多階層スケールの流動解析による赤血球と内皮グリコカリックスの力学的相互作用の解明
Project/Area Number |
19K20659
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Research Category |
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
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Allocation Type | Multi-year Fund |
Review Section |
Basic Section 90110:Biomedical engineering-related
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Research Institution | University of Miyazaki (2021-2022) Tohoku University (2019-2020) |
Principal Investigator |
宮内 優 宮崎大学, 工学部, 准教授 (00758691)
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Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2024-03-31
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Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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Budget Amount *help |
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2022: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Fiscal Year 2020: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000)
Fiscal Year 2019: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
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Keywords | 流体解析 / 赤血球 / 遠心力 / 膜 / 曲げ剛性 / 分子動力学 / グリコカリックス / 数値シミュレーション / 生体医工学 / 血管内皮 |
Outline of Research at the Start |
血管内皮の細胞膜表面を覆う高分子タンパク質群(グリコカリックス)は分子フィルタ,好中球等の接着制御,血流からのずり刺激へのセンサリングなど,恒常性の保持に関する多くの機能を有している.グリコカリックスの損傷によって循環器系疾患が引き起こされることが指摘されているが,その損傷を与える血流動態については分かっていない.本研究では赤血球とグリコカリックスの相互作用に着目し,分子動力学による赤血球膜とグリコカリックスの相互作用の解析および,グリコカリックスとの相互作用を考慮した連続体スケールの赤血球流動シミュレーションを実施することにより,赤血球とグリコカリクスの力学的相互作用の解明を目的とする.
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Outline of Annual Research Achievements |
血管内皮を覆う血管内皮細胞の膜表面にはグリコカリックスと呼ばれる、糖鎖に連なったブッシュ状の高分子膜タンパク群が存在しており、グリコカリックスの損傷が様々な循環器系疾患を引き起こすことが知られている。 本研究は赤血球とグリコカリックスの力学的相互作用の解明を目的としている。これまでの研究において、傾斜遠心力下で壁面近傍を移動する赤血球の数値解析に赤血球の曲げ剛性モデルを導入すると、赤血球が壁面に近づいたときに計算が不安定になり、計算が破綻すること、単純せん断流れ場の球形カプセル挙動の解析では先行研究と同様の結果が得られることが確認された。本年度は、作成したコードの検証の続きとして、単純せん断流れにおける赤血球挙動の解析を行った。赤血球の弾性にはSkalakモデルを使用しており、有限要素法によって離散化されている。単純せん断流れにおける単一赤血球の変形挙動は、無次元パラメータであるキャピラリー数によって整理される。本解析においてもキャピラリー数が小さい場合に現れる赤血球の形状を維持したまま、赤血球が回転するタンブリング運動は再現されたが、その運動は周期的でなく、不自然な挙動を示した。また、キャピラリー数が大きい場合には、流れの方向に伸長した楕円形に近い形状になることが報告されているが、本解析で得られた赤血球形状は先行研究とは異なる形状となった。これらの問題が生じた理由として、本解析で設定した計算領域が赤血球形状に比べて十分に大きくないこと、赤血球膜の格子点の時間発展の計算精度が低いこと、流体用の格子点数が少ないことなどが考えられる。今後はこれらの計算条件や計算法を変更し、問題の解決を試みる。
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Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
4: Progress in research has been delayed.
Reason
解析において数値不安定性が発生し、その原因究明に時間がかかっているため。
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Strategy for Future Research Activity |
詳細な検証を行い、数値不安定の解消を試みる。
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Report
(4 results)
Research Products
(4 results)