特許 7748085 粒子回転方法及び粒子回転装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2025-09-24

(45)【発行日】2025-10-02

(54)【発明の名称】粒子回転方法及び粒子回転装置

(51)【国際特許分類】

   C12M 1/00 20060101AFI20250925BHJP

   C12M 1/26 20060101ALI20250925BHJP

   B01J 19/08 20060101ALI20250925BHJP

   B01J 19/10 20060101ALI20250925BHJP

【ＦＩ】

C12M1/00 A

C12M1/26

B01J19/08 J

B01J19/10

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2021115505

(22)【出願日】2021-07-13

(65)【公開番号】P2023012076

(43)【公開日】2023-01-25

【審査請求日】2024-04-08

(73)【特許権者】

【識別番号】599002043

【氏名又は名称】学校法人 名城大学

(74)【代理人】

【識別番号】110000497

【氏名又は名称】弁理士法人グランダム特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】市川 明彦

【審査官】戸来 幸男

(56)【参考文献】

【文献】特開２０２０－１９５３７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－２４３９６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】Nat. Commun.，2016年，vol.7, Article number.11085，pp.1-11，doi:10.1038/ncomms11085

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ１２Ｍ １／００－３／１０

Ｂ０１Ｊ １９／００－１９／３２

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

Ｇｏｏｇｌｅ

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

気泡に振動を加えることによって液体に流れを生じさせて粒子を回転させる粒子回転方法であって、
気泡の振動数は、１００Ｈｚから１ＫＨｚまでである粒子回転方法。

【請求項2】

気泡の半径は、０．０５ｍｍから０．３ｍｍである請求項１に記載の粒子回転方法。

【請求項3】

気泡に振動を加えることによって液体に流れを生じさせて粒子を回転させる粒子回転装置であって、
上面に開口した複数の孔を形成しており、複数の粒子を含む純水に浸して前記孔内に気泡を発生させる構造体と、
前記構造体を振動させて、前記気泡を振動させる振動子と、
を備えている粒子回転装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は粒子回転方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

特許文献１は粒子分離用装置を開示している。この粒子分離用装置は、プレート、複数のピラー、及び駆動部を備えている。各ピラーはプレート上の等間隔に離れた位置に起立している。駆動部は、ピラーの周りを周回運動するようにプレートを駆動する。この粒子分離用装置は、プレート上に細胞を含んだ液体を供給し、駆動部を駆動してプレートを周回運動させると、各ピラーの周りの流体に振動誘起流れが生じる。この粒子分離用装置は、各ピラーの周りの流体の振動誘起流れによって、細胞の大きさに応じて移動方向を異ならせて、細胞を分離することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１９－２０８４１８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

近年、人工授精の需要が増えているなど、手作業を上回る高速かつ正確に細胞を回転させて、細胞を正確に位置決めすることができる技術が求められている。特許文献１の粒子分離装置は、流体内の細胞を大きさに応じて分離することを目的とするため、細胞の回転を制御することについて特許文献１には開示も示唆もない。

【0005】

本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、粒子を回転させることができる粒子回転方法を提供することを解決すべき課題としている。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の粒子回転方法は、気泡に振動を加えることによって液体に流れを生じさせて粒子を回転させる。

【0007】

この粒子回転方法は、気泡が振動をすると、周りの液体が振動の影響を受けて、流れが生じる。液体内の粒子は、気泡の振動によって流れが生じた気泡周りの流体によって、回転する。この事象を利用することによって、粒子の三次元の位置決めをすることができる。

【0008】

したがって、本発明の粒子回転方法は、粒子を回転させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】（Ａ）は実施例１の粒子回転方法を確認するために利用される構造体を示す平面視であり、（Ｂ）は（Ａ）の矢視Ｘ－Ｘ断面を示す断面図である。

【図2】周波数による回転数の変化を示すグラフである。

【図3】気泡の振動の仕方を示す説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

本発明における好ましい実施の形態を説明する。

【0011】

本発明の粒子回転方法における気泡の半径は、０．０５ｍｍから０．３ｍｍであり得る。この場合、牛の卵子と略同じ大きさである直径が約０．１５ｍｍの粒子を良好に回転させることができる。

【0012】

本発明の粒子回転方法における気泡の振動数は、１００Ｈｚから１ＫＨｚまでであり得る。この場合、牛の卵子と略同じ大きさである直径が約０．１５ｍｍの粒子を良好に回転させることができる。

【0013】

次に、本発明の粒子回転方法を具体化した実施例１について、図面を参照しつつ説明する。

【0014】

＜実施例１＞
実施例１の粒子回転方法は、図１に示す構造体１０を利用して確認した。構造体１０は、上方から見た平面視において、一辺が約５．０ｍｍの正方形である。構造体１０の厚さは、約１．０ｍｍである。構造体１０は、上面に開口した９個の孔１１が形成されている。各孔１１は、上方から見た平面視において、直径が約０．５ｍｍの円形である。各孔１１の深さは、約０．５ｍｍである。構造体１０を上方から見た平面視において、構造体１０の一対の辺が縦方向に延び、残りの一対の辺が横方向に延びた状態に構造体１０を配置すると、各孔１１は縦横３個ずつ等間隔に配置されている。構造体１０は、下方に配置した振動子２０によって振動する。振動子２０として、スマートフォンのスピーカを利用して振動させることが考えられる。この場合、スマートフォンの顕微鏡アプリケーションを併用すれば、粒子の回転を確認することができる装置を構成することができる。

【0015】

＜粒子の回転方法＞
構造体１０を利用して、複数のマイクロビーズを含む純水内に気泡を発生させ、発生した気泡に振動を加えることによって純水に流れを生じさせてマイクロビーズを回転させる方法について説明する。まず、構造体１０の各孔１１の中に純水が入らないようにグリセリンを塗り、その後、構造体１０を複数のマイクロビーズを含む純水に浸して振動子２０によって構造体１０を振動させる。各マイクロビーズの直径は、牛の卵子の直径と略同じ約０．１５ｍｍである。構造体１０を振動させると、孔１１内に発生した気泡が振動し、気泡周りの純水に流れが生じて、孔１１内において気泡の付近でマイクロビーズが縦回転している様子が認められた。気泡の半径は、約０．０８ｍｍである。振動子２０の振動の周波数を変化させると、図２に示すように、周波数が低くなればマイクロビーズの回転数が増えたが、安定性は低くなった。

【0016】

＜気泡の振動の仕方＞
気泡の振動の仕方は、図３に示すように、通常時、気泡の内部の圧力は一定であり球状である。振動子２０を振動させて構造体１０を振動させることによって、気泡に圧力が内側からかかって変形すると、気泡は元の状態である球状に戻ろうとする。また、振動子２０を振動させて構造体１０を振動させることによって、気泡に圧力が外側からかかって変形すると、気泡は元の状態である球状に戻ろうとする。これを繰り返すと、気泡は振動し、気泡の周りの液体も気泡の振動の影響を受けて流れを生じ、マイクロビーズが縦回転する。

【0017】

＜振動による気泡周りの流れ発生＞
気泡に作用する力と、気泡の変形について理論式より検討した。今回使用した振動子２０の音圧レベルは３０ｄＢである。振動子２０から発生する音圧を求める式を（１）式に示す。ここで、Ｌは音圧レベル、ｐは観測値、ｐ_０は基準値である。

【0018】

【数1】

【0019】

基準値ｐ_０は２．０×１０^―５［Ｐａ］であるので、観測値ｐは（２－２）式で示される。

【0020】

【数2】

【0021】

ヤング率の式は（３）式で示される。ここで、εはひずみ、Ｅはヤング率、δは応力である。

【0022】

【数3】

【0023】

求めた音圧を応力とし、ヤング率を水の表面張力とすると求めるひずみは（４）式で示される。

【0024】

【数4】

【0025】

ひずみεは別式ε＝ΔＬ／Ｌでも表せる。ここで、ΔＬは変形量であり、Ｌは元の気泡の大きさである。よって、元の気泡の半径を０．１ｍｍとすると（５）式が求められる。

【0026】

【数5】

【0027】

気泡の運動は、ばねの運動と類似しているので、フックの法則の（６）式が適用される。ここで、ｋは、ばね乗数であり、気泡の表面張力が相当する。ｘは変位量である。

【0028】

【数6】

【0029】

先ほど求めた変形量にするためには、（７）式となる。

【0030】

【数7】

【0031】

よって、１．２×１０^－４Ｎ以上の力が働けば、１．７μｍの振幅の振動が発生して、粒子を縦回転させる流れが発生すると考えられる。

【0032】

以上説明したように、実施例１の粒子回転方法は、気泡に振動を加えることによって純水に流れを生じさせてマイクロビーズを回転させる。この粒子回転方法は、気泡が振動をすると、周りの純水が振動の影響を受けて、流れが生じる。純水内のマイクロビーズは、気泡の振動によって流れが生じた気泡周りの純水によって、回転する。

【0033】

したがって、実施例１の粒子回転方法は、マイクロビーズを回転させることができる。

【0034】

実施例１の粒子回転方法における気泡の半径は、０．０８ｍｍである。この場合、牛の卵子と略同じ大きさである直径が約０．１５ｍｍのマイクロビーズを良好に回転させることができる。

【0035】

実施例１の粒子回転方法における気泡の振動数は、１００Ｈｚから１ＫＨｚまでである。この場合、牛の卵子と略同じ大きさである直径が約０．１５ｍｍのマイクロビーズを良好に回転させることができる。

【0036】

本発明は上記記述及び図面によって説明した実施例１に限定されるものではなく、例えば次のような実施例も本発明の技術的範囲に含まれる。
（１）構造体の外径及び寸法は適宜変更することができる。
（２）構造体に形成された孔の形状及び寸法は適宜変更することができる。
（３）構造体を振動させる振動子は、スマートフォンのスピーカ等を利用して構造体を振動させてもよい。

【符号の説明】

【0037】

１０…構造体
１１…孔
２０…振動子

【図1】

【図2】

【図3】