大阪大学
理化学研究所
関西大学
岡山大学
【研究成果のポイント】
- マイクロ流路内における粒子の集束パターンが、粒子の変形性によって劇的に変化することを明らかに
- マイクロ流路内の粒子集束の研究は硬い粒子を中心に行われており、細胞のような柔らかい粒子の挙動は十分に理解されておらず、数値計算による予測はあったが、実験的な検証が不足していた
- 細胞サイズのやわらかいヒドロゲル粒子を作製する技術を確立し、実験的に柔らかい粒子の集束挙動の検証、「富岳」を用いた大規模数値計算と新たな理論モデルによって、集束パターンの変化メカニズムを解明
- 液体の中の細胞や粒子の変形性を利用した次世代のマイクロ流体デバイス開発やがんの早期診断を実現する生体細胞の選別・分離技術への応用が期待
大阪大学大学院基礎工学研究科 廣畑佑真さん（博士後期課程）、杉山和靖教授（理化学研究所光量子工学研究センター 客員研究員兼任）、関西大学システム理工学部 関眞佐子教授、板野智昭教授、佐井一総さん（修士課程（当時））、丹下祐希さん（修士課程（当時））、 西山朋宏さん（修士課程）、岡山大学学術研究院環境生命自然科学学域 鈴木大介教授、湊遥香講師（特任）らの研究グループは、マイクロ流路内における粒子の集束パターンが粒子の慣性と変形性によって劇的に変化することを明らかにしました。硬い粒子が流路の壁近くに集まるのに対し、やわらかいヒドロゲル粒子は流路断面の中心や対角線上に集まることを実証しました。
さらに、スーパーコンピュータ「富岳」を活用したコンピューターシミュレーションや、新たな理論モデルに基づく解析により、レイノルズ数とキャピラリー数をパラメーターとする相図を作成し、集束パターンが劇的に変化する「相転移」の条件や、その背景にある物理の仕組みを明らかにしました。この成果は、液体の中の細胞や粒子の変形性を利用した次世代のマイクロ流体デバイス開発につながり、高効率な細胞選別技術として、がんの早期発見など医工学分野への応用が期待されます。
本研究成果は、流体力学に関する専門学術誌である「Journal of Fluid Mechanics」に、2025年９月１８日付で公開されました。
【廣畑佑真さん（博士後期課程）のコメント】
粒子にかかる力がとても小さく、動きがゆっくりなため、「富岳」を使っても多くの計算時間が必要でした。また、影響する条件が多く、多くのパラメーターを計算して、ようやく分かりやすく整理することができました。複雑な流体の現象を一定の理論で表現できることへの面白さを感じるとともに、将来は新しい粒子の選別方法の一つとして社会に役立つ可能性があることに、大きなやりがいを感じています。
特記事項
本研究成果は、2025年９月１８日流体力学に関する専門学術誌である「Journal of Fluid Mechanics」（オンライン）に掲載されました。
タイトル：“Experimental and numerical study on the inertial migration of hydrogel particles suspended in square channel flows”
著者名：Hirohata, Y., Sai, K., Tange, Y., Nishiyama, T., Minato, H., Suzuki, D., Itano, T., Sugiyama, K. and Sugihara-Seki, M.
ＤＯＩ：https://doi.org/10.1017/jfm.2025.10574
なお、本研究の一部は、日本学術振興会科学研究費補助金（JP20H02072、 HP24K00809)、 科学技術振興機構 次世代研究者挑戦的研究プログラム(JPMJSP2138)の助成を受けて行われました。コンピューターシミュレーションの一部は、理化学研究所計算科学研究センター「富岳」（HPCI System Research Project hp220106）、 大阪大学 D3センター「SQUID」、九州大学情報基盤研究開発センター「玄界」を用いて実行しました。
＜詳しい研究内容について＞
マイクロ流路を流れる柔らかい粒子の集まり方を解明―スーパーコンピュータ「富岳」が解き明かす，細胞選別の新原理―
＜お問い合わせ＞
＜研究に関するお問い合わせ＞
大阪大学 大学院基礎工学研究科 教授 杉山 和靖（すぎやま かずやす）
TEL: 06-6850-6165
＜広報に関するお問い合わせ＞
大阪大学 基礎工学研究科 庶務係
TEL: 06-6850-6131 FAX: 06-6850-6477
理化学研究所 広報部 報道担当
TEL: 050-3495-0247
関西大学 総合企画室 広報課
TEL: 06-6368-0007 FAX: 06-6368-1266
岡山大学 総務部 広報課
TEL: 086-251-7292 FAX: 086-251-7294