2019 Fiscal Year Research-status Report
オンチップ微小液滴電気穿孔プロセスの数値解析と現象メカニズムの解明
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19K04183
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| Research Institution | Sasebo National College of Technology |
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Principal Investigator |
中島 賢治 佐世保工業高等専門学校, 機械工学科, 教授 (40311112)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 電気穿孔 / 液滴電気穿孔 / マイクロリアクター / 数値解析 / 設計支援 / 遺伝子導入 / iPS細胞 / MEMS |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、iPS細胞の高効率生産を可能にする「オンチップ微小液滴電気穿孔プロセス」を開発し、再生医療技術の発展に流体工学分野から貢献するもので、プロセス成否の諸条件を探索するため、流体数値解析による設計支援を行う。そのため、同プロセスに含まれる物理現象、①細胞整列のためのディーン流れと慣性集束、②細胞を一つずつ分離するための液滴形成、③細胞膜穿孔のための膜電荷分布と細胞膜破砕、④DNA導入のための電気泳動について、計算手法を確立する。数値解析により、各現象の力学的メカニズムを解明し、さらに、プロセスの成否と流れ条件の相関を明らかにすることを目的とする。
上記①～④に対し、Ⅰ．個々の物理現象を計算機内で正確に可視化するための数値解析モデルを構築すること、Ⅱ．開発した数値解析手法によって個々の物理現象を解明すること、Ⅲ．Ⅱ．に基づき，デバイスデザインおよびプロセス条件の最適化のための設計指針を確立すること、を研究実施計画のマイルストーンとした。
2019年度の研究実績として、②と③のⅠ．数値解析モデルを確立することができた。現在、それら②と③に対し、それぞれⅡ．Ⅲ．の調査を行っており、具体的にはそれらの現象に及ぼす物性値や装置形状の影響を、何度も数値解析することでデータを蓄積している。液滴形成の数値解析に関して、2019年12月精密工学会佐世保地方講演会で研究成果を公表し、ベストプレゼンテーション賞を受賞した。電気穿孔の数値解析に関して、2020年9月の日本機械学会年次大会で成果報告するよう、準備を進めている。
今後、①細胞整列は、数値解析モデルを確立する。②液滴形成は、界面張力と流量比の関係を調べ、液滴形成が可能な流れ条件を整理する。③電気穿孔は、数値解析で最適電極幅を調査する。④遺伝子導入は、実験で細胞が激しく移動する現象が観察されたため、調査方法について要検討である。
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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
2019年度科研費基盤（C)の採択を受け、高性能計算機（HP Z8 G4 Workstation）とCOMSOL Multiphysics基本ソフトウェア＋MEMSモジュールオプションを購入、それにより2019年12月の精密工学会佐世保地方講演会において成果を公表し、ベストプレゼンテーション賞を受賞できた。さらに、2020年9月の日本機械学会年次大会にて発表する準備を進めている。
具体的な成果として、上記解析対象の②十字流路の液滴形成、③電圧印加による細胞膜穿孔、④電気泳動による遺伝子導入について、計算モデルを構築し、数値解析を実行することに成功、2019年8月に豊橋技術科学大学にて実施した出張実験の結果と計算結果を比較検証した。それら研究成果として得られた、計算モデルとパラメータ群の構成（微調整は必要である）、それに新規購入の計算機とソフトウェアを使って、設計支援のための基盤データを整理・蓄積するために、条件を変えて何度も数値解析を実行できる環境が整った。
解析対象②について、計算環境の構築を完了、表面張力と液滴長さの関係が調査されたが、これらに明確な相関は見られなかった。今後は水相と油相の流量費を変えて計算を繰り返す。また、豊橋技術科学大学での出張実験の中で、液滴の中で細胞が激しく移動する現象が見られたが、この現象メカニズムを説明できるエビデンスを得ることができた。
解析対象③と④について、豊橋技術科学大学マイクロ・ナノ機械システム研究室との情報交換の中で、液滴の中で細胞が激しく移動する様子が観察されたが、解析対象②の計算結果の中で、その現象メカニズムを説明する知見が得られた。その知見と液滴内電界強度の計算結果を踏まえるとき、液滴内で細胞が浮遊する位置は、高さ方向のみ考慮すればよいことに気づいた。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後、まだ数値解析が実現できていない、解析対象①ディーン流れによる細胞整列、について計算モデルを構築する必要がある。現在までの進捗状況を踏まえて考慮した2020年度の具体的な研究計画を以下に記す。
・解析対象①ディーン流れ：計算ジオメトリの作成、計算手法の選択、計算モデルおよびパラメータ群の環境設定を行う。
・解析対象②液滴形成：水相と油相の流量を変えて、液滴長さを制御できる条件についてさらに詳細な調査を行う。現在、何度も条件を変えて計算実行することにより、液滴サイズを制御するためのパラメータを調査している。ところで、大気中の液滴は、液滴内圧を一定と仮定するとき、表面張力と液滴径は比例関係にある。水や油の表面張力は、対空気の値がわかっているが、水と油の相対的な界面張力の求め方はほとんど知見がない。実際の実験では、油に界面活性剤を混入して界面張力を調整している。これまでの研究成果から、液滴を形成するために必要な界面張力の最小値がわかっている。流量条件と界面張力の条件を変えて、安定して液滴形成できる領域をマップ化して求める。
・解析対象③細胞膜穿孔：液滴内の細胞の位置を変化させ、各高さ位置における最適電極間距離を整理する。現在、数値解析によって最適な電極間距離を調査している。観察実験においては、液滴の中で細胞が激しく移動する現象が確認されているため、液滴の中での細胞位置によって電極間距離が変化することを考慮しなくてはならない。そのため、１μｍ幅の電極を数値解析の中で再現し（この条件は数値解析でのみ実現できる）、細胞の孔に到達する電気力線の位置を観察し、最適な電極間距離を求める。
・解析対象④遺伝子導入：電気泳動により遺伝子導入効率が向上する方法を考える。遺伝子濃度と孔の位置の関係を調べる。
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| Causes of Carryover |
2019年度は、当初予定から変更して、2020年度と2021年度の予算を前倒し申請したため、実質的に次年度使用額（B-A）はマイナスである。
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Research Products
(1 results)
