高速流動下における赤血球の変形動態の解析と溶血シミュレータの開発

2002 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 13480284
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 和田 成生 東北大学, 大学院・工学研究科, 助教授 (70240546)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 小林 亮 北海道大学, 電子科学研究所, 助教授 (60153657) ; 坪田 健一 東北大学, 大学院・工学研究科, 助手 (10344045) ; 山口 隆美 東北大学, 大学院・工学研究科, 教授 (30101843) ; 石井 勝弘 北海道大学, 電子科学研究所, 助手 (30311517) ; 岩井 俊昭 北海道大学, 電子科学研究所, 助教授 (80183193)
• Keywords: 計算バイオメカニクス / 赤血球 / 形状 / 変形 / 動的散乱 / 凝集 / 血流 / 溶血

Research Abstract

高速流動下における赤血球の変形動態を理論および実験の両面から解析するための基盤となる力学モデルの構築および光学的計測方法の確立を目指して研究を行い、以下の成果を得た.
1.赤血球膜の脂質二重層とその基底にある繊維蛋白の網目構造を弾性バネのネットワークで表現した赤血球の力学モデルのパラメタについて検討した.ランダムネットワ-クモデルにおけるバネ定数とせん断弾性係数の関係,集中曲げ剛性と分布曲げ剛性との関係,局所面圧縮係数とピペット吸引試験における膜吸引量との関係を明らかにし,これまでに実測されてきた赤血球膜のせん断弾性係数,曲げ剛性,面圧縮係数に対応するモデルパラメタを同定した.また,膜に力が作用していない自然状態における赤血球の形状について検討し,正常な赤血球の両凹円盤形を自然状態とする従来の仮定より,楕円体形と仮定する方がこれまでの観察結果を説明するのに合理的であることを示した.
2.前項で得られたモデルパラメタを用い,エネルギ原理に基づいて,赤血球がそれより直径の小さい毛細血管を通過するコンピュータ・シミュレーションを行った.その結果,実際に近い変形挙動が観察され,柔軟でありながら潰れてしまうことの無い赤血球の変形特性が,膜のせん断特性,曲げ剛性および面非圧縮性の適切な組み合わせよつて発現されることを示した.
3.マイクロピペット吸引試験装置を作製し,コンピュータ・シミュレーションと組み合わせて,赤血球膜の材料特性を調べるためのシステムを構築した.
4.多数の赤血球が存在する場合の流動下における多重散乱光の空間強度と時間相関関数の関係を調べ,光散乱理論に基づいて赤血球の衝突や接触などの相互作用が赤血球の運動や変形に及ぼす影響について検討し,せん断流れ下において粒子の集合状態を動的散乱光法により評価できることを示した.

Research Products

• [Publications] 和田成生: "赤血球の形状と膜の残留応力との関係"日本機械学会講演論文集. 02・26. 111-112 (2002)
• [Publications] 和田成生: "膨潤赤血球の体積減少に伴う形状変化の数値シミュレーション"日本機械学会論文集. (印刷中). (2003)
• [Publications] S.Wada: "Simulation of the shape change of a red blood cell at the enhance of a capillary"Proceedings CD of the Fourth World Congress of Biomechaics. (CD). (2002)