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プラズマ電荷刺激の生成輸送制御による細胞応答誘導機構

Research Project

Project/Area Number16H02311
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (A)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Research Field Fluid engineering
Research InstitutionTohoku University

Principal Investigator

佐藤 岳彦  東北大学, 流体科学研究所, 教授 (10302225)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 金澤 誠司  大分大学, 工学部, 教授 (70224574)
矢野 憲一  熊本大学, パルスパワー科学研究所, 教授 (70311230)
金子 俊郎  東北大学, 工学研究科, 教授 (30312599)
伊賀 由佳  東北大学, 流体科学研究所, 准教授 (50375119)
宮原 高志  静岡大学, 工学部, 教授 (70239432)
Project Period (FY) 2016-04-01 – 2019-03-31
Project Status Granted(Fiscal Year 2017)
Budget Amount *help
¥44,720,000 (Direct Cost : ¥34,400,000、Indirect Cost : ¥10,320,000)
Fiscal Year 2017 : ¥12,870,000 (Direct Cost : ¥9,900,000、Indirect Cost : ¥2,970,000)
Fiscal Year 2016 : ¥19,370,000 (Direct Cost : ¥14,900,000、Indirect Cost : ¥4,470,000)
Keywordsバイオ流体工学 / 電荷細胞学 / プラズマ流 / 細胞応答 / 電荷輸送 / マイクロジェット / ナノバブル
Outline of Annual Research Achievements

本研究は,プラズマが生成する電荷刺激による細胞応答を明らかにすることで,電荷と細胞の相互作用機構を明らかにし,新しい学理である電荷細胞学を提言することを目的とする.これにより,アポトーシス誘導,細胞増殖促進,ナノスケール細胞操作技術や,細菌や酵母などの高速増殖技術の開発を目指す.
平成28年度は,電荷を生成輸送制御する装置の作製とその輸送機構の解明を行った.装置は,ガラス製で直径20 cm高さ5 cmの容器に水を満たし,水面上1 mmの位置に針電極を設置し,水中の電位を計測する探針を一定間隔で設置できるようにした.針電極から単発パルス放電を行い,探針電位が放電電流の最大値と強い線形相関を示すことや,探針電位と電位の伝搬速度が線形の相関を有し,1.7~2.2 km/sであることを明らかにした.また,深さ方向に対しての伝搬速度や電位は概ね変化しないことを示した.これらの成果を利用して,化学種の影響を除去した電荷のみの刺激を与える手法を新たに作製し,細胞へ刺激を与えたときの生存率の予備試験を行った.また,直径2 μm 程度のマイクロバブルを超音波造影剤により形成し,負圧を与えることでキャビテーション気泡を発生させ,崩壊時にマイクロジェットを発生する装置を新たに作製した.負圧は,水中スパーク放電により衝撃波を生成させ水面で反射させることで形成するが,この時の圧力変化を直径100 μmの光ファイバーハイドロフォンを利用し詳細に計測した結果,マイクロジェットの方向は気泡膨張時の圧縮波の方向により決定されることを発見した.また,マイクロバブルを電界により駆動させる手法についても検討し,マイクロジェットの方向制御と組み合わせ,マイクロジェットを同じ方向に整列させ発生する装置の設計を行った.

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

平成28年度に計画していた,①電荷を生成輸送制御する装置の作製については,おおむね予定通りの装置を作製した.②電荷輸送装置による細胞膜電位の制御の検証と電荷輸送機構の検討については,プラズマにより生成した電荷による電位の伝搬速度や特性について詳細に検証し,電荷輸送機構について仮説を立てる段階に入りつつある.また,水中の電位をモニタリングする手法を開発し,細胞膜電位の測定に応用をする段階にある.③膜電位の変化に対する細胞応答の解析については,細胞に電荷刺激を与えた時の細胞の生存率などへの影響の検証を始めている.④ナノスケールジェット生成機構の計算モデルの構築については,気泡モデルの検討を行い,気泡崩壊・再膨張のモデルを構築済みである.以上のことより,計画はおおむね順調に進展していると判断した.

Strategy for Future Research Activity

平成29年度は,当初の予定通り,①プラズマナノバブルの細胞表面への配列をする手法を開発する.なお,ナノバブルを利用する前に,顕微鏡で観察可能なマイクロバブルで,より高密度に配列させる手法の開発を行う.また,気泡内への帯電によりナノバブルの安定発生法の開発に取り組む.②ナノスケールジェットのサイズ・方向制御を行う装置の作製を行う.方向制御は,平面衝撃波の発生法を開発することで,配列した気泡に対して同じ方向の衝撃波を与える.③装置の性能検証とナノバブル安定性,ジェット方向制御機構の解明を行う.水中放電におけるキャビテーション気泡の生成崩壊後の残留気泡の挙動を可視化により詳細に解析し,気泡内ガスの水中への溶解が途中で止まる機構について解析を行う.また,ジェット方向制御機構については,キャビテーション気泡の生成崩壊過程において,圧力波がどのタイミングで通過することが重要かについて検証する.④ナノスケールジェットによる細胞への電荷注入と細胞内電荷移動の解析を行う.帯電マイクロジェットの挙動の解析と細胞上で発生させることによる細胞への損傷や応答,さらに細胞内カルシウムイオンの様子をフローサイトメーターや蛍光顕微鏡を利用して解析を行う.

Report

(1results)
  • 2016 Annual Research Report

Research Products

(12results)

All 2017 2016

All Presentation

  • [Presentation] Generation of Microbubbles by Collapse of Plasma-Induced Bubbles2017

    • Author(s)
      Takehiko Sato, Marc Tinguely, Masanobu Oizumi and Mohamed Farhat
    • Organizer
      34th Symposium on Plasma Processing (SPP34) / 29th Symposium on Plasma Science for Materials (SPSM29)
    • Place of Presentation
      北海道大学(北海道札幌市)
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
  • [Presentation] 水中ストリーマ放電の開始・進展機構2017

    • Author(s)
      佐藤岳彦, 藤田英理, 金澤誠司, 大谷清伸, 小宮敦樹, 金子俊郎
    • Organizer
      仙台“プラズマフォーラム”
    • Place of Presentation
      東北大学(宮城県仙台市)
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
  • [Presentation] Precise Analysis of Propagation of Underwater Negative Streamer2017

    • Author(s)
      Ryo Kumagai, Seiji Kanazawa, Atsuki Komiya, Kiyonobu Ohtani, Toshiro Kaneko, Tomoki Nakajima and Takehiko Sato
    • Organizer
      International Conference on Plasma Medical Science Innovation 2017 (ICPMSI2017)
    • Place of Presentation
      名古屋大学(愛知県名古屋市)
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Study on Charge Transfer in Water after Generation of Single Pulsed Discharge2017

    • Author(s)
      周超一, 奥村賢直, 清水鉄司, 中嶋智樹, 佐藤岳彦
    • Organizer
      日本機械学会東北学生会第47回学生員卒業研究発表講演会
    • Place of Presentation
      東北学院大学(宮城県多賀城市)
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
  • [Presentation] Observation of propagation process of negative streamer in water2016

    • Author(s)
      Ryo Kumagai, Seiji Kanazawa, Atsuki Komiya, Kiyonobu Ohtani, Toshiro Kaneko, Tomoki Nakajima and Takehiko Sato
    • Organizer
      6th International Conference on Plasma Medicine (ICPM6)
    • Place of Presentation
      Slovak University of Technology in Bratislava(スロバキア・ブラチスラバ)
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 負極性水中放電におけるストリーマチャネルの可視化2016

    • Author(s)
      熊谷諒, 金澤誠司, 大谷清伸, 小宮敦樹, 金子俊郎, 佐藤岳彦
    • Organizer
      第40回静電気学会全国大会
    • Place of Presentation
      群馬大学(群馬県桐生市)
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
  • [Presentation] Development of Bubble Measurement Method by Plasma-generated Shockwave2016

    • Author(s)
      Takehiko Sato, Yohei Nagasawa, Tomoki Nakajima, Kiyonobu Ohtani, Takashi Miyahara, and Tatsuyuki Nakatani
    • Organizer
      16th International Symposium on Advanced Fluid Information (AFI-2016)
    • Place of Presentation
      仙台国際センター(宮城県仙台市)
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Propagation Mechanism of Negative Streamer Discharge in Water2016

    • Author(s)
      Ryo Kumagai, Seiji Kanazawa, Kiyonobu Ohtani, Atsuki Komiya, Toshiro Kaneko, Tomoki Nakajima, and Takehiko Sato
    • Organizer
      16th International Symposium on Advanced Fluid Information (AFI-2016)
    • Place of Presentation
      仙台国際センター(宮城県仙台市)
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Charge-up on Water Surface by Cold Atmospheric Plasma for Sanitization Device2016

    • Author(s)
      Tetsuji Shimizu, Gregor E. Morfill, Chaoyi Zhou, and Takehiko Sato
    • Organizer
      16th International Symposium on Advanced Fluid Information (AFI-2016)
    • Place of Presentation
      仙台国際センター(宮城県仙台市)
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 水中スパークおよびレーザー誘起気泡崩壊後の残留気泡に関する考察2016

    • Author(s)
      佐藤岳彦, Marc Tinguely, 大泉雅伸, Mohamed Farhat
    • Organizer
      日本機械学会第94期流体工学部門講演会
    • Place of Presentation
      山口大学(山口県宇部市)
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
  • [Presentation] Highly Temporal Visualization of Propagation Process of Underwater Negative Streamer2016

    • Author(s)
      Ryo Kumagai, Seiji Kanazawa, Atsuki Komiya, Kiyonobu Ohtani, Toshiro Kaneko, Tomoki Nakajima and Takehiko Sato
    • Organizer
      3rd Taiwan-Japan Workshop on Plasma Life Science and Technology (2016TJPL)
    • Place of Presentation
      Ming Chi University of Technology(台湾・新北)
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Pressure Measurement of Underwater Shock Waves by Optical Fiber Hydrophone2016

    • Author(s)
      Takahito Akimura, Tomoya Minami, Tomoki Nakajima, Kiyonobu Ohtani, Toshiro Kaneko, Outi Supponen, Mohamed Farhat and Takehiko Sato
    • Organizer
      3rd Taiwan-Japan Workshop on Plasma Life Science and Technology (2016TJPL)
    • Place of Presentation
      Ming Chi University of Technology(台湾・新北)
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research

URL :

Published : 2016-04-21   Modified : 2018-01-16  

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