スーパーコンピュータ「富岳」が細胞選別の新しい原理を明らかに

スーパーコンピュータ「富岳」が解明した新たな細胞選別の原理

大阪大学と理化学研究所、関西大学、岡山大学による共同研究が、マイクロ流路内での柔らかい粒子の挙動に関する新たな知見を提供しました。この研究は、スーパーコンピュータ「富岳」を駆使して行われたもので、特に細胞のような柔らかい粒子の集束のメカニズムを解明するものでした。

研究の背景

従来、マイクロ流路における粒子の集束パターンに関する研究は、主に硬い粒子を対象にしていました。柔らかい粒子の動きについての理解は不足しており、実験的に確認されることは少なかったため、数値シミュレーションによる予測がいくつか存在していましたが、実験によってその精度を計ることができたのは本研究が初めてです。

研究チームは、柔らかいヒドロゲル粒子を数多く用意し、それらの挙動を実験的な手法で詳細に観察しました。その結果、粒子の変形性が流路内の集束パターンに大きな影響を与えることが判明しました。具体的には、硬い粒子が流路の壁際に集まるのに対し、柔らかいヒドロゲル粒子は流路の中心部や対角線上に集まる傾向があることが明らかになりました。

主要な成果

研究の核心は、スーパーコンピュータ「富岳」を利用した大規模な数値計算と、新しい理論モデルの開発にあります。レイノルズ数とキャピラリー数を変数にすることで、集束パターンがどのように変化するかを示す相図を作成しました。この相図により、「相転移」が発生する条件を特定し、その背景となる物理的メカニズムも解明されました。

この発見は、次世代マイクロ流体デバイスの開発へとつながり、特にがん細胞の早期発見など医療分野での有望な応用が期待されています。粒子の変形性をうまく活用することで、より効率的に細胞を選別する技術が提供できるかもしれません。

研究者のコメント

大阪大学大学院基礎工学研究科の廣畑佑真さんは、この研究を通じて「粒子にかかる力が非常に小さく、動きがゆっくりなため、計算には多くの時間を要した」と述べています。多種多様な条件を考慮に入れることで、多くのパラメーターを計算し、ついに明確な整理ができたことに対して大きな達成感を得たとのことです。

研究結果の掲載

本研究の成果は、専門学術誌「Journal of Fluid Mechanics」に掲載され、タイトルは『Experimental and numerical study on the inertial migration of hydrogel particles suspended in square channel flows』です。この研究は、日本学術振興会からの支援を受け、さらには理化学研究所の「富岳」などの先進的な計算資源を活用して進められました。これにより、流体力学の理解を一層深めることができると期待されています。

この画期的な研究は、今後の医療技術においても重要な役割を果たす可能性があり、多くの人々の健康と生活の質の向上に寄与することが期待されます。