細胞サスペンジョン力学による医工学研究の新展開

利用细胞悬浮力学进行医学工程研究的新进展

• 批准号: 22300149
• 负责人: 石川 拓司
• 金额: $ 4.66万
• 依托单位: Tohoku University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2010
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2010 至 2014
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22300149/
• 关键词: 生体流体力学; 数値解析; 血液; 微生物; レオロジー

本研究課題では,実験・理論解析・数値シミュレーションを駆使することで,細胞間の多体干渉現象および複雑流路内での振舞いを新たに解明し,まず始めに細胞サスペンジョン力学を確立することを目的とする.そして細胞サスペンジョン力学を応用し,従来の手法では議論が困難な生命システムを定量的に解明する.これにより,従来は経験的・定性的な議論に留まっていた医工学の分野に,ブレークスルーを生み出すことを目的とする.本年度は主に以下の2つの研究課題を遂行した.1.細胞間の多体干渉モデルの構築微生物の2体干渉現象を多体間に拡張し,まず始めに遊泳微生物がどのようなメゾスケール流動構造を示すか実験的に調べた.微生物には大腸菌を用い,共焦点マイクロPIVシステムを用いて高濃度溶液内の大腸菌の運動,および周囲流体の流動を計測した.次に,高濃度バクテリア溶液に対する数理モデルを構築した.本研究では球形以外の形状を取り扱えるよう従来の計算コードを改良し,高濃度バクテリア溶液の数理モデルを提案した.赤血球に対しては,我々の開発してきた境界要素法を赤血球に拡張し,高濃度赤血球サスペンジョンに対する高精度な数理モデルを構築した.2.複雑流路内の細胞サスペンジョン流動の解明血液にごく少量のがん細胞を混入し,狭さく部や分岐・合流部における挙動を調べた.そしてがん細胞の軸集中や壁面への集中など,力学的なに引き起こされる特異な流動現象を解明した.次に,開発した多体干渉を表現できる細胞サスペンジョンモデルを用い,実験に対応する複雑流路内の流れのシミュレーションを行った.そしてシミュレーション結果と実験結果を比較検討することにより,信頼性の高い細胞サスペンジョンシミュレータを開発した.

该研究主题旨在通过使用实验，理论分析和数值模拟，并首先建立细胞悬架力学，以阐明复杂流通道内的细胞间干涉法现象和行为。通过应用细胞悬浮机制，我们定量阐明了难以与常规方法讨论的生命系统。这将导致破坏医学工程领域，以前，该领域仅限于经验和定性讨论。目的是创建一个直通的。今年，我们主要进行了以下两个研究主题：1。构建细胞之间的多体干扰模型。我们在许多物体之间扩展了微生物的两种身体干扰现象，并首先通过实验研究了中尺度流动结构的游泳微生物所展示的。大肠杆菌用作微生物，大肠杆菌在高浓度溶液中的运动，并使用共聚焦微培养系统测量周围流体的流动。接下来，我们使用高浓度细菌在高浓度溶液中测量大肠杆菌的运动。我们为解决方案构建了数学模型。在这项研究中，我们改进了传统的计算代码以处理除球形形状以外的其他形状，并提出了用于高浓度细菌溶液的数学模型。对于红细胞，我们扩展了为红细胞开发的边界元素方法，并为高浓度红细胞悬浮液构建了高度准确的数学模型。2。了解复杂流通道中细胞悬浮液的流动。我们将非常少量的癌细胞混合到血液中，并研究了狭窄区域以及分支和融合区域的行为。我们还阐明了机械上引起的独特流动现象，例如轴向和壁表面上的癌细胞浓度。接下来，我们使用了可以表达多体干扰的细胞悬架模型，并模拟了与实验相对应的复杂流动通道内的流动。通过比较模拟结果和实验结果，我们开发了一个高度可靠的细胞悬浮液模拟器。

项目成果

Hydrodynamic interaction of two unsteady squirmers

两个不稳定蠕动体的流体动力相互作用

• 发表时间: 2010
• 作者: T.Ishikawa;J.T.Locsei;T.J.Pedley;Kobayashi T;根本知己;T.Ishikawa
• 通讯作者: T.Ishikawa

Patient-specific morphological and blood flow analysis of pulmonary artery in the case of severe deformations of the lung due to pneumothorax

气胸导致肺部严重变形时患者特异性肺动脉形态和血流分析

• 发表时间: 2010
• 期刊: Journal of Biomechanical Science and Engineering
• 作者: J-J.Christophe;T.Ishikawa;N.Matsuki;Y.Imai;K.Takase;M.Thiriet;T.Yamaguchi
• 通讯作者: T.Yamaguchi

Handbook of Physics in Medicine and Biology, Chapter 17 "Fluid dynamics"

医学和生物学物理学手册，第 17 章“流体动力学”

• 发表时间: 2010
• 作者: Koide;T.;Tanave;A.;Sugimoto;H.;Takahashi;A.;T.Ishikawa (Eds.Robert Splinter)
• 通讯作者: T.Ishikawa (Eds.Robert Splinter)

Fluid particle diffusion through high-hematocrit blood flow within a capillary tube

• DOI: 10.1016/j.jbiomech.2010.09.004
• 发表时间: 2011-01-04
• 期刊: JOURNAL OF BIOMECHANICS
• 影响因子: 2.4
• 作者: Saadatmand, Maryam;Ishikawa, Takuji;Yamaguchi, Takami
• 通讯作者: Yamaguchi, Takami

ISuspension biomechanics of swimming micro-organisms

游动微生物的悬浮生物力学

• 发表时间: 2010
• 作者: T.Ishikawa;J.T.Locsei;T.J.Pedley;Kobayashi T;根本知己;T.Ishikawa;Koichi Kawahara;杉本大樹,菊水健史,城石俊彦,小出剛;Hirabayashi M;T.Ishikawa
• 通讯作者: T.Ishikawa