氏名

コホリ フカシ

小堀 深

職名

講師(専任) (https://researchmap.jp/read0078145/)

所属

(先進理工学部)

連絡先

住所・電話番号・fax番号

住所
〒169-8555東京都 新宿区 大久保3-4-1 
電話番号
03-5286-3242
fax番号
03-5286-3242

URL等

研究者番号
70329093

本属以外の学内所属

兼担

理工学術院(大学院先進理工学研究科)

学内研究所等

リンアトラス研究所

研究所員 2015年-

理工学術院総合研究所(理工学研究所)

兼任研究員 2018年-

学歴・学位

学歴

-1996年 早稲田大学 理工学部 応用化学
-2000年 早稲田大学 理工学研究科 応用化学

学位

博士(工学) 課程 早稲田大学 生体医工学・生体材料学

経歴

2000年-2001年:早稲田大学理工学部 助手
2001年-:早稲田大学理工学部 専任講師

所属学協会

ヨーロッパ腎臓・透析・移植学会

化学工学会

日本膜学会

高分子学会

受賞

化学工学会関東支部長賞

1999年

薬物送達薬物科学研究会 大学院生/ポスドク賞

1998年

研究分野

キーワード

医用化学工学、膜分離、結晶

科研費分類

工学 / プロセス・化学工学 / 化工物性・移動操作・単位操作

研究シーズ

膜分離装置を用いたタンパク質の結晶化手法

シーズ分野:ライフサイエンス

研究テーマ履歴

2000年-2011年数値流体解析による人工臓器の至適設計

研究テーマのキーワード:数値解析,有限要素法,人工臓器

個人研究

論文

Shape Change and Growth Behavior of Monosodium Urate Monohydrate in a Gout Model

Ozono, Chihiro; Hirasawa, Izumi; Kohori, Fukashi

Chemical Engineering and Technology40(7)p.1231 - 12342017年07月-2017年07月 

DOIScopus

詳細

ISSN:09307516

概要:© 2017 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim Deposition of needle-shaped monosodium urate monohydrate (MSU) crystals in synovial fluid provokes the acute inflammatory response of gout. The mechanism of MSU crystallization was investigated in batch operation under the same pH and Na + concentration of synovial fluid. It was found that stirring enhanced the aggregation of needle-shaped MSU, and the deposition of MSU was faster and larger in amount. MSU crystals in supersaturated urate solution were detected by dynamic light scattering and UV absorption, suggesting that the urate concentration affected not the crystal growth but nucleation. Since the increase of the number of MSU crystals is assumed to cause a high risk of gout, this result supports the importance of the control of serum urate level as a treatment of gout.

Molecular design of biodegradable polymeric micelles for temperature-responsive drug release

Journal of Controlled Release115(1)p.46 - 562006年-

Evaluation of the activity of endotoxin trapped by a hollow-fiber dialysis membrane

Journal of Membrane Science272p.211 - 2162006年-

Three-dimension numerical evaluations of blood flow and dialysate flow in a hollow fiber dialyzer

International Journal of Artificial Organs29(5)p.529 - 5292006年-

Optimization of convection and diffusion on hemodiafiltration by computational analysis

Nephrology Dialysis Transplantation20p.118 - 1182005年-

Hollow-fiber blood-dialysis membranes: superoxide generation, permeation, and dismutation measured by chemiluminescence

Journal of Artificial Organs8(4)p.257 - 2622005年-

Membrane fouling and dialysate flow pattern in an internal filtration-enhancing dialyzer

Journal of Artificial Organs8(3)p.198 - 2052005年-

Rearrangement of hollow fibers for enhancing oxygen transfer in an artificial gill using oxygen carrier solution

Journal of Membrane Science254p.207 - 2172005年06月-

The photoresponse of a molybdenum porphyrin makes an artificial gill feasible

Journal of Membrane Science249p.235 - 2432005年03月-

Oxygen transfer performance of a membrane oxygenator composed of crossed and parallel hollow fibers

Biochemical Engineering Journal24(2)p.105 - 1132005年06月-

Efficiency of biological and artificial gills

Bio-mechanisms of Swimming and Flyingp.188 - 1992004年-

Effect of electrostatic interactions on gate effect in molecularly imprinted polymers

Electrochemistry72(7)p.508 - 5102004年07月-

How polysulfone dialysis membranes containing polyvinylpyrrolidone achieve excellent biocompatibility?

Journal of Membrane Science234p.41 - 492004年05月-

Gate effect of theophylline-imprinted polymers grafted to the cellulose by living radical polymerization

Journal of Membrane Science233p.169 - 1732004年04月-

Nanoscopic behavior of polyvinylpyrrolidone particles on polysulfone/polyvinylpyrrolidone film

Biomaterials25(6)p.1019 - 10282004年03月-

Development of a compact artificial gill using concentrated hemoglobin solution as the oxygen carrier

Journal of Membrane Science215p.281 - 2922003年04月-

Optimum dialysis membrane for endotoxin blocking

Journal of Membrane Science219p.15 - 252003年07月-

Designing an artificial gill using oxygen carrier solution for effective supply of oxygen to underwater closed spaces

Journal of Research in Science and Engineering1p.31 - 362003年-

Visualization of distribution of endotoxin trapped in an endotoxin-blocking filtration membrane

Journal of Membrane Science210(1)p.45 - 532002年12月-

Technical evaluation of dialysate flow in a hollow-fiber dialyzer

Journal of Artificial Organs5(4)p.251 - 2562002年12月-

AFM observation of small surface pores of hollow-fiber dialysis membrane using highly sharpened probe

Journal of Membrane Science197p.243 - 2492002年03月-

Process design for efficient and controlled drug incorporation into polymeric micelle carrier systems

Journal of Controlled Release78p.155 - 1632002年01月-

Computer-aided design of hollow-fiber dialyzers

Journal of Artificial Organs4(4)p.326 - 3302001年12月-

Control of adriamycin cytotoxic activity using thermally responsive polymeric micelles composed of poly(N-isopropylacrylamide-co-N,N-dimethylacrylamide)-b-poly(D,L-lactide)

Colloids and Surfaces B Biointerfaces16p.195 - 2051999年11月-

Preparation and characterization of thermally responsive block copolymer micelles comprising poly(N-isopropylacrylamide-b-DL-lactide)

Journal of Controlled Release55(1)p.87 - 981998年10月-

人工肺モジュールのコンピュータによる至適設計

膜 (MEMBRANE)30(6)p.335 - 3382005年11月-

シミュレーションによる高性能人工肺の設計指針

膜型肺27p.31 - 362004年-

手術に即したシミュレートが可能な吸入麻酔コンピュータプログラムの開発

医科器械学72(10)p.505 - 5062002年10月-

抗原・抗体モニタリング装置の開発

医工学治療14(3)p.169 - 1712002年09月-

生体計測用スーパーオキサイドセンサ

医工学治療14(3)p.158 - 1612002年09月-

吸入麻酔のシミュレーションプログラム

医科器械学71(10)p.510 - 5112001年10月-

人工鰓の技術的展望

日本バイオレオロジー学会誌(B&R)15(3)p.68 - 742001年09月-

新規な薬物キャリヤーとしての温度応答性高分子ミセル

医工学治療11(2)p.430 - 4321999年07月-

書籍等出版物

21世紀の化学シリーズ14 化学工学

小堀深 他7名

朝倉書店2005年 09月-

詳細

ISBN:4-254-14664-7

講演・口頭発表等

加圧膜晶析におけるリゾチーム濃縮プロセスの解析

化学工学会第50回秋季大会2018年09月

層状ケイ酸塩添加ハンギングドロップ法におけるリゾチーム結晶へのpHの影響

化学工学会第50回秋季大会2018年09月

貧溶媒添加法によるキチン由来ビーズおよび平膜の作製

化学工学会第50回秋季大会2018年09月

Crystallization Phenomena of Sparingly Soluble Calcium and Sodium Compounds in the Model System of Human Body

ACTS20182018年06月

生体内における晶析現象と析出結晶の性状

化学工学会第83年会2018年03月

内部直流電流の印加時間によるタンパク質の核形成に対する影響

化学工学会第49回秋季大会2017年09月

尿路結石形成プロセスにおけるCaC2O4結晶へのクエン酸およびMg2+の影響

化学工学会関東支部大会2017年08月

痛風における尿酸ナトリウム一水和物の析出挙動の解明

化学工学会関東支部大会2017年08月

Effects of application time of constant current on protein nucleation

BIWIC2017年08月

リゾチームの加圧膜晶析における膜面過飽和度の推定

分離技術会年会20172017年05月

Shape change and growth behavior of monosodium urate monohydrate in model of gout

BIWIC2016年09月

内部直流電流の印加時間によるタンパク質の核形成に対する影響

化学工学会第48回秋季大会2016年09月

層状ケイ酸塩を用いた蒸気拡散法によるタンパク質結晶化制御

化学工学会第48回秋季大会2016年09月

痛風における尿酸ナトリウム一水和物の形状変化および成長挙動

化学工学会第81年会2016年03月

Control of a protein crystallization using the ultrafiltration method

APCChE20152015年09月

痛風における尿酸析出に 与える温度の影響

化学工学会第47回秋季大会2015年09月

タンパク質結晶化に対する層状ケイ酸塩添加の影響

化学工学会第80年会2015年03月

加圧濾過を用いたタンパク質結晶化プロセスの検討

化学工学会第46回秋季大会2014年09月

遠心濾過によるリゾチーム結晶の作製

化学工学会第46回秋季大会2014年09月

Control of protein crystallization by adding layered silicates

ISIC2014年09月

Effect of concentration rate on the crystallization of calcium oxalate by membrane concentration

ISIC2014年09月

Effect of citrate concentration on the crystallization

ACTS20142014年06月

加圧濾過によるタンパク質結晶化の検討

化学工学会第79年会2014年03月

遠心濾過を用いた新規タンパク質結晶化手法の検討

化学工学会第79年会2014年03月

膜濃縮におけるCaC2O4結晶化に与えるクエン酸濃度の影響

化学工学会第79年会2014年03月

膜濃縮におけるCaC2O4結晶化に与えるクエン酸添加の影響

化学工学会第45回秋季大会2013年09月

膜濃縮による尿路結石の再現検討

化学工学会盛岡大会2013年08月

膜分離を用いた濃縮によるCaOxの核化・成長挙動の観察

化学工学会第78年会2013年03月

酸素濃縮器に用いる温度応答性ガスキャリア液の開発

日本生体医工学会2008年05月

詳細

口頭発表(一般)

吸入麻酔導入期における体内麻酔薬動態シミュレーション

化学工学会2008年03月

詳細

口頭発表(一般)

人工鰓システム実用化に向けた性能評価

化学工学会2008年03月

詳細

口頭発表(一般)

温度応答性酸素濃縮器の開発

日本人工臓器学会2007年10月

詳細

口頭発表(一般)

人工鰓システム用ガスキャリア液の酸素親和力制御

日本人工臓器学会2007年10月

詳細

口頭発表(一般)

肺内空気の平均流速および圧力損失の数値解析

化学工学会2007年09月

詳細

口頭発表(一般)

酸素濃縮器に用いる光応答性ガスキャリア液の開発

化学工学会2007年09月

詳細

口頭発表(一般)

Computational Simulation of Respiratory Flow in Human Lung

American Society of Artificial Organs2007年06月

詳細

口頭発表(一般)

Optimization of Convection and Diffusion on Hemodiafiltration by Computational Analysis

European Renal Association, European Dialysis and Transplant Association2005年06月

詳細

口頭発表(一般)

Effects of Hollow Fiber Bias Arrangement on Pressure Drop of Extracapillary Membrane Oxygenator

American Society of Artificial Organs2005年06月

詳細

口頭発表(一般)

Three-dimension numerical evaluations of blood flow and dialysate flow in a hollow fiber dialyzer

European Society of Artificial Organs2005年06月

詳細

口頭発表(一般)

X-ray and Computational Analysis of Membrane Oxygenator

Asian-Pacific Conference on Medical and Biological Engineering2005年04月

詳細

口頭発表(一般)

A Novel Oxygen Concentrator using a Photoresponsive Oxygen Carrier

Asian-Pacific Conference on Medical and Biological Engineering2005年04月

詳細

口頭発表(一般)

Numerical Analysis of Blood and Dialysate Flow Pattern in Dialyzers

European Society of Artificial Organs2004年09月

詳細

口頭発表(一般)

Analysis of Blood Flow in Artificial Lung by X-ray Computed Tomography

European Society of Artificial Organs2004年09月

詳細

口頭発表(一般)

Three-dimensional Simulation of Fluid Flow Pattern and Mass Transfer in The Dialyzer

European Renal Association, European Dialysis and Transplant Association2004年05月

詳細

口頭発表(一般)

Oxygen Uptake Efficiency of Artificial Gill Device and Biologic Gill

International Symposium On Aqua Bio-Mechanisms2003年09月

詳細

口頭発表(一般)

Visualize Blood and Dialysate Flow in Dialyzers by Computational Analysis

European Renal Association, European Dialysis and Transplant Association2002年07月

詳細

口頭発表(一般)

Computational Evaluation of Pressure Drop and Fluid Velocity for Optimal Design of Dialyzers

European Renal Association, European Dialysis and Transplant Association2001年06月

詳細

口頭発表(一般)

外部研究資金

科学研究費採択状況

研究種別:

光応答性ガスキャリア液循環型酸素濃縮器の開発

配分額:¥4420000

研究種別:

電気振動現象を用いた受容体機能の模倣

配分額:¥2100000

研究種別:

光刺激応答性人工えらシステムの開発

配分額:¥3100000

研究種別:

有限要素法を用いたコンピュータシミュレーションによる人工肺の至適設計

配分額:¥1800000

研究種別:

腎臓を模倣した膜晶析装置を用いた尿路結石の発生機構および抑制機構の解明

2016年-0月-2019年-0月

配分額:¥3640000

学内研究制度

特定課題研究

新規晶析装置を用いた尿路結石の工学的検討

2014年度

研究成果概要:尿路結石の主成分はシュウ酸カルシウムであり、クエン酸が結石を抑制することが分かっている。しかし、その詳細は不明であることから、本研究では膜濃縮装置で腎臓を模倣し、実験室の机上で病態を再現することで、その機構を詳細に検討することを目...尿路結石の主成分はシュウ酸カルシウムであり、クエン酸が結石を抑制することが分かっている。しかし、その詳細は不明であることから、本研究では膜濃縮装置で腎臓を模倣し、実験室の机上で病態を再現することで、その機構を詳細に検討することを目的とした。原尿を模した試料溶液を、腎臓を模した限外濾過装置で濃縮した。生体膜に見立てた分離膜には、逆浸透膜を使用した。実験の結果、クエン酸の添加により、結晶が楔形から小粒径の卵円形結晶と大粒径の正八面体結晶に変化した。また、クエン酸濃度が高い場合、八面体の結晶のみが析出するが、クエン酸濃度が低い場合、微細なシュウ酸カルシウム結晶が多量に析出することが分かった。

層状ケイ酸塩を用いた蒸気拡散法によるタンパク質結晶化制御とそのメカニズムの解明

2017年度

研究成果概要: 本研究は、層状ケイ酸塩を添加した蒸気拡散法により、タンパク質の高品質結晶を得ることを目的とした。対象タンパク質の鶏卵白リゾチーム(以下LZM)をpH4.5で一定とし、20 ℃で一定時間静置し、任意の時間ごとに光学顕微鏡で観察した... 本研究は、層状ケイ酸塩を添加した蒸気拡散法により、タンパク質の高品質結晶を得ることを目的とした。対象タンパク質の鶏卵白リゾチーム(以下LZM)をpH4.5で一定とし、20 ℃で一定時間静置し、任意の時間ごとに光学顕微鏡で観察した。 はじめに、層状ケイ酸塩の添加の有無による影響を比較した。無添加系では、結晶数は一定でなく粒径も不揃いであった。一方、層状ケイ酸を添加した場合では、得られる結晶数は1つに減少、安定化した。また、その結果粒径は増大した。 さらに配向性への影響を考察すると、層状ケイ酸塩の添加によって六角形型の結晶析出がほとんどを占めることがわかった。これは、層状ケイ酸塩がタンパク質を収着し{110}{101}面方向の成長と結晶の析出を制御していると考えられる。

膜晶析装置を用いた尿路結石の工学的解析

2015年度

研究成果概要: 近年、尿路結石症が問題視されている。尿路結石とは、尿路で生成し下腹部付近に激痛を生じさせる。さらに罹患率、再発率が非常に高いため、予防法や新たな治療方法を模索する必要がある。今までに、尿路結石の主成分はシュウ酸カルシウム(CaC... 近年、尿路結石症が問題視されている。尿路結石とは、尿路で生成し下腹部付近に激痛を生じさせる。さらに罹患率、再発率が非常に高いため、予防法や新たな治療方法を模索する必要がある。今までに、尿路結石の主成分はシュウ酸カルシウム(CaC2O4)であり、クエン酸に結晶化抑制作用があることが分かっている。そこで本研究では、RO膜を用いた膜分離装置を腎臓に見立てて疑似体液の濃縮を行い、CaC2O4結晶化に与えるクエン酸添加の影響を観察した。その結果、クエン酸添加により結晶形状が変化すること、および、粒径分布にも影響を与えることが分かった。

腎臓を模倣した膜晶析装置を用いた尿路結石の発生機構の分析

2016年度

研究成果概要: 尿路結石症は、尿路に生体内分泌物の成分が固まった無機硬質結石が生じる疾患である。既往研究により、主成分がシュウ酸カルシウムであること、結石形成の抑制物質がクエン酸イオンであること等が知られている。本研究では、工学的な視点から定量... 尿路結石症は、尿路に生体内分泌物の成分が固まった無機硬質結石が生じる疾患である。既往研究により、主成分がシュウ酸カルシウムであること、結石形成の抑制物質がクエン酸イオンであること等が知られている。本研究では、工学的な視点から定量的な評価を行うため、腎臓での尿濃縮を膜濃縮晶析法により再現し、クエン酸イオン添加量および濃縮度を変化させ、クエン酸イオンが結石形成に及ぼす影響を検討した。クエン酸イオン濃度をイオンクロマトグラフィーで定量することにより、結晶生成時の母液濃度と結晶形状および個数や粒径分布の関係を詳細に検討した。その際、カルシウムイオンの濃度にも結晶形成が強く影響を受けていることが示唆された。

温度応答性高分子ミセルを用いたドラッグデリバリーシステムの開発

2000年度

研究成果概要: 薬物は生体に投与された後、その物理化学的および生物学的性質により体の中を移動し、標的部位に到達した薬物分子が組織や細胞と相互作用することによって、治療効果が生み出される。しかし、投与された薬物のほとんどが標的部位以外へ移行し、副... 薬物は生体に投与された後、その物理化学的および生物学的性質により体の中を移動し、標的部位に到達した薬物分子が組織や細胞と相互作用することによって、治療効果が生み出される。しかし、投与された薬物のほとんどが標的部位以外へ移行し、副作用の原因となることがある。薬物を治療したい部位のみに選択的に集積させることができれば、単に薬物による副作用を軽減するのみならず、今まで外科的な治療法しかなかった疾患に対して新たに薬物療法を適用できるなど、従来にない革新的な薬物療法が期待できる。本研究では、薬物のみでは実現不可能な生体内での動きを制御する機能を、薬物キャリアーに付加する方法に注目した。生体内での動きを精密にコントロールできる薬物キャリアーは、薬物を標的部位に選択的に送り込み、結果として最高の治療効果を得ることができる。本研究では、この薬物キャリアーを化学の立場から分子設計し、高分子合成の手法を用いて作製した。 はじめに、生分解性を持つポリラクチドを内核、温度応答性高分子であるポリN-イソプロピルアクリルアミド(PIPAAm)がそれを覆うような外殻を形成する高分子ミセル型に薬物キャリアーの分子設計を行った。このPIPAAmはある特定の相転移温度を境に、温度に応じて親・疎水性を変化させる高分子である。この分子設計は、第1に薬物を高分子ミセル内に内包し、薬物と正常細胞を隔離することで安定に血管内を循環させ、第2に体外から標的部位のみ加温することによって、高分子ミセルの温度応答性外殻の表面物性を変化させることにより、標的部位との相互作用を増大させ局所的に薬物を集積させることができる。このとき、体外からの加温には腫瘍の温熱療法などに用いられ、数mm角の精度で局所加温できるハイパーサーミアが応用できる。本研究において、詳細な分子設計に基づいて、粒径が数十nmの単分散な球形の温度応答性高分子ミセルの作製に成功した。この温度応答性高分子ミセルは、低温では球形を保ったまま長期に水溶液中で安定であることが確認され、高温ではミセル外殻が相転移を起こし表面が疎水性になることによる凝集が観察された。これは、この新規な薬物キャリアーが、体外からの温度刺激により表面物性を変化させ、生体内での動きをリモートコントロールできることを示唆している。さらにこの温度応答挙動を原子間力顕微鏡(AFM)を用いて直接観察することに成功した。また、これらのミセルに抗ガン剤を効率よく内包させる手法を考案し、このミセルの有用性をさらに高めることができた。2000年度は特にこの薬物内包に関する成果を論文にまとめた。

吸入麻酔薬の体内動態シミュレーションの開発

2003年度

研究成果概要: 現在、手術現場では患者の脳内麻酔薬濃度を直接測定できるセンサーがないため、麻酔深度は麻酔医の勘と経験に頼っている。そこで、コンピュータ上で脳内麻酔薬濃度や各臓器内麻酔薬濃度をシミュレーションすることができれば、麻酔医への大きな情... 現在、手術現場では患者の脳内麻酔薬濃度を直接測定できるセンサーがないため、麻酔深度は麻酔医の勘と経験に頼っている。そこで、コンピュータ上で脳内麻酔薬濃度や各臓器内麻酔薬濃度をシミュレーションすることができれば、麻酔医への大きな情報提供や体内動態の理論的理解に寄与できると考えた。 はじめに、麻酔薬の体内動態を計算するために、コンパートメントモデルを作成した。本研究でのモデルのポイントとしては、体内での血流を正確に再現し、肺をガス交換に関与する部分と関与しない部分に分け、麻酔器において開鎖、半閉鎖、閉鎖を再現することができる点である。また、各コンパートメントに物質収支式を適用した。一方、臨床データとして吸気ガス流量、呼気ガス流量、吸気ガス濃度、呼気ガス濃度(end-tidal)を採取し、シミュレータでは吸気ガス流量、吸気ガス濃度より呼気ガス濃度(simulation)を算出した。さらにシミュレータで算出した呼気麻酔薬濃度(simulation)と臨床データの呼気麻酔薬濃度(end-tidal)を比較することでコンパートメントモデルと物質収支式の妥当性について検討を行った。 現在までに、臨床データとして50症例を解析した。これらの解析結果より臨床値とシミュレータ値はほぼ全てにおいて一致した。このことから、今回作製したシミュレータに用いたコンパートメントモデルと物質収支式の妥当性を示すことができた。よって、このシミュレータで算出された脳内の麻酔薬濃度も正確な値であると考えられる。これによって吸気ガス流量と吸気ガス濃度のみから脳内麻酔薬濃度をリアルタイムに表示することが示せた。 本研究で作成したシミュレータは様々な手術においてシミュレータ値と臨床値の誤差が小さいことからコンパートメントモデルと物質収支式は妥当であることがわかった。よってこのシミュレータによって算出される脳内麻酔薬濃度が術中パラメータとして麻酔医に有用な情報を提供できるといえる。

数値流体解析と光造形法を組み合わせた高性能人工肺の開発

2004年度

研究成果概要:【目的】外部灌流膜型人工肺は、形状や中空糸配糸方法によってガス交換能が変化する。この人工肺の性能を実験によって定量的に評価することや、人工肺を試行錯誤によって設計することは多くの時間とコストを要する。そこで本研究では、人工肺の性能...【目的】外部灌流膜型人工肺は、形状や中空糸配糸方法によってガス交換能が変化する。この人工肺の性能を実験によって定量的に評価することや、人工肺を試行錯誤によって設計することは多くの時間とコストを要する。そこで本研究では、人工肺の性能を精度良く評価できる数値解析手法を確立し、その手法を用いて人工肺を至適設計することを目的とした。 【方法】数値解析による人工肺の性能評価は、市販人工肺HPO-20H(泉工医科工業、東京)を解析対象とした。この人工肺の圧力損失と酸素移動速度を解析するために、汎用有限要素法解析ソフトと自作プログラムを使用した。また、数値解析による人工肺の至適設計は、HPO-20Hを基準とした。はじめに、中空糸配糸方法が性能に与える影響と、形状が性能に与える影響をそれぞれ評価した。次に、その評価によって得られた最適中空糸配糸方法と最適形状を用いて既存人工肺を改良した。最後に、改良した人工肺を小型化することにより、人工肺を至適設計した。【結果および考察】人工肺の性能評価において、圧力損失および酸素移動速度は、実測値と解析値が良好に一致した。至適設計において、中空糸配糸方法だけを変化させる場合には、中空糸外径を285 μm、空間率を0.361にすることが最適であった。形状だけを変化させる場合には、モジュール半径を38.6 mm、モジュール高さを108.0 mmにすることが最適であった。また、最適中空糸配糸方法と最適形状をした人工肺は、既存人工肺と比較して膜面積が同じでありながら圧力損失を約56 %減少させることができた。さらに、この人工肺を小型化したところ、既存人工肺と比較してプライミングボリュームを45.5 %、人工肺体積を34.0 %、膜面積を46.2 %減少させることができた。性能の点からは、既存人工肺と比較して血液流量6 L/minで圧力損失を44.8 %減少させながら、酸素移動速度は5.97 %の減少にとどめることができた。【結論】以上より、本研究は市販人工肺を解析対象として、その性能を精度よく評価できる数値解析手法を確立し、人工肺の至適設計を可能とした。

シミュレーション解析と内部電極測定を組み合わせた高性能人工肺の開発

2006年度

研究成果概要:【緒言】外部灌流膜型人工肺のガス交換は血液側境膜律速であり、境膜形成には血液側流動が大きく関与する。そこで本研究では、電極と導電性流体を用いたステップ応答法により測定した電極電圧の変化からモジュール内の流体到達時間分布図を作製し、...【緒言】外部灌流膜型人工肺のガス交換は血液側境膜律速であり、境膜形成には血液側流動が大きく関与する。そこで本研究では、電極と導電性流体を用いたステップ応答法により測定した電極電圧の変化からモジュール内の流体到達時間分布図を作製し、血液側流動を可視化した。モジュールの血液出口に着目して電極位置を設定することで、血液出口形状が人工肺内の血液側流動に及ぼす影響を検討した。【方法】市販の外部灌流膜型人工肺(以下、非対称形状モジュール)と、この人工肺に血液出口を追加した対称形状モジュールの2種類の試験人工肺を評価対象とした。血液出口方向を基準として、モジュール半径方向に90°間隔で電極設置面(a)、(b)、(c)、(d)を設定し、面内に30個(6×5)ずつの電極を設置した。低流量(1 L/min)と高流量(5 L/min)で、血液と同粘度(20℃、3.7 Pa・s)に調製した低導電性流体(グリセリン水溶液)から高導電性流体(グリセリン+3%NaCl水溶液)に切り替えて灌流したときに生じる電極電圧の変化を測定した。測定電圧値を規格化電圧値に変換し、規格化電圧値が0.5となったときを電極への流体到達時間として、流体到達時間分布図を作成し、血液側流動を可視化した。ANSIS-FLOTRAN(サイバネットシステム)により、両試験用モジュールの血液側流動のシミュレーション解析結果と比較した。【結果および考察】各電極への流体到達時間分布において、全ての電極設置面内のモジュール上部および下部で、最外周への流体到達が遅れていた。これらの部位では、淀みが生じる可能性が考えられる。非対称形状モジュールでは、血液出口から最も遠い電極設置面(c)における流体到達が他の設置面と比較して顕著に遅れていた。互いに血液出口から等距離である電極設置面 (b)と(d)の比較では、電極設置面(b)の流体到達が早かった。各面において異なる流体到達分布が示されたことから、非対称形状モジュール内の血液側流は不均一であると考える。対称形状モジュールでは、各面において互いに似た分布が示されことから、モジュール全体の血液側流動は均一であると考える。よって、半径方向に対称なモジュール形状は、血液側流動の均一化に有効であると考える。非対称形状モジュールは低流量において、より顕著に不均一な分布を示したのに対し、対称形状モジュールは、低流量でも均一な分布を示した。そのため、低流量での使用には、対称形状モジュールの使用が有効であると考える。以上の傾向はシミュレーション解析結果とも一致した。【結言】電極と導電性流体を用いたステップ応答法は血液側流動の評価法として有用である。人工肺モジュールの血液側流動はモジュール形状の影響を受けるため、半径方向に対称なモジュール形状にすることで、血液側流動の均一化が可能である。

光応答性ガスキャリア液循環型酸素濃縮器の開発

2006年度

研究成果概要:【緒言】酸素療法とは、呼吸器系疾患の患者に高濃度酸素を吸入させる治療法である。この治療法に用いられる酸素供給源として、空気中の酸素を濃縮する膜型や吸着型の酸素濃縮器が広く用いられている。しかしこれらは、高濃度の酸素を高流量で供給す...【緒言】酸素療法とは、呼吸器系疾患の患者に高濃度酸素を吸入させる治療法である。この治療法に用いられる酸素供給源として、空気中の酸素を濃縮する膜型や吸着型の酸素濃縮器が広く用いられている。しかしこれらは、高濃度の酸素を高流量で供給することができない。そこで本研究では、遮光時に酸素と結合し、光照射により酸素を解離する光応答性酸素運搬体であるピケットフェンス型コバルトポルフィリン(α,α,α,α-Co (TpivPP))を用いて、光に応答して酸素を濃縮する新規酸素濃縮器の開発を行った。【方法】α,α,α,α-Co (TpivPP)を合成するため、まずCollmanの方法に従い、H2TpivPPを作製した。その後G.D. Doroughの方法に従い、中心金属のコバルトを導入することでα,α,α,α-Co(TpivPP)を合成した。その合成物を紫外可視吸収(UV-vis)スペクトルおよびマトリックス支援レーザー脱離イオン化質量分析(MALDI-TOFMS)により同定した。また、これまで人工鰓システムの溶媒として用いられてきた毒性の高いo-xyleneに代わるものとして、シリコーンオイル(SIGMA, St. Louis, MO)、エタノール(Wako, 東京)を検討した。これらの酸素移動性能を評価するため総括物質移動係数および錯体溶解度を測定した。また、膜には酸素透過性の大きな膜として人工肺モジュールなどで使用されている多孔質ポリプロピレン膜(pp膜)を用い、酸素透過性を評価するため、Wilson Plot法により膜抵抗を測定した。Co (TpivPP)を溶解させて作製したガスキャリア液を空気存在下で5時間以上撹拌し、大気飽和させた後に光を照射し、解離酸素による溶存酸素分圧の変化を測定した。【結果および考察】α,α,α,α-H2TpivPPの合成をUV-visスペクトルのポルフィリン環特有の吸収波長により確認した。またMALDI-TOFMS測定結果より得られた分子量も一致した。続く中心金属のコバルト導入は、UV-visスペクトルにおけるポルフィリン環特有の吸収波長が消滅していることにより確認できた。各溶媒の総括物質移動係数を算出した結果、値はシリコーンオイル>エタノール>純水の順になった。また錯体溶解度は、エタノール>シリコーンオイル>純水の順となった。またWilson Plot法による膜抵抗の算出結果から、シリコーンオイルを接触させた場合においても切片の値がほぼ0となり、シリコーンオイルを用いた場合にもpp膜が高い性能を示すことが分かった。次に、光照射によるガスキャリア液の酸素分圧経時変化を測定した。Co(TpivPP) (O2) に光照射することにより、大気中の酸素分圧より40 mmHg高い酸素濃度の空気を供給できることがわかった。従って、光刺激応答性ガスキャリア液に光照射することで、大気中の酸素を約190 mmHgまで濃縮可能であった。【結言】CoTpivPPをシリコーンオイルに溶解させたガスキャリア液を酸素飽和させ、その後、光を照射したところ、約40 mmHgの酸素分圧変化が得られた。このガスキャリア液は酸素濃縮器への応用が可能である。

電気振動現象を利用した味覚センサの開発

2007年度

研究成果概要:【緒言】 我々が生まれながらもつ五感のうち、味覚に着目した。味覚は基本味である甘味、酸味、塩味、苦味、うま味を区別できるが、この生体の感覚器の模倣として、油相に1-オクタノールを用いたオクタノール三相液膜の電位振動に関する研究を行...【緒言】 我々が生まれながらもつ五感のうち、味覚に着目した。味覚は基本味である甘味、酸味、塩味、苦味、うま味を区別できるが、この生体の感覚器の模倣として、油相に1-オクタノールを用いたオクタノール三相液膜の電位振動に関する研究を行った。この液膜系は電位振動波形から化学物質を識別できることから、複数種の化学物質を定性できる味覚センサとして期待される。【実験方法】 電位振動モデルを構築して、電位回復過程を再現した。本モデルでは、液膜間電位を左側界面電位と右側界面電位の差によって表した。さらに左側界面電位を一定として、右側界面電位をモデルから算出した。電位振動波形を再現するために、右側界面におけるドデシル硫酸イオンの吸着過程には実測した電位を代入し、脱着過程には既往モデルに用いたFickの拡散方程式とLangmuir-Hinshelwood式に対流式を加えた。Marangoni効果による対流は時間と共に減衰するため、対流速度は時間の経過に従って減少する関数とした。そして、再現した電位振動波形を、対流速度を0としたときのモデルにおいて再現した電位振動波形と比較することにより、対流が電位振動のモデルに及ぼす影響について検討した。【結果および考察】 対流速度を0としたときのモデルにおいて計算された電位振動波形は、実測の電位振動波形を再現できなかった。よってモデル構築には、界面活性剤の吸脱着・拡散以外の要因を考慮する必要がある。モデルの波形と実測した波形を脱着過程において比較すると、モデルの波形では電位回復が全体的に緩やかであるのに対し、実測した波形では電位回復が脱着開始時に急で、ある程度時間が経過すると緩やかになるという違いがある。よって、実際の現象を考慮した電位振動のモデル構築には、脱着開始時において脱着を促進かつ時間経過に従い脱着を抑制する因子が存在すると考えられる。このような因子としては、右側界面にドデシル硫酸イオンが吸着したときに起こる静電気的反発がある。これを考慮すれば、実際の現象を考慮した電位振動のモデルを構築できると考えられる。【結言】 電位振動のモデル構築には、界面活性剤の吸脱着・拡散以外の要因を考慮する必要がある。対流が電位振動モデルに及ぼす影響は小さい。

現在担当している科目

科目名開講学部・研究科開講年度学期
理工学基礎実験2B 応化先進理工学部2019秋学期
化学数学B先進理工学部2019秋学期
化学数学B  【前年度成績S評価者用】先進理工学部2019秋学期
化学工学基礎実験先進理工学部2019春学期
化学工学基礎実験  【前年度成績S評価者用】先進理工学部2019春学期
化学工学B先進理工学部2019秋学期
化学工学B先進理工学部2019秋学期
化学工学B  【前年度成績S評価者用】先進理工学部2019秋学期
応用化学基礎演習D先進理工学部2019秋学期
応用化学基礎演習D  【前年度成績S評価者用】先進理工学部2019秋学期
応用化学総論先進理工学部2019春学期
応用化学総論  【前年度成績S評価者用】先進理工学部2019春学期
応用化学実験II先進理工学部2019春学期
応用化学実験II  【前年度成績S評価者用】先進理工学部2019春学期
応用化学専門演習先進理工学部2019秋学期
応用化学専門演習  【前年度成績S評価者用】先進理工学部2019秋学期
化学工学実験I先進理工学部2019秋学期
化学工学実験I  【前年度成績S評価者用】先進理工学部2019秋学期
卒業論文先進理工学部2019通年
卒業論文  【前年度成績S評価者用】先進理工学部2019通年
化学工学実験II先進理工学部2019春学期
化学工学実験II  【前年度成績S評価者用】先進理工学部2019春学期
環境調和プロセス工学先進理工学部2019春学期
化学工学総論創造理工学部2019春学期
上級化学工学B先進理工学部2019春学期
Industrial Chemistry先進理工学部2019春学期
Graduation Thesis A先進理工学部2019秋学期
Graduation Thesis B先進理工学部2019春学期
修士論文(応化)大学院先進理工学研究科2019通年
Research on Chemical Engineering大学院先進理工学研究科2019通年
化学工学研究大学院先進理工学研究科2019通年
Advanced Chemical Engineering B大学院先進理工学研究科2019春学期
化学工学特論B大学院先進理工学研究科2019春学期
応用化学特別実験大学院先進理工学研究科2019通年
特定課題演習・実験大学院先進理工学研究科2019通年
応用化学研究倫理大学院先進理工学研究科2019集中講義(春学期)
応用化学研究倫理大学院先進理工学研究科2019集中講義(春学期)
Seminar on Separation Engineering A大学院先進理工学研究科2019春学期
成分分離工学演習A大学院先進理工学研究科2019春学期
Seminar on Separation Engineering B大学院先進理工学研究科2019秋学期
成分分離工学演習B大学院先進理工学研究科2019秋学期
Master's Thesis (Department of Applied Chemistry)大学院先進理工学研究科2019通年