2017 Fiscal Year Annual Research Report
Investigation of needle-free bubble injector by focusing of electric discharge
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16H04307
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
山西 陽子 九州大学, 工学研究院, 教授 (50384029)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
川原 知洋 九州工業大学, 大学院生命体工学研究科, 准教授 (20575162)
前田 真吾 芝浦工業大学, 工学部, 准教授 (40424808)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | BioMEMS / マイクロTAS |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究はこれまで確認されてきた高速発射気泡圧壊現象(キャビテーション)の先鋭形状ガスに放電現象を誘導かつ集中させて，物理的かつ電気的な穿孔を同時に達成し，これまでにない低侵襲かつ穿孔深度の深い穿孔能力を生み出す革新的技術を生み出すものである．これまでの研究において気泡圧壊現象と気液界面に付着する薬剤や遺伝子を用いて細胞レベルの遺伝子導入を達成してきたが，より大きいスケールにおける注射器としての機能を十分に発揮させるためには，より深い穿孔能力と試薬輸送能力が求められる．本研究ではプラズマキャビテーション現象を制御し，またMEMS 技術を用いた高密度多筒式インジェクタを作成することによって皮内注射器等実用化レベルの新しい気泡注射器を生み出すことを目標として研究を行った．
１年目の研究成果として，２次元多筒式気泡噴出チップのプロトタイプを完成し，それぞれの筒からの気泡発射を確認し，さらに薬液放出機構を追加し，オンデマンド薬液放出チップを達成した．一方で，プラズマ誘起気泡の発生メカニズムは未解明な点が多くあった．そこで２年目となる今年度の研究成果として，気泡発生の制御性の向上を目指すため，気泡発生のメカニズムについて詳細に計測を行った．特に超高速度カメラを用いることによって，気泡とプラズマの発生する順番や，これまで熱分解か電気分解によって発生していたと考えられていた気泡発生メカニズムを解明することができ，結果としてより効率的に気泡を発生する安価な最適化設計について数多くの知見を得ることができた．一方，気泡発生時におけるプラズマ放電による気液界面には数多くの機能性を有することもわかり，それを用いた新たなアプリケーションを生み出すことにも成功している．今後は生体試料へのアプローチを行いさらに実用化レベルへ展開していく．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
これまでの研究において気泡圧壊現象と気液界面に付着する薬剤や遺伝子を用いて細胞レベルの遺伝子導入を達成してきたが，より大きいスケールにおける注射器としての機能を十分に発揮させるために，より深い穿孔能力と試薬輸送能力を達成すべく本研究を進めた．
初年度には試薬輸送能力の向上のための多筒式気泡発生チップのプロトタイプの完成，並びにオンデマンド薬液放出機構などの開発を行ったが，２年目である今年度は，再現性良くプラズマ誘起気泡を発生させるためのメカニズムの解明，並びにその制御性の向上を行い，その気泡発生メカニズムにおいて数多くの知見を得ることができ，結果として今後の気泡発生部の設計に大きな改善に繋がることとなった．このような状況より順調に進展しているとして判断している．今後もより実用化につながる研究を行っていく．
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| Strategy for Future Research Activity |
気泡発生メカニズムの解明が進み，新しくより効率的な気泡発生構造を見出すことができたため，今後はその設計の最適化及び生体試料等を用いた侵襲性評価等の実験を行うものとする．
また低侵襲性を達成するため，印加電圧を制御する電源開発などプローブのメカニカルな設計最適化だけでなく，電気的な最適化についても行うものとする．また実用化フェーズに耐えることができる安全面や侵襲性の問題についてより詳細に評価を行うものとする．
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