| 研究課題/領域番号 |
15K05783
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| 研究機関 | 埼玉大学 |
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研究代表者 |
平原 裕行 埼玉大学, 理工学研究科, 教授 (20201733)
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| 研究期間 (年度) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| キーワード | レーザー照射 / 水中衝撃波 / ファイバ / 縦弾性波 / メカノストレス / マイクロ・ナノ |
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| 研究実績の概要 |
平成26年度の目的は，衝撃波の生成方法について，探索することにある．これまでの研究においては，10MPa程度の，生体細胞に対しては比較的，強い強度の圧縮圧力を用いて，薬剤の浸透が行われている．細胞へのダメージを低減するため，これよりも低い圧力で，かつ，長時間の高繰返レーザーでのデリバリーを目的とする．本研究室では，これまでに，衝撃波発生用に金属を用いてきた．金属は弾性が大きく，レーザー照射によって発生する縦弾性波を得るには適した材料であるが，加工性の面では必ずしも得策ではない．他方，他の研究者が用いているエラストマー（天然ゴム）は断熱性が高く，熱吸収には優れているが，ダンピング効果が高いために，縦波の発生には適しているとは言い難い．目的のためには，運動量伝達係数ではなく，力の伝達が弾性的（バネ的）で復元力のある媒質を選ぶこととする．
これまでの研究では，薄膜の金属を利用して衝撃波の発生を行ってきた．金属が光エネルギーを吸収してから縦弾性波とレーリー波を発生する状態を，我々は数値解析を行うことで予測してきた．これによれば，光吸収媒質の縦弾性係数と媒質内音速の大きさが縦波の発生に大きく寄与しており，熱変形によるレーリー波は衝撃波の発生には関与しない．また，縦波の強度には，レーザーの光強度の時間変動勾配が大きいほど先行縦波の強度が増大するとの確認が得られている．この初期段階の光エネルギーから縦波への波動エネルギーへの変換過程においては，変換のカップリング係数を調査して，その変換効率を高めることが重要である．そのエネルギー（または運動量）変換プロセスを解析することは困難を極める．今年度の研究では，標準的な金属を蒸着して，仕上げた端面部にファイバーからレーザー照射を行い，縦弾性波の発生状況を実験的に確認することで，衝撃波の発生条件とその強度との関係を示すデータを取得する．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
実験装置を作成し，レーザーの照射実験を行った．レーザーは，従前の最大15Ｈｚ発振のものから，10ｋＨｚ発振のものへと変更した．出力は同程度であって，十分に計画を実行できるものである．レーザーの１パルスの持続時間は，１０倍となっている．これに伴う，縦弾性波の金属端面での加速度を計算し，実験条件を確認した．実験の準備段階として，ファイバー研磨機を購入し，ファイバーの研磨を行い，断面の生成状況の測定を行った．研磨時間に対して，表面粗さの測定を行って，必要な研磨時間を定めた．次に，衝撃波ドライバーの作成を行い，チタンをコーティングして，基本特性の取得試験を行った．単一のファイバドライバにおける特性を調査して整理し，レーザー照射量に対する発生衝撃波の強度を求めた．また，レーザーが照射されてから，金属にエネルギーが吸収される吸収率，金属中の縦弾性波の計算を行って，金属端面から水に伝達される運動量の推定を行い，これを数値シミュレーションプログラムに代入して，境界条件とすることで衝撃波の計算を行った．現在，境界条件を端面圧力境界条件とする段階まで進めており，次の段階では，端面の加速度境界条件へと変更することで，より正確な運動量伝達計算ができるように改善する計画である．サンプル作成に多大な時間を必要としていることが，大きな問題となっているので，これを解決する必要が生じている．また，レーザーの集光方法の改善が必要であることが明らかとなった．
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| 今後の研究の推進方策 |
今後，数種の金属，光吸収ゲル，エラストマーの三材料の蒸着，付着の条件を変えることによる衝撃波の生成強度の変化を調べる．また，計測に十分な圧力計の購入によって定量的なデータの蓄積を図る予定である．
次に，マルチファイバ衝撃波生成ヘッドの開発と衝撃波収束現象の計測を行う．細胞内へのナノ粒子の侵襲を試みる場合には，細胞膜に対して，法線応力成分と接線応力の作用の相互作用を巧みに利用することが重要となると予想される．平成２７年度後半の研究では，単体のファイバにおいて衝撃波の発生強度を実験的に確認した後に，複数のファイバを組み合わせて，マイクロ衝撃波の収束現象の実験を行う．表面凹凸が数ミクロンの薄膜から発生するマイクロ衝撃波の形状は，表面凹凸形状の影響を受けずに球面衝撃波として伝播すること，および数１００ミクロンの表面形状の凹凸によって衝撃波に三重点を発生させ衝撃波の収束が可能となることが，本研究室の平成25年度の研究によって明らかにされている．この事実をもとにして，ファイバの端面の突出長さを調整することで衝撃波の収束を行い，加速度の非一様な偏局場を生成する．
また，近年，注目されている光吸収たんぱく質による衝撃波生成も，今後の有力な候補として着目している．これは，本研究が開始したのちに入手した情報によるものであって，この手法を積極的に取り込んでいって，本研究をさらに発展させていきたいと思っている．
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