TWI259203B - Cell-cultivating device - Google Patents

Description

1259203 五、發明說明（i) 【發明所屬之技術領域】 培養微生物、細胞及/或組織時最大的阻礙便在於使 用之設備及/或裝置體積龐大、昂貴、無法用完即丟、不 易滅菌及維持無菌環境，因而增加了污染的機會；並且在 培養微生物、細胞及/或組織時容易造成微生物、細胞的 損傷及/或甚至造成細胞死亡。本發明係教導一種基本上 可用於體外培養任何微生物及細胞以及收集其所生成之任 何副產物之技術。更具體而言，本發明係保護及揭露關於 一種新穎的設備及/或裝置以及方法，可有效地增加並收 集微生物和細胞所生成之副產物，例如：蛋白質。 【先前技術】 大規模的細胞培養程序已經於近年來被廣泛的開發並 使用於培養細菌、酵母菌與黴菌等擁有強韌的細胞壁及/ 或細胞外間質（e X t r a c e 1 1 u 1 a r m a t e r i a 1 )、較具彈性 的細胞。微生物細胞的彈性結構係此類高效率細胞培養程 序能夠快速發展的關鍵因素，例如：細菌細胞可於大量的 培養基中利用激烈的震動、搖晃以及通氣技術使其充分接 觸空氣，並維持良好的生長情形。另外，細菌也可於生物 膜上生長，不過需要一提供生長的平面。 相反地，培養真核細胞、動物細胞、哺乳動物細胞及 /或組織的技術就困難而複雜的多，原因在於此類細胞較 微生物細胞來的脆弱，並且其生長所需之養分與氧氣之維 持也較為困難而複雜。另外，跟微生物細胞不同的是，動 物細胞及/或哺乳動物細胞不能忍受通入空氣或混合性氣

第6頁 1259203 五、發明說明（2) 體，例如：一混合性氣體包含氧氣、氮氣與二氧化碳，所 造成的劇烈的擾動及/或剪應力（shearing force)。並 且，動物細胞不能直接接觸空氣，多數動物細胞僅能利用 溶解於培養基中的氧氣。比起微生物細胞，動物細胞及哺 乳動物細胞更容易被氣體或是於通氣過程中遭受傷害，因 此增加其死亡率。應用於大規模培養之生物反應器通常具 備一個内部運轉器，例如：攪拌翼（i mpe 1 1 er )，使細胞 承受非常高的液體剪應力而造成細胞的傷害或死亡，導致 細胞的低存活率及其蛋白質及/或副產品之產量也隨之降 低。同樣的，為使細胞均勻懸浮及/或適當接觸空氣，而 利用他種機械裝置、激烈的氣體運動或強烈的液體運動之 生物反應器也將造成細胞的傷害與妨礙細胞或組織之生 長，進一步造成細胞的副產品，例如：蛋白質，產量之減 少 0 生物反應器主要之功能在於配合研究需要培養大量細 胞以萃取其衍生之微量活性物質，包括但不限於，細胞分 泌到培養基中的蛋白質或抗體；生物反應器之另一功能在 於大規模的細胞培養用以量產細胞或組織生產之活性蛋白 質以配合商業上的需求。由於真核細胞及/或原核細胞及/ 或動物細胞及/或哺乳動物細胞於實驗室大量培養的需 要，生物反應器及培養裝置在研究與生產細胞以製造活性 蛋白質及/或抗體及/或任何細胞副產品的方面扮演了重要 的角色。 許多習知方法可用來大規模或小規模培養細胞。在小

第7頁 1259203 五、發明說明（3) 規模培養方面，近年來已發展出許多培養的容器，例如： 培養m即是一例。培養皿基本上包含一可用來盛裝培養基 之底盤，以及一可掀開之上蓋。雖然可掀開之上蓋的確方 便操作，然而在培養過程中頻繁的掀蓋動作卻也常使細胞 遭到微生物的污染。而事實上，如何避免污染是一成功的 細胞或組織培養技術所面臨之最大挑戰。 為避免使用培養孤常發生的污染問題，於是發展出培 養瓶（culture flasks)。培養瓶基本上含有一個培養 室、一管狀開口位於瓶子的一端及一對應之蓋子。此種設 計係為了減少細胞接觸到灰塵、細菌、酵母菌及其他污染 源的機會。教導培養瓶的專利係有，例如：C a r v e r公司所 擁有的美國專利第4,334,028號、Akamine公司所擁有的美 國專利第4，851，351號及〇6忌^331所擁有的美國專利第 5，3 9 8，8 3 7號。雖然培養瓶較培養皿來得進步，其仍然無 法完全解決污染的問題。此外，培養|與培養瓶均無法提 供充足的空氣，並且培養瓶所提供的生長面積並不如培養 孤來的充足，因此限制了培養的規模。 另一種用來培養細胞與組織之技術係為滾動式培養瓶 (r ο 1 1 e r b 〇 11 1 e s )，廣泛利用滾動式培養瓶技術於細胞 培養已有數年，雖然它具有某些培養孤或培養瓶所沒有之 優點，例如：提供細胞較大的生長與附著面積，然而還是 無法克服所有的缺點尤其是關於擴大培養規模方面。總而 言之，這些缺點包括，但不限制於，因為頂部空間之氣體 (gas headspace)與大量旋轉授拌所造成的巨大流體剪

第8頁 1259203 五、發明說明（4) 應力。由於滾動式培養瓶的高剪應力環境，導致較大的三 維結構的組織培養近乎不可能。唯有可以不受剪應力的傷 害及/或能維持貼附於滾動式培養瓶内壁的細胞才得以持 續培養一段時間。由此可知，維持長時間於滾動式培養瓶 培養一細胞株的困難點在於其高剪應力環境與污染的可能 性。關於滾動式培養瓶的例子包括：M u s s i公司所擁有的 美國專利第5, 5 2 7, 7 0 5號及Serkes公司所擁有的美國專利 第 4，9 6 2，0 3 3 號。 此外，雖然滾動式培養瓶的整體面積大於培養皿或培 養瓶，然而其所提供給每個細胞附著的面積並不一定大於 培養孤或培養瓶所提供之面積，特別是在大規模培養時。 故此，針對提高滾動培養瓶所能提供的生長面積的發明例 如，Serkes公司所擁有的美國專利第5，010，013號係描述 一種可增進細胞附著表面積的滾動式培養瓶，其係於滾動 式培養瓶的内壁加上一種縐折狀的通道，增加滾動式培養 瓶之内表面積以供細胞附著。然而，一般滾動式培養瓶僅 提供約850-1700平方公分之面積，故仍需要大量的滾動式 培養瓶才足以達到量產。而自動化、大量的滾動式培養瓶 之培養系統雖然可節省時間與人力，然而其操作卻相當昂 貴及具限制性。 除了流體剪應力的問題與生長面積.的限制之外，獲得 與保持充分的氧氣供應也是細胞與組織培養技術的中心問 題。正如本技術領域之人士所熟知，原核細胞、真核細 胞，包括動物細胞、哺乳動物細胞、昆蟲細胞、酵母菌與

第9頁 1259203 五、發明說明（5) 黴菌的生長 step )，即 除了某 菌，以外， 對於細胞的 細胞與動物 裂的早期階 求量最大， 低。有些哺 (anchorag 物細胞則可 (anchorag 於充分的溶 存或是非附 增加，因而 基本上 拌以及通入 所述，攪拌 率及整體細 接通入氣體 不利於細胞 為解決 如：W ο 1 f e 於一種沒有 均有一主要的速率限制步驟（rate —丨imi t ing 氧質量轉換（oxygen mass transfer)。 些進行發酵作用的真核微生物，例如··_ # 對於多數的原核細胞與真核細胞，氧氣的代謝 代謝功能是相當重要的，尤其是針對哺乳動物 細胞之培養技術’氧氣的供應對於細胞快速分 段又特別的重要。當細胞懸浮時，對氧氣的需 而當細胞聚集或是分化後，氧需求量就會降 乳動物細胞與動物細胞為附著依存 e-dependent )，另外有些哺乳動物細胞與動 於液體環境中懸浮生長，即，非附著依存^ e independent)，然而所有的細胞均需生長 氧環境中。在細胞培養的後期，不論是附著依 著依存的細胞，每單位體積的細胞數量會大量 再度需要大量的氧質量轉換以提供足夠^氣。 :至少對於附著生長的細胞，可以利用機器攪 氣體的方式來供應其需求的氧氣，然而，^前 和通氣的動作均會傷害細胞，因而減低其存活 胞及/或組織培養的的效率與產量。此外，直 到細胞及組織培養基中會導致氣泡產生，同樣 存活。 '、、田胞培養時氧氣提供的問題而發明的裝置，例 t i a 1 ·所擁有的美國專利第5，1 5 3，1 3 1號，係關 授拌翼（blades)的生物反應槽（bi〇reactor

第10頁 1259203 五、發明說明（6) vessel )。此生物反應槽係將空氣由輸氣通道（a i r inlet passageway ) 通入，經由一支持板元件 （support plate member)穿過屏幕（screen)，並通過夾於反應槽 外箱（h 〇 u s i n g )兩側間的一扁盤狀之滲透膜（fl a t d i s k p e r m e a b 1 e m e m b r a n e )，利用外箱兩側之間的氧濃度梯 度，使氧氣可以擴散通過滲透膜而到達培養室（culture chamber ) 〇 然而，Wo 1 f的生物反應槽具有許多缺點，尤其是，氧 氣經由扁盤狀之滲透膜擴散的速率成為培養室規模的主要 限制因素，另外一個缺點是扁盤狀之滲透膜設計成可伸縮 以具有攪拌功能，此點卻可能造成細胞的死亡。利用攪拌 功能以使空氣均勻分布於培養基中是相當重要的，然而， 攪拌的同時也將增加培養室内部的剪應力，如前所述可能 造成對細胞的傷害。因此，當設計生物反應器或培養槽 時，如何提供足夠的氣體交換以維持培養較大的細胞結 構，係相當重要並且為一實際的限制。 為了解決前述缺點的裝置，利用透氣材料（g a s permeable material )所製造的反應器例如：Schwarz et a 1 .所擁有的美國專利第5，7 0 2，9 4 1號，名稱為”可透氣的 生物反應器及其使用方法π ，係關於一種可水平轉動的容 器，並且其容器壁係部分採用透氣材料，以期達到直接透 過此透氣材料與培養基進行氣體交換之目的。 然而，Schwarz所揭露之裝置的規模仍然受到限制， 原因在於氣體交換需依據透氣面積的大小來決定，

第11頁 1259203 五、發明說明（7) _ ---

Schwarz雖然強調當裝置的表面積增加，培養基的體積量 亦相對增加，而於其說明書中所揭露之較佳實施例之規模 限制於直徑1、至6英吋，寬度則介於1/4至}英吋間，這樣的 大小並不合適生長具有三維空間的細胞集結物與組織及/ 或任何大量規模生產。 同樣地，Falkenberg et ai·所擁有的美國專利第 5，4 4 9，6 1 7號，標題為’’用於細胞培養之培養容器„，係關 於一水平旋轉之裝置，此培養容器藉由一透析膜將内部區 分為細胞培養腔室與營養液儲存槽（nutrient medium reservoir )，透氣材料用在本容器壁使得細胞培養室可 進行氣體交換，不過營養液儲存槽也並非完全充滿營養 液’而是兩個腔室的培養液上方都維持大量的氣體。麸 而，Falkenberg容器並未設計用以減少細胞培養室内部的 擾動，相反的，為了保持透析膜的潮濕，攪拌是必要的步 驟；此外，Falkenberg並未提及使用此容器於培養細胞集 結物或是任何類型的組織。 為解決氧氣供應的問題之發明還有，例如：L i au所擁 有的美國專利第5, 766, 949號，標題為，’培養附著依存之單 層細胞的方法與裝置π ，係描述一種上下震盪培養基以增 加氧氣提供的培養系統。 然而L i au的發明具有很多缺點，其中之一就是其裝置 的複雜性。L i a u的系統包括兩個外接的儲存槽以及一個含 有一系列垂直基材平盤（vertical substrate plates) 的分離式培養室’另外還需要數個蠕動式幫浦

第12頁 1259203 五、發明說明（s) (peristal 養室再流到 因為L i a u的 例如：外部 污染源導入 不易進行又 L i au 的 流體剪應力 胞，因而減 並不利於細 並堆積在平 低細胞的存 新開始，相 複雜性，收 耗時。最後 將會暴露於 細胞死亡。 研究、患者 技術之缺陷 揭露一種細 不複雜、更 加細胞存活 以滿足長久 加細胞的壽 tic pumps 另一個儲存 裝置 管線 内部 耗費 發明 可能 低細 胞附 盤的 活率 當沒 集任 ，當 空氣 細胞 護理 與限 胞和 有效 率與 以來 命0 複雜而 、儲存 ，另外 人力。 另一個 會干擾 胞的存 著，因 底端， 以及蛋 有效率 何分泌 生長液 中，即 與組織 與學術 制並且 組織培 率、較 細胞副 的需要 )推動培養液由一個儲存槽流經培 槽，最後再流回到第一個儲存槽。 且有一部份為培養室外部的設備， 槽與幫浦，所以極有可能將外界的 ，因為裝置的設備龐大，滅菌工作 缺點是 並且移 活率。 為某些 這些細 白質產 而且不 的蛋白 低於細 ，直接 培養技 研究都 補足其 養之方 省事、 產物的 。本發 培養 動生 另外 無法 胞最 量， 理想 質或 胞生 接觸 術對 相當 不便 法與 較不 產量 明之 液流 長於 ，垂 即刻 後大 而此 〇再 是細 長的 氣體 於生 的重 之處 裝置 昂貴 之一 裝置 經系統 基材平 直基材 附著的 多會死 系統必 者，由 胞產物 基質平 環境， 物科技 要。為 ，本發 ，提供 、較省 種新方 同時減 時所造 盤上的 平盤的 細胞會 亡 因 須一再 於此系 都很麻 盤時， 因此將 研究、 了克服 明係教 更可靠 人力並 法與裝 少污染 成的 細 4凡士4- ό又af 掉落 此降 地重 統的 煩且 細胞 導致 藥物 習知 導並 、較 可增 置， 與增

第13頁 1259203 五、發明說明（9) 【發明内容】 一、發明概述 本發明係提供一種用來培養細胞及/或組織以及收集 其產物之可靠、簡易、便宜、也許可以用完即丟與有效率 的方法與裝置。更具體而言，本發明係教導與揭露一種新 穎的方法與裝置可以有效的培養欲培養之細胞，例如：原 核細胞、真核細胞、動物細胞與哺乳動物細胞，可以持續 提供氧氣和養分卻不會讓任何細胞接觸空氣，因此可以降 低細胞的傷害甚至細胞死亡率。此外，本發明之方法與裝 置係可減少污染，避免細胞於提供氣體時直接受到剪應力 的傷害，因而可以預防氣泡與氣體對細胞的負面影響。本 發明之裝置可為自動或手動操作，再者，本發明之裝置係 提供一更簡單、更便利之方法生產與收集細胞產物，例 如：蛋白質，及/或抗體，及/或任何細胞及/或組織之產 物。 本發明之目的係包括，但不限於：提供一新穎之方法 與裝置以製備、生長與維持細胞；提供一新穎之方法與裝 置以生長及/或製備組織培養物；提供一新穎之方法與裝 置以製備及生長器官培養物；提供一新穎之方法與裝置， 在充足的氧氣與養分供應及最少的污染之環境下培養細 胞；提供一新穎之方法與裝置在一多孔的生長基材 (porous growth substrate )上培養細胞，以力口強細胞 的氧氣與養分之交換，卻不會因為注入氣體而使細胞直接 接觸到氣泡及/或剪應力；提供一生長基材以強化細胞的

第14頁 1259203 五、發明說明(ίο) 附著力、增加空氣與培養液的接觸面積，以及作為一個裝 置中靜態的培養基攪拌器；提供一個新穎的方法與裝置， 使細胞能間歇性地沈浸或是浮出培養基；提供一方法與裝 置可以使細胞污染減至最低，提供一方法與裝置可使細胞 死亡率減至最低，因而增加細胞產物之產量，提供一方法 與裝置可以使培養時的流體剪應力大量減少甚至完全沒 有，使細胞死亡率減至最低；提供一方法與裝置在培養時 不需要藉由通氣來供應培養基氧氣；提供一方法與裝置使 培養基可以移動，讓掉落的細胞可以再次分配並且幫助增 進細胞的附著能力；提供一方法與裝置可持續供應細胞培 養基與氧氣，使細胞產物之產量達到最大量；提供更多的 面積讓細胞附著；提供一方法與裝置可有效率的製備與收 集細胞及/或組織分泌的蛋白質與其他產物；以及提供一 培養細胞之方法與裝置，使得培養一段時間後細胞的生存 率可獲得改善。 本發明係提供一細胞培養裝置，其係至少包括一腔 室。前述之細胞培養裝置可進一步包括： 第一腔室，具有第一端、第二端、一内表面及一外表 面，其中内表面具有至少一個結構以接受至少一個細胞以 及允許細胞貼附及/或附著； 第二腔室，係與前述第一腔室之第二端交接或相連， 該第二腔室具有第一端、第二端、一内表面及一外表面， 其中包括至少一個薄膜或一聯絡裝置置於第一腔室之第二 端與第二腔室之第一端之間。

第15頁 1259203 五、發明說明（11) 前述之第二腔室係包含具有第一端與第二端之可壓縮 之元件，並且可選擇性地於可壓縮元件之第一端之外表面 提供第一蓋（cap)，及於可壓縮元件之第二端之外表面 提供第二蓋，其中當第二腔室不使用時第一蓋可與第二蓋 相結合，使得第二腔室中的可壓縮元件係壓縮於第一蓋與 第二蓋之間。 前述之細胞培養裝置，尚可進一步包括：一空氣環 境，係位於第一腔室之内部；培養基，係位於第二腔室中 的可壓縮元件内部，且該培養基可經由一聯絡裝置及/或 薄膜於第一腔室與第二腔室之間自由移動；以及選擇性的 使用一驅動裝置壓縮與伸展第二腔室中的可壓縮元件以使 培養基於第一腔室與第二腔室之間移動，使得至少有一個 細胞貼附及/或附著之結構能夠在第二腔室壓縮時沈浸於 培養基中，而於第二腔室伸展時藉由一空氣-培養基薄層 界面而間接暴露於空氣環境以提供氧氣。 前述之細胞培養裝置，其第一腔室包含至少一個開 口 ，可用來接受或移動培養基與細胞，以及允許細胞培養 裝置與外界的環境交換空氣。前述之第一腔室的開口可以 選擇性的裝有一個關閉裝置並且可選擇性地裝設一空氣濾 網以防止污染。藉由控制此關閉裝置，搭配第二腔室的壓 縮與伸展，更可以達到控制第一腔室的壓力環境的能力， 並且直接施壓在生長基材上，提高壓力的作用。例如：緊 縮此關閉裝置，同時壓縮第二腔室，可以增加第一腔室内 的壓力；緊縮此關閉裝置，同時伸展第二腔室，可以減少

第16頁 1259203 五、發明說明（12) 第一腔室内的壓力。藉由增加或減少壓力在生長基材上， 可以作為培養特殊種類細胞或組織的用途，例如：造骨細 胞（osteoblast)或人工骨組織。 前述之細胞培養裝置係可作三維組織之培養。 本發明之第一個實施例係為一細胞培養裝置，其至少 包括：一内部放置有提供細胞附著與生長之生長基材 ► (growth substrate means ) 的第一腔室，其中生長基材 係放置於第一腔室之空氣環境中，本發明之新穎的生長基. 材係可於接種細胞時（c e 1 1 p 1 a t i n g )，作為捕捉並留住 細胞的深床過濾器（d e p t h f i 1 t e r )、也可增加空氣與培 養基的接觸面積以及作為一靜態的攪拌器（s t a t i c L· mixer)。本裝置還包括選擇性連接至第一腔室的第二腔 室，連接的方式可藉由一種較佳係具有滲透性的、以及更 佳係為多孔的薄膜，且此第一腔室可位於第二腔室之上 方、下方、及/或旁邊，及/或是環繞的方式，以此可幫助 培養基任意的在第一與第二腔室之間流動。 本發明之裝置包括一驅動裝置可驅動培養基於腔室間 來回往返，以溫和的再次分配掉落的細胞回到生長基材 上，因而能強化細胞附著能力，可藉由混勻培養基而幫助 氣體與培養基的接觸，以及在不傷害或殺死細胞的前提 下，確保養分與氣體平均分布。 本發明使用之驅動裝置包括：升降器、油壓缸、氣壓· 缸、氣體壓縮器、螺旋起重器（screw jack)、滑輪 (pu 1 1 ey )等。 ·

第17頁 1259203 五、發明說明(13) 本發明之 括 個内部 長基材的第一 之第一 腔室並 包括一 室中培 多數的 基調成 體積調 如：風 何其他 本 液體之 第一腔 基材以時，於 層界面 為最大 第一腔 面時， 供充足 為空氣 細胞造 腔室中 且用來 可调即 養基的 培養基 最大量 節裝置 箱、活 可以移 發明之 體積調 室與第 提供細 生長基 ，以獲 量時， 室内培 細胞與 的氧氣 的進入 成傷害 另一實施例係為一細胞培養裝置，其至少包 包含及/或支撐一提供細胞附著與生長之生 腔室，其中生長基材係放置於具有空氣環境 ，本發明之裝置還可選擇性包括連接至第一 保存培養基的第二腔室，其中第二腔室至少 及/或調控體積的裝置，可用來調節第二腔 量，使得當第二腔室的培養基為最小量時， 可流至第一腔室中，然而當第二腔室的培養 時，多數的培養基均流回第二腔室中。此種 可以包括，但不限於一個可壓縮的腔室，例 塞、氣球、有輸氣管的浮囊、氣壓及/或任 動培養基於腔室間來回之工具。 裝置也可包含一驅動裝置與控制流體及/或 節裝置，可以進一步幫助培養基間歇性地在 二腔室間流動，使培養基可以完全覆蓋生長 胞養份與溶氧。因此，當培養基為最小量 材上之細胞便會接觸到一空氣-培養基之薄 得足夠的氧氣供應。而當第一腔室之培養基 細胞則會接觸到培養基中的養分。藉由調控 養基的量，當細胞接觸到空氣-培養基之界 空氣之間有一薄層水膜隔開，如此既可以提 給細胞，卻不會讓細胞過分乾燥，也不會因 而讓細胞直接接觸到剪應力及/或氣泡，對 或是不利的影響。

第18頁 1259203 五、發明說明（14) 本發明之另一實施例係關於一培養細胞之方法，例 如：原核細胞、真核細胞及/或哺乳動物細胞。本發明所 提供新穎之方法至少包括以下步驟：提供第一腔室；放入 生長基材用來培養細胞並強化細胞附著力；提供第二腔 室；將第二腔室連結至第一腔室；提供培養基於第二腔 室；於第二腔室選擇性地裝設一流體及/或液體調節裝 置，以使培養基間歇性地於第一與第二腔室之間流動，以 提供細胞足夠的養分與氧氣卻不傷害或殺死細胞；再次分 配掉落的細胞以增加細胞附著；以及提供一空氣-培養基 之界面與提供一種可以補充新鮮培養基並且收集培養基中 之細胞產物的機制。因此，本發明不僅藉由增加細胞附著 來提升細胞產量，還提供簡易的收集管道，並且本發明之 裝置係可事先滅菌且用完即丟，使培養的感染機率降至最 低，還可避免重複滅菌使用所造成的問題。此外，本發明 提供一新穎之方法，係可間歇性，但非直接的，經由一空 氣-培養基之薄層界面提供細胞氧氣，卻不會傷害及/或殺 死細胞。 本發明之又一實施例係根據前一實施例的方法，再進 一步包含由培養基中收取所欲之細胞分泌的產物。此方法 係進一步至少包含下列步驟：從細胞培養裝置收集培養 基；收集培養基内細胞分泌的蛋白質；提供與補充新鮮的 培養基到第一腔室至足夠供應細胞生長的量；以及週期性 與間歇性移動培養基在第一與第二腔室之間流動往返，使 得當第二腔室的培養基調到最小量時，培養基可以流到第

第19頁 1259203 五、發明說明（15) 一腔室使生長基材能沈浸在培養基中，而當第二腔室的培 養基調到最大量時，培養基又會回到第二腔室，使生長基 材可以藉由空氣-培養基之界面接觸到空氣環境而獲得氧 氣。此種間歇性，但非直接的，利用空氣-培養基之界面 讓生長基材上的細胞接觸到富含氧的環境，，並且沈浸於培 養基中之方法，可提供一均衡的氧氣與養分的供應卻不會 傷害及/或殺死細胞。 本發明之再一實施例係為一細胞培養裝置，至少包 括：一腔室，具有第一端與第二端，其可裝有培養基並且 於第二端培養細胞，於第一端含有空氣環境；一生長基 材，放置於腔室内部以供細胞附著與生長；一培養基儲存 槽，係裝有培養基並與腔室互相連接；以及一驅動裝置， 係可間歇性與週期性的使培養基於培養基儲存槽與腔室之 間流動，使生長基材沈浸於培養基中或是藉由一層空氣-培養基薄膜間接暴露於空氣環境中；一磅秤組合，係與驅 動裝置結合，可感應腔室的重量以控制驅動裝置的開啟或 關閉。前述之細胞培養裝置，係可進一步利用一轉軸與承 台組合，以旋轉攪拌增加細胞接種與培養基混合效果。 本發明之此類與他類實施例將詳細描述、揭露與包含 於以下發明之詳細說明中。 前述或其他之實施例係可藉由以下之詳細說明更進一 步彰顯其特徵。 以下敘述之實施例僅供說明而不宜用來侷限本發明之 範圍。發明之詳細說明可結合所附之圖式作為參考，用以

第20頁 1259203 五、發明說明(16) 幫助獲得更充 例，然而不宜 實施例可用於 別是動物細胞 分的了解。以下說明僅敘述部 因此對本發明添加不必要之限 培養任何細胞，例如：真核與 及/或哺乳動物細胞。本發明1 份較佳示範 制。本發明之 原核細胞，特 其中包括， 教導一種具有至少一個腔室、至少一個開口 閉裝 所欲 長基 結物 達到 養基 基材 較佳 何材 面積 氣， 同樣 進細 收集 培養 何因 的影 貴的 置用 培養 材。 ，可 最大 之薄 還可 為多 料組 讓細 卻絕 可藉 胞的 含有 裝置 通氣 響。 具體 、拋 以關 之細 於一 在接 的細 層界 作為 孔的 成， 胞附 不會 由週 生長 細胞 也可 而造 而言 棄式 閉開 胞、 個較 種細 胞附 面而 一靜 基材 特別 著、 讓細 期性 。本 產物 保護 成的 培養 佳之 胞時 著程 增加 態的 ，並 是本 生長 胞直 與間 發明 之培 細胞 剪應 前述 基與 實施 ，當 度， 空氣 攪拌 且可 發明 、溫 接接 歇性 之系 養基 不直 力， 之腔室 提供細 例中， 作捕捉 生長基 與液體 器（s t a 為任何 之多孔 和攪拌 觸到空 的使細 統亦提 與更新 接接觸 因此可 其中可以 胞附著和 生長基材 並留住細 材也可藉 的接觸面 tic m i X e 大小、形 生長基材 、溫和混 氣。本發 胞接觸養 供一簡易 培養基。 到任何空 以避免任 與至 包括 生長 係為 胞的 由一 積， r ) 〇 狀及 係提 勻與 明之 分與 之方 本發 氣、 何對 少一 ，例 表面 一鬆 過濾· 氣體 並且 生長 可以 供最 提供 腔室 空氣 法可 明之 氣泡 細胞 個關 如： 的生 散集 器以 -培 生長 基材 由任 大的 氧 糸統 而促 用於 細胞 或任 不利 ，本發明係關於一種可靠的、簡易的、不昂 的、無菌的與有效率的培養細胞及/或組織

第21頁 1259203 五、發明說明（17) 與收集其產物之方法與裝置。 一新穎的方法與裝置可用來培 原核、哺乳動物或動物細胞， 所需之養分與氧氣卻不會傷害 法與裝置可以預防或大量減低 剪應力與保護細胞不會直接接 者，本發明之裝置可為自動或 或管理的人力，另外，本發明 法與裝置，可用來生產及收集 蛋白質、抗體等。 本發明之第一個實施例係 胞培養裝置，更具體而言，細 室，其内部係放置有提供細胞 長基材可以間歇性及定期性的 培養基之薄層界面而接觸到空 沈浸於培養基中以幫助細胞生 室包含至少一個薄膜，較佳係 性質，更佳係具有滲透性，使 膜間以便控制細胞的氧氣與養 培養基滲透，因此可作為培養 腔室之通道。本發明之裝置可 培養基的儲存槽，並透過薄膜 之部份係作為一可調節體積的 得培養基可於腔室間流動。第一腔 更確切的說，本發明係關於 養任何細胞，不論是真核、 並且可以充分供應細胞生長 到細胞，此外，本發明之方 任何形式的污染、避免造成 觸空氣、氣泡或氣體。再 手動操作，可節省勞力及/ 係提供一較簡易、方便之方 細胞或組織的產物，例如： 為一 胞培 附著 ，但 氣環 長並 為兩 生長 分之 基由 選擇 連結 裝置 包含 養裝 與生 非直 境以 製造 個， 基材 吸收 一腔 性的 至第 ，藉 室可 至少一 置所包 長之生 接的， 獲得氧 細胞產 薄膜較 可以置 。前述 室溫和 包括第 一腔室 由壓縮 位於第 個腔室 含之第 長基材 利用空 氣，或 物。第 佳係為 放於兩 薄膜係 地進入 二腔室 ，第二 與解壓 二腔室 的細 一腔 ，生 氣- 者是 一腔 多孔 層薄 可使 另一 做為 腔室 縮使 之上

第22頁 1259203 五、發明說明（18) 方、下方、旁 明可選擇性的 可以進一步幫 使培養基可以 可以浮出培養 充足氧氣。此 胞獲得充足及 細胞。 本發明之 細胞附著之生 空氣環境中， 一薄膜放置於 具為多孔，以 可支撐生長基 控制的裝置使 室之氣體被調 二腔室，然而 的培養基均流 地由驅動裝置 第二腔室間來 最小時，第一 浸於培養基中 第一腔室的生 接觸到空氣環 邊，或是 包括 驅 助培養基 完全覆蓋 基，藉由 種間接暴 有效率的 另一實施 長基材， 並且第一 環繞第二腔室的方式。此外，本發 動裝置以控制體積調節裝置，因此 週期性與間歇性地在腔室間流動， 細胞以提供養份，並且生長基材也 一空氣-培養基之界面使細胞獲得 露於空氣環境中之方式，可以讓細 氧氣供應，卻不會傷害及/或殺死 第一 作為 材。 得培 節至 當第 到第 調節 往流 腔室 ， 缺 長基 境以 腔室 培養 第二 養基 最小 二腔 一腔 、調 動。 的生 而當 材便 獲得 例係為 其中生 腔室與 與第二 基於腔 腔室係 可於腔 量時， 室的氣 室。體 整或控 因此， 長基材 第二腔 會藉由 充足氧 一具有 長基材 第二腔 腔室之 室間流 具有一 室間流 大多數 體被調 積調節 制，使 當第二 便會週 室的培 一空氣 氣。此 提供細胞生長與促進 係放置於第一腔室的 室相結合。另外尚有 間，前述薄膜較佳係 動之通道，並且薄膜 體積調節及/或液體 動，因此，當第二腔 的培養基均留滯於第 節至最大量時，多數 裝置可進一步選擇性 培養基在第一腔室與 腔室的培養基體積為 期性與與間歇性地沈 養基體積為最大時， -培養基之界面間接 種藉由空氣-培養基

第23頁 1259203 五、發明說明（19) 之界面間接暴露於空氣環境以提供充分氧氣之方法，並不 會傷害及/或殺死細胞，因為細胞並未直接接觸到氣流。 本發明之第一腔室與第二腔室係可由任何材料構成， 包括但不限於，聚丙烯、塑膠或熱塑性塑膠。每個腔室的 體積則可以改變而且可為相同或不同之體積，每個腔室的 體積較佳係為約1 0毫升到約5 0 0 0毫升之間，更佳係為約5 0 毫升到約2 5 0 0毫升之間，而最佳係為約1 0 0毫升到約1 0 0 0 毫升之間。 在另一個實施例中，本發明之細胞培養裝置係至少包 括一個可分隔第一腔室與第二腔室之薄膜或區隔裝置，此 薄膜或區隔裝置具有滲透性且較佳係為多孔材質，並且可 以支撐及/或支持生長基材，還可以當作平台 (plat form) 〇 前述之滲透膜可由任何材料組成，例如，但不限於半 滲透性纖維、半滲透性高分子聚合支持物（ρ ο 1 y m e r support )、金屬或是塑膠。滲透膜可為任何能夠支持、 支撐或承受生長基材之重量的型式。在一較佳實施例中， 薄膜係為多孔與滲透性使得培養基可在腔室間進出，卻不 至於干擾細胞培養及/或移動任何細胞’同時可作為一靜 態的攪拌器。尤其是可加入另一個與第一個薄膜同樣或類 似性質的滲透性薄膜，放置於生長基材的另一側，使生長 基材於浸入培養基時能於第一腔室中保持固定的位置，不 至於移動走位。本發明之生長基材可為任何材質，包括但 不限於，例如：陶瓷、生物可分解基質、高分子聚合物、

第24頁 1259203 五、發明說明（20) 非編織基材（non-woven 編織基材(woven substrate ) substrat 乙稀、聚 基（DEAE 包括但不 粒狀、微 半透性中 著的表面 生長 維束、細 陶瓷核心 擁有的優 發明之生 統，例如 及有通道 其外部係 強細胞附 微載 且不需耗 本發明之 胞複製與 用於自動 當利 攪拌系統 e )、聚醯胺、聚酯、聚氨酯、碳氟聚合物、聚 丙烯或聚乙烯醇、三甲胺、玻璃、矽與二乙氨乙 )。多孔生長基材可為任何型式、形狀或大小， 限於，碟狀、薄片、塊狀、盤狀、片狀、帶狀、 載體、微粒、半透性顆粒、微顆粒、半透性膜或 空纖維。使用本發明之生長基材係可增加細胞附 積與空氣-培養基的面積。 基材的型式也可以是，但不限於，中空纖維、纖 胞生長方塊（cell growth cube)以及有通道的 (channeled ceramic core ) ，此類生長基材所 點即在於大量增加細胞生長與附著的表面積。本 長基材亦可使用市面上可購得之微載體基材系 :如前所述之中空纖維、纖維束、細胞生長方塊 的陶瓷核心。本發明使用之微載體與其相關基材 可包裹蛋白質及/或其他生物或化學之特徵以加 著力或是選擇性地增加特定類型細胞的附著。 體系統可幫助細胞以商業量產所需的速度生長並 費大量人力，相較於滾動式培養瓶與其他系統， 細胞培養裝置可以同時用於小規模與大規模的細 細胞生產，此外，微載體生物反應器系統很適合 化大規模的培養附著依存細胞。 用微載體生產系統培養附著依存細胞時，需要一 以提供細胞氧氣，此系統其中一元件與另一元件

第25頁 1259203 五、發明說明（21) 交互作用以使得大量攜帶細胞的微載體顆粒得以懸浮在培 養基中。相反的’本發明則不需要這樣的攪拌系統來提供 足夠的養分與氧氣，因為培養基週期性與間歇性的於腔室 之間流動可以幫助攪拌，並且可以使任何掉落的細胞重新 附著於生長基材之機會以提高細胞的附著力，因而能改善 細胞的生長情況並增加細胞產物的生產。 作為一微載體的材料，其表面化學成分須能支持細胞 附著與生長，而且不能對細胞或其衍生之產物具有毒性， 理想的微載體其直徑約為7 5 - 2 2 5 // m，不過也有較大或較 小的尺寸被使用過，例如：（美國專利第5，1 1 4，8 5 5號

(1992 年5 月）；J· Varani， S. Josephs and W· Hillegas， "Human Diploid Fibroblast growth in polystyrene microcarriers in aggregates ff , Cy tot echno logy, 22:111-117 (1996)) 〇 本發明係教導一種新穎的顆粒狀的生長基材，其係可 以各種尺寸存在，其直徑可為約1毫米至約1 0 0毫米之間， 然而依照個人需要，任何直徑均為合適直徑。另外，於本 發明中，此顆粒係可為任何可利用的形狀或型式，在本發 明之較佳實施例中，生長基材係為一不規則狀的、鬆散集 結的基質。

前述本發明之顆粒，其理想密度可介於 1 · 0 2 - 1 · 0 5 g / c c，然而依照不同應用上之需要，也可使用 較輕或較重的材質。除了表面化學特性之不同外，不同材 質的顆粒其硬度、多孔性與吸收程度均有差異，操作特

第26頁 1259203 五、發明說明（22) 性、耐久性、耐儲時間（s h e 1 f 1 i f e )與消毒之簡易度等 均會影響製程的花費，本發明係可根據商業潛力的觀點而 作適當的調整。 本發明之較佳實施例係提供一多孔的生長基材及/或 顆粒，此多孔基材至少可於三方面增加細胞的生長與存活 率〇 首先，當多孔的顆粒沈浸於培養基時，在顆粒的孔洞 中會產生溫和的攪拌作用，例如使用：半透性顆粒微載體 而非攪拌裝置，當多孔的生長基材顆粒於培養基中流動時 便創造了 一種溫和攪拌的環境，因而可以作為一靜態的攪 拌器，此種溫柔攪拌的效應可促進細胞的生長、使養分均 勻分布，並且使掉落的細胞重新分配以增加其再次貼附及 /或再次附著到生長基材上的可能性。重新分配掉落的細 胞，特別是針對附著依存的細胞，可以增加細胞培養整體 的生存率。 第二，當多孔生長基材顆粒未沈浸於培養基時，其内 部結構可以提供細胞足夠氧氣，然而可以保護細胞避免其 直接接觸氣體環境，因此，多孔生長基材顆粒可作為一有 效率之溶氧增生器（ο X y g e n a t 〇 r )。細胞直接接觸到氣體環 境將對細胞不利並且更進一步傷害細胞或造成死亡，尤其 是動物細胞，當生長基材由培養基中浮出，一部份或薄層 培養基將留滯於多孔顆粒之表面，形成一培養基薄層覆蓋 生長或浸泡於多孔顆粒表面的細胞，如此便可形成一空氣 -培養基之界面薄層使氧氣有效率的擴散，讓細胞可以有

第27頁 1259203 五、發明說明（23) 效率的吸收氧氣 長基材顆粒可增 -培養基之界面£ 第三，此多 (plating )及 / 細胞的過濾器以 係為一鬆散集結 分佈細胞，以及 表面。 本發明所使 氣體混合物，包 室包含至少一個 以及允許細胞培 卻不會直接接觸 加細胞生長的表 孔的生長基材顆 或接種（i η 〇 c u 1 增加細胞附著數 的基質，可在接 確保最多的細胞 以有 裝設 任何 一個關 一空氣 形狀或 此關閉 螺旋蓋或彈 限於， 氣滤網 裝置。 ，例如 本發明 較佳實施例 但不 一空 培養 購自 閉裝 濾網 直徑 裝置 簧蓋 塑膠 ，以 滅菌 :Mi 之細 中， 用之氣 括，但 開口， 養裝置 置，另 以接受 大小。 係可為 。此外 〇在一 避免微 空氣濾 1 1 i ρ 〇 r 胞可以 其細胞 體可為任 不限於空 可用來接 與外界的 外可選擇 空氣並且 任何形狀 ，此關閉 較佳實施 生物、細 網係為熟 e，MA 〇 為真核細 係為動物 空氣。另夕卜，此多孔的生 面積以及讓細胞接觸空氣 粒可作為可在平盤接種 a t e )細胞時，當作捕捉 目，多孔的生長基材顆粒 種細胞時簡單而有效率的 附著於多孔的生長基材的 何適用於培養任何細胞之 氣。本發明裝置之第一腔 受或移動培養基與細胞， 環境交換空氣。此開口可 性的於開口與關閉裝置間 減少污染，此開口係可為 或型式，包括但不限於， 裝置可為任何材質，包括 例中，關閉裝置係可包含 胞或任何污染物進出細胞 習本技藝者所習知並且可 胞及/或原核細胞。在一 細胞、哺乳動物細胞，較

第28頁 1259203 五、發明說明（24) 佳係為人類細胞。細胞可為任何經過重組或未重組的原核 細胞或真核細胞，包括：昆蟲細胞，例如：S f - 9，靈長類 細胞，例如：V e r 〇，老鼠細胞，例如：Β Η K或C - 1 2 7，蒼鼠 細胞，例如·· CΗ0 ，酵母菌，例如· Saccharomyces 或 Sc i zosaccharomyces，或人類細胞，例如：腫瘤、成骨細 月包(osteoblast )及間葉幹細月包(mesenchymal stem cells )。原核細胞可為任何好氧（a e r o b i c )或厭氧 Λ (anaerobic)、革蘭氏陽性（Gram positive)或革蘭氏. 陰性（G r a in n e g a t i v e )細菌或重組或非重組，包括，但 不限於，Escherichia co 1 i 及 Bacillus subtilis 。任何 細胞均可生長於本發明之細胞培養裝置，此外，附著依存 φ 或非附著依存之細胞也適用於本發明。附著依存細胞需要 表面附著生長，然而非附著依存細胞則生長於液狀懸浮液 中，所有種類的細胞均需要充足的氧氣、養分與生長因子 以供其生長。 在另一實施例中，本發明係提供一細胞培養裝置可培 養三維結構之組織，培養用來移植的組織需要符合美國食 品與藥物管理局（FDA )的標準才能獲得許可，FDA的標準 包括，但不限於，具有改善疾病的功能、組織培養的一致 性與再現性，及經過認證的滅菌過程。為了達到體内實施 的功效，所培養出的組織必須具有三維結構，而為了達到 再現性，培養細胞的環境須符合人體的生理環境，至於滅 ® 菌過程的認證，可藉由培養組織的無菌偵測資料來證明其 無菌性並建立說明書。 ‘

第29頁

!259203 五、發明說明（25) 可移植的組織具有三項關鍵特徵· w /， PL ^ (e X t r a c e 1 1 u 1 a r m a t r i X )以維持機械穩定性^存活與 (s c a f f ο 1 d i n g ) 。2 )具有細胞間的接觸以雉持/、的子細 正常功能。3)具有三維型態可以區分出生長與繁殖 （例 胞群（cell subpopulation)。標準的組織培養方> 如：t型培養瓶、培養皿、滾動培τ養瓶與攪拌滚動培養并 )通常無法培養出直接取代器官功能的可移植的組織’ /、 原因在於缺少多維的（m u 11 i - d i m e n s i 〇 n a 1 )細胞間的接 觸以及過度生長不需要的子細胞群。本發明係克服習知技 術的限制與缺陷，例如··克服習知技術的滾動式培養瓶與 授拌反應器之抑制細胞的三維生長；提供壓力/真空環境 的控制以模擬真實組織的生長環境。此外，關於病毒的生 產’ /袞動式培養瓶的病毒產量為195 pfu/ceii，微載體/ 旋轉瓶（spinner fiask )為1〇9 pfu/ceU，本發明則為 313 pfu/cell ，係增加2至3倍的產量。習知技術因剪應 >(shear )過大，故對於較脆弱的細胞造成傷害， 〜 係減少、降低與控制其所施加的擾動與其伴 a明 以避免，害某些特定種類的細胞。 的减應力， 在習知技術中，除了標準滾動式培養瓶之與 尚有其他機械操作會影響細胞正常生長，尤其^ °序， 細胞的機械操作。 一疋系些餵養 當以滾動式培養瓶與攪拌槽生物反應器培表* πα ("-d1Um exchange m〇de )"，具有幾項缺失，==拉式 凡具是， 1259203 五、發明說明（26) 在攪拌槽生 或分批補料 困難的，因 過濾器（s p separation flow appar 灌注模式更 形。本發明 的情形來補 本發明 限於 或是 以為 明。 如： 動化 風箱 體積 之體 養基 將從 方式 ，一個 氣球。 自動或 以下針 本發明 電腦。 裝置， 本發明 ，則可 >例如 積為最 之體積 風箱流 使得培 物反應器要使用，例如：灌注（p e r f u s i ο η ) (fed-batch )方式等”培養基更新模式n是很 為需要額外增加其他複雜的裝置，例如，離心 in filters )、分離斜板(inclined plate)或切向流式過濾裝置（tangential at uses )。此外，當利用習知方法與裝置實施 新培養基時，會發生附著的細胞被沖掉之情 係可藉由減低灌注時的剪應力與減少細胞掉落 救前述習知技術之缺失。 之調節及/或調整體積的裝置可以包括，但不 可伸縮的腔室，例如：風箱、浮囊、活塞組合 此外，本發明之用以驅動可壓縮腔室的裝置可 手動操作。 對調節及/或調整體積的裝置作進一步的說 之自動驅動裝置係可由一電子裝置控制，例 本發明之驅動裝置係可藉由操作任何習知的自 例如：機器人，來控制其自動化。 之體積調節裝置係為一可壓縮的腔室，例如： 藉由壓縮與伸展此風箱，調節風箱内培養基的 :當風箱壓縮到極限時，此時其内部的培養基 小，而當風箱伸展到極限時，此時其内部的培 為最大。特別是當風箱壓縮時，相對的培養基 到第一腔室，而第一腔室内的生長基材放置的 養的細胞並不會受到剪應力的傷害。放置培養

第31頁 1259203 五、發明說明(27) 基的腔室可以位於含有生長基材的腔室之上方、下方、旁 邊，或是環繞的型式。藉由壓縮與伸展風箱，培養基可以 一規律及/或不規律的時間間隔於腔室間流動，以提供培 養的細胞最理想的氧氣濃度，而最理想的氧氣濃度為熟習 此技藝者所習知，例如：一般熟習此領域之人士均了解過 高的氧氣濃度對於細胞有害，特別是高度分化的細胞。同 樣地，一般熟習此領域之人士也了解過低的氧氣濃度對於 細胞生長有害，特別是需要氧氣以維持代謝與生長的動物 細胞與哺乳動物細胞。本發明更可以藉由控制此第一腔室 之關閉裝置，搭配第二腔室的壓縮與伸展，達到控制第一 腔室的壓力環境的能力，並直接施壓在生長基材上，提高 壓力的作用。例如：緊縮此關閉裝置，同時壓縮第二腔 室，可以增加第一腔室内的壓力；緊縮此關閉裝置，同時 伸展第二腔室，可以減少第一腔室内的壓力。藉由增加或 減少壓力，可以作為培養特殊種類細胞或組織的用途，例 如:造骨細胞（osteoblast) 〇 本發明之第二個實施例，其調節及/或調整體積的裝 置係為一可充氣的氣球，利用充氣或洩氣可調節培養基留 滯於第二腔室的體積。於是，當氣球充氣到極限時，此時 其第二腔室的培養基之體積為最小，而當氣球洩氣到極限 時，此時第二腔室的培養基之體積為最大。本發明之氣球 可由何材質組成，例如：橡膠、乳膠或任何可伸縮的塑 膠。另外，因為氣球放置於含有培養基之腔室，因此當氣 球充氣時，相對的培養基將從原本的腔室流到裝置有生長

第32頁 1259203 五、發明說明（28) 基材的腔室，而不會使培養的細胞受到剪應力的傷害。另 外，當氣球洩氣時，相對的培養基將從裝置有生長基材的 腔室流回原本的腔室，使生長基材暴露於空氣環境中，而 生長於其上的細胞便可藉由一空氣-培養基的薄層界面而 獲得氧氣。因此，不論本發明之細胞培養裝置係使用何種 體積調節及/或體積調整裝置，均可使培養的細胞間歇性 與週期性的浸在培養基中以獲得養分，或是非直接的藉由 一層氣體-液體的薄層界面而接觸到空氣環境。氣球的充 氣與洩氣可以一規律及/或不規律的時間間隔，並且可以 依照特定細胞種類而調整以提供最適當的氧氣供應。 在本發明之第三實施例中，係利用活塞作為體積調節 裝置，藉由移動活塞使培養基在腔室間移動，例如：將活 塞推到極限，位於第二腔室的培養基的體積達到最大量， 而當活塞抽回到極限，位於第二腔室的培養基的體積便達 到最小量。 在另一實施例中，本發明之細胞培養裝置係至少包含 一個腔室，本裝置可以選擇性的包含兩個腔室，即，第一 腔室與第二腔室。第一腔室可位於第二腔室之上方、下 方、旁邊，或是環繞的方式，反之亦然。第一腔室内可裝 有一生長基材以幫助細胞附著與生長，至少一個薄膜，較 佳係為兩個多孔的、具有滲透性的薄膜，以促進培養基的 流動並提供一空氣環境以提供氧氣予生長基材。生長基材 係可選擇性的固定及/或附著及/或懸浮於第一腔室之内 壁。第二腔室内可裝有培養基，與一控制培養基於腔室間

第33頁 1259203 五、發明說明（29) 移動的裝置 動操作，以 最理想的氧 與第二腔室 兩層多孔的 另夕卜， 室，與裝有 第一端或遠 (proximal 基，而在近 製造，例如 選擇性的合 本發明 容器組合作 表面或選擇 方’利用浮 動，同時促 沈浸於培養 以非直接的 當浮囊洩氣 細胞得到養 成。 本發明 器，以自動 氣與養 結合， 薄膜間 本發明 培養基 端（d i 個實施例係利用一密閉的浮囊及/或一 體積或調整液體的裝置，其可固定於一 孔的薄膜上，使得生長基材位於其上 的空氣使得生長基材得以垂直上下移 基的流動，例如：當浮囊充氣時，原本 生長基材會被往上推，使得生長基材可 空氣-液體的薄層界面而提供氧氣，而 長基材會被往下推而沈浸於培養基中使 囊組合裝置可以為任何合適的材質組 ，第二腔室内的移動裝置可以為自動及/或手 一規律及/或不規律的任何時間間隔，以提供 分給培養的細胞。第一腔室與藉由薄膜 在一較佳實施例中，生長基材係置放於 係提供一裝有細胞生長基材的第一腔 的第二腔室，其中第一與第二腔室均有 stal end)以及第二端或近端 e n d )的區別。第二腔室係在遠端裝有培養 端為一空氣環境。細胞培養腔室可用任何材質 :塑膠。第一腔室與第二腔室可以貼合，也可 為一體。 之第四 為調節 性的多 囊内部 使培養 基中的 藉由一 時，生 分。浮 之可選擇性的具備驅動裝置，例如：空氣壓縮 或手動充氣或洩氣浮囊組合裝置，以幫助提供

第34頁 1259203 五、發明說明（30) 氧氣與養分給附著於生長基材上的細胞。 本發明之第六個實施例係提供一細胞培養裝置，包括 第一腔室，其具備生長基材放置與懸浮於其内部。第一腔 室係含有第一端或近端以及第二端或遠端，其中第一腔室 的遠端係有一面向第二腔室的開口’第二腔室亦含有第一 端或近端以及第二端或遠端，其中近端基本上為封閉的。 當氣體從第二腔室近端打入時，生長基材會沈浸於培養基 中，當氣體從第二腔室抽出，生長基材會非直接的藉由一 層氣體-培養基的薄層界面而接觸到空氣環境。氣體於第 二腔室的抽出或灌入可以藉由任何驅動裝置，例如··空氣 壓縮器，來驅動，而前述之驅動裝置可以為自動或手動操 作。 本發明係提供一種新穎的培養細胞之方法，可用於培 養真核細胞及/或原核細胞，尤其是動物細胞與哺乳動物 細胞，本發明方法之操作步驟係至少包括：於本發明之細 胞培養裝置之第一腔室中加入培養基以及使細胞懸浮於生 長基材之上；提供至少一個表面及/或一薄膜以支撐生長 基材，其中表面及/或薄膜較佳係為多孔；於第一腔室的 第一端至少設置一個開口用來加入及/或移除培養基與細 胞，至少一個關閉裝置用以關閉開口 。前述之關閉裝置係 可選擇性的提供一個空氣濾網用以交換空氣及減少污染物 進入腔室。本裝置同樣提供第二腔室以接收培養基，一體 積調節裝置使得培養基可於腔室之間移動，以及一種收集 培養基中的細胞產物之方法。

第35頁 1259203 五、發明說明（31) 本發明之 或一區隔裝置 性，並且可用 施例中生長基 為限制含有細 基，並可位於 是環繞的方式 二腔室間流動 滲透性纖維、 此外，薄膜或 材於固定位置 本發明亦 長基材上之步 另外，本 培養基週期性 生長基材上的 生長基材上的 藉由一層氣體 獲得氧氣，但 供一個新穎的 配第二腔室的 模擬組織生長 壓縮第二腔室 裝置，同時伸 細胞培養裝置尚可進一步包含至少一層薄膜 ，薄膜或區隔裝置係可具有滲透性與多孔 來分隔第一與第二腔室。此外，在一較佳實 材的兩側係各有一層薄膜或一區隔裝置以作 胞的顆粒的隔間。第二腔室可以裝有培養 第一腔室之上方、下方、及/或旁邊，及/或 ，因此可以讓培養基溫和的於第一腔室與第 。薄膜或區隔裝置的材質可以為，例如：半 半滲透性高分子聚合支持物、金屬或塑膠。 區隔裝置係可支持或支撐及/或限制生長基 〇 可進一步包含接種及/或平盤接種細胞至生 驟。 發明亦提供一新穎的方法可以使生長基材或 及/或間歇性的於細胞培養裝置内移動，讓 細胞可以沈浸於培養基中以獲得養分，或使 細胞可以浮出培養基，非直接的方式讓細胞 -培養基的薄層界面而接觸到空氣環境，以 是卻不會傷害及/或殺死細胞。本發明亦提 方法可以藉由控制第一腔室之關閉裝置，搭 壓縮與伸展，直接施壓於生長基材上，達到 環境的能力。例如：緊縮此關閉裝置，同時 ，可以增加第一腔室内的壓力；緊縮此關閉 展第二腔室，可以減少第一腔室内的壓力。

第36頁 1259203 五、發明說明（32) 藉由增加或減少壓力，可以作為培養特殊種類細胞或組織 的用途，例如：造骨細胞（〇 s t e〇b 1 a s t)。 在本發明又一實施例中，於前述實施例之方法係可更 進一步包含收集分泌於培養基中的細胞產物。分泌的細胞 產物可以包括，但不限於，蛋白質、D N A、R N A、質體、抗 體與病毒。收集培養基的步驟除了前述步驟外，尚另外包 含：利用排出及/或任何一般的方法，從本細胞培養裝置 的第一腔室之開口收集培養基，以及收集培養基中包含的 細胞分泌的蛋白質。任何習知的收集培養基的方法均可應 用於本發明，例如··將培養腔室之培養基排出及/或抽 出。本發明之方法亦提供：在移除用過的培養基後，重新 注入適當量的新鮮培養基到本裝置之方法，以提供細胞養 分。生長基材將再次週期性與間歇性的沈浸於培養基中， 而隨著前述之第二腔室的體積由最小到最大，細胞將非直 接的藉由一層氣體-培養基的薄層界面而接觸到空氣環 境。如此不斷的重複上述步驟，直到細胞無法再產生所需 的細胞產物為止。因本發明之細胞裝置係為一簡單的裝 置，因此價格並不昂貴並為可拋棄式設施，以避免衍生出 裝置滅菌方面的問題。 參 本發明之實施例係藉由圖式來更進一步闡述，前述之 實施例僅用於說明而不宜用來侷限本發明之範疇。第一 A 圖與第一 B圖為描述本發明裝置之第一實施例，第一腔室 110含有生長基材120，生長基材120可由任何材質製成， 例如：陶瓷、生物可分解基質、高分子聚合物、編織基材

第37頁 1259203 五、發明說明（33) (woven substrate )、非編織基材（non-w〇ven substrate)、聚醯胺、聚酯、聚氨酯、碳氟聚合物、聚 乙稀、聚丙烯或聚乙稀醇、三甲胺（tri-methyl amine )、玻璃、矽與二乙氨乙基（DEAE)。生長基材120可選 擇性的具有多孔，使用本發明之生長基材1 2 0係可供細胞 附著，而且使得附著其上的細胞可獲得氧氣卻不會直接暴 露於空氣環境。直接暴露於空氣中對於細胞，尤其是動物 細胞與哺乳動物細胞，可能造成傷害及死亡並且失去培養 的存活率。 生長基材1 2 0可為任何型式、形狀或大小，包括但不 限於，碟狀、薄片狀、塊狀、盤狀、片狀、帶狀、粒狀、 微載體、半透性顆粒、微顆粒、半透性膜或半透性中空纖 維。 第一腔室110係與第二腔室130連結，並且第一腔室 110與第二腔室130可以貼合，或與第二腔室130合為一 體，其中第一腔室及/或第二腔室可以包含培養基，而且 兩腔室均至少有一邊可互通的開口 ，允許液體與氣體可在 腔室間流動與移動。於第一實施例中，第二腔室1 3 0裝設 一個可壓縮的元件，係可為一可伸縮的風箱形式。第二腔 室130可以包含生長液或培養基。第一A圖係顯示第二腔室 1 3 0的可壓縮元件處於非壓縮的狀態，如此培養基係充滿 於第二腔室，因此，生長基材120將非直接的藉由一層氣 體-培養基的薄層界面而接觸到空氣環境以獲得氧氣。第 一 B圖係顯示第二腔室1 3 0的可壓縮元件處於壓縮的狀態，

第38頁 1259203 五、發明說明(Μ) 當二腔室1 3 0處於壓縮的狀態，培養基係移動到第一腔室 使生長基材1 2 0沈浸於培養基中。然而，當第二腔室1 3 0處 於非壓縮的狀態時，培養基係滯留於第二腔室1 3 0，而生 長基材1 2 0便不會沈浸於培養基中。第一腔室1 1 0係可設置 至少一個開口 1 4 0以裝入或排出細胞與培養基至第一腔室 1 1 0 ，開口 1 4 0可裝設一個關閉裝置1 5 0 ，關閉裝置1 5 0包含 至少一個空氣濾網1 6 0用來過濾進出細胞培養裝置之空 氣，以減少污染的發生。 本發明之細胞培養裝置之第二實施例係如第二Α圖與 第二B圖所示，於第一腔室210包含生長基材220，生長基 材2 2 0可為鬆散集結的基質構成，其材料包括但不限於： 陶瓷、生物可分解基質、高分子聚合物、編織基材、非編 織基材、聚醯胺、聚酯、聚氨酯、碳氟聚合物、聚乙烯、 聚丙烯或聚乙烯醇、三甲胺、玻璃、矽與二乙氨乙基。在 第二實施例中之生長基材2 2 0可選擇性的為多孔，而且使 得附著於生長基材2 2 0上的細胞可獲得氧氣卻不會直接暴 露於空氣環境。直接暴露於空氣中對於細胞，尤其是動物 細胞及/或哺乳動物細胞，可能造成傷害及死亡並且失去 培養的存活率。 生長基材可為任何型式、形狀或大小之任何顆粒，包 括但不限於，碟狀、薄片狀、塊狀、盤狀、片狀、帶狀、 粒狀、微載體、半透性顆粒、微顆粒、半透性膜或半透性 中空纖維。 第一腔室210係與第二腔室230結合，其中第一及/或

第39頁 1259203 五、發_說明（ as ) 第二腔室可以包括生長液及/或培養基，並且於兩個腔室 的交界面均具有開口以幫助液體與氣體的交換與移動。於 第二實施例中，第二腔室2 3 0裝設一個可壓縮的元件，係 可為一氣球2 8 0用以作為體積調節裝置。第二腔室2 3 0可以 選擇性的包含培養基。第二A圖係顯示第二腔室2 3 0的氣球 2 8 0處於洩氣的狀態，第二B圖係顯示第二腔室2 3 0的氣球 2 8 0處於充氣的狀態。氣球2 8 0的組成材質可為任何材質， 例如：橡膠、乳膠或任何可伸縮的塑膠。

如第二B圖所示，當氣球2 8 0處於充氣狀態時，於第二 腔室2 3 0之培養基係為最少量，大多數的培養基均被迫流 至第一腔室2 1 0，使得生長基材2 2 0可以沈浸於培養基中。 而如第二A圖所示，當氣球2 8 0處於洩氣狀態時，於第二腔 室230之培養基係為最大量，因此，於第一腔室210之生長 基材220將非直接的藉由一層氣體-培養基的薄層界面而接 觸到空氣環境以獲得氧氣。第一腔室2 1 0可以設置至少一 個開口 2 4 0以裝入、平盤接種、接種或排出細胞至生長基 材上，使培養基可進出第一腔室210，以及提供第一腔室 2 1 0與外部環境間的氣體交換。開口 2 4 0可裝設一個關閉裝 置2 5 0，關閉裝置2 5 0包含至少一個空氣濾網2 6 0用來過濾 進出細胞培養裝置之空氣。

本發明之細胞培養裝置之第三實施例係如第三A圖與 第三B圖所示，於第一腔室310包含生長基材320，生長基 材3 2 0可為鬆散集結的基質構成，其材料包括但不限於： 陶瓷、生物可分解基質、高分子聚合物、編織基材、非編

第40頁 1259203 五、發明說明（36) 織基材、聚醯胺、聚酯、聚氨酯、碳氟聚合物、聚乙烯、 聚丙烯或聚乙烯醇、三甲胺、玻璃、矽與二乙氨乙基。在 第三實施例中之生長基材3 2 0可選擇性的為多孔或者可以 由顆粒組成的鬆散集結的基質，多孔的生長基材3 2 0可使 附著於其上的細胞獲得氧氣卻不至於直接暴露於空氣環 境。直接暴露於空氣中對於細胞，尤其是動物細胞及/或 哺乳動物細胞，可能造成傷害及死亡並且失去培養的存活 率。 生長基材3 2 0可為任何型式、形狀或大小，包括但不 限於，碟狀、薄片狀、塊狀、盤狀、片狀、帶狀、粒狀、 微載體、半透性顆粒、微顆粒、半透性膜或半透性中空纖 維。 第一腔室310係與第二腔室330結合，其中第一及/或 第二腔室可以包含培養基，並且於兩個腔室的交界面均具 有開口 。於第三實施例中，第二腔室3 3 0裝設一活塞3 8 0作 為體積調節裝置。活塞3 8 0可藉由上推或下拉以控制培養 基在第一腔室310與第二腔室3 3 0之間的流動。第三A圖係 顯示活塞380處於下拉的情形，其中第二腔室330之培養基 體積係為最大量，第三B圖係顯示活塞3 8 0處於上推的情 形，其中第二腔室3 3 0之培養基體積係為最小量。活塞的 材質系可為任何材質例如：橡膠、塑膠、金屬、合成材料 或聚丙烯以及可以任何習知方法操作。 當活塞3 8 0處於下拉狀態時，培養基係留滯於第二腔 室330，於第一腔室310之生長基材320可獲得氧氣供應，

第41頁 1259203 五、發明說明（37) 當活塞3 8 0處於上推狀態時，大多數的培養基被推往第一 腔室310，使得生長基材320可以沈浸於培養基中。第一腔 室3 1 0可以選擇性設置至少一個開口 3 4 0以裝入或排出細胞 與使培養基可以進出第一腔室310，以及提供第一腔室310 與外部環境的氣體交換。開口 3 4 0可裝設一個關閉裝置 3 5 0 ，關閉裝置3 5 0可選擇性裝設至少一個空氣濾網3 6 0用 來過濾進出細胞培養裝置之空氣。 本發明之細胞培養裝置之第四實施例係如第四圖所 示，於第一腔室410係至少包含半中空纖維之生長基材

4 2 0，半中空纖維之生長基材4 2 0可由任何材質構成，例 如··編織基材、非編織基材、生物可分解基質、聚醯胺、 聚酯、聚氨酯、碳氟聚合物、聚乙烯、聚丙烯或聚乙烯 醇、三曱胺、玻璃、矽與二乙氨乙基。半中空纖維之生長 基材420可使附著於其上的細胞獲得氧氣卻不至於直接暴 露於空氣環境。直接暴露於空氣中對於細胞，尤其是動物 細胞及/或哺乳動物細胞，可能造成傷害及死亡並且失去 培養的存活率。

第一腔室410係與第二腔室430貼合或合為一體，其中 第一及/或第二腔室可以包含培養基，並且於兩個腔室的 交界面均具有開口 。於本較佳實施例中，第二腔室4 3 0可 為一風箱的型式，藉由壓縮或解壓縮來調節位於第二腔室 430内部的培養基之體積，如第一 A圖與第一B圖所示。 當第二腔室4 3 0處於壓縮狀態（圖未顯示），培養基 係流到第一腔室4 1 0中，使半中空纖維之生長基材4 2 0沈浸

第42頁 1259203 五、發明說明（骀） 於培養基中以使細胞獲得養分。當第二腔室430處於未壓 縮狀態，培養基係回到及/或留滯第二腔室4 3 0中，以提供 氧氣給生長於半中空纖維生長基材420之上或之内的細 胞。第一腔室4 1 0可以選擇性設置至少一個開口 4 4 1以裝入 細胞至半中空纖維生長基材4 2 0，並且可裝設一個關閉裝 置4 5 1得以重複打開及關上開口 4 4 1 。第一腔室4 1 0也可以 設置第二個開口 4 4 0以裝入或排出培養基，以及提供與外 部環境的氣體交換。開口 4 4 0也可裝設一個關閉裝置4 5 0， 關閉裝置4 5 0係裝設至少一個空氣濾網4 6 0用來過濾進出細 胞培養裝置之空氣。 本發明之細胞培養裝置之第五實施例係如第五圖所 示，於第一腔室510係至少包含半滲透囊之生長基材520， 半滲透囊之生長基材5 2 0可由任何材質構成，例如：編織 基材、非編織基材、聚醯胺、聚酯、聚氨酯、碳氟聚合 物、聚乙烯、聚丙烯或聚乙烯醇。半滲透囊之生長基材 520可使附著於其上的細胞藉由一空氣-培養基之薄層界面 獲得氧氣卻不至於直接暴露於空氣環境。半滲透囊或容器 之生長基材5 2 0係可選擇性的使氣體可通過但細胞不可通 過。 第一腔室510係與第二腔室530結合，其中第一及/或 第二腔室可以包含培養基，並且於兩個腔室的交界面均具 有開口可互通。於本實施例中，第二腔室530可為一可壓 縮之腔室，例如：風箱，藉由壓縮或伸展使培養基於第一 腔室5 1 0與第二腔室5 3 0之間流動。

第43頁 1259203 五、發明說明（邪） 當第二腔室5 3 0處於壓縮狀態，培養基係流到或被迫 進入第一腔室510中，使半滲透囊之生長基材520沈浸於培 養基中以使細胞獲得養分。當第二腔室530處於未壓縮狀 態，培養基係回到及/或留滯第二腔室5 3 0中，使第一腔室 5 1 0中之半滲透囊之生長基材5 2 0得到氧氣。第一腔室5 1 0 可以進一步設置至少一個開口 5 4 1以裝入細胞至半滲透囊 之生長基材5 2 0，並且可裝設一個合適的關閉裝置5 5 1得以 重複打開及關上開口 5 4 1。第一腔室5 1 0也可進一步設置第 二個開口 5 4 0以裝入或排出培養基，以及提供與外部環境 的氣體交換。第二個開口 5 4 0也可裝設第二個關閉裝置 5 5 0，關閉裝置5 5 0係選擇性的裝設至少一個合適的空氣濾 網5 6 0用來過濾進出細胞培養裝置之空氣。 本發明之細胞培養裝置之第六實施例係如第六A圖與 第六B圖所示，於第一腔室610包含生長基材620，藉由控 制一浮囊組合6 2 8與輸氣管6 2 7使得生長基材6 2 0浮於或沈 浸於培養基中。如第六A圖顯示，當浮囊組合6 2 8大量充氣 之後，生長基材6 2 0便會間接接觸到培養腔室6 1 0之空氣環 境，細胞可藉由一空氣-培養基之界面得到氧氣。如第六B 圖顯示，當浮囊組合6 2 8大量洩氣之後，生長基材6 2 0便會 沈浸在培養基中，使其上的細胞獲得養分。 培養腔室6 1 0可以選擇性的設置至少一個開口 6 4 0以裝 入或排出培養基以及提供與外部環境的氣體交換。開口 6 4 0可裝設一關閉裝置6 5 0得以重複打開及關上開口 6 4 0。 關閉裝置6 5 0可進一步裝設至少一個空氣濾網6 6 0用來過濾

第44頁 1259203 五、發明說明（40) 進出細胞培養裝置之空氣。

本發明之細胞培養裝置之第七實施例係如第七A圖與 第七B圖所示，於第一腔室710包含培養基，第二腔室730 係與第一腔室710結合並且置於第一腔室710之上方。第二 腔室7 3 0係藉由纜線7 2 9與生長基材7 2 0相連，生長基材720 可為任何材料組成例如：陶瓷、生物可分解基質、高分子 聚合物、編織基材、非編織基材、聚醯胺、聚酯、聚氨 酯、碳氟聚合物、聚乙烯、聚丙烯或聚乙烯醇、三甲胺、 玻璃、矽與二乙氨乙基。在第七實施例中之生長基材720 可選擇性的為多孔，多孔的生長基材可使附著於其上的細 胞獲得氧氣卻不會直接暴露於空氣環境中因氣流或氣泡所 產生的剪應力。直接暴露於空氣中對於細胞，尤其是動物 細胞及/或哺乳動物細胞，可能造成傷害及死亡並且失去 培養的存活率。 生長基材720可為任何型式、形狀或大小，包括但不 限於，碟狀、薄片狀、塊狀、盤狀、片狀、帶狀、粒狀、 微載體、半透性顆粒、微顆粒、半透性膜或半透性中空纖 維。

第一腔室710係與第二腔室730結合，其中第一及/或 第二腔室可以包含培養基，並且於兩個腔室可藉由交界面 直接相通。於第七實施例中，第二腔室7 3 0可為一可壓縮 之腔室例如··可壓縮或伸展之風箱。第七A圖係顯示第二 腔室730處於伸展之狀態，第七B圖係顯示第二腔室730處 於壓縮之狀態。如第七B圖所示，當第二腔室7 3 0壓縮時，

第45頁 1259203 五、發明說明（41) 生長基材7 2 0係降低並沈浸於第一腔室7 1 0之培養基中，當 第二腔室730未壓縮時，於第一腔室710之生長基材720可 浮出培養基並且非直接的藉由一層氣體-培養基的薄層界 面而接觸到第二腔室7 3 0之空氣環境以獲得氧氣。第二腔 室7 3 0可以進一步設置至少一個開口 7 4 0。開口 74 0可裝設 一個關閉裝置7 5 0 ，關閉裝置7 5 0可進一步裝設至少一個空 氣濾網7 6 0用來過濾進出細胞培養裝置之空氣。 本發明之細胞培養裝置之第八實施例係如第八圖所 示，本裝置係包含兩個培養腔室810與810’ ，其中腔室810 係裝設於腔室8 1 0 ’之内，並且腔室8 1 0 ’係環繞腔室8 1 0。 腔室8 1 0係包含一生長基材以接受細胞，並且於其底部有 一開口 ，使得培養基可以藉由此開口自由地在腔室8 1 0與 8 1 0 ’之間流動。腔室8 1 0 ’之底面可選擇性的設計一上揚的 表面或一彎曲的輪廓線（contour) 821’ （例如圓錐體 )，使得水流呈流線型並且可避免堆積未能附著於生長基 材8 2 0的細胞。 腔室8 1 0可以進一步設置至少一個開口 8 4 0以裝入或排 出細胞及/或使培養基可以進出培養腔室810。開口840可 裝設一個關閉裝置8 5 0以重複打開及關上開口 8 4 0。關閉裝 置8 5 0可進一步裝設至少一個空氣濾網8 6 0用來過濾進出細 胞培養裝置之空氣。腔室810’可以進一步設置至少一個開 口 8 4 0 ’ ，並可裝設一個合適的關閉裝置8 5 0 ’ 。關閉裝置 8 5 0 ’可進一步裝設至少一個空氣濾網8 6 0 ’用來過濾進出細 胞培養裝置之空氣。

第46頁 1259203 五、發明說明（42) 腔室8 1 0的培養基含量之控制係藉由將空氣由空氣濾 網860’打入腔室810’而改變腔室810’之氣體空間，此壓力 將驅動培養基由腔室8 1 0 ’流入腔室8 1 0。當氣體腔室8 1 0 ’ 變小時，生長基材8 2 0係沈浸於培養基中，當氣體腔室 8 1 0 ’變大時，氣體腔室8 1 0 ’之真空使培養基流回腔室8 1 0 ’ 因而使得腔室810之生長基材820可以非直接的藉由一層氣 體-培養基的薄層界面而接觸到空氣環境。 前述之生長基材可以單獨置於腔室810、單獨置於腔 室810’或同時置於腔室810與腔室810’ 。 第九A圖係顯示本發明之生長基材1 2 0係沈浸於培養基 中並且可得到相當多的養分，當選擇性的多孔的生長基材 沈浸於培養基時，會造成一種現象稱為靜態攪拌，係溫和 的攪拌培養基與養分，並且可重新均勻地分配掉落的細胞 回到生長基材120中。 第九B圖係顯示當培養基高度低於本發明之生長基材 1 2 0，生長基材1 2 0時可得到相當多的氧氣，本圖係顯示當 從裝有生長基材1 2 0之腔室移走培養基時，將會有一薄層 培養基滯留於多孔生長基材之上，此薄層可以保護於生長 基材120之上及/或之内的細胞，使其不直接暴露於空氣環 境中因氣流所產生的剪應力。 本發明之細胞培養裝置之第九實施例係如第十A圖與 第十B圖所示，係將第一 A圖與第一 B圖之實施例與一驅動 裝置 1012，例如：一油壓缸(oil pressure cylinder ) 或一氣壓缸（air pressure cylinder)作結合，裝設於

第47頁 1259203 五、發明說明（43) 可第：腔室1 0 3 0之底部。如第+β圖所*，當壓力 缸1012升起時，或如第+ Λκι , ^ 士 ^ 乂戈乐个八圖所示，當壓力缸1012降下 3、二ί 腔ΐ ”30係週期性與間歇性的壓縮與伸展。第二 5 ί 1 ii i η 5塾Ϊ與伸展使生長基材1 0 2 0週期性與間歇性在 至I 1 2腔至1 〇 3 〇之間移動，因而使生長基材1 0 2 0沈浸 於培養基中以獲取養分’或是浮出培養基讓生長基材1〇2〇 上的細胞得到氧氣。 >本發明之細_胞培養裝置之第十實施例係如第十一 Α圖 與第广:B圖所tf，係將第—A圖與第一 β圖之實施例與一 體積凋^ ^置1 1 1 7，例如：_螺旋起重器作結合，裝設於 具有二壓縮tl件之第二腔室113〇之底部。如第十一B圖所 二，當螺旋，重器1117升起時，或如第十一A圖所示，當 壓力缸1 1 1 7落下時’第二腔室丨丨3 〇係週期性與間歇性的壓 縮與伸展。第二腔室1130的壓縮與伸展使生長基材112〇週 期性與間歇性沈浸於培養基中，以及非直接的藉由一層氣 體-培養基的薄層界面而接觸到空氣環境以獲取氧氣。 本發明之細胞培養裝置之第十一實施例係如第十二八圖與 第十二B圖所不，係將第一A圖與第_β圖之實施例結合體 積調節裝置1219及1 2 2 0，例如：驅動軸桿（shaft )與驅動裝置1218，例如：馬達或步進馬達（step m〇t〇r )，裝設於可壓縮之第二腔室123〇之底部。如第十二B圖 所示，當驅動軸桿升起時，或如第十二A圖 動 軸桿落下時丄第二腔室123〇係週期性與間歇性的壓縮與伸 展。第二腔室1 2 3 0的壓縮與伸展使第一腔1〇之

第48頁 1259203 五、發明說明（44) 材1 2 2 0可週期性與間歇性沈浸或浮出於培養基中。

本發明之細胞培養裝置之第十二實施例係如第十三A 圖與第十三B圖所示，係第二圖之實施例與一氣體壓縮驅 動裝置結合。汽門孔（v a 1 v e ρ 〇 r t ) 1 3 2 2係處於開啟狀 態，當汽門孔1 3 2 4開啟而汽門孔1 3 2 3關閉時，空氣便由空 氣幫浦1 3 2 5打入氣球1 3 8 0使其充氣。因此，如第十三B圖 所示，於第二腔室1330之體積會減少，培養基將由第二腔 室1 3 3 0被推擠至第一腔室1 3 1 0，使生長基材1 3 2 0沈浸於培 養基中。螺線汽門孔1 3 2 3與1 3 2 4之轉換可藉由，例如：一 計時器1 3 2 6來控制，計時器1 3 2 6可以改變螺線汽門孔1 3 2 3 與1 3 2 4之開啟/關閉狀態。當汽門孔1 3 2 4關閉而汽門孔 1 3 2 3開啟時，氣球内的氣體會因為培養基重量所造成的壓 力而被擠出，培養基因而由第一腔室1 3 1 0流到第二腔室 1 3 3 0使得生長基材1 3 2 0暴露於空氣中。轉換氣球1 3 8 0的充 氣與洩氣狀態使得生長基材1 3 2 0週期性與間歇性沈浸與浮 出於培養基中，並且非直接的藉由一層氣體-培養基的薄 層界面而接觸到空氣環境。

本發明之細胞培養裝置之第十三實施例係如第十四圖 所示，係第六圖之實施例與一氣體壓縮驅動裝置結合。藉 由調控氣體在浮囊1428與輸氣管1427的含量，可以使生長 基材1 4 2 0沈浸與浮出於培養基中。浮囊1 4 2 8係連結在生長 基材1 4 2 0的底部，利用連接到至少一個螺管汽門孔之驅動 裝置，例如：空氣幫浦1 4 3 0，可以讓浮囊1 4 2 8充氣或洩 氣。操作時，汽門孔1 4 3 3與1 4 3 6總是開啟，而當汽門孔

第49頁 1259203 五、發明說明（45) 1 4 3 2與1 4 3 7開啟時，汽門孔1 4 3 4與1 4 3 5則關閉，空氣便由 空氣幫浦1430打入浮囊1428並使浮囊1428充氣，生長基材 1 4 2 0於是被往上推並且使細胞間接的藉由一層氣體—培養 基的薄層界面而接觸到第一腔室1 4 1 0之空氣環境。螺管汽 門孔之開關可以利用，例如：一計時器1 4 3 1來控制。計時 器1 4 3 1可以改變螺線汽門孔之開啟/關閉狀態，當汽門孔 1 4 3 2與1 4 3 7關閉，而汽門孔1 4 3 4與1 4 3 5開啟時，浮囊1 4 2 8 内的氣體會被空氣幫浦1 4 3 0排空，使得生長基材1 4 2 0沈浸 於培養基中。 本發明之細胞培養裝置之第十四實施例係如第十五圖 所示，係將第八圖之實施例與一氣體壓縮驅動裝置結合。 汽門孔1 5 3 3與1 5 3 6係為開啟，而當螺管汽門孔1 5 3 4與1 5 3 5 開啟時，其他汽門孔1 5 3 2與1 5 3 7為關閉，氣體壓縮器1 5 3 0 會將空氣推入第一腔室1510之内面，因此，第一腔室内培 養基的體積因為氣壓而減少，因為腔室1510與腔室1510， 的下邊係可以相通，於是當腔室丨5丨〇中培養基體積減少 時，腔室1 5 1 0 ’之培養基體積便會上升，反之亦然。其 次’汽門孔1 5 3 2與1 5 3 7為開啟，並且汽門孔丨5 3 4與1 5 3 5關 閉時，汽門孔1 5 3 3與1 5 3 6係仍然為開啟不會改變，之後， 空氣會被推入外部培養腔室1 5 1 0，以致於腔室1 5 1 〇，之培養 基體積減少，而同時腔室1510之培養基體積增加。藉由重 複此操作’於腔室1 5 1 0與腔室1 5 1 〇，之培養基係週期性與 間接性的於兩腔室間移動，使生長基材152〇沈浸於培養基 中以獲得養分，或是浮出培養基藉由一層氣體-培養基的

第50頁 1259203 五、發明說明（46) 薄層界面而獲 本發明之 所示，係第一 基交換系統可 長模式。在生 結合器1 6 4 5與 以允許如第一 )以進行氣體 裝置 旦培 夠量，則會進 的培養基。 於培養基 閉，此外，閥 體壓力加上第 1 6 4 4會開啟， 存槽1 64 2。舊 門1 6 4 3會開啟 由結合器1 6 4 5 引了新鮮培養 培養裝置。一 為再度回到正 啟狀態，所有 腦1 6 4 8，操作 發明之細 取氧氣。 細胞培養裝置之第十五實施例係如第十六圖 圖之實施例與一培養基交換系統結合。培養 以兩種不同模式操作：培養基交換模式與生 長模式中，閥門1 6 4 3與1 6 4 4係關閉藉以關上 1 6 4 6，同樣地，閥門與空氣入口 1 6 4 7係開啟 圖之實施例可經由空氣濾網1 6 0 (圖未顯示 交換，此狀態下，培養基無法進出細胞培養 養基用罄及/或細胞生產之蛋白質已達一足 行培養基的收集以得到蛋白質並且更換新鮮 交換模 門 1 6 4 3 二腔室 讓用過 培養基 ，位於 到達第 基由儲 旦培養 常的生 閥門的 方式可 胞培養 式中，閥門 係關閉。利 1 6 3 0的壓縮 的培養基流 流出之後， 儲存槽1 6 4 1 二腔室1630 存槽1 6 4 1經 基達到足夠 長模式，閥 控制可以藉 為自動或手 裝置之第十 與空氣入 用第 腔 (例如： 出經由結 閥門1 6 4 4 之新鮮培 。第二腔 過結合器 的量，閥 門與空氣 由 電子 口 1 6 4 7 係 室1610之 風箱）， 合器1646 會關閉， 養基將被 室1 6 3 0的 1 6 4 5而到 Π 1 6 4 3 t 入口 1647 裝置，例 動操作。 六實施例 為關 剩餘氣 閥門 到達儲 接著閥 吸入經 伸展吸 達細胞 關閉。 係為開 如：電 係如第十七A圖

第51頁 1259203 五、發明說明（47) 與第十七B圖所示，係第一圖之實施例與一培養基交換系 統結合。第十七A圖顯示第十六實施例之手動操作，第十 七B圖顯示第十六實施例之自動操作。

本細胞培養裝置可以兩種不同模式操作：培養基交換 模式與生長模式。在生長模式中，幫浦1743與1744係處於 關閉狀態，同樣地，空氣入口 1 7 6 0係開啟以允許第一圖之 實施例可經由空氣濾網1 6 0 (圖未顯示）以進行氣體交 換，此狀態下，新鮮的培養基無法進出細胞培養裝置的第 一及/或第二腔室，一旦培養基用罄及/或細胞生產之蛋白 質已達一足夠量，則會進行培養基的收集以得到蛋白質並 且更換新鮮的培養基。 於培養基交換模式中，閥門與空氣入口 1 7 6 0係為關 閉，啟動幫浦1 74 4以將第二腔室1 7 3 0中用過的培養基推出 經由結合器1 7 5 0，然後運送至儲存槽1 7 4 2。舊培養基流出 之後，幫浦1 7 4 4即關閉。為再度回到正常的生長模式，空 氣入口 1 7 6 0係為開啟狀態，所有幫浦的控制可以藉由一電 腦及/或電子裝置1748來驅動，操作方式可為自動或手動 操作。

本發明之細胞培養裝置之第十七實施例係如第十八A 圖與第十八B圖所示，係如第一圖之細胞培養裝置與一培 養基交換系統結合。第十八A圖顯示第十七實施例之手動 操作，第十八B圖顯示第十七實施例之自動操作。 本培養基交換裝置可以兩種不同模式操作：培養基交 換模式與生長模式。在生長模式中，幫浦1 8 4 3與1 84 4係處

第52頁 1259203 五、發明說明（48) 於關閉狀態，同樣地，空氣入口 1 8 6 0係開啟以允許如第一 圖之細胞培養裝置可經由空氣濾網1 6 0 (圖未顯示）以進 行氣體交換，此狀態下，新鮮的培養基無法進出細胞培養 裝置的第一及/或第二腔室，一旦培養基用罄及/或細胞生 產之蛋白質已達一足夠量，則會進行培養基的收集以得到 蛋白質並且更換新鮮的培養基。

於培養基交換模式中，空氣入口 1 8 6 0係為關閉，幫浦 1 8 4 4為啟動狀態以將用過的培養基推出細胞培養裝置並且 運送至儲存槽1 8 4 2。舊培養基流出之後，幫浦1 8 4 4即關 閉。幫浦1 8 4 3係啟動以將儲存槽1 8 4 1中的新鮮培養基補充 到細胞培養裝置。當達到足夠的新鮮培養基時便關閉幫浦 1 8 4 3。為再度回到正常的生長模式，空氣入口 1 8 6 0係為開 啟狀態，所有幫浦的控制可以藉由一電腦及/或電子裝置 1 8 4 8來驅動，操作方式可為自動或手動操作。

本發明之細胞培養裝置之第十八實施例係如第十九A 圖與第十九B圖所示，本實施例係包含至少一個細胞生長 腔室，其含有至少一個腔室内壁1992 ，其中每個腔室均有 第一端、第二端、一内表面及一外表面用來定義一開口。 本發明之細胞培養裝置可具有第二腔室，其係可位於第一 腔室之上方、下方、及/或旁邊，及/或是内/外環繞的方 式。至少有一個生長腔室係以輪子或支架1 9 9 0，使本實施 例之細胞培養裝置可被一平面支撐，例如：地板、桌面或 實驗室操作檯面。每個生長腔室有至少一個生長基材1991 以生長至少一顆細胞以及允許細胞貼附及/或附著。

第53頁 1259203 五、發明說明（49)

至少一個生長腔室係包含有培養基與氣體環境使培養基 置於培養腔室的第二端，而空氣環境位於及/或包含於培 養腔室的第一端。本發明之實施例也同樣包含一驅動裝置 1995，用來上下或左右移動生長基材往返於生長腔室之第 一端與第二端間，使得生長基材可週期性與間歇性沈浸及 /或浮出培養基以提供細胞適當的養分與氧氣。驅動裝置 1 9 9 5可選擇性包含第一連結裝置1 9 9 4用來連結驅動裝置 1 9 9 5與第二連結裝置1 9 9 3，驅動裝置1 9 9 5係與生長基材 1 9 9 1相連，其作用在於使生長基材反覆地、週期性與間歇 性地由生長腔室之第一端移至第二端，即，移動生長腔室 内的生長基材使其可以反覆的沈浸及浮出培養基以提供合 適的養分與氧氣。本發明之驅動裝置可為一升降器，升降 器系統可以幫助生長基材上下或左右移動。

第十八實施例中之生長基材1 9 9 1可選擇性的具為多 孔，多孔的生長基材可使附著於其上的細胞獲得氧氣卻不 會直接暴露於空氣環境中因氣流或氣泡所產生的剪應力。 直接暴露於空氣中對於細胞，尤其是動物細胞及/或哺乳 動物細胞，可能造成傷害及死亡並且失去培養的存活率。 生長基材1 9 9 1可為任何型式、形狀或大小，包括但不限 於，碟狀、薄片狀、塊狀、盤狀、片狀、帶狀、粒狀、微 載體、半透性顆粒、微顆粒、半透性膜或半透性中空纖 維，還可選擇性的利用一多孔的膜套容納生長基材，例 如··多孔顆粒或微載體，使培養基可以流動。另外，也可 利用一固定之支撐結構以支撐生長基材，使其可移入或移

第54頁 1259203 五、發明說明（&α) 出培養基。

本發明之細胞培養裝置之第十九實施例係如第二十A 圖與第二十B圖所示，本實施例係包含第一生長腔室，其 含有至少一個腔室内壁2092，其中每個腔室均有第一端、 第二端、一内表面及一外表面用來定義一開口 。本發明之 細胞培養裝置可具有第二腔室，其係可位於第一腔室之上 方、下方、及/或旁邊，及/或是内/外環繞的方式。至少 有一個生長腔室係以輪子或支架2 0 9 0 ，使本實施例之細胞 培養裝置可被一平面支撐，例如：地板、桌面或實驗室操 作檯面。每個生長腔室有至少一個生長基材2091以生長至 少一顆細胞以及允許細胞貼附及/或附著。

至少一個生長腔室係包含有培養基與氣體環境使培養 基置於培養腔室的第二端，而空氣環境配置於及/或包含 於培養腔室的第一端。本發明之實施例也同樣包含一驅動 裝置2095，用來上下或左右移動生長基材往返於生長腔室 之第一端與第二端間，使得生長基材可反覆地、週期性與 間歇性地沈浸及/或浮出培養基以提供細胞適當的養分與 氧氣。驅動裝置2095可選擇性包含第一連結裝置2094用來 連結驅動裝置2 0 9 5與第二連結裝置2 0 9 3，驅動裝置2 0 9 5係 與生長基材2091相連，其作用在於使生長基材反覆地、週 期性與間歇性地由生長腔室之第一端移至第二端，即移動 生長腔室内的生長基材使其可以反覆的沈浸及浮出培養基 以提供合適的養分與氧氣。本發明之驅動裝置可為一螺旋 起重器，螺旋起重器系統可以幫助生長基材上下或左右移

第55頁 1259203 五、發明說明（51) 動。 第十九實施例中 多孔的生長基材可使 接暴露於空氣環境中 暴露於空氣中對於細 細胞，可能造成傷害 生長基材2091可 限於，碟狀、薄片狀 微載體、半透性顆粒 維，還可選擇性的利 如：多孔顆粒或微載 利用一固定之支撐結 出培養基。 本發明之細胞培 圖所示，本實施例係 2 1 2 0供細胞貼附生長 用一磅秤2 1 8 0感測腔 於某設定值時，可藉 2 1 2 5及關閉閥門2 1 4 4 2126 ，如此，由氣壓 2 1 6 0使得培養基由儲 基材2 1 2 0浸泡於培養 重量超過某設定值時 壓幫浦2 1 2 6及關閉閥 之生長基材2 Ο 9 1可選擇性的為多孔， 附著於其上的細胞獲得氧氣卻不會直 因氣流或氣泡所產生的剪應力。直接 胞，尤其是動物細胞及/或哺乳動物 及死亡並且失去培養的存活率。 為任何型式、形狀或大小，包括但不 、塊狀、盤狀、片狀、帶狀、粒狀、 、微顆粒、半透性膜或半透性中空纖 用一多孔的膜套容納生長基材，例 體，使培養基可以流動。另外，也可 構以支撐生長基材，使其可移入或移 一材利低浦浦網長之氣氣 十基。量幫幫濾生10動閉 二長基重壓壓氣時21啟關 第生養之氣氣空此室號及 如填培10動閉過，腔訊44 係裝裝21啟關經10測出21 例内承室號及將21感送門 施其30腔訊43體室8081閥 實，21當出21氣腔2121開 十10槽，送門的至秤器打 二21存量81閥出推磅制且 第室儲重21開推被當控並 之腔一之器打2530。由， 置一有10制且2121中藉43 裝含另21控並浦槽之可21 養包，室由，幫存基，門

第56頁 1259203 五、發明說明（52) 壓幫浦2 1 2 5，如此，培養基由腔室2 1 1 0流至儲存槽2 1 3 0， 此時生長基材2 1 2 0將藉由一空氣-培養基之薄層界面間接 接觸到空氣環境。

為了提升反應器之攪拌效率，利用一轉軸與承台組合 2 1 7 0以旋轉攪拌來增加細胞接種以及培養基混合的效果。 本發明之細胞培養裝置之第二十一實施例係如第二十二圖 所示，本實施例係至少包含一第一腔室2 2 1 0與一可壓縮之 第二腔室2230 ，其中第一腔室2210係位於第二腔室2230之 上方，且第一腔室2210内部含有生長基材2220供細胞生 長，第二腔室2 2 3 0則承裝培養基。為了使細胞培養裝置内 部液體流場一致化，亦即造成生長基材2 2 2 0内部液體流動 由上向下，可以有利於細胞截留於載體之内。當一昇降平 台2250向上移動時，位於第二腔室2230内部之活動瓣膜 2 2 4 0向上移動而封閉孔洞，因此培養基則經由中間中空圓 柱2270向上流動而溢出，再向下流動覆蓋生長基材2220。 而當昇降平台2250向下移動時，活動瓣膜2240則向下移動 而開啟孔洞，因此第一腔室2 2 1 0内之培養基則經由外環孔 洞向下流入第二腔室2 2 3 0，使生長基材2 2 2 0藉由一空氣-培養基之薄層界面間接接觸到空氣環境。

本發明之細胞培養裝置之第二十二實施例係如第二十 三圖所示，當欲進行培養基更換動作時，氣體閥門2 3 4 5關 閉以防止腔室内氣壓外漏，同時，關閉閥門2 3 4 3以避免新 鮮培養基被抽入，打開闊門2 3 4 4並壓縮下方可壓縮裝置 2 3 3 0因而增加腔室内的氣壓，以便將腔室内培養基擠出經

第57頁 1259203 五、發明說明（53) 過連結器2 3 5 0而排入第一儲存槽2 3 4 1 後，氣體閥門2 3 4 5仍為關閉狀態以防 同時，關閉閥門2 3 4 4以避免空氣從連 開啟閥門2 3 4 3 ，利用可壓縮裝置2 3 3 0 將新鮮培養基由第二儲存槽2 34 2，藉 此培養基更換動作可由電腦做程序控 狀態以及可壓縮裝置2 3 3 0之壓縮次數 控。 當平常培養時，閥門2 3 4 3與2 3 4 4 連接於腔室兩側之連結器2 3 5 1與2 3 5 0 閥門2 34 5為開啟狀態，以進行氣體交 本發明之細胞培養裝置之第二十 二實施例之延伸，如第二十四圖所示 裝置，係至少包括上方培養基儲存腔 腔室2 4 3 0 ’左側為南效能細胞培養裝 細胞培養腔室2 4 1 1與下方可壓縮腔室 2 4 6 0連結此二裝置。此系統之運作係 的壓縮與伸展動作，造成其内壓力之 由培養基儲存腔室2410内藉由連結器 連結器2 4 5 1擠壓至細胞培養裝置之細 時不論其下方可壓縮腔室2431壓縮與 2421沈浸於培養基中，而當可壓縮腔 基將由細胞培養裝置中循同樣之通道 提升總培養基之體積以避免頻繁更換 。當此一動作完成 止腔室内氣壓漏失， 結器2 3 5 0抽入，並且 下降所產生的負壓， 由連結器2 3 5 1吸入。 制，以調控閥門開闔 ，做更換體積之調 為關閉狀 為封閉階 換。 三實施例 ，右側為 室2410與 置，係至 2431 ，利 藉由可壓 改變，於 2 4 5 0經過 胞培養腔 否，均能 室2 4 3 0伸 吸回。此 培養基之 態，因此， 段’而氣體 係為第二十 培養基換液 下方可壓縮 少包括上方 用 導管 縮腔室2 4 3 0 是將培養基 導管2460與 室2 4 1 1，此 使生長基材 展時，培養 裝置係藉由 困擾。

第58頁 1259203 五、發明說明(54) 本發明係可藉由一較佳實施例來說明，需了解的是本 發明不應受限於所提供之實施態樣，而應包含各種本發明 之實施態樣（如同熟習本技術領域者所習知），因此，本 發明之申請專利範圍應作最廣義之解釋以包括所有修改與 相似的組合 本發明係利用一非限制性之實施例來進一步說明，本 實施例係用以描述本發明之内容，而不宜用來縮限本發明 及許多未脫離本發明精神與範疇之明顯的、可能的差異。 【實施方式】

以下之敘述係提出本發明之一實施例，本敘述之實施 例不得用來限制本發明。 實施例一：細胞培養以及於細胞生長時收集細胞分泌之蛋 白質 取得一株經過基因工程改造、含有一穩定插入並表現 之DNA以編碼所欲表現之外來蛋白質的中國蒼鼠卵巢細胞 株（CHO cell line )，將此細胞株接種於本發明之細胞 培養裝置之半透性微載體生長基材上。本發明之細胞培養 裝置含有兩個腔室：第一腔室與第二腔室，其中第一腔室 位於第二腔室之上方，並且含有本發明之生長基材，而第 二腔室係含有一可壓縮之風箱並且含有培養基。

一旦加入培養基與細胞後，本細胞培養裝置即可裝於 驅動裝置上，以週期性而間歇性的壓縮與伸展風箱，當藉 由驅動裝置自動壓縮風箱時，培養基會由第二腔室被推向 第一腔室使微載體生長基材沈浸於培養基中，而當藉由驅

第59頁 1259203 五、發明說明（55) 動裝置伸展風箱時，培養基會由第一腔室流向第二腔室， 使微載體生長基材及其上之細胞藉著一層維持於生長基材 表面之一空氣-培養基之界面而間接暴露於第一腔室之空 氣環境，此空氣環境係含有理想的氧氣濃度。

另外，當培養基回到第二腔室後，於微載體基材表面 將會維持一小量培養基以保護細胞避免因為接觸空氣而受 到傷害。風箱的壓縮與伸展可使培養基週期性與間歇性的 移動而接觸生長基材及其上的細胞，以便提供最多的養分 給細胞。再者，細胞週期性與間歇性的於腔室間移動可幫 助任何掉落的細胞重新分配與重新附著，進而可以增加整 體培養的生存率與生產率 利用前述之細胞培養裝置，培養一株含有穩定插入表 現，並可編碼所欲之外來蛋白質之DN A的中國蒼鼠卵巢細 胞株（CHO cel 1 line )，藉著週期性與間歇性使培養基 在腔室間移動以及氧氣與養分的交互提供，不使細胞直接 暴露於空氣環境，以達到理想的細胞生長情形與外來蛋白 質生產與分泌，所欲之外來蛋白質將被分泌至培養基且其 濃度將隨著時間累積。

一旦細胞生長達到理想狀態，例如：培養基中的所有 養分用完，便須移走細胞培養裝置中舊的培養基而補充新 鮮的培養基，舊的培養基中含有所欲之重組蛋白質，可根 據一般習知之方法將之純化出來。

第60頁 1259203 圖式簡單說明 【圖式簡單說明】 以下之實施例僅供說明而不宜用來侷限本發明之範 圍。發明之詳細說明可與所附之圖式結合參考，用以幫助 獲得更充分的了解。 第一 A圖顯示本發明之細胞培養裝置之第一個實施 例，其中第二腔室位於第一腔室之下方，並且可以選擇性 的具有可壓縮性使得培養基能在第一與第二腔室間流動。 於第一A圖中，可壓縮的第二腔室此時並未壓縮，所以生 長基材係暴露於一空氣-培養基之界面以提供氧氣。

第一 B圖顯示本發明之細胞培養裝置之第一個實施 例，其中第二腔室係為壓縮狀態，而生長基材係沈浸於培 養基中以使細胞獲得養分。 第二A圖顯示本發明之細胞培養裝置之第二個實施 例，其中一個可擴張的氣球置於及/或位於第二腔室中， 此氣球係處於洩氣狀態使培養基留滯在第二腔室，所以第 一腔室的生長基材便可藉由一空氣_培養基之薄層界面而 暴露於空氣環境中。 第二B圖顯示本發明之細胞培養裝置之第二個實施 例，其中氣球係處於充氣狀態，因而推動培養基從第二腔 室流到（flow)或運送（travel)到第一腔室中，使生長 基材上的細胞可以沈浸於培養基中。

第三A圖顯示本發明之細胞培養裝置之第三個實施 例，其中一個活塞置於第二腔室中並且充分拉長，使得使 培養基留滯在第二腔室，所以第一腔室的生長基材便可藉

第61頁 1259203 圖式簡單說明 由一空氣-培養基之薄層界面而間接暴露於空氣環境中， 因此細胞絕對不會直接接觸到氣體或是空氣。 第三B圖顯示本發明之細胞培養裝置之第三個實施 例，將第二腔室的活塞往上推以強迫培養基從第二腔室流 到或運送或移動（move)到第一腔室中，使生長基材可以 沈浸於培養基中以提供細胞養分。 第四圖顯示本發明之細胞培養裝置之第四個實施例， 其中生長基材係為一中空纖維。 第五圖顯示本發明之細胞培養裝置之第五個實施例， 其中生長基材係為一半透膜囊及/或容器及/或載體。

第六A圖顯示本發明之細胞培養裝置之第六個實施 例，當第二腔室的充氣裝置，例如：浮囊，充氣之後，第 一腔室中的生長基材便會浮在培養基上，並且藉由一空氣 -培養基之界面間接暴露於空氣環境中。 第六B圖顯示本發明之細胞培養裝置之第六個實施 例，當第二腔室的充氣裝置，例如··浮囊，洩氣之後，第 一腔室中的生長基材便會沈浸在培養基中。 第七A圖顯示本發明之細胞培養裝置之第七個實施 例，其中上層的腔室具有可壓縮性，可以控制下層的腔室 内的培養基之流動方向。

第七B圖顯示本發明之細胞培養裝置之第七個實施 例，其中藉由壓縮上層腔室可以使下層腔室内的生長基材 沈浸於培養基中。 第八圖顯示本發明之細胞培養裝置之第八個實施例，

第62頁 1259203 圖式簡單說明 其中第一腔室的培養基含量係由環繞於其周圍的第二腔室 的氣壓來控制。 第九A圖顯示本發明之生長基材，係藉由壓縮可壓縮 的第二腔室使生長基材沈浸於培養基中。 第九B圖顯示本發明之生長基材，其中藉由伸展可壓 縮的第二腔室，使生長基材藉由一空氣-培養基之界面間 接暴露於空氣環境中而獲得氧氣。 第十A圖顯示本發明之細胞培養裝置之第九個實施 例，係與本發明之第一個實施例結合，其中第二腔室的移 動係由一活塞機構控制，並且當第二腔室未壓縮時培養基 會留滯於其内。 第十B圖顯示本發明之細胞培養裝置之第九個實施 例，係與本發明之第一個實施例結合，其中利用活塞機構 控制第二腔室於壓縮狀態。 第十一 A圖顯示本發明之細胞培養裝置之第十個實施 例，係與本發明之第一個實施例結合，其中一螺旋起重器 組合（screw jack assembly)用來作為控制第二腔室壓 縮的工具。 第十一 B圖顯示本發明之細胞培養裝置之第十個實施 例，係與本發明之第一個實施例結合，其中一螺旋起重器 組合用來壓縮第二腔室，使得培養基可以由第二腔室流到 第一腔室。 第十二A圖顯示本發明之細胞培養裝置之第十一個實 施例，其中含有一種驅動裝置用來壓縮裝有培養基之腔

1259203 圖式簡單說明 室 第 之 置 裝 養 培 胞 細 之 明 發 本 示 顯 圖 B 二 十 第 實 個 第 之 基。 養室 培腔 有一 裝第 縮到 壓流 來室 用腔置二 裝第 動由 驅以 vlOul ... 種可 一基 有養 含培 // 中得三 其使十 ，，第 例室 施腔 第 之 置 裝 養 培 胞 細 之 明 發 本 示 顯 圖 實 個 係 例 fe 第 與 圖 第 之 例 施 實 個 二 第 明 發 本 如 具 工 訪 。 驅述 為所 球圖 氣-B 二 以 第 之 置 裝 養 培 胞 細 之 明 發 本 示 顯 圖 Β三以二 十係第 第，之 JMJ. JJ. 施施 為 球 氣

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第64頁 1259203 圖式簡單說明 施例，係結合本發明之第一個實施例並且另外包含連結到 本發明之細胞培養裝置的兩個儲存槽，以便補充新鮮的培 養基給細胞，以及經由細胞培養裝置内含的幫浦收集溶解 於培養基中的細胞產物。 第十七B圖顯示本發明之細胞培養裝置之第十六個實 施例，係結合本發明之第一個實施例並且另外包含連結到 本發明之細胞培養裝置的兩個儲存槽，以便補充新鮮的培 養基給細胞，以及選擇性的使用電子裝置系統或電腦控制 幫浦，以便收集溶解於培養基中的細胞產物。

第十八A圖顯示本發明之細胞培養裝置之第十七個實 施例，係結合本發明之第一個實施例並且另外包含連結到 本發明之細胞培養裝置的兩個儲存槽，以便補充新鮮的培 養基給細胞，以及使用幫浦收集溶解於培養基中的細胞產 物。 第十八B圖顯示本發明之細胞培養裝置之第十七個實 施例，係結合本發明之第一個實施例並且另外包含連結到 本發明之細胞培養裝置的兩個儲存槽，以便補充新鮮的培 養基給細胞，以及選擇性的使用電子系統及/或電腦控制 幫浦，以便收集溶解於培養基中的細胞產物。

第十九A圖顯示本發明之細胞培養裝置之第十八個實 施例，係包含至少一個細胞生長腔室，其特徵為至少一個 内部的開放空間，並進一步包含一個可移動的生長基材與 驅動裝置連結，驅動裝置係為一升降器使得生長基材可以 沈浸於培養基中。

第65頁 1259203 圖式簡單說明 第十九B圖顯示本發明之細胞培養裝置之第十八個實 施例，係包含至少一個細胞生長腔室，其特徵為至少一個 内部的開放空間，並進一步包含一個可移動的生長基材與 驅動裝置連結，驅動裝置係為一升降器使得生長基材可以 自由的上下或左右移動以便浮出培養基至生長腔室中。 第二十A圖顯示本發明之細胞培養裝置之第十九個實 施例，係包含至少一個細胞生長腔室，其特徵為至少一個 内部的開放空間，並進一步包含一個可移動的生長基材與 驅動裝置連結，驅動裝置係一螺旋起重器，使生長基材可 以沈浸於培養基中。

第二十B圖顯示本發明之細胞培養裝置之第十九個實 施例，係包含至少一個細胞生長腔室，其特徵為至少一個 内部的開放空間，並進一步包含一個可移動的生長基材與 驅動工具連結，驅動工具為一螺旋起重器，使得生長基材 可以自由的上下或左右移動以便浮出培養基，並將每個生 長腔室的氧氣量增加到最大量。

第二十一圖顯示本發明之第二十實施例，係包含一腔 室，其内裝填生長基材供細胞貼附生長，另有一儲存槽承 裝培養基。利用一磅秤感測腔室之重量，當腔室之重量低 於某設定值時，可藉由控制器送出訊號啟動氣壓幫浦並開 啟或關閉閥門，以控制培養基在儲存槽與腔室間流動，使 生長基材浸泡於培養基之中，或是藉由一空氣-培養基之 薄層界面間接接觸到空氣環境。為了提升反應器之攪拌效 率，利用一轉軸與承台組合以旋轉擾拌來增加細胞接種以

第66頁 1259203 圖式簡單說明 及培養基混合的效果。 第二十二圖顯示本發明之細胞培養裝置之第二十一實 施例，係包含一第一腔室位於一可壓縮之第二腔室之上 方，且第一腔室内部含有生長基材供細胞生長，第二腔室 則承裝培養基。藉由一昇降平台的移動與活動瓣膜的活 動，可使細胞培養裝置内部液體流場一致化，亦即造成生 長基材内部液體流動由上向下，可以有利於細胞截留於載 體之内。

第二十三圖顯示本發明之細胞培養裝置之第二十二實 施例，係利用控制氣體閥門的開啟與關閉以控制腔室内氣 壓與培養基的流動，以便進行培養基更換的動作。此培養 基更換動作可由電腦做程序控制，做更換體積與更換次數 的調控。 第二十四圖顯示本發明之細胞培養裝置之第二十三實 施例，係為第二十二實施例之延伸，利用一導管連結右側 的培養基換液裝置與左側的高效能細胞培養裝置，此系統 之運作係藉由可壓縮腔室的壓縮與伸展動作，造成其内壓 力之改變，於是移動培養基由培養基儲存腔室至細胞培養 腔室，使生長基材沈浸於培養基中，或是藉由一空氣-培 養基薄層界面而間接接觸到空氣環境。此裝置可以避免頻 繁更換培養基之困擾。

【元件符號說明】 110 --- 第一腔室 12 0 --- 生長基材

第67頁 1259203 圖式簡單說明 130 — 第二腔室 140 --- 開口 150 — 關閉裝置 160 — 空氣濾網 210 — 第一腔室 220 — 生長基材 230 — 第二腔室 240 — 開口 250 — 關閉裝置 260 — 空氣濾網 280 — 氣球 310 ——— 第一腔室 320 —— 生長基材 330 — 第二腔室 340 — 開口 350 — 關閉裝置 360 — 空氣濾網 380 — 活塞 410 — 第一腔室 420 —— 生長基材 430 — 第二腔室 440 — 開口 441 — 開口 450 — 關閉裝置

第68頁

1259203 圖式簡單說明 451 —-- 關閉裝置 460 — 空氣濾網 510 — 第一腔室 520 --- 生長基材 530 — 第二腔室 540 — 開口 541 — 開口 550 — 關閉裝置 551 —-- 關閉裝置 560 — 空氣濾網 610 一— 第一腔室 620 —— 生長基材 627 — 輸氣管 628 — 浮囊組合 630 — 第二腔室 640 — 開口 650 — 關閉裝置 660 —— 空氣濾網 710 — 第一腔室 720 — 生長基材 729 — 纜線 730 — 第二腔室 740 — 開口 750 — 關閉裝置

第69頁

1259203 圖式簡單說明 7 6 0 一 810 ---810，--- 8 2 0 --- 821，---840 --- 8 4 0，--- 850 --- 850， --- 860 --- 8 6 0，--- 1010 —— 1012 ---1 0 2 0 —— 1030 ---1040 ---1050 ---1060 ---1 1 1 0 ---1117 ---1 120 ---1130 ---1140 ---1150 ——一 空氣濾網 第一腔室 第一腔室 生長基材 輪廊線 開口 開口 關閉裝置 關閉裝置 空氣濾網 空氣濾網 第一腔室 驅動裝置 生長基材 第二腔室 開口 關閉裝置 空氣濾網 第一腔室 螺旋起重器 生長基材 第二腔室 開口 關閉裝置

第70頁 1259203 圖式簡單說明 1160 ---1210 -― 1218--- 1219 --- 1220 ---1230 ---1240 ---1 2 5 0 —— 1 2 6 0 —— 1310 ---1320---1 3 2 2 -一 1 3 2 3 … 1 32 4 … 1325 --- 1326 ---1330 ---1340 ---1350 ---1360 --- 1 3 8 0 --- 1410 ---1420 ---1427 ——一 空氣濾網 第一腔室 驅動裝置 體積調節裝置 生長基材 第二腔室 開口 關閉裝置 空氣濾網 第一腔室 生長基材 汽門孔 汽門孔 汽門孔 空氣幫浦 計時1§ 第二腔室 開口 關閉裝置 空氣濾網 氣球 第一腔室 生長基材 輸氣管

第71頁 1259203 圖式簡單說明 1428 — 浮 囊 1430 — 空 氣 幫 浦 1431 — 計 時 器 1432 — 汽 門 孔 1433 — 汽 門 孔 1434 — 汽 門 孔 1435 — 汽 門 孔 1436 —— 汽 門 孔 1437 — 汽 門 孔 1440 — 開 V 1450 — 關 閉 裝 置 1460 — 空 氣 漉 網 1510 —— 腔 室 1510, — •腔室 1520 — 生 長 基 材 1530 一— 空 氣 壓 縮器 1531 —— 計 時 器 1532 — 汽 門 孔 1533 — 汽 門 孔 1534 — 汽 門 孔 1535 — 汽 門 孔 1536 — 汽 門 孔 1537 — 汽 門 孔 1540 —— 開 口

第72頁

1259203 圖式簡單說明 1550 關閉裝置 1 5 6 0——空氣濾網 第一腔室 腔室 槽 槽 1610 —— 1630 ---1641 --- 1642 --- 1 6 4 3 --- 1 64 4 —— 1 6 4 5 --- 1646 --- 1647 ---1 64 8 - 1710 -一 1720 ---1730 ---1741 ---1 74 2 1743 --- 1744 ---1750 -一一 1751 -1 7 6 0 一 1 74 8 -1810 第二 儲存 儲存 閥門 閥門 結合 結合 空氣 電腦 第一 生長 第二 儲存 儲存 幫浦 幫浦 結合 結合 空氣 電腦 第一腔室 器 器 入口 腔室 基材 腔室 槽 槽 器 器 入口

第73頁 # 1259203 圖式簡單說明 1820 — 生長基材 1830 — 第二腔室 1841 — 儲存槽 1842 — 儲存槽 1843 — 幫浦 1844 — 幫浦 1848 — 電腦/電子裝置 1860 — 空氣入口 1990 — 輪子 1991 — 生長基材 1992 — 腔室内壁 1993 — 第二連結器 1994 — 連結器 1995 — 驅動裝置 2 0 9 0 一— 輪子 2 0 9 1 — 生長基材 2 0 9 2 — 腔室内壁 2 0 9 3 — 第二連結器 2 0 9 4 —— 連結器 2 0 9 5 —— 驅動裝置 2110 — 腔室 2120 一— 生長基材 2130 — 儲存槽 2125 — 氣壓幫浦

第74頁

1259203 圖式簡單說明 2126 ―- 2143 --- 2144 ---2160 ---2170 --- 2 18 0--- 2 18 1--- 2210 - — 2 2 2 0 … 2 2 3 0 -一 2240 ---2250 ---2270 ---2330 --- 2341 --- 2342 --- 2343 --- 2344 --- 2345 --- 2350 --- 2351 --- 2410 --- 2411 ---2421 氣壓幫浦 閥門 閥門 空氣濾網 轉軸與承台組合 磅秤 控制器 第一腔室 生長基材 第二腔室 活動瓣膜 昇降平台 中空圓柱 可壓縮腔室 儲存槽 儲存槽 閥門 閥門 閥門 連結器 連結器 培養基儲存腔室 細胞培養腔室 生長基材

第75頁 1259203

4

P 第76頁

Claims (1)

1259203 r. ' '· ·- ^ ' .,

---- ^年3月^餐(更威本 —'—. ........ 【申請專利範圍】 1. 一細胞培養裝置，其係至少包括： 第一腔室，具有第一端、第二端、一内表面及 一外表面，其中内表面具有至少一個生長基材以接 受至少一個細胞以及允許細胞貼附及/或附著； 第二腔室，係與前述第一腔室之第二端交接或 相連，該第二腔室具有第一端、第二端、一内表面 及一外表面，其中 至少一個薄膜或一聯絡裝置或一區隔裝置放 置於第一腔室之第二端與第二腔室之第一端之 間，該區隔裝置使培養基於該第一腔室與第二腔室 間往返流動； 該細胞培養装置使該生長基材間歇輪流暴露 於空氣或培養基中，使細胞通過空氣-培養基的薄 層介面以增加氧氣的交換。 2. 如申請專利範圍第1項所述之細胞培養裝置， 其中前述第二腔室係具有第一端與第二端之可壓 1259203 縮之元件，並且可選擇性地於可壓縮元件之第一端 之外表面提供第一蓋（cap )，及於可壓縮元件之第 二端之外表面提供第二蓋，其中當第二腔室不使用 時第一蓋可與第二蓋相結合，使得第二腔室中的可 壓縮元件係壓縮於第一蓋與第二蓋之間。 3 ·如申請專利範圍第1項所述之細胞培養裝置， 係進一步包括： 一空氣環境，係位於第一腔室之内部； 一培養基，係位於第二腔室中的可壓縮元件内 部，且該培養基可經由一聯絡裝置及/或薄膜於第 一腔室與第二腔室之間自由移動；以及 選擇性的使用一驅動裝置壓縮與伸展第二腔 室中的可壓縮元件以使培養基於第一腔室與第二 腔室之間移動，使得至少有一個細胞貼附及/或附 著之生長基材能夠在第二腔室壓縮時沈浸於培養 基中，而於第二腔室伸展時，藉由一空氣-培養基 薄層界面而間接暴露於空氣環境以提供氧氣。 1259203 4.如申請專利範圍第1項所述之細胞培養裝置， 其中前述之第一腔室包含至少一個開口，係可用來 接受或移動培養基與細胞，以及允許細胞培養裝置 與外界的環境交換空氣。 5 ·如申請專利範圍第4項所述之細胞培養裝置， 其中前述之第一腔室的開口可以選擇性的裝有一 個關閉裝置。 6 ·如申請專利範圍第5項所述之細胞培養裝置， 其中前述之關閉裝置係可選擇性地裝設一空氣濾 網以防止污染。 7. 如申請專利範圍第3項所述之細胞培養裝置，其 中前述之驅動裝置可為自動或手動操作。 8. 如申請專利範圍第1項所述之細胞培養裝置，其 中前述置於第一腔室之第二端與第二腔室之第一 端之間的聯絡裝置，係為一具有滲透性的薄膜或多 孔性隔板，可使培養基於第一腔室與第二腔室間往 返流動。 1259203 9.如申請專利範圍第8項所述之細胞培養裝置，其 中前述具有滲透性的薄膜可選擇性的具有多孔。 1 0.如申請專利範圍第1項所述之細胞培養裝置，其 中前述生長基材係為一鬆散集結的基質，作為溶氧 增生器（oxygenator)、靜態攪拌器（static mixer)以及 深床過濾器（depth filter)。 1 1.如申請專利範圍第1項所述之細胞培養裝置，其 中前述之生長基材係為一半滲透囊。 1 2 ·如申請專利範圍第1項所述之細胞培養裝置，其 中前述之生長基材係為多孔顆粒，可提供靜態攪 拌、增加溶氧、過濾以及阻隔細胞之功能。 1 3 ·如申請專利範圍第1項所述之細胞培養裝置，其 中前述之生長基材係包括至少一半滲透性之中空 纖維。 1 4.如申請專利範圍第1項所述之細胞培養裝置，其 中前述之細胞係可選自以下群組：真核細胞、原核 細胞、哺乳動物細胞、動物細胞、人類細胞、細菌 4 1259203 及黴菌。 1 5·如申請專利範圍第1項所述之細胞培養裝置，其中十述 之生長基材的培養基的量係由一浮囊與一輸氣管所調節及 /或控制。 16.如申請專利範圍第i項所述之細胞培養裝置，其中前

述之第二腔室可進一步包含—體積調節裝置以調控 進入第一腔室之培養基份量； 才二制衣置，係用來控制前述體積調節裝置， 使培養基在第一與第二腔室間流動，使得當培養基 在第二腔室的體積為 、馮取小日守，培養基可以完全覆蓋 生長基材，而當培養某 胥卷在弟二腔室的體積為最大

時’生長基材可以葬 精由一空氣-培養基之界面間接 接觸到第一腔室之空氣環境。 1 7 ·如申請專利範圍 弟1 6項所述之細胞培養裝置， 其中鈾述之體積調節 衣置係為一風箱，藉由壓縮與 伸展以控制第二腔 至内4培養基的體積，使得當風 箱壓縮到極限時 。香基在第二腔室的體積為最 5 1259203 小，而當風箱伸展到極限時，培養基在第二腔室的 體積為最大。 1 8 .如申請專利範圍第1 6項所述之細胞培養裝置， 其中前述之體積調節裝置係為一氣球，藉由充氣與 洩氣以控制第二腔室内部培養基的體積，使得當氣 球充氣到極限時，培養基在第二腔室的體積為最 小，而當氣球洩氣到極限時，培養基在第二腔室的 體積為最大。 19.如申請專利範圍第16項所述之細胞培養裝置， 其中前述之體積調節裝置係為一活塞，其中活塞可 上推或下拉以控制第二腔室内部培養基的體積。 2 0.如申請專利範圍第3項所述之細胞培養裝置，其 中前述之驅動裝置為一油壓缸。 2 1 .如申請專利範圍第3項所述之細胞培養裝置，其 中前述之驅動裝置為一氣壓缸。 22.如申請專利範圍第3項所述之細胞培養裝置，其 1259203 23.如申請專利範圍第3項所述之細胞培養裝置，其 中前述之驅動裝置為一氣體壓縮器。

24·如申請專利範圍之第1項所述之細胞培養裝 置’其中前述之生長基材為多孔的生長基材，使細 胞可包覆於多孔生長基材之内，並且當生長基材浮 出於培養基時，於生長基材上的細胞可藉由一空氣 培養基之界面間接接觸到空氣 環境而獲得足夠 的 氧氣 25.如申請專利範圍第24項所述之細胞培養裴置， 其中多孔生長基材之材質可選自下列群組：陶瓷、 高分子聚合物、編織基材、非編織基材、聚醯胺、

聚酯、聚氨酯、碳氟聚合物、聚乙烯、聚丙烯或聚 乙烯醇。 26·如申請專利範圍第24項所述之細胞培養裝 置，其中前述多孔生長基材之型式係可為碟狀、 溥片狀、塊狀、盤狀、片狀、帶狀、粒狀、半透 11顆粒、微顆粒、微載體、半透性膜 空纖維。 〒 7