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2011 年度 実績報告書

赤血球膜損傷のマルチスケール力学解析と溶血観察実験による溶血シミュレータの構築

研究課題

研究課題/領域番号 22300155
研究機関埼玉大学

研究代表者

中村 匡徳  埼玉大学, 理工学研究科, 准教授 (20448046)

研究分担者 和田 成生  大阪大学, 基礎工学研究科, 教授 (70240546)
宮崎 浩  大阪大学, 基礎工学研究科, 准教授 (00263228)
越山 顕一朗  大阪大学, 基礎工学研究科, 助教 (80467513)
キーワード赤血球 / 溶血 / 計算力学 / 可視化
研究概要

赤血球の巨視的モデルにおいては、今年度、赤血球と壁との衝突および赤血球間の物理的干渉の表現に取り組んだ.ここでは、モデルの実応用を念頭におき、計算的負荷を軽減するために、赤血球間の距離に応じたポテンシャル関数であらわした.これを用いて,赤血球の存在密度から血液の局所的粘性を変えるシミュレーション手法を確立し,血液の非ニュートン性と赤血球の集合的運動との関係について議論した.
赤血球膜破断の分子シミュレーションとしては、面積ひずみを動的に変化させることで非平衡・非定常状態における膜破断現象を分子レベルで解析した.シミュレーションには分子動力学法を用いた.これにより,リン脂質二重層によって構成される細胞膜に対して,面積ひずみを与えると,膜に孔が形成されることがわかった.
さらに、本年度は、赤血球変形と溶血発生瞬間の同時可視化計測を試みた.赤血球を流した流路を顕微鏡下に設置し、赤血球の移動とともに流路を移動ステージによって動かすことで、相対的に赤血球を常に顕微鏡の視野内に留め置くことに成功した。これにより、赤血球の運動を長時間に渡って観察する手法を確立した。一方、蛍光イメージングにより溶血を捉えることを考えて、基礎実験をおこなったが,特定の波長を有するレーザー光源を使用すると,高速度ビデオカメラによって捉えられる画像に濃淡が生じることがわかり,改善を試みたが,ハードウェア上の問題もあり、完全には解決できなかった。これにより、定量的な議論から定性的な議論により溶血を捉えるよう方針を決定した。

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

購入した高速度ビデオカメラが緑色レーザー単色光に対して,色むらが生じてしまい,赤血球形状を求める精度で計測できなかった.本件は,開発企業も把握していなかった事実であり,現在,開発企業とやりとりをしながら,改善に取り組んだ.結果として,色ムラ自体を改善することはできず、赤血球変形と溶血発生過程の同時計測手法の確立までは至らなかった。

今後の研究の推進方策

1.赤血球膜破断の分子シミュレーション
赤血球膜を脂質分子のみによる純粋な脂質二重膜系としてこれまでモデル化を行ってきたが、実際にはコレステロールも含まれることを考慮して、コレステロールを含有した赤血球膜モデルを行い、コレステロールの含有率が膜破断に与える影響について調べる。
2.赤血球一個体における溶血発生瞬間計測手法の確立
ルミノール反応を用いて,赤血球一個体における溶血の瞬間を可視化する手法を確立する.これまでに行った基礎実験からルミノールは強アルカリ性溶液でないと蛍光反応が生じないことがわかっている。これに赤血球をそのまま入れると、赤血球膜が溶解し、溶血が生じてしまう。そこで、スーパーオキサイドを利用することで、中性溶液中でのルミノール蛍光反応発生の実験を試みる。その上で生じる蛍光発光を可視化し、赤血球一個体における溶血発生瞬間計測手法の確立を試みる。

  • 研究成果

    (7件)

すべて 2012 2011

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件) 学会発表 (4件) (うち招待講演 2件)

  • [雑誌論文] Molecular dynamics simulations of pore formation dynamics during the rupture process of a phospholipid bilayer caused by high-speed equibiaxial stretching2011

    • 著者名/発表者名
      Kenichiro Koshiyama, Shigeo Wada
    • 雑誌名

      Journal of Biomechanics

      巻: 44 ページ: 2053-2058

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Mesoscopic blood flow simulation considering hematocrit-dependent viscosity2011

    • 著者名/発表者名
      Masanori Nakamura, Shigeo Wada
    • 雑誌名

      Journal of Biomechanical Science and Engineering

      巻: 5 ページ: 578-590

    • DOI

      10.1299/jbse.5.578

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Computational fluid dynamics of blood flow in an extracorporeal blood circuit for the analysis of thrombogenic hemodynamic factors2011

    • 著者名/発表者名
      Masanori Nakamura, Haruka Takimoto, Shigeo Wada
    • 雑誌名

      Journal of Biomechanical Science and Engineering

      巻: 5 ページ: 89-100

    • DOI

      10.1299/jbse.6.89

    • 査読あり
  • [学会発表] 赤血球流動の計算と可視化2012

    • 著者名/発表者名
      中村匡徳
    • 学会等名
      第50回CG・可視化研究会
    • 発表場所
      埼玉 (埼玉大学)
    • 年月日
      20120118-20120118
    • 招待講演
  • [学会発表] 医療応用を念頭においた生体流動シミュレーション2012

    • 著者名/発表者名
      中村匡徳
    • 学会等名
      第8回機械学会研究分科会JWFS
    • 発表場所
      静岡 (東洋大学)
    • 年月日
      20120116-20120117
    • 招待講演
  • [学会発表] Rupture Process of Red Blood Cell Membranes: Molecular Dynamics Simulation2011

    • 著者名/発表者名
      Kenichiro Koshiyama, Shigeo Wada
    • 学会等名
      Japan-Korea CFD Workshop 2011
    • 発表場所
      大阪 (大阪大学)
    • 年月日
      20111219-20111221
  • [学会発表] Does fluid shear stress represent the degree of a red blood cell deformation?2011

    • 著者名/発表者名
      Masanori Nakamura, Shigeo Wada
    • 学会等名
      VIPimage
    • 発表場所
      Portugal (Olhao)
    • 年月日
      20111012-20111014

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公開日: 2014-07-24  

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