生体組織の凍結過程におけるミクロ/マクロ熱・物質移動に関する研究

1998 Fiscal Year Final Research Report Summary

• Project/Area Number: 09305017
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Research Field: Thermal engineering
• Research Institution: Tokyo University of Agriculture and Technology
• Principal Investigator: 棚澤 一郎 東京農工大学, 工学部, 教授 (30013105)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 谷下 一夫 慶応義塾大学, 理工学部, 教授 (10101776) ; 稲葉 英男 岡山大学, 工学部, 教授 (40133805) ; 林 勇二郎 金沢大学, 工学部, 教授 (30019765) ; 西尾 茂文 東京大学, 生産技術研究所, 教授 (00111568) ; 村勢 則郎 東京電機大学, 理工学部, 教授 (40120125)
• Project Period (FY): 1997 – 1998
• Keywords: 熱・物質移動 / 生体組織 / 凍結 / 凍結保存 / ミクロスケール / マクロスケール

Research Abstract

本研究では,8つの分担課題を2年度にわたって研究した.ここではその成果の概要をそれぞれの課題について述べる.1.生体の凍結・解凍における輸送現象論と損傷機序の解明(林,多田)では,小麦プロトプラストを用いた凍結・解凍実験とin vivoな浸透圧実験及び生体組織におけるミクロ輸送現象のシミュレーションを行い,マクロな伝熱現象と細胞の生存との関連を明らかにした.2.含水多孔性食品の過冷却の能動的制御による凍結保存の熱工学的検討(稲葉)では,含水性食品の凍結において重要な因子である過冷却について,各種の無機・有機水溶液による実験を行い,水溶液の体積と限界過冷却度の関係その他を明らかにした.3.熱物性値による凍結過程のマクロ的評価とミクロ的構造の対応(谷下)では,神経系クローン細胞であるPC12細胞をマイクロカプセル化したものについて凍結実験を行い,色素排除試験・ドーパミン放出量測定・示差熱分析などにより生存率と氷晶生成の関係を明らかにし,マイクロカプセルの有効性を立証した.4.高分子ゲル中における氷晶形成とガラス化(村勢)では,架橋高分子ゲルを用いた示差走査熱量測定により,冷却時の水のガラス化を観測し,またSEMによるゲルビーズ構造の観察を行った.5.細胞膜透過係数の測定と凍結前処理プロセスの設計(西尾,白樫)では,ガラス化による凍結保存を目指した細胞内への凍結防御剤の浸透プロセスについて,人の内皮細胞を用いた実験を行い,膜透過係数を測定するとともに凍結前処理プロセスについての提案を行った.6.組織細胞の凍結過程における熱・物質移動の微視的観察研究(鶴田)では,タマネギの表皮細胞を用いた方向性凝固の顕微鏡観察を行い,水の膜透過率と細胞の脱水収縮の関係を明らかにし,また細胞内凍結における凍結温度と凍害防御剤濃度との関係を求めた.7.マクロ凍結条件に対する生体細胞懸濁液の凍結過程における氷結晶と細胞のミクロ挙動特性(石黒)では,冷却速度や温度勾配伝播速度が細胞懸濁液の凍結過程での氷結晶の形態や細胞との相互作用などに及ぼす影響を明らかにし,また凍結過程の3次元ミクロ構造の実時間計測を行った.8.総括,生体組織の凍結保存の研究(棚澤)では,これまでの国内外の研究結果の検討から,生体組織の凍結保存の成否を支配する諸因子を整理して体系化を行い,今後さらに研究が必要になる課題を明確化した.

Research Products

• [Publications] 棚澤一郎: "われわれは生体組織の凍結保存について何を知らないか"低温生物工学会誌. 44、1. 10-12 (1998)
• [Publications] Tanasawa、I.: "Things We DoNot Know about Cryopreservation of Living Organs"Annals of the New York Academy of Sciences. 858. 227-234 (1998)
• [Publications] Tanasawa、I.: "Microscale Heat and Mass Transfer in Cryopresevation of Living Organs"Proc.11th Int.Symposium on Transport Phenomena. 308-312 (1998)
• [Publications] Tada、Y.: "Heat Transfer and Viability of Cell during Freezing of Biological Tissue"Proc.Int.Conf>on Frontiers in Biomechanical Engng. 357-360 (1997)
• [Publications] Hayashi、Y.: "Micro-Solidification and Macro-Heat Transfer in Multicomponent System"Proc.11th Int.Heat Transfer Conf.. 1. 287-299 (1998)
• [Publications] 谷下 一夫: "凍結保存状態の評価を目的とした凍結赤血球懸濁液における有効熱性値の測定"日本機械学会論文集(B編). 64、625. 3068-3076 (1998)
• [Publications] 谷下 一夫: "生体組織保存に向けての工学的アプローチ"低温生物工学会誌. 44、1. 13-18 (1998)
• [Publications] 村勢 則郎: "高分子ゲル中の氷晶形成とガラス化"表面. 35、8. 453-459 (1997)
• [Publications] 類家 正稔: "架橋高分子ゲルの吸湿、脱湿挙動"低温生物工学会誌. 43、2. 129-132 (1997)
• [Publications] 村勢 則郎: "高分子ゲルビーズの吸、脱水及び凍結時の形状変化"低温生物工学会誌. 44、2. 54-56 (1998)
• [Publications] 稲葉 英男: "二次元衝突噴流による水平含水層の凍結挙動"第35回日本伝熱シンポジウム講演論文集. III. 887-888 (1998)
• [Publications] Ishiguro、H.: "Three-Dimensianal Behavior of Ice Crystals and Biological Cells during Freesing of Cell Suspersions"Annals of the New York Academy of Sciences. 858. 235-244 (1998)
• [Publications] Ishiguro、H.: "Three-Dimensional Visualization of Microstructure during Extracellular Freezing of Biological Materials Using Confocal Laser Scaming Microscope"Proc.2nd Pacific Symp.on Flow Visualization and Image Process.. (発表予定). (1999)
• [Publications] Ishiguro、H.: "Influence of Directional Solidification Parameters on Microscopic Structure during Solidification of Red Blood Cell Suspensions"Proc.5th ASME/JSME Thermal Engng Jaint Conf.. (発表予定). (1999)
• [Publications] Tsurata、T.: "Microscopic Observation of Intracellular Ice Formation and Dehydration in Onion cells"Experimental Heat Transfer、Fluid Mechanics and Thermody namics. 4. 1999-2005 (1997)
• [Publications] Tsurata、T.: "Intracellular Ice Formation and Dehydration during Freezing of Onion Epdermis"Proc.Int.Conf.on New Frontiers in Biomedical Engineering. 353-354 (1997)
• [Publications] Tsurata、T.: "Effeds of Glycerol on Intracellular Ice Formation and Dehydration of Onion Epidermis"Annals of the New York Academy of Sciences. 858. 214-223 (1998)
• [Publications] 白樫 了: "生体凍結保存における凍害防御剤の拡散係数の測定"日本機械学会論文集(B編). 63、612. 2793-2798 (1997)
• [Publications] 白樫 了: "生体凍結保存における細胞膜透過係数の測定"日本機械学会論文集(B編). 64、622. 1867-1872 (1998)
• [Publications] 白樫 了: "生体凍結保存における細胞の耐浸透圧の測定"日本機械学会論文集(B編). 64、623. 2362-2367 (1998)
• [Publications] 白樫 了: "生体凍結保存における前処理、凍結過程プロセス設計"日本機械学会論文集(B編). 64、627. 3861-3866 (1998)
• [Publications] Shirakashi、R.: "Method of Designing Pre-freezing Protocol in Cryopresevation of Biological Materials"Annals of the New York Academy of Sciences. 858. 175-182 (1998)
• [Publications] 山田幸生: "からだと熱と流れの科学"コロナ社. 154 (1998)