JP2021531003A - スタック式再循環バイオリアクタ - Google Patents

Abstract

本開示は、概して、流体システムに関し、より具体的には、バイオリアクタに関する。本開示は、複数のスタック式バイオリアクタを備える、システムを提供し、本システムは、複数のバイオリアクタのそれぞれを通して実質的に等しい流体の流率および圧力降下を提供するように構成される。いくつかの実施形態では、複数のバイオリアクタのそれぞれを通した流体の流動は、標的生物学的生成物を産生するようにバイオリアクタ内の生物学的原材料を誘導するための生理学的剪断率を発生させるように構成される。

Description

（政府支援の声明）
本発明は、米国立衛生研究所（ＮＩＨ）によって授与された５Ｒ４４ＨＬ１３１０５０の下および国防総省によって授与されたＷ８１ＸＷＨ１８１０１８７の下で政府支援を受けて行われた。政府は、本発明にある権利を有する。

（関連出願）
本願は、その全体が参照することによって本明細書に組み込まれる、２０１８年７月７日に出願された、米国仮出願第６２／７００，４９５号の利益および優先権を主張する。

本開示は、概して、流体システムに関し、より具体的には、バイオリアクタに関する。

医療実践では、種々の生物学的生成物が、種々の疾患、感染症、悪性腫瘍、および外傷を治療するために使用されることができる。加えて、そのような生物学的生成物（例えば、血漿、血小板、白血球、赤血球）は、患者内の欠乏した生物学的生成物に取って代わるために使用されることができる。そのような生物学的生成物の産生は、種々の幹細胞からの産生等の種々の技法を使用して試行されてきた。利用される幹細胞は、典型的には、胚性幹細胞、臍帯血幹細胞、および人工多能性幹細胞を含んでいる。他の幹細胞源は、骨髄、胎児肝臓、および末梢血内で見出される幹細胞を含んでいる。しかしながら、研究室内でのいくつかの生物学的生成物の成功した産生にもかかわらず、多くの限界が、臨床設定での使用に残っている。

したがって、増大する臨床需要を満たし、ドナー収穫および貯蔵と関連付けられる危険性および費用を回避し得る、生物学的生成物の臨床的に関連性がある収率を生じるための効率的な方法の必要性が残っている。

本開示は、生物学的原材料から臨床的および商業的に関連性がある生物学的生成物を発生させることを目的としている、いくつかの特徴および能力を含む、１つ以上のスタック式構成における種々のバイオリアクタ実施形態およびそれらの使用方法を説明する。いくつかの実施形態では、本明細書に説明されるシステムおよび方法は、血小板注入に使用可能な高い血小板収率を発生させるために使用されてもよい。

いくつかの側面では、本開示は、複数のスタック式バイオリアクタであって、各バイオリアクタは、第１のチャネル流率において少なくとも１つの第１の流体を受容するように構成される、第１のチャネルと、第２のチャネル流率において少なくとも１つの第２の流体を受容するように構成される、第２のチャネルと、第１のチャネルと第２のチャネルとの間の分離障壁であって、第１のチャネルと第２のチャネルとの間に流体連通経路を形成する、複数のマイクロチャネルを有する、分離障壁とを備える、バイオリアクタと、複数のバイオリアクタのそれぞれの第１のチャネルと流体連通し、複数のバイオリアクタのそれぞれの第１のチャネルを通して流動を分配するように構成される、第１の入口マニホールドと、複数のバイオリアクタのそれぞれの第２のチャネルと流体連通し、複数のバイオリアクタのそれぞれの第２のチャネルを通して流動を分配するように構成される、第２の入口マニホールドと、複数のバイオリアクタのそれぞれの第１のチャネルおよび第２のチャネルのうちの少なくとも１つと流体連通し、バイオリアクタから第１の流体および第２の流体を収集する、１つ以上の出口マニホールドとを備える、システムであって、本システムは、複数のバイオリアクタのそれぞれを通して第１の流体および第２の流体の実質的に等しい流率を提供するように構成される、システムを提供する。

いくつかの実施形態では、１つ以上の出口マニホールドは、複数のバイオリアクタのそれぞれの第１のチャネルと流体連通する、第１の出口マニホールドと、複数のバイオリアクタのそれぞれの第２のチャネルと流体連通する、第２の出口マニホールドとを含む。いくつかの実施形態では、第１の入口マニホールドおよび第２の入口マニホールドは、複数のバイオリアクタのそれぞれを横断した実質的に等しい圧力降下を確実にするように構成される。いくつかの実施形態では、複数のバイオリアクタを通した流路が、第１の入口マニホールド、第２の入口マニホールド、１つ以上の出口マニホールド、および複数のバイオリアクタによって画定され、流路は、複数のバイオリアクタのそれぞれを横断した実質的に等しい圧力降下を確実にするように構成される。いくつかの実施形態では、複数のバイオリアクタのそれぞれを横断した実質的に等しい圧力降下は、複数のバイオリアクタのそれぞれを通した実質的に等しい流動を確実にする。いくつかの実施形態では、第１の入口マニホールドおよび第２の入口マニホールドは、複数のバイオリアクタのそれぞれを横断した実質的に等しい圧力降下を確実にするように成形される。いくつかの実施形態では、第１の入口マニホールドおよび第２の入口マニホールドは、複数のバイオリアクタのそれぞれを横断して実質的に等しい圧力降下を生成するための挿入物を含む。いくつかの実施形態では、第１のチャネル、第２のチャネル、または両方は、長さに沿って可変断面を有し、膜の全長に沿って膜を横断して一貫した圧力降下を付与する。いくつかの実施形態では、膜の全長に沿って膜を横断した実質的に等しい圧力降下は、その長さに沿って膜を通した実質的に等しい流動を確実にし、膜の長さに沿って第１の流体を実質的に等しく分配する。いくつかの実施形態では、本システムはさらに、第１の入口マニホールドおよび第２の入口マニホールドと流体連通する１つ以上のポンプを備える。いくつかの実施形態では、単一の揚程は、流動を第１および第２の入口マニホールドに提供し、第１および第２の入口マニホールドチャネル内での実質的に等しい脈動流を確実にするように構成される。いくつかの実施形態では、各バイオリアクタはさらに、バイオリアクタ本体を備え、第１のチャネル、第２のチャネル、第１の入口マニホールドの一部、および第２の入口マニホールドの一部は、各バイオリアクタのバイオリアクタ本体内に形成される。いくつかの実施形態では、複数のバイオリアクタは、垂直構成でスタックされる。

いくつかの側面では、本開示は、複数のスタック式バイオリアクタであって、各バイオリアクタは、第１のチャネル流率において少なくとも１つの第１の流体を受容するように構成される、第１のチャネルであって、少なくとも１つの第１の流体は、標的生物学的生成物を産生することが可能な生物学的原材料を備える、第１のチャネルと、第２のチャネル流率において少なくとも１つの第２の流体を受容するように構成される、第２のチャネルと、第１のチャネルと第２のチャネルとの間の分離障壁であって、第１のチャネルと第２のチャネルとの間に流体連通経路を形成する、複数のマイクロチャネルを有し、複数のマイクロチャネルは、生物学的原材料を選択的に捕捉するように定寸される、分離障壁とを備える、バイオリアクタと、複数のバイオリアクタのそれぞれの第１のチャネルと流体連通し、複数のバイオリアクタのそれぞれの第１のチャネルを通して流動を分配するように構成される、第１の入口マニホールドと、複数のバイオリアクタのそれぞれの第２のチャネルと流体連通し、複数のバイオリアクタのそれぞれの第２のチャネルを通して流動を分配するように構成される、第２の入口マニホールドと、複数のバイオリアクタのそれぞれの第１のチャネルおよび第２のチャネルのうちの少なくとも１つと流体連通し、バイオリアクタから第１の流体および第２の流体を収集する、１つ以上の出口マニホールドとを備える、システムであって、本システムは、複数のバイオリアクタのそれぞれを通して第１の流体および第２の流体の実質的に等しい流率を提供するように構成され、複数のバイオリアクタのそれぞれを通した第１の流体および第２の流体の流動は、第２のチャネル内の膜の表面に沿って生理学的剪断率を発生させ、標的生物学的生成物を産生するように膜によって捕捉された生物学的原材料を誘導するように構成される、システムを提供する。いくつかの実施形態では、生物学的原材料は、巨核球を備え、生物学的生成物は、血小板である。

いくつかの側面では、本開示は、複数のスタック式バイオリアクタであって、各バイオリアクタは、第１のチャネル流率において少なくとも１つの第１の流体を受容するように構成される、第１のチャネルと、第２のチャネル流率において少なくとも１つの第２の流体を受容するように構成される、第２のチャネルと、第１のチャネルと第２のチャネルとの間の分離障壁であって、第１のチャネルと第２のチャネルとの間に流体連通経路を形成する、複数のマイクロチャネルを有する、分離障壁とを備える、バイオリアクタと、複数のスタック式バイオリアクタのそれぞれと流体連通するマニホールドであって、第１の入口マニホールドを複数のバイオリアクタのそれぞれの第１のチャネルに流体的に接続する、複数の第１の二次入口チャネルを有する、第１の主要入口チャネルと、第２の入口マニホールドを複数のバイオリアクタのそれぞれの第２のチャネルと流体的に接続する、複数の第２の二次入口チャネルを有する、第２の主要入口チャネルと、第１のチャネルまたは第２のチャネルのうちの少なくとも１つと流体連通する、１つ以上の出口チャネルとを備え、第１の二次入口チャネルおよび第２の二次入口チャネルの長さは、それぞれ、入口から第１の主要入口チャネルまたは第２の主要入口チャネルまでの距離に基づいて減少する、マニホールドとを備える、システムを提供する。

いくつかの側面では、本開示は、バイオリアクタを動作させるための方法であって、複数のスタック式バイオリアクタを備える、システムの第１の入口マニホールドおよび第２の入口マニホールドに流体流を指向するステップであって、各バイオリアクタは、第１の入口マニホールドと流体連通し、第１のチャネル流率において少なくとも１つの第１の流体を受容するように構成される、第１のチャネルと、第２のチャネル流率において少なくとも１つの第２の流体を選択的に受容するように構成される、第２の入口マニホールドと流体連通する第２のチャネルと、第１のチャネルと第２のチャネルとの間の分離障壁であって、第１のチャネルと第２のチャネルとの間に流体連通経路を形成する、複数のマイクロチャネルを有する、分離障壁と、複数のバイオリアクタのそれぞれの第１のチャネルおよび第２のチャネルのうちの少なくとも１つと流体連通し、バイオリアクタから第１の流体および第２の流体を収集する、１つ以上の出口マニホールドとを備える、ステップと、複数のバイオリアクタのそれぞれの第１のチャネルを通して第１の入口マニホールドから流体を分配するステップと、複数のバイオリアクタのそれぞれの第２のチャネルを通して第２の入口マニホールドから流体を分配するステップと、バイオリアクタへの流体の流率を調節し、膜上に播種される生物学的原材料を第２のチャネル内で所望の剪断率に暴露し、生物学的原材料に標的生物学的生成物を産生させるステップとを含む、方法を提供する。

いくつかの実施形態では、本方法はさらに、実質的に等しい流率において複数のバイオリアクタのそれぞれを通して流体を循環させるステップを含む。いくつかの実施形態では、本方法はさらに、複数のバイオリアクタのそれぞれを横断して実質的に等しい圧力降下を提供するステップを含む。いくつかの実施形態では、本方法はさらに、複数のバイオリアクタの各バイオリアクタ内で生物学的原材料を播種するステップを含む。いくつかの実施形態では、本方法はさらに、既存の生物学的原材料が非活性化された状態になるにつれて、複数のバイオリアクタの各バイオリアクタ内で生物学的原材料を補充するステップを含む。いくつかの実施形態では、第１のチャネルを通した流動は、第１のチャネル内の第１の入口に進入し、膜を通して第２のチャネルの中に流入する。いくつかの実施形態では、第２のチャネルを通した流動は、第２の入口に進入し、第２のチャネルを通して流動し、第２の出口から流出する。いくつかの実施形態では、生物学的原材料は、巨核球を備え、標的生物学的生成物は、血小板を備える。

いくつかの側面では、本開示は、バイオリアクタを動作させるための方法であって、複数のスタック式バイオリアクタを備える、システムの第１の入口マニホールドおよび第２の入口マニホールドに流体を指向するステップであって、各バイオリアクタは、第１の入口マニホールドと流体連通し、第１のチャネル流率において少なくとも１つの第１の流体を受容するように構成される、第１のチャネルと、第２のチャネル流率において少なくとも１つの第２の流体を選択的に受容するように構成される、第２の入口マニホールドと流体連通する第２のチャネルと、第１のチャネルと第２のチャネルとの間の分離障壁であって、第１のチャネルと第２のチャネルとの間に流体連通経路を形成する、複数のマイクロチャネルを有する、分離障壁と、複数のバイオリアクタのそれぞれの第１のチャネルおよび第２のチャネルのうちの少なくとも１つと流体連通し、バイオリアクタから第１の流体および第２の流体を収集する、１つ以上の出口マニホールドとを備える、ステップと、複数のバイオリアクタのそれぞれの第１のチャネルを通して第１の入口マニホールドから流体を分配するステップと、複数のバイオリアクタのそれぞれの第２のチャネルを通して第２の入口マニホールドから流体を分配するステップと、生物学的原材料のある濃度を流体の中に導入するステップと、生物学的原材料が、複数のバイオリアクタを通して一様に分配されるように、実質的に等しい流率において複数のバイオリアクタのそれぞれを通して流動を循環させるステップとを含む、方法を提供する。

いくつかの側面では、本開示は、第１のチャネル流率において少なくとも１つの第１の流体を受容するように構成される、第１のチャネルと、第２のチャネル流率において少なくとも１つの第２の流体を受容するように構成される、第２のチャネルと、第１のチャネルと第２のチャネルとの間の分離障壁であって、第１のチャネルと第２のチャネルとの間に流体連通経路を形成する、複数のマイクロチャネルを有し、複数のマイクロチャネルは、生物学的原材料を選択的に捕捉するように定寸される、分離障壁とを備える、バイオリアクタであって、第１のチャネル、第２のチャネル、または両方は、チャネルの長さに沿って非線形に変動する可変断面を有し、第１の流体および第２の流体が第１のチャネルおよび第２のチャネルを通して循環されるとき、膜の全長に沿って膜を横断して一貫した圧力降下を付与する、バイオリアクタを提供する。いくつかの実施形態では、第１のチャネルまたは第２のチャネルのうちの少なくとも一方は、膜の表面に沿って一様な剪断率を付与するように定寸される。

いくつかの側面では、本開示は、入口マニホールドを通して流体を複数のバイオリアクタに分配するステップと、生物学的原材料が、複数のバイオリアクタの間で分配されるように、生物学的原材料の第１の濃度を入口マニホールドの中に導入するステップと、バイオリアクタ内の生物学的原材料を剪断応力に暴露し、標的生物学的生成物を産生するように生物学的原材料を誘導するステップと、生物学的原材料の第２の濃度を入口マニホールドに導入し、生物学的原材料の第１の濃度から生物学的材料を補充するステップとを含む、バイオリアクタを動作させるための方法を提供する。いくつかの実施形態では、本方法はさらに、生物学的原材料が、バイオリアクタの間で一様に分配されるように、複数のバイオリアクタの各バイオリアクタを通して流体の実質的に等しい流率を維持するステップを含む。

本開示される実施形態はさらに、同様の構造がいくつかの図の全体を通して同様の番号によって参照される、添付図面を参照して解説されるであろう。示される図面は、必ずしも一定の縮尺ではないが、代わりに、概して、本開示される実施形態の原理を図示することに重点が置かれている。

図１は、骨髄内の生体内血小板産生を示す、図である。

図２は、種々の実施形態による、生物学的生成物を産生するためのシステムを図示するブロック図である。

図３Ａは、スタック式バイオリアクタの実施形態を図示する。

図３Ｂは、マルチスタックリアクタの形態のバイオリアクタアセンブリを含む、生物学的生成物を産生するためのシステムの実施形態を図示する。

図３Ｃは、モジュール式の拡張可能バイオリアクタシステムを形成するための複数のマルチスタックリアクタを有する、マルチスタックリアクタプラントの実施形態を図示する。

図４Ａおよび図４Ｂは、バイオリアクタの実施形態を図示する。

図５Ａは、単一流路バイオリアクタの実施形態を図示する。

図５Ｂおよび５Ｃは、種々の実施形態による、バイオリアクタの実施形態を示す斜視および上面図である。 図５Ｂおよび５Ｃは、種々の実施形態による、バイオリアクタの実施形態を示す斜視および上面図である。

図６Ａは、多重流路バイオリアクタの実施形態を図示する。

図６Ｂ、６Ｃ、６Ｄ、６Ｅ、６Ｆ、６Ｇ、および６Ｈは、１６チャネルバイオリアクタの実施形態の種々の図を図示する。 図６Ｂ、６Ｃ、６Ｄ、６Ｅ、６Ｆ、６Ｇ、および６Ｈは、１６チャネルバイオリアクタの実施形態の種々の図を図示する。 図６Ｂ、６Ｃ、６Ｄ、６Ｅ、６Ｆ、６Ｇ、および６Ｈは、１６チャネルバイオリアクタの実施形態の種々の図を図示する。 図６Ｂ、６Ｃ、６Ｄ、６Ｅ、６Ｆ、６Ｇ、および６Ｈは、１６チャネルバイオリアクタの実施形態の種々の図を図示する。

図７は、１６チャネルバイオリアクタの斜視図の例示的画像である。

図８Ａおよび８Ｂは、種々の実施形態による、バイオリアクタチャネルの断面側面図の詳細図である。

図８Ｃは、膜を横断した圧力降下を示す、バイオリアクタの断面側面図の実施形態である。

図８Ｄは、第１および第２のチャネルの断面図を図示する。

図９Ａおよび９Ｂは、種々の実施形態による、バイオリアクタチャネルの可撓性膜の静止位置および伸張位置を図示する、断面側面図である。

図１０Ａ、１０Ｂ、および１０Ｃは、複数のバイオリアクタをスタックし、流体的に接続するためのマニホールドの実施形態の側面図および斜視図を図示する。

図１０Ｄは、バイオリアクタおよびマニホールドをともに保持するフレーム内にスタック式の複数のバイオリアクタを含む、マニホールドの実施形態を図示する。

図１１Ａおよび１１Ｂは、複数のバイオリアクタをスタックし、流体的に接続するためのマニホールドの実施形態の画像である。

図１２Ａ、１２Ｂ、および１２Ｃは、１つ以上のバイオリアクタをスタックすることに関する特徴を伴うバイオリアクタの実施形態の斜視図、上面図、および側面図を図示する。

図１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄ、１３Ｅ、１３Ｆ、１３Ｇ、および１３Ｈは、本開示のバイオリアクタを流体的に接続するための付加的実施形態を図示する。 図１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄ、１３Ｅ、１３Ｆ、１３Ｇ、および１３Ｈは、本開示のバイオリアクタを流体的に接続するための付加的実施形態を図示する。 図１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄ、１３Ｅ、１３Ｆ、１３Ｇ、および１３Ｈは、本開示のバイオリアクタを流体的に接続するための付加的実施形態を図示する。 図１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄ、１３Ｅ、１３Ｆ、１３Ｇ、および１３Ｈは、本開示のバイオリアクタを流体的に接続するための付加的実施形態を図示する。

図１４Ａは、種々の実施形態による、バイオリアクタチャネルの一区分に沿った巨核球分布を示す画像である。

図１４Ｂは、種々の実施形態による、バイオリアクタチャネルに沿った種々のステーションにおける巨核球分布を示す画像である。

図１５Ａおよび１５Ｂは、１６チャネルバイオリアクタの実施形態の例示的細胞播種分布の画像である。 図１５Ａおよび１５Ｂは、１６チャネルバイオリアクタの実施形態の例示的細胞播種分布の画像である。

図１６は、４チャネルバイオリアクタの実施形態の例示的細胞播種分布を示す画像である。

図１７Ａおよび図１７Ｂは、バイオリアクタ内で細胞を播種することに先立った（図１７Ａ）、および細胞の播種後（図１７Ｂ）の大型有核細胞および血小板サイズの粒子の混合集団を示す、フローサイトメトリプロットである。

図１８は、流路の数あたり異なる収率を伴うバイオリアクタの種々の実施形態を使用する、血小板産生を図示する例示的グラフである。

図１９は、スタック式バイオリアクタシステムのプライミング構成の例示的実施形態である。

図２０は、スタック式バイオリアクタシステムの動作構成の例示的実施形態である。

図２１は、種々の実施形態による、気泡トラップを有するポートの断面図である。

図２２は、種々の実施形態による、再循環バイオリアクタを示す概略図である。

図２３Ａおよび２３Ｂは、種々の実施形態による、バイオリアクタに播種するための圧力波方法を図示する機能フロー図である。 図２３Ａおよび２３Ｂは、種々の実施形態による、バイオリアクタに播種するための圧力波方法を図示する機能フロー図である。

図２４は、種々の実施形態による、バイオリアクタに播種するための直接注入方法を図示する機能フロー図である。

上記に識別される図面は、本開示される実施形態を記載するが、他の実施形態もまた、議論に記述されるように考慮される。本開示は、限定ではなく代表として、例証的実施形態を提示する。本開示される実施形態の原理の範囲および精神内に該当する、多数の他の修正および実施形態が、当業者によって考案されることができる。

本開示は、血小板等の生物学的生成物の効率的かつ拡張可能な産生が可能なシステムおよび方法を提供する。増大する臨床需要を満たし、ドナー収穫および貯蔵と関連付けられる危険性および費用を回避し得る、生物学的生成物の臨床的に関連性がある収率を生じるための効率的な方法の必要性が残っている。本開示は、そのような必要性に対処する。

本開示は、生物学的原材料から生物学的生成物／標的生物学的物質を発生させるために使用され得る、流体バイオリアクタ、例えば、ミリ流体バイオリアクタ、マイクロ流体バイオリアクタ、またはそのようなリアクタのクラスタを含む、システムおよび方法に関する。いくつかの実施形態では、複数のバイオリアクタが、所望の細胞型の増加した収率を生じるように、例えば、スタック式構成で、ともに使用されることができる。

いくつかの実施形態では、用語「生物学的原材料」は、剪断応力を受けたときに別の生物学的材料を産生する、または生じさせ得る、生物学的材料を指す。例えば、生物学的材料は、限定ではないが、細胞、例えば、巨核球、ＣＨＯ細胞、または酵母細胞、もしくは生物の懸濁液を含むことができる。

いくつかの実施形態では、用語「生物学的生成物」は、例えば、流率、ならびに媒質流率によって促進されている栄養素およびガス輸送によって付与される、剪断応力に暴露されている生物学的原材料に起因し得る、生物学的生成物を指す。生物学的生成物は、剪断に応答して、細胞骨格の変化を誘起すること、原材料から押し出されること、または原材料からの生成物の分泌を可能にすることによって、生物学的原材料によって産生されることができる。生物学的生成物の実施例は、限定ではないが、血小板、微小粒子、小胞、抗体および成長因子等のタンパク質、ならびにプラスミドを含むことができる。

例えば、本バイオリアクタは、図１に示されるプロセス等の血小板を産生するプロセスを複製するために使用されることができる。図１に図示されるように、骨髄内で発生される巨核球は、血管に沿って並ぶ内皮細胞に向かって移動し、その上に沈殿する。そこで、それらは、内皮内の間隙を通して血管空間の中に血小板前駆細胞と呼ばれる長い分岐細胞構造を伸長させる。血流に起因する剪断率を受けると、血小板前駆細胞は、伸長し、循環の中に血小板を放出する。例えば、血小板前駆細胞は、１００〜１０，０００秒^−１、またはより具体的には、５００〜２，５００秒^−１に及ぶ壁剪断率を受ける。

バイオリアクタを通した任意の流率が、細胞型および所望の収率に応じて細胞培養を達成するために使用され得ることを理解されたい。種々の実施形態によると、バイオリアクタは、細胞培養の実質的な費用削減を可能にする、はるかに小さい体積における高収率細胞培養を支援することができる。そのような費用削減は、生物学的生成物の商業的に実現可能で費用効率的な産生を提供し、それによって、臨床使用のための商業的に実現可能な産業用生産への生産プロセスの変換を可能にすることができる。本開示のシステムおよび方法が、巨核球からの血小板の産生に関連して説明されるが、本方法およびシステムが、対応する生物学的生成物を産生するために他の生物学的原材料に関連して使用され得ることを理解されたい。

ここで図２に目を向けると、生物学的生成物のためのシステム１００の例示的実施形態の概略図が、示されている。一般に、システム１００は、生物学的源１０２を提供するためのポンプ１０２と、バイオリアクタアセンブリ１０４と、出力１０６とを含み、生物学的源１０２および出力１０６は、それぞれ、バイオリアクタアセンブリ１０４の種々の入力および出力に接続可能である。バイオリアクタアセンブリ１０４は、下記により詳細に解説されるであろうように、単一流路バイオリアクタ、多重流路バイオリアクタ、または複数の単一流路もしくは多重流路バイオリアクタのスタック式構成の形態であり得る。

具体的には、生物学的源１０２は、バイオリアクタアセンブリ１０４の中に異なる生物学的原材料、物質、ガス、または流体媒質を導入し、例えば、血小板等の望ましい生物学的生成物を効率的に産生するための種々の能力を伴って構成されることができる。例えば、生物学的源１０２は、バイオリアクタアセンブリ１０４内で流体媒質を送達する、持続させる、および／または再循環させるための１つ以上のポンプを含むことができる。実施例は、限定ではないが、流体ポンプ、シリンジポンプ、蠕動ポンプ、空気圧ポンプ、および同等物を含む。生物学的原材料は、限定ではないが、細胞、細胞培養培地、小分子化合物、ガスおよびガス混合物、ならびに栄養素を含むことができる。いくつかの実施形態では、生物学的源は、所望の生物学的生成物を産生するようにバイオリアクタに送達される生物学的原材料を含む。

図２に示されるように、いくつかの実施形態では、システム１００はまた、生物学的源１０２を制御するためのコントローラ１０８を含むこともできる。具体的には、コントローラ１０８は、その中に導入される生物学的原材料、物質、流体媒質、またはガスのタイミング、量、およびタイプを含む、バイオリアクタアセンブリ１０４の動作を制御するように構成される、プログラマブルデバイスまたはシステムであり得る。いくつかの側面では、コントローラ１０８は、バイオリアクタアセンブリ１０４を選択的に機能化および／または動作させ、人体内の細胞分化（例えば、血小板産生）と関連付けられる生理学的条件およびプロセスを再現するように構成されることができる。例えば、コントローラ１０８は、選択された数の巨核球をバイオリアクタアセンブリ１０４に送達するようにプログラムされることができる。加えて、コントローラ１０８は、バイオリアクタアセンブリ１０４内の流体流率または流体圧力を制御し、血小板前駆細胞伸長および血小板産生を促進することができる。例えば、コントローラ１０８は、バイオリアクタアセンブリ１０４内に構成される種々のチャネル内で最大１５０，０００マイクロリットル／時間の流率、または播種された巨核球もしくは他の生物学的生成物からの血小板産生を誘起する局所剪断率を確立するために必要な任意の流率を確立することができる。

コントローラ１０８は、生物学的源１０２から別個であるものとして図２に示されるが、これらは、単一のユニットに組み合わせられ得ることを理解されたい。いくつかの実施形態では、生物学的源１０２およびコントローラ１０６は、プログラマブル流体ポンプまたは注入システムで具現化されることができる。加えて、いくつかの実装では、コントローラ１０８および／または生物学的源１０２はまた、バイオリアクタアセンブリ１０４の温度、光暴露、振動、圧力、剪断率、剪断応力、伸張、および他の条件を調整し得る、システムまたはハードウェア（図２に示されていない）を含む、それと通信する、またはそこからフィードバックを受信することもできる。

図２に戻って参照すると、一般に、出力１０６は、バイオリアクタアセンブリ１０４内で発生される種々の生物学的生成物を含有する流体媒質を受容するように構成される。いくつかの実施形態では、そのような流出物は、バイオリアクタアセンブリ１０４の中に戻るように再指向または循環されることができる。このようにして、より少ない流体体積が、利用されてもよく、発生される生物学的生成物は、より濃縮されることができる。いくつかの側面では、出力１０６はまた、受容された流体媒質を収集する、貯蔵する、および／またはさらに処理するための能力を含むこともできる。いくつかの実施形態では、そのような特徴は、有利なこととして、生物学的生成物発生プロセスの効率を改良し、それによって、製造費用を削減することができる。いくつかの実施形態では、そのような能力は、例えば、循環内の血小板および有核細胞、ならびに異なるガスの分圧、温度、および湿度等の培養条件が監視され得る、品質制御目的のために使用されることができる。他の品質査定試験は、細胞分布の測定（例えば、光学測定）、試験システムの圧力、試験システムの容積、および有核対非有核細胞数を含むことができる。いくつかの実施形態では、バイオリアクタは、細胞分布を可視化するように、顕微鏡システムと結合されることができる。いくつかの実施形態では、バイオリアクタは、動作の可視化および査定を可能にするように透明であり得る。いくつかの実施形態では、ポートが、細胞を試料採集するように含まれることができる。いくつかの実施形態では、バッグ等の特徴が、さらなる処理または貯蔵のために生成物を収集するように含まれることができる。

血小板再循環は、未熟血小板が、平均的な血小板よりも大きいものとして最初に産生されるため、成熟血小板の発生に寄与し得る。再循環は、新たに発生された血小板の成熟に寄与し得る。さらに、撹拌が、血小板が活性化しないように妨げるために要求される。発生された血小板の再循環は、同様に、界面との静的血小板長期接触によって引き起こされる活性化を防止し得る。中空ファイバならびに遠心分離ユニット等の濾過要素が、血小板生成物を濃縮し、１〜５μｍ（または用途に応じてその他）の標的サイズ範囲外の副生成物を除去するように、一列に（例えば、図３Ｂ−３Ｃに示されるシステム内に）導入されることができる。副生成物、例えば、１μｍよりも小さいサイズの血小板微小粒子は、廃棄物の中に除去されるか、または特性評価もしくは別の目的で使用するために単離されるかのいずれかであり得る。これらの要素はまた、産生のために使用される媒質が貯蔵のために使用されるものと異なる必要がある場合において、媒質を交換するために使用されることもできる。例えば、血小板の巨核球産生のための適切な媒質が、産生後に、血小板貯蔵のために適切な媒質、例えば、血小板添加溶液および合成血漿混合物と交換されることができる。

上記に説明されるシステム１００が、広範囲の機能性を有し、生理学的条件またはプロセスを複製することにも、血小板を産生することにも限定される必要はないことを理解されたい。すなわち、システム１００は、多種多様な生物学的生成物を発生させるために使用されることができる。例えば、システム１００は、細胞培養を支援する、および／または種々の生物学的原材料もしくは物質、それらの分化プロセスの種々の段階における細胞を分離し、それらの生成物または内容物を収集するために、使用されることができる。具体的には、媒質組成、流体流、および圧力、ならびに他の条件を制御することによって、種々の生物学的原材料が、産生および放出され、続いて、収穫されてもよい。例示的生物学的生成物は、限定ではないが、細胞混合物から、または分化の種々の段階における細胞の単離、成長因子、抗体、および細胞内で見出される他の成分を含む。化合物またはタンパク質の温度、ｐＨ、濃度等の動作条件を制御することは、血小板活性化状態、血小板化合物またはタンパク質装填、タンパク質構造、および生成物収率等の生物学的生成物の性質に影響を及ぼすために使用されることができる。本開示による、産生された生物学的生成物は、臨床使用に加えて、細胞混合物からの細胞の単離、細胞前駆体の分化、組織の発生、および細胞培養培地ならびに化粧品、シャンプー、皮膚添加剤、クリーム、または洗浄剤等の薬用化粧品の成分として等を含む、種々の用途における使用を見出すことができる。

上記のシステム１００の種々の実施形態が、ここで説明されるであろう。これらが、非限定的実施例であり、実際に、種々の修正および組み合わせが、可能性として考えられ、当業者によって本願の意図された範囲内であると見なされることを理解されたい。

図３Ａに示されるように、膜によって分離される、バイオリアクタの第１のチャネル（巨核球（ＭＫ）等の生物学的原材料）および第２のチャネル（血小板（Ｐ）ＬＴ等の生物学的生成物）区分のための別個の入口および出口を伴う、複数のバイオリアクタが、複数のチャネルを伴う単一のデバイスに多重化されることができる。バイオリアクタの種々の構成が、任意の数の単一流路または多重流路バイオリアクタが種々の方法でスタックされ得るように、スタック式構成１２０を形成するために並行して使用されることができる。いくつかの実施形態では、バイオリアクタは、垂直構成でスタックされる。

ここで図３Ｂ−３Ｃを参照すると、スタック式血小板産生バイオリアクタシステムの種々の実施形態が、示されている。ここで図３Ｂを参照すると、さらなる拡張可能性が、増加した産生能力のためにスタックに配列される複数のモジュール式タブレットバイオリアクタを含む、スタック式バイオリアクタの使用によって検討される。図３Ｂは、複数のスタック式多重流路バイオリアクタユニット１２０を含み、単一の入口１２２を有するマルチスタックリアクタ１３０を形成する、生物学的生成物を産生するためのシステムの実施形態を図示する。本システムは、動作変数がコントローラおよび／または細胞監視ユニット１３８によって制御されることを可能にする、ディスプレイ／制御画面等のユーザインターフェース１２４を含む。制御は、遠隔（例えば、クラウドを使用する）を含む、種々の方法で達成されることができる。生成物の品質査定に関するデータが、自動的に収集されることができ、システムおよび生物学的生成物の産生を制御する際に使用するための任意のデータ転送方法によって共有されることができる。そのようなデータは、限定ではないが、有核細胞と無核細胞とを判別する細胞数、システム圧力、システム媒質体積、温度、ｐＨ、流率、体積、ＣＯ_２濃度、Ｏ_２濃度、および異なるガスの分圧を含むことができる。マルチスタックリアクタ１３０はまた、再循環ポンプ１２６と、加熱ユニット１２８と、廃棄物出口１３２と、濃度および媒質交換ユニット１３４と、マルチスタックリアクタ１３０の出力を収集するためのバッグ等の１つ以上の収集デバイス１３６とを含むこともできる。ここで図３Ｃを参照すると、なおもさらなる拡張可能性が、なおもにさらに増加した産生能力のために複数のスタック式バイオリアクタを含む、産業用バイオリアクタの使用によって検討される。いくつかの実施形態では、複数の多重流路バイオリアクタスタック（図３Ｂに示されるような複数のバイオリアクタ１２０を含む、マルチスタックリアクタ１３０等）が、バイオリアクタプラント１５０を形成し、生物学的生成物の産生を拡大するために使用されることができる。バイオリアクタプラント１５０は、主要入口１５２と、濃縮出口１５４と、血小板ユニットバッグ等の１つ以上の収集デバイス１５６とを含むことができる。随意に、いくつかの実施形態では、システムの全体または一部は、環境因子のための制御を含み得る、温度および／またはガスコントローラの内側に位置付けられることができる。システム内の環境因子は、生物学的原材料、例えば、巨核球の産生性および変動性に影響を及ぼし得、また、生成物、例えば、血小板または産生されたタンパク質の安定性にも影響を及ぼし得る。

図４−８は、細胞培養を支援するために使用され得、生物学的生成物の産生を増加させるようにスタックされ得る、バイオリアクタの実施形態を図示する。

いくつかの実施形態では、複数の単一流路または多重流路バイオリアクタが、スタック式バイオリアクタを形成するようにともに使用されることができる。例えば、図４Ａおよび４Ｂに示されるバイオリアクタ１６０は、少なくとも部分的にその間に多孔質材料または膜１６８を伴う、第１のチャネル１６４と、第２のチャネル１６６とをそれぞれ有する、複数のチャネル１６３を有する、バイオリアクタ本体１６２を含むことができる。いくつかの実施形態では、バイオリアクタ本体または基板は、第１および第２の基板が接続されるときに、バイオリアクタ本体が、図４Ｂに示されるバイオリアクタの断面図に示されるように、第１のチャネル１６４と、第１のチャネルと整合され、多孔質材料によって第１のチャネルから分離される、第２のチャネル１６６とを含むように、チャネルをそれぞれ有する、第１の基板と、第２の対向する基板とを含むことができる。膜１６８は、第１のチャネル内で生物学的物質を選択的に捕捉し、また、第１のチャネル１６４および第２のチャネル１６８を流体的に接続するためのマイクロチャネルも提供し得るように、細孔を含む、任意の材料であり得る。いくつかの実施形態では、バイオリアクタはさらに、複数の入口（チャネルあたり少なくとも１つの入口）と、複数の出口（チャネルあたり少なくとも１つの出口）とを含むことができる。例えば、いくつかの実施形態では、バイオリアクタは、第１の流体流を第１のチャネルに提供するための第１の入口と、第２の流体流を第２のチャネルに提供するための第２の入口とを含むことができる。バイオリアクタは、第１の流動が第１のチャネルから流出することを可能にするための第１の出口と、第２の流動が第２のチャネルから流出することを可能にするための第２の出口とを含むことができる。しかしながら、任意の数の入口および出口が、チャネルの中および外に流体または材料を供給または除去するために提供され得、付加的導管もまた、バイオリアクタの基板に形成され得ることを理解されたい。

いくつかの実施形態では、単一の流路または複数の流路のいずれかを有する、個々のバイオリアクタは、並行して、または連続して動作するように構成されることができる。例えば、各バイオリアクタ本体（またはバイオリアクタ本体の複数の群）は、並行して独立して動作されることができ、各バイオリアクタ本体またはバイオリアクタ本体の群は、下記により詳細に説明されるように、第１および第２のポンプと、第１および第２の再循環ラインとを含む。いくつかの実施形態では、例えば、バイオリアクタ本体のうちの２つ以上のものは、いったん播種されると、一対の第１および第２のポンプが直列に接続されたバイオリアクタ本体のそれぞれを通して流動を提供するように構成され得るように、直列に接続されることができる。いくつかの実施形態では、ポンプ入力流率が、直列のバイオリアクタ本体の数から独立し得るが、より大型のリザーバが、システム体積に適応するために要求され得ることを理解されたい。

図５Ａは、単一流２０２路バイオリアクタ２００の実施形態を図示する。ここで図５Ｂ−５Ｃを参照すると、図５Ａに図示されるものに類似する単一チャネルバイオリアクタが、示される。いくつかの実施形態では、バイオリアクタ３００は、（例えば、図８Ｂに示されるように）第１のチャネル３０４と、第２のチャネル３０６と、少なくとも部分的にその間に配列される膜３０８とを含む、バイオリアクタ本体３０２を含む。いくつかの実施形態では、第１のチャネルは、第１の基板内に位置付けられ、第２のチャネルは、対向する第２の基板内に位置付けられる。バイオリアクタ３００は、第１の流体流を第１のチャネル３０４に提供するための第１の入口３１０と、第２の流体流を第２のチャネル３０６に提供するための第２の入口３１２と、生物学的原材料を第１のチャネル３０４の中に導入するための第３の入口３１４とを含むことができる。図５Ｂ−５Ｃにさらに示されるように、いくつかの実施形態では、バイオリアクタ３００は、第１の流動が第１のチャネル３０４から流出することを可能にするための第１の出口３１６と、第２の流動が第２のチャネル３０６から流出することを可能にするための第２の出口３１８とを含むことができる。しかしながら、任意の数の入口および出口が、チャネルの中および外に流体または材料を供給もしくは除去するために提供され得ることが明白となるであろう。いくつかの実施形態では、入口および出口のうちのいくつかは、例えば、５Ａに示されるように組み合わせられてもよく、生物学的原材料は、第１の入口を通して導入されることができる。随意に、いくつかの実施形態では、灌流チャネルもまた、バイオリアクタ内に含まれることができる。そのような実施形態では、灌流チャネルは、例えば、続いて、基板材料を通して第１および第２のバイオリアクタチャネルの中に灌流し得る、ガスの流動を可能にすることができる。例えば、いくつかの実施形態では、約５％ＣＯ_２〜約１０％ＣＯ_２を有するガス混合物が、適切なｐＨ緩衝を提供するように、チャネルのうちの１つ以上のものの中に灌流されることができる。いくつかの実施形態では、約４％Ｏ_２〜約２０％Ｏ_２を有するガス混合物が、異なる代謝要求を伴う細胞のための適切な酸素含有量を提供するように、チャネルのうちの１つ以上のものの中に灌流されることができる。いくつかの実施形態では、約４％Ｏ_２と、約１０％ＣＯ_２とを含む、ガス混合物が、チャネルのうちの１つ以上のものの中に灌流されることができ、種々の細胞分化用途のために使用されることができる。いくつかの実施形態では、約２０％Ｏ_２と、約５％ＣＯ_２とを含む、ガス混合物が、チャネルのうちの１つ以上のものの中に灌流されることができ、種々の細胞成長用途のために使用されることができる。バイオリアクタの入口および出口が、スタック式構成を促進するように、バイオリアクタの側面、上部、または底部上に位置付けられ得ることを理解されたい。

図６Ａは、スタック式血小板産生バイオリアクタを形成するために並列化方略と併用され得る、多重流路バイオリアクタ４００の実施形態を図示する。多重化バイオリアクタチャネルは、複数のチャネルが流体的に接続される、または独立して並列化される、円形プラットフォーム内で半径方向に整合される等の他の構成で配列されることができる。バイオリアクタがまた、ブレードとも称され得ることを理解されたい。

図６Ｂ−６Ｈを参照すると、いくつかの実施形態では、複数の多重流路バイオリアクタが、スタック式構成でともに使用されることができる。例えば、１６個のチャネルを有するバイオリアクタ４１０が、採用されることができる。複数のチャネルは、流動を全てのチャネルに分配する、チャネルの区分毎の１つの入口と、１６個全てのチャネルの出力を組み合わせる、チャネルの区分毎の１つの出口とを有することができる。いくつかの実施形態では、各チャネルは、その独自の入口と、その独自の出口とを有することができる。いくつかの実施形態では、チャネルは、共通入口および異なる出口、または共通出口および異なる入口を有することができる。多重化デバイスは、任意の構成で、例えば、８個のデバイスの群でスタックされることができる。スタック式デバイスの数は、変動し得ることを理解されたい。スタック式デバイスの入口は、デバイスの上部および底部区分のための主要入口に流体的に接続されることができる。同様に、出口は、チャネルの区分毎に主要出口に組み合わせられることができる。例えば、図６Ｂ−６Ｈは、第１のチャネル（例えば、生物学的源組成物）のための単一の入口と、第２のチャネルのための単一の入口と、全ての第１のチャネルのための単一の入口と、全ての第２のチャネルのための単一の出口とを伴う、１６重デバイス４１０を図示する。

図６Ｂ−６Ｈは、スタック可能な１６チャネルバイオリアクタ層設計の種々の図を図示する。層入口４１４ａ、４１６ａおよび出口４１４ｂ、４１６ｂは、図６Ｄに示されるように、バイオリアクタのスタックおよび入口の接続を促進するように、第１のチャネル側４１２に位置する。第１のチャネル入口４１４ａおよび出口４１４ｂは、その１６チャネルの中および外に流動を分配する、マニホールドを有する。第２のチャネル入口４１６ａおよび出口４１６ｂは、ＰＥＴフィルム４２０を通して第２のチャネル側４１８に、かつ流動を第２のチャネル側の１６個全てのチャネルに分配するマニホールドの中に接続する。ＰＥＴフィルム４２０は、第１のチャネル側と第２のチャネル側との間に位置付けられ、第２のチャネルマニホールドは、第２のチャネルマニホールドに対して天井としての役割を果たすＰＥＴフィルムに接触し、第１のチャネルマニホールドは、第１のチャネルマニホールドに対して床としての役割を果たす同一のＰＥＴフィルムに接触する。

本明細書に説明される種々のバイオリアクタ実施形態のうちのいずれかでは、第１のチャネルの入口に進入する入力材料は、細胞および細胞混合物、細胞培養培地、緩衝剤、タンパク質溶液、ならびに小分子化合物を含むことができる。そのサイズがバイオリアクタの膜のサイズを上回る、そのような入力の成分が、第１のチャネル内に残留するであろう一方で、その閾値を下回るものは、第２のチャネルまで通過することを可能にされるであろう。第２のチャネルの入力は、細胞培養培地、緩衝剤、タンパク質溶液、および小分子化合物を含むことができる。第１のチャネルの出力は、血小板またはタンパク質等の入力材料、ならびに細胞および培養培地等の入力材料の生成物を含むことができる。第２のチャネルの出力は、膜細孔のサイズを下回る第１のチャネルからの入力の生成物、ならびに入力から第２のチャネルの中への生成物、例えば、血小板およびタンパク質を含むことができる。例えば、第１のチャネル入口は、ＭＫおよびＳ入口であり得、第１のチャネル出口は、ＭＫ出口であり得、第２のチャネル入口は、ＰＬＴ入口であり得、第２のチャネル出口は、ＰＬＴ出口であり得る。

図７は、マルチチャネルバイオリアクタの実施形態を図示する。バイオリアクタ本体または基板は、いくつかの実施形態では、例えば、１０ｍｍ〜１００ｍｍの範囲内の側方寸法と、１〜１０ｍｍの範囲内の厚さとを有するものを含む、任意の好適なサイズであり得るが、種々の実施形態によると、他の寸法も、使用されることができる。基板は、いくつかの実施形態では、生体適合性材料、不活性材料、ならびに加圧ガスおよび流体流、またはガス拡散を支援し、構造支持を提供し得る材料の任意の組み合わせを使用して製造されることができる。いくつかの側面では、バイオリアクタ内で利用される材料は、挿入鋳造等の具体的製造プロセスに適合し得る。加えて、利用される材料は、バイオリアクタの種々の部分の中に存在する、または流動する、流体媒質および他の物質の可視化を可能にするように、光学的に透明であり得る。基板は、いくつかの実施形態では、例えば、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、１つ以上のポリカーボネート（ＰＣ）、環状オレフィンコポリマー（ＣＯＣ）、環状オレフィンポリマー（ＣＯＰ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、コーティングされたポリスチレン、コーティングされたガラス、ポリウレタン（ＰＵ）、シリコーンエラストマ、またはそれらの組み合わせのうちの１つ以上のものから構築されることができる。種々の実施形態による、基板およびチャネルは、ブロックベース材料の中への流動チャネルの機械加工、射出成形、鋳造、熱エンボス加工、ソフトリソグラフィ、熱成形、挿入鋳造、またはそれらの組み合わせのうちの１つ以上のものによって、構築されることができる。基板は、例えば、膜の各側面に基板を接着させるためのレーザ切断感圧性接着剤の２つの部品の適用、機械的締め付け、溶剤接合、熱接合、拡散接合、レーザ溶接、それらの組み合わせによって、その間に膜を伴って組み立てられる、または射出成形を通して１つの部品に製造されることさえもできる。

バイオリアクタ本体に形成されるチャネルは、長さ、サイズ、および形状が変動し得る。いくつかの実施形態では、第１および第２のチャネルのそれぞれの長さは、約１０，０００〜約１，０００，０００マイクロメートルの範囲内、またはより具体的には、約２５，０００〜約３２０，０００マイクロメートルの範囲内であり得る一方で、第１および第２のチャネルのそれぞれの少なくとも１つの側方寸法は、約１００〜約３，０００マイクロメートルの範囲内、より具体的には、約５００〜約１，０００マイクロメートルの範囲内であり得る。しかしながら、第１および第２のチャネルが、種々の実施形態によると、任意の長さまたは幅であり得ることを理解されたい。いくつかの実施形態では、第１および第２のチャネルは、同じ長さおよび側方寸法を有することができる。いくつかの実施形態では、第１および第２のチャネルは、異なる幅および／または側方寸法を有することができる。例えば、いくつかの実施形態では、第１のチャネルは、第２のチャネルよりも広くまたは狭くあり得る。これらの幾何学的修正は、独立して各チャネルの流体動的性質を制御するために使用されることができる。さらに、いくつかの実施形態では、線Ｘを通した図５Ｂのバイオリアクタの断面図を図示する図８Ａ−８Ｂに示されるように、各チャネル３０４、３０６はまた、活性接触面積にわたってチャネルの間の剪断率または圧力差を制御し、膜３０８を通した灌流を調整するように、蛇行経路の全長にわたって、または蛇行経路の長さの一部にわたってのいずれかで、テーパ状であり得る。

バイオリアクタの種々の実装が、具体的使用または用途に応じて可能性として考えられる。例えば、バイオリアクタの種々の構成要素の寸法、形状、および他の特徴が、バイオリアクタの所望の出力に基づいて選択されることができる。特に、いくつかの実施形態では、第１および第２のチャネルは、バイオリアクタの他の流体要素とともに、例えば、骨髄および血管内で見出されるもの等の生理学的条件を再現するように成形および定寸されることができる。いくつかの実施形態では、チャネル形状および寸法が、例えば、図１を参照して説明されるような生体内血小板産生と関連付けられるものに類似する、生理学的流率、剪断率、流体圧力、および／または圧力差を達成するように選択されることができる。

図８Ｃを参照すると、いくつかの実施形態では、バイオリアクタは、入口から出口まで流体を駆動する、入口と出口との間の圧力降下を有することによって、動作することができる。チャネルの一方または両方の幾何学形状は、チャネル全体を通して一様であるように膜を横断した圧力差を設定するように、調節されることができる。一方または両方のチャネルの幾何学形状はまた、デバイスチャネルの全長を通して第２のチャネル内の膜の表面において一定またはほぼ一定の剪断率を達成するように、調節されることもできる。例えば、チャネルの幅（ｗ）がその高さ（ｈ）よりもはるかに大きい体制では、膜における剪断率（τ）は、チャネルの長さを横断してほぼ一定に保持されることができ、体積流率（Ｑ）は、以下の関係に従って、チャネルの高さを減少または増加させることによって、減少または増加している。

いくつかの実施形態では、本バイオリアクタは、圧力および剪断応力が分断され、相互から独立して変動し得るように、構成されることができる。いくつかの実施形態では、本バイオリアクタは、剪断応力が、動作流率を変化させることによって改変され得る一方で、そのような流率変化と関連付けられる膜貫通圧力が、例えば、膜細孔を閉塞する細胞の数を修正することによって、膜を通した流動を減少させることによって、相殺され得るように、設計される。

代替として、剪断率が、流率を増加させることによって増加されることができる一方で、膜を横断した圧力は、細胞播種密度を減少させることによって一定に保たれることができる。これは、血小板産生等の具体的な生物学的プロセスを可能にする、生物物理的パラメータの適切な体制の識別を可能にすることができる。

いくつかの実施形態では、第１のチャネル、第２のチャネル、または両方は、膜にわたった生物学的原材料の一様な播種を確実にするように定寸および成形されることができる。いくつかの実施形態では、そのような一様な播種は、チャネルの減少する高さによって膜に沿ってほぼ一定の剪断分布を維持すること、ならびに膜を横断して一定の圧力差を維持することによって、達成されることができる。これは、両方のチャネル上の流動の方向を反転させることによって、膜の両側で達成されることができる。

いくつかの実施形態では、第１および第２のチャネルは、例えば、図５Ｂ−５Ｃに示されるように、それぞれ、第１の入口から第１の出口まで、および第２の入口から第２の出口までの単一の流体導管を生成するように終端する。いくつかの実施形態では、第１の入口の中に導入される流体媒質は、第１の出口から抽出され、第２の入口の中に導入される流体媒質は、第２の出口から抽出される。いくつかの実施形態では、第１および第２の入口の中に導入される流体媒質は、第２の出口から抽出されることができ、第１の出口は、デバイスの動作の間に閉鎖されたままであることができる。しかしながら、本開示に照らして、付加的入口および出口もまた、バイオリアクタでは可能性として考えられ、基板を通して第１および第２のチャネルまたは任意の付加的チャネル（例えば、図５Ｂ−５Ｃに示されるような第３の入口）に接続され得ることを理解されたい。付加的入口が、異なる生物学的材料を導入するために使用されることができる。付加的出口が、例えば、一様に、またはチャネル内のそれらの位置付けに影響を及ぼす生成物の固有の性質の差を利用してのいずれかで、生物学的生成物の成果を分画するために使用されることができる。

第１のチャネルと第２のチャネルとの間の膜は、種々の方法で形成されることができる。いくつかの実施形態では、膜は、その中に形成される流体経路を介して、対応する第１のチャネルおよび第２チャネルを接続するように構成される、任意の剛性または可撓性層、フィルム、メッシュ、もしくは材料構造を含む、任意の多孔質材料から作製されることができる。いくつかの実施形態では、膜は、例えば、ポリカーボネートトラックエッチ−無ポリビニルピロリドン（ＰＣＴＥＦ）、ポリカーボネートトラックエッチ−ＰＶＰコーティング（ＰＣＴＥ）、親水性ポリカーボネート、疎水性ポリカーボネート、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリエステル、酢酸セルロース、ポリプロピレン、ＰＴＦＥ、ポリウレタン（ＰＵ）、シリコーンエラストマ、またはそれらの組み合わせを含む、任意の好適な材料から形成されることができる。いくつかの実施形態では、膜内の流体経路は、膜を中心として周期的または非周期的のいずれかで任意の密度を伴って分配される、細孔、間隙、またはマイクロチャネルを使用して、形成されることができる。いくつかの実施形態では、膜は、それを通した流体を可能にするように配列される、織合マイクロまたはナノファイバを使用して形成される、３次元構造を含むことができる。いくつかの実施形態では、膜は、多孔質材料のフィルムまたはシート等の２次元材料であってもよい。いくつかの実施形態では、膜は、第１のチャネルと第２のチャネルとの間にバイオリアクタ内の複数の流体経路を形成することによって、バイオリアクタ本体と一体的に形成されてもよい。形状が長方形として図５Ｂ−５Ｃおよび８Ａ−８Ｂに示されているが、膜が、円形、卵形等を含む、任意の形状を有し得ることを理解されたい。本開示の側面によると、膜は、具体的生物学的原材料または物質を選択的に捕捉し、所望の生物学的生成物を産生するように構成されることができる。例えば、巨核球から血小板を産生するとき、膜は、巨核球を選択的に捕捉し、捕捉された巨核球が、膜を通して血小板前駆細胞伸長を伸長させること、および第２のチャネルの中に血小板を放出することを可能にするように構成されてもよい。

いくつかの実施形態では、膜は、患者内の脈動血流をより密接に模倣するように可撓性であり得る。そのような実施形態では、図９Ａ−９Ｂに示されるように、膜は、図９Ａに示されるような静止パルスの間の略平面静止位置と図９Ｂに示されるような圧力パルスの間の伸張構成との間で遷移することができる。膜は、可撓性材料、または膜が圧力下で伸張もしくは湾曲することを可能にし得る材料から作製されることができる。いくつかの実施形態では、これはさらに、膜の表面上または膜の内側に分配され得る生物学的原材料を損傷することを回避しながら、膜を通して圧力を調節することを支援し得る。

いくつかの実施形態では、チャネルは、等しい流動が第１のチャネル入口および第２のチャネル入口に導入されるときに、最適な流体条件が、膜を横断した圧力降下および第２のチャネル内の膜の表面上の剪断に関して生成されるように、設計されることができる。これは、第１の（上側）チャネル出口が閉鎖された状態でバイオリアクタを動作させることによって、かつそれらの長さに沿ってチャネル断面積を変動させ、第２の（下側）チャネル上の剪断率を制約することによって、達成されることができる。

いくつかの実施形態では、そのような流体条件は、例えば、膜の単位面積あたりの膜を横断した一定の圧力降下を含む。このように、膜を通した流率はまた、膜に沿って一定であり得る。図８Ｄに示されるように、いくつかの実施形態では、第１のチャネル８０２の断面積は、入口８０４から第１のチャネルの対向端８０６に向かって減少し得る。いくつかの実施形態では、第２のチャネル８０８の断面積は、第２の入口８１０から第２の出口８１２に向かって増加し得る。断面の変化は、チャネルの一部にわたって、またはチャネルの全長にわたって起こり得る。いくつかの実施形態では、断面積の変化のプロファイルは、チャネルサイズ、チャネル形状、膜を通した所望の流率、膜を横断した所望の圧力降下、バイオリアクタを横断した所望の圧力降下、生物学的材料のサイズ、または類似動作パラメータに依存し得る。いくつかの実施形態では、断面積の変化は、非線形であり得る。いくつかの実施形態では、断面積の変化は、線形であり得る。いくつかの実施形態では、チャネルのサイズおよび形状は、膜を横断した圧力差が、第１のチャネルまたは第２のチャネル内の膜の表面にわたって一様であり得、第１のチャネルまたは第２のチャネル内の膜表面上の流体の剪断率が、表面を横断して一様であり得るように、選択されてもよい。

いくつかの実施形態では、チャネルの長さは、長さが約３０ｍｍ〜約３００ｍｍであり得る。いくつかの実施形態では、チャネルの長さは、長さが約１００ｍｍ〜約１５０ｍｍであり得る。いくつかの実施形態では、チャネルは、入口における実質的に類似する高さと、出口における異なる高さとを有してもよく、第１のチャネルは、出口においてより低い高さを有する。いくつかの実施形態では、入口高さは、約１００ミクロン〜約３ｍｍであり得る。いくつかの実施形態では、入口高さは、約０．１ｍｍ〜約０．５ｍｍであり得る。いくつかの実施形態では、第２のチャネル内の出口高さは、約２００ミクロン〜約６ｍｍであり得る。いくつかの実施形態では、第２のチャネル内の出口高さは、約０．３ｍｍ〜約０．８ｍｍであり得る。第１のチャネルの高さは、出口に向かって減少するが、生物学的原材料のサイズによって限定され、また、好ましくは、気泡が第１のチャネルから外に通気することを可能にするように定寸される。いくつかの実施形態では、チャネルの幅は、約０．５ｍｍ〜約５ｍｍであり得る。いくつかの実施形態では、チャネルの幅は、約０．５ｍｍ〜約５ｍｍであり得る。いくつかの実施形態では、チャネルの幅は、約１．５ｍｍ〜約４ｍｍであり得る。

いくつかの実施形態では、膜を横断した圧力差は、膜の表面にわたって一様であり得、第１のチャネルまたは第２のチャネル内の膜表面上の流体の剪断率は、表面を横断して一様であり得る。いくつかの実施形態では、第１のチャネルの体積流率は、第２のチャネルの体積流率に実質的に等しくあり得る。本実施形態では、生物学的原材料は、一様な剪断場によって引き起こされる、第２のチャネルに直面する膜の表面における牽引力を被る。

いくつかの実施形態では、単一の蠕動揚程が、流体を両方の入口に圧送するために使用されることができる。このように、蠕動ポンプ体積流率の変動性は、上部チャネルと底部チャネルとの間で同期化されるであろう。本条件は、第１のチャネルから第２のチャネルまで移動するときに、膜上に可変であるが常に陽圧を生成するであろう。陽圧は、源生物学的材料が、膜内の細孔上に静止するようになり、体積流率が揚程の位相とともに変動する、または揚程の回転速度が調節される場合でさえも、膜を横断した陰圧によって決して遊離された状態にならないことを可能にする。

膜の寸法もまた、可変である。いくつかの実施形態では、膜は、約１〜約１００ミリメートルの範囲内の縦および側方寸法を含み、約０．１〜約２０マイクロメートルの範囲内の厚さを有することができるが、他の寸法も、可能性として考えられる。また、膜は、約１マイクロメートル〜約２０マイクロメートル、例えば、約５〜約８マイクロメートルの範囲内で定寸される細孔、間隙、またはマイクロチャネルを含むことができる。いくつかの実施形態では、細孔、間隙、またはマイクロチャネルのサイズ、数、および密度は、限定ではないが、所望の生物学的生成物および生成物収率、ならびに流動インピーダンス、剪断率、圧力差、流体流率、および他の動作パラメータを含む、いくつかの因子に依存し得る。いくつかの実施形態では、膜は、１ｍｍ^２あたり約５００〜約１０，０００個の細孔の密度で、細孔、間隙、またはマイクロチャネルを含むことができる。

理解されるであろうように、対向する第１および第２のチャネルは、重複して整合しており、膜内の活性接触面積を画定する。例えば、活性接触面積は、約１ｍｍ^２〜約２５０ｍｍ^２の範囲内であってもよいが、利用されるチャネルの寸法および数に応じて、他の活性面積も、可能性として考えられる。いくつかの実装では、活性接触面積は、膜特性とともに、所望の生物学的生成物収率を取得するように最適化されることができる。例えば、４７ｍｍの直径、５％の活性接触面積、および約１・１０^５個の細孔／ｃｍ^２の細孔密度を伴う膜は、所望の血小板収率等の所望の生物学的生成物収率を発生させるために約２００，０００個の潜在的部位を提供し得る。いくつかの用途では、活性接触面積は、少なくとも約１・１０^４個の巨核球を捕獲するように構成されることができる。

基板および膜は、いくつかの異なるプロセスによって製造されることができる。一例として、第１の基板、または第２の基板、もしくは両方、またはそれらの一部は、ポリジメチルシロキサン（「ＰＤＭＳ」）等の細胞不活性シリコンベースの有機ポリマー材料、ポリカーボネート（ＰＣ）、環状オレフィンポリマー（「ＣＯＰ」）等の熱可塑性材料、ガラス、アクリル等を使用して、製造されることができる。他方では、膜１１６は、ＰＤＭＳ、熱可塑性物質、シルク、ヒドロゲル、細胞外基質タンパク質、ポリカーボネート材料、ポリエステルスルホン材料、ポリ塩化ビニル材料、ポリエチレンテレフタレート材料、ポリウレタン（ＰＵ）、シリコーンエラストマ、および他の合成または有機材料を使用して、製造されることができる。加えて、バイオリアクタは、射出成形等のプロセスを通して、１つの部品として、および一連のバイオリアクタとして、製造されることができる。

いくつかの実施形態では、バイオリアクタは、例えば、血小板等の生物学的生成物を産生するために、生体内生理学的条件を複製するように機能化されることができる。例えば、種々の物質が、バイオリアクタ内の反応に影響を及ぼすように、膜の表面上に、またはチャネルのうちの１つ以上のものの中に導入されることができる。いくつかの実施形態では、膜の頂面が、例えば、細胞外基質タンパク質または機能的ペプチドもしくは他の分子で選択的にコーティングされることができる一方、底面は、異なるタンパク質もしくは物質でコーティングされることなく残されることができる、またはコーティングされることができる。いくつかの実施形態では、一方または両方のチャネルは、３Ｄ基質内でヒドロゲル捕獲細胞および他の材料で充填されることができる。第２のチャネルがヒドロゲルを含有する、１つのチャネル内の媒質の選択的灌流は、例えば、細胞遊走もしくは分化を指向する、または小分子、サイトカイン、成長因子拡散を研究するために使用され得る、ゲル内の濃度勾配を生成することができる。

そのようなコーティングは、例えば、第１の基板内の入力および出力を使用して、細胞外基質タンパク質を含有する第１の流体媒質を注入することによって、達成されることができる。実質的に同時に、第２の流体媒質流が、個別の入力および出力を使用して、第２の基板内で維持されることができ、第２の流体媒質は、タンパク質を含有しないか、または異なるタンパク質もしくは物質を含有することができるかのいずれかである。いくつかの実施形態では、第１および第２の流体媒質の流率は、流体混合が殆どまたは全く起こらないであろうように構成されることができる。そのような選択的機能化は、例えば、頂面上に静止するようになる、導入された血小板産生細胞が、細胞外基質タンパク質に接触し得る一方、血小板前駆細胞が、膜を通して伸長し、そこから放出される血小板が、細胞外基質タンパク質に接触しないであろう、または異なるタンパク質もしくは生物学的物質に接触するであろうことを確実にすることができる。いくつかの実施形態では、膜は、代わりに、バイオリアクタ内での組立前に事前コーティングされることができる。

バイオリアクタを機能化するための生物学的物質および材料の非限定的実施例は、巨核球、内皮細胞、骨髄細胞、骨芽細胞、線維芽細胞、幹細胞、血液細胞、間葉細胞、肺細胞、および基底膜を備える細胞等のヒトおよび非ヒト細胞を含むことができる。他の実施例は、ＣＣＬ５、ＣＸＣＬ１２、ＣＸＣＬ１０、ＳＤＦ−１、ＦＧＦ−４、ＶＥＧＦ、Ｆｌｔ−３、ＩＬ６、９、３、１ｂ、ＴＰＯ、Ｓ１ＰＲ１、ＲＧＤＳ、メチルセルロース等の小分子を含むことができる。さらに他の実施例は、ウシ血清アルブミン、Ｉ型コラーゲン、ＩＶ型コラーゲン、フィブロネクチン、フィブリノゲン、ラミニン、ビトロネクチン（ＰＬＬ）、またはこれらの分子に由来する任意のペプチド配列等の細胞外基質タンパク質を含むことができる。特に、３次元細胞外基質編成および生理学的骨髄剛性を複製するために、細胞が、ヒドロゲル溶液の中に注入されることができ、これは、続いて、重合され得る。ヒドロゲル溶液は、限定ではないが、アルギン酸塩、マトリゲル、アガロース、コラーゲンゲル、フィブリン／フィブリノゲンゲル、およびポリエチエレングリコールゲル等の合成ゲルを含んでもよい。

種々の機構が、複数のバイオリアクタをスタックするために使用されることができる。いくつかの実施形態では、マニホールドが、複数のバイオリアクタを流体的に接続するために使用されることができる。マニホールドが、任意の数のチャネルを有する任意の数のバイオリアクタを保持するように構成され得ることを理解されたい。マニホールドは、各入口マニホールド、デバイス、および出口マニホールドを通して等しい圧力降下を有することによって、等しい流率を各デバイスに提供するように設計されることができる。これは、流体がアセンブリを通してとる経路にかかわらず、等しい体積流率を前提として、等しい圧力降下を有するであろうことを意味する。経路のそれぞれを通した圧力降下は、ベルヌーイの方程式、すなわち、

およびポアズイユの法則、すなわち、

を組み合わせることによって、モデル化されることができ、式中、Ｐは、圧力であり、ρは、密度であり、ｖは、流体速度であり、ｇは、重力であり、ｈは、流体高さであり、Ｑは、体積流率であり、Ｒは、流動に対する抵抗である。いくつかの実施形態では、例えば、低い速度、または入口および出口マニホールド内の重量ヘッド相殺に起因する圧力差の変化に起因して等、ポアズイユの法則の方程式が、単独で使用されてもよい。

図１０Ａ−１０Ｄは、多重化デバイスのスタックのためのマニホールド５００の実施形態を図示する。マニホールドを通した高さおよび断面積は、各入口における等しい圧力を確実にするように設計される。具体的には、入口流率を固定しながら、断面積は、徐々に減少し、スタック内のそれらの個別の高さのそれぞれにおいてバイオリアクタのスタック毎に減少する流率に関して一定の圧力を強制する平均流体速度を生じさせる。マニホールドの出口区分における幾何学形状は、リアクタのそれぞれを横断して等しい圧力を生成するための入口区分の逆転バージョンである。いくつかの実施形態では、ポアズイユの法則が、より長いマニホールドチャネルを用いて、多数のリアクタに播種するためにより重要である、圧力降下への水圧抵抗効果を考慮するために使用されることができる。

図１０Ｃは、８つのバイオリアクタを接続するように設計されるマニホールド５００の断面積を図示する。２つの主要入口５０２、５０４が、リアクタのそれぞれが、第１のチャネル（膜の上側）および第２のチャネル（膜の底側）のための入口を有する、多重化された、または多重化されていない、８つの個々のリアクタに流動を分配する。２つの主要出口５０６、５０８は、各独立リアクタの出口からの流出を収集する。リアクタは、両方の出口が開放した状態で、または１つのみの出口が開放した状態で動作し、チャネルのうちの１つから膜を通して、チャネルの他方の区分の中に一部または全ての流動を押進させることができる。

図１０Ｄは、側面マニホールド５００を通して流体的に接続される、支持クランプ５１０を伴う８つの多重化デバイスを図示する。主要マニホールドとバイオリアクタとの間のシールが、Ｏリングを通したものを含む、種々のデバイスを使用して、形成されることができる。Ｏリングは、マニホールドとリアクタとの間に挟持され、それらの間の圧力は、図１０Ｄに示されるように、リアクタおよびマニホールドに対して緊密に螺入され得る固体棒を含む、異なる方法を通して印加されることができる。マニホールド入口および出口は、それらの間で圧接するＯリングを伴って、リアクタ入口および出口と整合する。

図１１Ａおよび１１Ｂは、１６チャネルバイオリアクタによって占有された２つのバイオリアクタスロットを伴って、４つの多重化バイオリアクタを流体的に接続するように構築されるマニホールドを伴う機能プロトタイプを図示する。いくつかの実施形態では、マニホールドによって接続されるバイオリアクタの全ては、類似し得る。流率は、入口において制御されるが、各リアクタが異なる（したがって、流動に対する異なる抵抗を提示する）場合、流率は、不均一に分布し得る。例えば、８つの１６チャネルリアクタが、スタックされることができる、または５チャネルリアクタが、スタックされることができる。とは言え、底部上の４つの５チャネルリアクタおよび上部上の４つの５チャネルリアクタのような個人が有することを所望する具体的構成が存在した場合、マニホールドは、バイオリアクタの種々の構成に適応するように設計され得る。いくつかの実施形態では、全てのスロットが、等しい分布を可能にするように、占有される、または少なくとも同一の抵抗を提示する模擬デバイスによって占有されることができる。したがって、いくつかの実施形態では、マニホールドは、同等の水圧抵抗を有するバイオリアクタによって占有される全てのスロットと併用されることができる。

いくつかの実施形態では、バイオリアクタはまた、複数のバイオリアクタのスタックを促進するための特徴を含むこともできる。いくつかの実施形態では、図１２Ａ−１２Ｃに示されるように、バイオリアクタ６００は、主要フレームまたはマニホールドの中へのデバイスの摺動を可能にするための適合を含むことができる。図１２Ａに示されるバイオリアクタ６００の実施形態の斜視図および図１２Ｂに示されるバイオリアクタ６００の上面図で見られるように、バイオリアクタの側面上の１つ以上の摺動特徴６０２が、容易な挿入およびフレームからの除去を可能にすることができる。図１２Ａおよび１２Ｂに示されるように、バイオリアクタは、バイオリアクタの反対側に第１および第２の摺動特徴６０２、６０４を含む。図１２Ｂに示されるように、デバイスの正面上のカットバック６０６が、リアクタの本体を圧縮することなく、要求されるシール力に対抗し、したがって、マニホールドにシールされたときにリアクタが曲がる、または撓むであろう可能性を軽減することができる。カットバック６０６は、マニホールドプレートのみがバイオリアクタのシール面と接触することを確実にすることができる。本設計は、漏出の危険性を低減させ、シールを改良する、デバイスと主要マニホールドとの間の圧力の増加を可能にする。加えて、図１２Ｃに示されるように、バイオリアクタ６００の側面上の入口および出口の場所は、マニホールドまたは他のデバイスを使用してスタックされたときに、複数のバイオリアクタを流体的に接続することの容易性を可能にする。

バイオリアクタはまた、層自体によって生成される層の間の流体分布のための手段を含むように設計されることもできる。例えば、図１３Ａ−１３Ｇは、複数のバイオリアクタが、スタック内の各バイオリアクタのチャネルに流体的に接続する複数の流動チャネル（例えば、直線循環流ボア等）を含む、液密バイオリアクタブロックを形成するようにともに組み合わせられる、ブロックバイオリアクタの構成を図示する。図１３Ａおよび１３Ｂに示されるように、そのようなボア７０６は、バイオリアクタがスタック式バイオリアクタ７００にスタックされるときに、ボア７０６が、スタック式バイオリアクタ７００内の個々のバイオリアクタのチャネルと流体連通するスタック式バイオリアクタ全体を通して延在する流動チャネルを形成するために整合されるように、各バイオリアクタ７０２の対向端に形成されることができる。

スタック式バイオリアクタは、構造をスタック式バイオリアクタに提供することに役立つためのエンドプレートを含むことができる。図１３Ａに示されるように、エンドプレート７０６は、スタック式バイオリアクタ７００の頂面および底面全体に沿って延在することができる。図１３Ｃおよび１３Ｄに示されるように、２つの反対ヘッダが、スタック式バイオリアクタ７１０の頂面および底面の外縁に沿って延在するように位置付けられることができ、圧縮をスタック式バイオリアクタ７１０に提供するように、バイオリアクタの各反対側の上側および下側ヘッダに結合される、上側および下側エンドプレート７１２ａ、７１２ｂに結合される圧縮ロッド７１６等の１つ以上の圧縮ロッドを含むことができる。圧縮ロッドは、Ｏリング７１８上のバイオリアクタの間にシール力を提供し、スタック内のバイオリアクタの間に流体シールを生成することができる。本配列は、図１３Ｃに示される８スタックデバイスおよび図１３Ｅに示される３２スタックデバイス等の種々のスタック式バイオリアクタと併用されることができる。

図１３Ｆ−１３Ｈを参照すると、上記に議論されるように、いくつかの実施形態では、流動チャネルは、バイオリアクタのそれぞれにおける圧力降下が、実質的に同一であり、これがまた、各リアクタを通して実質的に等しい流動を提供するように、設計される。いくつかの実施形態では、流動チャネルのうちの１つ以上のものは、バイオリアクタを通したそのような等しい圧力降下を確実にするように修正されることができる。例えば、いくつかの実施形態では、図１３Ｈに示されるように、流動チャネルは、入口から、バイオリアクタに送給する流動チャネルに関してチャネルの端部に向かって、かつバイオリアクタを排出する流動チャネルに関して入口に向かって、流動チャネルの開放面積を減少させる、挿入物７２０を含むことができる。いくつかの実施形態では、流動チャネルは、入口から、バイオリアクタに送給する流動チャネルに関してチャネルの端部に向かって、かつバイオリアクタを排出する流動チャネルに関して入口に向かって、直径を減少させるように成形されることができる。このように、スタック式バイオリアクタ内のバイオリアクタのそれぞれを横断した等しい圧力降下およびそれを通した流動が、維持されることができる。

リアクタ使用の播種段階の間に、生物学的原材料が、第１のチャネルに導入され、膜上に堆積される、または膜によって捕捉される。生物学的材料の分布は、生物学的材料がリアクタに導入される方法、それがリアクタを通して移動する方法、および膜を通した流動の分布の関数である。より具体的には、膜内の層流上の具体的流線上への生物学的原材料の導入、材料を層流流線の間で移動させる原材料の沈殿または浮動性質、および膜の単位面積あたりの体積流率である。

いくつかの実施形態では、生物学的原材料は、リアクタに進入するときに各流線上に等しい数量の原材料を設置する、十分に分散された流体スラグ内に導入され、流率は、有意な浮動または沈殿を伴わずに層流流線に沿って本材料を移動させるために十分であるため、膜まで流動するにつれて、それが導入された流線上に留まり、膜は、膜の表面を横断して生物学的原材料の一様な密度を生成する、単位面積あたりの一様な体積流率を有する。

本明細書に説明されるようなバイオリアクタは、第１のチャネルの長さに沿った生物学的原材料を用いた膜の一様な播種を提供することができる。例えば、図１４Ａは、種々の実施形態による、バイオリアクタチャネルの一区分に沿った巨核球分布を示す例示的画像である。示されるように、１つの具体的な局所的面積内でクラスタ化するのではなく、巨核球は、膜を横断して、かつ膜に沿って実質的に一様に分配される。図１４Ｂは、種々の実施形態による、バイオリアクタチャネルに沿った種々のステーションにおける例示的巨核球分布を図示する。図１４Ｂに示されるように、１つの具体的な局所的面積内でクラスタ化するのではなく、巨核球は、各ステーションにおける膜を横断して、かつ膜に沿って実質的に一様に分配されるが、また、バイオリアクタチャネルの長さに沿ってステーションのそれぞれの間に実質的に一様に分配される。播種された生物学的原材料のそのような一様な分布は、例えば、図２０、２１Ａ−２１Ｂ、および２２を参照して下記に説明される方法論のうちの１つ以上のものを含む、複数の方法で達成されることができる。

図１５Ａおよび１５Ｂは、第１のチャネルのための単一の入口および第２のチャネルのための単一の入口を伴う、１６重デバイスの細胞播種分布を図示する。播種された細胞は、巨核球に分化され、蛍光染料ヘキストを用いて核に関して染色され、より高い蛍光信号を表す高温スポットおよび低い蛍光信号を表す黒色または低温スポットを伴う、ＩｍａｇｅＪ内の「炎」表現を通して可視化された、人工多能性幹細胞である。図１５Ａは、デバイスの最初の８つのチャネルの３つの区分、すなわち、始め、中間、および終わりを示す。図１５Ｂは、１６個のチャネル毎に中間区分を示す。

上記に解説されるように、多重流路バイオリアクタは、任意の数のチャネルを有することができる。例えば、バイオリアクタは、４つのチャネルを含むことができ、図１６は、第１のチャネルのための単一の入口および第２のチャネルのための単一の入口を伴う、４重デバイスの細胞播種分布を図示する。播種された細胞は、巨核球に分化され、蛍光染料ヘキストを用いて核に関して染色され、より高い蛍光信号を表す高温スポットおよび低い蛍光信号を表す黒色または低温スポットを伴う、ＩｍａｇｅＪ内の「炎」表現を通して可視化された、人工多能性幹細胞である。

上記に述べられるように、いくつかの実施形態では、本バイオリアクタで使用される膜は、生物学的生成物を発生させることが可能な生物学的原材料を選択的に捕捉するように、かつ発生された生物学的生成物が第２のチャネルの中に通過することを可能にするように定寸される、細孔を含むことができる。例えば、図１７Ａおよび図１７Ｂのフローサイトメトリプロットは、細孔径よりも大きい全ての有核細胞がバイオリアクタ内に残留する一方、より小さい粒子が膜細孔を通して流動することを示す、バイオリアクタ内で細胞を播種することに先立った大型有核細胞および血小板サイズの粒子の混合集団、ならびに播種後の流出内の事実上血小板サイズの粒子のみを示す。

デバイスあたりのチャネルの数およびスタック式デバイスの数に関する種々の構成は、血小板産生に影響を及ぼし得る。例えば、図１８は、図に示されるように、単一のチャネル、４重、２つの複合４重（２×４チャネル）、または１６チャネルデバイスを使用した、３時間における血小板産生の例示的グラフを図示する。血小板産生実験が、２つの異なる細胞型、すなわち、ヒトドナーＣＤ３４由来巨核球およびヒト人工多能性幹細胞を用いて行われた。全てのデバイスに関して、各個々のチャネルが、同数の細胞を播種された。血小板が、フローサイトメトリによって、ＤＮＡ陰性、ＣＤ６１およびＣＤ４１二重陽性の細胞として定義された。

いくつかの実施形態では、バイオリアクタの種々の部分は、組立および分解を可能にするように構成されることができる。いくつかの実施形態では、第１の基板、膜、および第２の基板は、相互に除去可能に結合されるように構成されることができる。例えば、締結具、クリップ、または他の解放可能係止機構を使用して係合されたとき、気密シールが、次いで、第１および第２の入口と第１および第２の出口との間の流体経路完全性を回復するように、基板の種々の表面と膜との間に形成されることができる。任意のタイプのコネクタが、気密シールが達成され得る限り、バイオリアクタの種々の構成要素を接続するために使用され得ることを理解されたい。本能力は、上記に説明されるような調製ならびに繰り返し使用のための清掃を促進することができる。加えて、分解は、別の目的で使用すること、または急速プロトタイピングのために、種々の構成要素の迅速な交換を可能にする。例えば、異なる細孔径を有する膜、または異なる調製物が、容易に交換されることができる。

代替として、バイオリアクタは、単一デバイスとして製造されることができる。いくつかの実施形態では、バイオリアクタは、挿入鋳造技法、または膜が基板に成型され得る射出成形技法を使用して、単一デバイスとして形成されることができる。そのような実装は、有利なこととして、大規模製造技法に統合されることができる。いくつかの実施形態では、第１および第２の基板は、別個に製造され、次いで、第１の基板、膜、および第２の基板をともに恒久的に結合するように、接着剤および／または熱接合を使用することによって、ともに接合されることができる。任意の技法が、単一バイオリアクタを生産するために使用され得、これが、バイオリアクタのチャネルからの漏出がないことを確実にするために望ましくあり得ることを理解されたい。

加えて、バイオリアクタの構成は、顕微鏡またはカメラ等の他の計装との協働を可能にするように選定されることができる。例えば、バイオリアクタは、標準マイクロプレート寸法を順守するように構成されることができる。しかしながら、本開示に照らして、任意の数の寸法または構成が、任意の数およびタイプの器具、動作インフラストラクチャデバイス、および／または付加的バイオリアクタへの接続を可能にするために、種々の実施形態に従って使用され得ることが明白となるであろう。

図１９および図２０は、２つの個々のバイオリアクタ１９０１および１９０２から成る、スタック式バイオリアクタ１９００を含む、生物学的生成物の産生のためのシステムを図示する。各個々のバイオリアクタは、膜１９０５ａ、ｂによって分離される、第１のチャネル１９０３ａ、ｂと、第２のチャネル１９０４ａ、ｂとを含む。本システムはさらに、第１のチャネルに流体的に接続される、第１の入口マニホールド１９０６および第１の出口マニホールド１９０７、ならびに第２のチャネルに流体的に接続される、第２の入口マニホールド１９０８および第２の出口マニホールド１９０９を含む。いくつかの実施形態では、第１の入口マニホールドおよび第２の入口マニホールドは、第１のチャネルおよび第２のチャネルを通した一貫した流動を確実にするように、（蠕動ポンプから等の）単一の揚程を介して流体を供給される。

図１９を参照すると、スタック式バイオリアクタ１９００の動作に先立って、スタック式バイオリアクタ構成における個々のバイオリアクタ１９０１、１９０２は、例えば、アルコール等の低表面張力流体でプライミングされることができる。プライミングステップの間に、第１および第２のチャネル出口は、空気がチャネルから外に流出することを可能にするように開放している。いったんプライミングされると、低表面張力溶液は、血小板産生のためのバイオリアクタの動作ために使用されるべき培養培地等の流体を使用して、流出される。

図２０を参照すると、次に、生物学的原材料が、膜上に播種されることができる。いくつかの実施形態では、第１のチャネル出口は、閉鎖されることができ、等量の流体が、個々のバイオリアクタの第１のチャネル入口および第２のチャネル入口の中に圧送される。播種段階の間に、生物学的原材料は、第１のチャネル入口の中に導入され、膜上に静止するようになる。いくつかの実施形態では、第１のチャネルからの流体は、膜を通して流動し、膜上に生物学的原材料を堆積させる。下記により詳細に説明されるように、いくつかの実施形態では、実質的に同一量の生物学的材料が、個々のバイオリアクタのそれぞれに送達されることができる。加えて、生物学的原材料は、各膜の表面を横断して均一に分配される。いくつかの実施形態では、生物学的原材料の所望の濃度が、動作流体に添加され、個々のバイオリアクタに送達される。各バイオリアクタを通した流率が実質的に等しいため、および各バイオリアクタ内で膜の単位面積あたりの流率が膜を横断して実質的に一定であるため、生物学的原材料は、膜を横断して均一に分配されることができる。

いくつかの実施形態では、生物学的原材料の一様な播種を遂行するために、第１の出口および第２の出口は両方とも、閉鎖されることができ、流体流が、第１の入口から第２の入口まで指向される、すなわち、第２のチャネル入口が、バイオリアクタからの出口として使用される。生物学的原材料は、次いで、第１のチャネル入口の中に導入されるでき、これは、生物学的原材料を、入口に最も近い膜の一部上で膜上に堆積させ得る。動作流体は、膜の細孔を通して流動し、第２のチャネル入口を通して外に流出する。入口に近い細孔が充填されるにつれて、動作流体がデバイスの同一の端部において流入および流出するため、流動は、デバイスを辿って移動し、膜の開放細孔を通して通過するように押進される。これは、入口端から開始し、デバイスを辿って出口端まで徐々に進行する、波状的な播種を生成し得る。

播種するステップは、第１のチャネル内の膜の表面上の生物学的材料の一様な分布で終了する。

図２０を参照すると、２つの個々のバイオリアクタを伴うスタック式バイオリアクタの動作設定が、示されている。第１の出口は、第１のチャネルに導入される流体が膜を通して第２のチャネルの中に流入するように、閉鎖される。第１のチャネルからの流体流は、第２のチャネルの中に導入される流体と合体し、混合物は、第２の出口を通してバイオリアクタから外に流出する。

上記に議論されるように、流体率は、所定の範囲内で剪断率を維持し、生物学的原材料からの所望の生物学的生成物の効率的な産生を可能にするように構成されることができる。いくつかの実施形態では、そのような所定の範囲は、１０秒^−１〜１０，０００秒^−１であってもよいが、他の値も、可能性として考えられ得る。いくつかの実施形態では、血小板前駆細胞伸長および生体内の血小板産生と一致する生理学的剪断率が、望ましくあり得る。例えば、生理学的剪断率は、５００秒^−１〜２，５００秒^−１であり得る。いくつかの実施形態では、剪断率は、生物学的生成物を損傷しないように限定される。例えば、いくつかの実施形態では、剪断率は、血小板が活性化されないように防止するように、７００秒^−１未満に保たれてもよい。他方では、剪断率は、収穫のために第２のチャネルから外に血小板を搬送するために十分であり得る。例えば、所望の剪断率は、チャネル内の血小板の沈殿を防止するが、また、血小板が活性化されないように防止するように、４００秒^−１〜６００秒^−１であり得る。種々の実施形態では、剪断率は、チャネルのサイズ、第１のチャネル内の流率、または第２のチャネル内の流率のうちの１つ以上のものを変化させることによって、変化されることができる。いくつかの実施形態では、膜の長さに沿った剪断応力は、第２のチャネルの長さの全体を通して実質的に一様である。

第１のチャネルおよび第２のチャネル内で動作する流率の比は、チャネル形状が第２のチャネル内の膜の表面上で所望の剪断率を維持するように変動される限り、変動され得る。いくつかの実施形態では、動作を容易にするために、流率の比は、１：１（等しい流率）であり得、これは、動作流体が単一の蠕動揚程から第１のチャネルおよび第２のチャネルに送達されることを可能にし得、第１のチャネルを通した流動と一貫性がない、または位相がずれている第２のチャネル内の脈動流に起因する、膜からの生物学的原材料の遊離を防止しながら、バイオリアクタを通して一様な脈動流を可能にする。図２０に示されるように、いくつかの実施形態では、単一の揚程が使用されるが、第１のチャネルおよび第２のチャネルを通した流路は、単一の揚程によって入口マニホールドに別個に送達される。例えば、動作時に、第１のチャネルのための流体は、リザーバ１９１２から管類１９１４ａを通してポンプ１９１０に送達され、次いで、ポンプ１９０１から管類１９１４ｂを通して第１の入口マニホールド１９０７に送達される。他方では、第２のチャネルのための流体は、リザーバ１９１２から管類１９１６ａを通してポンプ１９１０に送達され、次いで、ポンプ１９０１から管類１９１６ｂを通して第２の入口マニホールド１９０８に送達される。管類セット１９１４ａ、ｂおよび１９１６ａ、ｂは、別個である。

図２０に示され、上記に議論されるように、動作流体は、第１のマニホールドを通して各バイオリアクタの第１のチャネル（またはマルチチャネルバイオリアクタの場合は複数のチャネル）に、かつ第２のマニホールドを通して第２のチャネル（またはマルチチャネルバイオリアクタの場合は複数のチャネル）に送達される。上記に議論されるように、これらのマニホールドは、これが通過するスタック内のバイオリアクタにかかわらず、スタック式バイオリアクタ構成における個々のバイオリアクタを通した圧力降下（すなわち、第１および第２の入口と第２の出口との間の圧力降下）が実質的に同一である、または等しい一方、各バイオリアクタへの流率が類似するように、設計される。このように、個々のバイオリアクタの第１のチャネルおよび第２のチャネルを通した動作流体の流率もまた実質的に同一である、または等しくあり得る。いくつかの実施形態では、個々のデバイスを横断した実質的に等しい圧力降下は、膜が、動作流体が第１のチャネルと第２のチャネルとの間で流動するための開放細孔の同一の割合を有し、これが、全てのバイオリアクタ内の膜を横断した一様な圧力降下、および膜に沿った生物学的原材料の一様な分布を可能にし、膜面積の単位あたりの実質的に同一の圧力降下を確実にし得るように、個々のバイオリアクタを通した生物学的原材料の一様な分布等の１つ以上の因子によって助けられ得る。

産生された生物学的生成物は、第２のチャネルから出口において収穫されることができる。いくつかの実施形態では、動作流体は、スタック式バイオリアクタに戻るように再生利用されることができる。

バイオリアクタの単回使用の間、付加的生物学的原材料が、元の材料が欠乏する、または不活性な状態になるにつれて、バイオリアクタに再播種するように、スタック式バイオリアクタに添加されることができる。いくつかの実施形態では、生物学的原材料は、デバイス動作と同一の流路構成を用いて、第１のチャネル入口を通して生物学的原材料を導入することによって、バイオリアクタに連続的に添加されることができる。いくつかの実施形態では、第１のチャネルの出口は、膜表面が実質的に類似する入口流率を伴う新しい原材料の繰り返し播種のために利用可能であるように、原材料を除去するように開放し得る。いくつかの実施形態では、底部チャネルの出口は、閉鎖されることができ、第１のチャネルの出口は、膜を通して第１のチャネルの中に流体を押進し、生物学的原材料を除去することを補助するための実質的に等しい入口流率を伴って開放する。

動作後、バイオリアクタからの動作流体は、全ての生物学的生成物材料がデバイスから外に押動され、収集されるまで、デバイスを通して新鮮流体（再循環されていない）を圧送することによって、回収されることができる。収穫するステップはまた、出口を雰囲気に通気し、ブロックの内容物が排出される、または入口に戻るように圧送されることを可能にすることによって、達成されることもできる。これは、ブロックを空にするが、結果として生じた材料とともに生物学的播種材料を収集することができる。

バイオリアクタはまた、チャネルに接続され、入口と出口との間に延在する種々の流体経路に沿った種々の点において配列される、いくつかの流体濾過および抵抗要素を含むこともできる。図２２は、濾過および抵抗要素を含む、バイオリアクタ９００の例示的実施形態を図示する。例えば、１つ以上の濾過要素（図示せず）が、入力された流体媒質から汚染物質または望ましくない物質もしくは材料を捕捉するように、入口のうちの１つ以上のものに近接して設置されることができる。加えて、１つ以上の抵抗要素９０２もまた、流動力を制御する、または流率の変動を減衰させるように、含まれることができる。抵抗要素および濾過要素に加えて、付加的要素もまた、含まれることができる。例えば、入口のうちの１つ以上のものは、いかなる気泡もバイオリアクタに進入しないように防止するように構成される、気泡トラップを含むことができる。いくつかの実施形態では、入口のうちの１つ以上のものは、例えば、生物学的原材料を用いて第１の流体流を均質化する、または、例えば、生物学的生成物を用いて第２の流体流を均質化するためのインライン混合器を含むことができる。

非限定的実施例として、図２１は、種々の実施形態による、例示的バイオリアクタの入口９２４４に結合される流体コネクタまたはポート９２２を含む、ポート９２０を図示する。示されるように、入口８０４は、メッシュ８１２によって分離される、拡張領域８０８と、円錐形領域８１０とを含む、気泡トラップ８０６を有する。メッシュ８１２のサイズは、変動し得るが、いくつかの実施形態では、メッシュ８１２は、約１４０マイクロメートルのサイズを有することができるが、他の値も、可能性として考えられ得る。構成されると、気泡トラップは、気泡がバイオリアクタに進入しないように防止することが可能である。

図２２に示されるように、いくつかの実施形態では、バイオリアクタが、再循環バイオリアクタ９００内に含まれることができる。いくつかの実施形態では、再循環バイオリアクタ９００は、図５Ａ−５Ｃおよび６Ａ−６Ｈを参照して上記に説明されるようなバイオリアクタ１０４を含むことができる。いくつかの実施形態では、再循環バイオリアクタ９００は、第１および第２の出口９１２、９１４から、第１および第２の再循環ライン９１６、９１８を介して、第１および第２の入口９０８、９１０に戻るように流動を再循環させるための第１および第２のポンプ９０４、９０６を含むことができる。いくつかの実施形態では、再循環バイオリアクタは、第３の入口９２２を介して生物学的原材料を第１のチャネル９２４に送達するための第３のポンプ９２０（例えば、示されるようなシリンジポンプ）を含むことができる。いくつかの実施形態では、１つ以上の弁が、そこへの流動を可能にする、防止する、または制御するように、入口および出口のそれぞれと流体連通して位置付けられることができる。図示される実施形態では、各入口９０８、９１０および各出口９１２、９１４は、弁９２６、９２８、９３０、９３２と関連付けられる。いくつかの実施形態では、１つ以上のリザーバ９３２、９３６が、動作の間に第１および／または第２の流動の過剰な流体媒質を貯蔵するように含まれることができる。いくつかの実施形態では、少なくとも１つのリザーバは、第２の流動から生物学的生成物を分離するように構成されることができる。いくつかの実施形態では、１つ以上の流動抵抗器９０２が、バイオリアクタ内の流率および圧力に対する付加的制御を提供するように、再循環ラインのうちの１つ以上のものに追加されることができる。

種々の実施形態による、第１および第２のポンプ９０４、９０６は、原動力エネルギーを第１および第２の流体流に付与し、第１および第２のチャネルならびに第１および第２の再循環ライン９１６、９１８を通した流動を助長することが可能である、任意の好適なポンプであり得る。例えば、いくつかの実施形態では、第１および第２のポンプ９０４、９０６は、インペラ、蠕動ポンプ、容積型ポンプ、歯車ポンプ、スクリュポンプ、任意の他の好適なポンプ、またはそれらの組み合わせのうちの１つ以上のものを含むことができる。いくつかの実施形態では、第１および第２のポンプ９０４、９０６はそれぞれ、第１および第２のチャネルのそれぞれの中での独立流動制御を提供するために、別個に動作可能かつ可逆性であり得る。いくつかの実施形態では、ポンプ９０４、９０６は、第１および第２のチャネルのそれぞれの内側の圧力、流動、および／または剪断のうちの１つ以上のものを変動させ、バイオリアクタを通して脈動流を提供するように構成されることができる。いくつかの実施形態では、パルス繰り返し率、圧力、剪断、および／または流動が、ヒト血流を実質的に模倣するように提供されることができる。例えば、いくつかの実施形態では、動作の間、第１および第２のチャネル内で循環する流動の灌流率は、約１ｍＬ／時間〜約５０ｍＬ／時間、例えば、約１２．５ｍＬ／時間であり、約２５０秒^−１〜約１，８００秒^−１、例えば、８００秒^−１〜約１，２００秒^−１の壁剪断率を生じることができる。種々の実施形態による、パルス繰り返し率は、約０．５ｈｚ〜約５ｈｚ、例えば、約１ｈｚ〜約２ｈｚであり得る。

種々の実施形態による、第３のポンプ９２０は、好適である、または生物学的原材料を第１のチャネルの中に注入する、任意のポンプであり得る。例えば、いくつかの実施形態では、第３のポンプ９２０は、シリンジポンプ、ピストンポンプ、往復ポンプ、ダイヤフラムポンプ、任意の他の好適なポンプ、またはそれらの組み合わせであり得る。いくつかの実施形態では、第３のポンプ９２０は、膜に生物学的原材料を播種するために十分な率で生物学的原材料を送達するように構成されることができる。例えば、いくつかの実施形態では、生物学的原材料は、約０．１ｍＬ／時間〜約２ｍＬ／時間、例えば、約１ｍＬ／時間の率で注入されることができる。しかしながら、本開示に照らして、種々の実施形態によると、任意の好適な流率が、使用され得ることが明白となるであろう。

種々の実施形態による、流動抵抗器９０２は、例えば、ノズル、管延在部、流体流を計測もしくは制限するために好適な任意の他のデバイス、またはそれらの組み合わせを含むことができる。弁は、いくつかの実施形態では、第１もしくは第２のチャネルおよび／または第１もしくは第２の再循環ラインを通した流動を選択的に可能にする、または防止するための当技術分野で公知である任意の弁であり得る。第１および第２のリザーバは、任意の好適なビーカ、試験管、フラスコ、ボトル、瓶、タンク、または流体媒質を保定するための任意の他の好適なリザーバであり得る。いくつかの実施形態では、第２のリザーバはさらに、分割器、セパレータ、分別器、または中空ファイバもしくは交差濾過デバイス等の第２の流体流から１つ以上の生物学的生成物を除去するための任意の他のデバイスのうちの少なくとも１つを含むことができる。

非限定的実施例として、図２２に示されるように、本開示のバイオリアクタは、複流播種技法を使用して播種されることができる。複流播種技法では、流体媒質中に分散される生物学的原材料が、第３の入口を介して第１のチャネルに添加され、第１の流体流が第１のチャネルおよび第１の再循環ラインを通して提供され、第２の流動が第２のチャネルおよび第２の再循環ラインを通して提供されるように、両方のポンプが動作している。生物学的原材料の（膜による捕捉を伴わない）持続的再循環を防止する、または低減させるために、流動抵抗器は、膜を横断して圧力を増加させるようにアクティブ化されることができる。複流播種技法は、有利なこととして、直接注入方法と比較して、生物学的原材料のより均等な分布を提供することができる。

さらに、図２２に描写される動作構成もまた、生物学的生成物を産生するための再循環バイオリアクタの実際の動作のために、使用される播種技法にかかわらず、播種後に使用されることができる。いくつかの実施形態では、流動抵抗器９０２が、例えば、第１のチャネルと出口との間の圧力降下を増加させることによって、第１のチャネル内の圧力を増加させるために、使用されることができる。いくつかの実施形態では、流動抵抗器９０２は、播種細胞が通過するために十分大きいが、圧力の所望の上昇を生成するために十分小さい（かつ十分長い）内径を有する、ある長さの管類として提供されることができる。第１のチャネル内の圧力の増加は、膜細孔に対して播種された生物学的原材料を保持し、それによって、播種された生物学的原材料が膜細孔内でそれらの位置を維持し、より高い動作流体媒質流率等の他の力によって押し流されない、または遊離されないことを可能にするための圧力差を生成することができる。有意量の流動を第１のチャネル出口から流出させることは、デバイスから気泡を一掃する有用な方法であり、したがって、リアクタに生物学的原材料を播種する前にリアクタをプライミングするための理想的な方法である。

図２３Ａ−２３Ｂは、圧力波播種技法を使用して播種される再循環バイオリアクタ１０００の実施形態を図示する。圧力波播種技法では、流体媒質内に分散される生物学的原材料が、第３の入口を介して第１のチャネル１００２に添加され、弁１００６、１０１０、１０１２が、第１の入口、第１の出口、および第２の出口を閉鎖した状態で制御し、弁１００８が、第２の入口を開放した状態で制御する。閉鎖されたものとして本明細書に説明されるが、第１の入口と関連付けられる弁１００６は、いくつかの実施形態では、最小限に開放し得る。例えば、いくつかの実施形態では、第１または第２の入口の一方もしくは両方は、それを通した小流動を可能にし、したがって、第１または第２の入口内の生物学的原材料の不慮の収集を防止するように、約１０％開放し得る。流体媒質は、次いで、第３の入口から第２の入口まで流動される。弁の閉鎖により、第１の入口および第１ならびに第２の出口は、封鎖される。したがって、流体媒質は、膜を通して通過し、バイオリアクタ１０００から流出する。膜内の細孔が生物学的原材料を捕捉するように定寸および構成されるため、生物学的原材料は、膜の細孔内に引っ掛かった状態になる。最初に、図２３Ａに示されるように、生物学的原材料は、第３の入口に最も近い細孔によって捕捉され、次いで、最も近い細孔が封鎖されると、後続の生物学的原材料は、チャネルを通して進行し、図２３Ｂに示されるように次の利用可能な開放細孔に到達する。故に、圧力波播種方法は、流動が膜を通して徐々に封鎖されるにつれて、各細孔上に１つの細胞を伴う細胞の層を横たえる。圧力波播種方法は、有利なこととして、膜の全体を通して生物学的原材料の均一な設置を提供する。加えて、流動が膜を通して徐々に封鎖されるため、本プロセスの間の膜を横断した圧力降下を測定することによって、開放および充填細孔の数が、推定されることができる。いくつかの実施形態では、流動は、剪断の時間的変動を提供し、脈動する生理学的血液流率を模倣するための時間変動関数であり得る。

図２４は、直接注入播種技法を使用して播種される再循環バイオリアクタ１１００の実施形態を図示する。直接注入播種技法では、流体媒質中に分散される生物学的原材料が、第３の入口を介して第１のチャネル１１０２に添加され、全ての弁１１０６、１１０８、１１１０、１１１２が、開放している。第１のポンプ９１４は、非アクティブであり、第２のポンプ１１１６は、第２のチャネル１１０４および第２の再循環ラインを通して流動を提供するように動作される。本方法は、第１のポンプ１１１４が非アクティブであるため、生物学的原材料が播種の間に再循環されないように防止する。いくつかの実施形態では、直接注入播種は、バイオリアクタの中央部分の中に比較的に少ない生物学的原材料を伴って、第１の入口および第１の出口に近接して生物学的原材料の濃縮をもたらす。しかしながら、本開示に照らして、いくつかの実施形態では、第１のポンプが、第１の入口における生物学的原材料の不慮の収集を防止するために、生物学的原材料の再循環を回避するために十分遅い速度、例えば、約１０％動作流率で動作され得ることが明白となるであろう。

上記に提示される種々の構成は、実施例にすぎず、いかようにも本開示の範囲を限定するように意図されていない。本明細書に説明される構成の変形例が、当業者に明白となるであろうが、そのような変形例は、本願の意図された範囲内である。特に、上記に説明される構成のうちの１つ以上のものからの特徴は、上記に明示的に説明されない場合がある、特徴の副次的組み合わせから成る代替的構成を生成するように選択されてもよい。加えて、上記に説明される構成のうちの１つ以上のものからの特徴は、上記に明示的に説明されない場合がある、特徴の組み合わせから成る代替的構成を生成するように選択され、組み合わせられてもよい。そのような組み合わせおよび副次的組み合わせに好適な特徴は、本願の全体としての精査に応じて、当業者に容易に明白であろう。本明細書および列挙される請求項に説明される主題は、技術の全ての好適な変更を網羅および包含することを意図する。

Claims (47)

1. システムであって、
   複数のスタック式バイオリアクタであって、各バイオリアクタは、
   第１のチャネル流率において少なくとも１つの第１の流体を受容するように構成される第１のチャネルと、
   第２のチャネル流率において少なくとも１つの第２の流体を受容するように構成される第２のチャネルと、
   前記第１のチャネルと前記第２のチャネルとの間の分離障壁であって、前記分離障壁は、前記第１のチャネルと前記第２のチャネルとの間に流体連通経路を形成する複数のマイクロチャネルを有する、分離障壁と
   を備える、複数のスタック式バイオリアクタと、
   前記複数のバイオリアクタのそれぞれの第１のチャネルと流体連通し、前記複数のバイオリアクタのそれぞれの第１のチャネルを通して流動を分配するように構成される第１の入口マニホールドと、
   前記複数のバイオリアクタのそれぞれの第２のチャネルと流体連通し、前記複数のバイオリアクタのそれぞれの第２のチャネルを通して流動を分配するように構成される第２の入口マニホールドと、
   前記複数のバイオリアクタのそれぞれの第１のチャネルおよび第２のチャネルのうちの少なくとも１つと流体連通し、前記バイオリアクタから前記第１の流体および前記第２の流体を収集する１つ以上の出口マニホールドと
   を備え、
   前記システムは、前記複数のバイオリアクタのそれぞれを通して前記第１の流体および前記第２の流体の実質的に等しい流率を提供するように構成される、システム。
2. 前記１つ以上の出口マニホールドは、前記複数のバイオリアクタのそれぞれの第１のチャネルと流体連通する第１の出口マニホールドと、前記複数のバイオリアクタのそれぞれの第２のチャネルと流体連通する第２の出口マニホールドとを含む、請求項１に記載のシステム。
3. 前記第１の入口マニホールドおよび第２の入口マニホールドは、前記複数のバイオリアクタのそれぞれを横断した実質的に等しい圧力降下を確実にするように構成される、請求項１に記載のシステム。
4. 前記複数のバイオリアクタを通した流路が、前記第１の入口マニホールド、前記第２の入口マニホールド、前記１つ以上の出口マニホールド、および前記複数のバイオリアクタによって画定され、前記流路は、前記複数のバイオリアクタのそれぞれを横断した実質的に等しい圧力降下を確実にするように構成される、請求項１に記載のシステム。
5. 前記複数のバイオリアクタのそれぞれを横断した前記実質的に等しい圧力降下は、前記複数のバイオリアクタのそれぞれを通した実質的に等しい流動を確実にする、請求項４に記載のシステム。
6. 前記第１の入口マニホールドおよび第２の入口マニホールドは、前記複数のバイオリアクタのそれぞれを横断した実質的に等しい圧力降下を確実にするように成形される、請求項１に記載のシステム。
7. 前記第１の入口マニホールドおよび第２の入口マニホールドは、前記複数のバイオリアクタのそれぞれを横断して実質的に等しい圧力降下を生成するための挿入物を含む、請求項１に記載のシステム。
8. 前記第１のチャネル、前記第２のチャネル、または両方は、長さに沿って可変断面を有し、膜の全長に沿って前記膜を横断して一貫した圧力降下を付与する、請求項１に記載のシステム。
9. 前記膜の全長に沿って前記膜を横断した前記実質的に等しい圧力降下は、その長さに沿って前記膜を通した実質的に等しい流動を確実にし、前記膜の長さに沿って実質的に等しく前記第１の流体を分配する、請求項８に記載のシステム。
10. 前記第１の入口マニホールドおよび前記第２の入口マニホールドと流体連通する１つ以上のポンプをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
11. 単一の揚程は、流動を前記第１および第２の入口マニホールドに提供し、前記第１および第２の入口マニホールドチャネル内での実質的に等しい脈動流を確実にするように構成される、請求項１０に記載のシステム。
12. 各バイオリアクタは、バイオリアクタ本体をさらに備え、前記第１のチャネル、前記第２のチャネル、前記第１の入口マニホールドの一部、および前記第２の入口マニホールドの一部は、各バイオリアクタの前記バイオリアクタ本体内に形成される、請求項１に記載のシステム。
13. 前記複数のバイオリアクタは、垂直構成でスタックされる、請求項１に記載のシステム。
14. システムであって、
    複数のスタック式バイオリアクタであって、各バイオリアクタは、
    第１のチャネル流率において少なくとも１つの第１の流体を受容するように構成される第１のチャネルであって、前記少なくとも１つの第１の流体は、標的生物学的生成物を産生することが可能な生物学的原材料を備える、第１のチャネルと、
    第２のチャネル流率において少なくとも１つの第２の流体を受容するように構成される第２のチャネルと、
    前記第１のチャネルと前記第２のチャネルとの間の分離障壁であって、前記分離障壁は、前記第１のチャネルと前記第２のチャネルとの間に流体連通経路を形成する複数のマイクロチャネルを有し、前記複数のマイクロチャネルは、前記生物学的原材料を選択的に捕捉するように定寸される、分離障壁と
    を備える、複数のスタック式バイオリアクタと、
    前記複数のバイオリアクタのそれぞれの第１のチャネルと流体連通し、前記複数のバイオリアクタのそれぞれの第１のチャネルを通して流動を分配するように構成される第１の入口マニホールドと、
    前記複数のバイオリアクタのそれぞれの第２のチャネルと流体連通し、前記複数のバイオリアクタのそれぞれの第２のチャネルを通して流動を分配するように構成される第２の入口マニホールドと、
    前記複数のバイオリアクタのそれぞれの第１のチャネルおよび第２のチャネルのうちの少なくとも１つと流体連通し、前記バイオリアクタから前記第１の流体および前記第２の流体を収集する１つ以上の出口マニホールドと
    を備え、
    前記システムは、前記複数のバイオリアクタのそれぞれを通して前記第１の流体および前記第２の流体の実質的に等しい流率を提供するように構成され、
    前記複数のバイオリアクタのそれぞれを通した前記第１の流体および前記第２の流体の流動は、前記第２のチャネル内の膜の表面に沿って生理学的剪断率を発生させ、前記標的生物学的生成物を産生するように前記膜によって捕捉された前記生物学的原材料を誘導するように構成される、システム。
15. 前記１つ以上の出口マニホールドは、前記複数のバイオリアクタのそれぞれの第１のチャネルと流体連通する第１の出口マニホールドと、前記複数のバイオリアクタのそれぞれの第２のチャネルと流体連通する第２の出口マニホールドとを含む、請求項１４に記載のシステム。
16. 前記第１の入口マニホールドおよび第２の入口マニホールドは、前記複数のバイオリアクタのそれぞれを横断した実質的に等しい圧力降下を確実にするように構成される、請求項１４に記載のシステム。
17. 前記複数のバイオリアクタを通した流路が、前記第１の入口マニホールド、前記第２の入口マニホールド、前記１つ以上の出口マニホールド、および前記複数のバイオリアクタによって画定され、前記流路は、前記複数のバイオリアクタのそれぞれを横断した実質的に等しい圧力降下を確実にするように構成される、請求項１４に記載のシステム。
18. 前記複数のバイオリアクタのそれぞれを横断した前記実質的に等しい圧力降下は、前記複数のバイオリアクタのそれぞれを通した実質的に等しい流動を確実にする、請求項１７に記載のシステム。
19. 前記第１の入口マニホールドおよび第２の入口マニホールドは、前記複数のバイオリアクタのそれぞれを横断した実質的に等しい圧力降下を確実にするように成形される、請求項１４に記載のシステム。
20. 前記第１の入口マニホールドおよび第２の入口マニホールドは、前記複数のバイオリアクタのそれぞれを横断して実質的に等しい圧力降下を生成するための挿入物を含む、請求項１４に記載のシステム。
21. 前記第１のチャネル、前記第２のチャネル、または両方は、長さに沿って可変断面を有し、前記膜の全長に沿って前記膜を横断して一貫した圧力降下を付与する、請求項１４に記載のシステム。
22. 前記膜の全長に沿って前記膜を横断した前記実質的に等しい圧力降下は、その長さに沿って前記膜を通した実質的に等しい流動を確実にし、前記膜の長さに沿って実質的に等しく前記第１の流体を分配する、請求項２１に記載のシステム。
23. 前記第１の入口マニホールドおよび前記第２の入口マニホールドと流体連通する１つ以上のポンプをさらに備える、請求項１４に記載のシステム。
24. 単一の揚程は、前記第１および第２の入口マニホールドに流動を提供し、前記第１および第２の入口マニホールドチャネル内での実質的に等しい脈動流を確実にするように構成される、請求項２３に記載のシステム。
25. 各バイオリアクタは、バイオリアクタ本体をさらに備え、前記第１のチャネル、前記第２のチャネル、前記第１の入口マニホールドの一部、および前記第２の入口マニホールドの一部は、各バイオリアクタの前記バイオリアクタ本体内に形成される、請求項１４に記載のシステム。
26. 前記複数のバイオリアクタは、垂直構成でスタックされる、請求項１４に記載のシステム。
27. 前記生物学的原材料は、巨核球を備え、前記生物学的生成物は、血小板である、請求項１４に記載のシステム。
28. システムであって、
    複数のスタック式バイオリアクタであって、各バイオリアクタは、
    第１のチャネル流率において少なくとも１つの第１の流体を受容するように構成される第１のチャネルと、
    第２のチャネル流率において少なくとも１つの第２の流体を受容するように構成される第２のチャネルと、
    前記第１のチャネルと前記第２のチャネルとの間の分離障壁であって、前記分離障壁は、前記第１のチャネルと前記第２のチャネルとの間に流体連通経路を形成する複数のマイクロチャネルを有する、分離障壁と
    を備える、複数のスタック式バイオリアクタと、
    前記複数のスタック式バイオリアクタのそれぞれと流体連通するマニホールドであって、前記マニホールドは、
    前記第１の入口マニホールドを前記複数のバイオリアクタのそれぞれの第１のチャネルに流体的に接続する複数の第１の二次入口チャネルを有する第１の主要入口チャネルと、
    前記第２の入口マニホールドを前記複数のバイオリアクタのそれぞれの第２のチャネルと流体的に接続する複数の第２の二次入口チャネルを有する第２の主要入口チャネルと、
    前記第１のチャネルまたは前記第２のチャネルのうちの少なくとも１つと流体連通する１つ以上の出口チャネルと
    を備え、前記第１の二次入口チャネルおよび前記第２の二次入口チャネルの長さは、それぞれ、入口から前記第１の主要入口チャネルまたは第２の主要入口チャネルまでの距離に基づいて減少する、マニホールドと
    を備える、システム。
29. バイオリアクタを動作させるための方法であって、前記方法は、
    複数のスタック式バイオリアクタを備えるシステムの第１の入口マニホールドおよび第２の入口マニホールドに流体流を指向することであって、各バイオリアクタは、前記第１の入口マニホールドと流体連通し、第１のチャネル流率において少なくとも１つの第１の流体を受容するように構成される第１のチャネルと、第２のチャネル流率において少なくとも１つの第２の流体を選択的に受容するように構成される前記第２の入口マニホールドと流体連通する第２のチャネルと、前記第１のチャネルと前記第２のチャネルとの間の分離障壁であって、前記分離障壁は、前記第１のチャネルと前記第２のチャネルとの間に流体連通経路を形成する複数のマイクロチャネルを有する、分離障壁と、前記複数のバイオリアクタのそれぞれの第１のチャネルおよび第２のチャネルのうちの少なくとも１つと流体連通し、前記バイオリアクタから前記第１の流体および前記第２の流体を収集する１つ以上の出口マニホールドとを備える、ことと、
    前記複数のバイオリアクタのそれぞれの第１のチャネルを通して前記第１の入口マニホールドから前記流体を分配することと、
    前記複数のバイオリアクタのそれぞれの第２のチャネルを通して前記第２の入口マニホールドから前記流体を分配することと、
    前記バイオリアクタへの前記流体の流率を調節し、膜上に播種される生物学的原材料を前記第２のチャネル内で所望の剪断率に暴露し、前記生物学的原材料に標的生物学的生成物を産生させることと
    を含む、方法。
30. 実質的に等しい流率において前記複数のバイオリアクタのそれぞれを通して前記流体を循環させることをさらに含む、請求項２９に記載の方法。
31. 前記複数のバイオリアクタのそれぞれを横断して実質的に等しい圧力降下を提供することをさらに含む、請求項２９に記載の方法。
32. 前記複数のバイオリアクタの各バイオリアクタ内で前記生物学的原材料を播種することをさらに含む、請求項２９に記載の方法。
33. 既存の生物学的原材料が非活性化された状態になるにつれて、前記複数のバイオリアクタの各バイオリアクタ内で前記生物学的原材料を補充することをさらに含む、請求項２９に記載の方法。
34. 前記第１のチャネルを通した流動は、前記第１のチャネル内の第１の入口に進入し、前記膜を通して前記第２のチャネルの中に流入する、請求項２９に記載の方法。
35. 前記第２のチャネルを通した流動は、第２の入口に進入し、前記第２のチャネルを通して流動し、第２の出口から流出する、請求項２９に記載の方法。
36. 前記生物学的原材料は、巨核球を備え、前記標的生物学的生成物は、血小板を備える、請求項２９に記載の方法。
37. 前記第１の入口マニホールドおよび第２の入口マニホールドは、前記複数のバイオリアクタのそれぞれを横断した実質的に等しい圧力降下を確実にするように構成される、請求項２９に記載の方法。
38. 前記複数のバイオリアクタを通した流路が、前記第１の入口マニホールド、前記第２の入口マニホールド、前記１つ以上の出口マニホールド、および前記複数のバイオリアクタによって画定され、前記流路は、前記複数のバイオリアクタのそれぞれを横断した実質的に等しい圧力降下を確実にするように構成される、請求項２９に記載の方法。
39. 前記複数のバイオリアクタのそれぞれを横断した前記実質的に等しい圧力降下は、前記複数のバイオリアクタのそれぞれを通した実質的に等しい流動を確実にする、請求項３８に記載の方法。
40. 前記第１のチャネル、前記第２のチャネル、または両方は、長さに沿って可変断面を有し、前記膜の全長に沿って前記膜を横断して一貫した圧力降下を付与する、請求項２９に記載の方法。
41. バイオリアクタを動作させるための方法であって、前記方法は、
    複数のスタック式バイオリアクタを備えるシステムの第１の入口マニホールドおよび第２の入口マニホールドに流体を指向することであって、各バイオリアクタは、前記第１の入口マニホールドと流体連通し、第１のチャネル流率において少なくとも１つの第１の流体を受容するように構成される第１のチャネルと、第２のチャネル流率において少なくとも１つの第２の流体を選択的に受容するように構成される前記第２の入口マニホールドと流体連通する第２のチャネルと、前記第１のチャネルと前記第２のチャネルとの間の分離障壁であって、前記分離障壁は、前記第１のチャネルと前記第２のチャネルとの間に流体連通経路を形成する複数のマイクロチャネルを有する、分離障壁と、前記複数のバイオリアクタのそれぞれの第１のチャネルおよび第２のチャネルのうちの少なくとも１つと流体連通し、前記バイオリアクタから前記第１の流体および前記第２の流体を収集する１つ以上の出口マニホールドとを備える、ことと、
    前記複数のバイオリアクタのそれぞれの第１のチャネルを通して前記第１の入口マニホールドから前記流体を分配することと、
    前記複数のバイオリアクタのそれぞれの第２のチャネルを通して前記第２の入口マニホールドから前記流体を分配することと、
    生物学的原材料のある濃度を前記流体の中に導入することと、
    前記生物学的原材料が前記複数のバイオリアクタを通して一様に分配されるように、実質的に等しい流率において前記複数のバイオリアクタのそれぞれを通して流動を循環させることと
    を含む、方法。
42. 前記バイオリアクタ内の前記生物学的原材料を剪断応力に暴露し、標的生物学的生成物を産生するように前記生物学的原材料を誘導することをさらに含む、請求項４１に記載の方法。
43. 生物学的原材料の第２の濃度を前記入口マニホールドに導入し、前記バイオリアクタ内で前記生物学的材料を補充することをさらに含む、請求項４２に記載の方法。
44. バイオリアクタであって、
    第１のチャネル流率において少なくとも１つの第１の流体を受容するように構成される第１のチャネルと、
    第２のチャネル流率において少なくとも１つの第２の流体を受容するように構成される第２のチャネルと、
    前記第１のチャネルと前記第２のチャネルとの間の分離障壁であって、前記分離障壁は、前記第１のチャネルと前記第２のチャネルとの間に流体連通経路を形成する複数のマイクロチャネルを有し、前記複数のマイクロチャネルは、前記生物学的原材料を選択的に捕捉するように定寸される、分離障壁と
    を備え、
    前記第１のチャネル、前記第２のチャネル、または両方は、前記チャネルの長さに沿って非線形に変動する可変断面を有し、前記第１の流体および前記第２の流体が前記第１のチャネルおよび前記第２のチャネルを通して循環されるとき、膜の全長に沿って前記膜を横断して一貫した圧力降下を付与する、バイオリアクタ。
45. 前記第１のチャネルまたは前記第２のチャネルのうちの少なくとも一方は、前記膜の表面に沿って一様な剪断率を付与するように定寸される、請求項４４に記載のバイオリアクタ。
46. バイオリアクタを動作させるための方法であって、
    入口マニホールドを通して流体を複数のバイオリアクタに分配することと、
    生物学的原材料が前記複数のバイオリアクタの間で分配されるように、生物学的原材料の第１の濃度を前記入口マニホールドの中に導入することと、
    前記バイオリアクタ内の前記生物学的原材料を剪断応力に暴露し、標的生物学的生成物を産生するように前記生物学的原材料を誘導することと、
    生物学的原材料の第２の濃度を前記入口マニホールドに導入し、前記生物学的原材料の第１の濃度から前記生物学的材料を補充することと
    を含む、方法。
47. 前記生物学的原材料が前記バイオリアクタの間で一様に分配されるように、前記複数のバイオリアクタの各バイオリアクタを通して前記流体の実質的に等しい流率を維持することをさらに含む、請求項４６に記載の方法。

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