hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
固体酸化物形燃料電池における高温電気絶縁の特性解明に基づく設計指針の確立

絶縁抵抗値に関して、600°C付近では窒化ケイ素の絶縁抵抗値が他の材料よりも2倍程度大きい値となった。印加電圧の増加に伴う絶縁抵抗値の変化はどの材料においても見られなかった。一方、850°C付近では印加電圧の増加に対してマイカのみで絶縁抵抗値の変化がなく、それ以外の材料は減少する傾向が見られた。部分放電電荷量に関して、600°C付近に比べて、アルミナでは750850°C付近、窒化ケイ素とマグネシアでは850°C付近において、印加電圧の増加に対して急激に増加する傾向が見られた。一方、マイカに関しては850°C付近においても急増する傾向は見られなかった。これらの結果から、600°C付近では絶縁抵抗値が他の材料の2倍程度大きいことから窒化ケイ素が絶縁材料として最適であり、850°C付近では印加電圧の増加に対して絶縁抵抗値、部分放電電荷量が他の材料に比べ一定であることから、マイカが最適な材料であることが分かった。今後はよりSOFCの作動環境に近づけるために、燃料ガス雰囲気下での測定を行い、これまでの結果と比較して最適な材料を再度検討する。平成24年度計画分の「燃料ガスが電気絶縁特性へ及ぼす影響の把握」については、予定通りに達成した。「短時間連続絶縁試験の影響の把握」については、実施していない。本年度の成果を受けて、平成25年度計画分の「水素ガスの燃焼が無機材料の絶縁性能に与える影響の把握」を先に進める必要があると判断し、特性評価のための測定セル設計を前倒しで進めた。平成23年度計画の各種無機材料の電気絶縁特性の測定について、予定通りに達成した。燃料ガスが電気絶縁特性へ及ぼす影響への把握については、やや進捗が遅れている。理由として測定試料と燃料ガスを密封するための測定セルの設計、製作に時間を要したことがあげられる。また、試料表面観測のためのEDX-SEM装置の整備についても時間を要しており未完了である。平成24年度に引き続き、「水素ガスの燃焼が無機材料の絶縁性能に与える影響の把握」を実施する。その結果を受けて連続試験のための条件を検討し、「短時間連続絶縁試験の影響の把握」を実施する。平成2325年度の結果より,健全性を保証できるSOFCの絶縁機構および設計方法についての指針を構築する。平成23年度計画分の燃料ガスが電気絶縁特性へ及ぼす影響への把握については、完成した測定セルを使って早急に測定・解析を実施する。EDX-SEM装置の整備についても、早急に完了させる予定である。また、平成24年度計画分の水蒸気が電気絶縁特性へ及ぼす影響の把握、短時間連続絶縁試験については予定通りに実施する。物品費は、実験を遂行するための測定用セル・試料一式、試験装置部品一式購入用として使用する。旅費とその他の経費は、研究成果発表のための学会参加と論文投稿用に使用する。EDX-SEM装置整備の遅れにより発生した繰越金であるが、平成24年度には整備を早急に完了させるために使用する。その他平成24年度研究経費については、計上している物品費、旅費、謝金を概ね研究計画通りに執行する予定である。
アイマークレコーダーを用いた高速道路注意喚起標識の評価に関する調査研究

(1)運転者注視挙動調査:名神高速道路下り線の米原ジャンクション彦根ICおよび竜王工C栗東IC間下り線に設置されているトンネルアプローチ部の上り勾配区間の追突防止のためも注意喚起標識や下り勾配部の急カーブに対する注意喚起標識さらには本四連絡橋垂水ジャンクション等複雑な路線における勾配区間の追突防止のための注意喚起標識等の特殊標識を中心に一般の案内標識も含めた標識全体に対する運転者の注意挙動をアイマークレコーダーを用いて収録すると同時に、走行車の標識や各100mポストの通過時刻を音声にてテープレコーダーに納めることにより、アイマーク録画中の走行位置に関するデータを収集した。(2)データ解析:アイマークを録画した再生画面には全てフレーム番号が記録されているので、アイマークが各標識に留まるフレーム番号を逐次追跡することにより、運転者の各標識に対する注視時刻と注視時間が求められる。さらに注視時刻に対応する走行位置から注視距離も求めることができる。以上のデータを各標識列あるいはドライバー毎に集計・分類して数表化・グラフ化して運転者注視挙動の全容把握のための基礎資料とした。(3)確立統計解析:上記で求めた注視時間、注視率を目的変量とみなし、各標識のデザイン、寸法、設置方式、設定間毎等を説明変数として数量化理論を適用して、各説明変数に対するレンジや偏相関係数を求め適切な注意喚起標識の設定方法に対する指針に向けた知見を探った。(4)総合評価:以上の検討を取りまとめるとともに、注意喚起標識設置の事前・事後の事故発生状況を個々の標識について追跡し、上記の確率統計解析の目的変量である注視時間・注視距離・注視率の有効性を判定し、設置方法や補完手法に対する指針作りに向けた知見の総合的な整理を行った。(1)運転者注視挙動調査:名神高速道路下り線の米原ジャンクション彦根ICおよび竜王IC栗東IC間下り線に設置されているトンネルアプローチ部の上り勾配区間の追突防止のためも注意喚起標識や下り勾配部の急カーブに対する注意喚起標識等の特殊標識を中心に一般の案内標識も含めた標識全体に対する運転者の注意挙動をアイマークレコーダーを用いて収録すると同時に、走行車の標識や各100mポストの通過時刻を音声にてテープレコーダーに納めることにより、アイマーク録画中の走行位置に関するデータを収集した。1.運転者注視挙動調査:北陸自動車上り線の木之本IC敦賀ICに設置されているトンネル杭口や勾配区間の追突防止のための注意喚起標識や急カーブに対する注意喚起標識等の特殊標識を中心に一般の案内標識も含めた標識全体に対する運転者の注意挙動をアイマークレコーダーを用いて収録すると同時に、走行車の標識や各100mポストの通過時刻を音声にてテープレコーダーに納めることにより、アイマーク録画中の走行位置に関するデータを収集した。

2.データ解析:アイマークが各標識に留まるフレーム番号を逐次追跡することにより、運転者の各標識に対する注視時刻と注視時間が求められた。さらに注視時刻に対応する走行位置から注視距離も求めることができる。以上のデータを各標識列あるいはドライバー毎に集計・分類して数表化・グラフ化して運転者注視挙動の全容把握のための基礎資料とした。3.確率統計解析:上記で求めた注視時間、注視率を目的変量とみなし、各標識のデザイン、寸法、設置方式、設定間毎等を説明変数として数量化理論を適用して、各説明変数に対するレンジや偏相関係数を求め適切な注意喚起標識の設定方法に対する指針に向けた知見を求めた。4.総合評価:以上の検討を取りまとめるとともに、注意喚起標識設置の事前・事後の事故発生状況を個々の標識について追跡し、上記の確率統計解析の目的変量である注視時間・注視距離・注視率の有効性を判定し、設置方法や補完手法に対する指針作りに向けた知見の総合的な整理を行った。1.研究の目的:本調査研究は、高速道路の注意喚起標識を調査対象とし、各道路管理者が行ってきた道路特殊部の標識・標示に関する事例調査と設置による効果等の分析を行い、注意喚起標識の内容・デザイン・設置方法等の検討を行うものである。2.運転者注視挙動調査:本四連絡橋垂水ジャンクション等複雑な路線における勾配区間の追突防止のための注意喚起標識や急カーブに対する注意喚起標識等の特殊標識を中心に一般の案内標識も含めた標識全体に対する運転者の注意挙動をアイマークレコーダーを用いて収録すると同時に、走行車の標識や各100mポストの通過時刻を音声にてテープレコーダーに納めることにより、アイマーク録画中の走行位置に関するデータを収集した。3.データ解析:アイマークが各標識に留まるフレーム番号を逐次追跡することにより、運転者の各標識に対する注視時刻と注視時間が求められた。4.確率統計解析:上記で求めた注視時間、注視率を目的変量とみなし、各標識のデザイン、寸法、設置方式、設定間毎等を説明変数として数量化理論を適用して、各説明変数に対するレンジや偏相関係数を求め適切な注意喚起標識の設定方法に対する指針に向けた知見を求めた。5.総合評価:以上の検討を取りまとめるとともに、注意喚起標識設置の事前・事後の事故発生状況を個々の標識について追跡し、上記の確率統計解析の目的変量である注視時間・注視距離・注視率の有効性を判定し、設置方法や補完手法に対する指針作りに向けた知見の総合的な整理を行った。
資源探査に必要な地下データの疑似3次元可視化技術の開発

可視化技術が最も発達している分野は、自動車の設計分野や、医療分野での仮想手術の再現などである。これらはいずれもデータは計算機上にしかなく、実際に触ってみることは不可能である。地下に関しても、全ての情報は計算機上にあると考えてよく、地下にある石油の貯留層や空洞などを直接触ってみることは不可能である。このような状況において、物理探査法等によって取得されたデータをもとに地質学的解釈を加え、さらに必要とする坑井情報などを統合し、地下構造の姿を計算機上に作り上げ、さらにそれらを可視化することは、地下構造を知る際、不可欠な技術体系である。本研究では、このように既に概念的には確立されつつある技術を、地下データに応用する際に生じてくる問題点、特に現場の技術者が具体的に直面している問題点を、情報工学分野における新しい技術を土台として解決を図り、新手法の技術評価を行うことを目的として実施された。その結果一連の研究によって、具体的には以下のような要素技術の研究開発成果と、それらを統合する可視化技術の研究開発に関する成果を得ることが出来た。●波動論に基づく地下構造のイメージングとマイグレーション技術の確立。具体的には局所ボルン近似および局所リトフ近似を用いたマイグレーションアルゴリズムの開発を行った。●地中構造物およびトンネル内でのイメージング技術の開発を行った。具体的にはトンネルの切羽において地震探査を行いその処理技術との可視化技術の開発を行った。●トモグラフィ技術を用いた地下の可視化技術の開発。具体的には電磁探査法を適用した地下トモグラフィ手法を開発した。●バーチャルリアリィティーを用いた3次元物理探査データの可視化技術適用手法の確立。具体的には堤防における空洞の把握を目的と、S波地震探査データの3次元解釈法の確立が出来た。石油・天然ガス等の地下資源開発では、対象地域の地下約10km程度までの地下構造を正確に把握し、その構造を可視化する必要がある。特に近年3次元の物理探査技術の開発に伴い、可視化技術も3次元可視化が必須となってきた。このためには、3次元探査にかかわるデータ取得およびその処理技術の開発、そのデータを用いた3次元地質モデル構築技術の開発、構築された地質モデルの可視化と、さらにこれら要素技術の統合である。本年度は研究の開始年度であり、要素技術の開発を主目的とし以下のような研究を実施した。1電磁探査法におけるインバージョンの高精度化を目指すと同時に、坑井間で観測されたデータを用いた地下構造の推定技術の開発を行った。2坑井間で取得された地震探査データに対してフレネルボリュームの概念を用いた解析を行うことにより、3次元トモグラフィ解析技術の検証を行った。3 3次元可視化技術を用いた地震探査データの解釈作業に必要な事項に関して、現状のサーベイと今後の技術に関して検討を加えた。4 3次元地震探査データ処理の中心的な手法である3次元深度マイグレーションに関して、波動伝搬の概念を用いたイメージング技術開発を行った。5 3次元地震探査データの高精度な解釈を行うに必要なコヒ-レント解析に関して、固有値解析を用いる手法を開発した。以上の様な成果を元に、研究後半の今後2年間は3次元地質モデルの構築技術の研究開発に取り組む予定である。石油・天然ガス等、炭化水素地下資源開発では、対象地域における地下数キロメートル程度までの地下構造を正確に把握し、その構造を可視化する必要がある。

このためには、3次元探査にかかわるデータ取得およびその処理技術の開発、そのデータを用いた3次元地質モデル構築技術の開発、構築された地質モデルの可視化と、さらにこれら要素技術の統合である。本年度は研究の中間年であり、要素技術の開発と同時にそれらの総合化も視野に入れて、以下のような研究を実施した。1石油貯留層に対するフラクチャリングの現状を知るための非線形インバージョン手法の開発を行った。2イメージング技術を確立するためにトンネル切羽での実験データを元に、等走時面法を用いたイメージング技術の確立を図った。3重合前信吾マイグレーション技術は現在地震探査データに対する最も進化したイメージング技術である。この処理技術に対して、各種近似法を用いた手法の開発を行った。4データの統合化を進めるために必要な、データベースに関して、わが国の石油開発に関連した統合データベースのあり方に関しての検討を加えた。以上の様な成果を元に、研究の後半は3次元地質モデルの構築技術の研究開発に取り組む予定である。石油・ガス等の地下資源開発においては、対象地域の地下約10km程度までの地下構造を数十メータ単位で正確に把握する必要がある。現在、最も進んだ地下構造の可視化技術として、反射法物理探査技術が知られている。その内でも、3次元重合前深度マイグレーション処理技術は、最も先端の技術であり、現在多くの研究者が研究開発中である。しかしながら、現状の技術レベルでは、取得された3次元データの可視化が完全ではなく、3次元データの2次元スライスを表示しているに過ぎない。このため、前述した重合前深度マイグレーション処理に必要な、地下モデルの形成作業に困難が生じている。具体的には、速度モデルの構築や修正において、常にデータの解釈システムを併用する必要があると同時に、詳細な地下モデルの姿を解析担当者が十分に把握出来ない事実である。これらの問題点に対して、最近技術革新が大きいバーチャルリアリィティーの技術によって、これらの問題点の多くは解消される可能性が大きい。ここで行った一連の研究は、この様な具体的に現場の技術者が直面している問題点を、情報工学分野における新しい技術を土台として、直面する問題の解決を図り、実データを用いた新手法の技術評価を行う事を目的として実施された。具体的には以下のような要素技術の研究開発と、それらを統合する可視化技術の研究開発を実施した。●バーチャルリアリィティーを用いた3次元データの可視化技術の開発●波動論に基づく地下構造のイメージングとマイグレーション技術の開発●地中構造物及びトンネル内でのイメージング技術の開発●トモグラフィ技術を用いた地下の可視化技術の開発
外部電場印加及び構造変化による開殻性の制御に基づく新規非線形光学分子系の理論設計

本年度は、非線形光学材料の実現のため、1次元水素集合系モデルに電場を印加した系のFull CI法による第一超分極率β、第二超分極率γの計算を実行し、それらの電場強度依存性および集合系のサイズ依存性について検討した。二量体では電場強度により得られたβ、γの増大ピークの数がモノマー数を増加するに連れて増大することが新たに判明した。摂動論による解析の結果、これは複数の開殻性が主たる状態とイオン性が主たる状態のエネルギーの交差に起因すると考えられる。実在系として1,2,3,5-dithiadiazolyl π-ラジカル2量体のNLO物性の静電場強度依存性を量子化学計算により検討し、このモデルにより得られた結果と定性的に合致する結果を得た。今後の静電場印加よる開殻集合系のNLOスイッチへの展開が期待される。ポリアセン及びジシクロフューズドアセンの芳香族性と開殻性の相関について磁場誘起電流による空間的な解析もとに検討し、対称性の破れた方法(UDFTなど)と対称性を満たした方法(RDFTなど)とで結果が定性的に大きく異なることを初めて明らかにした。これにより、これまで多くの先行研究でRDFTで検討されてきた結果を再考する必要があることが判明した。さらに開殻性と芳香族性・反芳香族性の空間的寄与について磁場誘起電流による相関を明らかにした。これらの結果は、今後のπ電子共役系の電子・光学・磁気物性の評価や機能性材料設計において役立つと期待される。また、昨年に引き続き、班内/班間の共同研究においては、(1)反芳香族分子及び積層系の開殻性、環電流、非線形光学効果(忍久保)、(2)湾曲分子系の開殻性と非線形光学効果(櫻井)を推進した。(2)については湾曲系が一重項分裂の新しい候補となることを理論的に初めて明らかにした。本研究課題終了後もさらに共同研究を継続する予定である。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。本年度は、非線形光学材料の実現のため、分子間π-π積層型のチアジルラジカルの1次元多量体について分子集合系構造・スピン状態・開殻性と第二超分極率(γ)の相関を検討し、閉殻系からなる集合系に比べて遥かに大きな非線形光学物性を示すことを明らかにした。この結果を基に一次元マルチラジカル系への具体的な設計指針の構築に成功した。また、同様の系において外部静電場を印加することで、その開殻性や非線形光学物性がどのように変化するかを検討した。以前、非対称開殻理論モデルにおいて予測した、開殻系への非対称性の導入による非線形光学物性の増大が具体的な分子系でも起こることを実証し、外部静電場の強度を変えることで非線形光学物性の制御可能性を示した。さらに、これまで未検討のジラジカルモノマーの積層集合系の特性を解明するため、長方形テトララジカル系の電子状態とγの相関について、新たに定義した局所的開殻性という指標を用いて検討し、その相関を各種物理量に基づいて解明した。その結果、従来知られていなかったγの新たな増大領域を発見し、γを増大させるための新しい具体的な分子設計指針の構築に成功した。これらの成果は、マルチラジカル集合系の非線形光学物質として可能性を広げ、新規の高効率非線形光学材料の創成に役立つと期待される。また、班内/班間の共同研究においては、引き続き、(1)反芳香族分子及び積層系の開殻性、環電流、非線形光学効果(忍久保)、(2)湾曲分子系の開殻性と非線形光学効果(櫻井)を推進した。具体的な1次元開殻分子集合系トチアジルラジカルからなる系を設計し、その無限サイズの外挿によりマクロな非線形感受率の値を予測できた。さらに、これまで未開拓であったジラジカルモノマーからなるテトララジカル2量体について分子内、分子間ジラジカル因子を新たに定義し、それに基づいた解析を行うことで新規の非線形光学物性の増大領域を見出したため。

さらに開殻性と芳香族性・反芳香族性の空間的寄与について磁場誘起電流による相関を明らかにした。これらの結果は、今後のπ電子共役系の電子・光学・磁気物性の評価や機能性材料設計において役立つと期待される。また、昨年に引き続き、班内/班間の共同研究においては、(1)反芳香族分子及び積層系の開殻性、環電流、非線形光学効果(忍久保)、(2)湾曲分子系の開殻性と非線形光学効果(櫻井)を推進した。(2)については湾曲系が一重項分裂の新しい候補となることを理論的に初めて明らかにした。本研究課題終了後もさらに共同研究を継続する予定である。曲面パイ共役系と開殻性の相関を幾つかのモデル系を通して多面的(例えば芳香族性や非局在性などの観点から)に検討していく。一方、忍久保、櫻井らとの共同研究により、これらのモデル系の特徴を有する実在系について高精度量子化学計算により計算解析し、我々の理論設計指針の妥当性を検証し、実在系の設計へと展開する。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。
溶融池磁気制御アーク溶接法による溶込み制御に関する研究

本研究は、一般的に溶込みが浅い欠点を持つTIG溶接(ホットワイヤTIG溶接)に対して、外部磁場を付加し(ECMP溶接)、溶融池内を流れる電流との相互作用により溶融池内に発生させた電磁力により、溶融池内の流動を制御し、溶込みを増加を試みるのが目的である。初年度は、はじめに外部磁場を発生させる、磁極の磁場解析および局所的に磁場を付加することができる、新しい集中磁極の設計および製作を行った。次に新しい集中磁極を用いた予備溶接実験を行い、磁場による溶融池の流動制御効果を確認した。2年目は、前年度製作した集中磁極を用いて、比較的実験が容易な薄板(板厚3 mm、SUS304)の裏波溶接実験を行った。その結果、外部磁場を付加することにより、溶け込みが増加することが明らかになった。また溶融池の流動解析により溶け込み増大のメカニズムが明らかになった。次に本来の目標であった厚板(板厚6 mm)を用いて、溶融池内に生じる電磁力が溶け込みにおよぼす影響を詳細に調べた。しかしながら電磁力による顕著な溶け込み増大効果は得られなかった。最終年度は、前年度から継続して厚板を用いて、電磁力による溶け込み増大を試みた。しかしながら加熱したワイヤを溶融池に挿入したにもかかわらず、その溶け込みは通常のTIG溶接と比較して、同等または逆に小さい結果となった。これは溶融池表面の温度分布を詳細に解析した結果から、加熱したワイヤを挿入したにもかかわらず、溶融池と比較して、ワイヤの温度が低いため、ワイヤを挿入することにより溶融池への入熱が相対的に減少した影響だと考えられた。そこで添加ワイヤを廃止する等、大幅に溶接実験条件を変更し、再度、電磁力を用いた溶け込み増大を試みた。その結果、外部磁場を付加することにより溶け込みが大幅に増大した。また溶融池の流動解析および温度分布の解析により、そのメカニズムが明らかになった。これまでの溶融池磁気制御溶接法(ECMP法)の研究は、溶融池に流れる電流に対して、外部磁場を付加することにより発生する反重力方向の電磁力により、ビードの垂れ落ちを防止し、高能率の溶接をすることが主目的であった。本科研課題研究では、これまでとは逆の重力方向に発生する電磁力の積極的な利用を試みる。この重力方向の電磁力により、溶込みが増大し、高品質なTIG溶接を厚板溶接への適用拡大が期待できる。また薄板裏波溶接においては反重力および重力方向の電磁力の分布を最適化することにより、さらなる高品質・高能率な高速溶接が期待できる。平成28年度は、まず重力方向の電磁力を発生させる電磁石の磁極先端形状の選定および磁極設置位置の最適化をおこなった。重力方向の電磁力を大きくするために外部磁場を大きくした場合、アークも電流の流れであるため、アークには溶接方向への電磁力が発生する。そのためアークは溶接方向に大きく偏向する。その結果母材への入熱が減少し溶接が不安定となる。そこでアークに極力影響を与えず、溶融池に局所的に磁場を付加するような磁極の検討が必要となった。そこで数値解析ソフトを用いて、磁極の先端が先細のモデルを作成し、磁場分布を比較した。その結果より、比較的局所的に磁場を付加できる形状3つのモデルに絞り込んだ。次に実際に磁極先端モデルを製作し実験を行って最終的に1つに絞り込んだ。なお当初は板厚6mmのSUS304の試験片を使用し、溶接電流、磁束密度およびワイヤ加熱電流を変化させて、下向きの電磁力が溶込み深さへ与える影響を調べる予定であったが、電磁力の効果を確認するためには、その都度ビード断面を切断し観察が必要となり、確認に時間を要し、最適な実験条件を検討するには適しなかったため、板厚3mmのSUS304の試験片に替えて、どのパラメータが最も溶け込みに影響するかを調べた。アークに極力影響を与えず、溶融池に局所的に磁場を付加させる磁極先端形状の検討のために数値解析ソフトCOMSOL Multiphysicsを用いて、数種類の磁極先端が先細の計算モデル作成し磁場分布を比較した。その結果、磁極先端が先細すぎると磁気飽和が生じ、目的の箇所に必要な磁束密度が得られないことが明らかになった。本計算の磁場分布結果より、比較的局所的に磁場を付加できる形状3つのモデルに絞り込んだ。そして実際に製作し実験を行って最終的に1つに絞り込んだ。当初予定の板厚6mmのSUS304の試験片を用いた場合の最適条件とは必ずしも同じではないが、どのパラメータが溶け込みに最も影響するかは同じかと考えられる。さらに薄板の裏波溶接の場合、ビード幅、裏波側のビード高さを比較することで重力方向の電磁力の影響を、比較的簡単に評価できると考えられる。

平成28年度の研究成果は、2017年9月の機械学会年次大会および10月に中国で開かれる予定のWSE & CAWE 2017の国際学会で発表予定である。従来の溶融池磁気制御溶接法(ECMP法)は、溶融池に流れる電流に対して、外部磁場を付加することにより発生する反重力方向の電磁力により、ビードの垂れ落ちを防止し、高能率の溶接をすることが主目的であった。ところで付加する外部磁場の向きを逆にした場合、原理的に重力方向の電磁力が生じる。厚板を溶接する場合、この重力方向の電磁力を積極的に利用することにより、溶け込みの増大が期待できる。本課題研究では、重力方向の電磁力を積極的に利用した新しいECMP溶接のメカニズムを明らかにすることが主目的である。平成29年度は、まず前年度製作した集中磁極を用いて、比較的実験が容易な薄板(板厚3 mm、SUS304)の裏波溶接実験を行った。その結果、新しい集中磁極により磁束密度分布の広がりが小さくなり、局所的に磁束を与えることができるようになった。また薄板(板厚3 mm、SUS304)の裏波溶接実験においては、重力方向の電磁力により溶け込みが増大することが明らかになった。次に、厚板(板厚6 mm、SUS304)を用いて、溶融池内に生じる重力方向の電磁力が溶け込みにおよぼす影響を詳細に調べた。なお初期の研究計画に記載されたように、重力方向の電磁力の増大および溶融池全体の流動の制御ために、溶接方向前後に加熱された添加ワイヤを挿入した2ワイヤ方式で実験を行ったが、顕著な溶け込み増大効果は得られなかった。そこで磁極の位置および磁束分布を再度大幅に変更した。その結果、重力方向の電磁力による顕著な溶け込み増大効果が得られた。なお初期の研究計画に記載されたように、重力方向の電磁力の増大および溶融池全体の流動の制御ために、溶接方向前方および後方に加熱された添加ワイヤ(Hot wire)を挿入した2ワイヤ方式で実験を行ったが、顕著な溶け込み増大効果は得られなかった。これらは、加熱したワイヤを挿入したにもかかわらず、溶融池と比較して、ワイヤの温度が低いため、ワイヤを挿入することによりアークから溶融池への入熱が逆に減少した影響だと考えられる。そこでワイヤ加熱電流を増加させて実験を行ったが、添加ワイヤとアーク間でアーキングが生じやすくなり溶接が不安定となった。そこで添加ワイヤ無しで、磁極の位置および磁束分布を大幅に変更した。これらは溶融池流れが大きく変わった影響だと考えられるが、その詳細なメカニズムはまだ不明である。そのメカニズムの解明は本課題研究最終年度(平成30年度)の最大の課題である。平成29年度の研究成果は、2018年9月の溶接学会秋季全国大会および機械学会年次大会で発表予定である。
家族性パーキンソン病の連鎖解析

黒質ドーパミン細胞が選択的に侵されることが証明されている遺伝性パーキンソン病(PD)の発症機序解明は孤発性PDの発症機序を解明する上で、重要な意味を持つ。常染色体劣性若年性パーキンソニズム(ARJP)は、本邦における遺伝性PDのなかで、最も多い疾患である。これまで、遺伝性PD遺伝子座同定は成功していなかったが、NIHのグループが優性遺伝性PDで10年以内に死にいたる予後の悪い、しかも痴呆を伴うPDの遺伝子座を同定したのと、同時に、我々も、慢性の経過をとり、MPTP摂取によるparkinsonismに見られるのと同様な、黒質ドーパミン細胞の選択的細胞変性死を特徴とするARJPの原因遺伝子座を同定した。新潟大学神経内科辻省次先生および広島大学保健学科山村安弘先生との共同のもとに、全国にまたがるARJP家系の解析により、ARJP遺伝子座をさらに狭めることとにも成功した。この領域に位置し、しかも転写されているいくつかの遺伝子領域を単離し、そのcDNA全長を含むクローンを得、これらが患者において、疾患特異的に変異しているかを検索中である。ARJP遺伝子が同定され、その機能の解析が進めば、弧発性PDの病因解明および治療の開発に新しい道を開くであろう。
炭化金属内包スーパーフラーレンでの電荷移動と電気伝導率

当初計画中の主要設備を認めて頂けなかったことにより、本年度の実施計画を大幅に変更せざるを得なかった。すなはち、現有のアーク反応炉を用いて、少量ながらも新種のフラーレン化合物の合成に専念し、電子顕微鏡観察による物質同定ならびに内包結晶のサイズ分布、低温X線回折による内包結晶の格子振動等を明らかにした。これらの成果は、米国応用物理学会誌にレター一報と本論文一報としてすでに発表されている、なお現在、レター一報と本論文一報を投稿中である。前者は、ダイアモンドを出発物質とするフラーレン・ファミリの合成であり、従来のグラファイトを出発物質とした場合に比較し、約2倍の生成率が得られた。また、生成率のダイアモンド濃度依存性から、フラーレン生成の機構に関する新たな知見を得ることができた。後者は、カーボン・ナノチューブに内包された炭化タンタルの超伝導発現機構に関するものであり、結晶表面での原子再配列ならびに格子振動ソフトニングを示す事実を明らかにした。
電気化学エッチングを利用したコアシェル型ナノ粒子の結晶面選択的精密合成

本研究では、酸素還元触媒反応に対する触媒金属の構造が与える耐久性や触媒特性への影響を明らかにすることを目的としている。ここで述べる構造とは触媒のコアシェル構造や配位状態を指す。本年度は以下2つの知見を得た。1コア粒子としてのニッケル(Ni)粒子の合成および評価:本研究では最表面にPtシェルを有する触媒金属のうち種々の内部金属が与える触媒特性への影響を明らかにすることを目的の一つとしている。本年度は昨年度のAu粒子と同様にポリベンゾイミダゾール被覆カーボンナノチューブ(MWNT/PBI)上にNi粒子を作製した。このNi粒子担持複合体の酸素活性触媒特性を評価したところ、Ni粒子単体では触媒特性を示さないことが分かった。このNi粒子や前年度までに作製したAu粒子をコア粒子としたコアシェル型粒子を作製することで内部金属とシェル厚が与える酸素活性特性と安定性の影響を評価可能になると考えられる。2配位Pt錯体の電気化学的触媒特性の評価:近年の関連研究で担持体上に配位したPt錯体の酸素還元活性特性の報告がある。本研究で開発した二段階操作による粒子作製法の第一段階で得られる複合体がそのPt錯体に類似の構造を取ることからその触媒特性を調べた。Pt錯体をMWNT/PBIに配位させたMWNT/PBI/Pt錯体はXPS測定よりPtが2価であることを確認した。しかし、電気化学測定後、一部が0価に還元した。この結果はMWNT/PBI上に配位したPt錯体は電気化学的に不安定であること示した。より安定的にPt錯体を固定化するために足場となるPBIのベンゼン環がピリジン環になったPyPBIを用いた。しかし結果はPBIを使用した時と同様だった。担持されたPt錯体の触媒特性に関する知見を得るためにはより強固にPt錯体を固定化できる担持体構造を設計する必要があることが考えられる。28年度が最終年度であるため、記入しない。本研究では、構造による金属ナノ粒子の耐久性と触媒特性向上を念頭に、【コアシェル構造】と【結晶面】が与える耐久性、触媒特性への影響を定量的に評価することを目的としている。ポリベンゾイミダゾール被覆カーボンナノチューブ(MWNT/PBI)を触媒担持体として用い、化学還元により触媒金属をMWNT/PBI上に成長させ、使用する。現在までに3つの成果を得られたので以下に記す。1白金(Pt)ナノ粒子の担持と電気化学エッチング:従来法により作製したPtナノ粒子担持MWNT/PBI(MWNT/PBI/Pt)の電気化学的エッチングを行った結果、形状は変化するものの、結晶面の露出に由来する電気化学的な応答は確認できなかった。MWNT/PBI上Ptナノ粒子の担持密度や電気化学的エッチング条件を調整することで結晶面の露出を行えると考えている。2金(Au)ナノ粒子の担持:コアシェル型粒子のコア粒子には化学的安定性に優れたAuナノ粒子を選択した。Ptナノ粒子と類似の手法を採用することでMWNT/PBI上にAuナノ粒子が担持可能で、前駆体の添加量を変えることで粒形を調整可能であることも明らかにした。3Ptサブナノクラスターの合成と触媒特性評価: MWNT/PBI上での金属ナノ粒子の作製において前駆体の吸着と還元を同時に行う従来法では粒形が小さくなると共に担持量が劇的に小さくなる問題があった。そこで、吸着と還元を分けた新たな合成ルートを提案した。この結果、粒形1 nm程度まで小さくしたPtサブナノクラスターを担持した場合にも担持量が小さくなり過ぎず、高密度に担持可能なことを明らかにした。作製したPtサブナノクラスター担持MWNT/PBIの酸素還元反応の触媒特性は、理論計算等を用いた既報とは異なり高い活性を示した。今後はコアシェル構造の作製、及びその構造から得られる触媒特性への影響を明らかにしていく。当初の年次計画の通りMWNT/PBIに担持したPtナノ粒子の電気化学的エッチングの可能性、コア粒子としてAuナノ粒子の担持を遂行することができた。また、粒形制御のために従来とは異なる手法を採用することでPt担持量を大きく減少することなく粒形を小さくすることができた。新たに作製したサブナノサイズのPtクラスターの酸素還元反応の触媒特性を調べたところ、既報(理論計算から予想される粒形に対する触媒特性)とは異なり高い特性を示すことを見出した。この知見はコアシェル構造が与える触媒特性への影響を解明する際にも重要な知見といえる。

このNi粒子や前年度までに作製したAu粒子をコア粒子としたコアシェル型粒子を作製することで内部金属とシェル厚が与える酸素活性特性と安定性の影響を評価可能になると考えられる。2配位Pt錯体の電気化学的触媒特性の評価:近年の関連研究で担持体上に配位したPt錯体の酸素還元活性特性の報告がある。本研究で開発した二段階操作による粒子作製法の第一段階で得られる複合体がそのPt錯体に類似の構造を取ることからその触媒特性を調べた。Pt錯体をMWNT/PBIに配位させたMWNT/PBI/Pt錯体はXPS測定よりPtが2価であることを確認した。しかし、電気化学測定後、一部が0価に還元した。この結果はMWNT/PBI上に配位したPt錯体は電気化学的に不安定であること示した。より安定的にPt錯体を固定化するために足場となるPBIのベンゼン環がピリジン環になったPyPBIを用いた。しかし結果はPBIを使用した時と同様だった。担持されたPt錯体の触媒特性に関する知見を得るためにはより強固にPt錯体を固定化できる担持体構造を設計する必要があることが考えられる。初めに、AuコアPtシェル粒子を作製し、電気化学エッチングを行うことで結晶面露出を行う。当初の計画の通り、電解時間や電位等のエッチング条件を調整することでシェルの厚さ等の構造を制御することができると考えている。構造の同定には電気化学的手法、電子顕微鏡観察、X線分光を試みる。その後、作製した種々の構造を有する粒子の酸素還元反応への触媒特性、耐久性を評価することで研究目標である構造が与える触媒特性、安定性への影響を明らかにする。28年度が最終年度であるため、記入しない。
バイオマス廃棄物の流体燃料への転換

東南アジアのアブラヤシプランテーションでは、大量の空房(Empty Fruit Bunch,EFB)が有効利用されず廃棄物として廃棄されている。そこで、EFBの有効利用の観点から水熱処理(300°C、>10 MPa)による高品位化の研究を行い以下の知見を得た。流通式の水熱処理において改質液のUV吸収をオンラインモニタリングした結果、フェノール類、フラン類等の油分が抽出されることがわかった。このとき、種々のアルカリを添加すると、抽出開始温度が低温側へシフトし、バイオマスが分解されやすくなり、アルカリ種の差異も見られた。全有機炭素量(Total organic carbon,TOC)の経時変化は吸光度の経時変化と良い相関があった。改質液にはUV活性のないカルボン酸も含まれているが、吸光度とTOCに相関が見られたことから、UV吸収のオンラインモニタリングからTOCを予測することが可能と考えられる。また、回分式の水熱処理の結果、改質液のTOC濃度は、アルカリ添加量に伴い増加し、有機酸も数種定量出来た。そのうち酢酸と乳酸が最も多く、酢酸は全アルカリ濃度でほぼ一定値を示し、乳酸は高濃度になるに従い急激に増加した。油分量は0.217 Mのときにピークを示しそれ以上のアルカリ濃度で減少した。改質液、固体産物両方を加味すると、0.1Mのとき最も油分量が多くなり、そのときの油分転換率は約70%になった。それ以上の濃度では油分量は減少し、高濃度のアルカリ添加は高分子化を促進することが分かった。水熱反応においては投入した試料の脱水反応がおこるが、固体産物の元素分析の結果、この脱水半応がアルカリ触媒によって抑制され発熱量が減少することが分かった。固体中の油分について熱分析を行った結果、アルカリ低濃度の時は500°C付近で急激な燃焼が見られたが、高濃度ではより高温側にシフトしさらにピークもブロードになるなど、低濃度のアルカリ添加量で燃焼特性が良好な固体中油分が得られた。アジア圏特にインドネシアでは、バイオディーゼル原料としてCPO (Crude palm Oil), Jathropa Oil, coconut oil, peanut oilなどが利用されている。しかし、バイオフュエル(液体燃料)製造では、数倍の廃棄物が発生する。例えば、CPOでは5倍の固形廃棄物(Empty Fruit Bunch, EFB)が生じると言われているが未だ有効利用されていない。そこで、この廃棄物の有効利用の観点から水熱処理(300°C、>10MPa)による高品位化の研究を行い以下の知見を得た。流通式の水熱処理装置による改質において、改質液のUV吸光度をオンラインモニタリングした結果、180°C付近で吸収ピークが現れはじめ280°C付近で最大値を示した。UV領域に吸収を持つ物質は、フェノール類、フラン類等が知られており、水熱処理によって油分が抽出されることがわかった。このとき、種々のアルカリを添加すると、抽出開始温度が低温側へシフトし、バイオマスが分解されやすくなることがわかった。アルカリの中では、K_2CO_3が、Na_2CO_3より効果が強く、バイオマスからの抽出量が多くなることがわかった。この装置から排出される改質液の全有機炭素量(Total organic carbon, TOC)を時間経過とともに測定したところ、吸光度の経時変化と良い相関があることがわかった。

改質液にはUV活性のないカルボン酸も含まれていると考えられるが、吸光度とTOCに相関が見られたことから、UV吸収のオンラインモニタリングからTOCを予測することが可能と考えられる。アルカリ添加量を増やしていくと、14000ppmまでは分解が促進され改質液中により多くの油分が抽出された。また、残った固相の元素分析の結果にはアルカリ添加濃度による差異は見られず、C量70%以上、H量約7%、発熱量7000kcal/kg以上の固体産物が得られた。東南アジアのアブラヤシプランテーションで廃棄物として大量に発生する空房(Empty Fruit Bunch、EFB)に関して、アルカリを添加した水熱処理(300°C、>10MPa)を行った。液体産物中のTOC濃度は、アルカリ無添加のとき約16000ppmであったが、アルカリ添加量の増加に伴って上昇し、0.29M添加で約29000ppmになった。有機酸は酢酸、ギ酸、乳酸、グリコール酸、レブリン酸、プロピオン酸が同定された。そのうち酢酸と乳酸が最も多く、酢酸は全アルカリ濃度でほぼ一定値を示し、乳酸は高濃度になるに従い急激に増加した。油分量は0.217Mのときにピークを示しそれ以上のアルカリ濃度で減少した。固体産物の歩留まりは、アルカリ添加量の増加に伴って減少した。0.1Mのとき固体産物の87%が油分と見積もられた。液体産物、固体産物両方を加味すると、0.1Mのとき最も油分量が多くなり、そのときの油分転換率は約70%になった。それ以上の濃度では油分量は減少し、高濃度のアルカリ添加は高分子化を促進することが分かった。水熱反応においては投入した試料の脱水反応がおこるが、固体産物の元素分析の結果、この脱水反応がアルカリ触媒によって抑制され発熱量が減少することが分かった。固体中の油分について熱分析を行った結果、アルカリ低濃度の時は500°C付近で急激な燃焼が見られたが、高濃度ではより高温側にシフトしさらにピークもブロードになるなど、低濃度のアルカリ添加量で燃焼特性が良好な固体中油分が得られた。
気相化学反応研究用高感度FTマイクロ波分光器の試作研究

気相化学反応研究のため、高感度、高分解能パルスノズル型フ-リエ交換マイクロ波分光器を試作した。本器はBalle-flygare型を改良したLovas-Suenram(NIST、USA)型を原型とするものである。試作した分光器の概要は次のとうりである。1.マイクロ波光源にはシンセサイザ-を使用した。微弱なFID信号検出のためのダブルス-パ-ヘテロダイン方式におけるIF(30MHz)として、シンセサイザ-の10MHz出力の3倍波を利用し、高感度サイドバンドモジュレ-タを用いることにより、従来の2光源方式を簡略化することができた(NIST方式)。FID信号の増幅には特に低雑音のマイクロ波増幅器が必要であった。2.マイクロ波パルスは、PINスイッチ(立ち上がり7ns、分離能80db)により発生させた。システムの時系列制御はNIST型と同一のコントロ-ラを作製した。分光器全体の操作およびデ-タ処理はパソコン(32ビット)により行った。3.二個のアルミ製球面鏡(35.56cmφ、曲率半径84cm)により、フアブリ-ペロ-型干渉計を製作した。周波数同調機構にはコンピュ-タ制御の容易なステッピングモ-タ-(1μm移動/pulse)を採用した。4.マイクロ波干渉計真空容器(60cmφ×120cm)に、油拡散ポンプ(130001/s)、メカニカルブ-スタ-ポンプ(1000m^3/h)および油回転ポンプ(30001/m)を接続し、真空度3×10^<-6>Torrを達成した。7.二枚のアルミ板(34cm口)によりシュタルク電極を構成し、その電源(最大出力±5kv)を製作した。この装置により、Arで約0.05%に希釈した^<16>0^<12>C^<32>S分子のJ=1→0遷移を、1パルスによりCRO上で容易に観測することができた。現在、感度の向上を目指して調整中である。現在試作中の分光器は、申請時計画していたBalle-Flygare型を大幅に改良したアメリカNBSのLovas-Suenrum型である。これに伴う主な計画変更点は、2光源システムからシンセサイザー1台によるシステムとしたこと、及び空洞へのマイクロ波の導入を同軸ケーブルとし、同調機構を簡略化したことである。又研究分担者のNBSにおける調査(1988年8月)より、化学反応研究用には排気速度が可能な限り大きい事が有利との結論に達し、申請時よりも排気速度の大きい油拡散ポンプを使用する事とした。この経費増は先の簡素化により補うこととした。購入した部品および進捗状況は以下の通りである。【○!1】大型真空容器の設計製作(600^φ×1200、SS製)。真空リークテストを完了し架台に設置し、次年度購入予定のポンプ類の接続を待つ段階である。なお本体は拡散ポンプ用22′′フランジをはじめ、将来のレーザ照射等のため計14個のポートを有する。【○!2】ファブリペロー鏡の製作(350^φ、Al製凹球面鏡2枚、NBS設計図に基づく)。マイクロ波同調機構付空洞の設計を完了した。【○!3】各種マイクロ波コンポーネントの調達。

特に低ノイズ増幅器等はNBSの助言により厳選し、米国製品を購入した。これらの電源等を自作し、各部品をテスト中である。【○!4】パルスコントローラーの製作。NBS回路図を基に製作を依頼し、納入品をテスト中である。本品は次年度購入予定であったが、パルス系は早急のテストが必要と考え製作した。なおこの経費は次年度送りとしたポンプ類の費用に補うこととした。【○!5】超音速分子流発生のためのノズルは、現在自動車の燃料噴射バルブを使用しており、その作動状態をテスト中である。次年度購入予定の分子流専用のソレノイドバルブの購入適否を検討中である。【○!6】研究分担者はNBSにおいてAr-CH_3OHの測定を行い、本分光器の操作に習熟し、又本器の一層の発展性について種々の議論を行った。パルスノズル型フ-リエ変換マイクロ波分光器の試作をほぼ完了した。本器はBalle-Flygare型を改良したLovas-Suenram(NIST,USA)型を原形とするものである。本年度行った試作の内容および実績は次のとうりである。1。マイクロ波干渉真空容器(60φ×120cm)に、油拡散ポンプ(13000l/s)、メカニカルブ-スタ-ポンブ(1000m^3/h)および油回転ポンプ(3000 l/s)を接続し、真空度3×10^<ー6>Torrを達成した。2。昨年度購入した2個の球面鏡(35cmφ、Al製)により、ファブリ-ペロ-型干渉計を製作した。周波数同調機構にはコンピュ-タ制御の容易なスッテッピングモ-タ-(0.36^0/pulse)を採用した。3。パルス試料分子流をつくるために分子線専用のソレノイドノズルを採用した。4。マイクロ波光源にはシンセサイザ-を使用した。FID信号検出のためのダブルス-パ-ヘテロダイン方式におけるIF(30MHz)として、シンセサイザ-の10MHz出力の3倍波を利用し、高感度SSBMを用いることにより、従来の2光源方式を簡略化することができた(NIST方式)。5。マイクロ波パルスは、PINスイッチ(立ち上がり10ns,分離能60db)により発生させた。FID信号の増幅には特に低雑音のマイクロ波増幅器が必要であった。6。パソコン(CPU32ビット)を主体とし、主にGP-IBバスで結合したパルス制御、およびデ-タ処理システムを構築した。7。2枚のアルミ板(34cm角)によるシュタルク電極を構成し、その電源(最大出力±5kV)を製作した。この装置により、Arで約0.1%に希釈した^<16>0^<12>C^<32>S分子のJ=1→0遷移を、1パルスによりCRO上で容易に観測することができた。現在、感度の向上を目指して調整中である。
無機酸を使用しない芳香族化合物の新しいニトロ化法の開発

二酸化窒素に代表される低級窒素酸化物-オゾン系をニトロ化試剤に用いて各種の芳香族化合物及び置換ヘテロ環化合物をニトロ化し、生成物を検討することにより、本方法の将来における省エネルギー、無公害プロセスとしての可能性を体系的に調査し、来世紀に向けた新技術としての確立を試みた。本法によるニトロ化生成物は硝酸-硫酸を用いた従来法による生成物とかなり異なる異性体分布を示し、中性条件下でも円滑にニトロ化が行なえる点で、強いLewus酸であるニトロニウムイオンの発生を必要とする古典的なニトロ化反応とは本質的に異なる新しいニトロ化法であることが判った。置換基の配向性と生成物の異性体分布の関係は特に変っており、ハロゲン、アシル、カルボキシル、アルコキシ、アミドなどのヘテロ元素置換基を持つ基質に対しては高いオルト配向性が観測された。塩素および具素原子の場合には基質の初期濃度の変化に応じてオルト/パラ比が逆転するという奇妙な現象が観測された。また、アルキル、アルコキシ、ハロゲンなどのオルト-パラ配向性置換基を持つ場合には、反応初期に著しいメタ配向性が認められた。本ニトロ化法によると、アセタールとか安息香酸塩のように従来法ではニトロ化が原理的に不可能な化合物のニトロ化も可能となる。速度論的な研究や分子軌道法による計算の結果、本反応は二酸化窒素とオゾンの反応により発生した三酸化窒素を一次の求電子試剤とし、電子移動によるカチオンラジカルの発生と、五酸化二窒素の生成とが競争する複合的な反応過程からなる非古典的な機構で進行することが確認された。本反応の経済性はオゾンの発生に必要とされる電気量によって決定されるが、触媒の開発により酸素自体を反応系で利用してオゾンの使用量を減らすことが出来れば、将来的に硝酸-硫酸法を完全に追放する可能性が大きい新技術であると考えられる。新しいニト化法の適用可能な範囲を明確にするため、一連の置換ベンゼンについてその反応を体系的に検討した。電子吸引記により不活性化されたハロゲノベンゼン、ニトロベンゼン、芳香族アルデヒドおよびケトン、ベンゾニトリル、安息香酸とその塩およびエステルなどの基質はいずれも容易に反応して対応するニトロ誘導体を好収率で与えた。ハロゲノベンゼンの反応では、基質濃度の変化によりオルト-パラ異性体比が逆転するという奇妙な現象が観察された。また、アシル基やアシルアミノ基の場合には著しく高いオルト配向性が見られた。この方法は、芳香族アセタールやカルボン酸塩のように、古典的な方法では原理的にニトロ化が不可能な基質に対してもうまく適用できることが判った。一連の置換ベンゼンについてその動力学を検討した結果、反応はBrownのδ+値とよい直線自由エネルギー関係を示し、ρ=-6.9で典型的な求電子反応の特徴をもつことが判った。触媒の添加効果、五酸化二窒素によるニトロ化とは異なり、三酸化窒素の発生を律速段階とするカチオンラジカルを経由する機構と五酸化二窒素を攻撃種とする分子機構の複合過程からなる、新しい反応であることが次第に明らかになってきた。窒素酸化物/オゾン系による各種の置換ベンゼンのニトロ化を体系的に検討した結果、この反応はハロゲン、アシル、アルコキシ、アシド、カルボキシなどのヘテロ元素置換基を持つ基質に対して高いオルト配向性を示すことが判った。特に、塩素および臭素原子の場合には、基質の初期濃度の変化に応じてオルト/パラ比が送転するという奇妙な現象が観測された。

また、アルキル、アルコキシ、ハロゲンなどのオルト・パラ配向性置換基を持つ場合には、反応初期に著しいメタ配向性が認められた。速度論的な研究や分子軌道法計算の結果から、本反応はニトロニウムイオンが関与する古典的な機構で進行するのではなく、三酸化窒素を一次求電子試剤とし、電子移動によるカチオンラジカルの発生と、五酸化二窒素の生成とが競争する複合的な過程からなる非古典的な機構で進行することが確認された。この方法によるとアセタールとが安息香酸塩のように、従来法ではニトロ化できない化合物のニトロかが可能なことが判明した。
一酸化窒素合成酵素系完全欠損下の脳梗塞縮小現象と次世代治療確立への応用

オスにおいて一酸化窒素合成酵素(NOS)完全欠損マウスが野生型マウスと比較し脳梗塞が小さくなる現象を報告した。性ホルモンの影響を考え、性腺除去手術の一週間後に同様の脳梗塞誘導実験を行ったところ、精巣摘除術によって有意に脳梗塞は大きくなった。精巣摘除の効果はテストステロンの補充によって打ち消された。NOSが欠損した状況では、脳梗塞病態についてテストステロンの保護効果があることが示唆された。脳梗塞組織でのRNA発現について、次世代シーケンサー解析で調べたところ、NOS完全欠損マウスでは野生型マウスと比較し酸化ストレスやミトコンドリア機能不全のシグナルを抑制するような遺伝子の動きを認めた。平成27年度の研究実施計画に記載した「マウス脳梗塞モデルにおけるNOSs系の役割の解明」について、野生型マウスと比較し脳梗塞側半球(右半球)におけるperoxynitrite発現量の低下がNOSs系完全欠損マウスで見られた。peroxynitriteはスーパーオキサイドと一酸化窒素(NO)が反応して生じる強力な酸化物質である。すなわち、予備的研究で得られたNOSs系完全欠損マウスでの脳梗塞巣サイズ縮小現象の機序を説明するものとして矛盾のない結果が得られている。さらなる機序の解明のためにCaイオン可視化による神経細胞死シグナルの定量化を計画していたが、現時点では未実施である。機序の解明の手がかりとして、神経細胞死の経路に性別による違いが報告されている。メスマウスについても同様の脳梗塞誘導実験を行ったところ、他の研究者によるnNOS欠損マウスと野生型マウスの研究で報告されているような脳梗塞巣サイズにおける雌雄間の逆転現象(オス:野生型マウス>NOSs系完全欠損マウス、メス:野生型マウス<NOSs系完全欠損マウス)を認めた。このことからnNOSの有無と女性ホルモンであるエストロゲンの関与を考えた。しかし、NOSs系完全欠損メスマウスの卵巣摘除後に脳梗塞を誘導したところ、偽手術群と比較し卵巣摘除群で脳梗塞巣サイズが縮小すると予想していたにも関わらずサイズに差を認めなかった。そこで、NOSs系が完全に欠損した状況での男性ホルモンであるテストステロンの有無が影響する可能性を考えた。NOSs系完全欠損オスマウスの精巣摘除後に脳梗塞を誘導し脳梗塞サイズに差が生じるかを現在検討中である。虚血再灌流による脳障害の病態におけるNOSs系の役割の解明について鋭意実験を進めている。peroxynitriteの酸化障害がNOSs系完全欠損マウスで低下していることがウエスタンブロットによるチロシンニトロ化タンパクの定量で確認できた。しかし、その後の実験進捗については研究設備・技術の限界もあり、研究実施計画に示した実験計画と比較し遅延し停滞している状況である。それに代わり今後は、他施設に委託し、脳梗塞病態における網羅的かつ定量的な遺伝子発現を調査する目的でRNA次世代シーケンシング解析を計画している。平成27年度までに得た結果から、NOSs系完全欠損下でのテストステロン(男性ホルモン)の有無が脳梗塞病態に影響している可能性を考えた。NOSs系完全欠損マウスにおいてMCA閉塞によって誘導した脳梗塞の大きさはオス<メスであったので、平成28年度はMCA閉塞に先立って精巣を除去した場合にNOSs系完全欠損オスマウスにおいて脳梗塞が大きくなる、という仮説のもとに実験を行った。偽手術群に比して精巣摘除群で脳梗塞巣サイズが大きくなる結果が得られた。次に、この精巣除去効果がテストステロンの補充によって打ち消されるか確認実験を行った。すなわち精巣摘除後のマウスにテストステロンまたは溶媒が緩徐に浸み出すようなチューブの埋め込みを行ったのちにMCA閉塞を行ったところ、テストステロン補充群で溶媒群に比して脳梗塞が小さくなる結果が得られた。これにより、NOSs完全欠損下では、テストステロンの保護効果があることが示唆された。オスにおいて、野生型マウスとNOSs系完全欠損マウス間で、MCA閉塞処置後にどのような遺伝子発現の違いがあるのかを網羅的かつ定量的に調べる目的で、MCA閉塞から2時間後の脳検体を用いてRNA次世代シーケンサー解析を行った。ミトコンドリア機能不全および酸化ストレスのシグナルに2種間で差があり、NOSs系完全欠損マウスでは野生型マウスと比較し、これらのシグナルを抑制する遺伝子の動きを認めた。テストステロンの細胞修復と生存への作用は細胞傷害が軽度な場合は問題なく有益に機能するが、傷害が高度な場合は、細胞修復に大量のエネルギーを消費し、それが原因となる細胞死を誘導する。NOSs系完全欠損マウスのMCA閉塞処置後は、活性窒素種peroxynitriteの産生が有意に少なくなることがわかっていて、細胞傷害が軽度であるためテストステロンによるエネルギー枯渇が生じにくい可能性を考える。平成27年度末に計画を修正し、次世代シーケンシング解析を計画した。平成28年度は次世代シーケンシング解析により、ミトコンドリア機能不全と酸化ストレスに関わるシグナルの抑制がNOSs完全欠損マウスの脳虚血再灌流後の脳内で認められ、病態機序の解明に向けて前進することができた。この得られた結果を基に、今後さらに周辺分子機序の確認を行っていく。