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ベトナムにおけるダイオキシン類環境汚染30年後の生体影響に関する疫学的研究

2002年より2004年までの3年間に、ベトナム中部の枯葉剤撒布地Quang Tri省Cam Chinh村と対照地区Ha Tinh省Cam Phuc村の住民調査を計4回実施した。血液、母乳、皮下脂肪を生体試料として採取し、凍結保存して日本国内に搬送した。各試料中のダイオキシン類とその異性体の濃度を高感度質量分析計にてTEQ換算で測定した。その結果、いずれの試料においても、汚染地区住民のダイオキシン類濃度が統計学的に有意な高値を示した。但し、異性体比率では最も毒性が強い2,3,7,8-TCDDの占有率は20%以下で、むしろ5,6塩化の比率が高く、この結果は従来の報告と異なる。血清生化学検査では、甲状腺や月刊蔵の機能検査で両群間に系統的な差は見られなかった。血清コリンエステラーゼ値が母乳中のダイオキシン類濃度と負の相関を示した。児の身体計測値も両群間に有意差は見られなかったが、児の胸囲と母乳中のダイオキシン類濃度との問には負の相関がみられた。両指標は重回帰分析の結果でも、母親や児の年齢(月齢)を考慮に入れても、母乳中のダイオキシン類濃度と有意な関連性を示した。2002年5月18日より5月25日にかけて、ベトナム厚生省枯葉剤人体被害調査委員会(略称:10-80委員会)と共同で、「ベトナムにおけるダイオキシン類環境汚染30年後の生体影響に関する疫学的研究」の最初の調査を実施した。調査地区は、旧南北ベトナムの境界線である17度線の直ぐ南に位置するQuang Tri省の一枯葉剤汚染地区と、そこより北に車で3時間程の位置にあるHa Tinh省の一農村地区を対照とし、住民各4,000名程の健康状況調査を質問票にて実施した。質問内容は家族毎に過去および現在の健康状況と枯葉剤への暴露状況、栄養調査から構成されている。この結果については、現在ベトナム側で集計作業中である。続いて、2002年9月22日より9月29日にかけて、5月と同様ベトナム側と共同で第二回の現地調査を実施した。本研究の目的の1つはダイオキシンの現在の暴露レベルを明らかにするために、環境試料(土、水、底泥、魚、家禽類、家畜等)と生体試料(血液・母乳等)を採取することである。もう1つの目的は、健康影響を明らかにするために、血清中の生化学指標(肝・腎・脂質・甲状腺機能)について検討することである。今回の調査では枯葉剤汚染地区と対照地区より各300名程の生体試料を採取し、日本に搬送することができた。当研究グループでは最初に母乳中のダイオキシンの分析を始めた。測定条件を確立するために、約3ヶ月を要した。本年1月より、本格的な分析を開始し、一ヶ月に約10検体のペースで現在分析中である。生化学指標については、臨床検査機関に測定を依頼し、既に分析結果は得ている。今後、疫学調査成績と組み合わせて両地区の比較検討を実施する予定である。次年度は、複数の要因を考慮すると、さらに検体数を増やす必要があると考えられるので、現地調査の実施に向けて現在ベトナム側と調整中である。本研究は平成14年度からの継続研究であり、15年度には、以下の2点を中心に研究活動を実施した。・平成14年度に調査した疫学データの解析と採取した生体試料の分析を継続した。・平成15年度も前年に引き続きベトナムでの現地調査を実施した。以下に主な成績を述べると、1)2002年5月に実施した疫学調査の主な結果は、(1),汚染地区では自然流産や先天異常の発生率が22.4%,12.6%と対照地区の11.3%,4.9%より各々有意に高かった。(2),対照地区において、すべての生殖異常の発生率は散布地区の従軍歴経験者が9.4%と非経験者の5.3%より有意に高率であった。2)2002年9月に採取した生体試料の分析結果は、(1),血清は健康な男性1人当たり1.25mlずつ計4名分5mlを1試料として分析した。

年齢階級10歳毎に両群を比較すると、ダイオキシンとフランの総量が1050歳の各年代とも汚染地区が対照地区を上回り、平均値は13.9,3.4pg-TEQ/g fatと有意な差を認めた。(2),母乳は、両地区各6検体を分析し、総量の平均値は9.3,3.0pg-TEQ/g fatと汚染地区が対照地区より有意に高かった。(3),皮下脂肪は汚染地区8検体、対照地区13検体を分折した結果、総量の平均値は35.6,21.9pg-TEQ/g fatと汚染地区の方が高めであったが、有意差は認められなかった(p=0.08)。但し、対照地区対象者はいずれも枯葉剤への暴露経験者であった。3)2003年7月に引き続き現地調査を実施し、汚染地区61人、対照地区46人から血清と母乳の両試料を採取した。母乳中のダイオキシンは異性体毎に両地区で比較検討した。いずれの平均値も汚染地区の方が高く、五塩化ジベンゾパラダイオキシン(P5CDD)や総量等で有意差が見られた。残りの検体についても引き続き分折中である。本研究は平成14年度からの継続研究である。16年度は、以下の2点に重点をおいて研究活動を実施した。1.平成14、5年度の調査で採取した生体試料の分析を継続した。2.平成16年度も引き続きベトナムでの現地調査を実施した。以下に、主な成績を述べると、(1)平成14、5年度の調査で採取した生体試料の分析結果は、(1)2002年9月に採取した血清試料では、健康な男女各1人当たり1.25mlずつ4名分計5mlのプール血清を1検体として分析した。年齢階級10歳毎に両群を比較すると、ダイオキシンとフランの総量は男女とも各年代において汚染地区が対照地区を上回った。さらに、汚染地区で甲状腺に診察所見が認められた男性を同様に分析した結果、各年代で健常群よりさらに高値を示した。(2)2003年7月に採取した母乳試料では、両地区の母親を児の数と授乳期間でマッチングした29組を比較した結果、いずれの群でも汚染地区が高く、6,7,8塩化の異性体では有意差を認めた。但し、T4CDDの比率は従来指摘されている程、高率ではなかった。(2)平成16年度の調査では、これまでに母乳を提供してくれた母親を対象に、血清の採取とその児の身体計測を実施した。(1)汚染地区88人、対照地区49人から採取した血清の生化学検査結果では、両群間に有意差の認められた特徴的な項目はなかったが、血清コリンエステラーゼとLDHが母乳中ダイオキシン類と有意な負の相関を示した。(2)汚染地区90人、対照地区53人の児の身体計測(身長、体重、頭囲、胸囲)の結果では、両地区間に有意差の認められた項目はなかったが、胸囲と母乳中ダイオキシン類との間に有意な負の相関を示した。以上の結果を踏まえて、今後ともダイオキシン類の発生源の追跡と早期の健康影響についての検討を継続していく必要があると考える。
フランスを中心としたイマージュの現象学的・人間学的研究

本年度は前年度に引き続き、東北大学大学院文学研究科において、野家啓一教授の指導のもとで本研究計画を遂行した。本年度後期11月には、日本現象学会の研究大会において研究成果の発表を行った。その後、当学会の審査を経て、学会誌『現象学年報』への掲載が決定された。また、同月には、東北大学で開催された「現象学を語る会」において、中国・香港大学から参加された発表者、劉國英氏のメルロ=ポンティ研究論文「The Madness of Vision : The Painter as Phenomenologist in Merleau-Ponty」の翻訳を行った。さらに同3月には、学位申請論文『絵画における視覚と可視性の哲学-現象学的像理論とメルロ=ポンティにおける可視性の哲学-』を提出した。本年度は本研究最終年度であり、充実した成果を得ることができた。当初の研究計画であるイマージュ-図式の相関関係における物的イマージュ論の再構築を行うため、メルロ=ポンティの主要著作および講義ノートをもちいながら概念整理をし、フッサール、サルトルらの現象学的像理論やアリストテレス、カント、ベルクソンなどの著作における概念の哲学史的変遷を研究した。とくにメルロ=ポンティにおける身体図式概念について理解を深めるために、ピック、ヘッド、シルダーといった心理学・生理学者たちのテクストとの対比によってその独自な思想内容を明らかにした。また、本研究の根本的な主題である知覚-イマージュ-思考の相互媒介的連関性を考察するうえで、このような図式研究は大きな意義をもった。すなわち、物的イマージュである絵画の製作において身体における知覚図式がいかに反映されるかという問題が、「変身」「変形」といったメルロ=ポンティの基本概念を媒介として理論化することができたのである。このような考察に基づいて、さらにはセザンヌやクレーなど実製作の研究をとおして、視覚と思考を媒介とする絵画的イマージュの意味を現象学的・人間学的見地から解釈した。フランス、パリのエコール・ノルマル・シュペリウールにて受け入れ許可を得、本研究計画遂行のため指導を受けながら活動を実行した。受け入れ教官であるクロード・アンベール女史が週一回主催する「芸術、創造、認知」をテーマにしたセミナーを中心として、必要に応じた様々な講義を受講した。同教官とはその他に特別に課外セミナーの時間をもうけ、前半期にはメルロ=ポンティの読書会、後半期には本研究に関する個人指導を受けた。また、現地の利点を生かして、パリの研究機関、美術館等での資料収集や実地活動を行うとともに、ドイツ(ベルリン、ミュンヘン)およびイタリア(フィレンツェ、ローマ)においてもフィールド・ワークを行う機会を得た。当初の研究計画である知覚、イマージュ、言語の相互的な関わりを分析するため、メルロ=ポンティの主要著作および講義ノートを用いて概念整理を行い、ソシュールの言語学講義や多くの心理学や芸術学関連の著作を研究した。中でも心理学から得た主要な成果としては、図式概念の歴史的理解があり、とくに病理学的な身体図式の障害事例や児童心理学的見地から見た身体図式の発達段階を研究するなかで、イマージュの知覚認知構造との相互媒介を具体的に捉えることができた。また、カッシーラーの「象徴形式」概念を絵画における空間構造の分析に適用したパノフスキーから研究上の大きな着想を得ることができた。メルロ=ポンティ研究においては、特に後期思想において、残された著作の解釈上の諸問題を講義ノートによって正確に把握し、理解することに努めた。他方で、ジルベール・デュランの読解も進め、今後の研究に繋げる準備を行っている。本年度前期は前年度に引き続き、フランス、パリのエコール・ノルマル・シュペリウールにて本研究計画遂行のため指導を受けながら活動を実行した。また、同教官により、本研究に関する個人指導を受けた。現地の利点を生かして、パリの研究機関、美術館等での資料収集や実地活動を行った。後期は、帰国後、東北大学にて野家啓一教授の指導のもとで本研究を継続した。当初の研究計画である物的イマージュと言語の性格的差異を分析するため、メルロ=ポンティの主要著作および講義ノートをもちいて概念整理を行い、ソシュールをはじめとする言語論や多くの心理学、芸術学関連の著作を研究した。言語論においては言語の沈殿現象を詩的創造的言語との相互媒介からとらえながら、それを絵画における知覚的原初性に根ざした創造性ならびに様式性と対比的に考究した。このような見地にもとづいて、表現の構造的な層化現象とそれに基礎づけられた作品の組成構造的な多形化という文化活動に普遍的にみられる過程を文学および絵画の具体的な作品事例にそくして検討した。これらの成果を初年度に研究を行った図式論の枠組みのなかに位置づけなおし、イマージュの創造と受容の相互媒介的な理解に努めた。また作品の制作-受容経験における自由概念の分析をつうじて、メルロ=ポンティが後期存在論において反転可能性の原理へ思想を深化させていく過程で芸術作品がもつ意義を追求した。メルロ=ポンティ研究においては前年度に引き続き、特に後期思想において、残された著作の解釈上の諸問題を講義ノートによって正確に把握し、理解することに努めた。またジルベール・デュランの著作読解も継続的におこなった。

本年度後期11月には、日本現象学会の研究大会において研究成果の発表を行った。その後、当学会の審査を経て、学会誌『現象学年報』への掲載が決定された。また、同月には、東北大学で開催された「現象学を語る会」において、中国・香港大学から参加された発表者、劉國英氏のメルロ=ポンティ研究論文「The Madness of Vision : The Painter as Phenomenologist in Merleau-Ponty」の翻訳を行った。さらに同3月には、学位申請論文『絵画における視覚と可視性の哲学-現象学的像理論とメルロ=ポンティにおける可視性の哲学-』を提出した。本年度は本研究最終年度であり、充実した成果を得ることができた。当初の研究計画であるイマージュ-図式の相関関係における物的イマージュ論の再構築を行うため、メルロ=ポンティの主要著作および講義ノートをもちいながら概念整理をし、フッサール、サルトルらの現象学的像理論やアリストテレス、カント、ベルクソンなどの著作における概念の哲学史的変遷を研究した。とくにメルロ=ポンティにおける身体図式概念について理解を深めるために、ピック、ヘッド、シルダーといった心理学・生理学者たちのテクストとの対比によってその独自な思想内容を明らかにした。また、本研究の根本的な主題である知覚-イマージュ-思考の相互媒介的連関性を考察するうえで、このような図式研究は大きな意義をもった。すなわち、物的イマージュである絵画の製作において身体における知覚図式がいかに反映されるかという問題が、「変身」「変形」といったメルロ=ポンティの基本概念を媒介として理論化することができたのである。このような考察に基づいて、さらにはセザンヌやクレーなど実製作の研究をとおして、視覚と思考を媒介とする絵画的イマージュの意味を現象学的・人間学的見地から解釈した。
情報工学的推論手法を用いた局地豪雨予測手法の開発に関する研究

気象情報から気象現況を定性的に推論するアルゴリズムとルールを作成し、それを計算機中で表現し,実際の豪雨現象に適用してケーススタディを行うことでアルゴリズムの検証を行うことを目標に以下の研究を行った.1.気象庁・数値予報出力値であるGPV(Grid Point Value)を用いて前線の位置を判断するアルゴリズムを開発した.このアルゴリズムは気象現象に詳しい人間が前線の位置を判断する手法を模して,事例毎に変化するGPVの値を相対的に判断して事例毎に適当なしきい値を判断して2値化を行うことにより前線を抽出する機能を備えている.さらに,アルゴリズムの検証段階において人間が空間的に分布している数値を判断する際には全領域の値の分布具合を判断して空間をいくつかに分解し,その中で前線を抽出して最後にそれぞれで求められた前線を結合していることが判明した.2.偏微分方程式により表現されている大気の連続式を通して,GPVで得られるメソαスケールの風の情報から地形の影響を受けて生起するメソγスケールの鉛直風分布を求める定性モデルを開発し,その実現を行った.ここで得られた鉛直風分布と大気の安定度,および水蒸気の供給状況が局地豪雨をもたらすような積雲の生起を予測する推論材料である.また,この定性モデルの開発は,診断的解法ではあるが,今まで常微分方程式系だけが定性推論モデルとなることが可能であったという壁を乗り越えて偏微分方程式系も定性モデル化する手法を提案するものである.3.積雲の数値シミュレーションを通して局地豪雨をもたらすような積雲の生起・発達に影響を与える種々の定量・定性的要因を獲得し,それらを実際の局地豪雨予測に活用するために1次元定性積雲モデル,それを2次元に拡張した2次元定性積雲モデルの基礎的フレームを考案した.これらの研究を行う上で,特に大量のデータを必要とするGPVの解析に際して,計算機の主記憶装置,外部記憶装置を拡張したことが研究の進捗に非常に効果的に機能した.気象情報から気象現況を定性的に推論するアルゴリズムとルールを作成し、それを計算機中で表現し,実際の豪雨現象に適用してケーススタディを行うことでアルゴリズムの検証を行うことを目標に以下の研究を行った.1.気象庁・数値予報出力値であるGPV(Grid Point Value)を用いて前線の位置を判断するアルゴリズムを開発した.このアルゴリズムは気象現象に詳しい人間が前線の位置を判断する手法を模して,事例毎に変化するGPVの値を相対的に判断して事例毎に適当なしきい値を判断して2値化を行うことにより前線を抽出する機能を備えている.さらに,アルゴリズムの検証段階において人間が空間的に分布している数値を判断する際には全領域の値の分布具合を判断して空間をいくつかに分解し,その中で前線を抽出して最後にそれぞれで求められた前線を結合していることが判明した.2.偏微分方程式により表現されている大気の連続式を通して,GPVで得られるメソαスケールの風の情報から地形の影響を受けて生起するメソγスケールの鉛直風分布を求める定性モデルを開発し,その実現を行った.ここで得られた鉛直風分布と大気の安定度,および水蒸気の供給状況が局地豪雨をもたらすような積雲の生起を予測する推論材料である.また,この定性モデルの開発は,診断的解法ではあるが,今まで常微分方程式系だけが定性推論モデルとなることが可能であったという壁を乗り越えて偏微分方程式系も定性モデル化する手法を提案するものである.3.積雲の数値シミュレーションを通して局地豪雨をもたらすような積雲の生起・発達に影響を与える種々の定量・定性的要因を獲得し,それらを実際の局地豪雨予測に活用するために1次元定性積雲モデル,それを2次元に拡張した2次元定性積雲モデルの基礎的フレームを考案した.これらの研究を行う上で,特に大量のデータを必要とするGPVの解析に際して,計算機の主記憶装置,外部記憶装置を拡張したことが研究の進捗に非常に効果的に機能した.
高生体適合性ハイドロキシアパタイトコーティング気相プロセスによる組織制御

TiおよびTi合金インプラント上にリン酸カルシウムなどのセラミックス膜を被覆することにより、周囲の骨組織の形成が促進され、生体適合性の向上が期待される。そこで、本研究では、有機金属化学気相析出(CVD)を用いCa(dpm)2、(C_6H_5O)_3POおよびSi(OC_2H_5)_4(TEOS)有機金属錯体により、Ca-P-O系およびCa-Si-O系膜を合成した。α-TCP膜の表面構造は,原料過飽和度に依存し、ファセット面からカリフラワー状組織へと変化した。また,断面構造はよく発達した柱状晶であった。α-TCP膜の配向は,(290)および(400)に強く配向した膜が得られた。一方、HAp膜の表面構造は粒状結晶であり,断面は緻密構造であった。得られたHAp膜は(300)および(002)に強く配向した。ハンクス溶液中への浸漬実験では、α-TCP膜は高い結晶化度および比較的なめらかな粒子表面の影響を受け、浸漬7日後においてもアパタイト形成は観察されなかった。一方、(300)配向したHAp膜は浸漬24時間後、(002)配向したHAp膜は浸漬6時間後でそれぞれ表面全体が粒状のアパタイトで覆われた。アパタイトの形成は膜の窪みで優先的に起こり、浸漬期間の増加とともに球状から緻密な層状へと変化した。T_<sub>=1223-1323K、R_<Si/Ca>=18では、CaSiO_3およびCa_3SiO_5の混相膜が得られた。いずれの組成においても緻密な微細構造を示した。ハンクス溶液中での浸漬試験により、1日後粒状のアパタイトの前駆体が検出され、7日後β-Ca_2SiO_4単相膜の表面全体が新たに生成したアパタイトにより被覆された。このアパタイトにはCO_3^<2->がFT-IRにより検出され、針状組織を持つポーラス構造であった。アパタイトの形成速度は、CVD法により作製したHAp膜(6時間)より低いが、CVDCaTiO_3膜およびα-TCP膜より高かった。TiやTi合金は、優れた機械的特性や耐腐食性、生体適合性を有することから、人工歯根や人工関節の素材として広く応用されている。しかし、ブローネマルクにより報告されたチタンと骨が完全に結合するオッセオインテグレーションが起こるまでに3ヶ月程度の長期の固定期間が必要である。骨生成期間を短縮するため、これまで、Ti合金の表面改質やチタン酸カルシウムおよびリン酸カルシウムなどのセラミックスコーティングに関する研究が数多く行われている。セラミックスコーティングの合成法は、スパッタリング法、ゾルゲル法、プラズマスプレー法および化学気相析出法などが挙げられる。本研究グループでは、有機金属錯体原料を用いた化学気相析出(MOCVD)法により、Ca-Ti-OおよびCa-P-O系セラミックス膜を合成してきた。一方、Ca-Si-O系セラミックスバルク体は優れた生体親和性および機械的性質を示したが、薄膜についてほとんど報告されていない。そこで、本研究では、MOCVD法によりCa-P-OおよびCa-Si-O系セラミックス膜の合成および生体内外評価を目的とした。本年度では、Ca(dpm)_3および(C_6H_5O)_3POの有機金属錯体原料を用い、縦型コールドウォール式CVD装置によりリン酸カルシウムおよびハイドロオキシアパタイト膜を合成した。擬似体液中ではいずれも数時間から数日でハイドロオキシアパタイトが新たに生成して膜表面全体を覆い、優れた骨形成能を示した。また、Ca(dpm)_3およびSi(OC_2H_5)_4によりCa-Si-O系膜を合成した。Ca/Si原料モル比の変化により、CaSiO_3およびCa_2SiO_4膜が得られ、いずれも緻密構造であった。そこで、本研究では、有機金属化学気相析出(MOCVD)を用いCa(dpm)_2および(C_6H_5O)_3PO有機金属錯体により、リン酸カルシウム系膜を合成した。結晶相に及ぼす基板温度(T_<sub>)、反応室圧力(P_<tot>)およびCaとPの原料モル比(R_<Ca/p>)の変化を調べた。P_<tot>=0.8kPa、T_<sub>=973KおよびR_<Ca/p>=0.3、T_<sub>=1073KおよびR_<Ca/p>=0.10.5ではα-リン酸三カルシウム(α-TCP)単相膜,T_<sub>=973KおよびR_<Ca/p>=0.5,T_<sub>=1073KおよびR_<Ca/p>=0.81ではハイドロキシアパタイト(HAp)の単相膜が得られた。また、α-TCPおよびHAp膜がコーティングしたCP-Ti基板をハンクス溶液へ浸漬し、骨類似アパタイト形成の様子を調べた。α-TCP膜を被覆した試料上では、7日の浸漬後に、アパタイトの結晶が生成し、浸漬14日後に表面全体を覆った。

HAp膜を被覆した試料上では、浸漬1時間後に膜の窪みでアパタイトが新たに生成した。浸漬6時間後に、試料の表面全体は針状のアパタイトで覆われた。浸漬12時間後、新たに形成したアパタイトの微細組織は針状から網目状へと構造が変化した。一方、Ca-Si-O系セラミックスバルク体は優れた生体親和性および機械的性質を示したが、薄膜についてほとんど報告されていない。そこで、本研究では、MOCVD法を用い、Ca(dpm)_2およびSi(OC_2H_5)_4(TEOS)によりCa-Si-O系膜の合成した。T_<sub>=923-1023K、R_<Si/Ca>=43では、Ca_2SiO_4単相膜が得られた。T_<sub>=1223-1323K、R_<Si/Ca>=18では、CaSiO_3およびCa_3SiO_5の混相膜が得られた。いずれの組成においても緻密な微細構造を示した。TiおよびTi合金インプラント上にリン酸カルシウムなどのセラミックス膜を被覆することにより、周囲の骨組織の形成が促進され、生体適合性の向上が期待される。そこで、本研究では、有機金属化学気相析出(CVD)を用いCa(dpm)2、(C_6H_5O)_3POおよびSi(OC_2H_5)_4(TEOS)有機金属錯体により、Ca-P-O系およびCa-Si-O系膜を合成した。α-TCP膜の表面構造は,原料過飽和度に依存し、ファセット面からカリフラワー状組織へと変化した。また,断面構造はよく発達した柱状晶であった。α-TCP膜の配向は,(290)および(400)に強く配向した膜が得られた。一方、HAp膜の表面構造は粒状結晶であり,断面は緻密構造であった。得られたHAp膜は(300)および(002)に強く配向した。ハンクス溶液中への浸漬実験では、α-TCP膜は高い結晶化度および比較的なめらかな粒子表面の影響を受け、浸漬7日後においてもアパタイト形成は観察されなかった。一方、(300)配向したHAp膜は浸漬24時間後、(002)配向したHAp膜は浸漬6時間後でそれぞれ表面全体が粒状のアパタイトで覆われた。アパタイトの形成は膜の窪みで優先的に起こり、浸漬期間の増加とともに球状から緻密な層状へと変化した。ハンクス溶液中での浸漬試験により、1日後粒状のアパタイトの前駆体が検出され、7日後β-Ca_2SiO_4単相膜の表面全体が新たに生成したアパタイトにより被覆された。このアパタイトにはCO_3^<2->がFT-IRにより検出され、針状組織を持つポーラス構造であった。アパタイトの形成速度は、CVD法により作製したHAp膜(6時間)より低いが、CVDCaTiO_3膜およびα-TCP膜より高かった。
排尿機能とその自律神経性調節の加齢変化

高齢者における排尿機能の低下の原因として、膀胱平滑筋自体の性質の変化や排尿を調節する自律神経機能の低下などが考えられる。本研究では、膀胱機能とその自律神経性調節機構の加齢変化を明らかにすることを目的とした。成熟ラットと老齢ラットを用いて、(1)シストメトリー法による膀胱容量と内圧の関係、(2)膀胱平滑筋に及ぼす骨盤神経遠心性線維刺激の効果、(3)膀胱内容量及び内圧増加による骨盤神経求心性線維の反応を比較した。その結果、(1)シストメトリーの記録:老齢ラットでは同じ容量を加えた際の膀胱内圧の上昇程度が成熟ラットに比べて有意に低かった。例えば内圧200mmHgの際の膀胱容量は成熟ラットの約6倍に増加していた。排尿収縮出現時の膀胱内圧には加齢による差は認められなかったが、老齢ラットでは排尿収縮の振幅が小さかった。(2)遠心性神経刺激による膀胱内圧の変化:骨盤神経遠心性神経刺激による膀胱内圧増加の大きさはいずれの膀胱容量時も老齢ラットにおいて低下していた。この結果から、老齢ラットでは骨盤神経からの伝達物質放出の減少している可能性や、排尿筋の受容体の感受性の変化している可能性が考えられる。(3)求心性神経活動の記録:膀胱内圧に対する求心性神経活動の反応性は老齢ラットにおいてもよく保たれていたが、膀胱容量の増加に対する反応性は老齢ラットで低下していた。老齢ラットの膀胱では容量あたりの内圧の増加度が低下しており、膀胱内圧に対する感受性は不変のため、容量増加に対する骨盤神経求心性線維の反応性が低下していると考えられる。以上の結果から、加齢により膀胱容積の著しい増加、骨盤神経遠心性神経刺激による膀胱収縮力の低下、さらに膀胱容量に対する骨盤神経求心性線維の反応性の低下が明らかとなった。これらの変化は高齢者における残尿量の増加、排尿速度の減少などに関与している可能性がある。
転がり疲れ条件下におけるき裂伝播と塑性流動の関連性および数値シミュレーション

本研究では、転がり疲れき裂の伝播挙動を解明することを最終目的として実験・理論解析を行い、以下の知見を得た。1.スキューを与えた条件下で転がり疲れ試験を行い、ピーリングき裂の物体内部への3次元的進展状況を観察した。さらに、ナイタール試薬によって腐食することにより、表層部の塑性流動の状況を調べ、ピーリングき裂の伝播方向との関連性を定量的に調べた。その結果、スキューを与えることにより生ずる軸方向接線力の向きの影響によって、転がり疲れき裂は軸方向に対して一定の方向に進展することが判明した。さらに、その方向は軸方向接線力の影響によって生ずると思われる塑性流動の向きと一致していることが確認された。2.転がり疲れき裂の伝播の数値シミュレーションを行うための予備研究を行い、以下の成果が得られた。(1)ポリメチルメタクリレートの破壊時における比表面エネルギのき裂伝播速度依存性が粘弾性モデルにより説明できることが判明した。さらに、き裂の高速伝播時における速度の振動現象を比表面エネルギのき裂加速度依存性を仮定することによりシミュレートすることに成功した。(2)アルミ合金・炭素鋼を供試材としてモードII荷重下における疲労き裂の伝播挙動について調べた結果、同一の材料であってもΔKの値によってき裂の伝播モードが異なる場合があることが判明した。(3)連続分布転位法による弾性体介在物の数値解析法を確立し、円形弾性体介在物を有する半無限弾性体の接触問題を数値解析を行い、介在物の応力分布を高精度で求めることに成功した。(4)接触界面における表面粗さの影響を考慮に入れたEHL解析を行い、マイクロキャビテーションの発生のシミュレートを行うことに成功した。3.表面き裂を有する弾性体の接触問題の解析を行い、その開口挙動を調べることによってモードI型のき裂伝播を起こす可能性があることを見出した。
多段階DNAメチル化異常を来す肺がんの新規候補遺伝子解析

肺がんはがん関連死の主要な原因となっている。エピジェネティック機構がヒトの発がん過程に重要な寄与をなすことが知られており、研究代表者らのゲノム網羅的DNAメチル化解析から得られた候補遺伝子について検討した。候補遺伝子PTPRHのmRNA発現は、肺がん組織において非がん肺組織と比し高発現しており、肺腺がんコホートではDNAメチル化レベルと逆相関していた。細胞株の脱メチル化剤処理によってPTPRHの発現が回復し、PTPRH発現がDNA低メチル化によって制御されていると考えられた。さらに、そのDNAメチル化状態が肺腺がんの予後予測因子となることを明らかにした。研究代表者らはこれまで、肺多段階発がん過程におけるDNAメチル化異常の網羅的解析を行い、前がん段階からのDNAメチル化異常が腫瘍の悪性度および予後を規定していることを明らかにし、また、肺腺がん症例より得られた非がん肺組織のDNAメチル化プロファイルに基づいて発がん経路・臨床病理像とよく相関する症例の分類を行うことができている。これらの研究に基づいて、DNAメチル化異常を来たし肺がんに関与する候補遺伝子を抽出した。すでに着目していたADCY5、GFRA1に関して機能解析を行った。細胞株において過剰発現およびノックダウンを行い、増殖やアポトーシスといった形質に変化をきたすか検討したが、現在のところ明らかな形質変化を確認できていない。一方、がん組織におけるDNAメチル化異常が予後と相関する有力候補遺伝子について、臨床検体における発現がDNAメチル化レベルと逆相関していることを見出した。さらに、細胞株の脱メチル化剤処理によって、その遺伝子の発現がDNAメチル化にによって制御されていることを明らかにした。同遺伝子のDNAメチル化異常が発現異常をもたらし肺がんの形質を修飾している可能性が示唆されている。さらに候補遺伝子を見出すため、すでに調べているジェネティックな異常とDNAメチル化異常との相関を調べ、分子経路に特有の候補遺伝子の抽出を行っている。有力な候補遺伝子が得られれば、DNAメチル化異常と発現の関連や機能解析を予定する。研究代表者らはこれまで、肺多段階発がん過程におけるDNAメチル化異常の網羅的解析を行い、前がん段階からのDNAメチル化異常が腫瘍の悪性度および予後を規定していることを明らかにした。また、肺腺がん症例より得られた非がん肺組織のDNAメチル化プロファイルに基づいて発がん経路・臨床病理像とよく相関する症例の分類を行った。すでに着目していたADCY5、GFRA1に関して機能解析を行い、細胞株において過剰発現およびノックダウンにより形質に変化を来たすか検討したが、有意な形質変化を示すことはできなかった。一方、がん組織におけるDNAメチル化異常が予後と相関する候補遺伝子PTPRHについて、臨床検体における発現がDNAメチル化レベルと逆相関していることを見出した。細胞株の脱メチル化剤処理によってPTPRHの発現が回復することを示し、さらにMassARRAYによって臨床検体のDNAメチル化レベルを調べた。これらの結果より、肺腺がんでのPTPRH発現がDNA低メチル化によって制御され、そのDNAメチル化状態が肺腺がんの予後予測因子となるということが示された。PTPRHに関しても肺がん細胞株を用いてin vitroでの機能解析を行ったが、有用な結果は得られていない。再度、候補遺伝子の抽出に戻り、EGFR遺伝子変異等のドライバー遺伝子異常と相関するDNAメチル化異常の解析を行っている。すでに着目した候補遺伝子について機能解析を進めている。また、DNAメチル化レベルが予後と相関する遺伝子のDNAメチル化による発現制御の検討を行った。しかし、機能解析で有力な結果が得られるような有力候補遺伝子は同定できていない。さらなる候補遺伝子の絞り込みと解析が必要である。医歯薬学すでに絞り込んだ候補遺伝子について機能解析を進める。また、さらなる候補遺伝子の同定のため、すでに調べているジェネティックな異常とDNAメチル化異常との相関を調べ、分子経路に特有の候補遺伝子の抽出を進める。本助成金以前の研究費を使用した実験結果を用い、in silicoでの候補遺伝子の絞り込みを行っているため、別途費用を要さず、次年度使用額が生じた。候補遺伝子についてin vitroで機能解析を進める。また、さらなる有力候補遺伝子の絞り込みを行い、それらについてDNAメチル化異常と発現の関連や機能についての解析を予定する。具体的には、DNAメチル化レベルとmRNA発現レベルの測定、ノックダウンや過剰発現での形質変化の測定を計画する。
歯周炎における新しい病因、病態論-ウイルス感染の影響-

歯周炎は細菌感染によって引き起こされる慢性感染症である.一方で歯周炎組織より単純ヘルペスウィルス,サイトメガロウィルス,EBウィルスなどのウィルス核酸が検出されており,歯周炎の病態形成におけるウィルスの関与も示唆されている.細菌やウィルス由来の種を超えて保存された抗原はToll-like receptors(TLRs)で認識されるが,歯周炎組織におけるTLR familyの遺伝子発現に関する報告は少なく,特に核酸認識に関わる受容体については全く報告がない.よって本研究の目的は,歯肉炎群と歯周炎群でTLRsおよびウィルス感染により産生が誘導され,強力な抗ウィルス作用をもつinterferon-α(IFN-α)の発現を比較することにより,歯周炎の病態形成におけるウィルス関与を明らかにすることとした。新潟大学医歯学総合病院歯周病診療室を受診した歯周炎患者群(以下歯周炎群)59名と歯周炎に罹患していないコントロール被験者群(以下歯肉炎群)27名を被験者とした歯肉組織中のTLR familyの遺伝子発現定量解析を行った.同時にヘルペスウィルスに対する血清抗体価をELISA法にて測定した.さらに歯周炎群7名,歯肉炎群2名から歯肉組織を採取し連続凍結切片を作成,ウィルス感染おけるIFN-a産生の主体となる形質細胞様樹状細胞のマーカー分子BDCA-2に対する免疫組織学的解析を行った.【結果】1.TLR2,4,7,9の遺伝子発現は歯肉炎群と比較して歯周炎群において有意に高かった.(P<0.01)2.IFN-αの遺伝子発現は歯肉炎群と比較して歯周炎群において有意に高かった.(P<0.05)3.ヒトサイトメガロウィルスに対する抗体陽性率は,歯周炎群で高い傾向が見られた.4.歯周炎患者切片7例中4例においてBDCA-2陽性細胞がポケット上皮下の結合組織中に認められた。歯周炎は細菌感染によって引き起こされる慢性感染症である.一方で歯周炎組織より単純ヘルペスウイルスなどのウイルスゲノムも検出されており,歯周炎の病態形成におけるウイルスの関与も示唆されている.そこで本年度においては歯周炎におけるウイルス感染の影響を調べるために,Toll like receptors(TLRs)およびウイルス感染により産生が誘導され,強力な抗ウイルス作用をもつinterfbron-α(IFN-α)の発現について歯肉炎と歯周炎において比較検討を行った.新潟大学医歯学総合病院を受診し,インフォームドコンセントの得られた歯周炎患者群59名と歯肉炎患者群27名を被験者とした.病変部ポケット上皮を含む歯肉組織中のTLR2,4,5,7,9およびIFN-αの遺伝子発現をリアルタイムPCR法にて定量解析を行なうことにより以下のように結果が得られた.1.TLR2,4,7,9の遺伝子発現は歯肉炎群と比較して歯周炎群において有意に高かった.(P<0.01)2.TLR5の遺伝子発現は2群間で差は認められなかった.3.TLR2とTLR4,TLR2とTLR7,TLR4とTLR7の発現にそれぞれ正の相関が認められた.(P<0.0001)検索したTLRsの中でTLR5のみは2群間で差が認められなかったことから,歯周炎の病態における関与はその他のTLRsに比べて低いと考えられた.TLR2,4に加えてTLR7,9の発現も歯周炎群で上昇していることから,ウイルスが歯周炎の病態形成に関与する可能性が示唆された.IFN-αは歯周炎群で発現が高<,その産生細胞であるpDCの歯周組織における存在について今後検討が必要である.歯周炎は細菌感染によって引き起こされる慢性感染症である.一方で歯周炎組織より単純ヘルペスウィルス,サイトメガロウィルス,EBウィルスなどのウィルス核酸が検出されており,歯周炎の病態形成におけるウィルスの関与も示唆されている.細菌やウィルス由来の種を超えて保存された抗原はToll-like receptors(TLRs)で認識されるが,歯周炎組織におけるTLR familyの遺伝子発現に関する報告は少なく,特に核酸認識に関わる受容体については全く報告がない.よって本研究の目的は,歯肉炎群と歯周炎群でTLRsおよびウィルス感染により産生が誘導され,強力な抗ウィルス作用をもつinterferon-α(IFN-α)の発現を比較することにより,歯周炎の病態形成におけるウィルス関与を明らかにすることとした。新潟大学医歯学総合病院歯周病診療室を受診した歯周炎患者群(以下歯周炎群)59名と歯周炎に罹患していないコントロール被験者群(以下歯肉炎群)27名を被験者とした歯肉組織中のTLR familyの遺伝子発現定量解析を行った.同時にヘルペスウィルスに対する血清抗体価をELISA法にて測定した.さらに歯周炎群7名,歯肉炎群2名から歯肉組織を採取し連続凍結切片を作成,ウィルス感染おけるIFN-a産生の主体となる形質細胞様樹状細胞のマーカー分子BDCA-2に対する免疫組織学的解析を行った.【結果】1.TLR2,4,7,9の遺伝子発現は歯肉炎群と比較して歯周炎群において有意に高かった.(P<0.01)2.IFN-αの遺伝子発現は歯肉炎群と比較して歯周炎群において有意に高かった.(P<0.05)3.ヒトサイトメガロウィルスに対する抗体陽性率は,歯周炎群で高い傾向が見られた.4.歯周炎患者
建築内給水管路網における非定常圧力損失の定式化に関する研究

建物内の給水管路系統において管内流速や実行圧力に関して時系列的に詳細なデータは乏しく、配管系統設計時にあいまいさが残されている。従って、設計されたものが実際に施工され、使用に供されたときに必ずしも満足のいく状況になっていない場合がある。さらにその現状を改善しようとしても、流動現象の把握において、配管系統の各部分に特有な影響が無視できないにも関わらず、それを盛り込むように設計指針ができていないために容易でない。一方、配管流れの測定を行う際に通常使用される流量計の精度や応答特性は圧力などの他の計測器のそれに対して十分でなく、過渡現象を的確に把握するには不十分である。本研究では計測器の不十分な精度を補うために理論展開と数値計算を行っている。そこで、配管系統を設計する際に基礎となる2枝管を持つ給水管路系統において、現象を理論式を用いて計算し、実験値と計算値の適合性の検討を行った。実験のために分岐を持つ水平管路と同じく垂直管路の2種類の実験装置を組み立てた。これらを使用して実際の器具使用を想定した実験を行い、圧力変動と流量変動を計測した。境界条件と圧力変動の関係、および過渡状態における圧力変動、流量変動を明らかにした。また下流端境界条件の1つである洗浄弁について、実験と計算によりその開閉特性を明らかにした。さらに上流側の境界条件として圧力タンク、ヘッダーの圧力変動に与える影響を解析した。これらを考慮した配管部分における非定常状態での理論式を数値解析することにより、非定常圧力変動が近似しうることが明らかにされた。本研究の成果により、配管系統における境界条件を設計に合わせて組み合わせることにより、実用配管での動的設計方法に対する方向性が示されたものと考える。
2種の培養系を用いた内分泌かく乱物質の精巣への細胞毒性的影響に関する比較研究

フタル酸エステル類は、プラスティック可塑剤として一般に広く利用されており、実験動物において繁殖力の低下、精巣萎縮をきたすことが経口投与試験(in vivo)で報告されているが、培養系(in vitro)を用いた研究は殆どなされていない。そこで本研究では、フタル酸エステル類のうち、MEHP[Mono(2-ethylhexyl)phthalate]及びDBP[Di-n-butyl phthalate]の精巣に対する直接的な影響について検討するため、マウス及びニホンザルの精巣器官培養系への添加試験を試みた。マウス及びサルの精巣器官培養系にMEHPないしDBP添加後、アポトーシスを起こした精細胞の数的変化を、TUNEL染色により定量的に比較検討したところ、アポトーシス細胞は、時間、濃度依存的に増加を示した。次に、精細胞が精上皮より遊離する機構を検討するため、ビメンチン染色を行った。その結果、対照群では連続したビメンチンの分布が認められたのに対し、実験群では不連続な分布を示したことから、精細胞の精上皮からの離脱に、ビメンチンの消長が大きく関与することが示唆された。DBP添加の結果、マウス、サル精巣とも、ネクローシス/アポトーシスを起こしたセルトリ細胞及び精細胞が確認された。ネクローシスを起こしたセルトリ細胞及びアポトーシスを起こした精細胞ともDBP(100nmol/ml)添加後、3時間で認められた。前者では、細胞質内に多くの空胞が確認された。結論として、1)MEHP及びDBPは、マウス及びサル精巣に毒性を示した。2)MEHPはDBPより、強い精巣毒性を示した。3)精巣組織培養系は、化学物質の精巣毒性のスクリーニングに有効であった。本年度は以下の実験を行った。(1)若齢マウス及び成体ニホンザルの精巣より確立した各精巣器官培養系に、プラスチック製品の可塑剤として汎用されるフタル酸エステル類の一種、Mono(2-ethylhexyl) phthalate (MEHP)を、濃度勾配をかけて添加し、経時的に試料を採材後、MEHPの精巣組織に対する直接的な影響を光顕及び電顕で検討した。その結果、いずれの動物種においてもアポトーシスを示す精細胞(TUNEL陽性細胞)が確認された。これらの細胞では、電顕観察において、核内クロマチンの濃縮、細胞膜の破壊を伴わない細胞質の縮小、正常な細胞小器官等のアポトーシスの特徴を示す微細形態像が認められた。一方、膨張ないし崩壊したミトコンドリア、細胞質膜の溶解等を示すネクローシス像も少数ながら合わせて確認された。(2)若齢マメジカ精巣におけるセルトリ細胞及びライディッヒ細胞の微細構造を、電顕により観察した。その結果、反芻類のセルトリ細胞核に特有の構造であるMultivesicular nuclearbodyは、未発達で数少ないながら、核膜近くに位置しているのが確認された。また、2つのタイプのフィラメント束(径約5nmと径約10nmのフィラメント束)が、こちらも未発達ながらライディッヒ細胞の核内及び細胞質内に明らかに認められた。(3)若齢ラットの精巣より確立した精巣器官培養系に、Bisphenol Aを濃度勾配をかけて添加し、経時的に試料を採材、光顕及び電顕で観察した。その結果、投与後6時間でセルトリ細胞内に空胞の出現が見出された。また、TUNEL陽性を示す精細胞(アポトーシス細胞)も明らかに認められ、これらは濃度依存的、時間依存的な増加を示した。
痛覚回路可塑性のin vivoパッチクランプ解析

炎症モデル脊髄後角表層、膠様質で観察した、脳由来神経栄養因子(BDNF)による興奮性シナプス伝達の増強作用に、如何なる受容体や細胞内経路が関与するか解析した。炎症初期のモデルから脊髄スライス標本を作製しBDNFを投与すると自発性EPSCの発生頻度が著明に増大した。この作用はチロシンキナーゼinhibitorのK252aによって抑制された。また、TTX存在下ではBDNFによる発生頻度の増大が同様に観察されたが、lidocaine存在下では抑制された。また、PLCのinhibitor存在下でも発生頻度の増大が見られた。これらの結果から、BDNFはPLCを介さずに、神経終末部に発現するTrkB受容体を介してTTX非感受性Naチャネルを活性化し、グルタミン酸の放出を促進する事が示唆された。次に、BDNFの抗体を用いて炎症初期に観察された興奮性シナプス伝達増強作用を抑制し、脊髄痛覚回路の可塑性発現を阻止できるか否か解析した。炎症後1週間を経過したモデルでは、正常膠様質に入力するAδ線維とC線維に加えてAβ線維由来の単シナプス性EPSCが約30%以上の細胞で観察された。炎症モデルに抗BDNF抗体を投与した動物で解析を行うと、Aβ線維由来の単シナプス性EPSCの入力は減少し、正常と同様のシナプス入力に戻った。行動実験においても抗BDNF抗体を投与した動物では、機械的痛みに対する閾値が有意に増大し、アロディニアの程度が減弱した。以上より、BDNFは脊髄痛覚回路の可塑性発現に関与し、抗BDNF抗体は炎症に伴う痛覚回路へのAβ線維の入力を阻止することが明らかになった。行動実験、脊髄スライスおよびin vivoパッチクランプ法を組み合わせ、慢性炎症に伴い脊髄痛覚回路に如何なる可塑的変化が惹起されるか解析した。炎症モデル患側への機械的刺激に対する逃避行動の閾値は正常に比べ有意に低下し、それは炎症直後から一週間以上持続した。炎症初期の脊髄後角表層細胞からin vivoパッチクランプ記録を行い、興奮性シナプス後電流(EPSC)を記録すると、正常に比して振幅の大きな自発性EPSCが多くの細胞で観察された。皮膚へ触刺激を加えると正常で観察される触応答の順応がみられず、刺激の間持続してEPSCの振幅と発生頻度が増大した。機械的痛み刺激によって誘起されるEPSCの発生頻度も有意に高かった。この時期に脊髄スライス標本を作製し脳由来神経栄養因子(BDNF)を灌流投与すると、EPSCの発生頻度が著明に増大した。しかし、炎症後7日を経過したものや正常では、BDNFによる発生頻度の増大は観察されなかった。また、NGFなど他の栄養因子を与えてもEPSCの発生頻度に変化は見られなかった。脊髄後角表層へは正常では痛みを伝えるAδ線維とC線維の単シナプス性入力が観察されたが、炎症後一週間を経過すると、約30%以上の細胞で非侵害性情報を伝えるAβ線維からの単シナプス性EPSCが記録された。これは慢性炎症に伴って痛覚回路シナプス入力に可塑的変化が惹起されることを示唆する。以上より、炎症初期には末梢の感作が起こり脊髄後角表層へ自発性あるいは皮膚刺激による応答増大など、脊髄への興奮性入力が著明に増大すること、また、BDNFは同時期にEPSCの発生頻度を増大させることが明らかになった。BDNFは活動依存的にC線維から放出されることが示唆されていることから、炎症初期の興奮性入力の増大に伴うBDNFの作用が、炎症後期に完成する痛覚回路の可塑的変化発現に重要な役割を果たす可能性が示された。
Ｘ線中性子ＰＤＦ解析法による電子ガラスの観測とその出現機構の解明

遷移金属サイトが半整数の価数を持ちながら非金属的な伝導を示すLiMn2O4およびYBaCo2O5についてパルス中性子を用いた粉末回折実験を行い、得られたデータを原子対相関関数に変換して局所構造解析を行った。LiMn2O4の平均構造では+3.5の価数をもつMnサイトしか存在しないのに対し、その局所構造には+3価と+4価をもつMnサイトが存在するものの、それが周期的に配列していないことがわかった。これはMnの3d電子がいわばガラス的に周期性を持たずに局在していることを示している。同様な結果がYBaCo2O5でも得られ、上に述べた性質をもつ物質では電子がガラス的に凍結していることを示唆している。伝導電子のガラス的凍結が期待されるLiMn2O4の中性子回折実験を行い、得られたデータを原子対相関関数に変換し局所構造解析を行った。スピネル構造を持つLiMn2O4は約260Kで立方晶から斜方晶への構造相転移を示す。高温立方晶ではすべてのMnサイトは結晶学的に等価でその価数は+3.5であるが、低温斜方晶では電荷秩序が生じ、複数の非等価な+3価と+4価のサイトに分離する。しかし高温立方晶においては電荷秩序が存在しないのにもかかわらず、その電気伝導は非金属的である。我々は前年度に7LiMn2O4の室温での中性子粉末回折データから導出された原子対相関関数を用いて局所構造を調べ、高温立方晶においても低温斜方晶と同様の局所構造歪みが存在することを明らかにした。今年度は高温立方晶での+3価と+4価のサイトの短距離周期配列を決定し、この系で電子がガラス的に凍結していることが非金属的な電気伝導の原因であることを明らかにし、その研究成果を論文にまとめ発表した。さらに電荷のガラス的凍結状態による局所構造歪みの温度依存性を調べる目的で、J-PARCに設置されている高強度汎用全散乱装置NOVAおよび茨城県材料構造解析装置iMATERIAを用いて7LiMn2O4の粉末回折実験を行い、そのデータを原子対相関関数に変換して局所構造解析を行った。その結果、低温斜方晶を含む200Kから450Kの広い温度範囲において局所構造歪みはほとんど温度変化を示さないことがわかった。このことは広い温度範囲で電荷の空間分布がほとんど温度依存性を持たないことを示している。伝導電子のガラス的凍結が期待されるLiMn2O4に対して、中性子PDF解析法を用いて電子のガラス的凍結に伴う局所構造歪みを観測し、さらに電子の短距離配列を決定することができた。LiMn2O4は約260Kで立方晶から斜方晶への構造相転移を示す。高温立方晶ではすべてのMnサイトは結晶学的に等価でその価数は+3.5であるが、低温斜方晶では複数の非等価な+3価と+4価のサイトが存在する。このことからこの構造相転移はMn価電子の電荷秩序(電子の結晶化)に伴うものとみることができるが、電気伝導は構造相転移の上下でともに絶縁体的である。このことから高温立方晶では伝導電子がガラス的に凍結しており、そのために絶縁体的な電気伝導が生じていると予想できる。そこで我々は中性子吸収断面積が小さい7Liにエンリッチした7LiMn2O4粉末試料を合成し、それを用いてJ-PARCに設置されているKEK全散乱装置NOVAにおいて粉末回折実験を行い、そのデータを原子対相関関数(PDF)に変換して局所構造解析を行った。その結果300Kで得られたPDFは高温立方晶の構造ではあまり良く再現できず、低温斜方晶構造で良く再現できることがわかった。これは高温立方晶相が低温斜方晶に類似する局所構造歪みを持っていることを示している。さらに局所構造パラメータを詳細に調べた結果、低温斜方晶と同様に複数の非等価なMn3+、Mn4+サイトが存在し、低温斜方晶と同様の電子配列が短距離周期で存在していることが明らかになった。同様に電子のガラス的凍結が期待されるSr3Fe2O7-dについても局所構造解析を行ったが、この系は局所構造歪みが予想以上に小さいことがわかった。歪んだ局所構造を明らかにするために、より詳細な解析を進めている最中である。伝導電子のガラス的凍結状態が期待されるYBaCo2O5に対して中性子PDF解析法を用いて電子のガラス的凍結に伴う局所構造歪みを観測し、電子の短距離配列を決定した。

YBaCo2O5では約330K以上での高温正方晶相、220K330Kでの反強磁性秩序を持つ中間斜方晶相、220K以下での反強磁性秩序および電荷秩序をもつ低温斜方晶相が存在する。このうち高温正方晶相と中間斜方晶相ではすべてのCoサイトが結晶学的に等価で+2.5の価数をもつので金属的な伝導が期待されるが、実際には非金属的な伝導を示す。このことから高温正方晶相および中間斜方晶相では伝導電子がいわばガラス的に凍結した、短距離秩序状態をとっていることが期待される。そこで我々は高温正方晶相において粉末中性子回折実験を行い、得られたデータを原子対相関関数(PDF)に変換し、局所構造解析を行った。その結果、高温正方晶相でも低温斜方晶相と類似した局所構造歪みが存在することがわかった。このことからYBaCo2O5の高温正方晶相では低温斜方晶と同様に非等価なCo2+、Co3+サイトが存在し、低温斜方晶と同様の電子配列が短距離周期で存在することが明らかになった。研究期間全体を通じて、LiMn2O4およびYBaCo2O5において電子の短距離秩序に伴う局所構造歪みを観測し、さらに電子の短距離配列を決定することに成功した。これらの結果から遷移金属サイトが半整数の価数を持つにもかかわらず非金属的な電気伝導性を示す物質系においては、伝導電子が短距離秩序しか持つことができずに凍結している、いわば電子のガラス的状態が存在することを明らかにすることができた。しかしこのような電子のガラス的状態が生じるメカニズムを明らかにすることはできず、そのためにはさらに観測例を増やしてそれぞれに共通する性質を抽出する必要がある。固体物理LiMn2O4について電荷のガラス的凍結状態に伴う局所構造歪みを観測し、短距離的な電子配列を決定することができている。さらに局所構造歪みがほとんど温度依存性ををもたないこと、すなわち電荷のガラス的凍結状態では電荷の空間分布がほとんど温度変化しないことも明らかにした。ただし本研究の最終目的である「電荷のガラス的凍結状態の出現機構の解明」に対しては、さらにいくつかの物質系での研究例が必要と考えられる。LiMn2O4については伝導電子のガラス的凍結による局所構造歪みの観測と、凍結した電子の短距離配列の決定に成功しており、本研究課題の目的に沿った結果が得られている。ただし最終目的である「電子のガラス的凍結状態の出現機構の解明」まで達成するにはより多くの研究例が必要である。上記で述べたように、電荷のガラス的凍結状態の存在が期待される他の物質系での研究を進めていく。具体的にはMn, Coを含むペロブスカイト型酸化物がその対象となる。またこれらの系と同様に平均構造と局所構造の違いが物性を支配していると考えられるCrO2も研究対象に加える。PDF解析のための粉末回折実験は主にJ-PARCに設置されている高強度汎用全散乱装置NOVAを用いて行う。さらに茨城県材料構造解析装置iMATERIAを用いてのPDF解析手法も開発し、こちらの装置を用いたPDF解析も行っていく。上でも述べたように本研究課題の目的を達成するためには、伝導電子のガラス的凍結が期待される候補物質に対しての多くの研究例が必要となる。そこでYBaCo2O5、BaBiO3などの候補物質を合成し、LiMn2O4と同様にPDF解析法を用いた局所構造解析により、電子のガラス的凍結による局所構造歪みの観測および凍結電子の短距離配列の決定を進めていく。また電子のガラス的凍結状態におけるマクロな物性と局所構造歪みの関連にも興味が持たれるので、特に局所構造歪みの温度依存性にも注目して研究を行う。