2015 Fiscal Year Annual Research Report
超短パルスレーザー誘起マイクロ衝撃波の伝播特性解明と再生医療マイクロカプセル応用
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15H03921
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| Research Institution | Kyushu Institute of Technology |
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Principal Investigator |
玉川 雅章 九州工業大学, 大学院生命体工学研究科, 教授 (80227264)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 衝撃波 / 医療工学 / 気泡 / マイクロカプセル |
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| Outline of Annual Research Achievements |
近年，衝撃波を血管や神経などの再生医療へ応用する分野が広がってきているが，本研究においては，3Dプリンターを利用した臓器作成機器の衝撃波による促進方法を念頭におき，気泡と再生すべき細胞を含んだマイクロカプセルで組織形状を作り，外部から衝撃波を作用させてカプセル内の細胞への物理的刺激と増殖後のカプセル破壊の２つのモードをもつ手法の開発を最終目的とする．
本課題では，本システムの基礎的な機構解明のため，(1)局所的な衝撃波の発生が可能な時短レーザーを用いて集束によりマイクロ衝撃波を生成し，それぞれの圧力の伝播特性と圧力場を調べること，(2)カプセル膜近傍の気泡と衝撃波の干渉による“カプセル破壊”に至る現象を気泡変形挙動の可視化や圧力計測等によって明らかにして，衝撃波作用の最適化をすること，(3)１個および3D 構造をもつ気泡内包カプセル体の衝撃波の伝播や減衰機構を調べること，を目的とする．
平成27年度においては，水中での時短レーザを用いたマイクロ衝撃波の生成と可視化として，パルスレーザに対して，微小セル内の水中にレーザを集束させて，マイクロ衝撃波を生成させ，シャドウグラフ光学系を組み，既設のPIV 用ダブルパルスレーザを用いて，マイクロ衝撃波生成の観察を試行した．この結果，レーザ集束に関する光学系や可視化用光学系の調整は完了したものの，パルスレーザ，特にフェムト秒レーザの導入の遅れならびに機器不調により，圧力計測ならびに可視化が完了していない．一方，水中でパルスレーザの集束を行った際の衝撃波生成の数値解析の基礎的な検討については，気泡生成を伴わない衝撃波生成と伝播のシミュレーションを，主に集束点付近での幾何光学的影響による温度上昇や圧力生成について理論的見積もりを行い，超時短レーザによるパルス作用時間やその集束度による圧力生成への影響が大きいことがわかった．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
概要にも記載したとおり，本年度については，水中での時短レーザを用いたマイクロ衝撃波の生成と可視化として，マイクロ衝撃波を生成させ，シャドウグラフ光学系を組み，既設のPIV 用ダブルパルスレーザを用いて，マイクロ衝撃波生成の観察を試行した．この結果，レーザ集束に関する光学系や可視化用光学系の調整は完了したものの，パルスレーザ装置の導入の遅れならびに機器不調により，圧力計測ならびに可視化が完了していない．特に，本課題の大きな目的の１つである超時短の影響を調べるためのフェムト秒レーザ機器については，納期が4か月遅れとなり，さらに導入後は，ビーム径の不調のため，レーザ集束点でのエネルギーの伝達率が上がらず，生成予定の衝撃波が生成されていない．しかしながら，気泡生成を伴わない衝撃波生成と伝播のシミュレーションを，主に集束点付近での幾何光学的影響による温度上昇や圧力生成について理論的見積もりを行い，幾何的集束度と光学系の衝撃波発生への影響およびパルス作用時間がフェムト秒まで変化したときに，作用時間が短い方が，衝撃波生成機構が変化することがわかった
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| Strategy for Future Research Activity |
フェムト秒レーザ機器（海外ファイバーレーザ製品）については，数値計算による結果を受け，集束度の影響を考慮しつつ衝撃波生成の圧力測定と可視化を，製造元で修理でき次第すみやかに遂行する．また，部分的に先行している数値計算での衝撃波発生機構のモデルを，これまでの衝撃波先生のプログラムに導入し，衝撃波伝播ならびに次年度の計画である膜による減衰機構を行う予定である．
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