JP2021004559A - 多流路平板ポンプ及び細胞培養装置 - Google Patents

Abstract

【課題】培養液などの流体を複数の供給先に対して供給を行うポンプに対し、各供給先に対する流路接続を不要とする多流路平板ポンプ及び細胞培養装置を提供すること。【解決手段】複数の流路２１が並列配置された弾性平板２０と、弾性平板２０の一面を押えて基準面を形成する支持カバー部と、弾性平板２０の他面側から基準面側に押圧して各流路２１を弾性変形させた閉塞と各流路２１の開放とを交互に行い、この閉塞状態を各流路２１の出口側に向けて移動させることにより、各流路２１に流れる流体を出口側に吐出させる押出機構と、押出機構による出口側への押圧速度を制御して各流路２１の流量調整を行う制御ユニットと、を備え、弾性平板２０は、少なくとも押出機構による閉塞状態が形成される押出領域において、各流路２１の両側に各流路２１に沿った空気孔２２，２３を形成している。【選択図】図４

Description

本発明は、培養液などの流体を複数の供給先に対して供給を行うポンプに対し、各供給先に対する流路接続を不要とする多流路平板ポンプ及び細胞培養装置に関する。

近年における幹細胞を利用した再生医療としては、例えば、肝硬変や血液疾患、心筋梗塞の治療、血管の構築、骨や角膜の再生、移植用皮膚の確保、などが考えられている。再生医療では、培養皿内で幹細胞などから目的とする細胞や臓器を増殖させ、人に移植するようにしている。最近では、骨髄由来の幹細胞から血管新生を行い、狭心症、心筋梗塞などの治療に成功している。

ここで、従来の細胞培養装置は、培養皿内の培養液を定期的に入れ替えて培養細胞の増殖を行っていた。この細胞培養装置は、培養液の入れ替えに伴って細胞に大きな刺激が与えられ、また、細胞の代謝活動に伴って培養液中に老廃物が排出されることから、細胞にストレスや傷害を与えてしまうという問題があった。

そこで、特許文献１には、培養液の入れ替えを行わず、培養液の送液及び排液を行って細胞培養を行うものが開示されている。

実用新案登録第３１９６６７３号公報

ところで、複数の培養皿を有した培養容器の各培養皿に培養液を供給する場合、供給ポンプと各培養皿との間を可撓性チューブなどによって接続する必要がある。培養皿の数が多い培養容器では、１つの培養皿に対して１つの可撓性チューブを接続する必要があることが装置接続に時間がかかるという課題があった。

ここで、可撓性チューブの接続を容易にするため、供給ポンプが１つの可撓性チューブに対して動作させ、この１つの可撓性チューブを分岐して培養液を各培養皿に分岐すると、分岐された可撓性チューブに対する圧が均一にならない場合が生じ、場合によっては逆流してしまう。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、培養液などの流体を複数の供給先に対して供給を行うポンプに対し、各供給先に対する流路接続を不要とする多流路平板ポンプ及び細胞培養装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる多流路平板ポンプは、複数の流路が並列配置された弾性平板と、前記弾性平板の一面を押えて基準面を形成する支持カバー部と、前記弾性平板の他面側から前記基準面側に押圧して各流路を弾性変形させた閉塞と各流路の開放とを交互に行い、この閉塞状態を各流路の出口側に向けて移動させることにより、各流路に流れる流体を前記出口側に吐出させる押出機構と、前記押出機構による前記出口側への押圧速度を制御して各流路の流量調整を行う制御部と、を備え、前記弾性平板は、少なくとも前記押出機構による閉塞状態が形成される押出領域において、各流路の両側に各流路に沿った空気孔を形成していることを特徴とする。

また、本発明にかかる多流路平板ポンプは、上記の発明において、前記弾性平板は、少なくとも前記押出機構による閉塞領域が形成される押出領域において、各流路の前記押圧機構側に各流路に沿った突起線状部が形成されていることを特徴とする。

また、本発明にかかる多流路平板ポンプは、上記の発明において、前記流路の横断面形状は、半円形であることを特徴とする。

また、本発明にかかる多流路平板ポンプは、上記の発明において、前記空気孔は、横断面形状の大小によって前記流路の弾性変形量を調整することを特徴とする。

また、本発明にかかる多流路平板ポンプは、上記の発明において、前記弾性平板は、流体を吐出する複数の流路からなる吐出流路群と、前記流体を吸引する複数の流路からなる吸引流路群とが並列配置され、前記押出機構は、前記吐出流路群と前記吸引流路群とに対する閉塞移動方向を異ならせることを特徴とする。

また、本発明にかかる多流路平板ポンプは、上記の発明において、前記弾性平板は、前記流路及び前記空気孔が溝状に形成された加工面を有する第１弾性平板と、一面が前記加工面に面する平面の接合面であり該接合面の反対面に各流路に沿った突起線状部が形成された第２弾性平板と、を有し、前記加工面と前記接合面とが向かい合った状態で、プラズマボンディングによって結合されていることを特徴とする。

また、本発明にかかる多流路平板ポンプは、上記の発明において、前記弾性平板は、前記流路及び前記空気孔が溝状に形成された加工面を有する第１弾性平板と、一面が前記加工面に面する平面の接合面であり該接合面の反対面に各流路に沿った突起線状部が形成された第２弾性平板と、を有し、前記加工面と前記接合面とが向かい合った状態で、プラズマボンディングによって結合された上部弾性平板と下部弾性平板とを備え、前記上部弾性平板及び前記下部弾性平板の前記突起線状部が形成されない面を、板状剛性部材を介して対向させ、前記上部弾性平板と前記板状部材と前記下部弾性平板とをプラズマボンディングによって結合されることを特徴とする。

また、本発明にかかる多流路平板ポンプは、上記の発明において、前記弾性平板は、ガス透過性の弾性部材であることを特徴とする。

また、本発明にかかる多流路平板ポンプは、上記の発明において、前記弾性平板は、ＰＤＭＳ又はシリコンラバーであることを特徴とする。

また、本発明にかかる多流路平板ポンプは、上記の発明において、前記押出機構は、各流路の直交方向に向けて、前記閉塞位置をずらすことを特徴とする。

また、本発明にかかる多流路平板ポンプは、上記の発明において、前記押出機構は、ペリスタティックポンプであることを特徴とする。

また、本発明にかかる細胞培養装置は、上記の発明のいずれか一つに記載の多流路平板ポンプを用い、複数の培養領域が形成された培養容器の各培養領域に前記流路から培養液を供給し、及び／又は、各培養領域から培養液を吸引し、前記培養領域内の細胞を培養することを特徴とする。

また、本発明にかかる細胞培養装置は、上記の発明において、前記弾性平板は、各培養領域に嵌合するアダプタの上部周縁を囲むように延び、前記弾性平板の各流路は、前記アダプタの各流路に結合され、前記弾性平板と前記アダプタとが一体形成されることを特徴とする。

本発明によれば、培養液などの流体を複数の供給先に対して供給を行うポンプに対し、各供給先に対する流路接続が不要となる。

図１は、本発明の実施の形態である多流路平板ポンプの平面図である。 図２は、図１に示した多流路平板ポンプのＡ−Ａ線断面図である。 図３は、多流路平板ポンプに装着される弾性平板の斜視図である。 図４は、弾性平板のＢ−Ｂ線断面図である。 図５は、押圧機構によるポンプ動作を説明する説明図である。 図６は、弾性平板の変形例１の構成を示す断面図である。 図７は、弾性平板の変形例２の構成を示す断面図である。 図８は、図１及び図２に示した多流路平板ポンプを用いた細胞培養装置の構成を示す平面図である。 図９は、細胞培養装置のＣ−Ｃ線断面図である。 図１０は、多流路平板ポンプの変形例３である押出機構の構成を示す図である。

以下、添付図面を参照してこの発明を実施するための形態について説明する。

＜多流路平板ポンプ＞
図１は、本発明の実施の形態である多流路平板ポンプ１の平面図である。図２は、図１に示した多流路平板ポンプ１のＡ−Ａ線断面図である。また、図３は、多流路平板ポンプ１に装着される弾性平板２０の斜視図である。さらに、図４は、弾性平板２０のＢ−Ｂ線断面図である。

図１〜図４に示すように、多流路平板ポンプ１は、ローラ式のペリスタティックポンプである。多流路平板ポンプ１は、基台２の溝状凹部２ａに押出機構１０が配置され、押出機構１０の上部に押出機構１０を跨ぐように弾性平板２０が載置され、押出機構１０の上部から支持カバー部３０が配置される。支持カバー部３０は、弾性平板２０を押出機構１０に対して押圧した状態で挟み込む。このため、弾性平板２０は、押出機構１０の上部において、弧状に変形して保持される。また、基台２の平坦部２ｂ上には、弾性平板２０を位置決めする位置決め突起５を有し、位置決め突起５が弾性平板２０に設けられた位置決め孔５ａに嵌め込まれることによって弾性平板２０が基台２上に位置決めされる。

押出機構１０は、複数のローラ１２が回転軸に対して円条に均等配置される。図２では、８つのローラ１２が円状に配置されている。複数のローラ１２は、ローラ支持部１１によって、ローラ１２を回転自在に支持する。押出機構１０は、ローラ支持部１１の回転に伴って湾曲した弾性平板２０を押圧して各流路２１を弾性変形させた閉塞と各流路２１の開放とを交互に行い、この閉塞状態を各流路２１の出口側（図上左側）に向けて移動させることにより、各流路２１に流れる流体を前記出口側に吐出させる。すなわち、ローラ１２が弾性平板２０を押圧し、各流路２１を回転方向に扱きつつ、移動することによって流体を吐出させる。

なお、押出機構１０の回転駆動は、駆動モータ３によって行われる。駆動モータ３は、制御ユニット４によって押出機構１０の回転速度が制御される。すなわち、制御部としての制御ユニット４は、駆動モータ３を介して流体の吐出流量を制御する。

弾性平板２０は、押出機構１０に直交し内部に、両端部が開放した複数の流路２１が形成されている。各流路２１は、ピッチＰで並列配置されている。図３に示すように、弾性平板２０は、平面視がＨの字型の平板であり、くびれた部分が押出機構１０の上部に湾曲して配置される。弾性平板２０は、例えば、ＰＤＭＳ（Polydimethylsiloxane）を含むシリコンラバーなどの弾性部材で形成される。なお、弾性平板２０のゴム弾性は、例えば硬度３０°程度である。また、弾性平板２０は、ガス透過性の弾性部材であり、流体内の気泡除去を行うことができる。

図４に示すように、弾性平板２０内に形成される流路２１の断面形状は半円形であり、弾性変形に伴う流路２１の閉塞状態が確実になるようにしている。弾性平板２０は、流路２１の両側に各流路２１に沿った空気孔２２，２３が形成されている。空気孔２２，２３の断面形状は矩形であり、押圧方向に対して薄く、かつ、押圧方向に直交する方向の幅を広くしている。なお、並列配置された流路２１のうちの両側の流路２１の外側の空気孔２３は、流路２１間に配置される空気孔２２の幅よりも小さく、例えば空気孔２２の幅の半分の幅としている。なお、空気孔２２，２３の両端部は、平坦部２ｂ上において大気に開放する開放孔２２ａ，２３ａが形成されている。

また、弾性平板２０は、押出機構１０によって流路２１の閉塞状態が形成される湾曲部分において、押出機構１０側に各流路２１に沿った突起線状部２４が形成される。

図５に示すように、押出機構１０のローラ１２が弾性平板２０の突起線状部２４を押圧すると、突起線状部２４が流路２１側に押し込まれ、流路２１を閉塞状態にする。この際、空気孔２２，２３は、突起線状部２４の流路２１側への押し込みに伴い、潰れる。すなわち、空気孔２２，２３は、突起線状部２４が流路２１側に押し込みまれ易いようにして、流路２１の閉塞状態を確実にする。この流路２１の閉塞状態が確実に行われることによって、流路２１内の流体の戻りがなくなり、流体の流量制御を精度よく行うことができる。なお、空気孔２２，２３の断面形状の大小によって流路２１の弾性変形量を調整することができる。また、支持カバー部３０は、弾性平板の一面（上面）を抑えて、押出機構１０の押圧に対する基準面を形成する。なお、流体は、例えば薬液であり、薬液の流量は、例えばμｌレベルの微小流量である。また、弾性平板２０の突起線状部２４は、他の領域の部材よりも硬度を高め、潰れないように形成してもよい。

本実施の形態では、押出機構１０のローラ１２が介在するポンプ部の複数の流路２１と、平坦部２ｂ上の複数の流路２１とが一体形成された弾性平板２０を用いているので、流体の複数の供給先に対する複数の流路接続が不要となる。

＜変形例１＞
図６は、弾性平板２０の変形例１の構成を示す断面図である。図６に示すように、変形例１の弾性平板２０は、第１弾性平板４１と第２弾性平板４２とをそれぞれ別個に簡単な金型成形によって製造し、その後、第１弾性平板４１と第２弾性平板４２とをプラズマボンディングによって結合し、図４に示した弾性平板２０を生成する。なお、上記の実施の形態である一体型の弾性平板２０は、射出成形によって製造するようにしている。

第１弾性平板４１は、流路２１及び空気孔２２，２３が溝状に形成された加工面４１ａを有する。一方、第２弾性平板４２は、一面が加工面４１ａに面する平面である接合面４２ａが形成され、接合面４２ａの反対面に各流路２１に沿った突起線状部２４が形成される。その後、第１弾性平板４１の加工面４１ａと第２弾性平板４２の接合面４２ａとが、各流路２１と各突起線状部２４とが対向するように、プラズマボンディングによって結合される。

本変形例１では、弾性平板２０を金型成形によって製造しており、射出成形に比して精度の高い流路２１や空気孔２２，２３、突起線状部２４を形成することができる。

＜変形例２＞
図７は、弾性平板４０の変形例２の構成を示す断面図である。図７に示すように、２つの弾性平板２０（上部弾性平板及び下部弾性平板）をミラー配置し、各弾性平板２０の突起線状部２４が形成されない面４１ｂを向い合せ、この間に板状剛性部材４３を配置し、２つの弾性平板２０と板状剛性部材４３とをプラズマボンディングによって結合したものである。

これにより、流路２１が多段構成され、流路２１が密集でき、流路２１の数を密度高く形成することができる。なお、板状剛性部材４３は、弾性平板２０よりも弾性変形が少ない部材であり、下部（図面下側）からのローラ１２の押圧に対して変形しにくい基準面を形成するとともに、この基準面全体を上部側に押圧し、支持カバー部３０によって上部の突起線状部２４を流路２１側に押し込んで、上部側の流路２１を閉塞状態にする。

なお、上記の実施の形態では、ローラ式のペリスタティックポンプを一例として示したが、フィンガー式のペリスタティックポンプであってもよい。また、流路接続に関しては、他の容積型ポンプであってもよい。

＜細胞培養装置＞
図８は、図１及び図２に示した多流路平板ポンプ１を用いた細胞培養装置１００の構成を示す平面図である。また、図９は、細胞培養装置１００のＣ−Ｃ線断面図である。細胞培養装置１００は、基板１０１上に薬液供給タンク１０２、廃液回収タンク１０３、多流路平板ポンプ１に対応する多流路平板ポンプ１ａ，１ｂ、培養容器５０、駆動モータ３、制御ユニット４が配置される。なお、駆動モータ３は、多流路平板ポンプ１ａ，１ｂを共通して駆動するが、多流路平板ポンプ１ａの押出機構の回転と多流路平板ポンプ１ｂの押出機構の回転とは逆になる。

培養容器５０には、４つの培養皿５１〜５４が形成されている。培養皿５１〜５４には、培養皿５１〜５４内の培養液を吐出及び吸引するアダプタ６１〜６４が嵌め込まれる。多流路平板ポンプ１ａ，１ｂの弾性平板２０は一体形成される。多流路平板ポンプ１ａ，１ｂの一体形成された弾性平板２０は、培養容器５０側上面まで延在し、アダプタ６１〜６４の上面が結合されている。

そして、薬液供給タンク１０２から供給される多流路平板ポンプ１ａの４つの流路２１ａは、それぞれアダプタ６１〜６４に連通し、薬液供給タンク１０２内の薬液が培養皿５１〜５４に供給される。また、培養皿５１〜５４内の薬液は、アダプタ６１〜６４から４つの流路２１ｂを介して廃液回収タンク１０３に吐出される。

図９に示すように、アダプタ６１，６２は、それぞれ流路２１ａを介して培養皿内において薬液が満たされる密閉空間Ｅ内に薬液を供給するとともに、それぞれ流路２１ｂを介して培養皿内における薬液を吸引して廃液回収タンク１０３に送出する。密閉空間Ｅ内の培養細胞Ｓには、培養細胞Ｓの増殖あるいは維持に必要な薬液が、かん流する。

本細胞培養装置１００では、流路２１ａ，２１ｂがアダプタ６１〜６４まで連通する弾性平板を配置するのみで、多流路平板ポンプ１ａ，１ｂとの間の流路接続のみでなく、培養皿５１〜５４に対する流路接続も不要となり、組立が容易になる。なお、各流路２１ａ，２１ｂは、分岐や合流する箇所がないため、逆流のない確実な送液を行うことができる。また、本細胞培養装置１００では、多流路平板ポンプ１ｂを用いて薬液の回収を行っているが、多流路平板ポンプ１ｂを設けず、流路２１ｂを廃液回収タンク１０３側に直接接続するようにしてもよい。また、多流路平板ポンプ１ａと薬液供給タンク１０２との間及び多流路平板ポンプ１ｂと廃液回収タンク１０３との間は、コネクタ接続するようにしてもよい。同様にアダプタ６１〜６４と各流路２１ａ，２１ｂとの接続もコネクタ接続するようにしてもよい。

なお、上述した培養容器５０は、培養皿５１〜５４に限らず、多数のウェルを有したマイクロプレートにも適用でき、液体も薬液に限らず、試薬等であってもよい。

＜変形例３＞
図１０は、多流路平板ポンプ１の変形例３である押出機構の構成を示す図である。本変形例３では、押出機構１０のローラ１２が軸方向に沿い、かつ、押出機構１０の回転方向に沿って、弾性平板２０を押圧する半径が大きい押圧領域が互い違いに配置されたローラ１１２が形成されている。この押圧領域の軸方向の幅は、流路２１のピッチＰである。なお、ローラ１１２は、ローラ支持部１１１によって支持されている。

本変形例３では、隣接する流路２１の軸方向に対して、ローラ１１２が同時に押圧することがないため、流路２１内で押し出される流体の脈動発生を防止することができる。

なお、上記の実施の形態及び変形例で図示した各構成は機能概略的なものであり、必ずしも物理的に図示の構成をされていることを要しない。すなわち、各装置の分散・統合の形態は図示のものに限られず、その全部又は一部を各種の負荷や使用状況などに応じて、任意の単位で機能的又は物理的に分散・統合して構成することができる。また、上述した実施の形態または変形例の各構成要素は適宜組み合わせが可能である。

１，１ａ，１ｂ 多流路平板ポンプ
２ 基台
２ａ 溝状凹部
２ｂ 平坦部
３ 駆動モータ
４ 制御ユニット
５ 位置決め突起
５ａ 位置決め孔
１０ 押出機構
１１，１１１ ローラ支持部
１２，１１２ ローラ
２０，４０ 弾性平板
２１，２１ａ，２１ｂ 流路
２２，２３ 空気孔
２２ａ，２３ａ 開放孔
２４ 突起線状部
３０ 支持カバー部
４１ 第１弾性平板
４１ａ 加工面
４１ｂ 面
４２ 第２弾性平板
４２ａ 接合面
４３ 板状剛性部材
５０ 培養容器
５１〜５４ 培養皿
６１〜６４ アダプタ
１０１ 基板
１００ 細胞培養装置
１０２ 薬液供給タンク
１０３ 廃液回収タンク
Ｅ 密閉空間
Ｐ ピッチ
Ｓ 培養細胞

Claims (13)

1. 複数の流路が並列配置された弾性平板と、
   前記弾性平板の一面を押えて基準面を形成する支持カバー部と、
   前記弾性平板の他面側から前記基準面側に押圧して各流路を弾性変形させた閉塞と各流路の開放とを交互に行い、この閉塞状態を各流路の出口側に向けて移動させることにより、各流路に流れる流体を前記出口側に吐出させる押出機構と、
   前記押出機構による前記出口側への押圧速度を制御して各流路の流量調整を行う制御部と、
   を備え、
   前記弾性平板は、少なくとも前記押出機構による閉塞状態が形成される押出領域において、各流路の両側に各流路に沿った空気孔を形成していることを特徴とする多流路平板ポンプ。
2. 前記弾性平板は、少なくとも前記押出機構による閉塞領域が形成される押出領域において、各流路の前記押圧機構側に各流路に沿った突起線状部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の多流路平板ポンプ。
3. 前記流路の横断面形状は、半円形であることを特徴とする請求項１又は２に記載の多流路平板ポンプ。
4. 前記空気孔は、横断面形状の大小によって前記流路の弾性変形量を調整することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の多流路平板ポンプ。
5. 前記弾性平板は、流体を吐出する複数の流路からなる吐出流路群と、前記流体を吸引する複数の流路からなる吸引流路群とが並列配置され、
   前記押出機構は、前記吐出流路群と前記吸引流路群とに対する閉塞移動方向を異ならせることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の多流路平板ポンプ。
6. 前記弾性平板は、
   前記流路及び前記空気孔が溝状に形成された加工面を有する第１弾性平板と、
   一面が前記加工面に面する平面の接合面であり該接合面の反対面に各流路に沿った突起線状部が形成された第２弾性平板と、
   を有し、前記加工面と前記接合面とが向かい合った状態で、プラズマボンディングによって結合されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の多流路平板ポンプ。
7. 前記弾性平板は、
   前記流路及び前記空気孔が溝状に形成された加工面を有する第１弾性平板と、
   一面が前記加工面に面する平面の接合面であり該接合面の反対面に各流路に沿った突起線状部が形成された第２弾性平板と、
   を有し、前記加工面と前記接合面とが向かい合った状態で、プラズマボンディングによって結合された上部弾性平板と下部弾性平板とを備え、
   前記上部弾性平板及び前記下部弾性平板の前記突起線状部が形成されない面を、板状剛性部材を介して対向させ、前記上部弾性平板と前記板状部材と前記下部弾性平板とをプラズマボンディングによって結合されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の多流路平板ポンプ。
8. 前記弾性平板は、ガス透過性の弾性部材であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の多流路平板ポンプ。
9. 前記弾性平板は、ＰＤＭＳ又はシリコンラバーであることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載の多流路平板ポンプ。
10. 前記押出機構は、各流路の直交方向に向けて、前記閉塞位置をずらすことを特徴とする請求項１〜９のいずれか一つに記載の多流路平板ポンプ。
11. 前記押出機構は、ペリスタティックポンプであることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一つに記載の多流路平板ポンプ。
12. 請求項１〜１１のいずれか一つに記載の多流路平板ポンプを用い、複数の培養領域が形成された培養容器の各培養領域に前記流路から培養液を供給し、及び／又は、各培養領域から培養液を吸引し、前記培養領域内の細胞を培養することを特徴とする細胞培養装置。
13. 前記弾性平板は、各培養領域に嵌合するアダプタの上部周縁を囲むように延び、前記弾性平板の各流路は、前記アダプタの各流路に結合され、前記弾性平板と前記アダプタとが一体形成されることを特徴とする請求項１２に記載の細胞培養装置。

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