講演番号４３ 流動流体中 流動流体中における運動精子 における運動精子の 運動精子の挙動に 挙動に関する実験的研究 する実験的研究 米子工業高等専門学校 機械工学科 遠藤弘樹 １．緒言 現在少子化の原因として不妊症が挙げられるが，その要因 として男性側の精子の異常や欠如が半数を占めている．そん な中で不妊治療への利用を目的に開発された，運動良好精子 分離装置の更なる高効率化を目的とする研究において，流動 流体中におけるせん断応力（粘性力）が精子運動に影響を与 えている可能性があることが報告されている[1]．そこで本研 究では，流れにおける粘性力や遠心力が運動精子に影響を及 ぼすメカニズムを実験的に調べることを目的として，テイラ ー・クエット流れ内の運動精子の挙動に関して実験的研究を 行っている．新規研究の立ち上げに伴い，本年度は実験装置 の設計開発，テイラー・クエット流れ中における流速分布お よび運動精子の挙動に関して PIV / PTV 計測を行った． 流入させ充填する．流路はケーシングとロータによって形成 されており，移動壁面であるロータを回転させることにより 移動壁面と固定壁面の間に速度勾配が生じ，それによってせ ん断応力を発生させる（図 1 参照） ． 可視化方法は図 2 のように，流路側面へ波長 532nm の CW レーザシート（LaVision 社:CW-532-3W）を照射し，流路底 面よりハイスピードカメラ（LaVision 社：HSS4G）で撮影し た．撮影に際して，レンズは対物レンズを使用した．またハ イパスフィルタ（透過波長 570nm 以上）を取り付けること で，PTV を行うときは精子の発光のみを，PIV を行うときは 牛の精子の代わりに蛍光粒子（粒子径 15µm，比重 1.1）を用 いてそれのみの像を取得し速度分布を算出した．ロータの回 転にはモータを用いた． ２．記号及び 記号及び関連する 関連する式 する式 本研究で使用した実験装置の寸法は，ロータとケーシング のすき間（流路幅）a = 1mm，流路高 h = 9.7mm，ロータの半 径 R = 20mm である（図 1，図 2 参照）．本研究ではロータ の回転数 ω [rad/s]から，以下のテイラー数 Ta[2]を求めた． ４．実験結果 図 3 に Ta = 40 での実験装置内の流路部における，無次元 流速分布の実験値と理論値の比較を示す．縦軸 u / U は流速 u をロータ周速度 U で無次元化したものであり，横軸 x / a は ロータ壁面からの距離 x を流路幅 a で無次元化したものであ る．理論値に対する実験値の平均誤差率は約 11%であった． 従って，本実験においての計測値の信頼性は 89%程度である． a ν R ここで，νは作動流体の動粘度[mm2/s]である．Schlichting[2] は，テイラー数によって次のように流れを分類している． 本研究においても下記の条件を基準に実験を実施した． (1) Ta < 41.3：層流クエット流れ (2) 41.3 < Ta < 400：テイラー渦を伴う層流 本年度は，せん断応力（粘性力）が運動精子に及ぼす影響 を調べるために，Ta < 41.3 における層流クエット流れで実験 を実施した． Rωa 1.2 理論値 実験値 1.0 0.8 u/U Ta = 指導教員：早水庸隆 0.6 0.4 0.2 0.0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 x/a ３．実験方法 図 3 テイラー・クエット流れの流速分布（Ta = 40） 各 Ta における精子の移動速度を図 4 に示す．縦軸 v / U は 精子の移動速度 v をロータ周速度 U で無次元化したものであ り，横軸は Ta である．テイラー・クエット流れ中における 運動精子の挙動に関して，テイラー数（せん断応力）が大き くなるにつれ精子の移動速度は増加していく傾向にあり，そ の方向は流れと逆向きであることが明らかとなった． v/U 図 1 流路詳細図 0 -0.05 -0.1 -0.15 -0.2 -0.25 -0.3 -0.35 -0.4 -0.45 10 20 30 40 50 Ta 図 4 テイラー・クエット流れ中における精子の速度 参考文献 [1] 橘 度羽，他 6 名，「流動流体中における運動精子の挙 動に関する実験的研究」，日本機械学会中国四国支部第 49 期総会・講演会講演論文集，No.115-1，(2011), pp.171-172. [2] Schlicting, H., Boundary Layer Theory, 7th ed., (1987), pp. 525-529, McGraw-Hill Pub. Co.. 図 2 実験装置概略図 実験手順としては，流路内に試料である作動流体（牛の精 液を蛍光染料で染色し緩衝液によって 6 倍希釈したもの）を - 19 -
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