ニューズレター

流れ 2018年1月号 目次

― 特集テーマ:2017年度年次大会 ―

  1. 巻頭言
    (本澤,黒澤)
  2. 機能性流体工学の研究展開
    西山秀哉(東北大学)
  3. イルカの体表面から着想を得た抵抗低減法と熱伝達促進
    萩原良道(京都工芸繊維大学)
  4. レーザー誘起マイクロジェットの軟質材料への注入深さに関する研究
    遠藤奈々美,河本仙之介,田川義之(東京農工大学)
  5. 液体急加速時における新しいキャビテーション数の提案
    木山景仁(東京農工大学),Zhao Pan(ユタ州立大学),田川義之(東京農工大学),Jesse Daily(Naval Undersea Warfare Center),Scott Thomson(ブリガムヤング大学),Randy Hurd,Tadd Truscott(ユタ州立大学)
  6. 粘弾性流体を利用したニュートン流体の乱流維持機構の解明
    堀本康文,後藤晋(大阪大学)

 

レーザー誘起マイクロジェットの軟質材料への注入深さに関する研究


遠藤 奈々美,
河本 仙之介,
田川 義之,
東京農工大学

 

 埼玉大学で開催された日本機械学会2017年度年次大会において,日本機械学会流体工学部門優秀講演表彰を頂いた.本稿ではその発表内容である,レーザー誘起マイクロジェットの軟質材料への注入深さに関する研究について,概要を述べる.

 近年,針を用いた従来の注射器に代わる低侵襲医療デバイスとして,無針注射器の開発が期待されている.無針注射器とは,薬剤を液体ジェットとして射出し体内に直接注入するデバイスである.無針注射器に応用する液体ジェットとして,Tagawaら(1)のレーザー誘起マイクロジェットが注目を浴びている.レーザー誘起マイクロジェットは,細管内の液体にパルスレーザーを照射することで生成される.レーザーの照射により液体が瞬時に気化し,気泡の急拡大により衝撃波が生じる.衝撃波が凹面形状の気液界面へ伝播し,界面にて流れの集束が生じることで,先端ほど細く鋭い形状を有する高速マイクロジェットが生成される.無針注射器への応用のためには,マイクロジェットの注入現象について詳しく調査する必要がある.注入深さは注射器の重要な指標の一つであり,その制御が望まれる.Tagawaら(2)は,注入深さがジェット速度と比例関係にあることを明らかにした.このとき,対象物に衝突するまでにマイクロジェットが進行する距離(以下,対象物までの距離と呼ぶ)は一定であった.対象物までの距離は,生成されるマイクロジェットの速度や体積などに影響するパラメータではない.しかし,マイクロジェットの形状はその進行に伴い変化し,先端の細さや鋭さを増すため,対象物までの距離の違いにより,同速度のジェットであっても注入深さが変化することが予想される.また,注入に適した距離を知ることで,無針注射器の使用条件を適切に設定できるため,実用化に繋がると考えられる.そこで本研究では,対象物までの距離と注入深さとの関係に着目し,注入に適した距離の実験的解明を目的とする.

 実験装置の概略図を図1 (a) に示す.濃度5 wt%のゼラチンを透明なプラスチック容器に充填し,細管の開口部に相対させる.パルスレーザー(波長: 532nm, パルス幅: 6ns)を,対物レンズを通して細管内の液体に集光し,マイクロジェットを生成する.マイクロジェットのゼラチンへの注入の様子を,高速度カメラを用いて撮影する.液体には,レーザー光のエネルギー吸収効率が高いマゼンタ色のインクを用いる.本実験では,内径dの異なる3種類の細管を用いて注入実験を行う.各ケースにおいて変化させるパラメータは距離Lのみである.注入された液体の動きが安定したとみなせる,ジェット先端がゼラチンの表面に接触した時刻から30 ms後の画像において,注入深さDiを測定する(図1 (b)).


Fig. (a) Side view of a capillary tube and a container filled with gelatin. The sketch shows definition of experimental parameters. (b) One example of a series of snapshots taken by high-speed camera. The microjet travels from bottom to up and injects into gelatin.

 内径dが異なるいずれのケースにおいても,距離Lの増大に伴い,注入深さDiが一度増大しピーク値をとったのち減少する傾向が得られた.ここで,注入深さDiがピーク値をとるときの距離LをLpeakと定義する.距離Lpeakについては,内径dの増大とともに大きくなる傾向が得られた.これらの傾向について,増加の傾向はジェットの細く鋭い集束形状の発達により,減少の傾向はジェットの減速によると考察した.また,注入深さDiがピーク値をとる距離Lpeakについて,流れの集束のタイムスケールΔtfに着目して考察し,曲率半径rに依存すると予想した.距離Lを曲率半径rで除して無次元化することで,距離Lpeakを整理することができた.これより,曲率半径rが距離Lpeakの決定要因の一つであること,および,マイクロジェットの形状が注入深さDiに影響することが示唆された.また,距離LpeakがL/rで整理できたことから,径の異なる細管を使用する場合,曲率半径rを用いて注入に適した距離を予想できる可能性が示唆された.

 末筆になりますが,本発表に際してご聴講くださった皆様,討論にて大変貴重なご意見やご質問を頂いた先生方,選考委員の皆様,ならびにニューズレター執筆の機会をくださった日本機械学会流体工学部門関係者の皆様に心から感謝申し上げます.

 

文   献

(1) Tagawa, Y., Oudalov, N., Visser, C. W., Peters, I. R., van der Meer, D., Sun, C., Prosperetti, A. and Lohse, D., “Highly focused supersonic microjets” Physical review X, Vol. 2, No. 3, (2012), 031002.
(2) Tagawa, Y., Oudalov, N., El Ghalbzouri, A., Sun, C. and Lohse, D., “Needle-free injection into skin and soft matter with focused microjets”, Lab on a Chip, Vol. 13, No. 7, (2013), pp. 1357-1363.
更新日:2018.1.30