毛細血管内における物質輸送担体のマルチスケール解析と物質移動の制御

毛细管中传质载体的多尺度分析和传质控制

• 批准号: 15686009
• 负责人: 高木 周
• 金额: $ 18.8万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Young Scientists (A)
• 财政年份: 2003
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2003 至 2005
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-15686009/
• 关键词: 微小循環; 赤血球; ドラッグデリバリーシステム; 脂質二分子膜; 血液; ジャイアントベシクル; マイクロ流体; マルチスケール解析

毛細血管内を変形しながら移動する赤血球やドラッグデリバリ用マイクロカプセルなどの分散体では,毛細血管内での力学的特性と膜を介しての分子レベルの物質輸送が密接に関連している.生体内におけるこれらの要素の影響を定量的に評価するためには,生体膜を介して細胞内に取り込まれる分子レベルの物質輸送から連続体レベルでの血流・分散体の流体・構造連成までマルチスケール性を考慮した解析が必要である.本研究では,これらの複雑な因子を合理的かつ精度良く解析するためのツールの開発を行なうために,単純せん断流中のベシクルの変形に関して知見を得て,マルチスケールモデリングにおいて重要となる因子を抽出することを目指す.本年度は,せん断流中を変形するジャイアントベシクルに関して,昨年度作成した装置を用いて膨潤率の異なる様々な条件で実験を行なった.また,Immersed Boundary法を用いた数値計算による結果および既存の理論との比較を行い,以下の知見を得た.・本実験条件下においては,ベシクルは形を一定に保ったまま移動するTank-Treadingと呼ばれる運動形態を呈する.・ベシクルは,膨潤率の低下とともに,軸がより水平に傾いた運動をするが,この結果に関して,実験・数値計算・理論は定量的に良好な一致を示す.・数値計算および理論において仮定されている膜モデルは互いに異なり,また実際の実験で用いられている膜の力学的特性は,これらどちらの膜モデルとも異なると考えられるが,ベシクルの傾き角は膨潤率のみにより整理できる.これは,ベシクル膜の力学的条件よりも膨潤率で記述される幾何学的拘束条件が重要な因子であることを示している.・ベシクル内部の流動構造を可視化するのに成功した.膜面速度の見積もりより,ベシクル表面は流動的であり,複雑な2次流れが存在している可能性がある.

在分散体中，例如在变形毛细血管和用于药物输送的微胶囊的同时移动的红细胞中，与毛细血管内的机械性能以及分子水平材料通过膜密切相关。为了定量评估这些因素在人体中的影响，分析考虑了多尺度性能，从通过生物膜吸收到细胞的分子级材料转运到连续水平的血流和分散体的流体和结构偶联。在这项研究中，为了开发一种工具来合理，准确地分析这些复杂因素，我们的目的是通过获取有关简单剪切流中囊泡变形的知识来提取在多尺度建模中很重要的因素。今年，我们对巨型囊泡进行了实验，在各种条件下，使用去年创建的设备在各种条件下变形了剪切流。此外，使用边界方法浸入数值计算结果，并获得了与现有理论的比较，并获得了以下发现。在实验条件下，囊泡表现出一种称为储罐的运动形式，该运动在保持恒定形状的同时移动。囊泡以较低的水平轴的速度移动，但肿胀速率较低，但实验，数值计算和理论表现出良好的定量一致性。数值计算和理论中的膜模型假设是相互的，尽管它非常不同，并且认为实际实验中使用的膜的机械性能与这两种膜模型的膜不同，但囊泡的倾斜角只能由肿胀速率组织。这表明由肿胀速率描述的几何约束比囊泡膜的机械条件更为重要。我们已经成功地看到了囊泡内部的流动结构。从膜表面速度的估计值中，囊泡表面是流体，可能有复杂的二次流。

项目成果

Deformation of Giant Vesicles in Capillary Flow

毛细管流中巨型囊泡的变形

• 发表时间: 2004
• 期刊: Proceedings of International Conference of Multiphase Flows 2004 (CD-ROM)
• 作者: Yamada;T.;Takagi.S.;Matsumoto Y.
• 通讯作者: Matsumoto Y.

Microscopic and Mesoscopic Simulation of Self-Assembled Membrane

自组装膜的微观和细观模拟

• 发表时间: 2005
• 期刊: Proceedings of the 6th KSME-JSME Thermal & Fluids Engineering Conference (発表予定)
• 作者: Sugii;T.;Takagi.S.;Matsumoto Y.
• 通讯作者: Matsumoto Y.

A mesoscopic simulation study of distributions of droplets in a bifurcating channel

• DOI: 10.1016/j.compfluid.2005.07.018
• 发表时间: 2006-09
• 期刊: Computers & Fluids
• 影响因子: 2.8
• 作者: Y. Inoue;S. Takagi;Y. Matsumoto

Sugii, T., Takagi, S., Matsumoto, Y.: "Molecular Dynamics Analysis of the Transport Phenomena of Small Molecules in the Membrane/Water System"Proceedings of Joint Meeting : International Conference on Molecular Simulation and Computational Science Worksho

Sugii, T.、Takagi, S.、Matsumoto, Y.：“膜/水系统中小分子输运现象的分子动力学分析”联席会议论文集：国际分子模拟与计算科学研讨会论文集

高木 周: "混相流の数値計算手法"応用数理. Vol.13. 48-60 (2003)

高木修：“多相流的数值计算方法”应用数学第13卷（2003年）。