JP2021058117A - 気泡除去装置、細胞培養装置及び気泡除去方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で気泡を除去することができる気泡除去装置、細胞培養装置及び気泡除去方法を提供すること。【解決手段】培養液Ｓを吸引して吐出するポンプＰの吐出側の配管ＬＢ，ＬＣ間に、ポンプＰの吸引によって生じた気泡をトラップする気泡トラップフィルタ２を設け、ポンプＰと気泡トラップフィルタ２との間の配管内の培養液Ｓに所定圧をかけて、気泡トラップフィルタ２によってトラップされた気泡を培養液Ｓ内に溶かして消失させる。この所定圧は、例えば２〜５ｋＰｓである。【選択図】図１

Description

本発明は、簡易な構成で気泡を除去することができる気泡除去装置、細胞培養装置及び気泡除去方法に関する。

近年における幹細胞を利用した再生医療としては、例えば、肝硬変や血液疾患、心筋梗塞の治療、血管の構築、骨や角膜の再生、移植用皮膚の確保、などが考えられている。再生医療では、培養皿内で幹細胞などから目的とする細胞や臓器を増殖させ、人に移植するようにしている。最近では、骨髄由来の幹細胞から血管新生を行い、狭心症、心筋梗塞などの治療に成功している。

ここで、従来の細胞培養装置は、培養皿内の培養液を定期的に入れ替えて培養細胞の増殖を行っていた。この細胞培養装置は、培養液の入れ替えに伴って細胞に大きな刺激が与えられ、また、細胞の代謝活動に伴って培養液中に老廃物が排出されることから、細胞にストレスや傷害を与えてしまうという問題があった。

そこで、特許文献１には、培養液の入れ替えを行わず、培養液の送液及び排液を行って細胞培養を行うものが開示されている。

実用新案登録第３１９６６７３号公報

ところで、培養液中に気泡が混入すると、培養細胞は死んでしまい、細胞を培養することができない。そこで、培養液の流路に気泡を除去する装置を設ける必要がある。気泡を除去する方法には種々のものがあり、例えば、気泡をトラップし、トラップした気泡を、気泡の浮力によって鉛直上方に移動させて培養液と気泡とを分離する。あるいは、トラップした気泡を帯電させ、帯電した気泡を電気的に集めることによって培養液と気泡とを分離する。また、発生した気泡は、浮力によって流路を移動中に、鉛直上方側に移動するため、培養液を通さず空気だけを通すフィルタを流路の鉛直上方に設けることによって気泡を減少させる装置もあるが、この場合、気泡が混入した培養液を供給してしまう場合があった。

このような従来の気泡除去装置は、集めた気泡を流路外に排出するための機構を流路に沿って設ける必要があり、流路形成が複雑になるとともに装置が大型化するという問題があった。しかも、気泡を帯電させる気泡除去装置以外の気泡除去装置では、全て気泡が鉛直上方に移動することを利用しているため、例えば、無重力下では、気泡を除去することができない。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、簡易な構成で気泡を除去することができる気泡除去装置、細胞培養装置及び気泡除去方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる気泡除去装置は、流体を吸引して吐出するポンプの吐出側流路に、前記ポンプの吸引によって生じた気泡をトラップする気泡トラップフィルタを設け、前記ポンプと前記気泡トラップフィルタとの間の前記吐出側流路内に所定圧をかけて、前記気泡トラップフィルタによってトラップされた気泡を流体内に溶かして消失させることを特徴とする。

また、本発明にかかる気泡除去装置は、上記の発明において、前記所定圧は、前記ポンプによって形成することを特徴とする。

また、本発明にかかる気泡除去装置は、上記の発明において、前記所定圧は、前記気泡トラップフィルタに形成されて前記流体を通過させる流通孔に対して前記気泡が通過可能となるバブルポイント圧未満であることを特徴とする。

また、本発明にかかる気泡除去装置は、上記の発明において、前記気泡トラップフィルタは、ＰＶＤＦフィルタであることを特徴とする。

また、本発明にかかる気泡除去装置は、上記の発明において、前記所定圧は、２〜５ｋＰｓであることを特徴とする。

また、本発明にかかる細胞培養装置は、前記流体は細胞培養皿に供給される培養液であり、上記の発明のいずれか一つに記載された気泡除去装置を介して前記培養液を前記細胞培養皿に供給することを特徴とすることを特徴とする。

また、本発明にかかる細胞培養装置は、上記の発明において、前記細胞培養皿から前記培養液を排出する流路の出口位置は、前記細胞培養皿内の培養液液面よりも高い位置に配置されることを特徴とする。

また、本発明にかかる気泡除去方法は、流体を吸引して吐出するポンプの吐出側流路に、前記ポンプの吸引によって生じた気泡をトラップする気泡トラップフィルタを設け、前記ポンプと前記泡トラップフィルタとの間の前記吐出側流路内に所定圧をかけて、前記気泡トラップフィルタによってトラップされた気泡を流体内に溶かして消失させることを特徴とする。

本発明によれば、簡易な構成で気泡を除去することができる。

図１は、本発明の実施の形態である気泡除去装置を含む細胞培養装置の概要構成を示す図である。 図２は、気泡除去装置による気泡除去処理を説明する説明図である。 図３は、気泡トラップフィルタの孔径とバブルポイント圧との関係を説明する説明図である。

以下、添付図面を参照してこの発明を実施するための形態について説明する。

＜細胞培養装置＞
図１は、本発明の実施の形態である気泡除去装置１を含む細胞培養装置１００の概要構成を示す図である。図１に示すように、細胞培養装置１００は、密閉空間Ｅ１が形成される培養容器２０、リザーバタンク１０及び廃液タンク３０を有する。培養容器２０は密閉空間Ｅ１を形成し、この密閉空間Ｅ１内に培養細胞４０が配置される。密閉空間Ｅ１は、培養容器２０の上部からアダプタ２１が嵌め込まれることによって形成される。

リザーバタンク１０は、培養細胞４０の増殖あるいは維持に必要な流体である培養液Ｓが蓄えられる。この培養液Ｓは、配管ＬＡ、ポンプＰ、配管ＬＢ，ＬＣを介して密閉空間Ｅ１に供給される。ポンプＰは、例えば、ペリスタルティックポンプであり、リザーバタンク１０内の微小流量の培養液Ｓを吸引して密閉空間Ｅ１側に吐出する。駆動モータＭは、制御部Ｃの回転量制御のもとにポンプＰを駆動する。なお、ポンプＰの吸引により、配管ＬＡ内は負圧となり、気泡が発生しやすくなる。

ポンプＰの吐出側の配管ＬＢと配管ＬＣとの間には、気泡をトラップする気泡トラップフィルタ２が配置される。気泡トラップフィルタ２は、例えばＰＶＤＦ（Poly Vinylidene Di-Fluoride）膜であり、気泡は通過させないが培養液Ｓを通過させる多数の流通孔が形成されている。配管ＬＢ内は、ポンプＰによって所定圧Ｐｓに加圧され、気泡トラップフィルタ２にトラップされた気泡は、所定圧Ｐｓによって培養液Ｓ内に溶けて消失する。なお、気泡除去装置１は、気泡トラップフィルタ２、配管ＬＢ、ポンプＰ、駆動モータＭ及び制御部Ｃを有する。

気泡が除去された培養液Ｓは、配管ＬＣを介して培養容器２０の密閉空間Ｅ１に供給され、さらに、配管ＬＤを介して、廃液タンク３０に排出される。すなわち、気泡のない培養液Ｓは、密閉空間Ｅ１内に満たされた状態で、かん流する。これにより、密閉空間Ｅ１内の培養細胞４０は、増殖あるいは維持する。

なお、配管ＬＤの出口ＬＤａの位置Ｓｂは、密閉空間Ｅ１の培養液Ｓの液面の位置Ｓａよりも高い位置に配置される。図１では、位置Ｓｂが位置Ｓａに対して高さΔｈ分、高くなっている。これにより、配管ＬＤ内で培養液Ｓは負圧とならず、気泡が生じにくくなる。なお、高さΔｈが１０ｃｍ高くなると、配管ＬＤ内の培養液Ｓの圧力は、おおよそ１ｋＰｓ高くなる。したがって、高さΔｈを調整することによって、配管ＬＤ内での気泡発生を防止することができる。

＜気泡除去＞
図２は、気泡除去装置１による気泡除去処理を説明する説明図である。図２に示すように、配管ＬＢ内の培養液Ｓには気泡Ｂが存在する（図２（ａ））。培養液Ｓは、気泡Ｂとともに、ポンプＰの圧送によって、気泡トラップフィルタ２側に流れ、気泡トラップフィルタ２にトラップされる（図２（ｂ））。ここで、配管ＬＢ内の培養液Ｓは、ポンプＰによって所定圧Ｐｓに加圧されており、気泡Ｂは、この所定圧Ｐｓによって培養液Ｓ内の溶け、気泡Ｂが消失する（図２（ｃ））。

なお、この気泡Ｂの消失は、配管ＬＢ内における培養液Ｓの移動中にも行われる。しかし、気泡Ｂの消失にはタイムラグが生じる。したがって、図１に示すように、配管ＬＢの長さＬｄは、気泡ＢがポンプＰから気泡トラップフィルタ２に至るまでの間に消失できる長さにすると、気泡トラップフィルタ２での気泡トラップ数が減少し、培養液Ｓの気泡トラップフィルタの通過に伴う抵抗を減少させることができる。

また、本実施の形態の気泡Ｂの除去は、気泡Ｂを配管ＬＢ外に分離する必要がないため、簡易な構成になるとともに、無重力下で気泡Ｂが鉛直上方に移動しない場合であっても気泡Ｂを確実に除去することができる。

＜所定圧Ｐｓとバブルポイント圧Ｐｂ＞
図３は、気泡トラップフィルタ２の孔径とバブルポイント圧Ｐｂとの関係を説明する説明図である。バブルポイント圧Ｐｂとは、図５に示すように、気泡トラップフィルタ２の下方の気体が流通孔３を介して上方の水の中に気泡として移動するときの圧であるが、これは、気泡トラップフィルタ２の流通孔３を気泡Ｂが通過するときの圧力である。

流通孔の最大の孔径Ｄ_ＢＰとバブルポイント圧Ｐｂとの関係は、次式で表される。
Ｄ_ＢＰ＝４γcosθ／Ｐｂ
ここでγは、水の表面張力であり、θは、接触角である。したがって、孔径Ｄ_ＢＰが０．２２μｍ、水の表面張力を７２ｍＮ／ｍ、気泡トラップフィルタ２の材質であるＰＶＤＦの接触角θを８０°とすると、バブルポイント圧Ｐｂは、２２０ｋＰａとなる。すなわち、図１の状態で用いる気泡除去装置１の所定圧Ｐｓは、２２０ｋＰｓ未満とすることによって気泡Ｂをトラップすることができる。

一方、気泡Ｂの径は一般的に０．５ｍｍ（＝５００μｍ）であり、この気泡Ｂが培養液Ｓに溶存させることができる所定圧Ｐｓは、２〜５ｋＰｓ程度であり、バブルポイント圧Ｐｂ未満である。実際に、所定圧Ｐｓを５ｋＰｓにすると気泡Ｂは完全に消失した。なお、２〜５ｋＰｓの所定圧Ｐｓは、培養細胞４０の増殖等に対して影響を及ぼすことはない。

なお、上記の実施の形態及び変形例で図示した各構成は機能概略的なものであり、必ずしも物理的に図示の構成をされていることを要しない。すなわち、各装置の分散・統合の形態は図示のものに限られず、その全部又は一部を各種の負荷や使用状況などに応じて、任意の単位で機能的又は物理的に分散・統合して構成することができる。また、上述した実施の形態または変形例の各構成要素は適宜組み合わせが可能である。

１ 気泡除去装置
２ 気泡トラップフィルタ
３ 流通孔
１０ リザーバタンク
２０ 培養容器
２１ アダプタ
３０ 廃液タンク
４０ 培養細胞
１００ 細胞培養装置
Ｂ 気泡
Ｃ 制御部
Ｄ_ＢＰ 孔径
Ｅ１ 密閉空間
ＬＡ，ＬＢ，ＬＣ，ＬＤ 配管
ＬＤａ 出口
Ｍ 駆動モータ
Ｐ ポンプ
Ｐｂ バブルポイント圧
Ｐｓ 所定圧
Ｓ 培養液
Ｓａ，Ｓｂ 位置
θ 接触角

Claims (8)

1. 流体を吸引して吐出するポンプの吐出側流路に、前記ポンプの吸引によって生じた気泡をトラップする気泡トラップフィルタを設け、
   前記ポンプと前記気泡トラップフィルタとの間の前記吐出側流路内に所定圧をかけて、前記気泡トラップフィルタによってトラップされた気泡を流体内に溶かして消失させることを特徴とする気泡除去装置。
2. 前記所定圧は、前記ポンプによって形成することを特徴とする請求項１に記載の気泡除去装置。
3. 前記所定圧は、前記気泡トラップフィルタに形成されて前記流体を通過させる流通孔に対して前記気泡が通過可能となるバブルポイント圧未満であることを特徴とする請求項１又は２に記載の気泡除去装置。
4. 前記気泡トラップフィルタは、ＰＶＤＦフィルタであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の気泡除去装置。
5. 前記所定圧は、２〜５ｋＰｓであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の気泡除去装置。
6. 前記流体は細胞培養皿に供給される培養液であり、請求項１〜５のいずれか一つに記載された気泡除去装置を介して前記培養液を前記細胞培養皿に供給することを特徴とすることを特徴とする細胞培養装置。
7. 前記細胞培養皿から前記培養液を排出する流路の出口位置は、前記細胞培養皿内の培養液液面よりも高い位置に配置されることを特徴とする請求項６に記載の細胞培養装置。
8. 流体を吸引して吐出するポンプの吐出側流路に、前記ポンプの吸引によって生じた気泡をトラップする気泡トラップフィルタを設け、
   前記ポンプと前記泡トラップフィルタとの間の前記吐出側流路内に所定圧をかけて、前記気泡トラップフィルタによってトラップされた気泡を流体内に溶かして消失させることを特徴とする気泡除去方法。

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