JPWO2017090760A1 - 培養装置 - Google Patents

Abstract

培養装置は、培養液を収容して培養を行う培養空間が内部に形成されて且つ変形可能な材料から作製されている培養部を備える培養バッグと、外部から押圧して培養バッグの培養部の異なる部分を変形させる複数のバッグ押圧部と、複数のバッグ押圧部を制御することにより、これらのバッグ押圧部によって培養部の異なる部分を異なるタイミングに変形させ、その培養空間内に培養液の流れを発生させる制御部と、を有する。

Description

本発明は、微生物や動植物細胞などの培養に使用される培養装置に関する。

従来より、微生物や動植物細胞などの培養のために、使い捨ての培養バッグが使用されている。培養バッグは、例えば特許文献１に記載するように、袋体であって、その内部に培養対象（例えば細胞）が一定の濃度（数）で懸濁された培養液が収容される。また、培養バッグは、酸素や二酸化炭素などの濃度が管理された混合ガスを内部に供給するためのポート、培養液を供給するまたは回収するためのポート、サンプルを取得するためのポートなどを備える。このような培養バッグは、エラストマー材料から構成されており、使用中、混合ガスの圧力によって規定の形状に維持されている。

また、このような培養バッグは、培養を促進するために、例えば細胞の増殖を促進するために、その位置姿勢が周期的に変更される。例えば、特許文献１に記載された培養バッグは、揺動軸を中心として揺動するステージ上に固定される。培養バッグの揺動条件である揺動ストローク、揺動角度、および揺動速度によって培養液に取り込まれる混合ガスの量、例えば溶存酸素量が決まる。その揺動条件は、培養対象（例えば細胞）の性質によって決定される。

これにより、培養液が流動してその液面に波が発生し、その液面（気液の界面）の面積が増加する。また、発生した培養壁の波が培養バッグの内壁面に衝突することによって破波される。その結果、積極的に混合ガスが培養液内に取り込まれる。また、培養液が撹拌され、取り込まれたガスが培養液全体に行きわたる。その結果、培養液内の細胞の増殖が促進される。

特表第２０１０−５４０２２８号公報

ところで、培養対象の種類および培養バッグの揺動条件にもよるが、培養液の波と培養バッグの内壁面との衝突に巻き込まれた気体が泡になることがある。特に、培養液の波が大きい場合に泡が発生する。

その泡が破裂すると、それによって生じた衝撃によって泡周辺の細胞がダメージを受け、場合によっては細胞死が引き起こされることがある。また、泡が凝集して大きな泡（泡沫）を形成し、その大きな泡によって培養液への混合ガスの溶解が阻害されることがある。

さらに、培養液の波が培養バッグの内壁面に衝突して培養液の流れ方向が急激に変化するとシェアストレスが生じ、その生じたシェアストレスが大きいと細胞がダメージを受けることがある。培養液の波が大きいほど、大きなシェアストレスが生じ、細胞はよりダメージを受ける。

したがって、培養液の波が大きいほど、培養対象の培養（例えば細胞の増殖）を阻害しうる。

このような培養を阻害しうる程度の培養液の波の発生を抑制するために、培養バッグの位置姿勢の周期的な変化を抑制すること、すなわちその変化量を小さくするとともに周期を長くすることが考えられる。例えば、特許文献１に記載された培養装置の場合、培養バッグが載置されるステージの揺動ストローク量を小さくするとともにその揺動速度を低速にすることが考えられる。

しかしながら、この場合、培養を阻害しうる程度の大きさの培養液の波の発生を抑制することができるが、その結果として、培養液が十分に流動せず、培養液に取り込まれる酸素などのガスの量が不足し、培養対象の培養効率（例えば細胞の増殖速度）が低下する可能性がある。

そこで、本発明は、培養バッグ内で培養液を流動させつつ行う培養において、培養対象にダメージを与えうる泡およびシェアストレスを生む培養液の波の発生を抑制することを課題とする。

上記技術的課題を解決するために、本発明の一態様によれば、
培養液を収容して培養を行う培養空間が内部に形成されて且つ変形可能な材料から作製されている培養部を備える培養バッグと、
外部から押圧して培養バッグの培養部の異なる部分を変形させる第１および第２のバッグ押圧部と、
第１および第２のバッグ押圧部を制御することにより、第１および第２のバッグ押圧部によって培養部の異なる部分を異なるタイミングに変形させ、その培養空間内に培養液の流れを発生させる制御部と、を有する培養装置が提供される。

本発明によれば、培養バッグ内で培養液を流動させつつ行う培養において、培養対象にダメージを与えうる泡およびシェアストレスを生む培養液の波の発生を抑制することができる。

本発明の一実施の形態に係る培養装置に使用される培養バッグの概略的斜視図 培養バッグの上面図 図２のＹｂ軸に沿った縦断面図 図２のＸｂ軸に沿った縦断面図 培養バッグの複数の膨張バッグ部を示す図 本発明の一実施の形態に係る培養装置の構成を示すブロック図 複数の培養バッグ部による培養液の流れの発生方法を説明するための図 図７Ａに続く、複数の培養バッグ部による培養液の流れの発生方法を説明するための図 図７Ｂに続く、複数の培養バッグ部による培養液の流れの発生方法を説明するための図 図７Ｃに続く、複数の培養バッグ部による培養液の流れの発生方法を説明するための図 本発明の別の実施の形態に係る培養装置に使用される培養バッグの複数の膨張バッグ部を示す図 本発明のさらに別の実施の形態に係る培養装置に使用される培養バッグの上面図 図９のＸｂ軸に沿った縦断面図 本発明の異なる実施の形態に係る培養装置を概略的に示す図

本発明の一態様の培養装置は、培養液を収容して培養を行う培養空間が内部に形成されて且つ変形可能な材料から作製されている培養部を備える培養バッグと、外部から押圧して培養バッグの培養部の異なる部分を変形させる第１および第２のバッグ押圧部と、第１および第２のバッグ押圧部を制御することにより、第１および第２のバッグ押圧部によって培養部の異なる部分を異なるタイミングに変形させ、その培養空間内に培養液の流れを発生させる制御部と、を有する。

この態様によれば、培養バッグの位置姿勢を変更することなく、培養液を培養空間内で流動させることができる。そのため、培養バッグの位置姿勢を変更することによって起こる、培養対象にダメージを与えうる泡およびシェアストレスを生む培養液の波の発生を抑制することができる。

第１および第２のバッグ押圧部が流体の供給を受けて膨張する複数の膨張バッグであって、培養装置が第１および第２の膨張バッグそれぞれに対して流体を供給する第１および第２の流体供給部を有し、制御部が、第１および第２の膨張バッグそれぞれの膨張による押圧によって培養部の異なる部分が異なるタイミングに変形するように第１および第２の流体供給部を制御してもよい。

培養バッグが内袋部と該内袋部を収容する外袋部とを備え、内袋が培養部であって、膨張バッグが、内袋部の外面と外袋部の内面とを複数個所で接合して該内袋部と外袋部との間の空間を複数に分割することによって形成された複数の分割空間で構成されてもよい。

培養バッグの培養部の培養空間が無端状であって、制御部が無端状の培養空間内で培養液が周回するように第１および第２のバッグ押圧部を制御してもよい。これにより、培養液は周回することができる。その結果として、培養対象にダメージを与えうる泡やシェアストレスを生む培養液ＣＦの波の発生がより抑制される。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の一実施の形態に係る培養装置に使用される培養バッグを概略的に示している。図２は、培養バッグ１００の上面図である。図３は、図２のＹｂ軸に沿った断面図である。図４は、図２のＸｂ軸に沿った断面図である。

図２に示すように、培養バッグ１００は、その内部で培養液を用いて微生物や細胞の培養が行われる袋体である。培養バッグ１００はまた、シングルユースを考慮して、廃棄時に圧縮することができるように、ポリエチレンなどの変形可能な材料から作製されている。

培養バッグ１００は、培養対象（例えば細胞）が一定の濃度（数）で懸濁された培養液を収容して微生物や細胞の培養を行うための本体部１０２と、本体部１０２を保持するシート状のブラケット部１０４とを有する。

培養バッグ１００の本体部１０２は、図３および図４に示すように、二重構造の袋体であって、内袋部１０６が培養液ＣＦを収容して培養を行うための培養部である。その培養部１０６を全体にわたって覆うように該培養部１０６を収容するカバー部（外袋部）１０８を本体部１０２は備える。

理由は後述するが、培養部１０６は、変形可能な材料、好ましくはエラストマー材料などの弾性材料から作製されている。その培養部１０６を収容するカバー部１０８は、培養部１０６の材料に比べて硬い（変形しにくい）材料から作製されている。

図２に示すように、培養部（本体部１０２の内袋部）１０６は、培養液ＣＦを収容して培養を行う培養空間１１０を備えている。本実施の形態の場合、培養空間１１０は、培養液が周回可能な無端状の周回空間であって、環状であって、さらに言えば円形の縦断面を備える円環状（ドーナツ状）の空間である。

なお、ここで、環状の培養空間１１０について、いくつかの用語を定義する。まず、周回空間である環状の培養空間１１０の周回方向をＲ１と定義する。この周回方向Ｒ１を含む平面と直交する軸を、第３のバッグ軸Ｚｂと定義する。そして、周回方向Ｒ１を含む平面に含まれ、第３のバッグ軸Ｚｂと直交し、且つ、互いに直交し合う軸を、第１および第２のバッグ軸Ｘｂ、Ｙｂと定義する。また、周回方向Ｒ１と直交する環状の培養空間１１０の縦断面の周方向を縦断面周方向Ｒ２と定義する。

さらに、本実施の形態の場合、培養空間１１０は円環状であるため、第３のバッグ軸Ｚｂを、その円環形状の中心を通過する中心軸とする。また、第１および第２のバッグ軸Ｘｂ、Ｙｂ軸に沿ってシート状のブラケット部１０４は展開している。

培養バッグ１００の本体部１０２を保持するブラケット部１０４は、培養バッグ１００を後述する培養装置に取り付けるためのブラケットとして機能する。

なお、本実施の形態の場合、本体部１０２は、ブラケット部１０４を貫通するように該ブラケット部１０４に設けられている。すなわち、本体部１０２は、ブラケット部１０４によって上半分１０２ａ（後述する培養装置に取り付けられた状態のときに上側に位置する部分）と下半分１０２ｂとに分かれている。ただし、本体部１０２の培養空間１１０は、ブラケット部１０４を貫通している。

また、本実施の形態の場合、培養バッグ１００の本体部１０２には、複数のポート（ホース）１１２、１１４、１１６、１１８、および１２０が設けられている。

複数のポート１１２、１１４、１１６、１１８、および１２０それぞれは、培養部１０６の培養空間１１０内に連通している。

培養液ポート１１２は、培養液ＣＦを培養部１０６の培養空間１１０に対して供給するおよび培養液ＣＦを培養空間１１０から回収するときに使用されるポートである。培養液ポート１１２は、本体部１０２の上半分１０２ａに設けられている。

サンプリングポート１１４は、培養部１０６の培養空間１１０内で培養されている微生物や細胞のサンプルを取得するために使用される。このポート１１４を介して、培養バッグ１００から培養液（例えば細胞の懸濁液）を指定量採取することができる。この採取した懸濁液を顕微鏡等で観察することにより、培養の進行具合を知ることができる。例えば、顕微鏡を介して細胞の数をカウントすることにより、細胞の成長度合いを測定することができる。なお、サンプリングポート１１０は、例えばバルブ付きルアーロックコネクタなどを含むポートである。サンプリングポート１１４は、本体部１０２の下半分１０２ｂから延在してブラケット部１０４で開口している。

第１のガス供給ポート１１６は、培養部１０６の培養空間１１０内に培養に必要な酸素や二酸化炭素などの混合ガスを供給するために使用されるポートである。ガス供給ポート１１６は、本体部１０２の下半分１０２ｂから延在している。

排気ポート１１８は、培養部１０６の培養空間１１０内を排気するまたはその排気によって培養空間１１０内の圧力を調節するために使用されるポートである。排気ポート１１８は、本体部１０２の上半分１０２ａから延在している。

そして、第２のガス供給ポート１２０は、第１のガス供給ポート１１６と同様に、培養部１０２の培養空間１０６内に培養に必要な酸素や二酸化炭素などの混合ガスを供給するために使用されるポートである。第２のガス供給ポート１２０は、本体部１０２の上半分１０２ａから延在している。また、詳細は後述するが、本実施の形態の場合、第２のガス供給ポート１２０がメインに使用され、第１のガス供給ポート１１６が補助的に使用される。

なお、培養液ポート１１２、サンプリングポート１１４、第１のガス供給ポート１１６、排気ポート１１８、および第２のガス供給ポート１２０が設けられている本体部１０２上の環状周方向Ｒ１の位置および縦断面周方向Ｒ２の位置は、培養バッグ１００の用途（培養の種類）によって変更されてもよい。また、第１および第２のガス供給ポート１１６、１２０および排気ポート１１８には、培養バッグ１００の培養空間１１０内への異物進入を抑制するためのフィルタが設けられている。

さらに、図２に示すように、培養バッグ１００の本体部１０２には、これらの複数のポート１１２、１１４、１１６、１１８、および１２０の他に、さらに複数の空気供給ポート１２２Ａ、１２２Ｂ、１２２Ｃ、および１２２Ｄが設けられている。これらの空気供給ポートについて説明する。

図５は、円環状の培養空間１１０の周回方向Ｒ１に沿って且つ径方向Ｄ（図２参照）に直交する本体部１０２の断面図である。

図５に示すように、これらの空気供給ポート１２２Ａ、１２２Ｂ、１２２Ｃ、および１２２Ｄは、培養空間１１０には連通しておらず、膨張バッグ部１２４Ａ、１２４Ｂ、１２４Ｃ、および１２４Ｄに連通している。

具体的には、膨張バッグ部１２４Ａ、１２４Ｂ、１２４Ｃ、および１２４Ｄは、培養部１０６とカバー部１０８との間に形成された複数の空間で構成されている。例えば、培養部１０６の外面とカバー部１０８の内面とが複数の接合箇所１２６で接合（例えば溶着）されることにより、互いに独立した複数の分割空間、すなわち膨張バッグ部１２４Ａ、１２４Ｂ、１２４Ｃ、および１２４Ｄが形成されている。本実施の形態の場合、これらの膨張バッグ部１２４Ａ、１２４Ｂ、１２４Ｃ、および１２４Ｄそれぞれは、培養部１０６を縦断面周方向Ｒ２に周回している環状の空間である。

なお、図２に示すように、培養液ポート１１２、サンプリングポート１１４、第１のガス供給ポート１１６，排気ポート１１８、および第２のガス供給ポート１２０は、培養部（内袋部）１０６内の培養空間１１０に連通するために、培養部１０６とカバー部（外袋部）１０８の接合箇所１２６（クロスハッチング部分）に設けられている。

複数の膨張バッグ部１２４Ａ、１２４Ｂ、１２４Ｃ、１２４Ｄそれぞれに、空気供給ポート１２２Ａ、１２２Ｂ、１２２Ｃ、および１２２Ｄは連通している。詳細は後述するが、複数の膨張バッグ部１２４Ａ、１２４Ｂ、１２４Ｃ、および１２４Ｄそれぞれは、圧縮空気の供給を断続的に受けて膨張と収縮を繰り返す。それにより、膨張バッグ部１２４Ａ、１２４Ｂ、１２４Ｃ、および１２４Ｄそれぞれは、培養部１０６の異なる複数の部分を外部から断続的に押圧し、それにより培養部１０６の異なる複数の部分を異なるタイミングに変形させる。その結果として、培養空間１１０内に、周回方向Ｒ１の培養液ＣＦの流れを発生させる。

図６は、培養バッグ１００の円環状の培養空間１１０内をその周回方向Ｒ１に培養液ＣＦが周回する状態で、その培養液ＣＦを用いて培養を実行するための培養装置１０の構成を示すブロック図である。

図６に示すように、培養装置１０は、培養バッグ１００の排気ポート１１８に接続されるベント弁５０、第１のガス供給ポート１１６に接続される流量調節弁５２、および第２のガス供給ポート１２０に接続される流量調節弁５４を有する。

ベント弁５０は、培養バッグ１００の培養空間１１０から外部に排気することによって培養空間１１０内の圧力を調節するための弁である。そのために、ベント弁５０は、培養バッグ１００の排気ポート１１８と外気との間に配置されている。このベント弁５０の開度を調節することにより、培養空間１１０の圧力が調節される。

流量調節弁５２、５４は、培養バッグ１００の培養空間１１０に供給される酸素と二酸化炭素の混合ガスの量を調節するための弁である。流量調節弁５２は培養バッグ１００の第１のガス供給ポート１１６に接続され、流量調節弁５４は第２のガス供給ポート１２０に接続されている。

流量調節弁５２、５４は、開閉弁５７、５８および流量調節弁５９、６０を介して酸素源（例えば酸素ボンベ）６１と二酸化炭素源（例えば二酸化炭素ボンベ）６２に接続されている。

具体的には、流量調節弁５２は、開閉弁５７を介して圧縮空気源（例えばエアボンベ）６３に接続されている。また、流量調節弁５４は、開閉弁５８を介して圧縮空気源６３に接続されている。さらに、酸素源６１が、流量調節弁５９を介して、開閉弁５７、５８と圧縮空気源６３との間に接続されている。そして、二酸化炭素源６２が、流量調節弁６０を介して、開閉弁５７、５８と圧縮空気源６３との間に接続されている。

酸素源６１からの酸素と二酸化炭素源６２からの二酸化炭素は、圧縮空気源６３からの圧縮空気に同伴されて互いに混合される。その圧縮空気に同伴する混合ガスは、流量調節弁５４のみまたは流量調節弁５２、５４の両方に、すなわち第２のガス供給ポート１２０のみまたは第１および第２のガス供給ポート１１６、１２０の両方に送られる。混合ガスにおける酸素量と二酸化炭素量は、流量調節弁５９、６０の開度を変更することによって調節される。また、開閉弁５７、５８の選択的な開閉により、流量調節弁５４のみを介して第２のガス供給ポート１２０のみに、または流量調節弁５４、５６の両方を介して第１および第２のガス供給ポート１１６、１２０の両方に対して、混合ガスが供給される。さらに、流量調節弁５２、５４それぞれの開度を変更することによって第１および第２のガス供給ポート１１６、１２０への混合ガスの供給量が調節される。

これにより、第２のガス供給ポート１２０を介して酸素と二酸化炭素が培養バッグ１００の培養空間１１０に供給され、流量調節弁５４、５９、および６０によって培養空間１１０に供給される酸素量、すなわち培養液ＣＦ内の酸素濃度が調節されるとともに、培養空間に供給される二酸化炭素量、すなわち培養液ＣＦのｐＨ値が調節される。また、圧縮空気により、培養バッグ１００の培養部１０６（培養空間１１０）の形状が略一定の形状に維持される。

培養液ＣＦ内の酸素濃度やｐＨ値が設定値に比べて低下すると、開閉弁５７が開き、第１のガス供給ポート１１６を介して培養バッグ１００の培養空間１１０に、酸素と二酸化炭素の混合ガスが追加的に供給される。このように、培養バッグ１００の培養空間１１０に混合ガスを供給するためのポート（本実施の形態の場合、第１および第２のガス供給ポート１１６、１２０）を複数備えることにより、培養液ＣＦの酸素濃度やｐＨ値を細かく制御することができる。

なお、培養バッグ１００の培養空間１１０が培養液ＣＦで充満される場合、第２のガス供給ポート１２０および排気ポート１１８は使用されない。

培養装置１０はまた、培養バッグ１００の複数の膨張バッグ部１２４Ａ、１２４Ｂ、１２４Ｃ、および１２４Ｄに対して圧縮空気を供給する空気供給部として、流量調節弁６６Ａ、６６Ｂ、６６Ｃ、および６６Ｄと切替弁６８Ａ、６８Ｂ、６８Ｃ、および６８Ｄとを有する。

流量調節弁６６Ａ、６６Ｂ、６６Ｃ、および６６Ｄは、空気供給ポート１２２Ａ、１２２Ｂ、１２２Ｃ、および１２２Ｄを介して培養バッグ１００の膨張バッグ部１２４Ａ、１２４Ｂ、１２４Ｃ、および１２４Ｄに接続されている。また、流量調節弁６６Ａ、６６Ｂ、６６Ｃ、および６６Ｄは、切替弁６８Ａ、６８Ｂ、６８Ｃ、および６８Ｄを介して外気と圧縮空気源７０とに接続されている。切替弁６８Ａ、６８Ｂ、６８Ｃ、および６８Ｄを切り換えることにより、切替弁６８Ａ、６８Ｂ、６８Ｃ、および６８Ｄと、流量調節弁６６Ａ、６６Ｂ、６６Ｃ、および６６Ｄと、空気供給ポート１２２Ａ、１２２Ｂ、１２２Ｃ、および１２２Ｄとを介して圧縮空気源７０から培養バッグ１００の膨張バッグ部１２４Ａ、１２４Ｂ、１２４Ｃ、および１２４Ｄそれぞれに圧縮空気が供給される。または、培養バッグ１００の膨張バッグ部１２４Ａ、１２４Ｂ、１２４Ｃ、および１２４Ｄ内の空気が、空気供給ポート１２２Ａ、１２２Ｂ、１２２Ｃ、および１２２Ｄと、流量調節弁６６Ａ、６６Ｂ、６６Ｃ、および６６Ｄと、切替弁６８Ａ、６８Ｂ、６８Ｃ、および６８Ｄとを介して外気に排出される。なお、圧縮空気源６３と圧縮空気源７０は、同一の圧縮空気源であってもよい。

培養装置１０はさらに、培養中の培養液ＣＦの状態をモニタリングするために、ｐＨセンサ７２、温度センサ７４、および溶存酸素センサ７６を有する。ｐＨセンサ７２は培養空間１１０内の溶媒液ＣＦのｐＨ値を検出し、温度センサ７４は溶媒液ＣＦの温度を検出し、溶存酸素センサ７６は溶媒液ＣＦの酸素濃度を検出する。

培養中の培養液ＣＦの状態、すなわちｐＨセンサ７２、温度センサ７４、および溶存酸素センサ７６の検出結果に基づいて、ベント弁５０と、流量調節弁５２、５４、５９、および６０と、開閉弁５７および５８と、ヒータ７８とを制御するための制御ボックス８０を、培養装置１０は有する。なお、ヒータ７８は、培養バッグ１００の培養空間１１０内の培養液ＣＦの温度を調節するためのものである。

制御ボックス８０は、複数の弁５０、５２、５４、および５７〜６０を制御するバルブ制御部８２と、ｐＨセンサ７２、温度センサ７４、および溶存酸素センサ７６の検出値を取得するセンサ管理部８４と、ヒータ７８を制御する温度制御部８６と、流れ発生部８８とを有する。

まず、制御ボックス８０のセンサ管理部８４は、ｐＨセンサ７２、温度センサ７４、および溶存酸素センサ７６それぞれに接続され、ｐＨセンサ７２によって検出された培養液ＣＦのｐＨ値、温度センサ７４によって検出された培養液ＣＦの温度、および溶存酸素センサ７６によって検出された溶媒液ＣＦの酸素濃度を、定期的に取得する。

バルブ制御部８２は、センサ管理部８４によって取得される溶媒液ＣＦのｐＨ値と酸素濃度それぞれが設定値で維持されるように、複数の弁５０、５２、５４、および５７〜６０を制御する。温度制御部８６は、センサ管理部８４によって取得される溶媒液ＣＦの温度が設定値で維持されるように、ヒータ７８を制御する。

流れ発生部８８は、流量調節弁６６Ａ、６６Ｂ、６６Ｃ、および６６Ｄと切替弁６８Ａ、６８Ｂ、６８Ｃ、および６８Ｄとに接続され、ユーザによって設定された培養液ＣＦの流速に基づいて、これらの弁を制御する。これらの弁を制御することにより、流れ発生部８８は、培養バッグ１００の膨張バッグ部１２４Ａ、１２４Ｂ、１２４Ｃ、および１２４Ｄそれぞれの膨張および収縮を制御する。それにより、培養バッグ１００の培養空間１１０内に、培養液ＣＦの流れを発生させる。なお、流量調節弁６６Ａ、６６Ｂ、６６Ｃ、および６６Ｄと切替弁６８Ａ、６８Ｂ、６８Ｃ、および６８Ｄに対する制御、すなわち培養液ＣＦの流れを発生させる膨張バッグ部１２４Ａ、１２４Ｂ、１２４Ｃ、および１２４Ｄの膨張パターンについては後述する。

これらのバルブ制御部８２、センサ管理部８４、および温度制御部８６により、ユーザによって設定された培養環境（培養液ＣＦのｐＨ値、温度、および酸素濃度）が維持される。なお、バルブ制御部８２、センサ管理部８４、温度制御部８６、および流れ発生部８８は、複数の弁５０、５２、５４、および５７〜６０それぞれに制御信号（電流）を出力することができ、ｐＨセンサ７２、温度センサ７４、および溶存酸素センサ７６からの検出信号（電流）を受け取ることができ、また、ヒータ７８に駆動電力を供給することができ、さらに、流量調節弁６６Ａ、６６Ｂ、６６Ｃ、および６６Ｄと切替弁６８Ａ、６８Ｂ、６８Ｃ、および６８Ｄに制御信号（電流）を出力することができる、例えば回路基板などである。

また、培養装置１０は、ユーザが培養条件を設定するための制御ユニット９０を有する。制御ユニット９０は、例えばコンピュータであって、ユーザが所望する培養条件を入力するための例えばマウスやキーボードなどの入力デバイス９２と、培養条件や培養中の状態をユーザが確認するためのディスプレイなどの出力デバイス９４とを有する。制御ユニット９０は、入力デバイス９２を介してユーザによって設定された培養条件（培養液ＣＦのｐＨ値、温度、酸素濃度、および流速）を維持するように、制御ボックス８０に指令する。

ここからは、図７Ａ〜図７Ｄを参照しながら、培養液ＣＦの流れを発生させる膨張バッグ部１２４Ａ、１２４Ｂ、１２４Ｃ、および１２４Ｄの膨張パターンについて説明する。なお、ここでは、矢印Ａ方向に流れる培養液ＣＦの流れが発生する膨張パターンについて説明する。

まず、図７Ａに示すように、膨張バッグ部１２４Ａが膨張された後に、膨張バッグ部１２４Ｂが膨張される。膨張バッグ部１２４Ｂの膨張によって押圧された培養液ＣＦは、ほとんどが矢印Ａ方向に流れる。すなわち、培養液ＣＦのほとんどは、膨張バッグ部１２４Ａの膨張によって流路断面積が小さい該膨張バッグ部１２４Ａ側に流れるのではなく、膨張バッグ部１２４Ｃが収縮しているために流路断面積が大きい該膨張バッグ部１２４Ｃ側に流れる。

次に、図７Ｂに示すように、膨張バッグ部１２４Ｂが膨張した状態で、この膨張バッグ部１２４Ｂに対して矢印Ａ方向下流側の膨張バッグ部１２４Ｃが膨張される。膨張バッグ部１２４Ｃの膨張によって押圧された培養液ＣＦのほとんどが矢印Ａ方向に流れる。なお、膨張バッグ部１２４Ｃの膨張とほぼ同時に、膨張バッグ部１２４Ａが収縮される。

続いて、図７Ｃに示すように、膨張バッグ部１２４Ｃが膨張した状態で、この膨張バッグ部１２４Ｃに対して矢印Ａ方向下流側の膨張バッグ部１２４Ｄが膨張される。膨張バッグ１２４Ｄの膨張によって押圧された培養液ＣＦのほとんどが矢印Ａ方向に流れる。この膨張バッグ部１２４Ｄの膨張と略同時に、膨張バッグ部１２４Ｂが収縮される。

そして、図７Ｄに示すように、膨張バッグ部１２４Ｄが膨張した状態で、この膨張バッグ部１２４Ｃに対して矢印Ａ方向下流側の膨張バッグ部１２４Ａが膨張される。膨張バッグ部Ａの膨張によって押圧された培養液ＣＦのほとんどが矢印Ａ方向に流れる。この膨張バッグ部１２４Ａの膨張と略同時に、膨張バッグ部１２４Ｃが収縮される。

図７Ａ〜図７Ｄに示すように、複数の膨張バッグ部１２４Ａ、１２４Ｂ、１２４Ｃ、および１２４Ｄが順に膨張することにより、矢印Ａ方向に培養液ＣＦは流れる。また、培養液ＣＦは、膨張バッグ部１２４Ａ、１２４Ｂ、１２４Ｃ、および１２４Ｄそれぞれの膨張によって断続的に加速される。そのため、膨張液ＣＦの流れは、定速な流れではなく、周回方向Ｒ１について速度（圧力）が異なる脈流である。その結果、培養液ＣＦは、撹拌されながら周回方向Ｒ１に流れる。

なお、膨張バッグ部１２４Ａ、１２４Ｂ、１２４Ｃ、および１２４Ｄそれぞれが膨張するタイミング間の時間を調節するとともに、これらの膨張バッグ部それぞれの膨張速度を調節することにより、培養液ＣＦの速度を調節することが可能である。

以上のような本実施の形態によれば、培養バッグ１００内で培養液ＣＦを流動させつつ行う培養において、培養対象にダメージを与えうる泡およびシェアストレスを生む培養液の波の発生を抑制することができる。

具体的に説明すると、本実施の形態の場合、培養バッグ１００の位置姿勢を変更することなく、培養液ＣＦを培養空間１１０内で流動させることができる。そのため、培養バッグ１００の位置姿勢を変更することによって起こる、培養対象にダメージを与えうる泡およびシェアストレスを生む培養液の波の発生を抑制することができる。

また、本実施の形態の場合、図２に示すように、培養液ＣＦを収容して培養を行う培養空間１１０が円環状の空間であるために、培養液ＣＦは周回することができる。そのため、培養対象にダメージを与えうる泡やシェアストレスを生む培養液ＣＦの波の発生がさらに抑制される。

具体的に説明すると、培養液ＣＦが周回することにより（流れ方向が周回方向Ｒ１に規制されることにより）、流れ方向が無秩序に変化する場合に比べて、培養空間１１０の内壁面と培養液ＣＦの波との衝突が抑制される。具体的には、培養液ＣＦの流れ方向が急激に変化する（例えば流れ方向が逆転する）衝突の発生が抑制される。それにより、培養対象（例えば細胞）にダメージを与えうる程度の泡やシェアストレスの発生が抑制される。

また、培養液ＣＦが周回することにより（流れ方向が周回方向Ｒ１に規制されることにより）、流れ方向が無秩序に変化する場合に比べて、発生する培養液ＣＦの波も小さい。すなわち、培養対象（例えば細胞）にダメージを与えうる程度の泡やシェアストレスを生む程度の大きさの培養液の波の発生が抑制される。

さらに、培養液ＣＦが流れる円環状の培養空間１１０が培養液ＣＦが周回可能な無端状の周回空間であるために、培養液ＣＦ内において流速が略ゼロの領域（いわゆる淀み）の発生が抑制される。そのため、流速が略ゼロの領域に培養対象が凝集することが抑制される。その結果、培養対象へのダメージが抑制される。

なお、本願においては、「培養液が周回可能な無端状の周回空間」は、培養液が周回可能であって、且つ、その周回中心への培養液の移動を規制する内面（例えば図２に示す円環状の培養空間１１０の中心側内周面）を備える空間を意味する。また、本実施の形態の円環状の空間に代わって、培養空間は、例えば、立体交差する「８」の字形状などの三次元的な形状の空間であってもよい。

さらに、本実施の形態の膨張バッグ部１２４Ａ〜１２４Ｄが培養バッグ１００の培養部１０６を外部から押圧することによって培養空間１１０内に発生する凸部は、図７Ａに示すように、必然的に丸みをおびた形状になる。したがって、培養液を回転撹拌するインペラのように鋭利ではないため、インペラによるシェアストレスに比べて、この凸部によって発生するシェアストレスは小さい。また、インペラの場合には局所的に大きいシェアストレスが発生するが、この凸部の場合には分散的に小さいシェアストレスが発生する。したがって、この凸部の形状的な特徴によっても、培養対象へのダメージが抑制される。

以上、上述の実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明の実施の形態はこれに限らない。

例えば、上述の実施の形態の場合、図６に示すように、培養バッグ１００の膨張バッグ部１２４Ａ、１２４Ｂ、１２４Ｃ、および１２４Ｄは、切替弁６８Ａ、６８Ｂ、６８Ｃ、および６８Ｄを介して外気に連通されることによって収縮する。これに代わって、膨張バッグ部１２４Ａ、１２４Ｂ、１２４Ｃ、および１２４Ｄは、真空ポンプ（図示せず）によって内部の空気が吸引されることによって収縮してもよい。この場合、膨張バッグ部の収縮が高速で行われる。したがって、それに対応して膨張バッグ部の膨張も高速で行えば、高速な培養液ＣＦの流れを発生させることができる。

また、上述の実施の形態の場合、図５に示すように、膨張バッグ部１２４Ａ、１２４Ｂ、１２４Ｃ、および１２４Ｄは、培養部１０６を縦断面周方向Ｒ２に周回している環状の空間であるが、本発明の実施の形態はこれに限らない。

例えば、図８に示す別の実施の形態に係る培養装置に使用される培養バッグ２００は、上述の実施の形態の培養バッグ１００と同様に、複数の膨張バッグ部２０８Ａ、２０８Ｂ、２０８Ｃ、および２０８Ｄを備える。しかし、図８に示す膨張バッグ部２０８Ａ、２０８Ｂ、２０８Ｃ、および２０８Ｄは、培養空間２１２の縦断面周方向に周回している環状の空間ではない。

例えば、円形の縦断面を備える円環状のカバー部２０６の内周面の一部に、変形可能な材料から作製されたシート２０４が複数の接合箇所を介して貼り付けられている。それにより、シート２０４と該シート２０４が貼り付けられたカバー部２０６の内周面部分との間に、互いに独立した空間である複数の膨張バッグ部２０８Ａ、２０８Ｂ、２０８Ｃ、および２０８Ｄが形成されている。一方、シート２０４と該シート２０４が貼り付けられていないカバー部２０６の部分とで培養部が構成され、その内部に培養空間２１２が形成されている。また、膨張バッグ部２０８Ａ、２０８Ｂ、２０８Ｃ、および２０８Ｄには、空気供給ポート２１０Ａ、２１０Ｂ、２１０Ｃ、および２１０Ｄが連通されている。

図７Ａ〜図７Ｄに示す培養バッグ１００と同様に、膨張バッグ部２０８Ａ、２０８Ｂ、２０８Ｃ、および２０８Ｄを順に膨張することにより、培養液の流れを形成することができる。

さらに、上述の実施の形態の場合、図２に示すように、培養バッグ１００の培養空間１１０は円環状であるが、本発明の実施の形態はこれに限らない。

例えば、図９は、略矩形状の培養空間を備える培養バッグの上面図である。また、図１０は、図９のＸｂ軸に沿った断面図である。

図９および図１０に示す培養バッグ３００は、略矩形状であって、内袋部（培養部）３０２と、その内袋部３０２を収容する外袋部（カバー部）３０４とを有する二重構造の袋体である。また、培養部３０２内には、略矩形状の培養空間３１２が形成されている。

培養部（内袋部）３０２の外面とカバー部（外袋部）３０４の内面とが複数の接合箇所３０８によって接合されており、それにより、これらの間に複数の膨張バッグ部３０６Ａ、３０６Ｂ、３０６Ｃ、および３０６Ｄが形成されている。これらの膨張バッグ部３０６Ａ、３０６Ｂ、３０６Ｃ、および３０６Ｄそれぞれは、環状の空間であって、空気供給ポート３１０Ａ、３１０Ｂ、３１０Ｃ、および３１０Ｄに連通している。

図９に示すように、複数の膨張バッグ部３０６Ａ、３０６Ｂ、３０６Ｃ、および３０６Ｄは、培養バッグ３００の長手方向（第１のバッグ軸Ｘｂ方向）に並んでいる。したがって、複数の膨張バッグ部３０６Ａ、３０６Ｂ、３０６Ｃ，および３０６Ｄが順に膨張すると、培養バッグ３００の長手方向の培養液の流れが生じる。

培養バッグ３００の場合、円環状の培養空間１１０を備える上述の培養バッグ１００のように培養液は周回することができない。そのため、複数の膨張バッグ部それぞれの膨張によって生じた流れの衝突を抑制するために、以下のような膨張バッグ部の膨張パターンが実行される。

例えば、複数の膨張バッグ部３０６Ａ、３０６Ｂ、３０６Ｃ、および３０６Ｄそれぞれは、１つずつ順に膨張される。１つの膨張バッグ部の膨張によって発生した培養液の流れがほぼ治まると、次の膨張バッグ部が膨張して培養液の流れを新たに発生させる。これにより、泡の発生を抑制しつつ、培養液の流れを発生させることができる。

また、上述の実施の形態の場合、図７Ａ〜図７Ｄに示すように、培養バッグ１００の培養部１０６を押圧して変形させる手段である複数の膨張バッグ部１２４Ａ、１２４Ｂ、１２４Ｃ、および１２４Ｄは、培養バッグ１００に設けられているが、本発明の実施の形態はこれに限らない。例えば、膨張バッグは、培養バッグ側ではなく、培養装置側に設けられてもよい。この場合、培養バッグは、シンプルな構造となる。

さらに、上述の実施の形態の場合、図７Ａ〜図７Ｄに示すように、培養バッグ１００の培養部１０６を押圧して変形させる手段は、流体（圧縮空気）の供給を受けて膨張する複数の膨張バッグ部１２４Ａ、１２４Ｂ、１２４Ｃ、および１２４Ｄであるが、本発明の実施の形態はこれに限らない。

例えば、図１１に示す別の実施の形態に係る培養装置５００は、培養バッグ４００の円環状の培養部４０２を外部から押圧して該培養部４０２を部分的に変形させる複数のバッグ押圧部５０２、５０４、５０６、および５０８を有する。図１１に示すように、複数のバッグ押圧部５０２、５０４、５０６、および５０８は、周回方向Ｒ１に等間隔に配置されている。バッグ押圧部５０２、５０４、５０６、および５０８は同様の構成であるため、バッグ押圧部５０２について説明すると、バッグ押圧部５０２は、培養部４０２を挟持する一対のバッグ押圧バー５０２Ａ、５０２Ｂを備える。

例えば、バッグ押圧部５０４の一対のバッグ押圧バー５０４Ａ、５０４Ｂが培養部４０２を挟持して変形させた状態で、バッグ押圧部５０６の一対のバッグ押圧バー５０６Ａ、５０６Ｂが培養部４０２を挟持すると、バッグ押圧部５０８側に向かう矢印Ａ方向の培養液ＣＦの流れが生じる。

最後に、上述の実施の形態の場合、図５に示すように、培養バッグ１００の培養部１０６の異なる部分を異なるタイミングに変形させ、その培養空間１１０内に培養液ＣＦの流れを発生させる複数のバッグ押圧部（膨張バッグ部）１２４Ａ、１２４Ｂ、１２４Ｃ、および１２４Ｄは４個であるが、本発明の実施の形態はこれに限らない。バッグ押圧部は、少なくとも２つ以上あればよい。

以上のように、本発明における技術の例示として、実施の形態を説明した。そのために、添付図面及び詳細な説明を提供した。したがって、添付図面及び詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、前記技術を例示するために、課題解決のためには必須でない構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面や詳細な説明に記載されていることをもって、直ちに、それらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定をするべきではない。

また、上述の実施の形態は、本発明における技術を例示するためのものであるから、特許請求の範囲又はその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略等を行うことができる。

２０１５年１１月２７日に出願された日本特許出願第２０１５−２３２２５５号の明細書、図面、及び特許請求の範囲の開示内容は、全体として参照されて本明細書の中に取り入れられるものである。

Claims (4)

1. 培養液を収容して培養を行う培養空間が内部に形成されて且つ変形可能な材料から作製されている培養部を備える培養バッグと、
   外部から押圧して培養バッグの培養部の異なる部分を変形させる第１および第２のバッグ押圧部と、
   第１および第２のバッグ押圧部を制御することにより、第１および第２のバッグ押圧部によって培養部の異なる部分を異なるタイミングに変形させ、その培養空間内に培養液の流れを発生させる制御部と、を有する培養装置。
2. 第１および第２のバッグ押圧部が流体の供給を受けて膨張する複数の膨張バッグであって、
   第１および第２の膨張バッグそれぞれに対して流体を供給する第１および第２の流体供給部を有し、
   制御部が、第１および第２の膨張バッグそれぞれの膨張による押圧によって培養部の異なる部分が異なるタイミングに変形するように第１および第２の流体供給部を制御する、請求項１に記載の培養装置。
3. 培養バッグが、内袋部と、内袋部を収容する外袋部とを備え、
   内袋が培養部であって、
   膨張バッグが、内袋部の外面と外袋部の内面とを複数個所で接合して該内袋部と外袋部との間の空間を複数に分割することによって形成された複数の分割空間で構成されている、請求項２に記載の培養装置。
4. 培養バッグの培養部の培養空間が無端状であって、
   制御部が、無端状の培養空間内で培養液が周回するように、第１および第２のバッグ押圧部を制御する、請求項１から３のいずれか一項に記載の培養装置。

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