微小流路内流れを利用した細胞分離の基礎研究

利用微通道流动进行细胞分离的基础研究

• 批准号: 20H02072
• 负责人: 関 眞佐子
• 金额: $ 11.23万
• 依托单位: Kansai University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20H02072/
• 关键词: 慣性集中現象; 細胞分離; マイクロ流体デバイス; 変形性; 粘弾性; Segre-Silberberg効果; 流体; 慣性

流路内層流に浮遊する粒子が慣性に起因する揚力を受けて，粒子の大きさや変形性、流速等に応じて流路断面内の特定の位置を通過する現象はSegre-Silberberg効果として知られており，粒子の分離・選別への応用が期待されている．細胞を浮遊させる場合には高分子等を含む粘弾性流体を媒質とする場合が多いことから，慣性による揚力に加えて，細胞の変形性や媒質の粘弾性に起因する揚力も重要となる。本研究は，この現象を実験および数値シミュレーションによって解析し、細胞の分離・選別への応用に向け、浮遊粒子の変形性や媒質の粘弾性がSegre-Silberberg効果に及ぼす影響とその機序を解明することを目的とする。2022年度は、変形性をもつヒドロゲル微粒子を用いた実験と矩形管内流れ中のSegre-Silberberg効果の数値シミュレーションを行った．ヒドロゲル粒子の浮遊液を正方形微小管に流し，下流断面における粒子の通過位置を計測した．ヒドロゲル粒子は媒質とのコントラストが弱いため蛍光指標したゲル粒子を用いることとし，「微小流路断面観察システム」を蛍光計測用に改良することにより管出口付近の正面観察を行った。低レイノルズ数(～0.1)で管中央への集中、レイノルズ数=5－10で対角線上の4点への集中が見られた。これらの粒子集中パターンは剛体粒子の分布と対照的であるのに対し、赤血球分布と定性的に一致したことから、浮遊粒子の変形性が寄与していることが分かった。数値シミュレーションでは、矩形管を流れるニュートン流体中の粒子運動とFENE-Pモデルに基づく弾性流体中の粒子運動の解析を行った。特に断面のアスペクト比が1.5と2の矩形管に対しニュートン流体に浮遊する剛体球の運動を、様々な粒子径とレイノルズ数の場合に解析し、粒子集中パターンのマップを作成した。

通道中悬浮在层流中的颗粒因惯性而受到升力并根据颗粒尺寸、变形能力、流速等通过通道横截面内的特定位置的现象称为 Segre-Silberberg 效应有望应用于颗粒分离和分选。当细胞悬浮时，通常使用含有聚合物的粘弹性流体作为介质，因此除了惯性引起的升力之外，细胞变形性和介质的粘弹性引起的升力也很重要。本研究通过实验和数值模拟分析这一现象，阐明悬浮颗粒的变形能力和介质的粘弹性对Segre-Silberberg效应的影响及其机制，以期应用于细胞分离和分选的目的。是为了2022 年，我们使用可变形水凝胶颗粒进行了实验，并对矩形管道中流动的 Segre-Silberberg 效应进行了数值模拟。使水凝胶颗粒的悬浮液流过方形微管，并测量颗粒通过下游横截面的位置。由于水凝胶颗粒与介质的对比度较弱，我们决定使用荧光标记的凝胶颗粒，并通过改进荧光测量的“微通道横截面观察系统”，在管出口附近进行正面观察。在低雷诺数 (~0.1) 下观察到管中心的浓度，在雷诺数 = 5-10 时观察到对角线上四个点的浓度。虽然这些颗粒浓度模式与刚性颗粒的分布相反，但它们在质量上与红细胞的分布相匹配，表明悬浮颗粒的可变形性有所贡献。在数值模拟中，分析了流经矩形管道的牛顿流体和基于 FENE-P 模型的弹性流体中的质点运动。特别是，我们分析了矩形管中悬浮在牛顿流体中的刚性球体在不同颗粒直径和雷诺数下的运动，矩形管的横截面纵横比为 1.5 和 2，并创建了颗粒浓度模式图。

项目成果

矩形管内粘弾性流体流れ中の粒子に作用する揚力の数値解析

矩形管内粘弹性流体流动中颗粒升力的数值分析

• 发表时间: 2020
• 作者: 東健人;山下博士;横山直人,板野智昭;関眞佐子
• 通讯作者: 関眞佐子

長方形管内サスペンション流れで見られるTubular Pinch 効果

矩形管中悬浮液流动中的管箍缩效应

• 发表时间: 2020
• 作者: 川島拓真;川口達也;齊藤卓志;山下博士，関眞佐子
• 通讯作者: 山下博士，関眞佐子

円管路内の赤血球の慣性移動に関する数値解析

红细胞在圆形导管中惯性运动的数值分析

• 发表时间: 2022
• 作者: 藤井宏之;井上優輝;羅炫禹;小林一道;渡部正夫;武石直樹，山下博士，大森俊宏，横山直人，和田成生，関眞佐子
• 通讯作者: 武石直樹，山下博士，大森俊宏，横山直人，和田成生，関眞佐子

Development of margination of platelet-sized particles in red blood cell suspensions flowing through Y-shaped bifurcating microchannels

• DOI: 10.3233/bir-201010
• 发表时间: 2020-01-01
• 期刊: BIORHEOLOGY
• 影响因子: 1.1
• 作者: Sugihara-Seki, Masako;Onozawa, Tenki;Seki, Junji
• 通讯作者: Seki, Junji

Inertial focusing of rigid particles and red blood cells in straight square tube flows

直方管流中刚性颗粒和红细胞的惯性聚焦

• 发表时间: 2021
• 作者: 齋藤泉;後藤俊幸;渡邊威;Sugihara-Seki Masako
• 通讯作者: Sugihara-Seki Masako