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2022 Fiscal Year Annual Research Report

微小流路内流れを利用した細胞分離の基礎研究

Research Project

Project/Area Number 20H02072
Research InstitutionKansai University

Principal Investigator

関 眞佐子  関西大学, システム理工学部, 教授 (80150225)

Project Period (FY) 2020-04-01 – 2024-03-31
KeywordsSegre-Silberberg効果 / 細胞分離 / 変形性 / 粘弾性
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重要となる。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。2022年度は、変形性をもつヒドロゲル微粒子を用いた実験と矩形管内流れ中のSegre-Silberberg効果の数値シミュレーションを行った.
ヒドロゲル粒子の浮遊液を正方形微小管に流し,下流断面における粒子の通過位置を計測した.ヒドロゲル粒子は媒質とのコントラストが弱いため蛍光指標したゲル粒子を用いることとし,「微小流路断面観察システム」を蛍光計測用に改良することにより管出口付近の正面観察を行った。低レイノルズ数(~0.1)で管中央への集中、レイノルズ数=5-10で対角線上の4点への集中が見られた。これらの粒子集中パターンは剛体粒子の分布と対照的であるのに対し、赤血球分布と定性的に一致したことから、浮遊粒子の変形性が寄与していることが分かった。数値シミュレーションでは、矩形管を流れるニュートン流体中の粒子運動とFENE-Pモデルに基づく弾性流体中の粒子運動の解析を行った。特に断面のアスペクト比が1.5と2の矩形管に対しニュートン流体に浮遊する剛体球の運動を、様々な粒子径とレイノルズ数の場合に解析し、粒子集中パターンのマップを作成した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

2022年度は,変形性をもつヒドロゲル微粒子を用いた実験と矩形管内流れ中のSegre-Silberberg効果の数値シミュレーションを行い,ほぼ当初の計画通りに研究が進展している.ヒドロゲル粒子は媒質とのコントラストが弱いため通常照明では観察が困難であった.そのため,蛍光指標したゲル粒子を用いて蛍光観察に切り替えることにし,共焦点レーザ顕微鏡による蛍光計測を行った.蛍光観察によりゲル粒子の位置計測は可能となったが,光軸方向の解像度が数ミクロンとあまり良くないため,「微小流路断面観察システム」をレーザ照明とイメージインテンシファイア,ハイパスフィルタ設置により蛍光計測用に改良した.その結果、管出口の正面観察が可能となり,管断面の粒子位置の高精度計測が実現した.

Strategy for Future Research Activity

当初の計画通り、矩形管を用いた実験と変形粒子を用いた数値解析を行い、研究のまとめを行う.

Remarks

JPSJに発表した論文がJPS Hot Topicsとして取り上げられた(10.7566/JPSHT.2.033),
科学新聞(2022年9月2日), JSTの英語記事(//sj.jst.go.jp/news/202210/n1014-02k.html)、中国語記事(//www.keguanjp.com/kgjp_keji/kgjp_kj_smkx/pt20221019000001.html)

  • Research Products

    (14 results)

All 2022 Other

All Journal Article (3 results) (of which Peer Reviewed: 3 results,  Open Access: 2 results) Presentation (10 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Inertial Focusing of Red Blood Cells Suspended in Square Capillary Tube Flows2022

    • Author(s)
      Tanaka Saori、Sugihara-Seki Masako
    • Journal Title

      Journal of the Physical Society of Japan

      Volume: 91 Pages: 083401

    • DOI

      10.7566/JPSJ.91.083401

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Rheological characterization and flow reconstruction of polyvinylpyrrolidone aqueous solutions by means of velocity profiling-based rheometry2022

    • Author(s)
      Ohie Kohei、Yoshida Taiki、Tasaka Yuji、Sugihara-Seki Masako、Murai Yuichi
    • Journal Title

      Experiments in Fluids

      Volume: 63 Pages: 135

    • DOI

      10.1007/s00348-022-03489-4

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Inertial migration of red blood cells under a Newtonian fluid in a circular channel2022

    • Author(s)
      Takeishi Naoki、Yamashita Hiroshi、Omori Toshihiro、Yokoyama Naoto、Wada Shigeo、Sugihara-Seki Masako
    • Journal Title

      Journal of Fluid Mechanics

      Volume: 952 Pages: A35

    • DOI

      10.1017/jfm.2022.936

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] 微小正方形管内流れに浮遊する赤血球の管断面内分布2022

    • Author(s)
      関 眞佐子, 田中沙織, 佐井一総, 板野智昭
    • Organizer
      第45回日本バイオレオロジー学会年会
  • [Presentation] 慣性効果による赤血球の円管路断面内の移動に関する数値解析2022

    • Author(s)
      武石直樹,山下博士,横山直人,関 眞佐子
    • Organizer
      第66回理論応用力学講演会
  • [Presentation] Axial and nonaxial migration of red blood cells under a Newtonian fluid in microchannels2022

    • Author(s)
      Takeishi, N., Yamashita, H., Omori, T., Yokoyama, N., Sugihara-Seki, M.
    • Organizer
      9th World Congress of Biomechanics
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 山下博士,秋永剛,関眞佐子:正方形管内サスペンション流れで見られる粒子集中現象とそのパターン変化2022

    • Author(s)
      山下博士,秋永剛,関眞佐子
    • Organizer
      日本流体力学会中四国・九州支部第29 回講演会
  • [Presentation] 微小矩形管内層流に浮遊するゲル粒子の断面内分布2022

    • Author(s)
      佐井一総,湊遥香,鈴木大介,板野智昭,関眞佐子
    • Organizer
      日本流体力学会年会2022
  • [Presentation] 粘弾性流体の正方形管内流れに浮遊する球形粒子の管断面内分布2022

    • Author(s)
      米山大輔,三木祐太,山下博士,横山直人,田川義之,板野智昭,関眞佐子
    • Organizer
      日本流体力学会年会2022
  • [Presentation] 正方形管内粘弾性流体流れ中の粒子に作用する揚力の数値解析2022

    • Author(s)
      東健人,山下博士,横山直人,板野智昭,関眞佐子
    • Organizer
      日本流体力学会年会2022
  • [Presentation] 円管路内の赤血球の慣性移動に関する数値解析2022

    • Author(s)
      武石直樹,山下博士,大森俊宏,横山直人,和田成生,関眞佐子
    • Organizer
      日本流体力学会年会2022
  • [Presentation] 赤血球サスペンションの合流流れにおける血小板模擬粒子の分布2022

    • Author(s)
      野口慧,長石弘大,板野智昭,関眞佐子
    • Organizer
      日本流体力学会年会2022
  • [Presentation] 微小長方形流路内赤血球流れ中の血小板模擬粒子の断面内分布の進展と流路幅の影響2022

    • Author(s)
      長石弘大,野口慧,板野智昭,関眞佐子
    • Organizer
      日本流体力学会年会2022
  • [Remarks] 学術情報システム

    • URL

      https://gakujo.kansai-u.ac.jp/search/index.jsp

URL: 

Published: 2023-12-25  

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