2021 Fiscal Year Annual Research Report
Elucidation of generation mechanism and propagation behavior of femtosecond laser-induced underwater shock wave, and development of microcapsules including gas bubbles for regenerative medicine
| Project/Area Number |
21H01252
|
|---|
| Research Institution | Kyushu Institute of Technology |
|---|
Principal Investigator |
玉川 雅章 九州工業大学, 大学院生命体工学研究科, 教授 (80227264)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
|
| Keywords | マイクロ衝撃波 / フェムト秒レーザー / 再生医療 / 衝撃波生成機序 / 気泡生成機序 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は，(1)フェムト秒レーザーの水中集束により，数マイクロメートル程度の局所的なマイクロ衝撃波を生成し，その伝播特性と圧力場を調べることを行った．具体的には，既設のフェムト秒パルスレーザーを，水中内で集束させ，マイクロ衝撃波を発生させ，ニードル型（衝撃波用）圧力センサーによって圧力を測定した．その結果，ニードルセンサーの大きさの影響のため焦点から300μm以降での衝撃波波形を捉えることができ，150fsのパルス幅で2μJのエネルギーを与えた場合，300μm地点では0.35MPa, 持続時間が250ns程度の波形となった．これらの波形の最大圧力を焦点からの距離でプロットし，近似式で外挿すると焦点近傍では数MPaかそれ以上の圧力値が出ていることが予測された．また，購入した高速度カメラにより，焦点近傍でのマイクロ衝撃波の生成，気泡生成などを観測した結果，気泡については膨張・圧縮が確認された．一方で，マイクロ衝撃波の可視化については，照明用レーザ機器の問題もあり，その代用として高周波まで対応できるフォトダイオードにより，200nsまでの焦点での水中の密度変化量を光量変化として計測し，その初期の時間変化を捉えることができた．なお，マイクロ衝撃波の高速度カメラによる可視化については次年度に引き続き遂行することとした．次に，(2)水中でフェムト秒レーザーの集束を行った際の衝撃波生成について，エネルギー源からの衝撃波発生を仮定し，集束位置の変化によって生成する水中衝撃波の伝播予測を行った．圧力の計測結果と比較した結果，衝撃波生成のみの数値計算では圧力波形の持続時間が数nsとかなり小さいため，マイクロ衝撃波生成時点での気泡との干渉が示唆された．
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
圧力測定などは早期の段階で完了しているが，マイクロ衝撃波の可視化において既設のPIV用ダブルパルスナノ秒レーザーが故障したため，本課題で購入した高速度カメラのフレーミング速度やシャッター速度に対して十分な光量とならなかったため，代替の光源で調整を行い，結果としてマイクロ衝撃波の可視化が遅れている．
|
| Strategy for Future Research Activity |
・マイクロ衝撃波の初生を観察するためには，現在の高速度カメラよりさらに高いフレーミング速度が必要となるため，高周波数対応のファンクションジェネレータと高周波数のフォトダイオードを使って，カメラと同時に焦点近傍の光量変化を捉える方向で，この部分の情報取得を補うこととする．
・今年度の計測によって，フェムト秒レーザの集光によってなされるプラズマ生成，マイクロ衝撃波の初生，キャビテーション気泡の生成・成長・崩壊のそれぞれの現象が相互作用しているため，膜との干渉を調べ得る前に詳細に調べる必要が生じてきている．次年度は，この機構を調べることも並行して行っていく予定である．
|
