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所属 |
工学教育研究部 工学科機械知能工学プログラム担当 |
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准教授 |
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論文 【 表示 ／ 非表示 】
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Numerical Study of Pressure Response to Action Potential by Water Permeation With Ion Transports 査読あり
Matsuyama H., Fujii T., Miyauchi S., Takeuchi S.
ASME Journal of Heat and Mass Transfer 146 ( 10 ) 2024年10月
掲載種別：研究論文（学術雑誌） 出版者・発行元：ASME Journal of Heat and Mass Transfer
While the permeation mechanism of solute (e.g., ions and glucose) through biological membrane has been studied extensively, the mechanical role of water transport in intracellular phenomena has not received much attention. In the present study, to investigate the effect of water permeation on the intracellular pressure response, a novel permeation flux model through a biological membrane is developed by incorporating the coupling permeabilities (between water and ion fluxes) as the water–ion interaction in the ion channels. The proposed model is applied to a two–dimensional permeation problem of water and ions in a closed cell separated by a thin membrane. The permeation flux model reproduces the typical time response of intracellular pressure to action potentials with reasonable agreement with experimental results in the literature, indicating that the pressure response can be characterized by the following three parameters: water permeability, the mass ratio of water and ion, and the ratio of the permeation fluxes of water and ion. In particular, the permeation flux ratio plays an essential role in intracellular phenomena; depending on the value of the permeation flux ratio, the time lag between the action potential and the pressure response is 0.1 times smaller than that expected by the previous researchers, indicating that water transport associated with ions may trigger a pressure response. This study demonstrates the importance of water permeation in intracellular mechanical response through coupling of the fluid motion and electric fields.
DOI： 10.1115/1.4065675
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Miyauchi S., Hosoi K., Tsuda S., Hayase T., Funamoto K.
AIP Advances 13 ( 4 ) 2023年3月
担当区分：筆頭著者, 責任著者 掲載種別：研究論文（学術雑誌） 出版者・発行元：AIP Advances
It is generally believed that thrombus formation does not occur in the left ventricle (LV) because of the high speed of blood flow. However, the LV has complex internal structures such as trabeculae carneae (TC) and papillary muscles (PM) on its inner wall, which may cause blood stagnation resulting in thrombus formation. In this study, the effects of the TC, PM, and torsional motion on the hemodynamics in the LV were investigated by computational fluid dynamics (CFD) analyses. An LV model was reconstructed from magnetic resonance imaging, and the shape was modified to mimic TC and PM. Then, the CFD analyses of blood flow were performed using several different combinations of TC, PM, and torsional motion. As the results, the presence of TC decreased the time-averaged wall shear stress and increased the relative residence time (RRT) of a blood stagnation index at the apex of the LV model. The TC-induced blood stagnation was also confirmed by a transportation analysis of the passive scalar. These hemodynamic changes were attributed to the fact that TC blocked the large vortex structures generated during the diastole, thus preventing them from reaching the apex. Moreover, the PM only affected the hemodynamics in its immediate vicinity, and torsional motion caused irregular changes to the RRT level and distribution at the apex. Therefore, the complex internal structures and torsional motion of the LV could cause blood stagnation.
DOI： 10.1063/5.0143833
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薄膜によって遮断された流路内流れ場に対する拡張有限要素法の誤差評価
島袋 拓己, 宮内 優
計算力学講演会講演論文集 2023.36 ( 0 ) OS-0204 2023年
記述言語：日本語 掲載種別：研究論文（学術雑誌） 出版者・発行元：一般社団法人 日本機械学会
In a previous study, an extended finite element method was applied to the fluid analysis of a two-dimensional channel flow obstructed by a thin membrane, and the analytical error increased for a case with small number of membrane nodes. In this study, the number of membrane nodes and their arrangement in the triangular fluid elements are varied, and their effects on the analysis errors are discussed. As the result, the error increases sharply when the number of the membrane nodes is small, but this is not due to numerical integration but to the number and arrangement of the membrane nodes.
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ラグランジュ未定乗数法に基づく血管透過性の推定のためのデータ同化法
茂 零音, 宮内 優, 竹内 伸太郎, 船本 健一
計算力学講演会講演論文集 2023.36 ( 0 ) OS-1812 2023年
記述言語：日本語 掲載種別：研究論文（学術雑誌） 出版者・発行元：一般社団法人 日本機械学会
In this study, we revealed a cause of overestimation of the permeability coefficient, and proposed a method to correct it. The theoretical solution of a one-dimensional mass diffusion problem with a permeable membrane was dealt to consider the cause of the overestimation. A relational expression between the permeability coefficient and the concentration gradient indicates that the overestimated concentration gradient increases the error of the permeability coefficient than the underestimated one when they are comparable. The treatment for this overestimation of the permeability coefficient is discussed in the presentation.
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Flow Rate Prediction for a Semi-permeable Membrane at Low Reynolds Number in a Circular Pipe 査読あり
Miyauchi S., Yamada S., Takeuchi S., Tazaki A., Kajishima T.
Transport in Porous Media 141 ( 1 ) 185 - 199 2021年11月
担当区分：筆頭著者, 責任著者 記述言語：日本語 掲載種別：研究論文（学術雑誌） 出版者・発行元：Transport in Porous Media
A concise and accurate prediction method is required for membrane permeability in chemical engineering and biological fields. As a preliminary study on this topic, we propose the concentration polarization model (CPM) of the permeate flux and flow rate under dominant effects of viscosity and solute diffusion. In this model, concentration polarization is incorporated for the solution flow through a semi-permeable membrane (i.e., permeable for solvent but not for solute) in a circular pipe. The effect of the concentration polarization on the flow field in a circular pipe under a viscous-dominant condition (i.e., at a low Reynolds number) is discussed by comparing the CPM with the numerical simulation results and infinitesimal Péclet number model (IPM) for the membrane permeability, strength of the osmotic pressure, and Péclet number. The CPM and IPM are confirmed to be a reasonable extension of the model for a pure fluid, which was proposed previously. The application range of the IPM is narrow because the advection of the solute concentration is not considered, whereas the CPM demonstrates superior applicability in a wide range of parameters, including the permeability coefficient, strength of the osmotic pressure, and Péclet number. This suggests the necessity for considering concentration polarization. Although the mathematical expression of the CPM is more complex than that of the IPM, the CPM exhibits a potential to accurately predict the permeability parameters for a condition in which a large permeate flux and osmotic pressure occur.
DOI： 10.1007/s11242-021-01716-w
その他リンク： https://link.springer.com/article/10.1007/s11242-021-01716-w/fulltext.html
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移動や変形を伴う透過膜に対する流体と膜の連成解析法
宮内優、竹内伸太郎、梶島岳夫
化学工学 86 ( 3 ) 105 - 107 2022年3月
担当区分：筆頭著者, 責任著者 記述言語：日本語 掲載種別：記事・総説・解説・論説等（学術雑誌）
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超音波計測融合シミュレーションによるFBGバイタルセンシング機序の解明 (特集 ヘルスケア衣環境のためのウェアラブルシステム)
宮内 優, 早瀬 敏幸
繊維学会誌 = Journal of the Society of Fiber Science and Technology, Japan 75 ( 12 ) P - 628-632 2019年12月
記述言語：日本語 掲載種別：記事・総説・解説・論説等（大学・研究所紀要） 出版者・発行元：繊維学会
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血管壁近傍血流場が内皮細胞損傷に与える流体力学的影響の解明:（斜流負荷実験における HUVEC と HAEC のはく離率の比較）
井上 浩介, 早瀬 敏幸, 宮内 優
バイオエンジニアリング講演会講演論文集 2019 ( 0 ) 2G33 2019年
記述言語：日本語 掲載種別：記事・総説・解説・論説等（大学・研究所紀要） 出版者・発行元：一般社団法人 日本機械学会
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間質領域への漏出を考慮した腫瘍微小環境の流れに対する有限要素解析:（提案手法の妥当性の評価）
武田 智文, 宮内 優, 早瀬 敏幸
バイオエンジニアリング講演会講演論文集 2019 ( 0 ) 2G23 2019年
記述言語：日本語 掲載種別：記事・総説・解説・論説等（大学・研究所紀要） 出版者・発行元：一般社団法人 日本機械学会
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間質への漏出を考慮した単純形状腫瘍血管モデルの2次元流体解析
宮内 優, 早瀬 敏幸
バイオエンジニアリング講演会講演論文集 2018 ( 0 ) 2F09 2018年
記述言語：日本語 掲載種別：記事・総説・解説・論説等（大学・研究所紀要） 出版者・発行元：一般社団法人 日本機械学会
講演・口頭発表等 【 表示 ／ 非表示 】
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Computational simulation of the intracellular pressure response to action potentials using the permeation flux model for multicomponent electrolyte solution 国際会議
Haruhi Matsuyama, Takehiro Fujii, Suguru Miyauchi, Shintaro Takeuchi
The 76th Annual Meeting of the APS Division of Fluid Dynamics 2023年11月21日
開催年月日： 2023年11月19日 - 2023年11月21日
会議種別：口頭発表（一般）
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Hemodynamic Changes in the Left Ventricle by Bicuspid Aortic Valve Geometries 国際会議
Shingo Tsuda, Suguru Miyauchi, Kenichi Funamoto
The Twentieth International Conference on Flow Dynamics 2023年11月6日
開催年月日： 2023年11月6日 - 2023年11月8日
会議種別：口頭発表（一般）
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薄膜によって遮断された流路内流れ場に対する拡張有限要素法の誤差評価
島袋拓己，宮内優
日本機械学会 第36回計算力学講演会(CMD2023) 2023年10月25日
開催年月日： 2023年10月25日 - 2023年10月27日
会議種別：口頭発表（一般）
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ラグランジュ未定乗数法に基づく血管透過性の推定のためのデータ同化法（推定値の補正方法の提案）
茂零音，宮内優，竹内伸太郎，船本健一
日本機械学会 第36回計算力学講演会(CMD2023) 2023年10月26日
開催年月日： 2023年10月25日 - 2023年10月27日
会議種別：口頭発表（一般）
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Study of the mechanical effects of solvents acting on neuronal membranes using the permeation flux model of multicomponent electrolyte solution 国際会議
Haruhi Matsuyama, Suguru Miyauchi, Shintaro Takeuchi
ASME ‐ JSME ‐ KSME Fluids Engineering Division AJKFED 2023 2023年11月10日
開催年月日： 2023年7月9日 - 2023年7月13日
会議種別：口頭発表（一般）
科研費（文科省・学振・厚労省）獲得実績 【 表示 ／ 非表示 】
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多階層スケールの流動解析による赤血球と内皮グリコカリックスの力学的相互作用の解明
研究課題/領域番号：19K20659 2019年04月 - 2024年03月
日本学術振興会 科学研究費補助金 若手研究
宮内 優
担当区分：研究代表者
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流体と多孔質弾性体の連成解析による軟骨の変形と滲出が生体潤滑に与える影響の解明
研究課題/領域番号：17K14586 2017年04月 - 2020年03月
日本学術振興会 科学研究費助成事業 若手研究(B) 若手研究(B)
宮内 優
担当区分：研究代表者
本研究の目的は、生体潤滑機構解明のために関節軟骨内外の流れおよび関節軟骨の変形を考慮した流体と多孔質弾性体の連成解析手法の開発を行い、生体軟骨の変形と滲出が骨端間の流体潤滑及び摩擦特性に与える影響を定量的に明らかにすることである。本年度は、流体と弾性体の連成コードを開発し、検証問題による開発したコードの妥当性の確認と解析に適した計算設定を調べた。
流体構造連成解析に対するベンチマーク問題としてTurek and Hronが提案した、2次元矩形流路中の弾性棒の流体励起振動の解析を利用した。流体解析には移動境界問題に対する流体解析法の一つであるArbitrary Lagrange-Eulerian法を実装し、弾性体には検証問題の設定に合わせるために流体に対して透過性を有さないSt.Venant-Kirchhoffモデルを使用した。流体と弾性体の連成は強連成とした。界面の移動に対する流体メッシュの制御法には線形弾性体の平衡方程式を使用した。線形弾性体の構成式に使用されるパラメータに対する解の収束性を調べ、メッシュの歪みが小さくかつ求解の反復回数が少ない値を調査した。その結果、構成式のパラメータをポアソン比に変換した場合に、ポアソン比が0.3程度の値で最も計算が安定し、求解の反復回数が少ないことがわかった。さらに、有限要素法による流体変数の離散化に関して、流速が双線形、圧力が一定のQ1Q0要素と流速、圧力がともに双線形のQ1Q1要素の2つを用いて、計算負荷と計算精度を比較した。このベンチマーク問題に対しては、Q1Q0要素で十分にTurek and Hronの数値解と近い結果を示し、Q1Q1要素の解析に比べ、計算負荷の観点で優位であった。
その他競争的資金獲得実績 【 表示 ／ 非表示 】
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数値流体力学解析と細胞実験による血管疾患の機序解明
2023年04月 - 2024年03月
東北大学流体科学研究所 東北大学流体科学研究所令和5年度リーダーシップ共同研究
担当区分：研究代表者
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複雑形状周りの流れのための計測融合シミュレーション手法の構築
2022年07月 - 2023年06月
一般財団法人 一樹工業技術奨励会 一般財団法人 一樹工業技術奨励会 助成金
担当区分：研究代表者
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数値流体力学解析と細胞実験による血管疾患の機序解明
2022年04月 - 2023年03月
東北大学流体科学研究所 東北大学流体科学研究所令和４年度公募共同研究
担当区分：研究代表者
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Lagrange未定乗数法による計測融合血流解析手の計算精度と安定性に関する研究
2021年08月 - 2022年03月
宮崎大学 令和３年度戦略重点経費
担当区分：研究代表者
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数値流体力学解析と細胞実験による血管疾患の機序解明
2021年04月 - 2022年03月
東北大学流体科学研究所 東北大学流体科学研究所令和3年度公募共同研究
担当区分：研究代表者