2021 Fiscal Year Annual Research Report
Numerical simulation of nutrient transport and absorption in the human intestine
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18K18353
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| Research Institution | Hirosaki University |
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Principal Investigator |
宮川 泰明 弘前大学, 理工学研究科, 助教 (60804599)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 数値流体力学 / 生体力学 / 消化器 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ヒトの小腸は長さ約6メートルの管であり，食物の消化と吸収が主な役割である．胃内で胃液と混合された食物は，小腸内で胆汁や膵液と混合されグルコース等の栄養素に分解されたのち，小腸壁を通じて体内に吸収される．これらの過程に消化管壁の運動が大きな役割を担っているが，実験的にこれらを計測するのは困難であり，その背景にある力学はほとんど明らかになっていない．本研究課題では「小腸内のどこで，どのように栄養素が吸収されるのか？」を数値シミュレーションによって明らかにする．
ます，本研究課題では，ヒト腸内における栄養素の吸収過程を流体力学に基づき解明するために，腸内食物輸送の計算力学モデルを構築した．本モデルでは，小腸壁を模擬した管路に強制変異を与え，蠕動および分節運動といった小腸の運動を与えた．小腸内部の流れ場はALE有限要素法，固体粒子はDEMを用い，それらを埋め込み境界法を用いてカップリングした．
次に，小腸内部の単一固体粒子の輸送を観察した．これにより，固体粒子は蠕動運動によっては輸送されるが，分節運動では，節の部分では球に対称な力が働き打ち消しあってしまうことから捕捉されてしまい，それ以上は進めなくなることが明らかになった．さらに，栄養素の吸収によるシミュレーションからは，レイノルズ数やペクレ数やシュミット数といった無次元数によって壁面からの吸収率が大きく変化することを示した．また，分節運動と蠕動運動では栄養素吸収の様態が全く異なることも明らかになった．
本研究課題で得られた結果は単純な形状におけるものではあるが，ヒト小腸内の栄養素吸収に関する基礎的知見を得た．これによって本分野の今後のさらなる研究の発展および現在工業的な応用が期待されている小腸運動を模擬したポンプや輸送機などへの応用が期待できる．
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