粒子法を用いた赤血球の変形シミュレーション - 日本流体力学会

ながれ 26(2007)49 − 55
49
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赤血球は静止流体中において両凹円盤状,流れ中においてカップ状と非常に特異な形状をしている.本研究で
は赤血球膜と伸びと曲げの 2 種類のバネによりモデル化し,粒子法の 1 つである Moving Particle Semi-implicit
(MPS) 法と組み合わせることで静止流体中と流れ中における変形シミュレーションを行った.また,変形指数
という変形の度合いを表す無次元数を用いて実験値との比較を行った.
Simulation of Red Blood Cell Deformation
Using a Particle Method
Masayuki TANAKA, The Department of Engineering, The University of Tokyo
Seiichi KOSHIZUKA, The Department of Engineering, The University of Tokyo
(Received 5 September, 2006; in revised form 13 November, 2006)
A red blood cell (RBC) shows a biconcave shape in a static fluid, while it shows a cup shape in a flow. In this study, the
RBC membrane is modeled by stretching springs and bending springs and the fluid is calculated by the Moving Particle
Semi-implicit (MPS) method. The RBC became to the biconcave shape in a static fluid, as well as it is deformed to the
cup shape in a flow. It is shown that the specific shapes of an RBC can be explained by normal mechanics of elasticity.
(KEY WORDS): Particle Method, Red Blood Cell, Deformation, Spring Model, Biomechanics
1 ደųᚕ
酸素を全身に送るはたらきをする赤血球は静止流体中
においては直径約 8 μ m の両凹円盤状,流れ中におい
ては片側だけが凹んだカップ状と,非常に特異な形状を
しており,流れの中で絶えず外力が加わっているにも関
わらず破壊されることなく自由に変形して流れる 1)2)3) .
また外力によって変形した後に外力を取り去ると元の両
凹円盤状へと戻るという性質がある.この形状は球に比
べて体積あたりの表面積の割合が大きく,酸素等の物質
を生体内の組織において交換するのに有利であること
はわかっているが,なぜこのような形状になるのかはま
だ十分には明らかにされていない.また,変形能の非常
に高い正常赤血球は自身よりも細い毛細血管中をも通
過することができるが,古くなった赤血球や遺伝性球状
赤血球症に見られるような球状赤血球は変形能が低く,
細い流路を通過することができない.これらの赤血球は
∗〒
113–8656 東京都文京区本郷 7–3–1
tanaka@mps.q.t.u-tokyo.ac.jp
† E-mail:
脾臓で捕獲され,破壊される.遺伝性球状赤血球症では
多くの赤血球が破壊され,貧血や脾腫等の症状を引き起
こすことになる.
赤血球の構造は膜構造と細胞質内構造とに分けるこ
とができるが,細胞質内構造には特異な構造物はなく,
赤血球の変形能は赤血球膜構造に起因すると考えられ
る.赤血球膜は約 7nm のリン脂質二重層とその直下に
裏打ちされた細胞骨格から構成されている.細胞骨格は
網目構造をしており,二重層の直下に六角形構造により
繋がっている.この膜二重層と細胞骨格により,赤血球
膜は自由に変形する性質を持つ.また,赤血球膜は引っ
張り方向に非常に強い抵抗を示し,変形過程において表
面積はほとんど変化しない.
和田・小林 4) は 3 次元において初期状態を球状とし
た赤血球膜の体積を減少させながら面内変形によるバ
ネ,曲げによるバネ,面積変化によるバネのエネルギー
最小化問題を解くことで両凹円盤状が表れることを示
した.坪田ら 5) や藤田・青木 6) は粒子法を用いて 2 次
粒子法を用いた赤血球の変形シミュレーション
50
元流体中において流れ中における赤血球の変形を解析
以下の重み関数を用いて計算される.
しているが,3 次元での解析は行っていない.坂東・大
場 7) は Immersed Boundary 法を用いて 3 次元流れ中に
re
r
w(r) =
おいて両凹円盤状の赤血球がカップ状となって流れる様
− 1 (r ≤ re )
0
(re < r)
(3)
子を解析している.しかし,このモデルでは両凹円盤形
ここで,r は粒子間の距離であり,re は影響半径,つま
状を初期状態として与えているため,なぜ両凹円盤状
り,粒子間の相互作用が及ぶ距離である.この重み関数
となるのかという問いに対する答えにはなっていない. を用いて,粒子 i の粒子数密度 n を以下のように定義
山田ら 8) は Immersed Boundary 法を用いて 3 次元にお する.
いて赤血球が両凹円盤状となる様子,その両凹円盤状赤
血球が流れ中においてカップ状に変形して流れる様子の
解析を行っている.田中ら 9) は SPH 法を用いて 3 次元
流体中において赤血球が狭窄部を通過する解析を行って
いるが,赤血球膜に曲げ剛性が含まれておらず,静止流
体中における両凹円盤状,流れ中におけるカップ状とい
10)
う形状を再現してはいない.Pozrikidis
は赤血球が両
[n]i =
w(|r j − r i |)
これらを用いてグラディエントとラプラシアンはそれぞ
れ次のようにモデル化される.
[∇φ]i =
d
n0
凹円盤状になる様子,せん断流れ中において回転運動を
する様子の解析を行っている.Queguiner ら 11) は流体
中におけるカプセルのシミュレーションを行っている.
また,赤血球の変形能に関する実験も多く行われて
いる.Tsukada et al.14) や Jeong et al.15) は変形指数 (De-
(4)
j=i
[∇2 φ]i =
φj − φi
(r j − r i )w(|r j − r i |)
|r j − r i |2
j=i
2d
n0 λ
[(φj − φi )w(|r j − r i |)]
(5)
(6)
j=i
ここで n0 は粒子数密度の一定値である.これについて
は 2.3 節において記述する.
formation Index) と呼ばれる変形の度合いを表す無次元
数を用いてそれぞれ生体外,生体内において流速と変形
指数の関係を測定している.
2.3 ᩼‫ן‬጑வˑ
MPS 法において非圧縮条件,つまり連続の式を満た
3 次元流体中において赤血球が両凹円盤状であること
を説明付け,なおかつ流れ中での解析を行い実験値と比
すことは,粒子数密度が一定であるという条件に置き換
較した例はない.そこで本研究では大変形を容易に計算
的な計算方法としては圧力項以外を計算し粒子を移流
することのできる粒子法の一つである Moving Particle
させた後に,粒子数密度が一定になるように圧力項を陰
Semi-implicit (MPS) 法
12)13)
とバネモデルを用いて赤血
球膜の特性を通常の弾性力学によりモデル化し,静止流
体中において両凹円盤状になる様子と流れ中において
カップ状になる様子のシミュレーションを行うことを目
えられる.この粒子数密度の一定値を n0 とする.具体
的に解き粒子配置の補正を行う.その際の圧力計算の式
は以下の式で与えられる.
∇2 P n+1 = −
ρ n∗ − n0
∆t2 n0
(7)
的とする.また,Tsukada el al. の実験結果と比較を行
ここで,n∗ は移流項により粒子を移動させた後の一時
い,赤血球膜のメカニズムについて考察する.
的な粒子数密度である.
2 MPS ඥ
2.4 ᝟‫ן‬ᚘም
通常の MPS 法では負圧は計算されない.これは自由
2.1
ૅᣐ૾ᆉࡸ
本研究では毛細血管中の流れを非圧縮性として解析
を行った.非圧縮流れの支配方程式は以下に示す連続の
式と Navier-Stokes 方程式である.
表面粒子の圧力値が 0 であるという境界条件を用いて
式 (7) のポアソン方程式を解くためである.自由表面粒
子は粒子数密度が低いことにより判定される.しかし,
赤血球膜面,および内部には負圧が生じるため,本研究
Dρ
=0
Dt
(1)
Du
∇P
=−
+ ν∇2 u + F
Dt
ρ
(2)
では赤血球粒子に限って自由表面の境界条件を用いず負
圧を計算するものとする.赤血球の周りに流体が満たさ
2.2 ቩ‫᧓܇‬Ⴛʝ˺ဇȢȇȫ
MPS 法では Navier-Stokes 方程式中の微分演算子を粒
子間相互作用に置き換えて計算する.粒子間相互作用は
れている状態ならば赤血球内に自由表面が発生するこ
とはないので,負圧を計算しても不自然な挙動が表れる
ことはない.
田中正幸・越塚誠一
3 ហᘉྶƷȢȇȫ҄
3.1
3.3
51
୺ƛ૾ӼƷȐȍ
赤血球膜を厚みを持った弾性体とすると伸びに対する
ហᘉྶቩ‫܇‬
本研究では赤血球膜と赤血球内部流体ともに粒子の
集合として表現した.粒子間距離を l0 = 1.0µm とし,
1 個の赤血球には 389 個の粒子を用いた.そのうち,最
外部にある 186 個の粒子を赤血球膜粒子とし,その膜粒
子に Fig.1 のように膜が三角形で区切られるようにつな
がりを持たせ,以下に示す 2 種類のバネの力を与える.
抵抗だけでなく曲げに対する抵抗も生じる.本研究で
は隣り合った三角形に以下のような力 F b を加えること
により,赤血球膜の曲げに対する抵抗をモデル化した.
Fig.2 のように 2 つの隣り合った三角形要素の各粒子に
働く力 F b は以下のようになる.
[F b ]i = [F b ]j = −
その他の 203 個の粒子は赤血球内部粒子である.赤血
球の膜粒子と内部粒子ともに血漿と同じ物性値を持つ
流体であるとして解析を行うものとする.
(10)
π−θ
)nk
2
(11)
π−θ
)nl
2
(12)
[F b ]k = kb tan (
[F b ]l = kb tan (
[F b ]k + [F b ]l
2
ここで θ は隣り合った三角形がなす角度であり,kb は曲
げ方向のバネ定数である.nk ,nl はそれぞれ Fig.2 に
おける三角形 ikj と三角形 ijl の法線ベクトルである.
θ = π ,つまり完全に水平な場合には力がはたらかず,
θ = 0,つまり完全に折れている場合には無限大の力が
はたらく.局所的に見るとこのバネは隣り合った面を水
平に保とうとするはたらきがあり,赤血球膜全体に適用
すると膜を球状にしようとするはたらきがある.
‫ ׋‬1 Initial state of RBC
3.2
˦Ƽ૾ӼƷȐȍ
赤血球膜は伸び方向の力に対しては非常に大きな抵
抗力を持ち,大きく変形する場合においても表面積は
ほとんど変化しない.これは薄膜弾性体としての性質
であり,これの離散的なモデルとして各膜粒子間の距離
‫ ׋‬2 Spring model
を一定かつ均一に保つような力を加える.粒子 i と粒子
j が伸びバネで接続されている場合,各粒子 i に働く力
[F s ] は以下の式で与えられる.
rj − ri
[F s ]i = ks (|r j − r i | − l0 )
|r j − r i |
(8)
[F s ]j = −[F s ]i
(9)
3.4 ්˳ƱƷᡲ঺
本研究では外部流体,赤血球内部流体,および膜とい
う 3 種類の物性を扱うが,それぞれに関しての非圧縮
ここで l は粒子間の距離,l0 は初期状態における膜粒
条件を解くわけではなく,MPS 法を用いて全てを同時
に統一的に解いている.これにより全ての物質に関して
非圧縮条件が満たされる.
子の平均粒子間距離,ks は伸び方向のバネ定数である.
このバネの力と MPS 法の非圧縮条件が赤血球膜の表面
積一定条件に大きく関わっている.和田らのモデルでは
3.5
ཋࣱ͌
血漿の密度は 1.03 × 103 kg/m3 ,動粘性係数は 1.2 ×
10−6 m2 /s であるが,実際の毛細血管中の流れは赤血球
れはメッシュがつぶれてしまわないための条件であり, の変形能の影響で非ニュートン性を示す.その見かけ
−7 2
物理的な意味を持つものではない.また MPS 法を用い の動粘性係数は 1.0 × 10 m /s である.しかし, 血漿
て非圧縮流体を解析する本モデルではそのような条件は 自体はニュートン流体であるので,本研究では流体粒
3
3
必要ではないため,面積に関するバネは用いていない. 子は全て密度 ρ = 1.0 × 10 [kg/m ],動粘性係数 ν =
−7
2
1.0 × 10 [m /s] のニュートン流体として扱った.また,
表面積を一定に保つためのバネが用いられているが,こ
粒子法を用いた赤血球の変形シミュレーション
52
毛細血管中の平均流速は 0.5∼1.0 × 10−3 m/s なので,
代表長さを 10µm とすると,レイノルズ数は 1.0 × 10
−2
∼1.0 × 10
4
−3
である.
ǷȟȥȬȸǷȧȳ
格子状に粒子が配置されたいびつな初期状態から解
析開始直後にきれいな球状となり,球状のまま徐々に
体積が減少していく.その後 t = 2.0 × 10−2 [s] におい
て急激に変形が起こり,最終的に t = 6.0 × 10−2 [s] に
おいて直径 10µm,厚さ 3µm の両凹円盤状となり,こ
4.1 ᩺ഥ්˳ɶƴƓƚǔǷȟȥȬȸǷȧȳ
実際の赤血球は静止流体中において両凹円盤状であ
れ以降は変形しない.この解析において,各バネ定数
る.その形状をシミュレーションにより実現できるかど
た.ここで,これらの値とは大きく異なる値を用いる
うかを調べるために静止流体中における変形シミュレー
と膜らしい挙動とはならなかった.膜らしい挙動とな
ションを行った.ここでは和田らの方法を参考にし,球
を ks = 1.0 × 10−6 [N/m],kb = 1.0 × 10−12 [N ] とし
るおよその範囲は,1.0 × 10−7 < ks < 1.0 × 10−5 ,
状を初期状態として赤血球にバネの力を加え,表面積
1.0 × 10−13 < kb < 1.0 × 10−11 だった.また,曲げ方
を一定に保ちつつ表面積と体積の比率が実際の赤血球
向のバネ定数を大きくすると赤血球は球状となり変形
のものと一致するまで体積を減少させた.具体的には
しにくくなるという性質が見られた.逆に曲げ方向のバ
球状を初期状態とした場合、体積を初期状態の 60 %に
ネ定数を小さくすると変形しやすくなった.
する.非圧縮流体を扱う MPS 法の場合,各粒子が一定
の堆積を持っていると考えることができる.そのため,
赤血球の体積を変化させることは赤血球内部の粒子数
を変化させることと同じである.ここでは赤血球の内部
粒子数を初期状態の 60 %にする.
Fig.1 に示した初期状態の周囲は流体で取り囲まれて
おり,流速や外力はないものとする.これに 2 種類のバ
ネの力を加えつつ 3.0 × 10−4 s に 1 個の割合で粒子を抜
き取っていく.この際,膜の近傍にある粒子が取り除か
れると膜付近で負圧が発生し,膜が不自然に変形してし
まうため,赤血球の中心部に最も近い粒子を取り除く
ものとする.t = 3.0 × 10−2 [s] において,赤血球の体積
が初期状態の 60 %,つまり内部粒子数が 121 個となり,
これ以降は体積を変化させないようにすると,Fig.3 に
示すような変形が見られた.
4.2 ්ǕɶƴƓƚǔǷȟȥȬȸǷȧȳ
実際の赤血球は血管中をカップ状に変形して流れる.
この変形は粘性流の速度勾配によるものであり,流線の
乱れを押さえ,抵抗を低くする作用がある.ヘマトク
リットの高い部分では血液は非ニュートン性を示し,見
かけの粘性は低くなる.この流れ中においてカップ状と
なるという性質をシミュレーションにおいて実現できる
かどうかを調べるための解析を行った.
この解析における計算条件を以下に示す.初期状態に
おいて Fig.4 のように両凹円盤状の赤血球を流路に対し
て垂直に配置し,流体全体に圧力勾配に相当する一様
な外力を加えることにより流速を与えた.ただし,赤血
球膜内側にも流体粒子が満たされており,流路の両端は
周期境界により繋がっている.本解析において各バネ定
数を ks = 1.0 × 10−6 [N/m],kb = 1.0 × 10−12 [N ] とし
た.平均流速は u = 3.33 × 10−4 [m/s] であり,赤血球
のない状態ではポアズイユ流れになる.また,周期境界
部における圧力を 0 とし,この値を基準に個々の粒子
の圧力値を求めている.この解析の結果,初期状態に
おいて両凹円盤状だった赤血球が Fig.5 のようにカップ
状に変形して流れた.Fig.5 は赤血球膜と壁のみ描画し
‫ ׋‬3 Deformation from sphere to biconcave shape
‫ ׋‬4 cross-section of the channel
田中正幸・越塚誠一
53
ているが実際には赤血球膜の内側と外側の両方に流体
粒子が存在する.一度カップ状に変形してしまうと,そ
の後はほとんど変形せず,安定して流れていく.また,
流れを止めると元の両凹円盤状に戻った.Fig.5 におい
て赤血球は片側に若干傾いた非対称な形状をしている.
毛細血管のような低レイノルズ流れ中において何故こ
のような非対称性が現れるのかは定かではないが,実際
の血管中においてもこのような非対称な形状となるこ
とが観測されている.
‫ ׋‬6 Relation of velocity and deformation index
ただし,F は引っ張りの力,S は断面積,E はヤング
率,∆l(= l − l0 ) は伸びである.式 (8)(9)(14) より,伸
び方向のバネ定数とヤング率の関係は次式で表される.
ks =
ES
l0
(15)
また,ヤング率と曲げの関係は,
‫ ׋‬5 RBC in the flow deforming to a cup shape
h=
W L3
4Ea2 S
(16)
である.ただし,Fig.7 に示すように,h はたわみ量,W
4.3
᬴ܱƱƷൔ᠋
は荷重,L は固定点間の距離,a は膜の厚さである.こ
Tsukada et al. および Jeong et al. が用いた変形指数の
定義を以下に示す.変形指数 DI は赤血球の流れ方向の
に対応付けて考える.式 (10)(11)(12)(16) より,ヤング
長さ I と流れと垂直方向の長さ w を用いて以下のよう
率と曲げ方向のバネの関係は以下のようになる.
こで,Fig.7 で表される状態を,Fig.2 の曲げ方向のバネ
に表される.
I
DI =
w
(13)
ここでは Tsukada et al. の実験を模擬するシミュレーショ
ンを行い,変形指数を実験値と比較した.入口と出口が
一辺 13µm の正方形断面を持つ流路であり,途中で幅
9µm となる.変形指数の測定はこの細い部分で行った.
速度と変形指数のプロットをしたのが Fig.6 である.こ
の図を見ると速度 0 の状態から急激に変形指数が上昇
しその後速度が大きくなるにつれて変形指数が徐々に
大きくなるという傾向は実験結果と一致しているが,シ
ミュレーション結果は実験値よりもやや小さい値となっ
ている.しかし実験結果にもかなりのばらつきがあるた
め,定量的な一致は非常に良いと言える.
Ea2 S
2l02 sin2 (θ/2)
(17)
赤血球のヤング率を E = 1.0[M P a],膜の厚さを a =
7[nm] とすると,伸び方向のバネ定数の理論値はは ks∗ =
1.0 × 10−2 [N/m] であり,実際に用いた値 ks = 1.0 ×
10−6 [N/m] とは全く異なるオーダーとなっている.も
し伸び方向のバネ定数に理論的に得られる値を用いる
と,膜の三角形が正三角形になろうとする力が強くはた
らき,正三角形の集合からなる幾何学的な形状となり,
全く変形しなくなる.従って計算上は伸び方向のバネ定
数を小さくする必要がある.本研究で用いた値は,経験
的に決めたものである.また,曲げ方向のバネ定数の理
論値は kb∗ = 1.75 × 10−13 [N ] であり,これは本研究で
用いた値 kb = 1.0 × 10−12 [N ] との間におよそ 5.7 倍の
差異が見られたがオーダーは同じものとなっている.赤
ᎋ‫ݑ‬
5
kb =
血球のヤング率や膜の厚さにはかなりの誤差があると
5.1
Ȑȍ‫ܭ‬ૠƱȤȳǰྙƷ᧙̞
考えられるので,良い一致が得られたと言える.なお,
ヤング率と伸びの関係は次式で表される.
F
∆l
=E
S
l0
粒子間距離を変更した場合はバネ定数も適宜変更する
(14)
必要がある.
54
粒子法を用いた赤血球の変形シミュレーション
‫ ׋‬7 Force and bending
5.2 ᘙ᩿ᆢ
実際の赤血球は引っ張り方向に非常に強い抵抗を持
‫ ׋‬9 Pressure of two points
ち,表面積はほとんど変化しないと考えられる.実際伸
び方向のバネ定数に理論値を用いた場合,表面積はほと
んど変化しない.しかし,5.1 節で述べたように伸び方
向のバネ定数を意図的に弱くしたため,表面積一定条件
は厳密には満たされていない.Fig.8 は球状から両凹円
5.4 ්ǕɶƷᚐௌƴ᧙Ƣǔᎋ‫ݑ‬
5.4.1 ්ែ࢟ཞƷࢨ᪪
実際の血管は円管であるが,本研究では流路を全て矩
盤状への変形過程における表面積の変動の様子である. 形流路としている.ここで,流路を幅 13µm の矩形流路
変形途中において表面積に大きな変動が見られる.ただ から直径 13µm の円管に変更し,同様の計算を行った
し,初期状態において赤血球を直径 8.0µm の球として
いるので、表面積の理論値は S = 2.01 × 10
−10
2
[m ] で
あり,最終的な表面積はその値付近に落ち着いている.
従って表面積一定条件はほぼ満たされていると言える.
ところ,ほぼ同じ結果が得られた.このことから,流路
が矩形流路であることの影響はほとんどないと言える.
5.4.2
ហᘉྶƷИ஖ᣐፗƷࢨ᪪
初期状態における赤血球の向きを流路に対して垂直
な方向から平行な方向へと変更しても,赤血球はカップ
状に変形し,ほぼ同様の結果が得られた.つまり,流れ
中において赤血球がカップ状に変形するのは初期配置に
は関係なく,流れの状態によって決まるものであると言
える.
5.4.3
ȐȍƷщƱቬࣱщƷᤊǓӳƍ
毛細血管のように 1.0 × 10−2 程度の低レイノルズ数
流れにおいては,圧力よりも粘性力が支配的になると考
えられる.ここでは粘性力と圧力とバネの力に関する
評価を行った.力を測定するのはカップ状の凹み部分に
‫ ׋‬8 Variation of surface area
ある粒子とする.Fig.10 は赤血球が流路中をカップ状と
なって流れる際に,上記の測定点にはたらくバネの力,
粘性による力、圧力による力の大きさをそれぞれ加速
度としてプロットしたものである.最初から最後まで粘
5.3 ᩺ഥ්˳ɶƴƓƚǔᚐௌƴ᧙Ƣǔᎋ‫ݑ‬
静止流体中において赤血球が球状から両凹円盤状へ
性力とバネ力が支配的であり,全体的に粘性力の方が強
と変形する過程において,凹みが生じる部分 (cave) と丸
また,凹み部分だけでなく,他の部分についてもほぼ同
みを帯びている部分 (edge) の 2 つの点について圧力値
様の結果が得られた.また,曲げ方向のバネの力を 0 と
を測定した.その結果が Fig.9 である。この結果より、
して流れ中の解析と行ったところ,結果はほとんど変わ
両凹円盤状の凹み部分は内部から強い負圧によって引っ
らなかった.このことから流れ中での解析では伸び方向
張られることによって生じると言える.なお本研究では
くなっている.圧力は終始ほとんどはたらいていない.
のバネに比べて曲げ方向のバネの力が弱く,曲げ方向の
非圧縮性流体を扱っているため,圧力は相対値である. バネの力がほとんど効いていないと考えられる.
4.2 節に示したように圧力の基準値を 0 としているので
ここでいう負圧はその基準値からの相対値である.
田中正幸・越塚誠一
55
4) 和田成生, 小林亮, 膨潤赤血球の体積減少に伴う形
状変化の数値シミュレーション, 日本機会学会論文
集 (A 編), 69, 14-21, (2003).
5) 坪田健一, 和田成生, 山口隆美, 血流に及ぼす赤血球
の変形能の影響 (粒子法シミュレーションによる検
討), 日本機会学会第 17 回バイオエンジニアリング
講演会講演論文集, 04, 241-242 (2005).
6) 藤田幸多雄, 青木尊之, 粒子法を用いた複雑形状の
ミクロスケール血流シミュレーション, 日本機会学
会第 17 回バイオエンジニアリング講演会講演論文
‫ ׋‬10 Acceleration by pressure, viscosity and springs
集, 04, 245-246 (2005).
7) 坂東潔, 大場謙吉, 赤血球の変形に関するモデル化
と数値シミュレーション, 日本機械学会第 17 回バイ
6
ኽųᚕ
本研究では赤血球膜モデルとして伸びと曲げによる 2
種類のバネを用いたモデルを構築し,そのバネモデルと
MPS 法を組み合わせることにより赤血球と流体との相
互作用のシミュレーションを行った.この手法により,
赤血球が静止流体中において両凹円盤状となることを
力学的に説明し,なおかつそのモデルを用いて流れ中に
おいてカップ状に変形して流れることのシミュレーショ
ンを行うことができた.また,変形指数を用いてシミュ
レーション結果と実験結果を比較したところ,非常に良
い一致が得られた.本研究により,静止流体中において
両凹円盤状,流れ中においてカップ状という赤血球の特
異な形状が特別な内部構造によるものではなく,通常の
弾性力学により説明できることを示した.ただし,伸び
方向のバネが実際よりも弱いものであるという問題が
あり,また,スケールを変えた場合のバネ定数の変化の
調査や複数の赤血球が作用する様子の解析等は今後の
課題である.
謝辞:本研究は科学技術振興機構 (JST)・戦略的創造研
究推進事業 (CREST) の支援により行われた.ここに感
謝の意を記します.
ࡽဇ૨ྂ
1) Boal, D. , Mechanics of the Cell, Cambridge Press
(2002).
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