共同研究・競争的資金等の研究課題

本研究では，オートエンコーダによる機械学習を用いて対象物を触察した際の振動データから触感の違いを表す特徴量を抽出し，ヒトが知覚する触感を精度よく計測する手法を確立することを目的とする．はじめに，触感センサによって対象物を触察した際の振動データを取得し，オートエンコーダによって振動データの違いを表す特徴量を抽出する．つぎに，対象物の官能評価実験を行い，線形多変量解析あるいは非線形なオートエンコーダによって官能評価結果を次元圧縮する．最後に振動データの違いを表す特徴量によって，官能評価結果の次元圧縮結果を説明する触感推定モデルを構築する．

近年注目される再生医療などの細胞療法において，細胞培養技術は極めて重要な基盤技術である．一般的には培養技術者の手作業によって行われている細胞培養の自動化，高効率化無くして再生医療などの普及は達成できない．これに対して，本研究では，超音波技術を援用することによって細胞培養過程における自動化のボトルネックであった剥離，回収および組織化の過程を自動化し，自動細胞培養システムを実現することを目的としている． 平成29年度は細胞の剥離過程に対して，培養技術者の手技に頼らずに活性の高い細胞を培養面から剥離する手法を開発した．細胞剥離過程では一般的にタンパク質分解酵素を用いて細胞接着を弱め，培養技術者による培養ディッシュの振とうなどによって細胞を剥離するが，タンパク質分解酵素の作用による細胞活性の低下が指摘されている．これに対して，低温刺激が細胞接着を弱めることに注目し，培養面の温度制御と超音波域の共振を組み合わせることによって，タンパク質分解酵素と手作業による振とうによる従来手法と同等の細胞剥離が達成できることを明らかにした．なお，この方法では細胞剥離後に細胞表面のタンパク質が優位に残存しているため，剥離回収された細胞のその後の増殖性が優位に高いことが明らかとなった．また，細胞を増殖培養したのちに実際の治療などに利用するには複数の細胞からなる組織の生成が重要である．このため，超音波技術を用いた細胞の組織化にも取り組んだ．この結果，細胞懸濁液への超音波照射によって引き起こされる音響流を用いて細胞塊を生成する技術を開発し，直径0.5 mm程度の細胞塊を従来よりも効率的に生成できることを明らかにした． 前述のように，本研究では細胞培養過程の自動化，高効率化を目指した細胞培養技術の具現化を目指している．こうした目的に対する従来の取り組みでは，培養技術者の主義をロボットなどで忠実に模倣する提案がほとんどであるが，本研究では超音波技術の援用によって全く新しい細胞培養システムの実現を目指している．平成28年度および平成29年度の研究によって，細胞培養基材の超音波域の共振と低温刺激を用いて，培養面からの細胞の剥離，回収を実現し，音響流の生成によって細胞の組織化を達成した．以上のように，これまでの２年間の研究によって超音波技術を援用した全く新しい細胞培養法の基盤技術の有効性を明らかにした．これらは，本研究の目的に対する重要な要素技術であり，必要な知見を獲得できたと言える．今後はこれらを統合したシーケンシャルな培養システムを実現する必要があるものの，当初計画通りに順調に推移していると判断している． 自動細胞培養システムの具現化に対して，これまでに培養基材からの細胞の剥離，回収と組織化の基盤技術に関する知見を得た．ただし，細胞の剥離，回収を達成した装置は独自に開発した金属製培養基材によるものである．このため，今後は細胞培養基材として，一般的に広く使用されているディスポーザブルな細胞培養ディッシュを用いることを目指す．ディスポーザブルな細胞培養ディッシュは一般に高分子プラスチック製であり，本研究で用いてきたステンレス製培養面とは機械的特性が大きく異なる．このため，例えば固有振動数が異なる．しかし，高分子プラスチックは超音波を透過することが可能であることに鑑みれば，ディッシュ下方から細胞に超音波を照射し，これまでの研究結果と同様に細胞を培養面から剥離することは可能と考えられる．こうしたコンセプトは平成29年度に予備実験によって達成できることを確認している．また，超音波の照射による細胞への影響も今後検討が必要な項目である．これまでにタンパク発現などを評価してきたが，今後は分化能なども評価項目に加え，提案手法の有効性，妥当性を確認する予定である．

iPS細胞を用いた再生医療などが注目される中，細胞の大量培養技術への期待が高まっており，手作業に頼っていた細胞の培養，剥離，回収，パターニングといった作業を自動化する必要がある．これまでに，培養基材に適切な固有振動モードを励振することで，酵素フリーで基材から細胞を剥離する手法や，回収・再播種を伴わない連続的な増殖培養を可能にする手法を開発した．また，培養チャンバから細胞懸濁液を回収する方法や細胞をパターニングする方法なども具現化した．しかし，細胞剥離メカニズムなどは不明であった．こうした手法を細胞培養のための基盤技術とするために，本国際共同研究では，弾性表面波（SAW）デバイスから発生する音響放射圧を培養ディッシュに対して領域選択的に照射することによって，プローブ等を必要とせずに非接触で細胞接着の力学的特性を明らかにすることを目的としている． 2018年度は，細胞の接着に関する力学特性を明らかにするために，音響放射圧の局所的な照射によって，細胞培養面の微小な領域から細胞を剥離できることを確認した．すなわち，国際共同研究先で製作を予定している弾性表面波（SAW）デバイスではなく、先鋭な超音波―ホーンを有するランジュバン型振動子を用いて細胞培養ディッシュ下方から集束した音響放射圧を培養細胞に照射する装置を製作し、代表的な接着性細胞であるマウス由来筋芽細胞株C2C12を微小な領域で剥離できることを明らかにした．また，SAWデバイスを用いることによって，より微小な領域への超音波照射が可能となるため，Focused SAWデバイスを設計し，国際共同研究先の研究室がこれを試作し，イースト菌を用いて局所的に超音波照射が可能であることを確認した． 本国際共同研究では当初計画において，研究全体を以下の３つのフェーズに分けた．(1) 力学特性測定装置の設計・製作と実験条件の決定（＠慶應義塾大学），(2) SAWデバイスの開発と培養ディッシュへの放射圧の透過実験（＠UC San Diego）, (3) 細胞接着の力学特性の測定（＠UC San Diego, 慶應義塾大学）．2018年度は，このうち主に(1)に関する成果が得られた．また，2019年度にUC San Diegoに滞在して実施する予定の(2)のためのSAWデバイスの設計を行い，滞在予定研究室の学生の協力によってデバイスの有効性を確かめた． 以上のように，本国際共同研究の現在までの進捗は順調に推移していると判断している． 「現在までの進捗状況」で述べたように，当初計画の(1)～(3)に実行に向けて順調に推移している．当初，自身がUC San Diegoで行う予定であったSAWデバイスの製作がすでに滞在予定研究室の協力によって実施されているため，6月中旬に渡米後，本デバイスを用いて培養ディッシュに印加される音響放射圧の分布や強度を明らかにする実験に取り掛かる予定である．特に，細胞に印加される音響放射圧の定量は本国際共同研究の最も重要なポイントであるため，海外共同研究者であるJames Friend教授のSAWデバイスや音響放射圧の理論計算に関する豊富な経験や知見を元に実験計画や実施方法を決定する．具体的には以下の通りである． 4～6月（渡米前）：James Friend教授との研究実施計画の事前打ち合わせ 7～8月：UC San Diegoでの実験実施のための準備（UC San Diego指定の講習の受講など） 9～11月：実験装置の組み立てと実施 12～3月：実験データの整理と成果発表の準備

本研究では液滴を空中に浮揚することにより、容器材料と接触する界面がどこにもない全方位非接触界面での革新的リアクターの実現を目指す。超音波の音響放射圧を反射板にあてることにより液滴を浮揚させ、安定に水溶液を空中に浮揚させる技術を確立する。浮揚した液滴中において有機合成反応、高分子反応、酵素反応、タンパク質発現などが可能であると考えられ、また細胞培養やウイルス感染などを行うことも期待できる。本研究で取り組む無容器反応技術は、化学・生物学の研究環境を変える革新的技術になることが期待できる。

電圧を印加すると流動する電界共役流体（ECF）として多くの液体が報告されているが，本研究ではデカン二酸ジブチル（DBD）に生じる流動を研究対象としている．これは，DBDは構造式が明らかな単一物質であるためである．これまでに，DBDを充填したチャンバ内に直径0.3 mmの線状電極を2本，中心軸を合わせて電極間隔2 mmで対向して配置した対向棒電極対を用いて電極間の電位分布を測定した．この結果，DBD中での電位分布が電極間で線形に分布していることが明らかになった．また，上記で測定した電位分布に応じてDBD中での電位分布を線形モデルで計算し，DBD流動の支配方程式をKorteweg-Helmholtz式で計算される電気力を導入したナビエストークス方程式によってECF流動をモデル化し，DBD流動を計算機中で再現した．ここで，支配方程式に現れる電気的パラメータのひとつであるイオン移動度は実験的な計測が複雑であるため，分子動力学計算を用いて理論的に算出した．具体的にはイオン移動度の実験値が報告されている炭化水素を例に，分子動力学計算がイオン移動度の算出に有効であることを確認した後，DBDのイオン移動度を計算によって見積もった．この値をDBD流動の支配方程式に導入することによって，流動計算において実験的なパラメータ同定の必要性をなくした．具体的には，分子動力学法を用いて算出したDBDのイオン移動度を支配方程式に導入して四角柱-スリット電極間に発生するDBDの流動を数値計算した結果と，同条件での流動の可視化実験の結果を定量的に比較し，電圧印加直後からの過渡現象を含めて両者が定量的に一致することを示した． 当初の計画では，平成28年度は電界共役流体（ECF）中における電界分布の計測と，ECF流動のモデル化を行い，平成29年度にECFの物性値の理論的な決定を行った後，平成30年度に計算機内でのECF流動の定量的再現を行うことを計画していた．しかし，電界分布の計測と流動のモデル化，および分子動力学法を用いたECFの物性値の理論的は決定が順調に進んだため，計算機内でのECF流動の再現が平成29年度に前倒しで達成された．このため，現在までの進捗状況を「当初の計画以上に進展している」と判断している． 当初計画よりも順調に研究が推移しているため，今後の研究を以下のように計画している． これまでに，電界共役流体（ECF）中における電界分布の計測と，ECF流動のモデル化，ECFの物性値の理論的な決定，計算機内でのECF流動の定量的再現が達成された．すなわち，ECFの流動実験を行うことなく，計算機内でたとえば，電極配置が流動発生に与える影響などを見積もれることになった．このため，今後は構築したECFの数値計算モデルを用いて，圧力源として実用的な電極対形状である四角柱-スリット電極対の寸法が流動発生に与える影響を計算機内で検証し，各寸法パラメータの寄与を定量的に明らかにすることに取り組む予定である．これにより，電極形状の最適化を達成し，ECFが液圧駆動システムのためのマイクロ圧力源として広く利用されるための基礎的知見を提供することを目指す．また，こうした計画が順調に進んだ場合は，これまで計算コストの都合上，2次元での流速分布の計算を行っていたが，3次元モデルへと拡張することも視野に入れている．これによって可視化実験では計測が難しい3次元的な流速分布の理解を進める計画である．