ISSN 2434-5873

研究報告 2021(KISTEC Annual Research Report, 2021)（地独）神奈川県立産業技術総合研究所
Kanagawa Institute of Industrial Science and Technology

研究報告2021 目次【機械・材料技術部】◆ 虹のような色彩を放つ人工オパール構造色･･････････････････････････････････････････････････

1◆ グラスウールの垂直入射吸音率の理論予測･･････････････････････････････････････････････････

3◆ SS-OCTを用いた材料の内部構造の非破壊評価技術････････････････････････････････････････････

5◆ 高い近赤外遮蔽特性を有する化粧品用酸化亜鉛顔料の開発････････････････････････････････････

10【電子技術部】◆ 生体応用を目指したチタン基板上へのダイヤモンドライクカーボンのコーティング･･･････････････

13◆ フォトリソグラフィによる微細加工におけるハイブリッドレーザー顕微鏡の計測事例････････････

15◆ Vバンド（60GHz帯）における材料定数測定に関する基礎的な検討結果について･･････････････････

18◆ ECRプラズマを用いたドライエッチングについて･･･････････････････････････････････････････････

21◆ HSQを用いた試作用ナノ金型の検討････････････････････････････････････････････････････････

23【情報・生産技術部】◆ 三次元座標測定におけるスタイラス延長シャフトの測定精度への影響･･････････････････････････

25◆ IoTデバイスによるセンサデータの取得蓄積に関する研究･････････････････････････････････････

28◆ NCフライス盤の切削加工における面粗さ予測に関する研究･･･････････････････････････････････

30◆ 光造形方式３Dプリンターの精度に関する報告･･･････････････････････････････････････････････

33◆ 座面板に使用される木質素材の強度性能････････････････････････････････････････････････････

35◆ NCフライス加工機の異常検知システムの開発･･･････････････････････････････････････････････

37◆ レーザ照射によるレーザ粉体肉盛層の組織制御･･････････････････････････････････････････････

40◆ チタン合金加工におけるドリルへのブラスト処理の効果･･････････････････････････････････････

44【化学技術部】◆ 有機溶媒がポリメチルメタクリレートの破壊現象に及ぼす影響について････････････････････････

47◆ 非線形粘弾性解析によるクリームの塗り心地評価への応用････････････････････････････････････

51◆ アミロースによるフタル酸エステル類の分子吸着挙動････････････････････････････････････････

54◆ 透明樹脂材料の劣化に関する総合的解析････････････････････････････････････････････････････

57【川崎技術支援部】◆ オゾン水と紫外線を用いた環境にやさしい綿布や麻布の漂白方法･･･････････････････････････････

63【抄録】･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

65

【研究開発部】
有望シーズ展開事業「革新的高信頼性セラミックス創製」プロジェクト◆ 総括････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

69◆ 透明蛍光Ca-α SiAlON: Eu2+バルクセラミックスの作製････････････････････････････････････････

73◆ 常温緻密化プロセスによる窒化物蛍光体粒子分散MgOバルクセラミックスの作製････････････････

80◆ マイクロカンチレバー曲げ試験によるLNKNセラミックスのメソスケール機械的特性評価････････

84◆ 波長掃引型光コヒーレンストモグラフィーを基軸とする内部構造の非破壊観察・評価システムの開発･･･････

87◆ 業績････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

96「腸内細菌叢」プロジェクト
解析ツール開発グループ◆ 総括････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

99◆ 肥満者、または、耐糖能異常者に特有の腸内細菌と代謝物の探索･･････････････････････････････

103◆ 業績････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

106

腸内環境制御グループ◆ 総括････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

107◆ 腸内環境制御基盤技術の開発に向けた難培養性腸内細菌培養法の確立･･････････････････････････

110◆ 腸内環境制御基盤技術の開発に向けた研究ツールの開発･･････････････････････････････････････

113◆ 業績････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

116「次世代機能性酸化物材料」プロジェクト◆ 総括････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

119◆ 新規負熱膨張材料開発手法の確立、及び鉛含有ペロブスカイト型酸化物の特異な電荷分布の解明･･････････

122◆ 業績････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

127「貼るだけ人工膵臓」プロジェクト◆ 総括････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

131◆ マイクロニードル機能向上に向けたゲル組成の改良とin vivo評価系の検討･･････････････････････

134◆ 吸水性と力学的強度を向上させるポリグリセロール融合型ゲルマイクロニードルの開発･･････････

136◆ 業績････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

138「再生毛髪の大量調製革新技術開発」プロジェクト◆ 総括････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

141◆ 毛包上皮幹細胞の増殖培養技術の開発･･････････････････････････････････････････････････････

144◆ Electrical stimulation of human follicle dermal papilla cells to promote hair regeneration････････････‥････ 146◆ 業績････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

149

実用化実証事業「人工細胞膜システム」グループ◆ 総括･･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

151

◆ イオンチャネル機能評価システムの多様な細胞内イオンチャネルへの適用検討･･････････････････

153◆ 呼気診断のための昆虫嗅覚受容体を用いた匂いセンサ････････････････････････････････････････

156◆ 業績････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

159「高効率燃料電池開発」グループ◆ 総括････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

163◆ 酸素還元特性向上に向けたPt–Feナノ粒子連結触媒の原子配列規則性制御････････････････････････ 171◆ 簡易な合成法による高規則度Pt–Feナノ粒子連結触媒の開発･･････････‥････････････････････････ 177◆ 酸高密度型細孔フィリング薄膜の開発･･････････････････････････････････････････････････････

183◆ 酸高密度構造型細孔フィリング薄膜を用いた高温低湿度対応膜電極接合体の開発････････････････

187◆ 業績････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

192「次世代医療福祉ロボット」グループ◆ 総括････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

195◆ 環境情報に基づいた仮想環境提示の機能を有する2自由度力触覚ドリルの開発･･･････････････････

198◆ 貫通検知機能を有する整形外科用力触覚ドリルの開発‥･･････････････････････････････････････

201◆ 業績････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

204

国際評価技術サービス提供事業「食品機能性評価」グループ◆ 総括･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････ 207◆ 間欠絶食がもたらす代謝機能、脳機能への影響･･･････････････････････････････････････････････ 211◆ 食品機能性評価用新規指標開発･････････････････････････････････････････････････････････････ 215◆ 未病と食の脳活動評価試験法の確立･････････････････････････････････････････････････････････ 218◆ 業績･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････ 221「抗菌・抗ウイルス研究」グループ◆ 総括････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

222◆ 新型コロナウイルスを用いた性能評価の取り組み････････････････････････････････････････････

224◆ 光触媒を用いたバイオフィルム形成抑制効果････････････････････････････････････････････････

227◆ 酸化チタンと酸化モリブデンを組み合わせた可視光応答型光触媒材料の抗ウイルス活性に関する研究････････ 230◆ 業績････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

233

戦略的研究シーズ育成事業
研究テーマ：脳梗塞治療のためのスキャフォールド材料◆ 総括・業績･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

235

研究テーマ：「セキュア量子基盤技術の研究」プロジェクト◆ 総括・業績･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

241

研究テーマ：新産業創出に向けた無標識AIセルソーター◆ 総括・業績･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

247

研究テーマ：光操作に基づく医療技術の創出◆ 総括・業績･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

253

研究テーマ：貴金属フリー新規触媒技術の開発◆ 総括・業績･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

259

研究テーマ：超高空間分解を実現するナノカーボン光分析装置◆ 総括・業績･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

264

政策課題受託研究」プロジェクト･････････････「グローバルヘルスリサーチコーディネーティングセンター（GHRCC）

271

【機械・材料技術部】

虹のような色彩を放つ人工オパール構造色小野洋介（機械・材料技術部 ナノ材料グループ）吉田１．

潤一郎（女子美術大学）

赤となる虹のような色彩が現れ、442 nm、473 nm の場合

はじめに本来無色の物質であっても、特定の色の光を強め合うよ
うに反射する構造を形成すると、色を発現する（構造色）。

も底面付近に紫～青、緑や薄い橙を挟んで、側面が赤とな
る多彩な発色となった。角度を変えて撮影した写真から、

つまり、化学組成に縛られることなく、資源豊富で環境にやさしい材料を選択して色を発現することができる。その同じ領域であっても視点（撮影点）の角度によって色が変わることが分かった。特に、 (C)～(F)の陶器では、視方向代表例として、数百ナノメートルの単分散粒子を密充填して作製される「人工オパール」が広く知られている。

と面が平行に近い手前側と、角度がついている奥側とで色の見え方が大きく異なった。人工オパールの構造色を発現

人工オパールは、砂や窓ガラスの主成分である酸化ケイ素で作ることもできる。また、国宝「曜変天目茶碗」のよするためには、図 1 の SEM 像のように粒子の大きさを高度に揃える必要があり、大きい粒子を合成しようとすると、

うな、見る角度（光の角度）によって色が変わるユニークな特徴を発現することも可能である。技術と美術の両面で粒子がゲル化（凝集）してしまう課題があった。我々は、ノウハウを積み重ねて実験条件を最適化し、図 1 (C)～(F)メリットがあると考え、人工オパール技術を陶芸に応用することを目的として、美工連携となる女子美術大学との共に示したような多彩な構造色を発現する粗大な人工オパールの合成に成功した。

同研究を実施した 1)。研究を進める中で、粒径の大きい人
工オパール粒子を合成することに成功し、これを塗布した
場合に、わずかな光の角度の違いで色が変わる多彩な発色となることを発見した。ここでは、その理論的な考察を中心に述べる。

２．

実験方法

オルトケイ酸テトラエチル（TEOS；Si(OC2H5)4）をエタ
ノール水溶液と混合し、室温で撹拌しながら 1 mol/L のア
ンモニア水を添加して粒子を析出させた。TEOS 10g：エ
タノール 20g：水 5g：アンモニア水 10g を標準条件としながら混合比率を変えて、粒径の異なる人工オパール分散液を得た。これらの分散液を 1 種類ずつ市販の陶器（東急ハンズ、カタログ No. 2401026303928）に筆で塗布し、室温で 乾 燥 し た 。 走 査 型 電 子 顕 微 鏡 （ SEM ； 日 本 電 子
JSM-IT200）を用いて、陶器表面の微構造を倍率 50,000 倍で観察した。SEM 像の中から境界が鮮明な 10 個の粒子の直径を計測し、その個数平均径を求めた。上記実験を通して選定した人工オパール分散液を陶器に筆で塗り、大気中850℃で 1 時間焼成して焼き付け、作品を制作した。

３．

結果と考察

試薬を室温で 1 晩混ぜた結果、牛乳のような白色の分散液が得られた。陶器の内面に筆で塗布したところ、エタノールを多く含むため室温でも 1 分程度で液が乾き、乾くとともに色を発現した。合成条件の異なる 6 種の分散液を用いて得られた、陶器表面の SEM 像と陶器の外観写真を図1 に示す。直径 316 nm の人工オパールは赤紫、357 nm では青のほぼ単色であったが、375 nm の場合は青を基調と

図 1. 6 種の人工オパール分散液を塗布した陶器の SEM 像と、異なる角度からデジカメで撮影した外観写真.

し側面にかけて緑のグラデーションが見られた。より大きな 415 nm では緑～黄緑を基調とし側面にかけて黄、橙、

1

KISTEC研究報告2021

【機械・材料技術部】

図 2. 発現した構造色に関する考察図. 上段; 図 1 に示した陶器外観(再掲)、下段左;陶器の曲面に塗布した人工オパール粒子の積層方向を表す模式図、下段右；粒径 R の粒子が作る周期構造が強め合うように反射する光の波長λの計算結果.

続いて、図 2 により前記の現象を考察する。陶器を真上から見た場合、底面に塗布された人工オパール粒子の積層方向は視方向と平行となり、側面では垂直となる。視方向に対する積層方向が異なると、粒子が作る構造の周期間距離も異なり、その結果、強め合って反射される光の波長も異なる。色が陶器内側の曲面の角度に依存することは、真上から撮影した写真において同心円状に色が異なっていた結果からも裏付けられる。理論上、強め合って反射される光の波長 λ は、周期構造の間隔 D、整数 m、屈折率 n 及び光の入射角度 θ の関数として次式で表される 1)。
λ = 2(D/m)(n2-sin2θ)1/2(1)
周期構造の間隔 D は粒子の積層方向に応じて底面では√6R/3、側面では R/2 と表すことができ（R は直径）
、この
他に斜め方向にも周期構造は存在する。(1)式から計算した
λと R の関係を図 2 のグラフに示す。粒径が大きいと、整数 m が 2 やそれ以上となる条件においても(1)式を満たす
可視光域のλが存在する。具体的には、粒径 378 nm では
底面で青の光（m=2）が強められ、側面にかけて緑の光（m=1）が強められる計算となる。そのため、陶器(C)では青から緑のグラデーションが確認されたと思われる。同様に、415 nm では底面の青緑から側面にかけて赤の光が強められる計算となり、陶器(D)の外観とよく一致した。
陶器(E)、（F）では、m=3 条件下でも可視光が強められる計算となり複雑ではあるが、概ね外観と一致した。
近年、国宝「曜変天目茶碗」の美しい色彩が構造色と言われている。そこで、曜変天目茶碗の色彩をモチーフとした作品を制作した。図 3 に示すように、光の角度によって青↔緑と色が変わる特徴の発現を確認することができた。

KISTEC研究報告2021

図 3. 曜変天目の色彩をモチーフとした作品. 1 種類の人工オ
パールを塗布して焼成. 光の角度に依存して青↔緑と色が変わる.

４．

今後の展開

サステナビリティ時代の潮流に乗り、環境にやさしいレ
アメタルフリー顔料として、新しいデザインを可能とする
高機能顔料として、人工オパールが実用化されるよう取り組む。随時、KISTEC メール技術相談フォーム等で、特許ライセンスや技術に関する相談を受け付けている。
【参考文献】
1. Y.Ono, J. Asian Ceram. Soc, 8, 578-585 (2020).
【外部発表】ポスター発表 1 件

2

【機械・材料技術部】

グラスウールの垂直入射吸音率の理論予測
小島 真路（機械・材料技術部 機械計測グループ）
板谷 透、岡村 和馬（旭ファイバーグラス株式会社）

表 1 グラスウールのサンプル

１ はじめに
家電や産業機械をはじめ様々な機器に対して、音や振動に材厚（㎜）

嵩密度(kg/m3)

流れ抵抗(Pa・s/m2)

10

20.4

690.0

係わる要求が従来に増して高まっている。吸音材として多く利用されるグラスウールは、繊維径や嵩密度が複数通り

10

21.5

660.0

あり、利用者が適切なグラスウールを選定することは容易

10

22.9

756.7

であるとは言えない。

10

24.8

756.7

本研究では、利用者が簡単にグラスウールを選定できるこ

15

36.3

1033.3とを目指し、嵩密度と材厚から垂直入射吸音率を理論予測

15

39.1

1188.9するプログラムを作成する。グラスウールの繊維径は 3、4、

15

50.9

1653.37μm の三種類を対象としたが、ここでは 7μm の結果につ

15

62.1

2200.0いて述べる。はじめに、嵩密度と流れ抵抗の関係を明らか

15

77.3

3040.0にし、次に、流れ抵抗から音響パラメータを算出する独自

15

77.8

3048.9

モデルを作成する。最後に、音響パラメータから垂直入射

15

87.3

3342.215

90.5

3648.91595.4

4031.115100.8

4531.1

吸音率を算出する。

２ 嵩密度と流れ抵抗の関係
嵩密度と空気流れ抵抗の関係には、相関があることが知10000

流れ抵抗(Pa s/m2)

られている。カトーテック社製の通気性試験機(KES-F8AP1)を用いて通気抵抗を測定し、材厚で除算することで流れ抵抗を求めた。表 1 に示すグラスウールの嵩密度𝐷𝐷と流れ
抵抗𝜎𝜎との関係を検証した(図 1)。その結果、強い相関が認められたので累乗近似を行い、グラスウールの嵩密度から流1000

れ抵抗を算出する以下の推定式(1)を得た。
𝜎𝜎 = 16.638 𝐷𝐷1.193

𝜎𝜎 =𝐷𝐷1.193
𝜎𝜎 16.638= 16.638
𝐷𝐷1.193

100

(1)

10

100

1000

嵩密度(kg/m3)

３ 音響パラメータの推定

図 1 嵩密度と流れ抵抗の関係

３.１ 音響パラメータの実測をそれぞれ波数 𝜔𝜔⁄𝑐𝑐 で規準化し、虚数部については１を引いた値となっている。

音響パラメータ（特性インピーダンスおよび伝搬定数）の推定にあたり、表 1 に示す嵩密度の異なるグラスウールを

３.２

流れ抵抗から音響パラメータを予測する独自モデルの作成用意し、実測値を得た。これらの値は、グラスウールの背後空気層を変えて測定した二つの音響インピーダンスから前節で求めた音響パラメータの実測値を用いて独自モデ求めた。図 2(a)、(b)に特性インピーダンス 𝑍𝑍𝑐𝑐 の実数部 𝑅𝑅ルを作成した。Delany-Bazley モデルや Miki モデルが導かれと虚数部 𝑋𝑋 を、図 2(c)、(d)に伝搬定数 𝛾𝛾 の実数部 𝛼𝛼 と虚る過程で用いられている複数の音響パラメータの実測値から近似する手法 1）を採用した。実測値には、おそらくは、

数部 𝛽𝛽 を示す。横軸は周波数 𝑓𝑓 を流れ抵抗 𝜎𝜎 で規準化しサンプルサイズの影響だと思われる落ち込みが、主に
𝑓𝑓�
𝜎𝜎 < 0.2 の範囲にみられる。しかしながら、それ以外の部
分に着目すると、同じ傾きを持った直線の集まりであるこた値である。また、縦軸は、特性インピーダンスについては、その実数部 𝑅𝑅 と虚数部 𝑋𝑋 をそれぞれ空気の音響抵抗𝜌𝜌𝜌𝜌 で規準化し、実数部から１を引いた値と虚数部の符号を反転した値で、伝搬定数では、その実数部 𝛼𝛼 と虚数部 𝛽𝛽とが推察されるので、落ち込みの範囲を除いて累乗近似を

3

KISTEC研究報告2021

【機械・材料技術部】

𝑓𝑓
行った。その結果、周波数を流れ抵抗で規準化した �𝜎𝜎 から音響パラメータを求める以下の推定式(2)~(3)を得た。
(2)−0.695𝑓𝑓
𝑅𝑅(𝑓𝑓) = 1 + 0.2834 � �
𝜎𝜎𝑓𝑓 −0.633
𝑋𝑋(𝑓𝑓) = −0.472 � �𝜎𝜎𝛾𝛾 = 𝛼𝛼(𝑓𝑓) + 𝑗𝑗𝑗𝑗(𝑓𝑓)−0.586𝑓𝑓𝜔𝜔𝛼𝛼(𝑓𝑓) = �0.7041 � �
𝜎𝜎
𝑐𝑐

(3)

�

図 3 垂直入射吸音率の比較

𝑓𝑓 −0.695
𝑅𝑅(𝑓𝑓) = 1 + 0.2834 � �
𝜎𝜎

1

0.1

0.01

0.1

1

10

𝑓𝑓⁄𝜎𝜎

(a)特性インピーダンス(実数部)10𝜔𝜔
𝑓𝑓 −0.73
�1 + 0.4336 � �
�
𝑐𝑐
𝜔𝜔

-X/ρc

𝛽𝛽(𝑓𝑓) =R/ρc－1

𝑍𝑍𝑐𝑐= 𝑅𝑅(𝑓𝑓) + 𝑗𝑗𝑗𝑗(𝑓𝑓)
𝜌𝜌𝜌𝜌

10

𝑓𝑓 −0.633
𝑋𝑋(𝑓𝑓) = −0.472 � �𝜎𝜎1

４ 垂直入射吸音率の算出と独自モデルの検証
剛壁面に密着した吸音材の垂直入射吸音率は、特性インピ

0.1

２）

ーダンスと伝搬定数を用いて求めることができる

。

0.01

0.1

1

10

𝑓𝑓⁄𝜎𝜎

式(1)~(3)を用いて、嵩密度から任意の材厚の垂直入射吸音(b)特性インピーダンス(虚数部)率を求めるプログラムを Excel で作成した。例として、材厚1010mm ・ 嵩 密 度 20.4kg/m3 、 お よ び 材 厚 15mm ・ 嵩 密 度𝛼𝛼(𝑓𝑓) =cα/ω

39.1kg/m3 の 2 つの場合の予測と実測を比較した結果を図 3 に示す。周波数帯域によって、やや差がみられるものの、良1

𝑓𝑓 −0.586
𝜔𝜔�0.7041 � ��𝜎𝜎𝑐𝑐

好な結果を示している。
0.1

５ まとめ
グラスウールを対象として、嵩密度から垂直入射吸音率

0.01

0.1

1

10

𝑓𝑓⁄𝜎𝜎

を理論予測するプログラムを作成した。最初に、様々な嵩(c)伝搬定数(実数部)10密度のグラスウールの嵩密度と流れ抵抗の関係について検証し、強い相関が認められたので、累乗近似により定式化
cβ/ω-1した。
次に、背後空気層を二通りとして、音響パラメータの測𝛽𝛽(𝑓𝑓) =1

𝑓𝑓 −0.73
𝜔𝜔�1 + 0.4336 � ��𝜔𝜔𝑐𝑐

定を行った。ここでは、限られた領域に値の落ち込みが現れた。この落ち込みは、これまでの経験から、サンプルサ
0.1

イズの調整によって対処できると思われるが、今後、検証する必要がある。しかしながら、その領域を除いた部分を

0.01

0.1

1

みると、同じ傾きを持った直線の集まりであることが推察(d)伝搬定数(虚数部)されたので、累乗近似を行い流れ抵抗と音響パラメータの

図 2 音響パラメータ

関係式を求めた。

1.0
垂直入射吸音率

これらの関係式を組み合わせることで、嵩密度から垂直
入射吸音率を求めるプログラムを完成させた。最後に、予測と実測の結果を比較し、良好な結果が得られていることを確認した。
【参考文献】
116(1970).

実測 材厚10㎜ 嵩密度20.4kg/m³
予測 材厚10㎜ 嵩密度20.4kg/m³

0.8

実測 材厚15㎜ 嵩密度39.1kg/m³

0.6

予測 材厚15㎜ 嵩密度39.1kg/m³

0.4
0.2
0.0

１． M.E.Delany and E.N.Bazley，Apl.Acost.，3，105-

0

500

1000
周波数(Hz)1500

図 3 垂直入射吸音率の比較

２． 加藤大輔，日本音響学会誌，68，463-468(2012)．

KISTEC研究報告2021

10

𝑓𝑓⁄𝜎𝜎

4

2000

【機械・材料技術部】

SS-OCT を用いた材料の内部構造の非破壊評価技術
高橋

拓実（機械・材料技術部 材料物性グループ）
多々見１．

純一（横浜国立大学）

 装置が PC ラックに積載できる程度にコンパクトではじめに特性を劣化させる悪質な不均質構造（以下、欠陥）の低減は、材料の高信頼性化と高機能化のために不可欠なアプ

可搬性がある。
 家庭用ビデオカメラのようなプローブ部は、干渉計

ローチである。従来、仕掛品や製品の特性や構造を点で評価し、これらに相関する多様なプロセス因子の影響を長年と接続する光ファイバーを含むケーブル長の範囲で自由に取り回せる可動性がある。

の経験と勘に基づいて推測し、諸条件を決定する場合が多い。しかし、原材料や装置、温湿度などの製造環境、人なこれらの特長を活かして、筆者らはこれまでセラミック
ス材料の製造に関わる多様な形態の粉体材料（粒子が液中どが変わることで問題に対する認識が複雑化し、一からの最適化が必要になるケースも少なくはない。重要なことは、に分散したスラリーや顆粒、成形体など）の内部構造変化
をその場観察し、報告してきた 4-10)。これらの詳細につい製造工程のいつ・どこで・どのように欠陥が形成したかという実態を直接的に理解して、得られた情報をプロセスへては既報を参照いただくとして、本稿では用いた SS-OCTの観察原理や、基本的な観察性能を決定する光源の仕様に

フィードバックし、的確に制御することである。このためには、実使用環境に近い環境下において、観察や測定を非ついて簡単に説明し、身近で一般的な観察対象として、以下の 4 つの事例を紹介する。

破壊で行う新しい評価技術が必要である。
筆者はこれまで、セラミックス材料の高信頼性化や高機

２． ＳＳ－ＯＣＴ
２．１ 観察原理 11)

能化に資するプロセス技術や評価技術の研究開発に従事してきた。セラミックス材料は、粉体に始まり、高温でのSS-OCT の光学系の模式図を図 1 に示す。光源から出た焼結や、応力場や化学反応場の作用に起因した顕著な内部構造変化を伴う多段階プロセスを経て製造される。このた

光は、ビームスプリッターで反射光（参照光）と透過光に分けられる。透過光は観察対象へ照射され、内部構造情報

め、プロセス中で起こる現象の実態はほとんどがブラックボックスであり、多岐にわたるプロセス因子の相関関係はを反映した散乱光としてビームスプリッターに戻ってくる。この時、ミラーで反射されてビームスプリッターに戻十分に解明されていない。信頼性や機能性の観点で問題となる欠陥のスケールは、数 μm～サブ mm（メソスケール）ってきた参照光と同じ位相と波長を保った反射光のみが干渉するので、光干渉信号として検出される。光干渉は、のである。これは、原料粉体を構成する粒子の形態とも密接に関係する。また、高温下、あるいは化学反応場や応力

OCT＝Optical Coherence Tomography（光干渉断層法）の名
前通りに全ての方式の OCT で共通する基本原理で、光が場が作用する環境下での内部構造変化も同様のスケールである。これらの観点から、メソスケール現象を的確に捉持つ深さ方向情報を取り出す手法である。SS-OCT は光源
が波長可変レーザー（Tunable laser）であるため、周波数

えうる高い時空間分解能が求められる。さらに、実使用環
境に近い環境下での評価のためには、評価システムの高いを直線的に変えながら深さ方向を計測する。得られる情報
は周波数に対する光干渉信号強度（スペクトル干渉信号）

拡張性が不可欠である。これらの要求の全てを満たす基盤技術として、筆者らは波長掃引型光コヒーレンストモグラ
フィー（以下、SS-OCT）に着目した。
SS-OCT は、医療分野で発達した非侵襲の内部構造観察技術で、身近には眼底検査装置として普及している 1-3)。
筆者らの研究目的における SS-OCT の実用的な特長は以下の通りである。
 物質透過性が高い近赤外光を光源とするため、多様な材料に対して適用可能である。
 3 次元観察が可能である。
 μm オーダーの高分解能である。
 ビデオレート以上の動的 2D 観察と秒スケールの高速 3D 観察が可能である。
 光源と同じ位相と波長の反射光のみを検出するため、

図１ ＳＳ－ＯＣＴの光学系の模式図

高温下の輻射など、周囲の散乱光の影響を受けない。

5

KISTEC研究報告2021

【機械・材料技術部】

図２ 冷凍イチゴの断面像であるから、これを逆フーリエ変換することで深さ方向の位置情報が得られる。

２．２

光源の仕様

光源の波長は、内部構造観察では重要な因子である。生体観察を主として開発されてきた経緯から、市販の OCT
装置では水による吸収がない「生体の窓」と呼ばれる近赤外の波長帯が選択される。たとえば、眼底検査装置では1000 nm が多いようである。筆者らは、中心波長 1300 と1700 nm の光源を採用した SS-OCT 装置（IVS-4000、santec㈱製）をこれまで用いてきた。大まかには、高深達な観察では長波長，空間分解能では短波長が有利である。また、水による吸収の影響は 1700 nm の方が大きい。
波長可変レーザーの場合、光源の掃引周波数がスキャン速度を決定する。市販装置の掃引周波数は 20-100 kHz であり、これは深さ方向スキャン（A-scan）が毎秒 2-10 万回行われることを意味する。A-scan を水平方向に繰り返す（B-scan）と 2D 断面像を取得でき、B-scan を奥行方向に繰り返すと 3D 情報を取得できる。今、掃引周波数 20 kHz

図３ 食品用のプラスチック容器の壁の断面像の光源からなる SS-OCT で 1×1×1 mm の空間情報を空間
分解能 5 μm/pixel で取得する場合を考えてみる。本条件に（Achene）で、後者は赤色の花床（Receptacle）である。

おいて、B-scan を 1 回完了するための A-scan の繰り返し
数は 200 回である。すなわち、100 fps で 2D 像を表示可能

さらに花床の内部では、表皮細胞や皮層細胞などで構成される皮層（Cortex）側と、中心近傍の髄（Pith）側とで組である。さらに、C-scan を 1 回完了して 3 次元情報を取得するための B-scan の繰り返し数も 200 回であり、計算上織の形態が異なる様子が明瞭に観察された 12)。また、イチゴの痩果は子房壁（Ovary wall）で胚珠（Ovule）を覆ったの所要時間は 2 s である。

構造である 13)。図 2 のいずれにおいても、痩果の内部に外形に沿った線状信号が観察されたことから、これは子房壁

３． 観察事例
３．１ イチゴと胚珠の界面に相当すると考えられる。イチゴに限らず、植物の大部分を構成する植物細胞は細胞壁や細胞質で構

図 2 は、OCT で観察した冷凍イチゴの断面像である。
OCT のプローブと観察対象の位置関係、ならびに画像間成される。これらの屈折率は、無機物や人体の皮膚等と比べると小さく（細胞壁が 1.46、細胞質が 1.36）、主成分のの対応は図中に黄色のラインで示した。
OCT 像において、コントラストは信号強度の高低と対応する。すなわち、光

水の屈折率（1.33）との差も小さい 14)。すなわち、内在す
る光学的不均質構造での散乱が小さく、内部構造が鮮明に

学的に不均質な界面が存在すると反射が起こるので、高コントラストで表示される。図 2 で見られるように、イチゴ観察されたと考えられる。

の内部では、大きな楕円体の構造と、これを囲む微細組織から構成されている様子が観察された。前者は粒状の痩果

３．２

KISTEC研究報告2021

食品用のプラスチック容器の壁

図 3 は、OCT で観察したフルーツの果肉入りゼリーの6【機械・材料技術部】

図４

保温ボトル表面の（Ａ）表面反射像（Ｂ）ＯＣＴ観察で取得した３次元像（Ｃ）塗膜の断面像（Ｄ）塗膜の内部構造

プラスチック容器の壁の断面像である。OCT のプローブ

では認識できなかったスクラッチが明瞭に観察された。こ

と観察対象の位置関係は図中に示した。高強度の平行な線状信号は、容器の外壁面と空気、内壁面とゼリーの界面での結果は、塗膜下の情報を非破壊で取得できていることを意味する。さらに、水色の破線部における深さ方向の断面の反射に起因すると考えられる。また、容器の壁の内部において、破線の円で囲った箇所で局所的に強い信号が観察像を図 4（C）に示した。ここで、図 4（C）は視認性を考慮し、画像処理で LUT（ルックアップテーブル）を調整された。これらは奥行方向（C-scan 方向）に連続しているため、たとえば空気を内包する球状、あるいは面状の欠陥

してカラー化した。色は図中のカラーバーの信号強度と対応する。また、▽マークは図 4（B）の 3 次元像との位置と樹脂との界面での反射に起因すると考えられる。さらに、外壁面と内壁面の間のちょうど中心付近に低強度の線状関係を示す。塗膜下のステンレス鋼部分は近赤外光を吸収するため構造情報を取得できないが、塗膜内においては光信号が観察された。これは酸素を遮断するためのガスバリア層と考えられ、肉眼ではわからない容器の多層構造が学的に不均質な構造を有していることがわかった。詳細な解析のために、塗膜内部の拡大図を図 4（D）に示した。

OCT 像では明確に検出できることが分かった。また、ゼリーの内部においては、様々な大きさの塊状信号が観察さ

図 4（D）において、空気に接している表面側から深さ方向に向かって紫色、橙色と線状信号の色が変化しているこれた。これは、ゼリーとゼリーに含まれる果肉との界面での反射に起因すると考えられる。

とがわかった。紫色の線状信号は空気と塗膜の界面での反射に起因すると考えられる。一方、さらに高強度の橙色の３．３

線状信号は、より屈折率差が大きい界面の存在を示唆している。すなわち、塗膜とステンレス鋼の界面での反射に起保温ボトル表面の塗膜

図 4 は、保温ボトル表面の（A）表面反射像（B）OCT
観察で取得した 3 次元像（C）塗膜の断面像（D）塗膜の因すると考えられる。また、塗膜中に高強度の点状信号が観察された。本信号は奥行方向（C-scan 方向）に連続性を内部構造である。まず、図 4（A）において、多数のスクラッチや汚れに加え、塗膜の一部が剥がれ落ちて再付着示したことから、塗膜中に内在する欠陥に起因すると考えられる。以上の結果から、OCT 観察は金属を含む製品に（図中、破線の円で囲った領域の周辺）した箇所も確認した。図 4（B）は、図 4（A）の黄色の破線で囲った 10×10

対しても、評価目的によっては素早く、高分解能かつ 3 次
元で内部構造情報を評価できる有用な手法であることがmm の領域に対して、8.9 μm/pixel の空間分解能で OCT 観
察して取得した 3 次元像である。所要時間は約 11 秒だっわかった。

た。図 4（B）に示したように、肉眼では確認しづらいスクラッチや汚れなども含め、図 4（A）の表面反射像とよ３．４

く対応していることがわかった。さらに、剥がれ落ちた塗膜が再付着した領域においては、塗膜に隠れて表面反射像を吸収させる第一歩となる重要な特性の一つである。とりわけ、口腔内崩壊錠の普及に伴い、的確な錠剤の定量設計

医薬品錠剤

錠剤の崩壊性は、狙った場所やタイミングで人体に原薬

7

KISTEC研究報告2021

【機械・材料技術部】

図５

水中での崩壊に伴う錠剤の内部構造変化のリアルタイム動的２Ｄ観察に基づく品質管理の必要性が高まっている。しかし、錠剤内包する。したがって、内部散乱が大きくなり、OCT 像の崩壊性評価は従来、外観変化による崩壊時間の測定しか行われておらず、液中で崩壊する現象の実態はブラックボ

は不鮮明化する。このような散乱体の内部構造を鮮明にするためには、X 線 CT のように既に確立した手法での並行ックスだった。図 5 は、市販の医薬品錠剤の水中での崩壊に伴う内部構造変化過程を動的に観察した結果である。観

評価に基づく的確な画像処理プロセスを確立する必要がある。筆者らは、機械学習による画像処理プロセスの最適

察時のフレームレートは 82 fps、面内分解能は 8.9 μm/pixelとした。図 5 の OCT 像の経時変化から、浸水直後の水と化も検討を進めている。一方で、構造の可視化ではなく、構造変化の定量的な理解であれば、スペックルパターンの錠剤の界面位置が徐々に上昇したことがわかった。これは錠剤が吸水し、膨潤しているためである。一方、赤色の破変位量の解析でも可能である。スペックルパターンは、反射光同士の干渉で OCT 像に一様に生じる粒状のランダム線で囲った錠剤端部では、より顕著な体積膨張が短時間で進行する様子が観察された。このような不均質な膨潤は、パターン（ノイズ）である。その反面、光を散乱させる要因を全て同一としなければ同じパターンが得られない構吸水経路を決める錠剤の内部構造と密接に関係すると考えられる。打錠は一軸加圧成形で行うため、加圧方向（図造敏感な性質をもち、「光の指紋」としてセキュリティキ
ーにも利用されている。筆者らは、SS-OCT による動的 2D

5 の A-scan 方向に相当）に粒子が充填しやすくなる。すな
わち、粒子と空気の界面の数が増える。また、異方的な加観察と重量変化の同時測定を両立する評価システムを構築し、さらにスペックルパターンの変位量をデジタル画像

圧は粉体層に応力分布をもたらすため、錠剤の表面近傍と内部とで粗密差を生じさせる。こうした製造工程のプロセ相関（DIC）法で解析することで、吸水を起点とした錠剤の崩壊に伴う内部構造変化過程の定量的な可視化にも成ス因子の影響で生じた構造不均質性は、図 5 において側面から膨潤が顕著に進行した結果と相関すると考えられる。

功した。本成果については、今後、別紙で報告する。また、散乱体の内部構造を OCT 観察すると、信号強度は表面で４．

の反射が最も高く、深さ方向に減衰する。減衰の大きさ（減衰率）は、内在する光学的な不均質構造の存在形態によっまとめと今後の展望

果物、プラスチック容器、塗膜、錠剤と、多様な観察対象での観察事例の紹介を通して、OCT 観察で得られる構て決まる。そのため、減衰率の分布を 3 次元的にマッピン
グすれば、光学的な構造不均質性をミリ範囲で定量評価す

造情報の「質」は、観察対象に内在する光学的な不均質構
造と密接に関係することがわかった。果物やプラスチック

ることもできる。筆者らは、異なる内部構造をもつ Al2O3
成形体や焼結体に対して上述した評価を行うことにより、容器は内包する光学的に不均質な界面での屈折率差が小さいため、深さ方向への信号強度の低下（減衰）は小さく、原料粉体を構成する粒子の形態や成形方法などで導入された構造不均質が、最終製品である焼結体中の不均質構造

内部構造を鮮明に観察することができた。塗膜は、果物やプラスチック容器と比べて深さ方向の距離が圧倒的に短の存在形態とよく相関することを定量的に示すことにも成功した。今後はさらに検討を進め、従来の密度や微構造

いものの、内在する光学的な不均質構造を明確に検出することができた。本結果は、類似した材料構成であるインフ評価だけでは理解しきれなかった材料中の構造不均質性とプロセス因子との相関関係の解明に尽力していく。

ラ構造物の塗膜の非破壊検査などに対しても同様に有効性を示すことが期待され、OCT 観察の新たな応用の可能【参考文献】
1.

性を示唆している。錠剤は圧粉体であるため、粒子同士の界面や顆粒間の空隙など、多数の光学的に不均質な界面をKISTEC研究報告2021

8

D. Huang, E.A. Swanson, C.P. Lin, J.S. Schuman, W.G.
Stinson, W. Chang, M.R. Hee, T. Flotte, K. Gregory, C.A.

【機械・材料技術部】

9.

Puliafito, J.G. Fujimoto: Science, 254, 1178-1181 (1991).

高橋拓実, 多々見純一, 坂本文香, 伊東秀高, 飯島志

2.

M. Haruna, M. Ohmi, J. Soc. Insturum. Control Engnr.,
45, 915-921 (2006).

行, 光コヒーレンストモグラフィーによるセラミッ
クス焼結体とスラリーの内部構造観察, 粉体および

3.
4.

M. Haruna, Medical Photonics, 1, 1-5 (2010).
高橋拓実, 多々見純一, 波長掃引型光コヒーレンス

粉末冶金, 65, 10, 659-663 (2018)10. 高橋拓実, 多々見純一, 飯島志行, 伊東秀高, 田口勇,

トモグラフィーによるセラミックス内部構造の非破壊評価技術, CERAMICS JAPAN, 56 (1), 7-10 (2021)

セラミックスプロセスチェーンの最適化のための光
コヒーレンストモグラフィー観察, FC Report 春号,

高橋拓実, 多々見純一, 光コヒーレンストモグラフ
ィーによる Al2O3 顆粒の一軸加圧下における粉体層

36 (2), 62-67 (2018)
11. 山成正宏, OCT 技術の基本を紐解こう, 視覚の化学,

中の空隙の形態変化過程のその場観察, 粉体および粉末冶金, 67 (11), 615-620 (2020)

39 (3), 37-44 (2018)12. J. Suutarinen, K. Heiska, P. Moss, K. Autio, The effect of

T. Takahashi, Control of the Particle-Assembled Structure
and a Novel Evaluation Technique for High-Performancecalcium chloride and sucrose prefreezing treatment on the
structure of strawberry tissues, LWT - Food Science andCeramics, Journal of the Ceramic Society of Japan, 128(10), 738-746 (2020)

Technology, 33 (2), 89-102 (2000)
13. C. Kang, O. Darwish, A. Geretz, R. Shahan, N. Alkharouf,

高橋拓実, 多々見純一, 光コヒーレンストモグラフ
ィーによる Al2O3 焼結体の内部構造観察, CERAMICS

Z. Liu, Genome-Scale Transcriptomic Insights into
Early-Stage Fruit Development in Woodland StrawberryJAPAN, 55 (2), 103-107 (2020)
F. Sakamoto, T. Takahashi, J. Tatami, M. Iijima,

Fragaria vesca, The Plant Cell, 25 (6), 1960-1978 (2013)14. 栗原大輔, 水多陽子, 透明化技術を用いた植物組織

Prediction of strength based on defect analysis in Al2O3
ceramics via non-destructive and three-dimensional

傾向観察のすすめ, Plant Morphology, 29, 8-86 (2017)

5.

6.

7.

8.

observation using optical coherence tomography, Journalof the Ceramic Society of Japan, 127 (7), 462-468 (2019)【外部発表】口頭発表

9

3 件，

論文等発表

4件

KISTEC研究報告2021

【機械・材料技術部】

高い近赤外遮蔽特性を有する化粧品用酸化亜鉛顔料の開発
良知

健、小野

洋介(機械・材料技術部ナノ材料グループ)廣芝１．

伸哉(大阪工業大学)

3、 60、 120、 240 min で水溶液の一部を取り出した。取り出した液を遠心分離機にかけ、沈殿物を乾燥させて酸化はじめに太陽光に含まれる紫外線が肌の炎症や黒化をもたらす
ことは一般によく知られている。また紫外線を繰り返し浴
びることにより、シワやシミといった肌の光老化が生じた

亜鉛粒子を得た。
２．３ 酸化亜鉛粒子形状の作製原料依存性

り、将来的に皮膚がんにつながることもある。このような作用を持つ紫外線から肌を守るため、紫外線を遮蔽する機

サブミクロン径の酸化亜鉛粒子を作製する目的で水溶液濃度を低下させるとともに、作製原料を変化させること能を持つ紫外線防止化粧品が販売されている。さらに近年は紫外線だけでなく、肌のより深層まで到達する近赤外線

による粒子形状への影響について調べた。強酸の硝酸亜鉛
六水和物もしくは弱酸の酢酸亜鉛二水和物水溶液に、強塩も光老化の原因となることが指摘されるようになり、近赤外線遮蔽性を付与した紫外線防止化粧品も見られるよう基の水酸化ナトリウムもしくは弱塩基のヘキサメチレン
テトラミン水溶液を加えた。各水溶液はすべて 50 mlになってきた 1)。
そこで本研究では、化粧品への適用が可能で市販品より0.01M とし、80-90 ℃で 4 時間反応させた後、沈殿物を乾燥させて酸化亜鉛粒子を得た。

も高い近赤外遮蔽性を示す酸化亜鉛顔料の開発を目指した。液相合成法により酸化亜鉛粒子を作製し、作製条件が３．

結果及び考察粒子の形状・粒径に与える影響を評価した。

pH10-12 における酸化亜鉛粒子の SEM 像を図 1 に示す。
pH10、11 では突起の大きい形状をしているが、pH12 では

２．

球状に近い形をしていることがわかる。そのため、形状からは pH12 で得られた粒子が肌への刺激が比較的小さいと

実験方法

２．１

酸化亜鉛粒子形状の pH 依存性

酸化亜鉛粒子の形状に与える pH の影響について調べた。
硝酸亜鉛六水和物水溶液（50 ml、 0.1 M）と水酸化ナト期待される。また、粒子による光の遮蔽メカニズムには吸収と散乱が考えられるが、近赤外領域ではそのうち散乱がリウム水溶液（45 ml、 0.2 M）の混合液に、さらに水酸
化ナトリウム水溶液（1.5 M）を加え、pH が 10、 11、 12

支配的となる。Mie 散乱の理論から、球状粒子による光の散乱効率因子 Κ(ρ)は近似的に次のように表される 6)。

となるように調整した 2-5)。室温で 6 時間静置した後、沈殿物を乾燥させて酸化亜鉛粒子を得た。
２．２ 酸化亜鉛粒子径の反応時間依存性
酸化亜鉛粒子の大きさに与える反応時間の影響についここで ρ=4πa(n-1)/λ であり、a は球状粒子の半径、n は粒子の内外での屈折率比、λ は光の波長である。
この式から、て調べた。前節と同様の条件で pH12 に調整し、反応時間

近赤外線（900-1800 nm）の散乱効率が高くなる理想的な

pH10

5 µm

60 min

3 min

pH11

240 min

120 min

pH12

5 µm

5 µm

5 µm

図 2 異なる反応時間で作製した酸化亜鉛粒子の SEM 像

図 1 pHの異なる水溶液中で合成した酸化亜鉛粒子のSEM像

KISTEC研究報告2021

5 µm

5 µm

5 µm

10

【機械・材料技術部】

(a)

○ ZnO
◆ Zn5(OH)6(CO3)2

Intensity ( a.u. )

○

(b)

○

○

◆
◆

◆ ◆

◆

◆

◆
◆

○

○
◆ ◆ ◆

◆

◆

◆

◆

○

○
○

3 min
○

○

○

○

1 µm

1 µm

○
○

(c)

○

(d)

○
○

240 min

○

○
○
○

20

40

60

○

○

○

○

80

5 µm

2θ ( °)5 µm

図 3 反応時間 3 min、 240 min 試料の X 線回析パターン

図 4 異なる原料から作製した酸化亜鉛粒子の SEM 像（(a)硝酸亜鉛＋水酸化ナトリウム、 (b)酢酸亜鉛＋水酸

粒径は 100 - 300 nm である 7)。これに対し、得られた粒子化ナトリウム、(c)硝酸亜鉛＋ヘキサメチレンテトラミン、(d)酢酸亜鉛＋ヘキサメチレンテトラミン）の粒径はいずれも数 μm であり、最も粒径が小さい pH12でも 1.5 μm 程度であった。そこで次に反応時間を短くすることにより、サブミクロン径の酸化亜鉛粒子の作製を試みた。

の粒子（d）が得られた。そのため、今回作製した粒子では形状および粒径から（a）、（b）が高い近赤外遮蔽性特性を示す化粧品用顔料として期待される。今後はこれらの粒pH12 の条件下で反応時間を 3、 60、120、 240 min と変化させて得られた粒子の SEM 像を図 2 に示す。いずれ子について近赤外遮蔽特性を評価するとともに、粒子コー
ティングによる生体適合性の付与についても検討する。

の反応時間でも針状の酸化亜鉛種結晶が絡み合った綿あめ状の粒子と酸化亜鉛が凝集した粒径数 μm のマイクロ粒子が見られる。反応時間 3 min では綿あめ状粒子が多くみられるが、反応時間とともに徐々にマイクロ粒子の割合が

４．

まとめ

市販品よりも高い近赤外遮蔽性を示す酸化亜鉛顔料の開発を目指し、液相合成法により酸化亜鉛粒子を作製した。

増加し、240min ではマイクロ粒子が支配的になる。綿あめ状粒子とマイクロ粒子の結晶相について確認するため、pH や反応時間、作製原料が粒子の形状および粒径へ与える影響を評価し、それらを制御することでサブミクロン径

これらの試料の X 線回折パターンを測定した（図 3）。3min
では炭酸水酸化亜鉛と酸化亜鉛の結晶相が見られるのにの球状粒子を得た。今後は近赤外遮蔽特性の評価を行うとともに、粒子コーティングによる生体適合性の付与につい対し、240 min ではほぼ酸化亜鉛の結晶相であった。したがって綿あめ状粒子が炭酸水酸化亜鉛、マイクロ粒子が酸ても検討する。

化亜鉛と推察される。また、以上から単に反応時間を短くしただけではサブミクロンの酸化亜鉛粒子を得ることは【参考文献】

困難であることがわかる。そこで、今度は原料濃度を低くするとともに、原料の種類およびその組み合わせを変える

1. https://www.sunstar.com/wp-content/uploads/2018/02/
180214_2.pdf, サンスター株式会社他 (2018).

ことで、粒径の小さな酸化亜鉛粒子を得ることを試みた。
異なる原料から作製した酸化亜鉛粒子の SEM 像を図 4

2. N. Uekawa et al., Phys. Chem Chem. Phys., 6, 442 (2004).
3. N. Uekawa et al., Matter. Lett., 64, 1729 (2007).

に示す。これまでと同じ硝酸亜鉛と水酸化ナトリウムの組
み合わせでは、粒径約 300 nm の球状粒子が得られた（a）。

4. H Quang et al., J, Phys. D: Appl. Phys., 44, 125104 (2011).
5. J. Zhang et al., Chem. Master., 14, 4172 (2002).

酢酸亜鉛に水酸化ナトリウムを加えた場合も球状に近い粒子であり、粒径は約 800 nm であった（b）。これらに対

6. H. C. van de Hulst, Light scattering by small particles, John
Wiley & Sons, Inc. (1957).

し、硝酸亜鉛とヘキサメチレンテトラミンでは針状の粒子（c）、酢酸亜鉛とヘキサメチレンテトラミンでは六角柱状

7. Y. Tabata et al., Trans. Mat. Res. Soc. Japan, 39, 313 (2014).

11

KISTEC研究報告2021

KISTEC研究報告202112【電子技術部】

生体応用を目指したチタン基板上へのダイヤモンドライクカーボンのコーティング〜テトラメチルシラン(TMS)の効果〜
金子
１．

智、黒内

正仁、安井

学 (電子技術部

電子材料グループ)

はじめに多くの金属は汗や体液などでイオン化して溶け出してしまうため、人工関節や埋め込み型の心臓ペースメーカ
ーの材料としては不向きである。しかし、チタンは酸化しやすく表面に不動態皮膜という酸化膜を瞬時に形成する。なんらかの理由で酸化膜コーティングが剥がれても、直ぐに酸化膜で覆わられて人体への悪い影響はない。また、ダイヤモンド・ライク・カーボン(DLC)は炭素から成るダイヤモンドと黒煙の中間のアモルファス(非晶質)の材料である。ドリルなどの工具やペットボトルのコーティングにも利用されている。人体埋込みには非金属が使われることが多いが耐久性が問題である。本研究では、人体に優しいチタン基板に DLC コーティング 1 を施し、その密着性や結晶性を評価したので報告する。

２．

実験

図１：シリコン基板上のチタン緩衝膜の X 線回折結果。基板であるシリコンのピークとチタンからは様々なピークが観察され多結晶成長している。

チタン膜は物理気相法(PVD)であるホローカソード PVD
によりシリコン(001)基板上に成膜した。成膜時間は最大30 分とし、成膜後には原子間力顕微鏡(AFM)と X 線反射率測定(XRR)により膜粗さと膜厚および堆積速度を評価した。さらに X 線回折(XRD)により結晶性も評価している。DLC 成膜はチタン膜上に行ったが、緩衝膜としてテ
トラメチルシラン(TMS) を用いている。
TMS 緩衝膜は化学的気相法であるプラズマ CVD で成膜され、その膜厚は 0~0.5μm であった。成膜時のガス雰囲
気はアルゴン：水素で 1:10 であり、その流量はそれぞれ、10 と 100sccm であり、全圧は 0.0016Pa であった。
DLC もプラズマ CVD で TMS 緩衝膜上に積層され、成膜後には AFM で表面観察とスクラッチ試験法による密着性の評価を行った。AFM 像からは ImageJ を用いた粒子サイズの評価を行った。ImageJ はアメリカ国立衛生研究所(NIH)

図２：チタン膜の X 線反射率測定。X 線を底角入射することで、膜の密度、膜厚や表面粗さが評価できる。

テーブル１：シリコン基板上にチタン緩衝膜を用いて作成した DLC コーティングの成膜条件。

表面粗さ(nm)

チタン膜

膜厚 (μm)TMS

0 - 0.5

5-6

膜種

DLC

0 - 1.5

0.5 - 15

1

3-4

13

11

粒径 (nm)(膜厚 0.6μm)

110 (膜厚 0.5μm)
200

KISTEC研究報告2021

【電子技術部】

図３：DLC 表面の AFM 像。Ra で 4nm 程度の平坦な膜が形成されている。

図４：スクラッチ試験による密着度評価。TMS 緩衝膜を50nm 以上積層することで密着が飛躍的に向上している。

テーブル２：DLC 積層膜の各層表面粗さと粒径。

チタン膜

膜厚 (μm)TMS

0 - 0.5

膜種

DLC

手法

温度

0.6

カソード PVD

350°C

1プラズマ CVD

170°C 以下

プラズマ CVDが無償で配布する解析アプリケーションソフトであり、(https://imagej.nih.gov/ij/index.html)である。テーブル１に実験条件をまとめた。

３．

体をカバーし切れていないことが予想され、このことが積層膜の剥離の原因と考えられる。テーブル２にはImageJ を用いた粒径サイズの評価を示している。チタンの細かい粒子から TMS、DLC と積層すると粒子サイズが大結果きくなっていることが分かる。

シリコン(001)基板上にカソード PVD で成膜したチタン
膜のθ-2θの XRD 結果を図１示す。成膜時間は 30 分で基板温度は 350°C であった。X 線回折結果からチタン膜は

４．

まとめ

生体適合性の高い DLC とチタンを積層したコーティン

多結晶であることが分かった。また、AFM 像の観察からチタン膜の表面粗さは Ra~0.5nm と見積もられた。更に、X

グをシリコン基板上で行った。ホローカソード PVD によりシリコン基板(001)上には多結晶チタン膜が成長した。
更に TMS 緩衝膜と DLC 膜を積層したコーティング膜の密着性をスクラッチ試験で評価したところ、TMS を 0.5μm
積層することで表面粗さが向上し、その上に積層される
DLC 膜の密着性が向上することが分かった。

線反射率測定によりチタン膜を評価し、膜厚が 18.5nm で表面粗さを 1nm 程度と見積もった(図２)。1nm 程度という評価は AFM の評価とほぼ近いものとなっていた。
チタン膜上へは TMS を緩衝膜として積層し、その表面を AFM で評価した。図３には TMS 緩衝膜 0.5μm の上に積層した DLC 膜の AFM 像を示している。Ra で 4nm 程度の平謝辞
本研究においてチタンと DLC の成膜で協力いただいた
日本電子工業の池永氏と不二 WPC の熊谷博士に感謝します。

坦な膜成長していることが分かる。次に TMS の膜厚を変化させて密着性との相関を調べた。TMS を積層しないでチ
タン上に直接 DLC を成長させた場合は DLC の密着性が非常に低く簡単に剥がれてしまった。TMS 緩衝膜の膜厚が10nm でも密着性は悪かった。図４に TMS 緩衝膜と DLC 積
層膜との密着性をまとめた図を示す。これから TMS 緩衝【参考文献】
1. 中谷達行、表面技術、67、279 (2016).

膜の膜厚が 50nm 以上で DLC 密着性が急激に向上することが分かった 2。

2. S. Kaneko, T. Horiuchi, T. Ito, S. Takagi, M.
Yasui, M. Saitoh, T. Matsunaga, K. Ikenaga, S.

DLC 膜の密着性の増加に TMS の膜厚が影響することから、TMS 緩衝膜の初期成長での表面形態を AFM で観察ししYasuhara, K. Mihirogi, Jpn J. Appl. Phys., 52,
11NA02 (2013).

たところ、TMS 緩衝膜 5nm の初期成長の表面粗さはかなり大きいことが分かった。この膜厚では TMS がチタン層全KISTEC研究報告2021

室温14

【電子技術部】

フォトリソグラフィによる微細加工におけるハイブリッドレーザー顕微鏡の計測事例
黒内
１．

正仁、安井

学、金子

はじめに

智 (電子技術部

電子材料グループ)

線描画装置(エリオニクス社製，ELS-S50)を用いて作製しレーザー顕微鏡はコンフォーカル光学系を利用して高精細な光学顕微鏡像を取得できる光学顕微鏡であり，電子た。マスクブランクスに電子線レジスト(日本ゼオン社製，
ZEP-520A)を塗布して，加速電圧 50kV の描画条件を用い部品をはじめとした微小な構造をもつ試料の表面の三次元形状を非接触で測定することが可能である。こうした特て電子線レジストのパターニングを行った。描画パターン
は線幅 0.7μm 以上のラインアンドスペースパターンであ徴から材料や加工品のミクロンレベルでの幅や高さ，3D
表面粗さなどの計測に利用されている。非接触測定が可能な特徴から，触針式の表面形状測定機では扱いづらい樹脂などの柔らかい試料の表面粗さ計測や表面形状測定に用いられている。また，カラーの顕微鏡像を観察しながらその場で 3 次元形状測定が行えるので，変色箇所の異物の調査に有用である。微細加工分野においては MEMS (Micro
Electro Mechanical Systems)素子やセンサー類など半導体
微細加工技術を使用した微細加工品の形状評価や試作品のプロセス評価にレーザー顕微鏡が使われている。
本研究所では図 1 に示すレーザーテック社製のハイブ
リッドレーザー顕微鏡が 2018 年に導入され，幅や高さの正確さや測定速度において高水準の測定が可能である。そこで本報告では，レーザー顕微鏡の計測事例として，フォトリソグラフィに関連する微細加工品の計測事例を紹介
する。

２．

実験

フォトリソグラフィに関連する試料作製および計測を行った。電子線描画装置で作製したフォトマスクの線幅評

図 2. 電子線描画で作製した解像度評価用フォトマスクの白
色コンフォーカル像幅の測定値 (µm)価と，フォトリソグラフィで作製した Al の細線パターンの線幅評価を行う。

(a)10

設計値との差 (%)

マスクアライナーで用いる解像度評価用マスクは電子

8
6
4
2
0
5
4
3
2
1
0
-1

0

2

4

6

8

10

2

4

6

8

10

(b)

0

設計値 (µm)

図 3. 作製したフォトマスクの(a)線幅の設計値と幅の測定との関係と(b)設計値との設計値との差の関係

図 1. ハイブリッドレーザー顕微鏡の装置外観

15

KISTEC研究報告2021

【電子技術部】

線幅(μm):
3

2

1.5

1

0.95 0.85 0.75
0.9 0.8 0.7(a) 線幅 0.75μm(b) 線幅 1μm

25 μm
図 5. フォトリソグラフィで作製したフォトレジストの細線パターンの白色コンフォーカル像(c) 線幅 2μmした試料にポジ型フォトレジストを塗布した後，ラインア
ンドスペースパターンのフォトマスクを使用して，マスク

図 4. 走査型電子顕微鏡で観察したフォトレジスト細線パターンの断面

り，ドーズ量は 160μC/cm2 であった。描画後は現像液 (日アライナーを用いて露光を行った。現像を行ってレジスト
パターンを形成後，ウェットエッチングによって不要な

本ゼオン社製，ZED-N50)を用いて現像を行い，電子線レ
ジストパターンを形成した。その後，マスクブランクス上

Al 膜を除去した。最後にレジストパターンをアセトンで除去した。作製した Al 細線パターンはハイブリッドレーの不要な Cr 層をウェットエッチングで除去した。最後に，
電 子 線レ ジ スト パ ター ンは剥 離 液( 日 本ゼ オ ン社 製 ，

ザー顕微鏡を用いて白色コンフォーカル像を取得して，寸法計測を行った。また，得られた表面形状から断面プロフ

ZDMAC)を用いて除去した。ここで、出来上がりのフォト
マスクの線幅は電子線描画の近接効果の影響やウェット

ァイルを作製して，Al 膜の膜厚を計測した。得られた膜厚は信頼性の高い触針式段差計の結果と比較した。

エッチングのサイドエッチの影響を受けるため、電子線描
画パターンのサイズ補正を行った。予備実験の Si 基板上

３．

のパターン形成の結果では 0.4μm 以上の線幅のパターン
では近接効果の影響は幅 40nm 程度であった。ウェットエ

電子線描画で作製した解像度評価用フォトマスクの白
色コンフォーカル像を図 2 に示す。作製した 0.7μm までのッチングのサイドエッチの影響は 40nm 程度受けると想定
して、サイズ補正の幅は 80nm を選択した。作製したフォ

線幅のパターンは明瞭に解像できていることが確認できる。レーザー顕微鏡の 2 次元的な解像力は約 150nm(波長

トマスクはハイブリッドレーザー顕微鏡を用いて白色コンフォーカル像を取得して，寸法計測を行った。

405nm のレーザーを用いたラインアンドスペース観察時)であることを考慮すると 1)，0.7μm 以上の線幅のパターン

解像度評価用マスクを用いて Si 基板上にフォトレジス
トパターンを形成して，パターン形成を確認した。Si 基板の観察は十分に行えると考えられる。図 3(a)は設計値と測定した線幅の関係であり，1 対 1 対応を示す点線に近い線

上に膜厚 1μm のポジ型フォトレジスト(東京応化製，
OFPR-800LB)を塗布して，マスクアライナー(ズースマイ

幅が得られた。図 3(b)に示す設計値との差はいずれの線幅においても 5%以内であり，作製したパターン幅が精度よクロテック製，MA6 BSA)を用いて露光を行った。その後
現像液(東京応化製，NMD-W)に浸して，レジストパター

く形成されていることが確認されたことで、今回適用した80nm のサイズ補正は妥当な値であったことが分かった。

ン形成を行った。作製した試料はへき開処理をして断面を形 成 し て ， 走 査 型 電 子 顕 微 鏡 (SEM: Scanning Electron

フォトマスクは主にガラスから構成され，一般的な SEM
ではチャージアップ用のコートを必要とするが，そうした

Microscope)を用いて観察をした。また、作製した試料をハ
イブリッドレーザー顕微鏡で白色コンフォーカル像を取前処理なしに光学的に高精細な観察が行え，線幅の測定ができるレーザー顕微鏡は強力な評価手段である。

得して、観察した。
次に，フォトリソグラフィによって Al の細線パターン

解像度評価用マスクを用いて作製したレジストパター
ンの断面 SEM 像を図 4 に示す。作製したレジストパター形成を行った。真空蒸着により Si 基板上に Al 薄膜を蒸着

ンは線幅 0.75μm 以上のパターンでパターン倒れやレジス

KISTEC研究報告2021

16

結果

【電子技術部】の観察、フォトリソグラフィで作製した Al 細線パターンの線幅評価や膜厚測定を紹介した。
【参考文献】
1. 日本学術振興会将来加工技術第 136 委員会編，ハイテ
ク五十年史に学ぶ将来加工技術，335-346 (2019).
2. 權田 俊一，21 世紀版 薄膜作製応用ハンドブック，567

10.25um(2003)．

20μm

図 6. Al 細線パターンの(a)白色コンフォーカル像および(b)断面プロファイル

ト残渣の発生がなく良好な状態で形成されていることが分かった。密着露光の限界は 2~3μm 程度 2)といわれていたことを考えると，今回の試料は密着露光によるパターン形
成としては高精細なパターン形成が行えていることが確認できた。
フォトレジストの細線パターンの白色コンフォーカル
像を図 5 に示す。フォトレジストの細線は 1.5μm 以上の線幅では明瞭に見えているが，1μm 以下の線幅ではコントラストが低下して細線が見えづらくなっている様子が見られる。これはフォトマスクでは 0.7μm 以上の線幅で明瞭に細線が解像していることを考えると，レジスト線パターン
は膜厚 1μm の透明膜であることの影響を受けて線幅 1μm
以下の細線のコントラストが低下したと考えられる。
フォトリソグラフィで作製した Al の細線パターンの白色コンフォーカル像を図 6(a)に示す。設計値が 10μm の Al
細線パターンの線幅は 10.25μm であり，設計値との差が3%以内でパターン形成できていることが確認できる。同時に取得した表面形状の断面プロファイルを図 6(b)に示す。幅が 10μm と狭く，触針式膜厚計(標準プローブ先端半
径 R=2μm)では測るには難しい段差が計測できていて，膜厚は 0.16μm であることが確認できる。触針式段差計で測定した膜厚は 0.15μm であり，レーザー顕微鏡で得られた
膜厚は信頼性が高い触針式段差計で得られた膜厚とほぼ一致する結果が得られた。
４． まとめハイブリッドレーザー顕微鏡を用いた微細加工品の評価事例として，フォトマスクの線幅評価やフォトレジスト

17

KISTEC研究報告2021

【電子技術部】

V バンド（60GHz 帯）における材料定数測定に関する基礎的な検討結果について鶴田

1.

誠(電子技術部

電磁環境グループ)

はじめに

近年、ミリ波帯の電磁波を活用した研究開発が活発化してきている。ミリ波は、波長が 1mm から 10mm の電磁2.1.

波であり、30GHz から 300GHz である。波長が短くて、周波数帯域幅が広いという特徴を活かして、車載レーダー・系の概要を図 1 に示す。評価する試料に 60GHz 帯のミリ波を照射して透過したミリ波を受信して、振幅と位相の周

非接触のバイタルセンサー・高速データ伝送・非破壊のイ
メージングなど幅広い分野の応用が期待されている。

波数特性を測定する。

測定系の構成本報告で検討した材料定数測定のための電波透過測定

ところで、ミリ波利用の拡大に伴い、車載レーダーの樹
脂カバー（レドーム）や自動車用ガラスなど各種素材のミ
リ波帯における電波透過特性や材料定数（誘電率、誘電正接など）測定の必要性が高まっているが、ミリ波帯の一般的な計測環境を整備した場合には、現時点でも、少なくとも数千万円程度の予算規模が必要となる。しかしながら、
ミリ波帯の需要増加に伴って廉価な部品も入手可能な情勢となってきている。そこで、本報告では、所内の既存の測定系を拡張して廉価なミリ波帯（V バンド；60GHz 帯）の電波透過測定システムを構築することで、材料定数の算出に必要な高精度な位相測定ついて検討した結果を報告する。

2.

廉価なミリ波帯の測定系の構築

一般的に、ミリ波帯の特性評価として、次の 3 点の制限を加えることにより、大幅なコストダウンを図ることが可能となる。
① COTS(Commercial Off-The-Shelf: 商用オフザシェル

図 1

2.2.

フ)の活用
帯域幅の条件の緩和②

ミリ波帯の電波透過測定系

測定系の課題

ミリ波帯の評価では極めて廉価な COTS 製品を活用し③

ディジタル信号処理の活用
COTS 製品は、流通性が高いことから廉価なミリ波帯のた実験系を構築している。この主たる目的は、ミリ波帯のコスト面の参入障壁の解消が必要と考える。

部品を調達できる。次に、アンテナ等の基本的な指標であるビームパターン・利得・偏波などの測定においては、

一般的なミリ波帯における送受信アンテナを１本で構成する SISO(single-input single-output)を考える。この場合

CW(Continuous Wave: 連続波/無変調波)を利用すれば測定できる。 OFDM(Orthogonal Frequency-Division

は、高周波領域の位相が定まらない課題が内在する。このために、振幅・位相の測定を実現することが SISO 構成で

Multiplexing: 直交周波数分割多重方式)信号のサブキャリ
ア数を限定することにより、狭帯域であっても基本的な伝は、原理的に不可能であることが、昨年までの検討で明らかになっていた(COTS 製品固有の特性であり、位相制御が送評価も可能となる。加えて、ディジタル信号処理を適用することにより、ミリ波部品の RF(Radio Frequency:無線周

不可能である)。昨年度までの検討では、振幅の測定の技
術的な見込みまでは得られていた。

波数)領域の性能向上を図ることができる。更に、ソフト
ウェア無線機の技術を適用することにより、ディジタル通この課題を解決すために、図 2のミリ波帯のSIMO(Single-input and multiple-output)構成を導入する。こ信・レーダーシステムなどの評価も可能となる。最後に、
自由空間法による材料定数測定等に適用できる。

の SIMO 構成であるならば、前述の位相の曖昧性を解消することが可能となると考えられる。

KISTEC研究報告202118【電子技術部】

きることが確認できた。
つまり、SIMO 構成とすることで、位相分布は、3 度未満を達成可能であることが確認された。この 3 度未満は、測定誤差ではなくて測定時の位相分布である。つまり、推定位相に対する位相誤差は、一般に、3 度よりも遥かに小
図 2

さな値となる。従って、SIMO 構成による位相測定は、廉
価なミリ帯の COTS 製品を活用した場合においても技術

ミリ波帯の SIMO 構成

なぜならば、経路における未確定の位相情報を SIMO 構

的に可能となったと考えられる。

成とすることにより、相対的な位相情報として取り扱うことが可能になるからである。

3.

4. 材料定数の測定の基礎検討
4.1. 測定対象の材料の設定

測定周波数は、61.02[GHz]である。本検討では、SIMO

SIMO 構成による材料定数の測定方法の基礎検討について説明する。基本的には、測定対象の材料を図 5の緑色の構成及び SIMO 構成による位相特性を実測した結果を図3に示す。従来方式の 1 と 2(SIMO 構成)は、青色と赤色の四角の領域に設置する。2 本の受信アンテナの受信された
IQ(In-Phase/Quadrature-Phase)信号を解析することで、材料点で示している。他方、提案方式(SIMO 構成)は黄色い実線で示している。この両者を比較すれば、SIMO 構成の提定数を推定することが可能となる。

実験結果

案方式の位相安定度は、100 回の試行で明らかに改善していることが確認できる。

中央の黄色い直線が提案方式

図 5

4.2.

材料定数の測定の概念図

外部環境要因ミリ波の領域では波長が短くなるために、波長が長い領域に比較して外部環境要因に関する広い検討が必要になる。
図 3 位相測定結果

代表的な外部環境要因に関して触れる。ドップラ周波数は波長が短いために、大きなドップラ周波数が発生する。

図 3 SIMO 構成による位相の実測結果

このドップラ周波数に関しては、実験系の局所的なエリアを想定した場合には、SIMO 構成とすれば解消することができる。この結果として、実験系における室内の風の流れを大きな誤差要因として排除することが可能となる。
次に、材料測定における測定する材料の設置に関しては、
電磁波の入射角と密接に関係している。そのために、設置及び設置後の重力等の外部環境の影響を考慮した再現性のよい環境が必要になる。この外部環境要因は、再現性を補償する上で極めて大切なポイントとなる。
このように外部環境要因を 2 種類上げるだけでも、影響の有無が異なることが理解できる。

従来方式 1,2
提案方式

5.

考察及び今後の展開
廉価なミリ波帯の測定系を用いた測定技術に関する基

図 4

礎的な実験結果から、材料定数測定における位相測定においては、SISO 構成でなく SIMO 構成による測定が必要で位相測定結果(CDF)

図 3 の 位 相 測 定 結 果 を 整 理 し て 、 CDF(cumulative
distribution function)を図 4に示す。従来方式は、両結果とあることが明らかになった。これにより、振幅と位相を用いて材料定数（誘電率及び誘電正接）の算出が可能となる。

もに広く位相が分布している。他方、提案方式は、位相分
布が局所的であり、ほとんど垂直にグラフが立上っている。

今後は、位相誤差の更なる改善方法の検討・重力・大気等の外部環境要因の影響などを含めて測定方法等の検討

この CDF から SIMO 構成により、位相の曖昧性を解消でを含めて前進させていきたい。

19

KISTEC研究報告2021

【電子技術部】

ミリ波帯の応用は、レーダー・通信が応用として、一般に想像されるが、これ以外の応用も多く考えることができる。このように新領域の電磁波の応用を活発に議論・検討することにより、ミリ波の応用がより広がりを見せるものと期待される。
なお、本技術は、ソフトウェア無線技術等のソフトウェ
アベースの装置であり、広い業種業態・幅広い職種において導入障壁(参入障壁)が小さい技術である。

KISTEC研究報告202120

【電子技術部】

ECR プラズマを用いたドライエッチングについて～ECR 発散磁場型プラズマ流ドライエッチング～
三橋

１

雅彦

(電子技術部)

はじめに

マイクロ・ナノオーダーでの微細加工技術は半導体デバ
イスや各種センサー作製、あるいは MEMS (Micro Electro
Mechanical Systems) を支える重要なプロセスで、大きく分けると金属や絶縁物などの薄膜材料を作製する成膜技術、ナノレベルの形状を作製するパターニング、このパターン
に従い薄膜や基材などを加工・除去するエッチング（蝕刻）
技術を組み合わせての工程となる。エッチングには薬液の化学反応を用いたウェットエッチングと導入ガスのプラ
ズマ分解種との反応を用いたドライエッチングに分けられる。当部ではどちらのエッチングにも対応可能ではある

図 1 ECR エッチング装置の基本的な構造と 2 つの方式 1)
左図：ﾘｱｸﾃｨﾌﾞｲｵﾝﾋﾞｰﾑｴｯﾁﾝｸﾞ方式 右図：ECR プラズマ流方式

が、ここでは主に高密度プラズマである ECR プラズマ流方式を用いたドライエッチングについて紹介する。

よりサイクロトロン運動を行う。2.45GHz のマイクロ波の２場合、磁束密度 875G で電子サイクロトロン共鳴が起こり、衝突確立が増加し低圧力下でも高密度なプラズマが維持

ECR プラズマエッチング装置

当所のドライエッチング装置としては、現在、バレル型
プラズマエッチング装置、平行平板型プラズマエッチングできる。左図はリアクティブイオンビームエッチング(RIBE)方式である。プラズマ室出口の引出し電極により反装置、ECR プラズマエッチング装置の 3 方式がある。
バレル型プラズマエッチング装置の動作圧力は 10～103

応性イオンのみを積極的に引出すが、200V 以上の高電圧印加でないと実用的なイオン電流が得られないことや高Pa 程度であり、ラジカル反応が主となり等方的なエッチングとなる。主には加工精度を要しないプラズマ処理、レ

電圧によるデバイスダメージなどの点から、あまり使われていない。一方、右図は ECR プラズマ流（イオンシャワー）

ジスト・アッシング（除去）などが主な用途である。
平行平板型プラズマエッチング装置は容量結合型プラ方式である。イオン引出し電極は用いずにマグネットコイ
ルの発散磁場（磁場勾配）による電界を用いている。この

ズマ:CCP (Capacitively Coupled Plasma) を活用、具体的には対向した平行平板の電極に RF 電力を印加すること場合はイオンだけでなく、電子やラジカルなどと共に流れ出てくる。この時のイオンエネルギーはおよそ 30eV 程度

によりプラズマを発生させ、本格的なパターン加工などにも広く用いられていた一般的なエッチング装置である。動である。

作圧力は数 Pa～数 10 Pa 程度で用いられることが多い。
プラズマ密度は 1010 cm-3 台程度である。

電磁コイル

ECR プラズマエッチング装置では動作圧力は 10-2～1 Pa
前後と低圧であり、プラズマ密度は 1011 cm-3 以上の高密度プラズマとなる。更にプラズマ励起条件とは独立にイオンエネルギーが制御可能などの要素も加わり、CCP プラズマ

エッチング室と比較しても平均自由工程が長く、イオンの直進性が高まることにより、より異方性のエッチングが可能となるなど、
図 2 実際の ECR エッチング装置とプラズマ流の写真

微細加工に適したポテンシャルがある。ECR (Electron
Cyclotron Resonance) は電子サイクロトロン共鳴を意味

当部の装置ではどちらの方式も対応可能ですが、基本的する。図１には ECR エッチング装置の基本的な構造と 2 つの方式を示した 1）。ECR プラズマは 2.45GHz のマイクロ波には発散磁場型プラズマ流方式を活用している。図２に装置写真とプラズマ流の写真を示す。装置写真での円柱形状

を、石英ガラス・ウィンドウを通してプラズマ室に導入する。プラズマ室は電磁コイルに囲まれており、プラズマ室

がプラズマ室を囲む電磁コイルであり、その横の直方体のチャンバーがエッチング室である。この様に実際にはプラ内の電子はマイクロ波の電界とそれに垂直方向の磁界にズマ室やプラズマ流は水平に出てくる構造であり、基板ホ

21

KISTEC研究報告2021

【電子技術部】

ルダーは垂直な状況での設置となる。この基板ホルダーには 16.56MHz の RF 電力を印加することが可能であり、これ

表 1 各ガス種によりエッチング結果

試料

によりエッチング速度は確実に向上する。

３

ガス種

実験及び結果本装置のエッチング中の基板温度を調べた結果を示す。
本装置はロードロック方式での基板ホルダーをセットし、通常ではエッチング室を大気に開放しない機構となっている。その事もあり、基板ホルダーはほとんど冷却機能が働いていない状況である。エッチング時の基板温度の上昇を以下の条件で確認した。
ガス種：Ar、ガス流量：10SCCM、
プラズマ励起マイクロ波電力：300W
基板バイアス(13.56MHｚ)RF 電力：25W

O2

シリコン

77.7

86.7

276.7

6.5

石英ガラス

77.7

137.7

222.7

12.6

サファイア

13.2

54.3

19.3

6.7

Al2O3 系セラ

6.5

56.0

20.6

6.3

AlN 系セラ

7.4

30.0

19.7

8.6

ポリイミド

90.0

216.7

316.7

656.7

ガス種：C4F8、Ar 混合、トータルガス流量：10SCCM、
プラズマ励起マイクロ波電力：300W

140

基板バイアス(13.56MHｚ)RF 電力：20W
エッチング室圧力：1.33×10-1Pa、時間：30～60 分

120
100

その結果を図４に示す。化学的に安定である Pt 薄膜では混合ガスの影響は見られず、むしろ元素としての質量が

80

60

℃

SF6

るエッチング速度への影響を調べた。エッチング条件を以下に示す。

した結果を図３に示す。エッチングはシャッターの開閉を度

CF4

更には Pt 薄膜、圧電材料である PZT(Pb(Zr,Ti)O3)薄膜を被エッチング材として、混合ガス C4F8、Ar の混合比率によ

エッチング室圧力：1.33×10-1Pa
エッチング開始時から、5 分間隔で基板温度をモニター

温

エッチング速度（nm/min）Ar

大きい Ar100%でのエッチング速度がもっとも大きくなった。また、PZT 薄膜では C4F8 の場合では Ar とほぼ同等の

40
20

エッチング速度であったが、Ar を混合し２５％の場合はほぼ２倍の速度の増加が見られた。Ar は不活性ガスであ

0
0

5

10

15

20

25

30

るので、Ar イオンアシスト効果として考えられる 2)、ただし、それ以外の比率の場合にはむしろエッチング速度が低

累積エッチング時間（min）

下しており、これはこのエッチング機構について、電気的、物理的、化学的など総合的に検討を進める必要があること

図 3 C4F8、Ar の混合ガス比率とエッチング速度

5 分間隔で行った。
グラフの横軸では冷却時間は含まずに、
プラズマ流を照射した累積時間で示した。基板温度は 50と考えている。

～120℃、10℃間隔の温度表示素子（サーモラベル）をホ
ルダー表面にとして、目視による指標の変化を観察し、読み取った。これから２０分ほどで 100℃以上になっている
ことが分かる。

エッチ
速度

次に実際のエッチング事例を示す。シリコン単結晶、石
英ガラス、サファイア、セラミックス（Al2O3 系、AlN 系）、

PZT 薄膜(nm/min)Pt 薄膜

ポリイミドを各ガス種でのエッチングを行った。主なエッ
チング条件は以下のとおりである。
ガス種：Ar、CF4、SF6、O2、ガス流量：10SCCM、
プラズマ励起マイクロ波電力：700W

C4F8／Ar 比率（％）

基板バイアス(13.56MHｚ)RF 電力：80W
エッチング室圧力：1.33×10-1Pa、時間：30 分

図 4 C4F8、Ar の混合ガス比率とエッチング速度試料である板材にシリコンウェハーの小片にてマスク固
定し、エッチング後の複数個所の段差を触診式段差計
Sloan 社、Dektak3030ST にて測定し、エッチング速度の平均値としてまとめたものを表１に示す。ポリイミドとのエ【参考文献】
1. 鈴木、鵜飼、表面技術、vol.41, No.9, 6 (1990).

ッチング速度の比較データから、レジストをマスクとして用いた場合の対マスク選択比（被エッチ膜 E とマスク Er

2. J. W. Coburn, H. F. Winters, J. Appl. Phys., 50, 3189 (1979).

のエッチング速度比：E/Er）を検討する上での参考データとなる。

KISTEC研究報告202122【電子技術部】

HSQ を用いた試作用ナノ金型の検討
安井

学、黒内

正仁、金子

智（電子技術部

電子材料グループ）

最近、ナノ周期構造体を用いた光学センサや光学フィル

リアル株式会製 FOx15 を用いた。厚み 1mm の 4 インチシ
リコン基板上に 4000rpm で Fox15 を塗布した後、90℃で 2

ターが検討されている。例えば、光の波長の 1/4 程度のナノ周期構造体に生じる表面プラズモンを用いて、白色光か

分間プリベイクを行った。その後、ハーフピッチ（hp）が100nm、200nm、300nm、400nm のナノパターンをそれぞら各周期に対応した色を取り出すカラーフィルターが開発されている 1）。

れ 2mm 角一杯に描画した。使用した装置は（株）エリオ
ニクス製 ELS-S50 である。そして、2.38%の水酸化テトラ

一般的なナノ構造体の作製手順は、電子線描画などのリソグラフィーを用いてドライエッチングマスクを作製す

メ チ ル ア ン モ ニ ウ ム (Tetramethylammonium hydroxide:
TMAH)を用いて、30 分間現像し、超純水を用いて洗浄しる。そして、ドライエッチングによりエッチングマスクの形状を被加工物に転写する。しかしながら、ナノオーダー

た。

１．

はじめに

のリソグラフィーには、非常に高価な装置の使用、レジス
ト塗布・露光・現像などの工程数が多いなどの理由により、多額の費用がかかる。そのため、リソグラフィーの安価な代替え技術として、熱ナノインプリント技術が提案されている。
熱ナノインプリント技術は、1995 年に現プリンストン

図 2 本研究で提案する HSQ 製試作金型の工程図

大学教授の S.Y.Chou 教授が開発した“ハンコのように金型上の微細な形状を樹脂などの粘弾性体に転写する”技術で2）、パターン転写において金型が重要な役割を果たす。

あり
しかしながら、金型の作製には図 1 に示すように、ナノ構

次に、
熱可塑性樹脂(micro resist technology GmbH 製 mr-I
8020E)を石英基板上に 4000rpm で塗布し、140℃で 2 分間
プリベイクを行った。そして、HSQ 製試作金型を用いて、熱ナノインプリントを行った。

造体の作製工程と同様に多くの工程を要するため、特に金型を頻繁に作り直す試作段階では、低コストな加工法が望３．

まれている。
そこで、本研究では、電子線により硬化し、高硬度・高実験結果と考察

HSQ 製試作金型の写真を図 3 に示す。HSQ のパターンの高さは図 4 に示すように 0.82μm である。この金型を用

耐熱性を示す Si 含有樹脂の一種で水素シルセスキオキサ
ン(Hydrogen Silsesquioxane: HSQ)3）に着目して、図 2 に示

いて、熱ナノインプリントを行った。しかしながら、1 回目の熱ナノインプリント時に HSQ 製試作金型の基材であすような低コストが期待できる熱ナノインプリント用試作金型を検討したので、その結果を報告する。

るシリコン基板に応力集中が生じ、図 5 に示すように割れてしまった。

ナノパターン

図 1 一般的な金型の作製工程

２．

実験方法

図 3 HSQ 製試作金型

本研究で提案する HSQ 製試作金型の工程図を図 2 に示す。HSQ には、デュポン・東レ・スペシャルティ・マテ

23

KISTEC研究報告2021

【電子技術部】

hp：200nm 以上のパターンでは、HSQ パターンが樹脂パターンとして転写できていることを確認できた。アスペク
ト比が小さくなったことにより、樹脂パターンが抜けやすくなったと考えられる。
アスペクト比に留意しながら HSQ
パターンの高さを決める必要がある。
図4

今後は金型の基材を靭性のある金属板に変更し、アスペクト比に留意しながら、本研究内容を更に進展させ、微細HSQ パターンの高さ加工技術関連の企業支援に活用する予定である。

(a) hp:100nm(左：転写パターン，右：金型)

図 5 割れた HSQ 製試作金型

小片を集め、熱ナノインプリントを 7 回繰り返した。6(b) hp:200nm(左：転写パターン，右：金型)

回目の熱ナノインプリントを行ったサンプル写真を図 6に示す。また、各寸法における金型と転写したパターンの(c) hp:300nm(左：転写パターン，右：金型)

SEM 写真を図 7 に示す。熱ナノインプリントの条件は、加圧：1MPa、加熱温度：210℃、加圧時間：10 分であった。
図 6 に示すように、ナノパターンの転写部分に欠損が生じた理由として、割れた金型では、十分に加圧できなかった箇所が生じたこと、金型とガラス基板との平行度が低下
し、金型が接触できなかった部分が生じたことが考えられ(c) hp:300nm(左：転写パターン，右：金型)

る。

(d) hp:400nm(左：転写パターン，右：金型)
図 7 金型と転写したパターンの SEM 写真

ナノパターン(d) hp:400nm(左：転写パターン，右：金型)
図 7 各寸法における金型と転写したパターンの SEM 写真【参考文献】
1) S. Yokogawa, S. P. Burgos, and H. A. Atwater, Nano Lett., 12,4349 (2012).
2) 松井真二, 古室昌徳：ナノインプリントの開発と応用(CMC 出版, 2005 ) p. 1.

図 6 熱ナノインプリントサンプル

3) M. Yasui, Y. Sugiyama, M. Takahashi, S. Kaneko, J. Uegaki,
Y. Hirabayashi, K. Sugimoto, R. Maeda, Jpn J. Appl. Phys., 47,

図 7 において、hp：100nm では、樹脂上のパターンが剥
がれ、HSQ パターンに食い込んでいた。HSQ パターンの5167 (2008).

高さが約 800nm であり、アスペクト比が 8 と高いため、樹脂上のパターンが抜けにくかったと推察できる。一方、

KISTEC研究報告202124【情報・生産技術部】

三次元座標測定におけるスタイラス延長シャフトの測定精度への影響阿部
大澤

１．

顕一(情報・生産技術部 試作加工グループ)寿(情報・生産技術部 デザイン・設計グループ)

はじめに製造業において、加工品の寸法は設計寸法通りである事が求められる。加工品の寸法を測定する手段は種々あるが、汎用性や測定精度から、多くの場面で三次元座標測定機が利用されている。三次元座標測定機は測定物に接触子を接触させ測定を行うが、大型の部品や組立済みの機械を測定する際、長い接触子を利用する。接触子が長くなると測定精度が低下することは経験的にわかっているが、程度や様相は不明である．そこで本研究では、延長シャフトを利用した際、延長シャフトの振動やたわみが測定にどのような影響がどの程度あるか、シャフトをどの程度まで長くできるのかを、複数の延長シャフトを用いて比較し、その影響
図 1 三次元座標測定機

を具体的に把握することを目的とした。

２．

検証用リングゲージ

検証方法

検証用に使用した三次元座標測定機 ZEISS UPMC850
CARAT を図１に示す。測定精度は𝑈𝑈3 = 0.8 + 𝐿𝐿⁄600 μm（𝐿𝐿 mm：測定長さ）である。評価ソフトは UMESS-6.01LXを使用した。
検証方法は、リングゲージを図 2 のように縦置きし、円測定を実施した。
十分、高精度に測定できる条件で測定した結果を基準とし、各種延長シャフトを利用して測定した結果を比較し、長さや材質による測定結果への影響について検証するこ

延長シャフトととした。基準の測定として、SUS の 20 mm 長さのシャフトで測定した結果、直径は 30.0005 mm、真円度は 0.0003

図 2 検証方法

mm で、これを基準値とした。
使用した延長シャフトを図 3 に示す。
円の測定方法は、16 点測定、スキャニング測定（フィルタ無し）、スキャニング測定（フィルタ有り）、動的補正、400mmの 4 種類を各 3 回測定し、平均したものを測定値とした。
動的補正は測定対象となるリングゲージ自身に対して行

サーモフィット（SF）なった。
さらに参照情報として、スキャニング測定結果に発生すカーボン（CB）

る振動とスタイラスの振動の関係を調べるために、スタイ
ラスの振動について調査した。スタイラスを測定機に接続300mm

し、ハンマリングによって静止時の固有振動数を測定した。
また、図 4 のように、リングゲージの代わりとなる試料に接触させ、スキャニング時の振動特性や周波数分析を行な
った。

SUS

400mm
600mm
図 3 延長シャフト

25

KISTEC研究報告2021

【情報・生産技術部】

３．

検証結果

各材質、各長さの延長シャフトで測定した。一例として
サーモフィットの直径の結果を図 5 に、真円度の結果を図6 に示す。図中の凡例は、多点：16 点測定、SC 無：スキャニング測定（フィルタ無し）、SC 有：スキャニング測定（フィルタ有り）、動補：動的補正、基準：基準測定、をそれぞれ表す。

スキャン方向SUS はサーモフィットと類似した結果となったが、カーボンはサーモフィットに対して、直径の縮小量が 2～3 倍、模擬測定試料

真円度の増大が 4～5 倍、それぞれ悪化した。
直径に関して、動的補正は測定対象自身を基準としたた

レーザー振動計

め、最長の 600 mm でも基準値に近い測定ができた。多点測定は動的補正より小さく測定される傾向があり、スキャ

直径 [mm]

図 4 振動検証方法（スキャン方向）

ニング測定はさらに小さく測定される傾向があった。また、シャフトが長くなると直径が小さく測定される傾向があ

30.005ったが、カーボンでは 600 mm で大きく測定された。
真円度は、カーボンで大きく測定された。300 mm、400

30.000mm においては、SUS とサーモフィットは同等の結果が得られた。材料によらず、シャフトの長さが長くなると真円

29.995度は大きく測定される傾向があった。
次に振動測定の結果を示す。図 7 はスキャン方向と接触

多点
SC 無
SC 有
動補
基準

29.990方向の振動速度の結果である。スキャン方向に対しては大きく振動しているが、接触方向には、振動が小さいことが

29.985
0

100

200
300
400
シャフト長さ [mm]500

わかった。また、スキャン方向の振動測定結果を図 8 に示す。材料に関わらず、延長シャフトの長さが長くなると、

600

固有振動数が低下した。また、ハンマリングによって求めた固有振動数とスキャニング時の振動周波数は、ほぼ一致

図 5 サーモフィットによる直径測定結果した。接触方向での周波数分析では、特徴的な周波数成分は検出できなかった。

0.005

真円度 [mm]0.004

減衰率については、対象が複雑だったためか、ハンマリ
ング後の減衰特性に再現性が低く、特定の傾向を見出すこ

多点
SC 無
SC 有
動補
基準

0.003
0.002

とはできなかった。

４．

0.001

考察及び今後の展開

今回の振動実験の条件と内径測定の条件には差異があるが、内径測定の場合、接触子が振動した場合、外側方向には制限されるが内側方向には自由に振動できるため、振

0.000
0

200

400
シャフト長さ [mm]600

動の中心（円軌道）が円中心側に移動し、直径が減少すると想定していた。振動測定の結果からは、接触子は接触方

図 6 サーモフィットによる真円度測定結果

向に振動しているようには見えなかった。一方、スキャニ
1000

0.6

SUS ハンマリング
SUS スキャニング
CB ハンマリング
CB スキャニング
SF ハンマリング
SF スキャニング

0.4

振動数 [Hz]

速度 [mm/s]

0.2
0.0
-0.2
-0.4
-0.6

スキャン方向
接触方向

-0.8
0

0.2

0.4

10

0.6

0.8

200

時間 [s]

図 7 振動測定結果

KISTEC研究報告2021

100

300

400
500
シャフト長さ [mm]

図 8 振動数（スキャン方向）

26

600

700

【情報・生産技術部】

ング測定の結果は振動している結果が得られているので、接触子が振動しているのではなく、それ以外のプローブシ
ステムでの振動が支配的であったと思われる。
今後の測定においては、本研究で得られた知見として、・スタイラスは制振対策（ 硬く・短く）に注意。
・シャフト長は 300 mm 超で材質に注意。
・スキャニングはシャフトのたわみに注意。
・多点測定は測定の方向性に注意。
・ゲージによる動的補正機能の活用が効果的。
を留意して実施していく。

５．

おわりに

延長シャフトによる内径測定への影響に関する検証を行なった。得られた結果を以下に記す。
1) 内径は、延長シャフトが長いほど小さく測定された。
2)

多点測定より、スキャニング測定の方が小さく測定
された。

3)

動的補正を利用した場合、延長シャフトの材質、長さに関わらず、最も高精度に測定された。振動測定を行ったところ、スキャン方向には大きく振動し、接触方向には振動が小さかった。

4)シャフトの固有振動数とスキャニング時の振動周波数が、ほぼ一致した。

5)

接触方向の振動はスキャン方向の振動よりかなり小
さかった。

27

KISTEC研究報告2021

【情報・生産技術部】

IoT デバイスによるセンサデータの取得蓄積に関する研究奥田

１．

誠(情報・生産技術部 システム技術グループ)

はじめに

近年、IoT や DX (デジタルトランスフォーメーション)

データサーバ(InfluxDB)を背景に、センサなどのデバイスは増加傾向にある。産業用途としては、装置の故障診断や工具の劣化予測などを目

イーサネットハブ

的として、振動や音響、電力などのセンサデータを活用した研究 1)が行われている。また IoT は、業務改善や課題解決を目的とする手段であるが、IoT 導入が目的となっている場合がある。この場合、必要なセンサの種類や設置位置、
サンプリング周期などを深く考慮せずに IoT システムが構築されることが多い。そうすると、取得したデータは、

Raspberry Pi (Raspberry Pi OS)
GPIO 接続故障診断や劣化予測には不十分となり、データが無駄になってしまう可能性がある。データを有効に活用するために

Grove AI HAT(加速度センサ ADXL345 内蔵)は、あらかじめ、加工現象の解析に適したセンサの種類や設置位置、サンプリング周期を検討する必要がある。さら図1に、データを漏れなく必要なサンプリング周期で蓄積するためには、データサーバや IoT デバイスのハードウェア性

表1

能、データベースの種類やデータ通信方式などを適切に選定しなければならない。

て、データサーバ、IoT デバイスおよびセンサで構成させる IoT システムを構築し、簡易的なデータ取得実験を行った。本稿では、IoT システムの一例およびセンサデータのサンプリング周期について報告する。

２．

設定

m/s2

出力
データレート
通信方式
通信速度

Hz

0.1 ～ 3200

3200

Hz

SPI or I2C
任意

I2C
2M

表2
種類

実験方法

仕様
±19.6, ±39.2,±78.4 or ±156.9

測定範囲

時系列

２．１ 実験構成
本実験の構成を図 1 に示す。IoT デバイスには、イーサ

キーバリュー型

ネットコネクタが付属しておりセンサの取り付けが容易な Raspberry Pi を用いた。センサには、装置の故障診断でドキュメント型

多く用いられており、かつ変化を与えやすく簡易的な実験に適している、加速度センサを用いた。Raspberry Pi には、

列指向型
グラフ型

その標準的な OS である Raspberry Pi OS を導入している。
Raspberry Pi に Grove AI (Artificial Intelligence) HAT

オブジェクト型±19.6

NoSQL DB の種類
特徴
主な製品
時系列データを効率的
InfluxDBに処理可能
キーとバリューをペア
Redis
にして格納
ドキュメントをそのま
MongoDB
ま格納可能
列単位で処理Cassandra
グラフ構造で格納
Neo4j
オブジェクト指向に基
Caché
づくデータモデルしているため、時系列データの処理に特化した時系列 DB
である InfluxDB を利用することにした。

(Hardware Attached on Top)を接続し、Grove AI HAT に実装されている加速度センサ ADXL345 を活用する。ADXL345の仕様と本実験での設定を表 1 に示す。データサーバには、
センサデータ蓄積のために、データベースを構築する。データベースの種類は主に、関係データベース (Relational
Database: RDB)と NoSQL (Not Only SQL) データベースが

２．２

実験手順

Raspberry Pi から Grove AI HAT 上の ADXL345 の加速度データを取得し、データを保存する実験を、以下のように実施した。
(1) Raspberry Pi 上のストレージにテキスト保存存在する。センサデータを取り扱う場合は、拡張性や処理速度が優れている NoSQL が適している。
さらに NoSQL デ

(2)
(3)

ータベースには、表 2 に示すように、複数の種類が存在する。本実験では、センサデータの高速サンプリングを想定

KISTEC研究報告2021

ADXL345 の仕様と設定
単位

そこで本研究では、簡易的な IoT システムでセンサデー
タのサンプリング周期の実態を調査することを目的とし

実験構成

データサーバの InfluxDB に 1 サンプリング毎転送
データサーバの InfluxDB にデータをまとめて転送

データ取得中は、断続的に振動を与え、合わせて Raspberry28【情報・生産技術部】

重力加速度 [G]平均時間間隔平均周波数: 0.381 [ms]: 2625 [Hz]経過時間 [s]図5データ取得間隔(インターバル)と CPU 使用率改良した。その結果、図 4 に示すように、平均 5213 Hz で
図2のデータ取得が可能となった。センサ性能である 3200Hzを越えているのは、通信の速度が出力データレートを上回

実験(1)の加速度センサのデータ

重力加速度 [G]平均時間間隔平均周波数

り、連続して同じ値を取得している場合があるためである。
しかし、2 点のデータ間の時間間隔（インターバル）を: 8.559 [ms]: 117 [Hz]詳しく調査すると、図 5 に示すように、インターバルが最大で約 0.043 s (23.3 Hz)となることがあった。CPU 使用率が高くなる直前にインターバルが大きくなっていることから、Raspberry Pi OS の割り込み処理が原因となって、デ

経過時間 [s]ータ取得の処理が中断されていると推測できる。したがって、割り込み処理の影響を分離できない OS では、高速サンプリングでのデータ取得を安定的に行うのは難しく、最大でも 20 Hz 程度のサンプリング周波数で、加工現象が捉

図3

えられる装置に対して有効であることが分かった。
より高速なサンプリングでのデータ取得を行う場合は、実験(2)の加速度センサのデータ
平均時間間隔平均周波数

データ取得の処理に対して割り込み処理の影響を受けないシステム構築が必要である。本システムに対しては、: 0.198 [ms]: 5213 [Hz]重力加速度 [G]Raspberry Pi にリアルタイム OS2)を導入することや、センサデータの取得処理を行うデバイスを Raspberry Pi の代わりに Arduino3)や Raspberry Pi Pico4)のようなマイコンを用いることが考えられる。

経過時間 [s]４．

まとめRaspberry Pi を用いて、加速度センサである ADXL345 に対して I2C 通信によってセンサデータを取得し、そのデー
図4

タをサーバに導入した InfluxDB へ蓄積するシステムを構築した。高速サンプリングでデータ取得する場合、1 サン

実験(3)の加速度センサのデータ

Pi の CPU 使用率も取得した。

３．

プリング毎ではなく、まとめてデータ転送する必要がある
ことを示した。また、割り込み処理が原因でデータ取得イ

解析結果および考察

ンターバルが大きくなることを示し、より高速なサンプリ
ングでデータを取得する方法について提案した。

実験(1)、(2)、(3)で取得した加速度データをそれぞれ図2、3、4 に示す。横軸を経過時間、縦軸を重力加速度とし装置の故障解析や工具の劣化予測を目的とする場合、その加工現象を捉えるために必要なサンプリング周期を把た。ADXL345 の出力データレート、いわゆる単位時間あたりにセンサが出力する個数は 3200 Hz である。実験(1)で握し、適切なシステム構築を行うことが重要である。

は図 2 に示すとおり平均 2625 Hz であるため、センサ性能の 80％以上のサンプリング周期でデータを取得できてい【参考文献】
1) 芝田和雄, 音響・振動に基づく最近の故障診断技術, 騒る。一方、実験(2)では、図 3 に示すように平均 117 Hz であるため、センサ性能の 4%弱しか活かせていない。これ

音制御, Vol.31, No.3, 219-224 (2007)2) https://aws.amazon.com/jp/freertos/

は、InfluxDB へのデータ転送のオーバーヘッドが大きいためであると考えられる。そこで、実験(3)では、Raspberry Pi3) https://www.arduino.cc/4) https://www.raspberrypi.org/products/raspberry-pi-pico/上で一時的にデータを蓄積し、まとまったデータ（本実験では 10,000 サンプリング）毎に InfluxDB へ転送するよう

29

KISTEC研究報告2021

【情報・生産技術部】

NC フライス盤の切削加工における面粗さ予測に関する研究
奥田
高橋

誠、長尾

１．

達明(情報・生産技術部 システム技術グループ)

和仁、横田知宏(情報・生産技術部 試作加工グループ)

はじめに

治具

被削材

熟練技術者の高齢化に伴い、熟練者の技能・ノウハウを非熟練者に伝承することが求められている。熟練者は使用設備から発生する音や振動によって異常発生などを判断しており、これら技術情報をデジタル化する場合、既存の設備に加速度センサやアコースティックエミッション(AE)などを後付けしてデータを取得する場合が多い。高精
度な仕上がりが要求される切削加工においても、熟練者の

加工方向

図1

技能・ノウハウによって、目標となる加工精度を得るための加工条件が選定されている。そのため、非熟練者が熟練

被削材とその固定方法および切削方法
表1

者のように加工精度を選定するためには、加工精度を予測するシステムが有効である。
これまで、高精度な加工面仕上がりが要求される旋盤加工において、面粗さの高精度な予測を目指した多項式モデ
1) や、

ルおよびニューラルネットワークを用いた研究
Kriging 法を用いた予測モデルの研究 2)が行われている。

バイス

条件名

記号

切削速度

V

刃当たり送り
径方向切込み軸方向切込み

f
ae
ap

切削条件
単位

条件値
50, 70, 100 (第 1 実験)
m/min
60, 80, 90 (第 2 実験)
mm/tooth
0.05, 0.10, 0.15
mm
0.5, 1.0, 3.0, 5.0
mm1.0, 5.0

指標として、算術平均粗さ Ra (µm)を測定した。1 加工条

本稿では、同じく高精度な加工面仕上がりが要求される
エンドミルによる切削加工において、加工条件などを与え件当たり 6 点測定している。

ることで面粗さを予測する機械学習モデルを構築し、評価を行ったため、これについて報告する。

３．

２．

ト 3) による学習モデルを評価した。説明変数を切削条件（切削速度、刃当たり送り、径方向切込み、軸方向込み）

実験方法

２．１ 実験設備
実験に用いた加工機は、イワシタ社製ラム型立フライスとし、目的変数を測定した 6 点の Ra の平均値とした。予測精度の指標として、以下で表される平均絶対誤差 MAE

盤 NR2 である。工具には直径 10 mm 刃数 2 枚のスクエア
エンドミルを用いて、突出しを 45 mm として、被削材を用いる。

(S50C)に対して側面切削をダウンカットで行った。図 1 に示すように、被削材のサイズは幅 150 mm、高さ 40 mm、

𝑛𝑛

1
𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀 = �|𝑦𝑦𝑖𝑖 − 𝑦𝑦�|
𝚤𝚤
𝑛𝑛
𝑖𝑖=1

奥行き 11 mm とし、奥行き方向のびびりを軽減させるため、被削材と合わせて治具を挟んで固定している。また、
主軸モータの電源に対して、クランプ電流計を取り付けて、
0.1 s 間隔で PLC に保存が可能である。
２．２ 実験手順
加工実験を行った切削条件を表 1 に示す。それぞれの条

ここで、𝑦𝑦𝑖𝑖 は面粗さの実測値、𝑦𝑦�は予測値である。
𝚤𝚤
３．１ 電流特徴量と変位量の有無による評価

第 1 実験では、電流特徴量の有無による予測精度を評価した。評価結果を図 2 に示す。ここでの電流特徴量とは、加工中の電流値の平均と加工前後の電流値の平均との差分値である。

件の組合せで、計 144 種類の条件で実験を行った。また、
図 1 に示すように、異なる径方向切込みは、1 個の被削材

図 2 に示すように、説明変数に電流特徴量を追加した場
合、電流特徴量なしと比較して、学習および評価共に MAEに対して降順に加工を行った。加工中には、主軸モータの電源供給電流を測定している。

の数値が大きくなった。重要度においては、刃当たり送り、
径方向切込み、軸方向切込みの割合が減り、電流特徴量の実験は 2 段階に分けて実施した。第 1 実験では切削速度
50, 70, 100 m/min で実施した。第 2 実験では、切削速度 60,

重要度が一番高かった。また、電流特徴量の有無によって値の変化が少なく、比較的割合が高かったのは、切削速度

80, 90 m/min で、加速度センサを設置して実施した。加速度センサの向きは、フライス盤に向かって、X：左右、Y：であった。これらのことから、電流特徴量は、刃当たり送り、径方向切込み、軸方向切込みと相関があり、これらと前後、Z：上下である。加工後、加工面の仕上がり精度の

KISTEC研究報告2021

解析結果および考察

2.2 節の実験によるデータを用いて、ランダムフォレス30

【情報・生産技術部】

図3

変位量の有無による解析結果の比較

Ra 予測値 [µm](a) 電流特徴量なし

Ra 実測値 [µm](a) 変位量なし(b) 電流特徴量あり
図2

電流特徴量の有無による解析結果の比較

同等程度に面粗さとの相関があり、切削速度が面粗さの予Ra 予測値 [µm]測精度向上に一番寄与していると推測できる。
そこで、第 2 実験においては、切削速度の重要度が高い
ことを考慮し、びびり振動が影響すると考え、加速度を取得しながら実験を行った。加速度データから算出した変位量の有無による予測精度を評価した結果を図 3 に示す。ここでの変位量とは、各軸 X, Y, Z それぞれの加工中の加速度データを、時間の 2 重積分によって計算された変位量である。図 3 に示すように、「Y 軸のみ」「X 軸、Y 軸」「Y

Ra 実測値 [µm](b) X 軸、Y 軸

軸、Z 軸」「X 軸、Y 軸、Z 軸」は、「変位量なし」と比較すると、評価 MAE の数値が小さく、予測精度が向上した。
これにより、Y 軸の変位量が面粗さを予測するのに有効であることが分かった。Y 軸は、加工面に対して垂直な方向

図4

変位量の有無による Ra 予測値 vs 実測値の比較

図5「X 軸、Y 軸」モデルの各評価用データの誤差率であるため、面粗さとの相関が高いということは想定通りである。今回一番効果のあった変位量は「X 軸、Y 軸」であり、「変位量なし」と比較して、評価 MAE が 0.420 µm
から 0.342 µm と、約 20%改善した。各条件での実測値 vs
予測値グラフを図 4 に示す。また、「X 軸、Y 軸」モデル
における、評価用データ 22 条件の実測値と予測値との絶対誤差率を図 5 に示す。最大で約 100%の誤差が発生する場合があるため、実用に向けて改善が必要である。絶対誤差率の平均値 (Mean Absolute Percentage Error: MAPE)は26.7%であった。

ではなく、各測定位置の面粗さを目的変数とする。測定位

３．２ Ra 測定位置毎の面粗さ予測
第 1 実験、第 2 実験を合わせた各加工条件で測定した 6

置毎の面粗さを説明変数によって区別するために、次の説
明変数をし、評価した結果を図 7 に示す。

点の Ra の最小値、最大値および平均値を図 6 に示す。実験 No.1-72 が第 1 実験、実験 No.73-152 が第 2 実験である。

(1) 累積切削時間
加工開始から Ra 測定位置までの切削時間

同一加工条件でも、測定位置によるバラつき幅が一定ではないことが分かる。そこで、面粗さ予測精度を向上させる(2) 累積除去体積
加工開始から Ra 測定位置までの除去体積ために、前節のように実験毎の Ra の平均値を算出するの

31

KISTEC研究報告2021

【情報・生産技術部】

実験 No.
図6

図7

各加工条件における 6 点の Ra の最小値、最大値および平均値

図8

各測定位置での面粗さ予測

送り速度・総除去体積の効果

評価 MAE は 0.295 µm と図 2(a)の評価 MAE 0.458 µm と比較して改善している。重要度は変わらず切削速度と径方

また、同一加工条件でも測定位置による面粗さのバラつ
き幅が一定ではないことを示し、目的変数を測定位置毎の向切込みが高いため、単純にデータ量が増えたために改善したものであると考えられる。

面粗さとし、以下を説明変数に追加することで面粗さ予測モデルの精度を向上させた。
(2)-1 加工開始から測定位置までの切削時間(2)-2 加工開始から測定位置までの除去体積

さらに、送り速度と加工条件毎の除去体積を説明変数に追加した結果を図 8 に示す。図 7 と比較して、評価 MAE
が 0.026 µm 改善した。図 8 の重要度から、切削速度よりも送り速度、径方向切込みよりも除去体積の方が、面粗さ本研究で構築した面粗さ予測モデルは MAPE: 22.2%であり、実用化に向けた予測精度向上の改善策を示した。

を予測するのに適していると推測できる。なお、図 8 での評価 MAPE は 22.2%であり、図 5 の変位量を追加した場

今後実用化に向けて、より剛性の高いマシニングセンタ
にて同様の実験を行い、切削抵抗・放射温度や高速サンプ

合と比較しても 4.5%改善している。
しかし、実用化に向けては、現状の予測モデルでは実測

リングの加速度などを測定する予定である。そして、本研究で得られた知見を活用し、センサデータの特徴量の追加値と予測値の誤差が大きいため、改善が必要である。改善策としては以下が考えられる。

や、ニューラルネットワークの活用を検討し、面粗さ予測
精度の向上を目的とした研究を実施する予定である。

(1) より高速なサンプリングでの主軸モータ電流の取得【参考文献】(2) 面粗さに相関のある電流特徴量の検討

1. Neelesh Kumar Sahu1 Atul B. Andhare2 Sandip Andhale3
Roja Raju Abraham, Prediction of surface roughness in turning(3) 有効な説明変数（切削抵抗など）の追加(4) ニューラルネットワークを用いた予測モデルの構築

４．

of Ti-6Al-4V using cutting parameters, forces and tool
vibration”, IOP Conf. Series: Materials Science andまとめ

Engineering, 346 (2018).
2. 三坂孝志ほか：振動計測データと簡易モデルに基づく

本研究では、フライス盤でのエンドミルによる側面切削を行い、ランダムフォレストによる面粗さ予測モデルを構

表面粗さの推定手法の検討，日本機械学会生産システム部門研究発表講演会講演論文集，606 (2019).

築・評価し、機械学習における面粗さ予測の有効性を示した。以下の特徴量が、面粗さ予測精度の向上に効果的であ

3. 佐久間太志ほか：機械学習を導入した工具カタログのデータマイニングプロセスの提案，日本機械学会論文

ることが分かった。
(1)-1 加工面に対して垂直方向の変位量

集，85, 877 (2019).

(1)-2 送り速度(1)-3 総除去体積

KISTEC研究報告2021【外部発表】口頭発表１件

32【情報・生産技術部】

光造形方式３D プリンターの精度に関する報告佐々１．

知栄子、斉藤光弘(情報・生産技術部 デザイン・設計グループ)

はじめに

表 1 主な仕様

当所では、３D プリンターによる試作支援や製品開発、

出力方式

光造形方式

受託研究などを実施している。支援開始以降、柔らかい素材のエラストマーライクを使用した造形依頼が増えてい積層ピッチ

25μm 、50μm

造形範囲

150×85×180 mm

る。さらに多様な要望に応えるために、人肌のような柔らかさ（ショア A2 ゴムライク樹脂）からプラスチックのよ

材料
（柔らかい

ゴムライク樹脂（ショア A2、A5、
A13、A50）、

うな硬さ（アクリル樹脂）まで造形可能な図 1 の超軟性造形対応光造形３Ｄプリンター「M3DS-SA5/4KHi」（ミッツ社）を 2020 年度末に導入した。本稿では、光造形３D プ
リンターの特長の紹介と精度について報告する。

順に記載）

ゴム弾性樹脂（ショア A25、A55）
耐熱性アクリル樹脂

サポート
材料

造形物の樹脂と同じ、もしくは造形形状によって無し

３．

造形物の精度評価

微細造形をテストで造形した際、細部に樹脂が入り込んで埋まることがあること、造形ステージに対して水平方向の面と吊り下がりで積層される垂直方向の面に違いが生じることの懸念があった。その課題とメーカーの推奨値などを踏まえたテスト造形形状を考案し、精度を確認した。
微細造形の限界は、樹脂の種類、色、照射時間、気温等の影響があるため一概には決められないが、メーカーの推奨値、限界値の目安は、ゴムライクの場合、推奨値 1.0 ㎜、

図 1 M3DS-SA5/4KHi

２．

導入装置「M3DS-SA5/4Khi」の特長導入した装置は、図 2 のコーター方式と呼ばれる機構で、樹脂槽が移動してコーディングシート上に樹脂を均一に塗布させ、下部のプロジェクターの LED によりスライス
データを投影し固め、一層ずつ積層される。吊り下げ方式
で、造形物が逆さまに造形される。これにより柔らかな造
形物にかかる負担を軽減している。主な仕様を表 1 に示す。
以下に特長を示す。
・ゴムライクの柔らかい素材から硬いアクリルライクの限界値 0.7 ㎜、アクリル樹脂の場合、推奨値 1.0 ㎜、限界値 0.6 ㎜である。また、角度 45°以上のオーバーハングが発生する場合は、事前に専用のソフトでサポート付加を作成するか、３D-CAD で設計する必要がある。
今回精度評価に使用した樹脂の種類は、ショア A25 弾
性樹脂、アクリル樹脂である。
３.１ 評価方法 1 穴径、厚さ、隙間の検証
図 3 の穴径を評価する造形物と、図 4 の厚さ、隙間を評価する造形物を作製した。垂直方向の面と水平方向の面に素材までが造形可能
・伸縮性が必要とされる部品の作製が可能

おける精度の違いも確認するため、L 字形状とした。
安定しない形状や柔らかな素材は、樹脂槽が移動する際

・造形ピッチ・XY 分解能が細く、滑らかな造形が可能
・造形物の形状や特徴に合わせて照射時間の調整が可能に造形物が揺れ動き、歪みが生じるため、揺れ防止としてサポート付加した。
図 3 の造形ステージの付着部の水平面の穴径は、ショア
A25 弾性樹脂では、φ1.5 ㎜以上、アクリル樹脂では、φ2㎜以上が必要となるが、垂直方向には、ショア A25 弾性
樹脂、アクリル樹脂共にφ3 ㎜以上が造形可能であった。
図４の水平面の溝は、ショア A25 弾性樹脂では、1.0 ㎜
幅以上、アクリル樹脂では、0.5 ㎜幅以上が必要となるが、垂直方向には、ショア A25 弾性樹脂、アクリル樹脂共に
φ0.5 ㎜幅以上が造形可能であった。水平面の厚みは、ショア A25 弾性樹脂、アクリル樹脂共に 0.7 ㎜厚まで造形可
能で、垂直方向には、A25 弾性樹脂は、1.0 ㎜厚以上、ア

図 2 コーター方式の機構

33

KISTEC研究報告2021

【情報・生産技術部】

クリル樹脂は、0.7 ㎜厚まで造形可能であることがわかり、

３.２

図 3、4 共に水平面と垂直面に違いが生じることを確認した。

チューブ形状の穴径を確認するため、T 字を逆さまにした状態で造形したが、ステージ面に対し平行するチューブ

評価方法 2チューブ形状穴径の検証の穴部分が埋まってしまったため、図 5 に示す T 字形状の造形を行った。サポート付加形状 2 種、穴径を変えた 8 種（φ0.7、0.8、1.0、2.0、2.2、2.5、3.0 ㎜）を造形した。サ
ポート付加部分の右図は、サポート付加部分がステージ面
に対して吊り下がる状態で、チューブ形状がステージに対して平行に造形される。左図は、サポート付加部分がステージ面に吊り下がる状態で、チューブ形状がステージに対して斜めに造形される。
穴径が小さい場合、細部に樹脂が入り込んで埋まってしまうことがあり、右図のサポート付加による造形の方が穴が埋まらずに造形できる。ショア A25 弾性樹脂の場合、
φ2.0 以上は造形が可能であるが、アクリル樹脂の場合、サポート付加部分

φ4.5 ㎜以上が造形可能であると確認できた。
３.３ 評価方法 3 オーバーハングの検証
図 6 の 5 種の造形を行い確認した。角度 45°以上のオーバーハングが発生する場合は、メーカーからの情報によるとサポート付加の必要があるとのことだったが、角度

図 3 穴径評価造形物

35°までの造形が可能であった。

サポート付加部分

図 6 オーバーハング評価造形物

４．

まとめ

メーカーの推奨値、限界値の検証と細部へ樹脂が入り込
みや造形ステージに対して水平方向の面と吊り下がりで積層される垂直方向の面の違いを検証し、以下の知見を得

図 4 隙間、厚み評価造形物

た。
1）穴径、隙間、厚み評価では、水平方向の面と垂直方向の面に違いが生じることがわかり、ステージ面に付着している水平方向の面の方が精度が高いことがわかった。
2）チューブ形状評価では、T 字形状で穴の造形を重視する場合、サポート付加し配置を斜めに造形した方が有効であった。
3）オーバーハング形状では、メーカーの推奨角度より鋭角の角度を造形することができた。
形状や素材の柔らかさによって、造形前に、出力方向やサポート付加の検討するのと共に、照射時間の細かい設定が必要であることもわかった。今後、更なる機械特性を把サポート付加部分握する必要がある。

図 5 チューブ形状穴径評価造形物

KISTEC研究報告202134【情報・生産技術部】

座面板に使用される木質素材の強度性能
中島 岳彦(情報・生産技術部 試作加工グループ)

１．

はじめに

木製スツールの座面板には様々な種類の木質材料が使に接着回数が増えるため作業性が悪くなる。そこで集成するブロックのサイズを市販されているものを参考に用されているが、近年は接着剤で集成加工した座面が多く制作され、使用されている。強度性能としては一枚板や幅20mm、30mm、40mm の 3 条件に絞った。板目組用ブロッ
ク試験片を図 2 に、木口用を図 3 に示す。このブロックを接ぎ材などが優れているが、意匠性を高めるために多種類の木材を細かいブロック状に使用した座面が製作されて集成した板（試験体）の大きさは幅 120mm、長さ 240mmとした。樹種はスギを用いた。

いる。座面は体重を支える重要な部分であり、JIS でも必
要な強度は規定されている。椅子およびスツールの座面の高さ 23mm

強度に関する JIS 規定は、構造体に対する試験であり、座面の強度だけを調べる試験ではない。そこで本研究では、座面の強度だけに注目し、座面を構成する集成加工の要素
が強度性能に与える影響について調べた。

２．

40mm

実験

30mm

集成された座面の多くは上面部に板目面を向けたものと木口面向けたものの２種類に大別される。模式図を図 120mm
図２ 板目組用ブロック試験片に示す。集成する際のブロックサイズが小さいと材中の欠点が排除され、より均一化していく。集成の組み方とブロックサイズを条件として設定し、強度性能に与える影響について調べた。接着剤には酢酸ビニル系を使用し、接着条

高さ 40mm

件はメーカー推奨の塗布量と圧締圧で行った。
板目組
40mm
20mm

30mm

図３ 木口組用ブロック試験片２．２．樹種の違い

木口組

針葉樹と広葉樹では一般的に広葉樹の方が密度が高い。
家具には広葉樹が多く使われるが、近年は地産材である針葉樹での家具も多く制作されている。広葉樹のホオノキとナラを使用し、30mm サイズのブロックで試験を行い、ス
ギとの強度の比較を行った。ブロックの外観を図 4 に示す。

図１

木口組と板目組の違い

２．１．集成の仕方とブロックサイズ
座面上面に木口面を向けて集成する方法と、板目面を向けて集成する方法の２種類を条件とした。板目面の場合、

ホオノキ

ブロックの繊維方向が縦横になるように並べた。ブロック
サイズをあまり小さくすると、歩留まりが低下する。さらナラ

図４ 広葉樹ブロック試験片

35

KISTEC研究報告2021

【情報・生産技術部】

３． 実験結果
３．１．ブロックサイズの影響
表１に曲げ試験の結果を示す。組み方では木口組よりも板目組の方がヤング率で２倍程度高いことが分かった。
スギの繊維方向のヤング率が文献値(1)で 7.5GPa 程度であることから、板目組で 10 分の 1 まで強度が低下した。集成加工によって強度は下がったが、縦横に組んであるため異方性がなくなり、背もたれのある椅子と異なり前後の区別なく座るスツールに適した材と言える。
板目組のブロックサイズでは 30mm サイズでヤング率と曲げ強さで最も高い値を示した。図 5 に示すように破壊はどの試験体でも接着層で起こり、木部での破壊が少なく、接着層が露出している状態であった。これは木口と板目を木口組
図６ 破壊した木口組の試験体接着するため、接着力が低下することが原因である。両面
塗布を念入りに行ったが、木口面は接着剤を吸収しやすい
ため、良好な接着面を得ることができなかった。サイズ間で差が出る原因であるが、試験体の長さ方向にはブロック

３．２．樹種の影響が偶数個配列しおり、ブロックの偏りはない。接着層の数が強度に影響を与えている可能性あると推察されたが、こギに比べて高い値を示した。曲げ強さに関してはスギに対してホオノキで 152％、ナラで 188％上昇しており、ヤン

こでは接着層の影響を調べる実験は行わなかった。今後の検討課題としたい。

グ率の増加に比べるとより高くなる傾向が見られた。破断
面を観察すると、木部での破壊の割合が増えていることか

木口組では同じく 30mm サイズでヤング率が最も高い値を示し、曲げ強さでは 40mm サイズが最も高かった。木ら、木口と板目の接着性が向上した。密度が高いため、木
材実質の量も多いことから木材実質との接着面積が多く口組の板の破壊は板目組と異なり、図 6 に示すように接着層からの破壊ではなかった。これは良好な接着が得られるなり、接着強度が向上していると思われた。

表２にホオノキとナラの試験結果を示す。２樹種ともス

板目面での接着であるため、ブロック間が強固に接着されていることを示している。各サイズ間の差が小さいことか

表２ 各樹種の曲げヤング率と曲げ強度
樹各ブロックサイズの曲げヤング率と曲げ強度
ブロックサイズ
20mm

配列（樹種：スギ）

30mm

40mm

曲げヤング係数

曲げ強さ

曲げヤング係数

曲げ強さ

曲げヤング係数

曲げ強さ

（GPa）

（MPa）

（GPa）

（MPa）

（GPa）

（MPa）

板目

0.786

4.39

0.976

4.39

0.759

2.94

木口

0.332

2.74

0.467

3.41

0.339

3.52

４．

ナラ

曲げヤング係数

曲げ強さ

曲げヤング係数

曲げ強さ

（GPa）

（MPa）

（GPa）

（MPa）

板目

1.23

6.68

1.40

8.27

木口

0.556

7.59

0.711

8.82

配列

表１

種（ブロックサイズ：30mm）

ホオノキ

ら、サイズによる影響は板目組よりも少ないと考えられる。

まとめ

スツール座面の製作方法と使用樹種による違いが強度に及ぼす影響について調べた。得られた結果を以下に示す。
1) 板目組のヤング率は木口組の 2 倍程度高い。
2) 板目組の曲げ強さでは、スギに対してホオノキで 1.5
倍、ナラで 1.9 倍程度高い。
以上の結果から、スギ板目組を曲げ強さ 2.9MPa とすると、φ350mm 程度のスツールを製作する場合、厚みは40mm あれば予想最大荷重はおよそ 3000N になることが分かった。同じように、ホオ（6.7MPa）の場合で厚み 26mm、ナラ（8.3MPa）で 24mm の厚みが必要である。次年度では実際にスツールを試作し、想定通りの強度があるかどうか調べていく予定である。

板目組
図５【参考文献】
1. 木材工業ハンドブック（2004）．

破壊（中央部）した板目組の試験体

KISTEC研究報告202136【情報・生産技術部】

NC フライス加工機の異常検知システムの開発
長尾 達明、奥田 誠 (情報・生産技術部 システム技術グループ)
高橋 和仁、横田 知宏 (情報・生産技術部 試作加工グループ)

１．

はじめに

NC フライス加工機での切削加工において、切削工具の摩耗による劣化や加工条件が不適切な場合には、ワークの加工面の仕上がりの低下、切削工具の折損、加工機の故障に結びつくことがある。異常検知システムは、様々なものが市販されているが、切削動力計を用いた高価な物や主軸
モータの電流値の正常値からの差分で判断する物が多い

図 2 システム構成図のが現状である。
本研究では、切削動力計などの高価な装置を使用せずに

２．２

異常検知できる安価なシステムの開発を目的とした。方法として、NC フライス加工機から取り出せるデータ（主軸PLC は、図 3 に示すように三菱電機、MELSEC-Q シリーズを使用した。表 1 のユニットを組み合わせて必要なデ回転速度、主軸負荷率、送り速度など）と、簡易に接続できる電流クランプで取得した電流値を利用した。これによータを取り込める構成とした。

PLC の構成

り、切削加工の効率化を目指している企業に導入しやすいシステムとなることを目指した。

２．

異常検知システムの開発

本章では、開発した異常検知システムの概要を述べる。

２．１

システム全体今回使用する NC フライス加工機は、図 1 の（株）イワ
シタ製、NR2 で、NC コントローラにオプションとして、
CC-Link１）のスレーブ局の機能がある。これにより、主軸
回 転 速 度 な ど の デ ー タ を PLC （ Programmable Logic
Controller）の CC-Link のマスタ局ユニットへ受け渡すこと

図 3 PLC
表 1 PLC の詳細ができる。また、主軸モータのケーブルに電流クランプを接続して、PLC の CT（Current Transformer）入力ユニット

ユニット名

型名

で電流値を受け取り、さらに、放射温度計のデータを電流値として、PLC の A/D 変換ユニットで受け取る構成としCPU ユニット

Q00UJCPU

CC-Link ネットワーク

QJ61BT11Nた。図 2 にシステム構成図を示す。

ユニット
Web サーバユニット

QJ71WS96

入出力ユニット

QX48Y57

CT 入力ユニット

Q68CT

アナログユニット

Q62AD-DGH

CC-Link ネットワークユニットは、マスタ局の機能を持っており、スレーブ局のデータを吸い上げることができる。
フライス盤の NC コントローラがスレーブ局の機能を持っているため、主軸回転数のデータなどをワードデータとして受け取っている。また、逆に NC コントローラへワード
データを書き込むことも可能である。CC-Link 通信をするための設定としては、局番、占有局数、ボーレートなどが

図 1 フライス盤

37

KISTEC研究報告2021

【情報・生産技術部】

アナログユニットは、放射温度計（HORIBA 製、IT-480）必要となる。
Web サーバユニットを所内ネットワークに接続するにあたり、当所のネットワーク管理者の許可を得て、所内用から出力される 4～20mA の電流を取り込んでいる。
最終的に csv ファイルには、19 種類のデータを 0.1 秒間の IP アドレスが配賦された。デフォルトの IP アドレスか
ら所内用の IP アドレスへ設定変更した。DHCP サーバか隔で保存することになった。

ら自動取得する方法もあるが、固定 IP アドレスでの設定の方が確実である。

２．３

パソコンの Web ブラウザで Web サーバユニットへアクセスして、PLC のデータをモニタする場合、Web ブラウザ

ことを確認した。
図 5 のように直径 10mm のスクエアエンドミルで SS400

画面を逐次更新するためにはパソコンに Java VM(Virtual
Machine)インストールしておく必要がある。これは、Webの被削材の 150mm の長さを側面切削し、切削速度（V）、
送り量（f）、径方向切込（ae）、軸方向切込（ap）の 4 条件

サーバユニットのデフォルトの Web サーバが、Java で作成されているためである。最近の多くのパソコンは、Javaの組み合わせを変えることにした。
まず、図 6 のようにフライス盤の主軸モータの電流値がVM をインストールしていないため、それを必要としない
HTML ファイルを作成することにした。

安定するまで、回転開始から 2 分程度必要であることが分かった。また、径方向切込（ae）の違いにより、加工中のWeb サーバユニットは、CPU ユニットの内部メモリの複数個を指定して１つのデータのかたまり(タグデータ)と主軸モータの電流値に差があることを確認した。

データ取得の動作確認

実際のフライス加工において、データ取得が可能である

して扱うタグ機能がある。そのタグデータにアクセスできるような HTML ファイルを作成して、Web サーバユニッ
トへ書き込むことにより、所内ネットワークに接続しているパソコンの Web ブラウザで図 4 のようにタグデータを見ることを可能とした。

図 5 エンドミルと加工部分の拡大

図 6 主軸モータ電流値
図 4 Web ブラウザ画面

３．

異常検知ができるパラメータの検証

直径 10mm のスクエアエンドミルで S50C の被削材の側タグデータを 0.1 秒間隔で csv ファイルに保存するため

面切削について、表 2 に示す条件で加工を行った。

には、高速ロギングの機能が必要であり、そのために Web
サーバユニットにコンパクトフラッシュカードを挿入し

表 2 実験条件て、そこに保存できるようにした。また、ロギングを自動で開始するためにイベント監視機能を使用して、主軸回転切削速度（V）

50～100 m/min

数が 10 を超えた時に保存を始めるようにした。保存された csv ファイルは、1 回の加工終了毎に FTP サーバへ自動送り量（f）

0.05、0.1、0.15 mm/t

径方向切込（ae）

0.5、1、3、5 mm

軸方向切込（ap）

1、5 mm

転送されるようにした。
CT 入力ユニットは、主軸モータのケーブルに設置した

V：100 m/min、f：0.05 mm/t、ae：5 mm、ap：5 mm の時に、図 7 の赤丸部分のように主軸電流値の変化を記録し、クランプ式の分割形電流センサの電流を取り込んで、主軸モータの電流値を測定している。

KISTEC研究報告202138【情報・生産技術部】

2）異常検知について、主軸モータの電流が急激に変動

また、その時の工具の状態をマイクロスコープで観察すると図 8 のように黄金色のコーティング部分が剥がれて破損していることが確認できた。なお、それ以外の加工条件

した時に工具が破損することが確認出来た。

においては、主軸モータの電流値の急激な変動はなく、また、工具の破損も見られなかった。

【参考文献】
1. CLPA：「CC-Link 仕様書（概要，プロトコル編）」，（一社）CC-Link 協会，BAP-05026-M (2011)【外部発表】口頭発表 1 件

図 7 破損時の主軸電流波形（a）新品工具（b）破損工具図 8 新品の工具と破損した工具の写真

また、
図 9 のように加工時間経過および径方向切込（ae）に応じて、工具温度が増加することを確認できた。しかし、温度からは破損時における変化を捉えることはできなかった。

図 9 工具温度変化の一例

４．

まとめ

本研究では、NC フライス加工機の異常検知システムを安価に開発するという目的において、次のような成果が得られた。
1）PLC の Web サーバユニットを用いることは、データ取得のシステムを自作でカスタマイズする場合において、有効な手段であることを確認できた。

39

KISTEC研究報告2021

【情報・生産技術部】

レーザ照射によるレーザ粉体肉盛層の組織制御
福山遼(情報・生産技術部 試作加工グループ)中村紀夫(情報・生産技術部 システム技術グループ)薩田

寿隆(情報・生産技術部)

ものづくりのデジタル化に伴い、3DCAD の設計データ

表 4 に再溶融処理条件を示す。LMD による肉盛層を造形直後に、LMD と同一の装置で粉末を供給せず、造形さを 直 接 入 力 し て 部 品 を 得 る 積 層 造 形 技 術 （ Additive
manufacturing）への注目が高まっている。金属材料を用いれた各パスの真上からレーザ照射のみすることにより再溶融処理を行った。レーザの走査方法は肉盛層造形時と同た積層造形においては、2030 年には造形品の市場規模は
約 2 兆円とされており、現在では医療、航空・宇宙、発電様であり、出力と走査速度を変化させた。再溶融処理のレーザのパス数は 5 パスとし、再溶融処理の回数は 5 パスでなどの部品単価が高い分野で社会的実装化が先行している 1)。金属積層造形の中でも、レーザ粉体肉盛溶接（Laser

1 回と定義し、これを 1、2、4 回繰り返した。

１．

はじめに

Metal Deposition : LMD ）はレーザ照射してできた溶融池に金属粉末を投入し、肉盛溶接を行う加工である。LMD

表 1. 高速度工具鋼粉末の化学成分

は母材希釈が少なく、低入熱量であり、肉盛厚さを正確に制御できることから、局所的な肉盛層の形成が容易となる
2)。例えば、安価な低合金鋼に高速度工具鋼等や、耐熱性や耐蝕性などの特性を持つ金属を付着させる等の新たな表 2. SCM440 の化学成分

付加価値をつけることが可能となる 3) 。しかしながら、LMD は良好な品質を得るためのレーザ出力、レーザ走査
速度、ビーム径、粉末供給量などの加工条件の選定が難し
く、ブローホールや融合不良などの内部欠陥が生じ易い。
本プロセスと同じく金属を堆積させる溶射においては、これらの内部欠陥を除去するために別工程で高周波誘導加表 3. LMD の積層条件
Sample 1
Lack of fusion+ Blowholeconditions

熱やバーナー加熱等で再溶融処理が行っているが、作業者による技能差あるいは高価な装置の導入が必要となり、技Sample 2
Blowhole

Sample 3
Blowhole

Beam diameter mm

φ4

術的あるいはコスト的に問題は多い 4)~5)。そこで、本研究では LMD 後に連続で同一装置を用いたレーザ再溶融処理

Overlap width mm

2
2.1

を試み、内部欠陥の除去できる再溶融処理条件の選定を検討した。

Laser scanning velocity mm

16

8

16

Powder flow g/min

19.8

15.1

13.5

２．

Carrier gas ℓ/min
Shield gas ℓ/min

実験方法

本研究で用いた LMD 装置（TRUMPF 製：TruDisk3006）の概略を述べる。発振器から発したレーザ光（ディスクレ

23

Laser power kW

1.8

2

1.8

Height mm

3.0

4.7

1.7

表 4. 再溶融処理条件

ーザ、波長 1030 nm）は光ファイバーで伝送され、ロボッ
トアーム先端に設けた出射光学系により集光され、対象物の表面を溶融する。粉末は供給装置からアルゴンガスにより搬出され、出射光学系先端のノズル内に設けた出射口から溶融部に供給される。レーザ照射と同期してロボットア
ームは移動し、目的とする形状の肉盛層を形成する。
粉末は粒径 53～150 μm の高速度工具鋼粉末を用いた。
化学成分を表 1 示す。基材は寸法 100×50×10 mmt の低合

図 1 に放射温度計を用いた溶融池の温度測定の概略図を示す。加工ヘッドに測定温度範囲 140～2000 ℃の放射温度計を

金鋼 SCM440 板を用いた。化学成分を表 2 に示す。基材には前処理としてアルミナ粉末によりブラスト処理をした。

取り付け、レーザの焦点位置に集光部を合わせることで、リア
ルタイムの溶融池温度を測定した。本研究では、再溶融処理に

表 3 に LMD の積層条件を示す。肉盛高さが異なり、融合不良やブローホールが形成される 3 種類の積層条件をおける溶融池形成前のパスの直前温度（以下パス間温度と示す）と溶接品質の関係を調べた。

選択した。

KISTEC研究報告202140

【情報・生産技術部】

影響すると考えられ、パス間温度と溶接品質の関係を調べた。
図 4 に再溶融処理条件におけるパス間温度と溶接品質の関係を示す。再溶融処理を繰り返すことでパス間温度は増加し、入熱量の大きい再溶融処理条件であればパス間温度の増加幅は大きくなる。断面品質が良好か否かを示す指標としてパス間温度の上昇幅がある。急激な温度上昇では外観不良となり、緩慢な温度上昇ではブローホールや融合
不良を解消されていない。良好な断面品質を得るためには、その中間となるパス間温度の上昇幅をレーザ出力および走査速度での制御で調整する必要がある。また、再溶融処

図 1. 放射温度計を用いた溶融池の温度測定の概略図

３．

理回数の最終回のパス間温度に注目すると、Sample 1（再溶融前の肉盛高さ：3.0 mm）は 340～390 ℃、Sample 2（再実験結果および考察

溶融前の肉盛高さ：4.7 mm）は 390～410 ℃、Sample 3（再溶融前の肉盛高さ：1.7 mm）は 300～390 ℃で良好な断面

図 2 に再溶融処理前の LMD の断面マクロ組織を示す。
Sample 1 は入熱不足および粉末供給量過多のため融合不良とブローホールが形成されている。また、Sample 2 と品質を得られた。肉盛高さが高くなることで、基材近くにあるブローホールまで再溶融処理による熱が届きにくく

Sample 3 は入熱不足によりブローホールが形成されている。肉盛時に形成されたブローホールは粉末溶融時に予めなるため、外観不良にならない程度の高いパス間温度が必要となる。

粉末自身に蓄えられたガスや、外部から混入したガスによる気泡が生じ、自身の浮力によって外部に抜け出る前に溶融池が凝固したためと報告されている 6)~7)。従って、ブローホール周辺を溶解し、ガスを肉盛層外へ放出させる再溶
融処理は有効と考えられ、本研究では Sample 1～3 の肉盛層をその後の再溶融処理により内部欠陥を除去する。
図 3 に再溶融処理後の代表的な断面マクロ組織を示す。
横方向に Sample 1～3、縦方向に再溶融処理条件となっており、走査速度は 4 mm/s で統一し、出力やパスの繰り返
し回数を変えた結果である。
出力が 2.5 kW の条件では Sample 1 は良好な断面品質を得られたが、高入熱量であるため Sample 2、3 は外観不良となっており、肉盛高さが低い Sample 3 は割れている。
これは肉盛層が薄いためレーザ照射により肉盛層と共に
SCM440 母材の一部が溶融し、母材からの希釈により粉末の合金成分量が低下し、割れ感受性が高くなったためだと考えられる 8)。
また、
Sample 3 は体積的には他の Sample 1、2 に比べ小さく母材希釈の影響が大きく作用するため割れに繋がったと考えられる。
一方で、出力が 1.5 kW では低入熱量の条件であるため、
ブローホールや融合不良を再溶融処理によって除去できていない。
今回ベースとした Sample 1～3 の肉盛条件においては、
出力 2 kW、レーザ照射 5 パス×4 回の条件において外観不良や割れに繋がらず、ブローホールや融合不良を除去した
良好な品質の断面を得ることができた。
上記の結果より、同一の再溶融処理条件で Sample 1～3
全て良好となる場合もあるが、出力 2.5 kW の条件のように Sample 1 のみ良好となる場合もある。
この理由として、ベースの肉盛条件により体積が異なるため、熱容量、蓄熱

図 2. 再溶融処理前の LMD の断面マクロ組織；量、放熱量の差により最適な再溶融処理条件が異なると考えられる。従って、ベースの肉盛条件に応じた再溶融処理(a) Sample 1, (b) Sample 2, (c) Sample 3時の出力、走査速度、パスの繰り返し回数を制御しなければならない。これらの条件は試験片のパス間温度に大きく

４．

41

おわりに

KISTEC研究報告2021

【情報・生産技術部】

図 3. 再溶融処理後の代表的なマクロ組織

図 4. 再溶融処理条件におけるパス間温度と溶接品質の関係

本研究では、高速度工具鋼粉末を用いた LMD 後に連続で同一装置を用いたレーザ再溶融処理を試み、パス間温度【参考文献】
1) 井関隆之：金属積層造形プロセス概要，第 3 回 NEDOに着目した内部欠陥の除去できる再溶融処理条件の選定について検討した。レーザのパス数および繰り返し回数、

2)

よる積層・補修技術の開発，溶接学会誌, 90, 2 (2021)
177.

出力、走査速度が溶接品質に与える影響を評価し、以下の結果を得た。
(1)

溶接欠陥とならない再溶融時の最適なパス間温度は約 300~400℃にワークが予熱されている条件であっ3)

木寺正晃：レーザを用いた AM 技術，溶接学会誌, 89,
1 (2020) 85.

た。しかし、肉盛条件により有する熱容量が異なる
ため、最適な再溶融処理条件が異なる。従って、肉4)

曙紘之，伊藤量平，福本昌弘，小茂島潤，清水真佐
男：自溶合金溶射部材の疲労特性に及ぼす再溶融処
理時間の影響，日本機械学会論文集, 70, 694 (2004)843.

盛条件に応じた再溶融処理時のレーザ走査速度・出力等でパス間温度を制御しなければいけない。
(2)『TSC Foresight 』セミナー発表資料（2019）.
森橋遼，岩崎勇人：Laser Metal Deposition (LMD) に

今回ベースとした肉盛条件では、レーザ出力 2 kW、走査速度は 4 mm/s、レーザ照射 5 パス×4 回の条件

5)において外観不良や割れに繋がらず、ブローホール
や融合不良を除去した良好な品質の断面を得ること

6)

園家啓嗣，香川遼太郎，中村正信，永田智司：高周
波誘導加熱による自溶合金溶射皮膜の再溶融組織の評価，溶射, 49, 4 (2012) 117.
Shun Izutani et al.: Blowhole Generation Phenomenon
and Quality Improvement in GMAW of Galvanized Steel
Sheet, Int. J. of Automation Technology, 71, 1 (2013)ができた。

103-104.

KISTEC研究報告202142【情報・生産技術部】

7)

8)

Yimin YUAN : Development of Hybrid Tandem GMAW
process, Journal of The Japan Welding Society, 86 (2017)
90-94.
岡内宏憲，才田一幸，西本和俊：690 合金と 316L ス
テンレス鋼異材多層盛溶接部のミクロ割れ発生抑制に対する REM 添加効果，溶接学会論文集, 29, 3(2011) 228.

43

KISTEC研究報告2021

【情報・生産技術部】

チタン合金加工におけるドリルへのブラスト処理の効果
横田
石橋

１．

知宏(情報・生産技術部 試作加工グループ)

正三、近藤

はじめに

横内

正洋(機械・材料技術部)

祐介、小島隆(株式会社不二製作所)

未処理

ブラスト A

ブラスト B

近年、切削工具においては難削材に対応した高性能な工具が開発されてきており、特にコーティングの性能が向上している 1)。一方でコーティングに加えて工具の性能を向上させる表面処理法があれば、コーティング工具のさらな

100µm

100µm

100µm

(a) 刃先る性能向上を図ることが可能となると考えられる。
本研究ではブラスト処理に着目した。チタン合金のドリ
ル加工を対象に、切削抵抗や工具損耗に及ぼすブラスト処理の効果を検証した。

２．

25µm

25µm

Sa (µm) 0.295
Sz (µm) 7.356

実験方法

切削実験に直径 5 mm の超硬合金製ツイストドリルを使用した。工具内部には切削油剤供給のための円形のオイル

0.400
9.396
(b) 溝部

25µm

0.243
4.786

図 1 ドリルの刃先および溝部の SEM 像と溝部の面粗さ

ホールがあいている。またドリル表面には厚さ約 3 µm のCr 系コーティングが施されている。
上述したコーティング付き超硬ドリルに 2 種類のブラスト処理を行い、未処理ドリルと切削性能を比較した。ブ
ラスト A は(株)不二製作所の α 処理🄬🄬である。セラミック
ス製の超微粒球形メディアを 0.2 MPa でドリルに噴射した。

切削速度 (m/min)
送り量 (mm/rev)
加工深さ (mm)給油条件

表 1 切削条件
1～2009 穴400.1215
内部給油(2MPa)
エマルション

2010 穴～欠けまで
40
0.18
15
内部給油(2MPa)
エマルション

ブラスト B は(株)不二製作所のシリウス Z🄬🄬である。特殊高分子を核にして周囲に砥粒（ダイヤモンド）を坦持して３．

あるメディア（メディア径 450 µm、砥粒寸法 1 µm）を、0.3 MPa でドリルに噴射した。

３．１ 切削抵抗工具メーカ推奨条件で加工した 1 穴目、および 3 穴目の

図 1 に、未処理ドリルとブラスト処理したドリルの刃先
および溝部の SEM 像を示す。図 1 の下部には溝部の面粗切削抵抗（トルク）の時間変化を図 2 に示す。1 穴目において、未処理とブラスト A については加工の途中からトさも示した。ブラスト処理によりドリルのエッジ部がやや丸みを帯びているが、切れ刃稜線にはチッピングなど生じ

ルクが著しく上昇した。これは、穴が深くなるにつれてドリルの溝部に切りくずが溜まり、ドリルの回転を阻害したていないことがわかる。溝部の面粗さは、ブラスト A により大きくなり、ブラスト B により小さくなっている。

ためと考えられる。一方、ブラスト B については加工途
中でのトルクの著しい上昇はみられなかった。以上から、切削実験の手順を以下に述べる。マシニングセンタ（OKK 製 VC-X350）にてチタン合金（Ti-6Al-4V）に多数

未処理およびブラスト A に対し、ブラスト B の切りくず
流出性が良好であったといえる。これは図 1 に示した通り、の穴加工を行い、2009 穴までは 500 穴毎、2010 穴以降は
100 穴毎にデジタルマイクロスコープ（キーエンス製

ブラスト B によって溝部の面粗さが小さくなったことに起因すると推察される。

VHX-600）でドリル刃先の観察を行った。穴加工はドリルの刃先に欠けが生じるまで実施した。また、新品時および

しかしながら、3 穴目の切削抵抗をみると未処理、ブラスト A ともトルクの著しい上昇はほとんど無くなってい1003 穴加工後、2006 穴加工後に切削動力計（三保電機製
作所製 AST-BH）を用いて各ドリル 3 回ずつ切削抵抗測定る。1 穴加工したときにドリルの溝部の細かい凹凸が切りくずによって埋まり、その後の穴加工時には切りくず流出を行った。切削条件は、1~2009 穴については工具メーカ
推奨条件とし、2010 穴以降は送り量を推奨条件の 1.5 倍とを阻害しなくなるのではないかと考えられる。
３．２ 工具損耗した。各ドリル 2 本ずつ実験を行った。切削条件を表 1 に示す。

工具メーカ推奨条件で 2009 穴加工した後のドリルでは、逃げ面摩耗幅はいずれの工具も約 50 µm と同程度であり、

KISTEC研究報告2021

44

結果および考察【情報・生産技術部】(a) 1 穴目
図 3 刃先に欠けを確認した加工穴数(b) 3 穴目
図 2 切削抵抗(トルク)の時間変化

引き続きドリルの使用が可能な程度であった。ブラスト Bの 1 本のみマージンに僅かに欠けがみられたが、残りの 1

図 4 ドリル表面の残留応力

本と未処理およびブラスト A の 2 本に欠けはなかった。
以上から、メーカ推奨条件ではブラスト処理の有無の差は削速度を増加させるのではなく、送り量を増加させること
でブラスト処理の効果が発揮される可能性があると考えた。実際、実験の結果、ブラスト A による工具寿命延長

ほとんどないと判断した。
そこで、2010 穴以降は送り量を推奨条件の 1.5 倍とし、の効果を確認し、加工能率向上が可能であることを見出すことができた。

切れ刃の欠けを確認するまで加工を行った。刃先に欠けを確認して加工を終了した時点の加工穴数を図 3 に示す。未処理に対し、
ブラスト A は 2 本とも加工穴数が多くなり、平均で約 30 %増加した。ブラスト B についても、1 本は

４．

まとめ

本研究では、チタン合金（Ti-6Al-4V）のドリル加工を対象に、切削抵抗や工具損耗に与えるブラスト処理の効果

加工穴数が未処理よりも多くなった。このことから、ブラスト B については明確でないが、ブラスト A には工具寿を検証した。その結果、以下の結論を得た。
(1) ブラスト B（不二製作所製シリウス Z🄬🄬）では、1 穴命延長の効果があるといえる。
図 4 に、未処理およびブラスト A のドリル表面の残留目の切削抵抗が加工途中で上昇することなく切削することができた。これは、ブラスト B により溝部の応力を示す。測定はドリルの刃先やシャンク部など 4 箇所で実施し、図 4 にはそれらの平均値を示した。図より、ブ

面粗さが小さくなり切りくず流出性が向上したためと考えられた。

ラスト A が未処理より圧縮残留応力が大きくなっている
ことがわかる。これは、ブラスト A によりドリル表面に(2)

圧縮残留応力が付与されたことを示している。この圧縮残留応力の上昇により、き裂の進展を抑制し、欠けの発生タ

ブラスト A（不二製作所製 α 処理🄬🄬）では、未処理に比べ約 30 %多くの穴数を加工することができた。これは、ドリル表面への圧縮残留応力の付与に起因してき裂の進展が抑制されたためと考えられた。ブラ

イミングを遅らせたと考える。
以上のように、切削条件を送り量 1.5 倍としたときにブラスト処理の効果が明確にあらわれた。これは、条件変更の仕方が大きく寄与したと考えている。ドリル加工の場合、
高能率な条件に変更するパラメータには切削速度と送り量が考えられる。いずれを変更しても加工能率を上げるこスト A により送り量を高くした加工能率向上が可能であることを見出した。
【参考文献】
1) 臼杵年, 精密工学会誌, 86, 11, 839-843 (2020).
2) 永禮哲生, 精密工学会秋季大会講演論文集, 885-886とは可能であるが、切削時の現象には違いが生じる。既往の研究報告 2)によると、切削速度を増加すると切削温度が(2017).

著しく上昇するが、送り量を増加しても切削温度は大きくは変化しない。今回検討対象としたブラスト処理は、切削【外部発表】口頭発表 1 件

温度上昇への耐性効果は低いと考えられた。そのため、切45

KISTEC研究報告2021

KISTEC研究報告202146

【化学技術部】

有機溶媒がポリメチルメタクリレートの破壊現象に及ぼす影響について荒木

真由美（化学技術部

環境安全グループ）田中聡美（化学技術部

環境安全グループ）羽田

孔明（化学技術部

材料化学グループ）勲（川崎技術支援部

材料解析グループ）栃木

阿久津康久（事業化支援部）

ポリメチルメタクリレート樹脂（PMMA）はその高い

JIS K7139 の多目的試験片タイプ A2 の厚さを 1 mm に変更したダンベル型試験片を切削加工し、溶媒に 10 日間浸透明性や硬度、耐候性に優れていることなどから様々な用途に用いられている。一方で、非晶性プラスチックで漬後、取り出して 1 日風乾させた。引張試験は、5565 型
5 kN 容量万能材料試験機（インストロン・ジャパン㈱）ある PMMA においては、応力存在下、有機溶媒が存在す
ると、いわゆる環境応力き裂が生じることが知られておにて、引張速度 10 mm/min、 試験数各 n=10 で実施した。
溶媒に浸漬していない試験片を対照試験片として、同様

り 1-5、その発生過程について議論されている。本研究では、極性の異なる 2 種類の有機溶媒により、PMMA 板にに引張試験を実施した。

環境応力き裂を生じさせた時の破断面及び、PMMA 板を有機溶媒に浸漬した後に引張破壊した時の破断面形状を得 ら れ た 破 断 面 に つ い て 、 実 体 顕 微 鏡 （SteREO
Discovery V20、カールツァイス㈱）による観察を行った。

１．

はじめに

２－４．

観察

観察し、それぞれの破壊メカニズムについて考察する。

３． 結果及び考察
３－１． 環境応力き裂試験

２． 実験
２－１． 試料

ヘプタンを滴下した場合は AB 間距離 40～70 mm、液量

市販の PMMA の厚さ 1 mm の押出成形板（デラグラス
TM A、旭化成テクノプラス㈱）を用いた。溶媒は非極性

300～1200μL で破断した。一方、エタノールを滴下した
場合は AB 間距離 60～150 mm、液量 200～400 μL で破断

溶媒および極性溶媒としてヘプタンおよびエタノール（いずれも試薬特級、ナカライテスク㈱）を用いた。

した。アルコール環境下ではアルカン環境下より PMMAのクレイズ発生応力が低く、また、クレイズが急速に成

２－２．

以降の実験は室温で行った。155×20×1 mm の短冊型

長して破断に至ることが報告されており 1、本研究でも、エタノールと接触させた場合、小さいたわみ且つ少ない試験片を切り出し、図１に示すようなハタ金を加工した治具を用いた。A、B の 2 箇所で試験片を固定してたわま

液量で破断することが確認できた。得られた破断面を図２、３に示す。いずれの溶媒でも、環境応力き裂の特徴

せ、破断するまで AB 間の距離を縮めつつ溶媒を滴下した。

である、起点付近が無特徴な鏡面となる破断面 2,3 が得られた。

環境応力き裂試験

起点

A
図１

２－３．

B
試験片を固定した状態

図２ へブタンによる環境応力割れ

溶媒浸漬後の引張破壊試験

47

KISTEC研究報告2021

【化学技術部】

分子の絡み合いの減少が起こり、軟化し、降伏応力が低下したと推察される 1,2,4,6。

75
70
65

降伏応力 [MPa]

80

起点

60

図３ エタノールによる環境応力割れ

環境応力き裂が生じる機構としては、応力により歪みやエタノール ヘプタン

配向が生じている箇所へ溶媒分子が浸透し、高分子鎖と溶媒分子とが相互作用することにより分子の運動性が高

図５ 溶媒による降伏応力の違い

まり、高分子鎖間のファンデルワールス結合に乖離が生じ、き裂に至ると考えられている 1-5。

対照

図６に引張試験で得られた破断ひずみの箱ひげ図を示す。ヘプタン浸漬では、対照試験片と比較して、破断ひ３－２．

溶媒浸漬後の引張破壊試験

ずみの中央値に変化は見られなかった。一方、エタノー

図４に引張試験で得られた応力－ひずみ曲線の例を示す。引張試験初期では、いずれの試験片でも一致した弾

ル浸漬によって、破断ひずみの中央値は増大した。メ
タノールに PMMA を浸漬すると、破壊に要するモーメン

性変形挙動を示した。対照試験片では、降伏点に達するとまもなく破断した。ヘプタン浸漬は、対照試験片に近トが増大したという川越らの報告がある 1。その理由としては、メタノールが PMMA 表面に膨潤層を形成すると、い挙動を示したものが多かった。エタノール浸漬においては、降伏点で一箇所にくびれが生じて、そのくびれ箇

表面キズからのクレイズ発生が抑制され、せん断による流動とき裂発生に変形・破壊モードが遷移するため、と述べられている。本研究においても、同様に、エタノー
ルによる膨潤によって流動性が高まり、クレイズの発生に対する抵抗性が生じ、破断ひずみが増大したことが示唆される。破断ひずみのバラつきは、溶媒分子の吸着・浸透を含む試験片の表面状態に関する個体差に起因すると考えられる。

所が両方向に伸展して広がるネッキング現象が観察されるものが多かった。有機溶媒に浸漬することによって、脆い PMMA が粘りのある性質に変化したと考えられる。

80 100604020

破断ひずみ [%]

引張応力 [MPa]降伏点0

引張ひずみ [%]

図４

応力－ひずみ曲線の例

プエタノール ヘプタン

図５に引張試験で得られた降伏応力の箱ひげ図を示す。
ヘプタン浸漬では対照試験片と比較して降伏応力の中央値に変化は見られなかったが、エタノール浸漬では降伏応力の中央値は低下した。ヘプタンと PMMA の間ではフ対照

箱ひげ図において箱の下端は分布の 25%点、上端は75%点を示し、箱の中の線は分布の 50%点（中央値）を示す。 ひげの下端は 10%点、上端は 90%点を示し、そこから外れた点は〇で示す。

ァンデルワールス力が働くのみだが、エタノールはPMMA のエステル部位と水素結合しうるため、エタノー

図６ 溶媒による破断ひずみの違い

ルの高分子鎖間への浸透・拡散による分子間力の低下・引張破壊後の破断面を図７～９に示す。対照試験片の破KISTEC研究報告2021

48

【化学技術部】

断面では、図７のように、平坦な起点と、塑性変形を伴関はなかったが、全体の 7 割の破断面が放射状模様を示

いつつ亀裂の進展と停止が繰り返されるスティックスリ
ップ模様が観察された 3。溶媒に浸漬したものでは、図８、した。PMMA を予め溶媒に浸漬することによって破断面が変化した理由としては、図４の応力－ひずみ曲線から９のように、起点付近で放射状模様を示す破断面が見られた。この放射状模様は、溶媒に浸漬していないポリカも解釈されたように、脆い PMMA が粘りのある性質に変化したことが示唆され、その傾向はエタノール浸漬におーボネートの引張破断面に類似するものであった 3,7。

いてより強く見られた。

破断ひずみ [%]

↓起点

図７ 対照試験片の引張破断面（降伏応力 73.8, 破断ひずみ 11）
スティックスリップ

↓起点

放射状模様

破断面のパターン
図１０ 破断面のパターンと破断ひずみの４．

まとめと今後の展開本研究では、極性の異なる 2 種類の有機溶媒により、PMMA 板に環境応力き裂を生じさせた時の破断面及び、
PMMA 板を有機溶媒に浸漬した後に引張破壊した時の破図８

断面形状を観察した。
たわませた PMMA 板にエタノール或いはヘプタンを滴

ヘプタン浸漬後の引張破断面

下すると、起点付近が無特徴な鏡面となる、典型的な環境応力き裂の破断面が得られた。一方、PMMA 板をこれ

（降伏応力 73.3, 破断ひずみ 23）

らの有機溶媒に浸漬後、引張試験を行ったところ、ネッ
キング現象を生じ、起点付近に放射状模様を呈するもの↓ 起点が観察された。硬くて脆い PMMA に有機溶媒が浸透することによって膨潤し、軟らかく粘りのある性質に変化したことが示唆された。
上記の実験から、応力と有機溶媒が同時に存在する時に起こる環境応力き裂と、有機溶媒浸漬後に引張応力を負荷することによる引張破壊とでは、破壊過程が異なり、それが破断面の違いに現れることが明らかになった。
今回の結果は、有機溶媒を使用する環境下での、プラ
図９

スチックの割れトラブルの把握に役立つものである。
今後も、種々の環境因子により、プラスチック材料がエタノール浸漬後の引張破断面（降伏応力 67.1, 破断ひずみ 6.6）

どのような影響を受けるのか、引き続き検討を行う。
破断面のパターンと破断ひずみの関係をプロットしたものが図１０である。ヘプタン浸漬のうち、7 割は破断ひず
みが 15%未満であり、それらは対照試験片と同様のステ【参考文献】
1. 川越誠ほか、高分子論文集、Vol. 51, No. 3, pp.149-156

ィックスリップ模様を示した。残り 3 割は破断ひずみが15％以上であり、それらは放射状模様を示した。エタノ(1994)
2. 成澤郁夫ほか、「高分子材料のフラクトグラフィ」S&T

ール浸漬では、破断ひずみと破断面パターンとの間に相出版 (2011)

49

KISTEC研究報告2021

【化学技術部】

3. 藤木榮、萩原利哉、「プラスチック材料の破壊・破断面の見方」日刊工業新聞社 (2015)
4. 徳満勝久ほか、成型加工 、第 29 巻、第 8 号、pp. 302308 (2017)
5. 高橋 秀明、 成形加工、32 巻、2 号、 pp. 38-42 (2020)
6. 中野詔彦、長谷川澄子、繊維学会誌、 Vol.42, No.7,
pp.59-66 (1986)
7. 荒木真由美ほか、（地独）神奈川県立産業技術総合研究
所 研究報告、pp. 59-60 (2020)

KISTEC研究報告202150

【化学技術部】

非線形粘弾性解析によるクリームの塗り心地評価への応用
武田
鈴木

１．

理香、津留崎皓介(横浜国立大学大学院)、小林 e1 '   0  
 e 2 '    
 e '  0
 3  はじめに化粧品クリームには様々な感触があり、その塗り心地評
価はパネリストによる官能試験が主となる。しかし、官能試験では、結果の表現の曖昧さやパネリストの嗜好の違いが結果に影響することから、客観的かつ定量的な物性試験による評価が求められている。クリームの感触は、エマルションの構造などが関与し、塗布時の歪により初期構造が変形・崩壊することで変化する 1）。
定量的な評価方法のひとつに、動的粘弾性測定がある。
歪走査測定においては、微小歪の範囲内であれば線形粘弾性（LVE）指標 G’ は歪に依らず一定となるが、その範囲を超えると一定とはならない非線形粘弾性（NLVE）が現れる。一般に NLVE 領域がエマルションの構造変化を表すとされている 2-3）。図 1 にクリームの歪依存性結果を示す。



0  e1  
0   e 2  0 
 e3 






2 κ e1 / s 2 sint  2 2 cost 2 cost  2 2 sint   2 2  / 2 2 
 
 
  


(6)

曲率  は の絶対値で与えられる。
  κ  2 

2

 2

 d    2 
 2
   2  2   2 
 ds  s (7)は LVE、NLVE に関わらず成り立つ公式である。
2

また、円とみなした 3D-Lis が平面であれば外角の総和
は 2となるが、ゆがむと 2以上になる幾何学定理を用いる 8）。は、3D-Lis 全体のゆがみ具合の評価に有効である。
  

解析方法

3D-Lis ds  

3D-Lis2 ˆ 2
dt (8)  ˆ 2  2  ˆ 2 3/ 2



2

10 2

dr
ds

(4)

(1)、(4)、(5)より、 = |d2r/ds2| が得られる。
曲率ベクトル の時間変化の公式は次のようになる。

解析方法として、3D-Lis の等時間間隔の 3 点を局所部分の円弧とみなし、曲率を求める。は曲率半径 の逆数で表される。時刻 t=0 で点 O にあるとし、時刻 t での位置ベクトルを r、弧長を s とする。r において、接線方向の単位ベクトルを e1 とする（e1 .e1=1）。e1 は s で微分することで得られる（図 2）。
e1 廉(横浜国立大学)

・規格化した 3D-Lis のパラメータ（、、）は以下のように表示できる。
r (t )   sin t cos t  (t ) (5)

最大歪0 が 30%あたりから G’ は低下しているが、領域を断定することは難しい。
我々はこれまで、ゴム材料を対象に歪・歪速度・・応力
の 3 次元リサージュ曲線（3D-Lis）の形状を数値化することで NLVE 特性を評価してきた 4-9）。本研究では、この
NLVE 指標を用い、化粧品クリームの塗り心評価への応用を検討する。

２．

恭一(化学技術部材料化学グループ)

Onset x: 38.7172 %

10 1

10 0

(1)

e1 をさらに s で微分した e1 '  de1 / ds は、e1 と直角方向に
ある。
de
d
(2)
 e 1  e 1   2 1  e 1  2 e 1 ' e 1  0
ds
ds

10 -1
10 -1

10 0

10 1

Oscillation strain

図1

10 2

10 3

(%)

G’の0 依存性

e1’方向の単位ベクトルを主法線ベクトル e2 とし、e1’の大きさをで表す。
(3)e1 '   e 2  κ(1)と(3)より、は位置ベクトルの二階微分で与えられる。
e1 と e2 に対する直角方向の単位ベクトル e3 とする。この様に設定した e1、 e2、 e3 をフレネの標識と呼び、公式からを求めることができる。 は捩率と呼ばれ，曲線が平面上にあるときは 0 となる。

図2

51

 の定義

KISTEC研究報告2021

【化学技術部】

３．

実験

試料には、株式会社コーセーから提供頂いた化粧品クリームを用いた。データ取得には、捩じり振動型の動的粘弾性測定装置（TA Instruments 社製 ARES-G2）を使用した。
測定条件として、振動数は 1 Hz、最大歪0 は 10 % から
100 %までは 10 %刻み、100 %から 1000 %までは 100 %刻
みで走査した。各0 において、が 1 周する間に を等時間間隔で 512 点測定した。温度は室温とした。

４．

紫矢印：が最大
緑矢印：が 0(歪速度・
最大)

結果

先ず、図 3 に 3D-Lis 全体のゆがみ度合いを表す（●）と、G'（▲）の0 依存性を示す。は、0 =30 %までは 6.28（≃ 2）となり、LVE であることが分かる。
その後、は0 =40 %から0=100 %まで急激に増加する。
0=200 %以降のは、緩やかに増加している。このように、
NLVE の始まりや 2 段階の振舞いをによって明確に示すことが出来る。
一方、G’ は0 =30 %辺りから単調に減少するが、明確な
NLVE の開始や、でみられたような段階的な NLVE 変化を読み取ることは難しい。
次に、3D-Lis の形状を詳細に把握するための 1 周期分

図4

クリームの 3D-Lis(左上)と の 1 周期分布(右下)0 =1000 %布を図 4 に示す。紫矢印はが最大の時間（0.25 s と 0.75 s）、
緑矢印はが 0 の時間（0.5 s）となる。
図 5 に0 =30 %から0=100 %におけるの時間変化を示す。0 =30 % は、左右対称の山・谷がみられ、視覚によっても LVE であることが確認できる。0 =40 %以降になるとピーク位置が右（0.3 s と 0.8 s 付近）にシフトし始め、シフトしたピークとは別に左（0.1 s と 0.6 s 付近）もが増大し（0 =80 %）、ダブルピークとなる（0 =100 %）。
図 6 に0 =200 %から0=1000 %におけるの時間変化を示す。0 =200 %以降ではダブルピークが徐々にフラットになっていくが、その形状変化は緩やかである。
このようにを追うことでも、段階的に変化する NLVEの振舞いを詳細に把握することが出来る。

図5

図6

図3

KISTEC研究報告2021

と G'の0 依存性

52 時間変化(0 =30 %、40 %、80 %、100 %) 時間変化 (0 =200 %、500 %、1000 %)【化学技術部】

５．

考察とまとめ【参考文献】
1. 岡本亨、日本化粧品技術者会誌、44(3),199 (2010)
2. 山縣、仙名、日本レオロジー学会誌、27,155 (1999)
3. 中川泰治、日本レオロジー学会誌、41,189 (2013)
4. 武田、西村、津留崎、神奈川県産業技術センター研究
報告、No.21, 1 (2015) ．
5. 武田、本多、津留崎、神奈川県産業技術センター研究
報告、No.22, 18 (2016) ．
6. 武田、本多、津留崎、神奈川県産業技術センター研究
報告、No.23, 9 (2017) ．
7. 武田、柴田、津留崎、KISTEC研究報告、2019.
8. 武田、津留崎、KISTEC研究報告、2020.
9. 津留崎、武田、高分子学会誌、Vol.70,No.5,238-239 (2021)

NLVE 指標を用いてクリームの感触評価への応用を試みた。の0 依存性については、NLVE が 2 段階に変化することが分かった。また、の時間変化を調べたところ、
1 周期の振舞い（ピーク形状）が0 により大きく異なることが分かった。
の時間による形状変化（図 5 と図 6）からクリームの構造について以下のように考察する。クリームは、大きな
0 を与えることで初期構造から変形し、崩壊することで感触が変わるといわれている。図 7 に歪による構造変化のイ
メージ図を示す。形状変化の 1 段階目では、初期構造か
らの変形を、2 段階目では構造の崩壊を捉えていると想像する。
今後、初期構造がどの程度の歪まで保たれているかを確認する必要がある。具体的には、0 =100 %と 1000 %で測定したサンプルに対してそれよりも低歪で再度測定し、
の時間による形状変化が元に戻るかを確認する。これにより、構造の変形が可逆的か否か判断することができる。
は官能評価と結びつけることで塗り心地の指標となり得る。さらに、製品設計や品質管理の応用も期待できると考える。このため、塗り心地の異なるクリームの比較評
価や温度を変えたときの評価についても研究を進めている。

図7【外部発表】口頭発表

2 件、

論文等発表

1件

歪による構造変化のイメージ図

謝辞
本研究を進めるにあたり、株式会社コーセーから化粧品
クリームのサンプルをご提供いただき、同社 末松 健氏
からは貴重なご助言を賜りました。深謝の意を表します。

53

KISTEC研究報告2021

【化学技術部】

アミロースによるフタル酸エステル類の分子吸着挙動
水野陽介（化学技術部 材料化学グループ）

１．

ス溶液は 45 mL 分取し、密閉容器中で沸騰させた。添加はじめにフタル酸エステル類は樹脂の可塑剤として広く用いられているが内分泌かく乱物質として懸念されており、近する物質を 1 mL のメタノールまたはエタノールに溶解し4 mL のイオン交換水で乳化させ、分取したアミロース溶

年、EU の RoHS 指令 1 に記載されるなど環境規制の対象物質となっている。そのため、フタル酸エステルを検出液に添加した。添加後、90℃程度のお湯で満たしたデュ
ワー瓶の中で徐冷した。2-3 日後に水溶液中に沈殿が生じする技術の需要が高まっている。現在の規制は樹脂製品
へのフタル酸エステル類含有量を対象としたものであり、ているか、目視で確認を行った。生じた沈殿物は 10000
rpm で遠心分離を 15 分間行い回収した。さらに、メタノ固体に対する含有率の算出 2 や検出を目的としたものが積極的に開発・規定されている。一方で水環境へのフタルールで数回洗浄して 40 ℃で真空乾燥を行った。その後、沈殿物を秤量してアミロース添加量との重量比を得た。

酸エステル類の流出も懸念すべき問題の 1 つである。しかし、フタル酸エステル類の水環境への流出については、添加物質にはフタル酸エステル類 6 種およびセバシン酸
エステル類 2 種を用いた。

現状管理目標程度にとどまっている。その検出方法は濃縮を伴う GC-MS 測定による煩雑なバッチ式であり 3、積２．３ X 線回折（XRD）

極的に検討されている検出方法も同じくバッチ式のクロマトグラフィーを用いたものである。しかし、製品と異乾燥した沈殿物を粉末状にした後、ガラス板製の試料ホルダー（試料部深さ 0.2 mm）に充填し、Ultima-IV（リなり水環境は絶えず変化するため、流出量を簡便で連続的に測定可能な技術が望まれる。

ガク）で室温にて測定を行った。検出器はシンチレーシ
ョンカウンターまたは高速一次元検出器 D/teX Ultra を用

そこで本研究は多糖類のアミロースを用いたフタル酸
エステル類の分子吸着について検討した。アミロース分

いた。X 線源は Cu 封入管球（波長λ= 1.54187 Å）で管電
流、管電圧はそれぞれ 40 mA および 40 kV とした。スキ子鎖はらせん構造を形成し、らせん内部に様々な分子を包接できる 4,5。この分子吸着可能なアミロースとナノグ

ャン範囲は 2θ= 5-25(deg)とした。

２．４ アミロース塗布 QCM センサーの作成

ラムオーダーで質量変化の検出可能な水晶振動子マイク
ロバランス(QCM)法を組み合わせることで、水環境中の100 mg のアミロースを沸騰したイオン交換水 50 mL に

微量分子の検出がリアルタイムで可能になる 6。しかし、アミロースによるフタル酸エステル類の吸着挙動はこれ加え溶解させる。10 vol%程度のブタノールを添加し、徐冷することで生じた沈殿を遠心分離により回収し、ブタまでに報告されておらず、その可能性について精査する必要がある。そのため、本研究では水中におけるアミロ

ノール複合体を得た。次に、ブタノール複合体がアミロースの乾燥重量換算で 1 µg となるように超純水に分散しースフタル酸エステル類の複合体形成について、物質添加により生じる沈殿量および沈殿物の X 線構造解析によた上でセンサー電極上に 30 µL 滴下し、さらにブタノール
を 5 µL 滴下した。滴下した溶液を自然乾燥させた後にメり検討した。また、QCM センサー上にアミロース膜を塗布し、QCM 法によって水中に存在するフタル酸エステル

タノールで数回洗浄し、真空乾燥することでアミロース
塗布 QCM センサーを作成した。

類の吸着挙動について明らかにした。

２．５ QCM 法
２． 実験
２．１ 試料

測定には NAPiCOS システム（日本電波工業）および30MHz ツインセンサーを用いた。そのシステムの概略図

アミロースは市販のでんぷん（北海道産ジャガイモ使用）を Schoch のブタノール法 7,8 で精製して得た。青価 9を Fig.1 に示す。測定温度は恒温チャンバーを用いて 25 ℃とした。キャリヤーは超純水を真空脱気して用いた。流は 1.14 であった。超純水には Milli-Q 水(Merck)を用いた。
その他の試薬は購入したものをそのまま用いた。

量は 10 µL/ min とした。重量変化量 Δm は周波数の変化量∆F から Sauerbrey の式 10 より求めた。

２．２

水溶液中でのアミロース複合体形成実験∆𝑚𝑚 =1.11 g のアミロースを 50 mL のイオン交換水に分散し、15 mL の 1M NaOH 水溶液を加えて溶解した。1M 塩酸でpH 6 まで中和し、500 mL に定容した。調製したアミロー

KISTEC研究報告2021

54𝑆𝑆�𝜌𝜌𝑞𝑞 ∙ 𝜇𝜇𝑞𝑞
2𝑁𝑁 ∙ 𝐹𝐹02(−∆𝐹𝐹)

【化学技術部】

こ こ で 、F0： 公 称 周 波 数 (30.834 MHz)、S： 電 極 面 積

16.97 (deg)であった。ここで、2θ= 5.39 (deg)のピークはシ(0.075 cm2)、𝜌𝜌𝑞𝑞：水晶の密度 (2.65 g/cm3)、𝜇𝜇𝑞𝑞：水晶のせん
断応力(2.95×1011 g·cm−1·s−2)、N:オーバートーン次数(1)でンチレーションカウンターを検出器に用いた測定で観測されている。2θ= 5.39, 16.97 (deg)のピークは、右巻き 6/1

ある。つまり、∆m/ ∆F = -0.035 (ng/ Hz)となる。

らせんの 2 本らせん構造を形成した B-amylose12 の回折パ
ターンにおける高強度のピークと一致していた。この結果から、BBP 添加時の沈殿物はアミロース分子の多くがランダムコイルであり、一部 2 本のアミロース分子が絡まりあっている状態であることが示唆された。そのため、水中においてアミロース分子は BBP を包接しないと考えられる。
DBS の添加時のみアミロースによる包接が示唆された結果を踏まえて分子包接選択性を考察する。DBS はエス
テル基、セバシン酸骨格ともに柔軟であり、アミロース

Fig.1 QCM system.

分子によって包接が容易であったと考えられる。一方でフタル酸骨格は剛直であり、オルト位にエステル基が存３．結果・考察３．１ 水溶液中でのアミロースのフタル酸エス
テル類との複合体形成

在してかさ高いため、フタル酸エステル類は十分に包接されなかったと考えられる。

添加物質濃度が 0.02 %(w/v)の場合、添加物質を加えていない参照試料も含めてすべての試料で沈殿が生成した。
そこで参照試料よりも多くの沈殿が生じた試料において添加物質による沈殿が生成していることとした。添加物
質による沈殿生成の有無を Table 1 にまとめた。
Table 1 アミロース水溶液への物質添加による沈殿生成の有無

添加物質

沈殿の生成

フタル酸ジブチル

×

フタル酸ブチルベンジル
フタル酸ジ（２－エチルヘキシル）△
×

フタル酸ジシクロヘキシル
フタル酸ジイソデシル

×
×

フタル酸ジメチル
セバシン酸ジ（２－エチルヘキシル）

××

セバシン酸ジブチル〇

特異的に沈殿が生成したと考えられるのはセバシン酸
ジブチル(DBS)のみであった。その沈殿量は 32.5wt %であり、参照試料の 4.6 wt%に対して多くの沈殿が生じた。フ
タル酸エステル類に関して添加物質濃度を 1 %(w/v)とした場合では、フタル酸ブチルベンジル(BBP)を添加した系における沈殿量がアミロース添加量に対して 9.1 wt%であった。この沈殿量は、リファレンスの沈殿量（7.8 wt%）
に対してわずかながら大きく、BBP において特異的な沈殿が生じた可能性がある。
DBS および BBP 添加により生成した沈殿物（それぞれAM-DBS、AM-BBP とする）の XRD 測定結果を Fig.2 に示す。AM-DBS では 2θ= 7.71, 13.09, 20.08 (deg)において回折ピークが観測され、左巻き 6/5 らせんのシングルヘリッ

Fig.2 XRD patterns of (A) AM-DBS and (B) AM-BBP.

クスの V6-amylose11 とよく似た回折パターンであった。このことから水中のアミロース分子は DBS を包接し V6-

３．２

アミロース薄膜への物質吸着

QCM 法において DBS および BBP 飽和水溶液をそれぞれ 100 µL 注入した際のアミロース塗布電極と参照電極のamylose を形成することが示唆された。一方で、AM-BBP
ではピークがブロードなことから、多くの成分はアモル

周波数差分 FCH1-FCH2 の時間変化を Fig.3 に示す。DBS を注入した系では参照電極、アミロース塗布電極ともに周ファスである。検出された主要なピークは 2θ= 5.39, 8.60,

55

KISTEC研究報告2021

【化学技術部】

波数の低下が見られ FCH1-FCH2 の変化量∆F は-1.2 Hz であっながら対象分子が吸着されることが明らかになった。こた。これはアミロース塗布電極において 4.2 pg の物質吸着を示している。BBP を添加した系においても同様にのことから、アミロース塗布 QCM センサーによるフタル酸エステル類の検出可能性が示された。

FCH1-FCH2 の減少が見られた。∆F は-2.4 Hz であり、8.4 pgの物質吸着が起こった。BBP の水溶解度(25℃)は 2.69 ppm

今後の展開として、アミロース膜への分子吸着メカニ
ズムが不明であるため、温度や濃度といった条件検討にと知られており 13、アミロース塗布センサーを用いることで水中に低濃度で存在する BBP の検出が可能であった。

より吸着挙動の時間依存性や吸着量の変化を検討する。
得られた結果から吸着様式を明らかにし、そのメカニズ

QCM 法で検出された物質の吸着は、水溶液中でのアミロースと添加物質の複合体形成の有無に関わらず起こっムを解明していく。さらに、吸着挙動が最大となる条件を検討することでフタル酸エステル類の環境モニタリン

た。そのため、アミロース薄膜における DBS や BBP の分
子吸着メカニズムは水中でのアミロース分子の包接と異グシステムへの応用へとつなげていきたい。

なると考えられ、更なる検討が必要である。

【謝辞】
QCM 法において貴重なご助言をいただきました関西大学 伊藤 健 教授に感謝いたします。

【参考文献】(1) European Union, O. J. E. U., L 174, 1. 7. 2011, 88-110 (2021).
(2) IEC 62321-8:2017, Determination of certain substances inelectrotechnical products – Part 8: Phthalates in polymers by gas
chromatography-mass
spectrometry(GC-MS),gas
chromatography-mass spectrometry using a pyrolyzer/thermal
desorption accessory (Py/TD-GC-MS).
(3) JIS K0450-30-10, 工業用水・工業排水中のフタル酸エス
テル類試験法(2006).
(4) T. Kuge, K. Takeo, Agr. Biol. Chem., 32, 1232-1238 (1968).
(5) C. A. K. Le, Doctoral Thesis, University of Grenoble Alpes,
Grenoble (2018).
(6) Z. Cao, T. Tsoufis, T. Svaldo-Lanero, A.-S. Duwez, P. Rudolf,
and K. Loos, Biomacromolecules, 14, 3713-3722 (2013).
(7) 福場 博保：アミロースとアミロペクチンの分別．澱粉
科学ハンドブック（中村道徳、鈴木繁男 編），p.170-173(1977).
(8) T. J. Schoch, Method in Enzymol., 3, 5-6 (1954).
(9) R. M. McCready and W. Z. Hassid, J. Am. Chem. Soc., 65,
1154-1157 (1943).

Fig.3 Frequency responses of amylose coated QCM sensors to injectionsof 100 µl of saturated aqueous solutions of (A) DBS and (B) BBP.
Arrows indicate the sample injection points.

(10) G. Sauerbrey, Z. Phys. 155, 206-222 (1959).
(11) R. E. Rundle, F. C. Edwards, J. Am. Chem. Soc., 65, 2200-

４．結論と今後の展望

2203 (1943).
(12) A. Imberty, S. Perez, Biopolymers, 27, 1205-1221(1988).

じゃがいもでんぷんより精製したアミロースを用いてフタル酸エステル類を中心とした分子吸着の検討を行っ(13) D. Mackay, W. Y. Shiu and K. C. Ma ed.: Illustrated
Handbook of Physical-Chemical Properties and Environmental

た。アミロース水溶液中ではフタル酸エステル類の添加による沈殿量は参照試料と同等であった。また、BBP を添加した系の沈殿物の多くはアモルファスであり、一部 2本らせん構造の B-amylose を形成していた。このことから、水中においてアミロース分子はフタル酸エステルを包接しなかったと考えられる。一方、DBS を添加した場合、アミロース分子によって包接され 1 本らせん構造の V6amylose を形成することが示唆されたことから、フタル酸
エステル分子のかさ高さが包接の障壁となったと考えられる。QCM 法を用いたアミロース膜への分子吸着評価では DBS だけでなく BBP を注入した系においても、わずか

KISTEC研究報告2021

56

Fate for Organic Chemicals, Vol. IV: Oxygen, Nitrogen, and
Sulfur Containing Compounds, Boca Raton, CRC Press, p.668676 (1995).

【化学技術部】

透明樹脂材料の劣化に関する総合的解析
村上小枝子（化学技術部 バイオ技術グループ）
田中聡美、加藤千尋（化学技術部 環境安全グループ）
津留崎恭一、武田理香、羽田孔明（化学技術部 材料化学グループ）
熊谷賢一、松尾涼子（化学技術部 環境評価グループ）
高橋亮（化学技術部 新エネルギーグループ）
長沼康弘（機械・材料技術部 解析評価グループ）

１．

はじめに

プラスチックは、軽量性、易加工性、低コストといった金属材料に対する優位性から、ますますその適用範囲が拡大している。一方で光・熱・水などの環境因子による劣化はさけられず、製品トラブルとなることが少なくない。
プラスチックの劣化に関する相談は当所においても数多く寄せられている。プラスチックの劣化解析にあたり、用いられる評価・診断法は多岐に渡るが、その中から相談内容に応じて適切な手法を選択し、劣化現象を的確かつ迅速に把握し、原因究明につながる情報を提供することが求められている。
そこで、筆者らは、プラスチックの劣化について、状況に応じた適切な解析法選定のための指針を得ることを目的とし、種々の評価手法を用いて総合的に劣化解析を進めてきた 1-3）。プラスチックとしては、ガラス代替材料として、レンズや窓ガラス、光ファイバーなど幅広く光学用途に使用される透明プラスチックに着目した。本報では、代表的な透明プラスチックであるポリカーボネート（PC）とポリメタクリル酸メチル（PMMA）の耐候劣化について、
力学特性、光学特性、ならびに、化学構造を分析評価し、材料の違いによる劣化現象の差異や特徴について、新たな結果や知見も加えて報告する。

条件 a
水噴霧無
FAL-25X-HC-B・EC(スガ試験機㈱製）

条件 b
水噴霧有
WEL-75XS-LHP-BEC(スガ試験機㈱製)

放射照度(300～400 nm)
ブラック
パネル温度

48 Ｗ/㎡

60±3 Ｗ/㎡

63℃

63℃

水噴霧条件

―

60 分照射中 12 分噴霧
噴霧圧 0.8～1.2 kgf/c ㎡

試験機

表 1.

促進耐候性試験条件

ラー・トレド（株）製）により昇温に伴う重量減少を評価した。化学構造については、フーリエ変換赤外分光光度計
FTIR-4100（日本分光（株）製）により表面数μm の情報が得られる ATR 法を用いて赤外吸収スペクトルを測定することで評価した。また、走査型光電子分光分析装置（XPS）PHI5000 VersaProbe II（アルバック・ファイ（株）
製）により炭素の 1s 軌道の結合エネルギーを測定し、表面数 nm の化学構造についても評価した。力学特性については、JIS K 6251 引張 2 号形ダンベル試験片を作成し、5565 型材料試験機（インストロンリミテッド製）により引張試験を行った。光学特性は、紫外可視分光光度計
UV-3100PC（（株）島津製作所製）により可視域の吸収ス
ペクトルを測定した。

２． 実験
２．１ 試料３．

PC は、三菱ガス化学（株）から提供された、ユーピロ
ン・フィルム FS-2000（厚さ 100 μｍ）を、PMMA は、
三菱ケミカル（株）から提供された、アクリプレン・フィ
ルム HBS006（厚さ 50 μｍ）を、そのまま試験・分析に
供した。

結果と考察

表 2 に空気雰囲気での TGA 測定から求めた 2 %重量減
少温度を示す。暴露時間に伴い、重量減少温度の低下が認められ、PC の方が PMMA より顕著であった。また PC では水噴霧を行った場合の方が行わない場合より重量減少
温度の低下が大きく認められた。
重量減少温度の低下は主鎖の切断により分子量が低下
あるいは低分子成分が生成したことに起因すると考えられる。PC の方が PMMA より重量減少温度の低下が顕著であったことから、PC の方が PMMA より低分子化が進んでいることが示唆された。この低分子化については、主鎖の切断反応の違いに起因する可能性が考えられる。樹脂の２．２ 促進耐候性試験
キセノンアークランプを光源とし、表１の通り水噴霧を行わない条件（a）と水噴霧を行う条件（b）で試験を行った。暴露時間は、100、200、400、800 時間とした。

２．３ 促進耐候性試験を行った試料の評価
熱特性は、示差熱熱重量測定装置 TGA/SDTA851（メト57

KISTEC研究報告2021

【化学技術部】

0h（暴露前）
100 h
200 h
400 h
800 h
表 2.

2 %重量減少温度 [℃]
PC
PMMA
水噴霧
水噴霧
水噴霧
水噴霧
有
無
有
無
417.5
293.4
395.6
408.9
289.9
290.7
388.4
402.0
289.3
289.6
370.7
384.8
287.2
287.8
323.1
349.5
286.6
285.9

暴露前
水噴霧有
水噴霧無

PC

暴露800h
暴露800h

吸 光 度

暴露時間

TGA 測定から求めた各暴露時間における2 %重量減少温度

4000

3000

2000
1500
-1
波 数 / cm

1000

500

PMMA

吸 光 度

1740
1720
暴露前
水噴霧有 暴露800h
水噴霧無 暴露800h

図 1.

1700

予測されるポリカーボネートの劣化反応

熱分解過程に着目すると、PC はランダム分解型、PMMA
は解重合型で主鎖が切断されることが知られている４)。光
劣化過程においても、熱分解過程と同様のメカニズムで主鎖の切断が進むため、主鎖の切断がランダムに起こる PC
では低分子化が進み、重量減少温度の低下が顕著であったと推察される。また、PC で水噴霧を行った場合には、図1 に示すように、光・熱による酸化劣化反応に加え、加水分解反応が起きるため、低分子化がより進行したと考えら
れる５)。
図 2 に赤外吸収スペクトルの変化を示す。PC においては、3500 cm-1 付近にバンドの生成と 1765 cm-1 のバンド幅の低波数側への広がりが観測された。ここで、3500 cm-1は水酸基の吸収に帰属される。また、1765 cm-1 は PC の炭酸エステル基（O-CO-O）の吸収に帰属され、その低波数側へのバンド幅の広がりは、図 1 に示すフェニルサリチレートの生成に伴うエステル基（COOR; 吸収ピーク 1730
cm-1 近傍）、やジヒロドキシベンゾフェノンの生成に伴うケトン基（C=O; 吸収ピーク 1620 cm-1 近傍）の吸収に由来すると推察される。これより、PC では、炭酸エステル
結合の切断や、光フリース転位反応により、劣化が進行していることがわかった。また、赤外吸収スペクトルの変化
は水噴霧無しで暴露した場合の方が顕著であった。加水分
解は、より不安定な光フリース転位生成物を起点として進KISTEC研究報告2021

4000

3000

2000

1500

波 数 / cm
図 2.

-1

500

800h 暴露後の赤外吸収スペクトルの変化

29.0

半値幅 [cm ]

1000

-1

水噴霧有
水噴霧無

28.5

28.0

27.5

0

200

400

600

800

暴露時間 [h]図 3.

暴露時間に伴う PMMA の赤外スペクトルにおけるカルボニルバンドの半値全幅の変化58【化学技術部】

行しやすいと考えられることから、水噴霧無しの方が見か
け上、最終的な光フリース転位生成物の量が多くなったと推察される。
一方、PMMA では、1720cm-1 付近のカルボニルバンド
が僅かに増大していたものの、測定波数領域全体では、顕著な変化は見られなかった。エステルより 10cm-1 強、低波数側に赤外吸収を示すケトンやアルデヒド基の生成、あるいは極性基の増加に伴う分子間相互作用の変化によりカルボニル半値幅が増大したことが考えられるが、PMMAの劣化は単位構造の変化を伴わない主鎖の切断が主な反応であったと考えられる。
図 4 に XPS C1s スペクトルを示す。PC では炭酸エステ
ル基（291 eV）のバンド強度の減少と、C=O（288 eV）、
COO（289.3 eV）バンドの生成ならびに C-O（286.8 eV）
バンドの上昇が観測された。一方、PMMA では C=O バン
ドの生成、COO ならびに C-O（～287 eV）バンドの上昇が観測された。XPS 分析の結果は、PC と PMMA、いずれの材料においても赤外分光分析の結果と矛盾しないものであった。
次に、上述の劣化現象が材料の機械特性ならびに光学特性にどう影響するか検討した。
図 5 に引張試験による引張強さならびに破断伸びの変化を示す。PC では、図中に示したように、暴露 200 時間までは塑性変形した後、破断に至ったが、暴露 400 時間以
降は塑性変形を伴わず破断した。TGA 測定から求めた 2 %
重量減少温度は 400 時間以降大きく減じており、低分子化
C-C

PC

暴露800h
暴露800h

O
C-O

0.4

150

80

100

40

50

0
0

200

400

600

800

暴露時間 [h]

=

0.2

O-C-O

0.0
295

80

290
285
結合エネルギー [eV]

200

暴露前
水噴霧有
水噴霧無

1.0

C-C

暴露800ｈ
暴露800ｈ

引張強さ[MPa]

=

0.4

C-O

0.2
0.0
295

40

100

20

50

0

290
285
結合エネルギー [eV]

図 4. 800h 暴露後の XPS

0
0

280

破断伸び [%]

O
C-O
C=O

150

PMMA

0.8
0.6

PMMA

引張強さ 水噴霧有
引張強さ 水噴霧無破断伸び 水噴霧有
破断伸び 水噴霧無

280
60

強度

200

120

C=O

O

PC

引張強さ 水噴霧有
引張強さ 水噴霧無破断伸び 水噴霧有
破断伸び 水噴霧無

0

C-O

=

強度

0.8
0.6

250

160

引張強さ[MPa]

1.0

200

破断伸び [%]

暴露前
水噴霧有
水噴霧無

により、脆化が進み、塑性変形せずに破断したと考えられる。
また、引張強さは暴露に伴い徐々に低下したが、破断伸
びについては、水噴霧を行わない場合には 400 時間で、水噴霧を行った場合には 200 時間で急激な低下が認められた。PC では 400 時間で、塑性変形後に破断するモードから脆性的な破壊挙動に転じるため、破断伸びがほぼ 0％になったと考えられるが、水噴霧を行った場合には、水がカルボニルなどの極性基を有する分子鎖に侵入・吸着することで、分子鎖の絡み合いの一部をほどき、200 時間で塑性
変形時の伸びが低下したと推察される。
一方、PMMA では、いずれの条件においても塑性変形を起こした後、破断に至った。また、引張強さに変化はほぼ見られなかったが、水噴霧を行った場合のみ、破断伸びが、暴露 100 時間で大きく低下した。破断伸びの低下は、劣化による側鎖の開裂や主鎖の切断により構造が不安定

200

400

600

800

暴露時間 [h]図 5.

C1S スペクトルの変化

59

暴露時間に伴う引張強度ならびに破断伸びの変化

KISTEC研究報告2021

【化学技術部】

0.5

PC

PMMA
0.4

暴露前
水噴霧有 暴露800h
水噴霧無 暴露800h
吸光度

吸光度

になっている状況下で引張応力をかけた場合に、応力を緩和することができず、構造内部でミクロボイドが発生し、0.5
繊維状高分子鎖の束（フィブリル）と空げきから構成されるクレイズに成長し、破壊に至ったためと推察される 6,7)。
水噴霧を行った場合では、PC の時と同じく、水が分子鎖0.4に侵入し・吸着し、分子鎖の絡み合いを変化させることにより、ボイドの形成を加速した可能性があると考えられる。
0.3
一方、PMMA でほぼ変化がなかった引張強さは、フィブリルの強度に対応すると考えられる。このフィブリルの0.2
強度は数平均分子量に依存することが知られている 8)。すなわち、PMMA では暴露による分子量の大きな変化はな
かったと推察され、TGA 測定において重量減少温度の低0.1
下が小さかったことと矛盾しないものであった。
図 6 に可視吸収スペクトルの変化を示す。PC では暴露
0.0
により 400 nm 近傍の吸光度が上昇し、試料の黄変が認め400られた。吸光度の上昇は、PC の紫外線照射に伴う光フリース転位反応による生成物であるフェニルサリチレート（吸収の極大：320 nm）ならびにジヒドロキシベンゾフェノン（吸収の極大：355 nm）に起因する 4) 。一方、PMMAの劣化は主鎖の切断が主たるもので、黄変物質は生成されないことから、可視域の吸光度に変化は見られなかった。

暴露前
水噴霧有 暴露800h
水噴霧無 暴露800h

0.3

0.2

0.1

500

600 700
波長 [nm]

800

0.0
400

500

600 700
波長 [nm]

図 6. 800h 暴露後の可視吸収スペクトルの変化

ポリカーボネート

評価項目

劣化として観測された事象

劣化の度合い

劣化を確認できた
暴露時間

熱分析

重量減少温度の低下

水噴霧有＞水噴霧無100 時間赤外分光測定水噴霧有＜水噴霧無800 時間X 線光電子分光測定

炭酸エステル結合の切断
エステル、ケトンの生成

水噴霧有＜水噴霧無800 時間引張試験

破断伸びの低下

水噴霧有＞水噴霧無200 時間（水噴霧有）
400 時間（水噴霧無）紫外可視分光測定

吸光度の上昇（黄変）水噴霧有≈ 水噴霧無
※水噴霧無の方がやや大100 時間

評価項目

劣化として観測された事象

劣化の度合い

劣化を確認できた
暴露時間

熱分析

重量減少温度の低下

水噴霧有≈水噴霧無100 時間赤外分光測定カルボニルバンドの半値幅
上昇

水噴霧有≈水噴霧無200 時間X 線光電子分光測定

C=O(ケトン、アルデヒド）の生成

水噴霧有≈水噴霧無200 時間引張試験

破断伸びの低下

水噴霧有のみ100 時間（水噴霧有）紫外可視分光測定－－－

ポリメタクリル酸メチル

表 3.

KISTEC研究報告2021

各評価法で観測された劣化現象

60

800

【化学技術部】

４．

まとめと今後の展開要があると考えられる。
本研究結果については、データベース化などにより、技術支援への活用を図りたい。

プラスチックの劣化の総合的な解析を目的として、透明プラスチック材料である PC と PMMA を対象に、促進耐候性試験を行い、各種分析、評価を行った。表 3 に今回検討した 5 つの評価法により観測された劣化現象と劣化を観測できた暴露時間をまとめた。評価法によって、劣化進行を検出可能な暴露時間が異なっており、劣化進行の各ス
テージにおいて適した評価手法の選択が重要であることが示唆された。
ただし、本研究では厚さ 50 μm、あるいは 100 μm のフィルムを対象としている。厚みのある試料では、引張試
験などで観測される強度の低下は劣化の後期に観測されると推察され、光学特性や試料表面採取物の熱特性、あるいは表面の化学構造の変化から劣化の進行を予測する必【参考文献】
1. 村上他, KISTEC 研究報告, 59 (2018).
2. 村上他, KISTEC 研究報告, 60 (2019).
3. 村上他, KISTEC 研究報告, 61 (2020).
4. 三方他, 新日鉄技報,360, 38 (1996)
5. A. Rivaton, Polym. Degrad. Stab., 49, 163 (1995).
6. 成沢郁夫, 日本金属学会会報, 27, 650 (1998).
7. 新田晃平, 高分子論文集, 73, 281 (2016)8. 石川優, 高分子, 47, 326 (1998).

61

KISTEC研究報告2021

KISTEC研究報告202162【川崎技術支援部】

オゾン水と紫外線を用いた
環境にやさしい綿布や麻布の漂白方法
濱田健吾、落合１．

はじめに剛(川崎技術支援部 材料解析グループ)100

天然繊維製品の製造工程では、アルカリ薬剤や界面活性剤を用いる精練プロセス、塩素系薬剤を用いて高温処理を90行う漂白プロセス等がある。これらの処理過程はエネルギ
ー多消費型であり、加えて、環境負荷の観点からも改善が

70

conventional bleaching% Reflectance80

求められる。近年、これら処理に代わる新たな処理技術として AOT(Advanced oxidation technology)が期待されている。

60
50
40
30

しかし、オゾン水と紫外線を組み合わせた AOT 処理では、
その後の高温乾燥時に生地の色が白から黄に変色する(色20

beforebleaching100戻り)問題がある。色戻りの原因としては、AOT 処理と加熱によりセルロースが酸化されることで生じる共役結合

250

350

AOT
60 min450
550
Wavelength / nm

conventional
bleaching
650

750が考えられている。そこで、色戻りの防止を目的に AOT
処理と還元剤処理を組み合わせた処理技術を確立した。処図 2. 各 AOT 処理時間による 綿布の漂白過程における反射スペ

理前の綿布に、AOT 処理および還元処剤理を行い、生地の色の変化を反射スペクトル測定によって評価した。還元線)を示す。

クトルおよび外観の変化。比較として従来法で漂白した綿布 (黒剤には、ハロゲンフリーで知られるロンガリット試薬を用いた。

２．

実験及び結果図 1 のように、電解生成されたオゾン水(1.0 ppm)を流量
1.5 L/min で漂白前の綿布に滴下した。同時に UV スポット
光をオゾン水の滴下位置に照射した。

.
図 3．各試験条件での、綿布の反射スペクトルと外観図。緑線：
ロンガリット処理なしで高温乾燥した。赤線：ロンガリット処理
後に高温乾燥した。黒線：60 分の AOT 処理後。

図 1. AOT 処理方法

図 2 には、各 AOT 処理時間における綿布の反射スペク
トルを示す。処理時間が増えるにしたがい反射スペクトルは増加した。60 分間の処理で従来法と同程度まで漂白された。図 3 には各試験条件での、綿布の反射スペクトルを示す。ロンガリット処理なしで高温乾燥したサンプル(緑)図 4．水滴による撥水性試験。精練および漂白前の綿布（左）とは AOT 処理後のスペクトル(黒)から反射スペクトルが減少したのに対して、ロンガリット処理後に高温乾燥したサ。
30 分の AOT 処理後の綿布（右）ンプル(赤)では、スペクトルの減少はなく、AOT 処理後のサンプル(黒)と同等の反射スペクトルを示した。

図 4 は、精練および漂白前の綿布と AOT 処理後の綿布の撥水性を検証した写真である。精練および漂白前の綿布

63

KISTEC研究報告2021

【川崎技術支援部】(左)では、水滴が生地に浸透しないのに対して、AOT 処理
後の綿布(右)は、水滴が生地に浸透した。

３．

考察及び今後の展開

本研究の結果、オゾン水と UV を組み合わせた AOT 処
理では、綿布を従来法と同程度まで漂白することが可能であった。また、AOT 処理後の高温乾燥処理時に生じる色
戻りについては、還元剤であるロンガリットによる処理で防止できた。また、精練前の綿布に実施した AOT 処理では、綿布表面が親水性となった。これは、精練前の綿布に含まれるワックス成分が AOT 処理により除去されたためであると考えられる。したがって、オゾン水と紫外線を組み合わせた AOT 処理は、精練と漂白の 2 つのプロセスを
1 度に行うことができる処理方法であることが示唆された。
本研究の成果は、天然繊維製品の精練および漂白工程の代替となる極めて環境負荷の少ない処理技術であるといえ
る。

４．

謝辞

本研究では、日清紡テキスタイル株式会社の名倉俊成様、
石川洋輔様、見矢野恭平様、長岡技科大学の木村悟隆准教
授、土田康之様、鯉渕礼門様のご協力を賜りました。ここに厚く御礼申し上げます。
【参考文献】
1. Hamada, K.;
Ishikawa, Y.;

Ochiai, T.; Tsuchida, Y.; Miyano, K.;
Nagura, T.; Kimura, N., Eco-Friendly

Cotton/Linen Fabric Treatment Using Aqueous Ozone andUltraviolet Photolysis. Catalysts 2020, 10 (11), 1265.
【外部発表】
学会等発表 3 件，

KISTEC研究報告2021

論文等発表 3 件

64

【抄録】

◆Application of silica opals to ceramic pottery◆Electrical resistivity and mechanical properties ofnitrogen-containing diamondlike carbon/tungsten andnitrogen-containing diamondlike carbon/tungsten
carbide multilayer films prepared under low substratetemperature

機械・材料技術部ナノ材料グループ
小野洋介
掲載誌：Journal of Asian Ceramic Societies, Vol.8,
No.3, pp.578-585 (2020)

低温度で作製した窒素含有多層膜DLC の特性評価
人工オパールの分散液を陶器表面に塗り 900℃で焼成しKoki Tamekuni
Toru Harigai
Takafumi Toya
Hirofumi Takikawa
Tsuyosi Takimoto
Shigeki Takago
Satoru Kaneko
Shinsuke Kunitsugu
Masao Kamiya
Makoto Taki
Hidenobu Gondaて焼き付けることにより、構造色を発現する陶器を作製した。人工オパールの色は、900℃焼成に伴い変化した。高
温焼成により粒子が収縮し、粒子充填構造の周期間距離が変化したことが理由と考えられる。本研究では、構造色特有の“見る角度（光の角度）によって色が変わる”発色と、従来顔料のような角度依存性の無い発色を、コントロールする方法を確立した。また、人工オパール塗布面が水に濡れた際に、変色するケースと、無色透明になるケースとの違いを実験データで裏付けて明らかにした。
既存の無機顔料にはクロムやコバルト等のレアメタルが使われている。人工オパールがレアメタルフリー顔料としてこれらに置き替わり、陶芸の世界に革新的な変化をもた

掲載誌：Journal of Vacuum Science and Technology
B, Vol.38, pp.011801 (2020)

らすことを期待する。

◆ Improvement of drilling performanceovercoating
diamond-likecarbonfilms
diamond-coated drills for carbon fiber reinforced
plastics processingbyon

窒素含有ダイアモンドライクカーボン(DLC)は耐久性と低電気抵抗体として優れた特性を持つ。本報告では、窒素含有 DLC(N-DLC)とタングステン(W)、または、タングス
テン・カーバイト(WC)との多層膜を形成し、その特性評価を行った。その結果、単層膜に比較して N-DLC/WC 多

DLC コーティングしたドリルの炭素複合材料への効果

層膜は、高い耐久性と抵抗が半減することが確認できた。

◆Fabrication of ultra-flat c-axis oriented ZnO thinfilms on atomically stepped cyclo- olefin polymer(COP) substrates by pulsed laser deposition at RT

Toru Harigai
Satoshi Degai
Yuya Sugie
Hirofumi Takikawa
Tsuyosi Takimoto
Hidenobu Gonda
Satoru Kaneko
Shinsuke Kunitsugu
Kohtaku Suzuki
Masao Kamiya
Makoto Taki

室温でのパルスレーザー蒸着法による ZnO 薄膜の作製
Tomoaki Oga
Shiori Yamada
Naho Kaneko
Akifumi Matsuda
Mamoru Yoshimoto
Satoru Kaneko

掲載誌：Vacuum, Vol.183, pp.109755 (2021)
DLC フィルムの硬さと水素含有量は成膜の手法に強く依存する。本研究では DLC でコーティングされたドリルを

掲載誌：Japanes Journal of Applied Physcs, Vol.59,
pp.128001 (2020)

用いて炭素繊維強化プラスチックを加工して、硬さと水素含有量との相関を調べた。著者らが提案している T 型フ

パルスレーザー蒸着法により酸化亜鉛(ZnO)薄膜の作成をールドアーク法を用いて、様々な DLC フィルムでドリルへのコーティングを施した。その結果、水素含有量の少な

室温でシクロオレフィンポリマー(COP)上で行った。ナノインプリントによりサファイアの転写を行い、COP は

い ta-C:H を用いたコーティングに顕著な効果が認められた。

0.3nm のステップを持つステップ基板として用いていた

65

KISTEC研究報告2021

【抄録】

ところ、
成長した ZnO 膜にもステップ構造が確認できた。

ベンゾチオール（2-MBT）を添加する事により、横方向の

更に、X 線回折評価により ZnO 膜は c 軸配向していることが分かった。

析出が抑制され、縦方向の成長が促進された。これは、非線形拡散効果により 2-MBT がラインのエッジ部に多く吸着していることを示唆している。また、2-MBT 無添加
浴に比べ添加浴の浸漬電位は短時間で定常電位に達した◆ P-type amorphous vanadium oxide thin film
fabricated by pulsed laser

ことから、ライン中心領域では促進効果が発現したため、
縦方向の成長が促進したと考えられる。

パルスレーザー蒸着法による P 型アモルファス
VO 薄膜の作製◆Effect of high glucose concentration on aging andglycation in Caenorhabditis elegans

Subaru Nakanishi
Yoshiharu Shinozaki
Akifumi Matsuda
Mamoru Yoshimoto
Satoru Kaneko

化学技術部バイオ技術グループ

瀬戸山央

掲載誌：International journal of analytical bio-science,
Vol.8, No30, pp.59-64 (2020)

掲載誌：Japanes Journal of Applied Physcs, Vol.59,
pp.078004 (2020)

高濃度のグルコースは、肥満や 2 型糖尿病の原因となるこ

パルスレーザー蒸着法により酸化シリコンガラス上へア
モルファス酸化バナジウム(VxOy)の作成を超高真空の室して用いられており、近年では糖尿病研究のモデルとしての研究もされている。

温で行った。電気伝導率と 更に、X 線回折評価により
ZnO 膜は c 軸配向していることが分かった。また、X 線光本研究では、線虫を高グルコース条件で培養し、体内のROS 発生量、カルボニル化タンパク質量および蛍光性

電子分光法(XPS)の評価では薄膜表面に V+4 と V+5 が比
V+4/V+5= 0.2 で存在することを確認した。

AGEs 量の変化を調べ、高グルコース条件が線虫の体内糖化および老化に及ぼす影響を明らかにすることとした。

とが指摘されており、高血糖は体内での糖化最終産物
AGEs の生成を促進する。線虫は老化研究のモデル生物とその結果、高グルコース条件は、線虫の体内グルコース濃度を上昇させ、それに伴う ROS 発生量、カルボニル化タ◆環状オレフィンポリマー上のダイレクトパタ
ーニングにおける無電解銅めっき浴中への 2-メ
ルカプトベンゾチアゾール添加の効果

ンパク質量および蛍光性 AGEs 量を増加させることを明らかにし、線虫において体内の糖化と老化の関係の一端を明らかにすることができた。

関東学院大学材料・表面工学研究所
堀内義夫
亀井恒汰
渡辺充広
本間英夫
株式会社アヅマ
高木道則
電子技術部電子材料グループ
安井 学◆LC-MS/MS 法による非蛍光性 AGEs 生成抑制作用評価法の検討
化学技術部バイオ技術グループ
瀬戸山央
掲載誌：科学・技術研究, 9 巻 1 号,pp.37-40 (2020)
糖化によって体内で生成する AGEs は、加齢性疾患に関与していることが明らかとなっており、AGEs の生成を抑制

掲載誌：Materials Research Bulletin, Vol.58, pp.29-33(2021)

する機能性食品が数多く開発されている。機能性食品のAGEs 生成抑制作用評価法のうち、非蛍光性 AGEs 生成抑

本論文では、大気 UV 処理法によるダイレクトパターニ
ング法を用いて、環状オレフィンポリマー(Cyclic Olefin

制作用評価は主に ELISA 法によって行われているが、高価な抗体を使用するため多検体の食品素材スクリーニン

Polymer : COP)樹脂上に異方性めっきによるラインパターンを形成する検討を行った。大気 UV 処理およびアルカ

グには向いていない。そこで本研究では非蛍光性 AGEsのうち CML、CMA に着目し、多検体の食品素材スクリー

リ処理を施した COP 樹脂は、水接触角の低下および表面
自由エネルギーの増加から表面改質されていることが確

ニングを容易にするために LC-MS/MS を用いた CML 生成
抑制作用評価法および CMA 生成抑制作用評価法について認された。このことから、フォトマスクを介して選択的領域にのみ表面改質を施すことで、ダイレクトパターニング検討を行った。その結果、既知抗糖化化合物である塩酸ア
ミノグアニジンに対して、LC-MS/MS 法は ELISA 法と同が可能になる。また、無電解 Cu めっき浴に 2-メルカプト

等の結果を示すことが明らかとなった。

KISTEC研究報告2021

66

【抄録】

numerous oxygen vacancies (Ov), which incorporates hydrogen
dopants into the TiO2 lattice and creates shallow-level defects
above deep level of Ov, meanwhile retaining the original◆光触媒の実用的な性能評価方法 －産業界との対話から－

visible absorption of the colored TiO2. At elevated temperature,
the SPP-treated TiO2 exhibits a 300 times higher conversion

川崎技術支援部材料解析グループ
落合 剛
濱田 健吾
川崎技術支援部太陽電池評価グループ
青木 大輔

rate for CO2 reduction under solar light irradiation and a 7.5
times higher removal rate of acetaldehyde under UV lightirradiation, suggesting the effectiveness of the proposed
strategy to enhance the photoactivity of colored wide-bandgap
oxides for energy and environmental applications.

掲載誌：材料表面 2020, 5, 115-122◆Eco-Friendly Cotton/Linen Fabric Treatment Using
Aqueous Ozone and Ultraviolet Photolysis

環境浄化は、私たちの生活にとって最も重要な技術の一つである。光触媒の強い酸化力を利用した環境浄化への応用が注目されている。しかし、光触媒による環境浄化を効果

Kengo Hamada
Tsuyoshi Ochiai
Yasuyuki Tsuchida
Kyohei Miyano
Yosuke Ishikawa
Toshinari Nagura
Noritaka Kimura

的に行うためには、いくつかのキーとなる科学的・技術的要件がある。それぞれの実環境に近い条件で、空気清浄機
等の製品が最も効果を発揮するために、設計指針を確立する必要がある。そこで、本レビューでは、産業界からの相談に基づいたニーズを把握し、光触媒作用の基本メカニズ
ムに立脚した材料・モジュール・製品の実用的な評価方法を確立するために、我々の最近の活動を紹介する。

掲載誌：Catalysts 2020, 10, 1265

◆ Enhanced Solar Photothermal Catalysis over
Solution Plasma Activated TiO2

Chemicals for the scouring and bleaching of fabrics have a highFei YUenvironmental load. In addition, in recent years, the highconsumption of these products has become a problem in the

Changhua WANG
Yingying LI

manufacture of natural fabric products. Therefore,
environmentally friendly, low-waste processes for fabricHe MA
Rui WANG

treatment are required. In this paper, we discuss the bleachingof fabrics using advanced oxidation processes (AOP). These

Yichun LIU
Norihiro SUZUKI

processes use electrochemically generated aqueous ozone andultraviolet (UV) irradiation to achieve bleaching. However,

Chiaki TERASHIMA
Bunsho OHTANI

colour reversion often occurs. In this study, we suppressedunwanted colour reversion by treatment with rongalite. After

Tsuyoshi OCHIAI
Akira FUJISHIMA

treatment, changes in fabric colour were determined bymeasuring the colour difference and reflectance spectra. The

掲載誌：Advanced Science 2020, 7, 2000204

best bleaching effect was obtained when ozone and UV
irradiation treatments were combined, achieving results similar

Colored wide-bandgap semiconductor oxides with abundant

to those of a conventional bleaching method after 60 min of
UV irradiation. In addition, the AOP treatment resulted in the

mid-gap states have long been regarded as promising visible
light responsive photocatalysts. However, their catalytic

simultaneous scouring of the fabric, as shown by the increasedhydrophilicity of the fabric after AOP treatment. Thus, thisactivities are hampered by charge recombination at deep level
defects, which constitutes the critical challenge to practical

AOP process represents a new fabric bleaching process that has
an extremely low environmental impact.

applications of these oxide photocatalysts. To address thechallenge, a strategy is proposed here that includes creating
shallow-level defects above the deep-level defects and thermal
activating the migration of trapped electrons out of the
deep-level defects via these shallow defects. A simple andscalable solution plasma processing (SPP) technique isdeveloped to process the presynthesized yellow TiO2 with

67

KISTEC研究報告2021

KISTEC研究報告2021

68【研究開発部】革新的高信頼性セラミックス創製

革新的高信頼性セラミックス創製プロジェクト
プロジェクトリーダー

多々見

純一

基本構想
本プロジェクトは、平成 25 年 4 月より実施した戦略的研究シーズ育成事業の成果をさらに展開し、革新的な機能と信頼性を有するセラミックス材料を創製し、これを低炭素社会の実現に大きく貢献する分野を中心に応用展開することを目的としたものである。具体的には、○ 高効率高出力 LED 照明の社会実装を推進するための透明蛍光サイアロンセラミックスバルク体の開発○ 自動車やスマートグリッドなどで利用される大電流電力変換用パワーモジュールを実現するための高熱伝導性配向材料の開発
および、これらを含めた各種セラミックスの機械的信頼性の向上するための○ 材料のメソスケール破壊特性評価法の開発○ 光コヒーレンストモグラフィー（OCT）によるセラミックス内部構造形成過程のリアルタイム 3 次元観察法の確立と広範な実部材への適用に関する研究を進める。
本研究で得られる成果は、エネルギー供給に伴う温室効果ガスの発生の抑制とともに、分散型エネルギーシステムの推進に大きく貢献すると期待される。
令和２年度末で本プロジェクトが終了したため、これまでの主な研究成果を本稿にまとめるとともに、今後の展望について述べる

1．プロジェクトの研究目的

うと共に、実材料の使用環境を念頭に置いた雰囲気の影響についても検討する。最終的に本手法の KISTEC 機械材料

前述の通り、本プロジェクトでは、以下のような計画で4 つの研究を遂行した。
(1) 透明蛍光サイアロンセラミックスバルク体の開発

技術部と川崎技術支援部に技術移転を進める。
(4) 光コヒーレンストモグラフィーによるセラミックスの構造形成過程のリアルタイム 3 次元観察
眼科等で利用が進んでいる OCT を利用した内部構造観
察とその 3 次元構造解析をセラミックスに適用する。さら高出力 LED 照明等に適用するための、高密度・均質成
形体および焼結体製造技術を開発する。本研究のために、
冷間静水圧加圧装置による成形条件の最適化を軸に粉体プロセスの高度化を進め、透明蛍光サイアロンセラミックには、この知見を活用して、これまでブラックボックスとしてきたセラミックスの製造プロセス中の内部構造の動的変化過程を明らかにする。得られた成果を KISTEC 機械

ス、AlN セラミックス、ガラスセラミックス、無焼成セラ
ミックスについても研究を進め、実用レベルの完成度を目指す。
(2) 高熱伝導配向材料の開発

材料技術部および KISTEC 全体に展開する。

高い信頼性を有する放熱基板材料に適用することを目指して、機械的特性に優れる Si3N4 セラミックスを対象と

２. これまでの成果した研究を進める。-Si3N4 の熱伝導率は、c 軸方向が高い値を有することが知られていることから、その c 軸を配向

照明の LED 化は、神奈川県地球温暖化対策計画（2016年 10 月改訂）にあるように低炭素社会実現のために有効させた-Si3N4 セラミックスを作製することが高熱伝導率化に有効である。このために、グラフェンを被覆した複合な手段であることは言うまでもない。また、2016 年 5 月に閣議決定された地球温暖化対策計画においても、LED

種粒子を利用した低磁場配向プロセスを開発して、c 軸配
向 Si3N4 セラミックスを実現する。

等の高効率照明を 2030 年までにストックで 100％普及することを目指すこととなっている。現在、白熱電球や蛍光(3)メソスケール破壊特性評価法の確立と高信頼性材料
設計の研究

灯の代替として LED 照明が普及しつつあるが、高出力
LED 照明は普及が十分に進んでいるとはいえない。現在

戦略的研究シーズ育成事業で見いだしたマイクロカン
チレバー法によるメソスケール破壊特性評価法の確立をの最も典型的な LED 照明では、UV、紫色あるいは青色
LED を励起光源として、これに樹脂に分散させたサイア目指した研究を行う。各種セラミックス、単結晶、コーテ
ィング材料を対象としたマイクロカンチレバー試験を行

ロン蛍光体からの赤や緑、黄色の発光を併せて白色を実現している。LED 照明においては、励起光源から発生した

(1)

69

透明蛍光サイアロンセラミックスバルク体の開発

KISTEC研究報告2021

【研究開発部】革新的高信頼性セラミックス創製

熱や光に起因した樹脂の劣化により光束減少が生じて寿命となる。特に、高天井用照明や屋外インフラ用照明、ス来の樹脂やガラスと比較してマトリックスがセラミック
スであることに起因して高熱伝導率であると言うことで、タジアムなどの投光器、大型プロジェクターなどの高出力
LED 照明の発熱量は大きく樹脂の劣化は顕著であり、蛍極めて革新的な成果であり、照明用途をはじめとした各種用途で活用できる重要な知見を得ることができた。

光体関連部材の耐久性の欠如が高出力 LED 照明の社会実
装のボトルネックとなっていた。これを解決するためには、(2)

低磁場中成形法による高熱伝導配向材料の開発
パワー半導体は、低炭素社会を実現するためのキーと耐熱性の高いセラミックスを利用することが極めて有効である。
本プロジェクトでは、まず、透明蛍光サイアロンセラ
ミックスバルク体（図 1）開発のための冷間静水圧加圧装置を導入した成形条件の最適化、粉体プロセスの高度化について検討を進め、黄色に発光するセラミックスバルク体

図 2 グラフェン被覆粒子を用いた低磁場配向プロセス

なる電力変換素子として、家電などから HV・EV やパワートレインなどの車両、さらには再生可能エネルギーを利用したスマートグリッドのためのインフラまで多岐にわたり応用が期待されている。特に、自動車関連のパワーデバイスは CO2 削減効果とともに市場も大きい分野である。
このような SiC や GaN パワー半導体デバイスを実現する
ためには、それを構成する材料の高度化が克服すべき課題である。このうち、パワーチップについては多数の企業、

図 1 透明蛍光サイアロンセラミックスバルク体の概念図

大学、研究機関などにおいて研究開発が活発になされている。一方、周辺技術、特に樹脂や絶縁セラミックスなどのの透光性向上について検討した。また、低温での緻密化を目指した窒化物蛍光体粒子分散 h-BN／ガラス複合体について、ガラスと蛍光体、高熱伝導フィラーの反応性検証を耐熱サーマルマネジメントに必要な高熱伝導材料の開発は進展していないのが現状である。

行い、高熱伝導で光学的特性にも優れる波長変換部材の開発に成功した。さらに、透明蛍光サイアロンセラミックス

本プロジェクトでは、巨大な反磁性磁気異方性を有する多層グラフェンを被覆した種粒子を用いた低磁場配向プ

バルク体開発のために導入した冷間静水圧加圧装置を活用して、セラミックスの常温緻密化プロセスを開発した。

ロセス（図 2）を Si3N4 セラミックスの作製に適用した。
その結果、Nd 磁石程度の低磁場中で湿式成形することで、これにより、蛍光体粒子が分散した MgO セラミックスを作製することができた。このプロセスと材料は、従来のセ多層グラフェンを被覆した-SiN4 粒子が回転して配向し、さらにこれを起点とした粒成長によって、c 軸配向 Si3N4

ラミックスで大きなエネルギー消費プロセスである焼成を行うことがないという点で省ネルギーであることと、室セラミックスを得ることができた。得られた材料は、配向していないものと比較して高い熱伝導率となった。

温でのプロセスであることで蛍光体が劣化しないこと、従図 3 メソスケール破壊特性評価法の確立と高信頼性材料設計の研究の概念図

KISTEC研究報告2021

70

【研究開発部】革新的高信頼性セラミックス創製(3)

メソスケール破壊特性評価法の確立と高信頼性材料
設計の研究

表 1 光コヒーレンスと他の観察手法の比較

環境エネルギー分野や安心・安全な社会を支える重要な
各種構造用セラミックスや機能性セラミックスの研究開発が進められている。これらの材料は社会実装が近づくにつれて、機械的信頼性の向上や耐久性の確保への要求が高まっているが、現時点で、高信頼性化のための材料設計やその基礎となる破壊現象の理解は十分なされていなかった。セラミックスの破壊の素過程はこれを構成する要素の破壊である。従って、セラミックスの機械的信頼性や耐久大きく変化することが知られており、その内部構造の形成過程を観察することが重要である。これまでに、光学顕微
鏡、X 線 CT などの手法でこれらの内部構造観察が行われ性は、結晶粒子や粒界といった構成要素と同程度のサブ
m から数十m スケールの領域、すなわち、メソスケーてきたが、製造プロセス中に 3 次元的に刻々と変化する構造を観察できる手法がなく、内部構造の形成過程に関する

ルでの破壊特性に支配される。しかし、その実測データはなく高信頼性材料の設計と創製の足かせとなっていた。こ知見は十分ではなかった。光コヒーレンストモグラフィー（OCT）は、光の干渉を利用して内部構造の観察が可能なれまでに研究を進めてきたマイクロカンチレバー法によるメソスケール破壊特性評価法の確立を目指した研究を手法（図 4）であり、他の内部構造観察手法と比較して、
3 次元、非破壊、高速、安価、高分解能と高い優位性を有行う。
Al 合金の鋳造に利用されつつある Si3N4 セラミックス

している（表 1）。
本プロジェクトでは、OCT 観察により強度を支配するの信頼性向上を目指して、Al 融液に浸漬した Si3N4 セラ
ミックス表面にマイクロカンチレバー試験片を作製し、ト欠陥を非破壊で高速、3 次元で抽出可能であることから、
非破壊検査として有用であることや、セラミックスの焼結

ライボインデンターにて曲げ試験を行うことで機械的特性をピンポイントで測定した。その結果、Al 融液と短時過程、乾式成形過程、脱脂過程、スラリーの混合過程など、従来の手法で観察することの難しかった内部構造の動的間接触させたことにより、Si3N4 表面の強度と破壊靱性、ヤング率が低下することを明らかにすることができた。ま変化を、OCT を用いて観察することに成功した。特に、焼結に伴うセラミックス成形体の内部構造の変化を世界

た、MEMS 等に利用されている単結晶シリコンに対しても、マイクロカンチレバー試験片を用いた曲げ試験によりで初めてリアルタイムに 3 次元に観察することができ、高い信頼性を得るための強力なツールとして確立すること

機械的特性評価を行い、微小領域では非線形変形があらわができた。

３．今後の展望
以上の成果を踏まえ、各研究における課題と今後の展望は以下の通りである。
(1) 透明蛍光サイアロンセラミックスバルク体の開発
これまでに開発した透明蛍光サイアロンセラミックス、

図 4 光コヒーレンストモグラフィーの概略図

窒化物蛍光体粒子を分散したガラスセラミックス、常温緻
密化セラミックスに関して、プロジェクト期間中に実施でれると共に理論強度に近い強度があらわれることがわかった。荷重印加後の試験片の TEM 観察を行ったところ、きなかったさらなる高熱伝導率化や材料の長期信頼性に関する研究をさらに進めることで、高出力照明への搭載を

曲げ応力下にて単結晶シリコンに転位の発生・運動に起因した塑性変形が生じていることを明らかにした。また、こめざす。
(2) 低磁場中成形法による高熱伝導配向材料の開発の手法をディーゼルパティキュレートフィルターに用いられる多孔質 SiC セラミックスの粒界強度測定に適用し、低磁場配向のキーポイントは被覆したグラフェンの結晶性の維持であることが見いだされている。このためには、粒界強度がバルクな多孔質セラミックスの強度を支配す
る大きな要因であることを明らかにした。
(4)グラフェン被覆複合粒子の磁化率異方性の実測とプロセス因子との相関を科学的な視点から解明していくことが光コヒーレンストモグラフィーによるセラミックス必要である。今後は、モデル粒子などを用いた検討やプロセスの改善により、プロセス面も含めた高信頼性化の検討の構造形成過程のリアルタイム 3 次元観察
セラミックスの各種機能はその構造に強く依存するこを進めることが肝要であると考えている。
(3) メソスケール破壊特性評価法の確立と高信頼性材料とから、優れた特性と高い信頼性を有するセラミックスを開発するためには、内部構造の理解と制御に関する知見を設計の研究
本手法は、極めてユニバーサルな手法であることから、得なければならない。セラミックスの内部構造は、原料粉体からスラリー、成形体、焼結体に至るまでプロセス中にその適用範囲は極めて大きい。プロジェクト期間中に71

KISTEC研究報告2021

【研究開発部】革新的高信頼性セラミックス創製

KISTEC 機械・材料技術部と川崎技術支援部とともにラウンドロビン試験も行ったが、さらに協力機関を増やして、より精度の高い計測法として確立して国際標準化を進める。また、KISTEC で研究・開発を進める各種セコーティ
ング材料、ガラスに対してマイクロカンチレバー試験を行うと共に、実材料の使用環境を念頭に置いた雰囲気の影響についてもさらに検討することが、実用面としては今後強く求められると考えられる。さらに、メソスケール破壊特性の発現原理を解明するための第一原理計算手法を進めると共に、得られた破壊特性をパラメーターとした有限要素解析手法を開発することで、マルチスケールな高信頼性
材料設計手法として展開していくことで、ユーザーニーズに即応可能な体制を確立できると考えている。
(4) 光コヒーレンストモグラフィーによるセラミックスの構造形成過程のリアルタイム 3 次元観察
画像処理は有効なツールであり、プロジェクト期間中に導入した画像処理ソフトウェアと中心波長 1.7 µm の OCTを利用して、X 線 CT 等と比較しながら同一視野観察を通じて得た教師画像セットによる機械学習などを進め、各種
物質・材料に展開することで OCT 像データベースの構築を進めていくことが肝要である。また、OCT の特長を活かした外場印可下での内部構造観察は、本プロジェクトで対象としたセラミックス以外にも、ポリマー、複合材料、
医薬品、バイオなど多岐にわたる分野で求められており、KISTEC 内部の連携と共に、外部にも広く周知していくことで、本プロジェクトで得た成果を展開していく。

KISTEC研究報告202172

【研究開発部】革新的高信頼性セラミックス創製

透明蛍光 Ca-α SiAlON: Eu2+バルクセラミックスの作製
Fabrication of Transparent and Fluorescent Ca-α SiAlON: Eu2+ Bulk
Ceramics
李 穎, 高橋 拓実, 横内 正洋, 多々見 純一
Ying Li, Takuma Takahashi, Masahiro Yokouchi, Junichi Tatami
1．はじめに (Introduction)
The white light-emitting diodes (LEDs) have attracted increasing
attention as the new-generation light source in the recent years, which
can replace conventional incandescent and fluorescent lamps due to theirlong lifetime, energy savings and positive environment effects [1, 2]. It
was reported that the first white LED, which was commercialized in
1996, mainly composed of a blue LED chip and a yellow phosphor(Y1−aGda)3(Al1−bGab)O12 :Ce3+ (YAG: Ce3+) [1]. Currently as shown in

Fig.1 (a) Schematic of a white LED with a conventional ceramic

Fig. 1(a) [3], the most common approach for producing white LEDs has
been to use a broadband yellow-emitting powder phosphor dispersed in

LED using a transparent fluorescent ceramic phosphor plate.

yellow powder phosphor; (b) Schematic of a new type of white

Dy3+, Tb3+ and Yb2+) over conventional oxide phosphors due to their
excellent mechanical properties and good fluorescence properties, such

epoxy resin with a blue LED chip, where YAG: Ce3+ yellow phosphor
has been used in industry for general lighting [4−6]. In this kind of

as visible light excitation, narrow half width, high durability, and a goodtemperature dependence for the emission intensity [7–13, 15–17].

device, phosphors usually play a pivotal role because they down-convert
the blue light from p-n chip to generate a whitish light. However, forAmong these RE-doped α-SiAlON phosphors, a series of intensehigh power LEDs lights we know that a large amount of heat (almost 70% research on α-SiAlON: Eu2+ yellow phosphor has been carried out [8–of lighting energy) is produced in the process of luminescence, which
12]. Xie et al. [10] developed a yellow Eu2+-doped Ca-α-SiAlON
results in the thermal degradation of resin. Over time the LEDs will
phosphor with the formula (CaxEuy)Si12-2x-3yAl2x+3yOyN16-y (x = 0.2–2.2, ybecome invalid gradually, such as degradation of luminous intensity and= 0–0.25) from the starting powders of α-Si3N4, AlN, Ca3N2 and Eu2O3

change of emission color. Therefore, a new kind of resin-free bulk
ceramic plate phosphor is demanded in the high-power LEDs instead ofby gas-pressure sintering at 1800 °C for 2 h under 10 atm of N2. The
absorption edge shifted to longer wavelength with increasing Eu2+
concentration, resulting in changes in color from light yellow to orange.

the conventional powder phosphors as shown in Fig. 1(b). It is known
that compared to the structure of powder phosphors dispersed in resin,

Xie et al. [11] also prepared a yellow Ca-α-SiAlON: Eu2+ phosphor withcompositions of Ca0.625EuxSi10.75−3.0xAl1.25+3.0xO1.0xN16−1.0x (x = 0–0.25 )the appropriate ceramic plate phosphor has many advantages, such as
high mechanical properties and excellent temperature resistance, which

by gas-pressure sintering at 1800°C for 2 h under 0.925 MPa N2,
showing a single intense broadband emission at 583–603 nm. Michalik

can dramatically improve the service life of LEDs. Therefore, findingout a bulk ceramic that meets the phosphor’s requirements: transparency,

and Pawlik et al. [12] synthesized a series of phosphor powders aboutCa(m/2)−xEuxSi12−(m+n)Alm+nOnN16−n (m = 1.6, n = 0.8, x in the range of 0–

yellow light emission and high fluorescence intensity, is the key to solve
the existing problem.

0.08) in flowing nitrogen in a carbon resistant furnace and reported thatthe emission peak position shifted toward longer wavelengths with

Competitive to the commercial YAG: Ce3+ yellow phosphors,
α-SiAlON has been found to be excellent host lattices for Eu2+ showing

rising Eu2+ concentration from 565 nm (0.1 mol % Eu2+) to 585 nm (10mol % Eu2+).

yellow-orange light and high luminescence efficiency [7–12]. As wellknown, α-SiAlON is a solid solution isostructural with α-Si3N4,

The objective of this research is to fabricate transparent andfluorescent Ca-α-SiAlON: Eu2+ yellow phosphor plate. In order tostabilized by the interstitial dissolution of a cation (M), such as Li, Ca,
Mg, Y or some lanthanides [12, 13]. Its general formula can be given as

achieve good properties (high transparency, high luminescent properties
and so on) of Ca-α-SiAlON: Eu2+ bulk ceramics, scattering sources such

MxSi12−(m+n)Alm+nOnN16−n (x = m/v, x and v are the solubility and valenceof the M ion, respectively) in which (m+n) Si–N bonds are replaced byas pores, grain boundaries and other defects should be removed as muchas possible. Therefore, the preparation processing firstly should bem Al–N and n Al–O bonds. Based on the strong covalent bonds of (Si,Al)–(N, O), α-SiAlON has been used as a promising engineering

optimized. For instance, cyclic high-pressure cold isostatic pressing(CIP) and hot isostatic pressing (HIP) before and after gas pressure

ceramic material as well as α-Si3N4 and has superior mechanicalproperties, chemical inertness, and thermal shock resistance [14].

sintering (GPS) were applied to improve packing structure of powder
compact and achieve higher densification. Another is to use much finer

Moreover, α-SiAlON has also been discovered as a promising hostmaterial for RE-doped phosphors (such as Eu2+, Ce3+, Sm3+, Nd3+, Yb3+,

raw powders with more uniform particle size distributions, which are

73

KISTEC研究報告2021

【研究開発部】革新的高信頼性セラミックス創製

expected to improve the sinterability of Ca-α-SiAlON: Eu2+ ceramics.
Ball milling was usually used to mix and grind ceramics powders, whilephase present was examined by X-ray diffraction (XRD; θ-2θ, CuKα;RINT2000, Rigaku Co., Japan). All the samples were cut andbead milling is a well-known technique to pulverize ceramic powders to
the size ranged from nanometer to sub-micron and to disperse

mirror-polished for two sides and the final size was 6.5 mm × 6.5 mm ×
0.1 mm in thickness. The images of appearance were photographed at

nanoparticles using a fine grinding medium (<1 mm), which has beenused in TiO2, ZrO2, CNT-dispersed Si3N4 and Si3N4 powders [18–21].

visible light. The internal structures of green compact by CIP andsintered bodies after HIP were observed by infrared microscope

However, there is no research about preparation of Ca-α-SiAlON: Eu2+
ceramics using bead-milled raw powders. About bead-milling, we will

(MX63/MX63L microscope system of Olympus and Light source:
LA-100 IR, Hayashi-Repic Co., LTD.) The fracture surface of green

investigate it systematically in the near future.
In this study, ball-milled raw powders of Si3N4, AlN, CaCO3 andcompact and sintered bodies prepared at different CIP pressures wereobserved by SEM (JXA 8100, JEOL). The in-line transmittance, total

Eu2O3 were used to fabricate Ca-α-SiAlON: Eu2+ ceramics with acomposition of Eu0.1Ca0.9Si9Al3O1N15 by gas-pressure sintering (GPS)transmittance, and reflection spectra of the prepared samples over the
wavelength range from 200 to 800 nm were evaluated by aand hot isostatically pressing (HIP). The effects of preparation
parameters (such as CIP pressure, the numbers of CIP replication and

UV-VIS-NIR spectrophotometer (UV-3100PC, Shimadazu Co., Ltd.,
Japan). The absorption spectra were calculated by the following

sintering temperatures) on the phase purity, microstructure, relative
densities, optical and luminescent properties of Ca-α-SiAlON: Eu2+

Equation 1:
Absorption (%) =100% - total transmittance - reflection

were investigated in detail.

A fluorescence spectrometer (QE-2000, Otsuka Electronics Co., Ltd.,
Japan) was used to test the emission and excitation spectra and the

2．実験 （Experimental procedure）(1)

quantum efficiency.

Ca-α-SiAlON: Eu2+ with compositions of Eu0.1Ca0.9Si9Al3O1N15
were synthesized from the starting powders of Si3N4 (SN-E10, Ube Co.,

3. 結果と考察 （Results and discussion）

Ltd., Japan), AlN (H grade, Tokuyama Co., Japan), CaCO3 (Particle
size: 100 nm, Shiraishi Central Laboratories Co., Ltd., Japan) and Eu2O3

Figure 2 shows the effect of CIP pressure (200-1000 MPa) on the
XRD patterns of Ca-α-SiAlON: Eu2+ sintered by GPS at 1873 K for 4 h(Shinetsu Chemical Co., Japan). The composition of
Eu0.1Ca0.9Si9Al3O1N15 was selected in this study to investigate because

and by HIP at 1873 K for 1 h. With increasing the CIP pressure from
200 to 1000 MPa as shown in Fig. 2(a)-(d), no phase transformation andwith increasing the contents of Ca ion in the M (Ca and Eu) ions of
α-SiAlON from 0 to 0.9, the external quantum efficiency (EQE) of

no secondary phase formation were observed and only peaks of
α-SiAlON were identified after sintering. These suggested that

Eu1-xCaxSi9Al3O1N15 increased from 14.8% to 38.4% as shown in Table.
1. The four kinds of raw powders were ball-milled using Si3N4 balls as

Ca-α-SiAlON: Eu2+ with compositions of Eu0.1Ca0.9Si9Al3O1N15 weresuccessfully prepared in this study. Xie. et al. [9] prepared Eu2+-doped

mixing media (Φ5 mm; the weighting ratio of balls to powders: 3: 1) at a
speed of 110 rpm in a polyethylene bottle with an added dispersant

Table 1 External quantum efficiency (EQE) of Eu1-xCaxSi9Al3O1N15 (x= 0-1).

(Celuna E-503, Chukyo Yushi Co., Ltd, Japan) in ethanol for 48 h. Inorder to make granules, 4 mass% paraffin (melting point: 46–48 °C;
Junsei Chemical Co., Japan), 2 mass% dioctyl phthalate (DOP, Wako
Pure Chemical Industries Ltd., Japan) and 3.5 ml/g cyclohexane (SCa content (x)

0

0.225

0.45

0.9

EQE

14.8%

24.4%

32.9%

38.4%

grade, Wako Pure Chemical Industries Ltd., Japan) were added to thesemixed powders as binder and lubricant, respectively. After that, thepowder mixture was obtained by sieving using a 250-μm-mesh nylon
sieve.
The sieved powder mixture was then molded into cylindrical pellets
at the size of Φ15 × 2 mm by uniaxial pressing at a pressure of 50 MPa
for 30 s. Following, the pellets were isostatically cold pressed at pressure
range of 200-1000 MPa for 60 s and then the process was repeated to
1-10 times using an ultra-high pressure CIP machine (Dr. CHEF, Highest
pressure: 1000 MPa, Kobe Steel, Ltd., Japan). After binder burnout in air
at 833 K for 3 h, the green bodies were fired at 1823-1923 K in 0.9 MPa
N2 atmosphere for 2-4 h using a gas pressure sintering furnace (GPS,
Himulti 5000, Fujidenpa Kogyo Co., Japan). The sintered bodies werethen hot isostatically pressed at 1873 K (according to the GPS

Fig.2 XRD patterns of Ca-α-SiAlON: Eu2+ ceramics sintered attemperature) for 1 h under 100 MPa mixed atmosphere of Ar and N2.
The density of green bodies and sintered bodies was measured by

1873 K by GPS and HIP, where before sintering the green

weight-volume method and Archimedes method, respectively. The

500 MPa (b), 800 MPa (c) and 1000 MPa (d).

KISTEC研究報告2021

body was prepared at different CIP pressure of 200 MPa (a),74

【研究開発部】革新的高信頼性セラミックス創製

Ca-α-SiAlON powder phosphors with the composition of
Ca0.625EuxSi0.75−3xAl1.25+3xOxN16−x (Ca-α-SiAlON: Eu, x = 0–0.25) andin Fig. 3, the higher GPS temperature, the higher relative densities.
However, above 1898 K, no change in the relative density was observed

the XRD pattern showed the samples had the single-phase crystal
structure of α-SiAlON (see JCPDS card No. 33-0261), which waswith increasing sintering temperature. Compared with the effect of CIP
pressure on the relative density in Fig. 3, the number of CIP replications

similar with our results.
Figure 3 shows the effect of CIP pressure on the relative densities

had little influence on the relative density. With increasing the number of
CIP replications from 1 to 10, the relative density slightly increased fromof green compacts and sintered bodies of Ca-α-SiAlON: Eu2+. For
comparison, the relative densities of sintered bodies at different GPS

65% to 68%, from 91% to 93% after CIP and GPS at 1873 K,
respectively. Moreover, the relative density almost kept constant at 98%

temperature and holding time were also included. The theoreticaldensity of Eu0.1Ca0.9Si9Al3O1N15 was 3.2852 g/cm3 calculated by theafter HIP at different numbers of CIP replications and at different GPS
sintering temperature. As shown in the insert appearance images of theunit cell parameters from the XRD pattern. With increasing the CIP
pressure from 200 to 1000 MPa, the relative density of green compacts

sintered body after HIP, all the samples in Fig. 4(a)-(d) were transparent
with yellow color at different numbers of CIP replications of 1-10.

prepared by CIP increased from 58% to 68%. Corresponding with this,the relative density of Ca-α-SiAlON: Eu2+ after sintering by GPS for 4 h

Generally, the fully densified samples with transparency and yellow
color were successfully prepared at a CIP pressure of 800-1000MPa

and post-HIP for 1 h at 1873 K increased from 86% to 93% and from 88% where the CIP process repeated 1 to 10 times and sintered by GPS at
to 98%, respectively. With increasing the GPS sintering temperature
1873 K for 4 h and then by post-HIP at 1873 K for 1 h. Post-HIP isfrom 1823 to 1873 K and elongating the holding time from 2 to 4 h, therelative density also increased by 7% and 1%, respectively. This

necessary for increasing the relative densities.
Figure 5 shows the internal structures ((a) and (b)) and fracture

indicated for the density the sintering temperature is more importantfactor than the holding time. As shown in the insert appearance images

surface ((c) and (d)) of the green body of Ca-α-SiAlON: Eu2+ preparedby CIP at 200 MPa ((a) and (c)) and 1000 MPa ((b) and (d)) repeated 10of the sintered body after HIP photographed at visible light, the samples
in Fig. 3(a) and (b) were yellow but not transparent because the relative

times, respectively. In the internal structure (Fig. 5 (a)) at 200 MPa (58%of relative density), a lot of small black pores were dispersed in the grain

density was below 90% even after post-HIP. While, the samples in Fig.
3(c) and (d) with high relative densities above 98% were transparent

or grain boundary. While at 1000 MPa (Fig. 5(b)), the relative density
increased up to 68%, and the internal structure showed less pores andwith yellow color.
Figure 4 depicts the effect of the number of CIP replications at

more homogeneous as well as the grain size became smaller than thegreen body of Ca-α-SiAlON: Eu2+ at 200 MPa. Corresponding to the1000 MPa on the relative densities of green and sintered bodies ofCa-α-SiAlON: Eu2+. The effect of different GPS sintering temperaturesinternal structures, small pores were clearly observed at the grainboundary of fracture surface and the grain size of green body at 200

of 1873-1923 K on the relative densities was also shown for comparison.
Similar to the effect of GPS sintering temperature on the relative density

MPa was about 1 μm (Fig. 5(c)). While at 1000 MPa (Fig. 5(d)), lesspores and smaller grain size (below 0.7 μm) were observed.

(a)

(b)

(c)

(a)

(d)

(b)

(c)

(d)

Fig.4 Relationship between number of CIP replications at
Fig.3 Relationship between CIP pressure and relative densitypressure of 1000 MPa and relative density ofof compact/ceramics of Ca-α-SiAlON: Eu2+, where thecompact/ceramics, where the insert photograph is bulk

insert photograph is bulk ceramics sintered by GPS andceramics sintered by GPS and HIP at 1873 K for 4 h and

HIP at 1873 K for 4 h and 1 h with different CIP pressure

1 h with different number of CIP replications of (a) 1,of (a) 200, (b) 500, (c) 800 and (d) 1000 MPa.

(b) 4, (c) 7 and (d) 10.

75

KISTEC研究報告2021

【研究開発部】革新的高信頼性セラミックス創製

Figure 6 shows the internal structures of Ca-α-SiAlON: Eu2+
sintered body after HIP at different CIP pressure of 200 (a), 500 (b), 800(c) and 1000 MPa (d), respectively. When the CIP pressure was less than
500 MPa as shown in Fig. 6(a) and (b), a lot of small black pores wereobserved in the internal structures, which are the main reason for the lowtransparency with relative density below 90% as shown in the insert Fig.
3 (a) and (b). While with increasing the CIP pressure to 800 and 1000
MPa (Fig. 6(c) and (d)), pores were almost not observed, and thesintered body was almost fully densified with high relative density of 98%
and was transparent as shown in the insert Fig. 3(c) and (d). With
increasing the CIP pressure, the shape of pores changed from circle toline gradually, indicating that the CIP pressure had great influence on thedensification of Ca-α-SiAlON: Eu2+ sintered bodies.
Figure 7 shows the SEM images of fracture surfaces ofCa-α-SiAlON: Eu2+ sintered body after HIP at different CIP pressure of
200 (a), 500 (b), 800 (c) and 1000 MPa (d), respectively. When the CIP

Fig.5 Internal structures (Fig. 5(a) and (b)) and fracturesurface (Fig. 5(c) and (d)) of the green body ofpressure was 200 MPa in Fig.7 (a), lots of pores in size of 2-3 μm wereobserved. With increasing the CIP pressure to 500 MPa (Fig.7 (b)), theCa-α-SiAlON: Eu2+ prepared by CIP at 200 MPa (Fig. 5(a) and(c)) and 1000 MPa (Fig. 5(b) and (d)) repeated 10 times.

number of pores slightly decreased, and the size of pores decreased into
1-2 μm. With further increasing the CIP pressure to 800 and 1000 MPa(Fig. 7(c) and (d)), the microstructures were more homogeneous where
pores were almost not observed, and the grain size dramaticallydecreased. Moreover, the fracture mode was mainly transgranular.
Figure 8 depicts the in-line transmittance at the wavelength of
200-800 nm of Ca-α-SiAlON: Eu2+ sintered body after HIP prepared at
CIP pressure of 200-1000 MPa repeated for 10 times and at number of
CIP replications of 1-10 when loaded at CIP pressure of 1000 MPa,
respectively. For the samples at CIP pressure of 200 and 500 MPa, thetransmittance was close to 0. For other transparent samples, thetransmittance almost linearly increased from 2% to 33% with thewavelength increased from 490 nm to 800 nm. If the samples were fully
densified, the CIP processing parameters did not have great influence on
the in-line transmittance. Considering the measurement error, the effectof CIP processing parameters on the in-line transmittance can be

Fig.5 Internal structures (Fig. 5(a) and (b)) and fracture surface(Fig. 5(c) and
Fig.6 Internal structures of Ca-α-SiAlON: Eu2+ sintered body(d)) of the green body of Ca-α-SiAlON: Eu2+ prepared by CIP at 200
after HIP at different CIP pressure of 200 (a), 500 (b),MPa (Fig. 5(a) and (c)) and 1000 MPa (Fig. 5(b) and (d)) repeated 10
800 (c) and 1000 MPa (d).
times.

negligible for the fully densified samples.

Fig.5 Internal structures (Fig. 5(a) and (b)) and fracture surface (Fig. 5(c) and(d)) of the green body of Ca-α-SiAlON: Eu2+ prepared by CIP at 200
MPa (Fig. 5(a) and (c)) and 1000 MPa (Fig. 5(b) and (d)) repeated 10
times.

Fig.8 In-line transmittance at the wavelength of 200-800 nm of
Ca-α-SiAlON: Eu2+ sintered body after HIP prepared at CIP
Fig.7 SEM images of fracture surfaces of Ca-α-SiAlON: Eu2+

pressure of 200-1000 MPa repeated for 10 times and at

sintered body after HIP at different CIP pressure of 200

number of CIP replications of 1-10 when loaded at CIP(a), 500 (b), 800 (c) and 1000 MPa (d).

pressure of 1000 MPa.

KISTEC研究報告202176

【研究開発部】革新的高信頼性セラミックス創製

Figures. 9-11 depict the total transmittance, reflection spectra andabsorption spectra at the wavelength of 200-800 nm of Ca-α-SiAlON:
Eu2+ sintered body after HIP at CIP pressure of 200-1000 MPa repeatedfor 10 times and at number of CIP replications of 1-10 when loaded at
CIP pressure of 1000 MPa, respectively. At CIP pressure of 200 and 500
MPa, the sintered body was not fully densified with relative density
below 90%, therefore there are lots of pores which are the main
scattering sources for low transparency. In Fig. 9, the total transmittanceof samples at 200 and 500 MPa was low which increased from 0 to 7%
and 12% when the wavelength increased from 500 to 800 nm,
respectively. Because of the open pores in the surface, the reflection ofsamples at 200 and 500 MPa in Fig. 10 was very high and increased
from 30% to 58% and from 32% to 61% with increasing the
wavelength from 400 nm to 800 nm. Therefore, the absorption of

Fig.10 Reflection spectra at the wavelength of 200-800 nm ofsamples at 200 and 500 MPa in Fig. 11 decreased from 60% to 40% and
30% with increasing the wavelength from 400 nm to 800 nm,

Ca-α-SiAlON: Eu2+ after HIP prepared at CIP pressure of
200-1000 MPa repeated for 10 times and at number of CIP

respectively. Because the relative density at 500 MPa is higher than thatat 200 MPa, the total transmittance at 500 MPa is higher than that at 200

replications of 1-10 when loaded at CIP pressure of 1000 MPa.

MPa. Because the number of open pores at 500 MPa in the surface ismore than that at 200 MPa, the reflection at 500 MPa is higher than thatat 200 MPa. Then the absorption at 500 MPa is lower than that at 200
MPa. While for the transparent samples, with increasing the CIP
pressure from 800 to 1000 MPa and decreasing the number of CIP
replications from 10 to 1, because of the slightly increasing of relativeFig.5 Internal structures (Fig. 5(a) and (b)) and fracture surface (Fig. 5(c) anddensity in Fig. 3 and Fig. 4, the total transmittance in Fig. 9 gradually
increased, where the highest value increased from 35% to 67% withMPa (Fig. 5(a) and (c)) and 1000 MPa (Fig. 5(b) and (d)) repeated 10(d)) of the green body of Ca-α-SiAlON: Eu2+ prepared by CIP at 200
times.

increasing the wavelength from 500 to 800 nm. In Fig. 10, withincreasing the CIP pressure from 800 to 1000 MPa and decreasing thenumber of CIP replications from 10 to 1, the reflection also increased
because of the increasing of the number of open pores in the surface.
The reflection increased from 35% to 45% with increasing the
wavelength from 350 nm to 590 nm and further decreased to 40% with

Fig.11 Absorption spectra at the wavelength of 200-800 nm ofincreasing the wavelength to 800 nm. Then, with increasing the CIP
pressure from 800 to 1000 MPa and decreasing the number of CIP

Ca-α-SiAlON: Eu2+ after HIP prepared at CIP pressure of

replications from 10 to 1 in Fig. 11, the absorption gradually decreased.

replications of 1-10 when loaded at CIP pressure of 1000 MPa.

200-1000 MPa repeated for 10 times and at number of CIP

Fig.5 Internal structures (Fig. 5(a) and (b)) and fracture surface (Fig. 5(c) and(d)) of the green body of Ca-α-SiAlON: Eu2+ prepared by CIP at 200
MPa (Fig. 5(a) and (c)) and 1000 MPa (Fig. 5(b) and (d)) repeated 10
times.

Fig.12 Emission spectra emitted by the blue light at wavelength

Fig.9 Total transmittance at the wavelength of 200-800 nm of
Ca-α-SiAlON: Eu after HIP prepared at CIP pressure of 200-1000

of 455 nm of Ca-α-SiAlON: Eu2+ after HIP at CIP pressure of

MPa repeated for 10 times and at number of CIP replications of

200-1000 MPa repeated for 10 times and at number of CIP

1-10 when loaded at CIP pressure of 1000 MPa.

replications of 1-10 when loaded at CIP pressure of 1000 MPa.

2+

77

KISTEC研究報告2021

【研究開発部】革新的高信頼性セラミックス創製

5． 今後の展望 (Research in the future)

Table 2 The internal quantum efficiency (IQE) of Ca-α-SiAlON: Eu2+

In order to obtain better properties, such as higher transparency andsintered body after HIP.

higher luminescent properties of Ca-α-SiAlON: Eu2+ bulk ceramics,
much finer raw powders with more uniform particle size distributions

SamplesInternal quantum
CIP pressure

Number of CIP(MPa)

replications

200

10

25.0%

500

10

28.3%

800

10

36.0%

1000

10

41.1%

1000

7

40.3%

1000

4

41.5%

1000

1

47.7%

efficiency, IQE (%)

should be used. Ball milling was usually used to mix and grind ceramics
powders, while bead milling is a well-known technique to pulverize
ceramic powders to the size ranged from nanometer to sub-micron andto disperse nanoparticles using a fine grinding medium (<1 mm).
However, there is no research about preparation of Ca-α-SiAlON: Eu2+
ceramics using bead-milled raw powders. Therefore, the bead milled
raw powders mixture would be carried out to synthesize Ca-α-SiAlON:
Eu2+ ceramics at lower GPS sintering temperature, compared with thoseusing the ball-milled raw powders.
Then, using the N-rich powders (EuN and Ca3N2) in a glove box
replacing of Eu2O3 and CaCO3 to reduce the oxygen contents in thestarting powders would change the color of transparent sample, which isinteresting and necessary for the future study.

Figure 12 shows the emission spectra emitted by the blue light atwavelength of 455 nm of Ca-α-SiAlON: Eu2+ sintered body after HIP at
CIP pressure of 200-1000 MPa repeated for 10 times and at number of〔参考文献〕References[1] S. Nakamura, G. Fasol, The Blue Laser Diode: GaN Based LightCIP replications of 1-10 when loaded at CIP pressure of 1000 MPa,
respectively. The yellow light at wavelength of 585 nm was emitted byEmitters and Lasers, Springer, Berlin, 1997.
[2] D. Zhu, C.J. Humphreys, Solid-State Lighting Based on Light

the blue light at wavelength of 455 nm. With increasing the CIP pressure
from 200 to 1000 MPa and decreasing the number of CIP replications

Emitting Diode Technology, (2016) 87−118, In: M.D. Al-Amri, M.
El-Gomati, M.S. Zubairy (eds) Optics in Our Time, Springer,from 10 to 1, the intensity of emission spectra increased, and the peak
position kept no change at 585 nm. Table 2 shows the internal quantum

Cham.
[3] J.B. Talbota, J. McKittrick, Review—Electrophoretic Deposition ofefficiency of Ca-α-SiAlON: Eu2+ sintered body after HIP. The IQE oftransparent samples was above 40% at 455 nm. These indicated that

Phosphors for Solid-State Lighting, ECS J. Solid State Sc. 5 (1)(2016) R3107−R3120.

Ca-α-SiAlON: Eu2+ were successfully prepared for yellow phosphors.

[4] S. Nishiura, S. Tanabe, K. Fujioka, and Y. Fujimoto, Properties ofTransparent Ce:YAG Ceramic Phosphors for White LED, Opt.

4. 結論 (Summary)Mater. 33(5) (2011) 688–691.
[5] N. Wei, T. Lu, F. Li, W. Zhang, B. Ma, Z. Lu, J Qi, Transparent

A single α-SiAlON phase was identified at the composition of
Eu0.1Ca0.9Si9Al3O1N15. The relative density of Ca-α-SiAlON: Eu2+ green

Ce:Y3Al5O12 Ceramic Phosphors for White Light-Emitting Diodes,
Appl. Phys. Lett. 101 (2012) 061902.

compact was improved up to 68% by applying CIP over 800 MPa
repeated 10 times and achieved over 98% after post-HIP sintering. With

[6] Q. Yao, P. Hu, P. Sun, M. Liu, R. Dong, K. Chao, Y. Liu, J. Jiang, H.
Jiang, YAG: Ce3+ Transparent Ceramic Phosphors Brighten theincreasing CIP pressure from 200 MPa to 1000 MPa, the numbers andthe size of pores in the microstructure decreased and the shape of pores

Next-Generation Laser-Driven Lighting, Adv. Mater. 32 (19) (2020)
1907888.

changed from circle to line gradually. At the same time, themicrostructure became more homogeneous with smaller grain size with

[7] R. Xie, H.T. Hintzen, Optical Properties of (Oxy)Nitride Materials:
A Review. J. Am. Ceram. Soc. 96 (2013) 665–687.

increasing the CIP pressure. The in-line transmittance of Ca-α-SiAlON:
Eu2+ was up to 30% in the visible range. For transparent Ca-α-SiAlON:[8] R. Xie, M. Mitomo, K. Uheda, F. Xu, Y. Akimune, Preparation andLuminescence Spectra of Calcium-and Rare-Earth (R = Eu, Tb, andEu2+, with increasing the CIP pressure from 800 to 1000 MPa anddecreasing the number of CIP replications from 10 to 1, the totalPr)-Codoped α-SiAlON Ceramics. J. Am. Ceram. Soc. 85 (2002)
1229–1234.

transmittance increased, the reflection also increased, therefore theabsorption gradually decreased at the wavelength of 500-800 nm. The[9] K. Sakuma, K. Omichi, N. Kimura, M. Ohashi, D. Tanaka, N.
Hirosaki, Y. Yamamoto, R. Xie, T. Suehiro, Warm-Whiteyellow light at wavelength of 585 nm was emitted by the blue light atwavelength of 455 nm. With increasing the CIP pressure from 200 to

Light-Emitting Diode with Yellowish Orange SiAlON Ceramic
Phosphor, Opt. Lett. 29 (2004) 2001−2003.

1000 MPa and decreasing the number of CIP replications from 10 to 1,
the intensity of emission spectra increased, and the peak position kept no[10] R. Xie, N. Hirosaki, M. Mitomo, Y. Yamamoto, T. Suehiro, K.
Sakuma, Optical Properties of Eu2+ in α-SiAlON, J. Phys. Chem. Bchange at 585 nm. The internal quantum efficiency of transparent
Ca-α-SiAlON: Eu2+ was above 40% at 455 nm, which is promising

108 (32) (2004) 12027−12031.

served as yellow phosphor plate in the white LED.

KISTEC研究報告202178【研究開発部】革新的高信頼性セラミックス創製[11] R. Xie, N. Hirosaki, K. Sakuma, Y. Yamamoto, M. Mitomo,
Eu2+-Doped Ca-α-SiAlON : A Yellow Phosphor for WhiteLight-Emitting Diodes, Appl. Phys. Lett. 84 (2004) 5404−5406.
[12] D. Michalik, T. Pawlik, B. Kukliński, A. Lazarowska, T.
Leśniewski, J. Barzowska, S. Mahlik, M. Grinberg, B. Adamczyk,
M. Pławecki, M. Sopicka-Lizer, Dopant Concentration Induced
Optical Changes in Ca, Eu-α-Sialon, Crystals 7 (11) (2017) 342.
[13] L. Gan, Z. Mao, Y. Wang, F. Xu, Y. Zhu, Q. Huang, X. Liu,
Photoluminescence Properties of Ca–α-SiAlON:Ce3+ Phosphors as
Function of Composition and Microstructure, Ceram. Int. 39 (7)(2013) 8319−8326.
[14] F.L. Riley, Silicon Nitride and Related Materials, J. Am. Ceram.
Soc. 83 (2000) 245−265.
[15] T. Chan, C. Lin, R. Liu, R. Xie, N. Hirosaki, B. Cheng,
Photoluminescent and Thermal Stable Properties of Tb3+-Doped
Ca-α-SiAlON under VUV Excitation, J. Electrochem. Soc. 156 (7)(2009) J189.
[16] C. Liu, F. Ye, Y.Zhou, Y. Wang, J. Rao, Effect of Different
Rare-Earth on Microstructure and Properties of α-Sialon Ceramics,
J. Mater. Sci. Technol. 24 (2008) 878−882.
[17] W. Chen, X. Su, P. Wang, D. Yan, Y. Cheng, K. Watari,Comparison of the Luminescence Properties of Dy3+ in α‐Sialon
and Oxynitride Glass, J. Am. Ceram. Soc. 88 (2005) 2955−2956.
[18] M. Inkyo, T.Tahara, T. Iwaki, F. Iskandar, C.J. Hogan, K.
Okuyama, Experimental Investigation of Nanoparticle Dispersion
by Beads Milling with Centrifugal Bead Separation, J. Colloid
Interface Sci. 304 (2006) 535–540.
[19] G. Suárez, Y. Sakka, T. S. Suzuki, T. Uchikoshi, X. Zhu, E. F.
Aglietti, Effect of Starting Powders on the Sintering of
Nanostructured ZrO2 Ceramics by Colloidal Processing, Sci.
Technol. Adv. Mater. 10 (2009) 025004.
[20] M. Matsuoka, J. Tatami, T.Wakihara, K. Komeya, T. Meguro,
Improvement of Strength of Carbon Nanotube-Dispersed Si3N4
Ceramics by Bead Milling and Adding Lower-Temperature
Sintering Aids, J. Asian Ceram. Soc. 2 (2014) 199–203.
[21] J. Tatami, S. Fukuda, Fabrication of Si3N4 Ceramics Using Raw
Materials Prepared by Bead Milling, J. Soc. Powder Technol. Japan
51 (2014) 430–435.

79

KISTEC研究報告2021

【研究開発部】革新的高信頼性セラミックス創製

常温緻密化プロセスによる窒化物蛍光体粒子分散 MgO バルクセラミックスの作製
髙橋 絵美、髙橋 拓実、多々見 純一

１．はじめに高出力半導体照明の需要の高まりに伴い、従来の樹脂にプロセスを確立させるとともに、常温で高密度な蛍光バル
クセラミックスを実現することを目的とした。マトリック

代わる耐熱性と熱伝導性に優れた蛍光部材が望まれている。セラミックスは樹脂と比べて高い熱伝導性を有するたスとなる物質としては、可視光透過性と優れた熱伝導率を有する MgO を選定した。また、MgO は水に対して僅かにめ、代替マトリックスとして有望な材料の一つであるが、高熱伝導率の発現のためには高度な緻密化が必要である。

溶解性を示し、水酸化物を形成する、化学ポテンシャルの観点で、 MgO と 水がそれぞれ単独 で 存在するよりも

他方、可視光透光性を発現するためには、所望の波長の光の散乱を極力低減しなければならず、粒子径の微細化と高Mg(OH)2 を形成した方が系のモル体積としては小さくなることから、応力場印加により反応が促進され、高密度化

度な緻密化の両立という精緻な微構造制御が求められる。
このような観点から、本プロジェクトでは SiAlON を基軸に寄与するものと期待できる。

とした透明蛍光バルクセラミックスの開発[1-2]を行ってきたものの、一部の蛍光体については高温下での変質や失２．実験と結果
２．１ 実験
２．１．１．マトリックスの緻密化活が起こるため[3]、1000 C を超える高温焼結を伴う従来のセラミックスプロセスでは解決の難しい課題があった。

市販の酸化マグネシウム粉体（DISPERMAG TN-1、タテ

これらを解決するためには、低温、究極的には室温での緻密化というセラミックス＝焼き物という既成概念を打ち

ホ 化学工 業株 式会社 製 )と 酸化 マグネ シウ ム 顆粒 粉体（PUREMAG FNM-G、タテホ化学工業株式会社製）を原

破る新しいプロセスの確立が求められる。
セラミックスの低温緻密化は、エネルギー以外の外場エ

料粉体として用いた。図 1 に各粉体の粒子と顆粒の形態を示す。顆粒の割合が 0－100 wt%となるように秤量し、鉄ネルギーによって物質移動を促進すれば可能である。水熱
ホットプレス法[4]や Cold sintering 法[5]は、化学反応場と心入りのナイロンボールとともに容器に入れ、自転・公転
ミキサー（あわとり練太郎、株式会社シンキー製）で 2000

応力場の重畳によって数百C の低温で緻密化を図る手法である。既に、これらの手法については機能性セラミック

rpm、1 min の条件で遊星混合を行った。成形は、CIP 処理
前の予備成形と本成形（予備 CIP 処理）の二段階で行っ

ス材料分野を中心に高温焼結に代わる有望性が多々示されている。他方、蛍光性、可視光透光性、高熱伝導率性とた。予備成形は、混合粉体をφ15 mm の金型にいれ、一軸加圧（50 MPa、30 sec）で行った。予備 CIP 処理は、静水いう異なる機能を共発現させる観点で、光散乱の抑制と熱伝導パス形成の両立は必須である。すなわち、内在する気圧加圧装置（Dr.CHEF、株式会社神戸製鋼所製）で 1000
MPa、1 min 保持の条件で行った。緻密化のための水添加

孔やき裂といった不均質構造を極力低減し、高緻密化しなければならないが、上述した手法はいずれも高緻密化のた

CIP 処理は、MgO の重量に対して 9 wt%の水を成形体に添加し、1000 MPa、60 min の条件で行った。比較のため、水めに数百C の加温が必要であり、さらに多量の水が共存するなど、蛍光体が劣化や変質を起こす[6]過酷な環境へ添加なしで CIP 処理を行ったサンプルも作製した。密度は
寸法密度測定により算出した。微構造は走査型電子顕微鏡の暴露を回避できない。加温が必要となる原因は、物質移動を促進するための駆動力が十分でないためである。すな（SEM、JSM-6390LV、日本電子株式会社製）及び、多機

わち、十分に大きな外場エネルギーが導入されれば、常温の高緻密化は実現できるはずである。また、最終的な焼結体の微構造形態の基盤となる成形体中の粒子集合構造を精緻に制御できない点も、不均質構造の生成抑制という観点で不利である。
本研究では、最大 1000 MPa の静水圧加圧（Cold Isostatic
Press: CIP）により①成形プロセスで粒子集合構造の高均質化を図るとともに、②緻密化に必要十分な微量の液相を導入して粒子との化学反応を同時に促進する、独自の常温緻密化技術の基礎的知見（原料粉体の正常、成形体の粒子

図 1 原料粉の SEM 写真(a) TN-1 (b) FNM-G(顆粒)

径分布や密度、液相導入量などの相関関係）を得て、基盤

KISTEC研究報告2021

80

【研究開発部】革新的高信頼性セラミックス創製

能分析透過電子顕微鏡（JSM-F200、日本電子株式会社製）
で観察した。結晶相の同定は XRD 測定（Multiflex、株式
会社リガク製）により行った。熱伝導率はレーザーフラッ
シュ法熱定数測定装置（TC-9000H、アドバンス理工株式会社製)で測定した。

２．１．２蛍光体の添加決定した顆粒添加率の混合粉に赤色蛍光体（株式会社サイアロン製、Eu2+:CaAlSiN3、以下 CASN）を内掛けで 10
vol%添加し、乳鉢で混合した。その後、マトリックスと同様に予備成形、予備 CIP 処理、水添加 CIP 処理を行い、CASN 粒子分散 MgO バルクセラミックスを作製した。また、他の蛍光体でも同様に蛍光体分散型 MgO バルクセラ
ミックスの作製が可能かを確かめるため、黄色蛍光体（株式会社サイアロン製、α-SiAlON:Eu2+、以下 α サイアロン）

図 2 顆粒の添加率と密度及び緑色蛍光体（株式会社サイアロン製、β-SiAlON:Eu2+、
以下βサイアロン）を内掛けで 10 vol%添加したサンプルの作製も行った。次に緻密化方法を比較するため、CASNを 10 vol%添加した予備 CIP 処理体を本プロセス（常温緻密化）と 1300 ℃、1 時間大気焼成したサンプルを作製した。また、CASN 粒子を同量添加したエポキシ樹脂マトリ
ックスプレートも作製した。微構造は走査型電子顕微鏡（JSM-IT200、日本電子株式会社製）で観察し、蛍光特性
は、量子効率測定システム（QE-2000、大塚電子株式会社
製）で、励起波長 455 nm、反射モードを用いて測定した。

２．２．結果と考察
２．２．１ マトリックスの緻密化①
顆粒の添加率の決定と微構造観察
最適な顆粒量を決定するため、添加量を変えて作製した予備 CIP 処理体と水添加 CIP 処理体の密度を図 2 に示す。
予備 CIP 体の密度は、どの混合割合においても 2.37－2.43
g･cm-3（相対密度 66-68 %）と高い値であった。また、水添加 CIP 処理後の密度が最も高い割合は顆粒が 30%の時
で、その時の密度は 3.01 g･cm-3（添加した水が全て反応したと仮定して計算した相対密度は 96%）と常温で緻密化させた場合でも極めて高い密度を有していた。比較のため、予備 CIP 体に水を添加しない以外は同じ方法で CIP 処理を行ったサンプルの密度は、予備 CIP 後と変わらず、緻密化していなかった。図 3 に(a)予備成形体、(b)予備 CIP 体
および(c)水添加 CIP 体の破面の SEM 写真を示す。この写真から予備 CIP 後は、予備成形後と比較して個々の粒子が密に詰まっている様子が確認できた。また、水添加 CIP 後には高温焼成された焼結体のように緻密なファセットが観察された。SEM 写真から粒子径を測定した結果、予備成形体の粒子径 0.3 µm に対し、緻密化後の粒子径も 0.3µm と変わらず、高温焼成を行った場合とは異なり、粒成
長なく緻密化していた。以上の結果から、本プロセスにおける最適な顆粒添加量を決定し、常温で粒成長することな
く高度に緻密化させることに成功した。また、本プロセス

図 3 破面の SEM 写真(a)予備成形体 (b)予備 CIP 体 (c)水添加 CIP 体

81

KISTEC研究報告2021

【研究開発部】革新的高信頼性セラミックス創製

では水の添加が不可欠であり、水を添加しない場合は緻密化しないことが明らかとなった。
② サンプルの構成相の定性評価
水添加 CIP 後の構成相を明らかにするため XRD 測定を行った。図 4 に水添加 1GPa で CIP したサンプルと水添加
後加圧しなかったサンプルの XRD 測定結果を示す。●はMgO を、▼は Mg(OH)2 のピークをそれぞれ示している。
図から、 1GPa で加圧したサンプル は原料の MgO とMg(OH)2 のピークが確認された。一方、水添加後加圧なし
で 1h 経過したサンプルからは Mg(OH)2 のピークは確認できず、加圧により水和反応が促進したことが明らかになった。続いて、生成した Mg(OH)2 の存在位置を明らかにするため、TEM-EDX 分析を行った。Mg(OH)2 が存在している場所は、MgO より酸素が多いため、酸素分布を調べることで Mg(OH)2 の存在位置を間接的に調べることができる。図 5 に HAADF-STEM 像(a)と、酸素マッピング分析結果(b)を示す。また、視認性をあげるために両者を重ね合わせた合成画像を(c)に示す。(a)で明るい灰色の部分は MgOの粒子を表しており、粒子と粒子の間の粒界や空隙等は粒子より暗く見えている。また、粒界は通常のセラミックス
焼結体より粒界が広いことが分かる。(b)のマッピング画
像では、黒から黄緑、黄色、赤、ピンク、白の順に酸素のモル濃度が高い領域を示している。合成画像(c)を見ると、粒界や三重点に顕著に酸素の多い白い部分が分布している。以上の結果から、粒界に Mg(OH)2 が存在していることが分かった。続いて、粒界に存在する水酸化物の形態を観察するため、粒界部分の観察を行った（図 6）。図 5 の
HAADF-STEM 像と同様に、明るい灰色の部分は MgO 粒子を示している。少し色の濃い部分は板状に粒子表面にくっつくように存在している。つまり、生成した Mg(OH)2 は粒界に板状で存在していることが明らかになった。以上のことから、緻密化プロセスは、外部応力により粒子接触点
で MgO の溶解が促進し、粒子間の空隙に Mg2＋が移動して Mg(OH)2 が析出して緻密化すると推測される。

KISTEC研究報告202182

【研究開発部】革新的高信頼性セラミックス創製

２．２．２

蛍光体の添加

常温での緻密化プロセスにより、マトリックスの緻密化が可能であることが明らかとなったので、蛍光体粒子を添加した実験を行った。図 7 に CASN を 10vol%添加したサ
ンプルの破面の SEM 写真を示す。CASN を添加した場合も、マトリックスは緻密化し(b)、蛍光体粒子を保持することに成功した。その時の密度は 3.00 g･cm-3 であった。表 1に CASN、α サイアロン、β サイアロンをそれぞれ添加したサンプルの密度と熱伝導率、量子効率、および外観を示す。比較として、エポキシ樹脂の特性値も記載した。サンプルに 365nm の UV ライトを照射したところ、蛍光が確認できた（表 1 外観）。このことから、どの蛍光体を添加した場合でも失活させることなく固定化できることが明らかとなった。一方で、大気焼成したサンプルは常温緻密化させたサンプルと比較して明らかに発光がなく、添加した蛍光体は失活していた（図 8）。マトリックスの熱伝導率を比較すると、MgO はエポキシ樹脂の約 40 倍大きかった。また、蛍光体粒子を添加すると、蛍光体の種類によらず密度は少し下がり、それに伴って熱伝導率も低くなることが分かった。続いて、蛍光体が変質して蛍光波長が変わっていないかを確かめるために各サンプルの蛍光スペク
トル測定を行った。図 9 に結果を示す。それぞれ、赤色がCASN、黄色が α サイアロン、緑が β サイアロンを表し、実線が蛍光体 10vol%を添加したサンプル、点線が蛍光体
粉体のみを表している。この結果から、常温緻密化プロセ【参考文献】

スで作製したサンプルの蛍光スペクトルは、元の蛍光体原料粉体と比較してピークシフトはなく、蛍光体が変質して

[1]
[2]

高橋拓実, 多々見純一, OPTRONICS, 6 (2016).
高橋拓実, 多々見純一, 横内正洋, セラミックス, 52[3](4), 245-248 (2017).
M. Oishi, S. Shiomi, T. Yamamoto, T. Ueki, Y. Kai, S.F.

いないことが証明された。

Chichibu, A. Takatori, and K. Kojima, J. Appl. Phys. 122,
113104 (2017).

３．今後の展望
今回開発した蛍光部材は、照明だけでなく商業用の大型
ディスプレイやプロジェクターなどへの利用が期待できる。また、セラミックス製造において、最もエネルギー消[4]

N. Yamasaki, K. Yanagisawa, M. Nishioka, and S.
Kanahara, J. Mater. Sci. Lett., 5, 355-356 (1986).

費の多い「焼成」を必要としない常温プロセスのため、環境へ配慮や製造の低コスト化にも大きく貢献できる。

[5]

J. Guo, H. Guo, A.L. Baker, M.T. Lanagan, E.R. Kupp,
G.L. Messing, and C.A. Randall, Angew. Chem. Int. Ed.,[6]

55, 11457-11461 (2016).
J. Fan, L. Zhou, Z. Cui, S. Chen, X. Fan, and G. Zhang, J.
Lumin. 219, 116874 (2020).

83

KISTEC研究報告2021

【研究開発部】革新的高信頼性セラミックス創製

マイクロカンチレバー曲げ試験による
LNKN セラミックスのメソスケール機械的特性評価
小野 悠綺、高橋 拓実、矢矧 束穂、多々見 純一
本研究では、マイクロカンチレバー試験を LNKN セラ

１．はじめに
圧電材料は振動や応力を電気信号に変換し、逆に電気信号を機械的駆動力へと変換することができる機能性材料

ミックスに適用し、メソスケールの機械的特性を評価することを目的とした。測定用試料として、特に高い弾性コンである。近年は、スマートフォンやデジタルカメラに代表される電子機器のたゆまぬ高性能化の需要増加に伴い、搭プライアンス定数を有する分極軸の[101]が高度に一軸配向した LNKN セラミックス（平均粒子径 15μm）10)を用い載されているアクチュエータ、センサー、ブザーなどの圧電デバイスもまた、さらなる高性能化が強く求められていた。

る 1)。他方、デバイスの核心である圧電セラミックスは、
応力とひずみが繰り返し印加され、過酷な高負荷環境での２．実験結果と考察
２．１ LNKN セラミックスのマイクロカンチレバー
試験片

継続的な使用によって疲労が生じて破壊に至る。そのため、圧電特性を左右するセラミックスの微構造を適切に制御

マイクロカンチレバーを作製するために、[101]配向軸し、高性能化とともに高信頼性化を達成することは極めて重要である 2)。セラミックスの破壊の素過程は、微構造をに対して垂直な面をクロスセクションポリッシャ（日本電
子（株）: IB-19520CCP）で処理して平滑化した。次に、集構成する粒子や粒界の破壊である。すなわち、材料の信頼性はこれらの機械的特性に左右されるため、定量的な材料

束イオンビーム加工装置（SII ナノテクノロジー（株）:
XVision 200TB）を用いて、幅 1µm、長さ 12μm、高さ 2µm、設計を行うために直接評価する必要がある。圧電セラミッ
クスの機械的特性は、マクロスケールにおいてはビッカー

断面形状が五角形のマイクロカンチレバーを粒界や気孔、き裂といった欠陥がないと予想される箇所に選択的に作ス試験による評価を行った例があるが、粒子や粒界といった局所領域での特性を直接評価した例は手法がなく、確認製した（図 1）。
このカンチレバーを試験片中に 5 本作製し、そのうちのできなかった 3)。
本プロジェクトではこれまで、粒子や粒界のスケールに4 本(1)、(2)、(3)、(4)において破壊に成功した。図 2 は、SEM で観察したマイクロカンチレバーの(A)試験片作製箇

相当するサブマイクロメートルから数十マイクロメート
ル（メソスケール）の局所領域の機械的特性を評価する手所の俯瞰図と(B)上面、(C)側面、(D)正面の拡大像である。
また、(E)にカンチレバーの観察方向を図に示す。いずれの法として、セラミックスの微構造中に片持ち梁状の微小試
験片（マイクロカンチレバー）を作製して破壊試験を行う

試験片も、外観からは強度に影響する可能性がある大きな欠陥等の存在が認められなかった。

マイクロカンチレバー試験を開発し、Si3N4 セラミックス
や単結晶 Si、SiO2 ガラスなどに適用した結果を報告して２．２性

4-7)。また、圧電セラミックスとして、積層セラミッ

きた
クスコンデンサ中の BaTiO3（BT）セラミックスに適用し

LNKN セラミックスのメソスケール機械的特

マイクロカンチレバー試験片の曲げ試験は、トライボイ

た結果、応力誘起相転移が示唆される特異的な応力－ひずみ曲線を示すことを報告してきた 8)。この報告は、圧電特ンデンター（Bruker: TI premier）で行った。荷重点は、試験片の端から 10μm 離れた位置とし、破壊に至るまで荷重性、特にひずみ特性が優位な種類の圧電セラミックスの設計において重要な情報である。

を連続的に印加した。図 3 に今回破壊に成功した 4 本の試
験片(1)、(2)、(3)、(4)から得られた荷重－変位曲線と、図本研究においては圧電セラミックスの中でも高いひずみ特性を有する非鉛系の圧電セラミックスである

4 に梁理論を用いて計算した応力－ひずみ曲線を示す。
これらの図から求められた変位と荷重に加えて、曲げ強(Li,Na,K)NbO3 （LNKN）に注目した。LNKN は、室温で単斜晶もしくは正方晶をとる材料であり、圧電材料として普度、変位が 100nm 程度までの領域から求めたヤング率を
表 1 に示す。また、破面の SEM 観察像を図 5 に示す。

及している Pb(Zr,Ti)O3（PZT）に匹敵する非常に高い圧電特性を持つことが知られている 9)。そのため、BT 同様、試験片(1)は曲げ強度が 3.84GPa、ヤング率が 248GPa と非常に高い値を示した。この値は、過去に報告された

非鉛圧電デバイスとして応用が期待されている。しかし、
LNKN セラミックスの機械的信頼性を確保するための微LNKN の弾性コンプライアンス定数から求められたヤン
グ率 70GPa よりも著しく高い値となった 10)。この破面を構造制御の検討は行われてきていない。

観察すると、破面に対して垂直な方向に界面が存在していKISTEC研究報告202184【研究開発部】革新的高信頼性セラミックス創製

160

(1)

140

(4)

Load / μN

120
100

(2)

80

(3)

60
40
20
0

20μｍ

500

1000 1500 2000
Displacement / nm

2500

図 3 4 本の試験片に対するマイクロカンチレバー試験により得られた荷重－変位曲線

図 1 試験片を作製した LNKN セラミックスの CP 処理面

4.0

(B)

(A)

0

(1)

3.5

100μｍ

Stress / GPa

3.0

10μｍ
(D)

(C)

2.5
2.0
1.5
1.0

(3)

0.5
0.00

1

2

3
4
Strain / %56

図 4 荷重－変位曲線（図 3）より計算された
応力－ひずみ曲線

(E)

(B)

0

1μｍ

5μｍ

(4)

(2)

(C)

表 1 カンチレバーの機械的特性

Sample No.
Displacement
Load
Max stress
Young’s modulus(D)

図 2 作製したマイクロカンチレバーの SEM 観察像(A)試験片作製箇所の俯瞰図、(B)試験片の上面、(C)試験片の側面、(D)試験片の正面、(E)試験片の観察方向図

[μm]
[μN]
[GPa]
[GPa]

(1)
0.70
131
3.84
254

(2)
0.64
72.9
1.29
86.6

(3)
0.81
70.3
0.75
52.0

(4)
2.04
140
1.57
26.9

ることがわかる。これは、カンチレバー内部に結晶粒界が引張面と垂直に存在したことが予想される。これにより変いる形状が観察された。これは、結晶粒界と比べて非常に変形しやすい相が存在することを示唆している。ヤング率形が妨げられた結果、曲げ強度とヤング率が著しく高い値となったと考えられる。加えて、カンチレバーが根本からに関しては、試験片(2)が 86.6GPa、試験片(3)が 52.0GPa とLNKN の既報のヤング率と近い値となった。

離れた位置で破壊していることが確認された。これは、破壊箇所において SEM 上で確認できなかった欠陥が存在し試験片(4)においては、曲げ強度が 1.57GPa と試験片(1)を除けば高い値を示した。この試験片の破面を観察すると、ていたことが考えられる。
試験片(2)、(3)は応力－ひずみ曲線に変曲点が観察されカンチレバー破面が垂直に切り立っていることがわかる。
この破面形状となった原因として、2 粒子界面が試験片内たものの、曲げ強度が 1.29GPa（試験片(2)）
、0.75GPa（試験片(3)）と低い強度で破壊されていた。この試験片の破面に存在した可能性が考えられる。この試験片のヤング率は26.9GPa と低い値となった。LNKN は室温付近に単斜晶とを観察すると、いずれも 3 粒子界面らしきえぐれた破面が観察されたため、これらの試験片は結晶粒界の影響で強度

正方晶相の相転移境界があることが知られており、ヤング率の変化は相転移が影響している可能性が考えられる 11)。

が著しく低下したことがわかる。一方で、試験片(2)は破壊
後もカンチレバーが完全に分離せず、局所的につながって

LNKN に対して機械的応力を印加することにより、応力－ひずみ曲線に変曲点が表れることが示された。これは、85

KISTEC研究報告2021

【研究開発部】革新的高信頼性セラミックス創製

(1)

(2)

３．今後の展望
今回の研究により、LNKN はメソスケールにおいて特異な力学特性を持っていることが示唆された。同時に、同じ
ペロブスカイト構造を持つ材料系においても、応力に対して類似した挙動をする可能性が示されている。このような

1μｍ

1μｍ

圧電セラミックス材料における特異な力学特性は、将来的に応力センサーや振動発電デバイスのような過酷な環境

(4)

(3)

下で使用するデバイスを設計する上で重要な情報であると考えられる。
今回の研究を通して得られた知見を活かして、圧電セラ
ミックスにおける材料設計の新たなる指針を示すことが1μｍ

期待される。将来的には、結晶方位とひずみ方向の関係について明らかにすることを検討している。応力－ひずみ曲1μｍ

図 5 破壊後のカンチレバー破面線の挙動が引張面(101)と直行する結晶軸と密接に関係していることが予想されるが、どの軸の寄与が大きいかにつ応力の印加により材料の硬さが変化していることを示し

いては明らかになっていない。加えて、LNKN は異なる結晶相が混在している可能性があり、試験箇所の結晶相を正ている。このような現象は、応力に誘起されたドメインス
イッチングあるいは相変態に起因しているものと考えら確に把握することが必要である。よって、結晶相及び結晶方位と機械特性の影響について明らかにすることができれる。本試料は、CP 処理を行った面と並行に(101)が配向した試料を用いている。このため、引張方向に対しては

れば、圧電セラミックスにおける結晶方位と応力の関係を明らかにするとともに、高特性・高信頼性圧電セラミック(101)に直行する結晶軸、すなわち[010]もしくは[011]、[110]、[1̅01]、[101̅ ]が配向していることが予想される。

スの設計指針を与えることが期待される。この結晶方位及び結晶相を評価するために、EBSD 測定を行い、改めて結LNKN は[101]に高い弾性コンプライアンス定数を有していることから、90°方向のドメインが関与していると予想

晶相・結晶方位と応力－ひずみ曲線の関係について評価することを検討している。

されるこれらの結晶方位において高いひずみ量を許容できたと考えられる 10)。
また、この材料における荷重－変位曲線の線形領域において、ヤング率は既報の値に近い数値であった。このこと【参考文献】
1) 今中佳彦，佐野晴信，長田実，土屋哲男，柿本健一，
森分博紀，セラミックス，51，12，830-835 (2016)から、メソスケールでの粒子一個分の機械特性とバルク体の特性が一致するという傾向が改めて示された。一方で、

2) 多々見純一，セラミックス，56，1，1-6 (2021)
3) Y. Chen, C. Miao, S. Xie, L. Xu, Q. Wang, J. Zhu, Z. Guan,

ヤング率が極めて高い値となる試験片も存在しており、その原因としてはカンチレバー内部にあった結晶粒界及びJ. Am. Ceram. Soc., 1–7 (2016)4) J. Tatami, M. Katayama, M. Ohnishi, T. Yahagi,

相転移の影響であることが示唆されている。特に相転移については、LNKN は室温付近に単斜晶と正方晶の相転移境

T. Takahashi, T. Horiuchi, M. Yokouchi, K. Yasuda,
D. K. Kim, T. Wakihara, K. Komeya, J. Am. Ceram. Soc,

界が存在することが知られているため、室温下では局所的に結晶相の異なる箇所が存在する可能性が存在する。その98, 3, 965-971 (2015)5) S. Fujita, J. Tatami, T. Yahagi, T. Takahashi, M. Iijima,

ため、試験箇所の相状態を改めて検討する必要がある 11)。
過去に BT セラミックスへのマイクロカンチレバーを用

J. Eur. Ceram. Soc., 37, 14, 4351-4356 (2017)6) J. Tatami, M. Katayama, M. Iijima, T. Yahagi, T. takahashi,

いた曲げ試験が行われており、本研究で得られた結果と同
じく応力－ひずみ曲線に変曲点が表れたことが報告され

NEW GLASS, Vol.30, No.114, 30-33 (2015)7) 高橋拓実，矢矧束穂，飯島志行，多々見純一，ている 8)。このことから、他のペロブスカイト構造を有す
る圧電材料に対しても、応力による非線形な変形挙動が同

KISTEC 研究報告 2019，95-98 (2019)8) H. Yamaguchi, J. Tatami, M. Iijima, J. Ceram. Soc. Jpn.,様に発生しうる可能性が示された。
本研究において、LNKN は最大の許容ひずみ量が 5%以127, 6, 335-338 (2019)9) Y. Guo, K. Kakimoto, H. Ohsato, Appl. Phys. Lett., 85,

上というユニークな機械的特性を持つという結果が得られている。過去に報告された BT セラミックスの曲げ強度

4121-4123 (2004)
10) Y. Ono, T. Harada, H. Shimizu, Y. Doshida, T. Honma, S.

が約 4GPa、ひずみ量が 3-4%であったことから、LNKN が非常に変形しやすい材料であることが示されている。このTanaka, J. Ceram. Soc. Jpn., 127, 12, 887-892 (2019)11) K. Hatano, K. Kobayashi, T. Hagiwara, H. Shimizu,

結果は、LNKN において電気的に測定された高いヤング率とは矛盾しない 10)。

KISTEC研究報告2021

Y. Doshida, Y. Mizuno, Jpn. J. Appl. Phys., 49, 09MD11(2010)

86

【研究開発部】革新的高信頼性セラミックス創製

波長掃引型光コヒーレンストモグラフィーを基軸とする内部構造の非破壊観察・評価システムの開発
高橋 拓実、多々見 純一
１．はじめにち、高温での輻射も検出しないため、室温から一貫したそセラミックスの機能や信頼性を低下させる気孔やき裂
といった欠陥は、粉体から焼結体に至るプロセスの過程での場観察が可能である。ハード面では、反射光を捉えるプ
ローブ部が家庭用ビデオカメラのように取り回しが可能生じる粒子集合体や空隙といった不均質構造に由来する。
しかし、いつ・どこで・どのように生成するのか？という（干渉計と接続している光ファイバーの長さの範囲内）であるため、可動性に優れる。また、装置の構成が一般的な現象の実態は未だブラックボックスである。不均質構造の的確な制御は、高機能化と高信頼性化の要であるため、ブ

パソコンラックに積載できる程度の大きさと重量なので、可搬性もよい。こうした特長から、SS-OCT 装置は電気炉

ラックボックス化した不均質構造の生成過程の直接的な解明は、セラミックス分野の今後を左右する喫緊の課題でや材料試験機などの異種装置との融合性も高く、組み合わ
せ次第で様々な環境でのオペランド観察が実現できる。

ある。しかし、高温や応力場、せん断場などの外場が作用した環境下で起こる、多様な系（粉体、スラリー、成形体、以上の特色から、我々は SS-OCT がセラミックス製造プ
ロセス中で起こる不均質構造の生成過程を解明し、観察情焼結体）での内部構造変化過程の実態を一貫して評価する
手法はなかった。これを実現するためには、非破壊＋高速報のフィードバックによる的確なプロセス制御を実現す
る大きな一助になり得ると考えた。そこで本研究では、SS-＋3D で内部構造情報を取得することが求められる。
波 長 掃 引 型 光 コ ヒ ーレ ン スト モ グ ラ フ ィ ー （ Swept

OCT を基軸とした内部構造の非破壊観察・評価システムを開発し、製造プロセス中で起こる内部構造変化過程を明Source Optical Coherence: SS-OCT）は、医療分野を中心に発達した非侵襲の光干渉断層計である 1-3)。身近には眼底らかとすることを目的とした。本稿ではまず、OCT の有用性を検証するための基盤的知見として、焼結体中の球状検査装置として実用されている。生体観察を基盤とすることから、既製品の光源は「生体の窓」と呼ばれる近赤外域

欠陥と面状欠陥の静的観察と非破壊検査への展開について述べる。次に、動的観察として、スラリー中の内部構造のレーザー光を採用しており、内在する屈折率が異なる界
面での反射光を検出する。近赤外光は生体に限らず、金属変化過程と、脱脂、焼成中の成形体の内部構造変化過程の観察について述べる。さらに、より高度な情報を取得するを除く幅広い物質に対して透過性を示すため、本質的には非常に汎用性に長ける観察技術であるが、セラミックスをための 3D 構造変化過程の観察として、せん断場印加によるスラリー中の粒子集合構造の変化、一軸加圧下の顆粒粉

はじめ、構造中に多くの散乱体を含む不透明材料に対しては積極的に展開されていない。

体層中の空隙形態の変化について述べる。

SS-OCT は、既に産業利用が確立している X 線 CT や超音波顕微鏡などの非破壊観察技術にはない様々な特長が

２．ＳＳ－ＯＣＴ装置の概要ある。大きな特長の一つは、観察速度である。SS-OCT の観察速度は、光源の掃引周波数と観察空間の大きさ、空間

式会社製）の主な仕様を表 1 に示す。光軸方向の分解能は光源の中心波長と波長掃引幅、試料の屈折率より決定され分解能で決まる。現状、市販装置に搭載されている光源の掃引周波数は 20－100 kHz で、これは深さ方向スキャンる。面内方向の分解能は光源の中心波長とレンズの焦点距
離と開口数から決定される。表 1 に示すように、本研究で（A-scan）が毎秒 2－10 万回行われることになる。A-scanを水平方向に繰り返して断層像を取得する B-scan の速度用いた SS-OCT 装置は、いずれも μm オーダーの高分解能である。また、光源の掃引周波数も 20 kHz と高速である

は、A-scan 数と掃引周波数より見積もることができる。例
えば、20 kHz 光源で水平方向に 1 mm の範囲を 200 分割

ため、内部構造のリアルタイム 2D 観察や高速 3D 観察が（B-scan 方向の分解能は 5 μm/pixel）して観察する場合、B-scan のフレームレートは 100 fps である。すなわち、ビ

表 1 SS-OCT 装置の主な仕様

本研究で用いた SS-OCT 装置（IVS-2000WR、santec 株

Center wavelength / nm

1300

デオレート以上の高速で断層像を取得でき、リアルタイム
2D 観察が可能である。さらに、奥行き方向の B-scan 数を

Sweep width / nm

170

A-scan rate / kHz

20

同じ（＝1 mm3 の観察空間）とすれば、3D 情報の取得に要する時間はわずか 10 s である。さらに SS-OCT は、光干Axial resolution (n=1) / μm

4.4

渉により光源と同じ波長と位相の反射光のみを検出することから、周囲からの迷光を原理的に検出しない。すなわ

Lateral resolution / μm

9Scanning range / mm

20×20

87

KISTEC研究報告2021

【研究開発部】革新的高信頼性セラミックス創製

図 1 球状カーボン粒子を造孔剤として添加して作製した Al2O3 焼結体中で観察された深さ方向(A-scan 方向)に連続性をもつ信号を含む OCT 原画像(左)と画像処理後の OCT 像(右)の比較．輝度の高い領域は屈折率差が大きい界面が存在することを示唆する．

図 2 深さ方向に連続する輝点の形態変化の一例．中図 3 同一の観察領域，同一のスケールで比較した(A)深さ方向に積算した

心部の輝点の集合体が環状に広がるにつれ，内側に輝画像処理後の OCT 像と(B)透過モードの近赤外線顕微鏡像，(C)超音波顕微度の低い領域が出現する．

鏡像，(D)X 線 CT 像．

もに、その内側に輝度の低い領域が出現していく様子が見可能である。

えた。輝度の低い領域は、光学的に不均質な構造が存在しないことを示唆する。Al2O3 焼結体中で想定される光学的３．実験結果３．１ 静的観察
３．１．１ 焼結体中の球状欠陥と面状欠陥に不均質な構造は、粒子と粒子がなす粒界と、粒子と空気がなす気孔やき裂といった欠陥であるが、図 2 のような形

図 1 に、球状カーボン粒子を造孔剤として添加して作製した Al2O3 焼結体で観察された深さ方向（A-scan 方向）に

態変化の場合は、粒子と空気からなる強い反射を伴う界面と、界面がなく透過する開いた空洞部をもつ欠陥に起因す連続性をもつ信号を含む OCT 原画像（左）と画像処理後の OCT 像（右）を示す。前述の通り、OCT 観察では試料ると考えられる。そこで、欠陥の形態を明らかにするために、既に技術的に確立した手法である近赤外線顕微鏡の透に内在する屈折率が異なる界面での反射光を検出する。原
画像中で輝度の高い領域は信号強度が高いことを意味し、

過モード、超音波顕微鏡、X 線 CT を用いて、同一の領域を観察した。その結果を図 3 に示す。近赤外線顕微鏡像で屈折率差が大きい界面が存在していることを示唆する。この点に着目すると、多くの内在する光学的に不均質な構造は試料背面からの透過光を検出しているため、輝度の低い領域は光が散乱する光学的に不均質な構造である。超音波を検出できていることが定性的に理解できる。他方、OCT
原画像は画像処理後の OCT 像と比べると不鮮明に見える。

顕微鏡像は、試料上部から照射した超音波の反射波を検出しているため、周囲と密度が異なる不均質構造を可視化す

これは、スペックルパターンと呼ばれる信号光同士の干渉による粒状ノイズであり、観察像に一様に現れる。ただし、る。X 線 CT 像は X 線吸収率差を可視化するため、輝度の低い領域は吸収するような物質が存在しないことを示す。

内部構造を直接的に反映した信号ではないため、強度は弱
く、画像間に連続性がない（＝内部構造が僅かでも変化す

こうした異なる観察像の性状を勘案した結果、OCT 像で連続的な形態変化を示した信号（図 3 中、▼や▲でマーク）

るとパターンが一変する）という特徴がある。したがって、
Image J 等の画像処理ソフトウェアによりスペックルパタ

は、いずれも球状欠陥（気孔）の界面での反射と内部での透過に起因することが明らかとなった。

ーンを大幅に低減することは可能である。画像処理後のOCT 像は、原画像に対して平均化や輝度コントラスト調

図 4 は、実部材で破壊源となり得る微小欠陥を人工的に導入した Al2O3 焼結体中で観察された（A）
球状欠陥と（B）

整を行ったものであるが、信号の視認性は大幅に向上していることが分かる。図 2 は、画像処理後の OCT 像のうち、面状欠陥の OCT 像と、対応する同一断面の X 線 CT 像である。図 1－3 は、入射方向から観察した OCT 像であるの深さ方向に連続的な形態変化を示す一部の信号を拡大表示した図である。中心部に存在する輝度の高い領域（輝点に対して、図 4 は入射方向に垂直な方向（C-scan 方向）から見た OCT 像である。図 4（A）に示すように、試料の表の集合体）が深さ位置を変えるにつれて環状に広がるとと面から 0.74 mm、端部から 0.67 mm 離れた位置に「こ」のKISTEC研究報告202188【研究開発部】革新的高信頼性セラミックス創製

図 6 OCT 観察で検出された Al2O3 試験片の引張面側に内在する粗大欠陥と予測強度．

図 4

Al2O3 焼結体に内在する(A)球状欠陥と(B)面状欠陥のOCT 像と比較用の同一断面の X 線 CT 像．

図 7 最低予測強度を示した粗大欠陥の OCT 像と三点曲げ試
図 5 3D 可視化した Al2O3 焼結体に内在する球状欠陥群．

験後の破面の SEM 像の比較．

字型の信号が見られた。奥行方向（C-scan 方向）への連続用した後に再構築した 3D 像である。3D 像中の構造体の性を確認したところ、図 1 に類似した形態変化（この場合は環状ではなく「こ」の字型）が確認された。これに対し色は、カラーバーの通り同体積の球の直径で近似した大きさと対応している。図 4 で示したように、人工的に導入して、 X 線 CT による観察からは全く同じ空間位置に球状欠陥が存在することが確認された。球状の界面では反射光

た球状欠陥に起因する粗大な「こ」の字型の信号はもちろん、これらと同等の信号強度で様々な大きさの光学的不均の強度に分布が生じる。すなわち、入射方向と界面との成す角が 180°に近づくほどプローブに返ってくる反射光強質構造を多数検出できた。これらは不定形で広く分布して存在していることから、原料粉体の不均質性や製造プロセ

度は低下するため、入射方向と平行な断面では「こ」の字型として検出されたと考えられる。他方、図 4（B）では、スに起因して生じた「意図していない光学的不均質構造」に由来する信号と考えられる。

試料の表面から 1.15 mm、端部から 0.51 mm 離れた位置に線状の信号が見られた。そこで同一断面の X 線 CT 像を比３．１．２較した結果、面状欠陥が存在することが確認された。特筆すべきは、医療用に特化した仕様の SS-OCT 装置による簡図 5 までの結果から、OCT 像上の信号の形態と実際の不均質構造の形態（球状欠陥と面状欠陥）との相関関係が便な非破壊観察にも関わらず、1 mm を超える内部の欠陥も検出できている点であり、内部構造の散乱状態によって明らかとなった。そこで、本知見を非破壊検査へと展開すべく、明確に破壊源となり得る粗大欠陥を人工的に導入しは、かなりの高深達が期待できると考えられる。
図 5 は、球状欠陥を含む Al2O3 焼結体の OCT 原画像にた Al2O3 試験片を作製し、荷重印加点に対応する範囲の引張面側を SS-OCT で非破壊観察し、粗大欠陥に起因すると対して、機械学習で自動最適化した画像処理プロセスを適考えられる信号を抽出した。さらに、それらの寸法と形状、

89

非破壊検査への展開

KISTEC研究報告2021

【研究開発部】革新的高信頼性セラミックス創製

乾燥中の内部構造変化過程について、OCT 観察を試みた。
図 8 は、スライドガラス上に滴下した水系スラリーの乾
燥中の内部構造変化過程を動的観察した結果である。乾燥は、液面が揺れないように液滴から十分に離れた上方にドライヤーを設置し、温風を流して行った。観察面は液滴とスライドガラスの界面に対して垂直な断面である。まず、乾燥開始から 80 s までの期間では、液面の高さが経時で低下し、やがて曲面だった液滴の表面は平坦化した。本実験ではスラリーの重量変化を測定していないが、この変化
はスラリー中から分散媒である水が蒸発により除去されたことに起因しており、恒率乾燥に相当すると考えられる。
また、80 s 時点では表面が一層明るく観察された。これは、液滴表面が平坦化したことで、表面反射率が大きくなったためである。さらに乾燥が進行すると、96 s 時点で乾燥体の内部に輝点が現れ、ほぼ同時に輝点から平坦化した表面に暗い縦線が走る様子が観察された。この輝点から表面周図 8辺の拡大図を図 9 に示す。これまでの結果で示してきたよ
うに、OCT 像では反射が多数起こる領域はより信号強度

水系スラリーの乾燥に伴う体積収縮とき裂生成過程（固体含有率：30 vol%，分散粒子：Al2O3，分散媒：水，分散が高く、反射が起こらず光が透過する領域は信号強度が低
くなり、通常は信号強度の高低と画像の輝度の高低とが対剤：ポリカルボン酸を主成分とする市販品）．

応する。図 9 に示すように、深部にある輝点から表面に至るまで、輝度の低い直線状の信号が観察された。これは、
Al2O3 スラリーの乾燥体の表面から内部まで連通したき裂であり、外観の目視でも確認できた。以上の結果から、OCT
によりき裂の発生過程を観察できることが明らかとなった。なお、き裂先端の輝度が特に高い理由については、周図 9 体積が収縮した後に厚さ方向に進展したき裂を内包す

囲と屈折率が異なる点を想定するに、アルミナの凝集構造や、分散剤（有機物）が偏析した領域であり、本実験でのる乾燥スラリーの表面近傍の拡大図

SCF 法で求めた破壊靭性から試験片の最低強度を予測しき裂発生に大きく関与したと推測される。

た。その結果を図 6 に示す。予測された本試験片の最低強
度は 300 MPa だった。そこで、本試験片を三点曲げ試験に供したところ、299 MPa の曲げ強度が得られ、OCT 観察に基づいて予測した最低強度と非常によく一致した。図 7 は、
最低予測強度を示した粗大欠陥の OCT 像と三点曲げ試験
後の破面の走査型電子顕微鏡（SEM）像の比較である。図

脱脂中の成形体の外形変化と内部構造

脱脂プロセスは、成形プロセスに至る過程で様々な目的で添加した有機物を熱分解で除去し、焼結を阻害するような粒子間の介在物を取り除くための必須工程である。しかし、処理温度は数百˚C と低く、また添加した有機物も粉

7 より、OCT 像で観察された欠陥と破壊試験後の試験片の破面で観察された破壊源の寸法と位置が非常によく整合体に対しては数 wt%と相対的には量が少ないことから、顕著な内部構造変化は起こらないだろうと考えられてきた。

していることがわかる。以上の結果から、OCT 観察がセ
ラミックスの非破壊検査技術として有用であることが明しかし、とりわけテープ成形やゲルキャスティングのように、多量の有機物を含む成形体や、熱分解で生じたガスがらかとなった。

系外に排出されにくい大型の成形体などでは割れが起こ
ることは経験的に知られていたものの、何が起こっている

３．２ 動的観察
３．２．１ スラリー中の内部構造変化過程のかという現象の実態の理解までは積極的に検討されていなかった。そこで本研究では、SS-OCT 装置とガスフロ

液体の分散媒に固体の粒子が分散したスラリーは、複雑形状の付与や、電場や磁場といった外場エネルギーを利用ー可能な小型電気炉、重量変化のリアルタイム測定のための電子天秤、ガス分析のための FT-IR を組み合わせた新規した粒子集積構造の制御など、セラミックス製造プロセスの機能向上に欠かせない湿式成形プロセスの要である。ス

評価システムを開発し、脱脂中の成形体の内部構造変化のオペランド観察を試みた。

ラリー中の粒子集合構造は成形体の内部構造に強く反映されるため、これを直接的に評価できれば、粘度やレオロ

図 10 は、PVB バインダーを 10 wt%含む成形体の脱脂中の外形変化と内部構造変化過程をオペランド観察し、図

ジー特性など間接的に評価された情報から経験的に制御されてきたスラリー中の粒子の分散・凝集を的確に制御す

11 に示すように重量変化が特徴的な温度での断面像である。
（A）は基準となる室温での OCT 像である。200 ˚C をることが可能となる。そこで、まず基本となるスラリーのKISTEC研究報告2021

３．２．２
変化

90

【研究開発部】革新的高信頼性セラミックス創製

機物の熱分解挙動の影響を受けて、非常に顕著な構造変化が起こっていることが実験的に明らかにされた。こうした知見は、これまで本質が見えなかった脱脂過程での製造エ
ラーを根本的に取り除く大きな一助になるものと期待で
きる。

３．２．３
変化

焼成中の成形体の外形変化と内部構造

焼結プロセスは、セラミックス＝焼き物というイメージがあるように象徴的な主要工程である。焼結現象を解明するために、これまで透過型電子顕微鏡（TEM）を用いたナノスケールの粒子の焼結の動的観察 4,5)や、高温環境走査

図 10 PVB バインダーを含む成形体の脱脂中の外形変化と内型電子顕微鏡を用いた粒成長と気孔除去のその場観察 6)などが行われてきたが、微構造形成に大きく影響するミク

部構造変化のオペランド観察．

ロスケールの焼結現象の実態はブラックボックスのままである。その要因の一つは、高温下での散乱光や輻射の影響を低減し、高熱による損傷から検出器を保護するか、という技術的な巨壁であった。本研究では、SS-OCT 装置と焼成炉を組み合わせた評価システムを開発し、様々な物質や構造の成形体の焼結中の外形変化と内部構造変化の観察に成功するのみならず、外形寸法の変化から高精度な収縮率測定も同時に可能であることを見出してきた。本稿で図 11 OCT 観察と同時測定した脱脂中の成形体の重量変化．

は、その中でもとりわけ興味深い変化が見られた事例について述べる。
図 12 は、焼結温度が異なる Al2O3 粉体を積層（単体での焼結温度は上層が 1300 ˚C、下層が 1600 ˚C）した成形体の焼結中の外形変化と内部構造変化をオペランド観察し、特に変化が大きかった温度における断面像である。昇温速
度は 100 ˚C/min とした。室温での断面像を基準とすると、
まず 1300 ˚C を超えて外形が凹状に大きく変形した。これ

図 12 焼結温度が異なる Al2O3 粉体を積層（単体での焼結温は上層の低温焼結層の緻密化に起因すると考えられる。さらに 1600 ˚C に到達すると、全体が収縮すると同時に反り度は上層が 1300 ˚C，下層が 1600 ˚C）した成形体の焼結中の外形変化と内部構造変化のオペランド観察．

が戻った。さらに 5 min 保持すると、反りはほぼ元通りに戻った。これは、下層の高温焼結層の緻密化が起こったた

超えた（B）の時点では、外形や内部構造の変化が見られないものの、成形体の上部に激しく流動する細かい輝点のめと考えられる。図 12 の結果で特筆すべきは、固相焼結にもかかわらず、大きな変形を繰り返してなお、層間で剥集合体が生じた。この時、緩やかな重量減少が始まっていたことから、有機物の揮発でエアロゾルが生じ、成形体の離することもなく全体が緻密化した点である。また、OCT
観察で異方的な焼結収縮に起因する変形挙動のその場観外を流動していたと考えられる。さらに 270 ˚C を超過した（C）の時点では、急激な重量減少とともに成形体の外形が凸状に膨らみ始め、重量減少が続く（D）290 ˚C 時点
では表面近傍にき裂が生じるなど、劇的な変化が起こった。
このような脱脂過程における膨張、き裂生成の過程のリア
ルタイム観察は、世界初である。さらに温度が上昇し、（E）察ができたことは、異種物質の共焼結が不可欠な圧電材料
や電池材料といった機能性セラミックス材料の高機能化と高信頼性化に資する定量的な材料設計を図る上で重要な知見が得られるものと期待できる。

３．３ 動的観察と３Ｄ可視化による４次元評価
３．３．１ せん断場印加によるスラリー中の粒子集合構造の変化520 ˚C を超えると、成形体内部の信号強度が急激に低下して黒化したが、（F）590 ˚C を超えると内部の信号強度が再び高くなった。これは、有機物の炭化による近赤外光の吸収と、温度上昇により熱分解が進行し、吸収の影響が低減

3.2.1 で述べたように、スラリーはセラミックス産業を支える重要な粉体制御形態の一つである。従来、動的粘弾したためと考えられる。重量減少は、600 ˚C を超えて終了
した。なお、詳細は割愛するが、本観察中に生じたガスは性測定装置（レオメーター）で得られるスラリーのレオロ
ジー特性と粒子の分散・凝集状態は密接に関係すると考え

FT-IR で同時分析しており、重量減少に対応しながら段階的に PVB の熱分解が進行していくことも明らかにした。

られてきたが、せん断場下での粒子集合構造の実態はブラックボックスだった。そのため、同じレオロジー特性のス

以上のように、脱脂過程をオペランド観察してみると、有91

KISTEC研究報告2021

【研究開発部】革新的高信頼性セラミックス創製報の取得による 4 次元評価を行うことで、せん断場下における粒子集合構造変化過程の実態の解明を試みた。評価シ
ステムは、SS-OCT 装置とレオメーター（試料室の底板を石英プレートで置換）を融合して構築された。
図 13 に、せん断場下におけるレオロジー特性の異なる
スラリー中の粒子集合構造の変化過程を動的観察し、せん
断粘度が大きく異なるせん断速度での OCT 像を代表として示した。観察用スラリーは、水系の 10 vol%の Al2O3 ス
ラリーであり、pH 調整によりレオロジー特性を制御した。
したがって、スラリー中の散乱源は水と粒子の界面と凝集粒子に内在する粒子と空気の界面が考えられる。また、画像処理により粒子と液体の界面での反射に起因する輝度の高い信号を抽出した。OCT 像の下方に見える白線は、
レオメーターの石英プレートとスラリーの界面であり、これよりも上がスラリー部である。せん断速度の上昇に対してせん断粘度が変わらないニュートニアン挙動を示した
青色で囲ったスラリーにおいて、せん断速度の上昇に対して輝点の数や大きさの分布に顕著な変化は見られなかった。一方、せん断速度が上がるにつれてせん断粘度が低下する非ニュートニアン挙動を示した橙色で囲ったスラリ
ーにおいては、せん断速度の上昇とともに輝点の数や大きさに変化が見られた。動画ではこの変化がより顕著に理解できた。こうした OCT 像の差異は、せん断速度の上昇に
より粒子集合構造が変化していることを示唆する。そこで、
低せん断速度域で 3D 観察を行い、抽出した輝点を 3D 構
築して粒子集合構造変化の定量評価を行った。その結果を
図 14 に示す。不定形の輝点の大きさは同じ体積の球の直径で近似し、さらに 10 μm を境に色分けして表示した。図
図 13 せん断場下におけるスラリー中の粒子集合構造形態

14 から、3D 可視化によって、10 μm 以上の球相当径の粒の変化過程と同時測定したレオロジー特性．

子集合構造（黄色）がせん断場を印加するコーンプレート側からせん断速度の上昇に伴って段階的に減る様子を明らかにすることができた。また、ヒストグラムで示した粒子集合構造の体積分率の変化からも、せん断速度の上昇に伴って大きな粒子集合構造が解砕される様子が定量的に示された。以上のように、OCT 観察を基盤としたスラリ
ーの 4 次元評価は本研究が世界初の試みであるが、多くの結果が従来の粉体プロセス科学で積み重ねられてきた知見とよい一致を示した。その一方で、コーンプレートと石英プレートの間に必然的に生じるせん断速度の分布の影
響を強く受けた粒子集合構造変化など、既存のスラリー特性の理解と制御に一石を投じる興味深い知見が得られたことは大変有意義であり、湿式成形プロセスの高度化の大きな一助になるものと期待できる。

３．３．２ 一軸加圧下の顆粒粉体層中の空隙形態の変化の３Ｄ観察図 14 せん断速度の上昇に伴う大きな粒子集合構造の解砕の様子の定量可視化．

一軸加圧成形は、セラミックス分野のみならず、食品や医薬品といった錠剤製品の製造にも欠かせない古典的で生産性の良い乾式の成形プロセスである。原料として、金型への充填性がよい顆粒を用いることが一般的である。顆
粒は、一次粒子からなる粉体と、バインダーや滑剤といった顆粒特性を左右する有機系添加物とをスラリー化してラリーでも成形体に個体差が生じ、最終製品である焼結体の機能や信頼性が低下するなどの問題が生じていた。そこで本研究では、SS-OCT の時空間的な高分解能を活かしたスラリーの内部構造変化とレオロジー特性の同時測定によるオペランド観察と、特定のせん断速度での 3D 構造情

KISTEC研究報告202192【研究開発部】革新的高信頼性セラミックス創製

態解明のために、成形圧力と成形体密度の関係の実験的解明によるモデルの妥当性の検証 9)や、一個顆粒の圧縮試験による顆粒特性評価と成形特性の相関解明 10)、離散要素法（Discrete Element Method: DEM）や有限要素法（Finite
Element Method: FEM）によるシミュレーションなどのアプローチが行われてきた 11-13)。近年では、DEM を基とす
る粉体シミュレーションにおいて、単粒子圧縮試験などで顆粒特性を明らかにし、これらの実験結果にフィッティン
グしたパラメータを用いて圧縮挙動を予測するとともに、
X 線 CT で可視化されたモデル圧粉体の内部構造と比較してモデルの妥当性を検証した報告もある 14)。しかし、応力場下の粉体層中の粒子充填過程を直接的に観察した報告

図 15 浸液透光法で観察した原料に用いた市販 Al2O3 顆粒のはない。そこで本研究では、一軸加圧中の顆粒からなる粉体層の 2D 断面を動的に観察し、さらに断続的な 3D 情報

内部構造．

の取得と画像処理によって粗大な空隙部を抽出し、加圧に伴う空隙形態の変化過程の 3D 可視化と定量評価を行うことを目的とした。評価システムは SS-OCT 装置と材料試験器を融合して構築された。
図 15 は、
浸液透光法で観察した原料に用いた市販 Al2O3
顆粒の内部構造である。浸液透光法は、Al2O3 と屈折率が近い浸液（今回はジヨードメタン）を含浸させることで顆
粒内の散乱を低減し、透過性を向上させることで、内部構造を可視化する手法である。したがって、暗く見える領域
は Al2O3 粒子と屈折率差が大きく異なる界面が存在する

図 16 SS-OCT 装置と材料試験機を融合した評価システム．

ことを意味する。図 15 より、顆粒径は 20－80 μm で、顆
粒の中心部に数十 μm 級のヘソ状の窪み（中空構造）を有することが分かった。また、顆粒内にも点状、あるいは線状の暗部が存在するが、顆粒を構成する平均の一次粒子径は 0.1 μm であることから、顆粒内空隙はサブミクロン以下と考えられる。したがって、OCT 観察では顆粒径に対応したミクロンスケールの顆粒間空隙や、顆粒内の中空構造に起因した空隙が観察されると考えられる。図 16 はオ
ペランド観察中の評価システムの外観である。近赤外光を吸収する金属の代わりに、アクリル樹脂製の型を使用した。
プローブの位置は、粉体層の中心付近が観察領域となるような高さで、型の側面に設定した。したがって、深さ方向（A-scan 方向）は型の径方向に、B-scan 方向は加圧方向に相当する。
図 17（A）は 0.5 s 間隔の OCT 原画像、（B）は原画像中
で黄色の枠で囲った領域内において、信号強度が近赤外光を透過するアクリル樹脂型の壁内部と同等に低く、粉体層中の空隙に対応すると考えられる領域を画像処理で抽出し、二値化後、白黒反転させた画像である。この 1 秒間の印加圧力は 0.2 MPa である。また、（B）に示した白い破線
は、アクリル樹脂製の型と粉体層がなす界面位置であり、カラーの破線円はそれぞれ同じ箇所に存在する空隙をマ

図 17 一軸加圧下の顆粒からなる粉体層中の 2D 断面における空隙形態の連続的な変化．

混合し、種々の方法で造粒して作製するが、その製造過程

ークしたものである。図 17 より、加圧に伴って空隙形態
が連続的かつ複雑に変化していることがわかった。以上かに応じて顆粒内構造は大きく異なる。また、一軸加圧という異方的な応力場の作用や、金型を使用することによる粉ら、SS-OCT を基盤とする本評価システムにより、一軸加圧下の粉体層中の空隙形態の変化過程を動的に観察でき体層中の応力分布に起因して不均質な粒子充填を生じる
ことはよく知られている 7,8)。圧縮成形で起こる現象の実ることが明らかとなった。
図 18（A）は 3D 観察と同時に測定した荷重－変位曲線

93

KISTEC研究報告2021

【研究開発部】革新的高信頼性セラミックス創製

図 18 SS-OCT での 3D 観察と同時に測定した(A)荷重－変位曲線と(B)3D 可視化した一軸加圧下の同一空間における空隙形態の変化
過程．3D 構造中の色は同一体積の球の直径に相当するカラースケールの大きさに対応．

である。アクリル樹脂製の型を使用するため、一般的な一定量評価として、深さ方向への信号強度の減衰の大きさを

軸加圧成形の条件よりもかなり低い設定荷重だが、荷重－変位曲線の形状に着目すると、変位が 2 mm を超えたあた

表す減衰率の分布を 3D 解析して成形体や焼結体の均質性を評価するなど、本稿で述べた以外にも先進的な成果が多りに降伏点をもち、その前後で荷重が変位の増加とともに直線的かつ、緩やかに、そして急激に増加する領域が認め数得られている。また、セラミックス分野での成果を支援技術として展開する他、粉体制御が要素技術となるセラミられた。このような挙動は、粉体層中の顆粒の再配列と顆粒の変形・破壊の影響に起因することが報告されている 15)

ックス以外の周辺分野にも技術拡張を図るなど、プロジェ
クト成果の展開も積極的に進められている最中である。こことから、本研究で目的とする情報は十分取得できていると考え、緑色の斜線部で 3D 観察を行い、同一空間におけれらについては、引き続き学会や論文等で精力的に報告していきたい。

る空隙形態の 3D 可視化を行った。その結果を図 18（B）に示す。なお、定量評価するにあたり、壁効果の影響がな【参考文献】

い型の内壁面と粉体層の界面から 0.3 mm 離れた位置から1.1 mm の深さ方向までを構築対象とした。図 18（B）よ

1) D. Huang, E.A. Swanson, C.P. Lin, J.S. Schuman, W.G.
Stinson, W. Chang, M.R. Hee, T. Flotte, K. Gregory, C.A.

り、3D 可視化によって、加圧に伴う空隙形態の空間的な変化が顕著に変化している様子が容易に理解できた。さらPuliafito, J.G. Fujimoto: Science, 254, 1178-1181 (1991).
2) M. Haruna, M. Ohmi, J. Soc. Insturum. Control Engnr., 45,に本結果より、印加圧力に対する全空隙の体積分率の変化、さらにカラースケールの大きさ毎の体積分率の変化を解

915-921 (2006).
3) M. Haruna, Medical Photonics, 1, 1-5 (2010).

析した。その結果、全空隙率は印加圧力が大きくなるにつれて減少し、その内訳としては、30 μm 以上の粗大な空隙

4) J. Rankin, B.W. Sheldon, Mater. Sci. Eng., A204, 48–53(1995).

は減少し続け、30 μm 未満のより小さい空隙は増減を繰り返すことを定量的に明らかにすることができた。より詳細

5) S.B. Simonsen, I Chorkendorff, S. Dahl, M. Skoglundh, J.
Sehested, S. Helveg, J. Am. Chem. Soc., 132, 7698–7975

については別紙に報告 16)しているので、そちらを参照いただきたい。

(2010).
6) R. Podor, N. Clavier, J. Ravaux, L. Claparede, N. Dacheux,
D. Bernache-Assollant, J. Eur. Ceram. Soc., 32, 353–362(2012).

４．今後の展望
SS-OCT の高い時空間分解能を活かして、セラミックス
製造プロセスを支える粉体、スラリー、成形体、焼結体の7) D. Train, C.J. Lewis, Trans. Inst. Chem. Eng., 40, 235 (1962).
8) S. Tanaka, Y. Kuwano, K. Uematsu, J. Am. Ceram. Soc., 90,

内部構造、そしてその変化過程を非破壊でリアルタイム
2D 観察や高速 3D 観察が可能であることを明らかにした。

3717-3719 (2007).
9) K. Chino, M. Matsuda, K. Kudo, S. Horiuchi, J. Jpn. Soc.

応用展開の一つとして、非破壊検査技術として有用である
ことも明らかにした。事情により割愛したが、より高度な

Powder Metall., 29, 195–200 (1982).
10) M. Takahashi, S. Suzuki, Am. Ceram. Soc. Bull., 64, 1257-

KISTEC研究報告202194【研究開発部】革新的高信頼性セラミックス創製

1261 (1985).
11) A. Shimosaka, T. Suzukawa, Y. Shirakawa, J. Hidaka,
Kagaku Kogaku Ronbunshu, 29, 802–810 (2003).
12) J. Nordstrom, G. Alberborm, G. Frenning, Int. J. Pharm., 540,
120–131 (2018).
13) F. Huang, X. An, Y. Zhang, A. B. Yu, Powder Technol., 314,
39–48 (2017).
14) S. Ishihara, K. Kushimoto, J. Kano, M. Naito, J. Soc. Powder.
Technol., Japan, 55, 492-498 (2018).
15) N. Miyata, Y. Ishida, T. Shiogai, Y. Matsuo, J. Ceram. Soc.
Jpn., 103, 1275-1281 (1995).
16) T. Takahashi, J. Tatami, J. Jpn. Soc. Powder Powder Metall.,67, 615-620 (2020).

95

KISTEC研究報告2021

【研究開発部】革新的高信頼性セラミックス創製業 績【原著論文】

【書籍】

1.

1.

虎瀬なつみ、多々見純一、飯島志行、高橋拓実
窒化物蛍光体粒子分散 h-BN／ガラス複合体の作
製、Journal of the Society of Powder Technology,2.

蛍光体粒子分散用セラミックスの常温緻密化に成功、Yano E plus, 154,100-111(2021)

Japan, 57 (3), 137-143 (2020)
高橋拓実、多々見純一【口頭発表】

光コヒーレンストモグラフィーによる Al2O3 焼結体の内部構造観察、セラミックス（CERAMICS
3.

4.

1.

JAPAN）、55 (2), 103-107 (2020)
山口拓志、多々見純一、矢矧束穂、中野裕美、飯島志行、高近藤敏之
Dislocation-controlled

microscopic2.

mechanical1.7μm の長波長光コヒーレンストモグラフィーによる Al2O3 成形体、焼結体の内部構造観察、第 33

Science, 55 (17), 7359-7372 (2020)
多々見純一、井本有美、矢矧束穂、高橋拓実、飯回秋季シンポジウム、2020 年 9 月 オンライン開催
3.

4.

志行、高橋拓実、近藤敏行
マイクロカンチレバー試験片を用いて微粒子スケ

Novel Evaluation Technique for High-Performance
Ceramics, Journal of the Ceramic Society of Japan,ールで測定した単結晶シリコンの強度と変形、第33 回秋季シンポジウム、2020 年 9 月 オンライン開128, 10, 738-746 (2020)
高橋拓実、多々見純一

催
5.

過程のその場観察、粉体および粉末冶金、67, 11,615-620 (2020)

多々見純一、加藤真由、飯島志行、高橋拓実
成形体の脱脂挙動その場観測のための
TG/FT-IR/OCT 複合システムの開発、第 33 回秋季
シンポジウム、2020 年 9 月 オンライン開催

6.

高橋絵美、高橋拓実、多々見純一

田島充稀、多々見純一、飯島志行、高橋拓実、高橋

Room-temperature densification of MgO bulk
ceramics with dispersed nitride phosphor particles,

絵美
光コヒーレンストモグラフィーによるアルミナセ

Ceramics International, 47, 4, 5013-5018 (2021)

ラミックスの焼成過程における密度分布の可視化、第 33 回秋季シンポジウム、2020 年 9 月 オンライ

多々見純一
マイクロカンチレバー曲げ試験によるセラミック

ン開催

スのメソ領域力学特性評価、CERAMICS JAPAN,
56, 1, 3-6 (2021)
9.

多々見純一、山口拓志、矢矧束穂、中野裕美、飯島高橋拓実
Control of the Particle-Assembled Structure and a

光コヒーレンストモグラフィーによる Al2O3 顆粒の一軸加圧下における粉体層中の空隙の形態変化

8.

相原伊吹、多々見純一、高橋拓実、飯島志行
異なる機械的処理条件によって作製した多層グラフェン被覆ガラス短繊維の磁化率異方性、第 33 回
秋季シンポジウム、2020 年 9 月 オンライン開催

Journal of the European Ceramic Society, 40,
2634-2641 (2020).

7.

高橋拓実、多々見純一

phenomena in single crystal silicon under bending
stress at room temperature, Journal of Materials

silicon carbide ceramics and grain boundary strength
measured using microcantilever beam specimens,

6.

高橋絵美、多々見純一、高橋拓実
MgO バルクセラミックスの常温緻密化と窒化物蛍光体粒子の固定化、第 33 回秋季シンポジウム、2020
年 9 月、オンライン開催

島志行
Relationship between bending strength of bulk porous

5.

多々見純一

7.

水中でのシリカガラスの曲げ強度、第 33 回秋季シンポジウム、2020 年 9 月 オンライン開催

高橋拓実、多々見純一
波長掃引型光コヒーレンストモグラフィーによるセラミックス内部構造の非破壊評価技術、

8.

CERAMICS JAPAN, 56, 1, 7-10 (2021)

KISTEC研究報告2021

宇田充伸、多々見純一、飯島志行、高橋拓実
マイクロカンチレバー試験片を用いて測定された

網中康平、多々見純一、飯島志行、高橋拓実、横内正洋

96

【研究開発部】革新的高信頼性セラミックス創製

α-SiAlON セラミックスの透明性に及ぼす希土類添
加物の影響、第 33 回秋季シンポジウム、2020 年 9の乾燥過程のリアルタイム観察、日本セラミックス
協会 2021 年年会、2021 年 3 月 オンライン開催

月 オンライン開催
9.

18. 南真利子、多々見純一、飯島志行、高橋拓実
Al2O3 成形体の脱脂過程における内部構造と機械的特性のその場観測、日本セラミックス協会 2021 年

多々見純一、梶井健司、飯島志行、高橋拓実
成形プロセスの異なる 8YSZ 成形体のマスターシ
ンタリングカーブ、第 33 回秋季シンポジウム、2020
年 9 月 オンライン開催

年会、2021 年 3 月 オンライン開催
19. 多々見純一、山口拓志、飯島志行、高橋拓実
マイクロカンチレバー試験片を用いた曲げ試験に

10. 高橋拓実
光コヒーレンストモグラフィーを用いた非金属材
料の非破壊評価、ETS-2 委員会、2020 年 9 月 オン

よる 単結晶 BaTiO3 のメソスケール力学特性評価、
日本セラミックス協会 2021 年年会、2021 年 3 月 オ

ライン開催

ンライン開催11. 高橋拓実、多々見純一
波長掃引型光コヒーレンストモグラフィーによる

【表彰】
1.

セラミックス内部構造の非破壊評価技術、2020 年
度第 1 回バルクセラミックスの信頼性に関するワ
ークショップ、2021 年 1 月 オンライン開催

2020 年度米国セラミックス学会
多々見純一2020 年 6 月

Society Fellow【特許】
12. 多々見純一
マイクロカンチレバー曲げ試験によるセラミック

国外特許出願2件

スのメソスケール力学特性評価、2020 年度第 1 回
バルクセラミックスの信頼性に関するワークショ
ップ、2021 年 1 月 オンライン開催
13. 多々見純一、山口拓志、飯島志行、高橋拓実
Strength measurement of BaTiO3 single crystal using
microcantilever beam specimens, ICACC2021, 2021 年
2 月 オンライン開催
14. 多々見純一、田島充稀、飯島志行、高橋拓実,
Visualization of density distribution of alumina
ceramics during sintering estimated by opticalcoherence tomography, ICACC2021, 2021 年 2 月 オンライン開催
15. 高橋拓実、多々見純一
波長掃引型光コヒーレンストモグラフィーによる
Al2O3 成形体と焼結体の光学的な構造均質性の定量
可視化、日本セラミックス協会 2021 年年会、2021
年 3 月 オンライン開催
16. 小野悠綺、高橋拓実、多々見純一、田中諭、土信田
豊
マイクロカンチレバー法による[101]配向 LNKN セ
ラミックスのメソスケール力学特性評価、日本セラ
ミックス協会 2021 年年会、2021 年 3 月 オンライン開催
17. 黒田啓真、多々見純一、飯島志行、高橋拓実
OCT-TG 複合システムを用いたアルミナスラリー

97

KISTEC研究報告2021

KISTEC研究報告202198【研究開発部】腸内細菌叢（解析ツール開発）「腸内細菌叢」プロジェクト

解析ツール開発グループ

プロジェクトリーダー／グループリーダー

大野博司【基本構想】
我が国において 2 型糖尿病患者は増加の一途をたどり、罹患者数は約 1000 万人を数えるに到っている。
2 型糖尿病は高齢者における主要な疾患であり、肥満・脂質異常症・高血圧などメタボリックシンドロームの病態に関与する諸疾患とともに動脈硬化を促進させる。更には心筋梗塞・脳卒中などの合併症のリスク増大を介して日本人の健康寿命を短縮する重大な原因となっており、社会的・経済的問題となっている。
最近腸内細菌と肥満、2 型糖尿病といった生活習慣病との関連が動物やヒトで報告され、このことが肥満や2 型糖尿病の病態に関与するのではないかと考えられている。従って摂取する栄養素やエネルギー状態によって変化する腸内細菌叢を捉えることができれば、肥満や 2 型糖尿病発症といった生活習慣病の予測や治療に役立つと考えられる。本研究では、摂取する栄養素やエネルギー状態の把握とメタゲノム解析による腸内細菌の菌種や機能といった包括的な解析に加え、遺伝的背景を加味し、そのデータを横断的に解析することにより、食習慣、腸内細菌叢、生活習慣病発症の相互関係を明らかにすることを目的とする。方法は、これまでの欧米人の論文をもとに東京大学付属病院の検診受診者で 20 歳から 75 歳までの男女含む
肥満者 100 名、耐糖能異常者 100 名、肥満も耐糖能異常もない者 計 100 名の合計 300 名を対象とした。解析項目は、(1) 簡易型自記式食事歴法質問票(BDHQ)を用いた食事調査と活動量計を用いた身体活動量の測定、(2)腹部エコーを含む臨床データ(3)血中アディポカインの測定、(4)腸内細菌叢の 16S・メタゲノム解析、(5)血中・糞便中のメタボローム解析、(6)単核球を用いたトランスクリプトーム解析、(7)全ゲノムシークエ
ンスによる遺伝子多型解析、(8)統合データベースの作成と解析ツールの開発を行う。このことにより、どのような腸内細菌叢が生活習慣病発症に重要な役割をしているかが明らかとなり、さらに新規バイオマー
カーなどの開発や予防薬、個別化医療といった新しい予防法やリスク診断の実現を目指す。

１．研究目的＜調査項目＞
1) 通常の検診項目

本研究では、東京大学附属病院予防医学センターと共同で、健康診断の受診者うち、空腹時血糖が 110 mg/dL もし
くはヘモグロビン A1c が 6.0％以上の受診者を耐糖能異常

身長、体重、腹囲、体脂肪率、血圧、脈拍、総蛋白、アルブミン、 AST（GOT）、 ALT（GPT）、γ-GTP、総ビリルビ（Impaired glucose tolerance :IGT）群、また、BMI が 25 以
上で正常血糖の受診者を肥満群とし、これらの受診者に加ン、ALP、LDH、コリンエステラーゼ、血清アミラーゼ、
Na、K、Cl、Ca、P、Fe、総コレステロール、HDL コレス

え、同数の非肥満で非耐糖能異常の受診者を健常者群として本研究にリクルートし、通常の検診項目に加えて便や血テロール、中性脂肪、LDL コレステロール、BUN、クレア
チニン、尿酸、空腹時血糖値、ヘモグロビン A1c、赤血球液を採取した。被験者の食事・栄養摂取状況、身体活動量・エネルギー消費量などの生活習慣データ、炎症性サイトカ

数、白血球数、ヘモグロビン、ヘマトクリット、尿蛋白、尿糖、腹部エコー

インを含めた臨床データ、腸内細菌叢の 16S 解析・メタゲ
ノム解析、水溶性や脂溶性のメタボローム解析、CAGE 手2) 食事・栄養調査
簡易型自記式食事歴法質問票(BDHQ)を用いた食事調査、法を用いた RNAseq 解析を行うとともに、これらのデータを統合的・包括的に解析するためのデータベース化を図り、活動量計
3) 血中サイトカインの測定

新しい解析ツールをモジュールした解析ソフトウエアの開発を行うことを目的とした（本研究における調査項目を

Adiponectin, MCP-1, CRP, Adipsin, Leptin, Resistin, SerpinE１、
TNFa, NGF, IL-6, Insulin, IL-8, HGF

下記に示す）。さらに、この統合データベースと解析ソフ
トウエアを用いて、食習慣・身体活動量、腸内細菌叢、生4) ヒトゲノム DNA を用いた遺伝子多型解析
5) 便を用いたメタ 16S 解析、メタゲノム解析

活習慣病発症の相互関係を明らかにし、腸内細菌叢を介した未病改善やリスク診断の開発を行うことを目的として

6) 血液・便を用いたメタボローム解析
7) 単核球(PBMC)から抽出した RNA を用いた CAGE 解析いる（図 1）。

99

KISTEC研究報告2021

【研究開発部】腸内細菌叢（解析ツール開発）

図 1. プロジェクト概要
図 2. 統合データベースの作成

２．研究成果(1) 被験者のリクルートと臨床情報の収集
2017 年 7 月より生活習慣データのリクルートを開始し 311
名（健常者 111 名、肥満者 100 名、耐糖能異常者 100 名）のリクルートが終了した。簡易型自記式食事歴法質問票(BDHQ)を用いた食事調査と活動量計を用いた身体活動量の測定については、219 名分の BDHQ による食事調査について、栄養素について 90 項目、食事の項目として 70 項目について一日当たりの摂取量を解析した。また活動量については 600 時間以上計測できた 170 名について歩数と活動強度についてデータ解析を完了した。
(2) 統合データベースの作成と解析ツールの開発
臨床情報、腸内細菌叢、代謝物の情報のデータベースを作成し、被験者ごとに目的の情報を表示できるインターフ
図 3. 統合データベースのデータマート機能

ェースを作成した。さらに、データ間の関連性を簡単に調べるため臨床情報と各データの相関解析を行うツールも実装した（図 2）。さらにデータベースの機能として、デー
タベースとして利用する際に、研究者側の興味のある被験(3) 血中・糞便中のメタボローム解析
血液、及び、糞便から水溶性と脂溶性代謝物の抽出を行

者のデータを取り出せるようにデータマート機能を実装した（図 3）。取得したい臨床情報やオミクスデータを選択

い、水溶性代謝物はガスクロマトグラフィー質量分析を用
いて分析を行い、306 検体の糞便中から 124 種類、血清中から 102 種類の代謝物を同定した。また、脂溶性代謝物

し、被験者の背景（年齢、性別、BMI など）の設定値を入力して被験者の絞り込みを行い、出力することが可能となは液体クロマトグラフィー質量分析を用いて分析を行い、3 糞便中から 1927 種類、血清中から 625 種類の物質を同定した。

った。

(4) 腸内細菌叢解析
健常者、肥満者、耐糖能異常者の糞便検体を用いて、DNA抽出し、16S rRNA 遺伝子の V1-2 領域を PCR で増幅しシークエンシングを行い、菌種の同定を試みた。門レベルにおいて肥満者で Bacteroidetes が健常者、耐糖能異常と比較し有意に減少していた。更に肥満者では健常者と比較しActinobacteria が有意に増加していた。以前の日本人の肥満

KISTEC研究報告2021

100

【研究開発部】腸内細菌叢（解析ツール開発）者と非肥満者の腸内細菌叢を比較した研究から、上記で認めた代謝産物を産生する腸内細菌叢を明らかに

Bacteroidetes が肥満者で減少しており[1]、今回の研究結果と一致していた。

するため、メタゲノム解析に必要な DNA 量が採取できた290 検体の糞便から DNA を再抽出し、ショットガンシー

属レベルで有意差検定を行った結果、Collinsella 属のみが肥満群と耐糖能異常群で有意に増加していることがわ

クエンシング法によるメタゲノム解析を行った。その結果、
7G のシーケンシングリードが得られ、そこから約 6.5M のかった。Collinsella 属の基準株である C. aerofaciene はヒトの主要な腸内細菌の１つとして知られている。Collinsella

遺伝子を同定した（図 4）。本研究のデータは過去に報告されていた日本人のメタゲノム解析から得られた遺伝子数

属が肥満者で増加し、食物繊維摂取量の低下により増加するという報告[2]があるため、Collinsella 属は肥満により増（約 4.8M）[6]よりも多く、本研究から新規遺伝子を含む
より多数の日本人の腸内細菌の遺伝子カタログを得るこ

加する細菌である可能性が考えられた。

とができた。

(5) 各種データの相関解析
代謝物データは相互の相関係数に応じてクラスタリング
を行い代謝物クラスター（Co-abundance group; CAG）を作成した。まず、被験者の耐糖能異常や肥満の表現型とこれらの代謝物クラスターとの相関について解析した。本研究では、健常者、肥満者、耐糖能異常者からそれぞれ血清生
化学検査、および血中のインスリン、アディポカインを測定している。これらの情報をもとに、糖尿病の指標として
空腹時血糖（FBG）、HbA1c、HOMA-IR（インスリン抵抗性指数：早朝空腹時の血中インスリン値と空腹時血糖値から算出され、インスリン抵抗性の簡便な指標として臨床上よく使用される）、肥満の指標として BMI などを臨床データとして組み込み、相関解析を行った。その結果、糞便中の水溶性代謝物に関しては、単糖や糖代謝物のクラスター

図 4. メタゲノム解析から推定された糞便中の腸内細菌の遺伝が HOMA-IR、脂肪肝（NAFLD）、メタボリック症候群（MetS）
やその他のパラメーターと強い正の関連を示していた。次子数に、腸内細菌叢データと代謝物クラスターの結果との相関解析を行い、耐糖能異常と関連のある代謝物と細菌の同定

メタゲ ノム 解析の 結 果、糞 便糖 代謝物はPhosphotransferase system や Starch and sucrose metabolism な

を試みた。
その結果、
単糖や糖代謝物のクラスターは Dorea
属、Coprococcus 属などの腸内細菌と正の相関を示す一方、

ど糖代謝に関わる KEGG pathway に含まれる遺伝子と強く相関しており、またこれらの遺伝子は HOMA-IR、中性脂

Bacteroides 属、Alistipes 属などの細菌と負の相関を示した。
特に Dorea 属と Coprococcus 属は Lachnospiraceae 科に属す

肪などの代謝異常マーカーとも関連していた。以上の結果
から、糞便代謝物と腸内細菌の機能変化が関連しているこる細菌種であり、過去の報告でも肥満や糖尿病との関連が示唆されている[3]。また、単糖や糖代謝物の増加は、腸内とが示された。

環境において多糖の分解が亢進している可能性を示唆している。過去の報告ではマウスにおいて多糖の分解亢進に(7) マウス試験によるインスリン抵抗性に関わる腸内細菌の評価よる宿主への過剰なエネルギー供給が肥満に関与する可能性が指摘されているが[4]、ヒトにおいては未だ実証され相関解析により、Dorea 属、Coprococcus 属などの腸内細菌はインスリン抵抗性の指標と正の相関を示し、ておらず、今回の結果はその仮説を証明する重要な知見となる可能性がある。

Bacteroides 属、Alistipes 属などの細菌は負の相関を示した。
このヒトのデータから示唆された細菌とインスリン抵抗

同様の手法を用いて脂質代謝物クラスターと腸内細菌との関連も検討したところ、顕著な所見としてリゾホスファ

性との因果関係を解析するため、高脂肪食誘発性肥満モデ
ルマウスを用いて上記の腸内細菌を投与したマウスのイ

チジルコリン（LPC）がインスリン抵抗性の高い被験者の検体で増加していたこと、またこれらの代謝物は Alistipes

ンスリン抵抗性の評価を行った。C57BL/6N マウスに高脂肪食（HFD）負荷を行い、3 週間、計 6 回腸内細菌を経口属や Parabacteroides 属と負の相関を示すことがわかった。
腸管内での LPC の増加と腸内細菌によって生成される代投与した。その結果、体重増加には影響はなかったものの、インスリン負荷試験ではヒト由来検体の結果と同様の結謝物は動脈硬化性疾患との関連が示唆されており[5]、今回の結果は糖尿病患者において動脈硬化性疾患が増加する果が得られた。

一つの機序を示唆している可能性がある。

(8)PBMC の CAGE 手法による遺伝子発現解析
PBMC の CAGE 解析（理化学研究所が開発した mRNA(6) 腸内細菌叢のメタゲノム解析の 5’末端から約 20 塩基をタグとして切り出す技術で、高101

KISTEC研究報告2021

【研究開発部】腸内細菌叢（解析ツール開発）

速シーケンシング技術と組み合わせることによりゲノムータ、臨床データ等を他の疾患と比較することも可能とな

ワイドな遺伝子発現プロファイルを得ることができる）が完了した。この PBMC の遺伝子発現データと血漿中のサり、他の疾患に対する新規バイオマーカーなどの探索や予防薬等の開発につながることが期待できる。

イトカインやアディポネクチンのデータとの相関解析を行ったところ、炎症性サイトカインやアディポネクチンと【参考文献】
1.

有意な相関のある遺伝子を明らかにした。また、その中でインスリン抵抗性（IR）と有意な相関が見られた遺伝子はKasai C, Sugimoto K, Moritani I, et al. Comparison of thegut microbiota composition between obese and non-obese

特に炎症に関わる遺伝子であることが分かった。この結果
から、インスリン抵抗性の被験者は全身性の炎症状態にあindividuals in a Japanese population, as analyzed byterminal restriction fragment length polymorphism andることが推察された。

next-generation
2015;15:100.
2.

(9) メタデータを使用した IR と MetS 予測
取得した便中の腸内細菌メタ 16S データ、メタゲノムデ

sequencing.

BMC

Gastroenterol.

Gomez-Arango LF, Barrett HL, Wilkinson SA, Callaway
LK, McIntyre HD, Morrison M, et al. Low dietary fiberータ、メタボロームデータを使用し、IR と MetS の診断の予測精度について ROC（receiver operating characteristic）曲

intake increases Collinsella abundance in the gut microbiotaof overweight and obese pregnant women. Gut Microbes.

線を作成し、曲線下の面積（AUC：area under the curve）から評価した。鑑別能力が高いデータであれば AUC の値は2018;9(3):189-201.
Allin KH, Tremaroli V, Caesar R, Jensen BAH, Damgaard

3.

MTF, Bahl MI, et al. Aberrant intestinal microbiota in
individuals
withprediabetes.
Diabetologia.

1 に近づく。IR と MetS の診断において、メタ 16S データ
だけでは AUC は 0.6 前後で予測精度は低い結果であった。
メタゲノムデータとメタボロームデータの AUC は 0.8 前
後であり中程度の予測精度が得られた事がわかった。また、

4.

2018;61(4):810-20.
Turnbaugh PJ, Ley RE, Mahowald MA, Magrini V, Mardis

最も高い AUC はメタボロームデータであった事から、便中のメタボロームデータが最も IR や MetS の状態を反映

ER, Gordon JI. An obesity-associated gut microbiome withincreased capacity for energy harvest. Nature.

していると考えられた。

2006;444(7122):1027-31.
Wang Z, Klipfell E, Bennett BJ, Koeth R, Levison BS,

5.

Dugar B, et al. Gut flora metabolism of phosphatidylcholine
promotes
cardiovasculardisease.
Nature.

３．今後の展望
統合データベースについてはこれまでにリクルートした健常者、肥満者、耐糖能異常者のサンプルから、臨床情報、簡易型食事頻度アンケート(BDHQ)、CAGE 手法を用

6.

2011;472(7341):57-63.
Nishijima S, Suda W, Oshima K, Kim SW, Hirose Y, Morita

いた血中単核球の RNA-Seq データ、糞便中と血中の代謝物データ、糞便中の腸内細菌叢とメタゲノムデータの取得

H, et al. The gut microbiome of healthy Japanese and its
microbial and functional uniqueness. DNA researchを完了しており、これらのデータを順次統合データベースに集約している。さらに、データ公開や提供に向けたイン2016;23(2):125-33.

ターフェース構築や運用方法について、現在、研究者から意見を聞き、運用にあたり必要なツールを実装するように開発を進めている。さらに、それぞれオミクス階層における単回帰分析や多重ロジスチィック解析、腸内細菌解析特有の α 多様性、β 多様性などの解析ツールを上記の統合データベースに組み込むとともに、横断的解析である相関解
析、主成分解析、クラスター解析やランダムフォレストなどの機械学習のアルゴリズムなどの解析手法を取り入れる。また、被験者の全ゲノムシークエンスの解析を進め、個別化に向けた解析システムを構築する。
横断的解析ツールを用いて解析した結果、インスリン抵
抗性やメタボリックシンドロームに関与する腸内細菌や代謝物を同定しており、インスリン抵抗性に関してはマウ
スモデルへの腸内細菌投与によりインスリン抵抗性の悪化、もしくは、インスリン感受性の改善を証明することができた。これらの結果について論文を投稿中である。
今後、本プロジェクトにより作成したデータベースや解析ツールを公開することにより、健常者、及び、生活習慣病発症に関する日本人特有の腸内細菌叢の変化、代謝物デ

KISTEC研究報告2021102【研究開発部】腸内細菌叢（解析ツール開発）

肥満者、または、耐糖能異常者に特有の腸内細菌と代謝物の探索
腸内細菌叢プロジェクト

解析ツール開発グループ
中西

１．

はじめに

裕美子

所に応じて作成する必要があると提唱されている。

近年、肥満や 2 型糖尿病（T2D）といった生活習慣病と腸内細菌との関連が動物やヒトで報告されている。肥満の１．２ 日本における肥満や T2D を対象とした腸内細菌研究

ヒトでは Firmicutes 門の細菌と Bacteroidetes 門の細菌の比（Firmicutes/Bacteroide[F/B]比）が高く、細菌種の多様性は前述のように、
海外ではヒトを対象とした肥満や T2D の低いことなどが報告されている。さらに肥満や T2D の患者の腸内細菌を無菌マウスに移植すると同様の病態を生対規模なコホート研究が行われているが、日本人における肥満や T2D の腸内細菌叢の研究例は少ない。肥満に関しじることから、異常な菌の組成そのものが病態の原因の１つであることが証明されている。従って、肥満や T2D にては 2015 年に発表された健常者 23 名と肥満者 33 名の糞
便中の腸内細菌叢を T-RFLP（Terminal Restriction Fragment

伴う異常な腸内細菌叢を改善することで病態の治療や予防に役立つことが期待されている。本研究では、肥満やLength Polymorphism）法で比較した結果では、Bacteroidetes門の細菌が肥満者で有意に低かったことを報告している

T2D の発症に関連する腸内細菌やその代謝物を探索し、また、それらの機能解析を行うことで、肥満や T2D の発症[7]。また、T2D に関しては健常者 50 名と 2 型糖尿病患者
50 名の糞便中の腸内細菌を RT(Real time)-PCR 法で比較しや悪化に関与する腸内細菌のメカニズムを解明する。

た結果、T2D 患者で C. coccoides group、Atopobium cluster、Prevotella 属が有意に減少し、Lactobacillus 属が有意に増加

肥満や T2D と腸内細菌との関わり

近年、世界中で増加の一途をたどっている肥満や糖尿病していた。また、C. coccoides group、Atopobium cluster はT2D 患者の血中でも検出された。T2D 患者では糞便中のが腸内細菌と密接な関わりがあると多数報告されている。
まず、2006 年に Gordon らのグループが肥満の患者や肥満

酢酸、プロピオン酸が有意に減少していたことも報告している[8]。これらの研究では、症例数が少ないこと、また、

モ デ ル マ ウ ス に お い て 、 Firmicutes 門 が 増 加 し 、Bacteroidetes 門が減少することを報告した[1, 2]。その後、

腸内細菌叢を解析する手法として、T-RFLP 法や RT-PCR
法を用いているが、これらの方法では腸内細菌叢の一部分

肥満のヒトや肥満モデルマウスにおいて、Verrucomicrobia
門の Akkermansia mucinphila の割合が減少していることがを解析することしかできないことが問題であり、症例数を増やし網羅的な解析法による腸内細菌叢解析を行い、日本

明らかとなり、同菌をマウスに経口投与したところ、インスリン抵抗性や脂肪の蓄積といったメタボリックシンド

人における肥満や糖尿病の発症に関わる腸内細菌を探索することが重要である。

１．１

ロームの病態を改善できたことが報告された[3]。一方、
T2D の発症には遺伝的要因と環境要因が関与すると考え

２．１ 実験方法
２．１．１ ヒト試験の概要られているが、これまでの研究から遺伝学的要因の寄与は小さく、環境要因の影響の方が大きいことが示唆されてい本研究では、東京大学附属病院予防医学センターと共同る[4]。そのため、環境要因の１つとして近年、腸内細菌の重要性が注目されており、実際に、中国やヨーロッパにおで、健康診断の受診者うち、空腹時血糖が 110 mg/dL もし
くはヘモグロビン A1c が 6.0％以上の受診者を耐糖能異常

いて T2D 患者の大規模コホート研究が行われた[5, 6]。中国人の T2D 患者の腸内細菌叢のメタゲノム解析（細菌の（Impaired glucose tolerance :IGT）群、また、BMI が 25 以
上で正常血糖の受診者を肥満群とし、これらの受診者に加ゲノム情報すべてを読み、どのような遺伝子を持つかを解析する手法）結果から、T2D 群に特徴的な腸内細菌の遺伝

え、同数の非肥満で非 IGT の受診者を健常者群として本研究にリクルートし、通常の検診項目に加えて便や血液を子群を用いて T2D 発症リスクを判別することが可能であることが報告されている[5]。また、ヨーロッパでも同様の採取した。2017 年 7 月よりリクルートを開始し 311 名（健常者 111 名、肥満者 100 名、耐糖能異常者 100 名）をリク

コホートが行われたが、２つコホート研究を比較するとヨーロッパ系コホートと中国人コホートでは T2D を識別すルートした。

るメタゲノムマーカーが異なっていたことから、メタゲノ
ムによる T2D 予測法は、研究の対象集団の年齢や居住場

103

KISTEC研究報告2021

【研究開発部】腸内細菌叢（解析ツール開発）と IGT 群で有意に増加していることが分かった。

２．１．２ 腸内細菌叢解析
採取した糞便から DNA 抽出し、16S rRNA 遺伝子の V12 領域を PCR で増幅した後、Miseq（llumina）によりシー。得られた遺伝子配列から 97%以
ケンスを行った（図 1）
上の類似性をもつ配列を Operational taxonomic unit (OTU)と設定した。OTU の系統分類は、理化学研究所内で保有している腸内細菌のゲノム DNA 情報をリファレンスとして

２．２．２

メタボローム解析の結果

血液、及び、糞便から水溶性代謝物を抽出し、水溶性代謝物は GCMS を用いて分析を行い、306 検体の糞便中から124 種類、血清中から 102 種類の代謝物を同定した。
まず、代謝物に関しても全体的な傾向を調べるため、主成分分析

種レベルまで分類した。

（Principal component analysis: PCA）を行った結果、血漿中
代謝物は IGT 群が他の２群と比較しクラスターが分離し

２．１．３ メタボローム解析ており、全体的に代謝物に変化がみられた。一方で糞便中代謝物についてはあまり 3 群が分離しておらず、全体的な腸内細菌叢解析に用いた糞便検体から水溶性代謝物と短鎖脂肪酸を抽出し、それぞれの抽出サンプルをガスクロ
マトグラフィー質量分析計（GCMS-TQ8030、島津製作所）
を用いて、測定を行った（図 1）。水溶性代謝物の抽出と誘導体化は、糞便に水：MeOH：クロロホルムを 5：5：2 のその結果、64 化合物に有意差（P 値が 0.05 以下）が見られた。有意差が見られた血漿中代謝物の種類について着目

比率で加え、上層の水溶性画分を凍結乾燥した後に、Methoxyamine を 加 え オ キ シ ム 化 後 に N-Methyl-N-

するとアミノ酸や単糖が IGT 群で多く、短鎖脂肪酸が健常者群で多いことが分かった。

trimethylsilyl-trifluoroacetamide を加えトリメチルシリル化

糞便中代謝物についても、多群検定を行い 3 群間で有意に異なる代謝物を調べた。その結果、34 化合物に有意差

傾向に違いは見られなかった。次に、血漿中代謝物について、多群検定を行い 3 群間で有意に異なる代謝物を調べた。

を行った。また、短鎖脂肪酸の抽出と誘導体は、水：HCl：
ジエチルエーテルを 2：1：4 の比率で加え、上層の脂溶性
画

分

を

採

取

し

、

（P 値が 0.05 以下）が見られた。血漿中代謝物ではアミノ酸や単糖が IGT 群で多かったが、糞便中代謝物では肥満

N-tert-Butyldimethylsilyl-N-

methyltrifluoroacetamide を加え誘導化を行った。それぞれ群で特にそれらの物質が多い傾向にあり、血漿中と糞便中では異なる傾向にある事が分かった。

の誘導体化した サンプルは BPX-5 カラムを用いて、
GCMS-TQ8030 の MRM モードで測定を行った。

２．２．３
構築

LC-MS を使用したメタボローム解析のこれまで GCMS を使用したメタボローム解析を行ってきたが、一部の代謝物は GCMS での分析系では測定することが難しい。そこで、液体クロマトグラフィー質量分析
計（LCMS）を使用し計測する代謝物を増やし解析するため、新たな LCMS の分析系を構築した。
LCMS-8040（島津製作所）を用いて、カラムは Discovery
HS F5（Sigma）を使用し移動相 A 液（0.1%ギ酸）、B 液（0.1%ギ酸/アセトニトリル）をグラジエント溶出し代謝物の分離を行い、MRM モードで測定を行う系を構築した。
このシステムを使用し、アミノ酸系代謝物を 14 物質、ビ
タミン 6 物質、また、腸内細菌が介在し動脈硬化を誘発す

図 1. 分析の概要

る報告がある代謝物 4 物質を新たに計測することが可能となった。

２．２ 結果２．２．１ 腸内細菌叢解析の結果

以上より、現在までに GCMS のシステムで 310 物質、
LCMS のシステムで 22 物質を計測することが可能となっ腸内細菌叢の全体的な変化を比較するため、データのグ
ループ間の距離の指標である Weighted unifrac distance を計
算し Principal coordinate analysis（PCoA）プロットを行った

た。

ところ、3 群は分かれることはなかったため、全体的な細菌叢において変化は見られなかった。また、腸内細菌叢の２．２．４ 動脈硬化関連代謝物と HOMA-IR との関連性

多様性の低下が疾患に関連するなどの報告があるが、多様性についても 3 群では変化がなかった。次に、細菌の系統

LCMS で計測した動脈硬化を誘発する代謝物について、
健常者群、肥満群、IGT 群で比較した結果、血漿中の代謝的な種類ごとに比較を行ったところ、肥満群ではBacteroidetes 門の細菌が有意に減少していた。これは過去物 A が健常者群と比較し IGT 群で有意に増加していた（P=0.0008, Kruskal-Wallis test followed by Dann’s multipleの研究の結果とも一致していた。また、肥満群ではActinobacteria 門の細菌も有意に増加していた。細菌の分類

comparison test）。その他の関連代謝物は IGT 群で高い傾向にあるものの有意差はなかった。次に、HOMA-IR（インスを属レベルで比較を行ったところ、Collinsella 属が肥満群

リン抵抗性指数：早朝空腹時の血中インスリン値と空腹時

KISTEC研究報告2021104【研究開発部】腸内細菌叢（解析ツール開発）

血糖値から算出され、インスリン抵抗性の簡便な指標とし【参考文献】て臨床上よく使用される）を用いて、HOMA-IR と動脈硬化関連物質の相関解析を行った。その結果、血漿中と糞便

1. R. E. Ley, P. J. Turnbaugh, S. Klein, J. I. Gordon, Human gut
microbes associated with obesity. Nature 444, 1022-1023 (2006).
2. P. J. Turnbaugh et al., An obesity-associated gut microbiomewith increased capacity for energy harvest. Nature 444, 10271031 (2006).
3. H. Plovier et al., A purified membrane protein from
Akkermansia muciniphila or the pasteurized bacterium improves
metabolism in obese and diabetic mice. Nature medicine 23,
107-113 (2017).
4. C. Fuchsberger et al., The genetic architecture of type 2
diabetes. Nature 536, 41 (2016).
5. J. Qin et al., A metagenome-wide association study of gut
microbiota in type 2 diabetes. Nature 490, 55-60 (2012).
6. H. K. Pedersen et al., Human gut microbes impact host serum
metabolome and insulin sensitivity. Nature 535, 376-381 (2016).
7. C. Kasai et al., Comparison of the gut microbiota composition
between obese and non-obese individuals in a Japanese
population, as analyzed by terminal restriction fragment length
polymorphism and next-generation sequencing. BMC
Gastroenterol 15, 100 (2015).
8. J. Sato et al., Gut dysbiosis and detection of "live gut bacteria"in blood of Japanese patients with type 2 diabetes. Diabetes care37, 2343-2350 (2014).
9. R. Liu et al., Gut microbiome and serum metabolome
alterations in obesity and after weight-loss intervention. Nat Med
23, 859-868 (2017)中の代謝物 A、糞便中代謝物 B が HOMA-IR と有意な相関を示す事がわかった（図２）。

図 2. 血漿中と糞便中の代謝物 A、糞便中代謝物 B と HOMA-IR との相関プロット（代謝物 A、及び、B は動脈硬化に関連する報告がある代謝物）

３．

考察及び今後の展望

糞便中の腸内細菌叢解析の結果から、門レベルでは肥満者で Bacteroidetes が減少し、Actinobacteria が増加していた。属レベルでは Collinsella 属が肥満者と IGT で有意に増加していた。肥満者で Bacteroidetes 門の細菌が減少すること は 過 去 の 報 告 と 一 致 し て い た 。 Actinobacteria やCollinsella 属の変化についてはあまり報告がないため、日本人特有の腸内細菌叢の変化を示していると考えられる。
血漿メタボロームの結果からは、IGT 群ではアミノ酸の増加や糖類の増加が見られ、血中アミノ酸の増加は 2 型糖尿病のヒトで増加しているという過去の報告[9]と一致していた。また、肥満者と IGT の血漿で短鎖脂肪酸が減少していた。短鎖脂肪酸はインスリン感受性や代謝機能を上げる報告があるため、そのような有用な代謝産物が減少していることが、肥満や糖尿病の発症や悪化に関与している可能性がある。糞便メタボローム解析の結果からは、血漿の結果と比較し、グループ間に違いはあまりみられず、血漿中とは異なる代謝物の変動をしていた。腸内の低分子代謝物の多くは吸収され血中に入り、肝臓等で代謝を受けるた
め、糞便中で変化していた代謝物が血中においても同じ変動がみられなかったことが考えられた。
動脈硬化関連代謝物の分析からは、インスリン抵抗性の指標である HOMA-IR と代謝物 A、及び、B が有意な相関を示すことが分かった。これらの結果から、インスリン抵抗性の高い被験者では代謝物 A または B などの動脈硬化を誘発する代謝物が増加し、動脈硬化のリスクが高いことが示唆された。これは糖尿病患者において動脈硬化性疾患が増加する一つの機序を示唆している可能性が考えられた。今後はメタゲノム解析の結果を統合し、代謝物産生に関わる腸内細菌群を特定する。また、簡易型自記式食事歴
法質問票(BDHQ)を用いた食事調査の結果と比較し、食事と動脈硬化関連代謝物の比較も行っていく予定である。

105

KISTEC研究報告2021

【研究開発部】腸内細菌叢（解析ツール開発）

業績【原著論文】
1.

2.

【口頭発表】Zhu Y, Cui G, Miyauchi E, Nakanishi Y, Mukohira H,

Suda W., Hattori M., Kubota N., Kubota T., Ohno H. Gut
Microbial Fermentation of Polysaccharides Impacts

epithelial cell-derived IL-15 determines local maintenanceand maturation of intra-epithelial lymphocytes in the

Insulin Resistance in Humans. American Diabetes
Association 80th Scientific Meeting. 2020, 6, Online

intestine.Int Immunol. 32(5):307-319 (2020)

meeting

Beck K, Ohno H, Satoh-Takayama N. Innate Lymphoid
Cells: Important Regulators of Host-Bacteria

2.

Microorganisms.

對田尚、宮内栄治、内山幹、小井戸薫雄、荒川廣志、
大草敏史、大野博司、喫煙は炎症性腸疾患患者において口腔内細菌の腸管定着を促進し免疫応答を誘導す
る、第 6 回 Gut Microbiota 研究会 2020, 9、京都

Ohno H, Satoh-Takayama N. Stomach microbiota,
Helicobacter pylori, and group 2 innate lymphoid
Exp Mol Med. doi: 52(9):1377-1382 (2020).

4.

Takeuchi T., Nakanishi Y., Mizuno Y., Yamamichi N.,

Shimba A, Abe S, Tani-Ichi S, Hara T, Nakase H, Chiba T,
Sehara-Fujisawa A, Seno H, Ohno H, Ikuta K. Intestinal

Interaction for Border Defense.
8(9):E1342, (2020)
3.

1.

3.

cells.

Nakanishi Y., Ohno H. Omics analysis revealed agingrelated alterations in the intestinal
MBSJ2020. 2020, 11, Online meeting

Ohno H. The impact of metabolites derived from the gut【記者発表・取材】

microbiota on immune regulation and diseases. Int
Immunol. 32(10):629-636 (2020)

1. 大野博司、「腸内細菌が中枢神経系炎症を促進する仕組
みを解明－多発性硬化症の予防・治療に新たな可能性－」
2020.8.27

5.

Satoh-Takayama

N,

Ohno

H.

UnravelingtheHeterogeneity and Specialization of ILCs. Immunity.
53(4):699-701 (2020)【特許】(1) 国内特許出願 0 件(2) 国外特許出願 0 件

6.

Akama Y, Park EJ, Satoh-Takayama N, Gaowa A, Ito A,
Kawamoto E, Darkwah S, Appiah MG, Myint PK, Ohno
H, Imai H, Shimaoka M. Sepsis Induces Deregulation of
IL-13 Production and PD-1 Expression in Lung Group 2
Innate Lymphoid Cells. Shock. 2020 Aug 20. doi:
10.1097/SHK.0000000000001647. Online ahead of print.

【総説】
1.

宮内栄治、大野博司、二種類の腸内細菌が相乗的に中枢神経系炎症を促進する、実験医学 Vol.39 No.3，2021

2.

中西裕美子、大野博司、腸内細菌分野へのメタボロミ
クスの応用、実験医学別冊 メタボロミクス実践ガイ
ド、2021【招待講演】
1.

environment.

窪田哲也、窪田直人、門脇孝

肥満における M2 マク

ロファージ活性化障害機構
2021. 03 富山

第 41 回日本肥満学会

KISTEC研究報告2021106【研究開発部】腸内細菌叢（腸内環境制御）「腸内細菌叢」プロジェクト（腸内環境制御グループ）
グループリーダー福田真嗣【基本構想】
本プロジェクトの目的は、様々な疾患との関連が示唆されている腸内細菌叢を含む腸内環境を適切に制御することにより、腸内環境のバランスの悪化が起因となる疾患の予防や治療につながる腸内環境制御システムの基盤構築である。ヒトの腸管内にはおよそ 1,000 種類、40 兆個にも及ぶとされる腸内細菌が生息している。正常なバランスを保っている腸内細菌叢は外部から侵入する外来細菌の定着を防ぎ、宿主免疫系を活性化する。一方で、腸内細菌叢のバランスの乱れは大腸炎や大腸がんといった腸管関連疾患のみならず、代謝疾患やアレルギー疾患などの発症にも関連することが報告されている。遺伝子解析技術の進歩
により、腸管内に生息する細菌叢の構成や種類については多くの情報が得られているが、生息する個々の腸内細菌が果たす役割、もしくはその培養法については研究途上である。また、腸内細菌叢由来の代謝物質が宿主の健康維持や疾患に深く関与していることが示唆されてきたが、それらがどのような腸内細菌により産生されているかなど不明な点が多い。
腸内細菌叢をはじめとする腸内環境を適切に制御するためには、個々の腸内細菌の特性を理解し、腸内細菌叢由来の代謝物質や菌体自身が宿主へ与える影響を知ることが重要となる。腸内細菌が主に生息する
大腸は嫌気環境であり、腸内細菌叢を構成する細菌のほとんどは偏性嫌気性細菌に区分されている。これ
らの腸内細菌を培養するために、グローブボックスなどの嫌気環境を構築する装置や、これらを用いた嫌気培養による腸内細菌の単離培養法が構築され、腸内細菌の単離培養に使用する培地もいくつか市販されている。しかしながら、現段階の技術では培養できない難培養性腸内細菌も報告されるなど、腸内細菌の培養技術については改善の余地が数多く残されている。本プロジェクトの鍵となる腸内環境制御基盤技術の構築を行うためには、難培養性腸内細菌を含む腸内細菌を安定的に単離・培養することで、標的とする腸内細菌の特性を理解し、自在に操るためのツール開発が必要となる。そこで、本研究では、(1)難培養性
腸内細菌の新規培養法の確立、（2）難培養性腸内細菌単独定着マウスを用いた表現型解析、（3）標的となる腸内細菌を選択的に取得するためのツールの開発、の 3 つの研究課題に取り組んだ。これらの課題に取り組むことで、腸内環境を適切に制御するための基盤技術を確立し、将来的には腸内環境の乱れが素因となるような疾患の新たな予防法や治療法開発への貢献が期待できる。

１．

2020 年度の研究目的

プロジェクト最終年度となる 2020 年度は以下の各項目
を重点項目として定めた。

(2) ヒトもしくはマウス由来腸内細菌の単離・培養技術の確立(1) 腸内細菌基準株の安定的培養技術の確立

ヒトやマウスの腸内細菌叢において主要な割合を占める菌は基準株として単離されているものが多い。一方で、腸内細菌叢を構成する個々の腸内細菌を得るには主に二つの方法がある。一つ目は、ヒトやマウスの便に含まれ腸内細菌叢の中でその割合が低く、数が少ない菌の単離・培養は困難であり、単離・培養するための培地の工夫や既る複数の腸内細菌を寒天培地プレートで培養し、コロニーを形成させ、単離する方法である。二つ目は微生物バンク

存の方法とは異なる新たな培養法の開発が必要不可欠である。多くの腸内細菌は偏性嫌気性細菌に分類され、単に登録されている腸内細菌基準株を入手し、培養する方法である。日本国内において腸内細菌を含む微生物基準株は離・培養中に少量の酸素が混入するだけで死滅することもある。このような特徴を持つ腸内細菌を単離・培養するに

理化学研究所バイオリソースセンター（以下、理研 BRCと記載する）内の微生物材料開発室に保管・登録されておは、培養環境中の酸素を可能な限り除去することが必要である。加えて、われわれの体内には食物に由来する多くのり、入手できる(URL: http://jcm.brc.riken.jp/ja/)。プロジェ
クト計画段階より蓄積してきたヒトおよびマウスの腸内

栄養素や未消化物が存在しており、腸内細菌はそれらを栄養源として増殖している。そのため細菌の増殖に必要な栄細菌叢の解析データから、健康や疾患に関与することが想定される細菌種の基準株を理研 BRC より購入した。入手

養等を添加した新たな培地を作製することも重要な課題となっている。これらのことを踏まえ、新たな培地作製やした腸内細菌基準株は、次項以降に示す研究にて使用する
ため、嫌気チャンバー内にて安定的かつ容易に培養する方

新規培養装置を使用した難培養性腸内細菌の培養法の検討を行なった。開発した培地や培養法の検証をするために、法を模索した。

健常人の便試料から腸内細菌の単離・培養を試みた。

107

KISTEC研究報告2021

【研究開発部】腸内細菌叢（腸内環境制御）(3) 標的腸内細菌を単離するためのツール開発
腸内細菌叢を構成する腸内細菌の中には、ビフィズス菌
や乳酸菌などに代表される宿主の健康維持や免疫系の亢進に作用する有用菌が存在する。その一方、病原性大腸菌などの腸管関連疾患や代謝疾患・自己免疫疾患に関与する
腸内細菌なども存在する。多種多様な腸内細菌により構成
される腸内細菌叢から特定の腸内細菌を単離するには、先に述べたように便試料懸濁液を直接培地プレートに播種し、コロニーを形成させ単離する方法がある。選択培地や培地に特定の物質を添加することで、ある程度の選択は可能であるものの、標的となる細菌のみを単離する効率は高くない。そこで、標的腸内細菌を効率よく単離するためのツールの開発を実施した。

図 1 ヒトもしくはマウス由来便試料からの腸内細菌の単離・培養の流れ

本年度はヒト便試料より 3 種類のグラム陰性菌の単離・培養に成功した。またマウスの便試料を選択培地に播種し、２．2020 度の研究成果
2020 年度は、以下に挙げる具体的な研究成果を得ることができた。実験方法、結果の詳細は各研究員からの報告

グラム陽性菌を 1 種類単離した。表 2 は本プロジェクト期
間中にヒトもしくはマウスの便試料より単離した腸内細書に記載しているため、本項では要点のみを示す。

菌の数を示したものである。
(1) 腸内細菌基準株の安定的培養法の確立
プロジェクト計画段階およびプロジェクト中に蓄積したヒトおよびマウスの腸内細菌叢の解析データから独自に腸内細菌株のリストを作成し、理研 BRC から入手可能

単離数

グラム陽性菌

グラム陰性菌3 種 (7 菌株)

9 種 (15 菌株)

表 2 単離したヒトもしくはマウス便由来のグラム陽性菌とグラな腸内細菌基準株を取得した。はじめに嫌気性細菌の一般的な培養に広く用いられている GAM ブイヨン培地（以下ム陰性菌の数GAM）を用いて寒天培地および液体培地を作製し、腸内細菌基準株の培養を実施した。本年度入手した 2 種類の腸

難培養性腸内細菌の培養が難しい理由として考えられる一つの要因は、腸内細菌同士の共生関係が双方もしくは内細菌基準株は GAM により安定培養することができた。
しかしながら、昨年度までに安定培養法が構築できなか

片方の生存に必須となる場合が想定される。腸内細菌叢を構成する個々の腸内細菌同士は生存競争を繰り広げる一った 6 種類の腸内細菌基準株については、本プロジェクトで培ってきた嫌気培養法を用いても安定培養することは方で、互いに助け合い共生する細菌も存在していると考えられている。すなわち、ある腸内細菌が産生する代謝物質

できなかった。表 1 はこれまでに本プロジェクトで安定培養法を検証した腸内細菌基準株の数および安定培養の可が他の腸内細菌の増殖に重要である可能性がある。このような状況を擬似的に再現するために、二槽式透析培養器を否をまとめたものである。

用いた腸内細菌の培養を試みた。本培養装置器は細菌を通さずに特定の成分のみを通す特殊な膜を中央部に配置し

基準株

培養

要培養条件

入手数

成功数

検討

ており、腸内細菌叢を含む培地で産生された代謝物質などの成分が膜を通して反対側に供給される仕組みとなってグラム陽性菌48

46

2いる(図 2)。昨年度までに、本培養装置を用い、難培養性

グラム陰性菌17134

表 1 安定培養法を構築した腸内細菌基準株の数(2) ヒトもしくはマウス便由来の腸内細菌の単離・培養
これまで蓄積してきた嫌気培養法のノウハウを用いて、ヒト便試料からの腸内細菌の単離・培養を試みた。便試料に含まれる食物由来未消化物をフィルターにより除去し、残った腸内細菌叢懸濁液を様々な非選択培地/選択培地に播種し、嫌気チャンバー内にてコロニーを形成させた（図1）。プレートに形成されたコロニー群からシングルコロニ

図 2 本プロジェクトで使用した二槽式透析培養法（左図）およーを釣菌し、液体培地内にて培養を継続した。増幅が確認されたものは DNA を抽出し、その配列をシークエンス解

びヒト由来腸内細菌叢を培養した培養初日と培養 4 日目の装置の様子（右図）

析することで、菌種の同定を行った。

KISTEC研究報告2021108【研究開発部】腸内細菌叢（腸内環境制御）

腸内細菌基準株の培養に成功している。そこで本年度は、ヒト由来腸内細菌叢の培養を試みた。その結果、単独培地4．

を用いた培養法では増やすことが出来ない、もしくは単独
培養よりも効率よく増える菌を複数見出すことができた。

ための礎となる腸内細菌に関する新たな知見の取得、制御技術・ツールの開発を 4 年間実施してきた。特に個々の腸総括

本プロジェクトでは、 腸内環境制御基盤技術の構築の内細菌の特性を理解するため、一つでも多くの腸内細菌を単離・培養するための手法の開発に注力した。さらに既存の腸内細菌培養法を基にした新たな腸内細菌用培地などの開発により、59 種類の腸内細菌基準株の安定的培養法(3) 標的腸内細菌単離に向けたツールの開発
多種多様の腸内細菌から構成される腸内細菌叢から標的となる細菌を単離するには、選択培地や特定の基質を添加した培地による培養を経る必要がある。そこで、より効率良く標的細菌のみを単離・濃縮する方法を検討するツーを確立し、嫌気チャンバー並びに様々な種類の選択培地や、市販の培地をベースとして独自に栄養素などを追加した培地である mYCFA を組み合わせることによりヒトまたはマウス由来腸内細菌を 12 種類単離することができた。まルとして抗体に着目した。抗体は抗体産生細胞が産生する
糖タンパク分子で、特定の分子を認識して結合する働きを担う。実際に生体内に侵入した外来抗原を認識し、排除する機構にも抗体は関与している。腸内細菌を認識する抗体

た、新規難培養性腸内細菌の培養法の検討を行い、二槽式
透析培養法を用いた独自の培養法にてヒト腸内細菌叢を培養することで、これまで見出せなかった難培養性腸内細菌を増やすことに成功した。安定的な培養法を確立した腸内細菌については、腸内細菌単独定着マウスの構築や、腸内細菌の投与実験により、腸管常在細菌についての新たな知見を得ることができた。本プロジェクトでは数多くの腸内細菌基準株やヒト由来腸内細菌の単離・培養に成功したが、腸内細菌の特性や宿主に及ぼす影響の解析は動物試験を伴うため時間を要する。今後も、引き続き共同研究先と連携しつつ、重要性が高いと考えられる腸内細菌の腸内細菌単独定着マウスを構築し、代謝物質の網羅的解析、腸管上皮細胞や免疫細胞の変化を検討することで、腸内細菌の特性を理解し、腸内環境制御基盤技術開発のための知見を深める。

の作製は過去にも報告はあるが、その特異性は低く分類学的に類似の腸内細菌も認識してしまうという課題があった。このような課題を解決するために本プロジェクト独自の抗体作製法を用い、腸内細菌に対する抗体の作製を試みた。本手法により昨年度、グラム陽性細菌に対する特異性の高い抗体の作製に成功した。そこで本年度はグラム陰性菌に対する抗体の作製を行った。様々な腸内細菌との交差反応を検証し、標的となるグラム陰性細菌特異的な結合がありながら、同種異株の腸内細菌には結合を示さない抗体を作出することができた。また作製した抗体を用い、標的細菌を含む複数の腸内細菌基準株を混合した腸内細菌混合液から効率よく標的細菌を単離・濃縮することができた（図 3）。

腸内環境制御基盤術構築に向けたツールの一つとして、腸内細菌特異的抗体の作製に着手し、独自に見出した作製法を利用することで、標的細菌に対して高い特異性を有する抗体の作製に成功した。本抗体は、数種類の腸内細菌を混合した腸内細菌混合液から標的細菌を濃縮することが可能である。次の課題としては、多種多様な腸内細菌で構成される腸内細菌叢からの標的細菌の単離・濃縮法の検証が必要だが、本抗体を活用することで、標的細菌を効率良く単離・濃縮するための技術開発に繋がることが期待される。本プロジェクトを通じて作製した抗体は、これまで作製されてきた既報・販売されている細菌に対する抗体とは
図 3 Magnetic-activated cell sorting と作製した腸内細菌特異なり、標的細菌に対する特異性が高い。そのため、本プ

異的抗体を用いた、腸内細菌混合液からの標的細菌分離の概念図

ロジェクトで使用した新規抗体作製法は標的細菌に特異性の高い抗体を作出する上で優れた方法であり、今後は、
これまでに蓄積した腸内細菌の基礎データの中から、機能

3．研究体制本プロジェクトでは、研究を円滑に進めるために様々な性食品開発への応用や創薬の標的として活用することが研究機関との共同研究を実施してきた。共同研究先との綿できる腸内細菌に対する抗体の作製を進め、腸内環境制御

密な連携はプロジェクトを推進する上で重要な項目とな基盤技術開発ツールとして活用する。
今後は、プロジェクト実施中に蓄積したデータやツールを活用することで、腸内環境制御を目指した有用菌を用いたサプリメントや機能性食品の開発、病原性細菌や疾患に対する予防・治療薬の開発など、医療やヘルスケア産業への応用を実施する。最終的には腸内環境を「意のままに」制御するための基盤技術を構築し、健康寿命の延伸を目指す。

る。本プロジェクトではオンラインを活用し、常時研究室同士を繋ぐ環境を構築していた。そのため、COVID-19
による制限下においても、共同研究先とも定期的に進捗状況を報告する機会を設け、プロジェクトの成果や課題の共有を行い、共同研究の進め方を議論することができた。

109

KISTEC研究報告2021

【研究開発部】腸内細菌叢（腸内環境制御）

腸内環境制御基盤技術の開発に向けた
難培養性腸内細菌培養法の確立
中藤 学、大縄 悟志

１．

はじめに

ヒトを含む哺乳類は、生後すぐに外部の環境に曝されることにより微生物との共生関係が始まる。体内にありなが

１．２
と課題

ら外界とも繋がる消化管内も例外ではない。ヒトの腸管にはおよそ 1000 種類、40 兆個もの腸内細菌が生息しており、これまでの研究から各個人の腸内細菌叢の構成、種類および経時的変化が明らかとなってきた。また、項目 1.1 で地球上のあらゆる環境の中で最も生息密度が高い場所の一つとなっている。腸内細菌同士は互いに生存競争を繰り述べたように腸内細菌叢由来の代謝物質は宿主の健康維
持に重要な要素となっているのみならず、疾患とも深く関広げたり、互いに支えあったりしながら一定のバランスを保つことで腸内細菌叢を形成している。食生活の変化が大わることが明らかになってきた。そのため個々の腸内細菌の特性や代謝物質を理解することが重要である。しかしな

きい乳幼児期では腸内細菌叢の変動も大きくなるが、成人になると日々の食事や生活様式により多少の変動はある

がら、それらの代謝物質が腸内細菌叢を構成するなどの腸内細菌由来によるものであるかについては、不明な点が多ものの、腸内細菌叢は安定した状態となる（参考文献 1）。

い。また、これらについての研究報告数が少ない一番の理由は、腸内細菌の培養法が十分に確立されていないことが１．１

腸内細菌叢が宿主に与える影響

個々の腸内細菌を対象とした研究の重要性

宿主と共存関係を構築している腸内細菌叢は宿主に有挙げられる。腸内細菌の多くが偏性嫌気性細菌に分類されており、わずかな酸素の混入により生育が阻害されてしま益な効果をもたらしている。我々は呼吸や飲食などにより、常に外来抗原が体内へと侵入するリスクを抱えている。腸う。脱酸素剤などを利用した簡易的嫌気環境の構築やグローブボックスなどの嫌気培養装置を利用した腸内細菌の内細菌叢は消化管内に侵入してくるこれらの外来抗原の定着を防ぐ役割を果たしている。また、腸内細菌は食物由培養も進んでいるものの、依然として単離・培養ができな
い腸内細菌も数多く存在しているのが現状である。

来の未消化物を栄養源として発酵分解し、その際に代謝物質として低分子を菌体外に放出する。腸内細菌叢由来代謝

１．３

物質は腸管上皮細胞のエネルギー源となるだけではなく、物理的バリアの構築に寄与し腸管上皮細胞の恒常性維持

腸内細菌叢を含む腸内環境を適切に制御する基盤技術の構築は、我々の健康維持や疾患予防に有効な手段となる。

にも重要な役割を果たしている（参考文献 2）。更に、一部の腸内細菌由来代謝物質は宿主の免疫機能を活性化す

このような基盤技術を構築するためには、以下に示す 3 つの課題に取り組む必要がある。

腸内環境制御基盤技術の構築に向けてる。例えば、腸内細菌叢を構成する主要な細菌群の一種であるクロストリジウム目細菌群が食物繊維を代謝発酵し

1.
2.

腸内細菌の安定的な大量培養法の確立
難培養性腸内細菌の新規培養技術の開発

産生する酪酸は、炎症やアレルギーの起因となる過剰な免疫応答を抑制する細胞である制御性 T 細胞の分化誘導を

3.

腸内細菌単独定着マウスの作製や腸内細菌の投与が生体に与える影響の評価促進するといった重要な役割を果たしている（参考文献 3、
4）。

個々の腸内細菌についての基礎データの蓄積は、腸内環境制御基盤技術に必要となる創薬、栄養補助食品、機能性

その一方で、ストレスや生活習慣の乱れにより腸内細菌
叢のバランスが崩れることが疾患につながることも知ら食品の開発にも直結することが期待される。

れている。実際に腸内細菌叢の乱れが大腸がんや大腸炎などの腸管関連疾患のみならず、糖尿病、動脈硬化、自閉症、

２．

アレルギー疾患など多岐にわたる疾患の発症にも関連することが報告されている（参考文献 5）。また、バランス

２．１の乱れた腸内細菌叢由来の代謝物質も、これらの疾患を引き起こす要因となっている（参考文献 6）。ゆえに、腸内である理化学研究所バイオリソースセンターより腸内細菌基準株 2 種類を入手した。これらの腸内細菌基準株に加細菌叢をはじめとする腸内環境を正常に保つことは健康維持にとって重要となる。

え、昨年度までに安定培養法が確立できていない 6 種類の腸内細菌基準株を加えた合計 8 種類の腸内細菌基準株のKISTEC研究報告2021

実験と結果
標的腸内細菌特異的抗体の作製

腸内細菌の特性を理解するために微生物バンクの一つ110【研究開発部】腸内細菌叢（腸内環境制御）

安定培養法の確立を試みた。
嫌気性菌の培養に一般的に用いられている GAM ブイヨ

２．３ ヒト由来腸内細菌単離に向けた新規培養技
術の確立

ン培地（GAM、日水製薬株式会社）を用いて、寒天培地
および液体培地を作製し、嫌気チャンバー内にて本年度入腸内細菌同士は生存競争をすることにより宿主の消化

手した腸内細菌基準株の培養を行った。その結果、2 種類の腸内細菌基準株については、GAM を用いた嫌気培養に管内の限られた生存領域を確保しているが、一方で、互いに共生関係を持つ腸内細菌も存在している可能性が示唆

より安定培養することができた(図 1)。残り 6 種についてはこれまでに本プロジェクトにて確立した様々な嫌気培されている。このような腸内細菌は互いの利益になるような代謝物質を産生、利用することで増殖していることが推

養法もしくは培地を用い、安定培養する方法を検討したが、培養することができなかった。

察される。そこで微生物共生系を検討するために使用される、二槽式透析培養器をベースとした新規腸内細菌培養法の確立を行なってきた。これまで、構築した二槽式透析培養法を使用することで、難培養性腸内細菌基準株の培養に成功している。そこで本年度は、ヒト由来腸内細菌を継時的に培養し、市販培地のみで培養した場合と二槽式透析培養法を比較して有用性を検討した。
フィルターを用いてヒト便に含まれている未消化物を除去し、ヒト腸内細菌叢を調製し、二槽式透析培養器の一方に添加した。供給側培地に mYCFA もしくは腸内細菌含有培地を加えた。嫌気環境下にて培養を行い、経時的にヒト腸内細菌叢培養液を回収した。比較解析用のために

図 1 安定培養法を確立した腸内細菌基準株のグラム染色

ヒトもしくはマウス由来腸内細菌の単離・GAM、mYCFA にそれぞれヒト腸内細菌叢を加えたもの（以下、単独培地培養法と表記する）を同様に培養し、継昨年度に引き続き、ヒト便試料からの腸内細菌の単離を時的に培養液を回収した。各時点における培養液から
DNA を抽出、16S-rRNA 遺伝子アンプリコンを網羅的に解試みた。これまでに蓄積したノウハウを用い、複数の培地を選択することにより、腸内環境制御基盤技術への応用が析し、二槽式透析培養法と単独培地培養法との比較解析を実施した。その結果、培養前のヒト腸内細菌叢に一番近い期待される腸内細菌の単離培養を行なった。
はじめに径の異なるフィルターを組み合わせ、そこにヒ

種類の腸内細菌を培養するのに適した培養法は、mYCFAを用いた単独培地培養法であることが明らかとなった（図ト便懸濁液を通すことで夾雑物を除いたヒト腸内細菌叢
溶液を調製した。ビタミンやミネラル成分が多く含まれる

3）
。

２．２
培養

YCFA 培地に更に数種類の栄養素を添加した本グループ
独自の改良型 YCFA 培地(mYCFA)を用いてヒト腸内細菌叢溶液を嫌気環境下において一晩培養した。前培養した培養液を様々な選択培地プレートに播種し、嫌気環境下でコロニー形成させた。24-72 時間後に形成されたコロニー群からシングルコロニーを分取し、液体培地内にて培養を継続した。増幅が確認されたものは DNA を抽出し、その配列を 16S rRNA 用ユニバーサルプライマーでシークエンス
解析することで、菌種の同定を行った。その結果、3 種類のグラム陰性菌の単離・培養に成功した（図 2）。またマ
ウスの便試料を選択培地に播種し、グラム陽性菌を 1 種類単離した（図 2）。

図 3 二槽式透析培養法と単独培地培養法によるヒト腸内細菌叢の Operational taxonomic unit (OTU)の比較。F は培養前のヒト
腸内細菌叢を示す

検出された細菌組成をより詳細に解析したところ、二槽式透析培養法では検出される腸内細菌の種類は減少する
ものの、単独培地培養法では増やせない菌を複数見出した。
これらの菌は供給培地側に mYCFA を用いた場合よりも腸内細菌含有培地を用いる方がより効率よく増加することを見出した (図 4)。
図 2 便試料より単離した腸内細菌のグラム染色

111

KISTEC研究報告2021

【研究開発部】腸内細菌叢（腸内環境制御）【参考文献】
1 Odamaki, T., Kato, K., Sugahara, H., Hashikura, N.,
Takahashi, S., Xiao, J.Z., Abe, F., Osawa, R., Age-relatedchanges in gut microbiota composition from newborn tocentenarian: a cross-sectional study. BMC Microbiol. 25:16:90,(2016).
2 Okada, T., Fukuda, S., Hase, K., Nishiumi, S., Izumi, Y.,
Yoshida, M., Hagiwara, T., Kawashima, R., Yamazaki, M.,
Oshio, T., Otsubo, T., Inagaki, O. K., Kakimoto, K., Higuchi,
K., Kawamura, Y. I., Ohno, H., Dohi, T. Microbiota-derived
lactate accelerates colon epithelial cell turnoverstarvation-refed mice. Nat. Commun. 4: 1654, (2013).

図 4 二槽式透析培養法を用いることで、効率よく増やすことができる細菌の一例

３．

in

†
†
†
†
3 Furusawa, Y., Obata, Y., *Fukuda, S. ( co-first and

考察及び今後の展望

プロジェクト期間中に 59 種類の腸内細菌基準株の安定*corresponding author), Endo, T. A., Nakato, G., Takahashi, D.,
Nakanishi, Y., Uetake, C., Kato, K., Kato, T., Takahashi, M.,

的培養法の確立に成功した。一方で、安定培養法の確立出来ていない 6 種類の腸内細菌基準株については増殖に必

Fukuda, N.N., Murakami, S., Miyauchi, E., Hino, S., Atarashi,K., Onawa, S., Fujimura, Y., Lockett, T., Clarke, J.M., Topping,

要な因子が足りていないことが予想された。これらの腸内細菌基準株については、引き続き二槽式透析培養器を用い

D.L., Tomita, M., Hori, S., Ohara, O., Morita, T., Koseki, H.,†
Kikuchi, J., Honda, K., * Hase, K., * Ohno, H. Commensal

た培養もしくは増殖に必要な増殖因子の探索を続ける。
本年度はこれまでに培ってきた嫌気培養法を用い、ヒト便

microbe-derived butyrate induces the differentiation of colonic
regulatory T cells. Nature 504: 446-450, (2013).

由来のグラム陰性菌 3 種類およびマウス便由来のグラム陽性菌を 1 種類単離・培養することに成功した。これらの4 Atarashi, K., Tanoue, T., Suda, W., Oshima, K., Nagano, Y.,

中には、有用な作用をもたらす細菌や疾患に関与する可能性のある細菌も含まれているため、引き続き単離できた細Nishikawa, H., Fukuda, S., Saito, T., Narushima, S., Hase, K.,
Kim, S.W., Fritz, J.V., Wilmes, P., Ueha, S., Matsushima, K.,菌の詳細な機能解析を実施する。腸内細菌が生体に与える影響の評価では、これまでに、グラム陰性常在腸内細菌のOhno, H., Olle, B., Sakaguchi, S., Taniguchi, T., Morita, H.,
Hattori, M., Honda, K. Treg induction by a rationally selected

免疫感作により引き起こされる強い炎症応答を見出した。
炎症を引き起こす因子やメカニズムの一旦は明らかとな

mixture of Clostridia strains from the human microbiota.
Nature 500: 232-236, (2013).

ってきたが、腸管内に存在しているグラム陰性常在細菌がどのような働きを担っているのかについては明らかにな

5 Sekirov, I., Russell, S.L., Antunes, L.C., Finlay, B.B. Gutっていないことが多い。今後は、より詳細にノトバイオー
トマウスを調べることによりグラム陰性常在細菌が生体

microbiota in health
Jul;90(3):859-904. (2010).

にどのような影響を及ぼすのか検討する。
本プロジェクトでは数多くの腸内細菌基準株やヒト由

6 Schulz, M.D., Atay, C., Heringer, J., Romrig, F.K., Schwitalla,

来腸内細菌の単離・培養に成功した。今後は、これらの腸内細菌の機能や宿主に対してどのような影響を与えるの

S., Aydin, B., Ziegler, P.K., Varga, J., Reindl, W., Pommerenke,
C., Salinas-Riester, G., Böck, A., Alpert, C., Blaut, M., Polson,

か検討することが重要となる。今後も共同研究先と連携しながら、一つでも多くの腸内細菌単独定着マウスを構築し、S.C., Brandl, L., Kirchner, T., Greten, F.R., Polson, S.W., Arkan,
M.C. High-fat-diet-

代謝物質の網羅的解析、腸管上皮細胞や免疫細胞の変化を検討することで腸内細菌の特性を理解し、腸内環境制御基

mediated dysbiosis promotes intestinal carcinogenesis
independently of obesity. Nature. 514(7523):508-12,(2014)

盤技術開発に繋げる。

4．

謝辞

本実験の遂行にあたり、腸内細菌の分離、新規培養技術の構築では慶應義塾先端生命科学研究所の谷川直紀博士、楊佳約博士、筑波大学トランスボーダー医学センターの尾花望博士、森下仁丹株式会社の河野麻実子博士をはじめ多くの方々のご協力を賜りました。厚く御礼申し上げます。

KISTEC研究報告2021

112

and

disease.

PhysiolRev.

【研究開発部】腸内細菌叢（腸内環境制御）

腸内環境制御基盤技術の開発に向けた研究ツールの開発
大縄 悟志、中藤 学、井上 浄

１．

はじめに

１．２

標的細菌特異的抗体の作製意義

ヒトの腸管内に共生する腸内細菌は食物由来の未消化抗体は免疫細胞の一つである B 細胞から産生される糖物を発酵分解することで代謝物質を産生し、腸管上皮細胞の恒常性維持や粘膜免疫系の構築に寄与している。中にはタンパク質で、抗原と呼ばれる免疫応答を引き起こす物質に特異的に結合する能力を持っている。抗原の中には細菌

腸内環境改善効果を有する細菌も存在しており、それらを含む製品や食品はプロバイオティクスと呼ばれ、腸内環境も含まれており、特定の細菌を認識することのできる抗体も報告されている。例えば、有用菌の一つであるを整え、宿主に良い影響をもたらす。その一方で、生活習慣の乱れなどのストレスにより腸内細菌叢が撹乱される

Bifidobacterium longum (B. longum)に対する抗体作製の報告がある。本抗体は B. longum を認識するものの、他のと、腸内細菌叢より産生される代謝物質が疾患の発症に関与することも知られている。機能性食品やプロバイオティ

Bifidobacterium 属細菌にも広く交差性を示すため腸内細菌叢などの集団から標的となる B. longum のみを単離・濃縮

クスの開発、疾患に関連する腸内細菌を標的とした創薬を効率よく進めるには、標的となる腸内細菌を宿主の腸内細するために利用することは困難であることが示唆される（参考文献 5）。B. longum に対する抗体以外にも市販の細菌叢から効率よく分離するツールの開発が必要不可欠である。

菌に対する抗体の多くが的細菌以外の細菌に反応するという問題がある。そのため、腸内細菌叢を構成する多種多１．１

様な腸内細菌の中から標的となる細菌のみを単離するには、より特異性の高い抗体の使用が求められる。

腸内環境を整える方法と課題

腸内細菌叢を含む腸内環境を整える方法として、ヨーグ
ルトや発酵食品等の機能性食品の摂取が一般に浸透して

１．３ 腸内環境制御基盤技術の構築のための研究
ツール作成

おり、日常的に実施可能という観点から予防的アプローチ
として広く利用されている。注目すべきこととして、機能

腸内細菌叢を含む腸内環境を適切に制御する基盤技術

性食品を摂取している間は便中から機能性食品に含まれる有用菌が検出されるものの、摂取していない期間は体内の構築は、我々の健康維持や疾患予防に有効な手段となる。
プロバイオティクスのような基盤技術の構築に向けて、特から有用菌は検出されなくなるため（参考文献 1）、機能性食品の効果は一時的であることが示唆されている。一方異性の高い腸内細菌特異的抗体の取得、作製した腸内細菌
特異的抗体を用いた標的細菌の分離・濃縮法の検討を行っで、ヒトから分離した有用菌をヒトが摂取することで 200
日間経過しても摂取した有用菌が検出されるという報告た。

もある（参考文献 2）。また、臨床的見知からは、潰瘍性大腸炎などの特定疾患に指定されている炎症性腸疾患治２．

療において「便細菌叢移植療法」が一定の効果を示すことが報告されている（参考文献 3、4）
。しかしながら、これ

２．１

らの方法は同一個人由来の細菌叢ではなく他人の細菌叢のため、投与した腸内細菌群が患者の腸内に定着できないとでグラム陽性菌に対する特異性が高い抗体の作製に成功した。そこで本年度は、安定培養法を確立した細菌の中などの問題も残る。そこで腸内環境を調整する一つの手法
として、外来性細菌ではなく宿主由来の腸内細菌を利用し、からグラム陰性菌(以下、細菌 X と表記する)に対する抗体の作製を行った。はじめに一般的に使用されている抗体の再度体内に戻すことにより、持続的な腸内環境改善が期待できると考えた。このような腸内環境制御基盤技術の開発

作製方法（従来法）と本プロジェクト独自の抗体作製法（新規法）を比較し、抗原感作後における血清中の細菌 X にを行うには、宿主由来の特定の腸内細菌を多種多様な腸内細菌が存在する腸内細菌叢の中から効率よく標的細菌の対する抗体価の上昇を ELISA 法により検討した。最終抗原感作が終了した時点で血清を採取し、抗体価を検討したみを単離するツールの開発が重要となってくる。

ところ、従来法に比べ、新規法では有意な抗体価の上昇が確認された（図 1）。

実験と結果
標的腸内細菌特異的抗体の作製

昨年度、本プロジェクト独自の抗体作製方法を用いるこ

113

KISTEC研究報告2021

【研究開発部】腸内細菌叢（腸内環境制御）

図1

最終抗原感作後の血清中の細菌 X に対する抗体価の比較、

図 3 フローサイトメーターによる抗体と代表的な腸内細菌への青は従来法、赤は新規法を示す。* p<0.05

結合の検証。赤色は細菌 X に対する抗体、青はアイソタイプコン
トロール抗体をそれぞれ示している。

２．２

細菌 X に対する特異的な抗体の選抜

抗体価の上昇が確認されたマウスの脾臓を用いて、抗体産生細胞（ハイブリドーマ）の構築を行なった。得られ２．３

抗体を使用したアプリケーションの検討標的となる腸内細菌を特異的に認識する抗体が得られたため、次に腸内環境制御基盤技術へと応用するためのツた 25 クローンのハイブリドーマの中から細菌 X に対する反応性が高いものを選択し、以後の解析に用いた。はじめールとしての有用性を検証した。まず、作製した抗体を用いて以下の点についての評価を行った。

に、細菌 X に対する特異性を検証するために、細菌 X お
よび細菌 X と同種異株の腸内細菌に対する抗体の反応性

1.
2.

の検証を行なった。フローサイトメーターを用いて、各細菌と抗体との反応を検討したところ細菌 X 以外の同種異抗体の結合した標的細菌の再培養は可能か
複数の腸内細菌が存在する中から標的細菌のみを単離・濃縮することができるか
一般的に抗体を用いた標的の分取方法としてはフロー株の細菌に対して反応性を示さなかった（図 2）。

サイトメトリーを使用した分離方法が使用されている。しかしながら、酸素濃度に過敏な腸内細菌を扱うためには可能な限り嫌気環境下において作業をする必要が生じる。そこで、本プロジェクトでは抗体、磁気ナノ粒子、カラムを使用して標的を分離することが可能な、Magnetic-activatedcell sorting (MACS)を使用することとした。MACS 機材は嫌気チャンバーに入れ込むことが可能であり、嫌気環境下で作業をすることが可能である。
項目 1 の検討 のため 標 的細菌 に特異 的抗 体およびMACS に必要な各種試薬を反応させたサンプルをカラムに通したのちに、標的分画を寒天培地上に撒種し、コロニーが形成されるかどうかの検討を行なった。MACS 工程を

図2経たサンプルにおいてコロニー形成が確認された（図 4）。
これらの結果は、作製した抗体と MACS を用いることでフローサイトメーターによる抗体と細菌 X および同種異株

標的細菌を生きたまま単離・濃縮することが可能であることを示すものであった。

への結合の検証。赤色は細菌 X に対する抗体、青はアイソタイプ
コントロール抗体をそれぞれ示している。

次に、作製した抗体と腸内細菌叢を構成する代表的なグ
ラム陰性菌、グラム陽性菌との反応性の検証を行なった。
4 種類のグラム陰性菌、3 種類のグラム陽性菌に対する抗体の反応性を検証したところ全ての細菌に対して結合は見られなかった(図 3)。これらの結果は、新規法を用いることで標的となるグラム陰性菌に対して高い特異性を有する抗体を作製するための有効な手段であることを示唆するものであった。
図 4 MACS 処理した後の細菌 X を寒天培地に播種したのち 24 時
間後のコロニー形成の様子

KISTEC研究報告2021114

【研究開発部】腸内細菌叢（腸内環境制御）

最後に細菌 X を含む 5 種類の腸内細菌を混合した、腸内細菌混合液から作製した抗体を用いた MACS により細ました。厚く御礼申し上げます。

菌 X の単離・濃縮を検討した。作製した抗体を腸内細菌混合液に反応させたのち、MACS による分離・濃縮を検証【参考文献】した。MACS 前後の試料をそれぞれフローサイトメーター(FACS)にて解析したところ、標的細菌を含まない分画であMorita, H., Hattori, M., Robustness of Gut Microbiota of
Healthy Adults in Response to Probiotic Intervention Revealed

るフロースルー分画では細菌 X が含まれず、標的分画において細菌 X の割合が増加していた。より詳細な解析をbyHigh-Throughput
Jun;20(3):241-53, (2013).

実施するため MACS 後のフロースルー分画と標的分画からそれぞれ DNA を抽出し、細菌 X を検出するプライマー

2 Maldonado-Gomez, M.X., Martinez, S., Bottacini, F.,を利用した定量 PCR を実施した。フロースルーと比較した結果、標的分画において細菌 X の濃縮が見られた。
（図O’Callaghan, A., Ventura, M., van Sinderen, D., Hillmann, B.,
Vangay, P., Knights, D., Hutkins , R.W., Walter, J. Stable

5）。

Engraftment of Bifidobacterium Longum AH1206 in the
Human gut depends on individualized features of resident

1 Kim, S., Suda, W., Kim, S., Oshima, K., Fukuda, S., Ohno, H.,

Pyrosequencing.

DNA

Res.

microbiome. Cell Host Microbe. Oct 12; 20(4):515-526, (2016).
3 Ishikawa, D., Sasaki, T., Osada, T., Kuwahara-Arai, K., Haga,
K., Shibuya, T., Hiramatsu, K., Watanabe, S. Changes inintestinal microbiota following combination therapy with fecal
microbial transplantation and antibiotics for Ulcerative Colitis.
Inflamm Bowel Dis. Jan;23(1):116-125, (2017).
4 Paramsothy, S., Kamm, M.A., Kaakoush, N.O., Walsh, A.J.,
van den Bogaerde, J., Samuel, D., Leong, R.W.L., Connor, S.,
Ng, W., Paramsothy, R., Xuan, W., Lin, E., Mitchell, H.M.,
Borody, T.J. Multidonor intensive feacal microbiotatransplantation for active ulcerative colitis: a randomized
placebo-controlled trial. Lancet. Mar 25;389(10075):1218-1228

図 5 MACS 前後におけるそれぞれの試料の FACS の結果（左）、(2017).

細菌 X 検出用プライマーを用いた q-PCR（右）３．

5 Amrouche, T., Boutin, Y., Moroni, O, Kheadr, E., Fliss, I.
Production and characterization of anti-bifidobacteria

考察及び今後の展望

腸内環境制御基盤技術の構築に向けたツールの一つとして腸内細菌特異的抗体の作製に着手し、新規法を利用することで標的細菌のみを認識する抗体の作製に成功した。
作製した抗体は既存の細菌に対する抗体とは異なり特異性が高いものであった。本結果は、プロジェクト独自の新monoclonal antibodies and their application in the developmentof an immune-culture detection method. J Microbiol Methods
Apr;65(1):159-70, (2006).

規抗体作製法が、標的細菌に特異性の高い抗体を作出する
ための優れた方法であることを示唆するものであった。また作製した抗体を利用して、標的細菌を含む腸内細菌混合懸濁液からの標的細菌の分離・濃縮法を構築することにも成功した。次の課題としては、作製した抗体を使用し、多種多様な腸内細菌で構成される腸内細菌叢から標的細菌の単離・濃縮の可否を検討する必要がある。今後は、これまでに蓄積した腸内細菌の基礎データの中から機能性食品開発への応用や創薬の標的として活用することができる腸内細菌に対する抗体の作製を進める。

4．

謝辞

本実験の遂行にあたり、慶應義塾大学の井上ひかる氏、
公益財団法人 実験動物中央研究所の高橋利一氏、小倉智幸氏、何裕遥氏、富山香代氏、野津量子氏にご協力を賜り

115

KISTEC研究報告2021

【研究開発部】腸内細菌叢（腸内環境制御）

業 績【原著論文】

10. Nakamura A., Yokoyama Y., Tanaka K., Benegiamo G.,

1. Wu CJ, Lu, M, Feng X, Nakato G and Udey MC. Matriptase
cleaves EpCAM and TROP2 in Keratinocytes, destabilizing

Hirayama A., Zhu Q., Kitamura N., Sugizaki T., Morimoto K.,
Itoh H., Fukuda S., Auwerx J., Tsubota K., Watanabe M.

both proteins and associated claudins. Cells Apr; 9(4): 1027
(2020).

Asperuloside Improves Obesity and Type 2 Diabetes throughModulation of Gut Microbiota and Metabolic Signaling.
iScience Sept; 23(9):101522 (2020).

2. Seo K., Tanaka K., Fukuda S., Arakawa K. Complete
Genome Sequences of Two Cutibacterium acnes Strains
Isolated from an Orthopedic Surgical Site. Microbiology

11. Tomizawa Y., Kurokawa S., Ishii D., Miyaho K., Ishii C.,
Sanada K., Fukuda S., Mimura M., Kishimoto T. Effects ofResource Announcements Apr; 9(17):e00290-20 (2020).

Psychotropics on the Microbiome in Patients with Depression
and Anxiety: Considerations in a Naturalistic Clinical Setting.

3. Tsukimi T., Watabe T., Tanaka K., Sato P. M., Suzuki H.,
Tomita M., *Fukuda S. Draft Genome Sequences of

The International Journal of Neuropsychopharmacology Sep
25; pyaa070 (2020).

Bifidobacterium animalis Consecutively Isolated from Healthy
Japanese Individuals. Journal of Genomics.8: 37-42, (2020).

12. Ogawa Y, Miyoshi C, Obana N, Yajima K, Hotta-Hirashima

4. Inoue H., Shibata S., Li K., Inoue J., Fukuda S and Arakawa

N, Ikkyu A, Kanno S, Soga T, *Fukuda S, *Yanagisawa M. Gut
microbiota depletion by chronic antibiotic treatment alters the

K. Complete Genome Sequences of Bifidobacterium longum
strain Jih1 isolated from human feces. Microbiology Resource

sleep/wake architecture and sleep EEG power spectra in mice.
Sci. Rep. 10: 19554, (2020).

Announcements May 28; 9(22):e00319-20 (2020).

【招待講演】
5. Toju H., S Abe M., Ishii C., Hori Y., Fujita H., Fukuda S.
Scoring Species for Synthetic Community Design: Network

1. 福田真嗣
腸内環境に基づく層別化医療・ヘルスケアがもたらす未来

Analyses of Functional Core Microbiomes. Frontiers in
Microbiology Jun 25;11:1361. (2020).

第 24 回腸内細菌学会 2020 年 6 月 11 日（誌上開催）

6. Yang J., Yang Y., Ishii M., Nagata M., Aw W., Obana N.,

2. 福田真嗣
消化管内細菌叢がもたらす生体恒常性と疾患

Tomita M., Nomura N., *Fukuda S. Does the Gut Microbiota
Modulate Host Physiology through Polymicrobial Biofilms?

第 62 回歯科基礎医学会学術大会（オンライン開催）

2020 年 9 月 26 日

Microbes and Environments;35(3). (2020).
3. 福田真嗣
7. Caballero-Flores G., M Pickard J., Fukuda S., Inohara N.,
Núñez G. An Enteric Pathogen Subverts Colonization

消化管内細菌叢がもたらす生体恒常性と疾患
第 63 回秋季日本歯周病学会学術大会 2020 年 10 月 16 日

Resistance by Evading Competition for Amino Acids in the Gut.
Cell Host & Microbe Jul 17;S1931-3128(20)30359-0 (2020).

（オンライン開催）

8. *Nakato G., Morimura S., Lu M., Feng X., Wu CJ. and Udey

4. 福田真嗣
腸内環境の制御による感染症予防・治療基盤技術の創出

MC. Amelioration of congenital tufting enteropathy in
EpCAM(TROP1)-deficient mice via heterotopic expression of

第 10 回家畜感染症学会学術集会（オンライン開催）

TROP2 in intestinal epithelial cells. Cells Aug; 9(8): 1847,(2020).

【ポスター発表】

9. Mishima E., Ichijo M., Kawabe T, Kikuchi K., Akiyama Y.,

1. Hikaru Inoue, Gaku Nakato, Masaru Tomita, Joe Inoue,
Shinji Fukuda.

Toyohara T., Suzuki T., Suzuki C., Asao A., Ishii N., Fukuda S.,
Abe T. Germ-Free Conditions Modulate Host Purine

Development of target bacteria-isolation method using
anti-bacterial species specific monoclonal antibody

Metabolism, Exacerbating Adenine-Induced Kidney Damage.
Toxins Aug 26;12(9):E547 (2020).

第 43 回 日本分子生物学会（オンライン開催）

KISTEC研究報告2021

1162020 年 12 月 12 日

2020 年 12 月 4 日

【研究開発部】腸内細菌叢（腸内環境制御）

2. 田中一己、Aw Wanping、鈴木健大、尾花望、楊佳約、
木村彰宏、冨田勝、福田真嗣
米ぬか摂取による大腸炎抑制効果は腸内細菌叢由来トリ
プトファン代謝物質がもたらす
第 43 回 日本分子生物学会 2020 年 12 月 4 日（オンライン開催）
3.竹内奈穂、 田中一己、アウ・ワンピン、尾花望、冨田勝、福田真嗣希少糖摂取による腸内細菌叢の変化は抗肥満効果をもたらす第 43 回 日本分子生物学会（オンライン開催）

2020 年 12 月 4 日【特許】(1) 国内特許出願 2 件(2) 国外特許出願 1 件

117

KISTEC研究報告2021

KISTEC研究報告2021

118

【研究開発部】次世代機能性酸化物材料「次世代機能性酸化物材料」プロジェクト
プロジェクトリーダー

東正樹【基本構想】
全てのモノがインターネットにつながる IoT 社会の実現に向けて、電子デバイスの消費電力の低減や、環境負荷の小さい材料の開発が求められている。例えば 10 ㎝の鉄の棒は、温度が 1℃上がるごとに 1.2mmの熱膨張を起こす。小型・高密度化が進む現在の LSI の配線は 10nm オーダーであり、熱膨張の制御なしには精度を保つことができない。本プロジェクトでは、こうした熱歪みを吸収する「負」熱膨張材料のほか、
低消費電力不揮発性メモリ材料につながる強磁性強誘電体や、風や振動から電気エネルギーを生む圧電発電のための非鉛圧電体などの、革新的な環境調和機能性材料に関する技術的シーズをさらに発展させていく。中でも負熱膨張材料については、企業との連携により安定な材料の供給ができる体制を整え、産業化への歩みを始めている。

１．

2020 年度の研究目的

プロジェクト 2 年目となる 2020 年度は、以下の各項目
を重点項目として研究を行った。

(2) 強磁性強誘電体の単一強誘電ドメイン化
昨年度に引き続き、超低消費電力磁気メモリへの応用が期待できる、電場印加で磁化反転が可能な室温強磁性強誘電体、BiFe0.9Co0.1O3 薄膜の単一強誘電ドメイン化を行う 2)。

(1) 巨大負熱膨張材料高収率合成手法の開発
BiNi0.85Fe0.15O3 は 、 室 温 近 傍 で 既 存 材 料 の 5 倍 の-187ppm/K の巨大な負熱膨張を示す 1)。日本材料技研によ陽極酸化ポーラスアルミナの孔径を拡大し、成膜時の酸素分圧を低下することで、得られるナノドットのサイズと厚って試験的な工業生産が始まったが、現状では前駆体の調整を研究室で行っているため、大量生産が出来ない。これ

さを増やし、強誘電ドメインの観察を可能とする。同時に、深堀りレジストや陽極酸化ポーラスアルミナをマスクパ

は、原料を硝酸に融解して蒸発乾固するプロセスでの硝煙の発生が問題となり、外注先が見つからないためである。

ターンとした、BiFe0.9Co0.1O3 薄膜のエッチング条件の最適化を、電子技術部と共同で行い、メモリデバイスの具体化

令和 1 年度に特許申請した、収率低下の原因となる酸化剤を用いずに巨大負熱膨張材料 BiNi0.85Fe0.15O3 の合成を可能をすすめる。また、ナノギャップ電極についてはギャップ
距離を縮めて、低い印加電圧で分極反転が起こるようにすとする、共沈法による前駆体合成のスケールアップを果たす。この手法をトーメイダイヤでの工業生産に展開し、低る。これにより、信頼性を向上させる。さらに、第一原理計算を用いて、Co 以外に弱強磁相を安定化する元素を探

コスト化を推し進める。また、有望シーズで開発、特許申請した、温度履歴が抑制され、Bi1-xSbxNiO3 の合成にも応索する。バルクの高圧合成と薄膜育成を行う。

用する。これらの応用研究と平行して、新しい負熱膨張材料の開発を進め、高インパクトファクタージャーナルへの論文掲載を目指す。

図 2：GdScO3 基板上の BiFe0.9Co0.1O3 薄膜の強誘電・強磁性ドメイ
ン構造の観察。分極ドメイン像の色は、左の 8 つの<111>方向の分極に相当する。紙面奥から手前への分極反転（71°スイッチン
グ）の前後で、磁気ドメインのコントラストが反転している。

図 1：BiNi0.85Fe0.15O3 の巨大負熱膨張

119

KISTEC研究報告2021

【研究開発部】次世代機能性酸化物材料(3) 非鉛圧電体の研究
現状では 42pC/N に留まっている、Na1/2Bi1/2V1-xTixO3 単斜相相の d33 を向上させる。
現状で d33 が低いのは絶縁性が低

さらに次世代の負熱膨張材料として、電子ドープした

く、分極処理が不完全なためである。絶縁性向上のため、Na/Bi 比の変化や、V サイトへの Mn, Zn, Li の置換、さらには正方晶相の BaTiO3 や K1/2Bi1/2TiO3 の固溶を試す。これ

Na1/2Bi1/2VO3 に関する論文と、強誘電―常誘電転移に伴う負熱膨張を示す BiInO3-Bi2ZnTiO6 の論文が Chemistry ofMaterials に掲載された 3, 4)。後者は Supplementary Coverpage に も 選 出 さ れ て い る 。 ま た 、 PbFeO3 がらはいずれも特許申請済みである。

Pb2+0.5Pb4+0.5Fe3+O3 の電荷分布を持ち、BiNiO3 同様電荷移
動型負熱膨張物質の母物質として期待できることを明ら２．

かにした論文が、Nature Communications に掲載された 5)。

2020 年度の研究成果

以下に挙げるのは、2020 年度の具体的な研究成果でありる。
(1) 巨大負熱膨張材料高収率合成手法の開発
昨年度特許申請した、錯体重合法による巨大負熱膨張材
料 BiNi0.85Fe0.15O3 の前駆体調製が、日本材料技研の外注先によって可能となった。これで、前駆体から高圧処理まで、全ての工程を工業的に行えるようになった。また、環境負荷を低減すすると共に、酸化剤の添加を不要とする共沈法を Bi1-xSbxNiO3 に応用することに成功した。

図 5：PbFeO3 の結晶構造と、走査透過電子顕微鏡像の比較。参考
文献 5)より許諾を得て転載。

(2) 強磁性強誘電体の単一強誘電ドメイン化
強磁性強誘電体 BiFe0.9Co0.1O3 薄膜において、ストライプ状のドメイン構造を持つ領域では、電場印加によって電気分極を反転した際に磁化の面外成分も反転できることを確立し、超低消費電力磁気メモリデバイスの開発を進めている。PFM（圧電応答顕微鏡）の帯電したカンチレバーを

図 3：Bi0.5-xLaxNa0.5VO3, Bi0.5Na0.5-yLayVO3 の負熱膨張。PbTiO3 型構掃引する際に発生する、Trailing Field と呼ばれる実効的な電界によってストライプドメイン構造を生成できること造を持つ Bi0.5Na0.5VO3 の Bi3+を La3+で置換して 6s2 孤立電子対の立体障害効果を減少させることでも、Na+を La3+で置換して V4+に電を昨年度見いだしたが、Trailing Filed には電気的な起源を持つものと、機械的な起源のものがあり、それらが拮抗し子ドープすることでも負熱膨張が起こる。参考文献 3)より許諾を得て転載。

ている事が明らかになった。

図 4：BiIn1-xZnx/2Tix/2O3 の負熱膨張。BiInO3 ではペロブスカイトの A サイトを占める Bi の変位が電気分極の起源であるのが、

図 6：BiFe0.9Co0.1O3 薄膜の電場印加前後の PFM 像。カンチレバー

Bi2ZnTiO6 を固溶させることで B サイトの Zn1/2Ti1/2 が変位するよの帯電の符合と掃引方向で、電気的・機械的 Trailing Field の

うに変化する。参考文献 4)より許諾を得て転載。

KISTEC研究報告2021

方向を制御できる。

120

【研究開発部】次世代機能性酸化物材料

Applied Materials and Interfaces 掲載された。

図 7：BiFe0.9Co0.1O3 ナノドットの面内 PFM(a,b：矢印は分極識別方向)と面外 PFM 像(c)。全ての方向でドット内にコントラストの反転がないことから、シングルドメインになっていることがわかる。
(d)は MFM 像。点線はドットの外径を表している。横向きの単磁区構造になっていることがわかる。

BiFe0.9Co0.1O3 は、電力を消費する磁場を用いず、電場印加によって磁化を反転できることから、超低消費電力磁気メモリ材料として期待している。今年度は、陽極酸化アルミ
箔をマスクとして用いたレーザーアブレーション法によって、70Gbit/inch2 に相当する、直径 60nm のナノドット化に成功した。さらに、圧電応答顕微鏡（PFM）、磁気力顕微鏡（MFM）観察によって、電気分極、磁化共にシング
ルドメインになっていることを確認した。磁気メモリデバ
イス化に向けた、大きな一歩である。
(3) 非鉛圧電体の研究
PbTiO3 などの変位型強誘電体で問題になるサイズ効果（微粒子化すると強誘電性が失われてしまうこと）がない
ことから、秩序―無秩序型の強誘電体 CaMnTi2O6 が注目を集めている。ここでは酸素に平面 4 配位された Mn2+の安定位置が上下 2 カ所に存在し、それらが一方向に揃うことで反転対称性が破れる。それが引き金となって Ti4+の変位

図 9：Na1/2Bi1/2V1– xTixO3 (x = 0.90, 0/95, 0.98)の分極ヒステレも起こる。d0 電子配置の Ti4+を d1 の V4+で置換すると、ヤーンテラー効果によって(Ti,V)の変位が増加し、自発分極

より許諾を得て転載。下図は分極回転による圧電特性増強のイメ

シスループ(a-c)と、圧電定数(d33)の組成依存性(d)。参考文献 7)ージ。

を約 2 倍にできることを見いだした 6)。

【参考文献】
1. K. Nabetani et al., , Appl. Phys. Lett., 106, 061912 (2015).
2. K. Shimizu et al., Nano Lett., 19, 1767 (2019).
3. H. Ishizaki et al., Chem, Mater., 32, 4832 (2020).
4. T. Nishikubo et al., Chem. Mater., 33, 1498 (2021).
5. X. Ye et al., Nat. Commun., 12, 1917 (2021).
6. M. Fukuda et al., Inorg. Chem., 59, 11749 (2020).
7. Zhao Pan et al., ACS Applied Materials & Interfaces, 13,5208 (2021).
図 8：CaMn(Ti1-xVx)2O6 の結晶構造と、V 置換量に対する自発分極。
参考文献 6)より許諾を得て転載。

鉛系圧電体 PbZr1-xTixO3（PZT）は、正方晶相と菱面体晶相の間の相境界近傍に単斜相が存在し、そこでは電気分極の方向が外場によって変化（回転）できるために良好な圧電応答を示すと考えられている。正方晶の Na1/2Bi1/2VO3と菱面体晶の Na1/2Bi1/2TiO3 の、2 種類の非鉛化合物の固溶体において、この分極回転を示す単斜晶相を実現し、圧電応答を向上させることに成功した 7)。この成果は ACS

121

KISTEC研究報告2021

【研究開発部】次世代機能性酸化物材料

新規負熱膨張材料開発手法の確立、及び鉛含有ペロブスカイト型酸化物の特異な電荷分布の解明
酒井 雄樹

１．

はじめに

でも、構造や元素の種類などにより、分極が発現する起源

ほとんどの物質は温度が上昇すると、熱膨張によって長さや体積が増大する。光通信や半導体製造などの精密なは異なり、斜方晶構造をとる BiInO3 14)では A サイトの Biの変位が、正方晶構造をとる Bi2ZnTiO615)では B サイトの位置決めが要求される局面では、このわずかな熱膨張が問題になる。そこで、昇温に伴って収縮する“負の熱膨張”を遷移金属の酸素八面体中心からの変位が分極の起源となっている。1 サイトにおける原子変位量が大きいことが極持つ物質により、構造材の熱膨張を補償(キャンセル)する
ことが試みられている 1-3)。

性構造の高安定性に寄与していると考えると、全体の変位量を複数サイトにうまく分配することができれば、体積収

これまでに、反強磁性転移 4)、電荷移動 5-7)、極性−非極性転移 8, 9)などの相転移が負熱膨張の起源となることがわ

縮の量を維持したまま、負の熱膨張を発現することが可能となる。また、それぞれのサイトで変位のしやすさに差がかってきた。Bi3+0.5Bi5+0.5NiO3 の特異的な電荷分布を取る
ペロブスカイト型酸化物 BiNiO3 は Bi への 3 価のランタあるため、相転移の散漫化や温度ヒステリシスの減少なども期待できる。

ノイド元素置換 5)や Sb3+置換 8)、Ni への Fe3+置換 6)等を行
い、Bi3+Ni3+O3 の電荷分布を安定化させることで、温度誘そこで本研究では、BiInO3 と Bi2ZnTiO6 の固溶体を作成し、原子変位量の複数サイトへの分散が負熱膨張特性に与起の Bi-Ni 間電荷移動（Bi3+0.5Bi5+0.5NiO3→Bi3+Ni3+O3）が可能となる。この際に、ペロブスカイト構造の骨格を担うえる効果を明らかにすることを目的とした。0.00 ≤ x ≤ 0.3のでは、目的としていた負熱膨張の発現と温度ヒステリシ

NiO6 八面体が、 Ni の高価数化により収縮することで負の熱膨張が発現する。Pb2+の孤立電子対による立体化学効果

スの低減に成功した。また、0.60 ≤ x ≤ 0.80 において、BiInO3と Bi2ZnTiO6 の両構造とも異なる、LiNbO3 相が存在していと Ti4+の二次ヤン・テラー効果に起因する、PS = 59 μC/cm2の巨大な自発分極(点電荷モデル)と、c/a = 1.06 の巨大正方ることを発見し、この相が優れた強弾性特性を示すことも明らかにした 16)。

晶歪みを有する 9)、代表的な強誘電体である PbTiO3（チタン酸鉛）も負の熱膨張を示す。PbTiO3 では、極性の構造

また、放射光や中性子源を利用した精密結晶構造解析及
び電荷分布評価により、ペロブスカイト型酸化物鉄酸鉛を持つ強誘電相から非極性の常誘電相への転移の際に、電気分極による構造歪みが解消されるため、a,b 軸長がわず（PbFeO3）が、BiNiO3 同様に元素置換を施すことによって電荷移動型の負熱膨張が期待できる、Pb2+0.5Pb4+0.5Fe3+O3

かに増加する一方、c 軸長が大きく減少する。その結果、全体の体積は約 1%縮む 10)。Pb2+や Pb2+と同様の 6s2 孤立電の複雑な電荷分布を持っていることも明らかになった 17)ので、その研究結果についても報告する。

子対を持つ Bi3+ を含むペロブスカイト型酸化物では、
BiCoO3(PS = 126 μC/cm2、c/a = 1.27)11)や PbVO3(PS = 101

２．

実験と結果

=
μC/cm
分極値と正方晶歪みを有する物質も見つかっており、同様

２．１

BiIn1-xZnx/2Tix/2O3 の負熱膨張及び強弾性特性の極性−非極性転移を利用することで、より大きな負の熱膨張が期待できる。しかし、大きすぎる分極歪みは極性構

BiInO3 と BiZn1/2Ti1/2O3 の固溶体、BiIn1-xZnx/2Tix/2O3 多結晶体は、6 万気圧・1100 ℃の高温高圧条件下で 30 分熱処造の安定化にも繋がっているため、負熱膨張に必要な極性−非極性転移が生じなくなる。我々のグループは、化学置

理後、常圧下 500 ℃で 2 時間アニールすることで作成した。
図 1 に放射光 X 線回折パターンの組成依存性を示す。

換により分極歪みの大きさを低減し、相転移温度を下げるという方法により、PbVO3 の Bi3+置換体で、最大 8%もの

0.0 ≤ x ≤ 0.3 の試料は、BiInO3 と同様の極性の斜方晶構造（空間群 Pna21）を、0.40 ≤ x ≤ 0.80 の試料は、菱面体晶構

体積収縮を伴った負熱膨張を発現させることに成功した
13)。

造、そして x = 1.0 の Bi2ZnTiO6 では極性の正方晶構造（P4mm）を取る。また、0.40 ≤ x ≤ 0.80 の試料で新たに見

今回我々は、新たな負熱膨張材料化開発手法として、分極歪みの大きさを減少させるのではなく、電気分極を発現つかった菱面体晶相は、放射光 X 線回折のリートベルト
解析及び第二次高調波発生測定の結果から、極性のさせる原子の変位を別々のイオンサイトに分散させるという方法を新たに考案した。同じペロブスカイト型酸化物

LiNbO3 型構造(R3c)を有していることも明らかになった
（図１）。

2、c/a

1.229)12)といった PbTiO3 を遥かに凌ぐ自発KISTEC研究報告2021122【研究開発部】次世代機能性酸化物材料

図２に 0.0 ≤ x ≤ 0.3 の斜方晶相における、A サイトの Biの分極方向の変位と、B サイトの遷移金属イオンの酸素八面体の上下の酸素との距離、そして点電荷モデルで計算された自発分極値の組成依存性を示す。置換量が増えるにつれ、A サイトの Bi の変位は減少し、B サイトの遷移金属の八面体中心からのズレが大きくなっていることがわかる。また、A サイト及び B サイトの原子変位の増減が拮抗するため、全体の分極の大きさは組成を変化させても、ほとんど変化がないことも明らかになった。以上の結果から、目的としていた、全体の分極の大きさを維持したまま、分極を発現させる原子変位の量を A サイトと B サイトに分配させることに成功した。
また、温度可変の放射光 X 線回折データから求めた格図 1. BiIn1-xZnx/2Tix/2O3 の放射光 X 線回折パターン（左）と x=0.5の試料の放射光 X 線回折データのリートベルト解析結果（右上）子体積の温度依存性の結果から、0.0 ≤ x ≤ 0.3 の斜方晶相
全ての組成において、負の熱膨張が発現することが明らかと第二次高調波発生測定結果（右下）。第二次高調波の強度がレになった。また、置換量が増えるに従い、相転移が散漫化
され、温度ヒステリシスが減少することも確かめられたであることを示している。参考文献 16)より、American Chemical

ーザー強度の２乗に比例する振る舞いは、菱面体晶相が極性構造
Society の許諾を得て転載。

（図２）。この負熱膨張特性の変化は、分極に対する寄与が複数のサイトに分散されることにより生じる、分極歪みによるエネルギー利得のサイトごとの大きさの違いに起因していると考えられる。
0.40 ≤ x ≤ 0.80 の菱面体晶相は自発分極の値が 80 μC/cm2
以上と大きく、900 K 以上の高い強誘電キュリー温度を持つことから、温度誘起の極性−非極性転移を観測することはできなかった。強誘電性の観測を試みたところ、積層欠
陥に起因するリーク電流により、電場による分極反転を起こすことはできなかったが、強磁性や強誘電性と同様の強的秩序であり、応力による結晶方位の変化を示す強弾性の測定に成功した。
図 3 に BiIn1-xZnx/2Tix/2O3 に対して行なった、一軸加圧時の応力−歪み曲線を示す。歪みが応力に対して非線形な応答をしていることがわかる。この非線形の歪みの振る舞い
が、相転移に起因したものではなく、強弾性に起因してい図 2. BiIn1-xZnx/2Tix/2O3 の Bi の原子変位量（左上）、遷移金属とることを明らかにするため、X 線回折データのテクスチャ
ー解析を行った。図４は一軸加圧前後の x=0.5 の試料に対頂点酸素との結合長（左中）、自発分極値（左下）の組成依存性
及び格子体積の温度依存性（右）。頂点酸素との結合長の長短のして行った、放射光 X 線回折データのテクスチャー解析
結果を示している。一軸加圧後に、擬立方晶表記 111 反射

差は、八面体中心から変位量に相当している。参考文献 16)より、American Chemical Society の許諾を得て転載。

の積分強度が減少し、11-1 反射の積分強度が増加している
ことがわかる。この挙動は強弾性現象に起因するものであセンサー用途に歪み量が大きくなるようにチューニング
された、ソフト系のチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)18)の２倍

り、図４のように説明することができる。LiNbO3 相は、<111>方向に向いている自発分極により、<111>方向に伸に相当する、1.0%もの巨大な最大歪みを示すことが明らかになった。これは LiNbO3 相が示す巨大な自発分極の大き

びた構造歪みを有している。分極方向が加圧方向と平行に揃っているドメインは、加圧方向の長さが縮むように、さに起因していると考えられる。また、x=0.8 の試料では最大歪みの大きさが x=0.7 の試料よりも増加した一方、残<11-1>方向への 71°ドメインスイッチングが生じる。そして、強弾性の履歴効果により、スイッチングした一部の留歪み（減圧後に残る歪み）の大きさは、x=0.7 の試料よりも減少した。この要因を調べるため、x=0.8 の試料に対ドメインは減圧時にも元の状態に戻らないため、11-1 反射の積分強度が加圧後に増加することになる。以上の歪みのして、放射光 X 線全散乱データを利用した PDF 法による局所構造解析を行ったところ、PbMg1/3Nb2/3O3 等のリラク応力に対する非線形の応答及び加圧前後での結晶方位の変化から、LiNbO3 相が強弾性を示すことを確認した。

サー強誘電体で見られるような、局所的な２相共存状態が存在していることが明らかになった。71°スイッチングが強弾性の大きさの指標の一つである、最大歪み（本測定では、-160 MPa 時の歪み）は、置換量が増えるに従い、可能な LiNbO3 相の他に 90°スイッチングが可能な正方晶

劇的に大きくなり、x=0.7 と 0.8 では、アクチュエータや

123

KISTEC研究報告2021

【研究開発部】次世代機能性酸化物材料

PbFeO3 の電荷秩序とスピン再配列

相が局所的に共存することによる、ドメイン方向の自由度

２．２が増加したため、x=0.8 の試料では残留歪みが小さくなったのだと考えられる。

PbFeO3 多結晶体は、8 万気圧・1150 ℃の高温高圧条件
下で 30 分熱処理することで作成した。
放射光施設 SPring-8 のビームライン BL02B2 での放射光
X 線粉末回折結果から、PbFeO3 は b 軸に垂直な Pb-O 層が短-長-短の間隔で積層した、2ap×6ap×2ap（ap は立方晶単
純ペロブスカイトの格子定数）の斜方晶構造を取っていることが明らかになり、走査透過電子顕微鏡像でもこの積層構造は観察された（図 6）。中性子回折により酸素の原子座標を精密に求め、結合長と配位数から価数を見積もるボ
ンドバレンスサム計算を行った。その結果、鉛は Pb2+のみからなる層と、Pb2+と Pb4+を 1:3 で含んでいる層が積み重なった、層状と岩塩型の中間のような電荷秩序をしている

図 3. BiIn1-xZnx/2Tix/2O3 の応力-歪み曲線。強弾性体特有の非線形

ことが明らかになり、Pb4+を含む層同士が向かい合っている箇所での、層間隔の拡大は Pb4+同士で働く巨大な静電反の応答を示す。参考文献 16)より、American Chemical Society の許諾を得て転載。

発に起因していることがわかった。鉛が Pb2+と Pb4+に 1:1
で 不 均 化 し て い る こ と は 、 SPring-8 の ビ ー ム ラ イ ン
BL09XU での硬 X 線光電子分光実験（図 7）によって、鉄イオンが Fe3+であることはメスバウアー分光実験でも確認され、PbFeO3 は Pb2+0.5Pb4+0.5Fe3+O3 の複雑な電荷分布を持つことが明らかになった。
また、PbFeO3 は 600 K 以下で反強磁性を示すが、418 Kで磁化の方向が a 軸方向から b 軸方向へと変化する、スピン再配列が発現することを中性子回折データのスピン構
造解析により明らかにした。鉄の価数は全て 3 価であるが、Pb2+と Pb4+の特殊な秩序配列のために、周囲の環境の異なる 2 種類の鉄イオンが、PbFeO3 では存在している。我々

図 4. BiIn0.5Zn0.25Ti0.25O3 (x=0.5)の放射光 X 線回折データのテク
スチャー解析結果（左）と LiNbO3 相で生じる 71°強弾性ドメ
インスイッチング。参考文献 16)より、American Chemical Societyの許諾を得て転載。

図 6.

PbFeO3 の結晶構造と走査透過電子顕微鏡像。

参考文献 17)より転載。

図 5. BiIn0.2Zn0.4Ti0.4O3 (x=0.8)の PDF 解析結果。2 Å 付近で見られる鋭いピークは、菱面体晶相(R)だけではなく、局所的には正

図 7.

方晶(T)も共存していることを示している。参考文献 16)より、と Pb それぞれのピーク成分の面積比から算出した Pb の平American Chemical Society の許諾を得て転載。

均価数（右）。参考文献 17)より転載。

KISTEC研究報告2021

PbFeO3 の硬 X 線光電子分光スペクトル（左）と Pb2+4+124

【研究開発部】次世代機能性酸化物材料

BiIn1-xZnx/2Tix/2O3 の研究では 0.00 ≤ x ≤ 0.30 の斜方晶相において、電気分極の起源となる原子変位を A サイトと B
サイトに分散することで、負熱膨張の散漫化と温度ヒステ
リシスの低減に成功した。また、0.40 ≤ x ≤ 0.80 で現れる
LiNbO3 相では、ソフト系 PZT の２倍の最大歪みを示す強弾性現象が観測された。さらに、局所的な２相共存状態によるドメイン方向の自由度によって、残留歪みの大きさが減少することも明らかにした。
PbFeO3 の研究では、Pb2+0.5Pb4+0.5Fe3+O3 という特異な電荷分布を持つこと、Fe3+の１種類の磁性イオンしか持っていないのにも関わらず、低温でスピン再配列が生じることを実験と理論計算から明らかにした。複雑な電荷分布を持っていることから、PbFeO3 も化学置換により Pb2+Fe4+O3の価数状態を安定化させることで、BiNiO3 同様に電荷移動型の負熱膨張の発現が期待される。また、負熱膨張材料
目的以外でも、室温をはるかに超える高い転移温度を持つことから、外場で磁化の方向を制御する新しいスピントロ
ニクスデバイスへの応用につながることも期待される。

【参考文献】
1. K. Takenaka, Sci. Technol. Adv. Mater., 13, 013001 (2012).
図８.

2. J. Chen, L. Hu, J. Deng, X. Xing, Chem. Soc. Rev., 44,3522-3567 (2015).

PbFeO3 の磁化率の温度依存性（上）と磁気散乱ピー

クの各種磁気モデルでのフィッティング結果（下）。磁気散

3. J. P. Attfield, Front. Chem., 6, 371 (2018).
4. K. Takenaka and H. Takagi, Appl. Phys. Lett., 87, 261902

乱ピークの形状から、スピン再配列温度(TSR) 以下でスピンの向きが a 軸方向から b 軸方向へと変化していることが明ら(2005).
5. K. Oka, K. Nabetani, C. Sakaguchi, H. Seki, M. Czapski, Y.

かになった。参考文献 17)より転載。

Shimakawa and M. Azuma, Appl. Phys. Lett., 103, 061909(2013).
6. K. Nabetani, Y. Muramatsu, K. Oka, K. Nakano, H. Hojo, M.
Mizumaki, A. Agui, Y. Higo, N. Hayashi, M. Takano and M.
Azuma, Appl. Phys. Lett., 106, 061912 (2015).
7. Y. W. Long, N. Hayashi, T. Saito, M. Azuma, S. Muranaka
and Y. Shimakawa, Nature, 458, 60-63 (2009).
8. T. Nishikubo, Y. Sakai, K. Oka, M. Mizumaki, T. Watanuki,
A. Machida, N. Maejima, S. Ueda, T. Mizokawa and M.
Azuma, Appl. Phys. Express, 11, 061102 (2018).
9. S. C. Abrahams, S. K. Kurtz and P. B. Jamieson, Phys. Rev.,
172, 551− 553 (1968).

図９. 第一原理計算によるスピン再配列の機構解明。格子歪み
により、a 軸から b 軸方向へスピンの向きが変化する計算結果は実験を再現している。参考文献 17)より転載。

10. G. Shirane, S. Hoshino and K. Suzuki, Phys. Rev., 80,1105−1106 (1950).

は、熱膨張により格子が歪むことで、周囲の環境の異なる

11. A. A. Belik, S. Iikubo, K. Kodama, N. Igawa, S. Shamoto,
S. Niitaka, M. Azuma, Y. Shimakawa, M. Takano, F. Izumi and2 種類の鉄イオンの磁気異方性の強さが変化し、そのことがスピン再配列につながることを第一原理計算により明E. Takayama-Muromachi, Chem. Mater., 18, 798−803 (2006).
12. R. V. Shpanchenko, V. V. Chernaya, A. A. Tsirlin, P. S.

らかにした。

Chizhov, D. E. Sklovsky, E. V. Antipov, E. P.Khlybov, V.
Pomjakushin, A. M. Balagurov, J. E. Medvedeva, E. E. Kaul, C.

３．

Geibel, Chem. Mater., 16, 3267−3273 (2004).
13. H. Yamamoto, T. Imai, Y. Sakai and M. Azuma, Angew.

考察及び今後の展望

本研究では、放射光や中性子を用いた回折および分光実験により、BiIn1-xZnx/2Tix/2O3 の負熱膨張及び強弾性の観察、
PbFeO3 の特異的な電荷分布の解明に成功した。

125

Chem. Int. Ed., 57, 8170-8173 (2018).
14. A. A. Belik, S. Yu. Stefanovich, B. I. Lazoryak, E.
Takayama- Muromachi, Chem. Mater., 18, 1964−1968 (2006).

KISTEC研究報告2021

【研究開発部】次世代機能性酸化物材料

15. M. R. Suchomel, A. M. Fogg, M. Allix, H. Niu, J. B.
Claridge, M. J. Rosseinsky, Chem. Mater., 18, 4987−4989(2006).
16. T. Nishikubo, T. Ogata, L. K. Venkataraman, D. Isaia, Z.
Pan, Y. Sakai, L. Hu, S. Kawaguchi, A. Machida, T. Watanuki,
H. Yu, Y. Okimoto, S. Koshihara, S. Mori, J. Rödel and M.
Azuma, Chem. Mater., 33, 1498-1505 (2021).
17. X. Ye, J. Zhao, H. Das, D. Sheptyakov, J. Yang, Y. Sakai,
H. Hojo, Z. Liu, L. Zhou, L. Cao, T. Nishikubo, S. Wakazaki, C.
Dong, X. Wang, Z. Hu, H. Lin, C. Chen, C. Sahle, A. Efiminko,
H. Cao, S. Calder, K. Mibu, M. Kenzelmann, L. H. Tjeng, R.
Yu, M. Azuma, C. Jin and Y. Long, Nat. Commun., 12, 1917
(2021).
18. K. G. Webber, E. Aulbach, T. Key, M. Marsilius, T.
Granzow and J. Rödel, Acta Mater., 57, 4614−4623 (2009).

KISTEC研究報告2021

126

【研究開発部】次世代機能性酸化物材料

業 績
Inorganic Chemistry（Vol.59, No.16）、（2020）【原著論文】
1.Zhao Pan, Takumi Nishikubo, Yuki Sakai, Takafumi
Yamamoto, Shogo Kawaguchi and Masaki Azuma

8. Shogo Wakazaki, Takumi Nishikubo, Yuki Sakai, Kei

Observation of Stabilized Monoclinic Phase as a "Bridge" atthe Morphotropic Phase Boundary between Tetragonal

Shigematsu, Hena Das, Depei Zhang, Qiang Zhang, Masaaki
Matsuda and Masaki Azuma

Perovskite PbVO3 and Rhombohedral BiFeO3
Chemistry of Materials（Vol.32, No.8）、(2020)Stabilized Charge, Spin, and Orbital Ordering by the 6s2
Lone Pair in Bi0.5Pb0.5MnO3、Inorganic Chemistry（Vol.59,
No.18）、（2020）

2. Hayato Ishzaki, Yuki Sakai, Takumi Nishikubo, Zhao Pan,
Kengo Oka,Hajime Yamamoto and Masaki Azuma
Negative thermal expansion in lead-free La-substituted

9. Hongwu Yu, Kou Takubo, Tadahiko Ishikawa, Shin-ya
Koshihara, Masaki Hada, Toru Asaka, Keita Ozawa, Kei

Bi0.5Na0.5VO3
Chemistry of Materials（Vol.32, No.11）、(2020)

Shigematsu, Masaki Azuma and Yoichi Okimoto
Ultrafast Nonlinear Spectroscopy in (111) Oriented Bismuth

3. Mitsuru Nitta, Nobuaki Nagao, Yuki Nomura, Taku Hirasawa,

Ferrite Oxide、Journal of the Physical Society of Japan（Vol.89, No.6）、（2020）

Yuki Sakai, Takahiro Ogata, Masaki Azuma, Shuki Torii,
Toru Ishigaki and Yasuhisa Inada

10. Takumi Nishikubo, Takahiro Ogata, Lalitha Kodumudi

High-Brightness
Red-Emitting
Phosphor
3+
La3(Si,Al)6(O,N)11:Cefor Next-Generation Solid-State

Venkataraman, Daniel Isaia, Zhao Pan, Yuki Sakai, Lei Hu,
Shogo Kawaguchi, Akihiko Machida, Tetsu Watanuki,

Light Sources
ACS Applied Materials & Interfaces（Vol.12, No.28）、(2020)

Hongwu Yu, Yoichi Okimoto, Shin-ya Koshihara, Shigeo
Mori, Jürgen Rödel and Masaki Azuma

4. Yoshitaka Nakamura, Yuki Sakai, Masaki Azuma, Shin-ichi

Polarization- and Strain- Mediated Control of Negative
Thermal Expansion and Ferroelasticity in BiInO3-

OhkoshiLong-term heat-storage ceramics absorbing thermal energy、
BiZn1/2Ti1/2O3、Chemistry of Materials（Vol. 141, No. 49）（2021）

from hot water、Science Advances（Vol.6, No.27）、(2020)11. Zhao Pan, Yuki Sakai, Mao-Hua Zhang, Masayuki Fukuda,
5. Kei Shigematsu, Haruki Shimizu, Marin Katsumata, Keisuke
Shimizu, Hajime Yamamoto, Ko Mibu and Masaki Azuma

Hayato Ishizaki, Takumi Nishikubo, Hajime Yamamoto,
Hajime Hojo, Satoru Kaneno, Shogo Kawaguchi, Jurij

Stable electric polarization switching accompanied bymagnetization reversal in B-site-substituted multiferroic

Koruza, Jürgen Rödel and Masaki Azuma
Polarization Rotation at Morphotropic Phase Boundary in

BiFe0.9Co0.1O3 thin films、Applied Physics Express（Vol.13,
No.7）、(2020)

New Lead-Free Na1/2Bi1/2V1-xTixO3 Piezoceramics 、 ACS
Applied Materials & Interfaces（vol. 13, No. 4）、（2021）

6. Hajime Yamamoto, Kaoru Toda, Yuki Sakai, Takumi

12. Xubin Ye, Jianfa Zhao, Denis Sheptyakov, Junye Yang,

Nishikubo, Ikuya Yamada, Kei Shigematsu, Masaki Azuma,
Hajime Sagayama, Masaichiro Mizumaki, Kiyofumi Nitta

Yuki Sakai, Hajime Hojo, Zhehong Liu, Long Zhou, Lipeng
Cao, Takumi Nishikubo, Shogo Wakazaki, Hena Das, Cheng

and Hiroyuki Kimura
Emergence of a Cubic Phase Stabilized by Intermetallic

Dong, Xiao Wang, Zhiwei Hu, Hong-ji Lin, Chien-Te Chen,
Christoph Sahle, Anna Efiminko, Huibo Cao, Stuart Calder,

Charge Transfer in (1−x)PbVO3−xBiCoO3 Solid Solutions,Chemistry of Materials、（Vol. 32, No. 16）、（2020）

Ko Mibu, Michel Kenzelmann, Liu Hao Tjeng, Changqing
Jin, Masaki Azuma, Runze Yu and Youwen Long

7. Masayuki Fukuda, Takumi Nishikubo, Zhao Pan, Yuki Sakai,Observation of novel charge ordering and spin reorientationin perovskite oxide PbFeO3、Nature Communications（vol.

Mao-Hua Zhang, Shogo Kawaguchi,
Hongwu Yu, Yoichi Okimoto, Shin-ya Koshihara, Mitsuru

12）、（2021）

Itoh, Jürgen Rödel and Masaki Azuma
Enhanced Spontaneous Polarization by V4+ Substitution in a

13.Masaki Azuma, Hajime Hojo, Kengo Oka, Hajime
Yamamoto, Keisuke Shimizu, Kei Shigematsu and Yuki

Lead-Free Perovskite CaMnTi2O6

Sakai

127

KISTEC研究報告2021

【研究開発部】次世代機能性酸化物材料

Functional Transition Metal Perovskite Oxides with 6s2

イオン伝導Lone Pair Activity Stabilized by High-Pressure Synthesis、Annual Review of Materials Research（vo. 51）、（2021） in

公益社団法人日本セラミックス協会第 33 回秋季シンポ
ジウム、2020 年 9 月 3 日（Online 開催）press
8. 福 田 真 幸 , 西 久 保 匠 , PAN Zhao, 酒 井 雄 樹 , ZHANG
14.東 正樹
巨大負熱膨張セラミックス

Mao-hua、,河口彰吾, YU Hongwu, 沖本洋一,腰原伸也, 伊藤満, RODEL Jurgen, 東正樹
非鉛強誘電体 CaMnTi2O6 の V4+置換による自発分極の変化

金属（Vol. 91, No. 4）、（2021）
15.東 正樹,酒井 雄樹,西久保 匠, 岡 研吾,山本 孟,
圧力誘起相転移を利用した巨大負熱膨張物質の開発

公益社団法人日本セラミックス協会第 33 回秋季シンポ
ジウム、2020 年 9 月 3 日（Online 開催）

高圧力の科学と技術（Vol. 30, No. 3）、（2021）
9.戸田薫, 山本孟, 木村宏之, 酒井雄樹, 重松圭, 東正樹,

【口頭発表】
1.Zhao Pan, Yuki Sakai, Maohua Zhang, Jurij Koruza, Hajime

山田幾也, 佐賀山基PbVO3-BiCoO3 固溶体における金属間電荷移動に伴う結Yamamoto, Hajime Hojo, Shogo Kawaguchi, Jürgen Rödel
and Masaki Azuma

晶構造変化
公益社団法人日本セラミックス協会第 33 回秋季シンポ

Polarization Rotation at Morphotropic Phase Boundary in a
New Lead-Free Piezoelectric Ceramic Na1/2Bi1/2V1-xTixO3、ジウム、2020 年 9 月 3 日（Online 開催）

Electroceramics XII conference、2020 年 8 月 24 日（Online
開催）

10.松野夏奈, 酒井雄樹, 西久保匠, 東正樹
PbCrO3 の Ti 置換による負熱膨張化の試み

2. Masaki Azuma, Keisuke Shimizu, Ryo Kawabe, Hajime

粉体粉末冶金協会 2020 年度秋季大会、2020 年 10 月 27日（Online 開催）

Yamamoto, Kei Shigematsu, Hajime Hojo, Ko Mibu
Magnetization reversal by electric field at room temperature

11.酒井雄樹, 西久保匠, 水牧仁一朗, 溝川貴司, 町田晃

in Co substituted bismuth ferrite thin film
Electroceramics XII conference、2020 年 8 月 28 日（Online彦,綿貫徹, 沖本洋一,東正樹
ペロブスカイト型酸化物 Bi1-XPbxNiO3 の負熱膨張

開催）

第 61 回高圧討論会、2020 年 12 月 2 日（Online 開催）

3. 重松圭, 勝俣真綸, 清水陽樹, 清水啓佑, 東正樹
面内電場印加における BiFe0.9Co0.1O3 薄膜の強誘電・強12.若崎翔吾, 西久保匠, 酒井雄樹, 松田雅昌,Das Hena、
東正樹
Bi0.5Pb0.5MnO3 における電荷秩序と孤立電子対効果
第 61 回高圧討論会、2020 年 12 月 2 日（Online 開催）

磁性ドメイン相関第 37 回強誘電体会議(FMA37)、2020 年 5 月 28 日

13．松野夏奈, 酒井雄樹, 西久保匠, 東正樹

4.小澤慶太, 勝俣真綸, 重松圭, 東正樹

PbCrO3 の Ti 置換による負熱膨張化の試み
第 61 回高圧討論会、2020 年 12 月 2 日（Online 開催）

陽極酸化ポーラスアルミナを用いた強誘電強磁性
BiFe0.9Co0.1O3 ナノドットの作製・評価
第 37 回強誘電体会議(FMA37)、2020 年 5 月 28 日

14. 相澤遥奈, 山本孟, 戸田薫, 山田幾也, 野島勉, 東正
5.重松圭
超低消費電力メモリにつながるマルチフェロイック材

樹, 酒井雄樹, 西久保匠, 木村宏之
ペロブスカイト型酸化物(1－ｘ)PbVO3-xBiCrO3 固溶体

料
JST 新技術説明会、2020 年 6 月 2 日（Web 発表）の結晶構造変化と金属電荷移動
第 61 回高圧討論会、2020 年 12 月 2 日（Online 開催）

6.東正樹

15. 福田真幸, 東正樹, Yiran Wang、Kenneth Poppelmeier,

巨大負熱膨張材料 BiNi1-xFexO3 の硝酸を用いない合成法、
JST 新技術説明会、2020 年 6 月 2 日（Web 発表）

三宅厚志, 徳永将史
S=1/2 テ ト ラ マ ー ス ピ ン ギ ャ ッ プ 物 質

7.若崎翔吾, 西久保匠,重松圭,山本隆文,Das Hena,東正樹,[Cu(4,4’-Me2-bpy)(H2O)]2[V2O2F8]
日本物理学会第 76 回年次大会、2020 年 3 月 12 日

Zhao Guowei, 鈴木耕太, 菅野了次, Jalem Randy, 館山
佳尚（Online 開催）

層状逆ペロブスカイト型 Li4O(Br,F)2 の高圧合成と Li

KISTEC研究報告2021

16.伊藤拓真, 勝俣真綸, 重松圭, 東正樹

128

【研究開発部】次世代機能性酸化物材料

強磁性・強誘電性が共存する BiFe0.9Co0.1O3 薄膜のtrailing field を用いたドメイン制御
応用物理学会春季学術講演会、2020 年 3 月 19 日（Online
開催）
17.福田真幸, 西久保匠, Hongwu Yu, 沖本洋一, 腰原伸也,
東正樹, 酒井雄樹
新規 A サイト柱状秩序ダブルペロブスカイト CaZnV2O6 の高
圧合成
公益社団法人日本セラミックス協会 2021 年年会、2020 年
3 月 23 日（Online 開催）【記者発表】
鉄酸鉛の特異な電荷分布を解明 — 電荷秩序が磁化の方向変化を誘起、負熱膨張への展開も—東京工業大学、KISTEC、九州大学、名古屋工業大学【特許】(1) 国内特許出願 1 件(2) 国外特許出願 2 件

129

KISTEC研究報告2021

KISTEC研究報告2021

130

「貼るだけ人工膵臓」プロジェクト
プロジェクトリーダー

松元 亮【基本構想】
糖尿病は、インスリンの絶対的あるいは相対的な作用不足に起因するため、これに対する最も有効かつ安全な治療法はインスリン療法である。これは、血糖値のモニタリングや個人の生活習慣等に基づいて、即効性から遅効性のインスリン製剤を組み合わせて投与し、血糖値をできる限り正常域にコントロールするものである。一方、インスリン療法は患者の生活の質を著しく損なううえ、意識障害等の重篤な症状に繋がる低血糖の危険性がある。心筋梗塞等の心血管合併症を予防するためには、より精密な血糖コントロールが有効であるが、頻回の低血糖症状はむしろ予後を悪化させる可能性も指摘されている。この急性かつ重篤なリスク（低血糖発作）を避ける結果、実臨床上、十分な血糖コントロールが得られていない。最近
では、マイクロコンピューター制御による装着型のインスリンポンプが欧米を中心に普及しつつあるが、あらかじめ設定されたアルゴリズムに従ってインスリンを投与するか基礎分泌相当を供給するに留まり、オーダーメイド医療とはほど遠いものである。従って、より正確かつ連続的にインスリン供給制御が可能な代替技術が強く要請されている。我々は、糖との結合能で知られるボロン酸をキーコンポネントとし、これを導入した水溶性アクリルアミドゲル構造を最適化することで、生体由来材料やエレクトロニクスを一切用いない上記目的のインスリン供給機構を実証してきた。本プロジェクトでは、究極的な低侵襲性を志向したマイクロニードル融合型（「貼るだけ人工膵臓」）デバイスの開発を進めている。生活習慣病を中心とする非感染性疾患（non-communicable disease: NCD）は世界の医療費の 43%を占め、2020 年には 60%に増加するとともに、全死亡の 73%に関与すると予測されている。世界に類を見ない速度で高齢化が進行する本邦では、糖尿病等の生活習慣病が国民医療費の約 15％、死亡数割合では約 30％を占める。
「貼るだけ人工膵臓」の技術は、糖尿病治療におけるアンメットメディカルニーズ（長期的な血糖管理、低血糖の回避、患者負担の軽減）を解決し、「健康寿命」と「平均寿命」の差“ゼロ”の実現を図る革新的な医療技術として期待される。

１．

2020 年度の研究目的目指した。また、本年度地域エコプロジェクト「加速費」

2019 年度、文科省・地域エコプロジェクトの中で「プロジェクトの加速化」項目として実施したブタ実験を通じ、により「テレメトリーシステム」を」導入した。本システ
ムでは、無麻酔・非拘束・非採血で３週間程度連続かつリ

プロジェクト開始時からの最大懸案であった「スケール=
パワー」や安全性については一定の目処が得られた一方、アルタイムでの血糖測定が可能なものである。今後、新型デバイスの in vivo 評価を、ラットを中心に本格化させて皮膚刺入性の面での課題が浮き彫りとなった。そこで、これらを解決すべく、本年度は、デバイスの構造と作製方法いく予定であるため、本年度はその予備検討を行い、評価
プロトコールの確立を目指した。

を抜本的に見直すこととした。具体的には、添付時の加圧を容易にする構造への改良と光重合を組み合わせた新規

２．

手法を検討した。並行して、マイクロニードルの力学強度の向上と共に装着後の吸水性（放出特性の迅速回復）を顕デバイスの小型化・週単位の持続性・皮下刺入性を確保するために必要な構造改変と周辺技術の開発

著に促すポリグリセロール誘導体による添加物材料を開発し、本年度は特許出願するとともに、上記光重合による構造改変と光重合を組み合わせた新規手法を開発し、皮膚刺入性と作製効率を格段に向上させることに成功した。

新規製造プロセスの開発進展と併せ、その添加剤としての効果を明らかにすることとした。また、光重合プロセスは、

また、皮膚への装着の際にデバイスと組み合わせて使用するアプリケータについて、3D プリンタを用いて試作し、量産性の面で大きなメリットを有する一方、一般に、仕込み時の分子濃度（および架橋密度）を大きめに設定しない

デバイスのプロトタイプを作製した（図 1）。実際、ラット
での皮膚刺入性を評価したところ（図 2）、従来のデバイスと十分な成形性が得られないという制約がある。仕込み時の分子濃度が大きくなると、ゲル本来の性質として、放出と異なり、皮膚への刺入・固定は良好で、乾燥によるマイクロニードル先端部、およびリザーバー部の変形も認めら特性が著しく低下してしまうため、インスリンデリバリーの目的においては重要な課題となる。そこで、このジレンれなかった。また、皮膚穿刺部位には刺入跡が明瞭に観察されたが、2 日後には外観上はほぼ消失しており、皮膚刺マを克服すべく、デバイス構造、重合条件、反応後の後処理、洗浄条件等を系統的に検討し、刺入性、放出特性、製入部の速やかな回復が示唆された。一般に、ゲルニードルのアプローチでは、ゲルの水和に伴う構造変形がボトルネ

造効率すべての観点を満足するデバイス製造法の確立をックであり、我々が考案した方式は、この点をスマートに2020 年度の研究成果解決するものである。

図 1.アプリケータを組み合わせたデバイス.

図 3. テレメトリーシステムの概要.

テレメトリーシステムを用いたリアルタイム血糖測定シ

図 2. 皮膚刺入部の病理組織学的評価.

刺入性、放出特性、製造効率を満足するデバイス製造方法の検討上で述べた光重合による製造方式は、従来の熱や酸化還元反応型の方式と比べて、製造効率の面で大きな優位性がある。連携企業からの要望も考慮して、この方式を集中的に検討することとした。ただし、光重合（ラジカル重合）
方式では、一般に、仕込み時のモノマーおよび架橋剤濃度を比較的大きく設定しないと、十分

ステムの導入と予備検討
デバイスを皮膚に貼付後、どの程度のタイムラグで効果が発揮されるか、また糖尿病合併症の主要な原因となる血糖日内変動に対してデバイスが有効性を示すかなどは、臨床応用時に非常に重要な観点となる。そこで本年度、追加予算を得てテレメトリーシステム（米国 DSI 社、図 3）を新たに導入し、血糖値のリアルタイム連続測定を実施した。
血糖値センサーは SD ラットの腹部大動脈内、送信器は腹部皮下に留置し、比較検討のため、背部皮膚に FreeStyle リ
ブレ Pro を貼付した（図 4）。

な成形性が得られないという制約がある。結果的に、ゲル内部の分子ネットワークが混み合い（編み目のサ
イズが小さくなり）、ゲル中での溶質（インスリン）の透過性が著しく低
下してしまう。理論的には、分子・架橋密度が高く、ゲルの含水率（H）
が小さくなると、その逆数（1/H）に比例して、ゲル中での溶質の見かけの拡散係数は指数関数的に減少することが知られている。我々は、ラジカル重合時の（モノマー）/（開始剤）
比率等のパラメータを最適化することで、「低分子密度」と「成形性」を両立したマイクロニードル製造プロ
トコールを確立した。
図 4. テレメトリー送信器の装着.

図 5. グルコース負荷試験における血糖値変化.

グルコースを腹腔内投与したところ、テレメトリーシステ
ム（動脈血）、FreeStyle リブレ Pro（皮下間質液）、尾静脈

ターンを示すことを確認した。

採血（静脈血）のいずれの方法においても、一過性の血糖上昇を観察した。テレメトリーシステムの利点として、リ３．

アルタイムに連続測定が可能なこと、2〜3 週間の長期データの取得が可能なこと、採血不要でラットのストレスがジェクトの加速化」項目として実施したブタ実験を通じ、プロジェクト開始時からの最大懸案であった「スケール=ないことなどが挙げられる（図 5）。
次に、ストレプトゾトシン（STZ）投与による 1 型糖尿パワー」や安全性については一定の目処が得られた一方、皮膚刺入性の面での課題が浮き彫りとなった。そこで、本病モデルを用いて、テレメトリーシステムと FreeStyle リ
ブレ Pro、間欠的静脈採血の比較を行った。テレメトリー

年度は、デバイスの構造と作製方法を抜本的に見直し、ア
プリケータの試作や光重合を用いた新規手法を開発した。

システムでは、STZ 投与後に軽度の血糖上昇、β細胞破壊に伴うインスリン放出が誘導する低血糖を経て、24 時間

さらに、重合条件等を最適化することで、皮膚刺入性、放出特性、作製効率を高次に満足する製造法を確立した。当後までに 500 mg/dl 程度の高血糖を呈した。同様の血糖変動パターンは FreeStyle リブレ Pro でも観察されたが、測該プロトコールは、既に共同研究先の企業に共有されており、今後は量産化へ向けた課題抽出作業へ本格的に取り組定上限が 500 mg/dl のため、重症高血糖個体では測定が困難になる。間欠的静脈採血では、1~2 回/日の測定に止まる

む予定である。
マイクロニードルの力学的強化と吸水性（放出特性の迅総括2019 年度、文科省・地域エコプロジェクトの中で「プロ速回復）を促進する新規添加物材料を開発し、特許出願した。本材料技術はいわば「高密度に化学修飾可能なポリエ
チレングリコール（PEG）代替物」であり、本プロジェク
トの目的に限らず、バイオマテリアルの表面修飾、DDS、
生理活性物質の de novo 合成、近年 PEG 抗体が問題となっている製剤・化粧品添加物の代替材料等、幅広い展開が期待される。
今後、新型デバイスの in vivo 評価を、ラットを中心に
図 6. STZ 投与後の血統日内変動.

本格化させていく予定である。特に、本年度地域エコプロ
ジェクト「加速費」により導入した「テレメトリーシステ

ため、血糖変動パターンは明らかにすることはできない。
さらに、テレメトリーシステムを用いて、日内変動の評価

ム」による評価が目玉となる。最近の研究により、平均血糖値の上昇に加えて、日内変動（血糖値スパイク）が心筋を行った（図 6）。ラットは夜行性のため、活動期の夜間に摂餌する。正常ラットでは、摂餌や活動量に関係なく血糖梗塞や脳卒中などの糖尿病合併症の発症に深く関わることが明らかになっている。我々のデバイスにより、その抑値はほぼ一定に保たれるが、糖尿病ラットでは、夜間（活動期）に高く、昼間（非活動期）に低い明確な日内変動パ制効果を示すエビデンスが得られれば、重要な付加価値をもたらすものとして大きな期待を寄せている。

マイクロニードル機能向上に向けた
ゲル組成の改良と in vivo 評価系の検討
伊藤

１．

美智子

はじめに

本プロジェクトではマイクロニードル自体にグルコー
ス応答性をもたせ、自律的にインスリンを放出する「貼るだけ人工膵臓」の開発を目指している。昨年度はマウスを用いて、皮膚内におけるインスリン放出動態を ex vivo, invivo にて検討した。皮膚組織に刺入したマイクロニードル
や皮内のインスリンが共焦点顕微鏡によって観察可能なことが明らかになったが、定量的にデータを解析するには個体ごとのバラツキが大きく、安定したデータが得られないことが問題であった。今年度はマイクロニードルデバイ
ス機能の安定性向上を目指し、デバイスの構造やゲル組成の改良に取り組んだ。

２．実験と結果
マイクロニードルデバイスから安定したインスリン放出を得るためには、ニードルの刺入性向上、有効表面積確
保（刺入状態の保持）、デバイスへのインスリンロード後のインスリン浸透性向上に加え、ex vivo/in vivo 共焦点顕微鏡観察時の実験条件を均一にすることが重要である。各項目に関してこれまでの問題点と改善策を検討した。

２．１
の改良

インスリン浸透性向上を目指したゲル組成

マイクロニードル型デバイスはニードルの強度を確保するためにモノマー濃度が高く、架橋密度が高い。しかしながら、吸水性とのトレードオフになってしまうため、インスリン浸透が悪く、生体内で効果が発揮されるまでに時間がかかってしまう点が問題である。そこで、ボロン酸モノ
マーを含むプリゲル溶液に親水基を有するポリグリセロールを配合することで吸水性の向上を目指した。また、重合開始剤の濃度を調整することで吸水性に変化があることを見出し、蛍光顕微鏡においても FITC 標識インスリンがゲルタブレット内部まで浸透していることが確認された（図 1）。
マイクロニードルデバイスを生体に応用する前段階として、背面にインスリンをロードした後に針先まで到達する時間経過を把握する必要がある。既報を参考に、1%ア
ガロースゲルを用いて色素の浸透とゲルへの拡散を観察した（図 2）1,2)。しかしながら、針先への色素到達が不均一な場合や成形過程にできたクラックから漏出してしまうといった問題点が明らかになった。

２．２
評価

正常マウスにおけるマイクロニードル機能

皮内のインスリン放出を共焦点顕微鏡によって観察する際、デバイス機能の問題か観察条件の問題か判断が難しい場合がある。血糖値・インスリン値を経時的に測定することでデバイス機能評価を試みた。野生型マウスに対してインスリンをロードしたマイクロニードルを装着し、一晩

絶食の後にグルコースを投与し（2g/kg）、30 分おきに血糖イクロニードルデバイスを作成し、基本性能を明らかにす

値測定と尾静脈から採血を行った。血漿を用いてヒトイン
スリンを ELISA にて測定した。デバイスが良好に機能するとともに、皮膚装着に適した形状や固定方法を模索する。
マウスにおけるインスリン放出が確認でき次第、病態モデる際にはインスリン非投与コントロールマウスと比較して血糖値が低下し、グルコース投与後の血糖値上昇に反応

ルにおける効果を検討する。

してインスリン放出が認められた（図 3）。顕微鏡観察時に同様の検討を行うことで、デバイス機能を確認することができると考えられた。

２．３

共焦点顕微鏡観察時の皮膚温モニタリング

マイクロニードルデバイスからのインスリン放出には
皮膚の温度・血流の温度が深く関わる。特に in vivo 共焦点顕微鏡観察ではデバイス付きの皮膚弁を展開するため、生理的な条件下とは大きく異なる可能性がある。顕微鏡観察台の温度を保つホットプレートとサーモグラフィーを導入し、予定している実験条件における皮膚温の変化を観察した。実験環境を整えることで生理的な範囲内の皮膚温を保持できることが明らかとなった（図 4）。

３．

考察及び今後の展望

本年度の検討によりマイクロニードルデバイスの基本構造が大幅に改善し、生体応用に向けた前進が見られた。
またデバイスの機能評価に重要な実験機器のセットアップ、実験系の構築も完了している。インスリン浸透性が向上したゲル組成もほぼ固まっており、新規材料を用いたマ【参考文献】
1. S. Kim, H. Yang, J. Eum, et al. Implantable powder-carrying
microneedles for transdermal delivery of high-dose insulin withenhanced activity. Biomaterials 232: 119733, 202.
2. N. EI-Sayed, L. Vaut, M. Schneider. Customized
fast-separable microneedles prepared with the aid of 3D
printing for nanoparticle delivery. Eur. J. Pharma. Biopharm..,
154: 166-174 (2020).

吸水性と力学的強度を向上させる
ポリグリセロール融合型ゲルマイクロニードルの開発
宮崎 拓也

１．

緒言

開環重合法およびグリシドールによる側鎖構造の改質反インスリン注射による糖尿病の治療が進められているが、投与量の制御が困難である 1。そこで、グルコースに応により PGDiol（図２）および PGTetraol（図３）を合成した。1H-NMR およびゲル浸透クロマトグラフィー（GPC）

応答してインスリンを放出する酵素搭載型マイクロニードル（MN）の開発が進められているが、安定性や持続性法より、分子量 20,000 Da の分子量分布の狭い（Mw/Mn <1.1）PGDiol（表１）と PGTetraol（表２）の形成を確認しが課題である 2。一方で、我々はフェニルボロン酸搭載型
MN の開発を行っており、皮膚への貼付後に生体内のグルた。

コースと反応してニードル表面に形成されるスキン層を用い、その層の水和状態が血糖値に応じて変化することを利用し、ゲルからのインスリン放出を制御している 3。この MN により、週レベルでの安定性および持続性を確認しているが 4、MN の理想形に求められる吸水性と力学的強度の両立が課題である。そこで、本研究では吸水性と力学

図２. PGDiol の合成スキーム.

的強度を向上させる MN の開発を行った。具体的には、吸水性の高いポリエーテル骨格およびジオール構造を有す
るポリグリセロールを MN に添加し、ジオールとフェニルボロン酸の架橋により力学的強度を高め、皮膚刺入後に迅速に高血糖を感知できる MN の開発を行った（図１）。まず、ジオールの価数の異なるポリグリシジルジオール（PGDiol）およびポリグリシジルテトラオール（PGTetraol）
を合成し、調製したポリグリセロール融合型 MN の吸水性

図３. PGTetraol の合成スキーム.
表１. PGDiol の構造解析.

および力学的強度を評価した。さらに、異なるグルコース濃度における MN からのインスリン放出量を測定し、グルコース応答能を評価した。

a)1

H-NMR 法により決定, b)GPC 法により決定.

表２. PGTetraol の構造解析.
図１. 本研究で開発する
ポリグリセロール融合型ゲルマイクロニードルの概念図.

２．
２．１

実験結果と考察
ポリグリセロールの化学合成

N-テトラオクチルアンモニウムブロミドを開始剤とし、
tert-ブチルグリシジルエーテルをモノマーとするエポキシa)1

H-NMR 法により決定, b)GPC 法により決定.

２．２

ポリグリセロール融合型 MN の調製

既報 5 に従ってボロン酸モノマーを含むプリゲル溶液に開始剤を加え、PGDiol または PGTetraol との単純混合後にポリジメチルシロキサン（PDMS）の鋳型に添加し、UVを照射することでポリグリセロール融合型 MN を調製した（図４）
。その後、調製した MN は PDMS 鋳型から取り出し、室温で乾燥することで溶媒を除去した。得られた

図７. (A) PGDiol 融合型および(B) PGTetraol 融合型 MN のMN の形状を光学顕微鏡により確認したところ、ポリマー
添加後にも MN の形状が保たれており、ポリグリセロール

破壊靭性.

ポリグリセロール融合型 MN の吸水性の評

中のジオールとゲル中のボロン酸との架橋によりゲル構造が強化されていることが示唆された（図５）。また、走２．４
価査型電子顕微鏡による観察でも同様に、ポリマー添加後の良好なニードル形状の維持が確認された（図６）。

吸水性の評価に関して、既報 6 に従って合成した蛍光標
識グルコースを 500 mg/dL の濃度でアガロースゲルに添加し、MN 貼付後の蛍光標識グルコースの取り込み量を共焦点顕微鏡法により定量した。ポリマー添加前の MN に比べて、PGDiol 融合型 MN では PGDiol の添加率の増大により蛍光標識グルコースの取り込み速度が増大し（図８A）、
PGTetraol の添加により取り込み速度がさらに増加したことから（図８B）、親水性のポリエーテル骨格および側鎖のジオール構造による MN の吸水性の向上が示唆された。

図４. ポリグリセロール融合型 MN の調製スキーム.

図８. (A) PGDiol 融合型および(B) PGTetraol 融合型 MN の
蛍光標識グルコースの取り込み速度.

３．結言

図５. 光学顕微鏡による MN の形状観察.

図６. 走査型電子顕微鏡による MN の形状観察.

２．３
の評価

ポリグリセロール融合型 MN の力学的特性

MN の破壊靭性を、ボンドテスターを用いた応力-ひずみ曲線の取得および曲線の積分により算出することで力学的強度の指標とした。ポリマー添加前の MN に比べて
PGDiol 融合型 MN（図７A）および PGTetraol 融合型 MN（図７B）が高い破壊靭性を示したことから、ポリグリセ
ロール中のジオールと MN 中のフェニルボロン酸との架橋構造の形成による力学的強度の向上が示唆された。

本研究により、新規構造を有する PGDiol および PGTetraの精密合成に成功した。また、合成したポリマーを MN に添加することで、吸水性および力学的強度を同時に増大させた。これまでの MN では吸水性を増大させた一方で、ニードルの形状や強度の維持が困難であったが、本研究により開発したポリグリセロール融合型 MN は二律背反とされている吸水性と力学的強度の両方を兼ね備えたスマー
トな材料であると考えられる。今後は、開発した MN を基盤として、インスリンやサイトカインなどの治療用タンパ
ク質を内包し、貼るだけで難治性疾患の治療を可能とする「貼るだけ体内病院」の構築に向けて疾患モデルマウスを用いた評価を進める。

【参考文献】
1. O. Veiseh et. al., Nat. Rev. Drug Discov. 14 (2015) 45-57.
2. J. Wang et. al., ACS Nano 12 (2018) 2466-2473.
3. A. Matsumoto et. al., Angew. Chem. Int. Ed. 51 (2011)2124-2128.
4. S. Chen et. al., Adv. Funct. Mater. 29 (2018) 1807369.
5. S. Chen et. al., ACS Appl. Polym. Mater. 2 (2020)2781-2790.
6. K. Yoshioka et. al., Biochim. Biophys. Acta. 1289 (1996) 5-9.

【研究開発部】貼るだけ人工膵臓

業 績【原著論文】

Structural Control of Boronic Acid Ligands Enhances

1.

Intratumoral Targeting of Sialic Acid to Eradicate Cancer
Stem-Like Cells

Akira Matsumoto, Shigehito Osawa, Takahiro Arai, Yukie
Maejima, Hidenori Otsuka, Yuji Miyahara
Potentiometric Determination of Circulating Glycoproteins
by Boronic Acid End-Functionalized Poly(ethylene

2.

8.

glycol)-Modified Electrode
Bioconjugate Chem., 32, 239-244 (2021).

Kumiko Fujieda, Yuki Sugiura, Tomofumi Miyamoto,
Hiro Kohda, Ayako Ito, Taiki Miyazawa, Akira

Takuya Miyazaki, Satoshi Uchida, Satoru Nagatoishi,
Kyoko Koji, Taehun Hong, Shigeto Fukushima, Kouhei

Matsumoto, Seiichiro Aoe, Yoshihiro Miyamoto, Naotake
Tsuboi, Shoichi Maruyama, Makoto Suematsu, Sho

Tsumoto, Kazuhiko Ishihara, Kazunori Kataoka, Horacio
CabralYamasaki, Yoshihiro Ogawa, Takayoshi Suganami
C-Type Lectin Mincle Mediates Cell Death-Triggered

Polymeric Nanocarriers with Controlled Chain Flexibility
Boost mRNA Delivery In Vivo through Enhanced

Inflammation in Acute Kidney Injury
J. Exp. Med., 217, e20192230 (2020)

Structural Fastening
Adv. Healthc. Mater., 9, 2000538 (2020)
3.

9.

5.

6.

Direct Observation of Cell Surface Sialylation by Atomic
Force Microscopy Employing Boronic Acid-Sialic Acid

Guanidine-Phosphate Interactions Stabilize Polyion
Complex Micelles based on Flexible Catiomers toReversible Interaction
Anal. Chem., 92, 11714-11720 (2020)
10. Tomoaki Yoshida, Atsunori Tsuchiya, Masaru Kumagai,
Suguru Takeuchi, Shunsuke Nojiri, Takayuki Watanabe,

Kyoko Koji, Naoto Yoshinaga, Yuki Mochida, Taehun
Hong, Takuya Miyazaki, Kazunori Kataoka, Kensuke

Masahiro Ogawa, Michiko Itoh, Masaaki Takamura,Takayoshi Suganami, Yoshihiro Ogawa, Shuji Terai

Osada, Horacio Cabral, Satoshi Uchida
Bundling of mRNA Strands Inside Polyion Complexes

Blocking Sphingosine 1-phosphate receptor 2 Accelerates
Hepatocellular Carcinoma Progression in a Mouse Model

Improves mRNA Delivery Efficiency In Vitro and In
Vivo

of NASH
Biochem. Biophys. Res. Commun., 530, 665-672 (2020)

Biomaterials, 261, 120332 (2020)
Siyuan Chen, Takuya Miyazaki, Michiko Itoh, Hiroko

11. Takayuki Watanabe, Atsunori Tsuchiya, Suguru Takeuchi,
Shunsuke Nojiri, Tomoaki Yoshida, Masahiro Ogawa,Matsumoto, Yuki Moro-oka, Miyako Tanaka, Yuji
Miyahara, Takayoshi Suganami, Matsumoto Akira

Michiko Itoh, Masaaki Takamura, Takayoshi Suganami,
Yoshihiro Ogawa, Shuji Terai

Temperature-Stable Boronate Gel-Based Microneedle
Technology for Self-Regulated Insulin Delivery

Development of a non-alcoholic steatohepatitis modelwith rapid accumulation of fibrosis, and its treatment

ACS Appl. Polym. Mater., 2, 2781-2790 (2020)
Akira Matsumoto, Hirohito Kuwata, Shinichiro Kimura,using mesenchymal stem cell and their small extracellular
vesiclesHiroko Matsumoto, Kozue Ochi, Yuki Moro-oka, Akiko
Watanabe, Hironori Yamada, Hitoshi Ishii, Taiki

7.

Shigehito Osawa, Akira Matsumoto, Yukie Maejima,
Toshihiro Suzuki, Yuji Miyahara, Hidenori Otsuka

Takuya Miyazaki, Satoshi Uchida, Hiroaki Hatano, Yuji
Miyahara, Akira Matsumoto, Horacio Cabral

Improve mRNA Delivery
Eur. Polym. J., 140, 110028 (2020)
4.

ACS Appl. Bio Mater., 3, 5030-5039 (2020)
Miyako Tanaka, Marie Saka-Tanaka, Kozue Ochi,

Regen. Ther., 14, 252-261 (2020)
12. Hiroko Oda, Takeshi Namagatsu, Danny J. Schust,Miyazawa, Siyuan Chen, Toshiaki Baba, Hiroshi Yoshida,
Taichi Nakamura, Hiroshi Inoue, Yoshihiro Ogawa,Horacio Cabral, Takuya Miyazaki, Keiichi Kumasawa,
Takayuki Iriyama, Kei Kawana, Yutaka Osuga, Tomoyuki

Miyako Tanaka, Yuji Miyahara, Takayoshi Suganami
Hollow Fiber-Combined Glucose-Responsive Gel

Fujii
Recombinant Thrombomodulin Attenuates Preecamptic

Technology as an In Vivo Electronics-Free Insulin
Delivery System

Symptoms by Inhibiting High-Mobility Group Box 1
Mice

Commun. Biol., 3, 313 (2020)
Thahomina Khan, Kazunori Igarashi, Ami Tanabe, Taiki

Endocrinology, 162, bqaa248 (2021)
13. Takuya Miyazaki, Thahomina Khan, Michiko Ito, Taiki

Miyazawa, Shigeto Fukushima, Yutaka Miura, Yu
Matsumoto, Tatsuya Yamasoba, Akira Matsumoto,

Miyazawa, Takayoshi Suganami, Yuji Miyahara, Horacio
Cabral, Akira Matsumoto

Horacio Cabral, Kazunori Kataoka

Boronic Acid Ligands Can Target Multiple Subpopulations

KISTEC研究報告2021

138

【研究開発部】貼るだけ人工膵臓

6.

of Pancreatic Cancer Stem Cells via pH-Dependent
Glycan-Terminal Sialic Acid Recognition
ACS Appl. Bio Mater., DOI: 10.1021/acsabm.1c00383

高分子ゲルを応用した完全合成型人工膵臓デバイス
の開発
7.

【総説】
1.

2.

3.

香、宮原裕二、松本裕子、金井紗耶香、菅波孝祥
吸水性と力学的強度を向上させるポリグリセロール

Development of Flexible Polycation-Based mRNA
Delivery Systems for In Vivo Applications

融合型ゲルマイクロニードルの設計と評価
第 32 回高分子ゲル研究討論会、2021 年 1 月、オンラ

Mater. Proc., 4, 5 (2021)
John D. Martin, Takuya Miyazaki, Horacio Cabralイン
立原義宏、中川泰宏、アンキタオ、ファンジョージ、

8.

Remodeling Tumor Micro-Environment with
Nanomedicines

宮崎拓也、五十嵐一紀、クォーダーサビーナ、安楽泰
孝、片岡一則、カブラルオラシオ

Wiley Interdiscip. Rev. Nanomed. Nanobiotechnol.,Accepted

難治性膵臓癌を標的としたホストゲスト相互作用を介した環状中分子薬剤担持型 pH 応答性高分子ミセル

S. Chen, A. Matsumoto
A Boronategel-Based Synthetic Platform for Closed-Loopの開発
日本バイオマテリアル学会 2020 年度関東ブロック発

Insulin Delivery Systems
Polym. J., Accepted

表会、2021 年 1 月、オンライン
Taiki Miyazawa, Akira Matsumoto, Ayano Mukaida, Yuji

9.

Miyahara
Simplest and label-free determination of intra- andTakuya Miyazaki, Yasuhiro Nakagawa, Horacio Cabral
Chapter 24 – Strategies for Ligand-Installed Nanocarriers

extra-cellular vitamin C dynamics by HPLC-DAD
4th International Caparica Christmas Conference on

Handbook of Nanotechnology Applications, 635-655(2021)

Sample Treatment 2020, December, 2020, Online
10. Akira Matsumoto, Chen Siyuan, Takuya Miyazaki,
Michiko Ito, Hiroko Matsumoto Yuki Moro-oka, Miyako
Tanaka, Takayoshi Suganami, Yuji Miyahara【口頭発表】
1.

2.

3.

伊藤美智子、菅波孝祥
Role of cholesterol metabolism in macrophages in the

Polymer gel-based totally synthetic pancreas device
The 30th Frontier Scientists Workshop, Recent Advances

pathogenesis of non-alcoholic steatohepatitis
第 98 回日本生理学会大会、2021 年 3 月、オンライン

in Medical Polymers for Therapeutic Applications,November, 2020, Online

伊藤美智子、菅波孝祥、小川佳宏
新規 NASH マウスモデルの開発と病態形成機構の解11. 松元亮＜糖尿病＞機械を使わず、安く、痛みのない治療を目明
第 41 回日本肥満学会学術集会、2021 年 3 月、オンラ

指して
第７回 COINS シンポジウム〜小さく寄り添い大きくイン
伊藤美智子、金井紗綾香、金森耀平、田中都、松元亮、守る、未来の医療はすぐそこに〜、2020 年 12 月、オンライン
12. Wenqian Yang, Takuya Miyazaki, Yasuhiro Nakagawa,
Pengwen Chen, Taehun Hong, Horacio Cabral

宮原裕二、小川佳宏、菅波孝祥
NASH 発症過程における死細胞貪食障害の病態生理

4.

5.

旭化成株式会社講演会、2021 年 1 月、オンライン
宮崎拓也、Chen Siyuan、伊藤美智子、松元亮、諏澤杏Takuya Miyazaki, Satoshi Uchida, Yuji Miyahara, Akira
Matsumoto, Horacio Cabral

【書籍】
1.

松元亮

的意義
第 41 回日本肥満学会学術集会、2021 年 3 月、オンラ

Effect of PEG-Polycation Chain Flexibility on siRNAloaded Polyion Complex Micelles Assemblyイン
松元亮

3rd G’Lowing Polymer Symposium in KANTO, November,
2020, Online「貼るだけ人工膵臓」技術の社会実装を目指して
先端ナノデバイス・材料テクノロジー第 151 委員会／

13. Yoshihiro Tachihara, Yasuhiro Nakagawa, Anqi Tao,
George Huang, Takuya Miyazaki, Kazunori Iagarashi,

令和２年度 第４回研究会：｢ナノバイオテクノロジーの社会実装、ベンチャー創出へ｣、2021 年 3 月、オン

Sabina Quader, Yasutaka Anraku, Kazunori Kataoka,
Horacio Cabral

ライン
松元亮

Development of Macrocyclic Drug Loaded pH-sensitive
Polymeric Micelles via Host Guest Chemistry「貼るだけ人工膵臓」で世界の糖尿病患者に希望の光を届けよう！

3rd G’Lowing Polymer Symposium in KANTO, November,
2020, Online

RINK FESTIVAL 2021、2021 年 2 月、オンライン

14. Takuya Miyazaki

139

KISTEC研究報告2021

【研究開発部】貼るだけ人工膵臓

第 93 回日本生化学会大会、2020 年 9 月、オンライン

Development of flexible polycation-based mRNA delivery

25. 吉岡直輝、田中都、越智梢、渡辺亜希子、辰川弥生、
伊藤美智子、石上雅敏、藤城光弘、菅波孝祥

systems for in vivo applications
2nd International Online-Conference on Nanomaterials,
November, 2020, Online
15. 松元亮新しい肥満関連肝がんモデルの確立
第 93 回日本生化学会大会、2020 年 9 月、オンライン

非機械型で完全合成型「貼るだけ人工膵臓」開発の最前線

26. Taehun Hong, Takuya Miyazaki, Kazunori Igarashi,
Yasuhiro Nakagawa, Eger Rigte Boonstar, Koji Kyoko, Yu

第 58 回人工臓器学会大会、特別企画「日本から発信する人工臓器学」、2020 年 11 月、高知

Matsumoto, Tatsuya Yamasoba, Horacio Cabral
Phosphocoline ligands target tumor cell mitochondria in

16. 伊藤美智子
新規マウスモデルの確立による非アルコール性脂肪vivo
33rd International Microprocesses and Nanotechnology

性肝炎の病態生理の解明第 93 回日本内分泌学会（第30 回日本内分泌学会臨床内分泌代謝 Update 内にて発

Conference, August, 2020, Online
27. 金森耀平、田中都、伊藤美智子、越智梢、渡辺亜希子、表）、2020 年 11 月、オンライン
17. Taehun Hong, Takuya Miyazaki, Kazunori Igarashi,

菅波孝祥
NASH におけるクッパー細胞鉄代謝と機能変容の関Yasuhiro Nakagawa, Eger Rigte Boonstar, Koji Kyoko, Yu
Matsumoto, Tatsuya Yamasoba, Horacio Cabral

係
第 93 回日本内分泌学会学術総会、2020 年 7 月、オン

Development of phosphocoline-based ligands for in vivo
mitochondria targetingライン
28. 宮崎拓也、内田智士、片岡一則、カブラルオラシオ

The 36th Annual Meeting of the Japan Society of Drug
Delivery System, November, 2020, Online

柔軟なポリエーテル骨格ポリカチオンによる mRNA 内包
高分子ミセルの安定化

18. 宮崎拓也
妊娠期の化学療法に向けた高分子ミセル型ナノキャ

第 66 回高分子研究発表会、2020 年 7 月 10 日、オンライン

リアの構造最適化
第 28 回日本胎盤学会学術集会、2020 年 10 月、東京

29. 松元亮革新的な高尿病治療を実現する「貼るだけ人工膵臓」

19. 松元亮
合成分子のみで完結した「インスリンがやってくる」の開発
有機機能材料のリソグラフィ加工コンソーシアム・第36 回定例会、2020 年 6 月、オンライン
30. Wenqian Yang, Takuya Miyazaki, Yasuhiro Nakagawa,

技術
CSJ 化学フェスタ 2020、2020 年 10 月、オンライン

20. 伊藤美智子
マクロファージにおける脂質代謝障害に着目した

Satoshi Uchida, Kazunori Kataoka, Horacio Cabral
Bioinspired design of stable siRNA-loaded polyion

NASH 発症機構の解明
第 1 回 NAFLD/NASH と糖脂質代謝シンポジウム、

complex micelles from strong Tryptophan/Tyrosine-RNAinteractions for siRNA delivery

2020 年 10 月
21. Wenqian Yang, Takuya Miyazaki, Yasuhiro Nakagawa,69th Society of Polymer Science (SPSJ) Annual Meeting,May, 2020, Online

Pengwen Chen, Taehun Hong, Horacio Cabral
Effect of PEG-Polycation Chain Flexibility on siRNA

31. 松元亮「”貼るだけ”人工膵臓」開発の最前線

loaded Polyion Complex Micelles Assembly
2nd International online conference on nanomedicine,

第 74 回日本栄養・食糧学会大会、2020 年 5 月、宮城

October, 2020, Online
22. 松元亮【特許】(1) 国内特許出願 2 件

拡散制御性におけるゲルのやわらか機能デザインを通じた「人工膵臓」の開発(2) 国外特許出願 2 件

第 69 回高分子討論会、2020 年 9 月、オンライン
23. 松元亮
高分子ゲルを応用した完全合成型人工膵臓デバイスの開発
第 69 回高分子討論会、2020 年 9 月、オンライン
24. 金森耀平、田中都、伊藤美智子、越智梢、渡辺亜希子、菅波孝祥
鉄負荷による肝マクロファージの機能変容の機序解
明：NASH の新たな病態メカニズム解明に向けて

KISTEC研究報告2021

140

【研究開発部】再生毛髪の大量調製革新技術開発「再生毛髪の大量調製革新技術開発」プロジェクト
プロジェクトリーダー

福田淳二【基本構想】
毛髪を生み出す毛包組織は、胎児期において、上皮系と間葉系の２種類の幹細胞からなる原基を形成し、これらの細胞の相互作用がトリガーとなり生み出される。他の臓器では、この胎児期にしか原基が作られないが、毛包組織は唯一、誕生後も一定間隔（毛周期）で一生涯再生を繰り返すという特徴がある。したがって、毛包組織は臓器発生プロセスを理解するための有用な実験系となる可能性がある。一方、毛包原基から始まる毛包組織形成プロセスを人為的に再現することで、脱毛症の治療を行う毛髪再生医療に期待が集まっている。我々が考えている毛髪再生医療の手順を図１に示す。ここでは、患者本人の毛髪を毛包
組織ごと数本を取り出し、そこから上皮系と間葉系の２種類の幹細胞を単離する。そしてこれらの細胞を、
例えば

100

本分に増殖させた上で、毛包原基様の移植体を生体外で作製し、これを脱毛部に移植する。

我々の研究プロジェクトの出発点は、毛包原基様の移植体が細胞の自己組織化により形成されることを発見したことに始まる。すなわち、上皮系と間葉系の細胞を混ぜて 1 つの凝集体を形成させると、培養初期は 2種類の細胞がバラバラの状態で凝集体内に存在するものの、培養 3 日間のうちにそれぞれの細胞が凝集体内で自発的に分離し毛包原基様の構造が形成されることを発見した。これを応用して独自の細胞培養器を開発することで毛包原基を大量調製する技術を確立した。毛髪再生医療では、患者１名に数千個の移植体が必要であり、細胞の自己組織化を利用する本手法は、毛包原基の大量調製へとスケールアップ
可能である点が技術的な有意性である。本研究プロジェクトでは、この技術をもとに毛包原基の作製以外の手順も含めて技術開発に取り組む。そして、連携企業や医療機関などと協力し、脱毛症患者の毛包由来細胞へと当該技術を適用することで、毛髪再生医療の実用化を目指す。

図１

１．

毛包原基の大量調製法を用いた毛髪再生医療

2020 年度の研究目的

これまでにシーズ育成事業では、主にマウスの細胞を用いて毛髪再生医療の手順を確認してきた。本研究プロジェ

プロジェクト 1 年目となる 2020 年度は、以下の各項目

クトではこれをヒト細胞を用いて実現する。(1)では、ヒト
毛包上皮幹細胞に適した培養条件の最適化により，毛包幹を重点項目として研究を進めた。ただし、動物実験については、横浜国立大学動物実験専門委員会の承認を得て実施
し、患者組織の利用については、横浜国立大学倫理委員会（人を対象とする医学系研究）の承認を得て実施した。

細胞マーカー（CD200 等）陽性細胞を複数回の継代で約1000 万個程度まで増殖させることを目標とする。(2)では、(1) ヒト毛包上皮幹細胞の増殖培養(2) ヒト毛乳頭細胞の増殖培養

毛髪再生医療に必要な大量（約 1000 万個）の毛乳頭細胞を増殖させる培養技術を開発する。そして、(3)では、これ(3) ヒト毛包原基の形成とマウス移植実験(4) ヒト毛母細胞の分離と発毛活性の評価

ら毛包上皮幹細胞と毛乳頭細胞を用いて，毛包原基を作製し発毛を評価する。また、再生した毛髪がヒト由来のもの

141

KISTEC研究報告2021

【研究開発部】再生毛髪の大量調製革新技術開発

か否を明らかにする。この(1)から(3)のプロセスを繰り返カ月を要するのに対して、マウス由来では２週間程度で結果が得られるためである。ただし、上述した通り、すべて

すことによって、高い発毛効率の得られる各ステップの条件を見出す。(4)については、当初の研究計画からの変更点

ヒト由来細胞を使用した毛包原基に対して発毛効率の向上を評価する必要があり、これは次の実験である。

であるが、上皮系細胞の細胞源として、毛包上皮幹細胞に限定していたが、毛母細胞についても検討を加えることとした。これは、他者の文献や特許より得られた情報により(2) 伸長した毛幹におけるヒト由来ミトコンドリアの検出可能性が浮上したためである。
本報告書では、(1), (2)については、それぞれ景山研究員、
Zhang 研究員が報告することから、ここでは主に(3), (4)について報告する。

前年度までに、脱毛症患者由来の細胞を用いて毛包原基を作製し、これを免疫不全マウスに移植することで毛髪が２．

再生することを示してきた。しかし、マウスに移植したヒトの毛包原基が、“ヒトの毛髪を形成しているのか”、それとも“ホスト（マウス）の毛包の活性化を促しているのみ
なのか”は明らかになっていなかった。そこで、再生毛髪2020 年度の研究成果(1) ヒト毛包原基の形成とマウス移植実験
シーズ育成事業では、ヒト毛包原基を免疫不全マウスにのミトコンドリア DNA を解析することで再生毛髪の由来（マウスかヒトか）を解析した。そもそも毛幹は毛母細胞移植すると発毛が見られる場合があるものの、その頻度は非常に低いことが分かった。その原因として、1) ヒト毛が角化してできる組織であり、生きた細胞は存在しない。
そのため、他の組織で解析されるような RNA や DNA か

包由来細胞が培養系において毛髪再生能を失ってしまっ
たこと、2) マウス皮膚では毛髪再生に必要な因子が供給

ら由来を同定することが難しい。そこで、我々は毛幹に保存されているミトコンドリア DNA から由来を判定する手

されないこと、が考えられた。1)については、発毛関連遺伝子を指標として継続的に培養技術の向上を図っている

法を選択した。予備検討として、ヒトとマウスの毛髪からミトコンドリア DNA を回収し、RT-PCR によるミトコン

が、2)については種差に関連することである。実際、ヒトとマウスでは、毛周期の長さそのものや毛周期に関連する

ドリア DNA の解析を行った結果、マウスおよびヒト特異的な配列で由来を同定できることが確認された（図２）。

メカニズムに違いがあることが分かっている。そこで、移植後もいくつかの因子が供給されることを期待して、毛包実際にこの系で再生毛髪を評価してみると、ヒト特異的なミトコンドリア DNA 配列とマウス特異的なミトコンドリ

上皮幹細胞と毛乳頭細胞に加えて、第３の細胞を加えるな
どの工夫を行った。第３の細胞としては、ヒト脂肪由来幹ア DNA 配列がともに同定され、ヒトとマウスの両方の細胞を含む毛髪が形成されていることが確認された（図２）。

細胞、ヒト血管内皮細胞、多血小板血漿などである。特に、ヒト脂肪由来幹細胞は、高い発毛活性の向上を誘導した(R.

これまでに、脱毛症患者由来の細胞を用いて毛髪再生に成功した例はなく、再生毛髪にヒト細胞が含まれていたこと

Nakajima, et al., J. Biosci. Bioeng., in press, 2021)。この実験
では、毛乳頭細胞と脂肪由来幹細胞はヒト由来であるが、は評価に値するが、マウス細胞も含まれていることから、
今後さらなる最適化を行う必要性があることが明らかに実験上の都合で上皮系細胞はマウス由来のものを使用した。これは、上皮細胞がヒト由来の場合には発毛試験に数

なった。

図２

KISTEC研究報告2021

伸長した毛幹におけるヒト由来ミトコンドリアの検出142

【研究開発部】再生毛髪の大量調製革新技術開発(3) 遠心式の毛包原基形成法
上述したように、我々は上皮系と間葉系細胞の自己組織

来の間葉系細胞、上皮系細胞を順に導入して、それぞれ 3分間遠心充填した。そして、37℃に加温してゼラチンを溶化による毛包原基の形成を利用した手法を用いてきた。今後もこの手法を中心にプロジェクトを推進するが、次世代

解し、ヌードマウスの背部に形成した移植穴にデバイスの先端を挿入し、毛包原基を移植した（図４）。この一連の型のより良い方法の開発は継続している。特にヒト細胞では発毛効率の低下という課題があることから、自己組織化

組織作製プロセスは準備等を含めても、30 分以内に完了することから、非常に素早い毛包原基構築法といえる。そを利用した毛包原基作製にのみ依存することなく、いくつかの作製手法を検討してきた。自己組織化を利用する方法

して、この組織体をヌードマウスの皮下に移植したところ、移植後３週間後に毛髪伸長が観察された。今後、本手法をでは２種類の細胞を同時に培養するための培養液の最適化が必要となる。一般に２種類の細胞のいずれにも適した

マルチニードルへと応用し、大量の毛包原基を一括作製する技術を確立する。また、さらに実際の臨床現場を想定す

培養液の開発は難しく、時間を要する。そこで、この培養プロセスそのものを省略できる方法として遠心力を利用ると、このニードルが凍結保存できれば、クリニックに輸送したあと、必要な本数を解凍して移植するという方法がした毛包原基作製法を検討した。また、毛髪再生医療では、一人の患者に、数百 µm サイズの毛包原基を数百から数千可能となる。これは、操作性やコストの面からも有用であると考えられることから、引き続き検討する予定である。

個移植するが、これにも熟練者が必要で手間とコストを伴う。つまり、より簡便な操作で毛包原基を移植する技術も毛髪再生医療を実現する上で重要である。これらを踏まえ、遠心充填により移植針内に毛包原基を形成させる手法を確立し、医療現場ではこれを皮膚に打ち込むのみで毛髪を再生可能となる技術の開発を目指した。
具体的には、図３に示すようにシリンジの先端に遠心充填部（直径 300 µm、高さ 1 mm）を備えたデバイスを作製した。遠心充填部の周囲は、犠牲層となる 20 wt%ゼラチ
ン層が形成されている。このデバイスにマウス胎児皮膚由

図３ 遠心充填デバイス （a）遠心充填後に形成した毛包原基構造、（b）ゼラチンを溶解しシリンジを押し込むことで組織回
収

図４
構造

毛包原基の移植により再生した毛髪とキューティクル

143

KISTEC研究報告2021

【研究開発部】再生毛髪の大量調製革新技術開発

毛包上皮幹細胞の増殖培養技術の開発
景山
１．

はじめに

達斗

究室でこれまでに開発を進めてきた微小ウェルアレイチ

毛髪再生医療は、植毛や薬剤治療にかわる脱毛症の新たップ 2-4）を毛包上皮幹細胞の増殖に利用しようと考えた（図 1）。なぜなら、チップのウェル直径やピッチ、ウェ

な治療法として期待されている。この治療法は、数本の毛
髪から、毛包上皮幹細胞と毛乳頭細胞という 2 種類の細胞ルの曲率を調整することで、凝集体のサイズ、配置、組織形成に要する時間などを容易に制御できるためである。

を分離・増殖させ、大量の毛包原基を調製した後、これを頭皮に移植することで毛髪を再生する方法であり、毛髪の毛包上皮幹細胞の培養のために最適化したチップでは、
直径 1 mm、深さ 1 mm の丸底微小ウェルを培養器底面に本数を増やせることが最大の利点である。この分野の研究開発は急速に加速しているものの、毛髪再生医療を臨床応

複数個配置した。このチップに細胞懸濁液を注ぐと細胞はそれぞれのウェル内で均一な粒径をもつ細胞凝集体を数用まで持っていくには未だ大きな課題が残されている。特に、ヒト毛包上皮幹細胞は、培養基板上で増殖培養中に発時間で形成することができる。チップの材質には、酸素透過性に優れたポリジメチルシロキサン（PDMS）を用いて毛能力を急激に失ってしまうため、世界的に見ても増殖培養に成功した例はほとんど報告されていない。近年、マウ

おり、PDMS 膜を介した底面からの酸素供給が可能である（図 2A）。そのため、培養液中の酸素濃度勾配の変化が最

スの毛包上皮幹細胞をマトリゲルに包埋して三次元培養
することで、機能維持培養する方法が提案された１）。この小限に抑えられ、三次元培養の最大の課題である細胞の低酸素障害も抑制することが可能となる。

方法で増殖した細胞を免疫不全マウスに移植すると、発毛することも確認されている。本研究では、この三次元培養

実際にチップの表面に細胞非接着処理を施した上で、マウスの毛包上皮幹細胞を懸濁した培養液を注ぐと、各ウェ技術を改良し、独自のスフェロイドアレイ培養器を使用した新たな増殖培養技術を提案する。さらに、この培養法がル内で直径 100 µm の粒径をもつ均一な細胞凝集体が形成した。培養液をマトリゲルに置換して培養を続けると、凝脱毛症患者から採取した毛包上皮幹細胞においても有効かについても検討を行った。

集体の直径は 14 日間で約 350 µm まで増大し（図 2B）、細胞数は播種前の約 15 倍まで増加した。免疫染色より、凝集体を構成するほとんどの細胞が CD34（マウス毛包上皮

２．
２．１

実験と結果
毛包上皮幹細胞の三次元培養

C.A. Chacon-Martinez らは、毛包上皮幹細胞をマトリゲル内で三次元培養することで機能を維持したまま培養する方法を提案した１）（図１）。この方法では、マトリゲルに包埋した毛包上皮幹細胞が、培養中に近接する細胞と凝集体を形成しながら増殖する。しかし、この凝集体のサイズや配置、組織形成に要する時間には、ばらつきがみられ

図 2.

微小ウェルアレイチップを用いた増殖培養(A) 微小ウェルアレイチップと酸素供給、(B) 培養 14 日後の毛包上皮幹細胞スフェロイド、(C) 培養 14 日後の CD34 陽性細胞

幹細胞マーカー）陽性であることも確認している（図 2C）。
興味深いことに、我々の培養法と C.A. Chacon-Martinez

図 1. 先行研究と本研究の 3 次元培養法

らの手法を比較すると、培養 14 日目の毛包上皮幹細胞の細胞数は、我々の培養法で 2 倍増加しており、幹細胞マーた。我々は、この凝集体形成プロセスを制御することが毛包上皮幹細胞の機能維持培養の鍵となると仮説を立て、研KISTEC研究報告2021144

【研究開発部】再生毛髪の大量調製革新技術開発カーである CD34、Tcf3、 Nfatc1 の遺伝子発現においても我々の培養法で有意に向上していた。さらに、増殖した毛上の生存率で毛包上皮幹細胞が回収でき、CD200（毛包上皮幹細胞マーカー）陽性の毛包上皮幹細胞が初代培養でき

包上皮幹細胞の毛髪再生能を評価するため、マウス胎児の間葉系細胞と共にヌードマウス皮下へ移植を行ったとこることが確認された（図 4）。
このように回収した毛包上皮幹細胞を微小ウェルアレ

ろ、我々の培養法で増殖した毛包上皮幹細胞を移植した皮膚からは C.A. Chacon-Martinez らの方法よりも毛髪が 3 倍

イチップに播種し、マトリゲル内で増殖培養を行った。その結果、凝集体の直径は培養時間経過とともに増加し、も多く再生した（図 3）。以上より、微小ウェルアレイチップを用いて凝集体形成を制御することで、毛包上皮幹細CD200（ヒト毛包上皮幹細胞マーカー）の発現が平面培養
や C.A. Chacon-Martinez らの手法と比較して 2 倍以上増加

胞の増殖培養の効率を向上できることが示された。

した。以上の結果より、本手法がヒトの毛包上皮幹細胞の増殖培養においても、有用であることが示された。

３．

今後の展望

本研究では、脱毛症患者の毛包上皮幹細胞の機能を維持
しながら増殖培養が可能な三次元培養技術を開発した。今後、この技術を実用化につなげるためには、マトリゲルを生物由来原料基準を満たした材料に置換する必要がある。
ごく最近の研究では、マトリゲルをアテロコラーゲンに置換して、三次元培養を行う方法も開発されている 5）。本手法においても、アテロコラーゲンへの代替が可能かどうか検討していきたい。他にも、継代数による増殖効率はどのように変化するか、増殖した細胞を用いて毛包原基の構築が可能かなど、今後検証すべき内容は山積みである。これ

図 3. 本手法で培養した毛包上皮幹細胞の毛髪再生能らを 1 つずつ検証し、実用化レベルの増殖技術に仕上げていきたいと考えている。毛髪再生医療が脱毛症の効果的な（A）チャンバー法により再生した毛髪（B）再生毛髪本数

２．２

治療法として選ばれるようになる日を少しでも早く実現できるように引き続き努力していきたい。

ヒト毛包上皮幹細胞の増殖培養

毛髪再生医療の細胞源には、脱毛症患者本人の毛包から毛包上皮幹細胞を分離して用いることが想定される。本手【参考文献】
1. C.A. Chacon-Martinez et al., Hair follicle stem cell cultures

法が毛髪再生医療のための細胞増殖法として適用できるか検証するため、倫理委員会の承認の下で脱毛症患者から

reveal self-organizing plasticity of stem cells and their progeny,
The EMBO Journal, 36, 151-164 (2017).

毛包上皮幹細胞を採取し、増殖培養を行った。
まずクリニックより提供された毛包組織から毛包上皮

2. T. Kageyama et al., Spontaneous hair follicle germ (HFG)
formation in vitro, enabling the large-scale production of HFGs

幹細胞を高い生存率で回収する方法について検討したと

for regenerative medicine, Biomaterials, 154, 291-300 (2018)
3. T. Kageyama et al., Effects of platelet-rich plasma on in vitro
hair follicle germ preparation for hair regenerative medicine,
Journal of Bioscience and Bioengineering, 130, 6, 666-671(2020)
4. T. Kageyama et al., Hair follicle germs containing vascularendothelial cells for hair regenerative medicine, Scientificreports, 11, 624 (2021)
5. M. Takeo et al., Expansion and characterization of epithelial
stem cells with potential for cyclical hair regeneration,

図 4. ヒト毛包上皮幹細胞の培養

Scientific reports, 11, 1173 (2021)（A）培養ディッシュに接着した毛包上皮幹細胞、(B) 毛包上皮幹細胞の CD200 染色（緑：CD200, 青：細胞核）

ころ、酵素の種類および処理時間の最適化により、80％以

145

KISTEC研究報告2021

【研究開発部】再生毛髪の大量調製革新技術開発

Electrical stimulation of human follicle dermal papilla cells to promotehair regeneration

ZHANG

1.

Binbinculture device using PPy and optimized the conditions ofIntroduction
Hair loss is a prevailing and distressing problem for bothelectrical stimulation to achieve the optimal human DPC(hDPC) functionality. The stimulated hDPCs were then formed

men and women around the world. Hair follicles (HFs) arecomplex mini-organs that form during embryonic skin

the hair follicle germs through the method developed in Fukuda
Lab and transplanted into the back of the nude mouse todevelopment stages, and cannot regenerate on their own after
damages caused by diseases, chemotherapy or severe burn

analysis the in vivo hair generating ability.

injuries1. Current clinical treatments for hair loss are limited topharmaceutical drugs and autologous transplantation. However,2.

both approaches have their limitations, such as low
effectiveness, side effects or the inability to increase the total

2.1 Fabrication of the electrical stimulation device andstudy of the experiment conditions

hair numbers. In recent years, approaches through tissue

We have fabricated the electrical stimulation devices asshown in Figure 1A&B. The electrical stimulation devices

engineering and regenerative medicine have attracted
growing interest in the research field for hair
regeneration.

Results and Discussion

consist of two major parts, a cell culture chamber fixed onto theHair developments and hair growth cycle requires
epithelial-mesenchymal cell interactions. Among themesenchymal cells, dermal papilla cells (DPC) have been
proved to be crucial for this process. DPC functions are criticalto excrete molecular signaling to surrounding matrix and bulge
area. In order to manufacture adequate amount of hair follicles
by few dermal papillae extracted from the patients, cell
expansion techniques are desired2. However, the problem ofdrastic loss of DPCs’ hair induction ability along cell expansion
process remains as the biggest challenge. Efforts have been
made to maintain the intrinsic properties of the DPCs during its
expansion, including mimicking in vivo environment for DPCs
such as 3D culture and/or spheroid culture approaches3 orproviding extracellular matrix materials such as collagen4.
Electrical stimulation treatment has been applied to malepatients’ scalp, demonstrating increased hair number comparedto placebo groups in clinical trials5. However, the application ofelectrical stimulation in vitro for the purpose of maintaining andpromoting DPC functionalities has not been well studied. On
the other hand, the application of electrical stimulation for theculture of neural and muscular cells have been developed, as
they are seen to be prone to electrical signals. Among suchstudies, conductive polymers such as polypyrrole (PPy) haveattracted increasing interest to be used as culturing surface due

Figure 1 (A)Schematic of the device set-up for electricalstimulation. (B) Illustration (left) and photo (right) of the cell
culture chamber assembly for the electrical stimulation device. (C)Design of the electrical stimulation protocols (i) and the potential
response from different stimulation currents (ii).

to its inherent biocompatibility compared to the traditional
conductors such as gold and platinum6.
In this experiment, we fabricated the electrical stimulation

KISTEC研究報告2021146

【研究開発部】再生毛髪の大量調製革新技術開発

working electrode, and the counter electrode, which is attachedto the lid of the culture chamber. The culture chamber has abeing electrically stimulated on the PPy surface, compared tothose stimulated on gold surface and un-stimulated cells culture

dimension of 10mm x 20mm. The working electrode wasfabricated by first sputter coating a gold layer on to a glass slide

on TCP.
We further studied hDPC electrically stimulated on PPy under(using chromium as adhesive layer), followed by electricalpolymerizing polypyrrole (PPy) on the gold layer. The culture

different stimulation conditions and characterized the results
using ALP gene expression (Figure 3). We have stimulated thechamber was then glued directly onto the PPy surface. The
counter electrode was made of platinum mesh.

cells on D0 (6h after cell attachment), D1, D2 and D3, and it
showed that the electrical stimulation was most effective on D1

Electrical stimulation was performed by applying a biphasic
waveform of 100ms pulse (50ms x 2) with 100ms interphaseand D2 after cell seeding. Thereafter, we have performed
electrical stimulation on D1 with a series of different

open circuit potential (5Hz) using an Autolab Potentiostat(Figure 1C-i). The voltage waveform in response to thestimulation currents, periods and frequency applied to thehDPC. Although the difference between different stimulation

stimulation current was also recorded, and it showed that withthe highest current (1.0mA/cm2) set-up in this experiment, thecurrents was not significant, they have all demonstrated higher
gene expression than the un-stimulated cells. Furthermore, it

voltage was under 1V, which is unharmful to the cells (Figure
1C-ii).

was shown the optimal electrical conditions were achieved with
5000 cycles (16min) and at a frequency of 5Hz (Figure 3C&D).

2.2 Investigation and optimization of the electrical

A

B

C

D

stimulation conditions
We have cultured the hDPC on the PPy surface compared togold and tissue culture plate (TCP). After 6h, cells attached to
all the surfaces, and showed no obvious difference in themorphology. During a 3-day culture, the cell proliferation was
significantly slower on the PPy surface. However, the gene
expression of ALP showed significant increase for the cells

A

B
Figure 3 ALP gene expression of hDPC after electrical stimulation
at different timing (A), and with different current (B), overall period(C) and frequency (D). P<0.001

2.3 Co-culture hDPC with embryonic mice epithelial cells toform hair follicle germs
To demonstrate the effect of electrical stimulation on hDPCs
in terms of trichogenic ability in vivo, we co-cultured hDPCs

C

stimulated at the optimal condition with embryonic mouseepithelial cells (mEC) in the U-bottom 96 well plates to form
hair follicle germs (Figure 4). At the seeding density of 1 × 104
of hDPCs and 1 × 104 mECs per well, uniform spheroid
structures were formed, with the mECs in the out layer
surrounding the hDPC and no obvious difference was observed
between the hair follicle germs formed with stimulated (ES(+))
and un-stimulated (ES(-)) hDPCs (Figure 4A right). After

Figure 2 (A)Cell morphology after culturing 6h on TCP, gold, andPPy surfaces. (B) Cell proliferation on TCP, gold and PPy surfaces.
(C) ALP gene expression of cells culture on TCP (no electricalstimulation), and on gold and PPy surface after electricalstimulation. P<0.001

transplantation, both hair follicle germs formed with stimulated
and un-stimulated hDPCs showed hair regeneration, compared
to no hair regenerated from transplanting mECs alone. However,147

KISTEC研究報告2021

【研究開発部】再生毛髪の大量調製革新技術開発

the hair follicle germs with stimulated hDPCs generated twice
amount of hairs than the un-stimulated ones, 40 hairs (ES(+))

3.

on average vs 19 hairs (ES(-)) per 10 hair follicle germs
transplanted.

In this study, we demonstrated the capability of culturing andelectrically stimulating hDPCs on the surface of conductive

Conclusion and Future Plan

polymer polypyrrole. The electrical stimulation conditions were
optimized, and hDPCs showed improved functionality with the
optimal stimulation condition. Furthermore, we produced hairfollicle germs using hDPCs and mECs, and transplanted onto
the back of nude mice. Hair follicle germs with stimulated
hDPCs demonstrated enhanced trichogenic ability after
transplantation.
In the future, we will continue this work to investigate themechanism as how the electrical stimulation affects andpromotes the hDPC functions. Approaches such as addition ofion channel inhibitors and transcriptome analysis will be
explored to achieve this goal.

【References】
1. A. Castro, et al, Stem Cells Transl. Med., 9, 342-350 (2020).
2. C.A. Higgins, et al, Experimental Dermatology, 19, 546-548(2010).
3. T. Kageyama, et al, Biomaterials, 154, 291-300 (2018)
4. T. Kageyama, et al, Biomaterials, 212, 55-63 (2019).

Figure 4 (A) Co-culture of hDPC with mEC to form hair follicle
germs. (B) Photos of the transplantation side from the back of thenude mouse, and the number of hairs generated from every 10 hairfollicle germs formed with un-stimulated ES(-) and stimulated
ES(+) hDPCs. P<0.001

KISTEC研究報告2021

5. W.S. Maddin, et al, Int. J. Dermatol., 31, 878-880 (1992)
6. B. Zhang, et al, Front. Med. Technol., 3, 20 (2021)

148

【研究開発部】再生毛髪の大量調製革新技術開発

業

績
6.

【原著論文】
1.

Tatsuto Kageyama, Aayaka Nanmo, Lei Yan, Tadashi

中嶋陸満、清水亮啓、景山達斗、福田淳二、毛包オル
ガノイドを用いた薬剤試験モデルの開発、第 33 回大Nittamiand Junji Fukuda. Effects of platelet rich plasma
on in vitro hair follicle germ preparation for hair

会動物実験代替法学会 2020/11/12-13（オンライン開催）

regenerative medicine. Journal of Bioscience
Bioengineering, 130, 6, 2020. (IF:2.366)
2.

and
7.

バイオプリンターを用いた毛包原基の調製と毛髪再生 医 療 へ の 応 用 第 58 回 日 本 人 工 臓 器 学 大 会

Tatsuto Kageyama, Yang Sook Chun and Junji Fukuda.
Hair follicle germs containing vascular endothelial cells
for hair regenerative medicine. Scientific reports,11, 624,

2020/11/12-14（ポスター）

2021. (IF: 3.998)
3.

8.

Rikuma Nakajima, Yoshiki Tate, Lei Yan, Tatsuto
Kageyama and Junji Fukuda. Impact of adipose-derived

Tatsuto Kageyama, Junji Fukuda, Large-scale preparationof hair beads and hair follicle germs for regenerative
medicine.
11th
World
Biomaterials
2020/12/11-15（オンライン）

stem cells on engineering hair follicle germ-like tissue
grafts for hair regenerative medicine. Journal of

9.

Bioscience and Bioengineering, in press, 2021,
https://doi.org/10.1016/j.jbiosc.2021.02.001. (IF:2.366)

Ayaka

Nanmo,

TatsutoKageyama,

Junji

Congress,

Fukuda,Large-scale preparation of hair follicle germs using
spontaneous shrinkage of cell-embedded hydrogels, 11th
World Biomaterials Congress, 2020/12/11-15（オンライ
ン）

【書籍】
1.

南茂彩華、景山達斗、福田淳二

南茂彩華，景山達斗，福田淳二,バイオプリンターを用いた毛包原基の調製と毛髪再生医療への応用 日

10. Riki Anakama, Tatsuto Kageyama, Junji Fukuda, Organoid

本人工臓器学会誌,2021,in press

culture for in vitro hair follicle model, 11th World
Biomaterials Congress, 2020/12/11-15（オンライン）【口頭発表】
1.

2.

3.

4.

5.

南茂彩華、景山達斗、福田淳二、バイオプリンティン

11. 福田淳二, 培養基板の加⼯と⽑髪の再⽣医療, モノづ

グ技術を用いた毛包原基作製、第 19 回日本再生医療学会総会 2020/5/18-5/29※オンライン開催

くり企業のための細胞培養研修, 2020/12/11 (オンライン開催）

中嶋陸満、清水亮啓、景山達斗、福田淳二、In vitro 毛

12. 福田淳二, 細胞培養マイクロデバイスと毛髪再生医

幹形成技術を用いた毛髪の再生医療、第 19 回日本再生医療学会総会、2020/5/18-5/29 ※オンライン開催

療, 進化を遂げる μ-TAS, 2020/12/18 (オンライン開催）Tatsuto Kageyama and Junji Fukuda, Generation of a

13. 穴竃理樹、景山達斗、福田淳二、ヒト iPS 細胞由来

pigmented hair organoid model for drug screening. 第 24回国際色素細胞学会 2020/6/8 (オンライン開催 要旨

毛包上皮細胞を用いた毛髪オルガノイドの構築、第20 回日本再生医療学会 2020/3/11-13 (オンライン開

公開）

催）

穴竃理樹、景山達斗、福田淳二、ヒト iPS 細胞由来
毛包上皮細胞を用いた毛髪モデルの構築 、化学工学

14. 山根 萌奈実、景山達斗、福田淳二、コラーゲンゲル
ビーズを用いたヒト毛乳頭細胞の機能回復のための会第 51 回秋季大会 2020/9/24-26 (オンライン開催）

培養法の開発、第 20 回日本再生医療学会 2020/3/11-13(オンライン開催）

Zhang Binbin、Wu Yumeng、景山達斗、福田淳二、Gelatin
acrylamide as novel material for 3D biofabrication、化学工学会第 51 回秋季大会
催）

15. 伊藤 直哉、景山達斗、福田淳二、遠心充填による毛2020/9/24-26 (オンライン開包 原 基 の 作 製 方 法 の 開 発 、 化 学 工 学 会 86 年 会
2021/03/20-22
16. 南茂彩華、景山達斗、福田淳二、毛髪再生医療のため

149

KISTEC研究報告2021

【研究開発部】再生毛髪の大量調製革新技術開発の毛包原基の 3D バイオプリンティング、化学工学会
86 年会 2021/03/20-22【特許】(1) 国内特許出願

4件

【受賞】
1.
化学とマイクロナノシステム学会奨励賞、微細加工と表面修飾を用いた細胞培養チップデバイスの開発、
福田淳二、2020 年 05 月 26 日
2.

3.

バイオインダストリー協会奨励賞、毛包幹細胞の自己組織化培養法と毛髪再生医療への応用、福田淳二、
2020 年 10 月 14 日
第 51 回化学工学会秋季大会、バイオ部会優秀ポスタ
ー賞、ヒト iPS 細胞由来上皮系を用いた毛髪モデルの構築、穴竃理樹、2020 年 9 月 26 日

4.

日本動物実験代替法学会第 33 回、板垣宏学生奨励賞、
毛包オルガノイドを用いた薬剤試験モデルの開発、
中嶋陸満、清水亮啓、景山達斗、福田淳二、2020 年
11 月 12 日

5.

第 58 回日本人工臓器学会大会、最優秀賞、バイオプ
リンターを用いた毛包原基の調製と毛髪再生医療への応用、南茂彩華、景山達斗、福田淳二、2020 年 11
月 13 日6.

化学工学会第 86 年会、学生奨励賞、毛髪再生医療のための毛包原基の 3D バイオプリンティング、南茂彩
華、景山達斗、福田淳二、2021 年 3 月 21 日

KISTEC研究報告2021

150

【研究開発部】人工細胞膜システム

人工細胞膜システムグループ
グループリーダー

竹内昌治【基本構想】
膜タンパク質は細胞膜中に存在し、細胞の内外への物質輸送・排出、シグナル伝達・変換などにおいて重要な役割を果たしており、１兆ドル余り(2011年)の医薬品の世界市場において、薬剤の標的の半数以上がこれら膜タンパク質や膜表在性物質だと言われている。リガンド同定済みのGタンパク質共役型受容体(GPCR)に関するだけでも約600億ドル(2009年)に上り、リガンド未同定のGPCRをはじめ、イオンチャネルや
トランスポータなどの膜タンパク質の機能や特性を一つ一つ解明することが、基礎研究のみならず創薬・医療分野における重要な課題である。しかし細胞膜中に存在する膜タンパク質は単離が困難なため、機能解析は難しいとされてきた。
創造展開プロジェクト(2009-2012年度)では、細胞膜のモデルとなる脂質二重膜を人工的に再構成した後、精製された膜タンパク質を導入することで、その膜タンパク質の特性を低ノイズで解析する戦略にもとづ
いて研究を行い、膜タンパク質を再構成するための２つの人工脂質二重膜システムを確立した。(1)電気的計測技術に適する平面膜システムでは、ヒト由来イオンチャネルの並列同時シグナル計測に適する自動化・集積化チップ、小型化チップをそれぞれ研究・開発した。(2)光学的計測技術に適するリポソーム膜シ
ステムでは、細胞サイズリポソームの形成手法を確立し、トランスポータの輸送現象やGPCRの基質結合を蛍光により観測することに成功している。
2013年度に実用化実証事業に移行後は、地域イノベーション戦略支援プログラムの支援も受けながら、創造展開プロジェクトで得られた研究成果を展開し、標的膜タンパク質の生体外での創薬解析支援システ
ムを確立すべく研究開発を行ってきた。具体的には、効率的膜システム要素技術の開発として、人工脂質
二重膜の集積化や薬剤スクリーニングに適したデバイスとするためのシステム全体の基盤研究開発を実施
し、膜タンパク質の調製・導入法の開発として、イオンチャネルやGPCR、トランスポータなどを人工脂質二重膜に効率的・体系的に導入できる手法の研究開発を実施している。最終的に、大学・研究機関などで使用できるシステムや製薬企業から薬剤候補化合物の評価を受託できる評価法の開発を目標としている。
一方で、NEDO事業(2015-2019年度)および地域イノベーション・エコシステム形成プログラム(2018年度開始)では、膜タンパク質の機能利用による人工細胞膜センサに関わる研究開発を行っている。膜タンパク質である嗅覚受容体に代表されるように、生体のもつセンサは優れた感度・特異性をもつことが知られており、膜タンパク質をセンサ素子として活用するための研究開発を実施している。2020年度には、JSTのCREST
事業において、細胞をセンサ素子として用いる研究開発も開始した。周辺技術も含め、小型・高性能な次世代センサの実用化技術の開発を目標としている。

１．

2020 年度の研究目的

実用化実証事業 8 年目となる 2020 年度は、イオンチャ

探ることは難しかった。
我々の目指す人工細胞膜プラットフォームは、細胞膜のネル機能評価システムの開発については引き続き事業化に向けた研究開発を推進することを目的とした。一方で、モデルとなる脂質二重膜を簡便に再現良く形成し、その膜に再構成する標的膜タンパク質の活性を保持したまま機

人工細胞膜を利用したセンサ開発に関しては、昨年度までに開発した匂いセンサプラットフォーム基盤技術を利用

能解析を可能とするシステムである。実用化実証事業においては、これらの人工脂質二重膜デバイスを膜タンパク質

して、実用化にむけた研究開発を開始することを目標とした。

の機能解析や創薬スクリーニングといった場面において実用的なプラットフォームとして拡張していくための要(1) イオンチャネル機能評価システムの開発

素技術、あるいは量産化に必要となる技術の開発を目標として研究開発を行っている。

従来、膜タンパク質の機能解析は、培養細胞を用いた電気生理学的手法（パッチクランプ法）や蛍光イメージング

2020 年度は、前年度に試作を行ったイオンチャネル計
測チップおよび計測システムについて、その性能評価の結法によって行なわれるのが一般的である。しかしながらこれらの手法では、培養中の汚染対策や個体差の均一化処理

果にもとづいて、事業化のための改良および高機能化を行うことを目標とした。また、イオンチャネルに対する化合が煩雑であるほか、標的以外の雑多なタンパク質からの影響が避けられず、一つの標的タンパク質に限定して機能を物の活性評価を確認する実証試験を引き続き行い、開発シ
ステムの実用性評価を行うことも目標とした。

151

KISTEC研究報告2021

【研究開発部】人工細胞膜システム(2) 人工細胞膜センサの開発

成果展開として、外部研究期間との共同研究についても継続して実施した。その成果は、Nature Physics 誌や Sensors

膜タンパク質は、匂いや味などの化学量センサとしての役割を生体内で担っており、その感度や特異性は人工的な& Actuators B 誌などに掲載された。また、国際医療福祉大
相馬研究室との科研費研究や、東大豊田研究室との共同研

センサに比べ非常に高いことが知られている。こうした膜タンパク質の機能を活用することができれば、小型で高性究に関しても継続して実施し、論文掲載等の成果が得られている。

能のバイオセンサを実現できると考えられる。
これまでの研究成果を通じてマイクロチップ上での脂(2) 人工細胞膜センサの開発

質二重膜の形成が再現良くできるようになり、膜タンパク
質機能の解析技術が発展したことで、膜タンパク質機能を体を用いた匂いセンサプラットフォームの基盤技術とし利用する研究ができるようになった。
「昆虫の嗅覚受容体を利用したヒトの汗の匂いを検知するセンサ」の開発を目て、標的物質の濃度変化を高感度・高確度・実時間検出するための研究開発を実施した。2020 年度、同成果をとり標に取り組んだ NEDO 事業（2015-2019 年度）では、膜タ
ンパク質機能を脂質二重膜に組み込んだ人工細胞膜セン

まとめた論文が Science Advances 誌に掲載された。気中のサの基盤となる技術について研究開発を進めることができた。地域イノベーション・エコシステム形成プログラム

能性を示した同成果は、ニュース番組での紹介や新聞・
Web など 20 紙以上に掲載されるなど大きな反響が得られでも、この人工細胞膜センサの要素技術の研究を行っている。2020 年度は、低濃度の標的物質を迅速に検出するた

た。

めのデバイス研究を行うとともに、採択を受けた JST 事業
において細胞センサの計測システムの基礎実験を行うこ子となる人工細胞膜の並列化による検出時間の迅速化にとを目標とした。

並列化も伴うためコストやサイズが課題となる。そこで、

2．

人工細胞膜と直列に抵抗器を挿入することで、並列化したセンサ素子を 1 つの計測器で計測することを可能にした。

2019 年度に終了した NEDO 事業では、昆虫の嗅覚受容標的匂い物質を高感度・高確度に検出し、呼気診断への可

また人工細胞膜センサの要素技術については、センサ素ついて研究を行った。センサ素子の並列化は、計測回路の2020 年度の研究成果(1) イオンチャネル機能評価システムの開発

本成果については Small 誌に掲載された（当該号の裏表紙

JST 大学発新産業創出プログラム（START、2018-2021
年度）において、マイクロチップ上に細胞膜を簡便・再現

絵に採用）。
2020 年度は、昆虫嗅覚受容体を発現したセンサ細胞に良く形成するコア技術を利用し、細胞内イオンチャネルに対する薬剤候補物質の評価技術の研究開発を進めている。

よる匂いセンサについて、東京大学・住友化学との共同研
究として JST CREST 事業（情報担体を活用した集積デバ

細胞内イオンチャネルを標的とした製薬企業に向けた高品質なバリデーションサービスの実現によってベンチャ

イス・システム、2020-2025 年度）の採択を受けた。竹内G ではセンサ細胞を搭載する計測システムの研究を担当

ーを設立し、新たな創薬市場の創出を目指している。
イオンチャネル計測チップに関しては、引き続き東レエに検出するための基礎実験を実施した。

ンジニアリング社と共同開発を進めている。前年度、量産型の試作チップを作製し、その性能評価を行った。その結(3) 共同研究による成果

果を受け、2020 年度はチップの各部品について改良のための研究開発を実施した。脂質二重膜を担持する部品（セ受託研究に関して、2018 年度より東京大学白髭克彦教
授の CREST 研究である機能的人工染色体の設計と利用のパレータ部品）に関しては、イオンチャネルから得られる信号の信頼性を向上させるための設計変更や材料検討をための革新的研究に参画している。同 CREST では東京大学大杉研究室と共同で、人工細胞核を封入したリポソーム行った。また、チップのベースとなるプラスチック部品に関しても、再現性を向上させるための設計変更を行っていを作製するためのデバイスを設計・開発している。

る。計測システムに関しても、前年度の企業と共同実施した実証試験の結果を受け、計測機能の付加を検討した。計上記のそれぞれの研究成果は、業績一覧に示す通り、国際会議・国内学会での発表、学術論文、記者発表などとし測時の脂質二重膜の性能評価を行うための機能や、計測データの信頼性を担保するための機能について、既存の計測て積極的に公開している。

する。今年度は、センサ細胞から生じるシグナルを電気的器に試作回路を付加する形で検証を進めた。
2021 年度は、これらの検証結果にもとづいて、新たに試作機を製作する予定である。また、イオンチャネル計測システムの実用化における課題を把握するため、前年度に引き続き企業との実証実験を行った。
これらシステム全体の改良を進めることで、イオンチャ
ネル創薬支援の事業化に向けた技術課題を着実に解決できていると考えている。

KISTEC研究報告2021152

【研究開発部】人工細胞膜システム

イオンチャネル機能評価システムの多様な細胞内イオンチャネルへの適用検討
三村 久敏、大崎 寿久、竹内 昌治

１．はじめに並んだ単分子膜が形成される。このような液滴を 2 個接触

１．１させると、それらの界面にはリン脂質二重膜が形成される。
これにより、人工平面リン脂質二重膜が再現性よく容易に創薬ターゲットとしてのイオンチャネル

イオンチャネルは、全ての細胞の細胞膜と細胞小器官の膜に存在する膜タンパク質である。脂質二重膜を貫通する形成できる。

ことにより、特定の無機イオンだけを通すイオン選択性のある小孔を形成する。生体内においては、膜で隔てられた

１．３

コンパートメント間のイオンの流出入を制御し、細胞間や細胞内において電気的なシグナルを伝える役割を果たしを調べる場合は、微小ガラス管を細胞内にある細胞小器官まで到達させねばならないため、これらの膜に局在する細ている。生体機能の維持に必要なだけでなく、神経疾患や心血管疾患、癌といった様々な疾病の創薬ターゲットにも胞内イオンチャネルのイオン電流計測は容易ではない。細
胞内イオンチャネルは重要な創薬ターゲットの 1 つであなりうると考えられている[1]。ヒトには少なくとも 400
種以上のイオンチャネルが存在し[2]、創薬に関連したヒト

るものの、パッチクランプ法で薬剤スクリーニングを行う
ことは難しかった。細胞内イオンチャネルの薬剤探索は、遺伝子の調査結果によると、これらのイオンチャネルはヒ
ト遺伝子ファミリーにおける重要な創薬ターゲットのう

細胞膜に局在するイオンチャネルほどは進んでおらず、その探索余地は大きい。本研究では、当研究室で開発されて

ち 19%を占める[3]。しかしながら、イオンチャネルの薬
剤探索は、思うようには進んでいない。

いるイオンチャネル機能評価システムの細胞内イオンチ
ャネルへの適用可能性を調査した。

１．２

細胞内イオンチャネル

前述のパッチクランプ法により細胞内イオンチャネル

イオンチャネル機能評価システム

イオン電流の計測対象としては、当研究室で構築を手がけているヒトの細胞内イオンチャネルライブラリから、

イオンチャネルの研究が難しい理由の 1 つとして、その標準的活性測定法であるパッチクランプ法の実験難易度

TRPML1（transient receptor potential mucolipin 1）、TRIC-A（ Trimeric Intracellular Cation Channel Type A ）、 RyR2が高い点が挙げられる。この方法では、細胞膜に微小ガラ
ス管を押し当て、開口先端部の微小膜領域に含まれるイオ（Ryanodine receptor 2）の 3 種類を選んだ。TRPML1 は細胞内のリソソーム膜と後期エンドソーム膜に局在し、ンチャネルのイオン電流を計測する。これに対して、当研究室では、人工平面リン脂質二重膜を利用したイオンチャ

TRIC-A と RyR2 は小胞体に局在する。いずれも陽イオン
チャネルとして機能し、ヒトの疾患にも関係する。

ネル機能評価システムを開発してきた（図 1）[4-5]。このシステムでは、複数のイオン電流の同時計測が可能な人工TRPML1 の遺伝子変異は、指定難病のライソゾーム病の一種であるムコ多糖症 IV 型を引き起こすことが知られてお細胞膜チップとその計測システムを用いることにより、イオンチャネルのイオン電流計測と薬剤スクリーニングをり[7]、同じくライソゾーム病であるニーマン･ピック病 C型のほか[8]、アルツハイマー病への関与も示唆されている

効率的に行うことを目指している。この人工細胞膜チップのフォーマットは、通常の生化学実験で用いられるサイズ[9]。TRIC-A は高血圧への関与が示唆されており[10]、RyR2
は心臓の筋小胞体に局在し、不整脈などの心疾患への関与とボリュームに対応している。パッチクランプ法に比べて実験操作は簡便であり、通常の生化学実験を行う研究室でが示唆されている[11]。これらの細胞内イオンチャネルの分子構造に着目すると、TRPML1 は分子量約 65,000 の単も容易に導入可能である。イオンチャネルを再構成するために必要となる人工平面リン脂質二重膜は、当研究室で考量体が 4 量体を形成し、TRIC-A は分子量約 33,000 の単量体が 3 量体を、RyR2 は分子量約 565,000 の単量体が 4 量案された液滴接触法を利用して形成できる[6]。人工細胞膜
チップのウェルに、リン脂質を分散した有機溶媒と水滴を体を形成する。機能的な多量体の分子量はそれぞれ、
TRPML1（255 kDa）
、TRIC-A（132 kDa）
、RyR2（2,2 MDa）

滴下することにより、両者の界面にはリン脂質が規則的にとなる（図 2）。本研究では、これらの細胞内イオンチャ

153

KISTEC研究報告2021

【研究開発部】人工細胞膜システム

(a)

(a)

cytoplasm
membrane

16chアンプ

lumen(b)cytoplasm
membranelumen

信号記録PC
マウントユニット

(b)

(c)

(c)

cytoplasm
membranelumen
図 2 計測を行った細胞内イオンチャネル。（a）TRPML1 (255kDa)。（b）TRIC-A (132 kDa)。（c）RyR2 (2.2 MDa)。

10 mm
図 1（a）イオンチャネル機能評価システムの概観。人工細胞
膜チップのマウントユニット、増幅器（アンプ）、信号記録
PC から構成される。
（b）人工細胞膜チップをセットしたマウ
ントユニット。
（c）人工細胞膜チップ。16 のダブルウェルがあり、複数のイオン電流の同時計測が可能である。

ク質を可溶化し、超遠心後の上清に回収した。可溶化画分からの細胞内イオンチャネルの精製は、Anti-FLAG M2 ア
フィニティーゲルを用いて行った。可溶化画分にアフィニ
ティーゲルを加えてインキュベートし、カラムにパックして回収した。バッファーで洗浄後、FLAG ペプチドを含む

ネルのイオン電流を計測することにより、分子量の小さな
イオンチャネル（TRIC-A）から、中くらいのイオンチャ

バッファーで細胞内イオンチャネルを溶出した。細胞内イオンチャネルは、ゲル濾過クロマトグラフィーを用いてさネル（TRPML1）、巨大なイオンチャネル（RyR2）に至るまで、本計測システムの適用可能性を検討した。まず、こらに精製し、イオン電流計測のサンプルとした。

れらの細胞内イオンチャネルを培養細胞で発現させ、単離・精製を行った。次に、精製したイオンチャネルを人工

２．２

細胞膜チップ上に形成した平面リン脂質二重膜に導入し、そのイオン電流を計測した。その際、目的のイオンチャネ

胞膜チップとその電気計測システムを用いて計測した。人
工細胞膜チップをマウンターにセットし、リン脂質（20ルの活性を確認するため、特徴的なイオン電流の計測に加え、特異的活性化剤や阻害剤を添加し、その効果を観察しmg/ml）を分散したオイル（n-Decane）を 8 の字型ウェルの両方に滴下した。次に、精製した細胞内イオンチャネル

た。

２．
２．１

を希釈した水溶液を両方のウェルに滴下した。これにより、
2 つの液滴間の界面にリン脂質二重膜が形成される。計測

実験方法

開始後、イオンチャネル分子がリン脂質二重膜に再構成されると、イオン電流が観察されるようになる。活性化剤やヒト細胞内イオンチャネルの調製阻害剤といった化合物の添加は、計測を開始してから一定時間後に、両ウェルの液滴の水溶液中に加えた。

ヒトの細胞内イオンチャネルの発現には、ヒト浮遊性培養細胞（FreeStyle 293-F）を用いた。哺乳類発現ベクターには pcDNA3.1 を用い、化学合成したヒトの細胞内イオン

３．

チャネルの遺伝子を組み込んだ。アフィニティー精製に利用するため、イオンチャネルの N 末端に FLAG タグを付加するための配列を加えた。培養細胞は、完成した発現ベクターを用いて一過性トランスフェクションを行い、一定時間培養して TRPML1 を発現させた。細胞は回収後、超音波処理または窒素ガス細胞破砕器を用いて粉砕し、低速結果と考察

本研究で調製した細胞内イオンチャネルを SDS-PAGE（SDS-ポリアクリルアミドゲル電気泳動）で分析した結果を図 3 に示す。最終精製産物に含まれるタンパク質を色素染色により検出している。バンドパターンから、対象とした細胞内イオンチャネルは高純度に精製できたことがわ

遠心で未粉砕細胞や細胞核を含む沈殿を除き、細胞膜や細胞小器官の膜を含む膜画分を上清に回収した。膜画分にはかる。TRPML1 では、複数本のバンドが観察された。動物細胞で発現したタンパク質は不均一な糖鎖修飾を受ける

界面活性剤を加え、細胞内イオンチャネルを含む膜タンパ

KISTEC研究報告2021

細胞内イオンチャネルのイオン電流計測

精製した細胞内イオンチャネルのイオン電流は、人工細ことが多いため、分子量の異なるバンドが観察される場合
154

【研究開発部】人工細胞膜システム

(a)

(b)
kDa

(c)
kDa
250-

2501301007055-(- 80 mV)

(a)

100*

55-

35-

35-

25-

25-

15-

kDa

10-

1 s
C
O

+ ML-SA1

C
O

250-

(b)

(+ 80 mV)

2 pA

1 s
O3
O2
O1
C

130(- 80 mV) 10 pA

(c)

15-

5 pA

- ML-SA1

CO+ Caffeine,
ATP

C
O

+ Ryanodine

CO+ Ruthenium
red

C
O

+

100-

1070-

図 3 精製したヒトの細胞内イオンチャネルの SDS-PAGE 分
析。電気泳動後、CBB (Coomassie Brilliant Blue) でタンパ
ク質を染色した。（a）TRPML1。（b）TRIC-A。（c）RyR2。矢印は目的のイオンチャネルのバンドを示す。アステリスク（*）
は TRPML1 の分解産物を示す。

図 4 イオンチャネル機能評価システムを用いて計測したヒ
ト細胞内イオンチャネルの活性。
（a）TRPML1 のイオン電流。
特異的活性化剤である ML-SA1 の添加前後の様子を示す。10 µM
ML-SA1 の添加により、イオンチャネルが開いていることを示
す電気信号（O）の割合が、閉じていることを示す電気信号（C）の割合に比べて増加していることがわかる。（b）Tric-A のイ
オン電流。イオンチャネルが開いていることを示す電気信号が 3 段階（O1 から O3）で計測されていることがわかる。Tric-A
分子内の 3 つのイオン透過孔に対応するイオン電流と考えられる。（c）RyR2 のイオン電流。20 µM Ca2+のみに比べ、活性化剤である 5 mM Caffein と 5 mM ATP の添加により、イオン
チャネルが開いていることを示す電気信号の割合が増加していることがわかる。さらに、10 µM Ryanodine の添加により、サブコンダクタンス（ここでは半開き状態を示す）が観察され、不活性化剤である 30 µM Ruthenium red の添加により、
イオンチャネル活性が阻害されていることがわかる。

があることが知られている。TRPML1 も糖鎖修飾により、分子量が僅かに異なる分子が合成されたと考えられる。50kDa 付近に見えるバンドは、TRPML1 の分解産物であると考えられる。TRPML1 は細胞内の消化器官であるリソソー
ムに局在するため、精製の過程で分解されたものが一部含まれることが知られている[12]。TRIC-A と RyR2 に関しても、目的の大きさのバンドが観察されたことを確認している。
精製した細胞内イオンチャネルのイオン電流を、人工細胞膜チップとその電気計測システムを用いて計測した結果を図 4 に示す。TRPML1 では、特異的活性化剤である
ML-SA1 の添加により TRPML1 が活性化されることを確認できた。TRIC-A では、分子構造に由来すると考えられ

5 s

Ca2+

【参考文献】

る 3 段階のイオン電流が観察された。TRIC-A は 3 量体構造を形成し、その構成要素である単量体にはイオン透過孔がそれぞれ 1 個ずつ存在することが知られている。RyR2では、活性化剤である Caffeine と ATP の添加による活性化、遮断薬である Ryanodine による半開き状態のサブコン
ダクタンス、不活性化剤である Ruthenium red による不活性化が観察された。このことにより、検出されたイオン電流はそれぞれの細胞内イオンチャネルに由来するものであり、創薬スクリーニングで重要となる薬剤添加の効果も確認可能であると考えられる。この結果、本計測システム[1]

Wulff H, et al., Nat Rev Drug Discov 2019, 18, 339-357.

[2]
[3]

Hutchings C J, et al., mAbs 2019, 11, 265-296.
Santos R, et al., Nat Rev Drug Discov 2017, 16, 19-34.

[4]
[5]

Kawano R, et al., Sci Rep 2013, 3, 1995.
Kamiya K, et al., Sci Rep 2018, 8, 17498.

[6]
[7]

Funakoshi K, et al., Anal Chem 2006, 78, 8169-8174.
Bargal R, et al., Nature genetics 2000, 26, 118-123.

[8]
[9]

Shen D, et al., Nat Commun 2012, 3, 731.
Zhang L, et al., Cell Physiol Biochem 2017, 43,2446-2456.
[10] Yamazaki D, et al., Cell Metabolism 2011, 14, 231-241

は、様々な大きさの細胞内イオンチャネルへ適用可能であることが確認されたと考えられる。今後も引き続き、計測[11] Blayney LM, et al., Pharmacol Ther 2009, 123, 151-177[12] Schmiege P, et al., Nature 2017, 550, 366-370

対象とする細胞内イオンチャネルの適用範囲を広げることにより、イオンチャネル機能評価システムの実用化並び.

にこれを用いた事業化の検討を進めていく。

【謝辞】
本研究は、国立研究開発法人科学技術振興機構 大学発
新産業創出プログラム（JPMJST1811）による支援を受けて行われました。ここに記して感謝申し上げます。

155

KISTEC研究報告2021

【研究開発部】人工細胞膜システム

呼気診断のための昆虫嗅覚受容体を用いた匂いセンサ

大崎 寿久、山田 哲也、杉浦 広峻、三村 久敏、神谷 厚輝、竹内 昌治

１．
１．１

はじめに

液滴接触法で作製した人工細胞膜に昆虫嗅覚受容体を組
み込み、こうした選択性や感度について報告した[6]。分子

昆虫嗅覚受容体を用いた匂いセンサ

生物の嗅覚は、空気中のわずかな匂いを認識できる優れレベルの大きさに高い選択性と感度を内封するこのセン
サは、呼気診断や環境計測など、従来の人工物センサではた感度と選択性をもつ。この匂い認識の分子機構は、細胞の膜上に存在する嗅覚受容体が、標的の匂い分子と結合す対応が困難だった分野への活用が期待される。
しかしながら、匂い分子を空気中から直接検知することるところから始まる。その後のシグナル伝達は哺乳類と昆虫では異なるが、昆虫の場合、嗅覚受容体がリガンド依存には課題も残されている。
匂い分子は、
分子量 100 から 300
Da 程度までの揮発性有機化合物であり、一般的に脂溶性型イオンチャネルを形成しており、匂い分子（基質）の結合によってイオンチャネルが開いて陽イオンの細胞内へである。すなわち、空気中の匂い分子は水には難溶である
ため、人工細胞膜や嗅覚受容体が活性を維持するために必の流入が生じる仕組みになっているとされる[1]。
近年、この昆虫の嗅覚受容体の機能は、優れたセンサの要な水溶液に対する溶解度は小さい。受動的な方法では匂い分子が水溶液中に十分溶け込むまでには長い時間を要素子として注目されている。匂い分子に対する①高い選択性と、1 分子の結合を毎秒 1 千万個のイオン電流に変換すすることが推測される。また、液滴接触法のように油中に水滴がある場合、気相と接する油（有機溶媒）に匂い分子ることで得られる②1 分子レベルの感度とを、1 タンパク質の中に併せ持つという特長により、次世代の匂いセンサ

が溶解し、水滴中へは匂い分子は分配されない[6]。そこで本研究では、空気中の匂い分子を効率的に水溶液中に分として研究が盛んに行われている[2]。

配・溶解するためのガス導入機構を考案し、その概念実証として、開発したデバイスを用いて呼気に混入させた疾患

１．２

マーカーの検出を行った。

液滴接触法

昆虫嗅覚受容体のような膜タンパク質の機能を生体外で利用するためには、細胞膜（脂質二重膜）を人工的に作製する技術が必要となる。古典的には、高分子薄膜に微小

２．

実験方法

な孔を設け、そこに脂質を分散した有機溶媒を塗布して薄膜化させることで脂質二重膜を得る刷毛塗り法や、気液界

２．１

面に展開した脂質単分子膜を貼り合わせることで脂質二重膜を得る Montal-Mueller 法などがある。2000 年代以降に

液滴接触法を用いた。実際のデバイスでは、8 字状に 2 つの円筒ウェルが接したダブルウェルを設け、その境界に直なると、マイクロ流体デバイスを用いる方法が報告されるようになった[3]。

径 100 ミクロン程度の微小孔をもつセパレータフィルムを配置している。ウェルは液滴の位置・接触圧力を制御し液滴接触法は、脂質を分散した油中において、水滴表面に自発的に脂質単分子膜が形成される原理を利用する。脂ており、液滴は微小孔において接触し、面積が制御された安定な膜が形成される。センサ素子となる昆虫嗅覚受容体

質単分子膜が表面に形成された油中水滴 2 つを接触させることで、その界面に脂質二重膜構造が形成される[4]。こは、無細胞タンパク質合成系を利用して作製した。本研究では、蚊の嗅覚受容体 OR8 の配列をコードする DNA を細の方法は液滴サイズと液滴間距離を規定すれば滴下操作のみで迅速に再現良く脂質二重膜を形成できる点が優れ

胞抽出液や翻訳因子から再構成したシステムに添加することで作製した。作製の際にリポソーム（脂質二重膜小胞）る。我々は、本法を用いて膜タンパク質の機能評価システ
ム[5]や細胞膜センサ[6]の研究を行ってきた。

を混合することで、嗅覚受容体が再構成したプロテオリポ
ソームを得ることができる。プロテオリポソームは、脂質１．３二重膜と自発的に融合するため、嗅覚受容体を脂質二重膜に組み込むことができる。本研究では、このダブルウェル

昆虫嗅覚受容体を用いた匂いセンサの作製

匂いセンサの基盤となる脂質二重膜の作製には前述の嗅覚受容体を用いた匂いセンサの課題

人工細胞膜上に嗅覚受容体を搭載した匂いセンサは、上述の通り、分子間の特異的相互作用を利用するため、選択を 16 個並列化したデバイスを用いた（図 1）。
空気中の匂い分子を効率的に水溶液中に分配・溶解する性に優れる。また、受容体の信号変換・増幅効率を利用す
れば、電気的計測技術によって標的の匂い分子 1 分子を検ため、上記の液滴接触法デバイスにガス導入機構を組み込んだ。デバイスの片側の円筒ウェル底面に微細なスリット

出することも理論的には可能である。先行研究において、状のマイクロ流路を作製した。また、流路表面は撥水・撥

KISTEC研究報告2021156

【研究開発部】人工細胞膜システム

図 1 (A) 16 チャンネル匂いセンサデバイスの模式図。(B) マイクロスリットを使った匂い分子導入機構の模式図。（C）嗅覚受容体を人工細胞膜に再構成させた模式図。（文献 7 より改変）

油コートを施した（図 1B）。マイクロスリットのあるウェ
ルには水溶液のみを滴下し、もう片方の円筒ウェルに脂質

３．

分散油と水滴を滴下することで脂質二重膜を作製した。ス
リットを撥水処理したことにより、ウェルに滴下した水溶

まず、ガス導入機構を使用した場合の匂い分子オクテノールの気相から液相への溶解について観測した。マイクロ

液はスリット内部に侵入しない。マイクロスリットは、上面を水溶液に接したマイクロ流路を形成する（図 1C）。こ

スリットに導入するガスの流速が増加するにつれて、液滴内部の攪拌速度が大きくなることがマイクロビーズを用のマイクロ流路に匂い分子を含む気体を流すことで、匂い分子を液滴中に導入する機構を考案した[7]。マイクロ流路

いた観測から分かった。また、オクテノールガス（濃度 5ppm）を導入し、10 分後に液滴内に取り込まれたオクテノに導入された気体は気液界面にせん断力を生み、その力によって液滴内部が攪拌される。この攪拌が起こることによール濃度をガスクロマトグラフィにより定量したところ、従来のガス導入機構を持たないデバイスと比較して、約 4り、匂い分子が液滴に効率よく溶解すると考えた。

倍の濃度まで溶解させることができた。
このガス導入機構を用いて、呼気サンプル中の標的に負２．２い分子の観測を行った。ヒトの体内で産生される代謝物は体の状態を反映しているとされ、この代謝物を分析するこ呼気サンプルの計測方法

結果と考察

呼気サンプルは、市販のガス採取バックに採取した。本
研究では、標的匂い分子として、肝臓ガンのバイオマーカとはガンや糖尿病などの疾患の早期診断に繋がると考えられている。呼気診断は、代謝物を非侵襲的に調べるためーとの報告があるオクテノール（1-octen-3-ol）を使用した[8,9]。健常者の呼気をガス採取バックに採取し、そこにオの方法として近年注目されている。一方で、ヒトの呼気中には約 3000 種の代謝物が含まれており[9,10]、その中からクテノールを添加したものを呼気サンプルとして使用した。ガス採取バックはポンプに接続し、呼気サンプルは流疾患のバイオマーカーとなる特定の分子を正確に検出す
るには、生物の持つ嗅覚のような優れた選択性が必要とな量調整器を介して前述の匂いセンサデバイスに導入した（図 2A）。デバイスには中央部分にガス導入口があり、そる。本研究では、蚊の嗅覚受容体を人工細胞膜に組み込んだ匂いセンサを用いて、呼気サンプル中のオクテノール

こから 16 個のダブルウェル底面のマイクロスリットにガスを導入した（図 1A）。ダブルウェル底面に配置した銀/塩（肝臓ガンマーカー）の検出を試みた（図 2A）。被験者の呼気にオクテノールを混合しなかった場合、図 2B に示す

化銀電極により、人工細胞膜を流れるイオン電流を計測した。昆虫嗅覚受容体はリガンド依存型イオンチャネルであように電流シグナルは観測されなかった。一方で、被験者の呼気とオクテノールをそれぞれ 0.5 ppb、5 ppb を混合しるため、標的となる匂い分子の結合に伴って、膜電位に応じたイオン電流を生じる。このイオン電流を計測することた呼気サンプルの場合、嗅覚受容体由来の矩形波状の電流シグナルが観測された（図 2C,D）。また、電流シグナルにで、オクテノールが試料中に存在するかを検知することができる。

おける開状態の頻度（開確率）はオクテノール濃度とともに増加することも分かった（図 2E）。この結果は、本研究の嗅覚受容体を用いた匂いセンサが、呼気サンプルに含ま

157

KISTEC研究報告2021

【研究開発部】人工細胞膜システム

図 2 （A）呼気サンプル測定の概略図。
（B-D）呼気に混合したオクテノール計測結果。混合したオクテノール濃度：(B) 0 ppb、(C) 0.5
ppb、(D) 5 ppb。（E）オクテノール濃度と嗅覚受容体の開確率の関係。（文献 7 より改変）

78, no. 24, pp. 8169–8174, 2006.

れる ppb レベルのオクテノールを、雑多な匂い分子の混合[5]物である呼気中から検出できたことを示している。
本研究では、空気中の匂い分子を水溶液中に取り込むた

K. Kamiya, T. Osaki, K. Nakao, R. Kawano, S. Fujii, N.
Misawa,M.
Hayakawa,
andS.
Takeuchi,

めのガス導入機構を、昆虫嗅覚受容体を用いる匂いセンサに搭載し、呼気サンプル中の標的匂い分子の検出の概念実“Electrophysiological Measurement of Ion Channels on
Plasma/Organelle Membranes Using an On-Chip Lipid証を行った。この成果は、今後、こうした匂いセンサの呼気診断への応用に繋がるものと考えている。

Bilayer System,” Sci. Rep. vol. 8, 17498, 2018.
N. Misawa, S. Fujii, K. Kamiya, T. Osaki, T. Takaku, Y.

[6]

【謝辞】

Takahashi, and S. Takeuchi, “Construction of a Biohybrid
Odorant Sensor Using Biological Olfactory Receptors

本研究内容の一部は、文部科学省地域イノベーション・
エコシステム形成プログラム、日本学術振興会科研費基盤

Embedded into Bilayer Lipid Membrane on a Chip,” ACS
Sens. vol. 4, no. 3, pp. 711-716, 2019.

研究 S 16H06329 の助成、および国立研究開発法人新エネ
ルギー・産業技術総合開発機構 次世代人工知能・ロボッ[7]

insect olfactory receptors reconstituted into lipid bilayers,”
Sci. Adv., vol. 7, eabd2013, 2021.

ト中核技術開発委託事業により行われました。ここに感謝申し上げます。
[8]【参考文献】[1]

K. Sato, M. Pellegrino, T. Nakagawa, T. Nakagawa, L. B.
Vosshall, and K. Touhara, “Insect Olfactory Receptors Are

[3]

[4]

R. Xue, L. Dong, S. Zhang, C. Deng, T. Liu, J. Wang, and
X. Shen, “Investigation of volatile biomarkers in livercancer blood using solid-phase microextraction and gas
chromatography/mass spectrometry,” Rapid Commun.

Heteromeric Ligand-Gated Ion Channels,” Nature, vol. 452,
pp. 1002-1006, 2008.
[2]

T. Yamada, H. Sugiura, H. Mimura, K. Kamiya, T. Osaki,
and S. Takeuchi, “Highly sensitive VOC detectors using[9]

Mass Spectrom., vol 22, pp. 1181–1186, 2008.
H. Haick, Y. Y. Broza, P. Mochalski, V. Ruzsanyi, and A.

N. Misawa, T. Osaki, and S. Takeuchi, “Membrane Proteinbased Biosensors,” J. R. Soc. Interface, vol. 15, 20170952,

Amann, “Assessment, origin, and implementation ofbreath volatile cancer markers,” Chem. Soc. Rev., vol. 43,

2018.
T. Osaki and S. Takeuchi, “Artificial Cell Membrane

pp. 1423–1449, 2014.
[10] Y. Y. Broza, X. Zhou, M. Yuan, D. Qu, Y. Zheng, R.

Systems for Biosensing Applications,” Anal. Chem., vol.
89, no. 1, pp. 216–231, 2017.

Vishinkin, M. Khatib, W. Wu, H. Haick, “Disease detection
with molecular biomarkers: from chemistry of body fluids

K. Funakoshi, H. Suzuki, and S. Takeuchi, “Lipid Bilayer
Formation by Contacting Monolayers in a Microfluidic

to nature-inspired chemical sensors,” Chem. Rev., vol. 119,
pp. 11761–11817, 2019.

Device for Membrane Protein Analysis,” Anal. Chem., vol.

KISTEC研究報告2021

158

【研究開発部】人工細胞膜システム

業 績【原著論文】Di Dio, Toshihisa Osaki, Koki Kamiya, Polyxeni
Nikolakopoulou, Sebastian Buchmann, Johan Sundin,

1. Hironori Sugiyama, Toshihisa Osaki, Shoji Takeuchi, andTaro Toyota

Shervin Bagheri, Shoji Takeuchi, Anna Herland, Norihisa
Miki, and Wouter van der Wijngaart

Perfusion Chamber for Observing a Liposome-Based Cell
Model Prepared by a Water-in-Oil Emulsion Transfer

Fluid Interfacial Energy Drives the Emergence ofThree-Dimensional Periodic Structures in Micropillar

MethodACS Omega, Vol.5, pp.19429-19436 (2020).

Scaffolds
Nature Physics, Vol.17, pp.794-800 (2021).
(doi:10.1038/s41567-021-01204-4)

2. Koki Kamiya, Toshihisa Osaki, Shoji Takeuchi
Formation of Nano-Sized Lipid Vesicles with Asymmetric
Lipid Components Using a Pulsed-Jet Flow Method【総説】
1. 大崎寿久、竹内昌治

Sensors and Actuators: B. Chemical, Vol.327, 128917(2021).

MEMS 技術との融合により実現する人工細胞膜センサ
センサイト(Web ジャーナル)株式会社オプトロニクス社
ト、2020 年 11 月

3. Yoshihisa Ito, Toshihisa Osaki, Koki Kamiya, Tetsuya

センサイト・プロジェク

Yamada, Norihisa Miki, and Shoji Takeuchi
Rapid and Resilient Detection of Toxin Pore Formation【書籍】

Using a Lipid Bilayer Array
Small, Vol.16, 2005550 (2020).

1. 山田哲也、大崎寿久、竹内昌治
人工細胞膜を利用したセンサ開発
膜タンパク質工学ハンドブック
株式会社エヌ･ティー･エス、2020 年 4 月

4. Yoshihisa Ito, Yusuke Izawa, Toshihisa Osaki, Koki
Kamiya, Nobuo Misawa, Satoshi Fujii, Hisatoshi Mimura,
Norihisa Miki, and Shoji Takeuchi

2. 杉浦広峻、大崎寿久、山田哲也、竹内昌治

A Lipid-Bilayer-On-A-Cup Device for Pumpless Sample
Exchange

人工細胞膜を用いた匂いセンサ
匂いのセンシング技術

Micromachines, Vol.11, 1123 (2020).

株式会社シーエムシー出版、2020 年 8 月

3. 山田哲也、杉浦広峻、大崎寿久、竹内昌治

5. Nobuo Misawa, Satoshi Fujii, Koki Kamiya, Toshihisa
Osaki, and Shoji Takeuchi

嗅覚受容体を利用したバイオハイブリッド匂いセンサ

Efficient Lipid Bilayer Formation by Dipping Lipid-Loaded
Microperforated Sheet in Aqueous Solutionにおいのセンシング、分析とその可視化，数値化
株式会社技術情報協会、2020 年 10 月

Micromachines, Vol.12, 53 (2021).

【口頭発表】
6. Tetsuya Yamada, Hirotaka Sugiura, Hisatoshi Mimura,
Koki Kamiya, Toshihisa Osaki, and Shoji Takeuchi

1. 杉浦広峻、大崎寿久、三村久敏、山田哲也、竹内昌治
誘電泳動力を用いた平面脂質平面膜に対する高速リポ

Highly Sensitive VOC Detectors Using Insect Olfactory
Receptors Reconstituted into Lipid Bilayers

ソーム導入
ロボティクス・メカトロニクス講演会 2020
2020 年 5 月、石川（Online）

Science Advances, Vol.7, eabd2013 (2021).
7. Taishi Tonooka, Toshihisa Osaki, Koji Sato, Ryuji Kawano,and Shoji Takeuchi

2. Hironori Sugiyama, Toshihisa Osaki, Shoji Takeuchi, Taro
ToyotaLipid Bilayer on a Microdroplet Integrated with a Patterned
Ag/AgCl Microelectrode for Voltage-Clamp Fluorometry of

Abiotic Accumulation of Small Molecules and Ions into
Cellular Compartment against a Concentration Gradient

Membrane Transport
Sensors and Actuators: B. Chemical, Vol.334, 129643

Molecular Origins of Life, Munich 2020
2020 年 7 月、ドイツ（Online）(2021).
3. 三村久敏、大崎寿久、杉浦広峻、神谷厚輝、竹内昌治
8. Hiroki Yasuga, Emre Iseri, Xi Wei, Kerem Kaya, Giacomo

細胞内イオンチャネルの薬剤スクリーニングのための

159

KISTEC研究報告2021

【研究開発部】人工細胞膜システム

2020 年 11 月、東京（Online）

平面脂質二重膜アレイ
第 93 回日本生化学会大会
攻める生化学～

分野を超えて～守る生化学，
12.竹内昌治

2020 年 9 月、神奈川（Online）

次世代健康医療分野を拓くバイオハイブリッドセンシ
ング

4. Hironori Sugiyama, Toshihisa Osaki, Shoji Takeuchi, Taro
Toyotaセ ン サ ＆ IoT コ ン ソ ー シ アム 公 開 シ ン ポ ジ ウ ム
2020“バイオメディカル計測と健康医療センシング”

Automated Direct Observation Unveiled Hydrodynamic
Accumulation of Molecules into Cell-Sized Liposomes

2020 年 12 月、東京（Online）
13.竹内昌治
バイオハイブリッドが拓く未来のモノづくり

against a Concentration Gradient第 58 回日本生物物理学会年会
2020 年 9 月、群馬（Online）

第 5 回 BJRF in Japan ボストン日本人研究者交流会 日本支部

5. 大崎寿久
細胞内イオンチャネル創薬のためのスクリーニングシ2020 年 12 月、東京（Online）

ステムの研究開発
第 64 回日本薬学会 関東支部大会「令和新時代の薬学【記者発表、取材】

アイデンティティーを考える」
2020 年 9 月、東京（Online）

大学院情報理工学研究科、KISTEC 共同発表）「蚊の嗅覚受容体で呼気診断!?～蚊の嗅覚受容体を用い2021 年 1 月 13 日オンライン記者説明会（東京大学

たセンサにより 0.5ppb レベルの匂いの検出に成功～」※以下は上記記者説明会に対する報道

6. 竹内昌治
膜をはり、分子をはかる
生理学研究会 on ZOOM「イオンチャネルと生体膜のダ

1. Shoji Takeuchi
How does your computer smell? Researchers create ahighly sensitive biohybrid olfactory sensor

イナミズム：構造生物学の先にあるもの」
2020 年 10 月、愛知（Online）

EurekAlert！（Web）、2021 年 1 月 13 日

7. 菅原啓亮、大崎寿久、新冨美雪、新冨圭史、森本雄矢、
2. Shoji Takeuchi
Researchers create a highly sensitive biohybrid olfactory

大杉美穂、竹内昌治
３次元マイクロ流路によるカエル卵抽出液内封液滴のsensorTech Xplore（Web）、2021 年 1 月 13 日

作製
化学とマイクロ・ナノシステム学会第 42 回研究会
2020 年 10 月、熊本（Online）

3. 山田哲也（研究当時）、竹内昌治
8. 三村久敏、杉浦広峻、大崎寿久、小田悠加、竹内昌治
細胞センサのための電気生理学的検出技術の開発

東⼤と KISTEC、蚊の嗅覚受容体を⽤いたセンサにより 0.5ppb レベルの匂いの検出に成功
日本経済新聞（Web）、2021 年 1 月 14 日

化学とマイクロ・ナノシステム学会第 42 回研究会
2020 年 10 月、熊本（Online）

4. 竹内昌治「蚊の嗅覚」で呼気中の肝臓がんバイオマーカーを検9. 伊藤嘉玖、大崎寿久、三村久敏、三木則尚、竹内昌治
液滴の攪拌を利用したナノポアセンサの検出迅速化
日本機械学会第 11 回マイクロ・ナノ工学シンポジウム

出、東大す

日経 BP（Web）、1 月 14 日

2020 年 10 月、熊本（Online）
10.中根卓馬、三村久敏、大崎寿久、三木則尚、竹内昌治
細胞を用いた匂いセンサのためのガスフロー機構

5. 竹内昌治
蚊の嗅覚、がん診断に利用

日本機械学会第 11 回マイクロ・ナノ工学シンポジウム
2020 年 10 月、熊本（Online）

小型高精度のセンサー開発―東大など時事ドットコム (Web)、1 月 14 日

11. 杉山博紀、大崎寿久、竹内昌治、豊田太郎

6. 蚊の嗅覚で微量のにおい検出成功

定常流れ場中での細胞サイズのリポソームへの分子濃縮に関する分子論的考察

兆感知に期待産経新聞 (Web)、1 月 14 日

「細胞を創る」研究会 13.0

KISTEC研究報告2021

がんや糖尿病の「呼気診断」への応用目指

160

東京⼤

がんの予

【研究開発部】人工細胞膜システム

7. 蚊の嗅覚用いたがん診断技術―関連企業に住友化

18. 竹内昌治

株式新聞 (Web)、1 月 14 日（会員限定記事）“蚊のタンパク質”人工的に作り高感度の臭いセンサー
開発
NHK News Web（Web）、1 月 18 日

8. Shoji Takeuchi
The Smell of Progress: Researchers Create Biohybrid

19. 竹内昌治
肝がん目印

Scents Sensor
TECHNOLOGY NETWORKS（Web）、1 月 14 日

低濃度でも検出東大、小型においセンサー
日刊工業新聞（21 面）、1 月 18 日

9. 山田哲也（研究当時）、竹内昌治
0.5ppb レベルの匂いを検出：蚊の嗅覚受容体を用いた匂いセンサーを高精度化

20. Shoji Takeuchi

EE Times Japan (Web)、1 月 15 日

Mosquitos can be an early warning system for cancer,
repoort finds
7News（Web）、1 月 19 日

10. Shoji Takeuchi
Highly Sensitive, Biobased Detectors for Volatile Organic

21. 蚊の嗅覚の仕組みで肝臓がんを感知 東大などのチー
ム、呼気に含まれるにおい物質検出

Compounds
Chemistry Views（Web）、1 月 15 日

朝日新聞デジタル（Web）、1 月 21 日(会員限定)

11. Shoji Takeuchi
Japanese team develops cancer detector using mosquito'ssense of smell

22. 竹内昌治
蚊の嗅覚の仕組みで肝臓がんを感知

The japan times（Web）、1 月 15 日

東大などのチーム 呼気に含まれるにおい物質検出
朝日新聞（19 面）、1 月 21 日

12. Shoji Takeuchi
How to give computers a sense of smell

23. Los mosquitos son capaces de oler los primeros signos denanowerk（Web）、1 月 15 日

cáncer humano
La Vanguardia（Web）、1 月 21 日

13. Shoji Takeuchi
Wie kann Ihr Computer riechen? Forscher schaffen einen

24. 蚊のしくみで肝臓がん感知におい感じる感覚を再現

朝日小学生新聞（3 面）、1 月 23 日

hochempfindlichen biohybriden Geruchssensorl
CHEMIE.DE（Web）、1 月 15 日

25. 微量の匂い分⼦を検出する、蚊の嗅覚受容体を利⽤した匂いセンサーを開発

14. Shoji Takeuchi
How does your computer smell? Researchers create ahighly sensitive biohybrid olfactory sensor

MONOistCHEM Europe.com（Web）、1 月 15 日(Web)、2 月 9 日

26. 竹内昌治
蚊の嗅覚システム利用

15. Shoji Takeuchi
Japonlardan çığır açan buluş: Sivrisineklerden kanser

がん検知

しんぶん赤旗(12 面)、2 月 22 日

dedektörü geliştirildi!
gidahatti（Web）、1 月 16 日

他

Web 転載記事 26 社

【特許】
16. 山田哲也（研究当時）、竹内昌治
東大など、蚊の嗅覚受容体を組み込んだ高感度匂いセンサの開発に成功(1) 国内特許出願

３件(2) 国外特許出願

３件

マイナビニュース（Web）、1 月 18 日
17. 竹内昌治“蚊のタンパク質”人工的に作り高感度の臭いセンサー開発
おはよう日本（TV）、1 月 18 日

161

KISTEC研究報告2021

KISTEC研究報告2021

162

【研究開発部】高効率燃料電池開発「高効率燃料電池開発」グループ
グループリーダー 山口 猛央【基本構想】
2050 年の世界では経済規模は現在の 4 倍、エネルギー消費は 1.8 倍、人口 90 億人以上であり、世界人
口の 70％が都市に居住していると予測されている。一方で、IPCC 報告は 2050 年に世界全体で CO2 排出量を現状の半分以下に削減する必要性を示している。これらを踏まえて考えると、2050 年のエネルギー消費(現状の)180％を 50％以下にしなければならないことになる。根本的な削減には、再生可能エネルギーへの大規模なシフトが最も安全で現実的な解と考えられる。
現在、日本の電気代が 25 円/kWh の現状に対し、インドや中東などの風力発電は 3 円/kWh 程度にであり、海外の再生可能エネルギーコストは大幅に下がっている。再生可能エネルギーで生産される電気エネルギーを一度化学物質に置き換えれば、大規模な貯蔵・輸送が可能となる。海外の安い風力や太陽光発電でできる電気を水素または水素キャリアで貯蔵・輸送し、必要な時間・場所で燃料電池または水素タービンなどで電気として利用することで、再生可能エネルギーを大規模に利用する世界を実現できる。ただし、2度の変換を経るために、水電解や燃料電池・水素タービンの効率が低ければ、折角の電気が無駄になる。
総合的に半分以上の電気を利用すべきであり、どちらも変換効率 70～80％を目指すべきである。固体高分
子形燃料電池(PEFC)は低温、小型であり、必要な場所で、必要なときに、必要な量の発電が効率的に行えるデバイスである。日本では世界に先駆け、定置用のエネファームは既に 35 万台以上が設置され、燃料電
池自動車の販売も開始された。しかしながら、普及技術とするためには、さらなる技術革新が必要となっている。
燃料電池自動車の白金使用量を 10 分の 1 程度にまで低減できれば、燃料電池に用いる白金量は、ガソリン自動車の排ガス触媒に使用する貴金属量と大差なくなる。水管理が重要と言われる PEFC において、幅
広い湿度および低温から 100℃までの幅広い温度での効率的な運転が可能となれば、システムが簡便となり、信頼性向上、低コスト化だけでなく、総合効率も向上する。また、現状の耐久性を大幅に向上できれ
ば、自家用車だけで無く、商用車にも展開できる。材料としては、白金担持カーボンの 10 倍の活性を有す
る触媒材料、広い湿度および温度範囲で高いプロトン伝導性を発現する電解質材料の開発が重要となる。
さらに、新しい材料を開発しても、燃料電池としての性能および高い耐久性に結びつかなければ意味は無く、物質からデバイスまでを繋げた設計が重要となる。
これらを実現するためには、現状の燃料電池材料とは異なる発想が必要であり、低白金、高性能、高耐久を有する次世代型の燃料電池デバイスをイメージし、そこから発想した触媒材料および電解質膜の設計・開発が必要である。本グループでは、新しい触媒・触媒層と電解質膜の開発を行い、組み合わせることにより、高耐久で、広い湿度・温度領域で作動し、低白金量で高効率発電が可能な次世代型の固体高分
子形燃料電池の設計・開発を行った。さらに、企業と連携し、これらの材料の実用化に向けた取り組みを積極的に推進した。

163

KISTEC研究報告2021

【研究開発部】高効率燃料電池開発

図 1. 触媒・電解質膜材料およびシステム的燃料電池設計・開発

1. 研究目的を進めている。図 2 に示すように、Pt 系ナノ粒子連結触媒
は、Pt 系ナノ粒子が連結したナノサイズのネットワークで本グループは、デバイスにとって真に必要な材料機能を
分子・ナノ・メソ・マクロとシステム的に設計し、固体高分子形燃料電池(Polymr electrolyte fuel cell: PEFC)のための触媒・触媒層と電解質膜の協奏的開発(図 1)を進めてきた。
そして、開発した材料をコーディネートさせ新しい性能をデバイス全体として発現することで、広い温度・湿度・電構成されるため、高い表面積を有し、且つ、金属ネットワークが導電性を持つため、カーボン担体を必要としない。
従来の Pt/C と比べて、Pt1–Fe1 ナノ粒子連結触媒は、約 9倍高い酸素還元反応(Oxygen reduction reaction: ORR)活性を示し、大幅な低白金化が可能である。さらに、カーボン
フリー触媒は、燃料電池の起動停止運転の際に生じるカー

流密度領域で高い性能を示す次世代の高効率燃料電池の実現を目指した。

ボン腐食による劣化を回避できるため、高耐久性を実現する。カーボン担体の除去は、触媒層の薄層化にもつながる2017 年度から開始した本実用化実証事業では、戦略的研究シーズ育成事業 (2011 年 10 月～2013 年 3 月)、有望シ

ため、物質移動に有利な薄い触媒層も形成できる。

ーズ展開事業 (2013 年 4 月～2017 年 3 月)における成果か
ら、特に有望な材料である(1) カーボンフリー白金(Pt)系ナ
ノ粒子連結触媒、(2) 酸高密度型高分子電解質に注力して、実用化に向けた取り組みを行った。また、次世代燃料電池としての有用性を示すために、(3) 開発した材料を組み合わせ膜電極接合体(Membrane–electrode assembly: MEA)の設計・開発にも取り組んだ。本稿では、(1)~(3)の重点項目
に関する主な研究成果を概説する。さらに、(4) ナノ粒子
連結触媒の他のエネルギーデバイスへの展開として、固体
高分子形水電解のためのイリジウム(Ir)ナノ粒子連結触媒の開発についても紹介する。最後に、こららの成果を踏まえた今後の展望について述べる。
(1) カーボンフリー白金系ナノ粒子連結触媒の開発
本グループは、カーボン担体上に白金ナノ粒子を担持させた従来の PEFC 用触媒(Pt/C, 図 2a)とは異なるカーボン

図 2. (a) 従来の Pt/C 触媒、(b) Pt–Fe 合金ナノ粒子が連結したナノ

フリーPt 系ナノ粒子連結触媒の実用化に向けた取り組み

媒の模式図と TEM 像

KISTEC研究報告2021

ネットワークで構成される中空カプセル状のカーボンフリー触164【研究開発部】高効率燃料電池開発

一方で、燃料電池触媒は、起動停止耐久性に加えて、負トと熱処理を用いる高規則度触媒の簡易合成法

荷応答耐久性も改善しなければならない。燃料電池発電時の負荷応答サイクルによって触媒金属の溶出が生じ、触媒(2) 酸高密度型細孔フィリング薄膜の開発
従来の電解質材料は、水を介したプロトン伝導が主であるため、水の少ない低湿度環境では著しくプロトン伝導性活性の低下を引き起こすため、燃料電池の長期安定性には触媒金属の溶出を抑制することが必要不可欠である。本グが低下する。この問題に対して、本グループは、有望シーズ展開事業において、スルホン酸基が高密度に密集した構

ループはこれまでに、カーボン担持白金合金ナノ粒子（連結無し）において、合金内の原子が規則的に配列した原子造(酸高密度構造)を持つ電解質材料が低湿度環境でもプロ
トンを高速に伝導する現象(Packed acid mechanism, 図 5)を

配列規則(face centered tetragonal: fct, 図 3a)構造を有する触媒開発を行い、不規則配列(face centered cubic: fcc, 図 3b)

実験と量子化学計算の双方から明らかにした。この現象は、
酸高密度構造により、プロトン移動と再配向がそれぞれ起構造の触媒よりも、合金金属の溶出を抑制し、高い負荷応
答耐久性を示すことを実証している。

こりやすい距離が形成され、水が大きく運動しなくても、プロトンが連続的に移動し得る。

図 3. (a) 規則配列 fct 構造、(b) 不規則配列 fcc 構造を持つ白金合金触媒の格子構造

そこで、本グループは、カーボンフリーPt1–Fe1 ナノ粒子
連結触媒の原子配列規則度(fct の割合)を向上させる触媒合成法(図 4b)を新たに提案・実証した。さらに実用化を推進するために、企業と連携し、量産プロセスが可能な、より簡易な合成法(図 4c)の検討も行った。そして、規則度が

図 5. ホ ッ ピ ン グ に よ る プ ロ ト ン 伝 導 機 構 (Packed acid

負荷応答耐久性に与える影響を調査し、起動停止および負荷応答の両方に対して高耐久な Pt1–Fe1 ナノ粒子連結触媒

mechanism)の開発に取り組んだ。

この研究成果を活かし、本グループは高いスルホン酸基容量(Ion exchange capacity: IEC)を持つパーフルオロスル
ホン酸(PFSA)ポリマーを超高分子量ポリエチレン多孔質
基材に充填した酸高密度型細孔フィリング薄膜(図 6)を開発した。従来の高 IEC のキャスト膜では、水に対して極度に膨潤するため、単独で燃料電池に使用することは困難である。一方、細孔フィリング膜は、機械的強度の高い基材によって充填ポリマーの膨潤を抑えるため、高い膨潤抑制能を有する。さらに、本研究では、従来の膜(膜厚 25 μm)
よりも薄い約 7 μm の細孔フィリング薄膜を開発し、水の少ない高温低湿度環境においても優れたプロトン伝導性を示すことを実証した。

図 4. Pt–Fe ナノ粒子連結触媒の合成法 (a) 従来の合成法：超臨界処理を用いる低規則度触媒の合成法、(b) 新規合成法①：超臨界処理、およびシリカコートと熱処理を用いる高規則度触媒の合成
法、(c) 新規合成法②：超臨界処理を必要としない、シリカコー

165

KISTEC研究報告2021

【研究開発部】高効率燃料電池開発

(a)

(b)

図 8. 高温低湿度運転での燃料電池発電性能 (80℃, 20~60% RH).
(a) 低 IEC 市販膜、(b) 高 IEC 細孔フィリング薄膜を用いた MEA
図 6. (a) 超高分子量ポリエチレン多孔質基材に高 IEC の PFSA ポ(4) 金属ナノ粒子連結触媒の他のエネルギーデバイスへの展開

リマーを充填した (b) 細孔フィリング薄膜の模式図と膜表面のSEM 像

本グループの独自技術である金属ナノ粒子連結触媒の実用化を推進するために、他のエネルギーデバイスへの応用にも取り組んできた。
応用の一つとして、固体アルカリ燃料電池(Solid alkaline
fuel cell: SAFC)用カソード触媒が挙げられる。酸環境で動

本事業では、高 IEC 細孔フィリング薄膜の作製条件の検討を行い、作製条件がプロトン伝導性に与える影響を調査した。さらに、開発した膜の高温低湿度環境下での高速プ
ロトン伝導の要因を調査するために、日産アークと共同で、膜内部のミクロ構造の観察を行った。

作する PEFC とは異なり、SAFC はアルカリ環境で動作する燃料電池である。SAFC は PEFC に比べ、性能・耐久性ともに低く、まだ研究開発段階である。特に、高温アルカ
リ環境での MEA の低耐久性は大きな課題であり、SAFCの研究開発を遅滞させる要因となっている。本事業は、CREST「再生可能エネルギーからのエネルギーキャリアの(3) 高温低湿度対応 MEA の開発

製造とその利用のための革新的基盤技術の創出」、研究課
題「液体燃料直接型固体アルカリ燃料電池用触媒層および本グループは、開発した材料の PEFC デバイスとしての性能を評価するために、膜電極接合体(MEA)の開発にも取MEA 基盤技術の構築」(代表：東京工業大学 山口猛央 教授)において、SAFC カソード触媒用の白金合金ナノ粒子連り組んできた。特に、有望シーズ展開事業において、高 IEC
細孔フィリング薄膜(膜厚 7 μm)を組み込んだ MEA(図 7)

結触媒の開発に取り組んだ。開発した触媒のアルカリ環境
での活性・耐久性評価、さらに MEA に組み込んだギ酸塩

は、従来の低 IEC の市販膜(Nafion 211, 膜厚 25 μm)を用いた MEA で は 実 現 で き な か っ た 高 温 低 湿 運 転 (80°C,

水溶液直接型 SAFC(図 9)での長時間耐久性試験を実施し、ナノ粒子連結触媒の SAFC としての有用性を検証した。

20~60% RH、80~100°C, 30% RH)での高い発電性能を発現することに成功した(図 8)。
そこで、本事業では、MEA 内部の水移動に着目して高温低湿度条件での高い発電性能の要因を調査した。さらに、
高 IEC 細孔フィリング薄膜の実用化を推進するために、燃料電池運転環境下での MEA の耐久性評価および劣化メカ
ニズムの解明に取り組んだ。

図 9. カーボンフリーPt–Fe ナノ粒子連結触媒を組み込んだギ酸塩

図 7. 酸高密度型細孔フィリング薄膜を用いた MEA の模式図

KISTEC研究報告2021

水溶液直接型 SAFC 用 MEA の模式図

166

【研究開発部】高効率燃料電池開発

さらに、ナノ粒子連結触媒の応用として、固体高分子形のネットワーク構造を維持することに成功した。さらに、

水電解の酸素発生反応用 Ir ナノ粒子連結触媒の研究開発にも取り組んだ。この研究開発は、NEDO「水素利用等先

高温処理によって、規則度増加が確認され、800℃以上の高温処理では、熱処理なしの通常の触媒よりも約 2 倍高い導研究開発事業/水電解水素製造技術高度化のための基盤技術研究開発/高性能・高耐久な固体高分子形および固体

規則度 80%以上を達成した。
しかしながら、図 4b に示す合成法は、ステップ数が多アルカリ水電解の材料・セルの設計開発」(代表：東京工業大学 山口猛央 教授)において、東工大との共同研究でく、またバッチ式の超臨界(高温・高圧)処理を用いる。そこで、本事業は企業と連携し、図 4c に示す超臨界処理を実施した。水電解は燃料電池とは異なり、1.2 V 以上の高電位で動作するため、深刻なカーボン腐食が起こり、カー必要としない、より簡易な合成法の実証を行った。本合成
法では、Pt–Fe ナノ粒子をシリカ粒子上に生成させた後、ボン担体を使用することはできない。導電性の金属酸化物
担体の使用や担体フリーの Ir 触媒が開発されてきたが、低超臨界処理を行わず、表面をシリカで被覆する。そして、大気圧下で熱処理を行う。この熱処理は、規則度を向上さ

い反応表面積が課題の一つであった。そこで、本事業では、
図 10 に示すように、約 1.8 nm の非常に小さい Ir ナノ粒子

せると同時に、ナノ粒子が連結したネットワーク構造を形成させる。図 4c の合成法は、超臨界処理を用いず簡易でが連結した高表面積の Ir 系ナノ粒子連結触媒を開発した。
そして、開発した触媒の酸素発生反応活性と MEA での水あるため、量産化に適した合成プロセスを構築できる。
本研究は、図 4c に示す新規合成法の実証、および合成電解性能を評価することで、水電解触媒としての有用性を検証した。

条件の検討を行った。その結果、熱処理温度 400°C 以上で規則構造を形成し、温度を上げるに連れて規則化度は増加
し、70~80%の高い規則度を達成した。また、高温処理後もナノサイズのネットワークを維持することも確認された。作製した高規則度の Pt1–Fe1 ナノ粒子連結触媒は、市販 Pt/C の 10 倍高い ORR 表面比活性を示すことが分かった(図 11a)。さらに、図 11b に示すように、高い規則度(約70~80%)を持つ Pt1–Fe1 ナノ粒子連結触媒は金属の溶出を加速する負荷応答耐久性試験において、低規則度(40~50%)
触媒よりも高い耐久性を示すことを確認した。この様に、高い原子配列規則度を有するカーボンフリーPt1–Fe1 ナノ
粒子連結触媒は、従来の触媒では困難であった高い触媒活図 10. 酸素発生触媒用 Ir ナノ粒子連結触媒の模式図

性と高い起動停止・負荷応答耐久性の全てを実現することを実証した。

この様に、本事業では、ナノ粒子連結触媒の実用化を推進するために、積極的に他のエネルギーデバイスへの応用にも取り組んだ。

2. 実用化実証事業(2017～2020 年度)の研究成果
以下に挙げるのは、本実用化実証事業における主な研究
成果の概要であり、詳細は各研究員の報告書に記載する。
以下に示す研究成果は、国内・国外での学会発表や学術論
文により世の中へ広く発信した。(詳細は業績の項を参照。
記載は、2020 年度分のみ)(1) カーボンフリー白金系ナノ粒子連結触媒の開発
本研究は、図 4b に示す新しい触媒合成法(超臨界処理でナノネットワークを形成後、触媒表面をシリカで被覆し、高温処理を施す合成法)を用いて、原子配列規則度の向上に成功した。シリカ被覆により、Pt1–Fe1 ネットワークを固めた状態にすることで、高温処理による凝集を抑制し、高表面積のナノサイズネットワークを維持できる。本手法
はコンセプト通り、700～900℃の高温処理でもナノサイズ

167

KISTEC研究報告2021

【研究開発部】高効率燃料電池開発の構造も変化したと推測される。特に、プロトン伝導には、スルホン酸基が密集したナノサイズのチャネル構造が重

2.0

要である。
1.0

1

0.0

Pt/C

規則
46%
Pt/C

3.5

ORR表面比活性 / mA cmPt-2

ジーが異なることが知られている。そのため、異なる溶媒を用いることで、細孔内に充填された PFSA アイオノマー

(a)

3.0

プロトン伝導性 (S cm-1)

ORR表面比活性 / mA cmPt-2

た。PFSA 系のアイオノマーは、溶媒によってモルフォロ

Pt-Fe連結、規則度46%

3.0

(b)

2.5

Pt-Fe連結、規則度58%
Pt-Fe連結、規則度76%

0.1

0.01

0.001
20

2.0

H2O/EtOH

DMF
40

60
80
相対湿度 (%)

100

1.5

図 12. 異なる溶媒（H2O/EtOH または DMF）を用いて作製した高1.0

IEC 細孔フィリング薄膜のプロトン伝導性

0.5
0.0

0

そこで、日産アークとの共同研究において、クライオプ

2000 4000 6000 8000 10000
負荷応答サイクル数

ラズマ集束イオンビーム(Cyro-PFIB)を用いて、冷却下で高IEC 細孔フィリング薄膜の薄い切片を作製し、膜内部のミ図 11. 規則度の異なる Pt1–Fe1 ナノ粒子連結触媒の(a) ORR 表面比

クロ構造を TEM-EDX 測定から観察した。EDX マッピン
グから、細孔内に充填された PFSA ポリマー由来の F, S 元

活性および(b) 60℃、酸電解液中での負荷応答サイクルに対する
ORR 表面比活性の変化

素の分布が観察された。さらに、細孔内 PFSA ポリマー中にスルホン酸基が集合した構造が観察され、充填ポリマー

さらに、本研究では図 4c に示す合成法を用いることで、これまでの超臨界法で合成が困難であった純 Pt ナノ粒子
連結触媒や組成比の異なる Pt3–Fe1, Pt1–Fe3 ナノ粒子連結

はチャネル構造を形成することが示唆された。細孔内のプ
ロトン伝導チャネル構造とプロトン伝導性の関係性は、さらなる高性能な膜を設計する上で必要不可欠である。そのため、本研究では引き続き、高 IEC 細孔フィリング薄膜の触媒の開発に成功している。特に、純 Pt ナノ粒子連結触媒の ORR 表面比活性は、Pt/C に比べ約 4 倍高いことが分

詳細な構造解析に取り組んでいる。

かり、カーボンフリーのナノ粒子連結構造が ORR 活性向上に大きく寄与する明確な証拠が得られた。さらに金属組(3) 高温低湿度対応 MEA の開発

成比の異なる Pt–Fe ナノ粒子連結触媒において、触媒構造と ORR 表面比活性に相関が確認された。カーボンフリー

高温低湿度運転(80℃、20% RH)における MEA の電気化

ナノ粒子連結構造による活性向上に加えて、適切な量のFe と合金化することで、Pt–Fe ナノ粒子連結触媒の ORR学測定から、高 IEC 細孔フィリング薄膜は市販のナフィオン膜(Nafion 211)に比べ、IR 損が顕著に小さいことが確認

表面比活性は Pt/C よりも 10 倍高くなることが示された。

された(図 13)。高 IEC 細孔フィリング膜は酸高密度構造を持つため、高温低湿度でもプロトン伝導性が高い。さらに、
膜厚 7 μm と非常に薄いため水透過度が高く、カソードでの生成水がアノードへより透過し、MEA 全体で適した湿(2) 酸高密度型細孔フィリング薄膜の開発

度管理を可能とする。実際に、発電時における MEA 内部の水移動現象の評価・解析から、高 IEC 細孔フィリング薄本事業では、高 IEC 細孔フィリング薄膜の作製条件が高温低湿度でのプロトン伝導性に強く影響を及ぼすことを見出した。図 12 に示すように、多孔質基材の細孔内に高膜を用いた MEA のアノード・カソードではバランスのとれた湿度になっていることが確認されている。これらの要

IEC の PFSA アイオノマーを充填する際に用いる溶媒(水/
エタノール混合溶媒、または N,N-ジメチルホルムアミド因により、IR 損を大幅に低減し、高い電池性能を発現したと示唆された。

(DMF))によって、プロトン伝導性に顕著な違いが確認され

KISTEC研究報告2021

一方で、高 IEC 細孔フィリング薄膜は、市販膜よりも薄168
【研究開発部】高効率燃料電池開発

1.0ࡇࡢࡇ࡜࠿ࡽࠊ⣽Ꮝࣇ࢕ࣜࣥࢢⷧ⭷ࡣࣉࣟࢺࣥ࡜Ỉࡣຠᯝⓗ࡟㏻ࡋࠊ୍᪉࡛ࠊ࢞ࢫࡢ㏱㐣ࡣ㜼Ṇࡍࡿࠊ⇞ᩱ㟁ụ㟁

0.8

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࢞ࢫ㏱㐣㜼Ṇᛶ࡟ඃࢀࡓ⭷࡛࠶ࡿࡇ࡜ࡀ♧ࡉࢀࡓࠋゎ㉁⭷ࡢᚲせᛶ⬟ࢆ‶ࡓࡋࡓ㠀ᖖ࡟᭷ᮃ࡞⭷࡛࠶ࡿࡇ࡜
ࡀ♧ࡉࢀࡓࠋ

0.6
0.4

(a)

0.2

(a)

(b)

0.0

0

10

Pore-filling
Nafion 211
20 30 40ಖᣢ᫬㛫(h)

50

60

50

60

ᅗ 13. (●) 㧗 IEC ⣽Ꮝࣇ࢕ࣜࣥࢢⷧ⭷࠾ࡼࡧ(■) ప IEC ᕷ㈍⭷㸦Nafion 211㸧ࢆ⏝࠸ࡓ MEA ࡢ㧗 ప‵ᗘ㐠㌿࡟࠾ࡅࡿ MEA ࡢ
IR ᦆ. 㐠㌿᮲௳: (a) 80Υ, 20% RH, (b) 100Υ, 30% RH

Pore-filling
Nafion 211

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60

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20

(b)
10
0
0

ᮏ஦ᴗ࡛ࡣࠊ㧗 IEC ⣽Ꮝࣇ࢕ࣜࣥࢢⷧ⭷ࡢᐇ⏝໬ࢆ᥎㐍

10

20 30 40ಖᣢ᫬㛫(h)ࡍࡿࡓࡵ࡟ࠊ⣽Ꮝࣇ࢕ࣜࣥࢢⷧ⭷ࢆ⏝࠸ࡓ MEA ࡢ㧗⪏ஂᛶࡶᐇドࡋࡓࠋࡇࡇ࡛ࡣࠊ⭷ࡢ໬Ꮫⓗ⪏ஂᛶࢆホ౯ࡍࡿ㛤ᅗ 14. (●) 㧗 IEC ⣽Ꮝࣇ࢕ࣜࣥࢢⷧ⭷ཬࡧ(■) ప IEC ᕷ㈍⭷ࢆ⏝ᅇ㊰㟁ᅽ(OCV)ಖᣢヨ㦂ࢆ⾜ࡗࡓࠋᅗ 14 ࡟♧ࡍࡼ࠺࡟ࠊ
110Υࠊ30% RH ࡢ㧗 ప‵ᗘ᮲௳࡛ࡢ OCV ಖᣢヨ㦂࡟࠾ᣢヨ㦂࡟࠾ࡅࡿ(a) OCV ࡜(b) Ỉ⣲ࢡࣟࢫ࣮࢜ࣂ࣮㟁ὶᐦᗘࡢ᫬

࠸ࡓ MEA ࡢ OCV ಖᣢ⪏ஂᛶ. (a, b) 110°C, 30% RH ࡛ࡢ OCV ಖ㛫ኚ໬࠸࡚ࠊ⣽Ꮝࣇ࢕ࣜࣥࢢⷧ⭷ࡣⷧ⭷໬ࡋࡓ࡟ࡶ࠿࠿ࢃࡽࡎࠊ
ᕷ㈍ࢼࣇ࢕࢜ࣥ⭷࡜ྠ⛬ᗘࡢ OCV ಖᣢᛶ⬟ࢆ♧ࡋࠊ㧗࠸໬Ꮫⓗ⪏ஂᛶࢆ᭷ࡍࡿࡇ࡜ࡀ☜ㄆࡉࢀࡓࠋ
OCV ಖᣢヨ㦂๓ᚋࡢ⭷ᵓ㐀ࡢゎᯒ࠿ࡽࠊᕷ㈍ࢼࣇ࢕࢜

(4) 㔠ᒓࢼࣀ⢏Ꮚ㐃⤖ゐ፹ࡢ௚ࡢ࢚ࢿࣝࢠ࣮ࢹࣂ࢖ࢫ࡬

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SAFC ࡟࠾࠸࡚㧗࠸Ⓨ㟁ᛶ⬟ࢆ♧ࡋࡓࠋࡉࡽ࡟ࠊ㧗 (80Υ)ຎ໬ࡋࠊ⭷ཌࡀῶᑡࡋࡓ࡜♧၀ࡉࢀࡓࠋ୍᪉࡛ࠊ⣽Ꮝࣇ࢕ࣜࣥࢢⷧ⭷ࡣࠊOCV ಖᣢヨ㦂ᚋࡶ⭷ཌࢆಖᣢࡋ࡚࠸ࡿࡇ

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NEDO ஦ᴗ࡟࠾࠸࡚ࠊỈ㟁ゎ࢔ࣀ࣮ࢻ⏝㓟⣲Ⓨ⏕཯ᛂ(OER)ゐ፹࡜ࡋ࡚ࠊIr ⣔ࢼࣀ⢏Ꮚ㐃⤖ゐ፹(SiO2 ࢸࣥࣉ࣮ࣞ

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㛤Ⓨࡋࡓ Ir ࢼࣀ⢏Ꮚ㐃⤖ゐ፹ࡣࠊᕷ㈍ࡢ Ir ゐ፹(Ir black(AA))ࡼࡾࡶ 5 ಸ⛬ᗘ㧗࠸ OER άᛶࢆ♧ࡋࡓࠋᮏࢢ࣮ࣝࣉ
࡛ࡣ Ir ྜ㔠ࡢࢼࣀ⢏Ꮚ㐃⤖ゐ፹ࡢྜᡂ࡟ࡶᡂຌࡋ࡚࠾ࡾࠊ

169

KISTEC研究報告2021

【研究開発部】高効率燃料電池開発

さらなる OER 活性向上も達成している。このことから、池が実現すれば、大型発電所を凌ぐ効率で低コストな家庭

ナノ粒子連結触媒は、水電解システムに対しても有望な材料であることが示されている。

用発電・移動用発電を普及することが可能で、現在の変換効率の低いエネルギー技術に替わる革新的技術となり得

この様に、金属ナノ粒子連結触媒は、PEFC に留まらず、固体アルカリ燃料電池や固体高分子形水電解への展開にる。高効率燃料電池を世界規模で展開・普及させることで、温暖化ガス排出量抑制、エネルギー資源の有効利用にも大成功しており、他のエネルギーデバイスにおいても実用化が期待される材料である。

きく貢献できる。大型発電所に頼らない、「エネルギー資
源を大切に使う社会」を構築できると考えている。

(a)

(b)

100 nm5 nm(c)

図 15. Ir ナノ粒子連結触媒(Ir/SiO2)の(a) TEM 像およぼ (b) 高解像
STEM 像. (c) 酸素発生反応(OER)に対する質量活性の比較

3. 今後の展望
本実用化実証事業を通して、カーボンフリーナノ粒子連結触媒と高 IEC 細孔フィリング薄膜の開発、これと同時に、開発した材料を組み込んだ高温低湿度対応 MEA の設計開発に取り組んだ。さらに、本事業で開発した触媒、電解質
膜材料は、次世代 PEFC への導入に向けて、外部企業での評価を行い、実用化に向けた課題の抽出にも取り組んだ。
ナノ粒子連結触媒は PEFC に限らず、固体アルカリ燃料電池や固体高分子形水電解にも有望な材料であることを実証した。
この様に、本事業で得られた成果をさらに発展させることで、高効率な燃料電池や水電解システムの実現に大きく貢献できると期待される。今後、KISTEC での事業で培った材料や知見を発展させ、NEDO「燃料電池等利用の飛躍的拡大に向けた共通課題解決型産学官連携研究開発事業/II 水素利用等高度化先端技術開発/カーボンフリー白金合
金ナノ粒子連結触媒とポリフェニレン系細孔フィリング
電解質膜の開発および高電圧・高出力 MEA への展開」(代表：東京工業大学 山口猛央 教授)において、ナノ粒子連結触媒、細孔フィリング電解質膜の研究開発、実用化に向けた取り組みを進めていく。
本事業で開発した材料や技術を基盤とし、高効率燃料電KISTEC研究報告2021

170

【研究開発部】高効率燃料電池開発

酸素還元特性向上に向けた
Pt–Fe ナノ粒子連結触媒の原子配列規則性制御
黒木 秀記、藤田 遼介、田巻 孝敬、有田 正司、山口 猛央
1. はじめに

白金鉄合金ナノ粒子(Pt1–Fe1/C)触媒と、Pt1–Fe1 ナノ粒子連結触媒の ORR 表面比活性の比較

固体高分子形燃料 電池(Polymer Electrolyte Fuel Cell:
PEFC)の普及拡大には、カソード触媒における酸素還元反加えて、金属ネットワークは導電性を有するため、導電性カーボン担体を必要とせず、カーボンフリーである。燃応(Oxygen Reduction Reaction: ORR)活性と耐久性の向上が必要不可欠である。本グループは、これまでの触媒とは異料電池の起動停止時にカーボン腐食が起こり、発電性能を大幅に低下させる要因となる 6。本グループは、Pt1–Fe1 ナなる発想で、白金鉄(Pt1–Fe1)ナノ粒子が連結したネットワークから成る、多孔性中空カプセル状 Pt1–Fe1 ナノ粒子連

ノ粒子連結触媒をカソード触媒層に用いた MEA において、80℃での起動停止耐久性試験を実施し、起動停止 10000 サ

結触媒(図 1)の開発に取り組んできた 1–5。本触媒は、図 2に示すように、従来の燃料電池触媒の白金ナノ粒子担持カ

イクル後においても電気化学的活性表面積(Electrochemical surface area: ECSA)と電池性能は変化せず、ーボンブラック(Pt/C)に比べて、ORR に対する表面比活性が約 9 倍高い値を示すため、燃料電池の低白金化が実現で初期性能を維持することが分かった。カーボン担体を含む
Pt/C においては、カーボン腐食によって 4000 サイクル後きる。Pt1–Fe1 ナノ粒子連結触媒は、カーボンブラック担持 Pt1–Fe1 ナノ粒子(Pt1–Fe1/C, ナノ粒子同士の連結なし)とには ECSA が 50%以下になり、大幅に電池性能が低下する。
このことから、Pt1–Fe1 ナノ粒子連結触媒を用いたカーボ

比較して、ORR 表面比活性は 2~3 倍高い。このことから、ナノ粒子連結触媒の特異な構造が活性向上に寄与していンフリー触媒層は、カーボン腐食の問題を回避できるため、高耐久性であることを実証した。

る可能性が示唆されている。

Retention of ECSA (%)

100
80
60
40
20
0

(A)
0

2000

図 1. 中空カプセル状 Pt1–Fe1 ナノ粒子連結触媒とカーボンフリー

PtFeカプセル
Pt/C
4000 6000
Cycle number

8000

10000

1.0

触媒層の模式図

Cell voltage (V)

0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
0.0

(B)

initialafter 10K cycles

0.2
0.4
0.6
0.8
Current density (A/cm2)1.0

図 2. カーボンブラック上に担持させた白金ナノ粒子(Pt/C)または

171

KISTEC研究報告2021

【研究開発部】高効率燃料電池開発

図 3. (A) 起動停止サイクルに対する ECSA の保持率 (■) カーボ
ンフリーPt1–Fe1 カプセル触媒層、(▲) 市販の Pt/C 触媒層, (B) カーボンフリーPt1–Fe1 カプセル触媒層を用いた MEA の 80℃における電流電圧曲線. (■) 初期、起動停止試験前、(〇) 起動停止試験
10000 サイクル後

また、中空カプセル状の Pt1–Fe1 ナノ粒子連結触媒を用いたカーボンフリー触媒層の断面構造観察(図 4)から、触媒層厚みは 1~1.5 μm であることが分かり、従来のカーボ

図 5. (a) Pt と合金(M)層が規則的に配列した規則配列構造、(b) Ptと合金(M)がランダムに配置している不規則配列構造

ン担体を含む触媒層の厚み約 10 μm と比べて、非常に薄いことが確認された。触媒層の薄層化は物質移動抵抗の低減が期待できる。

2. 実験、結果及び結果
2. 1

(a)

500 nmカーボンフリー触媒層:
中空カプセル状
Pt–Feナノ粒子連結触媒(b)

原子配列規則性制御

本研究は、Pt1–Fe1 ナノ粒子連結触媒の原子配列規則度向上を行った。規則配列構造である L10 型 face centered
tetragonal (fct)相は、不規則配列構造の face centered cubic(fcc)相よりも熱力学的に安定であり、高温処理により fct

10 µm

相に変態する。しかしながら、Pt1–Fe1 ナノ粒子連結触媒を 800℃で焼成すると、図 6b に示すようにネットワーク
構造が凝集し、高表面積を維持できない。

電解質膜
カソード:
中空カプセル状
Pt–Feナノ粒子連結触媒

アノード: Pt/C

(b)

(a)

図 4. Pt1–Fe1 ナノ粒子連結触媒を用いたカーボンフリー触媒層の拡大図, (b) カーボンフリーカソード触媒層・電解質膜・Pt/C アノード触媒層で構成される MEA の断面図
100 nm以上のように、本グループは有望シーズ展開プロジェク
トにおいて、
カーボンフリーPt1–Fe1 ナノ粒子連結触媒は、

図 6. (a) 焼成前の Pt1–Fe1 ナノ粒子連結触媒の TEM 像、(b) 800℃

従来のカーボン担体を含む白金触媒層が抱える低い触媒
活性、低い耐久性、高い物質移動抵抗による性能低下といで焼成後の TEM 像

った様々な問題を解決し得る有望な触媒層材料であることを実証した。

そこで、Pt1–Fe1 連結ネットワークをシリカで被覆し、ネットワークを固めた状態で熱処理を施し、ネットワーク

しかしながら、燃料電池触媒は、起動停止サイクルによるカーボン腐食の劣化に加えて、負荷応答サイクルにおけの凝集を抑制する新規合成法①(図 7b)を提案した。
図 7b の合成法は、まず、ポリオール反応と超臨界処理

る触媒金属の溶出も問題となる。触媒金属の溶出は表面構造の変化を引き起こし、活性低下につながる。つまり、高を用いた従来の合成法(図 3a)でシリカ粒子担体上に Pt1–Fe1 ナノ粒子連結構造（Pt1–Fe1 ネットワーク/SiO2）を形

い活性を持つ触媒を長期的安定に使用するためには、触媒
金属の溶出を抑えることが必要である。

成させる。その後、触媒表面をシリカで被覆し、高温処理を行い、熱力学的に安定な規則配列(L10 型 fct)構造に変移

本グループは有望シーズ展開プロジェクトにおいて、図5a に示す原子配列規則(超格子)構造を持つ白金合金ナノさせる。最後に、10 M NaOH 水溶液で処理し、触媒表面と担体のシリカを完全に除去することで、中空カプセル形

粒子触媒(カーボン担持)の開発を行い、不規則配列構造（図5b）の触媒よりも高い ORR 活性と優れた負荷応答耐久性状を得る。

を示すことを見出した 7–11。そこで本研究は、規則配列構造に着目し、Pt1–Fe1 ナノ粒子連結触媒における原子規則
配列構造及び表面構造の制御を行い、これらの構造が耐久性及び ORR 活性に与える影響を議論した。

KISTEC研究報告2021

100 nm172

【研究開発部】高効率燃料電池開発

図 7. Pt1–Fe1 ナノ粒子連結触媒の合成法. (a) 従来の合成法：超臨界処理を用いる低規則度触媒の合成法、(b) 新規合成法①：超臨界処理、およびシリカコートと熱処理を用いる高規則度触媒の合成法

図 8 に Pt1–Fe1 ネットワーク/SiO2 の表面にシリカ被覆を行ったサンプルの TEM 像を示す。TEM 像から、触媒表面をシリカで概ね均一に被覆されたことが確認され、シリカ層の厚みは約 50 nm であった。

100 nm50 nm

図 8. シリカ被覆 Pt1–Fe1 ネットワーク/SiO2 の TEM 像

500 nm

100 nm

50 nm

20 nm

図 9. 図 3b の合成法で作製した Pt1–Fe1 ナノ粒子連結触媒(熱処理
温度 = 800 °C)の TEM 像

続いて、Pt1–Fe1 ネットワーク/SiO2 を H2/N2 雰囲気下、800℃で熱処理を行い、90℃、10 M NaOH 水溶液中で被覆層と担体のシリカを除去した。得られたサンプルの TEM

熱処理が原子配列規則度に与える影響を調査するため

観察(図 9)から、中空カプセル構造とナノサイズのネット
ワーク構造が確認された。このことから、ネットワークをに、熱処理温度(700℃、800℃、900℃)の異なるサンプルを作製し、XRD 測定を行った。図 10 に示す XRD パター

シリカで固めることにより、高温処理における触媒金属の融着を抑制し、ナノサイズのネットワーク構造を維持する

ンから、熱処理による規則配列 fct 構造に由来するピーク(図 10 の*で示したピーク)の強度増加が確認された。fct

ことが示唆された。

と fcc を含む 40°付近の(111)面の基本ピークに対する 33°の fct 由来の(110)面のピークの比から規則度を算出したところ、熱処理なしの通常の合成法で作製した触媒における規則度は 44%であるのに対して、新規合成法を用いて700℃、800℃、900℃の熱処理を施した触媒の規則度は各々64%, 83%, 80%であり、熱処理に伴う規則度の増加が確認された。特に、800℃、900℃の熱処理においては、通常の2 倍近い高い規則度が得られた。

173

KISTEC研究報告2021

(c)

(b)

Pt

＊

(a)

10 20 30 40 50 60 70 80 90
2θ (degree)

30

High fct, connected Pt-Fe

)

2

＊
＊＊ ＊

(111)

(110)

(111)

＊＊ ＊

ORR specific activity (mA/cm＊

3.0

Intensity (a.u.)

Intensity (a.u.)

(d) ＊

(110)

【研究開発部】高効率燃料電池開発

35 40 452θ (degree)

2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0

図 10. Pt1–Fe1 ナノ粒子連結触媒の XRD パターン：(a) 通常の合成法(図 3a, 熱処理なし)で作製した触媒. (b–d) 図 3b の合成法を作

Low fct, connected Pt-Fe
Commercial Pt/C

02000 4000 6000 8000 10000
Load cycle number

図 11. 負荷応答電位サイクル(60℃、0.1 M HClO4 電解液中)に対する ORR 表面比活性の変化：(●) 高規則度(High fct, 83%)、(▲) 低
規則度(Low fct, 44%)の Pt1–Fe1 ナノ粒子連結触媒と（■）市販 Pt/Cの結果製した触媒. 熱処理温度：(b) 700 °C, (c) 800 °C, (d) 900 °C. *規則
配列 fct 構造由来のピーク

以上の結果から、本研究が提案した合成法(図 3b)を用いることで、ナノサイズのネットワークで、且つ高い原子配高規則度の Pt1–Fe1 ナノ粒子連結触媒における高耐久性

列規則性を持つ Pt1–Fe1 ナノ粒子連結触媒を得ることに成功した。

の要因を調査するために、負荷応答試験後の触媒に関して構造解析を行った。TEM 観察から、低規則度、高規則度の双方において、負荷応答一万サイクル後もナノサイズのネットワークで形成された中空カプセル構造が観察され2. 2た。一方で、ネットワーク内部の Fe の残存量と分布に関して、規則度に依る顕著な違いが確認された。図 12 に負荷応答耐久性

上記で得られた規則度の高い触媒を用いて、規則構造が負荷応答耐久性に与える影響を評価した。金属の溶出を加STEM–EDX 線分析による負荷応答一万サイクル後のネッ
トワーク内部の元素分布を示す。規則度の低い触媒では速する負荷応答耐久性試験は、燃料電池触媒における標準プロトコル(0.6 V で 3 秒間、1.0 V で 3 秒間の保持を 1 サ

Fe の残存量が少なく、表面に厚い白金リッチ層が確認され、負荷応答サイクルによる Fe の顕著な溶出が示唆されイクルとして、この電位サイクルを繰り返す試験)を用いた 12。負荷応答電位サイクルは、60℃、N2 雰囲気下 0.1 Mた。一方で、高規則度の触媒に関しては、Fe がほぼ溶出しておらず、初期の触媒構造を維持していることが分かっ

HClO4 電解液で行った。サンプルは、通常の合成法(熱処理なし、3 M NaOH によるシリカ除去)で作製した低規則度

た。
以上の結果から、高い原子配列規則性は合金金属の溶出(Low fct, 44%)の触媒と図 3b の合成法(800℃熱処理、10 M
NaOH によるシリカ除去)により作製した高規則度の触媒を抑え、負荷応答サイクルに対する耐久性向上に大きく寄与することが示された。

(High fct, 83%)を用い、負荷応答サイクル後の ORR 表面比
活性から耐久性を議論した。
図 11 に負荷応答サイクルに対する ORR 表面比活性の変化を示す。比較として、市販 Pt/C の結果も示す。高い規則度の Pt1–Fe1 ナノ粒子連結触媒は、低い規則度の触媒に比べて、初期の表面比活性が低いものの、Pt/C より高活性な触媒であることが確認された。一方で、高規則度の触媒は、非常に耐久性に優れ、一万サイクル後も初期と同程度の活性を維持した。一方で、低規則度の触媒は負荷応答サ
イクルに対する活性の減少が顕著であった。一万サイクル後の表面比活性で比較すると、高規則度の Pt1–Fe1 ナノ粒
子連結触媒が最も高い活性を示した。

KISTEC研究報告2021174

【研究開発部】高効率燃料電池開発につながったと示唆された。
(a)

(a)

Counts300

PtFe

以上の結果から、適切なアルカリ処理を施した高規則度の Pt1–Fe1 ナノ粒子連結触媒は高い ORR 初期活性と優れた負荷応答耐久性を両立することが示された。

200

3.0

0

(b)

0

4
6
8 10
Distance (nm)

(b)

300

Counts

2

12

14

Pt
Fe

200

100

ORR specific activity (mA/cm

Pt

2

)

100

2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0

0

0

5

10
15
20
Distance (nm)25

InitialAfter 10000 load-cycles

Pt/C

Low fct,
High fct,
High fct,
3 M NaOH 10 M NaOH 3 M NaOH

図 13. 規則度とアルカリ処理条件の異なる Pt1–Fe1 ナノ粒子連結
触媒と市販 Pt/C における初期と負荷応答一万サイクル後の ORR
表面比活性の比較

図 12. 負荷応答一万サイクル後 Pt1–Fe1 ナノ粒子連結触媒の(左) HAADF–STEM 像と(右) EDX 線分析結果：(a) 低規則度(Lowfct, 44%)、(b) 高規則度(High fct, 83%)

500

2. 3

Pt
Fe

400

アルカリ処理条件の影響
Counts

図 11 で得られた結果から、800℃熱処理と 10 M NaOH
処理を経て作製した高規則度 Pt1–Fe1 ナノ粒子連結触媒の初期 ORR 表面比活性は、従来の連結触媒(熱処理無し、3 M
NaOH 処理)の 6 割程度であることが確認された。触媒活性は、反応が生じる触媒の表面構造が重要となるため、高

300
200
100
0

濃度のアルカリ処理により表面構造が変化し、活性が低下したと推測された。そこで、熱処理後のシリカ除去で使用する NaOH 濃度を 10 M から 3 M に変更し、触媒活性を
評価した。

0

5

10
15
Distance (nm)20

図 14. 800℃熱処理＋3 M NaOH 処理で合成した高規則度 Pt1–Fe1
ナノ粒子連結触媒(High fct, 3M NaOH)における負荷応答一万サイ
クル後の(左) HAADF–STEM 像と(右) EDX 線分析結果

図 13 に示すように、800℃熱処理後に 3M NaOH 水溶液
でシリカ除去を行った触媒(High fct, 3 M NaOH, 89%)は、従来の連結触媒(Low fct, 3 M NaOH, 44%)と同程度の高い触媒活性を発現することが分かった。このことから、アル3. まとめ及び今後の展望

カリ処理条件は触媒の表面構造、延いては ORR 活性に強く影響することが示唆された。

本研究では、シリカコートを用いた新規合成法①(図 3b)を用いて、Pt1–Fe1 ナノ粒子連結触媒の原子配列規則度の向上に成功し、さらに、アルカリ処理による表面構造制御

続いて、得られた高規則度で且つ高い初期活性を持つ
Pt1–Fe1 ナノ粒子連結触媒について、上記と同様の手法でから、高い負荷応答耐久性と高い ORR 活性の両立を初めて実現した。Pt1–Fe1 ナノ粒子連結触媒はカーボンフリー

負荷応答耐久性試験を行った。規則度とアルカリ処理条件の異なる Pt1–Fe1 ナノ粒子連結触媒の初期と負荷応答一万であり、起動停止耐久性にも優れている。本触媒は、燃料電池運転中における触媒劣化の問題を解決する材料であサイクル後の ORR 表面比活性の比較を図 13 に示す。
800℃
熱処理＋3M NaOH 処理で合成した高規則度(High fct)の触り、高い ORR 活性を有することから低白金化も可能である。

媒は、初期活性が高く、一万サイクル後もその高活性を約8 割維持しており、市販 Pt/C、他の条件で合成した Pt1–Fe1

一方で、高規則度を実現する新規合成法①(図 3b)はステップ数が多く、またバッチ式の超臨界(高温・高圧)処理を

ナノ粒子連結触媒と比べて、耐久性試験後に最も高い触媒活性を示した。図 14 に示す EDX 線分析結果から、本触媒用いるため、量産プロセスに適さないと考えれらる。そこで、この有用な触媒の量産化に向けて、企業と連携して、は耐久性試験後もネットワーク内の Fe が 8 割程度保持されており、高規則度による Fe の溶出抑制が高活性の維持

高規則度の Pt1–Fe1 ナノ粒子連結触媒のより簡易な合成法

175

KISTEC研究報告2021

【研究開発部】高効率燃料電池開発の確立に取り組んだ。この取り組みに関しては、次項の研Kubobuchi,

究報告に示す。

“Platinum–Iron–Nickel
Trimetallic
Catalyst
withSuperlattice Structure for Enhanced Oxygen Reduction

Science, 2015, 8, 3545–3549.
H. Kuroki, T. Tamaki, and T. Yamaguchi, “Nanostructural

12. New Energy and Industrial Technology Development
Organization (NEDO), “Cell Evaluation and Analysis
Protocol Guideline”, 2012.

PEFCs”, Journal of The Electrochemical Society, 2016,
163(8), F927–F932.
H. Kuroki, T. Tamaki, M. Matsumoto, M. Arao, Y.
Takahashi, H. Imai, Y. Yoshitaka, and T. Yamaguchi,“Refined Structural Analysis of Connected Platinum–Iron
Nanoparticle Catalysts with Enhanced Oxygen Reduction
Activity”, ACS Applied Energy Materials, 2018, 1(2),324–330.
山口 猛央, 小倉 俊, 田巻 孝敬, 渕上 輝顕, 北本 仁
孝, 黒木 秀記, “ガス拡散電極用触媒層、その製造方
法、膜電極接合体および燃料電池”, 特許第 6086497
号. 2017-2-10.
5.

T. Yamaguchi, S. Ogura, T. Tamaki, T. Fuchigami, Y.
Kitamoto, H. Kuroki, “Catalyst Layer For Gas Diffusion
Electrode, Method For Manufacturing The Same,
Membrane Electrode Assembly, And Fuel Cell”, U.S.

6.

Patent, US9799894B2. 2017-10-24.
Y. Hashimasa, T. Shimizu, Y. Matsuda, D. Imamura, and
M. Akai, “Verification of Durability Test Methods of an
MEA for Automotive Application”, ECS Transactions,7.

2012, 50 (2), 723–732.
B. Arumugam, B. A. Kakade, T. Tamaki, M. Arao, H. Imai,and T. Yamaguchi, “Enhanced activity and durability forthe electroreduction of oxygen at a chemically orderedintermetallic PtFeCo catalyst”, RSC Advances, 2014, 4(52),27510–27517.

8.

T. Tamaki, A. Minagawa, B. Arumugam, B. Kakade and T.
Yamaguchi, “Highly active and durable chemicallyordered Pt-Fe-Co intermetallics as cathode catalysts ofmembrane-electrode assemblies in polymer electrolyte
fuel cells”, Journal of Power Sources, 2014, 271,
346–353.

9.

B. Arumugam, T. Tamaki, and T. Yamaguchi, “Beneficial
Role of Copper in the Enhancement of Durability ofOrdered Intermetallic PtFeCu Catalyst for Electrocatalytic
Oxygen Reduction”, ACS Applied Materials & Interfaces,

2015, 7, 16311–16321.
10. H. Kuroki, T. Tamaki, M. Matsumoto, M. Arao, K.

KISTEC研究報告2021

Yamaguchi,

Catalysts in Polymer Electrolyte Fuel Cells”, Journal ofApplied Electrochemistry, 2018, 48(7), 773–782.

Control and Performance Analysis of Carbon-free Catalyst
Layers using Nanoparticle-connected Hollow Capsules for4.

T.

and Durability of Platinum−Iron−Copper with L1_0
Ordered Face-Centered Tetragonal Structure as Cathodecarbon-free electrocatalysts for oxygen reduction inpolymer electrolyte fuel cells”, Energy & Environmental

3.

and

11. T. Tamaki, A. Koshiishi, Y. Sugawara, H. Kuroki, Y.
Oshiba, and T. Yamaguchi, “Evaluation of Performance

T. Tamaki, H. Kuroki, S. Ogura, T. Fuchigami, Y.
Kitamoto, and T. Yamaguchi, “Connected nanoparticle
catalysts possessing a porous, hollow capsule structure as

2.

Imai,

Activity and Durability”, Industrial & Engineering
Chemistry Research, 2016, 55(44), 11458–11466.

【参考文献】1.

H.

176

【研究開発部】高効率燃料電池開発

簡易な合成法による高規則度 Pt–Fe ナノ粒子連結触媒の開発
黒木 秀記、井村 悠、田巻 孝敬、有田 正司、山口 猛央

1. はじめに法と記載)は、シリカ層で触媒表面を覆うことで、熱処理時における触媒の凝集を抑制し、ナノサイズのネットワー

固体高分子形燃料電池(PEFC)は環境負荷が低く、高効率な発電システムであるため、定置用燃料電池や燃料電池自クと高規則度を両立した Pt1–Fe1 ナノ粒子連結触媒を合成できる。しかしながら、図 1b に示す合成法は、ステップ動車として普及が開始された。しかしながら、PEFC を普及技術として確立するためには、さらなる低コスト化、高数が多く、またバッチ式の超臨界(高温・高圧)処理を用いる。そこで、本事業では、企業と連携し、超臨界処理を必

耐久化、高出力化が必要不可欠である。
本グループは、前項で示したように、Pt1–Fe1 ナノ粒子

要としない、より簡易な合成法(図 1c、新規合成法②、以下 SiO2–AT 法と記載)を提案した。

が連結したネットワークから成る、中空カプセル状カーボ
ンフリーPt1–Fe1 ナノ粒子連結触媒の開発に取り組んでいSiO2–AT 法では、まず Pt1–Fe1 ナノ粒子をテンプレート
シリカ粒子上に生成させる。その後、ナノ粒子の脱離・凝る 1–5。本触媒は、従来の燃料電池触媒である白金ナノ粒
子担持カーボンブラック(Pt/C)に比べて、ORR 表面比活性が約 9 倍高く、カーボン腐食の問題が回避できるため、PEFC の起動停止サイクルに対して高耐久である。さらに、本事業では、より実用的な触媒を目指し、PEFC の負荷応
答サイクルにおける触媒金属の溶出の問題も解決する高集を抑制するために、表面をシリカ層で被覆させる。そして、大気圧下で熱処理を行う。この熱処理は、規則度を向上させると同時に、ナノ粒子が連結したネットワーク構造を形成する。最後に表面と内部のシリカをアルカリ処理で除去し中空カプセル構造を得る。この SiO2–AT 法は、超臨界(高温・高圧)処理を用いず、熱処理のみを使用するため、

規則度 Pt1–Fe1 ナノ粒子連結触媒を開発した。
前項で示した新規合成法①(図 1b、以下 SCT & SiO2–AT

より簡易であり、量産化に適した合成プロセスを構築できる。

図 1. (a) 超臨界処理を用いる低規則度触媒の合成法 (SCT 法). (b, c) 高規則度 Pt1–Fe1 ナノ粒子連結触媒の合成法：(b) 超臨界処理を用いる合成法①(SCT & SiO2–AT 法)、(c) 熱処理のみで高規則度とネットワーク構造を形成する合成法②(SiO2–AT 法)

177

KISTEC研究報告2021

【研究開発部】高効率燃料電池開発

本研究では、SiO2–AT 法による高規則度 Pt1–Fe1 ナノ粒

ことで、異なる規則度の触媒合成にも成功した。

子連結触媒の合成を実証し、さらに規則度の異なる Pt1–Fe1
ナノ粒子連結触媒を合成し、規則度が ORR 活性および負荷応答耐久性に与える影響を詳細に調査した 6。また、金属組成比の異なる Pt1–Fex ナノ粒子連結触媒を新たに開発(a) SCT(a)

し、金属組成比が ORR 活性に与える影響を調査した。

2. 実験、結果及び考察
2. 1 SiO2–AT 法を用いた高規則度 Pt1–Fe1 ナノ粒
子連結触媒の開発

50 nm

(b)

(b) 500 °C

図 1b に示す SiO2–AT 法を用いて、規則度の異なる

20 nm

Pt1–Fe1 ナノ粒子連結触媒を合成した。まず、ポリオール
反応によって、シリカテンプレート粒子(直径 300 nm)上に高密度に Pt1–Fe1 ナノ粒子を形成させる。その後、オルトケイ酸テトラエチルをシリカ源に用いて、触媒表面をシ
リカ層でコートする。そして、異なる温度(500~700℃、
H2/N2 雰囲気下、処理時間は 1 h で固定)で処理することで、規則度の異なるナノサイズのネットワーク構造を形成させた。最後にアルカリ処理によって、表面と内部のシリカ

50 nm

20 nm

(c)

(c) 600 °Cを除去して、中空カプセル状の Pt1–Fe1 ナノ粒子連結触媒を得た。
表 1 に異なる熱処理温度で合成した Pt1–Fe1 ナノ粒子連結触媒の構造特性(XRD パターンから算出した結晶子径と規則度)を示す。比較として、図 1a で示した従来の超臨界処理(SCT)法(超臨界エタノール処理、330℃、約 20 MPa)

50 nmで合成した結果も示す。表 1 から、500°C 以上の高温処理を施すことで、従来の超臨界処理法(規則度 = 46%)よりも

20 nm

(d)

(d) 700 °C

高い規則度(58~76 %)を達成することが確認された。さらに、高温熱処理を用いてもナノサイズの結晶子径を有することも確認された。

50 nm

表 1. 異なる条件で合成した Pt1–Fe1 ナノ粒子連結触媒の構造特性
合成法

処理条件

結晶子径
(nm)

規則度
(%)

SCT 法

330°C,
ca. 20 MPa

8.5 ± 0.5

46 ± 3500°C

9.0 ± 0.8

58 ± 4600°C

12.2 ± 2.5

70 ± 3700°C

17.9 ± 2.8

76 ± 4SiO2–AT 法

20 nm

図 2. (a) SCT 法及び(b–d) SiO2–AT 法で合成した Pt1–Fe1 ナノ粒子連結触媒の TEM 像. SiO2–AT における熱処理温度：(b) 500°C, (c)600°C, (d) 700°C

続いて、作製した触媒の酸電解液(0.1 M HClO4 水溶液)
中での電気化学的活性表面積(Electrochemical surface area:
ECSA)と ORR 活性の評価を行った。
図 3 に市販の Pt/C と、
SCT 法と SiO2–AT 法で合成した Pt1–Fe1 ナノ粒子連結触媒の ECSA、ORR 質量活性(Pt 重量あたりの ORR 活性)および表面比活性(Pt 表面積あたりの ORR 活性)の比較を示す。
約 2 nm の Pt ナノ粒子を有する Pt/C に比べ、Pt1–Fe1 ナノ
粒子連結触媒の ECSA は小さいものの、Pt/C よりも 2~3

図 2 に超臨界処理法、または SiO2–AT 法で合成した
Pt1–Fe1 ナノ粒子連結触媒 TEM 像を示す。いずれの処理温度においても、ナノサイズのネットワークで形成された均倍高い ORR 質量活性を示した(図 3A)。これは、いずれのPt1–Fe1 ナノ粒子連結触媒において ORR 表面比活性が Pt/C

一なカプセル構造が観察された。このことから、SiO2–AT法を用いることで、高い規則度とナノサイズのネットワー

よりも 8~10 倍高いことに起因する(図 3B)。本グループの先行研究において 1,3、本触媒の構造的特徴であるカーボン

クを形成することが示され、さらに熱処理温度を調整する

KISTEC研究報告2021

178

【研究開発部】高効率燃料電池開発

ゐ፹ࡣつ๎ᗘࡀ㧗࠸࡯࡝ࠊ㧗࠸άᛶಖᣢ⋡ࢆ♧ࡍࡇ࡜ࡀ☜ᛶࡢྥୖ࡟ᐤ୚ࡍࡿࡇ࡜ࢆぢฟࡋ࡚࠸ࡿࠋECSA / m2 gPt㻙1

(A)

ECSA
Mass activityㄆࡉࢀࡓࠋ༶ࡕࠊ㧗つ๎ᗘࡢ Pt1–Fe1 ࢼࣀ⢏Ꮚ㐃⤖ゐ፹ࡣࠊECSA ࡜ ORR ⾲㠃ẚάᛶ࡟࠾࠸࡚㧗࠸ಖᣢ⋡ࢆ♧ࡍࡓࡵࠊ

0.8

ORR ㉁㔞άᛶࡢಖᣢ⋡ࡶ㧗ࡃࠊ୍୓ࢧ࢖ࢡࣝᚋ࡟࠾࠸࡚
ࡶ Pt/C ࡼࡾࡶ 2~3 ಸ㧗࠸㉁㔞άᛶࢆ♧ࡋࡓ(ᅗ 4b)ࠋ

60

0.6

40

0.4

20

0.2

0

0.0

Pt/C

(a)
SCT

(b)

(c)

Mass activity / A mgPt㻙1

80

1.0

80

(a)
ECSA / m2 gPt㻙1

100

(d)

(b–d) SiO2–AT

60

40

20

0

Specific activity

2.0

1.0

0.0

Pt/C

(a)
SCT

(b)

(c)

2000 4000 6000 8000 10000㈇Ⲵᛂ⟅䝃䜲䜽䝹ᩘ

0.8

(b)

㻙1

(B)

ORR㉁㔞άᛶ / A mgpt

Specific activity / mA cmPt㻙2

0
3.0

Pt/C
Pt-Fe㐃⤖䚸つ๎ᗘ46%
Pt-Fe㐃⤖傎つ๎ᗘ58%
Pt-Fe㐃⤖傎つ๎ᗘ76%

0.6

0.4

0.2

(d)

0.0
0
(b–d) SiO2–AT

2000 4000 6000 8000 10000㈇Ⲵᛂ⟅䝃䜲䜽䝹ᩘᅗ 3. (a) SCT ἲཬࡧ(b–d) SiO2–AT ἲ࡛ྜᡂࡋࡓ Pt1–Fe1 ࢼࣀ⢏Ꮚ㐃⤖ゐ፹ࡢ(A) ECSA ࡜ ORR ㉁㔞άᛶࠊ࠾ࡼࡧ(B) ORR ⾲㠃ẚάᛶḟ࡟ࠊPEFC ࡢᶆ‽ࣉࣟࢺࢥࣝ 7 (60Υࠊ0.1 M HClO4 aq.ࠊ
0.6 V я 1.0 V ࡢ㟁఩ࢧ࢖ࢡࣝ)ࢆ⏝࠸ࡓຍ㏿ຎ໬ヨ㦂࡟ࡼࡗ࡚ࠊゐ፹ࡢ㈇Ⲵᛂ⟅⪏ஂᛶࢆホ౯ࡋࡓࠋࡇࡇ࡛ࡣࠊSCTἲ࡛ྜᡂࡋࡓつ๎ᗘ 46%ࠊSiO2–AT ἲ࡛ྜᡂࡋࡓつ๎ᗘ
58%ࠊ76%ࡢ 3 ✀㢮ࡢ Pt1–Fe1 ࢼࣀ⢏Ꮚ㐃⤖ゐ፹ࢆ⏝࠸ࡓࠋ
ᅗ 4 ࡟㈇Ⲵᛂ⟅ࢧ࢖ࢡࣝᩘ࡟ᑐࡍࡿ ECSAࠊORR ㉁㔞άᛶࠊORR ⾲㠃ẚάᛶࡢኚ໬ࢆ♧ࡍࠋẚ㍑࡜ࡋ࡚ࠊᕷ㈍ Pt/C ࡢ⤖ᯝࡶ♧ࡍࠋ
ᅗ 4a ࡟♧ࡍࡼ࠺࡟ࠊ
Pt/C ࡣึᮇࡢ ECSA ࡀ㧗࠸ࡶࡢࡢࠊ㈇Ⲵᛂ⟅୍୓ࢧ࢖ࢡࣝᚋࡣࠊึᮇࡢ 50%⛬ᗘࡲ࡛ῶᑡࡍࡿࠋ
୍᪉࡛ࠊPt1–Fe1 ࢼࣀ⢏Ꮚ㐃⤖ゐ፹ࡢሙྜࠊࢿࢵࢺ࣮࣡ࢡ

ORR⾲㠃ẚάᛶ㻌/ mA cmPt㻙2

3.5

(c)

3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
0

2000 4000 6000 8000 10000㈇Ⲵᛂ⟅䝃䜲䜽䝹ᩘᅗ 4. つ๎ᗘࡢ␗࡞ࡿ Pt1–Fe1 ࢼࣀ⢏Ꮚ㐃⤖ゐ፹ࡢ㈇Ⲵᛂ⟅⪏ஂᛶ.
60Υࠊ㓟㟁ゎᾮ୰࡛ࡢ㈇Ⲵᛂ⟅ࢧ࢖ࢡࣝ࡟ᑐࡍࡿ(a) ECSA, (b)ORR ㉁㔞άᛶ, (c) ORR ⾲㠃ẚάᛶࡢኚ໬

ᵓ㐀࡛Ᏻᐃ࡛࠶ࡿࡓࡵࠊ㈇Ⲵᛂ⟅୍୓ࢧ࢖ࢡࣝᚋࡶ
70~90%ࡢ㧗࠸ ECSA ಖᣢ⋡ࢆ♧ࡋࡓࠋࡉࡽ࡟ࠊᅗ 4c ࡟♧ᅗ 5 ࡟ࡣࠊ㈇Ⲵᛂ⟅୍୓ࢧ࢖ࢡࣝᚋࡢ ECSA ࡜ ORR άࡍ ORR ⾲㠃ẚάᛶࡢኚ໬ࢆぢࡿ࡜ࠊPt1–Fe1 ࢼࣀ⢏Ꮚ㐃⤖179

KISTEC研究報告2021

【研究開発部】高効率燃料電池開発

図 5 には、負荷応答一万サイクル後の ECSA と ORR 活
性の保持率をまとめている。規則度の低い Pt1–Fe1 ナノ粒
子連結触媒は、負荷応答サイクルに対する活性の ECSA と
ORR 保持率が低く、規則度が高くなるに伴い保持率が高い傾向を示した。

100

50 nm

60
40
20

400

Fe
Pt

300
Counts

0

200

200

100

100

図 5. 規則度の異なる Pt1–Fe1 ナノ粒子連結触媒の負荷応答一万サ

0

イクル後における ECSA および ORR 活性の保持率. (灰色) ECSA,(水色) ORR 質量活性, (オレンジ) ORR 表面比活性の保持率

Fe
Pt

300

Counts

保持率 (%)

80

ECSA
MA
SA

0

5
10
Distance / nm

15

0

0

5 10 15 20
Distance / nm25

図 6. (a) 規則度 46%、または(b) 規則度 76%の Pt1–Fe1 ナノ粒子連結触媒における負荷応答一万サイクル後の触媒構造. (A) TEM 像、(B) STEM 像、(C) EDX ラインマッピング

この活性保持率の違いを調査するために、規則度 46%と76%の触媒に関して、詳細な構造解析を行った。図 6A, 5Bに示す TEM および STEM 像から、規則度に関係なく、負2. 2

荷応答一万サイクル後もナノサイズのネットワークと中空カプセル構造を維持することが分かった。一方で、図6C に示す EDX ラインマッピング測定結果から、規則度の違いにより、触媒内部に保持される Fe の量が大きく異な

本グループでは、従来の超臨界処理法を用いた取り組み
において、ナノサイズのネットワーク形成は金属種に依存ることが確認された。図 6 に示す Pt1–Fe1 ナノ粒子連結触媒の初期は、Pt と同程度の Fe を有している。しかしながすることを確認している。特に、Pt–Fe を含む限られた金属種以外において超臨界処理時にナノ粒子の脱離や凝集ら、規則度の低い触媒では負荷応答一万サイクル後に Feの量が 3 割程度まで減少していた。この Fe の顕著な溶出が容易に起こり、良好なネットワークを形成できなかった。
この問題に対して、SiO2–AT 法は、ネットワーク形成におが触媒の表面構造を変化させ、ORR 表面比活性の大きな低下につながったと考えられる。一方で、規則度の高い触ける熱処理の際、シリカコート層がナノ粒子の脱離や凝集を抑制できる。そこで、シリカコート法の汎用性を実証す媒においては、負荷応答一万サイクル後でも 8 割近い Feを保持しており、原子レベルでの触媒構造の安定性が示さるために、これまで作製できなかった Pt のみを用いた純Pt ナノ粒子連結触媒の合成を行った。
図 7 に SiO2–AT 法(熱れた。以上の結果から、規則度の高い触媒は Fe の溶出を抑えることが分かり、負荷応答答運転に対して高い ORR

処理温度 500℃)で作製した Pt ナノ粒子連結触媒の TEM 像を示す。TEM 像から分かるように、シリカコート法を用

活性を維持するためには高規則化が有効であることが示された。

KISTEC研究報告2021

金属組成の異なる Pt1–Fex ナノ粒子連結触媒の開発いることで、Pt ナノネットワークで構成される中空カプセ
ル構造を形成することに初めて成功した。

180

100 nm

ORR specific activity (mA/cm Pt2)

【研究開発部】高効率燃料電池開発

20 nm

図 7. SiO2–AT 法により作製した純 Pt ナノ粒子連結触媒の TEM 像

4.0
3.0
2.0
1.0
0.0

さらに重要な点として Pt ナノ粒子連結触媒は、Pt/C に比べて約 4 倍高い ORR 表面比活性を示した(図 8)。このことから、Pt ナノ粒子連結触媒と Pt/C の構造的な違いがORR 活性に強く影響することが示唆された。即ち、本グ

図 9. Pt1–Fex (x = 3, 1, 1/3, 0)ナノ粒子連結触媒と市販 Pt/C の ORR
表面比活性の比較

ループの触媒の特徴であるカーボンフリーのネットワー
ク構造は ORR 活性を大きく向上させる重要な要因である
ことを示している。

3. まとめ及び今後の展望
本研究は、図 1c に示す超臨界処理を用いない、より簡
便な合成法である SiO2–AT 法で、高い原子配列規則度を有するカーボンフリーPt1–Fe1 ナノ粒子連結触媒を開発した。
高い規則度により Fe の溶出は抑制され、高い負荷応答耐久性を有することを実証した。さらに、本触媒はカーボンフリーであるため、起動停止耐久性にも優れている。即ち、高い原子配列規則度とカーボンフリー構造を併せ持つ
Pt1–Fe1 ナノ粒子連結触媒は、高い ORR 活性を示すだけでなく、従来の触媒では実現できなかった起動停止と負荷応答の両方の運転モード対して高い耐久性を示す。
さらに、SiO2–AT 法を用いることで、従来の超臨界法では困難であった純 Pt ナノ粒子連結触媒の開発に成功した。
Pt ナノ粒子連結触媒は、
従来の Pt/C よりも約 4 倍高い ORR
表面比活性を示し、カーボンフリーのネットワーク構造はORR 活性の向上に大きく寄与することが示された。また、

図 8.純 Pt ナノ粒子連結触媒と市販 Pt/C の ORR 表面比活性の比較

組成比の異なる Pt1–Fex ナノ粒子連結触媒を開発し、適切な量の Fe と合金化することでさらに 2~3 倍 ORR 活性が向上することを示した。これらの結果は、ORR 触媒の構造を設計する上で非常に有用な知見である。

続いて Fe との合金化の効果を議論するために、SiO2–AT法を用いて金属組成比(Pt1–Fex, x = 3, 1, 1/3)の異なる

さらに、SiO2–AT 法は、ネットワーク形成の際に、表面をシリカ層で覆うため、ナノ粒子の脱離・凝集が抑制され

図 9 に示すように、
Pt1–Fex ナノ粒子連結触媒を作製した。
Pt1–Fex の金属組成は ORR 表面比活性と強く相関があるこ

Pt–Fe 以外の金属種に対してもナノサイズのネットワーク
構造を形成し得る汎用性の高い合成法である。そのため、とが示された。このことから、Pt1–Fex ナノ粒子連結触媒
は、カーボンフリーのネットワーク構造による約 4 倍の活Fe 以外の金属と合金化した Pt 合金ナノ粒子連結触媒の開発も可能となる。今後、KISTEC での事業で培った知見や性向上に加えて、適切な量の Fe との合金化でさらに 2~3倍活性が向上し、Pt/C よりも約 10 倍高い、優れた ORR 活

技術を発展させることで、次世代 PEFC でのナノ粒子連結
触媒の実用化が期待される。

性を発現することが示された。

181

KISTEC研究報告2021

【研究開発部】高効率燃料電池開発【参考文献】
1.

T. Tamaki, H. Kuroki, S. Ogura, T. Fuchigami, Y.
Kitamoto, and T. Yamaguchi, “Connected nanoparticle
catalysts possessing a porous, hollow capsule structure ascarbon-free electrocatalysts for oxygen reduction inpolymer electrolyte fuel cells”, Energy & Environmental

2.

Science, 2015, 8, 3545–3549.
H. Kuroki, T. Tamaki, and T. Yamaguchi, “Nanostructural
Control and Performance Analysis of Carbon-free Catalyst
Layers using Nanoparticle-connected Hollow Capsules for
PEFCs”, Journal of The Electrochemical Society, 2016,
163(8), F927–F932.

3.

H. Kuroki, T. Tamaki, M. Matsumoto, M. Arao, Y.
Takahashi, H. Imai, Y. Yoshitaka, and T. Yamaguchi,“Refined Structural Analysis of Connected Platinum–Iron
Nanoparticle Catalysts with Enhanced Oxygen Reduction
Activity”, ACS Applied Energy Materials, 2018, 1(2),324–330.

4.

山口 猛央, 小倉 俊, 田巻 孝敬, 渕上 輝顕, 北本 仁
孝, 黒木 秀記, “ガス拡散電極用触媒層、その製造方
法、膜電極接合体および燃料電池”, 特許第 6086497
号. 2017-2-10.

5.

T. Yamaguchi, S. Ogura, T. Tamaki, T. Fuchigami, Y.
Kitamoto, H. Kuroki, “Catalyst Layer For Gas Diffusion
Electrode, Method For Manufacturing The Same,
Membrane Electrode Assembly, And Fuel Cell”, U.S.

6.

Patent, US9799894B2. 2017-10-24.
H. Kuroki, Y. Imura, R. Fujita, T. Tamaki, and T.
Yamaguchi, “Carbon-free Platinum–Iron Nanonetworks
with Chemically Ordered Structures as Durable Oxygen
Reduction Electrocatalysts for Polymer Electrolyte Fuel
Cells”, ACS Applied Nano Materials, 2020, 3(10),7.

9912–9923.
New Energy and Industrial Technology Development
Organization (NEDO), “Cell Evaluation and Analysis
Protocol Guideline”, 2012.

KISTEC研究報告2021

182

【研究開発部】高効率燃料電池開発

酸高密度型細孔フィリング薄膜の開発
大柴 雄平、戸松 仁、株式会社日産アーク、山口 猛央

1.

この研究成果を活かし、本グループでは、図 2 に示す酸

はじめに

高密度構造を持つ高 IEC(Ion exchange capacity: IEC)細孔フ
ィリング薄膜を開発し、高温低湿度環境で高いプロトン伝

近年注目を集める燃料電池は、高効率・低環境負荷型の次世代発電システムとして非常に期待されている分野である。とりわけ、固体高分子形燃料電池(Polymer electrolyte

導性を示すことに成功した 6。この膜は、高い機械強度を有する超高分子量ポリエチレン多孔質基材細孔内に、高い

fuel cell: PEFC)は、他の燃料電池システムと比較しても、出力密度が高いことや室温付近での発電が可能であるこスルホン酸基密度(高 IEC)のパーフルオロスルホン酸(polyperfluorosulfonic acid: PFSA)ポリマーを充填した膜厚とから、定置用・移動用などの電源として、活発に研究開発が進められている。その中で PEFC 用の電解質材料（電7 µm の非常に薄い電解質膜である。

解質膜、触媒層アイオノマー）は、発電性能や発電環境を左右する重要な中枢部材の一つである。広い湿度および温度範囲で高いプロトン伝導性を発現する電解質材料の開発が、この分野のブレイクスルーに必要不可欠である。
従来の電解質材料では、水を介したプロトン伝導が主であるため、水の少ない低湿度環境では著しくプロトン伝導性が低下する。この問題に対して、本グループは、スルホン酸基が高密度に密集した構造(酸高密度構造)を持つ電解質材料において、低湿度環境でもプロトンを高速に伝導する現象(Packed acid mechanism, 図 1)を実験と量子化学計算

図 2. ポリエチレン多孔質基材に高 IEC の PFSA ポリマーを充填の双方から明らかにしてきた 1–5。この現象は、酸高密度構造により、プロトン移動と再配向がそれぞれ起こりやすした高 IEC 細孔フィリング薄膜の模式図.

い距離が形成され、水が大きく運動しなくても、プロトンが連続的に移動し得る。

図 3 に市販の低 IEC キャスト膜(Nafion 211)、高 IEC キ
ャスト膜、高 IEC 細孔フィリング薄膜の湿潤時の面積変化率(図 3a)と 80℃でのプロトン伝導性の湿度依存性(図 3b)を示す。図 3 に結果から分かるように、市販の低 IEC キャ
スト膜(Nafion 211)では、低湿度下で低いプロトン伝導性を示す。一方で、高 IEC キャスト膜の場合、低湿度で高いプ
ロトン伝導性を示すものの、水に対して極度に膨潤するため、燃料電池への応用が困難である。本グループの細孔フィリング薄膜は、機械強度の高い基材で電解質ポリマーの膨潤を抑えるため、湿潤時でもほぼ膨潤しない(面積変化率が小さい, 図 3a)。さらに、高いスルホン酸基酸密を有するため、高温低湿度においても優れたプロトン伝導性(図 3b)を示す。このように、多孔質基材の微小な細孔空間
内へ電解質ポリマーを充填する細孔フィリング法は、酸高密度構造の構築や膨潤抑制の観点から非常に有用なアプ
ローチである 7–10。

図 1. ホ ッ ピ ン グ に よ る プ ロ ト ン 伝 導 機 構 (Packed acidmechanism)183

KISTEC研究報告2021

【研究開発部】高効率燃料電池開発

グ薄膜の 80℃でのプロトン伝導性を示す。興味深いことに、同じ材料を用いたにも関わらず、充填溶媒の違いによって、異なるプロトン伝導性が示し、水/エタノール混合
溶媒を用いた膜が高い伝導性を示した。特に、低湿度での伝導性の差が顕著である。図 4b に示すように、40% RHの低湿度において、DMF 溶媒よりも水/エタノール混合溶媒を用いた方がプロトン伝導における活性化エネルギーは低い値を示した。すなわち、水/エタノール混合溶媒を用いた細孔フィリング薄膜は低湿度で、よりプロトンを伝導しやすいことが示唆された。既往の文献において、PFSA
ポリマーは溶媒中で異なるモルフォロジー(シリンダー型、凝集型など)を取ることが報告されている 11 。このことから、充填する際の溶媒は、細孔内のポリマー構造（酸高密度構造）、延いてはプロトン伝導性に強く影響を及ぼすと推測された。

プロトン伝導性 (S cm-1)1

図 3. 市販の低 IEC ナフィオン膜、高 IEC キャスト膜、高 IEC 細孔フィリング薄膜の(a) 湿潤時の面積変化率と(b) 80℃でのプロ

H2O/EtOH

DMF
40

60
80
相対湿度 (%)

100

造制御およびプロトン伝導チャネル構造の解析を行った。
高温低湿度環境下での高速プロトン伝導に必要な構造因子を明確にすることで、膜のさらなる高性能化へフィード
バックできる。

2. 実験、結果及び考察
高 IEC 細孔フィリング薄膜の作製条件の検討

高 IEC 細孔フィリング薄膜の作製は、高 IEC の PFSA ポ

活性化エネルギー (kJ m ol-1 )25本実用化実証事業では、高 IEC 細孔フィリング薄膜の構20

H2O/EtOH
DMF

15
10
5
0

リマーの溶液を膜厚 6 µm のポリエチレン多孔質基材上に滴下し、徐々に乾燥させることで、細孔内部までポリマー90% RH
40% RH
相対湿度

図 4. 異なる溶媒(H2O/EtOH または DMF)を用いて作製した高 IECを充填させる。そこで、本研究は、PFSA ポリマーを多孔質基材に充填する条件を検討し、膜作製条件がプロトン伝細孔フィリング薄膜の(a) 80℃でのプロトン伝導性と(b) 90% RH,
40% RH での活性化エネルギー導性に与える影響を調査した。
まず、異なる溶媒に溶解させた高 IEC の PFSA ポリマー溶液を用い、細孔フィリング薄膜の作製を行った。ここでは、溶媒として、水/エタノール混合溶媒(H2O:EtOH = 2/1

続いて、水/エタノール混合溶媒を用いて、PFSA ポリマ
ーを充填する際の乾燥温度(20, 60, 100°C)を変化させて高重量比)と N,N-ジメチルホルムアミド(DMF)を用い、20°Cで乾燥させ、PFSA ポリマーを多孔質基材細孔内に充填さIEC 細孔フィリング薄膜を作製した。その結果、図 5 に示
すように、より低温の乾燥温度でポリマーを充填させた細せた。図 4a に異なる溶媒で作製した高 IEC 細孔フィリン

KISTEC研究報告2021

0.01

0.001
20

トン伝導性の湿度依存性

2. 1.

0.1

184

【研究開発部】高効率燃料電池開発

孔フィリング薄膜が高いプロトン伝導性を示した。このこ

プロトン伝導を担うスルホン酸基に由来する。TEM-EDXとから、高温での急速な乾燥では細孔内でプロトン伝導パスが十分に形成されず、低温で緩やかに乾燥させると連続の結果から、基材細孔内部にスルホン酸基が集合した構造(S 元素が濃い部分)が観察され、充填ポリマーはチャネル的なプロトン伝導パスが発達しやすい可能性が示唆された。

構造を形成することが示唆された。この様に、高 IEC 細孔
フィリング薄膜内部のミクロ構造を解析することに初めて成功した。

プロトン伝導性 (S cm-1)

1

0.1

20 ℃
60 ℃
100 ℃

3. まとめ及び今後の展望
本研究は、高 IEC の PFSA ポリマーを膜厚 6 µm のポリ
エチレン多孔質基材に充填した高 IEC 細孔フィリング薄膜において、その作製条件(充填時の溶媒や乾燥温度)がプ
ロトン伝導性に大きく影響することを見出した。さらに、
日産アークとの共同研究において、高 IEC 細孔フィリング

0.01

0.001
20

薄膜は、細孔内部にプロトン伝導チャネル構造(酸高密度構造)を有することを明らかにした。

40

60
80
相対湿度 (%)

本研究は、高 IEC 細孔フィリング薄膜の詳細な構造解析を引き続き進めており、細孔内のプロトン伝導チャネル構100

図 5. 異なる乾燥温度(20, 60, 100 °C)で作製した高 IEC 細孔フィリ造とプロトン伝導性の関係性を明らかにすることで、細孔フィリング薄膜のさらなる高性能化にフィードバックさ

ング薄膜の 80℃でのプロトン伝導性せる。

以上の結果から、高 IEC 細孔フィリング薄膜のプロトン【参考文献】

伝導性は、同じ材料を用いたとしても、その作製条件に大きく影響されることを見出した。プロトン伝導性の違いは

1.

細孔内部のプロトン伝導チャネル構造（酸高密度構造）が異なるためと考えられる。そこで、本研究では、日産アー-sulfonated polyether sulfone nanohybrid electrolyte forlow humidity, wide temperature PEMFC operation”,

クと共同で、高 IEC 細孔フィリング薄膜の詳細な構造解析
を行った。

2. 2.

G. M. Anilkumar, S. Nakazawa, T. Okubo, and T.
Yamaguchi, “Proton conducting phosphated zirconia

2.

Electrochemical Communications, 2006, 8, 133–136.
T. Ogawa, T. Aonuma, T. Tamaki, H. Ohashi, H.
Ushiyama, K. Yamashita, and T. Yamaguchi, “The proton
conduction mechanism in a material consisting of packed

高 IEC 細孔フィリング薄膜の構造解析

市販ナフィオン膜に代表される PFSA キャスト膜はスル3.

ホン酸基が集合したチャネル構造を有しており、そのチャネル構造を介してプロトンを伝導することが知られていYamaguchi,“Differentiating
Grotthuss
ProtonConduction Mechanisms by Nuclear Magnetic Resonanceる。しかしながら、高 IEC 細孔フィリング薄膜に関しては、
ポリエチレン多孔質基材のミクロな細孔内部に充填されたポリマー構造はこれまで不明であった。
そこで本研究は、日産アークとの共同研究で、クライオ

acids”, Chemical Science, 2014, 5, 4878–4887.
T. Ogawa, K. Kamiguchi, T. Tamaki, H. Imai and T.

Spectroscopic Analysis of Frozen Samples”, Analytical
Chemistry, 2014, 86(19), 9362–9366.
4.

プラズマ集束イオンビーム(Cyro-PFIB)を用いて、冷却下で高 IEC 細孔フィリング薄膜の薄い切片を作製し、膜内部のT. Ogawa, T. Tamaki, and T. Yamaguchi, “Proton
Conductivity of Organic–Inorganic Electrolyte for
Polymer Electrolyte Fuel Cell”, Chemistry Letters, 2017,46, 204–206.

ナノ構造を TEM-EDX 測定から観察した。高 IEC 細孔フィリング薄膜は、
高 IEC の PFSA ポリマーの溶液(溶媒には、

5.

水/エタノール混合溶媒(H2O:EtOH = 2/1 重量比)を使用)を
膜厚 6 µm のポリエチレン多孔質基材上に滴下し、徐々に

T. Ogawa, H. Ohashi, T. Tamaki, and T. Yamaguchi,“Proton Diffusion Facilitated by Indirect Interactions
Between Proton Donors Through Several Hydrogen
Bonds”, Chemical Physics Letters, 2019, 731, 136627.

乾燥させることで、細孔内部までポリマーを充填させることで作製した。

6.

EDX マッピングから内部に充填した高 IEC の PFSA ポ
リマー由来の F, S 元素の分布が観察された。
F 元素は PFSA

Y. Oshiba, J. Tomatsu, and T. Yamaguchi, “Thinpore-filling membrane with highly packed-acid structure
for high temperature and low humidity operating polymer
electrolyte fuel cells”, Journal of Power Sources, 2018,

ポリマーの主鎖骨格に由来し、S 元素は PFSA ポリマーの394, 67–73.

185

KISTEC研究報告2021

【研究開発部】高効率燃料電池開発

7.

T. Yamaguchi, S. Nakao, and S. Kimura, “Plasma-graft
filling polymerization: preparation of a new type of
pervaporation membrane for organic liquid mixtures”,

8.

Macromolecules, 1991, 24, 5522–5527.
T. Yamaguchi, F. Miyata, and S. Nakao, “Polymer
electrolyte membranes with pore-filling structure for a
direct methanol fuel cell”, Advanced Materials, 2003, 15,9.

1198–1201.
T. Yamaguchi, Z. Hua, T. Nakazawa, and N. Hara, “AnExtremely Low Methanol Crossover and Highly Durable
Aromatic Pore-Filling Electrolyte Membrane for Direct
Methanol Fuel Cells”, Advanced Materials, 2007, 19,
592–596.

10.

N. Hara, H. Ohashi, T. Ito, and T. Yamaguchi, “Rapid
proton conduction through unfreezable and bound waterin a wholly aromatic pore-filling electrolyte membrane”,
The Journal of Physical Chemistry B, 113, 2009,11.

4656–4663.
C. Ma, T. Yu, H. Lin, Y. Huang, Y. Chen, U. Jeng, Y. Lai,and Y. Sun, “Morphology and properties of Nafion
membranes prepared by solution casting”, Polymer, 2009,
50, 1764–1777.

KISTEC研究報告2021186

【研究開発部】高効率燃料電池開発

酸高密度構造型細孔フィリング薄膜を用いた
高温低湿度対応膜電極接合体の開発
大柴 雄平、戸松 仁、小坂 恵夢、山口 猛央

1. はじめにを示しており、相対湿度の依存性が小さい。一方で、市販

本グループでは、前項で示したように、高温・低湿度環境下で優れたプロトン輸送特性を示す高 IEC 細孔フィリ膜においては、湿度が下がるに従い、顕著な性能低下が確認された(図 2a)。

ング薄膜の開発に成功している 1。PEFC においては水管理が重要であり、幅広い湿度および低温から 100℃までの(a)

幅広い温度での効率的な運転が可能となれば、システムが簡便となり、信頼性向上、低コスト化だけでなく、総合効率も向上する。本グループで開発した高 IEC 細孔フィリン
グ薄膜は、高い膨潤抑制能と高温低湿度での高いプロトン伝導性を両立する膜であり、さらに薄膜化も達成している。
電解質膜の薄膜化は、膜電極接合体(Membrane–electrodeassembly: MEA)での運転において非常に重要な要素である。PEFC の高温・低湿度運転を行う際、電解質膜の薄膜化は、拡散距離が短くなることからアノード・カソード間の水透過を促進し、MEA 全体での湿度管理を容易にする。
さらに薄膜化はイオン伝導抵抗の低減にもつながる。
本グループは、有望シーズ展開事業において、高 IEC 細(b)

孔フィリング薄膜(膜厚 7 μm)を組み込んだ MEA(図 1)の開発にも取り組んできた 1。

図 2. (a) 低 IEC 市販膜、(b) 高 IEC 細孔フィリング薄膜を用いた
MEA の高温低湿度運転での燃料電池発電性能. 運転条件：80℃,
20~60% RH
図 1. 酸高密度型高 IEC 細孔フィリング薄膜を用いた膜電極接合
体(MEA)の模式図

更なる高温運転での発電試験結果を図 3a, b に示す。ここでは、ガス入口湿度を 30% RH で一定とし、セル温度を80~100℃と変化させた。90℃、100℃の高温運転においても、高 IEC 細孔フィリング薄膜を用いた MEA(図 3a)は、

図 2a, b にセル温度 80℃、アノード側に H2、カソード側に O2 を供給し、ガス入口湿度を変化させた発電試験結果(IV カーブ)を示す。比較として、市販ナフィオン膜(Nafion

市販膜(図 3b)よりも高い電池性能を示した。高 IEC 細孔フィリング薄膜を用いることで、100℃、30% RH の高温低

211、膜厚 25 μm)を用いた結果も示す。図 2b から、細孔
フィリング薄膜を用いた場合、アノード、カソード共に相湿度運転において出力密度は 1 W cm−2 に達した。この様に、高 IEC 細孔フィリング薄膜を用いた MEA は、従来の対湿度 20%, 30%の低湿度環境においても、高い発電性能

187

KISTEC研究報告2021

【研究開発部】高効率燃料電池開発

膜では実現できなかった高温低湿運転での高い発電性能た。そこで、本研究は、MEA 内部の水移動に着目して、を発現することに成功した。

IR 損低減の要因を調査した。
高温低湿度で電流を印加し、アノードおよびカソード出口の湿度を精密露点計で評価したところ、細孔フィリング薄膜を用いた MEA では、アノードとカソードの湿度は同程度であり、MEA 全体でバ(a)

ランスのとれた湿度であることが確認された。一方で、膜厚の厚いナフィオン膜においては、アノード側で低い湿度を示した。カソード側では反応により水が生成する。細孔
フィリング薄膜の場合、ナフィオン膜よりも薄膜であるため、高い水透過度を示す。つまり、細孔フィリング薄膜を用いた MEA では、カソードでの生成水によって、MEA
全体で高い湿度を維持し、膜 IR 損の低減につながったと示唆された。このことから、細孔フィリング薄膜を用いた
MEA における高温低湿度運転での高い発電性能は、薄膜化による水透過の促進が要因の一つであることが明らか
となった。

(b)

(a)

図 3. (a) 低 IEC 市販膜、(b) 高 IEC 細孔フィリング薄膜を用いた
MEA の高温 低湿度 運転で の燃料 電池発 電性能 . 運 転条 件：
80~100℃, 30% RH.

そこで、本実用化実証事業では、高温低湿運転での高い発電性能の要因を詳細に探るために、MEA 内部の水移動(b)に着目した評価・解析を行った。さらに、高 IEC 細孔フィリング薄膜の実用化に向けて、MEA 実作動環境下での高IEC 細孔フィリング薄膜の耐久性評価および劣化メカニ
ズムの解明に取り組んだ 2。

2. 実験、結果及び考察
2. 1.

高 IEC 細孔フィリング薄膜を用いた MEA の高温低湿度運転

図 2, 3 で示した高温低湿度運転での高い発電性能の要因を調査するために、電流遮断法から求めた膜 IR 損を比

図 4. (●) 高 IEC 細孔フィリング薄膜、(●) 市販ナフィオン膜

較すると、高 IEC 細孔フィリング薄膜を用いた MEA では、
市販ナフィオン膜の MEA よりも顕著に IR 損が小さいことが確認された(図 4)。この IR 損の低減が高温低湿度運転での電池性能の向上につながったと示唆された。また、ナさらに、膜を透過する水素クロスオーバー量(膜を通っフィオン膜の場合、電流密度に対して、線形に IR 損が増加するのに対して、細孔フィリング薄膜の場合は、電流密てアノードからカソードに透過する水素の量)を MEA での電気化学測定から評価した。市販ナフィオン膜(膜厚 25

度が高くなると IR 損の増加が小さくなる傾向が観察され

KISTEC研究報告2021(Nafion 211)を用いた MEA の高温低湿運転における膜 IR 損. 運転
条件: (a) 80℃, 20% RH, (b) 100℃, 30% RH

188

【研究開発部】高効率燃料電池開発μm)ࡲࡓࡣప EW ⣽Ꮝࣇ࢕ࣜࣥࢢⷧ⭷(⭷ཌ 7 μm)ࢆ⏝࠸
ࡓ MEA ࡢỈ⣲ࢡࣟࢫ࣮࢜ࣂ࣮㟁ὶ್ࡢ┦ᑐ‵ᗘ౫Ꮡᛶࢆ

1.0⭷ࡢ 1/4 ࡯࡝࡛࠶ࡿ࡟ࡶ㛵ࢃࡽࡎࠊᕷ㈍⭷࡜ྠ⛬ᗘࡢỈ⣲ࢡࣟࢫ࣮࢜ࣂ࣮㔞ࢆ♧ࡋࡓࠋࡇࢀࡣࠊ⣽Ꮝࣇ࢕ࣜࣥࢢⷧ⭷0.8

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ࣂ࣮㔞ࢆపῶࡋࡓ࡜⪃࠼ࡽࢀࡿࠋ

0.6
0.4

(a)

0.2
0.0

0

10

Pore-filling
Nafion 211
20 30 40ಖᣢ᫬㛫(h)

50

60

50

60

ᅗ 5. (●) 㧗 IEC ⣽Ꮝࣇ࢕ࣜࣥࢢⷧ⭷ࠊ(●) ᕷ㈍ࢼࣇ࢕࢜ࣥ⭷(Nafion 211)ࢆ⏝࠸ࡓ MEA ࡟࠾ࡅࡿỈ⣲ࢡࣟࢫ࣮࢜ࣂ࣮㟁ὶᐦᗘ.

Pore-filling
Nafion 211

50
40

2

(mA cm )Ỉ⣲ࢡࣟࢫ࣮࢜ࣂ࣮㟁ὶᐦᗘ

60

30
20

(b)
10
0

㐠㌿᮲௳: 80Υ, 30~100% RH

010

20 30 40ಖᣢ᫬㛫(h)ᅗ 6. (●) 㧗 IEC ⣽Ꮝࣇ࢕ࣜࣥࢢⷧ⭷ཬࡧ(■) ప IEC ᕷ㈍⭷ࢆ⏝࠸  㧗 IEC ⣽Ꮝࣇ࢕ࣜࣥࢢⷧ⭷ࢆ⏝࠸ࡓ MEA ࡢ⪏ஂᛶホ౯

ࡓ MEA ࡢ OCV ಖᣢ⪏ஂᛶ. (a, b) 110°C, 30% RH ࡛ࡢ OCV ಖᣢ
ヨ㦂࡟࠾ࡅࡿ(a) OCV ࡜(b) Ỉ⣲ࢡࣟࢫ࣮࢜ࣂ࣮㟁ὶᐦᗘࡢ᫬㛫 ᮏ◊✲࡛ࡣࠊᐇ⏝໬ࢆぢᤣ࠼࡚ࠊ㧗 ప‵ᗘ㐠㌿࡟࠾ࡅࡿ㧗 IEC ⣽Ꮝࣇ࢕ࣜࣥࢢⷧ⭷ࡢ⪏ஂᛶࢆホ౯ࡋࡓࠋࡇࡇ࡛

ኚ໬ࡣࠊ⭷ࡢ໬Ꮫⓗ⪏ஂᛶࢆホ౯ࡍࡿຍ㏿ヨ㦂࡜ࡋ࡚ࠊ㛤ᅇ㊰㟁ᅽ(Open circuit voltage: OCV)ಖᣢヨ㦂ࢆ⾜ࡗࡓࠋOCV ಖ

Pore-filling, anodePore-filling, cathode
Nafion 211, anode
Nafion 211, cathodeᣢヨ㦂ࡢᶆ‽ࣉࣟࢺࢥࣝ 3 ࡣࠊ90°Cࠊ30% RH ࡛࠶ࡿࡀࠊ
ᮏ◊✲࡛ࡣ 100°C ௨ୖࡢ㧗 㐠㌿ࢆᣦྥࡋࠊࡼࡾ㐣㓞࡞ࣇࢵ໬≀࢖࢜ࣥ᤼ฟ㏿ᗘ (mg h㻙1 m㻙2)

110°Cࠊ30% RH ࡢ᮲௳࡛ OCV ಖᣢヨ㦂ࢆ⾜ࡗࡓࠋᅗ 6a ࡟♧ࡍࡼ࠺࡟ࠊ㧗 IEC ⣽Ꮝࣇ࢕ࣜࣥࢢⷧ⭷(⭷ཌ 9µm)ࡣࠊᕷ㈍ࢼࣇ࢕࢜ࣥ⭷(⭷ཌ 25 µm)ࡼࡾࡶⷧ⭷࡛࠶ࡿ࡟ࡶ㛵ࢃࡽࡎࠊྠ⛬ᗘࡢ OCV ಖᣢᛶ⬟ࢆ♧ࡋࡓࠋࡲࡓࠊ
⭷ࢆ௓ࡋ࡚࢔ࣀ࣮ࢻ࠿ࡽ࢝ࢯ࣮ࢻ࡟㏱㐣ࡍࡿỈ⣲ࢡࣟࢫ࣮࢜ࣂ࣮㔞(Ỉ⣲ࢡࣟࢫ࣮࢜ࣂ࣮㟁ὶᐦᗘ)࡟࠾࠸࡚ࡶࠊྠ
⛬ᗘࡢಖᣢ᫬㛫࡛ࢡࣟࢫ࣮࢜ࣂ࣮㔞ࡢቑຍࡀ☜ㄆࡉࢀࡓ(ᅗ 6b)ࠋ
ࡉࡽ࡟ࠊ࢔ࣀ࣮ࢻࠊ࢝ࢯ࣮ࢻฟཱྀഃࡢ᤼ฟỈ࡟ྵࡲࢀࡿ
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ࣥ᤼ฟ㏿ᗘࢆ♧ࡋ࡚࠾ࡾࠊ⭷ࡢⴭࡋ࠸໬Ꮫⓗຎ໬ࡀ♧၀ࡉࢀࡓࠋ୍᪉࡛ࠊ⣽Ꮝࣇ࢕ࣜࣥࢢⷧ⭷࡛ࡣࠊ㠀ᖖ࡟ప࠸ࣇࢵ
໬≀࢖࢜ࣥ᤼ฟ㏿ᗘࢆ♧ࡋࡓࠋ

100
80
60
40
20
0
0

10

20 30 40ಖᣢ᫬㛫 (h)5060

ᅗ 7. (●) 㧗 IEC ⣽Ꮝࣇ࢕ࣜࣥࢢⷧ⭷࠾ࡼࡧ㸦■㸧ᕷ㈍ࢼࣇ࢕࢜ࣥ
⭷ࢆ⏝࠸ࡓ MEA ࡢ OCV ಖᣢヨ㦂࡟࠾ࡅࡿࣇࢵ໬≀࢖࢜ࣥ᤼ฟ㏿ᗘࡢ᫬㛫ኚ໬

189

KISTEC研究報告2021

【研究開発部】高効率燃料電池開発

続いて、OCV 保持試験前後の膜構造の解析を行い、膜劣化機構を議論した。
図 8a の膜断面 SEM 像で示すように、初期のナフィオン膜は 29 μm の膜厚を有する。一方で、
OCV 保持試験後の MEA 断面 SEM 像(図 8b)から、膜厚は約 6 μm まで大きく減少することが分かった。市販ナフィオン膜を用いた MEA では、既往の文献 4 においても OCV
保持後に膜厚が減少することが報告されている。これは、OCV 保持試験中に生成するラジカル種により膜が化学的に劣化することに起因する。ナフィオン膜の化学的劣化は、膜の分解生成物に由来するフッ化物イオンの排出速度が大きいことからも示唆されている。

図 9. (a, b) 高 IEC 細孔フィリング薄膜の断面 SEM 像と F 元素マッピング、(c, d) 110℃、30% RH での OCV 保持試験後における高IEC 細孔フィリング薄膜を用いた MEA の断面 SEM 像と F 元素マッピング

3. まとめ及び今後の展望

図 8.

本研究は、高 IEC 細孔フィリング薄膜を組み込んだ
MEA に関して、水移動に着目した調査を行い、薄膜化に(a) 市販ナフィオン膜の断面 SEM 像、(b) 110℃、30% RH

よる高い水透過度が MEA 全体での適切な湿度管理を実現
し、高温低湿度運転での高い発電性能につながったことをでの OCV 保持試験後におけるナフィオン膜を用いた MEA の断面
SEM 像

明らかにした。さらに、高 IEC 細孔フィリング薄膜は市販膜より薄いにも関わらず、同程度の水素クロスオーバー量
であり、ガス透過阻止性に優れた膜であることも確認された。

一方で、細孔フィリング薄膜においては、図 9a, c に示
すように、OCV 保持試験後も膜厚が保持されていること

加えて、細孔フィリング薄膜を用いた MEA は、市販のナフィオン膜よりも薄いにも関わらず、同程度の OCV 保が確認された。さらに、OCV 保持試験中のフッ素放出量も極めて少なかった。これは、図 9b, d に示す膜の F 元素

持性能を有する化学的耐久性に優れた膜であることを実証した。細孔フィリング薄膜において高い化学耐久性を示

マッピングからもサポートされており、細孔フィリング薄膜においては OCV 試験後の PFSA ポリマーに起因する F

すのは、化学的に強い超高分子量ポリエチレン多孔基材を用いたためと考えられる。

の漏出は僅かであった。細孔フィリング膜は、基材による高い膨潤抑制能が燃料の透過を抑制する 1,5,6。このことか

高 IEC 細孔フィリング薄膜を用いた MEA は、従来の膜では実現できなかった 100℃、低湿度での高い電池性能を

ら、劣化を引き起こすラジカル種も同様に、細孔フィリン
グ膜の内部への拡散は抑制され、内部に充填された PFSA

実現している。100℃以上の高温運転は水の潜熱を回収できるため、発電効率の向上につながる重要な結果である。

ポリマーの劣化が抑えられたと考えられる。この様に、従来のナフィオン膜と細孔フィリング薄膜は、MEA 運転

さらに、細孔フィリング薄膜は高い膨潤抑制能と高いプロ
トン伝導性に加え、薄膜であるにも関わらず、ガス透過阻(OCV 保持)時に異なるメカニズムで劣化することが示唆された。

止性も高いことが分かった。このことから、高 IEC 細孔フィリング薄膜は、燃料電池電解質膜の必要性能を満たしており、次世代 PEFC に対して非常に有望な膜であることが示された。

KISTEC研究報告2021190

【研究開発部】高効率燃料電池開発【参考文献】
1.

Y. Oshiba, J. Tomatsu, and T. Yamaguchi, “Thinpore-filling membrane with highly packed-acid structure
for high temperature and low humidity operating polymer
electrolyte fuel cells”, Journal of Power Sources, 2018,
394, 67–73.

2.

Y. Oshiba, M. Kosaka, and T. Yamaguchi, “Chemical
Durability of Thin Pore-filling Membrane in Open-circuit
Voltage Hold Test”, International Journal of Hydrogen
Energy, 2019, 44(54), 28996–29001.

3.

4.

New Energy and Industrial Technology Development
Organization (NEDO), “Cell Evaluation and Analysis
Protocol Guideline”, 2012.
W. Liu and M. Crum, “Effective Testing Matrix for
Studying Membrane Durability in PEM Fuel Cells: Part I.
Chemical Durability”, ECS Transactions, 2006, 3(1),5.

531–540.
T. Yamaguchi, Z. Hua, T. Nakazawa, and N. Hara, “AnExtremely Low Methanol Crossover and Highly Durable
Aromatic Pore-Filling Electrolyte Membrane for Direct
Methanol Fuel Cells”, Advanced Materials, 2007, 19,
592–596.

6.

H. Jung, H. Ohashi, T. Tamaki, and, T. Yamaguchi,“Improvement in Thermal Stability of Anion-exchange
Membranes for Fuel Cell Applications by Controlling
Water State”, Chemistry Letters, 2013, 42(1), 14–16.

191

KISTEC研究報告2021

【研究開発部】高効率燃料電池開発

業 績【原著論文】
1.

料電池のシステム的な設計および開発」
燃料電池開発情報センター(FCDIC)、研究会「燃料電Hidenori Kuroki, Yu Imura, Ryosuke Fujita, Takanori
Tamaki, and Takeo Yamaguchi

池・水素技術の基礎と応用」、オンライン開催、2020
年 10 月 14 日

“Carbon-free
Platinum–Iron
Nanonetworks
withChemically Ordered Structures as Durable Oxygen（一般講演）

Reduction Electrocatalysts for Polymer Electrolyte Fuel
Cells”

・国際学会

ACS Applied Nano Materials, 3(10), 9912–9923 (2020).
DOI: 10.1021/acsanm.0c01962
2.

1.

“Carbon-Free Connected Platinum–Iron Catalysts with
Enhanced Chemically Ordered Structures as Durable

Roby Soni, Shoji Miyanishi, Hidenori Kuroki, and Takeo
Yamaguchi“Pure Water Solid Alkaline Water Electrolyzer Using

Oxygen Reduction Electrocatalysts for PEFCs”
PRiME 2020, Digital meeting, October 4–9 (2020).

Fully
AromaticandHigh-Molecular-Weight
Poly-(fluorene-alt-tetrafluorophenylene)-Trimethyl

2.

Ammonium Anion Exchange Membranes and Ionomers”,
ACS Applied Energy Materials, in press, (2021).

polymer-electrolyte water electrolysis”
PRiME 2020, Digital meeting, October 4–9 (2020).

【総説】
3.

田巻孝敬、山口猛央「高性能・高耐久な担体フリー・ナノ粒子連結触媒
燃料電池・水電解への展開-」-

their chemical durability for polymer electrolyte fuel cells”
ICOM 2020, Digital meeting, December 9 (2020).

黒木秀記「固体高分子形燃料電池におけるナノ構造体触媒の

・国内学会

研究動向」
化学工学会誌, 84(11), 598 (2020).
3.

1.

黒木秀記、田巻孝敬、山口猛央

化学工学会第 51 回秋季大会、オンライン開催、2020
年 9 月 24 日

鉱山, 73(9), 20–31 (2020).

2.

化学工学会第 51 回秋季大会、オンライン開催、2020
年 9 月 24 日

（招待・依頼講演）
・国内学会
山口猛央

3.

「水素・燃料電池・水電解技術の未来と金属ナノ粒子を連結した担体を用いない電気化学触媒」

黒木秀記、井村悠、藤田遼介、田巻孝敬、山口猛央「PEFC 用高耐久酸素還元触媒のための超格子 Pt-Fe
ナノ粒子連結触媒の開発」

日本鉱業協会、新材料部会研究会 2020 年度第１回講演会、オンライン開催、2020 年 9 月 29 日

化学工学会第 51 回秋季大会、オンライン開催、2020
年 9 月 25 日

山口猛央

4.

「水素・燃料電池技術の必要性と高性能・高耐久燃KISTEC研究報告2021

大平啓志郎、黒木秀記、大柴雄平、山口猛央「固体高分子形燃料電池の高電圧運転に向けた水による白金酸化挙動の評価」【口頭発表】

2.

Liao Qiancheng、黒木秀記、田巻孝敬、山口猛央「Structural Control of Connected Pt-Co Catalysts forEnhanced Oxygen Reduction Performances」「水素・燃料電池・水電解技術の未来とナノ粒子を連結した担体フリー電気化学触媒」

1.

Yuhei Oshiba, Jin Tomatsu, Meguru Kosaka, and Takeo
Yamaguchi“Thin pore-filling polymer electrolyte membranes andクリーンエネルギー, 29(5), 6–9 (2020).
2.

Yoshiyuki Sugita, Takanori Tamaki, Hidenori Kuroki, andTakeo Yamaguchi“Carbon-free connected Ir-Ru nanoparticle catalysts for

DOI: 10.1021/acsaem.0c01938

1.

Hidenori Kuroki, Yu Imura, Ryosuke Fujita, Takanori
Tamaki, and Takeo Yamaguchi192

杉田佳之、田巻孝敬、黒木秀記、山口猛央

【研究開発部】高効率燃料電池開発「固体高分子形水電解用 Ir-Ru ナノ粒子連結触媒の構造制御」
化学工学会第 51 回秋季大会、オンライン開催、2020
年 9 月 25 日
5.

鈴木瑛斗、黒木秀記、田巻孝敬、山口猛央「固体アルカリ燃料電池におけるギ酸塩酸化用 Pd 系
コアシェル型ナノ粒子連結触媒の開発」
化学工学会第 51 回秋季大会、オンライン開催、2020
年 9 月 25 日

6.

田巻孝敬、黒木秀記、山口猛央「固体高分子形燃料電池カソード用ナノ粒子連結触媒の開発」
第 46 回固体イオニクス討論会、オンライン開催、2020
年 12 月 9 日

7.

杉田佳之、田巻孝敬、黒木秀記、山口猛央「固体高分子形水電解用 IrRu ナノ粒子連結触媒の表面構造制御」
化学工学会第 86 年会、オンライン開催、2021 年 3 月
20 日

8.

黒木秀記、Roby Soni、宮西将史、山口猛央「高分子量全芳香族高分子電解質を用いた固体アル
カリ水電解用膜電極接合体の開発」
化学工学会第 86 年会、オンライン開催、2021 年 3 月
21 日

9.

鈴木瑛斗、黒木秀記、田巻孝敬、山口猛央「固体アルカリ燃料電池におけるギ酸塩酸化用担体
フリーPdRu ナノ粒子連結触媒の構造制御」
化学工学会第 86 年会、オンライン開催、2021 年 3 月
22 日

10. 黒木秀記、田巻孝敬、山口猛央「PEFC 酸素還元反応用カーボンフリーナノ粒子連結触媒の開発」
日本化学会第 101 春季大会、オンライン開催、2021
年 3 月 22 日
11. 杉田佳之、田巻孝敬、黒木秀記、山口猛央「固体高分子形水電解のための IrRu ナノ粒子連結触媒の表面構造制御」
電気化学会第 88 回大会、オンライン開催、2021 年 3
月 23 日【特許】（1）国内特許出願 1 件

193

KISTEC研究報告2021

KISTEC研究報告2021194

【研究開発部】次世代医療福祉ロボット「次世代医療福祉ロボット」グループ
グループリーダー

下野

誠通【基本構想】
本研究グループでは、平成 28 年度～平成 31 年度に実施した有望シーズ展開事業で得られた研究開発成果を基に、リアルハプティクスを援用したヘルスケアシステムの実用化研究を推進する。特に、力触覚情報を活用することによって高い安全性や新しい診断機能を獲得した高付加価値な医療デバイス、遠隔触診を実現するネットワークシステム技術、革新的な手術支援ロボットなどの開発を行う。そして、殿町（川崎市川崎区）に新しく設置した本研究グループの産学公連携拠点において産業界とも密に連携することで、開発技術の社会実装へと繋げることを目指す。

１．

2020 年度の研究目的

実用化実証事業としてのプロジェクト一年目となる(3) 人間支援ロボットの開発研究
有望シーズ展開事業で得られたリハビリテーション支2020 年度では、以下の項目を重点研究テーマとして定め、開発技術の実用化研究を実施する。これにより、これまで

援ロボットや介護支援ロボットなど、人間支援ロボットの試作開発成果を基に、グループリーダーが所属する横浜国のプロジェクト研究で得られた研究成果の社会実装へと繋げていくことを目的とする。

立大学の理工系、社会科学系、人文学系の様々な分野の研究者らと協力して、実証フィールドとしての地域連携体制(1) 医療デバイスの開発研究
整形外科応用領域においては、日本医療研究開発機構を構築する。産業界との連携を通して、研究成果や開発要
素技術の社会実装へと段階的に移行することを目指す。

（AMED）医療分野研究成果展開事業「産学連携医療イノベーション創出プログラム」セットアップスキーム（ACT-MS）

２．

による支援の下、リアルハプティクスを援用した脊椎貫通検知と自動停止機能を有する骨ドリルの開発研究を行い、2020 年度においては、各重点研究テーマにおいて、以下の具体的な研究成果を得ることができた。

慶應義塾大学医学部整形外科学教室とセットアップ企業と連携して、開発技術の有用性を明らかにする非臨床実験(1) 医療デバイスの開発研究
整形外科応用領域においては、AMED・ACT-MS のプロジを実施する。
脳神経外科応用領域においては、慶應義塾大学医学部脳ェクト研究として、ハプティック骨ドリルの改良開発を行った。昨年度末に試作した骨ドリル試験機（図１）を用い神経外科学教室との連携により、力触覚を有する脳神経外科手術支援デバイスの改良研究を実施すると共に、非臨床

た豚脊椎に対する検証実験を慶應義塾大学医学部と協力して実施した。さらに実用化に向けた装置改良を行い、脊実験により正常脳組織と腫瘍組織との判別機能の有用性を実証する。さらに、2020 年度は特に臨床実験への移行

椎貫通時の自動検知機能、ドリル緊急停止機能といったア
ルゴリズム開発を行った。改良試作機を用いた評価試験結準備を進める。
呼吸器内科領域においては、慶應義塾大学医学部呼吸器

果より、人が検知するよりも速く貫通を自動検出することが可能であり、また貫通後のドリル進行を飛躍的に低減す内科および同大学薬学部との連携により、慢性呼吸器疾患
治療の高度化に向けた吸引動作センシングデバイスの改うることができることを実証するなど、開発技術の有用性を確認することができた。さらに、これらの技術をボーン

良研究を実施する。
そのほか、鋭敏な力触覚伝送機能を持った診断装置や、ソーやハンディドリルにも応用可能であることを、各種試作機を用いた検証実験から示した。

画像情報や力情報を活用した新しい動作ナビゲーション機能を持った手術支援ロボットの開発研究を継続して実脳神経外科領域では、これまでのハプティック鑷子研究を通じて得られた知見を活かし、腫瘍組織の剛性測定を円施する。
(2) 医療シミュレータの開発研究

滑に実施するための新たなデバイス試作を行った（図２）。
また、基礎検証実験から、腫瘍組織領域の自動判別の実行

前述の AMED・ACT-MS の支援の下、骨ドリルを通して得られた力触覚を再現し、切削動作のトレーニング応用が可可能性を確認することができた。
呼吸器内科領域においては、開発した吸引動作センシン

能なドリルシミュレータの開発を行う。また、AMED 未来
医療を実現する医療機器・システム研究開発事業「術者のグデバイスを用いた臨床試験を実施した。吸引装置の操作
誤りを、センサ情報から判別可能であることが示唆される技能に依存しない高度かつ精密な手術システムの開発」における分担研究として、マイクロサージャリー支援ロボッ

実験結果を得ることができた。

2020 年度の研究成果

トを通じた動作訓練を可能とするシミュレータインタフ
ェースの開発を進める。

195

KISTEC研究報告2021

【研究開発部】次世代医療福祉ロボット(2) 医療シミュレータの開発研究
AMED・ACT-MS の支援を受けて、開発したハプティック
ドリルを通して得られた力触覚情報から切削環境をモデ
ル化し、バーチャル環境からの力触覚を再現可能なドリル
シミュレータの開発を行った（図４）。特にドリルを回転していないときの接触感や、ドリル回転時の切削抵抗感などを再現可能であることを確認した。
また、マイクロサージャリー支援ロボットを通じた動作訓練を可能とするシミュレータインタフェースの開発においては、屈曲針の刺入動作を再現可能なシミュレータ開発や、マイクロサージャリーにおける微細な動作を実現可
能な操作インタフェースの設計試作を完了した。

図１

図２

試作した力触覚ドリル

試作したペン型組織剛性計測装置

図４ ハプティックドリルシミュレータ

図３ 画像情報を活用した AR による動作支援

図５ 屈曲針の刺入シミュレータ

そのほか、遠隔触診等への画像情報と力触覚情報を統合(3) 人間支援ロボットの開発研究
リハビリテーション支援ロボットや介護支援ロボット

利用に関するネットワークシステム研究では、両情報に基づいた機械学習により対象物の二値分類精度が向上するといった人間支援ロボット研究に関する地域連携体制を構築するために、本研究グループのグループリーダーが所ことを明らかにした。また、画像情報を動作ナビゲーションに活用するための拡張現実感技術の開発を行った（図属する横浜国立大学の若手・中堅研究者によって組織される若手研究拠点と密に連携することで、リビングラボの立

３）。

KISTEC研究報告2021

ち上げを行った。今後は、有望シーズ展開事業で開発した196

【研究開発部】次世代医療福祉ロボット

下肢機能支援装置などの有用性の評価研究をリビングラ
ボ活動を通じて実施する予定である。

３． 今後の展望
本研究グループでは、これまでの KISTEC プロジェクト研究で得られた研究成果を発展させる形で、リアルハプテ
ィクスを援用した様々なヘルスケアシステムの社会実装研究を推進している。特に医療デバイス応用に関する研究
テーマでは、産業界との連携体制が構築できてきており、今後も外部資金を活用しながら実用化に向けた開発研究を進めていく予定である。また、これまでの人間支援ロボットの開発研究を通して得られた動作支援技術や動作評
価技術については、今後の様々な機器開発のための要素技
術として利活用することができるよう、地域連携／産学公連携活動を展開していく予定である。

197

KISTEC研究報告2021

【研究開発部】次世代医療福祉ロボット

環境情報に基づいた仮想環境提示の機能を有する
2 自由度力触覚ドリルの開発
松永

１．

卓也

はじめに

整形外科手術では脊椎の切削のために医療用ドリルが用いられる。脊椎内部には中枢神経を構成する脊髄が存在し、脊髄損傷は患者の身体に障害が生じる原因となる。執刀医は医療用ドリルを精細に扱う技能が要求され、かつ慎重に切削を進める必要があり、手術が大きな負担となる。
したがって、整形外科手術における治療行為支援や医師の技能向上等に貢献する技術の実現が期待されている。
医療分野では手術支援のためにロボット技術の研究開発が進められており、整形外科分野においても CT データに基づいた術前の計画に従って大腿骨を切削する多自由

図 1. 2 自由度ドリル試作機

度ロボット[1]や、高精度な椎弓根スクリュー挿入のためのガイド装置[2],[3]が開発されている。また、技能向上のためのトレーニングシステムに応用可能な技術として、アクチュエータを備えた装置を介して仮想空間の力触覚情報を提示する力触覚レンダリングの研究がおこなわれている[4][5]。さらに、マスタ・スレーブシステムを介した作業で得た接触対象物（環境）の力触覚情報を利用し、マスタロボットで力触覚レンダリングをおこなうシミュレー
タの研究[6][7]が進められている。

１．１

図 2. 装置内部の構造

部 1 に対する可動部 2 の位置を計測する。リニアモータは

2 自由度力触覚ドリル

本研究では、実空間の環境（実環境）の切削における操制御、直動関節は機構による固定が可能であり、固定部を切り替えることで装置の機能が変化する。

作者支援が可能なドリル装置および実環境に対する接触動作で得られる情報に基づいて構築した仮想空間の環境

１．１．２（仮想環境）を提示するドリルシミュレータとして利用可
能な 2 自由度力触覚ドリル（図 1）を開発する[8]。

１．１．１

機構

グに対するシャフトの位置が制御で固定される場合、装置の可動部は回転モータで駆動するドリルビットのみであ

本研究で試作した 2 自由度力触覚ドリルは図 2 に示す構造を有し、筐体内部にリニアモータ、回転モータ、二つのる。従来の医療用ドリルと同様に筐体を保持し、先端を環境に接触させることで使用可能である。一方、リニアモー直動関節を備える。リニアモータのコイルハウジングを含む可動部（可動部 1）は直動関節 1、シャフトを含む可動部（可動部 2）は直動関節 2 を介して筐体に接続される。
医療用ドリルビットの回転に使用する回転モータは可動部 2 に含まれる。可動部 1 の一部はハンドルとして筐体外にあり、ドリル先端位置の操作やシミュレータにおけるイ
ンターフェースとなる。回転モータはエンコーダを内蔵し、ドリルビットの回転角度を取得する。一方、リニアモータで駆動する可動部は二台のエンコーダを備える。エンコー
ダ 1 は筐体に対する可動部 1 の位置、エンコーダ 2 は可動

KISTEC研究報告2021

機能ドリル試作機の機能は 4 種類に分類される。直動関節 1が機構的に固定され、かつリニアモータのコイルハウジン

タのシャフトの位置が制御によって変化する場合には、筐体に対する先端部の位置を自動的に変化させて切削を進めることができる。直動関節 1 が固定されない場合、作業者はハンドルを介して可動部 1 をマニュアル操作することが可能である。このとき、リニアモータが制御で固定されている状態では、ハンドルの移動距離は先端部の移動距
離と等しい。制御で固定しない場合にはハンドルを介して伝達される動作を加工することが可能である。いずれの機能においてもドリル回転時は切削動作、停止時は接触動作
となる。

198

【研究開発部】次世代医療福祉ロボット

実環境を対象とした 3 つの機能に対して、シミュレータ
では仮想環境を切削、接触の対象とする。直動関節 2 を機
構的に固定することで、リニアモータで発生する力を可動部 1 のハンドルを介して作業者に提示する力触覚レンダリングが可能となる。

１．２

動作制御

装置が内蔵する各アクチュエータは外乱オブザーバ[9]図 3. マニュアル操作による接触動作を用いたロバストな加速度制御によって駆動する。回転モ
ータは速度制御で駆動し、速度指令値を変化させることでドリルビットの回転と停止を切り替える。一方、リニアモータの制御は 2 自由度力触覚ドリルの機能に応じて変化する。
実環境を対象とした機能では、リニアモータは位置制御で動作する。加速度参照値 s2Xref は次式で与えられる。
s2Xref = Cp(s) (Xcmd – X2res)(1)(a) 位置応答（α = 1）(b) 力応答（α = 1）(c) 位置応答（α = 2）(d) 力応答（α = 2）

Cp(s), Xcmd, X2res は位置制御器、位置指令値、位置応答値を表す。リニアモータの位置制御において、応答値にはエンコーダ 2 で取得した情報が用いられる。指令値を一定値に設定することで、リニアモータのコイルハウジングに対するシャフトの位置が固定される。一方、直動関節 1 が固定されている場合、指令値を変化させることで先端部を自動的に前進させることができる。マニュアル操作ではハンドルの動作を計測するエンコーダ 1 の情報 X1res に応じて指図 4. 実環境に対する接触動作における位置、力応答

令値を変化させることで位置情報の増幅がおこなわれる。
マニュアル操作における位置指令値は次式で与えられる。
Xcmd = (1 - α) X1res / α(2)
α は位置スケーリングを表す。また、エンコーダ 1 とエンコーダ 2 の値の和が先端部の位置となる。
2 自由度力触覚ドリルは力センサレスであるため、反力
推定オブザーバにより力情報を得る[10]。実環境に対する接触や切削において位置情報と力情報を得ることで環境(a) シミュレータ

情報の抽出が可能となる。仮想環境を対象としたシミュレータでは、抽出された環境情報に基づいてパラメータを設計したコンプライアンス制御で力触覚情報を提示する。すなわち、直動方向については 2 自由度力触覚ドリルのみでった（図 3）。各条件について 2 度の自由動作と接触動作をおこなった。

実環境に対する接触、切削による情報取得と、シミュレー
タとしての力触覚情報提示が可能である。本研究では、仮実験結果として位置応答値、力応答値を図 4 に示す。図4(a), (b)に示す位置スケーリング α = 1 の結果では、ハンド

想環境に対する接触で発生する反力をコンプライアンス
制御の仮想剛性で提示する。切削動作では仮想粘性で擬似ルの動作を示すエンコーダ 1 の値と先端位置の動作が一致した。そして、0 秒から 10 秒における自由動作で発生的な切削力を提示し、同時に仮想環境の位置を更新することで切削の進行を表現する。

２．

した反力が小さく、操作力が無視できる大きさであることを確認できる。10 秒から 25 秒における接触動作では環境反力が推定された。図 4(c), (d)に示した位置スケーリング
α = 2 の結果では、ハンドルの変位が先端部の変位の 2 倍

実験と結果

2 自由度力触覚ドリルの試作機を使用し、マニュアル操作による接触動作とシミュレータによる仮想環境提示をとなり、位置情報が増幅された。

おこなった。

２．１(b) 仮想環境の描写

図 5. ドリルシミュレータによる仮想環境提示

２．２

シミュレータによる仮想環境提示

2 自由度力触覚ドリルの試作機にグラフィックインター

マニュアル操作による接触動作

フェースを加えたシミュレータを用いて、仮想環境に対する接触動作と切削動作をおこなった（図 5）。予備実験に

発泡スチロールを実環境として使用し、位置スケーリン
グ α = 1, 2 の条件下でマニュアル操作による接触をおこな

おいてマニュアル操作で発泡スチロールに対する接触、切削動作をおこない、コンプライアンス制御の仮想剛性と仮199

KISTEC研究報告2021

【研究開発部】次世代医療福祉ロボット

本研究は，AMED の課題番号 JP20im0210818 の支援を受けた．ここに謝意を表する．

【参考文献】
1. W. L. Bargar, A. Bauer, and M. B¨orner, ClinicalOrthopaedics and Related Research, vol. 354, pp. 82–91, Sep.
図 6. シミュレータにおける位置、力応答

1998.
2. N. Lonjon, E. Chan-Seng, V. Costalat, B. Bonnafoux, M.

想粘性の値を決定した。グラフィックインターフェースでは試作機と同期して変化するドリルビットと仮想環境を

Vassal, and J. Boetto, European Spine Jorunal, vol. 25, no. 3, pp.
947–955, Mar. 2016.

OpenGL で描写した。
シミュレータの実験における位置、力応答値を図 6 に示

3. W. Sukovich, S. Brink-Danan, and M. Hardenbrook, The
International Journal of Medical Robotics and Computer

す。実験前半の接触動作では押し込み量に応じた反力が発生し、仮想環境の剛性が提示された。後半の切削動作ではAssisted Surgery, vol. 2, no. 2, pp. 114–122, Jun. 2006.
4. V. B. Chial, S. Greenish, and A. M. Okamura, in Proceedings

移動速度に応じた反力が仮想粘性によって発生し、擬似的な切削力が提示された。また、仮想環境の位置が更新されof 10th Symposium on Haptic Interfaces for Virtual
Environment and Teleoperator Systems, Mar. 2002, pp. 80–87.

たことで、切削後にドリルビットが仮想環境から離れる際には反力が発生しなかった。

5. K. E. MacLean, in Proceedings of Haptic Interfaces for
Virtual Environments and Teleoperator Systems, Nov. 1996, pp.

３．

459–467.
6. T. Shimono, S. Katsura, and K. Ohnishi, IEEE Transactions

考察及び今後の展望

2 自由度力触覚ドリルの試作機を用いた検証実験の結果から、実環境を対象としたマニュアル操作では先端部が接on Industrial Electronics, Vol. 54, No. 2, pp. 907–918, Apr.
2007.

触した環境の力触覚が操作者に伝達され、また、位置スケーリングによる動作の加工が可能であることが確認され7. K. Yu, T. Matsunaga, H. Kawana, S. Usuda, and K. Ohnishi,
IEEJ Journal of Industry Applications, vol. 6, no. 1, pp. 66–72,

た。さらに、マニュアル操作で得た環境情報に基づいて仮想環境を構築し、ドリル試作機を用いたシミュレータで提Jan. 2017.
8. T. Matsunaga, T. Shimono, K. Ohnishi, S. Takano, H.

示可能であることを確認した。
本研究では、ドリル回転軸と平行な一自由度の直線運動

Kobayashi, M. Yagi, and M. Nakamura, in Proceedings of 2021
IEEE International Conference on Mechatronics, Mar. 2021.

のみを環境情報抽出や仮想環境提示の対象としたが、3 次
元空間の運動を対象とする場合にはアクチュエータ数の9. K. Ohnishi, M. Shibata, and T. Murakami, IEEE/ASME
Transactions on Mechatronics, vol. 1, no. 1, pp. 56–67, Mar.

増加による大型化や質量増加等の問題を考慮する必要がある。また、仮想環境提示において単純なモデルを使用し

1996.
10. T. Murakami, F. Yu, and K. Ohnishi, IEEE Transactions on

たが、シミュレータの性能を高めるためには、より詳細な
仮想環境モデルを構築する必要がある。

Industrial Electronics, vol. 40, no. 2, pp. 259–265, Apr. 1993.

今後はドリル試作機の機構改良と並行して、シミュレー
タで提示する仮想環境の詳細なモデル化をおこなう計画である。

KISTEC研究報告2021200

【研究開発部】次世代医療福祉ロボット

貫通検知機能を有する整形外科用力触覚ドリルの開発
高野

１．

俊也

はじめに

整形外科手術では脊椎切削時に医療用ハンドドリルを用いて切削を行う。しかしながら，脊椎の中には脊髄が通っており，傷付けると下半身不随等の後遺症を起こす場合がある。そのため，脊椎切削時には医師は脊髄を損傷しないよう，慎重に手術を進める必要がある。現在では，手の図 1. マスタ・スレーブ一体型ドリル

感覚と目視により医師の判断で切削を止めているが，手に力が入ってしまい手の感覚を感じにくくなってしまうな
ど困難が伴う。
このような背景から，鋭敏に力触覚を伝え，かつ脊椎貫通時に自動停止する機能を搭載した，高い安全性を有する
ドリルの開発が期待されている。
ロボット技術を応用したドリル研究は数多く行われており，貫通停止の試みも行われている。Lee らは，推力，
回転トルクを用いて閾値を設けることによって貫通停止を行うドリルシステムを開発している[1]。長らは，加速度

図 2. マスタ・スレーブ一体型ドリルの概略図

バイラテラル制御では各モータの位置及び力を高精度に制御する必要があるため，外乱オブザーバ(DOB)を用い

や ド リ ル の 回 転 速 度 な ど か ら SVM(Support Vector
Machine) を用いた整形外科用ドリルによって，模擬骨をたロバストな加速度制御を行う[7]。

用いて貫通停止を行った[2]。Diaz らは，センサを用いず，位置制御での誤差を基に貫通の検知を行い，豚の骨を用い１．２．マスタ・スレーブ一体型ドリルて貫通実験を行った[3]。Aziz らは，センサで力を測定して，その力の変位分を用いることで貫通の検知ができるこ

図 1，2 に開発したマスタ・スレーブ一体型ドリルの構造を示す。2 つの直動モータを一直線状に配置し，スイッチを搭載した持ち手側をマスタ，ドリル刃と回転モータをとを示した[4]。
しかしながら，これらの研究はロボットによる切削であ搭載した側をスレーブとして，マスタ・スレーブ間でバイラテラル制御を行う。これによりスレーブ側のドリルで削り，医師の操作によるものではない。そのため，従来の手術方法と異なり，使用する場合はトレーニングが必要となった感覚がマスタ側の手元に伝達される。ドリル刃と回転モータはスレーブ側の直動モータに取り付けており，直動る。
よって本研究では，従来の手術器具と同様の使用方法でモータと共に前後に動作を行う。
ドリル刃はマスタ側のスイッチを押している間回転をありながら操作者に対する動作支援が可能なマスタ・スレ
ーブ一体型の整形外科用ハンドドリルを開発する。

行う。これは従来のハンドドリルが手元のスイッチを押す
ことで回転する構造となっているため，同様の操作となる

１． １．力触覚伝達

ようスイッチでの操作とした。

マスタ・スレーブシステムにおける力触覚の伝達には加速度制御に基づくバイラテラル制御を使用する。バイラテ
ラル制御は位置情報と力情報をマスタ・スレーブ間で双方向に送信することで力触覚の伝達を実現している [5，6]。
バイラテラル制御の制御目標は式(1)，(2)となる。式(1)よりマスタの位置 Xm とスレーブの位置 Xs を一致させ，式(2)よりマスタに加わる反力 Fm とスレーブに加わる反力 Fs に
作用反作用の法則を成立させる。式(1)，(2)を同時に満たすことでマスタ・スレーブ間に力触覚が伝達される。

201

２． 実験と結果
２．１．実験内容
開発したマスタ・スレーブ一体型ドリルについて，以下の実験を行った。
〈1〉

バイラテラル制御によるマスタ・スレーブ間の力触覚伝達の確認〈2〉

木材切削による貫通時の動作確認及び貫通検知
条件の設定

〈3〉

貫通検知及び停止動作の確認

KISTEC研究報告2021

【研究開発部】次世代医療福祉ロボット

表 1.

バイラテラル制御のパラメータ

図 5. 実験〈2〉〈3〉での実験環境

図 6. 実験〈2〉の位置応答

図 3. 実験〈1〉の位置応答

図 7. 実験〈2〉の力応答

図 4. 実験〈1〉の力応答

また，バイラテラル制御で設定した各パラメータを表 1に示す。

２．２．実験結果〈1〉バイラテラル制御によるマスタ・スレーブ間の力触覚伝達の確認

図 8. 実験〈2〉の位置，反力の微分応答の結果を示す。切削中は反力が徐々に増加したが，貫通時この実験ではマスタ・スレーブ間にバイラテラル制御を

は位置及び反力が急激に変化した。このことから，貫通検知には位置及び反力の変化を観測することが有効と考え適用し，実際に動作した際のバイラテラル制御の検証を行った。マスタ側を操作して，マスタ側の直動モータに対すられる。
変化量を観測するため，位置及び反力の微分(Velocity，るスレーブ側の直動モータの追従性を確認した。なおこの実験では回転モータは動作させずに行った。

Jerk)を用いる。図 8 に位置と反力の結果を微分したグラフを示す。切削中においては 0 付近を示しているが，貫通時

図 3，4 にマスタ・スレーブの直動モータの位置と反力の結果を示す。図 3 では 2 つのモータの位置が追従しておに 2 つの値がピーク値を示した。よって，それぞれに閾値を設け，閾値を超えた時点を貫通と判断することで，検知り，図 4 では作用反作用の法則が成立していることがわかる。よって式(1)(2)を満たしていることから，バイラテラが可能である。

ル制御により力触覚伝達が実現していることが確認できた。

〈3〉貫通検知及び停止動作の確認
実際に位置と反力の微分を用いて貫通が検知可能か検〈2〉木材切削による貫通時の動作確認及び貫通検知条件の設定証を行った。実験〈2〉の結果より，以下のいずれかの条件を満たした際に装置側に貫通と判断させた。

この実験では木材を切削し，貫通時の位置と反力の推移を測定した。図 5 に実験環境の概略図を示す。木材とドリ
ルは固定し，ドリルを木材に対し垂直に当てながらマスタ・位置の微分値(Velocity)が 0.04m/s 以上
・反力の微分値(Jerk)が-0.2kN/s 以下側を操作して切削を行った。木材は厚さ 5mm のヒノキを使用した。
図 6，7 に木材切削時のマスタ・スレーブの位置と反力

KISTEC研究報告2021

202【研究開発部】次世代医療福祉ロボット

グラフより，位置が急激に増加し始めてから停止するまでの時間は 0.02s かかり，停止するまでに進んだ距離は0.49mm であった。よって，位置と反力の微分を用いることで貫通を検知することができ，かつ高速に停止が可能であることが確認できた。

３． 考察及び今後の展望
３．１．考察本研究で開発したマスタ・スレーブ一体型ドリルを用いた実験において，マスタ・スレーブ間でバイラテラル制御

図 9. 実験〈3〉の位置応答を適用し，力触覚が伝達されることを確認できた。また，スレーブ側の直動モータの位置と反力の変位を観測することで，装置が貫通を検知し，自動停止することを確認できた。

３．２．今後の展望
今回木材を用いた貫通検知実験では，貫通を検知するための閾値を切削対象の硬さに応じて適宜設定している。今後は切削時に切削対象の硬さを推定し，閾値を自動的に設定することを計画している。
本研究は，AMED の課題番号 JP20im0210818 の支援を

図 10. 実験〈3〉の位置，反力の微分応答受けた。ここに謝意を表する。

【参考文献】
1.Wen-Yo Lee，Ching-Long Shih，IEEE/ASME Transactions on
Mechatronics，Vol. 9，No. 1，pp. 20–29，2004.
2.Takayuki Osa，Christian Farid Abawi，Naohiko Sugita，
位置応答拡大図

Hirotaka Chikuda，Shurei Sugita，Takeyuki Tanaka，Hirofumi
Oshima，Toru Motro，SakaeTanaka，Mamoru Mitsuishi，

切削中はマスタ・スレーブ間でバイラテラル制御を適用

IEEE/ASME Transactions on Mechatronics，Vol. 20，No. 6，
pp. 3018–3027，2015.

し，貫通後はスレーブ側の直動モータは位置制御に切り替
え，マスタ側の直動モータは制御を行わずフリー状態とし

3. M. Louredo，I. Díaz and J. J. Gil，2012 4th IEEE RAS &EMBS International Conference on Biomedical Robotics andた。また，回転モータは貫通検知後停止させた。実験〈2〉と同様にドリルと木材を固定して実験を行った。

Biomechatronics (BioRob)，pp. 1155-1160，2012.
4. Mohd Hazny Aziz，Muhammad Azmi Ayub，Roseleena

図 9 にマスタ・スレーブの位置応答を示す。貫通時にマスタのみ位置が急激に増加し，スレーブの位置が一定とな

Jaafar ，Procedia Engineering，Vol. 41，No. 1，pp. 352–359
2012.

っている。すなわちドリルが貫通を検知して，スレーブ側の直動モータが位置制御に切り替わり，ドリルが停止した

5. Kouhei Ohnishi，Journal of the Robotics Society of Japan，Vol. 11，No. 4，pp. 486–493 1993.

ことを示している。
図 10 に位置，反力の微分の結果を示す。貫通時にいず

6. Wataru Iida，Kouhei Ohnishi，The 8th IEEE International
Workshop on Advanced Motion Control - AMC’04. pp.

図 11. 実験〈3〉貫通時のスレーブのれの値もピークを示しており，位置の微分値は 0.044m/s，
反力の微分値は-0.180kN/s を示した。よってこの実験では217–222 2004.
7. Kouhei Ohnishi，Masaaki Shibata，Toshiyuki Murakami，

位置の微分により貫通を検知した。
図 11 に貫通時のスレーブの位置応答の拡大図を示す。

IEEE/ASME Transactions on Mechatronics，Vol. 1，No. 1，pp.
56–67，1996.

203

KISTEC研究報告2021

【研究開発部】次世代医療福祉ロボット業績
1. 下野誠通【原著論文】
1. T. Matsunaga, T. Shimono, and K. Ohnishi

人間支援システム応用を指向したアクチュエー
タ

Development of Multi Degrees-of-Freedom Haptic Forceps
Robot with Three Actuated Fingers

第 10 回IEEJ Journal of Industry Applications, 10, 2, 247-253(2021).

電気学会東京支部神奈川支所研究会, オンラ

イン, 2021 年 2 月 16 日

【口頭発表】
2. K. Yatabe，S. Ozawa，J. Oguma，S. Hirakawa，S. Tomita，

1. S. Yajima, T. Shimono, T. Mizoguchi, and K. Ohnishi

T. Matsunaga，N. Togashi，M. Yokoyama，T. Shimono，and
K. Ohnishi.

Automatic Grasping Position Adjustment for Robotic Hand
by Estimating Center of Gravity Using Disturbance Observer

A study on safe forceps grip force for the intestinal tract
using haptic technology

International Conference on Advanced Intelligent
Mechatronics, AIM2020, 2020 年 7 月, オンライン

Minimally Invasive Therapy & Allied Technologies,
online (2021)

2. H. Asai, T. Shimono, T. Deguchi, Y. Fujii, H. Yamamoto, and
K. Ohnishi
Development and Basic Analysis of Novel Flexible Linear

3. 松永 卓也, 下野 誠通, 大西 公平
画像情報に基づく情報拡張機能を有するバイラテラル
遠隔制御システム

MotorInternational Workshop on Advanced Motion Control,

精密工学会誌. , 87, 4,380-387 (2021)

AMC2020, 2020 年 9 月，オンライン.

4. 三好優輝，下野誠通，大西公平，松永卓也，溝口貴弘，
國分元樹，行形毅，宇井恵美

3. T. Matsunaga, T. Shimono, and K. Ohnishi
Verification of Double Hand Teleoperation System Using

ハプティック超音波プローブを用いた力触覚・画像の統合利用による二値分類精度の向上

Haptic Forceps Robots and LCLM Platform
International Workshop on Advanced Motion Control,

日本ロボット学会誌, 採録決定(2021).

AMC2020, 2020 年 9 月, オンライン
4. S. Nagai and A. Kawamura
Development of Compact Linear Actuator Combining DC【総説】
1. 下野 誠通, 大西 公平

motor and Cylindrical Cam for Tactile Display
International Workshop on Advanced Motion Control,

モーションコントロール概論
機械設計, 64, 5,4-8 (2020).

AMC2020, 2020 年 9 月, オンライン
2. 下野 誠通, 大西 公平
5. 三好優輝，下野誠通，大西公平，松永卓也，溝口貴弘，
國分元樹，行成毅，宇井恵美

リアルハプティクスの医療支援応用
機械設計, 64, 5,38-41 (2020).

ハプティック超音波プローブを用いた力触覚・画像の統合利用による二値分類精度の向上

3. 下野 誠通, 大西 公平

第 38 回日本ロボット学会学術講演会，2020 年 10 月,
オンライン

力触覚のディジタル化を実現する医療デバイス
月刊化学工業, 71, 8,478-482 (2020).
4. 和田 則仁, 大西 公平, 北川雄光

6. S. Toriumi, K. Sakuma, H. Asai, and T. Shimono
Finite Element Analysis and Experimental Validation ofCore-less Multi-layered Radial Motor

触覚をもった超低侵襲手術支援ロボットの開発
Pharma Medica, 39, 4,45-48 (2021).

International Power Electronics and Motion Control
Conference, IPEMC2020, 2020 年 11 月, オンライン

5. 下野 誠通, 溝口 貴弘, 大西 公平
遠隔医療に向けたリアルハプティクス
映像情報メディア学会誌, 71, 8,478-482 (2021).

7. S. T. Matsunaga, T. Shimono, K. Ohnishi, S. Takano, H.
Kobayashi, M. Yagi, and M. Nakamura【招待講演】KISTEC研究報告2021204【研究開発部】次世代医療福祉ロボット

Multi Functional Drill Incorporating Linear Motor for Haptic
Surgical Instrument and Simulator
International Conference on Mechatronics, ICM2021, 2021
年 3 月, オンライン
8. H. Kobayashi, T. Matsunaga, H. Asai, S. Takano, T. Shimono,
M. Yagi, K. Ohnishi, and M. Nakamura
Development of Orthopedic Haptic Drill for Detection of
Penetration
The7th IEEJ International Workshop on Sensing, Actuation,
Motion Control, and Optimization, SAMCON2021, 2021 年 3月, オンライン
9. T. Shimono, S. Tanaka, Y. Hatta, H. Asai, and Y. Fujimoto
Mathematical Modeling, Finite Element Analysis, andExperimental Verification of Cross–Coupled 2–DOF Tubular
SPMSM
The7th IEEJ International Workshop on Sensing, Actuation,
Motion Control, and Optimization, SAMCON2021, 2021 年
3 月, オンライン【記者発表・取材】
1. 読売新聞, 2021 年 1 月 7 日, 朝刊 26 面
「未来はそこに」 『遠隔操作「感触」伝送』【受賞・受章】
1. SAMCON2021 Outstanding Paper Awards, 下野誠通, 田
中翔大, 八田禎之，浅井洋，藤本康孝, 2021 年 3 月 11日

【特許】
国外特許出願 1 件
1. 発明の名称：医療機器及び医療用プログラム

国際出願番号：PCT/JP2021/13428
出願日：2021 年 3 月 29 日
発明者：下野誠通、大西公平、中村雅也、八木満、松永卓也、浅井洋、小林宏尚
出願人：KISTEC, 慶応義塾大学

205

KISTEC研究報告2021

KISTEC研究報告2021

206

【研究開発部】食品機能性評価「食品機能性評価」グループ
グループリーダー

阿部啓子【基本構想】
食は健康な生体を築き上げ、それを維持する上で限りなく重要であり、適正な食生活は “quality oflife”(QOL)の向上に寄与し、生活習慣病を防ぎ、健康寿命を延ばす手段としても高い関心が寄せられている。わが国ではまもなく 65 歳以上の高齢者が人口の 30％に達すると予想されており、健康を保ち、エイジング（加齢）に伴う生活習慣病の発症や認知機能・運動機能の低下を遅らせる機能性食品の開発は国際的にも注目されている。本テーマの出口としては、科学的エビデンスに基づく商品を開発するための公的機能性評価システム機関を世界に先駆けて構築し、この日本発の領域を、学術的・産業的・社会的に発展させ世界に発信していくことにある。
１． 2020 年度の研究目的
グループ 4 年目となる 2020 年度は、以下の各項目を重ず行き来しており、健康寿命延伸を見据えると、疾病に至る前にこのバランスを調節することが重要であり、その調点項目として実施した。

節には生活習慣、とりわけ食品や運動の寄与が期待される（図 1）。自身がどのような食品を摂取すると良いか判断(1)
国際評価技術センター＜食品と未病＞するためには、食品やその含有成分がどのような生体機能性、作用メカニズムを持つかという情報が必要である。し日本は超高齢社会を迎えて久しく、平均寿命が延伸した
ことに伴う健康寿命延伸への要求が高まっている。わが国

かし食品は医薬品と異なり、生体調節作用の多くは健康か
ら未病の範囲内のわずかな変化として現れ、さらに複数成の平均寿命と健康寿命の隔たりは平均で 10 歳以上と大きく、個人やその周囲の生活の質（QOL）の向上や、医療費分から構成されていることからその作用点は単一ではない。これが機能性解明を難しくする要因であるため、食品の削減といった観点からも、平均寿命と健康寿命の差の短
縮は喫緊の解決課題のひとつである。私たちの身体は、生摂取時の生体内の変化を捉えるには評価に適した未病状
態を作り出し、より広く、より高感度に検出し、評価する

体恒常性のはたらきから健康と疾病の手前（未病）を絶えための手法と組み合わせる必要がある。本グループでは、

207

KISTEC研究報告2021

【研究開発部】食品機能性評価

未病評価という観点から食品機能性の評価技術センター
構想を描き、未病、食品機能性についての評価法開発を経コモティブシンドローム）、2020 年に第一号が届出受理された免疫機能等、多岐に亘るようになった（図２）。本グて、産学官連携で科学的エビデンスを取得する難事業に取り組んできた。本稿では 2020 年度の実績を中心に、研究

ループではメタボリックシンドロームに対する機能性解
明・評価に加え、脳機能評価にも重点を置いて進めており、成果を紹介する。

その成果についても紹介する。
＜実施項目＞(1)-1 動物とヒトのシームレス評価
食品には、長い食経験という歴史を持つものが多いが、(1)-2-1 脳波解析との組み合わせによる軽度の疲労・スト
レス時の脳活動評価試験方法の確立：ヒト試験

昨今の研究開発により、特定の成分の高含有作物や、特定の成分を抽出したサプリメント食品等が普及し始めてい(1)-2-2

る。そのため、現在の食品の機能性評価においては安全性の確認が必須条件であり、さらにその理解のためには作用(1)-3 未病評価指標の活用例
食品の機能性評価研究においては、その作用の結果としメカニズムを明らかにすることが不可欠であることから、動物を対象とする非臨床研究を中心に進めてきた。一方で、て生じるわずかな変化を検出する必要があり、生体内変化に対してより鋭敏に反応する分子を解析する必要がある。

2015 年に始まった食品の機能性表示制度においては、ヒトにおける評価研究が求められることから、食品機能性評

これまで未病マーカーとして解析対象としてきたのはmRNA であり、その成果を複数の論文にて報告している。

価の臨床研究の需要も高まっている。安全性や機能性の確認や詳細なメカニズム解明を非臨床研究にて、ヒトでの科

mRNA はひとつの遺伝子から構造の異なる複数成がされる場合があり、この機構は様々な刺激によって働くことが学的エビデンスを臨床研究にて捉えるという両輪を回していくことで、食品の機能性評価を推進している。

知られている。2020 年度には、食品刺激で転写後の調節過程を経て生じる構造の異なる mRNA を比較解析するこ(1)-2とで新規の食品機能性評価用指標としての活用可能性を探った。

脳機能への作用評価研究

食品の機能性評価研究は、特定保健用食品（トクホ）においてはメタボリックシンドロームに対する作用が中心(2)であったが、機能性表示制度の対象が脳機能、運動機能（ロKISTEC研究報告2021

脳機能評価の展開：動物試験

受託・共同研究

企業との共同研究、受託研究を推進している。これまで

208

【研究開発部】食品機能性評価に確立してきた動物およびヒトを対象とするシームレス

及びそれに対する食品による作用としての変化、また計算評価として、メタボリックシンドロームに対する機能の評
価（生体ガス分析、トランスクリプトーム解析等）、脳活

テストの成績の差異を有意な差をもって明確に捉えるこ動評価（トランスクリプトーム解析、脳波計測）を活用しつつ、依頼に基づき、新たな機能性探索のためのカスタマ

テスト実行中のリアルタイムな脳活動変化については未解明のままであった。そこで 2020 年度は計算テスト実行

イズ研究にも随時対応をしている。対象は食品を中心としているが、ここ数年では衣食住環境を包括した未病への作に伴うリアルタイムの脳活動変化を捉えるべく、簡易型脳波計を用いた脳波計測を実施した。その結果、計算テストの種類により応答する脳波の周波数帯が異なることや、計算テスト実施中・実施前後での有意な差の検出に成功した。

とに成功したが、一方で、それらと相関するであろう計算用という視点での試験依頼・相談も受けている。

これらの研究を通じて、計算テストと血液トランスクリ
プトーム解析、さらに脳波計測とを組み合わせることにより、食品の機能性評価に適した比較的軽微な疲労、ストレ
ス負荷と、それに対する客観的指標に基づく評価方法を確立した。本試験方法は、ヒトを対象とした脳機能に対する食品の評価試験であり、既に企業からの依頼に基づいた評価試験も実施している。

２． 2020 年度の研究成果
以下に挙げるのは、2020 年度の具体的な研究成果である。
(1)
国際評価技術センター(1)-1 動物とヒトのシームレス研究
当グループでは、動物を対象とする脳機能測定のための手法の高精度化を検討しており、食品摂取によるわずかな差の検出を試みている。これまでは主にメタボリックシン
ドロームへの作用についての研究を積み重ねてきた実績(1)-2-2 脳機能評価の展開：動物試験
食品の機能性成分が脳機能に与える影響を評価する為、があるが、脳機能に関しても同様に動物を対象とする試験（主にメカニズム解明）とヒト試験（現象）とを組み合わ実験動物を用いた行動試験を導入している。実験動物を用せ、両者を行き来しながら評価を進めていくことで、より効率的に、かつより詳細に食品の機能性を明らかにするこ

項目の脳機能評価が可能である。これまでに複数の検討をとができると考えている。

の行動試験を組み合わせて評価し、差異の検出と、その機いた行動試験では認知、不安様行動をはじめとした様々な経て、環境因子の変化が脳機能に及ぼす影響について複数序を説明するトランスクリプトーム解析結果を得るに至っていた。2020 年度は、食の因子が脳機能に及ぼす影響(1)-2 脳機能への作用評価研究(1)-2-1 脳波解析との組み合わせによる軽度の疲労・スト

合わせて計算テストと組み合わせることの重要性が示されている。この方法では、計算テスト等を実行し、その成を明らかにすべく、摂餌パターンの違いという系を実践し、評価を行った。この試験では同時に代謝変化についての評価（生体ガス分析、遺伝子発現解析、腸内細菌叢解析）も実施しており、メタボリックシンドローム等への作用と、脳機能への作用との総合比較解析にも取り組んだ。その結果、摂餌パターンの変化は、代謝に劇的な変化を及ぼすものの一過的なものである一方、脳機能についてはその影響を長期的に残すことが示され、食への生体応答の組織特異的な差異を明確に捉えるに至った。
本研究成果は、食環境、食育の観点から、想定されやす
い代謝の課題（肥満、痩身等）のみならず、脳機能（短期記憶、興味及び社会性等）にも影響を及ぼすことを考慮に入れることの重要性を示すものである。

績や Visual Analogue Scale（VAS）による主観的な疲労度の差異から食品摂取に伴う脳機能の変化を捉えることに(1)-3 未病評価指標の活用例

成功しているが、一方でストレス、疲労についての客観的指標には乏しい。そこで 2019 年度には、この試験方法にマウスを対象とした試験により、食品に起因する転写後の調節過程を経て生じる mRNA 構造の違いの解析を行っ血液トランスクリプトーム解析を組み合わせ、計算テストに伴うストレス・疲労と、それに対する食品摂取の作用にた。高脂肪食という刺激が与えられた後に複数の構造のmRNA が生成される遺伝子が検出された。そのような遺ついて客観的に捉える試みを実施した。その結果、計算テスト実施に伴いストレス、疲労に関連する遺伝子群が変化すること、また、計算テスト成績（正答率等）を上げる作
用を持つ食品を摂取した際には、このストレス、疲労関連

伝子のなかにはこれまで実施してきた遺伝子発現解析では発現変動を認めない、つまり食品に応答しない遺伝子であると判断されていたものもあった。このことから、
mRNA 発現量は変わらないが複数の構造の mRNA を生成

遺伝子群の変化が軽減されることが示された。
トランスクリプトーム解析から、計算テスト実行するこする遺伝子が、これまでにはない食品機能性評価用の新規の指標として利用できる可能性がある。

レス時の脳活動評価試験方法の確立：ヒト試験
2018 年度に、ヒトを対象とした試験において、食品の単回摂取で脳機能（計算テスト成績や疲労度）の差異を検出するための試験方法を確立し、脳機能に対する作用を明らかにするためのヒト試験の基盤を、東海大学医学部、健康学部との連携により構築した。これはプラセボ食と試験
食との比較にて試験食の機能性を評価する試験方法であり、計算テストについては 3 種類を用意して評価を行ったが、食品によって成績に有意な差を生じる試験項目が異なるという結果を得ており、それぞれの機能性成分の特性にとによって生じた生体の変化（時間変化への応答も含む）、

209

KISTEC研究報告2021

【研究開発部】食品機能性評価(2) 受託・共同研究
企業との共同研究、受託研究を推進している。2019 年
度には、代謝機能（メタボリックシンドローム）への作用についての評価課題 2 件、着衣と組み合わせた総合的な未病改善評価のためのカスタマイズド課題 1 件、ヒトを対象とする脳機能評価課題 1 件を実施した。得られた成果のう
ち一部については、研究論文としてまとめ、投稿を行った。
また、知財化についても検討を進めている。引き続き受託・共同研究を進めていく。なお、受託・共同研究を通して機器の共用化も推進しているが、2019 年度は、前年度を上回る 4000 時間超であり、年々増加して活用の幅が広がっている。
(3) その他
平成 28 年 10 月 1 日から日本学術振興会（JSPS）先導的研究開発委員会「食による生体恒常性維持の指標となる未病マーカーの探索戦略」（委員長：阿部啓子）が発足し、活動を続けてきた。この活動の成果が評価され、令和 2 年
3 月に日本学術振興会 産学協力委員会において R021
「食と未病マーカー委員会」の採択が決まり、令和 2 年 4月より活動が開始された。未病マーカーの開発研究には、
本グループの研究員も参画し、全国の大学、企業との連携により、最新のマーカー探索に向けての情報共有、情報収取、開発研究を進めている。
また、平成 30 年 3 月に、本グループの研究手法を基盤とする「ワンストップ型食品機能性評価サービス」が神奈
川県 ME-BYO BRAND に認定された。これを受けたお問
い合わせもいただいているが、今後一層の周知を図り、評価センターでの食品機能性評価の受託あるいは共同研究拡大を目指し、得られた成果を広く還元し、国内外を問わず生活の質（QOL）の向上を目指していく。

KISTEC研究報告2021

210

【研究開発部】食品機能性評価

間欠絶食がもたらす代謝機能、脳機能への影響
嶋田

１．

はじめに

１．２

耕育、亀井

飛鳥、篠﨑

文夏

間欠絶食

間欠絶食は短期間の絶食を複数回実施することによっ

間欠絶食は環境馴化後の個体において実施した。PM4て体重減少効果を生むダイエットとしての意義が強調される一方で 2 型糖尿病発症リスクの減少や酸化ストレス時（16 時）に飼料給餌を停止し、翌日 AM8 時に再給餌す
る絶食サイクルを週に２度実施し、２週間で計４回の絶食軽減効果、心疾患予防など多くの副次的な効果が認められ注目されている 1。近年では“脳、神経系”疾患に対する操作を行った。呼気ガス分析は間欠絶食を実施した２週間及び普通給餌に戻した１週間の計３週間の分析を実施し間欠絶食の効果も報告され、アルツハイマー型認知症予防など脳・精神疾患への効果が認められている 2。しかしなた。行動学的試験においては２週間の間欠絶食後、普通給餌に戻した３週目において実施した。

がら間欠絶食による平常時の脳機能への影響については未だ不明な点が多い。我々は予備的検討により、単回の絶１．３

食による体重の劇的な増減(図 1)及び、代謝機能の劇的な変化（糖質・脂質利用率）が同時に生じることを見出した。

呼気ガス分析は動物用エネルギー代謝測定システム[ARCO-2000](有限会社アルコシステム)を用いて測定した。

興味深いことに、代謝機能に対する影響は、絶食期間中の一時的なものではなく、絶食終了後も継続的に影響するこ

呼気ガス測定時は飼料・床敷替え及び摂餌量・体重測定を連日実施した。呼気ガスの計測において専用のチャンバーとが確認された(図 2)。脳は人体の中でも最大のエネルギ
ー消費器官であり、代謝的な変化に対して鋭敏に応答するでの測定が必要となるため呼気ガス測定の個体はあらか
じめ専用チャンバーでの環境馴化を実施し、馴化後に計測と考えられている。これらの観察から、間欠絶食による急激な代謝機能の連続的・継続的変化は”脳”とその”機能”を行った。測定項目は呼吸商(RQ)、酸素消費量、二酸化炭
素排出量及びエネルギー消費量を測定し、得られた値につにも影響を及ぼすと想定される。しかしながら間欠絶食と平時脳機能についてその効果・作用メカニズムに関する知

いて１時間の平均値として算出した。

見は少ない。過去の研究では、脳由来神経栄養因子 BDNFなどの単一分子が絶食条件によって変動することが確認

１．４

されている 3。以上のことから、継続的な代謝機能変化を伴う絶食を複数回実施する間欠絶食は、平時脳機能活動に実施した。解析サンプルは盲腸内容物を用い、次世代シー
クエンサーによるメタゲノム解析を実施し、メタゲノム解

対しても何らかの影響を及ぼしうるのではないかと発想し、本研究を実施した。

析ツールである QIIME を用いてデータ解析を実施した。

腸内細菌叢解析

腸内細菌叢解析は呼気ガス分析後のサンプルについて

１．５
１．１

呼気ガス分析

実験動物

行動学試験

行動学試験として以下の５つの試験を実施した。

本実験では主に実験動物であるマウスを用いて検討を行った。実験動物は 5 週齢の C57BL/6N 雄性マウスを日本

１：広場試験(自発的行動量及び不安関連評価)
２：Y 路迷路試験(作業記憶評価)

チャールス・リバー株式会社より購入し、数日間にわたり飼育室での環境馴化をした後、本実験に供した。飼育室内

３：新規物体認識試験(短期記憶評価)
４：高架式十字迷路試験(不安関連評価)の 温 度 は 21℃ 前 後 、 湿 度 は 50% 前 後 を 維 持 し 、
AM8:00-PM20:00 を明周期とした。飼育期間中の飼料及び５：社会的相互作用試験(興味行動及び社会性評価)

水は自由摂取・摂水とし隔日で飼料交換及び体重・摂餌量測定を実施した。本実験に用いた飼料は精製飼料である

１．６

AIN-93G をオリエンタル酵母工業株式会社より購入し給餌した。動物実験は大きく３つの実験を独立して実施した。

織を用いて実施した。サンプル臓器は間欠絶食後に１週間
通常給餌を行った個体及び間欠絶食期間終了 2 日後の個

主に代謝機能(盲腸内容物細菌叢解析含む)への影響を検討するための呼気ガス分析を中心とした試験、脳機能への影体よりサンプリングし、RNA を TRI Reagent(R)(Molecular
Research Center)を用いて定法により抽出した。肝臓由来

響を検討するための行動学試験を中心とした試験また各種臓器での遺伝子発現への影響を検討するための遺伝子

RNA サンプルについては磁気ビーズによる精製を実施した。抽出した RNA は Agilent 2100 Bioanalyzer を用いて発現解析用のサンプリングを実施する３つの実験となる。

RNA 精製度の確認を行い、Bioanalyzer より計算された
RNA Integrity Number (RIN)が 8.5 以上であることを確認し遺伝子発現解析

遺伝子発現解析として代謝臓器の代表格である肝臓組

211

KISTEC研究報告2021

【研究開発部】食品機能性評価た。
抽 出 し た RNA よ り 相 補 的 DNA(cDNA) を 合 成 し 、

２．２ 間欠絶食による一時的な代謝変化表現型は間欠絶食終了後に速やかに解消される

RT-PCR にて各種代謝調節遺伝子の発現量を確認した。

間欠絶食による代謝機能への影響を確認するため、呼気

１．７

統計処理

全てのデータは mean±SEM で表す。全てのデータに対ガス分析装置を用いた検討を行った。複数回にわたる間欠
絶食により RQ(呼吸商：酸素消費量に対する二酸化炭素排して２群間比較検定として unpaired Student’s t-test またはWelch's t-test を実施し、p < 0.05 を統計的に有意と定義した。

出量の体積比であり糖質や脂肪の燃焼の比率指標として用いられる)及びエネルギー消費量が一過的に大きく変動

グラフにおいて*:p < 0.05,**:p < 0.01 と図示する。

し、さらにその変化は 1 日程度継続的に影響することを確認した。またこれら間欠絶食に伴う急激な代謝機能の変調
は普通給餌に戻すことで速やかに解消することを確認した(図 4)。このことから複数回にわたる間欠絶食の期間においては代謝機能が大きく変化するが普通給餌に戻すことで速やかに正常化することが確認された。

図１：単回絶食は急激な体重変化を誘導する。

図３：間欠絶食による体重及び摂餌量の経時的影響

図 2：単回絶食は代謝変動を誘導し、継続的に代謝機能に影響を
与える

２．
２．１

実験と結果
間欠絶食による体重及び摂餌量への影響

間欠絶食により絶食時の一時的な体重減少は確認されたが間欠絶食を実施した２週間の体重増加量は間欠絶食群(Fasting 群)と間欠絶食を実施していない群(ad lib 群)間で有意な差異は認められなかった。また摂餌量に関しては
間欠絶食後の再給餌時に間欠絶食を実施していない群との比較で有意に摂餌量の増加及び継続的な増加を確認したが間欠絶食を実施した２週間での総摂餌量は両群間で

図 4：間欠絶食２週目及び普通給餌以降の代謝変動

有意な影響は認められなかった(図３)。このことから複数回の間欠絶食は一過的に体重及び摂餌量に影響を及ぼす

２．３
ぼす

が期間中の体重増加量及び総摂餌量には影響しないことが確認された。

KISTEC研究報告2021

複数回の間欠絶食は脳機能にも影響を及複数回にわたる間欠絶食後に行動試験を実施した結果、行動様式に影響があることが確認された。新規物体認識試

212

【研究開発部】食品機能性評価

験において、間欠絶食群(Fasting 群)は通常摂餌群(ad lib 群)と比較し、新規物体への認識能・興味行動が低下する表現

現に影響を及ぼすが間欠絶食終了一定期間後には解消される型が得られた。また社会的相互作用試験において他個体への興味行動に影響は認められないが、他個体の存在しない

代謝臓器である肝臓組織において代謝調節(糖代謝や脂質代謝関連遺伝子)に寄与する複数の遺伝子発現をエリアでの滞在時間が減少する傾向を示しさらに、neutral
area での滞在時間が有意に増加する表現型が得られた(図RT-PCR で確認した。結果、複数の遺伝子において間欠絶
食終了後のサンプルが間欠絶食を実施していない群との５)。その他、行動試験における測定項目では有意な差異は確認されなかった。以上のことから複数回にわたる間欠

比較で有意な発現変動が確認された。これら発現変動が確認された遺伝子は単回絶食でも変動が誘導された遺伝子

絶食は特定の脳機能(短期記憶、興味行動及び社会性行動)に対して影響を及ぼすことが確認された。

であった。一方でこれら発現変動が認められた遺伝子において間欠絶食後に普通給餌に戻したのち１週間後の肝臓組織では確認されていた有意な発現変動は認められなかった(図６)。以上のことより、肝臓組織では間欠絶食に伴って単回絶食によって発現変動が確認された遺伝子について発現変動が認められたが間欠絶食終了一定期間後にはこれら発現変動は解消されることが確認された。

図５：間欠絶食による脳機能行動への影響

図 7：間欠絶食による盲腸内菌叢への影響

２．５
ぼす

間欠絶食は盲腸内菌叢の存在比に影響を及

間欠絶食後に１週間通常給餌を実施した実験群(Fasting群)と間欠絶食を実施しなかった群(ad lib 群)の盲腸内容物を用いて 16S rRNA シーケンスによる菌叢解析を実施した。
結果、代謝機能に影響を与える腸内細菌叢の変化指標である Phylum(門)での Firmicutes / Bacteroidetes 比は両群間で有意な差異は認めなかった(図７)。一方、Genus(属)での非存
図６：間欠絶食による肝臓遺伝子発現への時期特異的な影響

在度を用いて主成分分析を行った結果、通常食群では個体間のばらつきが大きく確認されたが間欠絶食群では個体間のばらつきがまとまる傾向を認めた(図７)。また Genus
レベルでの非存在度において複数の菌で有意な変動が認

２．４

複数回の間欠絶食は代謝臓器の遺伝子発213

KISTEC研究報告2021

【研究開発部】食品機能性評価

められたことから間欠絶食は Genus レベルでの盲腸内菌

り間欠絶食は代謝機能のみではなく脳機能や菌叢にも影叢に影響を及ぼすことが確認された(図８)。

響することが確認された。また興味深いことにこれら間欠絶食による影響は間欠絶食後、通常給餌に戻すことで変動が解消する表現型と間欠絶食の影響が継続する表現型があることを見出した。とりわけ代謝変動(呼気ガス実験及び肝臓内遺伝子発現)においては間欠絶食による一過的な変動が普通給餌後には直ちにもしくは時間経過とともに解消されるのに対して脳機能及び盲腸内菌叢への影響は
普通給餌後も継続して間欠絶食による影響が認められた(図９)。脳機能と腸内菌叢については複数の報告で関連性(脳腸相関)があることが知られている 4,5。絶食による影響
は腸内菌叢にも多くの影響を及ぼすことから、今回確認された間欠絶食による脳機能への影響は脳腸相関による可能性が示唆された。近年、１ヶ月にわたる断食を実施する「ラマダン」後の腸内菌叢において腸内環境、代謝、免疫
さらには脳機能において重要な役割を有する酪酸産生菌
である Lachnospiraceae が断食によって増加することが確認されている 6。しかしながら今回の間欠絶食実験ではLachnospiraceae の非存在度に有意な差異は認められなかった(Lachnospiraceae 科の一部は変動を確認)。つまりマウスにおいての間欠絶食の脳機能への影響は腸内菌叢以外の要因もあることが示唆された。しかし継続的な影響が確認された脳機能に関してその作用メカニズムに関する知見は未だ得られていない。脳機能制御は複雑なシステム下で制御され、多くの分子による同調や反駁による調節により制御されているものと推定される。今後は脳部位での網羅的な遺伝子発現解析を行うことで間欠絶食による脳機能への影響についての作用メカニズムが明らかになることが期待される。近年、マウスを用いた研究で絶食によっ

図 8：間欠絶食による盲腸内菌叢(Genus Level)への影響て嗜好性が変化することが報告されており 7、絶食は摂餌
量のみではなく嗜好機能にまで影響を及ぼすことが知られている。急激な代謝変動を伴う絶食後の回復期での摂餌量の増加と嗜好性の変化を伴う食事内容への介入は間欠絶食により誘導される様々な表現型にも影響しうる可能性が示唆される。したがって、絶食後の回復期に摂取する
食事内容への介入が間欠絶食による相乗効果を誘導する因子の１つと期待される。絶食後の回復期に当たる食事内容(エネルギーバランスや機能性成分の追加など)を考慮することで、さらなる相乗効果を誘導する間欠絶食法のトー
タルコーディネートの提案も今後期待される。

【参考文献】
1. Adrienne R et al Translational Research 164(4): 302-311(2014)
2. Halagappa VK et al Neurobiol Dis 26(1): 212-20 (2007)

図 9：本研究まとめ

３．

考察及び今後の展望3. Mattson MP Annu Rev Nutr 25: 237-60 (2005)
4. Marilia Carabotti et al Ann Gastroenterol. 28(2): 203–209.

今回我々はマウスを用いた検討により、間欠絶食による一過的で急激な代謝機能の変動とそれに伴う摂餌量の変(2015)
5. Gilliard Lach et al Neurotherapeutics 15(1):36-59 (2018)

化、肝臓内遺伝子発現への影響やさらには盲腸内菌叢への影響があることが確認された。また脳機能に関しても記憶

6. Junhong Su et al Am J Clin Nutr 113(5):1332-1342 (2021)
7. Okamoto Cell reports 22(3): 706-721 (2018)

行動、興味行動さらには社会行動に関する行動指標で間欠絶食による影響があることが認められた。これらのことよ

KISTEC研究報告2021214【研究開発部】食品機能性評価

食品機能性評価用新規指標開発
篠﨑文夏, 嶋田耕育, 亀井飛鳥

日本人の食生活が従来の米と魚を中心とした日本型のmRNA 安定性の制御など複数の細胞維持機能に役割を担っていることが明らかになりつつある。miRNA、lncRNA

食生活から肉、卵、牛乳を多く摂取する欧米型の食生活と変化したことによって、これまで不足がちであった栄養がのいずれも発現不良などで疾病を誘発することが示唆されている。さらに、これらは遺伝子発現の各段階に影響し補われ、健康的な食事内容になり体格がよくなるなど良好な変化がもたらされた。しかし、行き過ぎた肉食などバラ

遺伝子発現調節を行う。また、食品や食品成分によってもこれらの non-coding RNA の発現が変動すると考えられてンスが偏った食事を続けることで、これまでは少なかった
大腸がんなどの疾病や生活習慣病が増加している。

いる。
また、遺伝子はアミノ酸配列がコードされているエキソ

疾病を回避するには食生活や生活習慣の改善が効果的
で、食生活においては機能性食品を用いて積極的に健康維

ンが非コード領域であるイントロンによって複数に分断されており、DNA から mRNA への転写の際には mRNA

持を図ることも考えられる。理想的には個々人の身体状態に合わせた食品を摂取することがよいだろう。しかし、そ前駆体からイントロン部分の切り捨て（スプライシング）が行われてエキソン部分が連結し成熟 mRNA となる。スのためには食品の機能を正しく知らなくてはならない。食品は薬品とは異なり即効性がない場合が多く、劇的な変化

プライシングの位置・組み合わせによって、複数の成熟
mRNA ができ、構造の異なるタンパク質（スプライシングをもたらさないことから、従来利用されてきた健康診断項
目（例えば、血中コレステロールなど）ではその効果を検

バリアント）ができる。スプライシングバリアントも疾病と関連しており、そのほとんどが遺伝子産物異常によるも出するのが難しいという問題があり、食品機能性評価に適した指標が必要である。

のと報告されている。つまり、スプライシング異常によってできた機能欠損タンパク質や細胞障害性タンパク質に１．１

よって疾病が引き起こされる。また、老化やメタボリック
シンドロームの原因のひとつとなる肥満においてもスプ

１．

はじめに

遺伝子発現

食品機能性評価グループでは、新規の指標として遺伝子発現に着目し、遺伝子発現レベルの食品摂取後の変化を捉ライシング異常が引き起こされることが報告されており、選択的スプライシングの破綻が加齢や代謝疾患の重要なえてきた。これまでにメープルシロップやその抽出液、自然薯ムカゴおよびアミノ酸混合溶液などの摂取後の遺伝プログラムを規定する可能性がある 6,7)。
本研究では遺伝子発現調節に着目し、遺伝子発現調節に

子発現変動を捉え、発表してきた 1-5)。

関連する因子やスプライシングバリアントが新規の食品
機能性評価用指標として利用可能であるかを検討した。

１．２

遺伝子発現調節

これまでの研究から食品が遺伝子発現に影響すること

２．

は明らかであるが、遺伝子発現は DNA から RNA に転写される段階からタンパク質の翻訳後修飾までの間の様々２．１

な段階で調節されている。食品機能性を評価するためのより鋭敏に応答する新規指標を定めるためには様々な遺伝実験には高脂肪負荷により生活習慣病を模倣した未病
モデル動物を用いた。動物は通常脂肪餌で一週間馴化した子発現調節段階をターゲットとしてとらえる必要があると考えられる。

のち 2 群に分け、それぞれに通常脂肪餌（通常脂肪群）または高脂肪餌（エネルギー比 45％、高脂肪群）を投与し、ヒトの場合、ゲノムのほとんどが転写されるが、タンパ
ク質コード領域はゲノム全体の 2%程度であり、転写産物

4 週間飼育した。なお、飼育期間中の餌と水は自由摂取とした。4 週間飼育後、採血および採材した。採材した肝臓の多くはタンパク質をコードしていない RNA（non-coding
RNA; ncRNA）である。ncRNA のひとつに miRNA があり、からは Total RNA を抽出し DNA マイクロアレイ（Clariom
D, mouse, Thrmo Fisher Scientific）を用いて mRNA を分析

mRNA の発現制御に関与するとともに、血液に乗って全身を巡る特性から疾患や治療のバイオマーカー候補でもあした。
階層的クラスター解析の結果、高脂肪群と通常脂肪群でる。また、long non-coding RNA (lncRNA)は、100～200 塩基以上の ncRNA であり、タンパク質をコードする mRNA

クラスターに分離され、高脂肪の影響が肝臓の遺伝子発現に影響していることが確認された。変動遺伝子については、と同等かそれ以上の数が存在するといわれている。
lncRNA は未知の部分が多いが、クロマチンルーピングや

これまで実施してきた実験結果と同様に脂質代謝特にコレステロール関連が多数得られた（図１）
。

215

実験と結果
遺伝子発現解析KISTEC研究報告2021

【研究開発部】食品機能性評価

KISTEC研究報告2021216

【研究開発部】食品機能性評価

２．２．スプライシングバリアント分析化が生じる場合もあるため、その生成が生体への影響を測るための指標となる可能性があると考えられた。

ス プ ラ イ シ ン グ バ リ ア ン ト 分 析 は Thermo Fisher
Scientific の Transcriptome Analysis Console 4.0 ソフトウェ

今後、さらに詳細な解析を進めるとともに、経時的な変化や今回得られた新規の食品機能性評価用指標候補が実アを用いて行った。
その結果、選択的スプライシングが起こっている遺伝子

際に食品や食品成分でどのような動きとなるか検討予定である。

は約 1,250 個得られた。この中で、non-coding ではなく遺伝子発現解析で変動なしの遺伝子は約 1,000 個であった。

【参考文献】

発現変動しない遺伝子はこれまでは摂取物の影響を受けない遺伝子であるとされてきたが、このように選択的スプ

1. A Kamei et al., Mol Nutr Food Res, 61, doi:
10.1002/mnfr.201600477. (2017).

ライシングが起きており、複数のバリアントが生成されていることがわかった（図 2）。また、変動遺伝子であって2. F Shinozaki et al, Mol Nutr Food Res., 64, doi:
10.1002/mnfr.202000284 (2020).

も複数のスプライシングバリアントが生成される例もあった。

3. F Shinozaki et al, Genes Nutr, 11, 21 (2016).
4. A. Kamei et al, Biosci Biotechnol Biochem, 79, 1893-1897

本試験で得られた遺伝子発現変動がなく、選択的スプラ
イシングが起きた遺伝子は指標候補と考えられた。

(2015)
5. Y Watanabe et al, Biosci Biotechnol Biochem, 75, 2408-2410

３．

(2011)
6. E Latorre, LW Harries, Aging Res Rev, 36, 165-170 (2017)

考察及び今後の展望

7. D Kaminska et al, Obesity, 24, 2033-2037 (2016)

以上の結果から、食品摂取後に発現変動しないとされていた遺伝子であっても、転写後の制御を受けていることが明らかとなった。スプライシングバリアントは機能的に変217

KISTEC研究報告2021

【研究開発部】食品機能性評価

未病と食の脳活動評価試験法の確立
亀井

１．

はじめに

飛鳥、篠﨑

文夏、嶋田

耕育

作用とその作用メカニズムを明らかにしてきた。いずれも神奈川県立産業技術総合研究所では、これまでに食品機能性研究として、主に動物を対象とする評価を実施してきトランスクリプトーム解析（網羅的な遺伝子発現解析）により実施してきた。例えば、桑の葉の脂質代謝に及ぼす作た。これらの研究成果や評価技術を応用し、現在はヒト試
験、特に未病という観点から評価する研究へと展開しつつ用 (1, 2)、サラシア属植物の免疫に及ぼす作用 (3, 4)、ビフィズス菌の脂質代謝に及ぼす作用(5, 6)、短鎖フルクある。これまでの研究対象の多くは、メタボリックシンド
ロームの緩和・改善作用を期待し、その作用メカニズム等

トオリゴ糖の脂質代謝に及ぼす作用 (7)、アミノ酸混合液の作用 (8)、栄養素の一つである鉄の摂取量の違いが身体を明らかにすることを目指すものであった。一方、昨今ではメタボリックシンドロームに加えて、脳や運動機能、免に及ぼす作用 (9, 10)などである。さらに、食品の機能性成分について、その効果を発揮する至適な量があることも疫機能に対する作用への期待も高まっている。例えば、機
能性表示食品には、体脂肪等に加えて記憶、ストレス、疲

明らかにした。これはメープルシロップの機能性評価研究において見出された（11, 12, 13）。

労、関節といったキーワードが並ぶ。食品の多岐に亘る機能性について少しずつ解明し、その情報を活用して生活に１．３

取り入れることで、健康寿命の延伸や生活の質（QOL）の向上に繋がると期待される。本稿では、食品の機能性評価

私たちは日常生活の中で様々なストレスを受けている。
例えば厚生労働省の平成 28 年国民生活基礎調査の概況に研究の一環として、脳機能、なかでもストレスや疲労に対する作用を評価する試験と脳波計測技術とを融合させた

よると、世代に関わらず日本人の約半数がストレスを抱えながら生活をしているとあることからも、ストレスは非常評価方法の確立に向けての取り組みを紹介する。

に身近にあり、認識されていることがわかる。ストレスは
必ずしも身体にとって負の影響を及ぼすものではなく、う１．１

未病とその評価

脳機能と食品未病は、病気ではないが、健康でもない状態であり、例

まく活用することで健康維持に貢献するものでもあるが、それを逸脱するような過度のストレスや継続的なストレ

えば日本未病システム学会では「自覚症状はないが検査では異常がある状態」と「自覚症状はあるが検査では異常がス負荷によって健康を損なうものでもある。また、ストレスと密接な関係にある疲労についても 2004 年の文部科学ない状態」とを合わせたものと定義している。健康状態から病気に至るまで、身体の中は徐々に変化するが、このわ

省の大阪地区を対象にした疫学調査によれば、対象者の半数以上が疲労を感じているという結果であった。疲労は作

ずかな変化、すなわち病気に至る兆しを捉え、対策を講じることが病気の予防の一つであると考えられる。このわず

業効率の低下やひいては病気の原因にもなり得る。すなわ
ち、ストレスや疲労は脳の未病状態であり、その軽減は現

かな変化は、既存の手法では検出が難しいため、未病を評価するにあたり新たなマーカー分子の探索が必須である。

代社会において急務である。そのためには生活習慣の改善が不可避であり、そこには食が大いに貢献すると期待され１．２

る。
2018 年度には、2 つの食品素材（それぞれの対照食との未病と食品

１．１にて述べたように、未病は病気に至る前の状態である。そのため、医薬に頼る段階ではないが、未病から病

比較）、PC 上で実施する 3 種類の脳活動指標テストを準備し、それぞれの組み合わせの合計 6 パターンをそれぞれ実気に至ることのないように講じるべき対策に、食品の機能性の寄与への期待が高い。食品にはそれぞれに様々な機能施した。その結果、脳活動指標テストの成績に食品によって成績に影響を及ぼす脳活動指標テストの種類が異なるがあるが、そのほとんどにおいて、摂取することによる身体の中の変化はわずかである。しかし食品は日常的に摂取ことが示され、報告した。一つの素材はテスト成績の向上、
主観的疲労蓄積の低下等の期待していた作用であり、もうするものであるため、そのわずかな変化が重要な意味を持つと考えられる。例えばわずかな変化の積み重ねにより大一つの素材は、主観的疲労度には作用しないもののテスト
成績に影響を及ぼすというものであった。
2019 年度には、

きな変化となる、あるいはわずかな変化を繰り返すことにより、病気への進行を遅らせるといったことなどが期待さ2018 年度に作成、実施した試験において疲労度回復に加えてより顕著な試験成績向上を示した組み合わせの食品れる。
KISTEC ではこれまで、主にメタボリックシンドローム

素材＋脳活動指標テストにて再度試験を実施するとともに、そこに血液トランスクリプトーム情報を組み込み、詳やその予備軍を想定した条件下において、食品による改善

細な解析へと展開し、報告した。血液トランスクリプトー

KISTEC研究報告2021

218

【研究開発部】食品機能性評価

ム解析では、疲労時に変動するとの報告のあるタンパク質への翻訳制御関連因子の動き等が抽出され、早期疲労の変化を捉えたことが示された。
このようにトランスクリプトーム解析から、計算テスト
実行することによって生じた生体の変化（時間変化への応
答も含む）、及びそれに対する食品による作用としての変化、また計算テストの成績の差異を有意な差をもって明確に捉えることに成功したが、一方で、それらと相関するであろう計算テスト実行中のリアルタイムな脳活動変化については未解明のままであった。そこで 2020 年度は計算テスト実行に伴うリアルタイムの脳活動変化を捉えるべ
く、簡易型脳波計を用いた脳波計測を実施した。その結果について報告する。
A、テスト B の双方を別日に実行いただき、データを取得

２． 実験と結果
２．１ 方法
２．１．１ 脳活動指標テストの選定した。本試験を通して得られたデータを KISTEC にて集計
し、東海大学の統計解析責任者を中心とする担当チームにて結論の確認を行った。
なお、試験結果は、それぞれの脳活動指標テストの成績

本試験では、PC を用いた 2 つの脳活動指標テストを選定して実施した。それぞれのテストは、次に示す 3 つの小テストを 1 単位とし、それを複数回実行することにより、疲労、ストレスを引き起こすものである。(1) テスト A：
計算方式の小テスト 2 つ、押ボタン方式の小テスト 1 つで1 単位を構成、(2) テスト B：異なるタイプの押ボタン方のほか、繰り返し試験実施に伴う疲労度の変化を主観的
VAS アンケートおよび脳波データを評価した。脳波の測定
データは、ノイズフィルター、フーリエ変換を経て周波数帯ごとのパワースペクトルを算出したものを解析に用いた。脳波データの計算については PGV 社にて実施した。

式の小テスト 3 つで 1 単位を構成、としている。テスト A
は主に注意の持続性を、テスト B は思考セットの変換を２．２評価する系であり、互いに試験の性質が大きく異なる。また、それぞれのテストでは、複数回の繰り返し実施に伴う結果

まず、脳活動指標テスト実行中の脳活動変化を捉える
目的で、周波数帯域毎のパワー値を算出した。下記は、脳活動指標テスト実行中のα波のパワー値の平均値の一例

疲労度を、visual analog scale （VAS）アンケートにより評価し、主観的な疲労蓄積を測定する。評価対象はそれぞれのテスト成績と疲労度 VAS アンケートの成績である。

を示したグラフであるが、大別して計算テストと押ボタン
テストとで異なることが示された（図２）。計算テスト実２．１．２ 脳波計の選定

行中はα波が全体的に低値を示す傾向にあり、押ボタンテ
ストにおいてはほぼ同程度の値に保たれていることが分

脳波は周波数分析を行う際、周波数帯域ごとに心の状態かる。このようにテストの性質の違いが検出されることが示された。

と相関する特徴が報告されている。例えばα波、β波、γ
波は順に高い周波数帯域を示し、多くは、α波ではリラッ

興味深いことに、脳活動指標テストの種類によって変動

クス状態、β波は覚醒時の意識との関連づけ、γ波はスト
レス、緊張や視覚情報処理などとの関連づけがなされている。本研究では、PC を用いたテストを実行することから、
視覚情報処理の要素も含まれること、緊張やストレス状態の測定も想定していることから、γ波の周波数帯域の測定もできること、また装着そのものがストレスとなることを避けること、を考慮し、簡易型脳波計（PGV 社）を採用することにした。
（図１）２．１．３ 試験実施
試験方法については KISTEC 立案とし、実施機関は東海大学とする共同研究にて実施した。東海大学では、伊勢原キャンパスにて学生を対象に募集を行い、試験説明に同意を得た方 10 名（途中辞退があり、最終的には 8 名）に参加いただいた。本試験は、2 つのテストのそれぞれの特徴を別々に抽出することを目指すものであるが、一方で脳波する周波数帯域が異なることが示される一方、これまでにには個体差が大きいことから、今回は同一の方に、テスト

疲労度の指標としてきた VAS アンケートの結果について

219

KISTEC研究報告2021

【研究開発部】食品機能性評価

は、テスト A、テスト B ともにほぼ同程度の値での推移をMorus alba L. (Mulberry) Leaf Extract in Hypercholesterolemic示しており、主観的な疲労感については両テストで同程度であることが示された。そこで VAS アンケートのデータ

Mice on Suppression of Cholesterol Synthesis. J Pharmacogn
Nat Prod 1:113.

と相関を示す脳波のデータを探索したところ、テスト A
についてはいくつかの周波数帯域において VAS アンケー

2. Kobayashi Y, Miyazawa M, Kamei A et al. (2010)
Ameliorative effects of mulberry (Morus alba L.) leaves on

トの結果との有意な相関が見出された。一方でテスト B
については VAS アンケートの結果との相関は見出されな

hyperlipidemia in rats fed a high-fat diet: induction of fatty acidoxidation, inhibition of lipogenesis and suppression of

かった。脳波の変化は、疲労やストレスだけでなく、視覚情報処理（γ波が出現しやすい）や計算等、複雑な情報処

oxidative stress. Biosci Biotechnol Biochem 74:2385-2395
3. Oda Y, Ueda F, Utsuyama M et al. (2015) Improvement in

理過程の結果をも反映したものであるため、一義的な解釈は難しいが、2 つのテスト実行への脳波の応答が明確に異Human Immune Function with Changes in Intestinal
Microbiota by Salacia reticulata Extract Ingestion: A

なること、それがリアルタイムに明確に検出されることが示され、その一部には、主観的疲労度が同程度でも、そのRandomized Placebo-Controlled Trial. PLoS One 10:e0142909.
4. Oda Y, Ueda F, Kamei A et al. (2011) Biochemical

質が異なることを如実に示す情報が含まれていたと考えられる。

investigation and gene expression analysis of theimmunostimulatory functions of an edible Salacia extract in rat

本結果は、食品介入試験において、脳活動指標テストに
脳波計測の組み合わせることの有効性をも示すものであsmall intestine. BioFactors 37:31-39
5. Kondo S, Kamei A, Xiao JX et al. (2013) Bifidobacteriumる。過去に実施した食品介入試験では、脳活動指標テスト実施に伴う主観的疲労度の VAS アンケートの結果から食

breve B-3 exerts metabolic syndrome-sippressing effects in theliver of diet-induced obese mice: a DNA microarray analysis.

品摂取による疲労軽減作用が示され、さらにテスト A においては血液トランスクリプトーム解析から疲労度・スト

Beneficial Microbes 4:247-251 Kondo S, Xiao JZ, Satoh T et al.
(2010)

レス軽減を裏付ける結果を得ていたが、本研究により見出された、VAS アンケートと脳波データの一部が相関すると

6. Antiobesity effects of bifidobacterium breve strain B-3
supplementation in a mouse model with high-fat diet-induced

いう結果は、脳波の解析結果が食品の疲労度軽減を示す客観的指標の一つとなることを示すものであった。

obesity. Biosci Biotechnol Biochem 74:1656-1661
7. Fukasawa T, Kamei A, Watanabe Y et al. (2010) Short-chain

３．

fructooligosaccharide regulates hepatic PPARa and FXR target
gene expression in rats. J Agric Food Chem 58:7007-7012

考察及び今後の展望

本研究により、これまでに食品の機能性評価系として確立した脳活動指標テストについて、実行に伴う疲労蓄積や

8. Shinozaki F, Abe T, Kamei A et al. (2016) Coordinatedregulation of hepatic and adipose tissue transcriptomes by the

ストレス惹起に対する特定の食品の効果を検出する際に、リアルタイムで測定できる客観的指標のひとつとして脳oral administration of an amino acid mixture simulating thelarval saliva of Vespa species. Genes Nutrition 11:21.

波データが有効であることが示された。過去にも、血液ト
ランスクリプトーム解析も客観的指標や作用メカニズム

9. Kamei A, Watanabe Y, Kondo K et al. (2013) Influence of ashort-term iron-deficient diet on hepatic gene expression

解明のために有効であることを示してきたが、それぞれに特徴があることから、食品の種類により、あるいは評価すprofiles in rats. PLoS One 8:e65732
10. Kamei A, Watanabe Y, Ishijima T et al. (2010) Dietary iron

る対象により組み合わせを変えながら使い分けていくことが重要であると考えられる。なお、脳活動指標テストに

deficient anemia induces a variety of metabolic changes andeven apoptosis in rat liver: a DNA microarray study. Physiol

血液トランスクリプトーム解析との組み合わせる評価方
法については、既に企業等からの評価依頼を受けて実施しGenomics 42:149-156.
11. Watanabe Y, Kamei A, Shinozaki F et al. (2011) Ingestedている。
当グループでは、動物を対象とする脳機能測定のための

Maple syrup evokes a possible liver-protecting effort －physiologic and genomic investigations with rats. Biosci

手法の高精度化も実施し、食品摂取によるわずかな差の検出を進めている。これまでは主にメタボリックシンドロー

Biotechnol Biochem 75:2408-2410
12. Kamei A, Watanabe Y, Shinozaki F et al. (2015)

ムへの作用についての研究を積み重ねてきた実績がある
が、脳機能に関しても同様に動物を対象とする試験（主にAdministration of a maple syrup extract to mitigate theirhepatic inflammation induced by a high-fat diet: aメカニズム解明）とヒト試験（現象）とを組み合わせ、両者を行き来しながら評価を進めていくことで、より効率的

transcriptome
79:1893-1897.

に、より詳細に食品の機能性を明らかにすることを目指す。

13. Kamei A, Watanabe Y, Shinozaki F et al. (2017)
Quantitative deviating effects of maple syrup extract【参考文献】

supplementation on the hepatic gene expression of mice fed ahigh-fat diet. Mol Nutr Food Res 61.

1 Kobayashi Y, Miyazawa M, Araki M et al. (2015) Effects of

KISTEC研究報告2021

220

analysis.

Biosci

Biotechnol

Biochem【研究開発部】食品機能性評価

業 績【原著論文】
1.

F.Shinozaki, A.Kamei, Y.Watanabe, A.Yasuoka,
K.Shimada, K.Kondo, S.Arai, T. Kndo, K.Abe
Propagule powder of Japanese yam (Dioscorea japonica)
reduces high-fat diet-induced metabolic stress in micethrough the regulation of hepatic gane expression.
Mol. Nutr. Food Res., 67, e2000284 (2020)

2.

T.Ichinose, H.Murasawa, T.Ishijim、S.Okada, K.Abe,
S.Matsumoto, T.Matsui, S.Furuya
Tyr-Trp administration facilitates brain norepinephrine
metabolism and ameliorates a short-term memory deficit
in a mouse model of Alzheimer’s disease.
PLOS ONE, 15, e0232233 (2020)

3.

S.Yamamoto, T.Kayama, M.Noguchi,-Shinohara,
Hamaguchi, M.Yamada, K.Abe, S.Kobayashi
Rosmarinic acid suppresses tau phosphorylation andcognitive decline by downregulating the JNK signaling
pathway.
NPJ Sci. Food, 5, 1 (2021)

4.

H.Asakura, T.Yamakawa, T.Tamura, R.Ueda, S.Taira,Y.Saito, K.Abe, T.Asakura
Transcriptomic and metabolomic analyses provide
insights into the upregulation of fatty acid andphospholipid metabolism in tomato fruit under drought
stress.
J. Agric. Food Chem. 69, 28 (2021)

阿部啓子“食と健康”の研究が拓く新側面
ロッテセミナー・企業セミナー、2020 年 9 月、埼玉

2.

阿部啓子
“食と未病マーカー”
同志社大学・授業サイエンスナウ「組換え、食、エセ
科学」、2020 年 10 月

3.

阿部啓子
R021「食と未病マーカー委員会」第 1 回研究会（キックオフ）にあたって
日本学術振興会産学協力委員会 R021「食と未病マー
カー委員会」第 1 回研究会（キックオフ）、2020 年 11
月、リモート4.

亀井飛鳥
食品の機能性を明らかにするために、第 1 回フードサ
イエンス情報共有セミナー、2021 年 2 月、
オンライン開催

5.

篠﨑文夏、亀井飛鳥、嶋田耕育、荒井綜一、阿部啓子
自然薯ムカゴ摂取の代謝に対する影響
日本農芸化学会 2021 年度大会、2021 年 3 月、
オンライン開催

貫間春圭、家山智子、長谷知輝、山下玲、山田正仁、
三坂巧、阿部啓子、小林彰子
ロスマリン酸摂取によるアルツハイマー病予防効果に伴い変動する microRNA のミクログリアに対する
機能解析
日本農芸化学会 2021 年度大会、2021 年 3 月、
オンライン開催

7.

永井俊匡、齊藤美佳、清水愛恵、齋藤芳和、安岡顕人、
阿部啓子、朝倉富子
長期間の咀嚼は視床下部の遺伝子発現の変化と血圧の低下をもたらす
日本農芸化学会 2021 年度大会、2021 年 3 月、
オンライン開催

8.

李善美、安岡顕人、永井俊匡、齋藤芳和、阿部啓子、
朝倉富子
幼若期における咀嚼刺激が記憶に与える影響
日本農芸化学会 2021 年度大会、2021 年 3 月、
オンライン開催

9.

森安珠、上田玲子、朝倉富子、阿部啓子
官能評価値をオトガイ舌骨筋の表面筋電位を用いて可視化する
日本農芸化学会 2021 年度大会、2021 年 3 月、
オンライン開催

10. 小松澤里帆、平修、岡田憲典、阿部啓子、山田正仁、
小林彰子
シソ科植物に含まれるロスマリン酸とその代謝物のマウスにおける体内分布
日本農芸化学会 2021 年度大会、2021 年 3 月、
オンライン開催【口頭発表】
1.

6.

【取材】
1.

221

阿部啓子
インタビュー 免疫を考える
ヘルスケアビジネス（株式会社ヘルスビジネスメディ
ア）、2021 年 1 月

KISTEC研究報告2021

【研究開発部】抗菌・抗ウイルス研究「抗菌・抗ウイルス研究」グループ
グループリーダー 窪田

吉信、石黒

斉

【基本構想】
本プロジェクトでは、「KISTEC 機器の共用化」による光触媒加工品やその他抗菌・抗ウイルス加工品による性能評価試験を行い、様々な企業や研究機関による抗菌・抗ウイルス加工品の研究開発を推進することを目的とした取り組みを行っている。また、JIS/ISO に基づいた性能評価試験だけではなく、それぞれの加工品や製品の特徴に合わせたオーダーメードの性能評価試験方法を提供している。性能評価の提供にあたっては、抗菌分野(JIS Z 2801)について ISO 17025 を取得しており、国際的に通用する評価機関として、日々その技術や品質の向上に努めながら、KISTEC で展開していく評価技術センター機能の構築に向けた取り組みを行っている。その他、新たな試験方法の提供に向けた取り組みや共同研究、自主研究を通じた新規 ISO/JIS の作成や抗菌・抗ウイルス効果を持つ新規物質の探索などの取組を続けている。

１．

2020 年度の研究目的

性がほとんどないことも明らかとしている。本検討では、

プロジェクト 16 年目となる 2020 年度についても、様々な活動を行ってきている。その中から、以下の各項目につ酸化モリブデンの高い抗ウイルス活性を維持したまま、可視光応答性を示す材料の作成について、検討を行った。更

いて、検討を行ってきた。

に、実環境に近い状態のウイルス付着状況における抗ウイ
ルス性能についても検討を行った。

(1) 抗菌試験室の ISO 17025 管理体制の整備・維持とKISTEC 機器の共用化

２．

ISO/IEC 17025 (JIS Q 17025)は、試験所及び校正機関がある試験や校正等を実施する能力があるとして認められる

以下に挙げるのは、2019 年度の具体的な研究成果であり、それぞれの項目について順調な成果を上げることが出認定を受けるための規格である。我々は、抗菌分野の中で、JIS Z 2801 について、ISO/IEC 17025 の取得しており、その来た。

管理維持を行った。
KISTEC 機器の共用化としては、昨年度より引き続き、(1) 抗菌試験室の ISO 17025 管理体制の整備・維持とKISTEC 機器の共用化

各企業や研究機関の研究開発に向けて、抗菌・抗ウイルス
性能評価の提供を行った。研究開発を進めている各企業や

KISTEC 機器の共用化として、提供した評価件数を図 1に示す。図 1 にあるように、年々と件数が増加しており、研究機関からは SARS-CoV-2 を用いた性能評価の要望が非常に多いことから、SARS-CoV-2 を使用出来る BSL3 施

さらにコロナウイルスの感染拡大により、2019、2020 年と大きな伸びとなった。このような急激な伸びは、国内に2020 年度の研究成果設を整備し、SARS-CoV-2 を用いた性能評価の提供に向けた取り組みを行った。
(2) 光触媒による抗バイオフィルム効果の検証
現在、抗菌製品技術協議会では抗バイオフィルム試験法の ISO 化に向けた取り組みが、進められている。一方で、光触媒加工品を用いた抗バイオフィルム試験方法は
現在確立されていない。そこで、本検討では、光触媒加工品を用いて、細菌が形成するバイオフィルムを抑制することが出来るかを確認し、標準試験方法開発に向けた検討を行った。
(3) 新しい光触媒材料の抗ウイルス活性に関する研究
これまでに、銅化合物や銀化合物以外に、高い抗菌・抗ウイルス活性を持つ金属化合物の探索を行い、酸化モ
リブデン(MoO3、MoO2)に高い抗ウイルス活性があること

図 1 受託件数の推移を見出している。一方で、酸化モリブデンには可視光応答

おける感染リスク低減に向けて、各企業、研究機関が精力

KISTEC研究報告2021222

【研究開発部】抗菌・抗ウイルス研究

的に抗菌・抗ウイルス加工製品の開発に取り組んだ結果とンと酸化チタンを組み合わせた材料(MoO3/TiO2)を作成し、考えられる。また、KISTEC を始め、国内の試験機関全体に性能評価の問い合わせや依頼が殺到したことにより、性その抗ウイルス効果の確認を行った。その結果、ネコカリシウイルス及びインフルエンザウイルスに対して、可視光能評価の結果報告まで、非常に時間を要することとなった。
そのため、出来るだけ迅速に結果の報告を行うための対応

照射下での高い抗ウイルス効果を認めた。このことから、新しい可視光応答形光触媒を作製することが出来ている。

が KISTEC を始め、国内試験機関の新たな課題となると考えている。

更に、試験室内の評価方法である JIS での評価方法に加えて、グローブボックス内に、各種試験サンプルを設置後、また、これまでに提供している抗ウイルス性能評価では
インフルエンザウイルス、ネコカリシウイルス、バクテリ

ウイルスを噴霧し、各種試験サンプルにウイルスを吸着させた上での抗ウイルス効果の確認を行った。この方法によオファージを対象に抗ウイルス評価となっている。一方で、これらの性能評価を行う中で、新型コロナウイルス

り、実環境中におけるウイルスを含む飛沫がサンプルに付着する状況を模擬した試験を行うことが出来た。その結果(SARS-CoV-2)を用いた性能評価の要望が非常に高まってきていた。そこで、その要望に応え、SARS-CoV-2 を用いから、実環境中に近い条件下においても、MoO3/TiO2 はは抗ウイルス活性を発揮することを見出した。更に、酸化モ

た性能評価を可能とするために、SARS-CoV-2 の取り扱いが可能な施設(BSL3 施設)の整備を進め、性能評価の提供

リブデンを始め、幾つかの酸化物について、共同研究を通じて SARS-CoV-2 に対する性能評価を行い、これまでに開に向けた取り組みを行った。具体的には既存の BSL2 施設の条件に加えて、個人認証による開錠とした二重扉の設置、発してきた各種酸化物の抗ウイルス活性を確認することが出来た。今後は、この材料の抗ウイルス活性を更に高め

差圧管理による BSL3 施設内を陰圧とした空調の整備などである。また、SARS-CoV-2 については、神奈川県衛生研

る方法について検討を進めていく予定である。

究所より、臨床分離株の供与を受け、その増殖条件の検討
や性能評価への応用について検討を行った。その結果、
KISTEC にて SARS-CoV-2 の取り扱いを可能とし、12 月
25 日より、SARS-CoV-2 を用いた性能評価試験の問い合わせに対応することが可能となった。現時点では、性能評価の対象となる加工品は平板状及び繊維状の状態に限っているが、今後液体加工品などについても、対象を広げるよう取り組みを続けている。
(2) 光触媒を用いた抗バイオフィルム形成抑制効果
光触媒は紫外光や可視光の照射下において、抗菌・抗ウ
イルス性能を発揮する。これまでに、その性能を応用して、様々な加工品の開発が進められてきた。また、バイオフィ
ルムに関しても、その抑制効果について、研究が進められてきているが、これまでの抗バイオフィルム研究は、それぞれの研究機関の独自の方法によっている為、その効果の比較が困難な状況であった。そこで、本検討で試験法の標準化を進めるための検討を行った。用いた光触媒は紫外光
応答形光触媒加工品及び無加工ガラス板であり、そこに、
表皮ブドウ球菌を用いて、バイオフィルムの形成を確認した。その際に、紫外光を照射し、バイオフィルムの形成抑制を確認した。その結果、紫外光を照射した紫外光応答形
光触媒加工品において、バイオフィルム形成抑制効果が得られた。一方で、紫外線強度を高くした場合、無加工ガラ
ス板及び紫外光応答形光触媒加工品の間で、大きなバイオ
フィルム形成抑制効果の違いは得られなかった。このとこから、光照射の条件や接種する細菌数など、今後より詳細を検討することで、光触媒加工品による抗バイオフィルム
抑制効果を評価する試験方法の開発へ結び付けていくことが重要と考えられた。
(3) 新規機能性物質の探索と抗ウイルス性能
MoO3 の可視光応答性を付与するために、酸化モリブデ

223

KISTEC研究報告2021

【研究開発部】抗菌・抗ウイルス研究

新型コロナウイルスを用いた性能評価の取り組み
永井 武

１．

はじめに

③

2019 年 末 に 中 国 の 武 漢 で 、 新 型 の コ ロ ナ ウ イ ル ス（SARS-CoV-2）による感染事例が報告され、その後、瞬HEPA フィルターを搭載し、差圧管理（BSL3 専用前室と BSL3 実験室が陰圧）できる空調設備の設置
各実験室の概略図を図 1 に示す。

く間に世界中に拡散された。そして、2020 年 3 月 11 日、
WHO が世界的な流行であるパンデミック宣言を出すに至った。日本でも、感染が拡大し、2020 年 4 月 7 日に一回目の緊急事態宣言が出された。この時、未知なる感染症の混乱の中、マスクや消毒剤などの感染症対策製品が全国的に品薄状態になった。ここで改めて、抗菌・抗ウイルス製品の重要性が認識されるとともに、これらの製品に対する信頼性が問われることとなった。特に市販の抗菌・抗ウイ
ルス製品の多くは、「雑品」の扱いとなり、医薬品医療機器等法の適用範囲外であることから、中には効果の低い製品も販売されている。そこで、抗ウイルスを謳う製品について、性能評価を行える試験機関の重要性が高まりつつある。
当研究所（旧公益財団法人

神奈川科学技術アカデミー）は、2016 年より、インフルエンザウイルス及びネコ
カリシウイルス（ノロウイルスの代替）を用いた抗ウイルス試験を開始しており、平板、繊維、光触媒及び液体などの様々な形状の試験品について抗菌・抗ウイルス性能評価を行ってきた。また、2020 年初旬より、抗菌・抗ウイルス製品を扱う企業からの評価依頼が急増し、さらに、これらの企業の多くが SARS-CoV-2 での評価を要望していた。
そ の た め 、こ れ ま での 経 験を 活 か し 、 2020 年 度 に 、SARS-CoV-2 を用いた抗ウイルス性能評価を立ち上げるため、以下のように、BSL3 実験室の整備及び、SARS-CoV-2を用いた抗ウイルス評価系の構築を行った。

１．１

SARS-CoV-2 の分類

図１ BSL3 及び BSL2 実験室の概略図と BSL3 の様子

SARS-CoV-2 は、感染症法の分類では四種病原体等であり、また、バイオセーフティレベル（BSL）の分類では、
BSL3 に該当するため、これらの基準を満たした実験室が２． 実験と結果
２．１ SARS-CoV-2 の培養及び感染価の測定必要となる。そのため、当初使用していた BSL2 実験室に加えて、新たに BSL3 実験室を新設することとなった。

SARS-CoV-2 を用いた抗ウイルス性能評価を行うためには、まず、ウイルスを培養し増やす必要がある。本検討で１．２用いた SARS-CoV-2 は、神奈川県衛生研究所より協力を受
け 、 分 与 さ れ た 臨 床 分 離 株 を 使 用 し た

BSL3 実験室について

BSL3 の実験室は、厚生労働省が推奨している「感染症法に基づく特定病原体等の管理規制」に基づいて設計を行

（SARS-CoV-2/Hu/KngFJ/23RD5 株）。宿主細胞は、Vero 細胞（ATCC CCL-81）及び Vero E6 細胞（ATCC CRL-1586）

った。特に、既存の BSL2 の施設基準に加え、主に、以下の仕様を追加し、BSL3 実験室を新設した。
①②

を用いて検討した 1。方法として、培養フラスコ（75 cm2）に宿主細胞を 100％コンフルエントになるように培養し、個人認証及び二重扉を有する BSL3 専用前室の設置
BSL2 実験室と BSL3 実験室の間にパスボックスを設

培地を除去した後、SARS-CoV-2 のウイルス液 1 ml を加えた（multiplicity of infection (moi) = 0.01）。33℃の CO2 イン

置

KISTEC研究報告2021224

【研究開発部】抗菌・抗ウイルス研究

キュベーターで、1 時間培養した。
（15 分おきに振盪する）

オファージを用いる JIS R 17063（紫外光）及び JIS R 17564

その後、MEM 培地（血清不含）10 ml を加え、33℃の CO2
インキュベーターで、5 日間培養した。この間の細胞の様（可視光）があり、これらと ISO21702 を参考に試験を行った。紫外光応答型光触媒加工ガラス、可視光応答型光触子を図 2 に示す。

媒加工ガラス及び無加工品に、滅菌水で 10 倍に希釈した
SARS-CoV-2 ウイルス液 150 μl を接種し、密着フィルムで密着させる。これらを安全キャビネット内の暗幕（図 4）にセットし、所定の照度または暗所で 2 時間静置した。そして、SCDLP 培地 1 ml によりウイルスを回収し、10 倍の段階希釈系列を作製した。これらを 6 穴プレートに培養した Vero 細胞に接種し、プラーク法によりウイルスの感染（図 5）価を測定した。

図 2 SARS-CoV-2 感染後の Vero 細胞

ウイルス感染後、はがれた細胞を含む培養液を‐80℃のフリーザーを用いて、凍結融解を 2 回行った。そして、遠心分離後、細胞沈査を除去し、上清を SARS-CoV-2 原液として‐80℃に保存した。
次に、ウイルスの感染価を測定するため、ISO217022 を参考に、プラーク法を用いて感染価の測定を行った。上記

図 4 安全キャビネット内の光照射装置のウイルス原液を MEM 培地で 10 倍の段階希釈系列を作製した。細胞用 6 穴プレートに、宿主細胞を 100％コンフ
ルエントになるように培養し、培地を除いた後、ウイルス
原液、及び各希釈液を 100 μl 加えた。33℃の CO2 インキュベーターで、1 時間培養した。
（15 分おきに振盪する）その後、寒天培地を重層し、33℃の CO2 インキュベーターで、
5 日間培養した。そして、ホルマリン固定後、寒天培地を除去し、メチレンブルーで染色した。ウイルスによって形成されたプラークの数を測定し、感染価を求めた。
（図 3）
図 3 Vero 細胞で培養した SARS-CoV-2 によるプラーク

図 5 光触媒サンプルによる抗ウイルス性能評価の流れ得られたプラークから、それぞれの感染価を計算した結果を図 6 に示す。

その結果、Vero 細胞で培養した方が、Vero E6 細胞で培養したものより、高い感染価の SARS-CoV-2 ウイルス原液（5.0×107 pfu/ml、pfu : plaque-forming units）。
が得られた。
これをウイルス液として性能評価に用いることとした。

２．２

図 6 SARS-CoV-2 を用いた光触媒抗ウイルス性能評価の結果

光触媒サンプルによる抗ウイルス性能評価

無加工品では、接種したウイルスがあまり減少することなく回収されていた。また、紫外光及び可視光応答型光触媒

光触媒サンプルによる抗ウイルス性能評価は、バクテリ

225

KISTEC研究報告2021

【研究開発部】抗菌・抗ウイルス研究によって、ウイルス感染価が大きく減少する結果となった。
特に、可視光応答型光触媒は、ハイブリッド加工であるため、暗所においてもウイルスの減少が見られた。
次に、同じサンプルを用いて、インフルエンザウイルスを用いて抗ウイルス性能評価を行った。SARS-CoV-2 とインフルエンザウイルスはともにエンベロープを有する
RNA ウイルスであり、構造上の類似性が見られる。そのため、これらを用いた抗ウイルス試験では、相関性のある結果が得られると考えられる。図 7 に、インフルエンザウ
イルス（A 型、H3N2 株）を用いた抗ウイルス性能評価の結果を示す。

しかし、これらの点は、抗ウイルス活性にはほとんど影響しないと考えられるため、当研究所では、今後
SARS-CoV-2 を用いた抗ウイルスは、上記の試験規格に準用する形で運用していく予定である。
なお、SARS-CoV-2 を用いた抗ウイルス性能評価サービ
スは、当研究所の広報誌である KISTEC NEWS（図 8）でも取り挙げられている。また、現在は、SARS-CoV-2 を用いた抗ウイルス性能評価は、平板及び繊維状のサンプルに限定しているが、今後、液体サンプルでも評価できるよ
うに整備していく予定であり、サービスを拡大していく予定である。

図 7 インフルエンザウイルスを用いた光触媒抗ウイルス性能評
価の結果

その結果、抗ウイルス活性自体は、SARS-CoV-2 よりも低いものの、暗所及び明所の感染価の関係性を見ると、高い相関があることが明らかとなった。

３．

考察及び今後の展望上記の通り、SARS-CoV-2 を用いた抗ウイルス性能評価を行える体制が整ったと考えられる。SARS-CoV-2 を用いた抗ウイルス性能評価系で重要と考えられる点は、既存のISO 及び JIS 規格と同等の条件であることである。特に、抗ウイルス製品を開発・販売する企業は、ISO21702（平板）、ISO18184（繊維）、JIS R 1706 及び 1756（光触媒）をもとに開発している。そのため、これらの試験規格と試験条件が大きく異なると、これまでの知見を活かすことができず、一からの開発となってしまう可能性が高い。そこで、当研究所では、これらの試験規格に準用する形で行える体制を整えた。特に、上記試験規格と同じ条件とすべき、重要な点は以下が挙げられる。
① 試験ウイルス液は、無血清で、かつ同じ培地で調整し、滅菌水で 10 倍に希釈したものを用いる② 試験サンプルからウイルスを回収する際は、SCDLP
培地を用いる③ ウイルスの感染価は、プラーク法（もしくは TCID50法）で測定する。特に、試験ウイルス液の調整については、抗ウイルス活性に大きく影響を与えると考えられるので、最も重要な点である
一方、SARS-CoV-2 を用いた性能評価の場合、既存の規格と条件を合わせることが出来ない点もあり、当研究所
では以下が挙げられる。
① ウイルス及び宿主細胞が異なっている② ウイルス液の濃度が、既存の規格に比べ約 1/10 程度
である③ 回収液の量を 1 ml とした（繊維サンプルでは 10 ml）

KISTEC研究報告2021

226

図 8 KISTEC NEWS Vol15 の表紙【参考文献】
1.

Jennifer Harcourt, Azaibi Tamin, Xiaoyan Lu, Shifaq

2.

Kamili, et al. , Emerg. Infect. Dis., 26(6):1266 (2020)
ISO 21702 (2019) “Measurement of antiviral activity on

3.

plastics and other non-porous surfaces.”
JIS R 1706 (2020) “ファインセラミックス―光触媒材
料の抗ウイルス性試験方法―バクテリオファージＱβを用いる方法”

4.

5.

JIS R 1756 (2020) ”ファインセラミックス―可視光応
答形光触媒材料の抗ウイルス性試験方法―バクテリ
オファージＱβ を用いる方法”
ISO18184 (2014) ” Textiles－Determination of antiviral
activity of textile products”

【研究開発部】抗菌・抗ウイルス研究

光触媒を用いたバイオフィルム形成抑制効果
石黒 斉

１．

はじめに

多くの細菌は、一般的な生活環境において、様々な表面行い、10W の BLB ランプを恒温培養器内に設置し、その下部に細菌液を入れたプラスチックケースを置いてから、に付着し、増殖していく。その結果として、水回りのぬめりなどのバイオフィルムが形成される。このようなバイオ

48 時間 35℃の条件で光照射を行った。照射強度は、0.4
mW/cm2 及び 0.8 mW/cm2 の条件とした。

フィルム内で増殖した細菌が基材表面から剥離し、エアロゾル等として環境中に放出されることにより、院内感染の２．１．３

原因や循環式浴槽、公衆浴場等におけるレジオネラ症の原因となっている。そのことから、バイオフィルム形成の抑

48 時間光照射を行った後、バイオフィルムの形成について、確認を行った。始めに水で試験片を洗浄し、その試制や除去方法の確立は医療分野や公衆衛生分野における重要な課題となっている。

験片を 0.1%のクリスタルバイオレットで染色した。染色
後、クリスタルバイオレットを溶出し、その吸光度を測定

光触媒は光があたる事で、抗菌効果や超親水性を発揮す
る機能性物質であり、様々な分野で応用されており、そのした。

機能を評価する各種標準試験法も開発されており、実際の研究開発の現場で使用されている。一方で、バイオフィル

２．２ムの形成に関する標準試験方法は確立されていない。そこ
で、本検討では、標準試験方法の作成に向けた取り組みとるように、試験片の表面が白っぽくなっており、バイオフ
ィルムが形成されていることが確認できる。

バイオフィルムの確認結果

図 1 に、48 時間反応後の試験片の一例を示す。図にあして、光触媒によるバイオフィルム形成抑制効果を検討し
た。

２．

実験と結果

２．１

実験方法

基本的な実験方法としては、抗菌技術製品協議会より報告されている試験方法(1)を参考にして行った。具体的に使用した材料等は以下の通りである。

２．１．１

材料

対象とした細菌は表皮ブドウ球菌(S. epiderimidis, ATCC
35984)を用いた。細菌液の作製方法は、以下の通りである。
始めに、細菌を寒天培地で一晩培養し、増殖したコロニーを 1/5TSB 培地に移植して、一晩培養した。得られた培養液の細菌数を 106/ml 程度になるように 1/5TSB 培地で希釈

図 1. 48 時間反応後の試験片の様子

これらの試験片をクリスタルバイオレットで染色、風乾させたものが図 2 となる。それぞれ、図 2(a)は無加工品の暗所静置群、図 2(b)は無加工品の光照射群、図 2(c)は光触媒
加工品の暗所静置群及び図 2(d)は光触媒加工品の光照射

し、細菌液とした。
本検討で用いた試験片は、光触媒加工品は酸化チタンを群である。無加工品については、図にあるようにクリスタ
ルバイオレットにより、はっきりと染色されており、バイコートしたガラスを用い、対照として、酸化チタンをコー
トしていないガラス(無加工品)を用いた。それぞれのサイ

オフィルムの形成が認められる。また、光触媒加工品についても、暗所静置群ではしっかりとクリスタルバイオレッ

ズは 2.5 cm 角として、他の細菌等の汚染を防ぐため、これら表面をエタノールで拭いてから、検討に用いた。

トによる染色が認められており、バイオフィルムが形成されていることは明らかである。一方で、光触媒加工品に光照射を行った群では、多少の染色がみられるものの、明らかにバイオフィルムの形成が抑制されていることが見て２．１．２ 光照射条件
各試験片は 5 cm 角のプラスチックケースに入れた後、細菌液を 20 ml 入れてから、光触媒加工品の抗菌効果を評取れる。
次に、これらの染色した試験品からクリスタルバイオレ

価する規格である JIS R 1702(2)に規定されている保湿ガラ
スをかぶせ、光照射を行った。光照射は恒温培養器の中でットを溶出し、その吸光度を測定することで、バイオフィ

227

KISTEC研究報告2021

【研究開発部】抗菌・抗ウイルス研究

ルムの形成量を確認した。その結果を図 3 に示す。無加工品及び光触媒加工品の暗所群については、2 群の間に大きな差は認められなかった。0.4 mW/cm2、0.8 mW/cm2 の光照射を行った群については、暗所群と比較して、すべての群で吸光度の値が減少していた。また、0.4 mW/cm2 の光照射群では、同じ光照射を行った無加工品の群と比較して、
光触媒加工品における吸光度の値がより減少していることが確認できた。一方で、0.8 mW/cm2 の光照射を行った群においては、無加工品及び光触媒加工品との間に明確な差は認めず、またその吸光度の値は 0.4 mW/cm2 の光照射を行った光触媒加工品と同程度の値であった。
(a)

図 3. 吸光度測定の結果ためには、更に強い光照射や反応時間が必要と考えられる。
今後、本検討を基に、様々な条件下での検証をさらに進(b)めていく。具体的には、以下の通りである。
①

接種する細菌数の違いによる影響
本検討では、確実にバイオフィルムが形成されるよう、非常に多くの細菌数を接種した。そのため、細菌数を減らした条件で検討を行い、より効果を確認しやすい(c)

細菌数を探索する。
②

光照射の時間の違いによる影響
本検討では、48 時間の照射時間におけるバイオフィ
ルムの形成について確認した。今回の結果から、暗所群について、48 時間で十分なバイオフィルムの形成(d)が認められた。そこで、より短い時間での評価を行う。
③

一方で、0.8 mW/cm2 では、光照射による影響と思われるバイオフィルム形成抑制が認められている。そこで、

図 2. クリスタルバイオレット染色結果

３．

照度を更に細かくした条件で検討を行い、無加工品におけるバイオフィルム形成能を抑制しない照度の探考察及び今後の展望索を行う。

以上の結果から、光触媒反応により、バイオフィルム抑制効果を得ることが出来ることが明らかとなった。一方で、強い光を照射した群においては、無加工品及び光触媒加工品のどちらについても、明確な差を認めなかった。このこ④

光触媒の種類の違いによる影響
今回用いた光触媒は紫外光応答形光触媒である。一方で、現在は可視光応答形光触媒の開発が進んでおり、更にはハイブリッド型と呼ばれる、暗所においても抗とから、光照射の強さが、バイオフィルムの形成に影響を与える可能性が示唆された。また、光触媒加工品に光照射を行った群について、薄いながらもバイオフィルムの形成が認められている。このことから、光触媒反応によって、バイオフィルムの形成を抑制する機構としては、表面上の抗菌作用によって、バイオフィルムの形成時間を遅らせて菌効果を発揮する光触媒加工製品も開発されている。
これら様々な光触媒加工品を用いて、バイオフィルム
形成抑制効果の検討を進める。
以上のような、項目について、更に検討を進めていき、
光触媒加工品による抗バイオフィルム性能評価方法の開いることによるものと推測された。そのため、一度バイオフィルムの形成が開始された場合、その形成を遅らせるこ

発へとつなげていくことを計画している。また、抗菌製品
技術協議会が進めている抗バイオフィルム試験法の ISOとは出来るが、形成されたバイオフィルム自身を分解する

KISTEC研究報告2021

光照射の照度の違いによる影響
本検討では 2 条件での光照射条件での検討を行った。

228

【研究開発部】抗菌・抗ウイルス研究化について、ISO 規格として成立した際には、それらの試
験方法も取り入れながら、新しい光触媒性能評価方法として、確立を目指していく予定としている。

【参考文献】
1.

抗 バ イ オ フ ィ ル ム 試 験 法 に つ い て . 2017 年
度 SIAA 委 員 会 活 動 報 告 会 . 平 成 30 年 01 月
29 日 .

2.

JIS R 1702:2020 フ ァ イ ン セ ラ ミ ッ ク ス ー 光
触媒抗菌加工材料の抗菌性試験方法及び抗菌効果. 一般財団法人 日本規格協会.

【謝辞】
本検討にあたっては、公益財団法人東京応化科学技術振興財団からの第 34 回「研究費の助成」として、助成を受け
て行った。

229

KISTEC研究報告2021

【研究開発部】抗菌・抗ウイルス研究

酸化チタンと酸化モリブデンを組み合わせた可視光応答型
光触媒材料の抗ウイルス活性に関する研究
砂田

１．はじめに香矢乃、畑山

靖佳、永井

武、石黒

斉

2020 年から新型コロナウイルスによる感染症が世界中常に高い抗ウイルス活性が認められた。また、MnO2 は、バクテリオファージ Qに対しては、ほとんど効果を示さで蔓延し、パンデミックとなった。最後の切り札であるワ
クチン接種が進行しているが、感染症対策がまだまだ必要なかったのに対し、バクテリオファージ6 に対しては、
暗所下、光照射下とも低い抗ウイルス活性が認められた。

とされる社会状況である。感染症対策の一つとしてエタノールなどによる手指の消毒やドアノブに代表される人がこれらの結果は、抗菌活性を示すイオンをもつ金属酸化物
でも、抗ウイルス活性を示す金属酸化物は少なく、抗菌活

触る物の清拭による消毒が行われている。エタノールによる消毒は、即効性があるものの持続性はないため、1 日に性があっても、抗ウイルス活性をもつとは限らないことを示している。また、高い抗ウイルス活性を示した酸化モリ

何度も清拭が必要となる。そこで、持続性のある抗ウイルス剤でドアノブなどの表面をコーティングしておけば、エブデンは、光照射効果すなわち可視光応答性はほとんどな
いことも判明した。なお、酸化モリブデンは、抗菌効果を

タノール清拭と組み合わせることにより、持続性のある感染症リスク低減となる。本稿では、持続性のある新規の抗示すことは、すでに報告されている 3), 4)。
酸化モリブデンの高い抗ウイルス活性を生かしながら

ウイルス剤を開発しようとこれまで取り組んできた金属
酸化物の抗ウイルス活性について報告する 1), 2)。

可視光応答性を示す材料を作製できないかと、酸化チタンと酸化モリブデンを組み合わせた材料を調製した。その材

１．１

料の抗ウイルス活性について実環境に近い状態のウイル
スを対象に評価したので、紹介する。

金属酸化物の抗ウイルス活性

これまで、銅化合物や銀化合物以外の金属化合物の中に、抗菌・抗ウイルス活性が高い化合物を見出すために、抗菌効果を示す金属イオン、たとえば Fe3+、Ni2+、Sn4+、
Co2+、Al3+、Zn2+をふくむ金属酸化物を中心に抗ウイルス２． 実験と結果
２．１．抗ウイルス活性評価方法
モリブデン酸化物と酸化チタンを組み合わせた材料は、活性を評価した。評価に供した金属酸化物は、Fe2O3, MnO2,
CeO2, MoO3, MoO2, WO3, SnO2, NiO, ZnO の 9 種であり、こ酸化チタンを Na2MoO4 水溶液に浸漬、加温して 3 時間攪
拌しながら作製した。その後、水で洗浄し、100℃で乾燥

れらの粉体の抗ウイルス活性を、エンベロープをもたない
バクテリオファージ Q、ネコカリシウイルスならびにエ

し、それをサンプルとした。この粉体をガラスに担持して、抗ウイルス活性を評価した。

ンベロープをもつバクテリオファージ6、インフルエンザ
ウイルスを対象に、可視光応答性も調べるため白色蛍光灯

抗ウイルス活性評価は、基本的には JIS R 1756 に従って行った。対象ウイルスとしては、バクテリオファージ Q

照射下と暗所下で評価した。結果として、光照射下、暗所
下ともに、酸化亜鉛(ZnO)で弱い抗ウイルス活性が認めら(NBRC20012、宿主大腸菌(NBRC106373))、バクテリオフ
ァージ6(NBRC105899、宿主菌(NBRC14084))、ネコカリ

れ、さらに、酸化モリブデン(MoO3、MoO2)において、非シウイルス F-9 株(ATCC VR-782、宿主:CRFK 細胞(ATCC

図 1. MoO3/TiO2 の抗ウイルス活性(左；ネコカリシウイルスに対して、右；インフルエンザウイルスに対して)KISTEC研究報告2021230

【研究開発部】抗菌・抗ウイルス研究

CCL-94)) 並 び に イ ン フ ル エ ン ザ ウ イ ル ス (H1N1)
A/PR/8/34 株 (ATCC VR-1469 、 宿 主 :MDCK 細 胞 (ATCC

で可視光応答型光触媒をコーティングした材料の抗菌活性を測定したところ、JIS では、99.99%の抗菌活性をもっCCL-34))を用いた。ネコカリシウイルスやインフルエンザ
ウイルスの感染価は、TCID50 として求めた。光照射は、光ていた材料でも、実環境では 1 年を通して平均すると、50～95%の抗菌活性しか示さなかった。それは、上述したよ

源として白色蛍光灯(FL20SSW/18, MITSUBISHI)を TypeB
filter(380nm 以下の波長をカット)のもとで照射し、1000 lx

うに、実環境での菌やウイルスは、たとえばテーブル表面にホコリや手の皮脂などの他の有機物と共存し、水分もあの照度で行った。

まりない状態で付着しており、菌やウイルスの存在状態がJIS の場合とは異なるためと考えられた。

２．２．MoO3/TiO2 の抗ウイルス活性酸化チタンとモリブデン酸化物を組み合わせた材料

そこで、実環境に近い存在状態でのウイルスを対象にして、作製した MoO3/TiO2 の抗ウイルス活性を調べることを(MoO3/TiO2)を調製し、ネコカリシウイルス、インフルエ
ンザウイルスを対象として評価した結果を図 1 に示した。

試みた。実環境に近い状態のウイルスは、図 2 の左図に示した装置で調製した。すなわち、10-20％程度の湿度を保MoO3 単独での暗所下の活性が生かされ、暗所でも低い抗ウイルス活性が認められたが、1000 lx の可視光照射下でった 370 L のグローブボックス内に、MoO3 と MoO3/TiO2の粉末を担持したガラスサンプルを設置し、ネブライザー

は、ネコカリシウイルスについては、4 時間で検出限界まで感染価が低下し、高い抗ウイルス効果が観察された。までバクテリオファージ Q(2×109 pfu)をグローブボックス内に噴霧した。噴霧後、グローブボックス内のファンで攪た、インフルエンザウイルスに対しても光照射下で 2.0 以
上の抗ウイルス活性を示した。これらの結果は、本材料が拌し、ガラスサンプルにファージを吸着させた。吸着させたそのままの状態で、MoO3/TiO2 のサンプルは可視光 1000

可視光応答性を示すことを明らかにした。

lx 照射下と暗所下に置き、MoO3 のサンプルとコントロー
ルのガラスサンプルも暗所下に置き、それぞれの感染価を２．３．実環境に近い存在状態でのウイルスに対する抗ウイルス活性測定した。
図 2 右図にその測定結果を示した。コントロールのガラ

図 1 で示した抗ウイルス活性は、JIS R 1756 を参考に評価を行っているが、サンプル粉末にウイルス液を滴下し、スサンプルと MoO3 サンプルは、24 時間放置しても、感染価はおよそ 1 桁弱しか減少しなかった。また、MoO3/TiO2

密着フィルムで覆うことで、液中のウイルスをサンプルに接触させ、反応させる。一方で、実際の生活空間でのウイの暗所下に置いたサンプルも同様の減少率を示したのに対し、可視光照射下の MoO3/TiO2 サンプルは、24 時間で 2

ルスは、液中に存在しているのではなく、材料表面に吸着した状態で存在し、JIS での評価方法より水分が少ない状

桁以上の感染価減少が観察され、実環境に近いウイルスに対しても一定の抗ウイルス活性を示すことが明らかとな態で存在していると考えられる。そのため、JIS で測定した活性が、実際の生活空間に存在するウイルスに有効であった。
MoO3 単独の抗菌活性は、水分があれば漏出する MoO42-

るかを示すことは、真の抗ウイルス活性を知るうえで重要なことと思われる。以前携わっていた NEDO プロジェクのイオンと低い pH になる酸性(H3O+)によるものと報告があり 4)、MoO3 の抗ウイルス活性も同様の活性種が働いてト(2007 年～2012 年 東京大学で行われた NEDO の「循環社会構築型光触媒産業創成プロジェクト」（PL：橋本和仁いると示唆されるデータを昨年報告している。そのため、MoO3 の抗ウイルス活性を発現させるためには、水分の存教授（現 NIMS 理事長）
）で、病院や空港といった実空間在が不可欠であり、乾燥した表面では効果が得にくいと考図 2.実環境に近いウイルスでの抗ウイルス活性
左図；ウイルスを噴霧し、サンプルにウイルスを吸着させたグローブボックス装置、
右図；MoO3, MoO3/TiO2 の実環境に近いウイルスでの抗ウイルス活性231

KISTEC研究報告2021

【研究開発部】抗菌・抗ウイルス研究

えられ、今回の測定結果もそのメカニズムを支持している。
一 方 で 、 そ の MoO3 と 酸 化 チ タ ン と 組 み 合 わ せ た

MoO3 も 6 時間の反応で SARS-Cov-2 の感染価が検出限界となる抗ウイルス活性を示した 5)。

MoO3/TiO2 は、生活空間にある可視光が照射されれば、実環境に近いウイルスに対しても抗ウイルス活性を示し、実環境に近い存在状態のウイルスを調製した図 2 左図に示したグローブボックス装置は、空間にウイルスを噴霧

MoO3 の弱点が克服できたデータで得られた。MoO3/TiO2が真に抗ウイルス活性を持つことを示せたことは非常にできるので、空気清浄機などの抗ウイルス活性の性能も測定できる。当試験室では、そのような試験も受託している

重要な知見であると考えている。

ので、開発されている企業の方々に大いに利用して頂ければと思っている。

３．考察及び今後の展望
高い抗ウイルス活性があることを見出した酸化モリブ

また、実環境に近い存在状態の細菌に対する抗菌活性の評価方法は、可視光応答型光触媒材料に対して、日本が提デン(MoO3)と酸化チタンを組み合わせた新規の可視光応
答型光触媒材料 MoO3/TiO2 を創製し、その抗ウイルス活性

案した方法が ISO 化され、2020 年に ISO 22551 が成立している。

を JIS の評価方法でのウイルスと、実環境に近い存在状態
でのウイルスとを対象に評価を行い、実環境でのウイルス

本研究は、科研費(JSPS JP20K12251)のサポートによってに対しても抗ウイルス活性を示すことを報告した。現在の
コロナ禍に役立つ真に高い抗ウイルス活性をもつ材料の行った。ここに、感謝申し上げます。

創製を目指して、今後も本材料の抗ウイルス活性を高める
改善を行っていきたいと考えている。

【参考文献】

なお、本材料に関する特許が成立し、またある企業との共同研究により、フィルム材料として実用化を目指した研1093 (2020).
2. T. Ito, K. Sunada, T. Nagai, H. Ishiguro, A. Nakajima et al.,

究も行った。
また、東京工業大学中島研究室、奈良県立医科大学とのMaterials Letters. 290, 129510 (2021).
3. K. Krishnamoorthy, M. Premanathan, M. Veerapandian, S. J.

共同研究の中で、セリウムとモリブデンの複合酸化物(γ-Ce2Mo3O13: CMO)の新型コロナウイルス(SARS-Cov-2)

Kim, Nanotechnology, 25, 315101 1-10 (2014).
4. C. Zollfrank, K. Gutbrod, P. Wechsler, J. P. Guggenbichler,に対する抗ウイルス活性 2)を測定した際に、MoO3 単独の活性についても調べた。CMO には及ばなかったもののMater. Sci. Eng. C, 32, 47–54 (2012).
5. https://www.titech.ac.jp/news/2021/049124

KISTEC研究報告2021

1. M. Miyauchi, K. Sunada, K. Hashimoto, Catalysts 10(9),232【研究開発部】抗菌・抗ウイルス研究業績輔、落合 剛. 光触媒の DDS マテリアルとしての可能
性 と 医 療 応 用 . Drug Delivery System. 36(1):10-17,【原著論文】
1.

Motomura H, Ozaki A, Tamori S, Onaga C, Nozaki Y,
Waki Y, Takasawa R, Yoshizawa K, Mano Y, Sato T,
Sasaki K, Ishiguro H, Miyagi Y, Nagashima Y, Yamamoto

2021.

K, Sato K, Hanawa T, Tanuma S, Ohno S, Akimoto K.
Correlation between Glyoxalase 1 and Protein kinase C λ

4.

is predictive of poor clinical outcomes in late-stage breast
cancer. Oncol lett. accepted.
2.

3.

31(1):1-5, 2021.
5.

Miyauchi M, Sunada K, Hashimoto K.Antiviral Effect of
VisibleLight-Sensitive
Catalysis, 10, 1093 (2020).

CuxO/TiO2

Photocatalyst.

Nozaki Y, Motomura H, Tamori S, Kimura Y, Onaga C,

6.

宮内 雅浩、砂田 香矢乃. 可視光応答形光触媒とその抗菌・抗ウイルス機能. AndTech 書籍「抗菌・抗ウイルス技術の開発・評価と樹脂、繊維、塗料、フィル

PKCl expression is required for ALDH1A3-postive cancer
stem cell function and indicates a poor clinical outcome in

ム等への製品応用」第 6 節 ISBN978-4-909118-23-3

late-stage basal-like breast cancer patients. PLoS One, 15,e0235747 (2020).

【書籍】
1.

酒井 宗寿、石黒 斉、中島 章. 第３章 材料・表面の化学的効果を利用した撥水・撥油・親水化. ４ 酸化チタン光触媒による光誘起超親水性コーティング.

Matsumoto T, Sunada K, Nagai T, Isobe T, Matsushita S,
Ishiguro H, Nakajima A. Effects of cerium and tungsten
substitution on antiviral and antibacterial properties of撥水・撥油・親水性材料の開発動向. CMC 出版,
151-162, 2021.

lanthanum molybdate. Materials Science and EngineeringC, 117, 111323 (2020).
5.

砂田香矢乃、宮内雅浩. 銅担持酸化チタン光触媒材料の抗ウイルス活性とその評価. 技術情報協会 雑誌「研究開発リーダー」18(1), 18-21, 2021.

Kanai S, Ishihara Y, Ozaki A, Hara Y, Harada Y, Mano Y,
Sato K, Sasaki K, Ishiguro H, Ohno S, Akimoto K. High4.

岡本 隆太、石黒 斉、砂田 香矢乃. 飛沫粒子の拡散分布シミュレーション技術. クリーンテクノロジー.

2.

砂田 香矢乃、宮内 雅浩. 光触媒材料の抗菌・抗ウイルス活性とそのメカニズム. 技術情報協会書籍「抗菌・抗ウイルス性能の材料への付与、加工技術と評Kawahara T, Teramoto Y, Li Y, Ishiguro H, Gordetsky J,
Yang Z, Miyamoto H. Impact of Vasectomy on theDevelopment and Progression of Prostate Cancer:

価」269-278, 2021.

Preclinical Evidence. Cancers, 12, 2295 (2020).
3.
6.

Ito T, Sunada K, Nagai T, Ishiguro H, Nakano R, Suzuki Y,
Nakano A, Yano H, Isobe T, Matsushita S, Nakajima A.

【口頭発表】

Preparation and evaluation of cerium molybdates withantiviral activity. Materials Letters. 290, 129510 (2021).

1.

中島 章、砂田 香矢乃、永井 武、石黒 斉. 抗菌・抗ウイルス活性を有する撥水性複合酸化物. バイオイ

2.

ンダストリー 37(11):10-19, 2020.
2.

椎名(本村) 瞳、尾崎 綾栞、多森 翔馬、野崎 優香、
高澤 涼子、佐々木 和教、石黒 斉、宮城 洋平、長嶋
洋治、田沼 靖一、大野 茂男、秋本 和憲.
ステージ III-IV 乳癌における GLO 1 - PKCλ 共発現患

中島 章、砂田 香矢乃、永井 武、石黒 斉. 抗菌・抗ウイルス活性を有する撥水性複合酸化物. 塗装工学.

者は予後不良である.
第 79 回日本癌学会学術総会. 10 月, 広島.

55(11):1-12, 2020.
3.

砂田 香矢乃.
銅化合物光触媒の抗菌･抗ウイルス効果とその評価.
技術情報協会セミナー. 9 月, オンライン .

【総説】
1.

石黒 斉. 第 10 章 抗菌・抗ウイルス系性能評価方法.
光触媒実験法. 北野出版. 161-175, 2021.

3.

石黒 斉、砂田 香矢乃、永井 武、濱田 健吾、青木 大

砂田 香矢乃、畑山 靖佳、永井 武、中島 章、石黒 斉.
可視光下での酸化モリブデン担持酸化チタンの抗ウ

233

KISTEC研究報告2021

【研究開発部】抗菌・抗ウイルス研究

イルス活性について.
第 25 回シンポジウム「光触媒反応の最近の展開」．11
月, オンライン.
4.

伊東 拓朗、磯部 敏宏、松下 祥子、中島 章、砂田 香
矢乃、永井 武、石黒 斉.
モリブデン酸セリウムの作製とその抗ウイルス活性.
日本セラミックス協会 2021 年会. 3 月, 大阪, オンラ

5.

イン.
加藤 千尋、磯部 敏宏、松下 祥子、中島 章、砂田 香
矢乃、石黒 斉、永井 武.
CoOx 担持 Ce0.8Bi0.2O2-δ, Ce0.8La0.2O2-δ による水中 2-ナ
フトール分解および抗ウイルス活性.
日本セラミックス協会 2021 年会. 3 月, 大阪, オンラ

6.

イン.
中島 章、砂田 香矢乃、永井 武、石黒 斉.
撥水性と抗ウイルス活性を併せ持つ新規セラミック
ス材料.
日本セラミックス協会 2021 年会. 3 月, 大阪, オンラ
イン.

【特許】
(1) 国内特許出願

2件

KISTEC研究報告2021234

【研究開発部】戦略的研究シーズ育成事業

脳梗塞治療のためのスキャフォールド材料研究代表者：東京医科歯科大学

味岡逸樹【基本構想】
脳梗塞は手足の麻痺などの後遺症が残ることが多く、患者や家族の QOL を著しく低下させる社会問題となっている。脳梗塞には血栓溶解治療と血栓回収治療が有効であるものの、それぞれ発症から 4.5 時間以
内、8 時間以内に治療が限定され、特に、概ね発症 3 日後から 1 週間後の亜急性期から慢性期かつ重度の患者に対して治療効果のある、革新的な治療法開発が待ち望まれている。本研究では、亜急性期から慢性期の脳梗塞治療を目的とし、脳梗塞モデルマウスの運動機能回復能を発揮し、臨床応用可能な人工足場を開発する。上記目的を達成するために、脳内投与後に細胞足場として機能するペプチド分子集合体を創製し、機能性タンパク質を細胞足場に配向・徐放させる技術を開発し、脳梗塞モデルマウスにおける運動機能回復を目指す。血管内皮細胞増殖因子（VEGF）を連続投与すると齧歯類脳梗塞モデルで生じる運動機能障害が回復すると報告されていることから 1, 2、本研究開発では、VEGF を細胞足場から徐放させ、単回投与で治療効果を発揮する人工足場を開発する。

１．

研究目的
最近、血栓溶解治療と血栓回収治療の進歩がめざましく、

国内死因の第 3 位となっている脳血管障害は、虚血性の脳梗塞と出血性の脳出血とに大別される。中でも脳梗塞は発症から 8 時間以内の急性期治療の成績が向上している。
血栓溶解治療は、2005 年に国内で使用承認された組織型

全体の 75%以上を占め、一命をとりとめた場合でも後遺症が残る場合が多く、「寝たきり」の原因の 25%を占めていプラスミノゲン・アクティベータ（recombinant tissue-type
plasminogen activator: rtPA）を静脈内に投与することで、閉る。脳機能発揮の中心的役割を担う神経細胞（ニューロン）には、血管を介して酸素や栄養分などが供給されているが、塞した血栓を化学的に溶解させ、脳血流を再開させる治療法である。しかしながら、発症から 4.5 時間以内に使用が脳梗塞虚血によりニューロンの細胞死が起きる。脳ニューロンは皮膚の細胞や肝臓の実質細胞とは異なり増殖能に制限されており、実施率は約 5%、再貫通率は約 40%にとどまり、2%程度の患者にしか治療効果が得られていない。

乏しく、脳組織がほとんど再生しないため、手足の麻痺や言語障害などの後遺症が残ることが多い。脳血管障害の国

一方、血栓回収治療は、2010 年に国内で使用承認された
血栓除去デバイスを用いて、閉塞した血栓を物理的に取り内の患者数は約 100 万人、年間医療費は約 1.7 兆円であるが、20 年後には患者数が 2 倍になると予想されており、除き、脳血流を再開させる治療法である。しかしながら、こちらも発症から 8 時間以内に使用が制限されており、再脳梗塞患者の健康寿命の延伸が社会的にも経済的にも渇望されている（図 1）。

貫通率は約 80%と高いものの、
実施率は約 3%にとどまり、2％程度の患者にしか治療効果が得られていない（図 2）。

図 2：現状の脳梗塞治療

図 1：脳梗塞治療法開発の重要性

235

KISTEC研究報告2021

【研究開発部】戦略的研究シーズ育成事業

血栓溶解治療や血栓回収治療の対象外、あるいは治療効
果が認められなかった約 96%の患者に対する治療法開発

自己集合型ペプチドゲルは生体内の分解産物が均一なペプチドとなるため、安全性評価が容易で、臨床応用展開がが世界中で繰り広げられている。その中でも、多能性幹細胞や間葉系幹細胞を損傷脳内あるいは静脈内投与する再容易となる。
プロジェクト 2 年目となる 2020 年度は、以下の各項目

生医療の治験が国内外で最近開始した。しかしながら、自家移植の場合には品質安定性の問題、他家移植の場合にはを重点項目として研究開発を行なった。

拒絶反応のリスクの高さから、細胞を利用しない人工物のみで完結する治療法が望ましい。具体的には、生体内に残①新規ペプチド分子集合体の開発②全長タンパク質を細胞足場から徐放させる技術の開発存している細胞の潜在的再生能力を発揮させる材料が望
ましく、細胞の足場として機能する足場（スキャフォール

③脳梗塞モデルマウスの治療効果の検討

ド）材料が注目を浴びている。実際、再生医療の市場規模という視点からも、自家移植や他家移植に比べても規模が２．

大きい（図 3）。

以下に挙げるのは、2020 年度の具体的な研究成果であ
る。

研究成果

①ペプチド分子集合体の開発
我々は人工足場の材料として、ペプチドに着目した。両親媒性ペプチドは疎水性結合やイオン結合により集合体を形成するが、一部のペプチド集合体は、pH やイオン強度の変化でアミノ酸側鎖同士の相互作用が強まりゲル化する。すなわち、試験管内では溶液状で、体内投与後にゲ
図 3：スキャフォールド材料の市場規模ル化するインジェクタブル人工足場としても機能する。最もよく知られているペプチド分子集合体の 1 つに、アミノ損傷組織が再生する際には、再生組織に酸素や栄養分などを供給する血管網の再生も同時進行する。また、血管網

酸 16 個からなる RADA16（RADARADARADARADA）がある。しかしながら、RADA16 は粘弾性が高すぎるため、の再生を促進することで、損傷組織の再生自体が促進される。脳梗塞による損傷領域は、損傷した脳の潜在的再生能

ガラスキャピラリーによる脳内投与が困難であった。そこ
で我々は 2019 年度に、RADA16 よりも粘弾性が低く、脳力を発揮させるために必要な機能的な血管網に欠く。したがって、損傷した領域に血管網を再生させる戦略は再生環内投与が容易な RADA16 変異体で 16 番目のアラニンをグリシンに置換した RADA16(A16G)を創製した 3。しかしな

境を整備するという観点からも重要だと考えられる。実際、脳梗塞治療効果のある多能性幹細胞や間葉系幹細胞の移がら、RADA16 関連ペプチドは、酸性から中性に変化すると相互作用が強まるため、生理活性物質の失活や生体組織

植では、幹細胞が分泌する因子による血管新生促進が重要だと考えられている。血管新生は既存の血管から新しい血の損傷を惹起する酸性条件下で投与せざるを得ないという問題点があった。そこで我々は、超分子化学を専門とす管が生み出される現象で、新たに作られた新生血管は、細胞の生存や機能発揮に効果のある酸素や栄養素などを運る東京農工大学・村岡貴博教授と計算物理学を専門とする
北里大学・渡辺豪講師との共同研究にて、中性において炭搬する。血管新生に関与する因子は多数あるが、中でも血管内皮細胞増殖因子（VEGF）は血管内皮細胞の受容体に酸イオン存在下でゲル化する超分子ペプチド X を開発した（特願 2020-128805）。なお、知財保護の観点から、本研結合し、増殖や遊走などを促進し、血管新生に重要な様々な生物活性を担う。齧歯類の脳梗塞モデルにおいて、究報告書ではペプチド X の詳細な情報は割愛する。
まずはじめに、ペプチド X の分子集合体構造を分子動VEGF を脳室内に連続投与すると運動機能障害が回復することが知られており 1, 2、本研究では、VEGF を細胞足場

力学（MD）シミュレーションにて解析した。この解析では、1 辺 10 nm の立方体の中にペプチド X が水分子中で濃から徐放させ、単回投与で治療効果を発揮する人工足場を開発することを目的とした。

度 15%となるように初期構造を作成して、シミュレーショ
ンを行った。その結果、ペプチド X がファイバー状の集本研究開発におけるタンパク質徐放型細胞足場の分子設計の特徴として、従来のドラッグデリバリーシステム

合体形状を示し（図 4）、ゲル化することが予想された。
そこで、ペプチド X を Fmoc 法で合成し、炭酸イオン存（DDS）材料でよく使われる化学架橋材料ではなく、分子同士の非共有結合で徐放効果を発揮する材料とする点を在下における物性を CD スペクトル解析、動的粘弾性解析、
電子顕微鏡解析にて検証し、MD シミュレーション解析の挙げる。これはヒトへの臨床応用を指向する場合、生体内での分解産物に安全性が求められるが、化学架橋材料では結果と合致するかどうか検討した。その結果、シミュレー
ションで予想されたように、ファイバー状の集合体形状を分解産物の安全性を証明するのが困難で、臨床応用への壁が高いという点からの発想である。本研究開発で着目した示し、ゲル化することが明らかとなった（図 5）。

KISTEC研究報告2021236

【研究開発部】戦略的研究シーズ育成事業

ペプチド X が細胞接着性を持つことが明らかとなった。

図 6：ペプチド X の細胞接着能の評価②全長タンパク質を細胞足場に配向させる技術の開発
自己集合化したペプチド X に VGEF を非共有結合で配向させ、徐放させる技術開発を試みた。具体的な方法は知財保護の観点から記載を省くが、はじめに緑色蛍光タンパ
ク質 GFP を用いてペプチド X 集合体に非共有結合で配向

図 4：MD シミュレーションによるペプチド X の分子集合体予測させる技術と徐放させる技術を確立した。試験管内でのGFP 徐放量は ELISA 法にて評価し、徐放効果を確認した（特願 2020-146597）（図 7）。その結果、RADA16 に比べてペプチド X の方が GFP 徐放量が多いことが明らかとなった。また、データを示していないが、VEGF も同様の技
術で配向および徐放させることに成功した（特願 2020146597）。

図 5：合成ペプチド X のゲル化（上）と、電子顕微鏡解析（下）
図 7：ゲル化したペプチド X からの GFP 徐放評価

次に、ペプチド X の細胞接着性を検討した。1% のペプチド X 溶液 50 uL をチャンバースライドに滴下し、減圧乾③脳梗塞モデルマウスの治療効果の検討

燥でコートした。1.8x105 個の 3T3 細胞を 10%血清の含まれた DMEM 培地に懸濁し、ペプチドをコートしたチャン

VEGF を徐放するペプチド X を投与する実験では、中バースライドに播種し、CO2 インキュベーターで 30 分間
培養して接着させた。非接着細胞を PBS で洗浄して取り

大脳動脈遠位部梗塞（dMAO）モデルとローズベンガル投
与モデルの異なる 2 つの脳梗塞モデルにおける治療効果

除き、接着細胞を 4% PFA で固定して DAPI 染色した。その結果、シリコナイズ処理や未処理のチャンバースライドを検討した。
dMCAO モデルは以下のように作製した。 6 週齢のに比べ、ペプチド X コートで接着細胞数が増加し（図 6）、C57BL/6J マウスを 3%イソフルランで麻酔をかけ、右耳の237

KISTEC研究報告2021

【研究開発部】戦略的研究シーズ育成事業

下から目の付近まで皮膚を開けた。次に、側頭筋を切断し脳前方に向けて頭蓋骨から切り離し、頭蓋骨の上から右中定位装置にセットした。ブレグマの上下 4 mm が露出する
ように、頭蓋骨を覆う皮膚を開いた。ブレグマから「右方大脳動脈遠位部が確認できるようにした。中大脳動脈遠位部を覆う頭蓋骨をマイクロドリルを使って直径 1 mm 程度

0.7 mm, 前方 2.5 mm」、「右方 0.7 mm、後方 1.0 mm」、「右方 2.7 mm、後方 1.0 mm」、「右方 2.7 mm、前方 2.5 mm」の穴をあけ、中大脳動脈遠位部にアクセスできるようにした。微小ピンセットと微小血管焼灼器を用いて中大脳動脈の 4 点に印を付け、その周辺部を遮光テープで覆った。その後、10 mg/ml のローズベンガル溶液を 100 uL 腹腔内投遠位部を切断し、止血ガーゼを当てて止血した。2-3 分後に止血ガーゼを取り除き、ヒーターマットの上でマウスの与し、5 分後にハロゲンランプで上記長方形領域を 10 分
間照射した。照射後は皮膚を閉じ、ヒーターマットの上で回復を待った。手術 7 日後に歩行機能解析を行い、その後、
VEGF を徐放させる処理をしたペプチド X を損傷脳領域

マウスの回復を待った。
dMCAO モデル実験と同様に、手術 7 日後に歩行機能解に 2 uL 投与し、投与 7 日後に歩行機能解析を行った。具
体的には、亀甲金網の上で術後マウスを 10 分間自由に歩析を行い、その後、VEGF を徐放させる処理をしたペプチド X を損傷脳領域に 2 uL 投与した。歩行解析の結果、ロ

かせ、動画を記録し、総歩数と亀甲金網から足を滑らせた回数を測定し、足を滑らした割合を算出した（図 8）。なーズベンガル投与モデルにおいても、VEGF 徐放群は対照群（PBS 投与群）に比べて歩行機能が顕著に回復している

お、歩行機能解析は、名古屋市立大学・澤本和延教授と金子奈穂子准教授の協力を得て、実験系を立ち上げた。解析

ことが判明した（図 10）。

の結果、VEGF 徐放群は対照群（PBS 投与群）に比べて歩行機能が顕著に回復していることが判明した（図 9）。

図 10：ローズベンガル投与モデルの歩行機能解析

以上まとめると、新規ペプチド X の開発により、全長
タンパク質を細胞足場から効果的に徐放させることに成

図 8：脳梗塞モデルの歩行機能解析

功し、VEGF を徐放するペプチド X の脳内単回投与で治療効果を発揮することを明らかにした。本研究プロジェク
トは、2021 年度より有望シーズ展開事業「超分子ペプチドを用いた脳梗塞の再生医療プロジェクト」として引き続き研究開発を進めていく。
今後の展開を以下に述べる。
①ペプチド X を用いた脳梗塞再生治療への展開
非臨床 POC 取得を目指した開発を進めていく。具体的には、投与時期の確定、投与方法の確定、投与量の確定、製造方法の確定に加えて、再生メカニズムの解明も進めていく。投与時期に関しては、現在、慢性期脳梗塞患者への介入はリハビリに限られており、ペプチドの投与が慢性期でも効果があれば、本技術の価値が高まる。そこで、発症図 9：dMCAO モデルの歩行機能解析

7 日後以降にペプチドを投与し、機能回復効果のある最も遅い時期を決定する。投与方法に関しては、損傷中心部、損傷周辺部（ペナンブラ）、脳室内投与の 3 つを検討し、投与部位を決定する。製造方法に関しては、GMP レベル

ローズベンガルモデルは以下のように作製した。6 週齢の C57BL/6J マウスを 3%イソフルランで麻酔をかけ、脳KISTEC研究報告2021238

【研究開発部】戦略的研究シーズ育成事業

での製造を行う。
②超分子ペプチド（ペプチド分子集合体）のプラットフォーム技術化
高分子は低分子の共有結合で作られる。したがって、生体内での分解産物の分子構造が不明確で多様性に富み、生体内での安全性を証明することが難しい。一方、超分子
ペプチドはペプチドの非共有結合で作られるため、生体内での分解産物が原材料のペプチドとなる。我々は、物理／
化学／生物学の叡智を結集させて、所望の物性を持つ超分子ペプチドの設計方法を確立してきた。超分子ペプチドは脳梗塞治療薬以外への展開も期待され、今後は超分子ペプ
チドを多方面に展開させることも目指す。
参考文献
1. Zhang ZG, Zhang L, Jiang Q, et al. VEGF enhances
angiogenesis and promotes blood-brain barrier leakage in
the ischemic brain. J Clin Invest. 2000;106(7):829-838.
doi:10.1172/JCI9369
2. Sun Y, Jin K, Xie L, et al. VEGF-induced neuroprotection,neurogenesis, and angiogenesis after focal cerebral ischemia.
J
Clin
Invest.
2003;111(12):1843-1851.
doi:10.1172/JCI17977
3. Ishida A, Watanabe G, Oshikawa M, Ajioka I, Muraoka T.
Glycine Substitution Effects on the SupramolecularMorphology and Rigidity of Cell-Adhesive Amphiphilic
Peptides. Chem Eur J.
doi:10.1002/chem.201902083

2019;25(59):13523-13530.

239

KISTEC研究報告2021

【研究開発部】戦略的研究シーズ育成事業

業 績【原著論文】

樹, 村岡 貴博
二次構造変化を示す自己集合性ペプチドの開発と高強

1. Ishida A, Oshikawa M, Ajioka I, Muraoka T.
Sequence-Dependent Bioactivity and Self-Assembling
Properties of RGD-Containing Amphiphilic Peptides as

度ゲルの構築日本化学会第 10 春季年会

Extracellular Scaffolds
ACS Applied Bio Materials, 3, 6, 3605–3611, 2020,2021.3.21 オンライン【特許】【口頭発表】

1. 国内特許出願

2件

1. 味岡 逸樹
化学に立脚した神経再生研究

2. 外国特許出願

1件

第 13 回 神経化学の若手研究者育成セミナー
2020.9.9 オンライン
2. 味岡 逸樹, 村岡 貴博, 渡辺 豪
神経と血管の相互作用を人為操作する超分子ペプチド材料
第 63 回日本神経化学会大会
2020.9.12 ライブ配信
3. 味岡 逸樹, 村岡 貴博, 渡辺 豪
損傷脳の機能回復を能動的に制御するペプチド分子集合体材料の設計と評価
第 69 回高分子討論会
2020.9.17 オンライン
4. 矢口 敦也, 押川 未央, 渡辺 豪, 平松 弘嗣, 味岡 逸樹, 村岡 貴博
高い強度と刺激応答性を兼ね備えた超分子ペプチドゲ
ル化剤の開発と応用
第 10 回 CSJ 化学フェスタ 2020
2020.10.20-22 オンライン
5. 矢口 敦也, 押川 未央, 渡辺 豪, 平松 弘嗣, 味岡 逸樹, 村岡 貴博
膜タンパク質から着想した両親媒性ペプチドのゲル化
挙動2020 年 繊維学会秋季研究発表会
2020.11.6 オンライン
6. 味岡 逸樹
超分子ペプチドを利用した脳梗塞再生治療研究 -分野
融合研究の難しさと面白さ北里大学・第 35 回 若手 Lab・第 7 回 北里材料科学セミナー
2020.11.27 神奈川

7. 矢口 敦也, 押川 未央, 渡辺 豪, 平松 弘嗣, 味岡 逸

KISTEC研究報告2021240

【研究開発部】戦略的研究シーズ育成事業「セキュア量子基盤技術の研究」プロジェクト研究代表者：横浜国立大学

堀切智之【基本構想】
本プロジェクトは、グローバル情報通信の無条件安全性獲得を基本目標に、それを可能にする量子通信の長距離化技術開発を実施する。特に長距離量子通信用中継技術である、量子中継器の開発を、その要素技術となる量子もつれ光源・量子メモリ・波長変換システム・周波数安定化システムの各開発から統合まで実施することを具体的な目標とする。量子通信の長距離化とは、その基本リソースである量子もつれを、
いかに長距離間で効率的に共有できるかが重要である。量子もつれが共有できれば、それを用いた量子暗号通信（量子鍵配送）や量子状態事態を伝送する量子テレポーテーションが可能となる。さらに、遠隔地に配置された量子コンピュータ同士をつなぐ分散量子計算やクラウド量子計算の秘匿化（ブラインド量子計算）といった将来的に大きな期待を抱かれる技術群の基盤ともなる。
量子もつれ光源は量子もつれを離れた地点まで光ファイバーを用いて運ぶために必要である。また、量子メモリは送られてきた光（光子）の量子状態を一時保存しておくために用いる。さらに波長変換システ
ムは、光ファイバーを低損失で長距離伝送するため通信波長帯（波長 1.5 マイクロメートル）に生成された量子もつれ光子を可視光帯（0.6 マイクロメートル近辺）にある量子メモリ波長に変換するために用いる。最後に周波数安定化は、量子もつれ光子が安定的に狭い遷移周波数幅を持つ量子メモリに吸収保存されるために必須の技術である。これら各要素を結合することが量子中継器の基礎になる。本研究では、その設計のもと各パートを開発し統合する。

１．

隔たりが問題となる。そのため、多重化量子メモリ Pr:YSO

研究目的

プロジェクト２年目となる 2020 年度は、以下の各項目
を重点項目として開発を実施した。

の吸収波長およそ 606 nm に通信波長光子を波長変換するシステムが必要となる。その際、強い変換用励起レーザー(1) 量子もつれ光源の開発
量子中継器において光の量子状態を高レート・高効率伝由来のノイズが発生してしまうため、そのノイズ除去機構の搭載も重要になる。

送する量子もつれ光源が必要である。光ファイバー伝送後、伝送先中継ノードに設置される量子メモリへの高効率量(4) 周波数安定化技術開発
量子メモリの遷移周波数幅は 10MHz 以下であり、通常子状態保存を可能にするためには、狭い量子メモリ遷移周
波数幅に対応した、狭スペクトル幅量子もつれ光源が必要

光信号は長時間その程度の幅の中に居続けることができない。そのような周波数ドリフトをキャンセルし周波数をである。加えて該当スペクトルにおいて高い光子スペクト
ル密度をもつために、光共振器内で量子もつれ光子対発生

安定化するシステムをフィードバック制御により、各要素に実装する。

を起こすシステムを採用する。これにより、量子メモリ結合効率 100％を目指し、かつ低損失光ファイバー伝送可能

2．

な通信波長における量子もつれ光源を開発する。
(2) 量子メモリの開発ある。
(1) 量子もつれ光源の開発

量子中継器内に設置し、光量子状態を一時保存・再生する機能を持つ量子メモリ開発が必要である。中継器は、基量子中継に用いる量子もつれ光源に必要な性能として、中継ノードで用いられる量子メモリとの結合効率が高い

本的に中継ノードの反対側からくる通信の送信側と受信側からの光子の量子状態を保存する。片側の光子が早く到ことがある。本研究で開発する多重化量子通信用メモリ
Pr:YSO はその励起準位間間隔によって決定される最大の着した場合、一時保存することによってもう片方の光子を待ち、タイミングを合わせて量子通信の必須要素であり量メモリ可能吸収領域幅約５MHz を持つ。よって、量子もつれ光源はそれよりも狭いスペクトル幅をもつ必要があ

子中継器の目的である量子もつれ生成用の量子もつれ交
換操作（ベル測定）を行うためである。本研究では、高スる。本研究では１MHz を切るスペクトル幅を達成し、100％結合効率を目標とする。そのために、光共振器内でループット・長距離化へと重要な多重化通信用量子メモリ
開発を希土類添加物質を用いて実施する。

の量子もつれ光の発生を利用した。

(3) 波長変換技術開発
上記通信波長量子もつれ光源からの光子が、量子メモリ

図 1 は、開発もつれ光源の実験系セットアップである。

研究成果

以下に挙げるのは、令和 2 年度の具体的な研究成果で搭載中継ノードに届いても、量子メモリの吸収波長からの

241

KISTEC研究報告2021

【研究開発部】戦略的研究シーズ育成事業

図 1：量子もつれ光源概略図。

図 3．量子状態トモグラフィ結果。
（実部のみ掲載）。

まず、通信波長での量子もつれ光子対を生成するために、(2)量子メモリの開発
Pr:YSO 結晶を多重化量子通信用量子メモリとして開発

その倍のエネルギーを持つ光子（波長 757 nm）からなる励起レーザーを用意する（図中①）。その励起レーザーをすべく、単一光子信号の確定時間保存・再生実験を実施した。1 パルス当り平均光子数を 1 程度まで弱めたレーザー

図中②の光共振器に入射させ、量子もつれ光子対を生成す
る非線形光学媒質である周期分極反転ニオブ酸リチウム

光を入力にもちいた。Pr:YSO の吸収スペクトルに櫛上の吸収スペクトルを生成するため、制御レーザーの周波数変（PPLN）を励起する。ここで確率的に通信波長 2 光子が生成される。PPLN は 2 つ直列に並んでおり、どちらの調をほどこし、レーザー周波数において吸収飽和が起きてそれ以上吸収されない状態「ホールバーニング」領域を生

PPLN で生成されたかによって、2 光子が鉛直偏光か水平偏光をもつかが異なる。よってこれらの偏光を測定するま成した。この透明領域に、鋭い吸収スペクトルピーク群をつくることで、時分割多重量子メモリとしての機能が獲得では確定せず、2 つの偏光の重ね合わせである量子もつれ状態が生じる。これらの 2 光子は、共振器を周回したのち、できる。

いずれ右下の出力鏡から外に出ていく。図中③が、生成した 2 光子の検出系である。この検出系で 2 光子の時間相関を測定した結果が、図 2 である。

、
図 2：2 光子時間相関測定結果。横軸：2 光子時間差、縦軸：2
光子カウント数。共振器 2 光子源特有の櫛構造が保存されている。

図の横軸は、共振器から 2 光子が出てきた時間差に対応しRelative Frequency [MHz]ている。中央の一番高いピークが同時に出てきたことに対応する。各ピーク間隔は、共振器を 1 周するのにかかる時

図 4：Pr:YSO 吸収スペクトルに生成された櫛構造。縦軸：吸収係間であり、周回長を反映して約 8 ns となっている。これ
ら櫛で構成されている全体の包絡線は、共振器 2 光子の寿数（arbitrary unit.）、横軸：周波数.

命となっており、この逆数が 2 光子の線幅となる。本研究で、我々は 1MHz を下回る線幅を達成した。この結果によ

図 4 に量子メモリ結晶 Pr:YSO に生成された幅およそると、共振器スペクトルにローレンツ関数を仮定した場合、90％以上の量子メモリ結合効率が得られることがわかった。
更に、量子もつれの質を決定する忠実度測定のため量子れると、いずれかの櫛で吸収される状態の量子力学的重ね合わせになり、その場合櫛間隔周波数の逆数時間で元の状態にもどる、つまり入射光子が再生放出されることになる。
つまりここで再生時間が確定されたメモリ機能を持たせ状態トモグラフィを実施し、理想的な量子もつれであるベル状態との忠実度 90％を得た（図 3）。

KISTEC研究報告2021

15MHz の透明領域とそこに形成された櫛構造を示す。この
櫛構造をまたぐスペクトルを持つ光信号が入射し吸収さることができる。この櫛構造をより集密にしていくことで、242

【研究開発部】戦略的研究シーズ育成事業

時分割多重度を大幅に増やせるし、かつこのような櫛構造のある透明領域を Pr:YSO の広い吸収スペクトル内に大量につくることで、波長分割多重能力獲得も可能である。
続いて、本研究では単一光子信号受入れ能力実証の為、
単一光子レベルに弱めたレーザー光を、Pr:YSO 結晶に入射、その後櫛間隔の逆数時間で再生されるフォトンエコー
信号を単一光子検出器で測定した（図 5）。
図 6：波長変換実験系。

図 6 はその実験系であり、1514nm シグナル光を 1010nm
ポンプ光によって 606nｍに波長変換する系である。変換デバイスは周期分極反転ニオブ酸リチウム導波路を用いている。光ファイバーコア系と同程度の幅（＜10 マイク
ロメートル）の導波路内にシグナル光とポンプ光を結合す
ると、疑似位相整合条件を満たす（エネルギー保存則および運動量保存則がみたされる）光が生成される。この場合
それが 606nm の光である。強いポンプ光を用いた場合、
ほぼ 100％近い内部変換効率を得ることが可能であり、変換された光は右上の光路から取り出され、測定される。
図 7 が波長変換効率測定結果である。ポンプ光パワーお図 5：単一光子レベルフォトンエコー測定結果。横軸：時間（ns）,

よそ 300mW で最高効率 60％以上を達成した。
現在の PPLN
導波路であれば内部変換効率は 100％近くを得られるこ

縦軸：単一光子検出器カウント数。

とがわかっているが、数マイクロメートル四方の端面をもつ導波路への入力効率を 100％に近付けることが難しい

図 5 黒プロットは吸収スペクトルの操作をせずに透過光のみ見た場合であり、みやすさのため赤線と原点を合わせ点、またポンプ光とシグナル光が内部でモードが完全に一致していないと変換されない点などから、効率低下が生じてある。赤プロットは吸収スペクトルに櫛状構造を生成した場合で、時間 0 のピークは、吸収されず透過した光、400る。しかしながら、60％は世界的にもトップレベルの数

ns 付近のピークが吸収されフォトンエコーとして再生された光である。黒プロットの積分値との比較から、吸収再生効率は約 10％程度であった。これにより単一光子信号の一定時間保存・再生能力を実証できた。
また任意時間メモリのための実験系構築を始め、スピン
フリップを起こしメモリ時間を伸ばすための AC 磁場、および DC 磁場によって超微細遷移の不均一幅を狭め数 ms
以上のメモリ時間を得るための磁場印加システム開発を開始した。
(3) 波長変換技術開発
通信波長量子もつれ光源からの光子は光ファイバー中を数 km から数 10km 伝送したのち、量子中継ノードにて量子メモリに量子状態保存される必要がある。その過程で多図 7：波長変換効率測定結果

重化量子メモリ Pr:YSO のメモリ波長 606nm に波長変換を施す必要がある。本研究では、通信波長もつれ光子値である。
また、波長変換時に主にポンプ光由来で生じるノイズを（1514nm）から量子メモリ波長（606nm）に高効率変換する波長変換システム構築を実施した。

除去するフィルタリングシステム開発を開始した。波長変換は、数百 mW のポンプ光（光子数にすると 1 秒当たり
1018 個程度）と単一光子レベルのシグナル光（1 秒当たり106 個程度以下）という極めて強度の異なる 2 つの光が寄与するため、ポンプ光自身のみによる非線形光学過程（パラメトリック下方変換やストークス散乱など）によって通信波長にノイズ光が生じ、そのノイズと元のポンプ光がさ

243

KISTEC研究報告2021

【研究開発部】戦略的研究シーズ育成事業

らに波長変換を起こし量子メモリ波長に現れてしまう（図量子メモリとなる吸収スペクトル領域は 5MHz 以下で8 参照）。したがって、このノイズを除去することが信号雑音比向上に重要となる。

あり、量子もつれ光源の線幅がそれ以下である必要であるだけでなく、中心波長がその領域に安定的に存在し続けな
ければ、長期の量子通信に用いることができない。そのためには、量子もつれ光源（励起レーザーおよび共振器）、
波長変換ポンプレーザー、量子メモリ制御レーザーのそれ
ぞれの周波数を安定化させておく必要がある。
本研究では、量子もつれ光源励起レーザー、量子メモリ
制御レーザーは光周波数コムへの相対周波数ロックにより、波長変換ポンプレーザーはヨウ素吸収線への周波数ロックを用いて安定化達成した。

図 8：波長変換におけるノイズ源。ポンプから発生するストーク
ス散乱光やパラメトリック下方変換（SPDC）光がシグナル光の通信波長にも生じてしまう。

このノイズを除去するには、周波数フィルタリングを用いる。図 8 の概念図からわかるように、ノイズは非常に広い帯域（＞THz）にわたるため、周波数領域を狭めて測定すれば大幅に減少させることが可能である。一方本研究で開発する量子もつれ光源はおよそ 1MHz 程度の線幅をもつため、それに近い幅のみ透過するフィルタを用意できれば、ノイズは当初より 6 桁程度以上減少させられると見込める。そのために、量子メモリとしても用いる Pr:YSO をフィルタ用結晶として用意し、その吸収率の高さを利用し、

図 10：通信波長レーザーの周波数安定度測定結果。

また制御レーザーで飽和させることでもつれ光子のスペ
クトルにおいてのみ透明領域を作り出すことで、ノイズ除

黒：基準となる光コムの安定性。オレンジ：レーザーの安定度。

去フィルタを作成することにした。

とがわかる。

光コムに非常に良く追随し、光コム自体の安定度から、十分なこ

図 11：1010nm レーザーの周波数安定度測定結果。

図 10 および図 11 は、例としてそれぞれ通信波長レーザー（量子もつれ光源励起レーザー）および 1010nm レーザー（波長変換励起レーザー）の周波数安定度測定結果であ

図 9：ノイズ除去用フィルタ結晶に生成された吸収スペクトル。

る。縦軸はアラン分散という安定度の指標であり、10－10というのは光周波数が数百 THz であることから、およそ

図 9 が Pr:YSO に生成された吸収スペクトルである。縦軸

数 10 kHz 程度の安定度に相当する。我々は 5MHz の領域
内に安定化したいわけなので、十分な安定度を得られたこ

は吸収率に対応し、0 に近いほど透明である。横軸は周波数である。下方向への鋭いピーク群は、116MHz 間隔（赤とがわかる。量子通信への実装には、長時間にわたる安定化が必要であるが、それが可能なことも横軸の時間からわ矢印）で形成されており、共振器量子もつれ光源の周波数間隔と一致する。ここでは 10 本以下の透過ピーク生成にかる。

とどまっているが、より透明度を上げたピークを多数形成することで、波長変換におけるノイズを除去するシステム(5)2 光子源と波長変換システムの結合
最後に、開発した量子もつれ光源を長距離光ファイバーとして実装する予定である。
(4) 周波数安定化技術開発

KISTEC研究報告2021244

【研究開発部】戦略的研究シーズ育成事業

伝送し、そののちに波長変換して量子メモリに吸収保存できるかたちにするところまで進んだことを示す。
狭線幅量子もつれ光源からの 2 光子を 10ｋｍ長の光フ
ァイバー伝送し、量子中継ノードと見立てた光ファイバー
出口で波長変換デバイスに入射し、606 nm の光子に変換した。ここでは波長変換前には偏光が確定している必要があるので、量子もつれ性には着目せず偏光を確定して実験を実施した。
波長変換後の 2 光子時間相関測定結果が図 12 であり、波長変換および 10ｋｍ伝送後でも明確な 2 光子時間相関を得ることに成功した。

図 12：光ファイバー伝送＋波長変換後の 2 光子相関。

図 12 において、比較的大きなノイズフロアが生じている。この主な要因は波長変換時にポンプ光由来で生じるノイズと考えている。

３．まとめと今後の展望
量子中継器に必要な各要素（量子もつれ光源、量子メ
モリ、波長変換、周波数安定技術）の開発を進めた。量子もつれ光源は、通信波長・1MHz を下回る線幅・高い忠実度（＞0.9）という、長距離伝送・量子メモリとの高効率
結合量子通信に必要な要素を満たす成果である。
量子メモリは、単一光子信号の確定時間メモリ機能の実証まで進み、今後は保存・再生効率の向上、任意時間メモ
リ機能の実装へと進む計画である。
波長変換は効率 60％以上を得られ、周波数安定かは各要素の安定化に成功した。今後は、波長変換は効率そのものの改善よりもノイズ除去システムの充実に進み、周波数安定化に関しては各要素の相対周波数安定化によるもつれ光源とメモリ周波数との長時間安定結合へと進む。
通信波長 2 光子のメモリ波長への変換及び 2 光子性の確認ができたので、今後は量子メモリとの結合へと進む。

245

KISTEC研究報告2021

【研究開発部】戦略的研究シーズ育成事業

業 績【原著論文】

ルショット分光
第 68 回応用物理学会春季学術講演会, 2021 年 3 月,

1. Kazuya Niizeki, Daisuke Yoshida, Kou Ito, Ippei Nakamura,Nobuyuki Takei, Kotaro Okamura, Mingyang Zheng,
Xiuping Xie, Tomoyuki Horikiri

ｵﾝﾗｲﾝ開催

Two-photon comb with wavelength conversion and 20-km
distribution for quantum communication

5. 宮下拓士，近藤健史，池田幸平，吉井一倫，堀切智之，洪鋒雷Communications Physics, 3, 138 (2020)

AFC 量子メモリ結合に向けたレーザーの周波数安定化
第 68 回応用物理学会春季学術講演会, 2021 年 3 月,

2. Daisuke Yoshida, Kazuya Niizeki, Shuhei Tamura,Tomoyuki Horikiri

ｵﾝﾗｲﾝ開催

Entanglement distribution between quantum repeater nodes
with an absorptive type memory

6. 都野智暉，万浪香子，吉田大輔，郷治侑真，池田幸平，
洪鋒雷，中村一平，堀切智之

International Journal of Quantum Information, vol18, No.05
2050026(2020)

希土類イオン添加結晶を用いた量子メモリの保存時間の向上、及び任意時間読み出しに向けたシーケンス開発第 68 回応用物理学会春季学術講演会, 2021 年 3 月,

【総説】
1. 堀切智之, 新関和哉, 中村一平
長距離量子通信実現のための量子中継技術の研究開発

ｵﾝﾗｲﾝ開催
7. 万浪香子，都野智暉, 吉田大輔，伊藤洸，新関和哉，
宮下拓士，近藤健史，洪鋒雷，中村一平，堀切智之

電子情報通信学会（IEICE）通信ソサイエティマガジン
「B plus」, 2020 年秋号, No54, 133-141.

希土類イオン添加 結晶量子メモリを用いた通信波長光の単一光子レベルフォトンエコー観測【書籍】

第 68 回応用物理学会春季学術講演会, 2021 年 3 月,
ｵﾝﾗｲﾝ開催【口頭発表】【特許】

1. Kazuya Niizeki, Daisuke Yoshida, Ko Ito, Ippei Nakamura,Nobuyuki Takei, Kotaro Okamura, Ming-Yang Zheng,(1) 国内特許出願

0件(2) 国外特許出願

0件

Xiu-Ping Xie, Tomoyuki Horikiri
Two-photon Comb with Wavelength Conversion forLong-distance Quantum Communication
CLEO Pacific Rim Conference 2020, August 2020,
Virtual Conference
2. 新関和哉, 吉田大輔, 伊藤洸, 中村一平, 武井宣幸,
岡村幸太郎, Mingyang Zheng, Xiuping Xie, 堀切智之
長距離量子通信に向けた 2 光子源のスペクトル制御と波長変換
日本物理学会 第 76 回年次大会, 2021 年 3 月, ｵﾝﾗｲﾝ開催
3. 中村一平, 池田幸平, 洪鋒雷, 堀切智之
原子周波数コム型量子メモリの高性能化に向けた
補助光共振器によるレーザー線幅狭窄化
日本物理学会 第 76 回年次大会, 2021 年 3 月, ｵﾝﾗｲﾝ開催
4. 吉田大輔，都野智暉，万浪香子,中村一平，洪鋒雷,
堀切智之
希土類イオン添加結晶を用いた微弱光パルスのシング

KISTEC研究報告2021246

【研究開発部】戦略的研究シーズ育成事業

新産業創出に向けた無標識 AI セルソーター
研究代表者：東京大学

合田圭介【基本構想】
本プロジェクトでは，「スマートセル産業」の基盤となる指向性進化法の適用範囲を大幅に拡張する無標識・ハイスループットな品種改良法を確立する．DNA シーケンシング技術やゲノム編集技術，IT 技術の発展に伴い，細胞を自由自在に改変して産業利用するスマートセル産業（市場規模は 200 兆円以上）の時代
が幕開けつつある．スマートセルは，その細胞が持つポテンシャルを最大限利用しつつ，物質生産などに人為的に最適化された細胞である．細胞内化合物は例えば，栄養成分や匂い分子が代表的であるが，それに加えて，各種生物が持つ機能性生体分子も対象として，それらが増加，もしくは減少した品種改良株を作出することを目指す．この方法の確立により，各種微生物・細胞において，ゲノム編集技術適用の有無によらず迅速に品種改良を進める事が可能となる．具体的には，研究代表者らがこれまでに構築した分子振動に基づく細胞内分子の高速定量法を応用し，細胞内に含まれるターゲット分子を１細胞毎に計測し，その含有量に基づき目的細胞を分取する技術を開発する．遺伝子の変異導入と組み合わせることにより，産業的価値の高い細胞を創出することが可能となる．この方法の確立により，各種微生物・細胞において，ゲノム編集技術適用の有無によらず迅速に品種改良を進める事が可能となる．

１．

研究目的

本研究では，蛍光標識を導入することなく細胞内分子量や細胞の機能を定量し，細胞分取を可能にする無標識 AI
セルソーターの開発と実証を行う．最近研究代表者らの研究 室 で 開 発 さ れ た 高 ス ル ー プ ッ ト FT-CARS (Fouriertransform coherent anti-Stokes Raman scattering)フローサイ
トメーター [1]を基盤技術とし，マイクロ流路を用いた細胞分取技術，人工知能(AI）によるスペクトル解析技術と組み合わせることによって，高スループット（1,000 細胞/秒）・無標識・広帯域（10 種類以上の細胞形質を測定可能）
でのリアルタイム細胞分取を目指す．さらに，本技術をス
マートセル産業に展開することで，細胞内の任意成分の多寡を指標にして生物の品種改良（指向性進化）を実現する．
本技術を試作し，実践的品種改良が可能であることを実証し，革新的品種改良サービス提供の基礎とする．プロジェ
クト 2 年目となる令和２年度は，以下の研究項目を達成目

図 1. FT-CARS セルソーターの概略図. 超短パルスレーザーを用いて分子振動を高速にリアルタイム計測し，細胞内に含有される目的分子の量に基づいた細胞分取を実施する.

標として研究を推進した．
(1) 細胞分取実証(2) FT-CARS 分光計測の高速・高感度化(3) 藻類の指向性進化の実証の有害物質を蓄積することによる水質改善に応用することが期待されている．そのため，本項目で取り組む実証は2．

単なる Proof-of-concept ではなく，直接的に応用研究へと繋げることが出来ると予想される．異なる条件で培養した研究成果

上記研究目的に沿って研究を遂行し，令和２年度は以下の研究成果を得た．

細胞群を対象として無標識 AI セルソーターによって細胞分取が可能であることを実証する．

(1) 細胞分取実証
前年度までに開発した無標識 AI セルソーター（図 1）

具体的には，以下の 3 つの条件において細胞分取実験を実施した．

を用いた細胞分取を実証した．当初の計画通り，2 形質以上の情報をもとに 10 細胞/秒を超えるスループットでの細1．Euglena gracilis 細胞集団からパラミロン含有量の多い細胞を分取する

胞分取を目標値として実験を行った．分取対象として，これまでに FT-CARS による測定実績 [1,2]のあるヘマトコッ

2．Chromochloris zofingiensis 細胞集団からデンプン含有量の多い細胞を分取する

カス，ユーグレナ，クロレラ細胞を用いた．これらの細胞はバイオ医薬品，バイオ燃料といった物質生産や，環境中

3．Haematococcus lacustris 細胞と Euglena gracilis 細胞を混合した集団からアスタキサンチン含有量の多い

247

KISTEC研究報告2021

【研究開発部】戦略的研究シーズ育成事業

図 2. 無標識ＡＩセルソーターによる細胞分取．(a) 流路中を流れる異なる１細胞から取得したラマンスペクトル (b)実験 3 において
H.lacustris を分取する様子 (c) 実験 3 において E.gracilis が分取されずに流路を通過する様子

図 3. Quasi-dual-comb CARS 分光装置 (a) 装置全体の概略図 CM: チャープミラー, LPF: ロングパスフィルター, SPF:ショートパス
フィルター, AL: アクロマートレンズ. (b) 光源部分における繰り返し周波数制御部の概略図. FG: ファンクションジェネレータ
SC: サーボコントローラー, PD: フォトダイオード, PS: 位相シフタ

Haematococcus lacustris 細胞を分取する判断を行うことが重要となる．それぞれの条件における分マイクロ流路中を流れるこれらの細胞から計測した典型的なラマンスペクトルを図 2a に示す．異なる細胞内分取性能を評価するために，Sort および Unsort チャネルに集めた細胞を顕微鏡観察し，それぞれのチャネルにおける子に由来するラマンスペクトルの特徴量が検出されており，スペクトル形状に基づいた細胞判別が可能であること

目的/非目的細胞を計数した．すべての条件において 2 形
質の情報（2 次元散布図）をもとに，20 細胞/秒を超えるが分かる．測定したスペクトルは Field-Programmable Gate
array (FPGA)によってリアルタイムに解析され，マイクロスループットでの分取を行っており，2 形質を用いて 10細胞/秒で分取するという本プロジェクトの数値目標を達

流体チップ下流において細胞を分取する（図 2b-c）． 細胞
分取にあたっては，ラマンスペクトル中のターゲット分子成した．細胞分取の Purity も各条件で 80%を超えており，本手法を用いた指向性進化の実現に向け十分な性能を実の特徴的なピークが観測される波数およびラマン信号が観測されない波数における信号強度を用いて 2 次元散布

証することができた．

図を作成し，散布図上で線を引くことで分取/非分取の判断を実施した．細胞によってはターゲット分子が含まれな(2)FT-CARS 分光計測の高速・高感度化
本研究ではレゾナントスキャナーによる光学遅延の高速

いにも関わらず，スペクトルのバックグラウンド全体で信号強度が高くなるようなイベントがあり，ターゲット分子走査を用いた FT-CARS 法を用いて細胞内分子の計測を行ってきた．本手法で判別できる細胞形質の数は FT-CARS

を正しく定量するためには複数波数における強度で分取計測の感度によって決まるため，無標識セルソーターの適KISTEC研究報告2021248

【研究開発部】戦略的研究シーズ育成事業

用範囲を拡張するために FT-CARS 計測の高感度化は不可欠である．本研究では，新たに"quasi-dual-comb"法を開発

す．1 回の広帯域（200 – 1600 cm-1）ラマン分光計測が 10
μs で完了しており，従来の dual-comb CARS 法に比べて 10し，それによりラマン分光計測の高速化及び高感度化を実現した．

倍の高速化が達成されていることが分かる．さらに，図 5に示すように従来法と同じ計測速度で比べたとき，20 倍程度の信号雑音比の向上が見られ，速度のみならず大幅な感度向上も実現した．本成果によってラマン分光計測の応用範囲を拡げることができると期待される．

図 4. Quasi-dual-comb CARS 計測 (a) TCIs, (b) ポンプ-プロー
ブ遅延 (c) Time-domain CARS interferogram (d)TCIs から求めた遅延による Time-domain CARS interferogram の校正 (e) ラマ
ンスペクトルdual-comb 分光法は，2 台のモードロックレーザーの周図 5.様々な測定レートにおける Quasi-dual-comb CARS 法及び
dual-comb CARS 法で計測したスペクトルの信号雑音比

波数を精密に制御して分子分光計測を行う計測法であるが，高い周波数分解能で広帯域の分光スペクトルが得られる方法として広く用いられている手法である．dual-comb
法を CARS 計測へと応用した dual-comb CARS 法は広帯域(3)藻類の指向性進化の実証
無標識 AI セルソーターを用いた指向性進化では図 6 にラマン分光計測が比較的高速に出来るとして近年注目を集めている．dual-comb CARS 法の測定速度は 2 つのモー示すプロセスを繰り返すことで高付加価値細胞を産生することを目指す．研究項目(1)においてラマンスペクトル

ドロックレーザーの繰り返し周波数の差によって決まる
が，測定速度を大きくするために繰り返し周波数差を大き

プロファイルに基づく分取が可能となった．培養は通常の実験室培養ですすめる事ができるため，残るプロセスであくすると，サンプリングが疎になり，感度が下がるとともにスペクトルの帯域が狭くなるというトレードオフがあるランダム変異導入の実証を本項目では実施した．本実証で用いる E.gracilis は遺伝子変異への耐性が高く，薬物やる．そのため，これまでの dual-comb CARS 分光法では，指紋領域（200 – 1600 cm-1 ）を計測する場合は 10,000

紫外線では効率的な変異導入が難しい [5]．そこで本研究

spectra/s が測定速度の限界であった [3]．
本研究で開発した quasi-dual-comb CARS 法では，2 台のレーザーの繰り返し周波数のうち，一方は固定し，もう一方を高速に変調して計測を行う．そのため，2 パルス間の遅延は任意の範囲で変調でき，上述のトレードオフの関係に制限されることなく測定速度を向上させることが出来る．
開発した quasi-dual-comb CARS 分光計を図 3 に示す．
2 台の高繰り返し（~1 GHz）チタンサファイアレーザーをAI指向性進化法

光源としてポンプ―プローブ方式で分子振動を時間領域で計測する装置である．レーザーの繰り返し周波数の変調
は，チタンサファイア結晶を励起する光の強度を変調することで，チタンサファイア結晶中の実効的な光路長を変調し（光カー効果），実現した．また，変調によって引き起こされるパルス間の（非再現的な）遅延は，2 色干渉（Twocolor interferogram: TCI）計測によってリアルタイムに計測した [4]．

図 6: 標識 AI セルソーターによる指向性進化の概略

開発した quasi-dual-comb CARS 法によって計測したトル
エンの TCI, TCI から求めた遅延時間，CARS 信号（時間領域）, 及び CARS スペクトルを図 4a, b, c, e にそれぞれ示

249

KISTEC研究報告2021

【研究開発部】戦略的研究シーズ育成事業

イオンビームを照射したクローンにおいてパラミロン含有量の違いが見られ，遺伝子変異導入および無標識 AI セ
ルソーターによるその定量ができている事が実証された．

3．

今後の展望

本プロジェクトでは，広帯域ラマンスペクトルに基づく高図 7: 理化学研究所仁科センターにおける E.gracilis 細胞への鉄イオンビーム照射実験の様子．

速細胞分取を実現した．今後は本手法の応用によって以下の研究を展開していく．

では理化学研究所・生物照射チーム（チームリーダー：阿①

部知子博士）及び量子科学技術研究開発機構・イオンビー
ム変異誘発研究（プロジェクトリーダー：大野豊博士）と藻類の指向性進化の性能評価および実用化

上記で産生した E.gracilis のいくつかのクローン群に対して DNA 解析などを行い，新たな細胞株が樹立できての協同によって鉄イオンビーム及び炭素イオンビームを細胞に照射し，遺伝子変異導入を試みた（図 7）．

いることの実証を行うとともに，長期培養によって獲得形質が失われない事などを実証する．更に，C. zofingiensis な

まず，照射した細胞群から FACS 装置を用い，19 クローンを単離した．それぞれのクローンを同一の条件で一定

どの細胞に関しても同様に指向性進化の実証を進めていく．また，大腸菌や酵母を用いた指向性進化にも取り掛か期間培養した後に，無標識 AI セルソーターを用いてパラ
ミロン含有量を定量した．図 8A 各クローンで計測したラる．これらの種は藻類に比べ小さいため，分取のスループ
ットは落とす必要があるが，培養速度が速いため，比較的

マンスペクトルの平均を，図 8B に 1 細胞ラマンスペクト
ルから見積もったパラミロン含有量の分布を示す．特に鉄少数の細胞の分取でも実用的であると期待される．
②

装置のさらなる高性能化
本手法では試問領域のラマンスペクトル形状に基づ

く細胞分取を実施したが，今後より広帯域スペクトルの取得によってさらに多くの形質に基づく細胞分取を実現す
る．具体的には 2 台のレーザーを同期発振することで，CH伸縮領域（2800 – 3200 cm-1）を同時に計測できる手法の開発を進めていく．

【参考文献】
[1]

[2]
[3]

[4]
[5]

図 8: 変異導入後の E.gracilis 細胞に含まれるパラミロン量の定量 A. 各クローンから測定した平均のラマンスペクトル B.
各クローンの 1 細胞ラマンスペクトルから見積もったパラミロ
ン含有量分布KISTEC研究報告2021

250

K. Hiramatsu, T. Ideguchi, Y. Yonamine, S. Lee, Y.
Luo, K. Hashimoto, T. Ito, M. Hase, J.-W. Park, Y.
Kasai, S. Sakuma, T. Hayakawa, F. Arai, Y. Hoshino,
and K. Goda, Sci. Adv. 5, eaau0241 (2019).
K. Hiramatsu, K. Yamada, M. Lindley, K. Suzuki, and
K. Goda, Biomed. Opt. Express 11, 1752 (2020).
T. Ideguchi, T. Nakamura, S. Takizawa, M.
Tamamitsu, S. Lee, K. Hiramatsu, V. RamaiahBadarla, J. Park, Y. Kasai, T. Hayakawa, S. Sakuma,
F. Arai, and K. Goda, Opt. Lett. 43, 4057 (2018).
R. Kameyama, S. Takizawa, K. Hiramatsu, and K.
Goda, ACS Photonics 8, 975 (2021).
K. Yamada, H. Suzuki, T. Takeuchi, Y. Kazama, S.
Mitra, T. Abe, K. Goda, K. Suzuki, and O. Iwata, Sci.
Rep. 6, 26327 (2016).

【研究開発部】戦略的研究シーズ育成事業業

績

1. Muzhen Xu, Dan Yuan, Sheng Yan, Cheng Lei, Kotaro

Y. Hoshino, Y. Hosokawa, M. Inaba, A. Nakagawa, Y.
Ohya, M. Oikawa, S. Uemura, Y. Ozeki, T. Sugimura, N.

Hiramatsu, Jeffrey Harmon, Yuqi Zhou, Mun Hong Loo,
Tomohisa Hasunuma, Akihiro Isozaki, Keisuke Goda, “A

Nitta, and K. Goda, "Intelligent image-activated cellsorting 2.0," Lab Chip 20, 2263–2273 (2020).

【原著論文】

morphological indicator for directed evolution ofEuglena gracilis with high heavy metal removal【総説】

efficiency,” Environmental Science & Technology, inpress (2021).

1. J. Gala de Pablo, M. Lindley, K. Hiramatsu, and K. Goda,"High-Throughput Raman Flow Cytometry and Beyond,"

2. R. Kameyama, S. Takizawa, K. Hiramatsu, and K. Goda,"Dual-Comb Coherent Raman Spectroscopy with nearAcc. Chem. Res., in press (2021).
2. Yuqi Zhou, Akihiro Isozaki, Atsushi Yasumoto, Ting-Hui

100% Duty Cycle," ACS Photonics 8, 975–981 (2021).
3. N. Chen, T. H. Xiao, Z. Luo, Y. Kitahama, K. Hiramatsu,

Xiao, Yutaka Yatomi, Cheng Lei, Keisuke Goda,“ Intelligent Platelet Morphometry, ” Trends in

N. Kishimoto, T. Itoh, Z. Cheng, and K. Goda, "Porous
carbon nanowire array for surface-enhanced Raman

Biotechnolgy, 2020 年 9 月 28 日
3. A. Isozaki, J. Harmon, Y. Zhou, S. Li, Y. Nakagawa, M.

spectroscopy," Nat. Commun. 11, 1–8 (2020).
4. A. Isozaki, D. Huang, Y. Nakagawa, and K. Goda, "DualHayashi, H. Mikami, C. Lei, and K. Goda, "AI on achip," Lab Chip 20, (2020).

sequentially addressable dielectrophoretic array forhigh-throughput, scalable, multiplexed droplet sorting,"【口頭発表】

Microfluid. Nanofluidics 25, 32 (2021).
5. N. Nitta, T. Iino, A. Isozaki, M. Yamagishi, Y. Kitahama,

1. Muzhen Xu, Jeffrey Harmon, Tomohisa Hasunuma,
Akihiro Isozaki, Keisuke Goda, “AI ON A CHIP FOR

S. Sakuma, Y. Suzuki, H. Tezuka, M. Oikawa, F. Arai, T.
Asai, D. Deng, H. Fukuzawa, M. Hase, T. Hasunuma, T.

IDENTIFYING MICROALGAL CELLS WITH HIGHHEAVY METAL REMOVAL EFFICIENCY, ”

Hayakawa, K. Hiraki, K. Hiramatsu, Y. Hoshino, M.
Inaba, Y. Inoue, T. Ito, M. Kajikawa, H. Karakawa, Y.

Transducers 2021, Online, 2021 年 10 月 26 日
2. Philip McCann, Kotaro Hiramatsu, Keisuke Goda,

Kasai, Y. Kato, H. Kobayashi, C. Lei, S. Matsusaka, H.
Mikami, A. Nakagawa, K. Numata, T. Ota, T. Sekiya, K.

“Fluorescence-encoded time-domain coherent Raman
spectroscopy through single-photon counting, ”

Shiba, Y. Shirasaki, N. Suzuki, S. Tanaka, S. Ueno, H.
Watarai, T. Yamano, M. Yazawa, Y. Yonamine, D. Di

Photonics West, Online, 2021 年 3 月 6 日
3. Risako Kameyama, Kotaro Hiramatsu, Keisuke Goda,

Carlo, Y. Hosokawa, S. Uemura, T. Sugimura, Y. Ozeki,
and K. Goda, "Raman image-activated cell sorting," Nat.

“Fast, sensitive dual-comb CARS spectroscopy with aquasi-dual-comb laser,” Photonics West, San Francisco,Commun. 11, 1–16 (2020).
6. A. Isozaki, Y. Nakagawa, M. H. Loo, Y. Shibata, N.

Online, 2021 年 3 月 6 日
4. Keisuke Goda, “ Emerging opportunities of AI with

Tanaka, D. L. Setyaningrum, J.-W. Park, Y. Shirasaki, H.
Mikami, D. Huang, H. Tsoi, C. T. Riche, T. Ota, H. Miwa,

lab-on-a-chip technology”, REM-2021, 東京
2021 年 2 月 3 日

Online,Y. Kanda, T. Ito, K. Yamada, O. Iwata, K. Suzuki, S.
Ohnuki, Y. Ohya, Y. Kato, T. Hasunuma, S. Matsusaka,

5. 合田圭介, 「ナノテクと AI で新型コロナの重症化を防げ！」, nano tech 2021, 東京ビックサイト, 2020

M. Yamagishi, M. Yazawa, S. Uemura, K. Nagasawa, H.
Watarai, D. Di Carlo, and K. Goda, "Sequentially

年 12 月 9 日
6. 合田圭介, 「ナノテクと AI で新型コロナの重症化を

addressable dielectrophoretic array for high-throughput
sorting of large-volume biological compartments," Sci.

防げ！」, コロナウィルス感染症とナノメディシン学会, 東京 Online, 2020 年 12 月 5 日

Adv. 6, eaba6712 (2020).
7. A. Isozaki, H. Mikami, H. Tezuka, H. Matsumura, K.

7. Keisuke Goda,“Intelligent Image-Activated Cell Sorter
2.0”, OPTIC-2020, 東京 Online, 2020 年 12 月 5 日

Huang, M. Akamine, K. Hiramatsu, T. Iino, T. Ito, H.
Karakawa, Y. Kasai, Y. Li, Y. Nakagawa, S. Ohnuki, T.

8. Muzhen Xu, Dan Yuan, Sheng Yan, Cheng Lei, Kotaro
Hiramatsu, Jeffrey Harmon, Yuqi Zhou, Mun Hong Loo,Ota, Y. Qian, S. Sakuma, T. Sekiya, Y. Shirasaki, N.
Suzuki, E. Tayyabi, T. Wakamiya, M. Xu, M. Yamagishi,

Tomohisa Hasunuma, Akihiro Isozaki, Keisuke Goda, “Acellular morphological indicator toward directed

H. Yan, Q. Yu, S. Yan, D. Yuan, W. Zhang, Y. Zhao, F.
Arai, R. E. Campbell, C. Danelon, D. Di Carlo, K. Hiraki,

evolution of microalgae for highly efficient wastewater
treatment,” 化学とマイクロ・ナノシステム学会第251

KISTEC研究報告2021

【研究開発部】戦略的研究シーズ育成事業

42 回研究会, Tokyo, Japan（Online）,2020 年 10 月 26日

“ iIACS2.0: intelligent image-activated cell sorting
upgraded,” CYTO 2020, Online, 2020 年 8 月 5 日

9. Yuta Nakagawa, Shinsuke Ohnuki, Akihiro Isozaki,
Naoko Kondo, Yoshikazu Ohya, Keisuke Goda,

21. Keisuke Goda, “Find cellular Wally with the power ofphotonics and AI,” IONS OPUMA 2020, Tokyo, Japan，“ Exploring the advantage of large droplets for
single-cell analysis,” 化学とマイクロ・ナノシステム

Online, 2020 年 6 月 11 日
22. Keisuke Goda, “ Intelligent Image-Activated Cell

学会第 42 回研究会, Tokyo, Japan（Online）,2020 年
10 月 26 日

Sorting,” ICDIP 2020, Tokyo, Japan，Online, 2020 年 5
月 21 日10. 松村 洋貴, 磯崎 瑛宏, 赵 雅祺, 黄 康睿, 若宮 翼,
袁 丹, 三上 秀治, 大貫 慎輔(1) 上村 想太郎, 大矢【特許】禎一, 合田 圭介, “出芽酵母の大規模な遺伝子解析のための高スループット細胞形態分取法,” 化学とマイクロ・ナノシステム学会第 42 回研究会, Tokyo,
Japan（Online）,2020 年 10 月 26 日
11. Dan Yuan, Julia Gala de Pablo, Matt Lindley, Mun Hong
Loo, Mika Hayashi, Yaqi Zhao, Kotaro Hiramatsu,
Akihiro Isozaki, Keisuke Goda, “Viscoelastic-fluid-based
single-particle analyzer with Fourier-transform coherent
anti-Stokes Raman scattering spectroscopy,” 化学とマ
イクロ・ナノシステム学会第 42 回研究会, Tokyo,
Japan，Online,2020 年 10 月 26 日
12. 合田圭介, 「細胞のウォーリーを探せ！」, 日本学術会議「次世代統合バイオイメージングと数理の協働の展望」シンポジウム, 東京 Online, 2020 年 10 月
14 日
13. Mun Hong Loo, Yuta Nakagawa, Akihiro Isozaki,
Keisuke Goda, “High-throughput sorting of nanoliter
droplets using an electrode array with a slanted
microchannel.” MicroTAS 2020, Online, 2020 年 10 月 8
日
14. Keisuke Goda, “ Vibrational Flow Cytometry and
Beyond,”IEEE photonics 2020, Online, 2020 年 9 月 29
日
15. Risako Kameyama, Kotaro Hiramatsu, Keisuke Goda,“ High-speed coherent Raman spectroscopy byrepetition-rate modulation,” 分子科学オンライン討論
会, Online, 2020 年 9 月 17 日
16. Keisuke Goda, “Intelligent IAC,” スーパー酵母 2020が拓く未来, 東京, Online, 2020 年 8 月 24 日
17. Keisuke Goda, “ Vibrational Flow Cytometry and
Beyond,” CYTO 2020, Online, 2020 年 8 月 5 日
18. Keisuke Goda, “ How can biophotonics research be
efficiently translated to clinical practice? What role dobiomedical institutes play in this translation?” CLEO
Pacific Rim 2020, Online, 2020 年 8 月 4 日
19. Akihiro Isozaki, Yuta Nakagawa, Mun Hong Loo, Dino
Di Carlo, Keisuke Goda, “ Sequentially addressabledielectrophoretic array for high-throughput large-droplet
sorting,” CYTO 2020, Online, 2020 年 8 月 5 日
20. Akihiro Isozaki, Hideharu Mikami, Hiroshi Tezuka,
Hiroki Matsumura, Kangrui Huang, Yasuyuki Ozeki,
Takeaki Sugimura, Nao Nitta, and Keisuke Goda,

KISTEC研究報告2021

252(1) 国内特許出願

2件(2) 国外特許出願1件

【研究開発部】戦略的研究シーズ育成事業

光操作に基づく医療技術の創出
研究代表者：東京大学

佐藤守俊【基本構想】
本プロジェクトは、光操作に基づいて新たな医療技術を創出することを目的としている（図 1）。医薬品として用いられる分子（化合物、ペプチド、抗体、酵素など）や細胞、ウィルス等は、いったん生体の中に入ってしまうと、その働きを生体の外からコントロールするのが極めて困難である。このことが、薬効が高く副作用が低い優れた医薬品を開発する上での大きなハードルとなっている。本プロジェクトでは、乗用車に取り付けられたアクセルやブレーキのように、生体の中に入った医薬品の働きを光で、特に、生体組織の透過性が極めて高い長波長の光で自由自在に操作するための、一般性・汎用性の高い基盤技術を開発する。さらに、この基盤技術を用いて、ゲノムの働きを光刺激でコントロールしたり、がん細胞を光刺激で破壊することで、革新的なゲノム治療やがん治療を実現する新たな技術を開発する。ゲノム治療については、生体組織に光を照射して変異遺伝子の塩基配列を正確に書き換えることができるようになったり、生体組織の遺伝子の発現を自由自在に光照射でコントロールできるようになれば、今までに治療法がなかった様々な難病（遺伝子疾患）の治療に大きく貢献し、アンメット・メディカル・ニーズに応えることが可能になる。DNA を標的とした光操作技術に加えて、RNA を標的とした光操作技術（RNA の転写レベルの光操作技術）を開発できれば、ゲノム治療の安全性をさらに高めるだけでなく、ゲノム治療の適用範囲を大幅に拡張できる。このような生体（in vivo）におけるゲノムの光操作だけでなく、例えば、人工多能性幹細胞（iPS 細胞）のゲノム DNA の塩基配列を、光で正確に書き換えることができるようになれば、遺伝子疾患を有する患者への再生医療にも大きく貢献できると考えている。またがん治療についても、本プロジ
ェクトで開発する技術は、光照射を施した部位でのみ薬効を発揮させることができるため、従来のがん治療技術よりも大幅に薬効を高めるためのアイディアを導入しても安全性を担保できるのが大きな特長である。本プロジェクトで開発する技術により、今まで治療法がなかった難病の治療に加えて、長波長の光照
射による革新的ながん治療が実現すれば、医療分野へのインパクトは非常に大きく、関連産業の振興に大きく貢献することが期待される。

１．研究目的っている。光受容体は、光を吸収すると大きく構造変化し蛍光タンパク質の実用化を契機として、1990 年代以降、光を使ったバイオイメージング技術が世界中の研究室でたり、別のタンパク質と結合したりすることにより情報を伝えている。つまり光受容体は、光による入力をタンパク利用されるようになった。しかし、ライフサイエンスにおける光技術の将来は、必ずしもバイオイメージングに限定

質の構造変化や結合といった力学的シグナルとして出力できるのだ。しかし、野生型の光受容体は、反応速度が遅されない。光を使って生命現象を「見る」だけでなく、それらを光で「操る」ことができるとしたら、ライフサイエ

いなどの問題を抱えていることが多い。研究代表者らは糸状菌の一種であるアカパンカビ（Neurospora crassa）が持ンスや医療はどうなるだろう？例えば、細胞内シグナル伝
達を光で操作できるようになれば、代謝、分泌、細胞増殖、っている光受容体に着目し、これに対して様々なアミノ酸変異を導入してその性質を大幅に改良したり、新しい機能

細胞分化、細胞死等の生命機能を自由自在にコントロールできるようになるかもしれない。ゲノムの塩基配列を光でを付与したりするなどして、Magnet システムと名付けた
光スイッチタンパク質を開発した（図 2）（参考文献 1）。

自由自在に書き換えたり、遺伝子のはたらきを自由自在に制御できるようになったらどうだろう？光が得意とする

Magnet システムは、青色の光を照射すると互いに結合し、光照射をやめると解離するタンパク質のペアである。

高い時間・空間制御能をもってすれば、狙った time window
でのみ、狙った生体部位でのみ、生命現象をコントロール
できるかもしれない。さらには、疾患の新しい治療法として役立つかもしれない。このような未来を実現すべく、研究代表者らは新技術の開発を行ってきた。
生命現象の光操作を実現する上で、研究代表者らが最も重要と考えたのは、操り人形で言えばヒモとか棒に相当す
る基盤技術の開発である。植物や菌類のように光を利用し

図 1. 光操作に基づく医療技術の概念図。

て生きている生物は、光受容体と呼ばれるタンパク質を持253

KISTEC研究報告2021

【研究開発部】戦略的研究シーズ育成事業

れた脳などの操作が困難なことが明らかになりつつある。
このような Magnet システムの特性は、光操作技術を次世代の治療技術として応用する上での大きな制約となると考えられる。従って、本プロジェクトでは、Magnet システムに代わる新たな基盤技術として、生体組織透過性が極めて高い長波長の光照射でコントロール可能な光スイッチ
タンパク質を創出し、これを新たなゲノム治療技術とがん治療技術に展開することを目的とする。プロジェクト 1 年目となる 2020 年度は、以下の各項目を重点項目として開図 2．研究代表者が先行研究で開発した青色光スイッチタン
パク質“Magnet システム”。青色光に応答して二量体を形成し、暗所に戻すと単量体に戻る。任意のタンパク質 A・B を連結することにより、その結合・解離を光照射の ON/OFF でコントロールできる。

発研究を実施した。
(1) 光合成細菌の相互作用タンパク質に基づく長波長の光スイッチタンパク質の開発(2) 進化分子光学的手法に基づく長波長の光スイッチタ

Magnet システムにタンパク質 A とタンパク質 B を連結す

ンパク質の開発

れば、A と B の結合・解離を青色光のオン・オフでコントロールすることができる。この Magnet システムの特長を

2．研究成果利用することで、光で指令を与えて、酵素などのあらゆるタンパク質の働きを私たちの意のままに操作できるよう

以下に挙げるのは、2020 年度の具体的な研究成果である。
(1) 光合成細菌の相互作用タンパク質に基づく長波長のになった。
例えば、Magnet システムを様々なゲノムエンジニアリ

光スイッチタンパク質の開発
上述のように、青色光はヘモグロビンに吸収されてしま

ングツール（ゲノム編集で利用される CRISPR-Cas9 シス
テムなど）と組み合わせて、多様な光操作技術を開発してうため、生体組織での透過性が低い。一方、650 nm から
800 nm の光はヘモグロビンに吸収されず、生体組織透過きた。これにより、光が得意とする高い空間・時間制御能に基づいて、生体組織の中の狙った部位や狙ったタイミン

性が高いことが知られている。このため、この波長領域で利用できる光スイッチタンパク質の開発ニーズは極めてグで、ゲノム DNA の塩基配列を書き換えたり（参考文献
2、 3）、ゲノムにコードされた遺伝子の組換えを実行した高い。この観点から、光合成細菌が有する近赤外光受容体とその結合タンパク質が、近赤外光スイッチタンパク質とり（参考文献 4）、ゲノム遺伝子の発現を自由自在に操作できるようになった（参考文献 5）。さらに最近では、ゲノして注目を集めている。研究代表者らは、前述のゲノム遺伝子の光活性化システムで利用した Magnet システムをこムエンジニアリングツールに限らず、がん治療に応用可能なタンパク質の光操作にも Magnet システムを展開していの近赤外光スイッチタンパク質で置き換えてみたところ、
この近赤外光スイッチタンパク質には致命的な欠点がある。例えば、腫瘍溶解性ウィルスのゲノム RNA を複製す
る RNA ポリメラーゼに Magnet システムを組み込んで、ることが明らかになった。その詳細を以下に述べる。
研究代表者らが開発したゲノム遺伝子の光活性化シス

光照射でウィルスの増殖を自由自在に光操作することにより、生体内で効率よくかつ安全にがん細胞を破壊できる

テムは、CRISPR–Cas9 システムを利用しており、次のような動作原理となっている（図 3）。Cas9 の 10 番目のアミノ

光駆動型の腫瘍溶解性ウィルスを開発した（参考文献 6）。
このような研究代表者の一連の研究は、基礎生命科学を革酸と 840 番目のアミノ酸位変異を導入して DNA 切断活性を欠損させた変異体（Cas9D10A/H840A；dCas9）とガイド RNA

新する強力なリサーチツールを提供するとともに、既存の治療技術とは全く異なる、次世代の治療技術（ゲノム治療、の複合体を、ゲノム遺伝子の上流に結合させておく。この

がん治療など）につながる可能性を秘めている。
上述のゲノムの光操作技術や光駆動型の腫瘍溶解性ウィルスはいずれも、研究代表者が開発した光スイッチタン
パク質“Magnet システム”に立脚している。Magnet シス
テムは、光操作のためのツールを我々が制御するための「アクセル」や「ブレーキ」であり、様々な生命現象の光操作を実現する極めて汎用性の高い基盤技術として位置付けることができる。しかし、Magnet システムは生体組
織透過性が比較的低い青色光を使って制御する光スイッ
チタンパク質である。このため、Magnet システムを組み込んだ光操作技術では、生体外からの光照射で効率よく操作可能な部位は皮膚や筋肉、肝臓の腹側など、生体表面か図 3．ゲノム遺伝子の光活性化システム（CRISPR–Cas9-based
photoactivatable transcription system; CPTS）の原理図。

ら近い組織・器官に限定されてしまい、青色光が届きにく
い生体深部に位置する臓器や骨の中の骨髄、頭蓋骨に覆わ

KISTEC研究報告2021254

【研究開発部】戦略的研究シーズ育成事業

ガイド RNA には、MS2 タンパク質が結合するアプタマー

transcription system by near-infrared light）と名付けた。

配列が挿入してある。MS2 タンパク質と光スイッチタン
パク質の一方を繋ぎ、もう一方の光スイッチタンパク質に上述の変異体のスクリーニング実験では、生物発光タン
パク質（ルシフェラーゼ）を遺伝子活性化のレポーターとは転写活性化因子を繋いでおく。こうすることで、光照射によって光スイッチタンパク質を結合させた時にのみ、転して用いた。次に、実際に細胞の核内に折りたたまれパッ
キングされたゲノム遺伝子に対しても、NIR-CPTS が使用

写活性化因子をゲノム遺伝子直上に近接させて、遺伝子活性化を誘起させることができる。ここに近赤外光スイッチ

可能かどうかを検討した。その結果、ASCL1 遺伝子をターゲットしたガイド RNA を用いたところ、NIR-CPTS は、タンパク質を導入したところ、光照射を行なった場合のみ
ならず、暗所に保持した場合においても遺伝子活性化を誘

暗所でのリーク活性がほとんど見られず、光照射によって193 倍の遺伝子活性化を誘導できることがわかった（図起することが明らかになった。Magnet システムを利用した場合にはこの暗所での活性化は観察されなかったこと

4a）。ガイド RNA として HBG1 遺伝子をターゲットした場合も、暗所でのリーク活性が見られず、光照射によってから、近赤外光スイッチタンパク質を導入した場合に観察された活性化は、近赤外光スイッチタンパク質の暗所での1,366 倍もの遺伝子活性化を誘導できることがわかった（図 4b）。このように、細胞核内の実際のゲノム遺伝子に結合活性（リーク活性）に原因があると考えられる。近赤
外光スイッチタンパク質を導入した遺伝子活性化システ

対しても近赤外光スイッチタンパク質の改良版を用いた
NIR-CPTS は、光照射依存的に非常に効率よく遺伝子活性

ムのリーク活性は非常に高いため、光照射を行なっても、僅かに 1.6 倍しか遺伝子活性化を誘起できない。理想的な化を起こせることがわかった。NIR-CPTS によるゲノム遺伝子活性化は、光照射を開始して 90 分後には、18 倍にま光スイッチタンパク質は、光を照射した時のみに、光操作を実現できるというものである。しかし、現状の近赤外光で上昇する（図 5a）。また、光照射を止めると、NIR-CPTSによる遺伝子活性化は停止し、ガイド RNA でターゲット

スイッチタンパク質のように、暗所でも高いリーク活性を持つことは、光照射を行う前から活性化が起こっているこ

したゲノム遺伝子の mRNA 量は暗所の時のレベルまで戻っていく（図 5b）。これは、近赤外光スイッチタンパク質とを意味しており、この性質は光操作の基盤技術としては致命的な欠点となる。

の改良版が暗所時には可逆的に解離していくという性質を保持していることを示している。CRISPR–Cas9 の最大

そこで、研究代表者らは近赤外光スイッチタンパク質にアミノ酸変異を導入することで暗所でのリーク活性を低の特長は、様々な遺伝子をターゲットするガイド RNA を同時に用いて、様々な遺伝子を同時にコントロールできる

減させることを目的に研究を行なった。さまざまな変異体を作製し、それぞれの変異体をゲノム遺伝子の光活性化シことである。NIR-CPTS においても、多種類のゲノム遺伝
子を同時に光活性化できるかどうか検討した。その結果、ステムに導入して、光照射条件と暗所条件での比較を行った。その結果、現時点で、暗所リーク活性を野生型の 10 分

4 種類のゲノム遺伝子（ASCL1 遺伝子、HBG1 遺伝子、
MYOD1 遺伝子、IL1R2 遺伝子）をそれぞれターゲットすの 1 に低減させることに成功している。このように近赤外光スイッチタンパク質の改良版を導入した遺伝子活性化システムを NIR-CPTS（CRISPR–Cas9-based photoactivatable

図 5．NIR-CPTS による光活性化の時間変化。
（a）光照射（NIR）
を開始して 90 分後には、暗所条件下（Dark）の 18 倍の活性上昇を起こすことができる。
（ｂ）光照射（NIR）を止めると、
NIR-CPTS の活性化も止まる。また、再び光照射を行うと、NIR-CPTS は再び活性化する。

図 4．NIR-CPTS によるゲノム遺伝子の光活性化。ヒト胎児腎、
臓細胞（HEK293T 細胞）のゲノム遺伝子（ASCL1 遺伝子（a）
HBG1 遺伝子（b））を光照射（NIR）によって活性化した。暗所条件下（dark）でのリーク活性は、対照群（Mock; ガイド
RNA を入れていない群）と同程度に低い。

255

KISTEC研究報告2021

【研究開発部】戦略的研究シーズ育成事業(2) 進化分子光学的手法に基づく長波長の光スイッチタ
ンパク質の開発
研究項目（1）の光スイッチタンパク質は、光合成細菌の細胞の中で実際に使われている天然のタンパク質を改変して開発する光スイッチタンパク質である。研究項目（2）では、研究項目（1）とは全く異なり、進化分子工学的手法に基づいて、全く新しい長波長の光スイッチタンパク質を開発することを目標とする。進化分子工学的手法に基づいて、全く新しいタンパク質相互作用に基づいて光スイッ
チタンパク質を開発することにより、天然のタンパク質相
互作用のデメリットを克服するような、新たな光スイッチ
図 6．NIR-CPTS の活性の波長依存性。800 nm 以上の長波長光でも光活性化できる。

タンパク質が開発できるとの期待を持ってこの研究項目（2）を遂行している。光スイッチタンパク質は、様々なるガイド RNA を同時に用いて、これらの遺伝子を同時に光刺激で活性化できることがわかった。

光操作技術を開発する上での基盤技術となる。研究項目（1）（2）により、質の高い長波長の光スイッチタンパク質を

上述のように、650 nm から 800 nm の光は生体組織透過性が高い。近赤外光スイッチタンパク質の改良版の波長依開発することが、光操作に基づく医療技術を創出する上での鍵となる。

存性を、NIR-CPTS の遺伝子活性化を指標として調べたと
ころ、当該システムは、780 nm が最適の波長であり、800

研究項目（2）では、進化分子工学的手法に基づいて、全く新しい長波長の光スイッチタンパク質の開発を行な

nm でも十分な遺伝子活性化を誘導できることがわかった（図 6）。そこで研究代表者らは、NIR-CPTS を用いてマウっている。この光スイッチタンパク質は、近赤外光を受容するドメインとその結合タンパク質からなっている。当該

スの生体（in vivo）で遺伝子活性化を制御できるかどうか調べた。まず、hydrodynamic tail vein injection 法でマウス

光受容ドメインとして様々な選択肢がある中で、研究代表
者らは研究項目（1）とは別の細菌由来の赤色光受容体をの肝臓に NIR-CPTS を導入した。マウスへの光照射は、生体外から LED パネルを使って行なった（図 7）。このよう選択した。これは、赤色光受容体の光反応特性や暗反転のキネティクスが非常に優れており、かつ光照射依存的な構な非侵襲的な光照射方法でも、マウス肝臓において、レポーター遺伝子の活性化を誘起することができた（図 8a）。

造変化に関する知見が十分に蓄積しているためである。結さらに、NIR-CPTS を用いて、マウスのゲノムにコードされた遺伝子（ASCL1 を例に）を非侵襲的な光照射で活性化できることも明らかになった（図 8b）。このように、研究代表者らは、開発した近赤外光スイッチタンパク質の改良版の特性を、NIR-CPTS というゲノム遺伝子の活性化技術として評価した。その結果、近赤外光スイッチタンパク質の改良版は生体内でも光操作の基盤技術として利用でき
ることがわかった。プロジェクト 2 年目となる 2021 年度
は、近赤外光スイッチタンパク質への変異導入を継続して実施し、さらに光制御能が向上した光スイッチタンパク質として完成させたいと考えている。

図 8．
（a）NIR-CPTS を導入したマウス肝臓における生物発光
レポーター遺伝子の光活性化。
（b）NIR-CPTS を導入したマウ
ス肝臓におけるゲノム遺伝子（マウス ASCL1 遺伝子）の光活性化。

図 7．LED アレイを用いてマウスの生体外から光照射。

KISTEC研究報告2021256

【研究開発部】戦略的研究シーズ育成事業

4.

合タンパク質としては、ペプチドに加えて様々な分子を検選抜した。選抜した分子に対して、さらに二次的なスクリーニングや更なる変異導入等を導入した結果、光照射依存

F. Kawano, R. Okazaki, M. Yazawa and M. Sato, “A
photoactivatable Cre–loxP recombination system for
optogenetic genome engineering” Nat. Chem. Biol., 12,

討し、選んだ分子に対してランダム変異を導入することで、
赤色光受容体に対して光照射依存的に結合する変異体を
5.

1059-1064 (2016).
Y. Nihongaki, Y. Furuhata, T. Otabe, S. Hasegawa, K.
Yoshimoto and M. Sato, “CRISPR-Cas9-based
photoactivatable transcription systems to induce neuronal

的に赤色光受容体に強く結合する分子を開発することができた。現在、この赤色光スイッチタンパク質（赤色光受
容体と結合分子のペア）を、研究項目（1）の場合と同様に、遺伝子発現の光操作技術に導入して評価を行なってい6.

differentiation” Nat. Methods, 14, 963-966 (2017).
M. Tahara, Y. Takishima, S. Miyamoto, Y. Nakatsu, K.

る。現在までに、この進化分子工学に基づく新しい赤色光
スイッチタンパク質が、暗所での反応性をほとんど示さず、

Someya, M. Sato, K. Tani and M. Takeda,“Photocontrollable mononegaviruses” Proc. Natl. Acad.

極めて高い光制御能することが明らかになっている。

Sci. USA, 116, 11587-11589 (2019)

3．今後の展望
研究項目（1）および研究項目（2）の光スイッチタンパ
ク質を完成させることが 2021 年度の大きな目標となる。
上述のように、研究項目（1）および研究項目（2）の新たな光スイッチタンパク質を遺伝子発現の光操作技術に導入して、ゲノムにコードされた任意の遺伝子の働きを自由自在にコントローするする技術の創出し、マウスの生体（in vivo）で十分な検証を行うことを目指している。一方で、最も重要なのは、光スイッチタンパク質が極めて一般性が高く、様々な光操作技術を実現できる基盤技術（coretechnology/platform technology）になり得ることであると研究代表者らは考えている。そして、光スイッチタンパク質
によって、幅広い創薬モダリティを大きく革新できると考えている。この観点から、戦略的研究シーズ育成事業の開始と共に、様々な研究グループと共同で、様々な創薬モダ
リティに光操作技術を導入するための研究を実施している。その範囲は、ゲノム編集医療や遺伝子治療、腫瘍溶解性ウイルス療法のような「遺伝子医薬」に限定されない。
2022 年度以降は、この様に幅広く展開する探索研究の結果を踏まえて、事業としてより大きな価値を持つ技術を絞り込み、光操作に基づく医療技術として、社会実装に向けて非臨床研究、臨床研究を進めていくことが重要と考えている。さらに、光スイッチタンパク質は、医療技術としてのみならず、幅広い分野に応用可能と考えているため、光スイッチタンパク質を用いたさらなる応用展開についても開拓したいと考えている。

【参考文献】
1.
F. Kawano, H. Suzuki, A. Furuya and M. Sato,“Engineered pairs of distinct photoswitches for
optogenetic control of cellular proteins” Nat. Commun., 6,2.

6256 (2015).
Y. Nihongaki, F. Kawano, T. Nakajima and M. Sato,“Photoactivatable CRISPR-Cas9 for optogenetic genome
editing” Nat. Biotechnol., 33, 755-760 (2015).

3.

Y. Nihongaki, T. Otabe, Y. Ueda and M. Sato, “A split
CRISPR–Cpf1 platform for inducible genome editing andgene activation” Nat. Chem. Biol., 15, 882-888 (2019).

257

KISTEC研究報告2021

【研究開発部】戦略的研究シーズ育成事業業

績【原著論文】
1.

T. Takao, M. Sato and T. Maruyama
Optogenetic regulation of embryo implantation in miceusing photoactivatable CRISPR–Cas9
Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 117, 28579-28581 (2020).

【総説】
1.

佐藤守俊「光操作に基づくゲノムのリプログラミング
技術の創出」, 医学のあゆみ, 2020 年，第 275 巻, 1 号,
p21291-21296.

【口頭発表】
1.

佐藤守俊「生命の設計図を書き換えるゲノム編集」，
岡山県立笠岡高校科学講演会，2020 年 11 月 6 日

2.

佐藤守俊「生命現象の光操作技術の創出」，名古屋大学大学院工学研究科講演会，2020 年 11 月 20 日

3.

佐藤守俊「生命の設計図を書き換えるゲノム編集」，
里庄町立志式特別講演，2021 年 1 月 27 日

4.

佐藤守俊「生命現象の光操作技術の創出」，岡山大学大学院医歯薬学総合研究科特別講演，2021 年 2 月9日
佐藤守俊「生命現象の光操作技術の創出」，欧州製薬団体連合会（EFPIA Japan)，2021 年 2 月 26 日佐藤守俊「細胞をデザインする光操作技術」，第 9 回
LINK-J オンライン・ネットワーキング・トーク，2021
年 2 月 26 日

5.

中嶋隆浩，佐藤守俊「近赤外光スイッチタンパク質によるゲノム遺伝子活性化システム」，日本化学会
第 101 春季年会，2021 年 3 月 20 日

【特許】(1) 国内特許出願

0件(2) 国外特許出願

0件

KISTEC研究報告2021258

【研究開発部】戦略的研究シーズ育成事業

貴金属フリー新規触媒技術の開発
研究代表者：東京大学

砂田祐輔【基本構想】
現在の科学技術では、工業的な化成品の触媒的合成や、燃料電池などにおけるエネルギー活用技術など、多くのプロセスにおいて貴金属触媒が活用されている。しかし、これら貴金属類は希少資源であり高価であることに加え、触媒用途以外の他分野からも多くのニーズがあることなどから、貴金属の活用を必要としない貴金属フリーの触媒技術の開発が求められている。そこで本研究では、地球上に豊富に存在するた
め安価で入手可能な普遍金属のみから構成される独自の触媒合成技術に立脚し、貴金属を使用しない新規触媒技術を開発し、貴金属フリーな物質変換・化成品合成・エネルギー活用技術の開発を行うことを目的とした研究を行っている。

１．

(3) 普遍金属触媒による貴金属フリーヒドロシリル化の研究目的

本研究では、貴金属化合物が触媒として活用されている、化成品合成もしくはエネルギー活用技術において、これら開発
まず(1)については、研究代表者はこれまでの均一系触を貴金属フリー触媒で実現できる技術の開発を行うことを目的としている。プロジェクト１年目となる令和 2 年度

媒開発に関連する研究において、鉄などの普遍金属上にケ
イ素部位を配位子として導入した分子状錯体を開発する

では、有用化成品合成における貴金属フリー触媒技術の開発として、シリコーン材料の合成において用いられる必須

ことで、ヒドロシリル化に対して中～高活性を示す触媒として機能することを見出している。この研究基盤を基に本の化学変換であるアルケンのヒドロシリル化を実現できる貴金属フリー触媒の開発に注目した。

研究では、普遍金属とケイ素を併せ持つ普遍金属・ケイ素
複合型触媒を開発することで、貴金属フリーで機能するヒ

現在、世界におけるシリコーン関連製品の需要は 1 兆円超の規模であり、シリコーン関連製品は、建築・土木産業

ドロシリル化用触媒の開発を行うことを着想した。普遍金属触媒によるヒドロシリル化を実現するためには、反応剤

や電気・電子材料・食品関連・医療・車両や化学用途など、多岐に渡る分野からのニーズのある、現代社会を支える基であるヒドロシランにおける”H-Si”結合を効率的に活性化できる触媒の開発が必要となる。そこで本研究では、ヒ

盤材料の一つとなっている。シリコーン製品は主として、
i)シランカップリング剤、ii) シリコーンオイル、iii)シリドロシリル化を実現しうる普遍金属・ケイ素複合型触媒の設計・開発指針を得るべく、分子状の普遍金属・ケイ素複コーンゴム、の 3 つに大別される。これらのシリコーン材
料はいずれも多くの場合、アルケン類のヒドロシリル化

合型化合物の合成と構造決定、ならびにヒドロシランにおける”H-Si”結合の活性化能の評価として、カルボニル化合（図 1）を経て合成されるが、従来技術では本反応には白金化合物が触媒として活用されている。しかし、白金は貴物のヒドロシリル化への適用を行い、触媒構造の設計指針を得ることを第一の目的として研究を遂行した。

金属であるため高価であることから、白金に依存しない触媒技術の開発が求められている。そのため世界的にも、白金に依存しない貴金属フリーでのヒドロシリル化触媒技術の開発は注目を集めており、近年、活発な研究が行われ

図 1.アルケンのヒドロシリル化の一般式ているが、ほとんどは特殊な補助配位子や合成条件を必要とし、かつ空気や水に対し不安定であるため、合成・取り

次に(2)として、(1)で得られた設計・合成指針を基にし扱いの困難な均一系錯体触媒の開発に留まっている。これらはしばしば高活性を示すが、耐久性が低く、再使用も困た触媒開発へと展開するが、その際、実用性の高い固体触媒として開発することを目的とした。(1)で開発する分子難である。これらを勘案すると、現在までのところ、実用性の高いヒドロシリル化用貴金属フリー触媒の合成は未状触媒と比較して、(2)でターゲットとする固体触媒は安定性が高く、取り扱いが容易であるという特徴を有する。

踏である。そこで本プロジェクトでは、独自の普遍金属触媒を開発し、白金フリーでのシリコーン材料合成法を開発

そのため本研究では、分子状触媒での設計指針を基にした固体触媒の開発を行った。

することを目的として研究を行った。
本プロジェクトを遂行するにあたって、令和 2 年度は、その後(3)として、開発した触媒を用いたアルケンのヒ
ドロシリル化へと展開し、各種シリコーン製品の貴金属フ

以下の各項目を重点項目として行った。
(1) 触媒設計指針の確立

リーでの合成法の確立を目的として研究を行った。特に、開発するシリコーン製品として、上述の(i)~(iii)のいずれの(2) 普遍金属・ケイ素複合型固体触媒の開発

シリコーン製品・材料も合成可能な、汎用性の広い触媒技

259

KISTEC研究報告2021

【研究開発部】戦略的研究シーズ育成事業

術としての応用展開を行うことを目的とした。

4・下段に示すが、いずれの場合においても反応は定量的2．

に進行し、対応するヒドロシリル化生成物から誘導される
アルコールを高収率で得た。これらのカルボニル化合物の研究成果

以下に挙げるのは、令和 2 年度の具体的な研究成果である。

ヒドロシリル化は、多くの場合、貴金属化合物を触媒として用いることで達成される。一方、今回の一連の結果より、(1) 触媒設計指針の確立
本研究では、これまでの研究代表者の研究基盤を基に、マンガン中心にケイ素部位を導入し、マンガン・ケイ素複合型触媒とすることで、ヒドロシランにおける”H-Si”部位

普遍金属・ケイ素複合型の触媒開発に立脚した研究を行う。
まず、触媒設計指針についての知見を得るべく、分子状のを効果的な活性化可能な触媒として機能しうることを明らかにした。すなわち、普遍金属とケイ素の複合型触媒を普遍金属・ケイ素複合型化合物の合成と、ヒドロシランにおける”H-Si”結合活性化能の評価に関する検討を行った。

開発することで、ヒドロシランにおける”H-Si”結合を活性可能な触媒として機能することを見出した。

図 2. 研究代表者の以前の研究：鉄・ケイ素複合型触媒 1 の合成研究代表者はこれまでの研究において、鉄中心に 2 つのケイ素部位を配位子として導入することで、貴金属触媒と類似の触媒機能を発現することを見出している。1 例えば、
図 2 に示す反応から得られる鉄・ケイ素複合型分子(1)は、ヒドロシランにおける”H-Si”基を効率的に活性化し、カル

図 4. マンガン触媒 2 によるケトンのヒドロシリル化

ボニル化合物のヒドロシリル化に対し、貴金属触媒と同程度の高活性を示す触媒として機能する。この成果は、普遍(2) 普遍金属・ケイ素複合型固体触媒の開発(1)での知見をまとめると、普遍金属に対しケイ素部位

金属中心に対しケイ素部位を導入することで、ヒドロシラ
ンにおける”H-Si”部位を活性化しうる触媒として機能しを導入し、普遍金属・ケイ素複合型化合物とすることで、従来では貴金属化合物により達成されていた”H-Si”部位

うることを示唆している。そこで本研究ではまず、普遍金属として、一般に反応性が低いことが知られているマンガの活性化が可能となる、貴金属と類似の機能を発現しうる触媒として機能することが明らかとなった。そこで次に、ンを用い、マンガン中心に触媒(1)と同様のケイ素部位を導入した分子を合成し、得られた分子がヒドロシランにお本研究の基盤となる普遍金属・ケイ素複合型の固体触媒の開発へと展開した。この際、特に実用性の高い触媒としてける”H-Si”部位を活性化可能な触媒として機能しうるかについての検討をまず行った。

開発すべく、触媒活性・耐久性・使用性などに優れる固体
触媒としての開発を指向した研究を行った。アルケンのヒ

まずケイ素部位の前駆体である K{Si(SiMe3)3}に対し、入手容易なマンガン前駆体である MnBr2 を THF 中で反応

ドロシリル化に対し活性を示す、貴金属代替となる普遍金属触媒の開発は、近年、世界的に活発な研究が行われていさせることで、目的とするマンガン中心に 2 つのケイ素部位を導入した化合物 Mn[Si(SiMe3)3]2(THF)2 (2)を高収率でるが、その大部分は、均一系触媒としての開発である。均一系触媒は、しばしば高い触媒活性を示すが、一般に不安得た（図 3）。この化合物は単結晶 X 線構造解析、元素分
析などにより構造決定を行った。

定であるため耐久性・使用性に課題が残されている。またほとんどの場合、合成が煩雑な配位子を必要とするなど、簡便に入手可能な普遍金属触媒の開発の例は極めて限定的である。これらの研究背景を踏まえて本研究では、普遍
金属・ケイ素複合型化合物の開発に立脚し、合成・取り扱
いが容易、高活性、再使用も可能、な実用性の高い固体触媒としての開発を指向した研究を行った。またこの際、上述した(i)~(iii)の代表的なシリコーン製品のいずれも合成

図 3. マンガン・ケイ素複合型分子 2 の合成

次に、得られた化合物(2)を触媒として用いて、ヒドロ

可能な触媒技術としての開発を目指した検討を行った。
まずケイ素材料として、固体状ケイ素材料を安価な市販

シランを用いたカルボニル化合物のヒドロシリル化へと適用した。この際、ヒドロシランとしては、安価で入手容品を原料として 1 段階で簡便な操作から合成した。次に、普遍金属としてマンガン、鉄、コバルト、ニッケルの活用

易 な た め 汎 用 原 料 と し て 用 い ら れ る
1,1,3,3-tetramethyldisiloxane を用いた検討を行った（図 4）。

に注目し、これらの適切な前駆体を用い、合成した固体状
ケイ素材料と複合化させることを検討した。その結果、い本反応に適用可能な代表的なカルボニル化合物の例を図

ずれの金属種においても、適切な市販品の金属前駆体を用KISTEC研究報告2021

260

【研究開発部】戦略的研究シーズ育成事業

い、固体状ケイ素材料と室温～100 度程度で攪拌すること反応を行った。まず、1 回目の反応を、1 mol%の触媒を用で、普遍金属・ケイ素複合型化合物を簡便かつ高収率で合成できることを見出した。得られた一連の化合物は、蛍光

いて反応温度 60 度、反応時間 24 時間の反応条件で行った
ところ、原料の完全な消失が確認され、目的物が定量的にX 線や IR スペクトルなどの各種スペクトルにより同定を行った。これら一連の結果より、固体状ケイ素材料をケイ得られていることが、1H NMR スペクトルにより確認された。次に、反応終了後の反応容器を遠心分離し、上澄み液

素前駆体として用い、適切な普遍金属前駆体と混合させることで、簡便に一連の普遍金属・ケイ素複合型化合物が合を除去することで触媒のみを残差として回収し、ここに再び 反 応 剤 と し て α-methylstyrene と 1,1,1,3,3-pentamethyl

成できることを明らかにした。本手法の特徴として、特殊な装置・操作、ならびに特別な補助配位子等を活用する必

disiloxane を添加して反応を行ったところ、1 回目と同一の反応条件において、アルケン基質の転化率が 95%で反応要がなく、合成・取り扱いが簡便であること、ならびにマンガン・鉄・コバルト・ニッケルのいずれの普遍金属触媒が進行することが確認された。さらに、先程と同様の操作
により触媒を回収した後、再び反応剤を添加して 3 回目のも同様の手順で活用できること、などが挙げられる。

反応を同一条件下で実施したところ、アルケンの転化率81%で反応が進行していることが確認された（図 6）。これ(3) 普遍金属触媒による貴金属フリーヒドロシリル化の開発

らの検討から、合成した触媒は、最低でも 3 回の再使用が可能であることが示され、十分な安定性と高い再使用性を

アルケンのヒドロシリル化反応は、シリコーン材料合成における鍵反応であり、本反応を経由した多様な製品群の示すことが明らかとなった。

シリコーン材料が工業的に合成されている。これらの反応
では、従来法では白金化合物が触媒として活用されており、例えば、塩化白金酸や Karstedt 触媒などの白金触媒が活用されている。これらは、高い活性を示すため高効率的にシリコーン製品を合成可能であるが、高価であるという課題が残されている（参考：塩化白金酸：24,000 円/g Aldrich

図 6. 触媒の再使用性についての検討

社での価格）。このような背景のもと本研究では、(2)で合成した普遍金属・ケイ素複合型化合物を触媒として用い、次に、合成したコバルト・ケイ素複合型化合物を触媒として、上述の 3 種の代表的なシリコーン材料である i)シラ

各種アルケンのヒドロシリル化へと適用し、貴金属フリー
でのシリコーン製品の合成法の開発を行った。

ンカップリング材、ii) シリコーンオイル、iii)シリコーン
ゴムの合成反応へと適用した。白金触媒での反応においては、これら 3 種のシリコーン材料はいずれも効率的に合成可能であるが、普遍金属触媒において、これらの合成を可能するものの例は極めて限定的である。そこで本研究では、
上記 i)～iii)のシリコーン材料の合成反応に、今回開発した触媒を適用し、本触媒の応用範囲についての評価を行った。
まず、i)としてシランカップリング剤の合成反応への展図 5. コバルト・ケイ素複合型触媒によるα-methylstyrene のヒ
ドロシリル化

まず、モデル反応として、アルケンとして開を行った。シランカップリング剤は、用いるアルケンお
よびケイ素反応剤の構造により、数百種以上におよぶ多種

α-methylstyrene、ケイ素反応剤としてモデルとして汎用されヒドロシランである 1,1,1,3,3-pentamethyldisiloxane を用

多様な製品群が存在する。そのため本研究では、代表的なアルケンおよびケイ素反応剤を用いて、多様なシリコーンい、普遍金属・ケイ素複合型化合物を触媒として用い、触媒性能について精査したところ、コバルトから構成される製品の合成へと展開し、合成した触媒の性能評価を行った。

触媒が、高い触媒活性を示すことを見出した（図 5）。本
触媒の触媒活性について評価すべく、この反応において用いるアルケンおよびケイ素反応剤と触媒とのモル比を変化させ、本触媒の最大の触媒回転数を評価したところ、最大触媒回転数（Turn Over Number：TON）は 7,300 であり、普遍金属触媒としては、既報の触媒と比較しても非常に高いことが明らかとなった。一方、従来法で用いられる白金
触媒も、TON は一般に 1,000～10,000 程度であるとされて

図 7. 本触媒系で合成可能なシリコーン化合物の例

おり、本触媒は、白金触媒と比較して遜色ない触媒活性を示すことを見出した。

本触媒系で合成可能なシリコーン製品の一例を図 7 に示 す 。 ま ず ケ イ 素 反 応 剤 と し て 、次に、本触媒の再使用性について検討を行った。この検討においても、アルケンとしてα-methylstyrene を用い、ケ

1,1,1,3,3-pentamethyldisiloxane を用いた検討を行ったとこ
ろ、アルケンとして、単純アルケンであるα-methylstyrene

イ素反応剤として 1,1,1,3,3-pentamethyldisiloxane を用いてや 1-decene、styrene を用いた場合、本触媒系はいずれの反261

KISTEC研究報告2021

【研究開発部】戦略的研究シーズ育成事業

応においても高い触媒活性を示し、60 度～80 度の加熱条目的とするシリコーンゴムの生成が確認された。

件下、24 時間の反応条件で、目的とするケイ素化合物(a),(b), (c)を高収率で得ることに成功した。次に、官能基を有以上より、本研究では、固体状ケイ素材料と、適切なマンガン・鉄・コバルト・ニッケル前駆体との反応から、簡するアルケンとして、エポキシ部位を持つアルケンを基質として用いた反応を検討したところ、60 度の加熱条件下、便な操作で一連の複合型触媒を開発し、特に、コバルト・ケイ素複合型触媒が、アルケンのヒドロシリル化によるシ

24 時間の反応条件で、目的とするケイ素化合物(e)が定量的に得られることを明らかにした。またアルケンとして、リコーン材料合成において、シランカップリング剤・シリコーンオイル・シリコーンゴム、の全ての用途に対して高vinylsiloxane 構造を持つものを用いた場合においても、同様の反応条件下において、目的とする生成物(d)が定量的活性を示す優れた貴金属フリー触媒として機能することを明らかとした。なお、今回開発したこれらの普遍金属・に得られることを見出した。このアルケンは、後述するシリコーンゴムの合成反応に対するモデル基質として使わ

ケイ素複合型触媒に関する技術は、特許出願済みである（特願 2021- 5602）。

れるものであり、本触媒系は、様々なアルケンを用いた場
合においても、いずれも良好な触媒性能を示すことを明ら参考文献かにした。また用いるケイ素反応剤についても
1,1,1,3,3-pentamethyldisiloxane 以外のヒドロシランも適用

1. Arata, S.; Sunada, Y. An isolable iron(II) bis(supersilyl)
complex as an effective catalyst for reduction reactions, Dalton

可能であることを見出しており、本触媒系は広い基質適用範囲を示す。

Trans. 48, 2891-2895, 201

図 8. コバルト・ケイ素複合型触媒によるシリコーンオイル合成への展開

次に上述の(ii)への展開として、高分子状ケイ素反応剤
をヒドロシランとして用いた、シリコーンオイルの製造反応へと本触媒を適用した。アルケンとして styrene を用い、
図 8 に示す高分子状ヒドロシロキサンを用いた検討を行ったところ、反応時間 24 時間以内に反応は完結し、目的とする生成物のみを定量的に与えることを見出した。また、
その他のアルケンならびに高分子状ヒドロシロキサンを用いた場合においても、反応は同様に高効率で進行することも見出している。これらの検討から今回開発した触媒は、シリコーンオイルの製造用触媒としても適用可能である
ことを見出した。

図 9. コバルト・ケイ素複合型触媒によるシリコーンゴム合成への展開

次に、(iii)で示したシリコーンゴムの合成反応へと本触媒を適用した。シリコーンゴムは、シリコーン材料の応用用途として最も広く用いられているものであり、これらの合成においても従来法では白金触媒によって合成が達成されている。一方、今回開発したコバルト・ケイ素複合型触媒を用いて、図 9 に示すように、高分子状アルケンと高分子状ヒドロシロキサンとの反応を検討したところから、

KISTEC研究報告2021262

【研究開発部】戦略的研究シーズ育成事業

業 績【原著論文】【特許】

1.Saito K, Ito T, Arata S, Sunada Y
Four-Coordinated Manganese(II) Disilyl Complexes for the(1) 国内特許出願 1 件

Hydrosilylation of Aldehydes
1,1,3,3-Tetramethyldisiloxane

and

Ketones(2) 国外特許出願 1 件

withChemCatChem, 13, 1152-1156, 2021
2.Arata S, Suzuki K, Yamaguchi K, Sunada Y
Supersilyl as an Effective Monodentate Ligand to Stabilize
Four-Coordinate Manganese(II) Complexes
Dalton Trans, 49, 17537-17541, 2020

【口頭発表】
1.砂田祐輔、荒田彰吾、齋藤京花、小林由尚、伊藤龍好
4 配位構造を持つ鉄(II)およびマンガン(II)スーパーシ
リル錯体
錯体化学会第 70 回討論会、2020 年 9 月 28 日（Online
開催）
2.石井玲音、砂田祐輔
ルイス酸性部位を導入した有機ケイ素化合物の合成と機
能開拓
第 47 回有機典型元素化学討論会、ポスター発表、2020
年 12 月 4 日（Online 開催）
3.伊藤龍好、砂田祐輔
ポリシラン担持コバルト触媒によるアルケンのヒドロシ
リル化反応
日本化学会第 101 春季年会、2021 年 3 月 19 日（Online
開催）
4.小林由尚、砂田祐輔
鉄触媒によるアンモニアボランおよびヒドロシラン脱水素化反応の開発
日本化学会第 101 春季年会、2021 年 3 月 19 日（Online
開催）
5.石井玲音、砂田祐輔
第 12, 13 族元素を導入したオリゴシランの合成と機能開拓
日本化学会第 101 春季年会、2021 年 3 月 19 日（Online
開催）
6.中川峰里、砂田祐輔
配位不飽和鉄(II)ジシリル錯体における配位子交換、
日本化学会第 101 春季年会、ポスター発表、2021 年 3
月 21 日（Online 開催）

263

KISTEC研究報告2021

【研究開発部】戦略的研究シーズ育成事業

超高空間分解を実現するナノカーボン光分析装置
研究代表者：慶應義塾大学

牧英之【基本構想】
カーボンナノチューブやグラフェンを用いた光源は、超小型で超高速な光源をシリコンなどのあらゆるチップ上に集積化できることから、本光源を用いることで、従来の電球や半導体光源では実現できない新たな分析装置を開発することができる。本プロジェクトでは、ナノカーボン材料のナノ構造に注目し、従来の光分析での空間分解能の壁を打ち破る、全く新しい高空間分解能の光分析装置を開発する。このような全く新しい高分解能の光分析装置を実現することにより、従来の光分析装置では困難であった微小領域の分析や高分解能のイメージング装置を開発することが可能となることから、化学、物理、材料、バイオ領域といった幅広い分野で利用可能な新しい光分析技術を構築する。令和 2 年度は、シリコンチップ上に集積可能な高性能なナノカーボン光源の開発を進め、カーボンナノチューブを用いた電流注入型の EL 発光素子開発、カーボンナノチューブとシリコン光デバイスを融合したチップ上の狭線幅赤外光源の開発、カー
ボンナノチューブ配向膜と黒体放射光源開発などに関する研究を進めた。これらの光源は、従来の電球などによる光源とは異なり、チップ上の光源として分析技術をはじめとする様々な分野への応用が期待され
る。

１．

研究目的

ェン成長に成功するとともに、それらをシリコン基板上にカーボンナノチューブやグラフェンといったナノカ
ーボン材料を用いたナノカーボン光源は、シリコン基板上

直接パターニング成長させる方法の開発にも成功してきた。さらに、量産可能なグラフェンを用いた発光素子のデに集積可能な、超小型で超高速な光源として期待されている。これまでに我々は、カーボンナノチューブやグラフェ

モンストレーションにも成功するなど、基礎研究から応用研究まで幅広く光源開発を進めてきた。これらの成果を踏ンを用いた超小型黒体放射発光素子の作製や、これらの発光メカニズムの起因の解明に成功するなど、世界に先駆け

まえ、令和 2 年度は、シリコンチップ上に集積可能な高性
能なナノカーボン光源の開発を進め、カーボンナノチューてナノカーボン材料を用いた光源の開発に成功してきた。
特に、ナノカーボン光源は、従来の半導体光源や電球などブを用いた電流注入型のエレクトロルミネッセンス（EL）
発光素子開発、カーボンナノチューブとシリコン光デバイとは異なり、シリコンチップ上にダイレクトに集積できる
ことから、従来の光源では実現できない新しい原理や構造スを融合したチップ上の狭線幅赤外光源の開発、カーボン
ナノチューブ配向膜と黒体放射光源開発などに関する研の光デバイスやその応用を展開可能である。また、ナノカ
ーボン光源は、最高で 1GHz 以上の超高速変調が可能であ究を進めた。これらの成果に関して、下記に簡単に報告する。

ることが示されており、これは、従来の熱光源と比べて100 万倍以上も高速であることから、従来の熱光源では実2．

現できない新たな機能や原理による光デバイス応用が実現できる。本戦略シーズ育成事業においては、研究代表者(1)カーボンナノチューブを用いた EL 発光素子開発
シリコン上にダイレクトに形成できる次世代の光素子が独自に開発してきたこれらのナノカーボン発光素子を用いて、従来のマクロな光源では実現できない全く新しい用材料として、カーボンナノチューブやグラフェンといったナノカーボン材料に注目し、原子オーダーの低次元構造

原理に基づく分析装置の開発を行う。ここでは、新しい分析技術に最適化した構造や性能の光源開発を進めるととを利用して、通常の半導体光材料などでは見られない特異な物性や性質を用いた新しい赤外光源を開発する。ナノカ

もに、それらの実用化も視野に入れ、ナノカーボン発光素
子の量産技術の構築を行う。さらに、これまでのナノカー

ーボン光源は、優れた加工性によってチップ上でも集積化も容易であることから、将来的には、従来の固体半導体光

ボン光源とは異なる、オリジナリティの高い新たなナノカ
ーボン光源の開発も平行して進めることで、全く新しい原

源では実現できない全く新しいデバイス応用を提案する
ことを目指す。本研究では、一次元材料である半導体カー

理の分析応用を実現する光源技術の開発も進める。
本研究に関連し、これまでに我々は、様々なナノカーボ

ボンナノチューブに注目し、電流駆動が可能で赤外領域で発光するカーボンナノチューブ EL 発光素子開発を行った。

ン光源の開発やそのメカニズム解明に加えて、最近では、
高空間分解能分析に向けた超小型グラフェン発光素子の開発したカーボンナノチューブ EL 発光素子を図 1 に示す。半導体リッチのカーボンナノチューブを溶液に分散し開発にも成功してきた。さらに、光源の量産化に向けた研究としては、従来に比べて少ない工程で安価に量産可能なてスピンコートすることによってカーボンナノチューブ
薄膜を形成し、その両端に電極を形成するという簡単なプ

グラフェン成長法として、固体炭素源による多結晶グラフ

ロセスでシリコンチップ上に EL 発光素子を作製すること

KISTEC研究報告2021

264

研究成果

【研究開発部】戦略的研究シーズ育成事業

図 1 半導体カーボンナノチューブを用いた EL 発光素子の模式図。
図 3 EL 発光・PL 発光・吸収のスペクトルの比較。

を明らかにし、これらの重ね合わせにより実験で得られる
発光スペクトルが再現可能であることを示した。さらに、得られる EL 発光スペクトルは、従来報告されていた PL
発光スペクトルや吸収スペクトルとは異なっていることが分かっており、およそ 0.2eV 程度のシフトがあると予想されていたが、本研究では、図 3 に示すように、カイラリ
ティーが詳しく同定された EL スペクトルを用いて、同じ
くカイラリティーが同定された PL スペクトルや吸収スペ
クトルと比較することで、それぞれのカイラリティーの発
光がどの程度シフトしているのかを詳細に解析した。その結果、PL と吸収のスペクトル間では、それぞれのカイラ
リティーに対応した発光・吸収ピークが完全に一致していることが明らかとなり、従来知られているようにこれらが

図 2 得られた EL 発光スペクトルと詳細なカイラリティーの同定。

「励起子」に起因した発光・吸収であることが示された一方、EL 発光に関しては、全てのカイラリティーのピークができる。このデバイスに電圧を印加することによって、が全て同程度にシフトしていることが明瞭に示された。詳細な解析の結果、それぞれのカイラリティーによってシフ

カーボンナノチューブ内に電子と正孔が電気的に励起されて、発光させることができる。これまでのカーボンナノ

ト量は若干異なるものの、全てにピークが約 150meV 程度のエネルギーシフトしていることが明らかとなった。このチューブ EL 発光素子の研究で、電子と正孔の励起機構としては、「電子・正孔注入励起」または「衝突励起」といエネルギーシフトの観測により、我々が開発した EL 発光
素子では、従来知られている励起子からの発光とは異なるった 2 つの励起機構が存在することが知られているが、我々が開発した発光素子では、得られた発光の発光スペク

機構での発光が得られていることが明らかとなった。詳細な解析の結果、この EL 発光は、励起子に対してさらにも

トル、発光強度や電流のバイアス電圧依存性、発光のカメ
ラ像などから、「衝突励起」機構による励起であることが明らかとなった。
さらに我々は、詳細に発光スペクトルを解析したところ、一つの素子の発光から複数のピークの EL 発光が得られる
ことが明らかとなった（図 2）。得られた複数のピークは、

う一つ正孔が結合した「トリオン」による発光であることが明らかとなった。
従来報告されたトリオンからの発光としては、PL 発光や EL 発光のものが報告されてきたが、いずれも、大きなゲート電界を印加して、高密度な正孔を発生させることによって、励起子よりもトリオンの生成を安定化させること複数のカイラリティーによるものであることが予想されたが、本研究で用いたカーボンナノチューブに含有されるによってトリオンを生成して発光を得ていた。一方、我々が開発したデバイスからのトリオン発光では、ゲート電圧

カイラリティーを詳細に調べるとともに、それらの情報を基にして、カイラリティーと得られる発光エネルギーを詳を一切印加することなく、トリオンからの発光を得ることに成功しており、従来のゲート電界によらないトリオン生細に対応させて解析したところ、得られた EL 発光には、
主に(8,7), (8,6), (7,6), (10,2), (7,5)のカイラリティーのカー

成メカニズムの解明が必要となる。そこで、本発光素子の電気特性や発光特性を踏まえて、トリオンの生成機構と発ボンナノチューブからの発光が重ね合わさっていること

265

KISTEC研究報告2021

【研究開発部】戦略的研究シーズ育成事業

図 5 実際に作製したシリコンフォトニクス素子。

図 4 トリオン発生と発光機構。

光機構について詳細に解析した。その結果、図 4 に示すよ
うに、電極－カーボンナノチューブ界面に生じるショット
キーバリアに起因して、電極から高効率に正孔が注入されて、電極界面付近のカーボンナノチューブ内に高密度な正孔が生成されると同時に、ショットキーバリアに伴うバンドの曲がりに起因して注入された正孔は加速されることから、加速された正孔の運動エネルギーによって励起子をダイレクトに励起する衝突励起機構が関与していることが明らかとなった。その結果、衝突励起機構により高効率に励起子が生成されると同時に、その領域近辺では高い正孔密度も同時に実現していることから、従来のゲート電界によるトリオン生成と同様にトリオン生成と発光が実現

図 6 シリコンフォトニクス上 CNT 光デバイスの模式図。

していることが示された。これより、本デバイスは、従来必要とされるゲート電界を必要とせずにトリオン発光が得られるため、より簡易的にトリオンを得る優れた手法となることが示され、新たなトリオン発生法と赤外領域での年、シリコンフォトニクスなどの高集積なシリコン光デバ
イスが注目されているが、このようなシリコンフォトニク
スデバイスでは、通信波長でも使われる波長 1.3µm 以上

発光素子開発手法となることを示した。本研究内容と技術に関しては、Journal of Applied Physics 誌に掲載された。

の近赤外光を用いる必要があり、このような波長で発光可
能なカーボンナノチューブとは極めて相性が良い。そのた(2) シシリコンチップ上での高効率・狭線幅カーボンナノ

め、近年になり、カーボンナノチューブとシリコンフォト
ニクスを融合した光デバイスの報告が増えており、例えば、

チューブ発光素子の作製
現在、半導体を用いた赤外領域での発光素子の材料としカーボンナノチューブの発光をシリコン光導波路で伝搬した研究や、シリコンフォトニック結晶やリング共振器なては、GaAs 系、InP 系やそれらの混晶などの化合物半導体が用いられているが、pn 接合などの素子作製プロセス

どの共振器と結合させた研究も報告され、それらを用いて狭線化された発光を得る研究も報告されてきている。しかが複雑であることや素子サイズが大きいといった課題が挙げられ、さらにシリコンとの親和性が悪く基板上に直接し、これらの先行研究においては、共振器とカーボンナノ
チューブが結合はしているものの、外部レーザー光源から成長が困難といった大きな欠点がある。そこで、化合物半導体に変わる新たな赤外領域での発光材料としてカーボの励起光入力やカーボンナノチューブ発光の取り出しは、
シリコンチップ上面から顕微鏡を用いて行われることがンナノチューブが報告されている。
半導体カーボンナノチューブは直接遷移型のバンドギ殆どであり、励起光の入力と発光の取り出しを全てチップ上で行った例は殆ど報告されていない。将来的に、シリコ

ャップを有しているとともに, 室温において近赤外発光が得られる。また、シリコン基板への直接成長が可能でナンチップ上に集積化されたナノカーボンデバイスを実用化するためには、光の入出力全てをシリコンチップ上で行ノスケールの材料であることから、シリコンチップ上での光デバイスとの相性が良いといった特徴がある。特に、近KISTEC研究報告2021って、全てをチップ上に組み込む必要があり、励起から発266

【研究開発部】戦略的研究シーズ育成事業

図 7 励起光がリング共振器に閉じ込められた様子（共振励起時の近赤外カメラ像）。

光取り出しをチップ上でインラインで行う技術の構築が望まれる。本研究では、SOI 基板上にシリコン導波路とリング共振器・ディスク共振器を作製し、近赤外領域のみで駆動し、インラインシステムで動作可能なカーボンナノチ
ューブ赤外発光デバイスを開発した。
図 5 に作製したシリコンフォトニクスデバイスの光学
顕微鏡像を示すが、幅 440nm の直線シリコン導波路に対して、10 または 20µm のリング共振器やディスク共振器
図 8 リング共振器からの狭線幅 CNT-PL 発光のスペクトル。

を配置したシリコンフォトニクスデバイスを作製した。さらに、この共振器上の一部にカーボンナノチューブを局所的に散布するための窓を形成した。このようなシリコンフォトニクスデバイスに対して、カーボンナノチューブを散布することによって、共振器の一部にダイレクトにカーボ
ンナノチューブを形成した。
このように作製したシリコンフォトニクス上カーボン
ナノチューブデバイスに対して、励起光として通信波長帯の波長 1.3µm の光をシリコン光導波路に入射する（図 6）。
この場合、図 7 で観測されるように、共振器の共振波長を満たす励起光がシリコン導波路を通じてインラインで共振器に入射され、励起光が共振器内に閉じ込められる。そのため、共振器に閉じ込められた励起光によってカーボン
ナノチューブが高効率で光励起することが可能となる。このようにして共振器に閉じ込められた励起光によって、カーボンナノチューブを高効率に励起した結果、カーボンナ
ノチューブから 1.55µm 帯の近赤外領域において、増強された PL 発光を得ることに成功した。ここでは、カーボン
ナノチューブからの PL 発光も共振器内で閉じ込められることから、共振波長を満たす PL 発光のみがシリコン光導

図 9 ディスク共振器からの狭線幅発光。

波路へ取り出される。狭線幅化された近赤外の発光は、共振器から導波路へ取り出されたのちに、チップ外へ導出できたことから、励起光だけではなくカーボンナノチューブ
からの発光もチップ上からインラインで取り出すことにカーボンナノチューブを励起することが出来ず、全く発光が得られないのに対して、励起光の共振時には、逆に励起成功した。
本素子によって得られたカーボンナノチューブの発光

光が強く共振器に閉じ込められることによって、高効率にカーボンナノチューブが励起されて、高輝度な発光が得ら

スペクトルを図 8 に示すが、この図には、励起光が共振器に共振した時のスペクトルに加えて、励起光の非共振時のれることを示している。また、共振時に得られた発光スペ
クトルは、励起光と同様に共振器内に閉じこめられること

発光スペクトルや、共振器外でのフォトルミネッセンスス
ペクトルも示している。この結果より、励起光の非共振条から、共振条件を満たす波長のみで極めて鋭い発光スペク
トルを有しており、周期的に発光ピークを有する発光がイ

件では全くカーボンナノチューブからの発光が全く得られないのに対して、共振条件では、非常に強く狭線幅の発ンラインで取り出せることが明らかとなった。この発光ス
ペクトルは、共振器が無い通常の PL 発光と比べて、極め光が得られることが明らかとなった。これは、励起光の非共振時では、リング共振器内に励起光が入り込めないため、て細い線幅の発光が得られており、狭線幅の発光を得ることに成功した。さらに、共振器内外の PL 発光強度の定量

267

KISTEC研究報告2021

【研究開発部】戦略的研究シーズ育成事業

イスをインライン動作で得られることが示されたことか
ら、今後、本技術を用いたシリコンチップ上での赤外光源応用が進むと期待される。本研究と技術は、ACS Applied
Nano Materials に掲載された。
(3) カーボンナノチューブ配向膜による赤外光源開発
これまでの研究では、黒体放射による赤外光源としては、
主にグラフェンに注目して開発を進めてきたが、本研究では、カーボンナノチューブを用いた赤外光源開発も進めている。これまでに、従来のグラフェンと同様の高輝度な赤外発光が得られることを示しており(図 10)、今後、本素子を用いた機能的な赤外光源の開発を進める。
図 10 カーボンナノチューブ配向膜からの発光の様子。

３．まとめと今後の展望
本研究プロジェクトでは、ナノカーボン光源を用いた分析技術構築に関する研究を進め、本稿では特に本技術の実的な実験を行った結果、共振器内の PL 発光は、共振器外と比べて 34 倍の発光増強が得られることも明らかとなっ現に重要となる赤外光源の開発や評価について示した。戦
略的シーズ育成事業開始直前には、我々が開発したグラフ

た。また、上述のリング共振器に加えて、ディスク形状を有するディスク共振器を用いて同様の PL 発光測定を行っェ ン を 用 い た 発 光 素 子 に 関 す る 研 究 成 果 が 「 Nature
Communications」に掲載されたが、その後もナノカーボンた結果、さらなる狭線幅化に成功した。得られた狭線幅発
光は、発光の線幅の指標となる Q 値（Q 値が大きいほど光源に関する成果が得られており、論文誌にも掲載されて専門家からも高い評価を得ている。今後は、引き続きオリ

狭線幅化している）を算出したところ、5700 という極めて高い Q 値が得られおり、実用的に重要となるインライ

ジナリティーの高い独自のナノカーボン光源開発を進めるとともに、その高性能化や実用化技術を構築していく。

ンでのデバイスとしては、これまでで最も高い Q 値であった。このように、従来デバイスと比べて高品質な光デバ

KISTEC研究報告2021268

【研究開発部】戦略的研究シーズ育成事業業

績【原著論文】

線幅カーボンナノチューブ PL 発光素子， 第 68 回応

1.

用物理学会春季学術講演会，2021 年 3 月 16 日，オンライン.

Hidenori Takahashi, Yuji Suzuki, Norito Yoshida, Kenta
Nakagawa
andHideyuki
Maki,
High-speed
electroluminescencefromsemiconducting
carbonnanotube films, Jounal of Applied Physics, 127,2.

9.

Kenta Nakagawa, Hidenori Takahashi, Yui Shimura and
Hideyuki Maki, A light emitter based on polycrystalline

164301-164307 (2020).

graphene patterned directly on silicon substrates from asolid-state carbon source, 2020 International Conference

Naoto Higuchi, Hiroto Niiyama, Kenta Nakagawa and
Hideyuki Maki, Efficient and Narrow-Linewidth

on Solid State Devices and Materials, 2020 年 9 月 30 日,
On-line.

Photoluminescence Devices Based on Single-Walled
Carbon Nanotubes and Silicon Photonics, ACS Applied

10. ( 招 待 講 演 ) Hideyuki Maki, Yui Shimura and Kenta
Nakagawa, Nanocarbon-based optoelectronic devices on

Nano Materials, 3, 7678-7684 (2020).

silicon chips, The 7th International Symposium toward the
Future of Advanced Researches in Shizuoka University(ISFAR-SU 2021), 2021 年 3 月 5 日, On-line.

【総説】
1.

牧英之，中川鉄馬，ナノカーボン材料を用いた光電子
デバイス開発，炭素材料の研究開発動向 2021，2021【特許】

年 6 月発刊予定.

(2) 国外特許出願 2 件(1) 国内特許出願 2 件【口頭発表】
1.

(招待講演) 牧英之，チップ上ナノカーボン光電子デバイス開発，阪大 CSRN 第二回異分野研究交流会「半導体・ナノカーボン系」，2020 年 8 月 28 日，オ
ンライン.

2.

中川鉄馬, 高橋英統, 志村惟, 牧英之,多結晶グラフェ
ンを固体炭素源からシリコン基板上に直接パターニ
ング成長 させる方法の開発とその発光素子化，第 81回応用物理学会秋季学術講演会，2020 年 9 月 9 日，

3.

オンライン.
(招待講演) 牧英之，シリコンチップ上でのナノカーボ
ン光・電子デバイス開発， 第 81 回応用物理学会秋季
学術講演会，2020 年 9 月 10 日，オンライン.

4.

(招待講演) 牧英之，ナノカーボン材料を用いたチップ
上光電子デバイス，Pre-KEIO TECHNO-MALL 2020 セ
ミナーシリーズ（第 3 回）
，2020 年 11 月 4 日，オン
ライン.

5.

6.

(招待講演) 牧英之，ナノカーボン材料を用いた光電子
デバイス開発，第５回ＣＰＣ研究会，
2020 年 11 月 9-13日，オンライン開催.
(招待講演) 牧英之，ナノカーボン材料によるチップ上
光電子デバイス開発，グラフェンコンソーシアム，
2020 年 12 月 4 日，オンライン開催.

7.

下村健太，今井要，川合暁，橋本和樹，井手口拓郎，
中川鉄馬，牧英之,非対称構造グラフェン光検出器開発とマクロ可視・赤外光検出，第 68 回応用物理学会
春季学術講演会，2021 年 3 月 16 日，オンライン.

8.

樋口直人，新山央人，中川鉄馬，牧英之, 高効率・狭269

KISTEC研究報告2021

KISTEC研究報告2021

270

【研究開発部】グローバルヘルスリサーチコーディネーティングセンター「グローバルヘルスリサーチコーディネーティ
ングセンター（GHRCC)」プロジェクト
ディレクター

毛利

光子

基本構想
GHRCC プロジェクトは，以下の理念と 6 つの事業方針に基づき，研究活動を行っている。

理念
臨床研究の実施により得られる「知」と患者・家族・一般市民（コミュニティ）の「生活」を融合することにより，“神奈川県から” 医療の発展と世界の人々のより健康な暮らしに貢献する。

事業方針（６つの柱）
１）臨床研究のマネジメント支援
２）わが国におけるグローバル臨床研究の推進
３）未病の知識と対応の普及
４）臨床研究のコンサルテーション
５）臨床研究専門職の人材育成
６）臨床研究方法論に関する研究活動

１．

ント阻害剤のオプジーボを併用する GOTIC-018 医師主導治験である。いずれも支援業務を順調に継続している。
フランスの婦人科癌臨床試験グループ
ARCAGY-RESEARCH がリードし国際共同で実施している PAOLA-1 試験，アメリカ国立がん研究所 National
Cancer Institute（NCI）の主導する NRG-GY004 試験はい
ずれも卵巣がん患者を対象とし，日本では医師主導治験として実施しているが，日本における症例登録を無事に完了した。これら試験の成果をうけて，前者のグループ
からは子宮頸がん患者を対象とした SENTICOLⅢ試験，
後者のグループからはプラチナ抵抗性の再発卵巣がん患者を対象とした NRG-GY005 試験における，試験調整事
務局の受託が可能となった。2020 年度は NCI のNRG-LU005 試験、NRG-GY018 試験をともに医師主導治験として実施する準備を開始した他、ドイツの婦人科腫瘍グループが主導する ECLAT 試験を多施設共同臨床試
験として実施する準備を行った。
再生医療製品は，早期開発段階であることが多く，
GHRCC が開発の後期フェーズを得意とすることも相まって具体的な受託実績には至らなかったが，基礎研究者との情報交換を重ねている。
NRG Oncology-Japan（米国がん臨床研究グループの日本側コンタクト組織），GOTIC（婦人科悪性腫瘍がんコンソーシアム）という 2 つの研究者グループの専属コーディ
ネーティングセンターの受託は今後も継続する。加えて，
小児領域，神経難病領域の試験支援も継続する意向である。
医師主導治験は，承認申請のために実施され出口戦略が明確である。今後，GHRCC の社会貢献が見える形になるものと期待できる。国際共同で実施する医師主導臨床試験の経験は，医師研究者のみならず，臨床研究を支援する者にとってもニッチを知り国際標準を学ぶ貴重な場となっている。
2） わが国におけるグローバル臨床研究の推進
研究者および医療スタッフが国際共同研究に参画しモ2020 年度の研究目的

プロジェクト 6 年目を迎えた。設立時に掲げた 6 つの事業方針に基づく研究を継続的に推進し，臨床研究支援
を通じて医療の発展に寄与することを目的に活動した。

２．

2020 年度の研究成果

2015 年研究室が開設された年度に受託した国際共同医
師主導治験 PAOLA-1 において、製薬企業がオラパリブの初発卵巣癌の適応追加承認申請を実施したことに伴い、2020 年 8 月に、治験調整事務局業務を担った組織として、規制当局の GCP 適合性書面調査を受け入れた。
その結果、指摘事項なしの評価を受けた。12 月には適応追加承認について、企業からプレスリリースされた。GHRCC 研究室が出来て 6 年目に得られた、目に見える形での大きな成果である。
2020 年度の具体的な研究成果は以下のとおりである。
1） 臨床研究のマネジメント支援
臨床研究マネジメントの重点支援領域を「希少がん」「精神・神経難病」「再生医療」としている。2020 年度
は，婦人科がん，小児がん領域の治験・特定臨床研究・
臨床試験あわせて 14 試験の多施設共同試験のマネジメントを行った。GHRCC で支援している試験一覧を図 1に，国際共同試験の支援体制を図 2 に示す。
14 試験のうち 2 試験は国内医療機関で実施する試験だ
が、残り 12 試験は国際共同試験（医師主導治験 4，医師主導臨床試験 8）であり、研究室の特徴がよく表われている。2020 年度に新規案件として相談をうけた国際共同試験が 3 試験あり、2021 年度早々に治験届、倫理審査等を開始する予定である。
国内医療機関で実施している 2 試験は，2018 年 4 月の臨床研究法の施行に伴い，多施設共同医師主導臨床試験
から積み替えた特定臨床研究 GOTIC-VTE 試験，初発の子宮頸癌患者に対し化学放射線療法に免疫チェックポイ

271

KISTEC研究報告2021

【研究開発部】グローバルヘルスリサーチコーディネーティングセンター

チベーションを高める活動を継続した。国内外の研究機
関や製薬企業/医療機器企業に対して，学会発表，セミナ
ーあるいは面談を通じ，米国 NCI 傘下の NRG Oncologyと Children Oncology Group の２つの臨床研究グループに対する支援活動の実際を紹介した。
「国際的な研究ネット
ワーク」が企画運営する国際共同試験を医師主導治験として実施し，国内での新薬承認や適応拡大へと発展させる意義や，そのメリットを強調したい。COVID-19 影響
下で、GHRCC 研究員が米国 NRG Oncology や欧州 GCIGの研究グループ会議に出張することはかなわなかったけ
れども，Virtual 開催となった国際会議には積極的に参加し、最新情報の入手に努めている。
アカデミアの臨床研究グループとして，グローバル製
薬企業の行う企業治験において，症例登録情報配信や研究者会議開催支援等を行っている。

ープだった。企業立の医療機関から検診研究のデザインについて複数回の相談をうけた。臨床に近い環境において研究デザインを相談できる機能を充実させたい。
5） 臨床研究専門職の人材育成
本邦における臨床研究の実務を支援し，品質向上をおこなうにあたり必要な人材の育成を目指し，GHRCC の経験を学会やセミナーを通じて紹介した。臨床試験を実際に行っている医師および支援組織のリーダーを講師として迎え，研究室セミナーを行った。国際共同試験に関わる人材の育成方法として，環境が許せば，将来的にはインターンの受け入れを検討したい。
6） 臨床研究方法論に関する研究活動
承認取得までのプロセスを鑑みたレギュラトリーサイ
エンス研究は，ますますその重要性を増している。日本
臨床試験学会，日本レギュラトリーサイエンス学会を軸として GHRCC から発信する場を持ち続けたいと考えている。

3） 未病の知識と対応の普及
未病の知識，すなわち正しい疾患情報や予防・治療方法を届けるべく，一般市民を対象として「臨床研究おしゃべりサロン」と題した講演会を 2015 年度から継続開催している。2020 年度は COVID-19 の影響があり集合形式の開催を避け、WEB 会議システムを用いたサロンを開催した。今後も、新しい形態での開催を模索したい。

NCI 監査における指摘事項を考察した研究，ゲノム解
析研究の課題を考察した研究，医療経済に関する研究においてそれぞれ研究発表を行った。
以上

4） 臨床研究のコンサルテーション
GHRCC では，研究者や企業からの臨床試験実施上の問
題点や研究実施体制整備と必要な準備，確認すべき規制
要件，品質管理方法等の実務的側面からの相談を受け付
け，コンサルテーションを行っている。2020 年度の相談
実績は 9 件，相談者は，製薬企業や研究者・臨床研究ル

図1 GHRCCで支援している試験一覧

KISTEC研究報告2021272

【研究開発部】グローバルヘルスリサーチコーディネーティングセンター

図2 国際共同試験の支援体制

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KISTEC研究報告2021

研 究 報 告 ２０２１
２０２１年７月２８日発行

発 行 地方独立行政法人
神奈川県立産業技術総合研究所（KISTEC）
研究開発部橋渡し研究課
海老名市下今泉705-1 ／〒 243-0435
TEL（046 ） 236 － 1500

●無断転載・複製を禁じます。

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