SOUND

令和２年度研究助成 【サウンド技術振興部門】より

超音波による細胞コーティング技術

同志社大学

理工学部

１．はじめに電気工学科

小山教授

大介

さらにその超音波の圧力分布を何らかの方法で変化させると、物体は浮遊した状態を保ったま「音を使って物を動かす研究をしています」

ま空中を移動し、結果的に「音を使って物を動と言うと小首を傾げられることが多い。高校物かす」ことができる。

理で学習する音波はこれも同じく高校数学で

著者らはこの様な超音波を使った物体の非接学習する三角関数のsinωt（ωは音波の角周波触搬送技術について研究しており、一般的には数、ｔは時間）の様な圧力変動（粗密波）とし超音波マニピュレーションとも呼ばれている。て紹介される。この様な音波がある物体表面に

本稿では特に、超音波による非接触搬送技術と入射した場合について考える。単純に考えるとその医用・バイオテクノロジー分野への展開に連続正弦波は１周期にわたって平均すると正ついて紹介する。の部分と負の部分が相殺されて０となるため、物体表面の圧力の時間平均は０である。どれだ

２．音でものを運ぶ

け長い時間の平均をとってもやはり０となる。

前述の通り空中に超音波定在波を発生させ、しかしながら、（詳細は割愛するが）音波の非物体を浮遊させた状態でその音場を空間的・時線形効果を考慮すると理論的には周波数が０間的に制御することによって物体を非接触搬送の直流成分が発生し、実際に強力な音波ではできる。もちろん音源となる超音波送波器を移その直流成分を目にすることができる。この動させることでも実現可能であるが、実際は複音波の直流成分は「音響放射力」（もしくは単数個の音源をあらかじめ用意し、それらの送波位面積あたりの力として「音響放射圧」）と呼条件によって制御する。用いる周波数は20〜ばれ、音響放射力を用いると物体を移動、変形、50 kHzのいわゆる低周波超音波を使うことが撹拌することができる。

多く、これは周波数が高いほど空気中における例えば空気中で超音波送波器と反射板を向かい合わせ、それらの距離を音波の半波長の音波伝搬時の減衰が大きくなるためである（20kHz以下は可聴域となるので避ける）。

整数倍に調整すると空気中には定在波が発生

図１は超音波によって粒子が非接触搬送されする。そこに径数mm程度の発泡スチロール粒る様子である 。超音波振動する金属板（振動子の様な軽い物体をいくつかピンセットで挿板）と平行に反射板を設置している。振動板の入すると、粒子は等間隔に整列して浮遊する。

両端には超音波振動を発生させるための超音波

１）

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い物体も板間に沿って直線搬送することができる。従って２つの超音波振動子の入力信号を微調整することによって、物体の位置をマイクロメートルオーダの精度で制御することも可能である。また水平方向に進行波を発生させることによって浮遊物体を高速に搬送することもでき
２）る 。本技術は固体のみならず液体も非接触搬３）送できるため、今後バイオテクノロジー分野への応用展開が期待される。
図１

超音波による粒子の搬送

３．音で細胞を操る細胞を用いた薬効評価実験などでは、細胞にストレスを与えることなく操作可能な非接触マ振動子が取り付けられており、この振動子に連ニピュレーション技術が求められる。音響放射

続正弦波の電気信号を入力すると、振動板は肉力は音響的に異なる２つの媒質間に作用する

眼では確認できないほど小さい数μmほどの振ため、細胞操作技術にも応用することができ幅でたわむ様に振動し空中に超音波が放射される。操作することができる物体の大きさは超音る。これにより、超音波の半波長の整数倍の距波の波長と相関があり、超音波の周波数が高い離に設置された反射板との間には強力な超音波（すなわち波長が短い）ほどその物体は小さく定在波が形成される。写真では、板間の垂直方なる。先の径数mmの粒子と比較すると細胞の向に１波長の定在波が発生し、２箇所の音圧節大きさは通常２桁ほど小さい数10μmであるた部（音圧変動が常に０の位置）に径数mmのポめ、細胞操作の場合は２桁ほど高い数MHz〜リスチレン粒子が浮遊している様子が確認でき数10 MHzの高周波超音波を用いる。図２は液る。また水平方向には振動板に発生するたわみ体で満たされたマイクロ流路内の細胞の様子で振動の半波長と同じ間隔で粒子は浮遊する。

あり、流路中に超音波定在波を発生させると細次にこの状態から両端の振動子間の振動位相胞に音響放射力が働き、細胞はその音圧節部に差（振動するタイミング）を変化すると、板間向かって集合することがわかる。また、細胞がの超音波定在波は水平方向に移動し、それに伴移動する速度は細胞の音響特性によって異なる

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SOUND

図２

マイクロ流路中で細胞が移動する様子

ため、細胞の種類や健康状態を識別することも
４）

図３

できる 。

超音波による細胞培養制御

細胞操作技術に加えて、本技術は細胞培養技術にも応用できる。一般的な細胞培養ディッシュに超音波振動子を組み合わせることにより、細５）神経細胞からの神経突起の成長方向を同じく同胞の成長制御が可能となる 。図３において超心円状に配向することも可能である（図３(c)）。

音波駆動前は培養ディッシュ上に均一に存在し著者らは現在本技術の医用分野への応用を目ている細胞が、超音波駆動開始15分後にはある指している。例えば人工関節手術では患者の生円周上に集合していることがわかる。ディッシ

体骨への親和性を考慮し、人工関節表面をハイュの超音波振動分布と細胞成長の様子を比較す

ドロキシアパタイトでコーティングを行うが、ると、その後24時間にわたって細胞はディッシ人工骨コーティングと生体骨界面における骨のュ中心から遠ざかる方向へと成長し、振動振幅配向（組織の向き）関係は、癒合までの治癒期が比較的大きい中心部分では細胞成長が抑制さ間および癒合界面の強度に強く影響を与える。

れることが確認できる。
この技術を応用すれば、そこで事前に患者から採取した幹細胞を用い、細胞の向きや成長方向を超音波によって揃える

超音波によって組織配向を制御した細胞コーテことも可能となる。例えば培養ディッシュに同ィングを人工関節に施すことで、治癒期間短縮

心円状の超音波振動を発生させることにより、に貢献することが期待される。また細胞の超音
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SOUND波応答メカニズムを解明し、細胞分化誘導技術を確立できれば、今後の再生医療技術に大きく寄与するものと確信している。

ing vibrator and a reflector, IEEE Trans.
Ultrason., Ferroelect., Freq. Contr., Vol.
57, No. 5, pp. 1152 − 1159（2010）
２）Y. Ito, D. Koyama K. Nakamura：High-４．おわりに
本稿では主に、著者が現在行っている超音波マニピュレーション技術について簡単に紹介した。エコー診断や魚群探知機の様に超音波を通信技術として用いる一方で、超音波洗浄器の様に超音波はエネルギー応用としても様々な産業分野で用いられている。著者らは現在、この超音波のエネルギー応用を医用分野に展開すべく日夜研究を行っており、今後の各分野への発展の一助となれば幸いである。なお本研究はカワイサウンド技術・音楽振興財団を始めとする各財団からの研究助成によって行われた。ここに謝意を表する。

speed noncontact ultrasonic transport ofsmall objects using an acoustic travelingwave field, Acoust. Sci. & Tech., Vol. 31,
No. 6, pp. 420 − 422（2010）３）M. Ding, D. Koyama, K. Nakamura：
Noncontact ultrasonic transport of liquidusing a flexural vibration plate, Appl.
Phys. Express, Vol. 5, No. 9, p. 097301（2012）
４）T. Otsuka, D. Koyama, M. Matsukawa：Transportation and discrimination of cells
using ultrasound flexural vibration ofaglass substrate, Jpn. J. Appl. Phys., Vol.
58, No. SG, p. SGGD10（2019）

参考文献
１）D. Koyama, K. Nakamura：Noncontact
ultrasonic transportation of small objects
over long distances in air using a bend-24５）K. Tani, K. Fujiwara, D. Koyama：Adhesive cell patterning technique using ultrasound vibrations, Ultrasonics, Vol. 96, No.
7, pp. 18 − 23（2019）