| Project/Area Number |
22KJ2231
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| Project/Area Number (Other) |
21J00294 (2021-2022)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2023)
Single-year Grants (2021-2022) |
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| Section | 国内 |
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| Review Section |
Basic Section 18010:Mechanics of materials and materials-related
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| Research Institution | Kobe University |
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Principal Investigator |
竹田 宏典 神戸大学, 工学研究科, 特別研究員(PD) (30931787)
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| Project Period (FY) |
2023-03-08 – 2024-03-31
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| Project Status |
Completed (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
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| Keywords | バイオメカニクス / 計算力学 / 流体ー構造連成解析 / アイソジオメトリック解析 / 連続体力学 / 形態形成 / 座屈 / 細胞膜 / 生体力学 / 細胞移動 / 粘弾性流体 / シミュレーション |
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| Outline of Research at the Start |
多細胞生物の発生において，生体が形作られる形態形成の過程では，細胞の活動から生じる力により，生体組織が自律的に変形する．近年，細胞の移動現象に応じて組織の力学的な挙動が変化することが明らかになっている．本研究では，連続体力学に基づいて，細胞移動に起因する組織の流動的な挙動を表現する数理モデルを構築することを目的とする．そして，計算力学的な手法を用いて，構築したモデルを生体組織の形態形成に適用することにより，組織の流動的な挙動が組織変形に与える影響を明らかにする．
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、流体中における細胞膜を模擬した薄膜の変形シミュレーションのための数理モデルと数値計算手法の開発に取り組んだ。本年度は、数値計算の精度を向上させるため、曲げ変形に関する弱形式での定式化や、計算メッシュの再分割などを行い、昨年度までに構築した数理モデルと数値計算手法を改良した。そして、細胞の内外に存在する細胞質や細胞外基質の力学的特性や挙動が細胞膜の変形に与える影響を明らかにするため、新たに、弾性膜と周囲組織の相互作用を考慮した数値シミュレーション手法を構築した。弾性膜の変形はKirchhoff-Love shell理論に基づいて記述し、周囲組織の挙動をニュートン流体のストークス流れとして境界積分法に基づいて記述した。そして、B-spline関数による形状表現と境界要素法を組み合わせたアイソジオメトリック境界要素法を用いて、弾性膜の変形と粘性流体との相互作用を考慮した流体―構造連成解析手法を構築した。本手法を流体―構造連成問題の代表例である、せん断流れ中でのカプセル表面に生じるシワ形成へ適用し、本手法の有用性を示した（国際学術雑誌Journal of Fluids and Structuresに掲載）。さらに、細胞移動において重要な細胞突起形成のメカニズムを明らかにするため、細胞膜の流動に伴う局所的な膜面積の拡大によって生じる突起形成のシミュレーションを行った。曲げ変形と面内変形に対する弾性膜の力学特性を変化させてシミュレーションを行い、力のつり合い状態における膜形状を明らかにした。また、細胞膜成分が大域的、あるいは局所的に供給される場合について、それぞれ数理モデル化し、シミュレーションを行うことにより、膜面積の拡大の空間分布が形成された突起の形状に与える影響を明らかにした。
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