Research Results 研究成果

極めて短い時間スケールに、マイクロ渦を作り込む技術の構築に成功！

10,000分の1秒の流れ場を設計する、マイクロ流体工学の”新たな領域”を拓く
工学研究院
佐久間　臣耶　准教授
2024.08.08
研究成果Physics & Chemistry

ポイント

  • 渦は小さな細胞や流体の高速操作を支える重要な現象ですが、その発生制御は困難でした。
  • 0.1 ミリ秒(10,000分の1秒)という短い時間スケールで、渦の発生制御に成功しました。
  • 渦を使った流路の機能群を創出することで、マイクロ流体工学の“新たな領域”を拓くことが期待されます。

概要

　マイクロ渦の生成は、生物学や化学の分野において高速な細胞操作や効率的な溶液混合を可能とするため、マイクロスケール（※1）の重要な現象となっています。しかし、マイクロ渦が発生する時間は、1ミリ秒よりも短い時間であることから、制御することは困難とされてきました。
　本研究では、極めて短い時間で流れを制御することで、マイクロ渦の発生制御技術を確立しました。
　九州大学大学院工学府の齋藤真博士課程大学院生、東京大学大学院工学系研究科の新井史人教授、九州大学大学院工学研究院の山西陽子教授、九州大学大学院工学研究院の佐久間臣耶准教授の研究グループは、マイクロ流体チップ（※2）中に組み込んだオンチップメンブレンポンプを用いて、50から450程度のレイノルズ数（※3）に相当する高速流を0.1ミリ秒程度の時間で制御することで、渦の発生制御が可能なマイクロ流体システムを構築しました。さらに、渦が配管抵抗（※4）の原因となることに着目し、0.1ミリ秒の流れ場を設計・制御することで、流路の順方向・逆方向の流れやすさを調節することができる流体素子を実現しました。これにより、バルブを使用しない新しい流体制御技術の構築に成功し、その応用として遊泳細胞（※5）の単一細胞ピペッティングを示しました。本成果は、渦の発生制御に基づく、新たな流路機能群の創出に貢献し、マイクロ流体工学の領域・応用を拓くことが期待されます。
　本研究は、2024年8月6日午前4時（日本時間）に米国科学誌「Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America」にオンライン版で公開されました。

研究者からひとこと

　渦は身近な流体現象ですが、顕微鏡の下でも発生しています。一見同じように見えますが、その時間スケールは全く異なります。左の写真は、水を流し始めて、わずか0.1ミリ秒後のマイクロ流路ですが、渦が既に発生しています。この小さく、速い、渦の制御が、細胞や微小流体の新しい操作・解析技術を拓いていきます。

用語解説

(※1) マイクロスケール
100万分の1メートル（マイクロ：100万分の1）。髪の毛の太さは60～100マイクロメートル程。

(※2) マイクロ流体チップ
微量の溶液や生体試料の混合、反応、分取、精製、検出などさまざまな化学、生物操作をミクロ化できる半導体製造技術を用いて作製したデバイス。

(※3) レイノルズ数
流体の慣性力と粘性力の比をとった無次元数。この値が高いほど、渦が発生しやすくなる。マイクロ流体チップ中では1よりも小さい値となることが多い。

(※4) 配管抵抗
流体が流れる管の内壁と流体との間に発生する、摩擦力や渦の発生に由来するエネルギー損失によって決定される管や流路の抵抗または流れやすさ。

(※5) 遊泳細胞
鞭（べん）毛や体を回転させることで、推進力を得て、液中を動き回る（泳ぎ回る）運動性を持つ細胞のこと。

論文情報

掲載誌：Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America
タイトル：Spatiotemporally controlled microvortices provide advanced microfluidic components.
著者名：Makoto Saito, Fumihito Arai, Yoko Yamanishi and Shinya Sakuma
DOI：10.1073/pnas.2306182121

お問い合わせ先

工学研究院　佐久間　臣耶　准教授

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