hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
炭素-ヘテロ原子結合の触媒的付加反応による多置換複素環化合物合成法の開発

金や白金などのπルイス酸触媒によりインドール、ベンゾフラン、ベンゾチオフェンなどの多置換ヘテロ環を効率的に合成する手法を開発した。特に、炭素官能基のみならず、硫黄やケイ素などのヘテロ原子官能基が転位基として作用することを明らかにした。この研究過程において、O-プロパルギルオキシム化合物が銅触媒により極めて有用性の高い多置換ベータラクタム化合物へと骨格転位する新規反応を見出した。炭素-ヘテロ原子触媒的付加反応に活性を示すヘテロ原子(X)を探求した。その結果、炭素-硫黄結合の付加反応によりベンゾチオフェン骨格が構築できることを明らかにした(Angew.Chem.Int.Ed.2006,45,4473にて報告)。すなわち、触媒量の塩化金の存在下、硫黄原子上に転位基を持つオルトアルキニルフェニルスルフィドが25°Cで炭素-硫黄結合の付加を伴って環化し、対応する2,3-2置換ベンゾチオフェンが高収率で生成する。転位基としてα-アルコキシアルキル基、アリル基、p-メトキシフェニル基が適応可能である。これまでに触媒的にベンゾチオフェン骨格を合成した研究例はないことから、新しいベンゾチオフェン合成法として期待できる。多置換ベンゾフランはラロキシフェン(骨粗鬆症治療剤)に代表される生理活性物質やジベンゾチオフフェン2の構造を持つフォトクロミック素子として知られていることからこれらの有用化合物の合成への応用が期待できる。この研究過程においてアルコキシメチレンシクロプロパンとイミンとの銀触媒による[2+2]環化付加反応により多置換アゼチジン化合物が高収率で合成されることを明らかにした(Angew.Chem.Int.Ed.2006,45,5176-5179にて報告)。生理活性物質化合物の部分構造にみられるスピロシクロプロパン環含有βアミノ酸が本反応の生成物から容易に合成できることを報告した。ヘテロ原子上に種々のヘテロ原子系転位基を有する基質の触媒的環化反応がヘテロ原子-ヘテロ原子結合付加を伴って進行することを明らかにした。窒素上にスルホニル基を有するオルトアルキニルアニリンの環化反応が金触媒の存在下窒素-硫黄結合の付加(アミノスルホニル化)を経て進行し対応する3-スルホニルインドールを良好な収率で合成されることを明らかにした(Angew. Chem. Int. Ed. 2007, 46, 2284にて公表)。3-スルホニルインドールはL-737,126などの重要な生理活性物質の基本骨格であるが、従来スルホニル基をインドール骨格に直接導入することは困難であるとされていた。今回開発した手法はこれらの化合物の簡便合成法として期待できる。またこのアミノスルホニル化反応を6位にメトキシ基が導入された基質に対し、インジウム触媒を用いて反応を行うと前例のない[1.7]スルホニル転位を伴って進行し対応する6-スルホニルインドールが良好な選択性で生成することを明らかにした。また、オルト位にシリルチオ基を有するアルキニルベンゼンの反応が金触媒により進行し対応する3-シリルベンゾチオフェンが高収率で生成することを明らかにした(Org. Lett. 2007, 9, 4091にて公表)。交差実験の結果このチオシリル化反応は活性中間体からの分子間でのシリル基の転位により進行することを明らかにした。これはカルボチオ化反応と対照的な結果である。触媒的骨格転位反応は複雑な分子骨格を一工程で効率的に構築するプロセスとして興味深い。本研究者は、O-プロパルギルオキシムが銅触媒の作用により多置換ベータラクタムへの骨格転位することを見出した。詳細な反応解析の結果、本反応は触媒的環化異性化反応としては最多となる5本のシグマ結合の解列を経て進行することが明らかになった。2-アルキニルテトラロンが金触媒の存在下、1,2-アルキル転位と酸素移動を経てナフタレン化合物に異性化することを見出した。白金触媒による炭素一酸素結合付加反応(カルボアルコキシ化反応)において、オレフィン部位の立体化学がオレフィン配位子によって制御可能であることを見出した。カルボアミノ化による多置換インドール構築反応において、エステル基およびカルバモイル基が転位基として作用することを明らかにした。この研究の過程において、窒素上にアルコキシ基を有するオルトアルキニルウレア基質が4価ヨウ化白金の作用により、窒素-酸素結合の開裂と芳香族C-H挿入を経て多置換4環式ヘテロ環化合物が高収率で生成することを見出した。さらに、白金触媒により、炭素-セレン結合の付加を経由する多置換ベンゾセレノフェン構築反応を開発した。ベンゾトリアゾールがパラジウム触媒反応においてオルトヨードアニリンの等価体として作用し、アルキンとの脱窒素[3+2]型反応により、多置換インドールを収率よく生成することを見出した。
体表心電加算処理法による開心術の予後予測に関する研究

【filtered QRSの特性】(1)RMSTは術後心筋障害の指標となるうると考えられた。(1)術後CPKーMBの最大値と体外循環離脱時のRMSTは逆相関した。(2)成犬15頭を用いた心筋障害モデルでも逆相関した。(2)RMSTは左室の興奮心筋量を反映していると考えられた。大動脈弁膜症(左室負荷)群と僧帽弁狭窄(非負荷)群の比較では、左心重量が大きい前者のRMSTが有意な高値を示した(P<0.05)。(3)高齢者ほどRMS_<40>は低下する傾向を示し、術中での不整脈発生の原因の1つと考えられた。(4)カテコラミンに対するRMSTの反応に特異性がみられた(ラット)。α刺激剤投与ではRMSTは一過性に上昇し、α遮断剤、β遮断剤ではRMSTは低下した。【術後重症度とfiltered QRS】(1)術後RMS_<40>の低値と術後VTの発生に相関がみられた。即ち、術後RMS_<40>が低い症例ではVTの発生の確率が高いことが予測された。(2)術後のRMSTは心機能を反映した。術後ノルアドレナリンを使用の有無でRMSTを比較する(術前を100%)と、非使用例(N=19)では90±27%、10μg/kg以上使用例では57±32%であり、有意の差がみられた(P<0.001)。IABP使用例では49±13%とさらに低値を示し、臨床的な心不全の程度が強い程、RMSTは低値を示した。【補助循環法とRMST】IABP症例の15例のうち、離脱した9例では、RMSTは47±15%(導入時)から83±15%(離脱時)に上昇したが(P<0.005)、離脱不能の5例では34±15%(導入時)から24±12%(最終値)まで低下し、回復をみなかった。このことは、補助循環中にRMSTの上昇を示す症例は離脱が期待できることを示す一方、上昇を示さない症例では心補助法の再検討を要すると考えられた。【心停止中の微小電位】(1)開心術の心停止中の微小電位は、経時的に形状が変化し後方に延長する傾向を示した(延長電位)。局所の興奮が近傍に伝達することが延長電位の原因と考えられ、形状の変化は心筋保護の良否を示す可能性がある。1)開心術症例(n=68)でSignal Averaged ECGを測定し、得られる3つのパラメ-タ-(QRSD、RMST、RMS_<40>)と、病院死、IABPの使用、術後VTの有無、ノルアドレナリン使用量(>10μg/kg)、大動脈遮断時間(>2hrs)との相関を調べた。病院死とIABPについては、術前と拍動再開時とを検討し、VT、ノルアドレナリン使用量、大動脈遮断時間については、拍動再開時を調べた。病院死については、術前値では相関はみられず、拍動再開時のRMSTのみ、有意低値であった(P<0.05)。IABPでは、術前QRSDは有意に延長(P<0.05)しており、拍動再開時はQRSD、RMS_<40>にて相関がみられた(P<0.05)。術後VTについては、拍動再開時のQRSD、RMST、RMS_<40>ともP<0.005の強い相関を示した。ノルアドレナリン使用総量(>10μg/kg)も、拍動再開時のQRSD、RMST、RMS_<40>とP<0.005の強い相関を示した。大動脈遮断時間では、RMSTのみP<0.005の有意の相関を示した。次に、QRSD≧120ms、RMST≦60μV、RMS_<40>≦40μVを境界値としてsensitivityとspecificityを求めると、VT発生のsensitivityは57-67%、specificityは66-85%、ノルアドレナリン使用(10μg/kg)のsensitivityは79-92%、specificityは44-60%であった。以上より、Signal Averaged ECGのパラメ-タ-と術後の致死性不整脈および心機能低下との強い関係が示された。II)CABG症例(n=19)における術後予後と術前・術直後のRMST減少率との相関を調べた。RMST減少率はノルアドレナリン使用(<0.75μg/kg)、術後早期EF非改善例ともP<0.05で有意に相関し、RMST減少率が大きいもの程、心収縮能が低下していることを示した。RMST減少率が50%以上の症例(n=8)のうち、病院死2例、IABP3例、ノルアドレナリン大量使用(>0.75μg/kg)4例が含まれており、本法はCABG症例の術後管理上有用であると考えられた。

大動脈弁膜症(左室負荷)群と僧帽弁狭窄(非負荷)群の比較では、左心重量が大きい前者のRMSTが有意な高値を示した(P<0.05)。(3)高齢者ほどRMS_<40>は低下する傾向を示し、術中での不整脈発生の原因の1つと考えられた。(4)カテコラミンに対するRMSTの反応に特異性がみられた(ラット)。α刺激剤投与ではRMSTは一過性に上昇し、α遮断剤、β遮断剤ではRMSTは低下した。【術後重症度とfiltered QRS】(1)術後RMS_<40>の低値と術後VTの発生に相関がみられた。即ち、術後RMS_<40>が低い症例ではVTの発生の確率が高いことが予測された。(2)術後のRMSTは心機能を反映した。術後ノルアドレナリンを使用の有無でRMSTを比較する(術前を100%)と、非使用例(N=19)では90±27%、10μg/kg以上使用例では57±32%であり、有意の差がみられた(P<0.001)。IABP使用例では49±13%とさらに低値を示し、臨床的な心不全の程度が強い程、RMSTは低値を示した。【補助循環法とRMST】IABP症例の15例のうち、離脱した9例では、RMSTは47±15%(導入時)から83±15%(離脱時)に上昇したが(P<0.005)、離脱不能の5例では34±15%(導入時)から24±12%(最終値)まで低下し、回復をみなかった。このことは、補助循環中にRMSTの上昇を示す症例は離脱が期待できることを示す一方、上昇を示さない症例では心補助法の再検討を要すると考えられた。【心停止中の微小電位】(1)開心術の心停止中の微小電位は、経時的に形状が変化し後方に延長する傾向を示した(延長電位)。局所の興奮が近傍に伝達することが延長電位の原因と考えられ、形状の変化は心筋保護の良否を示す可能性がある。I)開心術症例(n=83)においてSignalーaveraged ECGで得られる指標であるRMST(root mean square total:filtered QRS全体の平均電位、単位:μV)を、術前、術後に経時的に測定し心筋障害や血行動態との関連を調べた。RMSTの術前値は平均104±62μV、拍動再開直後は73±53μV(P<0.001 vs.術前値)、翌日は92±55μVであった。拍動再開直後において心筋障害の定量的指標であるCPKーMBとの関係を調べると、150IU以上を示した7例の拍動再開時のRMST術前値比は平均43±26%であるのに対し、150未満の76例は平均77±40%であり、CPKーMBが高値を示すほど、RMSTは有意に低値を示した(P<0.05)。術直後にIABPを使用した17例のRMST術前値比は平均48±25%であり、使用しなかった66例の平均77±40%に比べて有意に低値を示した(P<0.005)。全83例中の最低の5例はそれぞれ、12、15、16、19、26%であったが、その内3例が死亡、4例が補助循環(BVAD,RVAD,IABP)を必要とし、5例の平均CPKーMB値は303IUであった。拍動再開直後にRMST低値を示す症例は心筋障害を背景に持ち、その結果として術後の不良な血行動態の予測が拍動再開直後に可能であった。II)拍動再開直後冠動脈攣縮により急速にショック状態に陥った1例では、STの上昇が高度になり、血圧が低下するにつれてRMSTは低下した。その後遷延する補助循環(BVAD)中に血行動態に先行してRMSTの上昇傾向をみとめ、補助循環を離脱することができた。補助循環症例にRMSTを経時的に測定し、比較することにより心筋障害の回復を定量的に示すことができ、補助循環の離脱に際し、心臓に負荷をかけない評価法として応用できる可能性が考えられた。【1】補助循環法の適応と離脱の指標としてSignalーaveraged ECGの有用性を開心術後
イネのwx座における遺伝子発現の調節

栽培イネ品種間には胚乳澱粉のアミロ-ス含量に関して大きな変異が存在する。アミロ-ス含量は食味に関連する主要因の1つとして注目され、特に交雑育種においてはアミロ-ス含量の選抜が食味の悪化を防止するために必要となる。アミロ-ス含量の遺伝については、過去に多くの試験が行われ、その結果に基づいて量的形質として取り扱われてきた。著者は、育種上重要なアミロ-ス含量が主としてwx座の遺伝子発現の差異により生じることを提唱し、特にwx座における複対立遺伝子の分化が重要な役割りを演じていることを報告してきた。この仮説を証明するために、異なるアミロ-ス含量をもつ多数のイネ系統からwx座を単一の遺伝的背影下に戻し交雑によって導入することを長年にわたって行ってきた。本研究は、育成した合計17の準同質遺伝子系統を供試して、wx座の産物であるWx蛋白量とアミロ-ス含量を比較・検討した。その結果、イネ系統には遺伝子産物量の異なる少なくとも3種の異なった対立遺伝子が存在し、その産物量の差はアミロ-ス含量の差と対応していた。さらに、準同質遺伝子系統とそれらの原系流間にはアミロ-ス含量に大差はなかった。このことは、調査した系統では、アミロ-ス含量の差は主としてwx座の複対立遺伝子の分化によって説明できることを示している。wx座の遺伝的調節機構を解明する目的で、低アミロ-ス誘発変異体における遺伝子発現を調査した。その結果、低アミロ-ス変異体ではいずれもWx蛋白量も低下しており、それらの変異遺伝子はトランス位で作用する調節遺伝子であることが推察された。しかしながら、低アミロ-ス遺伝子はモチ遺伝子座の複対立遺伝子であるWx^bには効果があるが、Wx^aに対しては効果がないことが明らかとなり、トランス位に作用する因子と複対立遺伝子間の相互作用は今後の新しい研究テ-マとして注目された。イネ系統間には胚乳澱粉のアミロース含量に関して大きな変異が存在しており,このアミロース含量は食味に関連する主要因の1つとして注目されてきた.著者は,アミロース含量を支配する主要因が,古くより知られてきた遺伝子であるモチ遺伝子の発現を調節する因子であるとの作業仮説を提示してきた.本年度では,この仮説を実証するため次のような研究を行った.1)モチ遺伝子の発現を調節する因子は,大別してシス位で作用する因子とトランス位で作用する因子に大別できる.シス位で作用する因子はモチ遺伝子座と強く連鎖すると考えられる.もし,シス位で作用する因子に遺伝的多様性が存在するならば,遺伝的によく判った標準系統にモチ遺伝子座近傍を含む染色体断片を戻し交雑によって導入することによって,これら要因がもつ調節作用の変化を厳密に比較することができる.この目的で,モチ遺伝子発現様式が異なるイネ系統から戻し交雑を継続した.タンパクレベルでみた遺伝子発現様式は,シス位で作用する遺伝因子の多様性を支持していた.2)人為的に誘発したイネのアミロース含量変異体について,モチ遺伝子発現とアミロースの関連を調査した.アミロース含量の低下は,モチ遺伝子産物の低下をともない,アミロース含量の変異は主としてモチ遺伝子発現の調節変異とみなされるという作業仮説を強く支持した.遺伝分析の結果,アミロース含量の低下には,シス位に作用する因子の他にトランス位に作用する因子も見出された.

これら要因の解析のため新たな検定交雑を行なって調査を進めている.近年、遺伝子像の動的側面が明らかになるにつれて、遺伝子の発現が多様な調節因子によって厳格に制御されていることが判ってきた。作物における遺伝的調節変異の意義を明らかにする目的で、モチ遺伝子の発現調節に係わる変異をとり上げ、その育種的意義を検討した。栽培イネ品種間には、胚乳澱粉のアミロース含量に関して、大きな変異が存在し、このアミロース含量はまた食味に関連する主要因の1つとして注目されてきた。最近になって、アミロース含量が従来からよく知られてきたモチ遺伝子の発現量と高い相関関係をもつことが判明し、その発現調節変異とアミロース含量との関連が注目されている。発現調節因子としてはモチ遺伝子近傍のシス位で作用する要因と、モチ遺伝子とは独立でトランス位で作用する要因の2つに大別され、両者はイネのアミロース変異を説明できる因子と考えられた。イネ系統間変異の中で、両者の重要度については不明の点が多かった。この点を厳密に検討する目的で、種々の系統から戻し交雑によってモチ遺伝子座近傍を含む染色体断片を単一の検定系統に導入して、遺伝子発現量を蛋白レベルで比較調査した。その結果、第1にシス位で作用する調節因子には少なくとも3種の異なった因子が存在すること、第2に異った因子は異なる遺伝子発現量を制御すること、第3にシス位で作用する因子は原系統にみられるモチ遺伝子発現量を反映することから、系統間変異の中でトランス位で働く因子の寄与は少ないことなどが判った。したがって、イネ系統間でみられるアミロース含量の変異を理解する上で、モチ遺伝子座近傍の因子を分子遺伝学的に解析することが重要であろうと考えられた。栽培イネ品種間には胚乳澱粉のアミロ-ス含量に関して大きな変異が存在する。アミロ-ス含量は食味に関連する主要因の1つとして注目され、特に交雑育種においてはアミロ-ス含量の選抜が食味の悪化を防止するために必要となる。アミロ-ス含量の遺伝については、過去に多くの試験が行われ、その結果に基づいて量的形質として取り扱われてきた。著者は、育種上重要なアミロ-ス含量が主としてwx座の遺伝子発現の差異により生じることを提唱し、特にwx座における複対立遺伝子の分化が重要な役割りを演じていることを報告してきた。この仮説を証明するために、異なるアミロ-ス含量をもつ多数のイネ系統からwx座を単一の遺伝的背景下に戻し交雑によって導入することを長年にわたって行ってきた。本年度は、育成した合計17の準同質遺伝子系統を供試して、wx座の産物であるwx蛋白質量とアミロ-ス含量を比較・検討した。その結果、イネ系統には遺伝子産物量の異なる少なくとも3種の異なった対立遺伝子が存在し、その産物量の差はアミロ-ス含量の差と対応していた。さらに、準同質遺伝子系統とそれらの原系流間にはアミロ-ス含量に大差はなかった。このことは、調査した系統では、アミロ-ス含量の差は主としてwx座の複対立遺伝子の分化によって説明できることを示している。wx座の遺伝的調節機構を解明する目的で、低アミロ-ス誘発変異体における遺伝子発現を調査した。その結果、低アミロ-ス変異体ではいずれもwx蛋白量も低下しており、それらの変異遺伝子はトランス位で作用する調節遺伝子であることが推察された。しかしながら、低アミロ-ス遺伝子はモチ遺伝子座の複対立
非破壊的手法を利用した球状黒鉛鋳鉄の疲労限度予測法の確立

一般に鉄鋼材料の疲労限度は,引張強さの1/2又はビッカース硬さHVの1.6倍といわれているが,球状黒鉛鋳鉄の様に材料中に大きな欠陥が存在する場合,引張強さのみでは評価できない場合がある.欠陥を矩形近似し,その面積平方根を√areaとし,基地組織のビッカース硬さを考慮することで疲労限度を推定する4パラメータ法を提案されており,精度の良い推定が可能であることが知られている.一方,鋳造品に内在する欠陥の検出にはX線CTが用いられており,検出された欠陥を統計的に解析することにより,同様の手法で疲労限度を非破壊的に予測できる可能性がある.この手法が確立されれば,本手法は疲労試験を行うことなく球状黒鉛鋳鉄を構造材料として用いるための実用的な疲労強度評価方法となり得る.試験片は,FCD350相当の球状黒鉛鋳鉄の大型鋳物から軸荷重疲労試験を切り出し,全ての試験片について高分解能X線CTを用いて材料に内在する黒鉛や欠陥を検出した.黒鉛や欠陥の寸法と,前述した疲労限度推定式を用いて疲労限度の推定を行った.軸荷重疲労試験はJISに準拠して行った.すべての疲労破面における破壊起点を電子顕微鏡で観察し,X線CTにより観察された欠陥と疲労試験の破壊起点を比較し検討した.X線CTにより検出された体積が最大の欠陥の欠陥寸法による推定の疲労限度は,実験により求められた疲労限度125MPaに対して誤差5%の安全側であった.しかし,疲労試験において,破壊起点は必ずしも体積が最大の欠陥ではなかった.そこで,各試験片の体積が上位10番目までの欠陥全ての累積分布関数F=50%のときの平均欠陥寸法により疲労限度の推定を行ったところ,実験により求められた疲労限度に対して誤差11%の危険側の推定となった.これらの結果から,非破壊検査による疲労強度の推定は可能と思われる.本研究では,高分解能X線CT装置により観察された球状黒鉛鋳鉄の最大欠陥から疲労限度予測し,疲労試験による実測値と比較を行うことで,非破壊的手法を用いた疲労限度予測の可能性について検討した.供試材は引張強さが361MPaの球状黒鉛鋳鉄であり,平均黒鉛粒径は67μm,黒鉛球状化率は66%である.疲労試験片の形状と寸法は,JISの1号疲労試験片に準拠した.なお,試験片平行部は,#2000番のエメリーペーパーで研磨後,粒径1μmのアルミナ砥粒で研磨し,鏡面仕上げとした.欠陥の観察には,東芝ITコントロールシステム社製,TOSCANERを用いた.欠陥分析箇所は,試験片平行部およびR部とした.解析した試験片数は,データの容量および解析時間の関係から2本の試験片(それぞれ,FCD-1,FCD-2と称する)について行った.いずれの試験片も球状化した黒鉛および引け巣が観察された.このX線CT画像から解析した欠陥を矩形近似し,その矩形面積の平方根√areaの求めたところ,それぞれ,918μm,900μmであった.軸荷重疲労試験は,島津製作所製電気油圧式サーボパルサー疲労試験機を用い,荷重繰返し数17Hz,応力比R=-1,室温大気中で行った.各試験片の破断面の破壊起点部の電子顕微鏡写真とX線CT画像を比較すると,FCD-1はX線CT画像では引け巣と判断されたが,実際の破壊起点は集合黒鉛であった.一方,FCD-2試験片では,X線CT画像と電子顕微鏡の画像の破壊起点は,明らかに同一の欠陥であり,引け巣であった.疲労試験により疲労限度を求めた結果, FCD-2では,X線CT画像の結果と破面からの推定結果がほぼ等しくなった.しかし,実際の疲労限度と約57%の差があり,まだ十分な推定とは言えない.これは,X線CT装置の解像度や解析手法によるものと思われる.本学では,X線CT装置を所有しておらず,他機関の装置を借用する必要がある.しかし,企業や公設試験機関ではX線CT装置を所有しており,比較的安価で借用することが可能であるが,専門のオペレータではない場合があり,試験的に解析したところ,装置の性能を十分に発揮出来ず,本研究の目的をクリアできないことが明らかとなった.いくつかの装置メーカーに問い合わせたところ,近年X線CT装置の解像度や透過率は年ごとに向上し,鋳造部材関連の利用だけでなく,多くの工学分野において利用があり,借用するに際して,装置の借用時間の確保が難しい.また,借用料金も前述の公設機関よりも高額である.本研究の遂行においては,まずX線CT装置により疲労試験片の欠陥解析を行い,そのデータを元に疲労試験を行う必要がある.前述した様に平成28年度は本研究の目的にかなう装置の選定に時間がかかり,有効なデータはほとんど得られていない状況である.一方,研究代表者は平成28年度より学内運営において重責を負うことになり,当初申請の際に記したエフォートを下回り,十分な研究検討時間を確保できないことにある.本研究では,高さ500mm,幅500mm,長さ500mmの鋳塊を作製し,そこからJISに準拠した軸荷重疲労試験片を15本採取した.疲労試験前に試験片の平行部を高分解能のX線CTで観察した.X線CTには,東芝IT&コントロールシステム(株)製TOSCANER-33000

μFD-Zを用いて、15本の軸疲労試験片を観察した.観察範囲は試験片の平行部とした.試験片平行部を横断面に3000枚スキャンし,1断面のスライス厚さは約0.024mmである.この断面画像より画像処理を行い,観察部分に存在する欠陥寸法を降べきの順に並び替えた.軸荷重疲労試験は,電気油圧疲労試験機を用いて荷重繰返し周波数は17Hz,応力比R=-1の正弦波負荷制御システムを用いて試験を行った。疲労試験の打ち切り回数は1×10の7乗サイクルとした.なお,疲労試験は室温で行った.その結果,疲労試験の破壊起点は引け巣であり,概ねX線CTで観察された比較的大きな欠陥となっていた.X線CTで観察された最大欠陥寸法より推定された疲労限度と疲労試験のS-N線図より求めた疲労限度は,約5%の誤差を有するものの高い推定精度で予測できることが明らかとなった.しかし,疲労試験の破壊起点は,必ずしもX線CTで観察された最大欠陥寸法とはならない場合もあった.そこで,各試験片を大きい順から10番目までの欠陥,すなわち150個の欠陥について極値確率紙にプロットし,累積分布関数F=50%の時の欠陥寸法を求め,その欠陥寸法から疲労限度を推定し,実験で求めた疲労限度と比較した.その結果,破壊起点の欠陥よりも小さい寸法の欠陥も含むことから,最大欠陥で求めた場合よりも推定精度は劣るが,それでも約10%の誤差程度であった.以上の結果,X線CTによる疲労限度の推定は,比較的大きな欠陥寸法を有する球状黒鉛鋳鉄に対して有効な手法であることが明らかとなった.本学では,X線CTを所有しておらず,他機関の装置を借用する必要があった.平成28年度末に当初の試験条件を満足に対応して頂ける装置メーカーとの交渉がまとまり,予定していた本数の疲労試験片のスキャンが可能となった.費用に関しても,本研究課題の科研費の範囲で利用出来ることとなり,平成29年5月よりX線CT装置の使用が可能となった.また,解析についても容量の大きな画像データの処理するために必要なパーソナルコンピュータを購入し,得られた画像データを順次解析し,概ね完了した.軸荷重疲労試験は本研究室で保有する電気油圧式疲労試験機を用い疲労試験を行った.疲労試験も平成29年度内に概ね完了し,破面観察も疲労試験が終了したものから行うことができた.一部,データ数の追加のため,平成30年度に疲労試験および破面観察を行うが,概ねデータがまとまっており,学協会に公表できる段階にある.研究代表者の学内運営は平成29年度は前年度より負担が軽減してはいないものの,学内運営業務を効率化することにより,その分を研究時間に当てることが可能となり,当初申請の際に記したエフォートで研究課題を遂行することができた.一般に鉄鋼材料の疲労限度は,引張強さの1/2又はビッカース硬さHVの1.6倍といわれているが,球状黒鉛鋳鉄の様に材料中に大きな欠陥が存在する場合,引張強さのみでは評価できない場合がある.欠陥を矩形近似し,その面積平方根を√areaとし,基地組織のビッカース硬さを考慮することで疲労限度を推定する4パラメータ法を提案されており,精度の良い推定が可能であることが知られている.一方,鋳造品に内在する欠陥の検出にはX線CTが用いられており,検出された欠陥を統計的に解析することにより,同様の手法で疲労限度を非破壊的に予測できる可能性がある.
スパインひとつの可塑性を光で制御する

ラパマイシンをリンカーとして用いて任意のペプチドを細胞内局所に移行させる技術を神経細胞、特に後シナプスに応用するため、後シナプス局在足場タンパク質PSD-95を様々なデザインで改変したコンストラクトのライブラリを作成した。また、Rho GTPase機能性ペプチドライブラリも作成し、シナプス特異的にRho GTPaseの活性化を誘導する実験系の構築にむけた準備が整った。さらに、ラパマイシンによるタンパク質ダイナミクスの変化を検出するために、神経細胞に応用可能なタンパク質拡散ダイナミクスの定量化技術(FRAPおよびFCS)を確立した。ラパマイシンによるFRBとFKBPの2種類のペプチド間の相互作用誘導技術を、神経細胞のシナプス可塑性を制御する技術に応用するための基礎実験を行った。後シナプス特異的な足場タンパク質PSD95と、FRBまたはFKBP、局在を確認するための蛍光タンパク質をさまざまな順序で融合させたプラスミドを作成し、培養マウスまたはラット神経細胞に遺伝子導入して局在を確認した。さらに、Rho GTPasefamilyタンパク質のconstitutively active変異体やGEFタンパク質とFRB、FKBP、蛍光タンパク質を融合させたプラスミドも作成し、神経細胞内で細胞質に存在することを確認した。現在までに通算で100種類程度のコンストラクトを作成し、この中から様々な組み合わせで神経細胞に共発現させて、ラパマイシン添加によってRho GTPaseの機能性ペプチドをシナプス移行させる組み合わせのスクリーニングに進む段階にまでもってきた。既に株化細胞NIH3T3を用いた予備実験によって、機能性ペプチドの移行によりRho GTPaseの活性が制御できるという確証を得ている。また、ラパマイシンによるペプチド間相互作用の誘導でグルタミン酸受容体の拡散を制御する実験系の構築に先立って、細胞内もしくは細胞膜上のタンパク質の拡散係数を定量的に測定することのできる実験系を確立した。そのために蛍光退色法(FRAP)および蛍光相関法(FCS)という2つの実験手法を用いた。まずFRAPでは、神経細胞樹状突起やスパインと同程度のサイズをもつ細胞内小器官、一次繊毛内の可溶性タンパク質の拡散を定量化することに成功し、共同研究として報告した(Nature Chemical Biology, in press)。FCSは、共焦点顕微鏡および二光子励起顕微鏡を用いた実験系を作成、現在細胞内で動作確認を行っている。神経細胞後シナプスのスパイン特異的なタンパク質の発現を可能にするため、後シナプスのマーカータンパク質でもある足場タンパク質PSD-95をベースとしたDNAコンストラクトの作成を終了した。具体的には、PSD-95に、ラパマイシン結合ペプチドであるFRBと、ペプチド局在の可視化のための蛍光タンパク質を融合させたコンストラクトのデザインを考えた。局在およびラパマイシンによる標的タンパク質のスパイン移行の効率を可能な限り改善するため、これらのペプチドの順番を入れ替えたもの、FRBをタンデムにふたつ繋げたもの、また蛍光タンパク質のスペクトルを変えたものなど、計15種類以上のコンストラクトをすでに作成済みである。実際に使用する実験系として、マウス海馬の初代培養を選択し、実験条件を検討して手法を確立した。遺伝子導入の手法として、数種類の遺伝子導入試薬とエレクトロポレーションを検討したが、さらに効率的な手法を求めて現在も検討中である。蛍光タグ付きのPSDー95を用いて、PSD-95の後シナプス特異的な発現を確認した。現在上述したPSD-95の改変コンストラクトをひとつひとつ発現させ、その局在を確認している段階である。共同研究者から、細胞質からスパインに移行させるRho GTPaseファミリー関連ペプチドのコンストラクトを入手した。また、これらのペプチドのラパマイシン添加によるダイナミクスの変化を定量的に測定するために、FCSとFRAPを用いてこれらのペプチドの拡散係数を定量化する系を構築中である。PSD-95を基にしたコンストラクトの作成は終了しており、移行するペプチドであるRho GTPaseのコンストラクトも共同研究先から入手済みである。現在は作成したペプチドの局在と、ラパマイシン添加による局在の変化を検出、解析する段階にある。ラパマイシンによるペプチド移行の実験系のスペシャリストである共同研究先との提携により、この実験系の具体的なノウハウを入手できたことも今後の研究の上で大きなアドバンテージとなると考えられる。ケージドラパマイシンの開発はやや遅れているが、以上の状況を考えるとおおむね順調に進展していると言える。作成したPSD-95のコンストラクト、およびRho-GTPaseの関連ペプチドのコンストラクトを用いて、神経細胞の後シナプス特異的なRho GTPaseの活性化を実現する。蛍光イメージングによって、標的ペプチドのスパインへの移行、およびスパインの形態変化を検証する。また、パッチクランプ法によって興奮性後シナプス電流を測定し、Rho GTPaseの活性が神経シナプス結合に与える影響を定量的に解析する。ラパマイシンの16位の位置に光感受性の基を導入することにより、新規ケージドラパマイシンを開発する。

単一シナプス近傍においてケージドラパマイシンをアンケージして、光によって単一シナプスを制御する系を実現する。現在使用可能な環境にある共焦点顕微鏡、または二光子励起顕微鏡に、紫外または赤外レーザーを局所的に照射する実験系を構築する。必要な部品の作成、購入に使用する。また、細胞培養や遺伝子導入、蛍光イメージングに必要な消耗品の購入には、引き続き相当分を充てる。次年度には研究成果の発表の為にも一部を充てる予定である。
リボソームRNA遺伝子の核膜結合とその機能

出芽酵母においてリボソームRNA遺伝子(rDNA)は巨大な反復配列を形成している。rDNAでは、複製阻害点RFBに結合するタンパク質Fob1に依存して複製フォークの停止とDNA二本鎖切断(DSB)が引き起こされる。我々はクロマチン免疫沈降法により、rDNAが核膜孔複合体と結合することを明らかにした。この結合はFob1とDNA損傷チェックポイントタンパク質に依存していたことから、複製阻害とそれに引き続くDSBに起因する現象であると考えられる。核膜孔への結合に欠損を持つ変異株においてrDNAが不安定になっていたことから、核膜孔結合がrDNAの安定性に重要な役割を果たすことが示唆された。近年、修復が困難なDSBが核膜辺縁に移動して核膜孔と結合し、この結合がDNA修復に寄与していることが明らかとなった。リボソームRNA遺伝子(ribosomal DNA: rDNA)は真核生物ゲノムにおける最大の反復配列であり、最も不安定な領域のひとつである。rDNAでは、複製阻害点結合RFBに結合するタンパク質Fob1に依存して、複製フォークの停止とDNA二本鎖切断が引き起こされる。本研究では、定量的顕微鏡法およびクロマチン免疫沈降法によりrDNAと核膜との結合について解析した。rDNAにおけるDNA二本鎖切断の発生する割合が当初の予想よりも低かったことから、最大でも数百細胞から数千細胞までしか解析できない定量的顕微鏡法では核膜との結合の検出が困難であることが分かった。そこで、顕微鏡解析が困難な場合のバックアップとして計画していたChIP法に解析手段を切り替えた。rDNA反復配列を2コピーまで減らして単純化したモデル酵母株を用いることにより、rDNAが核膜孔に結合することを明らかにし、さらにその結合が複製阻害点結合タンパク質Fob1に依存していることを示した。rDNAの核膜結合が果たす役割について調べるため、パルスフィールドゲル電気泳動法(PFGE)を行った。核膜孔複合体構成因子nup120の破壊株においてrDNAが不安定になることが示されたことから、rDNAにおけるFob1依存的な複製停止とDNA二本鎖切断、それに引き続く核膜孔との結合がrDNAの安定性に寄与することが考えられる。本年度はrDNA反復配列を2コピーまで減らして単純化したモデル系を用い、定量的顕微鏡法およびクロマチン免疫沈降法によりrDNAと核膜が結合するかについての解析を計画していた。当初の計画通り、本来150コピーの『線』として存在するrDNAを2コピーの『点』として定量的顕微鏡解析できる酵母株を作製することができた。この株では2コピーrDNA内にあるRFB一箇所のみがFob1の結合部位となり、Fob1の発現を誘導すると、その部位のみで切断と増幅が開始される。蛍光顕微鏡解析の結果、rDNAにおけるDNA二本鎖切断の発生する割合が予想よりも低かったため、定量的顕微鏡法では核膜とrDNAの結合を検出することが困難であることが明らかになった。しかしバックアップとして計画していたクロマチン免疫沈降法により、rDNAと核膜孔との結合を示すことができた。このように途中予期しない結果も得たが、バックアップの実験を通して当初の計画を遂行することができた。また来年度に計画していた実験も一部今年度中に完了し、nup120破壊株においてrDNAが不安定になるという結果を得た。rDNAでは、複製阻害点結合RFBに結合するタンパク質Fob1に依存して複製フォークの停止とDNA二本鎖切断が引き起こされる。近年、人為的に誘導した修復が困難なDNA二本鎖切断が、核膜辺縁に移動して核膜孔および核内膜タンパク質Mps3と結合すること、そしてその結合がDNA修復に寄与していることが示された。rDNAもまた、損傷を受けた際に核膜に結合している可能性がある。本研究では核膜とrDNAとの結合について、クロマチン免疫沈降法(ChIP法)により解析し、rDNAが核膜孔と結合することを明らかにした。この結合は複製阻害点結合タンパク質Fob1とDNA損傷チェックポイントタンパク質であるTel1に依存していたことから、複製阻害とそれに引き続くDNA二本鎖切断がrDNAと核膜孔の結合の要因となっていると考えられる。rDNAの核膜結合が果たす役割について調べるため、パルスフィールドゲル電気泳動法を行った。rDNAと核膜孔の結合に欠損を持つ変異株においてrDNAが不安定になっていたことから、核膜孔結合がrDNAの安定性に重要な役割を果たすことが示唆された。これまでの核膜の結合に関する研究では、人為的に導入した修復困難なDNA二本鎖切断を用いて解析が行われてきたが、今回の解析により生理的な条件においてもDNA損傷が核膜と結合してゲノムの安定性を維持していることが明らかになった。

これまでの研究によりrDNAが核膜と結合することが示された。今後は核膜結合がrDNAの安定化に果たす役割を、特に老化細胞、および母・娘細胞の別に注目して解析する。nup120破壊株において細胞分裂寿命を測定し、rDNAが核膜孔に結合できないとき寿命におよぼす影響について解析する。またrDNA不安定性により形成されるextra chromosomal rDNAcircle (ERC)の量を見る方法、そしてrDNA反復配列に導入したADE2遺伝子の損失を見る方法を用いて、核膜結合がrDNAの安定性に果たす役割について解析する。今年度取得したrDNAを150コピーの『線』として観察できる酵母株、および2コピーの『点』として定量的顕微鏡解析できる酵母株を用いて、老化細胞におけるrDNAの蛍光顕微鏡解析を行う。また、母細胞が出芽をしてから娘細胞が分裂するまでの経時的蛍光顕微鏡解析により、老化した母細胞から生まれる娘細胞のrDNAが損傷の無い状態に再生される機構について解析する。分子細胞生物学当初予定していた定量的顕微鏡での解析が難しいことが分かり、ChIP法を中心にした解析に切り替えた。顕微鏡を用いた経時的解析を行うための経費が来年度以降必要である。rDNAの核膜結合を制御する因子とその老化への影響の解析に必要な経費として使用する。特に、老化細胞の経時的蛍光顕微鏡観察に使用する。
オンライン蛍光法とオフライン確定診断の複合による大気バイオエアロゾルの高度計測

地球大気のPM2.5エアロゾルでは、通常、有機物が25割の重量を占めるが、その大部分の起源は未知である。未把握部分の一群として注目されている生物起源一次粒子(バイオエアロゾル)について、オンライン蛍光法をオフライン分析法で比較検証し、他成分の干渉を受けない識別法を確立した。具体的には長崎県福江島、および海洋地球研究船「みらい」3航海において比較計測を実施し、判定条件を陸起源、海洋起源気団別に最適化した。森林火災由来のバイオエアロゾルが海域にも高濃度で輸送されること、大気中の細菌数濃度の変動は海水中の菌数に加え、風速の大小やSSTが重要な因子となることを見出した。有機物は大気中エアロゾル粒子の主要成分であり、気候や健康に大きな影響を与えているが、組成や成因の理解度が著しく低い。大気中に存在する有機エアロゾルの中でもとりわけ未知度の高い生物起源一次粒子(バイオエアロゾル)の計測を確実化することを目的に、以下の研究開発を実施した。エアロゾル粒子の自家蛍光を単一粒子毎にオンライン測定する装置を整備し、蛍光特性に基づく有機物の分類計測手法の検証と改良を行った。このオンライン測定におけるバイオエアロゾル計数の判断基準を評価するための方法として、DNAをDAPI蛍光色素で染色しオフラインで染色蛍光を測定する方法を新たに採用し、評価を進めるとともに、大気エアロゾル粒子を捕集後、分析に供することができるようにした。その際の粒子捕集の方法として、メンブレンフィルターに直接捕集する方法、インピンジャーを用いて液体捕集する方法を検討した。横須賀において初期的な測定を行ったところ、計数範囲や時間変動について、オンライン法とオフライン法で比較的良好な一致が見られた。オンライン型の蛍光分析で得られた蛍光特性に応じて、粒子を選別捕集する方法について検討した。その際、高速応答する電磁アクチュエータをTTL信号をもとにリレー制御できることを確かめた。これらとはさらに別に、微生物の加熱による蛍光増加を利用した測定方法も加え、バイオエアロゾル計測の確実化を目指した手法を整備した。大気中に存在する有機エアロゾルの中でもとりわけ未知度の高い生物起源一次粒子(バイオエアロゾル)の計測を確実化することを目的に、以下の観測研究を実施した。長崎県五島市福江島において、2015年春季に約2週間オンライン蛍光測定装置(自家蛍光および加熱自家蛍光法)を用いた集中観測を実施した。同時に、バイオプローラーを用いたDNA染色法を利用したオフライン分析も実施し、オンライン法によるバイオエアロゾル計数の判断基準について、比較評価を行った。自家蛍光検出装置(WIBS4)で測定した蛍光性生物由来粒子はオフライン分析の死菌数濃度(PIによる染色蛍光)とオーダーは一致したことから、オンライン法で3チャンネルの蛍光(FL1: 280nm励起310-400nm蛍光、FL2: 280nm励起420-650nm蛍光、FL3: 370nm励起420-650nm蛍光)の全てで有意な信号を検出した場合を判断基準とすることの妥当性が検証された。また、加熱自家蛍光の連続測定の結果とオフライン分析を比較した結果も生物由来粒子数の経時変化はよく一致している期間や不一致の期間などが確認された。今後、蛍光強度波長依存性の解析によりオフライン分析の結果との一致/不一致の原因などを追及していく予定である。また、海洋性バイオエアロゾルに関する蛍光特性の評価を進めるため、海洋地球研究船「みらい」のMR15-05航海(インド洋東部)において、オンライン・オフライン蛍光同時測定を実施し、比較検証のためのデータを取得した。実験室での検証のために励起光源として使用するレーザーの整備が必要となり、その一部を実施した。オンライン法、オフライン法ともにフィールド(離島および船舶)での観測への運用に成功し、比較評価のためのデータが取得できた。予備的な結果では、比較的良好な一致がみられ、大幅な条件の見直しなどは必要ないことがわかり、研究が進展したといえる。蛍光特性に基づいて粒子を分別捕集する点については、実験室でのレーザーの整備を進め取り組む予定である。有機物は大気中エアロゾル粒子の25割の質量を占める主要成分であり、気候や健康に顕著な影響を与えているが、組成や成因の理解度が著しく低い。中でも未知度の高い生物起源一次粒子(バイオエアロゾル)の計測を確実化し、時空間変動とその変動要因をとらえることを目的に、レーザー整備や加熱に対する応答評価、2015年春季福江島やインド洋で行った観測の継続解析とともに、以下の観測研究を実施した。「みらい」の北極航海(MR16-06、2016年8-10月)、南大洋航海(MR16-09 leg 3、2017年2-3月)においても、オフライン染色蛍光測定法とオンライン自家蛍光法の併用観測を実施した。前者では、DNA染色法を元にし、DAPIおよびPIによる二重染色蛍光法を用い、後者では、3チャンネルでの蛍光(FL1: 280nm励起、310-400nm蛍光、FL2: 280nm励起420-650nm蛍光、FL3: 370nm励起420-650nm蛍光)を計測した。得られた観測データを用い、測定手法間の比較検証を進めた。

北極海・南大洋航海ではいずれも、FL1, 2, 3いずれかで蛍光を発した全粒子数は、オフライン法での濃度と比較して5倍程度大きく、全FLにおいて蛍光を発した粒子またはFL2および3で蛍光を発した粒子を選別した場合に、数濃度自体や時間変動パターンの一致度が向上することを見出した。とくに北極航海ではベーリング海航行中にシベリア森林火災プルームを横切った際に、2法でともに数濃度が高まり、森林火災は蛍光性バイオエアロゾルの大きな発生源であること、染色蛍光法からは死菌が主であることが確かめられた。南大洋では蛍光性粒子数の変動が、真風速とよく正相関し、海洋表層に普遍的に存在する有機物が大気中へと巻き上げられ、バイオエアロゾル化していることが指摘された。地球大気のPM2.5エアロゾルでは、通常、有機物が25割の重量を占めるが、その大部分の起源は未知である。未把握部分の一群として注目されている生物起源一次粒子(バイオエアロゾル)について、オンライン蛍光法をオフライン分析法で比較検証し、他成分の干渉を受けない識別法を確立した。具体的には長崎県福江島、および海洋地球研究船「みらい」3航海において比較計測を実施し、判定条件を陸起源、海洋起源気団別に最適化した。森林火災由来のバイオエアロゾルが海域にも高濃度で輸送されること、大気中の細菌数濃度の変動は海水中の菌数に加え、風速の大小やSSTが重要な因子となることを見出した。蛍光特性に基づいて粒子を分別捕集する部分の構築には予想以上の時間がかかりそうであるが、一方で、染色蛍光法による大気粒子の測定に関しては、予想以上の進展がみられ、オンライン型の自家蛍光測定装置によるバイオエアロゾル計数の確実化へ向けて、一定の指針が得られつつあるため。バイオエアロゾルの計数の確実化を達成するために、福江およびMR15-05航海でのデータ解析を継続するほか、生物活動が盛んであると考えられる南大洋航海でも観測データを取得し、比較検証を行う。粒子全体に占めるバイオエアロゾル量の割合や、バイオエアロゾル中での生死割合についてもデータを整理して考察する。レーザー整備を進め、並列での比較に加えて、直列での比較計測や分別捕集に関する研究開発を行う。28年度が最終年度であるため、記入しない。大気化学蛍光特性に基づいて粒子を分別捕集する部分の構築については引き続き取り組むが、方法に拘泥することなく、最終目的であるバイオエアロゾル計測の確実化を達成するために、染色蛍光法との同時野外大気計測なども早期に取り入れて、研究を推進していく予定である。実験室での評価のために、レーザー整備を段階的に実施する必要が生じ、物品費に未使用額が生じた。蛍光特性に基づく粒子の選択捕集の方法について、再度検討を行うことが必要となり、物品費に未使用額が生じた。本年度導入した532nm発振モジュールを用いた色素レーザーの発振状況を確かめたのち、第2高調波結晶を購入して紫外励起光を発振させる。その他、南大洋航海への乗船観測出張旅費、機器部品類、観測消耗品、試薬等の物品購入に充てる。
ナノカーボン多層構造物を用いた超小型炭素水素化合物センサーの開発

本研究の目的は車の排ガス内の炭化水素化合物の分子識別可能な小型センサーを作成するため、気体吸着能力が高い生体材料(コウイカの骨)に注目し、生体模倣材料を作成することである。本研究期間内に骨芽細胞(Saosー2)のActin Filamentを変質させることによって、コウイカの骨の多層構造を模した細胞が作製できることが分かった。またコウイカの骨の構造を模したナノカーボン構造物を作製し、粒径・幅を変化させることで異なる分子量の炭化水素を識別できるセンサー素子を開発した。本研究の目的は車の排ガス内の炭化水素化合物の分子識別可能な小型センサーを作製するため、気体吸着能力が高い生体材料(コウイカの骨)に注目し、その物理的特性を理解したうえで大気圧プラズマを用いてコウイカの骨の生体模倣材料を作製することである。平成25年4月から2年間に以下の3課題に関しての知見を得ることを目標に当該プロジェクトを開始した。1現在解明されていないコウイカの骨内部の気泡吸着のメカニズムを解明する。2大気圧マイクロプラズマジェットを用いてコウイカの骨の構造を模した多層構造ナノカーボン構造物を作製する。ナノカーボン構造の細孔サイズをプロセスガスによって制御する。3異なる細孔を有するナノカーボン構造物と炭化水素化合物の吸着・脱離のメカニズムを解明し、分子識別可能な超小型ガスセンサーを作製する。平成25年度は1と2の課題に取り組んだ。1に関しては、コウイカの骨の構造が他の動物の骨と比べ特殊であること、他の動物の骨細胞もプラズマを用いて変質させることによって3次元構造を取りうること、骨細胞の変質がプラズマ照射時間、照射方法(細胞に直接照射か培養液に照射する間接照射)によって異なることがわかった。2に関しては、大気圧マイクロプラズマジェットのプロセスガス種の計測、プロセスガス導入位置によって異なる組成、サイズのナノカーボン構造物を作製することができた。励起分子とプロセスガス分子の反応によって生じるナノカーボン構造物の化学構造変化を密度汎関数法を用いて予測した。さらに、基板表面粗さをケミカルドライエッチングを利用して変化させ、ナノカーボン構造物の高さ調整を行い、3の炭化水素化合物の吸着面積を広げる試みを行った。本研究の目的は車の排ガス内の炭化水素化合物の分子識別可能な小型センサーを作成するため、気体吸着能力が高い生体材料(コウイカの骨)に注目し、その物理的特性を理解したうえで大気圧プラズマを用いてコウイカの骨の生体模倣材料を作成することである。平成25年4月から2年間に以下の3課題の知見を得た。1:コウイカの骨の構造が他の動物の骨と比べ特殊であること、他の動物の骨細胞もプラズマ照射時間、照射方法によって3次元構造をとることが分かった。2:大気圧マイクロプラズマジェットのプロセスガス種の計測、プロセスガス導入1のよって異なる組成、サイズのナノカーボン構造物を作製できることが分かった。さらに、基板表面粗さをケミカルドライエッチングにより変化させ、ナノカーボン構造物の高さ調整を試みた。3:プラズマ気相堆積法(PECVD)で作製したナノカーボン膜を可能な限り均一に堆積させるため、基板の表面電位を除電によって初期化し、ナノカーボン膜の表面電位を計測した。そして、異なる分子量の炭化水素化合物を吸着・脱離させ、その際のナノカーボン膜の抵抗値の時間変化を測定し、吸着量と抵抗値の変化の関連性を評価した。その他論文2報、投稿準備中。プラズマエレクトロニクス<<平成25年度は1と2の課題に取り組んだ。>>1に関しては実際に平成25年度にコウイカの骨の解析をおこなったところ、他の動物の骨と異なる階層構造を有することが分かった。標準的な骨芽細胞の機能研究に利用されるSaos-2の細胞自体をプラズマから異なる密度の酸素ラジカルを抽出して改質すると骨芽細胞の分化、細胞骨格の形態が変化することが分かり、骨細胞以外の細胞(通常であると単層で増殖するA549)との差異も調査し、成果を学会発表3件、論文2報(投稿準備中)にまとめた。2に関しては所有する大気圧マイクロホローカソードマイクロジェット(AP-HMD microjet)のノズル出口治具を2種類作製し、出口部のプラズマ内部パラメータ計測を行いつつ、異なる組成のナノカーボン構造物を作製した。プラズマの電子密度、ガス温度、励起原子・分子の空間分布を発光分光法を用いて計測した。平成25年度の時点では膜の均一性に課題が残るためさらなる治具の改良が平成26年度に必要である。

プロセスガス導入前後の励起原子・分子と、プロセスガス分子の化学反応を密度汎関数法(Gaussian09 B3LYP/CAM6-311G+dp)を用いて算出し、X線光電子分光で実測したナノカーボン構造物の化学組成との比較を行った。さらに、Si基板表面粗さをケミカルドライエッチングを利用して変化させ、ナノカーボン構造物の高さ調整を行い、3の炭化水素化合物の吸着面積を広げる試みを行った。より吸着面積の広い表面を作製するため、Si基板の表面粗さをケミカルドライエッチング時の圧力と温度を変化させて制御した。当該成果を学会発表、招待講演計5件、論文1報にまとめた。<<平成26年度は平成25年度の1、2を発展させその知見をもとに3に取り組む>>1に関しては、吸着特性に必要なコウイカ表面のダングリングボンド計測を行う必要がある。平成26年度は電子スピン共鳴(ESR)を利用してコウイカの骨の表面のダングリングボンド(DG)測定を試みる。2に関しては所有する大気圧マイクロホローカソードマイクロジェット(AP-HMD microjet)のノズル出口治具の改良を試み、均一なナノカーボン構造物ができる限り幅広(10mm程度)で作製できるようにする。作製したナノカーボン構造物のsp3またはsp2結合の割合がどのように変化するかをラマン分光法を用いて測定する。、またDGの密度がどれほど存在するかをESRを用いて測定する。3に関しては、ナノカーボン構造物の吸着・脱離実験用ガスチャンバーに異なる分子量のHCの気体分子をチャンバー内に導入し、電極間の抵抗値を測定する。抵抗値と測定時のガス含有量絶対値を関連付けるため、チャンバー内に濃度を調節したHC分子と他の原理で作動するセンサーを導入し、濃度の絶対値を測定できるようキャリブレーションする。次に複数のガスを同時にチャンバー内に導入し、分子認識が可能かどうかを単一ガス導入時との抵抗値測定結果と抵抗ー測定時間の曲線の変化の相違について調べる。この実験を異なる細孔を有するナノカーボン構造物について繰り返し、細孔のサイズとガス検出精度、分子認識の可能性について検証する。また、分子軌道法を用いてHCとナノカーボン構造物が吸着した際の化学構造の変化及び総エネルギーの変化量を算出し、マイクロ孔内での固体と吸着質の相互作用ポテンシャル[Everett and Powl, J. Chem. Soc., Faraday Trans.172 (1976) 619]の妥当性を検証する。