マイクロバブルの非線形力学とその生体組織に及ぼす影響

2000 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 12650177
• Research Institution: Osaka Prefecture University
• Principal Investigator: 高比良 裕之 大阪府立大学, 工学研究科, 助教授 (80206870)
• Keywords: マイクロバブル / 気泡 / レーザトラッピング / 光学力 / 複合境界 / 熱過程 / 境界要素法 / 非構造格子

Research Abstract

上記研究課題に関する研究を以下のごとく行った.
1.マイクロバブルのレーザ捕捉と散乱理論を用いた気泡サイズの測定
レーザマニピュレーション法を用いて,非接触かつ3次元的にマイクロバブルの捕捉およびマニピュレーションを行い,マクロバブルに働く光学的な捕捉力を検討した.また,Mie散乱理論を用いてレーザの散乱強度と気泡径との関係を調べた.その結果,以下のような知見を得た.
(1)本レーザトラッピング法における鉛直(光軸)方向の拘束力を評価したところ,正味約110mWのレーザ出力で約90pNの力が作用していることがわかった.(2)捕捉したマイクロバブルに水平方向の抗力を加え,抗力と光学力との釣り合いから水平方向のレーザ捕捉力を評価した.水平方向の捕捉力が極値をとる位置よりも下方にマイクロバブルが捕捉されている場合は,ほぼ気泡半径の二乗に比例して水平方向捕捉力は増加する.しかし,半径の増加とともに,マイクロバブルの捕捉位置が,水平方向捕捉力が極値をとる位置よりも上昇すると,逆に水平方向捕捉力は減少する.(3)マイクロバブルに作用するレーザ捕捉力は,中空円錐状のレーザのカーテンの厚みが薄いほど強くなる.(4)浮上してきた気泡が捕捉に至るまでの軌跡ならびにマイクロバブルがレーザ捕捉を逃れる際の軌跡をシミュレートした結果,実験の軌跡と良い一致を示した.(5)気泡半径が15ミクロン以下の場合の,レーザの散乱強度と気泡半径との校正曲線を得た.
2.境界要素法を用いた気泡の崩壊挙動の解析
境界要素法を用いて生体等を模擬した複合境界(弾性体モデルなどで構成)と気泡との相互干渉を解析するとともに,気泡内部の熱過程が気泡の大変形に及ぼす効果を解析した.その結果,以下の知見を得た.(1)複合境界の質量,ばね係数を適切に選ぶことにより,気泡が初期位置を保ったまま崩壊(中立崩壊)する状況が実現される.(2)気泡内部に非構造格子を用いて,内部気体の熱過程を考慮しつつ,大変形する気泡の崩壊挙動に適用可能な数値計算手法を開発した.本手法には十分な計算精度があり,マイクロジェット貫通前後の気泡崩壊を扱えることが示された.

Research Products

• [Publications] 上村明子: "マイクロバブルのレーザトラッピングにおける光学力の検討"日本機械学会流体工学部門講演会講演論文集. (CD-ROM). 701(O.S.7) (2000)
• [Publications] 安田章宏: "壁面近傍での気泡崩壊過程における内部温度場の解析"日本機械学会流体工学部門講演会講演論文集. (CD・ROM). 707(O.S.7) (2000)
• [Publications] 高比良裕之: "マイクロバブルのレーザトラッピングにおける光学力の評価(第1報レーザ捕捉力とマイクロバブルの浮上軌跡)"日本機械学会論文集B編. 67巻・65号. 436-443 (2001)
• [Publications] 高比良裕之: "マイクロバブルのレーザトラッピングにおける光学力の評価(第2報 水平方向捕捉力)"日本機械学会論文集B編. 67巻・65号. 444-450 (2001)
• [Publications] Hiroyuki TAKAHIRA: "A Study of Laser Trapping of Microbubbles"Proceedings of the US-Japan Seminar on Two-Phase Flow Dynamics. (掲載予定)(未定). (2001)
• [Publications] 村上健太: "複合境界近傍における気泡の挙動に関する数値解析"日本機械学会関西支部第76期定時総会講演会講演論文集. (掲載予定)(未定). (2001)