JP2019135924A

JP2019135924A - 自動細胞培養装置

Info

Publication number: JP2019135924A
Application number: JP2018019290A
Authority: JP
Inventors: 久人中嶋; Hisato Nakajima; 健安藤; Takeshi Ando; ジュイヒングエン; Duyhinh Nguyen; 徳啓柴田; Noritaka Shibata
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2018-02-06
Filing date: 2018-02-06
Publication date: 2019-08-22

Abstract

【課題】培養容器を装置から取出さずに、攪拌培養を行うことが可能な自動細胞培養装置を提供する。【解決手段】自動細胞培養装置５０は、装置内のインキュベータ７１の庫内のストッカは、回転軸を中心に回転するテーブル７２、テーブル７２上に設置された培養容器６１を格納する複数のラック７３、テーブル７２と複数のラック７３の間に設置され、各ラック７３を回転中心へ向かう方向である求心方向と、回転中心から離れる方向である遠心方向とに直線動作させる複数のスライド機構部７４を備え、スライド機構部７４の直線動作とテーブル７２の回転動作を組み合わせることで、各ラック７３を遥動させることで、自動細胞培養装置５０から培養容器６１を取出さず、攪拌培養を行う。【選択図】図１

Description

本発明は、細胞を培養するための、薬液の吸上げ／注入、培養容器の搬出入といった作業を自動化した装置で、培養容器を収納し、細胞を培養する細胞培養装置に関するものである。

細胞を培養するための作業を自動化した自動細胞培養装置としては、例えば、特許文献１に示されているようなものがある。

図８および図９は、それぞれ特許文献１に記載された装置の平面図、側面図である。細胞が培養されている培養容器は、培養時はインキュベータ４に格納されており、細胞培養についての各種作業をおこなう際は、インキュベータ４の搬出入手段１２、第１ロボット６、第２ロボット７によって、ロータリストッカ８、遠心分離手段９、液体給排手段１０、検査手段１１などに移送される。

そして、所定の作業を終えた培養容器は、第１ロボット６、第２ロボット７、インキュベータ４の搬出入手段１２によって、インキュベータ４へ移送、格納される。

特開２０１６−１３０５９号公報

しかしながら、前記従来の構成では、培養容器は静置の状態でしか培養することが出来ず、培養容器を遥動させて培養する攪拌培養をおこなう場合は、細胞培養装置から培養容器を取出し、外部の振とう機へ培養容器を移動させてから培養する必要がある、という課題を有している。

本発明は、培養容器を装置から取出さずに、攪拌培養をおこなうことが可能な自動細胞培養装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の自動細胞培養装置は、
細胞を培養する環境を維持するインキュベータと、
前記インキュベータの庫内に設置されたテーブルと、
前記テーブルを回転させる回転機構部と、
前記テーブル上に設置された培養容器を格納する複数のラックと、
前記テーブルと前記ラックの間に設置され各ラックを回転中心へ向かう方向である求心方向と前記回転中心から離れる方向である遠心方向とに直線動作させる複数のスライド機構部を備え、
前記回転機構部と前記スライド機構部は、両部の動作である前記テーブルの回転および前記ラックの直線動作を組み合わせて円運動に近似した動作を生成し、前記インキュベータ内で攪拌培養を行う。

本発明の自動細胞培養装置によれば、自動細胞培養装置から取出さず、インキュベータ内部のラックに培養容器を格納した状態で、攪拌培養を行うことができる。攪拌培養をおこなう場合でも、装置内で攪拌培養が可能であるため、培養容器を装置から取出し、外部の振とう機へ培養容器を移動させて培養する作業が不要となり、人手を介さずに長時間の無人連続稼動を実現することができる。

培養容器中の薬液を入れ替える培地交換の作業は、一般的には毎日必要な作業である。そのため、本発明の自動細胞培養装置により、攪拌培養をおこなう場合でも、培養作業従事者の休日確保や、培養容器の装置からの取出し、及び装置への投入忘れを防止することができる。

本発明の実施の形態における自動細胞培養装置の斜視図本発明の実施の形態における自動培養装置のインキュベータ内の構造を示す平面図本発明の実施の形態における自動培養装置のインキュベータ内の構造を示す側面図本発明の実施の形態における自動培養装置の培養容器受け渡し部の構造を示す平面図本発明の実施の形態における自動培養装置の培養容器受け渡し部の構造を示す側面図本発明の実施の形態における自動培養装置のインキュベータから培養容器を搬出する際の動作を示した図本発明の実施の形態における自動培養装置のインキュベータから培養容器を搬出する際の動作を示した図本発明の実施の形態における自動培養装置のインキュベータから培養容器を搬出する際の動作を示した図本発明の実施の形態における自動培養装置のインキュベータから培養容器を搬出する際の動作を示した図本発明の実施の形態における自動培養装置のインキュベータから培養容器を搬出する際の動作を示した図本発明の実施の形態における自動培養装置のインキュベータから培養容器を搬出する際の動作を示した図本発明の実施の形態における自動培養装置のインキュベータから培養容器を搬出する際の動作を示した図本発明の実施の形態における自動培養装置のインキュベータへ培養容器を搬入する際の動作を示した図本発明の実施の形態における自動培養装置のインキュベータへ培養容器を搬入する際の動作を示した図本発明の実施の形態における自動培養装置のインキュベータへ培養容器を搬入する際の動作を示した図本発明の実施の形態における自動培養装置のインキュベータへ培養容器を搬入する際の動作を示した図本発明の実施の形態における自動培養装置のインキュベータへ培養容器を搬入する際の動作を示した図本発明の実施の形態における自動培養装置のインキュベータへ培養容器を搬入する際の動作を示した図本発明の実施の形態における自動培養装置のインキュベータへ培養容器を搬入する際の動作を示した図本発明の実施の形態における自動培養装置のインキュベータでの攪拌培養の動作を示した図本発明の実施の形態における自動培養装置のインキュベータでの攪拌培養の動作を示した図本発明の実施の形態における自動培養装置のインキュベータでの攪拌培養の動作を示した図本発明の実施の形態における自動培養装置のインキュベータでの攪拌培養の動作を示した図本発明の実施の形態における自動培養装置のインキュベータでの攪拌培養の動作を示した図攪拌培養の円運動の直径と回転機構部、及びスライド機構部の動作量の関係を示した図特許文献１に記載された従来の自動細胞培養装置の平面図特許文献１に記載された従来の自動細胞培養装置の側面図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施の形態における自動細胞培養装置５０の斜視図である。
図１において、図示は省略しているが、自動細胞培養装置５０の全体はカバーで覆われている。

同様に、図１において、図示は省略しているが、自動細胞培養装置５０は各部の動作を制御する全体制御部を有する。
図１において、ロボット５１は水平方向（以下、Ｘ軸）、奥行き方向（以下、Ｙ軸）、垂直方向（以下、Ｚ軸）に駆動が可能な３軸の直交ロボットで、吊り下げて設置されている。

ロボット５１は、Ｚ軸の先端にツールチェンジャー５２を備える。

また、自動細胞培養装置５０は、培養容器把持ツール５３および薬液吸上げ／注入ツール５４を備えている。培養容器把持ツール５３は、ツールチェンジャー５２と着脱可能であって、培養容器６１を把持する。薬液吸上げ／注入ツール５４は、シリンジを有し、シリンジの先端にチップを装着して培養に使用する薬液の吸上げ／注入をおこなう。ロボット５１は、ツールチェンジャー５２で培養容器把持ツール５３や薬液吸上げ／注入ツール５４を着脱し、自動での培養容器６１の搬送や薬液の吸上げ／注入をおこなう。

また、自動細胞培養装置５０は、細胞の培養に適した環境を維持し、培養容器６１を複数個、格納するインキュベータ７１を備える。

インキュベータ７１の構造を図２Ａ、Ｂに示す。

インキュベータ７１は、その庫内に、テーブル７２と、テーブル７２を回転軸中心に回転させる回転機構部と、テーブル７２上に設置された培養容器６１を格納する複数（本実施の形態では３個）のラック７３ａ、７３ｂ、７３ｃと、テーブル７２とラック７３ａ〜ｃの間に設置され、各ラックを回転中心へ向かう方向である求心方向と回転中心から離れる方向である遠心方向とに直線動作させる複数（ラックと同じ個数なるため、本実施の形態では３個）のスライド機構部７４ａ、７４ｂ、７４ｃと、を備える。

本実施の形態において、回転機構部は、回転の駆動源であるモータ７５とテーブル７２に直結されたプーリー７６をベルト７７で連結した構成となっている。

また、スライド機構部７４ａ、７４ｂ、７４ｃには、直線動作をおこなう電動アクチュエータが用いられる。

さらにインキュベータ７１は、培養容器６１を搬出入するために、培養容器搬出入口７８、培養容器搬出入機構を備える。

培養容器搬出入機構は、培養容器６１を保持する第１培養容器保持部７９と、第１培養容器保持部７９の水平面の位置決めをおこなう水平面位置決め機構８０と、第１培養容器保持部７９の上下方向の位置決めをおこなう上下位置決め機構８１と、を備えている。

本実施の形態において、水平面位置決め機構８０には、ロータリアクチュエータが用いられている。また、上下位置決め機構８１は、テーブル７２を回転軸中心に回転させる回転機構部の構成と、ボールねじとを組み合わせたものとなっているが、電動アクチュエータなどでもよい。

図２Ｂにおいては、図が煩雑となるため、複数のラックの内、ラック７３ｂ、７３ｃ、複数のスライド機構部の内、スライド機構部７４ｂ、７４ｃの図示を、省略している。

インキュベータ７１は、これら以外に細胞培養部内の雰囲気を保つためのガス、水の供給手段、熱の加温手段も備えるが、それらの図示も省略している。

培養容器把持ツール５３を装着したロボット５１とインキュベータ７１は、培養容器６１を直接、受け渡しせず、培養容器受け渡し部８２を介して受け渡しをおこなう。

培養容器受け渡し部８２の構造を図３Ａ、Ｂに示す。

培養容器受け渡し部８２は、第２培養容器保持部（受け渡し部）８３と、これの上下昇降機構８４から構成される。

インキュベータ７１より培養容器６１を搬出する際の動作を、培養容器６１の収納段数が８段のラック７３ａの最下段から２段目の培養容器６１ａ２の搬出を例に図４−ａ）〜ｇ）に示す。ただし、図が煩雑となるため、水平面位置決め機構８０、上下位置決め機構８１については、前面にあっても点線で図示する。

１）全体制御部（図示略）は、培養容器６１ａ２をラック７３ａから取出すため、搬出する培養容器６１ａ２が収納されているラック７３ａの培養容器の列が第１培養容器保持部７９と培養容器６１ａ２を受け渡しする位置となるように、回転機構部およびスライド機構部７４を動作させる。
２）全体制御部は、第１培養容器保持部７９が、搬出する培養容器６１ａ２の底面と一段下の培養容器６１ａ１の上面との間の高さとなるように、上下位置決め機構８１を動作させる（図４−ａ）。
３）全体制御部は、第１培養容器保持部７９が、ラック７３ａと培養容器６１ａ２を受け渡しする位置となるように、水平面位置決め機構８０を動作させる（図４−ｂ）
４）全体制御部は、第１培養容器保持部７９が、搬出する培養容器６１ａ２をラック７３ａから取出し可能な高さとなるように、上下位置決め機構８１を動作させる（図４−ｃ）。
５）全体制御部は、第１培養容器保持部７９が、培養容器６１ａ２をインキュベータ７１内で昇降させる位置となるように、水平面位置決め機構８０を動作させる（図４−ｄ）。
６）全体制御部は、第１培養容器保持部７９が、培養容器搬出入口７８から培養容器６１ａ２を搬出する高さとなるように、上下位置決め機構８１を動作させる（図４−ｅ）。
７）全体制御部は、培養容器搬出入口７８の扉を開かせる。
８）全体制御部は、第１培養容器保持部７９が、培養容器受け渡し部８２と培養容器６１ａ２を受け渡す位置となるように、水平面位置決め機構８０を動作させる（図４−ｆ）。
９）上下昇降機構８４が、第２培養容器保持部（受け渡し部）８３を上昇（上昇後、培養容器６１ａ２はロボット５１が搬送）させる。
１０）全体制御部は、第１培養容器保持部７９が、培養容器６１をインキュベータ７１内で昇降させる位置へ、水平面位置決め機構８０を動作させる（図４−ｇ）。
１１）全体制御部は、培養容器搬出入口７８の扉を閉動作させる。

次に、インキュベータ７１へ培養容器６１を搬入する際の動作を、培養容器６１の収納段数が８段のラック７３ａの最上段から３段目への培養容器６１ａ６の搬入を例に図５−ａ〜図５−ｇ）に示す。ただし、図が煩雑となるため、水平面位置決め機構８０、上下位置決め機構８１については、前面にあっても点線で図示する。
２１）全体制御部は、培養容器をラック７３ａに投入するため、搬入する培養容器６１ａ６を収納しようとするラック７３ａの培養容器の列が第１培養容器保持部７９と培養容器６１ａ６を受け渡しする位置となるように、回転機構部およびスライド機構部７４を動作させる。
２２）全体制御部は、第１培養容器保持部７９が、培養容器搬出入口７８から培養容器６１ａ６を搬入する高さとなるように、上下位置決め機構８１を動作させる（図５−ａ）
２３）全体制御部は、培養容器搬出入口７８の扉を開かせる。
２４）全体制御部は、第１培養容器保持部７９が、培養容器受け渡し部８２と培養容器６１ａ６を受け渡す位置となるように、水平面位置決め機構８０を動作させる（図５−ｂ）。
２５）全体制御部は、第２培養容器保持部（受け渡し部）８３を下降させる（下降前に、培養容器６１ａ６をロボット５１が搬送）。
２６）全体制御部は、第１培養容器保持部７９が、培養容器６１ａ６をインキュベータ７１内で昇降させる位置となるように、水平面位置決め機構８０を動作させる（図５−ｃ）。
２７）全体制御部は、培養容器搬出入口７８の扉を閉じさせる。
２８）全体制御部は、第１培養容器保持部７９が、搬入する培養容器６１ａ６をラック７３ａへ投入可能な高さとなるように、上下位置決め機構８１を動作させる（図５−ｄ）。
２９）全体制御部は、第１培養容器保持部７９が、ラック７３ａと培養容器６１ａ６を受け渡しする位置となるように、水平面位置決め機構８０を動作させる（図５−ｅ）。
３０）全体制御部は、第１培養容器保持部７９が、搬入する培養容器６１ａ６の底面と一段下の培養容器６１ａ５の上面との間の高さとなるように、上下位置決め機構８１を動作させる（図５−ｆ）。
３１）全体制御部は、第１培養容器保持部７９が、培養容器６１をインキュベータ７１内で昇降させる位置へ、水平面位置決め機構８０を動作させる（図５−ｇ）。

この装置のインキュベータ７１において、攪拌培養をおこなう際は、テーブル７２を回転軸中心に回転させている回転機構部、スライド機構部７４を以下の様に動作させる。

ｉ）全体制御部は、各ラック７３ａ〜ｃがテーブル７２の回転中心へ近づいた位置（回転中心の内側）から遠心方向へ離れる外側（回転中心の外側）に、一定の長さ移動するように、スライド機構部７４ａ〜ｃを動作させる（図６−ａ）。
ｉｉ）全体制御部は、ｉ）の動作の途中で、テーブル７２が反時計回りに、一定の角度回転するように、回転機構部を動作（図６−ｂ）させる。
ｉｉｉ）全体制御部は、ｉｉ）の動作の途中で、各ラック７３ａ〜ｃがテーブル７２の回転中心の外側から内側に、ｉ）で移動させた長さと同じ長さ移動するように、スライド機構部７４ａ〜ｃを動作させる（図６−ｃ）。
ｉｖ）全体制御部は、ｉｉｉ）の動作の途中で、テーブル７２が時計回りに、ｉｉ）で回転させた角度と同じ角度回転するように、回転機構部を動作させる（図６−ｄ）。
ｖ）全体制御部は、ｉｖ）の動作が完了する途中で、ｉ）の動作を開始させる。

以降、ｉｉ）〜ｖ）の動作を繰返すことで、各ラック７３ａ〜ｃに収納された培養容器の水平面内での円運動に近似した動作（図６−ｅ）が生成され、攪拌培養を行うことができる。

攪拌培養の動作は円運動であるため、円運動の直径と周期により決定される。

そこで、所望する攪拌培養での円運動の直径をＤ、周期をＴとすると、本発明の自動細胞培養装置５０のインキュベータ７１において、この円運動に近似した動作を実現する回転機構部及びスライド機構部の動作は以下の様に決定される。

スライド機構部７４については、ｉ）の動作においてテーブル７２の回転中心の内側から回転中心の外側に、及びｉｉｉ）の動作においてテーブル７２の回転中心の外側から内側に移動する長さが、直径Ｄに相当する。

また、ｉ）の動作とｉｉｉ）の動作に要する時間のあわせたものが周期Ｔに相当し、ｉ）の動作、及びｉｉｉ）の動作に要する時間はそれぞれ、Ｔ／２となる。

一方、テーブル７２を回転軸中心に回転させている回転機構部については、ｉｉ）の動作、及びｉｖ）の動作において円弧状に動作する長さが、直径Ｄに相当するとして近似する。ただし、テーブル７２が回転中心の内側にある時と回転中心の外側にある時で回転半径は異なるため、回転中心の内側にある時の回転半径をｒ１、回転中心の外側にある時の回転半径をｒ２とすると、その中間の半径ｒ（＝（ｒ１＋ｒ２）／２）が、ｉｉ）の動作、及びｉｖ）の動作における回転半径とすることにより、回転角度αが決定される。

スライド機構部７４と同様に、ｉｉ）の動作とｉｖ）の動作に要する時間のあわせたものが周期Ｔに相当し、ｉｉ）の動作、及びｉｖ）の動作に要する時間はそれぞれ、Ｔ／２となる。ｉｉ）〜ｖ）の動作を繰返しによって、培養容器の水平面内での挙動が円運動に近いものになるためには、それぞれ直前の動作（例えば、ｉｉ）についてはｉ）の動作、ｉｉｉ）の動作についてはｉｉ）の動作）が円弧状に動作する長さの半分の長さ、及び角度だけ動作したタイミングで動作を開始すればよく、そのズレはＴ／４となる。

攪拌培養での円運動の直径Ｄ、回転機構部の回転半径ｒ１、ｒ２、回転角度αの関係を図７に示す。

本実施の形態では、スライド機構部７４には、直線動作をおこなう電動アクチュエータを用いたが、撹拌の周期Ｔを変更することが無い場合は、空圧バルブとシリンダで代用することも可能である。

また、攪拌培養の必要がない培養工程に対しては、自動細胞培養装置５０の全体制御部により、スライド機構部７４、及びテーブル７２を回転軸中心に回転させている回転機構部を共に動作させないことで対応できる。

一般的な攪拌培養は毎分１０〜２００回程度の回転数、０．３〜６秒周期の動作となる。つまり、インキュベータ７１内で各ラック７３ａ〜ｃが上記の周期で動作することになり、動作にともなう振動を考慮すると、インキュベータ７１は装置の低い位置に設置することが好ましい。本実施の形態においても、インキュベータ７１を装置の架台下に設置し、培養容器搬出入口７８をインキュベータ７１本体よりも上側に設置した。

上記実施の形態における自動細胞培養装置によれば、細胞を培養する環境を維持するインキュベータ７１と、インキュベータ７１の庫内に設置されたテーブル７２と、テーブル７２を回転軸中心に回転させる回転機構部と、テーブル７２上に設置された培養容器６１ａ１〜８を格納する複数のラック７３ａ〜ｃと、テーブル７２とラック７３ａ〜ｃの間に設置され各ラック７３ａ〜ｃを回転中心へ向かう方向である求心方向と回転中心から離れる方向である遠心方向とに直線動作させる複数のスライド機構部７４ａ〜ｃを備え、回転機構部とスライド機構部７４ａ〜ｃとは、両部の動作である回転および直線動作を組み合わせて円運動に近似した動作を生成し、インキュベータ７１内で攪拌培養を行う。これにより、培養容器６１ａ１〜８を自動細胞培養装置から取出さずに、撹拌培養をおこなうことができる。

本発明の自動細胞培養装置は、攪拌培養をおこなう場合でも、装置内での攪拌培養が可能であるため、培養容器を装置から取出す作業が不要となり、人手を介さずに長時間の無人連続稼動を実現することができる。

５０自動細胞培養装置
５１ロボット
５２ツールチェンジャー
５３培養容器把持ツール
５４薬液吸上げ／注入ツール
６１ａ１〜８ラック７３ａの最下段（１段目）〜最上段（８段目）から取出し、及びラック７３ａの最下段〜最上段へ投入される培養容器
７１インキュベータ
７２テーブル
７３ａ〜ｃラック
７４ａ〜ｃスライド機構部
７５モータ
７６プーリー
７７ベルト
７８培養容器搬出入口
７９第１培養容器保持部
８０水平面位置決め機構
８１上下位置決め機構
８２培養容器受け渡し部
８３第２培養容器保持部（受け渡し部）
８４上下昇降機構
９１培養作業部
９２薬液保存部
９３チップ供給部
９４廃棄部

Claims

細胞を培養する環境を維持するインキュベータと、
前記インキュベータの庫内に設置されたテーブルと、
前記テーブルを回転させる回転機構部と、
前記テーブル上に設置された培養容器を格納する複数のラックと、
前記テーブルと前記ラックの間に設置され各ラックを回転中心へ向かう方向である求心方向と前記テーブルの回転中心から離れる方向である遠心方向とに直線動作させる複数のスライド機構部を備え、
前記回転機構部と前記スライド機構部とは、両部の動作である前記テーブルの回転および前記ラックの直線動作を組み合わせて円運動に近似した動作を生成し、前記インキュベータ内で攪拌培養を行う、自動細胞培養装置。
前記回転機構部と前記スライド機構部とは、攪拌培養の動作の調整を、予め定められた攪拌の周期、振幅、及び前記両部の動作開始のタイミングのズレの３つのパラメータに基づいておこなう、
請求項１に記載の自動細胞培養装置。
前記スライド機構部は、攪拌の周期が固定であり、空圧バルブとシリンダで構成されている、
請求項１に記載の自動細胞培養装置。
前記回転機構部と前記スライド機構部は、攪拌培養が必要のない培養工程においては、前記両部を共に動作させない、
請求項１に記載の自動細胞培養装置。