JP5648765B2

JP5648765B2 - 培養液交換機能を備えた細胞培養装置

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Publication number: JP5648765B2
Application number: JP2014502359A
Authority: JP
Inventors: 尚史津村; 貴弘小野
Original assignee: JTEC Corp
Current assignee: JTEC Corp
Priority date: 2012-02-29
Filing date: 2013-02-28
Publication date: 2015-01-07
Anticipated expiration: 2033-02-28
Also published as: KR20140112550A; US20150010996A1; WO2013129558A1; WO2013129558A8; JPWO2013129558A1; KR101504902B1; EP2821477A1; US9212344B2; EP2821477A4; CN104169413B; EP2821477B1; CN104169413A

Description

本発明は、培養液交換機能を備えた細胞培養装置に係わり、更に詳しくはシャーレで細胞や菌類を培養するための培養液交換機能を備えた細胞培養装置に関するものである。

従来から、シャーレに培養液と細胞を入れ、上蓋をした状態で、温度や雰囲気ガスなどの環境を制御したインキュベータ内に収容して培養し、一定期間毎にインキュベータからシャーレを取り出して、分注や分離を行う作業空間に移送し、そこで培養液を交換し、再度インキュベータ内に戻すという作業を繰り返しながら細胞を培養していた。培養液交換作業を人手で行う場合、作業中に雑菌やコンタミネーションが混入しないように細心の注意を払う必要があるばかりでなく、培養液交換は２〜３日毎に交換する必要があり、また交換時期が深夜になることもあり、研究者や作業者は多大な労力と負担を強いられていた。そこで、近年は培養液を自動で交換できる自動細胞培養装置が提供されるようになった。

特許文献１には、培養カセット内にシャーレを収容保持した状態で、インキュベータ内に着脱自在に内装するとともに、密閉構造の培養カセットにガスを導入、排出するためのガス管を着脱可能に接続し、温度やガス等を制御して培養する細胞培養装置が開示されている。前記インキュベータには、自動開閉可能な開閉扉を備え、該開閉扉を開いてロボットハンドで前記培養カセットを取り出して作業室に移送した後、培養カセットの蓋体を開放して別のロボットハンドでシャーレを取り出し、作業室の所定位置にセットする。作業室にセットしたシャーレは、培養液を交換する分取・分注作業や検査作業等の処理が行われた後、前述と逆の手順で培養カセットに収容した後、培養カセットをインキュベータ内に戻すのである。ここで、作業室での分取・分注作業は、シャーレの上蓋をロボットハンドで取り外し、該シャーレ本体を作業室内で傾けて古い培養液を片側に寄せて吸引器具で液を吸い出した後、新たな培養液を満たして上蓋を取り付けるというものである。

特許文献２には、被検者の細胞培養に必要な培養操作を行うための操作部と、細胞を培養するためのインキュベータ部と、培養に必要な試薬類や培養器具類を保管する保管部と、オートクレーブ滅菌を行うための蒸気供給部と、試薬及び培養器具類の出し入れを行うための入出庫部を備え、前記インキュベータ部、前記保管部及び入出庫部は、それぞれ前記操作部に連通すると共に、前記操作部との間にそれぞれ密閉扉を備えており、該密閉扉を選択して開閉することにより、前記操作部と、該操作部に通ずる前記インキュベータ部、前記保管部及び入出庫部の何れかに前記蒸気供給部からの滅菌蒸気が供給される自動細胞培養装置が開示されている。

そして、前記操作部は、操作ロボットと、遠心分離器と、細胞培養に必要な培養操作機器とを備え、該培養操作機器には、ターンテーブルと、ピペット装置と、遠心管ハンドリング装置とが含まれ、前記細胞培養に必要な前記培養操作には、培地交換操作と継代操作とが含まれている。人手に代わって実際の培養操作を行う操作ロボットとして、特許文献３にも記載されているように、汎用的な多関節型産業用ロボットを用いている。多関節型産業用ロボットは、コンピュータ制御することにより、人手による作業と略同じ作業を行うことができ、また制御プログラムを書き換えることによって、異なる動作も行えるといった汎用性を備えているものの、非常に高価であるので、自動細胞培養装置も大掛かりで価格の高いシステムとなり、簡易に使用できるものではない。

特開２００６−０１４６７５号公報特開２００６−１１５７９８号公報特開２００６−１４９２６８号公報

そこで、本発明が前述の状況に鑑み、解決しようとするところは、少数のシャーレで細胞を培養する方式の小規模な細胞培養装置において、培養液の自動交換と細胞培養とを同じキャビティ内で行うことが可能で、装置コストを大幅に低減化する培養液交換機能を備えた細胞培養装置を提供する点にある。

本発明は、前述の課題解決のために、インキュベータ室の内部に、それぞれ回転可能な軸に固定された少なくとも上下一組の円板を水平に配置し、下側円板に細胞と培養液を入れたシャーレを保持するとともに、上側円板に上蓋を保持し、該上蓋の下方は開放されており、前記下側円板と前記上側円板を上下に接近させて前記シャーレに上蓋が被さる状態と、前記下側円板と前記上側円板を上下に離間させ且つ一方を所定角度回転させて前記シャーレから上蓋を横にずらせて一部露出した状態とを実現でき、この際に前記上側円板に形成した挿入孔に上方から培養液交換手段を前記シャーレの露出部分に挿入し、培養液を交換後、前記培養液交換手段を退避させ、前記下側円板と前記上側円板を回転と上下移動させて前記シャーレに上蓋を被せて細胞培養を継続することを特徴とする培養液交換機能を備えた細胞培養装置を構成した。

更に具体的には、本発明の培養液交換機能を備えた細胞培養装置は、インキュベータ室とその上部に駆動室とを隔壁を介して配置し、同一回転中心を持つ第１軸体と第２軸体とを同軸状に配置し、第１軸体は第２軸体に対して軸方向スライド可能且つ第１軸体と第２軸体とは所定角度だけ相対的回転可能とした回転軸体を、前記隔壁に設けた軸孔を鉛直方向に貫通させて軸受部にて支持し、前記回転軸体の第２軸体は定位位置回転可能に支持して前記駆動室の内部に配置したモータで回転駆動し、前記回転軸体の第１軸体は前記駆動室の内部に配置したリニアアクチュエータで鉛直方向に上下駆動し、前記インキュベータ室の内部で前記第２軸体の下部にシャーレを保持する下側円板を同心状に直接又は間接的に固定するとともに、前記第１軸体の下部にシャーレの上蓋を保持する上側円板を同心状に直接又は間接的に固定し、前記下側円板には、同一円周上にシャーレを載置して保持する保持部を一定回転角度毎に複数設け、前記上側円板には、前記保持部と中心を同位置にしてシャーレを受け入れる開口を形成するとともに、該開口の周縁部にシャーレの上蓋の外周部を保持する上蓋保持部を設け、更に該上蓋保持部に保持した上蓋の一側で接近した位置に挿入孔を貫通形成し、前記培養液交換手段を構成する培養液の吸引管と吐出管とを、前記隔壁を貫通させてインキュベータ室に垂下するとともに、前記駆動室の内部に設けたリニアアクチュエータで上下駆動し、前記上側円板と下側円板との相対的回転角度がゼロで上側円板が降下してシャーレに上蓋を被せた状態で細胞培養後、上側円板を上昇させ且つ上側円板に対して下側円板を所定角度だけ回転変位させてシャーレから上蓋をずらせた状態で、前記吸引管と吐出管を降下させて前記上側円板の挿入孔を通して先端を前記シャーレの内部に位置させて古い培養液を吸引管で排出した後、吐出管から新しい培養液を注入し、培養液を自動交換する構成である。

また、本発明は、シャーレを保持する下側円板と該シャーレの上蓋を保持する上側円板とを一組とし、それを上下に二組以上多段に配置し、各段の下側円板を前記第２軸体の下部に直接又は間接的に固定するとともに、各段の上側円板を前記第１軸体の下部に直接又は間接的に固定し、各段の全ての下側円板は前記第２軸体により一体として回転駆動し、各段の全ての上側円板は前記第１軸体により一体として昇降駆動し、各段に保持されたシャーレと上蓋は最上段から最下段に順に一回転方向に一定角度だけ変位した位置に保持して、上蓋をずらせた際に平面視において全てのシャーレの一部が露出するように設定するとともに、各段の上側円板にはその下方のシャーレの露出部分に対応する位置に前記挿入孔を設けるとともに、少なくとも最下段を除く各段の下側円板には下段側のシャーレの露出部分に対応する位置に通孔を設け、最上段のシャーレには最上段の上側円板の挿入孔を通して前記培養液交換手段を挿入して培養液を交換し、その他の下段のシャーレにはその上方に位置する各上側円板の前記挿入孔及び各下側円板の通孔を通して前記培養液交換手段を挿入して培養液を交換するように構成することも好ましい。

更に、本発明は、前記上側円板と下側円板との相対的回転角度がゼロで上側円板が降下してシャーレに上蓋を被せた状態で機能し、前記上側円板と下側円板とを回転に対して一体化する同調回転手段と、前記上側円板を上昇させてシャーレから上蓋を外した状態で機能し、該上側円板の回転を阻止する回転規制手段とを備えてなることも好ましい。

そして、本発明は、前記インキュベータ室の内部に位置する前記回転軸体の下部は、前記第１軸体と第２軸体の内の一方が円筒状の外側軸部で、他方がその内部に位置する内側軸部となっており、外側軸部の外周に突設した複数の固定片に、前記上側円板と下側円板の一方を固定し、内側軸部の外周に突設して前記外側軸部に形成した複数の開口部から半径方向外側に出現した複数の固定片に、前記上側円板と下側円板の他方を固定し、前記開口部はその内部で前記内側軸部の固定片が上蓋の開放動作時に相対的な上昇と所定回転角度の変位を許容する大きさを備えているものである。

また、本発明は、前記インキュベータ室の内部に位置する前記回転軸体は、最上段の上側円板の上位に前記第１軸体と第２軸体をそれぞれ上下に分離、連結可能な連結部を備えている。

また、本発明は、前記隔壁に前記吸引管と吐出管とをインキュベータ室に導入する貫通孔を形成し、前記駆動室に設けたリニアアクチュエータで上下駆動する支持杆を、前記貫通孔に通して鉛直に配置するとともに、前記支持杆の下端に固定し、インキュベータ室の内部に位置するフランジ板に前記吸引管と吐出管とを貫通させて固定し、前記支持杆を上昇させた際に前記フランジ板で前記貫通孔を気密状態に閉鎖し、前記支持杆を下降させて前記吸引管と吐出管の先端を、前記シャーレの内部に導くものである。

また、本発明は、前記回転軸体を前記隔壁に回転可能に支持する軸受部及び該回転軸体は、前記インキュベータ室を気密状態に保つガスシール機能を備えている。

そして、本発明は、前記インキュベータ室の正面に開閉扉を設けるとともに、前記下側円板の保持部と前記上側円板の上蓋保持部とを上下に位置を合わせた状態で、それぞれ外周部から保持部及び上蓋保持部にかけて指が通過可能な切欠部を形成し、前記上側円板の切欠部は前記開口に連通させてなるものである。

ここで、前記下側円板の保持部は、前記切欠部の周囲上面に形成したシャーレの底部を受け入れる凹段部である。

また、前記上側円板の上蓋保持部は、シャーレの上蓋の外周面を当止するとともに、該上蓋の下端縁を載支する３つ以上の係止爪を、前記開口の周縁部に配置してなるものである。

以上にしてなる本発明の培養液交換機能を備えた細胞培養装置は、インキュベータ室の内部で下側円板の保持部にシャーレを保持させるとともに、上側円板の上蓋保持部に上蓋を保持し、最初にシャーレの内部に細胞と培養液を入れてセットすれば、後は自動的に培養液を交換しながら細胞を培養することができ、つまり自動的に上蓋をシャーレからずらせて古い培養液を吸引管で排出した後、新しい培養液を吐出管で注入し、それから上蓋をシャーレに被せて培養を継続することができ、それらの操作をインキュベータ室の内部で行うことができるので、装置がコンパクトになるとともに、構造が簡単になり、装置コストを大幅に低減化することができ、研究者や作業者の負担を軽減することができる。

また、シャーレを保持する下側円板とシャーレの上蓋を保持する上側円板の組を多段に設ければ、小規模の細胞培養装置であるにも係わらず、比較的多数のシャーレを同時にセットして効率的に培養することができ、そして各シャーレの培養液を個別に自動的に交換することができ、また設計上における自由度が大きくなるので、シャーレの大きさやインキュベータ室の空間の広さに応じて、一段当たりのシャーレ保持個数と段数を最適に設定することができ、空間効率の高い細胞培養装置を提供できる。

また、シャーレに上蓋を被せた状態で機能し、前記上側円板と下側円板とを回転に対して一体化する同調回転手段と、前記上側円板を上昇させてシャーレから上蓋を外した状態で機能し、該上側円板の回転を阻止する回転規制手段とを備えることにより、上側円板はリニアアクチュエータで鉛直方向に上下駆動し、回転に対しては自由とし、下側円板のみをモータで回転駆動するだけの簡単な構造で、本発明の上蓋の開閉動作と培養液交換機能に対するシャーレの位置の設定といった基本機能を実現することができる。

また、前記インキュベータ室の内部に位置する前記回転軸体は、最上段の上側円板の上位に前記第１軸体と第２軸体をそれぞれ上下に分離、連結可能な連結部を備えていると、シャーレと上蓋を保持する下側円板と上側円板を回転軸体の下部とともにインキュベータ室から取り出して高度な洗浄、滅菌処理することができる。

前記回転軸体を前記隔壁に回転可能に支持する軸受部及び該回転軸体は、前記インキュベータ室を気密状態に保つガスシール機能を備えているので、オートクレーブやオゾン殺菌等の各種殺菌・滅菌処理を行う際に、インキュベータ室を気密状態にすることができ、駆動室の内部に設置したモータやリニアアクチュエータ等の駆動部を高温高圧スチームやオゾン等の各種ガスから保護することができ、また細胞培養中に駆動室からの雑菌やコンタミネーションの侵入を防ぐことができる。

そして、前記インキュベータ室の正面に開閉扉を設けるとともに、前記下側円板の保持部と前記上側円板の上蓋保持部とを上下に位置を合わせた状態で、それぞれ外周部から保持部及び上蓋保持部にかけて指が通過可能な切欠部を形成し、前記上側円板の切欠部は前記開口に連通させてなることにより、最初にシャーレに細胞と培養液を入れ、上蓋をした状態で、開閉扉を開いて、シャーレと上蓋を指で摘んで、円板にセットするときに、前記下側円板と上側円板の切欠部によって指を円板の中心方向へ進行させることができ、そして上側円板の開口からシャーレを落とし込むと、下側円板の保持部にシャーレが保持されると同時に、上側円板の上蓋保持部に上蓋が保持されるので、シャーレをセットする作業が極めて容易になる。

本発明に係る培養液交換機能を備えた細胞培養装置の第１実施形態を示し、細胞培養装置の内部構造を透視して示した一部省略全体斜視図である。同じく一部省略した縦断面図である。下段下側円板にシャーレを保持した状態の平面図である。下段上側円板にシャーレの上蓋を保持した状態の平面図である。上段下側円板に上シャーレを保持した状態の平面図である。上段上側円板に上シャーレの上蓋を保持した状態の平面図である。インキュベータ室のホルダーにシャーレをセットして培養時の状態を示す部分斜視図である。シャーレから上蓋をずらせて下段のシャーレの培養液を交換している状態を示す部分斜視図である。上シャーレから上蓋をずらせて上段の上シャーレの培養液を交換している状態を示す部分斜視図である。図８の状態の全体簡略断面図である。ホルダーに保持されたシャーレに上蓋が被さった状態の要部の部分断面図である。ホルダーに保持されたシャーレと上蓋を上下にずらせて状態の要部の部分断面図である。ホルダーに保持されたシャーレから上蓋を横にずらせて一部を開放した状態の要部の部分断面図である。本発明に係る培養液交換機能を備えた細胞培養装置の第２実施形態を示す斜視図である。第２実施形態の細胞培養装置の内部構造を示す省略正面図である。同じく縦断正面図である。同じく上方から見た一部省略斜視図である。同じく下方から見た一部省略斜視図である。回転軸体の連結部で分離したホルダーを示す斜視図である。回転軸体の下部構造を示す斜視図である。回転軸体の連結部の構造を示す分解斜視図である。回転軸体の下部構造を示す分解斜視図である。回転軸体の下部構造を示す一部分解斜視図である。最下段の下側円板と上側円板の１組を示す部分斜視図である。同じく最下段の下側円板と上側円板の１組を示す分解斜視図である。回転規制手段を構成する制御板の構造を示す回転軸体の横断面図である。回転軸体の下端を摺動案内し、回転可能に支持するガイドユニットの斜視図である。同じくガイドユニットの分解斜視図である。

次に、添付図面に示した実施形態に基づき、本発明を更に詳細に説明する。図１及び図２は本発明に係る培養液交換機能を備えた細胞培養装置の第１実施形態を示し、図３〜図６はシャーレと上蓋を保持するホルダーを構成する円板を示し、図中符号１はインキュベータ室、２は駆動室、３は隔壁、４はシャーレ、５は上蓋、６は上シャーレ、７は上蓋、８は回転軸体、９は軸受部、１０はホルダー、１１は駆動モータ、１２はリニアアクチュエータ、１３は培養液交換手段をそれぞれ示している。

本発明は、図１及び図２に示すように、インキュベータ室１とその上部に駆動室２とを隔壁３を介して配置し、該隔壁３を貫通させて回転軸体８を鉛直に配して軸受部９にて軸方向スライド可能且つ回転可能に支持し、前記インキュベータ室１の内部で前記回転軸体８の下端部にホルダー１０を設けるとともに、前記駆動室２の内部で回転軸体８の上部を駆動モータ１１で回転駆動し、前記ホルダー１０にはシャーレ４とその上蓋５、上シャーレ６とその上蓋７を複数保持できるようになっている。そして、前記隔壁３を貫通させて培養液交換手段１３を設けて、前記インキュベータ室１の内部で前記ホルダー１０に保持されたまま、シャーレ４から上蓋５を横にずらせると同時に、上シャーレ６から上蓋７を横にずらせて培養液を自動的に交換できるようになっている。

前記回転軸体８は、同一回転中心を持つ第１軸体１４と第２軸体１５とを同軸状に配置し、第１軸体１４は第２軸体１５に対して軸方向スライド可能且つ第１軸体１４と第２軸体１５とは所定角度だけ相対的回転可能としたものである。そして、前記回転軸体８の第２軸体１５は定位位置回転可能に支持して前記駆動室２の内部に配置した駆動モータ１１で回転駆動し、前記回転軸体８の第１軸体１４は前記駆動室２の内部に配置したリニアアクチュエータ１２で鉛直方向に上下駆動する。本実施形態では、第１軸体１４は円筒状の回転筒とし、第２軸体１５はその内部に位置する中心軸とするので、以下の第１実施形態では第１軸体１４を回転筒１４と表示し、第２軸体１５を中心軸１５と表示する。

更に詳しくは、前記回転軸体８は、回転筒１４の内部に中心軸１５を同軸状態で貫通させるとともに、前記中心軸１５に対して前記回転筒１４を軸方向スライド可能とし、前記回転筒１４に対して前記中心軸１５を所定角度だけ回転変位可能とした。前記回転軸体８を前記隔壁３に設けた軸孔１６を貫通させて鉛直に配置し、前記回転軸体８の中心軸１５を前記駆動室２の内部で定位置回転可能に支持するとともに、前記回転筒１４を前記駆動室２の内部で、前記軸受部９で軸方向スライド可能且つ回転可能に支持している。ここで、前記中心軸１５の上端部を前記駆動室２の内部にスラスト及びラジアル軸受（図示せず）にて定位置回転可能に支持し、前記回転軸体８及びホルダー１０の荷重を支持している。前記軸受部９は、前記回転筒１４の移動に対して制動作用（回転規制手段）と気密状態に保つシール作用を備えたものであり、例えばベアリングの上下部にＯリングによるシール部を設け、Ｏリングによって制動作用とシール作用を持たせている。前記中心軸１５は、駆動モータ１１と歯付きプーリ、タイミングベルト１７で回転駆動し、前記回転筒１４は、リニアアクチュエータ１２で鉛直方向に上下駆動する。前記駆動モータ１１は、前記中心軸１５をその回転角度を正確に調節して回転できるものであり、ステッピングモータやサーボモータを用いる。

そして、前記ホルダー１０は、前記中心軸１５の下端にシャーレ４を保持する下側円板１８の中心を固定するとともに、前記回転筒１４の下端にシャーレ４の上蓋５を保持する上側円板１９の中心を固定して構成している。前記下側円板１８には、図３に示すように、同一円周上にシャーレ４を載置して保持する保持部２０を一定回転角度毎に複数設けている。具体的には、前記下側円板１８の保持部２０は、シャーレ４の外周面を当止する３つ以上の突起２１，…で構成し、本実施形態では４つ突起２１，…がシャーレ４を取り囲むように下側円板１８の上面に突設して構成した。また、前記上側円板１９には、図４に示すように、前記保持部２０と中心を同位置にしてシャーレ４を受け入れる開口２２を形成するとともに、該開口２２の周縁部にシャーレ４の上蓋５の外周部を保持する上蓋保持部２３を設け、更に該上蓋保持部２３に保持した上蓋５の一側で接近した位置に挿入孔２４を貫通形成している。具体的には、前記上側円板１９の上蓋保持部２３は、シャーレ４の上蓋５の外周面を当止するとともに、該上蓋５の下端縁を載支する３つ以上の係止爪２５，…を、前記開口２２の周縁部に配置して構成し、本実施形態では開口２２の周縁部に４つの係止爪２５，…を、上蓋５を取り囲むように上側円板１９の上面に突設している。本実施形態では、６つのシャーレ４，…と上蓋５，…をセットできるようになっている。

前記培養液交換手段１３を構成する培養液の吸引管２６と吐出管２７とを、前記隔壁３を貫通させてインキュベータ室１に垂下するとともに、前記駆動室２の内部に設けたリニアアクチュエータ２８で上下駆動し、前記上側円板１９と下側円板１８との相対的回転角度がゼロで上側円板１９が降下してシャーレ４に上蓋５を被せた状態で細胞培養後、上側円板１９を上昇させ且つ上側円板１９に対して下側円板１８を所定角度だけ回転変位させてシャーレ４から上蓋５をずらせた状態で、前記吸引管２６と吐出管２７を降下させて前記上側円板１９の挿入孔２４を通して先端を前記シャーレ４の内部に位置させて古い培養液を吸引管２６で排出した後、吐出管２７から新しい培養液を注入し、培養液を自動交換する。この場合、前記吸引管２６で古い培養液を吸引する際に、前記吐出管２７の先端が古い培養液に接触しないように、該吐出管２７の先端は吸引管２６の先端よりも若干高い位置に設定されている。

本実施形態では、２枚で一組の円板を上下に二組水平に配置し、下段の一組の円板を前記下側円板１８と上側円板１９としてそれぞれ下段下側円板１８と下段上側円板１９とし、上段の一組の円板を上段下側円板２９と上段上側円板３０とし、上段下側円板２９の中心を前記回転筒１４に遊挿し且つ前記中心軸１５に対して固定的に設けるとともに、上段上側円板３０の中心を前記回転筒１４に固定し、上段下側円板２９は下段下側円板１８の保持部２０より中心側に立設した複数の連結杆３１，…に連結して一体化するとともに、下段上側円板１９には前記連結杆３１を挿通し且つ該連結杆３１の相対的変位を許容する逃し孔３２，…を形成している。

そして、前記同様に、上段下側円板２９には、図５に示すように、前記下段下側円板１８の保持部２０と同じ位置に前記シャーレ４よりも小型の上シャーレ６を載置して保持する第２保持部３３，…を複数設け、該第２保持部３３はシャーレ６の外周面を当止する４つの突起３４，…で構成している。前記シャーレ４の一部は前記上シャーレ６の側方に上下に露出するようになっている。また、上段上側円板３０には、図６に示すように、前記保持部２０と中心を同位置にして上シャーレ６を受け入れる開口３５を形成するとともに、該開口３５の周縁部に上シャーレ６の上蓋７の外周部を保持する上蓋保持部３６を設け、更に該上蓋保持部３６に保持した上蓋７の一側で接近した位置に挿入孔３７を貫通形成している。前記同様に、前記上蓋保持部３６は、４つの係止爪３８，…で構成している。

更に、上段下側円板２９で第２保持部３３に保持した上シャーレ６の一側で接近した位置に通孔３９を形成し、前記回転筒１４を上昇させることにより、下段上側円板１９と上段上側円板３０を上昇させ且つ前記中心軸１５を回転させることにより、下段上側円板１９と上段上側円板３０に対してそれぞれ下段下側円板１８と上段下側円板２９を所定角度だけ回転変位させてシャーレ４と上シャーレ６からそれぞれ上蓋５，７をずらせた状態で、上段上側円板３０の挿入孔３７と上段下側円板２９の通孔３９と下段上側円板１９の挿入孔２４とが上下に連通し、前記吸引管２６と吐出管２７とが挿入可能である。

尚、下段のシャーレ４と上段の上シャーレ６は、同じ大きさのものを用いることも可能である。上蓋５，７を開けた場合でも上下段のシャーレ４，６の位置関係は変わらないので、予め上下段のシャーレ４，６の位置を回転方向にずらせておけば、下段のシャーレ４も一部が露出するので、前記培養液交換手段１３で培養液を交換することができる。

本実施形態では、上下二段で各段に６つのシャーレをセットできる構造を示したが、同様の構造で上下四段程度まで増やすことができ、一段当たりに保持できるシャーレの個数を制限すれば、更に段数を増やすことができる。逆に、段数を二段程度にすれば一段当たりに保持できるシャーレの数を例えば８つに増やすことができる。段数を増やしてもシャーレを保持する下段下側円板１８と、下から奇数番目の円板とは連結杆３１，…で連結され、最上位の円板を除き下から偶数番目の上蓋を保持する円板には該連結杆３１の変位を許容する逃し孔３２を形成する。更に、最下位の円板を除き各円板には、上蓋を横にずらせて開いた状態で、その下方に位置する全てのシャーレの一部が露出するように挿入孔２４，３７や通孔３９と同様な機能の孔を形成する。一段当たりのシャーレの個数や段数は、シャーレの大きさや、インキュベータ室１の空間を効率良く使用するために最適に設定する。

そして、前記培養液交換手段１３を図１及び図２に基づいて更に詳しく説明すると、前記隔壁３に前記吸引管２６と吐出管２７とをインキュベータ室１に導入する貫通孔３Ａを形成し、前記駆動室２に設けたリニアアクチュエータ２８で上下駆動する支持杆４０を、前記貫通孔３Ａに通して鉛直に配置するとともに、前記支持杆４０の下端に固定し、インキュベータ室１の内部に位置するフランジ板４１に前記吸引管２６と吐出管２７とを貫通させて固定し、前記支持杆４０を上昇させた際に前記フランジ板４１で前記貫通孔３Ａを気密状態に閉鎖し、前記支持杆４０を下降させて前記吸引管２６と吐出管２７の先端を、前記シャーレ４又は上シャーレ６の内部に導くことができるようになっている。具体的には、前記隔壁３の下面で前記貫通孔３Ａの周囲にＯリングをＯリング溝に嵌着しておき、前記フランジ板４１の上面をＯリングに圧接することで気密状態に閉鎖できるようになっている。また、前記吸引管２６には、前記駆動室２の内部で吸引ポンプ４２が接続され、外部の廃液タンクに排出する。一方、前記吐出管２７には、前記駆動室２の内部で吐出ポンプ４３が接続され、外部の保冷庫に収容した培養液タンクから新しい培養液を供給する。

更に、図１及び図２に示すように、前記回転筒１４に垂直部４４Ａと水平部４４Ｂを有するＬ字状のガイド溝４４を形成するとともに、前記中心軸１５に突設したピン４５を前記ガイド溝４４に係合させて、前記回転筒１４と中心軸１５を一体に回転させたり（同調回転手段）、回転筒１４に対して中心軸１５を所定回転角度だけ回転変位させたりすることができるようになっている。つまり、前記ガイド溝４４の垂直部４４Ａの上部に前記ピン４５が位置した際に、前記上側円板１９，３０は最下降して前記シャーレ４、上シャーレ６にそれぞれ上蓋５，７が被さった状態となるとともに、前記中心軸１５を回転駆動すると前記回転筒１４も一体となって回転可能な態様となり（図１１参照）、それからリニアアクチュエータ１２を駆動して前記回転筒１４を上昇させるとピン４５がガイド溝４４の垂直部４４Ａの下端、つまり水平部４４Ｂの一端に位置し、もって上蓋５，７が持ち上がり（図１２参照）、その状態で前記中心軸１５を回転駆動すると、該ピン４５がガイド溝４４の水平部４４Ｂの他端に来るまで、回転規制手段によって回転筒１４は静止したまま中心軸１５だけを所定角度だけ回転させることができ、前記シャーレ４、上シャーレ６から上蓋５，７をずらせた状態にすることができる（図１３参照）。ここで、前記軸受部９に制動作用を持たせ、前記ガイド溝４４とピン４５を用いる代わりに、適所に前記回転筒１４の回転のみを制限するクランプ機構を設けても良い。更に、前記回転筒１４と中心軸１５とが一体となって回転できるように、回転筒１４と中心軸１５との間に係脱する連動機構を設けても良い。

そして、図１、図３〜図６に示すように、前記インキュベータ室１の正面に開閉扉４６を設けるとともに、前記下側円板１８，２９の保持部２０，３３と前記上側円板１９，３０の上蓋保持部２３，３６とを上下に位置を合わせた状態で、それぞれ外周部から保持部２０，３３及び上蓋保持部２３，３６にかけて指が通過可能な切欠部４７〜５０を形成し、前記上側円板１９，３０の切欠部４８，５０は前記開口２２，３５に連通させている。こうすることにより、最初にシャーレ４に細胞と培養液を入れ、上蓋５をした状態で、開閉扉４６を開いて、シャーレ４と上蓋５を指で摘んで、ホルダー１０にセットするときに、前記下側円板１８と上側円板１９の切欠部４７，４８によって指を円板の中心方向へ進行させることができ、そして上側円板１９の開口２２からシャーレ４を落とし込むと、下側円板１８の保持部２０にシャーレ４が保持されると同時に、上側円板１９の上蓋保持部２３に上蓋５が保持されるので、シャーレ４をセットする作業が極めて容易になる。上段のホルダー１０に上シャーレ６と上蓋７をセットする作業も同様である。

図７は、シャーレ４に上蓋５が被さり、上シャーレ６に上蓋７が被さった状態を示し、この状態で前記培養液交換手段１３の前記吸引管２６と吐出管２７は上昇し、フランジ板４１で前記貫通孔３Ａが気密状態に塞がれているので、インキュベータ室１の内部を適宜な温度、湿度、所望ガスで満たして細胞を培養することができる。図８及び図９は、シャーレ４から上蓋５を横にずらせ、同時に上シャーレ６から上蓋７を横にずらせた状態で、培養液の交換作業をしている状態を示し、上段上側円板３０の挿入孔３７と上段下側円板２９の通孔３９と下段上側円板１９の挿入孔２４とが上下に連通し、前記シャーレ４と上シャーレ６の一部が露出した状態となっている。図８及び図１０は、前記吸引管２６と吐出管２７の先端が挿入孔３７、通孔３９及び挿入孔２４を通して下段のシャーレ４の内部に位置し、培養液の交換を行っている様子を示し、図９は前記吸引管２６と吐出管２７の先端が挿入孔３７を通して上段の上シャーレ６の内部に位置し、培養液の交換を行っている様子を示している。

他の位置のシャーレ４、上シャーレ６の培養液を交換するには、前記シャーレ４に上蓋５を被せ、上シャーレ６に上蓋７を被せた状態で、前記駆動モータ１１によって中心軸１５を所定角度回転させて、前記吸引管２６と吐出管２７の位置に目的とするシャーレ４又は上シャーレ６に位置を合わせ、それから前述のように回転筒１４を上昇させた後、中心軸１５を所定回転角度だけ回転させて上蓋５，７を横にずらせてシャーレ４、上シャーレ６の一部を露出させるのである。ここで、前記ホルダー１０を正確に回転制御するために、適所にマーカーを付して、それをセンサーで読み取って、フィードバック制御することも好ましい。

次に、図１４〜図２８に基づいて、本発明に係る培養液交換機能を備えた細胞培養装置の第２実施形態を説明する。図中符号１０１はインキュベータ室、１０２は駆動室、１０３は隔壁、１０４はシャーレ、１０５は上蓋、１０６は下側円板、１０７は上側円板、１０８は回転軸体、１０９は軸受部、１１０はホルダー、１１１は駆動モータ、１１２はリニアアクチュエータ、１１３は培養液交換手段をそれぞれ示している。

本実施形態でも基本的な動作は前述の第１実施形態と同じである。つまり、本実施形態の細胞培養装置は、インキュベータ室１０１の内部に、それぞれ回転可能な軸に固定された少なくとも上下一組の円板１０６，１０７を水平に配置し、下側円板１０６に細胞と培養液を入れたシャーレ１０４を保持するとともに、上側円板１０７に上蓋１０５を保持し、該上蓋１０５の下方は開放されており、前記下側円板１０６と前記上側円板１０７を上下に接近させて前記シャーレ１０４に上蓋１０５が被さる状態と、前記下側円板１０６と前記上側円板１０７を上下に離間させ且つ一方を所定角度回転させて前記シャーレ１０４から上蓋１０５を横にずらせて一部露出した状態とを実現でき、この際に前記上側円板１０７に形成した挿入孔１２４に上方から培養液交換手段１１３を前記シャーレ１０４の露出部分に挿入し、培養液を交換後、前記培養液交換手段１１３を退避させ、前記下側円板１０６と前記上側円板１０７を回転と上下移動させて前記シャーレ１０４に上蓋１０５を被せて細胞培養を継続する構成である。本実施形態では、シャーレ１０４を保持する下側円板１０６と該シャーレ１０４の上蓋１０５を保持する上側円板１０７とを一組とし、それを４組用いて上下に４多段に配置している。各段の下側円板１０６は全て共通であり、各段の上側円板１０７も全て共通である。それにより、本実施形態では、シャーレ１０４は全て同じ大きさのものを用いる。

具体的には、本実施形態の細胞培養装置は、インキュベータ室１０１とその上部に駆動室１０２とを隔壁１０３を介して配置し、同一回転中心を持つ第１軸体１１４と第２軸体１１５とを同軸状に配置し、第１軸体１１４は第２軸体１１５に対して軸方向スライド可能且つ第１軸体１１４と第２軸体１１５とは所定角度だけ相対的回転可能とした回転軸体１０８を、前記隔壁１０３に設けた軸孔１１６を鉛直方向に貫通させて軸受部１０９にて支持し、前記回転軸体１０８の第２軸体１１５は定位位置回転可能に支持して前記駆動室１０２の内部に配置した駆動モータ１１１で回転駆動し、前記回転軸体１０８の第１軸体１１４は前記駆動室１０２の内部に配置したリニアアクチュエータ１１２で鉛直方向に上下駆動し、前記インキュベータ室１０１の内部で前記第２軸体１１５の下部にシャーレ１０４を保持する下側円板１０６を同心状に直接又は間接的に固定するとともに、前記第１軸体１１４の下部にシャーレ１０４の上蓋１０５を保持する上側円板１０７を同心状に直接又は間接的に固定し、前記下側円板１０６には、同一円周上にシャーレ１０４を載置して保持する保持部１２０を一定回転角度毎に複数設け、前記上側円板１０７には、前記保持部１２０と中心を同位置にしてシャーレ１０４を受け入れる開口１２２を形成するとともに、該開口１２２の周縁部にシャーレ１０４の上蓋１０５の外周部を保持する上蓋保持部１２３を設け、更に該上蓋保持部１２３に保持した上蓋１０５の一側で接近した位置に挿入孔１２４を貫通形成し、前記培養液交換手段１１３を構成する培養液の吸引管１２６と吐出管１２７とを、前記隔壁１０３を貫通させてインキュベータ室１０１に垂下するとともに、前記駆動室１０２の内部に設けたリニアアクチュエータ１２８で上下駆動し、前記上側円板１０７と下側円板１０６との相対的回転角度がゼロで上側円板１０７が降下してシャーレ１０４に上蓋１０５を被せた状態で細胞培養後、上側円板１０７を上昇させ且つ上側円板１０７に対して下側円板１０６を所定角度だけ回転変位させてシャーレ１０４から上蓋１０５をずらせた状態で、前記吸引管１２６と吐出管１２７を降下させて前記上側円板１０７の挿入孔１２４を通して先端を前記シャーレ１０４の内部に位置させて古い培養液を吸引管１２６で排出した後、吐出管１２７から新しい培養液を注入し、培養液を自動交換してなるものである。

更に詳しくは、図１５〜図１８に示すように、前記回転軸体１０８は、スリーブ状の前記軸受部１０９で保持されている部分より上方の構造は、円筒状の第２軸体１１５の内部に第１軸体１１４が摺動可能なブッシュ１１８，１１８によって上下スライド可能且つ自由回転可能に貫通した構造であり、第２軸体１１５が前記軸受部１０９にベアリング１１９，１１９により定位位置回転可能に支持され、該軸受部１０９から上方へ突出した第２軸体１１５の上端部に固定したプーリ１２９と前記駆動モータ１１１の駆動軸に固定したプーリ１３０とにタイミングベルト１１７を巻回して回転駆動する。ここで、前記軸受部１０９と第２軸体１１５との間、前記第２軸体１１５と第１軸体１１４の間には、ガスシールを設けて前記インキュベータ室１０１に気密性を持たせている。前記駆動モータ１１１は、前記上蓋１０５を開閉し、前記培養液交換手段１１３の吸引管１２６と吐出管１２７に対してシャーレ１０４を正確な回転位置に停止させるために、回転角度を高精度に制御できるステッピングモータを用いる。また、前記第２軸体１１５の上方へ突出した前記第１軸体１１４の上端部は、ロータリージョイント１３１を介してリニアアクチュエータ１１２の駆動部１３２に連結されている。

前記インキュベータ室１０１の内部に位置する前記回転軸体１０８には、最上段の上側円板１０７の上位に前記第１軸体１１４と第２軸体１１５をそれぞれ上下に分離、連結可能な連結部１３３を備えている。この連結部１３３を境に、前記回転軸体１０８の第１軸体１１４は円筒形状となり、その内部に第２軸体１１５が位置するようになる。つまり、図１６、図１８〜図２５に示すように、前記インキュベータ室１０１の内部に位置する前記回転軸体１０８の下部は、前記第１軸体１１４が円筒状の外側軸部１３４で、第２軸体１１５がその内部に位置する内側軸部１３５となっており、外側軸部１３４の外周に突設した複数の固定片１３６，…に、前記上側円板１０７を固定し、内側軸部１３５の外周に突設して前記外側軸部１３４に形成した複数の開口部１３７，…から半径方向外側に出現した複数の固定片１３８，…に、前記下側円板１０６を固定し、前記開口部１３７はその内部で前記内側軸部１３５の固定片１３８が上蓋１０５の開放動作時に相対的な上昇と所定回転角度の変位を許容する大きさを備えている。尚、前記第１軸体１１４と第２軸体１１５の内外の関係は逆であっても良い。また、最下段の下側円板１０６は、内側軸部１３５の下端部に固定した固定円板１３９に載置して固定している。

ここで、図１６、図１９〜図２１に基づいて、前記回転軸体１０８の連結部１３３の構造を説明する。尚、前記連結部１３３より下方部分はシャーレ１０４と上蓋１０５の保持するホルダー１１０となっている。前記第１軸体１１４は、連結部１３３より上方は中心軸１４０で構成し、連結部１３３より下方は前記外側軸部１３４で構成され、前記第２軸体１１５は、連結部１３３より上方は円筒状の駆動軸１４１で構成し、連結部１３３より下方は前記内側軸部１３５で構成されている。前記駆動軸１４１の下端には、円筒状の外内変換部材１４２の半径方向へ向いた端面を固定し、該端面の中心部に形成した円孔１４３には前記中心軸１４０の下端部を若干のクリアランスを持たせて挿通している。前記外内変換部材１４２の下端は開放し、円筒部１４４には１２０度毎に開口１４５，…を形成している。そして、前記中心軸１４０の下端には内外変換部材１４６の中心部を固定し、該中心部から放射状に延びた３本の連結片１４７，…を前記外内変換部材１４２の開口１４５，…から外側に出現させている。更に、円柱状の内側連結部材１４８と、該内側連結部材１４８を内部に位置させる円筒状の外側連結部材１４９とを備え、それぞれの部材は半径方向の半円部と軸方向の垂直部とで略同形になるように分割し、側方から互いに接合できる形状を有し、内側連結部材１４８の上側部１４８Ａは前記外内変換部材１４２の円筒部１４４の下端に固定し、前記外側連結部材１４９の上側部１４９Ａは前記内外変換部材１４６の連結片１４７，…に固定している。ここで、前記外内変換部材１４２と内側連結部材１４８の外径は略等しくしている。そして、前記内側連結部材１４８の下側部１４８Ｂは、前記内側軸部１３５の一部を構成する。一方、前記外側連結部材１４９の下側部１４９Ｂは、前記外側軸部１３４の一部を構成する。前記内側連結部材１４８の上側部１４８Ａと下側部１４８Ｂは、該下側部１４８Ｂの側方から中心部に挿入した１本の連結ネジ１５０で着脱可能に連結する。前記外側連結部材１４９の上側部１４９Ａと下側部１４９Ｂは、該下側部１４９Ｂの側方から両側部に挿入した２本の連結ネジ１５１，１５１で着脱可能に連結する。ここで、前記外側連結部材１４９の下側部１４９Ｂには、前記第１軸体１１４の上昇時に前記連結ネジ１５０に干渉しないように円筒部に切欠１５２を形成している。

次に、図１６、図２０〜図２３に基づいて、前記外側軸部１３４と内側軸部１３５を説明する。前記外側軸部１３４は、円筒状のスペーサ筒１５３と、四方に突出した前記固定片１３６，…を有する上側固定部材１５４を段数に応じて使用する。つまり、前記上側固定部材１５４は段数分だけ、前記スペーサ筒１５３は段数より１つ少ない数だけ用いる。前記スペーサ筒１５３は、円筒部に下方へ開放した前記開口部１３７を９０度毎に４箇所に形成し、上端面には前記上側固定部材１５４のリング部１５５を係合する係合段部１５６を形成している。尚、前記スペーサ筒１５３の円筒部の下端にも係合段部１５６と同様な係合段部を形成している。前記上側固定部材１５４は、中央部のリング部１５５の外周に前記固定片１３６，…を突設した構造である。最下段の上側固定部材１５４は他のものより肉厚を厚く作製し、そのリング部１５５の上面に前記スペーサ筒１５３の円筒部を載せ、該円筒部を上方から貫通させた固定ネジ１５７，…を前記リング部１５５に螺合して連結する。そして、前記スペーサ筒１５３の係合段部１５６に、下から２段目の上側固定部材１５４のリング部１５５を係合させ、その上方に他のスペーサ筒１５３の円筒部を載せ、該円筒部を上方から貫通した固定ネジ１５７，…を下方のスペーサ筒１５３の円筒部に螺合し、上下のスペーサ筒１５３，１５３で上側固定部材１５４のリング部１５５を挟み込んだ状態で固定する。これを上段側へ繰り返して連結し、前記外側軸部１３４を組み立てる。ここで、一段毎にスペーサ筒１５３と上側固定部材１５４は、一回転方向に一定角度だけ変位した位置に正確に固定する。

前記内側軸部１３５は、１本の連結軸１５８と、該連結軸１５８に外挿して固定するスペーサ軸１５９及び四方に突出した前記固定片１３８，…を有する下側固定部材１６０を段数に応じて使用する。但し、最下段の下側固定部材１６０の代わりに、前記固定円板１３９を使用する。従って、前記スペーサ軸１５９と下側固定部材１６０の組みを段数より１つ少ない数だけ用いる。前記スペーサ軸１５９は、中心に前記連結軸１５８を嵌挿する挿通孔１６１を形成した円柱状のものである。前記スペーサ軸１５９は、前記挿通孔１６１に連結軸１５８を挿通し、外周面から螺入した固定ネジ１６２の先端を前記連結軸１５８の係合孔１６３に係合して固定する。そして、前記固定円板１３９の中心孔１６４を前記連結軸１５８の下端部に通し、前記スペーサ軸１５９の下面に接合した状態で下方からネジ止めする。前記下側固定部材１６０は、前記スペーサ軸１５９に略等しい外径の中心円板１６５の外周に前記固定片１３８，…を突設し、中心円板１６５には中心孔１６６を形成した構造である。そして、前記下側固定部材１６０の中心孔１６６を前記連結軸１５８の上部から通し、前記中心円板１６５を前記スペーサ軸１５９の上面に接合して、該中心円板１６５を貫通させた固定ネジ１６７，１６７でスペーサ軸１５９に螺合する。これを上段側へ繰り返して連結し、前記内側軸部１３５を組み立てる。実際には、前記下側固定部材１６０の固定片１３８，…が、前記外側軸部１３４を構成する前記スペーサ筒１５３の開口部１３７から外側へ突出するように組み立てるので、前記スペーサ軸１５９と下側固定部材１６０を組み付けた直後に、前記スペーサ筒１５３と上側固定部材１５４を組み付け、これを交互に行うのである。前記固定円板１３９と最下段の前記上側固定部材１５４及びスペーサ軸１５９は特殊な形状となっているが、その他の部材は段数に応じて増設すれば良い。

そして、最上段の前記スペーサ筒１５３の上端面に、前記連結部１３３を構成する前記外側連結部材１４９の下側部１４９Ｂを上方からネジ止め固定するとともに、前記内側連結部材１４８の下側部１４８Ｂを前記連結軸１５８の上端部にネジ止め固定する。ここで、前記回転軸体１０８を構成する各部材を正確に組み立てるために、両部材の接合面の一方に突設したピンを、他方に穿設した孔に嵌合する構造を取っている。

そして、図１５〜図２５に示すように、前記内側軸部１３５を構成する前記固定円板１３９と下側固定部材１６０の固定片１３８，…に、前記下側円板１０６の中央部を載置して取付けるとともに、前記外側軸部１３４を構成する前記上側固定部材１５４の固定片１３６，…に、前記上側円板１０７の中央部を載置して取付けるのである。

次に、前記下側円板１０６と上側円板１０７の詳細を図２４及び図２５に基づいて説明する。前記下側円板１０６には、同一円周上にシャーレ１０４を載置して保持する保持部１２０を一定回転角度毎に６箇所に設け、外周部から前記保持部１２０にかけて指が通過可能な平面視Ｕ字形の切欠部１６８をそれぞれ形成している。ここで、本実施形態では、前記下側円板１０６の保持部１２０は、前記切欠部１６８の周囲上面に形成したシャーレ１０４の底部を受け入れる凹段部１６９である。更に、前記凹段部１６９は、前記シャーレ１０４の底部を位置ずれなく受け入れる中心角が１８０度より大きな円形状である。そして、前記下側円板１０６の中央部には、前記外側軸部１３４の上側固定部材１５４を挿通可能な略Ｘ字形状の装着開口１７０を形成している。それにより、前記連結部１３３より下方の前記外側軸部１３４と内側軸部１３５を組み立てた後でも、上方から前記下側円板１０６の装着開口１７０を外側軸部１３４に外挿し、前記固定片１３６及び固定片１３８を次々通過させて最下段の固定円板１３９、あるいは他の下側固定部材１６０の固定片１３８，…に装着開口１７０以外の部分を載置し、締結ネジ１７１，…で取付ける。更に、前記下側円板１０６の各保持部１２０の一側には、前記培養液交換手段１１３を構成する培養液の吸引管１２６と吐出管１２７とを挿通可能な円周方向に延びた略四角形の通孔１７２を形成している。ここで、前記下側円板１０６を最下段の固定円板１３９及び他の下側固定部材１６０の固定片１３８に正確に組み立てるために、固定円板１３９及び固定片１３８に突設したピンを、下側円板１０６に穿設した孔に嵌合する構造を取っている。

また、前記上側円板１０７には、前記保持部１２０と中心を同位置にしてシャーレ１０４を受け入れる開口１２２を形成するとともに、該開口１２２の周縁部にシャーレ１０４の上蓋１０５の外周部を保持する上蓋保持部１２３を設け、更に該上蓋保持部１２３に保持した上蓋１０５の一側で接近した位置に挿入孔１２４を貫通形成している。ここで、前記挿入孔１２４は、各段のシャーレ１０４に対応して独立に４つ形成されており、各挿入孔１２４にそれぞれ前記培養液交換手段１１３を構成する培養液の吸引管１２６と吐出管１２７とを挿通して各シャーレ１０４にアクセスできるようにしている。但し、上蓋１０５に最も接近した挿入孔１２４は、前記開口１２２に連続して形成している。前記開口１２２の外周部に切欠部１２５を形成して外側に開口１２２を連通させ、シャーレ１０４に上蓋１０５を被せて上下から指でつまんだ状態で、前記切欠部１６８と切欠部１２５を指通過できるようにしている。また、前記上側円板１０７の上蓋保持部１２３は、合成樹脂製の削り出し部品若しくは成形部品であり、一端部にシャーレ１０４の上蓋１０５の外周面を当止するとともに、該上蓋１０５の下端縁を載支する係止爪１７３を有している。前記上蓋保持部１２３は、前記開口１２２の周縁部に３個配置し、前記上蓋１０５をがたつきなく保持できるようになっている。そして、前記上側円板１０７の中央部には、前記下側円板１０６の装着開口１７０と同形の装着開口１７４を形成している。そして、前記上側円板１０７も下側円板１０６と同様に、装着開口１７４を前記外側軸部１３４に外挿し、装着開口１７４以外の部分を前記上側固定部材１５４の固定片１３６，…に載置し、締結ネジ１７５，…で取付ける。ここで、前記上側円板１０７を上側固定部材１５４の固定片１３６に正確に組み立てるために、固定片１３６に突設したピンを、下側円板１０６に穿設した孔に嵌合する構造を取っている。

更に本実施形態では、前記上側円板１０７と下側円板１０６との相対的回転角度がゼロで上側円板１０７が降下してシャーレ１０４に上蓋１０５を被せた状態で機能し、前記上側円板１０７と下側円板１０６とを回転に対して一体化する同調回転手段を備えている。具体的には、同調回転手段は、図２４及び図２５に示すように、最下段の前記上側円板１０７と下側円板１０６の１組で、前記下側円板１０６の上面にピン１７６を上向きに突設する一方、前記上側円板１０７に前記ピン１７６を係合する係合孔１７７を形成して構成した。そして、前記上蓋１０５をシャーレ１０４に被せる際に、前記上側円板１０７を下降させる動作時に前記ピン１７６が係合孔１７７に係合するようになっている。その後、前記第２軸体１１５、つまり内側軸部１３５を回転駆動して、前記下側円板１０６を回転させると、前記上側円板１０７も一体となって回転する。

また、本実施形態では、前記上側円板１０７を上昇させてシャーレ１０４から上蓋１０５を外した状態で機能し、該上側円板１０７の回転を阻止する回転規制手段を備えている。具体的には、回転規制手段は、図１６、図１８、図１９及び図２６に示すように、前記第１軸体１１４を構成する前記内外変換部材１４６の１本の連結片１４７を外側に延長し、該延長部分１７８の先端部上面にピン１７９を上向きに突設し、前記軸受部１０９の下端に固定した円形の制御板１８０の円周方向６箇所に前記ピン１７９を係合する係合孔１８１，…を形成して構成した。前記制御板１８０の係合孔１８１は、一箇所に円周方向に一定間隔毎に４つ形成し、それぞれ培養液交換時に各段のシャーレ１０４の停止位置に対応している。

前記インキュベータ室１０１の正面に開閉扉１８２を設け、該開閉扉１８２を開放して、前記連結部１３３で分離することにより、該連結部１３３より下方のホルダー１１０をそのままインキュベータ室１０１の外側に取り出してメンテナンスあるいは洗浄することができる。前記ホルダー１１０は、殆どの部材がステンレス鋼で作製されて重量が重いので、インキュベータ室１０１への着脱の労力を低減するために、前記インキュベータ室１０１の底面にガイドユニット１８３を設け、前記固定円板１３９より下方に突出した前記連結軸１５８の下端部を奥行き方向に摺動案内するとともに、通常の細胞培養時には前記連結軸１５８の下端部を回転可能に支持する軸受機能も備えている。具体的には、前記ガイドユニット１８３は、図２７及び図２８に示すように、前記インキュベータ室１０１の奥行き方向に延びた偏平なベース１８４の上面に、前端から奥部にかけて前記連結軸１５８の下端部を摺動案内するガイド溝１８５を設け、該ガイド溝１８５の奥部に側方から横切るように設けた規制部材１８６を引張りコイルばね１８７で弾性付勢して移動可能に設け、更に前記ベース１８４の一側に沿って設けた解除レバー１８８の中央部を該ベース１８４に軸支するとともに、解除レバー１８８の後端部を前記規制部材１８６の一端部に枢支した構造である。前記規制部材１８６の傾斜爪部１８９を前記連結軸１５８の下端部が通過時に引張りコイルばね１８７の弾性付勢力に抗して移動させ、連結軸１５８が通過後に元の位置に復帰して前記傾斜爪部１８９で連結軸１５８を当止し、回転可能に保持するのである。前記ホルダー１１０をインキュベータ室１０１から取り出す際には、前記解除レバー１８８の手前側を操作して前記規制部材１８６を解除状態に変位させて、連結軸１５８の下端部をガイド溝１８５に沿って手前に摺動させるのである。

また、前記インキュベータ室１０１の内部、好ましくは上面にＨＥＰＡ（High Efficiency Particulate Air Filter）フィルターとファンを内蔵した循環式の空気清浄器１９０を設け、インキュベータ室１０１の内部の雰囲気中に含まれる微細なホコリを取り除くことができるようになっている。また、インキュベータ室１０１の内部には、細胞培養環境を良好にするためにＣＯ₂ガスを供給できるようになっている。前記シャーレ１０４と上蓋１０５は、細胞培養ディッシュとも呼ばれ、本発明の細胞培養装置では、６０ｍｍディッシュでは、８枚〜最大３２枚（１段当たり８枚）、１００ｍｍディッシュでは、６枚〜最大２４枚（１段当たり６枚）を想定している。

前記駆動室１０２の内部には、前記第２軸体１１５を回転駆動する駆動モータ１１１、前記第１軸体１１４を昇降駆動するリニアアクチュエータ１１２、前記培養液交換手段１３を昇降駆動するリニアアクチュエータ１２８等の駆動部が格納されているが、これらの機構は前記インキュベータ室１０１を構成する隔壁１０３の上面に配設されたベース板１９１の上に設けられている。尚、図１７及び図１８では、前記隔壁１０３は省略している。前記第２軸体１１５の回転位置をモニターするために、前記第２軸体１１５の上端に固定したマーカー付きの円板１９２と、該円板１９２の外周部のマーカー部を光学的に読み取る光学センサー１９３を固定部に設けている。また、前記第１軸体１１４の昇降終端位置をモニターするために、前記リニアアクチュエータ１１２の駆動部１３２に連結し、鉛直方向にリニアガイド１９４で案内された可動片１９５の位置を上下に配置した光学センサー１９６，１９６若しくはリミットスイッチで確認して、リニアアクチュエータ１１２を停止させる信号を発生させる。また、前記第１軸体１１４の回転位置もモニターする必要があり、該第１軸体１１４の上端部にマーカー付きの円板１９７を固定し、前記リニアガイド１９４に前記円板１９７の外周部のマーカー部を光学的に読み取る光学センサー１９８を設けている。

また、図１５〜図１７に示すように、前記ベース板１９１の上には、前記培養液交換手段１１３を駆動するリニアアクチュエータ１２８が設置されている。前記リニアアクチュエータ１２８は送り量が大きくなるので、ステッピングモータ１９９で駆動される送りネジ機構２００により鉛直方向に配置したリニアガイド２０１の可動部２０２を駆動する構造とした。これらリニアアクチュエータ１２８を構成する機器は、前記ベース板１９１の上に立起させた固定構造体２０３に取付けられ、該固定構造体２０３が存在しない位置に屈曲形成した仕切板２０４を設けている。そして、前記リニアガイド２０１の下方位置にある前記隔壁１０３及びベース板１９１に、前記吸引管１２６と吐出管１２７とをインキュベータ室１に導入する貫通孔２０５を形成し、前記駆動室１０２に設けたリニアアクチュエータ１２８で上下駆動する可動部２０２の一部を前記固定構造体２０３に形成した縦長スリット２０６を貫通させて、前記固定構造体２０３及び仕切板２０４とその対向する筐体の側面に形成した操作扉２０７とで区画された作業空間２０８に臨ませ、該作業空間２０８内に鉛直方向に配置した前記吸引管１２６と吐出管１２７の上端部を前記可動部２０２の一部で保持する。前記固定構造体２０３と仕切板２０４の間の隙間からは、前記可動片１９５と光学センサー１９６を点検することができる。

そして、前記隔壁１０３の貫通孔２０５に設けた導入部材２０９に、前記吸引管１２６と吐出管１２７の中間部を案内するガイド孔２１０を形成し、前記ガイド孔２１０に挿通した前記吸引管１２６と吐出管１２７の下端部を、前記リニアアクチュエータ１２８を駆動することで前記シャーレ１０４の内部に導くのである。また、前記吸引管１２６には、前記駆動室１０２の側壁外面に設けた吸引ポンプ２１１が接続され、外部の図示しない廃液タンクに排出する。一方、前記吐出管１２７には、同じく前記駆動室１０２の側壁外面に設けた吐出ポンプ２１２が接続され、外部の培養液タンクから新しい培養液を供給する。ここで、前記吸引ポンプ２１１と吐出ポンプ２１２には、独立したペリスタポンプを用いる。尚、前記吸引管１２６及び吐出管１２７とガイド孔２１０の間は機密性を高めるガスシールを設けている。前記吸引管１２６と吐出管１２７の下端の高さ位置を正確に制御するために、前記可動部２０２に固定した可動片２１３の位置を前記固定構造体２０３に取付けた光学センサー２１４，２１４若しくはリミットスイッチで検出する。前記吸引管１２６と吐出管１２７は、前記作業空間２０８内で交換することができるようになっている。また、前記作業空間２０８内の仕切板２０４には、制御盤２１５を備え、基本設定ができるようにしている。更に、各種のモータを制御するドライバー類２１６を前記仕切板２０４の背面に取付ける。尚、本発明の細胞培養装置は、パーソナルコンピュータで詳細制御できるようになっている。

このように構成した本発明の細胞培養装置は、シャーレ１０４を保持する下側円板１０６と該シャーレ１０４の上蓋１０５を保持する上側円板１０７とを一組とし、それを上下に二組以上多段に配置し、各段の下側円板１０６を前記第２軸体１１５の下部に直接又は間接的に固定するとともに、各段の上側円板１０７を前記第１軸体１１４の下部に直接又は間接的に固定し、各段の全ての下側円板１０６，…は前記第２軸体１１５により同調回転手段が機能して一体として回転駆動し、各段の全ての上側円板１０７，…は前記第１軸体１１４により一体として昇降駆動し、例えば上側円板１０７を上昇させた際には、回転規制手段が機能して上側円板１０７を停止させた状態で、下側円板１０６を所定回転角度だけ回転駆動して上蓋１０５を横にずらせてシャーレ１０４の一部を露出させるのである。ここで、各段に保持されたシャーレ１０４と上蓋１０５は最上段から最下段に順に一回転方向に一定角度だけ変位した位置に保持して、上蓋１０５をずらせた際に平面視において全てのシャーレ１０４の一部が露出するように設定するとともに、各段の上側円板１０７にはその下方のシャーレ１０４の露出部分に対応する位置に前記挿入孔１２４を設けるとともに、少なくとも最下段を除く各段の下側円板１０６には下段側のシャーレ１０４の露出部分に対応する位置に通孔１７２を設け、最上段のシャーレ１０４には最上段の上側円板１０７の挿入孔１２４を通して前記培養液交換手段１１３を挿入して培養液を交換し、その他の下段のシャーレ１０４にはその上方に位置する各上側円板１０７の前記挿入孔１２４及び各下側円板１０６の通孔１７２を通して前記培養液交換手段１１３を挿入して培養液を交換するのである。この基本構成が維持されるならば、各種の変更を加えても本発明の範疇である。

１インキュベータ室、２駆動室、
３隔壁、３Ａ貫通孔、
４シャーレ、５上蓋、
６上シャーレ、７上蓋、
８回転軸体、９軸受部、
１０ホルダー、１１駆動モータ、
１２リニアアクチュエータ、１３培養液交換手段、
１４回転筒（第１軸体）、１５中心軸（第２軸体）、
１６軸孔、１７タイミングベルト、
１８下段下側円板（下側円板）、１９下段上側円板（上側円板）、
２０保持部、２１突起、
２２開口、２３上蓋保持部、
２４挿入孔、２５係止爪、
２６吸引管、２７吐出管、
２８リニアアクチュエータ、２９上段下側円板、
３０上段上側円板、３１連結杆、
３２逃し孔、３３第２保持部、
３４突起、３５開口、
３６上蓋保持部、３７挿入孔、
３８係止爪、３９通孔、
４０支持杆、４１フランジ板、
４２吸引ポンプ、４３吐出ポンプ、
４４ガイド溝、４４Ａ垂直部（同調回転手段）、
４４Ｂ水平部、４５ピン（同調回転手段）、
４６開閉扉、４７，４８，４９，５０切欠部。
１０１インキュベータ室、１０２駆動室、
１０３隔壁、１０４シャーレ、
１０５上蓋、１０６下側円板、
１０７上側円板、１０８回転軸体、
１０９軸受部、１１０ホルダー、
１１１駆動モータ、１１２リニアアクチュエータ、
１１３培養液交換手段、１１４第１軸体、
１１５第２軸体、１１６軸孔、
１１７タイミングベルト、１１８ブッシュ、
１１９ベアリング、１２０保持部、
１２２開口、１２３上蓋保持部、
１２４挿入孔、１２５切欠部、
１２６吸引管、１２７吐出管、
１２８リニアアクチュエータ、１２９プーリ、
１３０プーリ、１３１ロータリージョイント、
１３２駆動部、１３３連結部、
１３４外側軸部、１３５内側軸部、
１３６固定片、１３７開口部、
１３８固定片、１３９固定円板、
１４０中心軸、１４１駆動軸、
１４２外内変換部材、１４３円孔、
１４４円筒部、１４５開口、
１４６内外変換部材、１４７連結片、
１４８内側連結部材、１４８Ａ上側部、
１４８Ｂ下側部、１４９外側連結部材、
１４９Ａ上側部、１４９Ｂ下側部、
１５０連結ネジ、１５１連結ネジ、
１５２切欠、１５３スペーサ筒、
１５４上側固定部材、１５５リング部、
１５６係合段部、１５７固定ネジ、
１５８連結軸、１５９スペーサ軸、
１６０下側固定部材、１６１挿通孔、
１６２固定ネジ、１６３係合孔、
１６４中心孔、１６５中心円板、
１６６中心孔、１６７固定ネジ、
１６８切欠部、１６９凹段部、
１７０装着開口、１７１締結ネジ、
１７２通孔、１７３係止爪、
１７４装着開口、１７５締結ネジ、
１７６ピン（同調回転手段）１７７係合孔（同調回転手段）、
１７８延長部分、１７９ピン（回転制御手段）、
１８０制御板、１８１係合孔（回転制御手段）、
１８２開閉扉、１８３ガイドユニット、
１８４ベース、１８５ガイド溝、
１８６規制部材、１８７引張りコイルばね、
１８８解除レバー、１８９傾斜爪部、
１９０空気清浄器、１９１ベース板、
１９２円板、１９３光学センサー、
１９４リニアガイド、１９５可動片、
１９６光学センサー、１９７円板、
１９８光学センサー、１９９ステッピングモータ、
２００ネジ機構、２０１リニアガイド、
２０２可動部、２０３固定構造体、
２０４仕切板、２０５貫通孔、
２０６縦長スリット、２０７操作扉、
２０８作業空間、２０９導入部材、
２１０ガイド孔、２１１吸引ポンプ、
２１２吐出ポンプ、２１３可動片、
２１４光学センサー、２１５制御盤、
２１６ドライバー類。

Claims

インキュベータ室の内部に、それぞれ回転可能な軸に固定された少なくとも上下一組の円板を水平に配置し、下側円板に細胞と培養液を入れたシャーレを保持するとともに、上側円板に上蓋を保持し、該上蓋の下方は開放されており、前記下側円板と前記上側円板を上下に接近させて前記シャーレに上蓋が被さる状態と、前記下側円板と前記上側円板を上下に離間させ且つ一方を所定角度回転させて前記シャーレから上蓋を横にずらせて一部露出した状態とを実現でき、この際に前記上側円板に形成した挿入孔に上方から培養液交換手段を前記シャーレの露出部分に挿入し、培養液を交換後、前記培養液交換手段を退避させ、前記下側円板と前記上側円板を回転と上下移動させて前記シャーレに上蓋を被せて細胞培養を継続することを特徴とする培養液交換機能を備えた細胞培養装置。
インキュベータ室とその上部に駆動室とを隔壁を介して配置し、
同一回転中心を持つ第１軸体と第２軸体とを同軸状に配置し、第１軸体は第２軸体に対して軸方向スライド可能且つ第１軸体と第２軸体とは所定角度だけ相対的回転可能とした回転軸体を、前記隔壁に設けた軸孔を鉛直方向に貫通させて軸受部にて支持し、
前記回転軸体の第２軸体は定位位置回転可能に支持して前記駆動室の内部に配置したモータで回転駆動し、前記回転軸体の第１軸体は前記駆動室の内部に配置したリニアアクチュエータで鉛直方向に上下駆動し、
前記インキュベータ室の内部で前記第２軸体の下部にシャーレを保持する下側円板を同心状に直接又は間接的に固定するとともに、前記第１軸体の下部にシャーレの上蓋を保持する上側円板を同心状に直接又は間接的に固定し、
前記下側円板には、同一円周上にシャーレを載置して保持する保持部を一定回転角度毎に複数設け、
前記上側円板には、前記保持部と中心を同位置にしてシャーレを受け入れる開口を形成するとともに、該開口の周縁部にシャーレの上蓋の外周部を保持する上蓋保持部を設け、更に該上蓋保持部に保持した上蓋の一側で接近した位置に挿入孔を貫通形成し、
前記培養液交換手段を構成する培養液の吸引管と吐出管とを、前記隔壁を貫通させてインキュベータ室に垂下するとともに、前記駆動室の内部に設けたリニアアクチュエータで上下駆動し、
前記上側円板と下側円板との相対的回転角度がゼロで上側円板が降下してシャーレに上蓋を被せた状態で細胞培養後、上側円板を上昇させ且つ上側円板に対して下側円板を所定角度だけ回転変位させてシャーレから上蓋をずらせた状態で、前記吸引管と吐出管を降下させて前記上側円板の挿入孔を通して先端を前記シャーレの内部に位置させて古い培養液を吸引管で排出した後、吐出管から新しい培養液を注入し、培養液を自動交換してなる請求項１記載の培養液交換機能を備えた細胞培養装置。
シャーレを保持する下側円板と該シャーレの上蓋を保持する上側円板とを一組とし、それを上下に二組以上多段に配置し、各段の下側円板を前記第２軸体の下部に直接又は間接的に固定するとともに、各段の上側円板を前記第１軸体の下部に直接又は間接的に固定し、各段の全ての下側円板は前記第２軸体により一体として回転駆動し、各段の全ての上側円板は前記第１軸体により一体として昇降駆動し、各段に保持されたシャーレと上蓋は最上段から最下段に順に一回転方向に一定角度だけ変位した位置に保持して、上蓋をずらせた際に平面視において全てのシャーレの一部が露出するように設定するとともに、各段の上側円板にはその下方のシャーレの露出部分に対応する位置に前記挿入孔を設けるとともに、少なくとも最下段を除く各段の下側円板には下段側のシャーレの露出部分に対応する位置に通孔を設け、最上段のシャーレには最上段の上側円板の挿入孔を通して前記培養液交換手段を挿入して培養液を交換し、その他の下段のシャーレにはその上方に位置する各上側円板の前記挿入孔及び各下側円板の通孔を通して前記培養液交換手段を挿入して培養液を交換してなる請求項２記載の培養液交換機能を備えた細胞培養装置。
前記上側円板と下側円板との相対的回転角度がゼロで上側円板が降下してシャーレに上蓋を被せた状態で機能し、前記上側円板と下側円板とを回転に対して一体化する同調回転手段と、前記上側円板を上昇させてシャーレから上蓋を外した状態で機能し、該上側円板の回転を阻止する回転規制手段とを備えてなる請求項２又は３記載の培養液交換機能を備えた細胞培養装置。
前記インキュベータ室の内部に位置する前記回転軸体の下部は、前記第１軸体と第２軸体の内の一方が円筒状の外側軸部で、他方がその内部に位置する内側軸部となっており、外側軸部の外周に突設した複数の固定片に、前記上側円板と下側円板の一方を固定し、内側軸部の外周に突設して前記外側軸部に形成した複数の開口部から半径方向外側に出現した複数の固定片に、前記上側円板と下側円板の他方を固定し、前記開口部はその内部で前記内側軸部の固定片が上蓋の開放動作時に相対的な上昇と所定回転角度の変位を許容する大きさを備えている請求項２〜４何れか１項に記載の培養液交換機能を備えた細胞培養装置。
前記インキュベータ室の内部に位置する前記回転軸体は、最上段の上側円板の上位に前記第１軸体と第２軸体をそれぞれ上下に分離、連結可能な連結部を備えてなる請求項２〜５何れか１項に記載の培養液交換機能を備えた細胞培養装置。
前記隔壁に前記吸引管と吐出管とをインキュベータ室に導入する貫通孔を形成し、前記駆動室に設けたリニアアクチュエータで上下駆動する支持杆を、前記貫通孔に通して鉛直に配置するとともに、前記支持杆の下端に固定し、インキュベータ室の内部に位置するフランジ板に前記吸引管と吐出管とを貫通させて固定し、前記支持杆を上昇させた際に前記フランジ板で前記貫通孔を気密状態に閉鎖し、前記支持杆を下降させて前記吸引管と吐出管の先端を、前記シャーレの内部に導いてなる請求項２〜６何れか１項に記載の培養液交換機能を備えた細胞培養装置。
前記回転軸体を前記隔壁に回転可能に支持する軸受部及び該回転軸体は、前記インキュベータ室を気密状態に保つガスシール機能を備えている請求項２〜７何れか１項に記載の培養液交換機能を備えた細胞培養装置。
前記インキュベータ室の正面に開閉扉を設けるとともに、前記下側円板の保持部と前記上側円板の上蓋保持部とを上下に位置を合わせた状態で、それぞれ外周部から保持部及び上蓋保持部にかけて指が通過可能な切欠部を形成し、前記上側円板の切欠部は前記開口に連通させてなる請求項２〜８何れか１項に記載の培養液交換機能を備えた細胞培養装置。
前記下側円板の保持部は、前記切欠部の周囲上面に形成したシャーレの底部を受け入れる凹段部である請求項２〜９何れか１項に記載の培養液交換機能を備えた細胞培養装置。
前記上側円板の上蓋保持部は、シャーレの上蓋の外周面を当止するとともに、該上蓋の下端縁を載支する３つ以上の係止爪を、前記開口の周縁部に配置してなる請求項２〜１０何れか１項に記載の培養液交換機能を備えた細胞培養装置。