2018 Fiscal Year Annual Research Report
高機能性マイクロジェットの生成法確立と医工学利用基盤の構築
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17H01246
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| Research Institution | Tokyo University of Agriculture and Technology |
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Principal Investigator |
田川 義之 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (70700011)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
安藤 景太 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 講師 (30639018)
長津 雄一郎 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (60372538)
田中 あかね 東京農工大学, (連合)農学研究科(研究院), 教授 (80418673)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | マイクロジェット / 高粘度液体ジェット / キャビテーション / 液体急加速 / 非ニュートン流体ジェット |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は，衝撃力を利用したマイクロ液体ジェット生成法（代表者の開発技術）を出発点に，高機能性（粘着性，細胞培養性など）を有するマイクロジェットの吐出制御法を確立すること，さらに先駆的医工学技術の核となる高機能性マイクロジェットの利用基盤を構築することである．具体的には，開発技術を基に以下の４つの各先端技術の実現を目指す．(i)無針注射器実現のための生体組織に対する高速マイクロジェット衝突挙動の解明と制御，(ii)インクジェット型３Dプリンタ開発のための高粘度材料吐出手法の確立・液滴塗布制御，(iii)プリンテッド・エレクトロニクスのための非ニュートン流体ジェット生成過程の制御，(iv)細胞シート印刷技術のためのサブマイクロジェットの生成過程の解明および制御．
本年度は，(ii) インクジェット型３Ｄプリンタ開発のための高粘度材料吐出手法の確立・液滴塗布制御について，代表者らが開発した高粘度マイクロジェット吐出手法について調査を進めた．特にジェット利用基盤として液滴塗布現象解明に取り組んだ．具体的には塗布直前におけるジェットと紙面との非接触挙動（紙面-液体間の空気薄膜内の非定常流解析）についての実験的研究を行なった．さらに，(iii) プリンテッド・エレクトロニクスのための非ニュートン流体ジェット生成過程の制御について，本ジェット生成装置による非ニュートン液体の高速吐出制御法を確立を目指した．非ニュートン流体ジェットの生成過程を観察し，ニュートン流体との差異を確認した．さらに差異の主因であるレオロジー特性の影響を調査するため，CaBERと呼ばれる手法を導入した．(iv)サブマイクロジェット生成メカニズムの解明および制御として，マイクロジェットのサイズを縮小するための流路を設計し，光ファイーバーを導入した実験的研究を行なった．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
(i)無針注射器実現のための生体組織に対する高速マイクロジェット衝突挙動の解明と制御について，動物皮膚にジェットを注入させた結果を取りまとめ，国際雑誌に発表した（Kiyama et al. J. Vis. 2019)．
(ii) インクジェット型３Ｄプリンタ開発のための高粘度材料吐出手法の確立・液滴塗布制御について，高粘度液体の紙面への塗布過程を制御した．まず本研究を通して開発した高年度材料の新規吐出手法の発明についての特許を取得した(特許第6482658号)．さらにジェットが紙面接触する直前では紙面-液体間に空気薄膜が形成され，塗布後の液滴形状へ影響を及ぼす．そこで代表者らの空気薄膜に関する実験および液滴塗布実験基盤を活用し，空気薄膜形状のわずかな歪みにより液滴が壁面上を浮遊するほどの圧力が発生していることを実験的に明らかにした(Sawaguchi et al. J. Fluid Mech. 2019)．また，さらなるジェット吐出制御性を追求するにあたり，気泡を含むPVAゲルを用いた有用な制御手法を開発した（前嶋ら，日本画像学会誌，2019）．以上を踏まえ，産学共同研究により本機構の試作機を完成させた．
(iii) 非ニュートン流体のレオロジー特性がジェット生成に与える影響を実験・数値解析により調査した．その結果，バルク特性に加え，ジェット成長過程における界面レオロジー特性の強い影響が示唆された(Franco-Gomez et al. APSDFD2018)．
(iv) 細胞シート印刷技術のためのサブマイクロジェット生成メカニズムの解明および制御に関して，流路を製作し，直径数マイクロのジェットを生成し，従来の理論的解析によって理解できることを確認した（山口ら，日本機械学会関東支部第25期総会・講演会）．
以上のように，今年度は当初の計画以上に進展した．
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| Strategy for Future Research Activity |
(ii) インクジェット型３Ｄプリンタ開発のための高粘度材料吐出手法の確立・液滴塗布制御について，産学共同研究により完成させた試作機を用いた実用化実験を進める．具体的には，安定した補給機構等を完成させ，実際の塗装現場に用いられるものに仕上げてゆく．
(iii) プリンテッド・エレクトロニクスのための非ニュートン流体ジェット生成過程の制御について，非ニュートン性流体ジェット生成メカニズムおよび速度・体積制御に関する知見を活用し，非ニュートン材料の塗布実験を行う．これは塗装関連の共同研究先企業と連携し，プリンテッド・エレクトロニクス用実機としての有用性を確認する．このためには非ニュートン材料の性質，特に伸長変形した場合の特殊な応答に関する理解が不可欠である．そこで，2018年度に導入したCaBERというレオロジー計測手法の高精度化を進めてゆく．
(iv) 細胞シート印刷技術のためのサブマイクロジェット生成メカニズムの解明および制御について，ジェット速度・体積制御のため，これまでテーマ(i)-(iv)で得た全ての知見に加え，ジェットへの影響が顕著となる界面の電気的・化学的作用を明らかにする．また，細胞シート印刷は生体軟質材料に印刷する．ジェット先端液滴の着弾の際の軟質材料の形状変化がプロセス全体に大きな影響を及ぼすことが知られている．2018年度までに研究代表者らは，軟質材料内の応力非定常分布を偏光計測により可視化する手法を開発した．この成果は国際雑誌に2018年度に国際共同共著論文を発表済みである(Rapet, Tagawa et al. Appl. Phys. Lett. 2019)．そこで本手法を発展させ，ジェット・液滴衝突時における軟質材料内部の非定常応力場を可視化し，細胞シート印刷を精密に行うための技術基盤を構築する．
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Research Products
(61 results)
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[Journal Article] Visualization of penetration of a high-speed focused microjet into gel and animal skin2019
Author(s)
Kiyama, A., Endo, N., Kawamoto, S., Katsuta, S., Oida, K., Tanaka, A., and Tagawa, Y.
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Journal Title
Journal of Visualization
Volume: -
Pages: 1-9
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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[Journal Article] Growth dynamics of surface nanodroplets during solvent exchange at varying flow rates2018
Author(s)
Dyett, B., Kiyama, A., Rump, M., Tagawa, Y., Lohse, D., and Zhang, X.
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Journal Title
Soft Matter
Volume: 14
Pages: 5197-5204
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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