Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

流体構造連成解析 / 弁 / 赤血球 / 接触 / マルチスケール解析 / 厚み / 流体構造錬成 / 心臓弁 / 流体構造連成

心臓弁の開閉に伴い、その内側を流れる赤血球を含む血液は1)流速3 m/sから急激に静止する強い非定常性、2)弁尖同士に挟まれるという特異性がある。そのため、実験での観測が極めて困難であり、従来の数値計算でも再現できない。従って、弁の開閉やそれに伴う血流動態といった物理の解明には至っていない。本研究では、心臓の弁近傍の血流動態の解明に向け、流体構造連成解析手法を拡張する。具体的には、弁を含む流体構造連成問題、高速流れ中の赤血球挙動、心臓弁開閉時の赤血球挙動の数値計算手法を順に構築する。統合した手法を用い、赤血球が弁の開閉時にどのように振る舞うかを詳細に再現することで、血流動態を明らかにする。これにより、心臓弁の機能を損なう疾患の予防・治療方法に、力学的視点から新たな指針を提示することを目的としている。

本研究では、心臓弁の開閉が起こるようなトポロジー変化が起きる空間を占める流体を、物体適合格子を用いて計算する手法を構築している。この方法は従来の信頼のある解析手法を損なうことなく同時にトポロジー変化も考慮できる方法で、トポロジー変化に特化した手法に比べ信頼性が高い。この方法による計算から、弁が閉じる際に流速は必ずしも徐々に小さくなるわけではないことが示されており、開閉時に生じる速度境界層を捉えることの重要性などがわかる。この事実から、他手法では議論しにくい開閉近傍の現象解明を数値計算により検証ができるようになっている。また赤血球を含む流体解析は多く場合、その影響度合いの高い毛細血管のような低速の箇所であるが、本研究では速度の高い領域での赤血球挙動を議論するために、Navier-Stokes方程式に基づく流体と赤血球の連成問題について取り組んでいる。

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.

【研究分担者】
今井陽介	神戸大学	工学研究科	教授	(Kakenデータベース)