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【灌流培養】「定流」と「定圧」の違いとは?


こんにちは。


臓器灌流の分野では、血管内に培養液や保存液を送液して灌流します。

マイクロ流路を用いた実験では、流路内に培地を送液して灌流します。

実際に灌流を行う際に問題になるのが、

「定流量」にするか

「定圧」にするか

です。

今回の記事では、定流と定圧それぞれの灌流方法の違いについて解説していきます。

目次

・定流灌流とは

・定圧灌流とは

・どちらがいいのか

・まとめ

定流灌流とは


ポンプを一定流量で供給して灌流する方法です。ポンプの流速を一度設定すれば、ポンプを止めるまで一定に送液し続けますので、流量の把握が容易です。



流量の制御がしやすい一方で、灌流中の圧力変化に対して反応することができません。

例えば、臓器灌流やマイクロ流路などの灌流中のサンプルに何らかの変化が生じ、抵抗が変わったとしても、流量が変化しないため、流路圧も変化することになります。


定圧灌流とは


その名の通り、送液する流路の圧力を一定にして送液する還流です。圧力を一定に保つため、流量は変則的に変わります。



よくある定圧灌流の手法は、供給する液面の高さによる定圧灌流です(上のアニメーション)。この場合、ポンプは用いずに、供給用のボトル内の灌流液の自重が流路圧となります。そのため、流量のモニターができず、正確な流量の把握ができません。



また、液面での圧力のコントロールは液面が下がるに伴って圧力も低下するため、厳密に定圧灌流とするためには、適宜供給するボトルの液面を調整する必要があります。




それに対して、ポンプと圧力計をつないで自動制御する定圧灌流手法があります(下のアニメーション)。

こちらでは、液面効果による圧力変化がなく、圧力モニターや流量のモニターも可能なため、正確な定圧灌流が可能です。





どちらがいいのか


定流と定圧、どちらの灌流がいいのでしょうか?

Google scholar で「constant flow perfusion」と調べると検索結果は約1600件

「constant pressure perfusion」と調べると検索結果は約1680件とまさに拮抗しています(2020年6月1日現在筆者調べ、Google Schalor, https://scholar.google.co.jp )。


灌流するサンプルによって定流か定圧かを見極めて使用する方が良いようです。


血管内皮細胞などのメカノバイオロジーの分野や、血管の灌流などは、正確な圧力制御をする必要があると考えられます。

液面による定圧灌流では、正確な圧力把握とコントロールができませんので、この場合は圧力計とポンプを連携した制御系が必要となります。


それと、これは機器メーカーの一開発者としての見解ですが、機器的には定流灌流の方が機構が単純で済みます。ポンプの流量をしっかりと決めておけば、特にセンサーや連携が要らないからです。


一方で、定圧灌流となると、まず流路圧をモニターする圧力計が必要になります。そして、その信号を受け取って変換して、ポンプに制御をかけるコントローラーが必要になります。定流灌流と比べて制御は一気に複雑になります。


こういった制御系を自作で組める方は、電気制御の知識も兼ね備えたかなりの灌流マニアです(笑)。


弊社の定圧送液ユニットであれば、電気制御の知識や複雑な制御は無しに定圧灌流が実現できます(詳しくはこちら) カタログはこちら



まとめ

  • 定流灌流と定圧灌流では、灌流サンプルによってどちらを選ぶかを決める必要がある。

  • 圧力の精密制御が必要なメカノバイオロジーの分野などでは、ポンプを用いた定圧灌流がおすすめ

  • 精密な定圧灌流は複雑な制御が必要である

灌流培養をするにあたってよくある疑問の「定流」と「定圧」灌流の違いについて理解できましたでしょうか?

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執筆者 佐野和紀

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