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。

流动通道内的层流中漂浮在惯性引起的升力力并根据流通道横截面内的特定位置的颗粒根据尺寸，可变形，流速等的特定位置。当细胞被悬浮时，含有聚合物的粘弹性流体通常被用作培养基，因此除了由惯性引起的举重外，培养基的细胞可变形性和粘弹性引起的举重也很重要。这项研究旨在通过实验和数值模拟分析这种现象，并将其应用于细胞分离和分类，并阐明悬浮颗粒的可变形性以及培养基对Segre-Sillberg效应及其机制的粘弹性的影响。在2022财年中，我们使用可变形的水凝胶颗粒和矩形管中流动效应的数值模拟进行了实验。将水凝胶颗粒的悬浮溶液倒入平方微管中，并测量穿过下游截面的颗粒的位置。由于水凝胶颗粒与培养基的对比度较弱，因此使用了带有荧光指数的凝胶颗粒，并通过改进荧光测量的“微流通道横截面观察系统”，我们在管出口附近进行了额叶观察。雷诺数低（高达0.1）集中在管的中心，雷诺数= 5-10集中在四个对角点。这些颗粒浓度模式与刚性颗粒的分布形成对比，而它们定性地与红细胞的分布相匹配，表明悬浮颗粒的可变形性有助于。在数值模拟中，基于Fene-P模型，牛顿流体流经矩形管的颗粒运动和弹性流体中的颗粒运动。特别是，分析了各种粒径和雷诺数的矩形管中弯曲的刚性球在牛顿流体中漂浮的刚性球的运动，并创建了粒子浓度模式的图。

项目成果

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

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

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