Fundamental research on cross-slit type microfluidic emulsification process technology

• Project/Area Number: 20H02512
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 27020:Chemical reaction and process system engineering-related
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: Nisisako Takasi 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 准教授 (10431983)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥16,120,000 (Direct Cost: ¥12,400,000、Indirect Cost: ¥3,720,000); Fiscal Year 2023: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000); Fiscal Year 2022: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000); Fiscal Year 2021: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000); Fiscal Year 2020: ¥8,840,000 (Direct Cost: ¥6,800,000、Indirect Cost: ¥2,040,000)
• Keywords: マイクロナノシステム / マイクロフルイディクス / エマルション / 液滴 / マイクロプロセス

Outline of Research at the Start

マイクロ流路の分岐構造を用いた液滴生成（乳化）法は，様々な新奇機能性材料を研究室にて創出してきた．しかし単一流路の極めて低い生産性と，既存の集積化マイクロ流路の複雑さ・取扱い辛さのため，本手法は生産技術として幅広く利用されるには到っていない．
そこで本研究では，研究代表者が近年考案した，マイクロ流路アレイとスリット状流路の組合せによる，クロススリット型マイクロ乳化技術の基盤研究を実施する．3次元流体解析，微細加工，液滴・粒子生成試験，を連携して実施することで，上記クロススリット構造における液滴生成機構を解明し，本プロセスを単分散液滴および粒子の生産技術として展開するための研究基盤を確立する．

Outline of Final Research Achievements

In this study, we conducted fundamental research on a device and method to easily scale up droplet production using a simple cross-slit structure combining a microchannel array and slit-shaped channels. By combining three-dimensional fluid analysis, microfabrication, and droplet and particle generation tests, we elucidated the droplet generation mechanism in the cross-slit structure and aimed to establish a research foundation for developing this process as a production technology for monodisperse droplets and particles.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

乳化操作は化粧品，医薬品，農薬，食品など，幅広い産業分野において普遍的に用いられており，粒径の任意制御は長年にわたる究極的な目標とされてきた．したがって，本研究の成果をさらに発展させることで，既存の液滴・粒子製品の単分散性向上を望むこれらの分野の研究開発現場に幅広くイノベーションをもたらす一方で，これまで研究室に留まっていたマイクロ流路由来の高付加価値な新奇材料が広く社会に普及することにもつながると期待される．

Research Products

• [Journal Article] Microfluidic Step Emulsification with Parallel Nozzles on a Vertical Slit (2024)
  • Author(s): Chunqi Zheng, Shuzo Masui, Yusuke Kanno, Takasi Nisisako
  • Journal Title: Industrial & Engineering Chemistry Research Volume: -
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] マイクロ流路を利用した乳化技術とスケールアップ (2023)
  • Author(s): 西迫貴志
  • Journal Title: 化学工学 Volume: 87 Pages: 211-214
• [Presentation] スリット型液滴量産デバイスにおける液滴の微細化検討 (2024)
  • Author(s): 西山昌孝, ZHENG Chunqi, 菅野佑介, 西迫貴志
  • Organizer: 2024年度精密工学会春季大会学術講演会
• [Presentation] A microfluidic step-emulsification device with nozzles arrayed on a slit (2023)
  • Author(s): Chunqi Zheng, Shuzo Masui, Yusuke Kanno, Takasi Nisisako
  • Organizer: The 10th International Conference of Asian Society for Precision Engineering and Nanotechnology
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Microfluidic step emulsification via paralleled generators on slits (2023)
  • Author(s): Chunqi Zheng, Guangchong Ji, Shuzo Masui, Yusuke Kanno, Takasi Nisisako
  • Organizer: 化学とマイクロ・ナノシステム学会第47回研究会
• [Presentation] Microfluidic step emulsification via parallel nozzles crossing a slit (2023)
  • Author(s): Chunqi Zheng, Guangchong Ji, Shuzo Masui, Yusuke Kanno,and Takasi Nisisako
  • Organizer: 2023年度精密工学会春季大会学術講演会
• [Presentation] Parallel Synthesis of Cell-Laden Calcium-Alginate Microspheres in Microfluidic Droplet Generators on Slits (2022)
  • Author(s): Yingzhe Liu, Takasi Nisisako
  • Organizer: 26th International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Paralleled microfluidic droplet generators on slits for mass-producing calcium-alginate microparticles (2022)
  • Author(s): 劉英哲，西迫貴志
  • Organizer: 2022年度精密工学会春季大会学術講演会
• [Presentation] クロススリット型液滴生成デバイスの3次元流路構造の検討 (2022)
  • Author(s): 古山侑，菅野佑介，西迫貴志
  • Organizer: 2022年度精密工学会春季大会学術講演会
• [Presentation] スリット型液滴生成デバイスにおける3次元流体シミュレーション (2021)
  • Author(s): 印藤健輔，西迫貴志
  • Organizer: 化学とマイクロナノシステム学会第44回研究会
• [Presentation] スリット型液滴量産デバイスにおける数値流体シミュレーション (2021)
  • Author(s): 印藤健輔，西迫貴志
  • Organizer: 2021年度精密工学会秋季大会学術講演会
• [Presentation] Parallel generation of biphasic droplets in microfluidic channels arrayed on slits (2020)
  • Author(s): Siyuan Xu, Takasi Nisisako
  • Organizer: The 18th International Conference on Precision Engineering (ICPE2020)
  • Int'l Joint Research