微小流路内流れを利用した細胞分離の基礎研究

• Project/Area Number: 20H02072
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 19010:Fluid engineering-related
• Research Institution: Kansai University
• Principal Investigator: 関 眞佐子 関西大学, システム理工学部, 教授 (80150225)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥17,550,000 (Direct Cost: ¥13,500,000、Indirect Cost: ¥4,050,000); Fiscal Year 2023: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000); Fiscal Year 2022: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000); Fiscal Year 2021: ¥6,110,000 (Direct Cost: ¥4,700,000、Indirect Cost: ¥1,410,000); Fiscal Year 2020: ¥5,460,000 (Direct Cost: ¥4,200,000、Indirect Cost: ¥1,260,000)
• Keywords: Segre-Silberberg効果 / 粒子変形 / 粘弾性 / 慣性集中現象 / 細胞分離 / マイクロ流体デバイス / 変形性 / 流体 / 慣性

Outline of Research at the Start

最先端医療を含む広範な医学・生物の分野において，細胞集団から特定の細胞を選別する操作は不可欠となっている．流路形状や流動条件を適切に選ぶことにより，細胞の大きさや変形性の違いに応じて細胞の種類ごとに流路断面を流れる位置を制御することができるマイクロ流体デバイスは，細胞の分離・選別の目的のために極めて有望である．本研究では，細胞のように変形性を持つ粒子が粘弾性をもつ高分子水溶液に浮遊し，微小流路内を流れる場合に，流体から受ける揚力および流路断面における粒子分布を流体力学に基づき実験と数値解析によって調べ，粒子の分離・選別へ応用することを目指す．

Outline of Annual Research Achievements

流路内層流に浮遊する粒子が慣性に起因する揚力を受けて，粒子の大きさや変形性，流速等に応じて流路断面内の特定の位置を通過する現象はSegre-Silberberg効果として知られており，粒子の分離・選別への応用が期待されている．本研究は，浮遊粒子の変形性や媒質の粘弾性がSegre-Silberberg効果に及ぼす影響を実験および数値シミュレーションによって解析し，その機序を解明することを目的とした．2023年度はマイクロ流体デバイスで一般的に用いられる長方形管の実験と変形粒子を浮遊粒子とした数値シミュレーションを行うとともに，研究のまとめを行った．
(1) 実験的研究
長方形管を用いてSegre-Silberberg効果の実験を行い，正方形管の場合との比較を行った．条件を満たす市販の長方形管がなかったため，特別仕様で流路を作製した．レイノルズ(Re)数が低い場合，正方形管の場合とは異なり，長方形管では長辺の中央付近の2点のみに集束が見られた．Re数が増加すると，粒子は短辺中央付近の2点にも集束し，さらにRe数が増加すると角付近にも集束した．これらの粒子集束パターンを管断面のアスペクト比毎にRe数と閉塞率(粒子径と管断面の短辺長との比)の関数として整理した．
(2) 数値解析
変形性をもつ超弾性体モデルを浮遊粒子とする数値シミュレーションを行った．ヒドロゲル粒子の実験で観察された低Re数での管断面中央付近への集束や有限のRe数での管断面の対角線上の4点への集束が再現できた．数値解析と実験の結果との比較から評価したヒドロゲル粒子のヤング率は，別の手法で得られた先行研究の値とほぼ同程度の値となった．モデル粒子の変形性を変化させて計算を行い，粒子の変形性がSegre-Silberberg効果に与える影響をまとめた．

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Margination of platelet-sized particles in red blood cell suspensions flowing through a Y-shaped confluence microchannel (2023)
  • Author(s): Noguchi Akira、Tange Yuki、Itano Tomoaki、Sugihara-Seki Masako
  • Journal Title: Fluid Dynamics Research Volume: 55 Issue: 3 Pages: 035506-035506
  • DOI: 10.1088/1873-7005/acdf7c
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Numerical reproduction of the spiral wave visualized experimentally in a wide-gap spherical Couette flow (2023)
  • Author(s): Kazuki Yoshikawa; Tomoaki Itano; Masako Sugihara-Seki
  • Journal Title: Physics of Fluids Volume: 35 Issue: 3 Pages: 034110-034110
  • DOI: 10.1063/5.0144365
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Inertial Focusing of Red Blood Cells Suspended in Square Capillary Tube Flows (2022)
  • Author(s): Tanaka Saori、Sugihara-Seki Masako
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 91 Issue: 8 Pages: 083401-083401
  • DOI: 10.7566/jpsj.91.083401
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Rheological characterization and flow reconstruction of polyvinylpyrrolidone aqueous solutions by means of velocity profiling-based rheometry (2022)
  • Author(s): Ohie Kohei、Yoshida Taiki、Tasaka Yuji、Sugihara-Seki Masako、Murai Yuichi
  • Journal Title: Experiments in Fluids Volume: 63 Issue: 8 Pages: 135-135
  • DOI: 10.1007/s00348-022-03489-4
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Inertial migration of red blood cells under a Newtonian fluid in a circular channel (2022)
  • Author(s): Takeishi Naoki、Yamashita Hiroshi、Omori Toshihiro、Yokoyama Naoto、Wada Shigeo、Sugihara-Seki Masako
  • Journal Title: Journal of Fluid Mechanics Volume: 952 Pages: 952-952
  • DOI: 10.1017/jfm.2022.936
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Variation of focusing patterns of laterally migrating particles in a square-tube flow due to non-Newtonian elastic force (2021)
  • Author(s): Yokoyama Naoto、Yamashita Hiroshi、Higashi Kento、Miki Yuta、Itano Tomoaki、Sugihara-Seki Masako
  • Journal Title: Physical Review Fluids Volume: 6 Issue: 7
  • DOI: 10.1103/physrevfluids.6.l072301
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Axial and Nonaxial Migration of Red Blood Cells in a Microtube (2021)
  • Author(s): Takeishi Naoki、Yamashita Hiroshi、Omori Toshihiro、Yokoyama Naoto、Sugihara-Seki Masako
  • Journal Title: Micromachines Volume: 12 Issue: 10 Pages: 1162-1162
  • DOI: 10.3390/mi12101162
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Margination of Platelet-Sized Particles in the Red Blood Cell Suspension Flow through Square Microchannels (2021)
  • Author(s): Sugihara-Seki Masako、Takinouchi Nozomi
  • Journal Title: Micromachines Volume: 12 Issue: 10 Pages: 1175-1175
  • DOI: 10.3390/mi12101175
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Pattern Transition on Inertial Focusing of Neutrally Buoyant Particles Suspended in Rectangular Duct Flows (2021)
  • Author(s): Yamashita Hiroshi、Akinaga Takeshi、Sugihara-Seki Masako
  • Journal Title: Micromachines Volume: 12 Issue: 10 Pages: 1242-1242
  • DOI: 10.3390/mi12101242
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 微小正方形管内血漿流れに浮遊する赤血球の断面内分布 (2021)
  • Author(s): 田中沙織、板野智昭、関眞佐子
  • Journal Title: ながれ Volume: 40 Pages: 386-389
• [Journal Article] 正方形管内流れのSEGRE-SILBERBERG 効果 (2021)
  • Author(s): 関眞佐子
  • Journal Title: B&R Volume: 35 Pages: 69-74
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Development of margination of platelet-sized particles in red blood cell suspensions flowing through Y-shaped bifurcating microchannels (2020)
  • Author(s): Sugihara-Seki Masako, Onozawa Tenki, Takinouchi Nozomi, Itano Tomoaki, Seki Junji
  • Journal Title: Biorheology Volume: 57 Issue: 2-4 Pages: 101-116
  • DOI: 10.3233/bir-201010
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Effect of particle size on inertial particle focusing in square duct flows (2023)
  • Author(s): Hiroshi Yamashita, Takeshi Akinaga, Masako Sugihara-Seki
  • Organizer: The 11th International Conference on Multiphase Flow
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Inertial focusing of red blood cells in square tube flows of blood plasma (2023)
  • Author(s): Masako Sugihara-Seki, Saori Tanaka
  • Organizer: The 11th International Conference on Multiphase Flow
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 微細管を流れる血球の流体力学 (2023)
  • Author(s): 関眞佐子
  • Organizer: 第46回日本バイオレオロジー学会年会
  • Invited
• [Presentation] 微小正方形管内流れ中のヒドロゲル粒子の断面内分布 (2023)
  • Author(s): 西山朋宏，佐井一総，湊遥香，鈴木大介，板野智昭，関眞佐子
  • Organizer: 第46回日本バイオレオロジー学会年会
• [Presentation] 正方形管内流れ中の扁平楕円体運動の解析 (2023)
  • Author(s): 藤澤勇亮，山下博士，板野智昭，関眞佐子
  • Organizer: 第46回日本バイオレオロジー学会年会
• [Presentation] Inertial focusing of spherical particles suspended in square tube flows of viscoelastic fluids (2023)
  • Author(s): Yoneyama, D., Miki, Y., Yamashita, H., Yokoyama, N., Itano, T. and Sugihara-Seki, M.
  • Organizer: AJKFluids 2023 (ASME-JSME-KSME Fluid Engineering Division)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Numerical analysis of cellular flows spanning single red blood cell dynamics to bulk suspension rheology (2023)
  • Author(s): Takeishi, N., Rosti, M.E., Yokoyama, N., Sugihara-Seki, M. and Brant, L.
  • Organizer: AJKFluids 2023 (ASME-JSME-KSME Fluid Engineering Division)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 管内層流に浮遊する粒子の慣性集束現象 (2023)
  • Author(s): 関眞佐子
  • Organizer: 混相流シンポジウム2023
  • Invited
• [Presentation] ダクト内流れにおける超弾性体粒子の平衡位置に対する変形の影響 (2023)
  • Author(s): 廣畑佑真, 杉山和靖, 関眞佐子, 丹下祐希
  • Organizer: 混相流シンポジウム2023
• [Presentation] 矩形管内層流に浮遊する剛体球粒子に働く力と粒子集束位置の数値解析 (2023)
  • Author(s): 政拓馬、山下博士、秋永剛、板野智昭、関眞佐子
  • Organizer: 日本流体力学会年会2023
• [Presentation] 正方形管流れに浮遊する超弾性体粒子の慣性集束現象 (2023)
  • Author(s): 丹下祐希、関眞佐子、杉山和靖、廣畑佑真
  • Organizer: 日本流体力学会年会2023
• [Presentation] 矩形管ながれによる慣性粒子の分離 (2023)
  • Author(s): 秋永剛、山下博士、関眞佐子
  • Organizer: 日本流体力学会年会2023
• [Presentation] Margination of platelet-sized particles in red blood cell suspensions flowing through a Y-shaped microchannel (2023)
  • Author(s): Sugihara-Seki, M.
  • Organizer: 3rd World Congress of ESCHM-ISCH-ISB
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Effects of medium elasticity on the inertial fucusing of spherical particles in square tube flows (2023)
  • Author(s): Yoneyama, D., Miki, Y., Yamashita, H., Yokoyama, N., Tagawa, Y., Itano, T., Sugihara-Seki, M.
  • Organizer: 76th Annual Meeting of the Americal Physical Society, Division of Fluid Dynamics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development lengths for the margination of platelet-sized particles after the confluence and bifurcation of Y-shaped microchannels (2023)
  • Author(s): Nagaishi, K., Noguchi, A., Onozawa, T., Itano, T., Sugihara-Seki, M.
  • Organizer: 76th Annual Meeting of the Americal Physical Society, Division of Fluid Dynamics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ニュートン流体と粘弾性流体中の慣性集束現象 (2023)
  • Author(s): 関眞佐子
  • Organizer: 第71回レオロジー討論会
  • Invited
• [Presentation] 微小正方形管内流れに浮遊する赤血球の管断面内分布 (2022)
  • Author(s): 関 眞佐子, 田中沙織, 佐井一総, 板野智昭
  • Organizer: 第45回日本バイオレオロジー学会年会
• [Presentation] 慣性効果による赤血球の円管路断面内の移動に関する数値解析 (2022)
  • Author(s): 武石直樹,山下博士,横山直人,関 眞佐子
  • Organizer: 第66回理論応用力学講演会
• [Presentation] Axial and nonaxial migration of red blood cells under a Newtonian fluid in microchannels (2022)
  • Author(s): Takeishi, N., Yamashita, H., Omori, T., Yokoyama, N., Sugihara-Seki, M.
  • Organizer: 9th World Congress of Biomechanics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 山下博士,秋永剛，関眞佐子：正方形管内サスペンション流れで見られる粒子集中現象とそのパターン変化 (2022)
  • Author(s): 山下博士,秋永剛，関眞佐子
  • Organizer: 日本流体力学会中四国・九州支部第29 回講演会
• [Presentation] 微小矩形管内層流に浮遊するゲル粒子の断面内分布 (2022)
  • Author(s): 佐井一総，湊遥香，鈴木大介，板野智昭，関眞佐子
  • Organizer: 日本流体力学会年会2022
• [Presentation] 粘弾性流体の正方形管内流れに浮遊する球形粒子の管断面内分布 (2022)
  • Author(s): 米山大輔，三木祐太，山下博士，横山直人，田川義之，板野智昭，関眞佐子
  • Organizer: 日本流体力学会年会2022
• [Presentation] 正方形管内粘弾性流体流れ中の粒子に作用する揚力の数値解析 (2022)
  • Author(s): 東健人，山下博士，横山直人，板野智昭，関眞佐子
  • Organizer: 日本流体力学会年会2022
• [Presentation] 円管路内の赤血球の慣性移動に関する数値解析 (2022)
  • Author(s): 武石直樹，山下博士，大森俊宏，横山直人，和田成生，関眞佐子
  • Organizer: 日本流体力学会年会2022
• [Presentation] 赤血球サスペンションの合流流れにおける血小板模擬粒子の分布 (2022)
  • Author(s): 野口慧，長石弘大，板野智昭，関眞佐子
  • Organizer: 日本流体力学会年会2022
• [Presentation] 微小長方形流路内赤血球流れ中の血小板模擬粒子の断面内分布の進展と流路幅の影響 (2022)
  • Author(s): 長石弘大，野口慧，板野智昭，関眞佐子
  • Organizer: 日本流体力学会年会2022
• [Presentation] 微小血管内の血液流れと血球運動 (2021)
  • Author(s): 関眞佐子
  • Organizer: 京都大学数理解析研究所 Tutorial Seminar 「生物の創るパターンとダイナミクス：基礎からの展開」
  • Invited
• [Presentation] Lateral migration of red blood cells in capillary tube flows (2021)
  • Author(s): Sugihara-Seki Masako
  • Organizer: Biofluid Symposium (RIMS Research Project Biofluids 2021)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Inertial focusing of red blood cells suspended in blood plasma flowing through square tubes (2021)
  • Author(s): Sugihara-Seki Masako, Tanaka Saori
  • Organizer: 2nd Joint Meeting of ESCHM-ISCH-ISB
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Inertial focusing of spherical particles suspended in square channel flows (2021)
  • Author(s): Sugihara-Seki Masako, Yamashita Hiroshi
  • Organizer: 25th International Congress of Theoretical and Applied Mechanics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Inertial focusing of rigid particles and red blood cells in straight square tube flows (2021)
  • Author(s): Sugihara-Seki Masako
  • Organizer: Inertial Microfluidics: Challenges and Perspectives
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Comprehensive evaluation for viscoelasticity of polyvinylpyrrolidone aqueous solutions by utilizing novel map representation based on ultrasonic spinning rheometry (2021)
  • Author(s): Ohie Kohei, Yoshida Taiki, Tasaka Yuji, Sugihara-Seki Masako, Murai Yuichi
  • Organizer: 13th InternationalSymposium on Ultrasonic Doppler Methods for Fluid Mechanics and Fluid Engineering
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 微小正方形管内流れにおける赤血球の断面内分布-硬化度の影響- (2020)
  • Author(s): 田中沙織，板野智昭，関眞佐子
  • Organizer: 日本バイオレオロジー学会年会
• [Presentation] 長方形管内サスペンション流れで見られるTubular Pinch 効果 (2020)
  • Author(s): 山下博士，関眞佐子
  • Organizer: 日本流体力学会年会2020
• [Presentation] 微小正方形管内の粘弾性流体流れに浮遊する球形粒子の断面内分布 (2020)
  • Author(s): 三木祐太，山下博士，横山直人，板野智昭，関 眞佐子
  • Organizer: 日本流体力学会年会2020
• [Presentation] 矩形管内粘弾性流体流れ中の粒子に作用する揚力の数値解析 (2020)
  • Author(s): 東健人, 山下博士, 横山直人,板野智昭, 関眞佐子
  • Organizer: 日本流体力学会年会2020
• [Presentation] 微小正方形管流れに浮遊する赤血球の断面内分布-硬化度依存性- (2020)
  • Author(s): 田中沙織，板野智昭，関眞佐子
  • Organizer: 日本流体力学会年会2020
• [Presentation] Inertial focusing patterns and their transition for a neutrally buoyant sphere suspended in rectangular duct flow (2020)
  • Author(s): Yamashita Hiroshi & Sugihara-Seki Masako
  • Organizer: 73rd Annual Meeting of the APS Division of Fluid Dynamics
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 関西大学学術情報システム
  • URL: https://gakujo.kansai-u.ac.jp/
• [Remarks] 学術情報システム
  • URL: https://gakujo.kansai-u.ac.jp/search/index.jsp
• [Remarks] 流体物理研究室ホームページ
  • URL: http://fluid.phys.kansai-u.ac.jp/
• [Remarks] 関西大学学術リポジトリ
  • URL: https://kansai-u.repo.nii.ac.jp/?page_id=13