| 研究課題/領域番号 |
21J23626
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 研究機関 | 東京大学 |
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| 特別研究員 |
渡邉 史朗 東京大学, 工学系研究科, 特別研究員(DC1)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-28 – 2024-03-31
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| キーワード | 水晶振動子 / 力センサ / 周波数検出回路 / 高速サンプリング / 粘性計測 |
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| 研究実績の概要 |
令和4年度は，オルガノイドの機械的特徴量として，粘性計測に焦点を絞り，その簡易評価及び計測系構築に取り組んだ．これまでの経過において，オルガノイドの粘性が機械的特徴量の指標として確認されたことから，本年度は応力緩和曲線からの粘性評価，そして詳細な評価に向けた動的応答取得のための水晶振動子周波数検出回路の新規提案を行った．粘性評価では，まず従来得られていたオルガノイド押し込み時の応力緩和について，オルガノイド計測系をばねダンパモデルと仮定し，入力に対する反力の式を求めた．そして，この式を実験結果に適用し，そのパラメータ推定を行うことでオルガノイドの粘性を求めた．実験結果では，推定式はオルガノイド計測で得た応力緩和曲線によく一致し，その粘性を599.5 N/(m/s)と評価することに成功した．上記の方法は，簡易的に粘性を評価することができる一方で，生体サンプルの粘弾性評価など，一般的に用いられる方法とは異なっている．粘弾性評価などにおいては，対象に対し振動など，定常的な入力を与えた際の応答を評価する方法が主流である．このような振動入力を与える方法はオルガノイドにも有効だと考えられる一方で，計測系のサンプリング周波数が低いことが実現する上での課題となる．そこで，我々はPhase-Locked Loop（PLL）回路を用いた周波数-電圧変換回路を提案した．この回路は，センサの周波数出力と，電圧制御発振器を用意し，その位相差・周波数差から両者の周波数が一致するように電圧制御発振器に対する電圧を制御する回路であり，即ちその制御電圧がセンサの周波数変動に一致している．その応答はループフィルタの設計に依存しており，設計次第で高い周波数応答を取得できる．我々は，提案回路を作製し，その出力電圧が周波数入力と一対一対応していることを確認し，周波数-電圧変換並びに周波数の高速検出に成功した．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
令和4粘度の進捗目標は，オルガノイドの粘性評価及び計測の自動化であった．まず，粘性計測においては，これまでの計測結果からオルガノイドのばねダンパモデルのパラメータ推定を行うことで，粘性評価に成功している．また，より詳細な評価に向けて，水晶振動子の高速サンプリング用の周波数電圧変換回路の作製も達成しており，これらの点においては順調と言える．ただし，オルガノイドの動的応答計測及び評価による粘性・粘弾性の評価については未実施であり，この点について部分的に遅れているといえる．計測系の自動化について，プローブの搬送制御などの系については部分的に自動化を行い，自動で計測ができるようになった．また，評価においても，画像解析や力計測の結果などを行うプロトコルをひとまとめにし，部分的に作業者の判断に委ねつつ，計測結果からヤング率，粘性の評価が可能なプログラムの構築がなされている．今後は，ディッシュ側，オルガノイドの探索や搬送制御に加えて，これらの搬送系，計測系の統合を行い，自動で計測評価が可能な系の構築を目指す．研究内容のアウトプットについては比較的順調で，現在水晶振動子の高速サンプリングに関わる内容での論文の執筆及び特許の出願に取り組んでいる．また，学会発表という点で，ICRA (IEEE International Conference on Robotics and Automation)及びMHS (International Symposium on Micro-Nano Mechatoronics and Human Science)において発表を行っており，後者においてはBest Paper awardを受賞するなど，積極的な体外発表を行い，その成果は高く評価されている．
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| 今後の研究の推進方策 |
オルガノイドの粘弾性評価について，作製した周波数電圧変換回路を用いた計測系を実装し，サンプルに対し動的入力を加えた際の出力を高速に検出できる計測系を実装する．また，これを用いてオルガノイドの動特性，具体的に粘弾性評価が可能な計測手法を提案する．粘弾性の計測では，動的な入力を加えた場合に，粘性のない場合と比較して，その応答にどれだけ違いがあるかをもとに評価を行う．複数の条件で実験を行い，道徳性を振幅や位相差から評価するのか，周波数特性から評価するのか，また，オルガノイドに対しどのような負荷を加えた状態で評価するのかなどについて，どのように評価するのが適切かを選定し，健常なオルガノイド，病変モデルのオルガノイドでの差異の有無を確かめる．計測系の統合，自動化については，これまで各々で自動化などを進めてきたが，計測系と搬送系の統合，また評価用プログラムなどとの統合についての取り組みを行い，計測から評価までの操作を一括で行える系の構築を目指す．ただ，ハイスループット計測系の構築は本研究の目的の一つではあるものの，より本質的な問である機械的特徴量と病変の状態の差の評価を重点的に進める予定である．特に，既に述べたオルガノイドの評価手法の確立と機械的特徴量評価は多くのサンプルでの試験が要求され，また実験結果について深く考察することが求められる．機械的特徴量と病変との関係性解明は，医学，薬学における貢献も大きいため，十分に時間をかけて進めたい．本年は，粘弾性計測手法の確立，そして機械的特徴量とオルガノイドの状態の関係性解明，この2点を軸として研究に取り組む．
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