JP4903252B2 - 細胞培養装置 - Google Patents

Description

本発明は、培養容器を用いて細胞を培養する細胞培養装置に関する。

従来、細胞培養の作業は、限りなく除菌されたクリーンルームの中で熟練された作業者の手により行われていた。そのため産業化に向けて細胞を大量に培養する場合、作業者の負担の増加と作業者への教育・育成に必要な時間とコスト、人為的なミスや検体の取り違え、さらに菌などを保有している人によるコンタミネーション等が生じてしまう可能性があり、それらの対策に多くのコストを要する。そのことが産業化において大きな壁となってしまう。そこで、一連の培養作業を自動化することにより、それら問題点を解決させることができる。

細胞培養における工程の自動化に関しては、細胞播種や培地交換といった培養容器内に培養液を投入する工程を自動化する例が特許文献１に記載されている。特許文献１においては、ロボットマニピュレータで培養容器とマニピュレータ側の継ぎ手を着脱することによって、継ぎ手と培養容器の接続法を実現している。その際に樹脂膜による弁を介して継ぎ手のチューブと培養容器内部を培養液の液漏れを防止し、クリーンな状態を保持したまま接続できる構成になっている。また、マニピュレータで接続した培養容器を垂直方向に立てた状態で培養液を下から供給、上から排出して液交換をしている。

また、複数個の培養容器へ定量の培養液を分滴することを効率化的に方法が考えられており、その一例が特許文献２に記載されている。これは無菌コネクタにより培養容器と流路を接続し、三方向弁により液の導通を制御して、流路で枝分かれした複数の培養容器へ液を送る手段を備えている。

特開２００６−１４９２３７号公報 特表昭６３−５０３２０１号公報

ところで、移植の方法としては、自分から採取した細胞を生体外で処理して自分に戻す自家移植と、献体など他人から採取した細胞を生体外で処理し、同種に移植する他家移植がある。自家移植においては自らの患部を治療するための必要十分量の組織を作ればよく、また採取することのできる細胞も少量であることから、一つもしくは複数個の培養容器を使用して培養が行われる。それに対して、他家移植においては献体などにより提供された多くの細胞を使用し、その細胞数を大量に増やして組織を数多く生産するため、多くの培養容器を使用して培養が行われている。

このため、他家移植などのための自動培養の細胞播種や培地交換の工程において培養容器を一つずつ処理すると多くの時間が必要となり、これはコスト面だけでなく、細胞や培地の活性が不均一になり、その他の環境ストレスが細胞に作用するため品質管理の面で問題となってしまう。よって、細胞播種や培地交換のための処理時間を減らすために、複数個の培養容器へ同時に、かつ等量の培養液を送液する方法が必要となる。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、複数個の培養容器を一度に流路と着脱することができ、その流路において適切に液を分流させて、複数の培養容器に等量の培養液を送る流体機構を提供するものである。

前記課題を解決するために、本発明では以下の手段を提供する。
１個または複数個の凹部を有して、そこへ１個または複数個の培養容器を並べて収納することのできる培養容器セットを提供する。培養容器セットにはスペースの効率から、マトリックス型にｍ×ｎ（行×列）個の培養容器をセットできるようになっている。培養容器セットには奥行き方向、幅方向それぞれにバネ型固定具が設置されており、この２つのバネ型固定具で培養容器側面を押し付けて培養容器セットに固定させ、また着脱可能にする。培養容器においてはその上面から培養液を内部へ供給・排出することができる孔を有する構成になっており、流路とその培養容器の孔を接続するための継ぎ手を有するマニピュレータを提供する。

液を送液する流路において、まずエアロック構造になっている細胞投入機構から細胞を投入し、タンクにて細胞濃度を調整する。その際、培地交換では細胞投入の工程を外す。ポンプを用いて、そのタンクから多方弁により細胞懸濁液を分液して、培養容器セットの培養容器へ送液する。その際、他方弁の出口において電磁弁一つ当たり水平方向に対して等しい高さのｍ個の出口を持ったブロックをｎ個用意して、電磁弁のＯＮ、ＯＦＦでそのブロック単位で、水平方向に対して等しい高さにある培養容器へ液を同時に入れる。その際、出口側のセンサにより、出口方向の電磁弁を制御し、等量の培地送液ができるようにして、課題を実現することができる。

即ち、本発明による細胞培養装置は、液体を収める液体容器と、液体導入口及び液体取出口を各々備えた複数の培養容器を保持する培養容器セットと、培養容器セットに保持された複数の培養容器の液体導入口に液体容器に収められた液体を導入し、複数の培養容器の液体取出口から液体を排出する、液体導入排出手段と、複数の液体導入口及び複数の液体取出口と、液体導入排出手段とを接続する接続部材と、培養容器セットを保持する培養セット保持部と、培養容器セット保持部に接続され、第一の回転軸を有する姿勢変更手段と、を備えている。

また、上記接続部材は第二の回転軸を有している。姿勢変更手段は、第一の回転軸と、第二の回転軸が同一軸上に重なるように接続させる接続部材を有する。上記接続部材は、姿勢変更手段に設けられた接続溝であり、接続部材内に第二の回転軸が存在することを検知するための検知手段を有している。

状態変更手段は、液体導入排出手段の動作時に、培養容器セットをその中心線を回転軸として水平状態から垂直状態に姿勢変更させる。そして、培養容器セットが垂直状態にあるとき、複数の液体取出口と複数の液体導入口とは鉛直方向に間隔を隔てて配置されるようになっている。

なお、培養容器セットは、ｍ×ｎ個（ｍは２以上の整数、ｎは１以上の整数）の培養容器を保持することができる。培養容器セットが垂直状態にあるとき、ｋ段目（ｋは１≦ｋ≦ｎの整数）にあるｍ個の培養容器において、液体導入排出手段による送液の圧力が複数の液体導入口においてそれぞれ同一となっている。また、培養容器セットが垂直状態にあるとき、ｋ段目にあるｍ個の培養容器において、液体導入排出手段による排液の圧力が複数の取出口においてそれぞれ同一となっている。さらに、培養容器セットが垂直状態にあるとき、ｋ段目にあるｍ個の培養容器の複数の液体導入口、及び複数の取出口は、それぞれ同一の高さにある。

液体導入排出手段は、複数の送液及び排液用の流路を有し、複数の送液及び排液用の流路の断面積はそれぞれ等しく、ｋ段目の流路の長さは互いに等しくなっている。そして、接続部材を構成する複数の流路の断面積はそれぞれ等しい。

細胞培養装置は、さらに、液体導入排出手段による複数の培養容器への送液動作を、ｋ段目のｍ個の培養容器毎に切り換えるスイッチ手段を備えている。またさらに、細胞培養装置は、液体導入排出手段によって液体が導入されたｍ個の培養容器の取出口からの液体の排出を検知するセンサを備えており、センサが前記液体の排出を検知した場合に、スイッチ手段は、次の段のｍ個の培養容器へ送液するように液体導入排出手段の動作を切り換える。

さらに、細胞培養装置は、液体導入排出手段が予定量の液体を複数の培養容器に送液した場合、センサが全ての培養容器の取出口からの液体の排出を検知したか否かを判断し、全ての取出口からの液体の排出を検知していないときに、警告を発生する制御手段を備えるようにしても良い。

さらなる本発明の特徴は、以下本発明を実施するための最良の形態および添付図面によって明らかになるものである。

本発明によれば、複数個の培養容器を一度に流路と着脱することができ、その流路において適切に液を分流させて、複数の培養容器に等量の培養液を送ることができる。よって、効率よく細胞を培養することが出来る。

本発明の実施形態による細胞培養装置の概略構成を示す図である。 内部に１つもしくは複数の凹部を有し、２個のバネ型金具により培養容器を固定することのできる培養容器セットの概略構成を示す図である。 流路に接続した継ぎ手と培養容器セットとの接続に関する概念図（１）である。 流路に接続した継ぎ手と培養容器セットとの接続に関する概念図（２）である。 流路に接続した継ぎ手と培養容器セットとの接続に関する概念図（３）である。 流路に接続した継ぎ手と培養容器セットとの接続に関する概念図（４）である。 継ぎ手と培養容器セットの接続したときの流路（部分的並列型）に関する概念図を示す図である。 流路を実現するための他方弁の流路構成図である。 流路内の多方弁の全体構成図である。 多方弁の内部の流路と弁部の詳細構成図である。 本発明の実施形態による送液システムのブロック構成を示す図である。 本発明の実施形態による送液システムの動作を説明するためのフローチャートである。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。ただし、本実施形態は本発明を実現するための一例に過ぎず、本発明の技術的範囲を限定するものではないことに注意すべきである。また、各図において共通の構成については同一の参照番号が付されている。

＜細胞培養装置の構成＞
図１は、本発明の実施形態による細胞培養装置１の概略構成を示す図であり、特に複数枚の培養容器１０へ注液する培養室１４内部の送液システム全体を表している。
細胞培養装置１は、培養室１４と、培養室１４内に細胞入り培養液１５を投入するためのエアロック室１６と、廃液２５を回収するための廃液容器２４と、を備えている。エアロック室１６は、外部扉１６１及び内部扉１６２を備え、細胞入り培養液１５を投入する際に培養室１４内が汚染されないようになっている。また、細胞培養装置１は、培養室１４内に、複数の培養容器１０を収容する培養容器セット２０と、各培養容器１０について培養液１５や洗浄液等を注液及び廃液するための継ぎ手３０と、培養液１５の流れを切り替えるための多方弁４０と、継ぎ手３０と多方弁４０との間に設けられた流路３１（複数のチューブ４２で構成されている）と、希釈用培養液１８１を収容する培養液容器１８と、エアロック室１６と培養液容器１８とに接続され、細胞入り培養液１５を希釈するためのタンク１９と、細胞入り培養液１５をタンク１９に移動するためのポンプ１７と、培養容器１０の廃液口から出てくる液を感知する液面センサ１０４と、チューブ４２を閉じるための電磁弁１０５と、液面センサ１０４の感知結果によって電磁弁１０５を制御するための制御装置１０６と、を備えている。

＜培養容器と培養容器セットの構成＞
図２は、本実施形態による培養容器１０と培養容器セット２０との接続を表した概略図である。
図２に示されるように、培養容器セット２０は１つもしくは複数の凹部２１を有しており、そこに培養容器１０がセットされる。その際、各培養容器１０は、凹部２１内にある２個のバネ型固定具２２を使用して培養容器側面１３をＰ方向（図２参照）に押し付けて、凹部２１に固定される。バネ型固定具２２は培養容器セット２０の凹部２１の底面、もしくは側面に固定されている。また、バネ型固定具２２はお互い垂直方向に設置されており、培養時に高湿度環境内でさびないようにステンレスのような強度を有する素材を使用する。凹部２１に培養容器１０をセットすると、培養容器側面１３をバネ型固定具２２が２方向の力で押す（合成されてＰ方向の力となる）ことにより、培養容器１０をセットした際の培養容器１０の水平方向の位置精度を高めることができる。さらに、それにより培養容器側面１３全てに力がかかり、外力などが加わった際に垂直方向への移動や、培養容器１０が培養容器セット２０から外れることを防止できる。培養容器１０の取り外しのために培養容器セット２０にある取り外し穴２３を使用する。

培養容器１０は、内部に閉鎖系で細胞を培養するための培養空間１１を持ち、ここに培養液を入れて細胞が培養される。また、培養容器１０は、外部から培養液を内部に注液や廃液を行うための１対の接続穴１２を培養容器１０の上面部に有する。培養液を注液する際、一方の接続穴１２（注液口）から培養液を注入し、他方の接続穴１２（廃液口）から廃液乃至排気をする。培養容器１０は上面部に接続穴１２があるため、培養容器セット２０に設置した培養容器１０は全て培養容器セット２０の上面部に接続穴１２が配置されることとなる。そのために、流路３１に接続している継ぎ手３０と、培養容器セット２０上面部とを接続することで、流路３１と培養容器１０とを接続することができる。

継ぎ手３０と接続した培養容器セット２０はマニピュレータ３２により水平方向から垂直方向に立てられ、２つの接続穴１２のうち下となった接続穴（注液口）から培養液等が導入され、注液が行われる。そのために、培養容器セット２０に設置する全ての培養容器１０は立てたときに、培養容器１０の下側の接続穴１２である注液口１２１に希釈された培養液１９２の注入、培養容器１０の上側の接続穴１２である廃液口１２２で使用済培養液２５の廃液、或いは排気ができるように、各培養容器１０は培養容器セット２０に設置される。このように、下（注液口）から希釈された培養液１９２を注入して、上側（廃液口）から使用済培養液２５を廃液し、或いは排気することで、培養空間１１の内部に入った気泡を排除し、また使用済培養液２５を効率的に上側（廃液口）から出して、培養空間１１内に均一に希釈された培養液１９２を注入できるようになるのである。

＜継ぎ手と培養容器セットの接続＞
図３Ａ乃至Ｄは、継ぎ手３０と培養容器セット２０の接続に関する動作を示す概略図であり、それらを用いて、培養容器セット２０の培養容器１０へ注液するための継ぎ手３０を有するマニピュレータ３２の構成と、それによる培養容器セット２０と継ぎ手３０の接続の一連の動作について説明する。

図３Ａは接続前の状態を示している。まず、各要素の構成について説明する。継ぎ手３０はマニピュレータ３２へ回転軸３３と継ぎ手アーム３４によって接続されている。マニピュレータ３２のモータ３５によって、この継ぎ手アーム３４が上下（矢印３６方向）し、それに伴って継ぎ手３０が上下（矢印３６方向）することができるようになっている。また、継ぎ手３０は、回転軸３３を軸として水平方向から垂直方向へ回転（矢印３７方向）することができる。この際、継ぎ手３０がフリーに回転しないようにストッパ３８が設けられ、回転軸３３を係止して所望の位置において固定することができるようになっている。また、培養容器セット２０の台３９はアーム３０１と接続されている。アーム３０１はモータ３０２と接続する回転軸３０３を有する。さらに、アーム３０１には、回転軸３０３と継ぎ手３０の回転軸３３が同一線上に重なるように接続溝３０４が設けられている。

そして、図３Ｂのように、台３９に培養容器セット２０が挿入されるとセンサ３０５が培養容器セット２０の存在を感知する。次に、モータ３５が継ぎ手３０を下降させて、継ぎ手３０の回転軸３３を接続溝３０４へ移動させる。接続溝３０４内にあるセンサ３０６が、回転軸３３が接続溝３０４の内部にあることを検知すると、モータ３５の動作が止まるように（図示しないモータ制御部によって）制御される。

接続溝３０４の内部のセンサ３０６が継ぎ手３０の回転軸３３の存在を検知した場合には、図３Ｃに示されるように、継ぎ手３０と培養容器１０が接続されており、各回転軸（回転軸３３及び回転軸３０３）が同一線上に存在する状態となる。これによりアーム３０１に接続しているモータ３０２の回転軸３０３を回転（矢印３７の方向）させると、継ぎ手３０の回転軸３３も同様に回転（矢印３７の方向）することになり、台３９の上の培養容器セット２０と継ぎ手３０が接続した状態を保ったままで回転（矢印３７の方向）をさせることができる。

図３Ｄは、継ぎ手３０と培養容器１０を水平方向から垂直方向へ回転（矢印３７の方向）させ、継ぎ手３０と培養容器セット２０を鉛直方向に立てた状態を示している。この状態で、流路３１内に（希釈された）培養液を流して培養容器１０の内部へ注液する。その際、培養容器１０の下部の接続穴１２である注液口１２１から培養液を注入し、それに一対となる培養容器１０の上部の接続穴１２である廃液口１２２から廃液もしくは排気が流れ出るように構成している。

培養液を注入し終えたら、水平に戻して図３Ｂの状態として、継ぎ手３０を培養容器１０から外し、図３Ａのように完全に分離した状態として、培養液の交換や培養液内細胞の注入を終了する。

＜注液及び廃液するための流路構成＞
次に、培養容器セット２０に設置した複数枚の培養容器１０へ培養液の注入するための流路構成について説明する。最初に最も基本的な直列型、並列型についてそれぞれの長所と短所について検討する。

（１）直列型の流路構成は、１つの培養容器１０に液を入れて、その廃液口１２２を次の培養容器１０の注液口１２１につなげて、全ての培養容器１０を接続するものである。この直列型の構成には、流路や送液系が単純な構成になる長所があるが、培地交換の際に最後の培養容器１０が新鮮な培養液にならない不均一性、立てた際に高さによる圧力差ができて制御しにくく、１つの培養容器１０がカビや菌などに汚染すると全てが汚染するという短所がある。

一方、並列型の流路構成は、全ての培養容器１０を独立して並列に液を注入するものである。この並列型の構成には、１つの培養容器１０でカビや菌などの汚染が発生しても、他の培養容器１０は汚染されにくく、独立して培養液を注入するので培養液を均一に注入することができ、培養容器１０の高さによる培養容器１０ごとの注入時の圧力差が生じないという長所があるが、流路や送液系が極めて複雑になってしまうという短所がある。

本発明者らは、これらの検討結果を踏まえて、それぞれの長所を生かす方式（本実施形態）を考案するに至った。つまり、継ぎ手３０と接続された培養容器セット２０を鉛直方向に立てたときに水平方向で並ぶ培養容器１０を並列につなぎ、その単位ごとに送液する部分並列型の流路構成である。

（２）図４を参照して、部分並列型の流路３１の構成と培養容器セット２０と接続する継ぎ手３０の構成について説明する。
図４Ａに示されるように、継ぎ手３０に接続した培養容器セット２０を矢印３７の方向に回転して鉛直方向に立てたときに、水平に並ぶ培養容器１０の下側の接続穴１２を注液口１２１、上側の接続穴１２を廃液口１２２として、並列に処理できる構成にしている。つまり、図４Ｂに示されるように、１０−１、１０−２、１０−３のそれぞれのグループ単位で、並列処理されるようになっている。

培養容器セット２０を立てた状態でそれら水平に並ぶ複数の培養容器１０を垂直方向に追加して並べることで、流路や送液系が単純な構成になるという直列型の長所が得られ、また全体の汚染のされにくさや培養液の均一注入、培養容器１０の高さによる圧力差がないという並列型の長所を有した構成となる。

＜並列型送液・廃液システムの動作＞
続いて、図１に戻り、その部分並列型の流路３１を実現する全体の流路を有する注液・廃液システムにおける培養液の流について説明する。

細胞入り培養液１５は、細胞培養装置１に設置しているエアロック室１６の外部扉１６１から投入されて、エアロック室１６に入る。そして、エアロック室１６の内部扉１６２が開いて、そこからモータ駆動で流路マニピュレータ１６３が下がり、ポンプ１７により細胞入り培養液１５を吸ってタンク１９へ移動させる。また、ポンプ１７により希釈用培養液１８１をタンク１９に移動して、細胞の密度を調整する。その際にタンク液面センサ１９１でタンク１９内培養液１９２の量をモニタする。ここで、培地交換の際には、細胞入り培養液１５の送液工程は必要なく、希釈用培養液１８１のみをタンク１９へ移動させる。

そして、ポンプ１７によりタンク１９から希釈された培養液１９２を多方弁４０に送液する。その後、電磁弁４１からなる多方弁４０により希釈された培養液１９２を分液して、培養容器１０内へ希釈された培養液１９２を送液する。ここで、多方弁４０から培養容器１０の注液口１２１までの垂直方向の高さｙ１を有す培養容器１０（培養容器グループ１０−１）のみへ同時に送液する。図１のｙ１＋ｙ２（培養容器グループ１０−２）、ｙ１＋ｙ２＋ｙ３（培養容器グループ１０−３）についても同様に送液する。ここで、各グループで使用するチューブ４２やコネクタ４３の径など、高さ以外で圧力による差が出ないように全て同じとする。また、同一グループ内では、注液位置及び廃液位置（高さ）が同一に設定されているので、注液時及び廃液時の圧力差が生じないような構成となっている。

培養容器１０の廃液口１２２から出てきた余分の培養液は、使用済培養液２５として液面センサ１０４により感知される。そして、その感知した結果に基づいて、制御装置１０６がチューブ４２をピンチバルブ型のような電磁弁１０５で閉じる。これにより、同時送液している他の培養容器１０へ希釈された培養液１９２を入れやすくする。ここで、同じ送液系の電磁弁１０５が閉じたら（同一グループの全ての培養容器の廃液口から余分の培養液が出てきて電磁弁１０５が閉じた場合）、多方弁４０の電磁弁４１を別の弁に切り換えて、別の高さの培養容器１０（他の培養容器グループ）へ送液する。その際、同じ送液系の全ての電磁弁１０５が閉じずに、当該培養容器グループにおける全ての培養容器１０を満たすことのできる量の培養液１９２を送液していたら、液漏れとしてエラーを表示することとする。全ての培養容器グループの電磁弁１０５が閉じたら作業終了として、継ぎ手３０と培養容器セット２０を外して、培養を続ける。流路３１内に残った廃液は全て、廃液容器２４へ移動する。

＜多方弁の構成＞
図５乃至７を用いて、多方弁４０の構成について説明する。本実施形態における多方弁４０は、１ポートの入口及び９ポートの出口を有している。また、培養容器セット２０は、縦３枚及び横３枚で計９枚の培養容器１０をセットできる構成とする。なお、多方弁４０においては、同じ方式で最大２０ポートまで増やすことができる。

図５は流体回路を示している。培養容器セット２０を鉛直方向に立てた際（図３Ｄ参照）、水平方向の同一培養溶液グループに含まれる培養容器は３枚であることから、多方弁４０では、１つの電磁弁４１が並列３ポートを有し、垂直方向が３列であるから並列３ポートを有する電磁弁４１を３セット設けられ、計９ポートとなっている。ポート番号Ａで培養液１９２を多方弁４０に入れ、ポート番号Ｂ、Ｃ、Ｄが電磁弁ＳＶ１（４０１）で並列、ポート番号Ｅ、Ｆ、Ｇが電磁弁ＳＶ２（４０２）で並列、ポート番号Ｈ、Ｉ、Ｊが電磁弁ＳＶ３（４０３）で並列に培養液１９２を排出できるようになっている。

図６は、各ポートと各電磁弁４１の配置及び構成を三次元的に示した図である。図７Ａは多方弁４０の上面図であり、図７Ｂは各電磁弁４１の内部構成を示す図である。

多方弁４０は、流路４１３のあるマニホールド４４とダイアフラム型４１７の電磁弁４１により構成されている。この電磁弁４１はバネ４１１で栓４１２を流路４１３に押し付けて通常クローズ（ＮＣ）の状態となっているが、ソレノイド４１４に電線４１５からの電気を通して磁界を形成すると、永久磁石４１６が上がって栓４１２が外れることにより、流路４１３がオープンになる。電気を止めるとバネ４１１により永久磁石４１６が下がって栓４１２がされる。そして、外部からのチューブ４２とマニホールド４４とはコネクタ４３によって接続されている。まずタンク１９からの培養液１９２は、Ａにてマニホールド４４内部に入るが全ての電磁弁４１はクローズしているため液は流れない。制御装置から電気が流れて、例えば電磁弁ＳＶ１（４０１）がオープンになるとコネクタＢ、Ｃ、Ｄから培養液１９２が等量流れる。ここで、高さの違いから生じる圧力差をなくすために、マニホールド４４底面からコネクタ４３までの高さは全て等しい。

＜送液動作のソフトウェア的実現＞
本発明では、以上説明した送液動作を、コンピュータプログラムを用いて実現することができる。図８は、本発明の実施形態による送液システム全体においてコンピュータ制御に関連する部分の構成を示すブロック図である。図８における各ブロックはバス１００によって接続されている。図９は、送液システムの動作を説明するためのフローチャートである。

（１）図８において、ＣＰＵ１０１は送液システムの動作全体を制御し、少なくとも図９
に示すフローチャートによる動作の制御主体となるものである。つまり、ＣＰＵ１０１は、システムの動作開始によりＲＯＭ１０２に格納されている図９のフローチャートに基づく制御プログラムを読み出し、ＲＡＭ１０３上に展開し、システム全体を制御する。なお、制御装置１０６の動作をＣＰＵ１０１に実行させることも可能である。

ポンプ１７は、流路内で培養液を移動させるのに用いられる。ＣＰＵ１０１によりポンプ１７を正転、逆転させたり、速度を変化させたりすることができる。タンク液面センサ１９１は細胞にダメージを与えないような帯域の光などで、タンク１９内に液体が入っているとそれを感知して、制御部に信号を送る。廃液液面センサ１０４はチューブ４２に接続して、チューブ４２内に液体が満たされているかを感知して、制御装置１０６に信号を送る。初期に培養容器１０に培養液の入っていない細胞播種用、初期に培養液が入っている培地交換用でそれぞれ異なる。多方弁電磁弁４１と電磁弁１０５において、それぞれセンサからの信号により、ソレノイドへ電気を流して弁の開閉をおこなうものである。

入力部１０７は、例えば利用者が培養容器の搬出入を指示するためのものであり、キーボードやマウス等が該当する。表示部１０８は、例えば培養システムが動作中であることや利用者からの指示内容等を表示するためのものであり、ＣＲＴや液晶ディスプレイ等が該当する。

（２）続いて、図９を用いて図８のような構成を備える送液システムの動作につて説明する。ここでは送液システムで主要な動作をする培地交換について説明する。細胞の入った培養液１５は本工程の前にポンプ１７でタンク１９に送液する。なお、特に断らない限り、動作主体はＣＰＵ１０１である。

培地交換が必要な時間になる（ステップＳ９０１）と、ポンプ１７を動作させて培養液１８１をタンク１９へ送液する（ステップＳ９０２）。そして、タンク１９内に培養液１８１が入ったことをセンサ１９１で感知し（ステップＳ９０３）、培養液１９２の量を判断する（ステップＳ９０４）。所定量の培養液１９２が入ったなら処理はステップＳ９０５に移行し、まだ完全に培養液１９２が入っていない場合にはステップＳ９０３に戻りポンプ１７を作動し続ける。ここで、培養液１９２の液面は液面センサ１９１によって検出され、その検出結果がＣＰＵ１０１に伝えられる。

ステップＳ９０４で培養液１９２が全て入った判断された場合には、ポンプ１７の動作が停止される（ステップＳ９０５）。送液に必要な多方弁４０の電磁弁４１に電流を流して流路４１３を開けて（ステップＳ９０６）ポンプ１７を動作させ、タンク１９内の培養液１９２を培養容器１０の内部へ送る（ステップＳ９０７）。ここまでに、培養容器セット２０と継ぎ手３０の接続は終えており、培養容器セット２０は図３Ｄのように立った状態にある。

培養容器１０内部の培養空間１１に培養液１９２が満たされて、廃液口１２２からチューブ４２を通って余分な培養液或いは使用済培養液２５が出てきて、廃液センサ１０４がそれを感知したら（ステップＳ９０８）、そのチューブ４２にある電磁弁１０５に電流を通して（ステップＳ９０９）、その流路４１３を閉じて、余分な培養液の排出を止める。並列で入れている培養容器１０（同一の培養容器グループ）において、廃液口１２２から出たチューブ４２の廃液センサ１０４が感知して、電磁弁１０５に電流が流れていなければステップＳ９０８へ戻り、ポンプ１７動作し続けて希釈された培養液１９２を流し続ける。ただし、全ての希釈された培養液１９２が交換できる量を流しても、全ての電磁弁１０５が動作していなければ、液漏れか装置の故障であると考えられるので、表示部にエラーコードを出す。ステップＳ９１０で全ての電磁弁１０５が動作したと判断したらステップＳ９１１に進み、ポンプ１７を停止させ、多方弁４０の電磁弁４１を閉じる（ステップＳ９１１）。多方弁４０の全ての電磁弁４１が動作していなければ、動作していない電磁弁４１をあけて（ステップＳ９１４）、ステップＳ９０７へ移動する。ステップＳ９１２で全ての電磁弁４１が作動したと判断したら、ステップＳ９１３に進み、送液作業を終了する。

なお、実施形態の機能は実現するソフトウェアのプログラムコードによっても実現できる。この場合、プログラムコードを記録した記憶媒体をシステム或は装置に提供し、そのシステム或は装置のコンピュータ（又はＣＰＵやＭＰＵ）が記憶媒体に格納されたプログラムコードを読み出す。この場合、記憶媒体から読み出されたプログラムコード自体が前述した実施形態の機能を実現することになり、そのプログラムコード自体、及びそれを記憶した記憶媒体は本発明を構成することになる。このようなプログラムコードを供給するための記憶媒体としては、例えば、フロッピィ（登録商標）ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、ハードディスク、光ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−Ｒ、磁気テープ、不揮発性のメモリカード、ＲＯＭなどが用いられる。

また、プログラムコードの指示に基づき、コンピュータ上で稼動しているＯＳ（オペレーティングシステム）などが実際の処理の一部又は全部を行い、その処理によって前述した実施の形態の機能が実現されるようにしてもよい。さらに、記憶媒体から読み出されたプログラムコードが、コンピュータ上のメモリに書きこまれた後、そのプログラムコードの指示に基づき、コンピュータのＣＰＵなどが実際の処理の一部又は全部を行い、その処理によって前述した実施の形態の機能が実現されるようにしてもよい。

また、実施の形態の機能を実現するソフトウェアのプログラムコードをネットワークを介して配信し、そのコードをシステム又は装置のハードディスクやメモリ等の記憶手段又はＣＤ-ＲＷ、ＣＤ-Ｒ等の記憶媒体に格納し、そのシステム又は装置のコンピュータ(又はＣＰＵやＭＰＵ)が当該記憶手段や当該記憶媒体に格納されたプログラムコードを読み出して実行するようにしてもよい。

＜まとめ＞
本発明の実施形態による流路構造においては、水平方向で等しい高さにある培養容器全てに一つの電磁弁を割り当て、ブロック単位で、その電磁弁のＯＮ、ＯＦＦ制御をすることで等量の液を同時に送液する。これにより、複数個のカートリッジへ同時に送液することができる。よって、流路システム全体の効率化と送液時間の短縮を図ることができ、それにより温度や水圧による外力など細胞に与えるダメージを最小限に抑えることができる。

ここで、同時送液をする培養容器と電磁弁からの出口がそれぞれ水平方向に対して等しい高さにするのは、パスカルの原理により培養容器の高さでその高さ分の水筒差からくる培地注入量の差を排除するためである。このとき、電磁弁から培養容器までの流路の径と長さは全て等しいものとする。このようにすることにより、各培養容器への送液時の圧力を等しくすることができる。

また、培養容器と継ぎ手が着脱できるようになっている。よって、流路内の洗浄を可能にして、たんぱく質などの固化による流路内のつまりを排除することができる。

さらに、培養容器と継ぎ手が接続しなければ閉鎖系の培養容器で、培養容器と継ぎ手を接続すれば流路を通すことができる。そのため、菌やカビなどが入らずにクリーンな状態で送液できる。

また、送液後の流路にセンサを設け、出口側の電磁弁でセンサの検知結果に基づいて、流路の閉鎖をするようにしてもよい。これにより、必要な培地量を減らすることができ、効率性を上げることを可能にする。

なお、実施形態では述べていないが、本発明では、培養容器セットと継ぎ手の形状を変えることができるようになっている。これによって、様々な形状の培養容器や一個または複数の培養容器に対応することを可能となる。従って、培養の対象となる組織ごとに培養容器が異なる場合においても、本システムを利用することができ、非常に柔軟な細胞培養システムを構築することができる。

本発明は、培養容器セットや多方型電磁弁により、上記のように一個もしくは複数個の培養容器へ、さらに継ぎ手と培養容器セットの形状を変えるだけで、様々な培養条件に対応することができる。これにより、無人化による高いクリーン度が要求されている細胞培養作業の自動化において、汎用性をもち、また大量の培養容器に対応でき、高効率で均一に培地を注液することができるため、細胞移植や再生医療などの産業において需要が高く、利用可能性は高いことが予想される。

１・・・細胞培養装置、１０・・・培養容器、１１・・・培養空間、１２・・・接続穴、１２１・・・注液口、１２２・・・廃液口、１３・・・培養容器側面、１４・・・培養室、１５・・・細胞入り培養液、１６・・・エアロック室、１６１・・・外部扉、１６２・・・内部扉、１６３・・・流路マニピュレータ、１７・・・ポンプ、１８・・・培養液容器、１８１・・・培養液（希釈用）、１９・・・タンク、１９１・・・液面センサ、１９２・・・希釈された細胞入り培養液、２０・・・培養容器セット、２１・・・凹部、２２・・・バネ型固定具、２３・・・取り外し穴、２４・・・廃液容器、２５・・・使用済培養液（廃液）、３０・・・継ぎ手、３１・・・流路、３２・・・マニピュレータ、３３・・・回転軸、３４・・・継ぎ手アーム、３５・・・モータ、３６・・・上下方向、３７・・・回転方向、３８・・・ストッパ、３９・・・台、３０１・・・アーム、３０２・・・モータ、３０３・・・回転軸、３０４・・・接続溝、３０５・・・センサ、３０６・・・センサ、４０・・・多方弁、４１・・・電磁弁、４２・・・チューブ、４３・・・コネクタ、４４・・・マニホールド、４０１・・・電磁弁、４０２・・・電磁弁、４０３・・・電磁弁、４１１・・・バネ、４１２・・・栓、４１３・・・流路、４１４・・・ソレノイド、４１５・・・電線、４１６・・・永久磁石、４１７・・・ダイアフラム

Claims (12)

1. 培養容器を用いて細胞を培養する細胞培養装置であって、
   液体を収める液体容器と、
   液体導入口及び液体取出口を各々備えた複数の培養容器を保持する培養容器セットと、
   前記培養容器セットに保持された前記複数の培養容器の前記液体導入口に前記液体容器に収められた前記液体を導入し、前記複数の培養容器の前記液体取出口から前記液体を排出する、液体導入排出手段と、
   前記複数の液体導入口及び前記複数の液体取出口と、前記液体導入排出手段とを接続する接続部材と、
   前記培養容器セットを保持する培養セット保持部と、
   前記培養容器セット保持部に接続され、第一の回転軸を有する姿勢変更手段と、
   を備え、
   前記培養容器セットは、ｍ×ｎ個（ｍは２以上の整数、ｎは２以上の整数）の培養容器を保持することが可能であり、
   前記姿勢変更手段により前記培養容器セットが姿勢変更したときに、ｋ段目（ｋは１≦ｋ≦ｎの整数）にあるｍ個の培養容器において、前記液体導入排出手段による送液の圧力が前記複数の液体導入口においてそれぞれ同一であることを特徴とする細胞培養装置。
2. 前記接続部材は第二の回転軸を有し、
   前記姿勢変更手段は、前記第一の回転軸と、前記第二の回転軸が同一軸上に重なるように接続させる接続部材を有することを特徴とする請求項１に記載の細胞培養装置。
3. 前記接続部材は、前記姿勢変更手段に設けられた接続溝であることを特徴とする請求項１に記載の細胞培養装置。
4. 前記接続部材は、当該接続部材内に前記第二の回転軸が存在することを検知するための検知手段を備えることを特徴とする請求項２または３に記載の細胞培養装置。
5. 前記状態変更手段は、前記液体導入排出手段の動作時に、前記培養容器セットをその中心線を回転軸として水平状態から垂直状態に姿勢変更させ、
   前記培養容器セットが垂直状態にあるとき、前記複数の液体取出口と前記複数の液体導入口とは鉛直方向に間隔を隔てて配置されることを特徴とする請求項１に記載の細胞培養装置。
6. 前記培養容器セットが垂直状態にあるとき、ｋ段目にある前記ｍ個の培養容器において、前記液体導入排出手段による排液の圧力が前記複数の取出口においてそれぞれ同一であることを特徴とする請求項５に記載の細胞培養装置。
7. 前記培養容器セットが垂直状態にあるとき、前記ｋ段目にある前記ｍ個の培養容器の前記複数の液体導入口、及び前記複数の取出口は、それぞれ同一の高さにあることを特徴とする請求項６に記載の細胞培養装置。
8. 前記液体導入排出手段は、複数の送液及び排液用の流路を有し、
   前記複数の送液及び排液用の流路の断面積はそれぞれ等しく、
   前記ｋ段目の前記流路の長さは互いに等しいことを特徴とする請求項７に記載の細胞培養装置。
9. 前記接続部材を構成する複数の流路の断面積はそれぞれ等しいことを特徴とする請求項８に記載の細胞培養装置。
10. さらに、前記液体導入排出手段による前記複数の培養容器への送液動作を、前記ｋ段目のｍ個の培養容器毎に切り換えるスイッチ手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の細胞培養装置。
11. さらに、前記液体導入排出手段によって液体が導入されたｍ個の培養容器の取出口からの液体の排出を検知するセンサを備え、
    前記センサが前記液体の排出を検知した場合に、前記スイッチ手段は、次の段のｍ個の培養容器へ送液するように前記液体導入排出手段の動作を切り換えることを特徴とする請求項１０に記載の細胞培養装置。
12. さらに、前記液体導入排出手段が予定量の液体を前記複数の培養容器に送液した場合、前記センサが全ての培養容器の取出口からの前記液体の排出を検知したか否かを判断し、全ての取出口からの前記液体の排出を検知していないときに、警告を発生する制御手段を備えることを特徴とする請求項１１に記載の細胞培養装置。