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.

在红细胞和用于药物输送的微胶囊等在毛细血管内变形的同时移动的分散体中，毛细血管内的机械特性和分子水平上的物质通过膜的运输密切相关，以便定量评估这些元素的影响。在体内，有必要分析从通过生物膜进入细胞的分子水平上的物质运输到连续体水平上的血流和分散的流体-结构相互作用的分析。考虑到是必要的。在本研究中，为了开发一种合理、准确地分析这些复杂因素的工具，我们获得了有关简单剪切流过程中囊泡变形的知识，并分析了多尺度建模中的重要因素。今年，我们进行了巨型囊泡变形的实验。使用我们去年创建的设备，在不同条件下具有不同膨胀率的剪切流中。通过将边界法的数值计算结果与现有理论进行比较，我们得到了以下发现： - 在实验条件下，囊泡在保持形状不变的情况下移动，这称为坦克踩踏运动形式。 - 随着溶胀率降低，囊泡的移动轴更加水平倾斜，但实验、数值计算和理论显示了这一结果的良好定量一致性 - 数值计算和理论中假设的膜模型为。尽管实际实验中使用的膜的机械性能被认为与这两种膜模型不同，但囊泡的倾斜角度只能通过溶胀率来确定，而不是机械条件。结果表明，A二次流所施加的几何约束条件可能存在。

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）。