JP2017140007A - 浮遊培養装置および大量培養システム - Google Patents

Abstract

【課題】
浮遊培養装置では、培養器内における培養液の流入口付近で流れが急拡大するので流れが乱れるという課題がある。よって、流量の制御で複数の細胞を上下方向で適切な位置に維持することが困難であり、また、速度の小さい個所で細胞同士が不用意に付着し合うという不具合がある。
【解決手段】培養液の循環流により培養対象物を浮遊させる浮遊培養装置であって、培養液および培養対象物を収容する培養器と、前記培養器に培養液が流入する流入口と、培養器から培養液が流出する流出口と、流入口と流出口との間に配置され、流入口から流入された培養液の循環流を均一化する整流板とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、浮遊培養装置および大量培養システムに関する。

再生医療の現場で利用される細胞を培養液中で浮遊させて培養する浮遊培養装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
［先行技術文献］
［特許文献］
［特許文献１］特開２００５−３４８６７２号公報

上記の浮遊培養装置では、培養器内における培養液の流入口付近で流れが急拡大するので流れが乱れる。よって、流量の制御で複数の細胞を上下方向で適切な位置に維持することが困難であり、また、速度の小さい個所で細胞同士が不用意に付着し合うという不具合がある。

本発明の一態様においては、培養液の循環流により培養対象物を浮遊させる浮遊培養装置であって、培養液および培養対象物を収容する培養器と、培養器に培養液が流入する流入口と、培養器から培養液が流出する流出口と、流入口と流出口との間に配置され、流入口から流入された培養液の循環流を均一化する整流板とを備える培養液供給装置が提供される。

上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。これらの特徴群のサブコンビネーションもまた発明となり得る。

メッシュ体１２０を備える浮遊培養装置１００の模式斜視図である。 単一ユニット１１００における培養液の流れを示す模式断面図である。 細胞１０の径と疑似無重力状態に必要な上昇流の流速との関係を示すグラフである。 単一ユニット１１００における培養液の流れを示す模式断面図である。 大量培養システム１０００における培養液の流れを説明する説明図である。 リジェクト部１１３０における培養液の流れを示す模式断面図である。 大量培養システム１０００を説明する説明図である。 メッシュ体２１２０の模式斜視図である。 メッシュ体２１２０の複数の部分における開口率の違いを示す模式図である。 メッシュ体２１２０における培養液の旋回流を示す模式水平断面図である。 メッシュ体２１２０を備える浮遊培養装置２１０における培養液の流れを示す模式斜視図である。 メッシュ体２１２０を備える浮遊培養装置２１０における培養液の流れを示す模式斜視図である。 メッシュ体３１２０を備える浮遊培養装置３１０における培養液の流動シミュレーション結果を示す模式断面図である。 メッシュ体１２０を備える浮遊培養装置１００における培養液の流動シミュレーション結果を示す模式断面図である。 メッシュ体２１２０を備える浮遊培養装置２１０における培養液の流動シミュレーション結果を示す模式断面図である。 メッシュ体２１２０を備える浮遊培養装置２１０における培養液の流動シミュレーション結果を示す模式水平断面図である。 アクティブ流量制御を説明する説明図である。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明する。下記の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、メッシュ体１２０を備える浮遊培養装置１００の模式斜視図である。浮遊培養装置１００は、培養液の循環流により培養細胞を浮遊させた状態で培養する。浮遊培養装置１００は、培養器下部１１０と、メッシュ体１２０と、循環用流入部１３０と、培養器上部１４０と、循環用流出部１５０と、移送用流出部１６０と、誘導部１７０と、誘導用流入部１８０とを備える。

培養器下部１１０は、略円筒形の容器である。培養器下部１１０は、側面１１１と、底面１１２と、上面１１４とを有する。上面１１４には、略中央に貫通穴１１３が形成されており、貫通穴１１３を介して、培養器下部１１０の内部と培養器上部１４０の内部とが連通する。底面１１２には、略中央に貫通穴１３３が形成されており、貫通穴１３３を介して、培養器下部１１０の内部と循環用流入部１３０の内部とが連通する。培養器下部１１０は、例えば、直径２００ｍｍ×長さ３００ｍｍの円筒形状容器である。

メッシュ体１２０は、流入口と流出口との間に配置され、流入口から流入された培養液の循環流を流入直後よりも均一化する整流板の一例である。メッシュ体１２０は、培養器下部１１０の内径より小さな外径の略円筒形を有する。培養器下部１１０が外筒をなし、当該外筒の内部に内筒をなすメッシュ体１２０が配される。メッシュ体１２０は、側面１２１と、底面１２２とを有する。メッシュ体１２０の外径は上記貫通穴１１３の内径と一致し、メッシュ体１２０は貫通穴１１３に嵌合される。側面１２１は、貫通穴１１３を介して培養器上部１４０の内部に延在し、培養器上部１４０の上面１４４の内壁に密に固定されている。メッシュ体１２０の底面１２２と培養器下部１１０の底面１１２とは平行に配される。さらに、メッシュ体１２０と培養器下部１１０及び培養器上部１４０とは同軸上に配置される。メッシュ体１２０の内部は、当該開口している部分を介して、移送用流出部１６０の内部と連通する。

メッシュ体１２０は更に、側面１２１および底面１２２において複数の開口１２５を有する。複数の開口１２５の各々は、側面１２１および底面１２２において略等間隔に相互に離間する。複数の開口１２５の各々は、培養細胞の大きさが直径１００μｍ程度である場合に、その大きさを示す特徴的な長さが１μｍから１ｍｍであり、好ましくは、５０μｍから２００μｍである。大きさを示す特徴的な長さは、例えば、円形状における円の直径、矩形における１辺、多角形状における対向する頂点間の距離等、であり、当該長さが大きいほど開口１２５の面積も大きくなるような長さである。また、この場合の複数の開口１２５の開口率は、３０％から７０％が好ましい。ここでいう開口率とは、メッシュ体の単位面積当たりの複数の開口の面積比率を意味する。

上記のメッシュ体１２０の複数の開口１２５の特徴的な長さは、流れが層流となる条件から考えると、下記の通りとなる。当該特徴的な長さをＤ（ｍ）とし、複数の開口１２５の開口率をａとすると、Ｄ及びａは以下の関係式（１）を満たす。
Ｄ＝（Ｒｅ／（ｖｅｌ／ａ））×ν...関係式（１）
ここで、Ｒｅはレイノルズ数、ｖｅｌはメッシュ体１２０を通過後の流速（ｍ／ｓ）、νは動粘性係数（ｍ^２／ｓ）である。関係式（１）は、レイノルズ数の定義式に基づく。

円管内の流れでは、層流はＲｅが概ね２０００以下で実現できるが、ここではメッシュ体１２０を通過後の流速の均一性を高めるべく、Ｒｅ＝２００と仮定する。水の動粘性係数νは、室温で１×１０^−６ｍ^２／ｓである。培養液の動粘性係数を水の動粘性係数と同じと仮定し、メッシュ体１２０によって均一層流を生成すべく、レイノルズ数Ｒｅ＝２００、開口率ａ＝０．５（５０％）とした場合、上記関係式（１）から、以下の特徴的な長さＤと流速ｖｅｌとの関係式（２）が導出される。
Ｄ＝（２００／（ｖｅｌ／０．５））×１×１０^−６＝１×１０^−４／ｖｅｌ...関係式（２）

上記関係式（２）によれば、例えば、流速ｖが０．０１ｍ／ｓの場合、特徴的な長さＤは１０ｍｍとなり、流速ｖが０．１ｍ／ｓの場合、特徴的な長さＤは１ｍｍとなり、流速ｖが１ｍ／ｓの場合、特徴的な長さＤは０．１ｍｍとなる。しかしながら、本実施形態における浮遊培養装置１００においては、これらの計算上の数値は特徴的な長さの上限を示しているに過ぎず、培養細胞の大きさと許容圧力損失とを考慮して、培養細胞の逆流を避けつつ、メッシュ体１２０の隅部を含む全面に均一流を生成する複数の開口１２５を形成すべく、当該特徴的な長さの最適値が決定されることが好ましい。それらを考慮すると、上述の通り、複数の開口１２５の各々の実際の特徴的な長さは、培養細胞の大きさが直径１００μｍ程度である場合に、５０μｍから２００μｍであることが好ましい。

メッシュ体１２０は、例えば、上記開口１２５を有する単層シート又は複層シートである。また、メッシュ体１２０は、上記開口１２５を有するステンレス板であってもよく、針金で編まれた金網であってもよい。整流板は、メッシュ体１２０に代えて、セラミックス製の多孔質体であってもよい。整流板は、メッシュ体１２０に代えて、ＰＶＡスポンジ、ポリプロピレン、ポリエチレン、金属、活性炭などの様々な素材を使用する濾過材・フィルタ類といった液体フィルタであってもよい。

循環用流入部１３０は、培養器下部１１０の底面１１２に設けられる。循環用流入部１３０は、培養器下部１１０に培養液を流入させる外部の管の一端であって、培養器下部１１０内径より小さな内径の円管である。循環用流入部１３０は、一端側で貫通穴１３３を介して培養器下部１１０の内部と連通する。他端側には、開閉制御可能な流入部バルブ１３６が設けられる。

培養器上部１４０は、培養器下部１１０の内径より大きな内径の略円筒形を有する。培養器上部１４０は、側面１４１と、底面１４２と、上面１４４とを有する。培養器上部１４０は、底面１４２の略中央において、貫通穴１１３を介して培養器下部１１０の内部と連通する。また、上面１４４の略中央に形成された貫通穴１４３を介して、移送用流出部１６０の内部と連通する。また、側面１４１で循環用流出部１５０の内部と連通する。

循環用流出部１５０は、培養器上部１４０から培養液が流出する流出口の一例である。循環用流出部１５０は、培養器上部１４０の側面１４１の側、すなわち、培養器下部１１０の側面１１１の上部に設けられる。循環用流出部１５０は円管であって、一端側で貫通穴を介して培養器上部１４０の内部と連通する。他端側には開閉制御可能な流出部バルブ１５６が設けられる。循環用流出部１５０の内部は、流出部バルブ１５６を介して、外部と連通する。

移送用流出部１６０は、培養器上部１４０の上面１４４の側に設けられる。移送用流出部１６０は円錐管であって、略円錐形のテーパ部１６１を有する。テーパ部１６１は、幅広側で培養器上部１４０に接続され、幅狭側に貫通穴１６３を有する。移送用流出部１６０は、貫通穴１６３を介して、誘導部１７０の内部と連通する。

誘導部１７０は、培養液を浮遊培養装置１００の外部に誘導する。誘導部１７０は円錐管の先端に細管を備える漏斗形状管であって、略円錐形のテーパ部１７１と、略円筒形の狭小部１７２とを有する。誘導部１７０は移送用流出部１６０の上にこれと略平行に配される。テーパ部１７１の底面かつ移送用流出部１６０の外側は閉じている。テーパ部１７１は、幅狭側で、狭小部１７２に連続的に接続される。狭小部１７２は、テーパ部１７１側の他端側に開閉制御可能な誘導部バルブ１７６を有する。誘導部１７０の内部は、誘導部バルブ１７６を介して、外部と連通する。テーパ部１７１は、外面の一部に形成された貫通穴を介して、誘導用流入部１８０の内部と連通する。

誘導用流入部１８０は円管であって、一端側で貫通穴を介して誘導部１７０の内部と連通し、他端側に開閉制御可能な流入部バルブ１８６を有する。誘導用流入部１８０の内部は、流入部バルブ１８６を介して、外部と連通する。

上記の培養器下部１１０、メッシュ体１２０、循環用流入部１３０、培養器上部１４０、循環用流出部１５０、移送用流出部１６０、誘導部１７０および誘導用流入部１８０は互いに液密に固定されており、流入部バルブ１３６、流出部バルブ１５６、誘導部バルブ１７６、及び、流入部バルブ１８６以外で機械的に可動する箇所はない。なお、浮遊培養装置１００の上記の一部または全部を一体的に形成してもよい。

図２および図４は、単一ユニット１１００における培養液の流れを示す模式断面図である。図３は、細胞１０の径と疑似無重力状態に必要な上昇流の流速との関係を示すグラフである。先ず、図２を参照しつつ、単一ユニット１１００の構成を説明する。

単一ユニット１１００は、浮遊培養装置１００と、単一ユニット１１００を制御する制御部１１０１と、細胞１０を観察する撮像部１１０２と、浮遊培養装置１００内に光を投射する照明部１１０４と、培養液を供給する培養液供給装置１１１０と、細胞１０の形状を計測する形状計測部１１２１と、細胞１０の組成を計測する組成計測部１１２３と、不良細胞をリジェクトするリジェクト部１１３０およびリジェクト部１１５０とを備える。単一ユニット１１００は更に、これらの各構成要素間を連結する、流路１１１１、１１１２、１１１３、１１１４、１１１５、１１１６、１１１７を備える。培養液は、単一ユニット１１００における、撮像部１１０２および照明部１１０４以外の部分を移動する。メッシュ体１２０内部には直径１００μｍ程度の複数の細胞１０が配される。

照明部１１０４は、浮遊培養装置１００内に光を投射する。照明部１１０４は、浮遊培養装置１００の培養器上部１４０の上面１４４に近接して設けられる。照明部１１０４から投射される光を浮遊培養装置１００内に導入すべく、浮遊培養装置１００の少なくとも一部は光透過性を有する。例えば、スリットを有する光吸収シートを上面１４４上に設けることで、スリット光のカーテンが形成される。これに加えて、又は、これに代えて、照明部１１０４としてスリットランプを用いてもよい。

撮像部１１０２は、浮遊培養装置１００の培養器下部１１０内の細胞１０を観察する観察部の一例である。撮像部１１０２は、培養器下部１１０の側面１１１に近接して設けられる。撮像部１１０２は、メッシュ体１２０の側面１２１に形成された観察穴１２７を通じて、照明部１１０４から投射される光によって形成されるスリット光のカーテンを通過する細胞１０を撮像する。

制御部１１０１は、流入部バルブ１３６、流出部バルブ１５６、誘導部バルブ１７６、流入部バルブ１８６、照明部１１０４、撮像部１１０２、培養液供給装置１１１０、形状計測部１１２１および組成計測部１１２３を制御する。但し、図２および図４においては、制御部１１０１は、単に便宜上の目的で、培養液供給装置１１１０との接続線のみが描かれている。他の図面においては、制御部１１０１の図示を省略している。

培養液供給装置１１１０は、単一ユニット１１００を流れる培養液を循環させるポンプである。培養液供給装置１１１０は、流路１１１３を介して外部と接続され、外部から供給される新しい培養液を浮遊培養装置１００に供給できる。

形状計測部１１２１は、画像計測、スリット計測などの既知の技術を用いて、形状計測部１１２１を通過する細胞１０の形状を計測する。組成計測部１１２３は、蛍光、マルチスペクトル、超音波などの既知の技術を用いて、組成計測部１１２３を通過する細胞１０の組成を計測する。リジェクト部１１３０、１１５０は、通過する細胞１０をリジェクトする。

図２以降の複数の図において、白抜きの矢印は培養液の流れを示す。説明の便宜上の目的で示されている一部の白抜きの矢印を除き、白抜きの矢印の長さは、概ね培養液の流速を示している。また、図２以降の複数の図において、複数の流路は、簡略化して黒塗りの矢印で図示されている。

浮遊培養装置１００において培養液を循環する場合、制御部１１０１は、流入部バルブ１３６および流出部バルブ１５６を開状態とし、誘導部バルブ１７６および流入部バルブ１８６を閉状態とする。培養液供給装置１１１０は、流路１１１１、浮遊培養装置１００、及び、流路１１１２内の培養液をこの順序で循環させる。

循環用流入部１３０の開状態の流入部バルブ１３６から貫通穴１３３を介して培養器下部１１０の底面１１２へ流入する。この貫通穴１３３において、流路径が急に拡大するので、流れが乱れて速度が不均一となる。また、側面１１１での摩擦によって側面１１１に近いほど速度が遅くなる。

しかしながら、本実施形態において、底面１１２に流入した流れのうちの主流は、メッシュ体１２０の底面１２２にぶつかり、底面１２２の開口１２５からメッシュ体１２０の中央の側へと流入する。この場合、主流がメッシュ体１２０の底面１２２にぶつかってから内部に流入するので、水平面内でみて流れの速度が均一化される。

一方で、底面１１２に流入した流れのうちの副流は、培養器下部１１０の側面１１１とメッシュ体１２０の側面１２１との間に進み、側面１２１の開口１２５から中央の側へと、上記の主流に比べて流速が小さな微弱流として流入する。この場合も、副流がメッシュ体１２０の側面１２１にぶつかってから流入するので、速度が均一化され、副流は主流と合流して、メッシュ体１２０の内部の全体としての流れは上昇流となる。

メッシュ体１２０の内側の上昇流は、培養器上部１４０の底面１４２へ流入する。誘導部バルブ１７６および流入部バルブ１８６が閉状態で、流出部バルブ１５６が開状態なので、当該流れは、メッシュ体１２０の側面１２１のうち培養器上部１４０の内部に延在している部分を通過して培養器上部１４０の側面１４１の側へと進み、循環用流出部１５０の流出部バルブ１５６から流路１１１２へと流出する。

なお、本実施形態においては、培養器下部１１０の側面１１１とメッシュ体１２０の側面１２１との間の上端は、培養器下部１１０の上面１１４によって閉塞されている。従って、浮遊培養装置１００に流入した流れは、全てメッシュ体１２０を通過する。

上記実施形態によれば、培養器下部１１０に流入した培養液の不均一な流れを、水平方向の断面でみて速度分布がより均一な流れにして培養器下部１１０内のメッシュ体１２０に流入させることができる。これにより、メッシュ体１２０の内部には水平方向の断面でみて速度分布がより均一な上昇流が生じ、当該上昇流によって細胞１０が受ける流体抗力（または流体力ということもある）を重力と釣り合わせて、当該細胞１０を疑似無重力状態にして浮遊させることができる。特に、速度分布が均一なので、細胞１０同士を付着させるような流れが起きにくい。これらの作用は、培養器上部１４０の内部に流入する均一流が流路１１１２へと流出する循環用流出部１５０の付近にもメッシュ体１２０と同様の整流板を配置する、すなわち、流出しようとする培養液も整流板を通過させることによって、相乗的に発揮され、更に有利にこれらの効果を奏することができる。本実施形態においては、メッシュ体１２０の側面１２１が、貫通穴１１３を介して培養器上部１４０の内部に延在し、培養器上部１４０の上面１４４の内壁に密に固定されていることによって、更に有利にこれらの効果を奏することができる。

さらに、上記実施形態によれば、副流によってメッシュ体１２０の側面１１１から中央側への速度成分が存在する。これにより、メッシュ体１２０の側面１１１の内壁面に細胞１０が固着することを防止できる。さらに、上記実施形態によればバルブ以外は機械的に可動する部材はないので、細胞１０を傷つけることを防ぐことができる。

上記実施形態において、制御部１１０１は循環流の流量を下記の通り制御することが好ましい。複数の細胞１０は、培養が進むに連れて成長し、徐々に大きくなる。これに伴い、複数の細胞１０に働く重力も大きくなる。また、複数の細胞１０は、各々、大きさ及び種類が異なり得る。

そこで、制御部１１０１は、撮像部１１０２により得られた画像情報から複数の細胞１０の個々の動きを測定し、浮遊培養装置１００内に流入する培養液の流量を決める。例えば、複数の細胞１０のうちのある一定の割合が上昇していれば流量を減らし、下降していれば流量を増やす。一定の割合で判断することに代えて、動きの平均値が上昇を示すか下降を示すかで判断してもよい。さらに、制御部１１０１は、培養液の粘性、細胞１０の表面粗さ等の様々なパラメータに基づいて、流量を制御してもよい。この場合、制御部１１０１は、流入部バルブ１３６、流出部バルブ１５６、誘導部バルブ１７６、及び、流入部バルブ１８６の開閉を制御することで、浮遊培養装置１００内の培養液の流れを制御する。

なお、細胞１０が疑似無重力状態となるような均一流の流速は、細胞の大きさが直径１００μｍ程度である場合に、０．００５ｍ／ｓから０．１ｍ／ｓ程度になる。複数の細胞１０は互いに質量および形状が異なるので、図２に示すように、メッシュ体１２０内で概ね均一に分散する。

ここで、図３は、計算上の細胞１０の直径と疑似無重力状態に必要な上昇流の流速との関係を示している。当該関係は、以下のように求められる。先ず、細胞１０の密度を１０５０ｋｇ／ｍ^３、培養液の密度を水の密度１０００ｋｇ／ｍ^３と仮定し、細胞１０の直径をＤｉａ（ｍ）とした場合、培養液中で浮遊する細胞に働く重力（Ｎ）および浮力（Ｎ）は、細胞の体積Ｖ＝（４／３）×（Ｄｉａ／２）^３×πを用いて、それぞれＶ×１０５０×９．８およびＶ×１０００×９．８で表される。細胞１０が疑似無重力状態となる場合、細胞１０が受ける流体抗力Ｆは、重力から浮力を減算した値と等しくなる。

流体抗力Ｆ（Ｎ）は、Ｆ＝（１／２）×Ｃｄ×Ｓ×ρ×ｖ^２で表される。ここで、Ｃｄは抗力係数、Ｓ（ｍ^２）は細胞１０の前方投影面積（代表面積）、ρ（ｋｇ／ｍ^３）は培養液の密度、ｖ（ｍ／ｓ）は培養液の流速である。当該式を変形すると、ｖ＝（（２×Ｆ）／（Ｃｄ×Ｓ×ρ））^１／２である。Ｃｄ＝０．３と仮定し、当該変形した式に、Ｆ＝（重力−浮力）＝４．５×１０^２×Ｖ＝６×１０^２×（Ｄｉａ／２）^３×π、Ｓ＝（Ｄｉａ／２）^２×π、ρ＝１０００を代入すると、ｖ＝（（１．２×１０^３×（Ｄｉａ／２）^３×π）／（３×１０^２×（Ｄｉａ／２）^２×π））^１／２＝（２×Ｄｉａ）^１／２が導出される。当該関係によれば、計算上、Ｄｉａ＝１００μｍ＝１×１０^−４ｍである場合は、ｖは約０．０１４ｍ／ｓとなる。

次に、図４を参照しつつ、浮遊培養装置１００から外部へと細胞１０を移送する際の培養液の流れを概略的に説明する。この場合、複数の細胞１０の各々は、誘導流が外部から誘導部１７０へと流入されると同時に、メッシュ体１２０の内側から移送用流出部１６０へと移動し、先細りになるテーパ部１６１で徐々に一列に整列される。これは、一般的にハイドロダイナミックフォーカシング（Hydrodinamic Focusing）とも呼ばれる原理を利用している。

浮遊培養装置１００から外部へと細胞１０を移送する場合、制御部１１０１は、流入部バルブ１３６、誘導部バルブ１７６および流入部バルブ１８６を開状態とし、流出部バルブ１５６を閉状態とする。

培養液供給装置１１１０は、流路１１１３を経由して外部から供給される新たな培養液を、流路１１１１および流路１１１４に供給する。この場合に、少なくとも流路１１１１への流量を培養時よりも大きくする。これにより、メッシュ体１２０の内側の流れにおける流体抗力は細胞１０の重力よりも大きくなり、細胞１０は流れとともに上方に運ばれ、培養器上部１４０に流入する。

流出部バルブ１５６が閉状態なので、培養器上部１４０に流入した当該流れは、培養器上部１４０の側面１４１の側、及び、循環用流出部１５０の内部には流入しない。一方で、誘導部バルブ１７６および流入部バルブ１８６は開状態なので、当該流入した流れは、培養器上部１４０の貫通穴１４３を介して移送用流出部１６０の内部へと進み、移送用流出部１６０の貫通穴１６３を介して誘導部１７０の内部へと流入し、誘導用流入部１８０の流入部バルブ１８６から流入される誘導流と合流して誘導部１７０の誘導部バルブ１７６から流路１１１５へと流出する。

誘導部バルブ１７６からの流れは、流路１１１５を経由して、形状計測部１１２１を通過し、流路１１１６へと進む。その後、流路１１１６の途中に設けられたリジェクト部１１３０を経由して、組成計測部１１２３を通過し、流路１１１７へと進む。そして、流路１１１７の途中に設けられたリジェクト部１１５０を経由して、単一ユニット１１００から別のユニットへの移動が完了する。

この場合に、上記のとおり複数の細胞１０は培養液の流れに乗って培養器下部１１０から流出し、移送用流出部１６０のテーパ部１６１および誘導部１７０のテーパ部１７１におけるコーン状に徐々に絞り込まれる形状、及び、誘導用流入部１８０から誘導部１７０の誘導部バルブ１７６付近に連続的に流入する誘導流に起因して、誘導部１７０のテーパ部１７１で一列に整列する。これにより、複数の細胞１０はほぼ一つずつ順番に別のユニットへ移送される。

以降の図においては、単に便宜上の目的で、撮像部１１０２および照明部１１０４の図示および説明を省略する。同様に、単一ユニット１１００の他の幾つかの構成についても、同様の目的で、図示および説明を省略する。

図５は、大量培養システム１０００における培養液の流れを説明する説明図である。大量培養システム１０００は、少なくとも、単一ユニット１１００、１２００、１３００を含む。単一ユニット１２００、１３００は、単一ユニット１１００と同じ構成要素を有するので、各構成要素の重複する説明は省略する。

単一ユニット１１００および単一ユニット１２００は、単一ユニット１１００の流路１１１７を介して互いに接続されている。細胞１０の移送時において、複数の細胞１０を含む培養液が、単一ユニット１１００の浮遊培養装置１００から、流路１１１７を経由して、単一ユニット１２００へと進む。この場合、制御部１１０１は、単一ユニット１２００の流入部バルブ２３６、流出部バルブ２５６および誘導部バルブ２７６を開状態とし、流入部バルブ２８６を閉状態とする。

培養液供給装置１２１０は、流路１２１１、浮遊培養装置２００、及び、流路１２１２内の培養液をこの順に循環させる。複数の細胞１０が単一ユニット１１００から移送されるまでは、単一ユニット１２００内には細胞１０はないものとする。

浮遊培養装置２００の内部で循環流が流れつつ、複数の細胞１０を含む培養液が、単一ユニット１１００の流路１１１７から誘導部バルブ２７６を介して浮遊培養装置２００の内部へと流入する。当該流入した流れの中に含まれる複数の細胞１０は、浮遊培養装置２００内で生成されている均一流の中で重力と流体抗力とが釣り合い、浮遊培養装置１００内での浮遊状態と同様に、浮遊培養装置２００内で適宜分散しつつ浮遊する。

単一ユニット１２００から単一ユニット１３００へと細胞１０を移送する場合も、同様である。すなわち、移送する時において、制御部１１０１は、流入部バルブ２３６、誘導部バルブ２７６および流入部バルブ２８６を開状態とし、流出部バルブ２５６を閉状態とする。さらに、培養液供給装置１２１０は、流路１２１３を経由して外部から供給される新たな培養液を、流路１２１１、１２１４、１２１５に供給する。この場合に、少なくとも流路１２１１への流量を培養時よりも大きくする。これにより、メッシュ体１２０の内側の流れにおける流体抗力は細胞１０の重力よりも大きくなり、細胞１０は流れとともに流路１２１５を経由して、形状計測部１２２１を通過し、流路１２１６へと進む。流路１２１６の途中に設けられたリジェクト部１２３０を経由して、組成計測部１２２３を通過し、流路１２１７へと進む。そして、流路１２１７の途中に設けられたリジェクト部１２５０を経由して、単一ユニット１２００から単一ユニット１３００への移動が完了する。

本実施形態においては、各浮遊培養装置間に１つの移送流路を設ける構成として説明した。これに代えて、各浮遊培養装置間に複数の移送流路を設けてもよい。これによって、移送時間を短縮でき、大量培養システム全体の細胞培養期間を短縮できる。

また、本実施形態においては、単一ユニットごとに培養液供給装置を設ける構成として説明した。これに代えて、大量培養システム全体に１つの培養液供給装置を設ける構成としてもよい。

図６は、リジェクト部１１３０における培養液の流れを示す模式断面図である。上記の通り、リジェクト部１１３０は、形状計測部１１２１と組成計測部１１２３との間の流路１１１６に設けられている。リジェクト部１１３０は、テーパ部１１３１と、調整用流入部１１３３と、誘導部１１４０と、誘導用流入部１１４５と、廃棄部１１４９とを備える。

テーパ部１１３１は円錐管であって、幅広側の一端を流路１１１６に固定され、幅狭側に貫通穴を有する。テーパ部１１３１は、幅広側で、貫通穴を介して流路１１１６の内部と連通する。

調整用流入部１１３３は円管である。調整用流入部１１３３は、一端を流路１１１６に固定され、他端に開閉制御自在の流入部バルブ１１３６を有する。調整用流入部１１３３は、貫通穴を介して流路１１１６の内部と連通する。調整用流入部１１３３およびテーパ部１１３１は、間に流路１１１６を介在させて、同軸上に位置する。調整用流入部１１３３の内部は、流入部バルブ１１３６を介して、培養液供給装置１１１０と連通する。

誘導部１１４０は、培養液を廃棄部１１４９に誘導する。誘導部１１４０は円錐管の先端に細管を備える漏斗形状管であって、略円錐形のテーパ部１１４１と、略円筒形の狭小部１１４２とを有する。誘導部１１４０は、テーパ部１１３１の外側に設けられ、テーパ部１１４１によってテーパ部１１３１の大部分を包囲する。誘導部１１４０は、テーパ部１１４１の幅広側の端部内面をテーパ部１１３１の外面に固定される。また、テーパ部１１４１は、幅狭側で、狭小部１１４２に連続的に接続される。狭小部１１４２は、テーパ部１１４１側の他端側に開閉制御可能な誘導部バルブ１１４３を有する。狭小部１１４２は、誘導部バルブ１１４３を介して、廃棄部１１４９に固定される。誘導部１１４０の内部は、誘導部バルブ１１４３を介して、廃棄部１１４９の内部と連通する。また、テーパ部１１４１の外面の一部に形成された貫通穴を介して、誘導用流入部１１４５の内部と連通する。

誘導用流入部１１４５は円管であって、一端側で貫通穴を介して誘導部１１４０の内部と連通し、他端側に開閉制御可能な流入部バルブ１１４６を有する。誘導用流入部１１４５の内部は、流入部バルブ１１４６を介して、培養液供給装置１１１０と連通する。誘導用流入部１１４５は、誘導部１１４０のテーパ部１１４１の外側に設けられ、貫通穴側の端部をテーパ部１１４１外面に固定される。

リジェクト部１１３０は、形状計測部１１２１から移送されてくる複数の細胞１０の中から、形状計測部１１２１で不良と判断された不良細胞１２をリジェクトし、良と判断された良細胞１１をリジェクトせずに通過させ、組成計測部１１２３へと移送する。

具体的には、先ず、ある不良細胞１２が形状計測部１１２１で不良と判断された場合、当該不良細胞１２が流路１１１６を経由してリジェクト部１１３０を通過するタイミングで、制御部１１０１は、流入部バルブ１１３６、誘導部バルブ１１４３および流入部バルブ１１４６を開状態とし、誘導用流入部１１４５から誘導部１１４０へとパルス状の誘導噴流を流入する。当該タイミングは、例えば、流路１１１６を流れる培養液の流速に基づいて、予め定められている。

誘導部１１４０へと流入された誘導噴流は、テーパ部１１４１および狭小部１１４２を経由して、誘導部バルブ１１４３から廃棄部１１４９へと流出する。誘導部１１４０内の誘導噴流が通過した領域は、一瞬負圧となり、テーパ部１１３１の内部に連通している流路１１１６内の培養液が、不良細胞１２ごとテーパ部１１３１内へと引き込まれ、廃棄部１１４９へと流出される。一方で、誘導噴流を流入するタイミングと同期させて、流入部バルブ１１３６から調整用流入部１１３３へと、テーパ部１１３１内へと引き込まれる流量と等価流量を流入する。制御部１１０１は、リジェクト部１１３０において不良細胞１２が廃棄部１１４９へと流出されたタイミングで、再度、流入部バルブ１１３６、誘導部バルブ１１４３および流入部バルブ１１４６を閉状態とする。

以上の動作により、リジェクト部１１３０は、流路１１１６内の正常な流れに影響を与えずに、不良細胞１２をピンポイントでリジェクトできる。また、本実施形態によれば、細胞を分別すべく従来用いられていた静電方式を利用しないので、リジェクトの際に細胞に損傷を与えることを防ぐことができる。

例えば図５に示されるように、リジェクト部１１５０は、細胞１０が組成計測部１１２３の後に経由する流路１１１７の途中に設けられる。リジェクト部１１５０は、図６を用いて説明したリジェクト部１１３０と同じ構成を有する。これにより、リジェクト部１１５０は、組成計測部１１２３から移送されてくる複数の細胞１０の中から、組成計測部１１２３で不良と判断された不良細胞１２をリジェクトし、良と判断された良細胞１１をリジェクトせずに通過させ、単一ユニット１２００へと移送する。同様に、単一ユニット１２００のリジェクト部１２３０およびリジェクト部１２５０も、各々、上記の単一ユニット１１００のリジェクト部１１３０およびリジェクト部１１５０と同じ構成を有し、同様に機能する。

なお、本実施形態においては、ある不良細胞が形状計測部で不良と判断された場合に、形状計測部を通過して流路内を移動する当該不良細胞を予め定められたタイミングでリジェクトする構成として説明した。これに代えて、ある不良細胞が形状計測部で不良と判断された場合に、当該不良細胞に細胞識別用の細胞ＩＤを付与し、リジェクト部は当該細胞ＩＤを読み取って、リジェクトのタイミングを決定してもよい。

図７は、大量培養システム１０００を説明する説明図である。大量培養システム１０００は、浮遊培養装置１０１から５０３を含む。これら浮遊培養装置１０１から浮遊培養装置５０３はいずれも、これまで説明した浮遊培養装置１００と同じ構成を有する。

大量培養システム１０００においては、細胞の成長期間に合わせて期間を分割して、分割の期間に対応した数の浮遊培養装置グループを設ける。例えば図７に示すように、期間を５段階に分割したことに対応して、浮遊培養装置グループを５つ設ける。第１期間の浮遊培養装置グループは、浮遊培養装置１０１、１０２、１０３を含む。同様に、第２期間の浮遊培養装置グループは、浮遊培養装置２０１、２０２、２０３を含み、第３期間の浮遊培養装置グループは、浮遊培養装置３０１、３０２、３０３を含み、第４期間の浮遊培養装置グループは、浮遊培養装置４０１、４０２、浮遊培養装置４０３を含み、第５期間の浮遊培養装置グループは、浮遊培養装置５０１、５０２、５０３を含む。各グループの浮遊培養装置の個数は、当該期間で一度に作りたい細胞塊数に基づいて決める。例えば、細胞塊が１０×６個作りたい場合に、１つの浮遊培養装置で１０×４個培養できるとすると、浮遊培養装置数は１０×２＝１００個とする。図７に示すように５グループに分けると、全体の浮遊培養装置数は５×（１０×２）＝５００個となる。

通常、細胞培養期間は１週間から２か月程度かかる。細胞の検査は、好ましくは毎日、少なくとも数日ごとに全数で行う。しかしながら、本実施形態では、複数の浮遊培養装置をシリアル、パラレルに連接し、ある成長期間から次の成長期間への浮遊培養装置間の移送時だけでなく、同一成長期間内における浮遊培養装置間の移送時にも、個々の細胞に対して、上記の形状計測、組成計測およびリジェクトを個別かつ連続的に、人手を使わず自動化作業で行う。更に、移送元となった浮遊培養装置グループは、移送完了後に次の細胞群の培養を速やかに開始して、大量培養システム１０００内の全ての浮遊培養装置を常に稼働させる。これにより、例えば医療現場で大量に用いられる細胞の、無駄のない最適な大量生産システムを実現できる。

また、大量培養システム１０００によれば、人手を使わず自動化作業で細胞培養を行うので、コンタミネーション、感染症などを防止できる。また、全ての浮遊培養装置の滅菌消毒についても、全自動で定期的に行うことができる。例えば、全ての浮遊培養装置は複数の流路を介して連接されているので、全ての培養細胞を退避させて、内部に消毒液を充満し、１つの超音波発生装置を用いて超音波で消毒液を振動させて大量培養システム１０００全体を消毒できる。これと同時に、超音波振動によって、各浮遊培養装置内のメッシュ体の細かいメッシュ間の汚れを短時間で除去することもできる。但し、メッシュ体として多孔質体を用いる場合は、各浮遊培養装置に超音波発生装置を設けてもよい。

また、大量培養システム１０００は、一の成長期間に対応する複数の浮遊培養装置のそれぞれの、培養環境、及び、細胞の成長を監視する監視部と、一の成長期間に対応する複数の浮遊培養装置における、培養環境、及び、細胞の成長に基づいて、次の成長期間に対応する複数の浮遊培養装置の培養環境を設定する環境設定部との両方の機能を兼ねる中央制御装置１００１を更に備える。複数の浮遊培養装置のそれぞれには、各浮遊培養装置における培養環境の温度などを検知するセンサが設けられており、中央制御装置１００１は、これら複数のセンサから無線又は有線で送信される複数の情報を収集して一元管理する。大量培養システム１０００は、中央制御装置１００１によって複数の浮遊培養装置を最適制御する。具体的には、培養システムのシーケンス制御、検査データ分析による最適制御、温度等の環境データ分析による最適制御、検査データと環境データとの分析結果に基づく全体システムの最適制御などを行う。これによって、培養液の最適交換サイクルを決定し、環境条件の最適化などを実行できる。

例えば、成長期間ごとに培養液成分の混合割合を変更し、各成長期間に適した細胞の培養環境を提供してもよい。また、同群内で培養環境を変えて、いずれの培養環境が最も細胞の成長に適していたかを細胞の検査結果から分析し、最適な培養環境を、次の成長期間の浮遊培養装置へと、又は、別の細胞群を培養する浮遊培養装置へとフィードバックしてもよい。

図８は、他のメッシュ体２１２０の模式斜視図である。図８のメッシュ体２１２０は、図１のメッシュ体１２０とは水平断面形状が異なる。メッシュ体１２０と同じ構成については、重複する説明を省略する。

メッシュ体２１２０は、側面２１２１と、底面２１２２とを有し、底面２１２２の反対側は全面開口している。側面２１２１は、４つの曲面部２１２３と、４つの平面部２１２４とを有する。

図９は、メッシュ体２１２０の複数の部分における開口率の違いを示す模式図である。図９には、図面に向かって左から順に、図８の各部分領域（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）が描かれている。部分領域（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）に示すように、底面２１２２、平面部２１２４および曲面部２１２３で、互いに開口率の異なる複数の開口２１２５を有する。具体的には、底面２１２２の開口率は、側面２１２１の開口率より高く、側面２１２１のうち、平面部２１２４の開口率は、曲面部２１２３の開口率より高い。なお、図９の例において、複数の開口２１２５の各々の大きさを示す特徴的な長さは一定である。当該開口率は、例えば板状のメッシュ体の積層枚数を異ならせることによって変化させてもよく、一枚の板状のメッシュ体における開口密度を異ならせることによって変化させてもよく、或いは、密度の異なる多孔質体を用いることによって変化させてもよい。

図１０は、メッシュ体２１２０における培養液の旋回流を示す模式水平断面図である。図１１は、メッシュ体２１２０を備える浮遊培養装置２１０における培養液の流れを示す模式斜視図である。図１０は、メッシュ体２１２０の底面２１２２に平行な水平面を切断した図を模式的に描いている。

曲面部２１２３および平面部２１２４は、周方向に交互に配されている。さらに、側面２１２１の接線方向に対して異なる角度で配されている。具体的には、曲面部２１２３の方が平面部２１２４よりも接線方向に近い、いいかえれば、平面部２１２４の方が径方向に近い角度で配されている。

なお、図９に示す例において側面２１２１における平面部２１２４の数は４つであるがこれに限られない。平面部２１２４の数は４から８とするのが好ましい。

メッシュ体２１２０の底面２１２２の側から中央の側へと流入する主流は、底面２１２２で均一化されて上昇流となる。図９で示した開口率の違いと図１０で示した接線方向に対する角度の違いとによって、メッシュ体２１２０の側面２１２１の側から中央の側へと流入する培養液の流量は曲面部２１２３よりも平面部２１２４の方が多く、かつ、平面部２１２４の流れの方が径方向に対して大きな角度を有している。これにより、略円筒形のメッシュ体２１２０の中心軸の周りを回る培養液の旋回流が生成される。側面２１２１の曲面部２１２３および平面部２１２４の側から中央の側へと流入する副流は、曲面部２１２３と平面部２１２４で均一化されつつ、メッシュ体２１２０内で旋回流を生成して主流と合流する。

このように、メッシュ体２１２０内では、貫通穴１１３へと進む均一流が旋回しながら上昇する。当該流れは、旋回状態を保ちつつ、貫通穴１１３を介して培養器上部１４０内へと流入し、培養器上部１４０の側面１４１の側を周回しつつ、循環用流出部１５０の流出部バルブ１５６から外部へと流出する。これにより、複数の細胞１０の各々は、メッシュ体１２０の内側において疑似無重力状態で浮遊し、互いに離間状態を保ちつつ、旋回する。

制御部１１０１は、撮像部による観察結果に基づいて、旋回流の中で細胞に加わる外力を釣り合わせ、細胞が一定の半径でメッシュ体２１２０内を旋回するようにフィードバック制御する。当該外力は主に、重力方向上向きの浮力及び流体力、重力方向下向きの重力、メッシュ体側面から中心軸に向かう方向の流体力、及び、当該流体力と対向する方向の遠心力である。

図１２は、メッシュ体２１２０を備える浮遊培養装置２１０における培養液の流れを示す模式斜視図である。図１２を参照しつつ、浮遊培養装置２１０から外部へと細胞１０を移送する際の培養液の流れを概略的に説明する。この場合に、図１１の場合と同様に、メッシュ体２１２０の底面２１２２の側から中央の側へと流入する主流と、側面２１２１の曲面部２１２３および平面部２１２４の側から中央の側へと流入する副流とが合流し、貫通穴１１３へと旋回しながら進む旋回流が生成される。さらに、メッシュ体２１２０と同軸上に配置された誘導部バルブ１７６を開状態にすると、旋回流の回転中心は周辺に比べて低圧状態となり、旋回流の回転中心において底面２１２２の側から誘導部バルブ１７６に向かう急激な上昇流が生成される。従って、メッシュ体２１２０の底面２１２２の側から誘導部バルブ１７６に向かう流れは、周辺の旋回流と回転中心の急激な上昇流との合流となる。これにより、図４の移送に比べて、流速を高めることができる。

この場合、複数の細胞１０の各々は、誘導流が外部から誘導部１７０へと流入されるに伴い、メッシュ体２１２０の内側から移送用流出部１６０へと旋回しながら移動し、先細りになるテーパ部１６１において徐々に一列に整列される。この際、上記の旋回流と急激な上昇流との合流によって、図４の移送に比べ移送時間をより短縮できる。

以上の通り、本実施形態によれば、複数の細胞同士が固着しないように分散させつつ安定して疑似無重力状態で浮遊させることができ、また、細胞の浮遊培養装置の内壁面への固着を防止できる。適宜、培養液を交換し、旋回流で培養液を撹拌することで、栄養、酸素などを各細胞に均一に供給できる。また、攪拌機などのメカニカルな機構を用いないので、細胞に損傷を与えること、及び、細胞に過度のストレスを与えることを防止できる。

図１３は、メッシュ体３１２０を備える浮遊培養装置３１０における培養液の流動シミュレーション結果を示す模式断面図である。メッシュ体３１２０は、側面３１２１と、底面３１２２とを備え、底面３１２２の反対側は全面開口している。底面３１２２は複数の開口３１２５を有すが、側面３１２１は開口を有しない。流動シミュレーションは、培養液を非圧縮粘性流体として、有限要素法を用いた。底面３１２２における慣性抵抗係数は５０とした。

図１３に示すように、流入部バルブ１３６を介して貫通穴１３３から培養器下部１１０の底面１１２の側へと流入した流れは、貫通穴１３３からの流入領域において流路径が急に拡大するので、剥離が生じて流れが乱れる。培養器下部１１０からの流れは、メッシュ体３１２０の底面３１２２から中央の側へと流入する。当該流れは底面３１２２にぶつかることにより、メッシュ体３１２０の底面３１２２によって均一化されて開口３１２５から培養器下部１１０の貫通穴１１３に向かう上昇流となる。

培養器下部１１０の側面１１１とメッシュ体３１２０の側面３１２１との間の上端は、培養器下部１１０の上面１１４によって閉塞されている。よって、定常状態では側面１１１と側面３１２１との間には流れが生じない。

図１３には、各部分領域（Ａ）から（Ｃ）が描かれている。部分領域（Ａ）は、流入部バルブ１３６を介して貫通穴１３３から培養器下部１１０の底面１１２の側へと流入した流れの部分領域を示す。部分領域（Ｂ）及び（Ｃ）は、メッシュ体３１２０の底面３１２２から中央の側へと流入した流れのうち、底面３１２２且つ側面３１２１辺りの部分領域と、底面３１２２の中央辺りの部分領域とをそれぞれ示す。流動シミュレーション結果によると、部分領域（Ａ）から（Ｃ）における流速は、それぞれ、約０．０２６ｍ／ｓ、約０．０１９ｍ／ｓおよび約０．０１０ｍ／ｓである。

上記の流動シミュレーション結果からも理解されるように、メッシュ体３１２０の底面３１２２のみが複数の開口３１２５を有する構成とした場合も、メッシュ体３１２０の底面３１２２によって減速され、メッシュ体３１２０内に均一流を生成できる。これによって、複数の細胞１０を疑似無重力状態で浮遊させることができる。また、メッシュ体３１２０の側面３１２１の内壁面近傍において、７ｍｍ程度の境界層が生じ、流速が０となる部分が発生するものの、上記部分領域（Ｃ）で示されるように、当該内壁面近傍から中央の側に僅かに離れた領域では流速が速まり、更に中央の側に僅かに離れた領域では流速が概ね一定となるので、上記の均一流に対して大きな影響を及ぼさない。

図１４は、メッシュ体１２０を備える浮遊培養装置１００における培養液の流動シミュレーション結果を示す模式断面図である。流動シミュレーションは、培養液を非圧縮粘性流体として、有限要素法を用いた。メッシュ体１２０の側面１２１および底面１２２における慣性抵抗係数は、いずれも５０とした。

図１４には、各部分領域（Ａ）から（Ｅ）が描かれている。部分領域（Ａ）は、流入部バルブ１３６を介して貫通穴１３３から培養器下部１１０の底面１１２の側へと流入した流れの部分領域を示す。部分領域（Ｂ）及び（Ｃ）は、メッシュ体１２０の底面１２２から中央の側へと流入した流れのうち、底面１２２辺りの部分領域と、貫通穴１１３辺りの部分領域とをそれぞれ示す。部分領域（Ｄ）及び（Ｅ）は、メッシュ体１２０の側面１２１から中央の側へと流入する前後の部分領域をそれぞれ示す。流動シミュレーション結果によると、部分領域（Ａ）から（Ｅ）における流速は、それぞれ、約０．０２０ｍ／ｓ、約０．０１０ｍ／ｓ、約０．０１３ｍ／ｓ、約０．０１３ｍ／ｓおよび約０．００１ｍ／ｓである。

図２を用いて説明したが、上記の流動シミュレーション結果からも理解されるように、メッシュ体１２０内では、底面１２２の側からの均一流に、側面１２１の側からの微弱流が合流し、貫通穴１１３へと進む。これによって、複数の細胞１０を疑似無重力状態で浮遊させることができ、複数の細胞１０がメッシュ体１２０の内壁面に固着することを防止できる。また、上記部分領域（Ｂ）と部分領域（Ｃ）との流動シミュレーション結果の比較から理解されるように、メッシュ体１２０内における貫通穴１３３辺りの領域では、側面１２１の側からの微弱流のエネルギーが加わることで、底面１２２辺りの領域に比べて流速が速まる。これにより、メッシュ体１２０内で浮遊する質量および形状の異なる様々な細胞塊は、メッシュ体１２０の軸方向に沿う各領域において、それぞれ、浮力および上昇流から受ける流体抗力と重力とが釣り合うように浮遊する。すなわち、質量および形状が大きい細胞塊は、メッシュ体１２０の上方で浮遊し、質量および形状が小さい細胞塊は、メッシュ体１２０の下方で浮遊し、その結果、互いに質量および形状が異なる複数の細胞塊は、メッシュ体１２０内で概ね均一に分散する。

図１５および図１６は、それぞれ、メッシュ体２１２０を備える浮遊培養装置２１０における培養液の流動シミュレーション結果を示す模式断面図および模式水平断面図である。流動シミュレーションは、培養液を非圧縮粘性流体として、有限要素法を用いた。メッシュ体２１２０の底面２１２２における慣性抵抗係数を１００とし、側面２１２１の曲面部２１２３および平面部２１２４における慣性抵抗係数を、それぞれ２００及び５とした。

図１５には、各部分領域（Ａ）から（Ｇ）が描かれている。図１６には、図１５の各部分領域（Ｃ）から（Ｇ）が平面視で描かれている。部分領域（Ａ）は、流入部バルブ１３６を介して貫通穴１３３から培養器下部１１０の底面１１２の側へと流入した流れの部分領域を示す。部分領域（Ｂ）及び（Ｃ）は、メッシュ体２１２０の底面２１２２から中央の側へと流入した流れのうち、底面２１２２辺りの部分領域と、貫通穴１１３辺りの部分領域とをそれぞれ示す。部分領域（Ｄ）及び（Ｅ）は、メッシュ体２１２０の側面２１２１の曲面部２１２３から中央の側へと流入する前後の部分領域をそれぞれ示す。部分領域（Ｆ）及び（Ｇ）は、メッシュ体２１２０の側面２１２１の平面部２１２４から中央の側へと流入する前後の部分領域をそれぞれ示す。流動シミュレーション結果によると、部分領域（Ａ）から（Ｇ）における流速は、それぞれ、約０．０２０ｍ／ｓ、約０．０１０ｍ／ｓ、約０．０１３ｍ／ｓ、約０．０１３ｍ／ｓ、約０．００１ｍ／ｓ、約０．０１６ｍ／ｓおよび約０．０１０ｍ／ｓである。

図１１などを用いて説明したが、上記の流動シミュレーション結果からも理解されるように、メッシュ体２１２０内では、底面２１２２の側からの均一流に、側面２１２１の曲面部２１２３の側からの微弱流と、旋回流を生成する、当該微弱流より流れの大きな平面部２１２４の側からの流れとが合流し、貫通穴１１３へと進む均一流が旋回しながら上昇する。これによって、複数の細胞１０を疑似無重力状態で浮遊させ、複数の細胞１０がメッシュ体２１２０の内壁面に固着することを防止しつつ、メッシュ体２１２０内の培養液を撹拌できる。また、メカニカルな機構を用いないので、培養する複数の細胞１０に損傷を与えることを防止できる。そして、図１４におけるメッシュ体１２０と同様の上記理由で、互いに質量および形状が異なる複数の細胞塊は、メッシュ体２１２０内で概ね均一に分散する。

図１７は、アクティブ流量制御を説明する説明図である。単一ユニット４１００は、これまで説明してきた複数の実施形態における単一ユニットと異なり、浮遊培養装置に流入させる培養液の流量をアクティブに制御する。図１７を用いて、アクティブ流量制御の方法を概略的に説明する。

浮遊培養装置の培養器下部は、その底面及び側面において、各々に個別の循環用流入部が設けられた流入領域４２０１、４２０２、４２０３、４２０４、４２０５を有する。これらの流入領域は、互いに壁で隔離されている。流入領域４２０１、４２０２は、培養器下部の底面に位置する。流入領域４２０１は当該底面の中央に位置する円管であって、流入領域４２０２は当該流入領域４２０２の側面を包囲するバームクーヘン形状の円管である。流入領域４２０３、４２０４、４２０５は、培養器下部の側面に位置する。流入領域４２０３、４２０４、４２０５は、いずれもバームクーヘン形状の円管であって、この順に互いに隣接する。

流入領域４２０１、４２０２、４２０３、４２０４、４２０５はそれぞれ、流路４１１１、４１１２、４１１３、４１１４、４１１５から培養液を流入される。流路４１１１は、培養液供給装置４１１０に直接接続されている。流路４１１２は、流路４１１２から分岐した流路であり、その流路の途中に流量調整器４１２２が設けられている。流路４１１３は、流路４１１１から分岐した流路であり、その流路の途中に流量調整器４１２３が設けられている。流路４１１４は、流路４１１３から分岐した流路であり、その流路の途中に流量調整器４１２４が設けられている。流路４１１５は、流路４１１４から分岐した流路であり、その流路の途中に流量調整器４１２５が設けられている。

流量調整器４１２２、４１２３、４１２４、４１２５は、それぞれが設けられている流路を流れる培養液の流量を調整する。当該構成によって、流入領域４２０２に流入する培養液の流量は流量調整器４１２２によって調整され、流入領域４２０３に流入する培養液の流量は流量調整器４１２３によって調整され、流入領域４２０４に流入する培養液の流量は流量調整器４１２３、４１２４によって調整され、流入領域４２０３に流入する培養液の流量は流量調整器４１２３、４１２５によって調整される。

流入領域４２０１、４２０２に流入する培養液は、それぞれメッシュ体の底面から中央の側に直接流入し、流入領域４２０３、４２０４、４２０５に流入する培養液は、それぞれメッシュ体の側面から中央の側に直接流入する。当該構成によって、浮遊培養装置に供給される培養液は、５つの互いに隔離された流入領域４２０１、４２０２、４２０３、４２０４、４２０５から別個にメッシュ体の内部に流入する。また、メッシュ体の内部に流入した培養液は、流路４１１６を介して培養液供給装置４１１０へと戻る。

制御部４１０１は、培養液供給装置４１１０から流出させる培養液の流量を制御しつつ、流量調整器４１２２、４１２３、４１２４、４１２５を制御することによって、複数の流入領域に流入する培養液の流量を精密に制御する。このように、メッシュ体の底面においては半径方向の流量を複数に分けて制御し、側面においては軸方向の流量を複数に分けて制御することによって、メッシュ体の内側で浮遊する複数の細胞の位置を、軸方向および半径方向の２方向についてアクティブに制御することができる。

以上の複数の実施形態において、制御部は、浮遊培養装置のメッシュ体の内側で浮遊する複数の細胞のリアルタイム画像情報に基づいて、培養液供給流量を制御、すなわち、培養液供給流速を制御する。メッシュ体の内側で流動する培養液の流速に影響するパラメータには、少なくとも、メッシュ体の側面および底面の少なくとも一方に設けられる複数の開口の開口率、すなわち、複数の開口の相互の間隔の程度、及び、複数の開口の各々の大きさを示す特徴的な長さの両方が含まれる。そこで、制御部は、メッシュ体の内側を流れる流量を制御、すなわち、メッシュ体の開口率変動を制御することにより、浮遊培養装置内の循環流を制御してもよい。図１を用いて説明したように、メッシュ体は、例えば複数の細かい開口を有する単層シート又は複層シートによって形成され、メッシュ体が複層シートによって形成される場合、相互の開口位置関係を変更する機構を設けることによって、メッシュ体の側面および底面で任意の圧力抵抗値を設定することができる。

具体的には、メッシュ体を複数枚のメッシュ板で構成し、各メッシュ体を電動で微小量シフトさせ、側面および底面の少なくとも一方における複数の開口の開口率を変動させる。例えば、電動式の２枚板構造のメッシュ板を摺動させることで、メッシュ体の側面および底面の少なくとも一方における複数の開口の開口率を変動させる。この場合、例えば、上下に同軸で重なっている２つの上方開口型の板状メッシュ体を、中心軸周りで回動させることによって、底面及び側面の開口面積を可変とすることができる。また、均一流と旋回流の切り替えを側面の平面メッシュの開口率を、電動で変更することもできる。

以上の複数の実施形態において、メッシュ体の底面の複数の開口の圧力抵抗を場所によって輪帯状又はモザイク状に変化させるなど、底面の開口の細かさの分布を変えることによって、流出流速を場所によって変化させ、緩やかな上下方向の流速差を生成してもよい。また、メッシュ体の側面の上下において、複数の開口の開口率を異ならせてもよい。

以上の複数の実施形態においては、浮遊培養装置に流入した培養液の流れは、全てメッシュ体を通過する構成として説明した。これに代えて、浮遊培養装置に流入した培養液の流れの一部のみがメッシュ体を通過する構成としてもよい。

以上の複数の実施形態においては、培養器下部は略円筒形の容器として説明した。これに代えて、培養器下部は、循環用流入部から滑らかに連続する、すなわち、流路が急に拡大する領域を有さない略円錐形の容器としてもよい。また、培養器下部およびメッシュ体はそれぞれが略円筒形である二重円筒形として説明したが、これに代えて、いずれもが下方先細り型の略逆円錐形である二重円筒形としてもよい。また、これに代えて、メッシュ体の側面における開口率を、軸方向で異ならせ、或いは、メッシュ体の側面における複数の開口を下部に限定してもよい。これにより、上昇流の流速を軸方向で異ならせ、又は、一定とすることができる。

また、以上の複数の実施形態においては、培養器下部の寸法を直径２００ｍｍ×長さ３００ｍｍとして説明した。培養器下部の寸法は、培養する環境の規模に応じて、数ｃｍから数ｍまでの幅広い範囲内で任意に変更してもよい。

以上の複数の実施形態においては、培養器下部とメッシュ体とを同軸上に配置する構成として説明した。複数の図面上においても、培養器下部及びメッシュ体の他、例えば、循環用流入部、移送用流出部および誘導部も当該同軸上に配置する構成として描かれている。また、リジェクト部における調整用流入部、テーパ部及び誘導部も、同軸上に配置する構成として描かれている。このように、流動する流体の円滑な流れを確保すべく各構成を同軸上に配置することが好ましいが、必ずしも同軸上に配置されなくても良い。

以上の複数の実施形態において、培養液に、例えば、細胞同士の固着を防ぐ高分子ポリマーメチルセルロース、細胞の沈殿を防ぐ高分子ポリマーＧｅｌｌａｎ Ｇｕｍなどの高分子ポリマーを添加してもよい。但し、この場合、細胞の検査を行う際は、高分子ポリマー固有の高粘性を考慮して、これら高分子ポリマーが添加された培養液を別の培養液と移し替えてもよい。

以上の複数の実施形態において、培養細胞の大きさは直径１００μｍ程度として説明したが、これに限定されず、いずれの実施形態も、直径数μｍから数百μｍの細胞、或いは、心筋、軟骨など数ｍｍレベルの大きさの培養細胞を用いることができ、様々なサイズの細胞に対応できる。また、いずれの実施形態も、略球形の細胞だけでなく、複雑な形状の細胞にも対応できる。

以上の複数の実施形態においては何れも、培養対象物として細胞を説明した。これに代えて、培養対象として、他に微生物を培養してもよい。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。

１０ 細胞、１１ 良細胞、１２ 不良細胞、１００、１０１、１０２、１０３、２００、２０１、２０２、２０３、２１０、３０１、３０２、３０３、３１０、４０１、４０２、４０３、５０１、５０２、５０３ 浮遊培養装置、１１０ 培養器下部、１１１ 側面、１１２ 底面、１１３ 貫通穴、１１４ 上面、１２０ メッシュ体、１２１ 側面、１２２ 底面、１２５ 開口、１２７ 観察穴、１３０ 循環用流入部、１３３ 貫通穴、１３６ 流入部バルブ、１４０ 培養器上部、１４１ 側面、１４２ 底面、１４３ 貫通穴、１４４ 上面、１５０ 循環用流出部、１５６ 流出部バルブ、１６０ 移送用流出部、１６１ テーパ部、１６３ 貫通穴、１７０ 誘導部、１７１ テーパ部、１７２ 狭小部、１７６ 誘導部バルブ、１８０ 誘導用流入部、１８６ 流入部バルブ、２３６ 流入部バルブ、２５６ 流出部バルブ、２７６ 誘導部バルブ、２８６ 流入部バルブ、１０００ 大量培養システム、１００１ 中央制御装置、１１００ 単一ユニット、１１０１ 制御部、１１０２ 撮像部、１１０４ 照明部、１１１０ 培養液供給装置、１１１１、１１１２、１１１３、１１１４、１１１５、１１１６、１１１７ 流路、１１２１ 形状計測部、１１２３ 組成計測部、１１３０ リジェクト部、１１３１ テーパ部、１１３３ 調整用流入部、１１３６ 流入部バルブ、１１４０ 誘導部、１１４１ テーパ部、１１４２ 狭小部、１１４３ 誘導部バルブ、１１４５ 誘導用流入部、１１４６ 流入部バルブ、１１４９ 廃棄部、１１５０ リジェクト部、１２００ 単一ユニット、１２１０ 培養液供給装置、１２１１、１２１２、１２１３、１２１４、１２１５、１２１６、１２１７ 流路、１２２１ 形状計測部、１２２３ 組成計測部、１２３０ リジェクト部、１２５０ リジェクト部、１３００ 単一ユニット、２１２０ メッシュ体、２１２１ 側面、２１２３ 曲面部、２１２４ 平面部、２１２２ 底面、２１２５ 開口、３１２０ メッシュ体、３１２１ 側面、３１２２ 底面、３１２５ 開口、４１００ 単一ユニット、４１０１ 制御部、４１１０ 培養液供給装置、４１１１、４１１２、４１１３、４１１４、４１１５、４１１６ 流路、４１２２、４１２３、４１２４、４１２５ 流量調整器、４２０１、４２０２、４２０３、４２０４、４２０５ 流入領域

Claims (12)

1. 培養液の循環流により培養対象物を浮遊させる浮遊培養装置であって、
   培養液および培養対象物を収容する培養器と、
   前記培養器に培養液が流入する流入口と、
   前記培養器から培養液が流出する流出口と、
   前記流入口と前記流出口との間に配置され、前記流入口から流入された培養液の循環流を均一化する整流板と
   を備える浮遊培養装置。
2. 前記培養器が外筒をなす円筒形であり、前記外筒の内部に内筒をなす円筒形の前記整流板が配され、
   前記流入口は前記外筒の底面の側に設けられており、
   前記内筒の底面は、前記外筒の前記底面の側からの流れを均一化した上昇流を作り、
   前記内筒の側面は、前記外筒の前記側面の側から中央の側への流れを作る
   請求項１に記載の浮遊培養装置。
3. 前記内筒は、前記底面および前記側面において複数の開口を有し、
   前記側面の開口率は、前記底面の開口率よりも小さい請求項２に記載の浮遊培養装置。
4. 前記複数の開口は、大きさを示す特徴的な長さが１μｍから１ｍｍである請求項３に記載の浮遊培養装置。
5. 前記内筒の前記側面は、培養液が前記外筒の中心軸の周りを回る旋回流を生成する請求項２から４のいずれか一項に記載の浮遊培養装置。
6. 前記内筒の前記側面には、開口率の異なる複数の部分が前記側面の接線方向に対して異なる角度で交互に配されている請求項５に記載の浮遊培養装置。
7. 前記流出口は、前記外筒の前記側面の上部に設けられている請求項２から６のいずれか１項に記載の浮遊培養装置。
8. 前記培養器内の培養対象物を観察する観察部をさらに備える請求項１から７のいずれか１項に記載の浮遊培養装置。
9. 前記観察部による観察結果に基づいて循環流を制御する制御部をさらに備える請求項８に記載の浮遊培養装置。
10. 前記制御部は、前記整流板を流れる流量を制御することにより、前記培養器内の循環流を制御する請求項９に記載の浮遊培養装置。
11. 請求項１から１０のいずれか１項に記載の浮遊培養装置を複数備え、
    複数の前記浮遊培養装置のいずれかから前記複数の浮遊培養装置の他のいずれかに、少なくとも培養対象物を移送する移送部を更に備える大量培養システム。
12. 前記複数の浮遊培養装置は培養対象物の成長期間ごとにグループ化され、
    一の成長期間に対応する前記複数の浮遊培養装置のそれぞれの、培養環境、及び、培養対象物の成長を監視する監視部と、
    前記一の成長期間に対応する前記複数の浮遊培養装置における、前記培養環境、及び、前記培養対象物の成長に基づいて、次の成長期間に対応する前記複数の浮遊培養装置の培養環境を設定する環境設定部と
    を更に備える請求項１１に記載の大量培養システム。

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