JP5745589B2

JP5745589B2 - 培養装置入り細胞培養プレート

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Publication number: JP5745589B2
Application number: JP2013210340A
Authority: JP
Inventors: 諭天谷; 杉山　進; 進杉山
Original assignee: Towa Corp; Ritsumeikan Trust
Current assignee: Towa Corp; Ritsumeikan Trust
Priority date: 2013-10-07
Filing date: 2013-10-07
Publication date: 2015-07-08
Anticipated expiration: 2033-10-07
Also published as: JP2015073447A

Description

本発明は、培養装置入り細胞培養プレートに関するものである。

細胞を培養するには、従来はシャーレなどを用いて行なうことが一般的である。しかし、ただ単に細胞を培養するだけでは、細胞が本来持っているはずの特異的な性質が失われる場合が多く、生体応答を正確に反映しているとは限らない。一方、細胞培養においては、力学的刺激の負荷が細胞の機能調節や分化誘導にとって重要なシグナルになっているといわれている。そこで、培養される細胞に伸展刺激負荷を与える装置が提案されている。

また、培養中の細胞に対しては、顕微鏡でその場観察が行なえることも求められる。
たとえば特開２００９−１５９９２５号公報（特許文献１）には、細胞伸展刺激負荷デバイスと称する装置が記載されている。この装置は、細胞観察用チャンバーに設けられた細胞載置用孔において細胞を培養するものである。回転可能に取り付けられた伸展用アームの動きによって、細胞は左右に等しく引き伸ばされる。この際、顕微鏡のピントがずれることはほとんどないとされている。

また、特開２００９−２５４２７５号公報（特許文献２）には、形状記憶合金アクチュエータを用いた細胞伸縮装置が記載されている。

これらはいずれも２次元的な力学的刺激を与えるものである。しかし、実際の生体内では３次元に細胞が増殖しており、２次元細胞培養での細胞増殖と比べれば状況が異なっている。また、生体内の細胞は、２次元にとどまらないさまざまなモードの伸展、圧縮などの刺激を常に受けている。そのため、生体内に近い培養環境における３次元細胞培養が重要となっている。

そこで、生体内に近い環境を与えることができる３次元培養装置が求められている。
たとえばMIT Technology Reviewに掲載された"Building an Organ on a Chip"（非特許文献１）には、ハーバード大学での研究成果が紹介されており、ヒトの肺細胞を培養した例、ヒトの小腸細胞を培養した例が示されている。

培養中の細胞に伸展刺激を与えるための装置としては、既に実用化されているものもある。たとえばストレックス株式会社ウェブサイト内「培養細胞伸展システム：製品一覧」（非特許文献２）に記載されているように、細胞培養の際に細胞に伸展を与えるための装置として、たとえば、手動伸展装置、自動伸展装置、顕微鏡用伸展装置が市販されている。これらの装置は、培養中の細胞に対して一軸性または二軸性の伸展刺激を与えることができる。

フレクスセル（Ｒ）インターナショナル製品カタログ２００９（非特許文献３）に記載されているように、培養細胞伸展装置ＦＬＥＸＣＥＬＬ（Ｒ）ＦＸ−５０００、三次元培養装置ＦＬＥＸＣＥＬＬ（Ｒ）ＴＩＳＳＵＥＴＲＡＩＮも市販されている。

特開２００９−１５９９２５号公報特開２００９−２５４２７５号公報

Susan Young他、"Building an Organ on a Chip"、[online]、２０１２年６月１９日、MIT Technology Review、［平成２５年８月２日検索］、インターネット＜ＵＲＬ:http://www.technologyreview.com/demo/427992/building-an-organ-on-a-chip/＞「培養細胞伸展システム：製品一覧」、[online]、ストレックス株式会社、［平成２５年８月２日検索］、インターネット＜ＵＲＬ:http://www.strex.co.jp/products.html＞「フレクスセル（Ｒ）インターナショナル製品カタログ２００９」、6/32頁、8/32頁、[online]、FLEXCELL(R) INTERNATIONAL CORPORATION、［平成２５年８月２日検索］、インターネット＜ＵＲＬ:http://www.lms.co.jp/commodity/img/si/Flexcell%20Buyer%27s%20Guide%202009.pdf＞

現実的には、細胞培養において３次元の伸展刺激を与えることは容易ではない。
ＭＥＭＳ技術を用いて培養部を小型化したとしても、周辺にポンプなどを多数使用するなどの必要があり、装置全体として大がかりになる。

ＭＥＭＳデバイスの中には、静電力を利用して駆動するものが多いが、静電力で駆動するＭＥＭＳデバイスの場合、培養液中で用いると、電気が培養液中に漏れてしまうため、培養液中での駆動が難しかった。

従来技術に基づく培養装置の場合、３次元駆動としては、メンブレンを上下動させるのみであって、全方向的な伸展刺激を与えるには至っていない。

また、一般的に４２℃を超えると細胞は死んでいくので、作動時の温度変化が小さいことも求められる。

そこで、本発明は、培養対象物に対して、容易に所望の伸展または圧縮の刺激を与えることができ、かつ、電流が液中に漏れにくく、所望の伸展または圧縮の刺激以外に細胞に及ぼす温度などの影響を極力小さくすることができる培養装置入り細胞培養プレートを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に基づく培養装置入り細胞培養プレートは、細胞を培養するための凹部を有し、培養装置をこの凹部の内部に備える。ここでいう培養装置は、弾性体からなり、細胞を付着させた状態で上記細胞を培養するための足場部材と、上記足場部材を弾性変形させるためのポリマー製の複数の熱駆動アクチュエータとを備える。

本発明によれば、培養対象物に対して、容易に所望の伸展または圧縮の刺激を与えることができ、かつ、電流が液中に漏れにくく、所望の伸展または圧縮の刺激以外に細胞に及ぼす温度などの影響を極力小さくすることができる培養装置入り細胞培養プレートとすることができる。

本発明に基づく実施の形態１における培養装置が用いられる様子の説明図である。本発明に基づく実施の形態２における培養装置が備える複数の熱駆動アクチュエータのうちの１つの平面図である。熱駆動アクチュエータの動作原理の第１の説明図である。熱駆動アクチュエータの動作原理の第２の説明図である。本発明に基づく実施の形態３における培養装置が用いられる様子の説明図である。本発明に基づく実施の形態３における培養装置の変形例が用いられる様子の説明図である。本発明に基づく実施の形態４における培養装置が用いられる様子の説明図である。本発明に基づく実施の形態５における培養装置の平面図である。本発明に基づく実施の形態６における培養装置の斜視図である。本発明に基づく実施の形態７における培養装置の平面図である。図１０に示した足場部材の近傍の拡大平面図である。図１０に示した足場部材の近傍の拡大側面図である。図１０に示した足場部材の近傍の斜視図である。本発明に基づく実施の形態７における培養装置の第１の変形例の部分拡大斜視図である。本発明に基づく実施の形態７における培養装置の第２の変形例の部分拡大斜視図である。本発明に基づく実施の形態８における培養装置の斜視図である。本発明に基づく実施の形態９における培養装置の斜視図である。本発明に基づく実施の形態１０における培養装置の平面図である。本発明に基づく実施の形態１１における培養装置の平面図である。本発明に基づく実施の形態１１における培養装置の斜視図である。本発明に基づく実施の形態１２における培養装置が用いられる様子の説明図である。本発明に基づく実施の形態１３における培養装置の平面図である。本発明に基づく実施の形態１４における培養装置の斜視図である。本発明に基づく実施の形態１５における培養装置入り細胞培養プレートの斜視図である。本発明に基づく実施の形態１５における培養装置入り細胞培養プレートの第１の使用例の説明図である。本発明に基づく実施の形態１５における培養装置入り細胞培養プレートの第２の使用例の説明図である。本発明に基づく実施の形態１６における培養装置入り細胞培養プレートの斜視図である。

（実施の形態１）
（構成）
図１を参照して、本発明に基づく実施の形態１における培養装置について説明する。本実施の形態における培養装置１０１が容器６内で用いられる様子を図１に示す。培養装置１０１は、弾性体からなり、細胞１を付着させた状態で細胞１を培養するための足場部材２と、足場部材２を弾性変形させるためのポリマー製の複数の熱駆動アクチュエータ３とを備える。

培養装置１０１は、培地４中に置かれている。培地４とは、培養に必要な栄養成分を含む液体またはその液体に寒天などを加えて固形化したものである。培地４は容器６の内部に収納されている。

熱駆動アクチュエータ３は、固定部３１と可動部３２とを備えている。固定部３１はベース５に固定されている。培養装置１０１はベース５を備える。ベース５は容器６の底面に設置されている。

足場部材２は平板状部材である。足場部材２の材料は、たとえばシリコーンゴムであってもよい。細胞１は足場部材２の上面に付着している。足場部材２の下面には複数の可動部３２が接続されている。足場部材２の下面と可動部材３２の上面との間の接続は、面同士の接着であってもよい。可動部３２は矢印９１，９２に示すようにそれぞれ往復運動することができる。足場部材２は、可動部３２の矢印９１，９２の動きによって弾性変形する。

（作用・効果）
本実施の形態における培養装置１０１では、ポリマー製の複数の熱駆動アクチュエータ３が用いられている。熱駆動アクチュエータ３は、静電式ではなく熱駆動式であるので、たとえ液中であっても、電気を正常に使用することができる。熱駆動アクチュエータ３はポリマー製であるので、シリコーン製の場合に比べて同じ温度変化でも大きな変位を得ることができる。

したがって、本実施の形態では、培養対象物に対して、容易に所望の伸展または圧縮の刺激を与えることができ、かつ、電流が液中に漏れにくい。

ポリマー製の熱駆動アクチュエータ３は、シリコーン製である場合に比べて同じ変位量を小さな電流で得ることができるので、静電型アクチュエータに比べても付与すべき電圧を小さくすることができる。４２℃以上となった場合に細胞が死ぬことを考慮すれば、温度変化を小さく抑えられることによる利点は大きい。本実施の形態では上述のように、所望の伸展または圧縮の刺激以外に細胞に及ぼす温度などの影響を極力小さくすることができる。

足場部材２は単なる平板状部材であってもよいが、平板状部材の表面に凹凸を設けたものであってもよい。表面に凹凸が設けられていれば上面において成長する細胞にとって足がかりとなるので好ましい。また、足場部材２は中身の詰まった平板状部材ではなく、平板状の外形を有する網目状の部材であってもよい。その場合は、細胞１は足場部材２の上面に付着するのみでなく、網目の内部にまで侵入するように成長することが期待できる。

なお、足場部材２の材料としてシリコーンゴムを用いる場合は、細胞が付着しやすいように足場部材２に予め表面処理を行なってもよい。ここでいう表面処理は、たとえば、紫外線照射、酸素プラズマ処理、コラーゲンコートなど方法により行なうことができる。以下の実施の形態においても、足場部材の材料としてシリコーンゴムを用いる場合には同様のことがいえる。

熱駆動アクチュエータ３から培地４への漏電を防止するために、足場部材以外の装置全体に絶縁のための表面処理をすることが考えられる。ここでいう表面処理とは、絶縁のための被覆である。この被覆には、たとえばパリレン（Ｒ）のように、生体適合性があり、絶縁性に優れた有機材料を用いることができる。

複数の熱駆動アクチュエータ３の少なくともいずれかは、表面が絶縁体で被覆されていることが好ましい。この構成を採用することにより、熱駆動アクチュエータから培地への漏電を防止することができる。

（実施の形態２）
（構成）
図２〜図４を参照して、本発明に基づく実施の形態２における培養装置について説明する。この培養装置は、全体としては実施の形態１で説明したものと同様である。この培養装置が備える複数の熱駆動アクチュエータ３のうちの１つについて、平面図を図２に示す。

複数の熱駆動アクチュエータ３の各々は、固定部３１と、固定部３１から延在し、電流が流れることによって熱膨張する梁部３３と、梁部３３によって支持され、前記梁部３３の熱膨張によって変位する可動部３２とを備える。可動部３２は、梁部３３の熱膨張によって可動部３２が変位したときに足場部材２を弾性変形させることが可能なように、足場部材２に接している。

１つの可動部３２に対して２つの固定部３１が設けられている。図２に示すように、梁部３３は、長さＬであり、微小な角度ａだけ傾くようにして固定部３１から延在している。図２に示すように、１つの固定部３１と１つの可動部３２との間には複数本の梁部３３が延在していてよい。ここでは、可動部３２を中心として左右両側に対称に梁部３３が配置されている。梁部３３の１本当たりの幅はｗである。図２では可動部３２の先端は尖っているが、可動部３２の先端が尖っているとは限らない。熱駆動アクチュエータ３の固定部３１と可動部３２と梁部３３とは、同一材料から一体的なものとして形成されていてもよい。２つの固定部３１には配線が接続されており、電流Ｉを流すことができる。電流Ｉを流すことにより、梁部３３ではジュール熱によって温度が上がり、梁部３３自体が熱膨張する。

図２では、４対の梁部３３が描かれているが、動作原理の説明のために、このうち３対を省略し、１対を抽出して示すと、図３のようになる。図３のように、固定部３１から延在する１対の梁部３３によって可動部３２が支持されている。梁部３３はそれぞれ長さＬであり、初期状態で角度ａだけ傾いている。ここに電流が流されることで、梁部３３の温度が上がり、図４に示すように、熱膨張により梁部３３の長さはＬ＋ΔＬに変化する。左右両方の梁部３３が同じように熱膨張でＬ＋ΔＬへと変化するので、図４に示すように、可動部３２は矢印９０のように前向きに変位する。

（作用・効果）
本実施の形態では、複数の熱駆動アクチュエータ３の各々が、固定部と、梁部と、可動部とを備えており、梁部の熱膨張によって可動部が変位することによって足場部材を弾性変形させることができるので、梁部にジュール熱を発生させることで足場部材を弾性変形させることができ、培養中の細胞に対して容易に所望の伸展または圧縮の刺激を与えることができる。

発明者らが実験したところでは、約２℃の上昇で可動部を約１５μｍ変位させることができた。

（実施の形態３）
（構成）
図５を参照して、本発明に基づく実施の形態３における培養装置について説明する。本実施の形態における培養装置１０３が容器６内で用いられる様子を図５に示す。

本実施の形態における培養装置１０３は、実施の形態１で説明した培養装置１０１と基本的な構成は共通しているが、足場部材２ｉが実施の形態１で示した足場部材２に比べて厚みを増し、立体的なものとなっている。すなわち、足場部材２ｉの細胞１を付着させるべき表面は立体的に延在する。

図５に示した例では、足場部材２ｉは立方体形状を有している。可動部３２は足場部材２ｉの側面に対して接続されている。足場部材２ｉは中身の詰まった立方体形状の部材とは限らず、立方体形状の外形を有する網目状の部材であってもよい。細胞１は、足場部材２ｉの表面に付着して足場部材２ｉを包み込むように立体的に成長する。足場部材２ｉが網目状である場合には、細胞１は、足場部材２ｉの網目の内部にまで侵入するように成長することができる。

（作用・効果）
本実施の形態では、可動部３２を介して足場部材２ｉに加わる弾性変形が立体的な形状の変化として細胞１に伝わるので、培養中の細胞に対して容易に所望の伸展または圧縮の刺激を与えることができる。足場部材２ｉの細胞１を付着させるべき表面は立体的に延在するので、細胞１を立体的な所望の形状に沿って成長させることができる。

なお、図６に示す培養装置１０４のように、足場部材２ｉの真下からも足場部材２ｉを弾性変形させる熱駆動アクチュエータ３ｗを設けてもよい。熱駆動アクチュエータ３ｗは矢印９３の方向に変位し、足場部材２ｉを弾性変形させる。矢印９１，９２の方向の変位によって引き起こされる弾性変形の他に、矢印９３の方向の変位によって引き起こされる弾性変形が加わることによって、足場部材２ｉにより複雑な動きをさせることができる。こうして、培養中の細胞に対して所望の伸展または圧縮の刺激を与えることができる。

（実施の形態４）
（構成）
図７を参照して、本発明に基づく実施の形態４における培養装置について説明する。本実施の形態における培養装置１０５が容器６内で用いられる様子を図７に示す。

本実施の形態における培養装置１０５は、実施の形態３で説明した培養装置１０４と基本的な構成は共通しているが、足場部材２ｉの下部が足場部材固定部７によってベース５に固定されており、複数の熱駆動アクチュエータ３は、斜め上から足場部材２ｉに接続されている。したがって、可動部３２は矢印９４ａ，９４ｂの方向に変位することとなり、足場部材２ｉには立体的な弾性変形を引き起こすことができる。

（作用・効果）
本実施の形態では、熱駆動アクチュエータの配置自体が立体的であるが、このようにすれば、より自由度が高くなり、培養中の細胞に対して所望の伸展または圧縮の刺激を与えることができる。

なお、図７では、熱駆動アクチュエータ３は左右の合計２つのみを表示していたが、熱駆動アクチュエータ３は３以上配置されていてもよい。複数の熱駆動アクチュエータ３は、平面的に見てたとえば放射状の配置であってもよい。

なお、本実施の形態では、足場部材２ｉの外形を立方体としているが、これはあくまで一例であり、足場部材は立方体に限らず他の形状であってもよい。

（実施の形態５）
図８を参照して、本発明に基づく実施の形態５における培養装置について説明する。本実施の形態における培養装置１０６は、図８に示すように、足場部材２ｊを備え、平面的に見て、足場部材２ｊを取り囲むように周囲に複数の熱駆動アクチュエータ３を備えている。足場部材２ｊは外形が球状となっており、多孔質となっている。図８においてはベースは図示省略されている。実際には、複数の熱駆動アクチュエータ３はベースに固定されている。

足場部材は、実施の形態１〜４で説明してきたように網目構造であってもよいが、本実施の形態で示すように、多孔質であってもよい。足場部材が多孔質であれば、細胞は多孔質の内部に侵入して成長することができるので、立体的に成長することが期待できる。

また、平面的に見て足場部材の周囲を取り囲むように等角度間隔で熱駆動アクチュエータが配置されていることにより、培養中の細胞に伸展または圧縮の刺激を与えるに際して自由度が高くなり、所望の刺激を実現することができる。

（実施の形態６）
図９を参照して、本発明に基づく実施の形態６における培養装置について説明する。本実施の形態における培養装置１０７は、足場部材２ｊを弾性変形させるための圧電部材８ａ，８ｂをさらに備える。以下に、より詳しく述べる。

本実施の形態における培養装置１０７は、球状かつ多孔質の足場部材２ｊを取り囲むように複数の熱駆動アクチュエータ３を備えている。図９に示した例では熱駆動アクチュエータ３の数は４つであるが、実際には４つに限らない。複数の熱駆動アクチュエータ３はいずれもベース５に固定されている。足場部材２ｊの下方は圧電部材８ａを介してベース５に固定されている。足場部材２ｊの上側を覆うようにカバー部材９が配置されている。図９では説明の便宜のためにカバー部材９を取り去った状態を表示し、カバー部材９は二点鎖線で表示している。足場部材２ｊの上方は圧電部材８ｂを介してカバー部材９に固定されている。圧電部材８ａ，８ｂはポリマー製の圧電部材である。

圧電部材８ａ，８ｂは電圧を印加することによって変形するので、ベース５およびカバー部材９を基準として足場部材２ｊに刺激を与えることができる。足場部材２ｊを取り囲む複数のアクチュエータ３による刺激と、圧電部材８ａ，８ｂによる刺激とを組み合わせることによって、培養中の細胞により複雑な伸展または圧縮の刺激を与えることができる。

（実施の形態７）
図１０〜図１２を参照して、本発明に基づく実施の形態７における培養装置について説明する。本実施の形態における培養装置１０８の平面図を図１０に示す。本実施の形態における培養装置１０８は、中央に配置された足場部材２ｊを９０°間隔で４方から取り囲むように４つの熱駆動アクチュエータ３が配置されている。各熱駆動アクチュエータ３は、固定部３１と可動部３２と梁部３３とを備える。図１０においてはベースは図示省略されている。実際には、複数の熱駆動アクチュエータ３はベースに固定されている。図１０に示した足場部材２ｊの近傍の拡大平面図を図１１に示す。足場部材２ｊの近傍の拡大側面図を図１２に示す。足場部材２ｊの近傍の斜視図を図１３に示す。

足場部材２ｊは球状かつ多孔質の部材である。各熱駆動アクチュエータ３の可動部３２の先端は当接部３４を備えている。当接部３４は、おおまかには、円環状の板材を４等分した形状を有している。１つの可動部３２には１つの当接部３４が備わっている。可動部３２は当接部３４を足場部材２ｊに当接させることで足場部材２ｊに接続されている。

この構成であれば、足場部材２ｊに対する力の伝達は当接部３４によって行なわれるので、足場部材２ｊの広い範囲に均等に力を伝えることができる。したがって、培養中の細胞に伸展または圧縮の刺激を与えるに際して刺激の与え方がより均等となり、所望の刺激を実現することができる。

本実施の形態における培養装置としては、さまざまな変形例が考えられる。図１０〜図１３で示した培養装置１０８では、複数の当接部３４が同一平面上に位置するように放射状に配置されていたが、たとえば、図１４に示すように、複数の当接部３４のうち少なくともいずれかの高さを違えることによって、複数の当接部３４のうち少なくともいずれかが同一平面上に位置しない配置であってもよい。図１４に示した例では、１つの当接部３４も単純な平板状ではなく、１つの当接部３４の中にも高い部分と低い部分とがある。足場部材２ｊおよび複数の当接部３４を上から見たところは、図１１に示したものとほぼ同じである。

ここでは、各当接部３４は水平方向に延在する円弧状である例を示したが、延在する方向は水平方向とは限らない。たとえば図１５に示すように、少なくともいずれかの当接部３４が水平方向とは異なる方向に延在する構成であってもよい。図１５に示した例では、水平方向に延在する円弧状の当接部３４と鉛直方向に延在する円弧状の当接部３４とが組み合わせられている。なお、図１４、図１５に示したのはあくまで例示であり、当接部３４の構成としては、この他にもさまざまな変形例が考えられる。

（実施の形態８）
図１６を参照して、本発明に基づく実施の形態８における培養装置について説明する。本実施の形態における培養装置１０９を図１６に示す。培養装置１０９は、中央に配置されたシート状の足場部材２ｋを備える。足場部材２ｋはポリマー製の多孔質の部材である。足場部材２ｋは平面的に見て十字形状となっている。足場部材２ｋを９０°間隔で４方から取り囲むように４つの熱駆動アクチュエータ３が配置されている。各熱駆動アクチュエータ３は、固定部３１と可動部３２と梁部３３とを備える。可動部３２は、足場部材２ｋの平面的に見て突出している部分にそれぞれ下側から接続されている。

この構成であれば、広い上面を有する足場部材２ｋに対して、熱駆動アクチュエータ３によって力を伝達することができるので、培養中の細胞に所望の伸展または圧縮の刺激を与えることができる。

本実施の形態において、足場部材２ｋは生分解性材料または生体吸収性材料で形成されていることが好ましい。実施の形態１〜６およびこの後に説明する各実施の形態においても同様である。足場部材が生分解性材料または生体吸収性材料で形成されていれば、細胞が十分に成長した後には、足場部材自体が分解されて吸収されることにより消滅するので、成長した細胞から足場部材を取り出す必要がなくなる。

（実施の形態９）
図１７を参照して、本発明に基づく実施の形態９における培養装置について説明する。本実施の形態における培養装置１１０を図１７に示す。培養装置１１０は、中央に配置されたシャーレ形状の足場部材２ｎを備える。足場部材２ｎの内部には培地４が収容されている。培地４は液体であってもよい。足場部材２ｎはたとえばシリコーンゴム製である。足場部材２ｎの内側の底面には細胞の成長に好都合な所望の微細加工がされていてもよい。

本実施の形態では、培地４は足場部材２ｎの内部に収まっているので、足場部材２ｎの外側は空気中にさらされていてよい。したがって、熱駆動アクチュエータ３は空気中に配置することができ、培地４を通じた漏電のおそれがない。

（実施の形態１０）
図１８を参照して、本発明に基づく実施の形態１０における培養装置について説明する。本実施の形態における培養装置１２１の平面図を図１８に示す。培養装置１２１は、複数の熱駆動アクチュエータ３ｙを備える。図１８に示した例では熱駆動アクチュエータ３ｙの数は４つであるが、実際には４つに限らない。熱駆動アクチュエータ３ｙは、固定部４１と直動部４２と回転梁部４３と当接部４４とを備える。固定部４１はベース（図示省略）に対して固定されている。直動部４２は、詳細には図３および図４に示した構造を有する。図１８においては、直動部４２はロッド部４２１と固定部４２２とを含むものとして簡略化して表示されている。固定部４２２はベース（図示省略）に対して固定されており、ロッド部４２１が梁部（図示省略）の熱膨張により前進できるようになっている。回転梁部４３は、固定部４１から回動可能なように延在する。直動部４２のロッド部４２１は、前進したときに回転梁部４３を押して回動させるように配置されている。回転梁部４３の先端には梁状の当接部４４が接続されている。当接部４４は回転梁部４３に対して少なくとも若干角度回転可能となっている。当接部４４の回転梁部４３とは反対側の先端は足場部材２ｊに接続されている。当接部４４はいずれも足場部材２ｊの中心を通らない直線上に配置されている。直動部４２のロッド部４２１が前進または後退することにより回転梁部４３が回動し、当接部４３は矢印９５の方向に変位することとなる。こうして、足場部材２ｊにはねじる向きの力が作用する。１つの足場部材２ｊに対して、複数の当接部４４が図１８に示すようにそれぞれ接続されているので、足場部材２ｊをいずれの向きにねじることも可能である。

本実施の形態では、足場部材２ｊに付着して培養される細胞に対して、ねじる向きの伸展または圧縮の刺激を与えることができる。

（実施の形態１１）
図１９〜図２０を参照して、本発明に基づく実施の形態１１における培養装置について説明する。本実施の形態における培養装置１２２を図１９に示す。培養装置１２２の斜視図を図２０に示す。培養装置１２２は、中央に配置された足場部材２ｊを取り囲むように複数の熱駆動アクチュエータ３を備える。足場部材２ｊは球状の多孔質の部材である。熱駆動アクチュエータ３は、固定部３１と可動部３２と梁部３３とを備える。

可動部３２はいずれも足場部材２ｊの中心を通らない直線上に配置されている。可動部３２は平面的に見て、足場部材２ｊの接線方向に延在している。

１つの足場部材２ｊに対して、複数の当接部４４が図１９に示すようにそれぞれ接続されているので、足場部材２ｊをいずれの向きにねじることも可能である。足場部材２ｊにねじる向きの力が作用することにより、足場部材２ｊにせん断力が作用する。

ここでは、球状で多孔質の足場部材２ｊを例に示して説明しているが、足場部材の形状などはこれに限らない。

（実施の形態１２）
図２１を参照して、本発明に基づく実施の形態１２における培養装置について説明する。本実施の形態における培養装置１２３を図２１に示す。培養装置１２３は、実施の形態３で説明した培養装置１０３と類似しており、立方体形状の足場部材２ｉを中央に備える。培養装置１２３は、培養装置１０３に比べて、足場部材２ｉに対して可動部３２が接続する高さが一定ではなく、複数ある可動部３２のうち少なくとも一部の可動部３２は異なる高さで接続しているという点で異なる。

本実施の形態における培養装置１２３は、足場部材２ｉが異なる高さでそれぞれ可動部３２による押圧または引張りを受けるので、足場部材２ｉがせん断変形することができる。

本実施の形態では、培養中の細胞に対してせん断変形に基づく伸展または圧縮の刺激を与えることができる。

実施の形態１０〜１２で示したように、前記複数の熱駆動アクチュエータは、前記足場部材に対してそれぞれ異なる軸方向で力を伝達するように配置されていることが好ましい。

実施の形態１０〜１２で示したように、前記複数の熱駆動アクチュエータの少なくともいずれかは、前記足場部材が剪断変形またはねじり変形をするように配置されていることが好ましい。

培養する細胞に与えるべき所望の刺激を実現するためには、押圧／引張りといった軸力と、せん断力と、ねじり力とは、適宜組み合わせてもよい。そのためには、熱駆動アクチュエータの配置は、各実施の形態に示したものを適宜組み合わせてもよい。

（実施の形態１３）
図２２を参照して、本発明に基づく実施の形態１３における培養装置について説明する。本実施の形態における培養装置１２４を図２２に示す。培養装置１２４は、球状の足場部材２ｊを中央に備え、足場部材２ｊを挟んで互いに対向するように２つのスナップ機構１０を備える。スナップ機構１０は足場部材２ｊに接続されたロッド１１を備える。スナップ機構１０の各々の周辺には、ロッド１１が足場部材２ｊを押圧するようにスナップ機構１０を変形させるための熱駆動アクチュエータ５１と、ロッド１１が足場部材２ｊを引っ張るようにスナップ機構１０を変形させるための熱駆動アクチュエータ５２とが配置されている。熱駆動アクチュエータ５１は回転梁部５３を押して回動させるように配置されている。回転梁部５３はスナップ機構１０を足場部材２ｊの側に押し込む役割を果たす。熱駆動アクチュエータ５２は回転梁部５４を押して回動させるように配置されている。回転梁部５４はスナップ機構１０を足場部材２ｊから遠ざかる側に引き出す役割を果たす。

本実施の形態では、スナップ機構を備えているので、培養中の細胞に対して継続的に伸展または圧縮の刺激を与え続けることができる。

（実施の形態１４）
図２３を参照して、本発明に基づく実施の形態１４における培養装置について説明する。本実施の形態における培養装置１２５を図２３に示す。培養装置１２５は、中央に配置された足場部材２ｒを取り囲むように複数の熱駆動アクチュエータ３を備える。熱駆動アクチュエータ３の固定部３１はベース５に固定されている。熱駆動アクチュエータ３は可動部３２の先端に当接部３４ｒを備える。足場部材２ｒは繊維状である。各熱駆動アクチュエータ３の詳細は、実施の形態７などで説明したのと同様である。

図２３に示すように、１つの当接部３４ｒに対して複数本の足場部材２ｒが接続されていてもよい。図２３に示すように、足場部材２ｒは枝分かれしていてもよい。図２３に示した例では、足場部材２ｒがＴ字状につながっている箇所がある。ここで示したのはあくまれ一例であり、繊維状の足場部材２ｒの配列方向、本数、枝分かれの仕方、当接部に対する接続の仕方などは無数に考えられる。

本実施の形態では、当接部３４ｒを通じて、足場部材２ｒに少なくとも伸展刺激を与えることが可能である。また、繊維状の足場部材２ｒがある程度の硬さを有する場合、一定の範囲内での圧縮刺激も可能である。

（実施の形態１５）
図２４を参照して、本発明に基づく実施の形態１５における培養装置入り細胞培養プレートについて説明する。この培養装置入り細胞培養プレート２５１は、公知の細胞培養プレート２００を用いたものである。細胞培養プレート２００は市販されている一般的な形状のものであり、マトリックス状に配列された複数のウェルを有する。これらのウェルのうちの１つであるウェル２００ａに、実施の形態１〜１３のいずれかで説明した培養装置２０１を収容し、近隣の他のウェル２００ｂに制御基板および電源を含む制御ユニット２０２を収容したものである。培養装置２０１と制御ユニット２０２とは配線２０３によって接続されている。配線２０３はウェル２００ａ，２００ｂにまたがるように設けられている。図２４に示すように、培養装置２０１を収容するウェル２００ａと、制御ユニット２０２を収容するウェル２００ｂとの対を、複数対設けて１つの細胞培養プレート２００内に配置してもよい。

本実施の形態における培養装置入り細胞培養プレート２５１は、制御ユニット２０２の中に電源を含んでいるので、外部からの電源配線の接続が不要であり、コンパクトで持ち運びがしやすいものとなっている。したがって、図２５に示すように、試料保管庫２８１の中に保管することも可能である。また、図２６に示すように、顕微鏡２８２のステージ２８３に載せることも可能である。このようにすることで、培養装置が変形による刺激を与えている最中の細胞をその場観察することが可能である。制御ユニット２０２は、液中でも動作可能なように構成することが好ましい。そのようにすれば、培養装置２０１と制御ユニット２０２とを１つのウェルの中に収容し、これらを覆うように培地を満たすことも可能となる。

（実施の形態１６）
図２７を参照して、本発明に基づく実施の形態１６における培養装置入り細胞培養プレートについて説明する。この培養装置入り細胞培養プレート２５２は、一般的な細胞培養プレート２００の各ウェルの中に培養装置２０１を収容し、制御基板および電源を含む制御ユニット２０５は細胞培養プレート２００の下側に配置したものである。本実施の形態では、制御ユニット２０５は、ウェル内に収める必要はないので、大きなサイズであってもよい。各ウェルの上方には小型カメラ２０４が配置されている。制御ユニット２０５から各培養装置２０１へはワイヤレス給電が行なわれている。したがって、培養装置２０１は各ウェル内に収まった状態のまま駆動することができる。培養装置２０１は各ウェル内で培地に浸っていてもよい。

小型カメラ２０４は撮影したデータをワイヤレスでパーソナルコンピュータ（以下「ＰＣ」という。）などに送信することが好ましい。本実施の形態では、培養装置２０１が変形による刺激を与えている細胞をリアルタイムに観察し、外部のＰＣで記録したり分析したりすることができる。

実施の形態１５，１６で説明したような培養装置入り細胞培養プレートも本発明で意図する範囲内のものである。すなわち、本発明に基づく培養装置入り細胞培養プレートは、細胞を培養するための凹部を有し、上述のいずれかに記載の培養装置を前記凹部の内部に備える。このような培養装置入り細胞培養プレートによる効果は、実施の形態１５，１６で説明したとおりである。

なお、上記実施の形態のうち複数を適宜組み合わせて採用してもよい。
なお、今回開示した上記実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

１細部、２足場部材、２ｉ（立方体形状の）足場部材、２ｊ（球状の）足場部材、２ｋ（シート状の）足場部材、２ｎ（シャーレ形状の）足場部材、２ｒ（繊維状の）足場部材、３，３ｙ，３ｗ熱駆動アクチュエータ、４培地、５ベース、６容器、７足場部材固定部、８ａ，８ｂ圧電部材、９カバー部材、１０スナップ機構、１１ロッド、３１固定部、３２可動部、３３梁部、３４，３４ｒ当接部、４１固定部、４２直動部、４３回転梁部、４４当接部、５１，５２熱駆動マイクロアクチュエータ、５３，５４回転梁部、９０，９１，９２，９３，９４ａ，９４ｂ，９５矢印、１０１，１０３，１０４，１０５，１０６，１０７，１０８，１０９，１１０，１２１，１２２，１２３，１２４，１２５培養装置、２００細胞培養プレート、２００ａ，２００ｂウェル、２０１培養装置、２０２，２０５制御ユニット、２０３配線、２０４小型カメラ、２５１，２５２培養装置入り細胞培養プレート、２８１試料保管庫、２８２顕微鏡、２８３ステージ、４２１ロッド部、４２２固定部。

Claims

細胞を培養するための凹部を有し、培養装置を前記凹部の内部に備え、
前記培養装置は、
弾性体からなり、細胞を付着させた状態で前記細胞を培養するための足場部材と、
前記足場部材を弾性変形させるためのポリマー製の複数の熱駆動アクチュエータとを備える、培養装置入り細胞培養プレート。
前記複数の熱駆動アクチュエータの各々は、
固定部と、
前記固定部から延在し、電流が流れることによって熱膨張する梁部と、
前記梁部によって支持され、前記梁部の熱膨張によって変位する可動部とを備え、
前記可動部は、前記梁部の熱膨張によって前記可動部が変位したときに前記足場部材を弾性変形させることが可能なように、前記足場部材に接している、請求項１に記載の培養装置入り細胞培養プレート。
前記足場部材の前記細胞を付着させるべき表面は立体的に延在する、請求項１または２に記載の培養装置入り細胞培養プレート。
前記足場部材は網目構造である、請求項１から３のいずれかに記載の培養装置入り細胞培養プレート。
前記足場部材は多孔質である、請求項１から３のいずれかに記載の培養装置入り細胞培養プレート。
前記足場部材は繊維状である、請求項１から３のいずれかに記載の培養装置入り細胞培養プレート。
前記足場部材は生分解性材料または生体吸収性材料で形成されている、請求項１から６のいずれかに記載の培養装置入り細胞培養プレート。
前記複数の熱駆動アクチュエータは、前記足場部材に対してそれぞれ異なる軸方向で力を伝達するように配置されている、請求項１から７のいずれかに記載の培養装置入り細胞培養プレート。
前記複数の熱駆動アクチュエータの少なくともいずれかは、前記足場部材が剪断変形またはねじり変形をするように配置されている、請求項１から７のいずれかに記載の培養装置入り細胞培養プレート。
前記複数の熱駆動アクチュエータの少なくともいずれかは、表面が絶縁体で被覆されている、請求項１から９のいずれかに記載の培養装置入り細胞培養プレート。
前記足場部材を弾性変形させるための圧電部材をさらに備える、請求項１から１０のいずれかに記載の培養装置入り細胞培養プレート。