論文

メダカ受精卵の凍結過程を有効熱伝導率を用いて評価し、特に氷晶形成の影響を熱伝導率で感知できることが解った。その点から有効熱伝導率は凍結過程の評価に有効であることが解った。

多粒子をモデル化するストーキシアンダイナミクスという手法を用いて、旋回流における粒子の運動のシミュレーションを行った。特に生体細胞でよく見られるような重心の偏った非球形の粒子をダンベルによってモデル化し、旋回流において混合粒子の集合から同じ形態の粒子がどのような運動をたどるかを明らかにした。

気道は何段階もの分岐を経て肺胞に到達するが、分岐部は曲がり管の一部と考えられ、分岐管でも曲率の影響が重要である。そのような観点でガス輸送効率に対する曲率の影響を数値計算で評価して、分岐管内振動流のガス輸送特性を明らかにした。

多粒子をモデル化するストーキシアンダイナミクスという手法を用いて、せん断流における粒子の運動のシミュレーションを行った。特に生体細胞でよく見られるような重心の偏った非球形の粒子をダンベルによってモデル化し、せん断流れにおいて混合粒子の集合から同じ条件の粒子が分離する結果が得られたが、その分離特性のダイナミクスに焦点を絞って検討した。

気道内の軸方向のガス輸送効率を実験的に明らかにするため、ラプラス変換法を拡散係数の測定に応用した。その結果、ある特定名局所の流れを反映した軸方向のガス拡散係数を決めることが出来た。肺のガス輸送効率の評価に応用される。

培養内皮細胞は流れによって力学的刺激を受けて機能や形態が変化する。とくに形態の変化を顕微鏡下で追跡し、細胞の遊走と変形がどのような状態で生ずるかを調べた。細胞は単独に刺激を受けて反応するのではなく、隣接する細胞との相互作用を起こしながら、移動して形態を変化させることが解った。即ち細胞は小集団的に振る舞い、細胞同士の相互作用が本質的であることが解った。

凍結過程で細胞や生体組織が損傷を受ける場合は、細胞内外の氷晶生成や細胞内脱水による細胞内濃縮などのような物理化学的変化に原因がある場合が多い。そのような場合、相変化などを伴う物理化学的変化は、熱物性値の変化として現れるはずで、凍結過程の評価を熱物性値の変化として捉えることも可能である。そこで、凍結過程の熱伝導率をサーミスタ加熱法によって測定し、細胞の生存率との関係について検討を行った。

細胞レベルの凍結保存は、脱水速度と伝熱のスケールから比較的うまく行っている。今後生体組織の凍結保存を可能にするためには、スケールの大きい組織での凍結過程を明らかにする必要がある。そこで、細胞レベルより大きいとしてｍｍオーダーのスケールの凍結過程をメダカの卵を用いて観測し、凍結保存の可能性について検討を行った。

多粒子をモデル化するストーキシアンダイナミクスという手法を用いて、せん断流における粒子の運動のシミュレーションを行った。特に生体細胞でよく見られるような重心の偏った非球形の粒子をダンベルによってモデル化し、せん断流れにおいて混合粒子の集合から同じ条件の粒子が分離する結果が得られた。

生体細胞は細胞外凍結によって損傷を受けるので、その傷害が発生する条件や状態を明確にする必要がある。メダカの受精卵を使って、損傷の度合いと細胞環境との関連について検討を行った。

微細藻類の懸濁液のせん断流れにおいて、特に長期実験においてはせん断流れの負荷によって細胞の増殖率が増加することが解った。まだそのメカニズムは不明であるが、この結果を応用するとリアクターの性能改善が可能となる。

微細藻類の懸濁液を単純せん断流として流した時の酸素発生速度を計測した。せん断の増加とともに酸素発生速度が増加する場合と減少する場合が見られ、せん断流れの影響は、光の照射条件や温度などによって変わるが、せん断流れという力学的な刺激の影響を受けていることは確かであることが解った。今後リアクターの性能改善のためには重要な知見となる。

微細藻類の光合成速度が単純せん断流れによって影響を受けることを、同軸二重円筒のリアクターによって計測した。スピルリナはせん断流れによって光合成速度が増加し、長期実験では形態も変化することが明らかになった。

生体物質の熱的な性質は生体内の温熱制御のメカニズムを明らかにする上で重要であるが、プローブなどを挿入しないで非侵襲的に計測できることが望ましい。そこで収束超音波を使って加熱し、測定部から離れた二カ所の部位の温度を熱伝対で測定し、熱伝導率を決める方法を開発した。

生体物質のモデルとしてメダカの受精卵を選び、受精卵の凍結保存を達成するために重要な過冷却の有効利用に焦点を絞った研究。細胞内の氷晶形成を妨げるように有効に過冷却を行うことによって卵の生存率（孵化率）が改善された。

肺の気道の最初の分岐である気管支を対称分岐管とモデル化し、対称分岐管内の軸方向の炭酸ガスの輸送を実験的に計測し、分岐管に生ずる渦などの影響について検討を行った。

織り込み管型人工肺を静脈内に留置して、管内を酸素ガスを流すという外部潅流型の埋め込み型人工肺のプロトタイプを作成して実験を行った。その結果、外部潅流型の人工肺のガス交換性能は内部潅流の場合よりも上昇することが解り、埋め込み型人工肺として有効であることが解った。

臨床的には痰の除去などが問題となるので、振動流の波形を非対称にした時の振動流について軸方向ガス輸送量を計算によって求めた。その結果非対称にしてもガス輸送効率は全く影響を受けず、非対称振動流であるため痰の除去効果が生じ、臨床医学的に有効であることが解った。

管内における間欠的振動流は軸方向のガス輸送を著しく改善することが我々の研究で明らかになったが、それを実験的に確認した研究。とくに間欠流の減速期において乱流が生じ、それが著しい断面内混合の原因となり、層流と仮定した計算結果よりもかなり大きなテーラー拡散速度が得られた。

流れの中の多粒子の振る舞いを解析することは従来困難であったが、多粒子をモデル化するストーキシアンダイナミクスという手法が開発され、その手法を用いて、重力によって沈降する粒子のシミュレーションを行った。特に生体細胞でよく見られるような非球形の粒子をダンベルによってモデル化し、重力で沈降して行く過程で混合粒子の集合から同じ条件の粒子が分離する結果が得られた。流体力による細胞のソーテイングへなど今後広い分野への応用が考えられる。