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2015 年度 実績報告書

階層を貫く細胞サスペンジョン力学の新展開

研究課題

研究課題/領域番号 26242039
研究機関東北大学

研究代表者

石川 拓司  東北大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (20313728)

研究分担者 今井 陽介  東北大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (60431524)
研究期間 (年度) 2014-04-01 – 2017-03-31
キーワード生物流体力学 / バイオメカニクス / 流体力学 / 細胞生物学 / 血液
研究実績の概要

平成27年度は、ナノ・マイクロスケールにおいて、実験と理論、数値シミュレーションを駆使し、バクテリアの鞭毛が歳差運動することを明らかにした(Shimogonya et al., Sci. Rep.)。この成果はASCII.jpや財経新聞で取り上げられ、大きな反響を呼んだ。この他に、遊泳繊毛虫の走地性 (Ishikawa et al., Proc. Roy. Soc. A)や精子の走流性(Omori & Ishikawa, Phys. Rev. E)のメカニズムを明らかにした。
マイクロ・セミマクロスケールにおいては、血流中のがん細胞の挙動(Takeishi et al., Phys. Rev. E)を明らかにした。この成果はINSIDE SCIENCEに取り上げられ、高い評価を得た。また、微生物群が集団遊泳構造を形成するメカニズムを明らかにした(Kyoya et al., Phys. Rev. E)。
セミマクロ・マクロスケールでは、細胞懸濁液の粘度特性 (Matsunaga et al., J. Fluid Mech.)、および物質吸収特性(Ishikawa et al., J. Fluid Mech.)を明らかにし、細胞サスペンジョン解析プラットフォームに必要な各テンソル量をデータベース化した。さらに、細胞懸濁液のマクロな分布特性を解明した(Nonaka et al., Biol. Open)。
これらの研究成果を細胞操作技術へと応用し、流体力を利用したマイクロロボット を開発した(Ishikawa &Vladimirov, J. Fluids Eng.)。さらに、医療機器への応用を目指したバイオチップを開発した(Saadatmand et al., J. Biomech.)。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

ナノスケールから細胞スケール、メゾスケール、マクロスケールまで、当初の計画通りに順調に研究成果が上がっている。さらに、当初の計画では最終年度に行う予定であった新規の細胞操作技術や治療法の開発においても、既に研究成果が上がっている。よって当初の計画以上に進展していると判断した。

今後の研究の推進方策

本研究課題では、分子スケールからマクロスケールまでの各階層の連続性を考慮した、革新的細胞サスペンジョン力学を構築している。今後も引き続き、ナノスケールからマクロスケールまでの各研究課題を推進し、得られた研究成果を細胞操作技術や診断・治療技術へと展開していく。平成28年度は、血液、クラミドモナス懸濁液、気管上皮流れに関する研究を重点的に推進する。また、腸内フローラに関する研究を新規で立ち上げ、ゼブラフィッシュを用いた実験と、数値シミュレーションを融合することで、腸内細菌の分布を予測し制御する基盤技術を確立する。さらに、細胞懸濁液流れの可視化計測技術にまで応用範囲を拡張し、新規計測技術を開発する予定である。

  • 研究成果

    (47件)

すべて 2016 2015 その他

すべて 国際共同研究 (4件) 雑誌論文 (12件) (うち国際共著 1件、 査読あり 12件、 謝辞記載あり 10件、 オープンアクセス 3件) 学会発表 (31件) (うち国際学会 28件、 招待講演 11件)

  • [国際共同研究] マサチューセッツ工科大学(米国)

    • 国名
      米国
    • 外国機関名
      マサチューセッツ工科大学
  • [国際共同研究] ケンブリッジ大学(英国)

    • 国名
      英国
    • 外国機関名
      ケンブリッジ大学
  • [国際共同研究] コンピエーニュ工科大学(フランス)

    • 国名
      フランス
    • 外国機関名
      コンピエーニュ工科大学
  • [国際共同研究] シンガポール国立大学(シンガポール)

    • 国名
      シンガポール
    • 外国機関名
      シンガポール国立大学
  • [雑誌論文] Lateral migration of a capsule in a parabolic flow2016

    • 著者名/発表者名
      S. Nix, Y. Imai, T. Ishikawa
    • 雑誌名

      Journal of Biomechanics

      巻: 49 ページ: 2249-2254

    • DOI

      10.1016/j.jbiomech.2015.11.038

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Rheology of a dense suspension of spherical capsules under simple shear flow2016

    • 著者名/発表者名
      D. Matsunaga, Y. Imai, T. Yamaguchi, T. Ishikawa
    • 雑誌名

      Journal of Fluid Mechanics

      巻: 786 ページ: 110-127

    • DOI

      10.1017/jfm.2015.666

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Deformation of a micro torque swimmer2016

    • 著者名/発表者名
      T. Ishikawa, T. Tanaka, Y. Imai, T. Omori and D. Matsunaga
    • 雑誌名

      Proceedings of the Royal Society A

      巻: 472 ページ: 20150604(1-20)

    • DOI

      10.1098/rspa.2015.0604

    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Inhomogeneous distribution of Chlamydomonas in a cylindrical container with a bubble plume2016

    • 著者名/発表者名
      Y. Nonaka, K. Kikuchi, K. Numayama-Tsuruta, A. Kage, H. Ueno, T. Ishikawa
    • 雑誌名

      Biology Open

      巻: 5 ページ: 154-160

    • DOI

      10.1242/bio.015669

    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Upward swimming of a sperm cell in shear flow2016

    • 著者名/発表者名
      Toshihiro Omori, Takuji Ishikawa
    • 雑誌名

      Physical Review E

      巻: 93 ページ: 32402-32402

    • DOI

      10.1103/PhysRevE.93.032402

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Enhancing cell free layer thickness by bypass channels in a wall2016

    • 著者名/発表者名
      M. Saadatmand, Y. Shimogonya, T. Yamaguchi, T. Ishikawa
    • 雑誌名

      Journal of Biomechanics

      巻: in press ページ: -

    • DOI

      10.1016/j.jbiomech.2015.11.032

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Numerical methods for simulating blood flows at micro-, macro- and2016

    • 著者名/発表者名
      Imai, Y., Omori, T., Shimogonya, Y., Ishikawa, T., and Yamaguchi, T.
    • 雑誌名

      Journal of Biomechanics

      巻: in press ページ: -

    • DOI

      10.1016/j.jbiomech.2015.11.047

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Nutrient uptake in a suspension of squirmers2016

    • 著者名/発表者名
      Ishikawa, T., Kajiki, S., Imai, Y., and Omori, T.
    • 雑誌名

      Journal of Fluid Mechanics

      巻: 789 ページ: 481-499

    • DOI

      10.1017/jfm.2015.741

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] A stepping micro-robot controlled by flow oscillations2015

    • 著者名/発表者名
      T. Ishikawa and V. A. Vladimirov
    • 雑誌名

      Journal of Fluids Engineering

      巻: 137 ページ: 84501-1-3

    • DOI

      10.1115/1.4029840

    • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Flow of a circulating tumor cell and red blood cells in microvessels2015

    • 著者名/発表者名
      Naoki Takeishi, Yohsuke Imai, Takami Yamaguchi, and Takuji Ishikawa
    • 雑誌名

      Physical Review E

      巻: 92 ページ: 63011-63011

    • DOI

      10.1103/PhysRevE.92.063011

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Shape matters: Near-field fluid mechanics dominate the collective motions of ellipsoidal squirmers2015

    • 著者名/発表者名
      K. Kyoya, D. Matsunaga, Y. Imai, T. Omori, and T. Ishikawa
    • 雑誌名

      Physical Review E

      巻: 92 ページ: 63027-63027

    • DOI

      10.1103/PhysRevE.92.063027

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Torque-induced precession of bacterial flagella2015

    • 著者名/発表者名
      Yuji Shimogonya, Yoichiro Sawano, Hiromichi Wakebe, Yuichi Inoue, Akihiko Ishijima & Takuji Ishikawa
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 5 ページ: 18488-18488

    • DOI

      10.1038/srep18488

    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [学会発表] 遊泳大腸菌の流体力学 Fluid mechanics of swimming E. coli2016

    • 著者名/発表者名
      石川 拓司
    • 学会等名
      2015年度べん毛研究交流会
    • 発表場所
      山形(山形県天童温泉 滝の湯 )
    • 年月日
      2016-03-06 – 2016-03-06
    • 招待講演
  • [学会発表] 微小遊泳体の流体力学的な制御機構2015

    • 著者名/発表者名
      石川 拓司
    • 学会等名
      第5回ソフトマター研究会
    • 発表場所
      仙台(東北大学)
    • 年月日
      2015-12-18 – 2015-12-18
    • 招待講演
  • [学会発表] Quantification of hydrodynamic factors influencing cell lateral migration, 68th Annual Meeting of the Division of Fluid Dynamics2015

    • 著者名/発表者名
      S. Nix, Y. Imai, T. Ishikawa
    • 学会等名
      Bulletin of the American Physical Society, DFD 2015
    • 発表場所
      Boston, USA
    • 年月日
      2015-11-24 – 2015-11-24
    • 国際学会
  • [学会発表] Deformable micro torque swimmer, 68th Annual Meeting of the Division of Fluid Dynamics2015

    • 著者名/発表者名
      TAKUJI ISHIKAWA, TOMOYUKI TANAKA, TOSHIHIRO OMORI, YOHSUKE IMAI
    • 学会等名
      Bulletin of the American Physical Society, DFD 2015
    • 発表場所
      Boston, USA
    • 年月日
      2015-11-23 – 2015-11-23
    • 国際学会
  • [学会発表] シミュレーションで拓く医工学2015

    • 著者名/発表者名
      石川 拓司
    • 学会等名
      第17回 血管病態研究会
    • 発表場所
      仙台(アークホテル仙台)
    • 年月日
      2015-11-14 – 2015-11-14
    • 招待講演
  • [学会発表] Rheological analysis of dense capsule suspensions-effect of volume fraction2015

    • 著者名/発表者名
      Daiki Matsunaga, Yohsuke Imai, Christian Wagner, Takuji Ishikawa
    • 学会等名
      The 3rd International Workshops on Advances in Computational Mechanics(IWACOM-Ⅲ)
    • 発表場所
      KFC Hall&Rooms, Tokyo, Japan
    • 年月日
      2015-10-14 – 2015-10-14
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Hydrodynamic regulation and control of a micro-swimmer2015

    • 著者名/発表者名
      Takuji Ishikawa
    • 学会等名
      The 3rd International Workshops on Advances in Computational Mechanics(IWACOM-Ⅲ)
    • 発表場所
      KFC Hall&Rooms, Tokyo, Japan
    • 年月日
      2015-10-14 – 2015-10-14
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] A boundary element method for cellular scale physiological flow problems2015

    • 著者名/発表者名
      Toshihiro Omori, Yohsuke Imai, Takami Yamaguchi, Takuji Ishikawa
    • 学会等名
      The 3rd International Workshops on Advances in Computational Mechanics(IWACOM-Ⅲ)
    • 発表場所
      KFC Hall&Rooms, Tokyo, Japan
    • 年月日
      2015-10-14 – 2015-10-14
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Graphics processing unit computing of cellular flow and adhesion in microvessels2015

    • 著者名/発表者名
      Yohsuke Imai, Naoki Takeishi, Shunichi Ishida, Takuji Ishikawa
    • 学会等名
      The 3rd International Workshops on Advances in Computational Mechanics(IWACOM-Ⅲ)
    • 発表場所
      KFC Hall&Rooms, Tokyo, Japan
    • 年月日
      2015-10-13 – 2015-10-13
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Effect of Mucous Viscosity on Ciliary Beat in the Tracheal Lumen2015

    • 著者名/発表者名
      Tomofumi Haga, Kenji Kikuchi, Keiko Numayama-Tsuruta, Hironori Ueno, Takami Yamaguchi, Takuji Ishikawa
    • 学会等名
      The 8th Asian-Pacific Conference on Biomechanics
    • 発表場所
      Hokkaido University, Sapporo, Japan
    • 年月日
      2015-09-18 – 2015-09-18
    • 国際学会
  • [学会発表] Digest Blood Sucked by a Female Mosquito2015

    • 著者名/発表者名
      Kenji Kikuchi, Yosuke Imai, Takami Yamaguchi, Takuji Ishikawa
    • 学会等名
      The 8th Asian-Pacific Conference on Biomechanics
    • 発表場所
      Hokkaido University, Sapporo, Japan
    • 年月日
      2015-09-18 – 2015-09-18
    • 国際学会
  • [学会発表] Mechanics of Nodal Cilia in Early Mouse Embryo2015

    • 著者名/発表者名
      Toshihiro Omori, Hiroto Sugai, Yohsuke Imai, Takuji Ishikawa
    • 学会等名
      The 8th Asian-Pacific Conference on Biomechanics
    • 発表場所
      Hokkaido University, Sapporo, Japan
    • 年月日
      2015-09-18 – 2015-09-18
    • 国際学会
  • [学会発表] Effect of Flow Curvature on the Migration of Blood Cells2015

    • 著者名/発表者名
      Stephanie Nix, Yohsuke Imai, Takuji Ishikawa
    • 学会等名
      The 8th Asian-Pacific Conference on Biomechanics
    • 発表場所
      Hokkaido University, Sapporo, Japan
    • 年月日
      2015-09-17 – 2015-09-17
    • 国際学会
  • [学会発表] A Numerical Simulation of Cytoadhesion and Rosette Formation of Red Blood Cells Infected by Malaria2015

    • 著者名/発表者名
      Yohsuke Imai, Yuki Ichikawa, Shunichi Isida, Daiki Matsunaga, Stephanie Nix, Toshihiro Omori1, Takami Yamaguchi, Takuji Ishikawa
    • 学会等名
      The 8th Asian-Pacific Conference on Biomechanics
    • 発表場所
      Hokkaido University, Sapporo, Japan
    • 年月日
      2015-09-17 – 2015-09-17
    • 国際学会
  • [学会発表] Hemodynamic Study on the Initiation of Cerebral Aneurysms Using Left-Right Comparison Method2015

    • 著者名/発表者名
      Yuji Shimogonya, Shunichi Fukuda, Takuji Ishikawa, Takami Yamaguchi
    • 学会等名
      The 8th Asian-Pacific Conference on Biomechanics
    • 発表場所
      Hokkaido University, Sapporo, Japan
    • 年月日
      2015-09-17 – 2015-09-17
    • 国際学会
  • [学会発表] Noninvasive Measurement of Drug Permeation in the Skin2015

    • 著者名/発表者名
      Shunsuke Shigeta, Kenji Kikuchi, Keiko Numayama, Takuji Ishikawa
    • 学会等名
      The 8th Asian-Pacific Conference on Biomechanics
    • 発表場所
      Hokkaido University, Sapporo, Japan
    • 年月日
      2015-09-17 – 2015-09-17
    • 国際学会
  • [学会発表] Swimming Behavior of a Model Ciliate near a Fluid-Air or a Fluid-Solid Interface2015

    • 著者名/発表者名
      Junichi Manabe, Toshihiro Omori, Yohsuke Imai, Takuji Ishikawa
    • 学会等名
      The 8th Asian-Pacific Conference on Biomechanics
    • 発表場所
      Hokkaido University, Sapporo, Japan
    • 年月日
      2015-09-17 – 2015-09-17
    • 国際学会
  • [学会発表] Hydrodynamic Interaction between the Small Microparticles and Red Blood Cells in Microchannel2015

    • 著者名/発表者名
      Noaki Takeishi, Yohsuke Imai, Takami Yamaguchi, Takuji Ishikawa
    • 学会等名
      The 8th Asian-Pacific Conference on Biomechanics
    • 発表場所
      Hokkaido University, Sapporo, Japan
    • 年月日
      2015-09-17 – 2015-09-17
    • 国際学会
  • [学会発表] Orientation Angle of a Single Red Blood Cell during Sedimentation2015

    • 著者名/発表者名
      Daiki Matsunaga, Yohsuke Imai, Christian Wagner, Takuji Ishikawa
    • 学会等名
      The 8th Asian-Pacific Conference on Biomechanics
    • 発表場所
      Hokkaido University, Sapporo, Japan
    • 年月日
      2015-09-17 – 2015-09-17
    • 国際学会
  • [学会発表] Clarification of Relationship between Gastric Mixing and Movement of Wall2015

    • 著者名/発表者名
      Taimei Miyagawa, Yohsuke Imai, Shunichi Ishida, Takami Yamaguchi, Takuji Ishikawa
    • 学会等名
      The 8th Asian-Pacific Conference on Biomechanics
    • 発表場所
      Hokkaido University, Sapporo, Japan
    • 年月日
      2015-09-17 – 2015-09-17
    • 国際学会
  • [学会発表] Development of a Numerical Model of Cytoskeleton Dynamics2015

    • 著者名/発表者名
      Fumiyasu Saito, Yohsuke Imai, Shunichi Ishida, Toshihiro Omori, Takuji Ishikawa
    • 学会等名
      The 8th Asian-Pacific Conference on Biomechanics
    • 発表場所
      Hokkaido University, Sapporo, Japan
    • 年月日
      2015-09-17 – 2015-09-17
    • 国際学会
  • [学会発表] Simulations of a swimming microorganism near an fluid-air or an fluid-solid interface2015

    • 著者名/発表者名
      Junichi Manabe, Toshihiro Omori, Yohsuke Imai, Takuji Ishikawa
    • 学会等名
      Computational Fluid Dynamics (CFD) in Medicine and Biology II
    • 発表場所
      Albufeira, Portugal
    • 年月日
      2015-09-03 – 2015-09-03
    • 国際学会
  • [学会発表] Modeling mechanical behavior of precession of bacterial flagella2015

    • 著者名/発表者名
      Yuji Shimogonya, Takuji Ishikawa
    • 学会等名
      Computational Fluid Dynamics (CFD) in Medicine and Biology II
    • 発表場所
      Albufeira, Portugal
    • 年月日
      2015-09-03 – 2015-09-03
    • 国際学会
  • [学会発表] Separation of motile bacteria using drift force near a wall2015

    • 著者名/発表者名
      Takuji Ishikawa, Tatsuya Shioiri, Keiko Numayama-Tsuruta, Hironori Ueno, Yohsuke Imai, Takami Yamaguchi
    • 学会等名
      Computational Fluid Dynamics (CFD) in Medicine and Biology II
    • 発表場所
      Albufeira, Portugal
    • 年月日
      2015-09-02 – 2015-09-02
    • 国際学会
  • [学会発表] Intergrated Computational Biomechanics of the Flow Phenomena in the Living Body2015

    • 著者名/発表者名
      Takami Yamaguchi, Yosuke Imai, Toshihiro Omori, Kenji Kikuchi, TakujiIshikawa
    • 学会等名
      Computational Fluid Dynamics (CFD) in Medicine and Biology II
    • 発表場所
      Albufeira, Portugal
    • 年月日
      2015-08-30 – 2015-08-30
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Viscosity Reduction in Bimodal Suspensions of Two Types of Capsules2015

    • 著者名/発表者名
      Yohsuke Imai, Hiroki Ito, Daiki Matsunaga, Toshihiro Omori, Takami Yamaguchi, Takuji Ishikawa
    • 学会等名
      13th U.S. National Congress on Computational Mechanics
    • 発表場所
      San Diego, USA
    • 年月日
      2015-07-29 – 2015-07-29
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Cellular Scale Physiological Flow: Active Swimming Sperm Cells and Passive Flowing Red Blood Cells2015

    • 著者名/発表者名
      Toshihiro Omori, Takuji Ishikawa, Yohsuke Imai, Takami Yamaguchi
    • 学会等名
      13th U.S. National Congress on Computational Mechanics
    • 発表場所
      San Diego, USA
    • 年月日
      2015-07-29 – 2015-07-29
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Flagella-induced fore-shaft shape asymmetry substantially contributes to passive upward torque generation in Chlamydomonas reinhardtii2015

    • 著者名/発表者名
      Azusa Kage, Kenji Kikuchi, Takuji Ishikawa
    • 学会等名
      FASEB Science Research Conference "The Biology of Cilia and Flagella"
    • 発表場所
      Snowmass, USA
    • 年月日
      2015-07-21 – 2015-07-21
    • 国際学会
  • [学会発表] Peclet Number Of Ciliary Transport On The Surface Of The Tracheal Lumen2015

    • 著者名/発表者名
      Kouki Kiyota, Hironori Ueno, Keiko Numayama-Tsuruta, Yohsuke Imai, Takami Yamaguchi, Takuji Ishikawa
    • 学会等名
      Summer Biomechanics, Bioengineering and Biotransport Conference (SB3C2015)
    • 発表場所
      Salt Lake City, USA
    • 年月日
      2015-06-19 – 2015-06-19
    • 国際学会
  • [学会発表] A Computational Study Of Red Blood Cells In Stokes Flow: From Single Cellular Mechanics To Suspension Rheology2015

    • 著者名/発表者名
      Toshihiro Omori, Yohsuke Imai, Takami Yamaguchi, Takuji Ishikawa
    • 学会等名
      Summer Biomechanics, Bioengineering and Biotransport Conference (SB3C2015)
    • 発表場所
      Salt Lake City, USA
    • 年月日
      2015-06-18 – 2015-06-18
    • 国際学会
  • [学会発表] Transport Phenomena in Suspensions of Swimming Microorganisms2015

    • 著者名/発表者名
      Takuji Ishikawa
    • 学会等名
      The 4th Korea-Japan Joint Symposium on Dynamics & Control
    • 発表場所
      Busan, Korea
    • 年月日
      2015-05-22 – 2015-05-22
    • 国際学会 / 招待講演

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公開日: 2017-01-06   更新日: 2022-02-07  

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