水中衝撃波を用いた嫌気性バイオプロセスの高効率化に関する基礎的研究

利用水下冲击波提高厌氧生物过程效率的基础研究

• 批准号: 14655071
• 负责人: 玉川 雅章
• 金额: $ 2.11万
• 依托单位: Kyushu Institute of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Exploratory Research
• 财政年份: 2002
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2002 至 2003
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-14655071/
• 关键词: 衝撃波; 細胞; バイオプロセス; マイクロジェット; 水中衝撃波; 嫌気性バイオプロセス; マイクロカプセル

本研究では,上記のバイオプロセスの問題を解決すために,嫌気性バイオプロセスを促進させる方法のうち従来から提案されている静水圧法と超音波法のそれぞれの長所を生かした方法として,衝撃波を静圧法によって生成した気泡を含む細胞破壊に作用させ,効率的な細胞破壊を行う方法の破壊処理速度の向上を目指すための基礎的な現象の解明を目的とする.つまり,立ち上がり周波数(数ナノ秒と言われている)が高く,数百MPaの高い圧力レベルの衝撃波を使って効率よく細胞を破壊し,エネルギーが小さいことで超音波を用いた場合に比べて熱的影響が小さいというのが本研究のポイントとなる.具体的には,細胞壁のような弾性膜(シェル)に囲まれた中にあるバブル(気泡)の衝撃波による変形および壁自身の変形のマイクロスケールでの運動の解析,数学的にいえば,柔軟壁,気泡,水の過渡的な連成振動問題を顕微鏡等のマイクロスケール上で実験的に観察および解析することにある.本年度の結果として以下の2点が得られた.(1)バブル封入マイクロカプセルの変形挙動の数値解析およびその数理モデルの再構築(数値計算)過去の研究で開発された衝撃波による1個の細胞の変形挙動の数理モデルを,内部に気泡がある場合に拡張し,その変形挙動を数値予測する.このとき,マイクロカプセルの膜の力学的物性値(ヤング率,ポアソン比),膜厚,カプセルの大きさ,および封入する気泡の大きさを考慮して,入力となる衝撃波の周波数および最大圧力(または,マッハ数)を用いて動的に解析し,モデルの拡張の妥当性ならびに最適な最大圧力(しきい値)ならびに波形を調べ,その妥当性について検討した.(2)パルスレーザを用いた衝撃波による移動バブル封入マイクロカプセルの変形挙動の観察と損傷実験(計測実験・損傷実験)連続型バイオプロセスにおいては流れ場中に細胞(カプセル)を流入することに対応するため,(1)の結果を利用して,水の流体回路を設け,その中を移動するバブル封入マイクロカプセルに衝撃波を作用させて,その瞬間的変形挙動および回路全体で破壊するカプセル量,すなわち漏洩薬物量を調べる損傷実験を行い,前年度までに行われたカプセル変形挙動観察による基礎的な変形挙動ならびに破壊のデータが適合するかどうかを比較・検討した.結果として,レーザ出力のファイバーでの出力低下およびファイバー端面と水面の界面でのエネルギーの損失が大きく,バイオプロセスで効率よく細胞を破壊できる(マイクロジェット生成する)ほどの衝撃波の強さが得られなかった.

In this study, we propose a new method to solve the above problems. The hydrostatic pressure method and ultrasonic method are used to generate shock wave bubbles. The rate of cell disruption, the method of disruption, the speed of processing, the purpose of understanding the basic phenomena. The number of cycles (seconds) is high, and the high pressure of hundreds of MPa is high. The shock wave makes the efficiency of the shock wave high. The cell is broken, and the ultrasonic wave is used in the middle of the case. The influence of heat is small. Specifically, the analysis of the motion of the shock wave in the cell wall, the shape of the shock wave in the cell wall, and the shape of the wall itself, the analysis of the vibration in the cell wall, the shape of the shock wave in the cell wall, the analysis of the vibration in the cell wall, the shape of the shock wave in the cell wall, and the analysis of the vibration in the cell wall. The results for the year are as follows: (1)The numerical value analysis of the shape motion of a cell in a shock wave was developed in the past, and the numerical value prediction of the shape motion of a cell in an internal bubble was developed. Mechanical Properties of Films (ratio), film thickness, maximum pressure, maximum number of cycles of shock wave and maximum pressure (number of cycles), film thickness, maximum pressure, maximum number of cycles of shock wave, maximum number of cycles of cycles of shock wave, maximum number of cycles of shock wave, maximum number of cycles of cycles of shock wave, maximum number of cycles of cycles of shock wave, maximum number of cycles (2)The shock wave movement and damage of the shock wave in the middle of the shock wave are detected.(Measurement of damage) The results of (1) are utilized in the design of the fluid circuit of water, the movement of water in the fluid circuit, the action of shock waves, the instantaneous deformation of the fluid circuit, and the overall breakdown of the circuit. The leakage quantity is adjusted, and the damage is carried out in the previous year. As a result, the force drop of the shock wave at the interface between the end surface and the water surface is large, and the shock wave strength is large.

项目成果

M.Tamagawa, I.Yamanoi: "Deformation process of microcapsules and cells using shock waves and gas bubbles for design of drug delivery systems"Proc.of the 8^<th> International Conference on Mechanics in Medicine and Biology. Vol. 1. 141 (2003)

M.Tamakawa，I.Yamanoi：“使用冲击波和气泡设计药物输送系统的微胶囊和细胞的变形过程”第 8 届国际医学和生物学力学会议论文集。

M.Tamagawa: "Prediction of hemolysis properties and thrombus formation using CFD for blood orifice flow"Proc. of the Workshop on Biomechanical Engineering and Biomaterials International Symposium on Bio-inspired System. Vol.2. 97-100 (2004)

M.Tamakawa：“使用血液孔口流量的 CFD 预测溶血特性和血栓形成”Proc。

M.Tamagawa, I.Yamanoi, A.Matsumoto: "Deformation process of a bubble near curved elastic wall"Proc. of 10^<th> International Symposium on Flow Visualization. 1. 264 (2002)

M.Tamakawa，I.Yamanoi，A.Matsumoto：“弯曲弹性壁附近气泡的变形过程”Proc。

M.Tamagawa, I.Yamanoi: "Deformation process of a gas bubble near curved elastic wall by shock waves for design of DDS"Proc.of the first Asian Pacific Conference on Biomechanics. Vol. 1. 17-18 (2004)

M.Tamakawa、I.Yamanoi：“用于 DDS 设计的冲击波对弯曲弹性壁附近气泡的变形过程”，第一届亚太生物力学会议论文集。

M Tamagawa, I. Yamanoi: "Effects of the viscosity of the liquid in the microcapsule on deformation process of a bubble for developing DDS using shock waves"The Journal of the Acoustical Society of America. Vol.112, No.5. 2316 (2002)

M Tamakawa，I. Yamanoi：“微胶囊中液体粘度对使用冲击波开发 DDS 的气泡变形过程的影响”美国声学学会杂志。