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2023 Fiscal Year Annual Research Report

Numerical investigation of transport transition in biological membrane due to charge and electric field induced by discharge plasma

Research Project

Project/Area Number 21H01317
Research InstitutionTokyo Metropolitan University

Principal Investigator

内田 諭  東京都立大学, システムデザイン研究科, 教授 (90305417)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 小田 昭紀  千葉工業大学, 工学部, 教授 (70335090)
立花 孝介  大分大学, 理工学部, 助教 (10827314)
Project Period (FY) 2021-04-01 – 2024-03-31
Keywords電荷 / 電界 / プラズマ医療 / 分子動力学法 / 細胞膜
Outline of Annual Research Achievements

近年、大気圧プラズマ照射による医療応用が進展し、がん治療、止血処置や遺伝子導入における有用な成果が得られている。これらは、主に放電由来の化学活性種が外的因子となり、細胞を刺激して生じることが実験的に示されている。一方でプラズマが細胞近傍に誘起する電荷や電界は、表面帯電や膜電位変動を介して細胞膜の物質輸送へ直接的に影響を与えうるが、その機構は十分に理解されていない。
本研究の目的は、プラズマが誘起する電荷および電界が細胞膜の物質輸送機能に対してどのような影響を与えるか、その物理的特性を明確にするため、プラズマ・希薄水層・細胞膜の各階層を数値的にモデル化して、界面パラメータを介した統合を行うとともに、電流電圧条件を精査することで、膜帯電および膜電位に対する細胞電気定数ならびに膜輸送係数の変移を定量化することである。具体的には、(1)大気圧グロー放電照射により生じる細胞膜への誘起電荷および電界を導出する。(2)希薄水層上の気液界面における荷電粒子分布を分子動力学的に解析する。(3)界面の電気二重層を含む帯電細胞膜をモデル化し、細胞電気定数の変動を検証する。(4)3階層間における誘起電荷量ならびに電界分布を整合したモデルを構築して、電界印加時における細胞膜の膜輸送係数を定量化する。(5)実験結果と比較して、細胞膜における浸透機構および浸透効率を考察する。
上記の目的を達成するため、プラズマ・希薄水層・細胞膜を数値モデル化し、段階的な計算工程にて研究を行う必要がある。そこで、令和5年度は、放電電流電圧における制御条件の検証し、膜電界に対する物質輸送諸量の変化を定量的に精査した。具体的には、① 放電電流・電圧における制御条件の検証、② 膜電位変化に対する物質輸送諸量の定量化を実施した。

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

  • Research Products

    (14 results)

All 2024 2023

All Journal Article (3 results) (of which Peer Reviewed: 3 results) Presentation (11 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results,  Invited: 3 results)

  • [Journal Article] 周波数変調誘電泳動におけるクロスオーバー周波数と腫瘍細胞ミトコンドリア膜電位の関係2024

    • Author(s)
      張 晴,加藤 英子,八木 一平,内田 諭
    • Journal Title

      静電気学会誌

      Volume: 48 Pages: 2-7

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Synergistic effects of heating and traction during fibrous tissue elongation2023

    • Author(s)
      Ippei Yagi, Kazuki Koike, Satoshi Uchida
    • Journal Title

      ournal of Biomechanical Science and Engineering

      Volume: 18 Pages: 22-00379

    • DOI

      10.1299/jbse.22-00379

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Mechanical changes in fibrous tissue exposed to non-convergent ultrasound2023

    • Author(s)
      Ippei Yagi, Kazuki Koike, Satoshi Uchida
    • Journal Title

      電気学会共通英文論文誌 (IEEJ Transactions on Electrical and Electronic Engineering)

      Volume: 18 Pages: 1482-1486

    • DOI

      10.1002/tee.23866

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 低温大気圧プラズマ照射面積変化に伴う細胞への電流伝搬の数値解析2024

    • Author(s)
      石原 卓也, 中島 大雅, 佐々木 瞬, 八木 一平, 立花 孝介, 内田 諭, 小田昭紀
    • Organizer
      第41回プラズマプロセシング研究会
  • [Presentation] Numerical Analysis of Current Propagation into Cells by Nonthermal Atmospheric Pressure Plasma Irradiation2024

    • Author(s)
      T. Ishihara, T. Nakajima, S. Sasaki, I. Yagi, K. Tachibana, S. Uchida and A. Oda
    • Organizer
      6th International Symposium on Advanced Plasma Science and its Applications for Nitrides and Nanomaterials (ISPlasma2024)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 低温大気圧プラズマと細胞の電気的相互作用に及ぼす駆動周波数依存性の数値解析2024

    • Author(s)
      石原 卓也, 佐々木 瞬, 中島 大雅, 八木 一平, 立花 孝介, 内田 諭, 小田 昭紀
    • Organizer
      第71回 応用物理学会 春季学術講演会
  • [Presentation] Permeation characteristics of hydrogen peroxide through biological membranes by applying electric field2023

    • Author(s)
      Yuta Iwata, Kosuke Takami, Ippei Yagi, Kosuke Tachibana, Akinori Oda, Takehiko Sato and Satoshi Uchida
    • Organizer
      The XXXVth International Conference on Phenomena in Ionized Gases (ICPIG XXXV)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 大気圧プラズマ照射による細胞への電気的応答の数値解析2023

    • Author(s)
      小田 昭紀, 石原 卓也, 中島 大雅, 八木 一平, 立花 孝介, 内田 諭
    • Organizer
      2023年度電気学会 基礎・材料・共通部門(A部門)大会
  • [Presentation] 外部電界下におけるPOPC脂質二重層の膜透過性に関する分子動力学シミュレーション2023

    • Author(s)
      立花 孝介,岩田 優太,髙見 幸亮,八木 一平,小田 昭紀,内田 諭
    • Organizer
      第17回分子科学討論会
  • [Presentation] 低温大気圧Heプラズマ照射による細胞へ及ぼす電気的作用の数値解析2023

    • Author(s)
      小田 昭紀, 佐々木 瞬, 石原 卓也, 中島 大雅, 八木 一平, 立花 孝介, 内田 諭
    • Organizer
      第84回 応用物理学会 秋季学術講演会
  • [Presentation] Effects of Superimposed Electric Field on Structure and Permeability of Biological Membrane Investigated by Molecular Dynamics Simulation2023

    • Author(s)
      K. Tachibana, K. Takami, R. Ninomiya, I. Yagi, A. Oda, S. Uchida
    • Organizer
      20th International Conference on Flow Dynamics (ICFD2023)
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Permeation characteristics of long-lifetime reactive oxygen species through biological membranes under superimposed electric field generated by the irradiation of cold atmospheric pressure plasma2023

    • Author(s)
      Ryo Ninomiya, Kosuke Takami, Ippei Yagi, Satoshi Uchida, Kosuke Tachibana, Akinori Oda, Takehiko Sato
    • Organizer
      20th International Conference on Flow Dynamics (ICFD2023)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 大気圧低温プラズマ由来の電界が細胞膜の構造および活性種の膜透過性に与える影響に関する分子動力学シミュレーション2023

    • Author(s)
      立花 孝介,髙見 幸亮,二宮 諒,八木 一平,小田 昭紀,内田 諭
    • Organizer
      第33回日本MRS年次大会
    • Invited
  • [Presentation] 大気圧低温プラズマ照射による細胞への電気的相互作用に関する数値解析2023

    • Author(s)
      小田 昭紀, 石原 卓也, 中島 大雅, 立花 孝介, 八木 一平, 内田 諭
    • Organizer
      第33回日本MRS年次大会
    • Invited

URL: 

Published: 2024-12-25  

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