| 研究課題/領域番号 |
16H02311
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| 研究機関 | 東北大学 |
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研究代表者 |
佐藤 岳彦 東北大学, 流体科学研究所, 教授 (10302225)
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| 研究分担者 |
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)
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| 研究期間 (年度) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| キーワード | 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 |
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| 研究実績の概要 |
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．
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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
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．
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| 今後の研究の推進方策 |
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．
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