ５４を以てノズル４８の後部側を矢印ａ、ｂ
方向に移動させると、ベンチュリ部５２を支点としてノ
ズル４８の先端側が垂直方向に移動し、作用した移動変
位の大きさに応じた角度θの範囲で振れることになる。
このような動作は、アクチュエータ５６によっても行わ
れ、ノズル４８は水平方向移動及び角度範囲で振れるこ
とになる。
【００２９】また、空気弁６４を開くと、ベンチュリ部
５２はポンプ４６による噴流発生で負圧となっているの
で、その噴流に空気６２が吸い込まれ、微細な気泡とな
ってノズル４８から噴流に混じって培養槽６内の水８中
に吹き出される。この微細な気泡は、超音波を発生し、
マトリクス２０上の細胞、組織に振動刺激を与え、良好
な効果をもたらす。
５２はポンプ４６による噴流発生で負圧となっているの
で、その噴流に空気６２が吸い込まれ、微細な気泡とな
ってノズル４８から噴流に混じって培養槽６内の水８中
に吹き出される。この微細な気泡は、超音波を発生し、
マトリクス２０上の細胞、組織に振動刺激を与え、良好
な効果をもたらす。
【００３０】このように、マトリクス２０上の細胞、組
織に水８の噴流によるせん断応力を付与しながら、図示
しない圧力逃し弁で最適圧力を維持しつつ、培養チャン
バ１８に培養液３４を循環させて細胞、組織を培養する
ことができる。そして、ポンプ４６の回転数の制御等
で、噴流速度を変化させ、マトリクス２０上の細胞、組
織に最適な物理刺激を付与することができる。この場
合、細胞、組織に付与する噴流の強さは、例えば、培養
時間の経過とともに、最適な応力となるように、ポンプ
４６の回転数を変化させるプログラムにより制御し、ま
た、水８の量、水位の調節により、培養部分にかかる静
水圧の調節も可能である。この結果、静水圧とせん断応
力の２種類の物理刺激を付与することが可能である。
織に水８の噴流によるせん断応力を付与しながら、図示
しない圧力逃し弁で最適圧力を維持しつつ、培養チャン
バ１８に培養液３４を循環させて細胞、組織を培養する
ことができる。そして、ポンプ４６の回転数の制御等
で、噴流速度を変化させ、マトリクス２０上の細胞、組
織に最適な物理刺激を付与することができる。この場
合、細胞、組織に付与する噴流の強さは、例えば、培養
時間の経過とともに、最適な応力となるように、ポンプ
４６の回転数を変化させるプログラムにより制御し、ま
た、水８の量、水位の調節により、培養部分にかかる静
水圧の調節も可能である。この結果、静水圧とせん断応
力の２種類の物理刺激を付与することが可能である。
【００３１】この実施例では、培養器１０を培養槽６に
固定しているが、水８の浸漬深さを変更可能にし、培養
器１０、即ち、培養チャンバ１８に作用する水圧の大き
さを変更させれば、マトリクス２０上の細胞、組織に水
圧変化による最適な物理刺激を付与することができる。
また、培養器１０を培養槽６に固定した場合には、水８
の量を変化させることで、同様に、水圧変化による物理
刺激を付与することができる。また、培養槽６内の水８
に殺菌液を使用することにより、無菌空間４及び培養槽
６の耐菌化により、培養チャンバ１８への細菌の進入防
止等、より高度な汚染防止を図ることができる。
固定しているが、水８の浸漬深さを変更可能にし、培養
器１０、即ち、培養チャンバ１８に作用する水圧の大き
さを変更させれば、マトリクス２０上の細胞、組織に水
圧変化による最適な物理刺激を付与することができる。
また、培養器１０を培養槽６に固定した場合には、水８
の量を変化させることで、同様に、水圧変化による物理
刺激を付与することができる。また、培養槽６内の水８
に殺菌液を使用することにより、無菌空間４及び培養槽
６の耐菌化により、培養チャンバ１８への細菌の進入防
止等、より高度な汚染防止を図ることができる。
【００３２】また、この細胞・組織培養装置では、ラン
ダムな方向から培養中の組織全体にせん断応力を付与す
ることができ、即ち、ランダムな方向から組織全体にせ
ん断応力、言い換えれば揉み解し力の付与により、隙間
の多い組織、即ち、柔らかな脂肪組織を培養することが
可能である。隙間の多い脂肪組織では、柔軟性が高く、
生体内に移植した後、血管や神経細胞の生成が容易にな
り、促進させることができる。従って、このような培養
装置で培養された脂肪組織を用いれば、人体と同等に血
や神経の通った組織体としての乳房を復元することがで
きる。そして、このような培養装置によれば、膵臓の脂
肪組織（ランゲルハンス島）の培養にも用いることがで
き、糖尿病や膵臓ガンの治療に寄与することができる。
ダムな方向から培養中の組織全体にせん断応力を付与す
ることができ、即ち、ランダムな方向から組織全体にせ
ん断応力、言い換えれば揉み解し力の付与により、隙間
の多い組織、即ち、柔らかな脂肪組織を培養することが
可能である。隙間の多い脂肪組織では、柔軟性が高く、
生体内に移植した後、血管や神経細胞の生成が容易にな
り、促進させることができる。従って、このような培養
装置で培養された脂肪組織を用いれば、人体と同等に血
や神経の通った組織体としての乳房を復元することがで
きる。そして、このような培養装置によれば、膵臓の脂
肪組織（ランゲルハンス島）の培養にも用いることがで
き、糖尿病や膵臓ガンの治療に寄与することができる。
【００３３】この細胞・組織培養装置の制御プログラム
動作の一例を図４ないし図６に示すフローチャートを参
照して説明する。図４ないし図６において、ａ、ｂ、
ｃ、ｄ、ｅ、ｆ及びｇはフローチャート間の連結子を示
している。
動作の一例を図４ないし図６に示すフローチャートを参
照して説明する。図４ないし図６において、ａ、ｂ、
ｃ、ｄ、ｅ、ｆ及びｇはフローチャート間の連結子を示
している。
【００３４】ステップＳ１は、入力装置７４による運転
プログラムの入力処理を示している。所定の運転プログ
ラムを設定した後、ステップＳ２で運転スイッチ７２が
投入されると、ステップＳ３では表示ランプ７６が点灯
し、運転中の表示が行われる。そして、ステップＳ４で
は、温度センサ６８から取り込まれた水温と設定温度と
の比較に基づき、シーズヒータ６６の発熱温度が増減さ
れ、水８の温度が一定に制御される。
プログラムの入力処理を示している。所定の運転プログ
ラムを設定した後、ステップＳ２で運転スイッチ７２が
投入されると、ステップＳ３では表示ランプ７６が点灯
し、運転中の表示が行われる。そして、ステップＳ４で
は、温度センサ６８から取り込まれた水温と設定温度と
の比較に基づき、シーズヒータ６６の発熱温度が増減さ
れ、水８の温度が一定に制御される。
【００３５】運転スイッチ７２の投入によってポンプ４
６が駆動し、ステップＳ５では、培養開始時には低い強
度からなる噴流強度Ｊ1 でポンプ４６を駆動する。そし
て、ステップＳ６では、空気弁６４を開き、各アクチュ
エータ５４、５６のモータを駆動する。この結果、気泡
流を伴った噴流がノズル４８から培養チャンバ１８に向
けて発せられ、噴流によるせん断応力が培養中のマトリ
クス２０に付与される。各アクチュエータ５４、５６の
駆動によって、ノズル４８からの噴流は培養チャンバ１
８の表面に一様に当てられる。
６が駆動し、ステップＳ５では、培養開始時には低い強
度からなる噴流強度Ｊ1 でポンプ４６を駆動する。そし
て、ステップＳ６では、空気弁６４を開き、各アクチュ
エータ５４、５６のモータを駆動する。この結果、気泡
流を伴った噴流がノズル４８から培養チャンバ１８に向
けて発せられ、噴流によるせん断応力が培養中のマトリ
クス２０に付与される。各アクチュエータ５４、５６の
駆動によって、ノズル４８からの噴流は培養チャンバ１
８の表面に一様に当てられる。
【００３６】そして、ステップＳ７では、ポンプ４６や
アクチュエータ５４、５６のモータに異常があるか否か
を判定し、異常でない場合には、ステップＳ８に移行し
て時間ＴJ1（噴流時間）だけポンプ４６の運転を継続
し、時間ＴJ1の経過後、ステップＳ９に移行してポンプ
４６を停止させる。
アクチュエータ５４、５６のモータに異常があるか否か
を判定し、異常でない場合には、ステップＳ８に移行し
て時間ＴJ1（噴流時間）だけポンプ４６の運転を継続
し、時間ＴJ1の経過後、ステップＳ９に移行してポンプ
４６を停止させる。
【００３７】ステップＳ１０ではステップＳ４と同様の
水８の温度制御を実行し、ステップＳ１１でステップＳ
７と同様の異常判定を行う。異常でない場合には、ステ
ップＳ１２に移行し、時間ＴS1（噴流停止時間）の経過
を待ち、ステップＳ１３に移行して時間Ｔ1 （第１段階
の培養継続時間）の経過を待ち、ステップＳ１４に移行
してステップＳ４と同様の温度制御を行う。
水８の温度制御を実行し、ステップＳ１１でステップＳ
７と同様の異常判定を行う。異常でない場合には、ステ
ップＳ１２に移行し、時間ＴS1（噴流停止時間）の経過
を待ち、ステップＳ１３に移行して時間Ｔ1 （第１段階
の培養継続時間）の経過を待ち、ステップＳ１４に移行
してステップＳ４と同様の温度制御を行う。
【００３８】ステップＳ１５では、高い強度からなる噴
流強度Ｊ2 でポンプ４６を駆動し、ステップＳ１６では
再びポンプ４６やアクチュエータ５４、５６のモータに
異常があるか否かを判定し、異常でない場合には、ステ
ップＳ１７に移行して時間Ｔ J2（噴流時間）だけポンプ
４６の運転を継続し、時間ＴJ2の経過後、ステップＳ１
８に移行してポンプ４６を停止させ、ステップＳ１９に
移行してステップＳ４と同様の温度制御を行う。
流強度Ｊ2 でポンプ４６を駆動し、ステップＳ１６では
再びポンプ４６やアクチュエータ５４、５６のモータに
異常があるか否かを判定し、異常でない場合には、ステ
ップＳ１７に移行して時間Ｔ J2（噴流時間）だけポンプ
４６の運転を継続し、時間ＴJ2の経過後、ステップＳ１
８に移行してポンプ４６を停止させ、ステップＳ１９に
移行してステップＳ４と同様の温度制御を行う。
【００３９】また、ステップＳ２０では再びポンプ４６
やアクチュエータ５４、５６のモータに異常があるか否
かを判定し、異常でない場合には、ステップＳ２１に移
行して時間ＴS2（噴流停止時間）の経過を待ち、時間Ｔ
S2の経過後、ステップＳ２２に移行して時間Ｔ2 （第２
段階の培養継続時間）の経過を待ち、ステップＳ２３に
移行してステップＳ４と同様の温度制御を行う。
やアクチュエータ５４、５６のモータに異常があるか否
かを判定し、異常でない場合には、ステップＳ２１に移
行して時間ＴS2（噴流停止時間）の経過を待ち、時間Ｔ
S2の経過後、ステップＳ２２に移行して時間Ｔ2 （第２
段階の培養継続時間）の経過を待ち、ステップＳ２３に
移行してステップＳ４と同様の温度制御を行う。
【００４０】また、ステップＳ２４では再びポンプ４６
やアクチュエータ５４、５６のモータに異常があるか否
かを判定し、異常でない場合には、ステップＳ２５に移
行し、培養の完了時、培養終了表示を行い、ステップＳ
２６では運転スイッチ７２がＯＦＦか否かを判定し、Ｏ
ＦＦの場合にはポンプ４６の停止、空気弁６４の閉止、
各アクチュエータ５４、５６の停止を行い、ステップＳ
２８では運転表示の解除及び終了表示の解除を行う。
やアクチュエータ５４、５６のモータに異常があるか否
かを判定し、異常でない場合には、ステップＳ２５に移
行し、培養の完了時、培養終了表示を行い、ステップＳ
２６では運転スイッチ７２がＯＦＦか否かを判定し、Ｏ
ＦＦの場合にはポンプ４６の停止、空気弁６４の閉止、
各アクチュエータ５４、５６の停止を行い、ステップＳ
２８では運転表示の解除及び終了表示の解除を行う。
【００４１】また、ステップＳ７、Ｓ１１、Ｓ１６、Ｓ
２０、Ｓ２４で異常と判定された場合には、ステップＳ
２９に移行してポンプ４６及びアクチュエータ５４、５
６の運転を停止し、ステップＳ３０ではその異常告知と
して表示装置７８に警告表示を行う。
２０、Ｓ２４で異常と判定された場合には、ステップＳ
２９に移行してポンプ４６及びアクチュエータ５４、５
６の運転を停止し、ステップＳ３０ではその異常告知と
して表示装置７８に警告表示を行う。
【００４２】このような制御動作は、図７に示すような
タイミングチャートで表すことができる。図７におい
て、（Ａ）は運転表示、（Ｂ）は終了表示、（Ｃ）はポ
ンプ４６の運転時間、停止時間及びその水流の強弱（Ｊ
1 、Ｊ2 ）、（Ｄ）はアクチュエータ５４の垂直方向の
移動、（Ｅ）はアクチュエータ５６の水平方向の移動、
（Ｆ）は空気弁６４の開閉、（Ｇ）はシーズヒータ６６
の通電区間及び通電停止区間、（Ｈ）は温度センサ６８
の検出温度の推移を示している。このような制御動作か
ら明らかなように、ポンプ４６の回転数調整により、噴
流強度Ｊ1 、Ｊ2のように変化させることができる。
タイミングチャートで表すことができる。図７におい
て、（Ａ）は運転表示、（Ｂ）は終了表示、（Ｃ）はポ
ンプ４６の運転時間、停止時間及びその水流の強弱（Ｊ
1 、Ｊ2 ）、（Ｄ）はアクチュエータ５４の垂直方向の
移動、（Ｅ）はアクチュエータ５６の水平方向の移動、
（Ｆ）は空気弁６４の開閉、（Ｇ）はシーズヒータ６６
の通電区間及び通電停止区間、（Ｈ）は温度センサ６８
の検出温度の推移を示している。このような制御動作か
ら明らかなように、ポンプ４６の回転数調整により、噴
流強度Ｊ1 、Ｊ2のように変化させることができる。
【００４３】次に、図８は、本発明の細胞・組織培養装
置の第２実施例を示している。
置の第２実施例を示している。
【００４４】この実施例の細胞・組織培養装置は、第１
実施例と同様に、培養槽６の水８中に培養器１０を浸漬
し、培養チャンバ１８内でマトリクス２０上の細胞、組
織を培養するものであるが、第１実施例の水８の噴流に
よる物理刺激に代えて、水８の動揺、マトリクス２０上
の細胞、組織に波によってせん断応力を作用させ、これ
によって物理刺激が細胞、組織に付与されるものであ
る。
実施例と同様に、培養槽６の水８中に培養器１０を浸漬
し、培養チャンバ１８内でマトリクス２０上の細胞、組
織を培養するものであるが、第１実施例の水８の噴流に
よる物理刺激に代えて、水８の動揺、マトリクス２０上
の細胞、組織に波によってせん断応力を作用させ、これ
によって物理刺激が細胞、組織に付与されるものであ
る。
【００４５】この実施例では、培養槽６の水８中に培養
器１０、即ち、培養チャンバ１８を浮遊させて設置し、
培養チャンバ１８の材料、構造、形状、内部の培養ため
の足場等のマトリクス２０は第１実施例と同様である。
この場合、培養槽６の側壁部には動揺発生手段として波
発生板８０が設置され、この波発生板８０にはモータ８
２等の駆動手段が発生した回転力がリンク機構８４で角
度変化θに変換されて加えられている。この波発生板８
０の角度変化θで培養槽６中の水８に波（定在波）を発
生させる。この結果、培養チャンバ１８内の細胞、組織
にこの波による物理刺激を作用させることができる。
器１０、即ち、培養チャンバ１８を浮遊させて設置し、
培養チャンバ１８の材料、構造、形状、内部の培養ため
の足場等のマトリクス２０は第１実施例と同様である。
この場合、培養槽６の側壁部には動揺発生手段として波
発生板８０が設置され、この波発生板８０にはモータ８
２等の駆動手段が発生した回転力がリンク機構８４で角
度変化θに変換されて加えられている。この波発生板８
０の角度変化θで培養槽６中の水８に波（定在波）を発
生させる。この結果、培養チャンバ１８内の細胞、組織
にこの波による物理刺激を作用させることができる。
【００４６】この動揺発生手段は、波発生板８０及びモ
ータ８２の機械的な手段に代え、電気信号を機械振動に
変換する機構、例えば、スピーカのボイスコイルのよう
なソレノイドで波発生板８０を振動させる構成としても
よい。この場合、細胞、組織に適した周波数信号によっ
て振動を発生させることができる。
ータ８２の機械的な手段に代え、電気信号を機械振動に
変換する機構、例えば、スピーカのボイスコイルのよう
なソレノイドで波発生板８０を振動させる構成としても
よい。この場合、細胞、組織に適した周波数信号によっ
て振動を発生させることができる。
【００４７】そして、このような振動を培養槽６内の水
８に作用させると、その波によって培養チャンバ１８は
曲げ応力やせん断応力、圧縮応力等、様々な応力を受け
ることになり、その内部のマトリクス２０上の細胞、組
織にとっては主にせん断応力を様々な方向から受ける。
このように波による物理刺激を与えながら、細胞、組織
を培養する。
８に作用させると、その波によって培養チャンバ１８は
曲げ応力やせん断応力、圧縮応力等、様々な応力を受け
ることになり、その内部のマトリクス２０上の細胞、組
織にとっては主にせん断応力を様々な方向から受ける。
このように波による物理刺激を与えながら、細胞、組織
を培養する。
【００４８】この場合、モータ８２の回転数及び回転ス
トロークを制御したり、又は、ボイスコイルに与える電
流値や周波数、通電間隔を変化させる等の方法で波の強
さや周波数を変化させ、培養すべき細胞、組織に適した
刺激を与えることができる。そして、細胞、組織に付与
する物理刺激の強さや周波数は、培養時間の経過ととも
に最適な応力となるように、強さや周波数を変化させる
プログラムに従って制御させることができ、第１実施例
と同様の効果が得られる。
トロークを制御したり、又は、ボイスコイルに与える電
流値や周波数、通電間隔を変化させる等の方法で波の強
さや周波数を変化させ、培養すべき細胞、組織に適した
刺激を与えることができる。そして、細胞、組織に付与
する物理刺激の強さや周波数は、培養時間の経過ととも
に最適な応力となるように、強さや周波数を変化させる
プログラムに従って制御させることができ、第１実施例
と同様の効果が得られる。
【００４９】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
圧力や流体の動揺によって培養中の細胞、組織にせん断
応力等の任意の物理刺激を付与することができ、人体の
所望の部位形状に応じた組織体を培養することができる
とともに、その部位が持つ柔軟性や強靱性を実現するこ
とができる。
圧力や流体の動揺によって培養中の細胞、組織にせん断
応力等の任意の物理刺激を付与することができ、人体の
所望の部位形状に応じた組織体を培養することができる
とともに、その部位が持つ柔軟性や強靱性を実現するこ
とができる。
【図１】本発明の細胞・組織培養装置の第１実施例を示
す図である。
す図である。
【図２】培養ユニットを示す斜視図である。
【図３】培養制御装置の実施例を示すブロック図であ
る。
る。
【図４】制御プログラムを示すフローチャートである。
【図５】図４に続く制御プログラムを示すフローチャー
トである。
トである。
【図６】図５に続く制御プログラムを示すフローチャー
トである。
トである。
【図７】物理刺激を示すタイミングチャートである。
【図８】本発明の細胞・組織培養装置の第２実施例を示
す図である。
す図である。
８ 水（流体）
１０ 培養器
１２、１４ 柔軟性フィルム（柔軟性素材）
１８ 培養チャンバ
３４ 培養液
Claims (7)
- 【請求項１】 培養すべき細胞又は組織を収容するとと
もに培養液を循環させる培養チャンバを柔軟性素材で形
成し、この培養チャンバを流体内に浸漬したことを特徴
とする細胞・組織培養装置。 - 【請求項２】 前記流体を動揺させて前記培養チャンバ
内の前記細胞又は組織に物理刺激を付与することを特徴
とする請求項１記載の細胞・組織培養装置。 - 【請求項３】 前記培養チャンバは、培養すべき細胞又
は組織の形状に対応した形状の空間部を備えたことを特
徴とする請求項１又は２記載の細胞・組織培養装置。 - 【請求項４】 前記流体の動揺は、流体の噴流によるこ
とを特徴とする請求項２記載の細胞・組織培養装置。 - 【請求項５】 前記流体の動揺は、波動によることを特
徴とする請求項２記載の細胞・組織培養装置。 - 【請求項６】 前記物理刺激は、せん断応力であること
を特徴とする請求項１又は２記載の細胞・組織培養装
置。 - 【請求項７】 前記物理刺激は、断続又は連続して付与
することを特徴とする請求項１又は２記載の細胞・組織
培養装置。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001371966A JP4398125B2 (ja) | 2001-12-05 | 2001-12-05 | 細胞・組織培養装置 |
| EP02804350A EP1462515A4 (en) | 2001-12-05 | 2002-11-19 | APPARATUS FOR CULTURING TISSUE / CELLS |
| PCT/JP2002/012083 WO2003048296A1 (fr) | 2001-12-05 | 2002-11-19 | Appareil de culture de tissu/cellules |
| US10/497,515 US7541178B2 (en) | 2001-12-05 | 2002-11-19 | Cell/tissue culture apparatus |
Applications Claiming Priority (1)
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