| 研究課題/領域番号 |
21K04752
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| 研究機関 | 鹿児島大学 |
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研究代表者 |
五島 崇 鹿児島大学, 理工学域工学系, 助教 (90709560)
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| 研究分担者 |
二井 晋 鹿児島大学, 理工学域工学系, 教授 (90262865)
武井 孝行 鹿児島大学, 理工学域工学系, 教授 (90468059)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| キーワード | サイクロン / 多段化 / 複合コアセルベート / マイクロバブル郡 / 蛇行カラム |
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| 研究実績の概要 |
高密度ウルトラファインバブル(UFB)内包コアセルベートの確立と薬剤徐放メカニズムの解明による新しいバイオ材料としての応用の可能性を検討するため、申請時は(A)溶解収縮式UFB発生器を用いた気泡サイズ制御技術確立、(B)旋回流式分離装置を用いたUFB凝集体制御技術確立の計画に対して、令和3年度に提案した(A)と(B)を融合した(X)多孔体設置サイクロン型のフロー旋回流式分離装置を用いた検討を図った。予備検討として、バッチ式装置を用いたコアセルベート剤の選定を実施した。液滞留時間が0.01sオーダーのフロー式装置では析出速度と操作性(析出pHが2～4)の観点からゼラチン(GL)のみの単純コアセルベートよりゼラチン-アラビアゴム(GL-AG)の複合コアセルベートの適性が高いことがわかった。
一方で、コアセルベートの変更によりpH調整剤の追添操作を要するため、(Y)直列2段のサイクロンを有する多段サイクロン型の旋回液流式分離装置を新たに提案した。1段目にはGL-AG水溶液を供給した旋回流場にて多孔膜から窒素ガスのマイクロバブル(MB)郡を生成させ、遠心力により形成されたMB郡のガスカラムを2段目に導入し、pH調整液を用いた旋回流の追添によりGL-AGの析出が生じた。出口管内部では微小なMB郡を含む蛇行カラムが形成され、出口回収部ではファイバー構造のコアセルベートの合成を可能とした。さらに形成されたコアセルベートを静置すると、ファイバーが球状の凝集体へと自律的に変化する新規バイオ材料の創成に成功した。
今後、より孔径の小さい多孔膜を用い、GL-AG水溶液およびpH調整液の温度、濃度、および供給液流量を調整し、気泡形成用ガスとして窒素から溶解性が比較的高くpH調整剤としても機能するCO2に変更することで、MB郡の凝集体形成挙動を明らかにし、UFBコアセルベートの形成技術を構築する。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
R3年度に提案した(X)多孔体設置サイクロン型のフロー旋回流式分離装置を用いて検討を実施したが、液滞留時間が0.01sオーダーのフロー式装置では析出速度と操作性(析出pHが2～4)の観点からゼラチン(GL)のみの単純コアセルベートよりゼラチン-アラビアゴム(GL-AG)の複合コアセルベートの適性が高いことがわかり、装置の操作性から(Y)直列2段のサイクロンを有する多段サイクロン型の旋回液流式分離装置を新たに提案した。本装置を用いることで、新規な構造形成機能を有するコアセルベートの合成を可能としたため、今後装置の操作条件を最適化することで、MB郡の凝集体形成挙動を明らかにし、ガス出を窒素から溶解性の高くpH調整能も有するCO2へ変更することでUFBを高密度に内容したコアセルベートの合成が実現できることは明らかである。よって、本研究は計画よりやや遅れているが、順調に進展していると考える。
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| 今後の研究の推進方策 |
2023年度は、装置(Y)を用いて、サイクロン1段目では気泡サイズに影響を及ぼすと推定される操作因子である①ゼラチン濃度②多孔体の孔サイズと濡れ性③ガス流量と液流量④液温度⑤系圧⑥溶存気体濃度⑦ガス種を変化させて、気泡生成挙動を調査する。特にUFB郡の生成理論については乳化剤が吸着したMB郡の溶解収縮に伴う総括物質移動容量係数kLaを算出して、気泡サイズ制御技術を確立する。バッチ式の遠心分離機を併用して遠心力とMBやUFBの凝集挙動との関係を調べることで、凝集体の成長速度を粒子濃度の1乗もしくは2乗との比例関係を整理し、せん断凝集とブラウン凝集の寄与の比を明らかにする。流体解析ソフトFluentを用いた流動挙動と圧力分布を解析し、ケルビンーヘルムホルツ理論に基づく既往の旋回流理論と関連づけることで、凝集体サイズ制御技術を確立する。サイクロン2段目では、コアセルベートの合成因子である⑧pH、⑨液温度、⑩液流量と液流量比を変化させて、コアセルベート形成挙動を調査する。また、合成したコアセルベートを静置して自律的な構造形成挙動の評価を追加し、新規バイオ材料としての潜在性を検証する。本成果については出願予定の内容にまとめる。
計上する凍結真空乾燥器によるSEM測定やTEM測定によりコアセルベート内の凝集構造を分析する。高密度UFBコアセルベートの薬剤徐放性能のモデル実験として、ローダミンBの電解質溶液にコアセルベートを入れ、薬剤の吸脱着(徐放)実験をバッチ操作で行う。主な操作因子である①UFBの気泡径分布と個数密度、②コアセルベートサイズ、③薬剤濃度、④ゼータ電位を設定して速度論解析を行う。UFBの気液界面積と飽和吸着量の関係および吸脱着速度定数からUFBによる薬剤徐放メカニズムを明らかにする。本研究全体で得られた成果を論文として投稿するとともに、報告書に取りまとめる。
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