微小流路内流れを利用した細胞分離の基礎研究

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。