2021 Fiscal Year Annual Research Report
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20H02072
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| Research Institution | Kansai University |
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Principal Investigator |
関 眞佐子 関西大学, システム理工学部, 教授 (80150225)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 流体 / 細胞分離 / Segre-Silberberg効果 / 変形性 / 粘弾性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
流路内層流に浮遊する粒子が慣性に起因する揚力を受けて，粒子の大きさや変形性、流速等に応じて流路断面内の特定の位置を通過する現象はSegre-Silberberg効果として知られており，粒子の分離・選別への応用が期待されている．細胞を浮遊させる場合には高分子等を含む粘弾性流体を媒質とする場合が多いことから，慣性による揚力に加えて，細胞の変形性や媒質の粘弾性に起因する揚力も生じる。本研究は，この現象を実験および数値シミュレーションによって解析し、細胞の分離・選別への応用に向け、浮遊粒子の変形性や媒質の粘弾性がSegre-Silberberg効果に及ぼす影響とその機序を解明することを目的とする。
2021年度は、前年度に開発した「微小流路断面観察システム」を用いて、流路幅が50umの正方形断面を持つ流路内を流れる赤血球の管断面内位置を計測し、剛体粒子(球形およびダンベル形状)の結果と比較した。低流量の場合、剛体粒子は管断面に広く分布したのに対し、赤血球は管中心軸付近に集まって分布した。流量が増加すると、剛体粒子は下流断面の各辺中央付近の4点(面心平衡点)に集まったのに対し、赤血球は対角線上の4点(対角平衡点)に集中した。これらの結果より、赤血球の変形性による揚力は管中心軸向きで、方位角方向は対角線に向かう向きであることが示された。数値シミュレーションでは、FENE-Pモデルに基づく粘弾性流体の解析プログラムを用いて，正方形管内層流に浮遊する剛体球粒子にはたらく揚力を計算した。管断面内における揚力場から安定な平衡点(粒子集中点)を算出した。その結果、媒質の弾性の増加に伴い、粒子集中点は面心平衡点から対角平衡点に遷移し、その間に二つの平衡点が両者とも安定となる領域が存在することが示された。この結果より、媒質の弾性による揚力も管中心軸向きで、対角線に向かう向きであることが示唆された。
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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
当初の計画通り、実験において、(1)正方形管内流れ中の赤血球の挙動計測、数値シミュレーションでは、(2)粘弾性流体中に浮遊する球形粒子にはたらく揚力の評価を行った。
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| Strategy for Future Research Activity |
計画通りに研究が進展しているので、2022年度は予定通り、(1)ゲル粒子を浮遊粒子とする場合の実験を行って粒子変形性の影響を調べ、数値シミュレーションでは、(2)矩形管(長方形管)内を流れる粘弾性流体中に剛体球が浮遊する場合の解析を行うとともに、浮遊粒子が変形性をもつ場合の解析を開始する。
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