hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
バイオフィルム形成と歯科生体材料に対する抗菌性タンパク質のナノレベル吸着解析

本研究では歯科用インプラント材料に対する骨再建および抗菌性付与を目的とした基礎的研究を行った。細胞接着タンパク質の吸着試験では、チタンの方がジルコニアより高い吸着量を示した。疑似体液によるハイドロキシアパタイト析出試験では、チタンがジルコニアより早い時間で析出が測定された。これらの結果より、インプラント材料の種類によりナノレベルで骨再建に影響を及ぼすことが確認された。チタンに対する細菌付着性は唾液タンパク質の影響が大きいことが明らかとなった。今後、タンパク質の選択的吸着を可能にする材料を検討中である。口腔内でのバイオフィルム形成は口腔疾患のみならず生体内に大きな影響を与えている。歯科分野では齲蝕や歯周病がその代表的な例である。口腔内は唾液による生体防御機能があり、抗菌性タンパク質を有し予防している。しかし、これらの唾液タンパク質と歯科材料の吸着特性については明らかとなっていない点が多くある。本研究では唾液に含まれる抗菌性タンパク質の一つであるラクトフェリンに着目し、チタン(Ti)、ステンレス(SUS)、ジルコニア(ZrO2)およびポリメチルメタクリレート(PMMA)に対するラクトフェリンの吸着特性についてQCM(水晶発振子)法による解析を行った。また、各材料のゼータ電位および接触角を計測することにより静電反発作用との関連性について検討した。本研究結果より、材料の種類により吸着特性が違うことが明らかとなった。吸着特性に関わる各材料のゼータ電位と吸着特性の関連性はやや不明な点が多く、さらなる詳細な検討が必要と考えられた(Adsorption analysis oflactoferrin to titanium, stainless steel, zirconia and polymethyl methacrylate using thequartz crystal microbalance method,E. Yoshida, T. Hayakawa.Biomed Res Int. 2016)。唾液タンパク質と細菌表層タンパク質の吸着特性についてQCMを用いて検討を行っているが、吸着特性にばらつきがあり、評価手法の再検討を行っている。また、QCM解析に用いるアパタイトセンサーの製造にもばらつきがありデータをとれない状況になっている。本研究では、歯科材料に対する細菌表層タンパク質の吸着メカニズムを解明し、バイオフィルム抑制材料の開発の基礎的研究を行った。まず、インプラント材料として用いられるチタンおよびジルコニアに対するタンパク質吸着挙動について水晶発振子マイクロバランス法(QCM)にてモニタリングした。フィブロネクチンおよびアルブミンの吸着量は共にチタンの方が有意に吸着した。これにより材料の種類により吸着量が変わることが明らかとなった。さらに、疑似体液を用い、チタンおよびジルコニアのアパタイトの析出挙動をナノレベルで計測した。結果、チタンの方が早くアパタイトの析出が起こるが、析出量に有意差は見られなかった。インプラント材料として細胞接着因子の一つであるフィブロネクチンの吸着挙動は、タンパク質との静電反発作用に影響を受けることが示唆された。骨形成能の指標であるハイドロキシアパタイト析出特性は、材料に対するカルシウムイオンの吸着特性に大きく影響を受けると考えられた。一方、口腔内で歯質表面は唾液で覆われており、ペリクルが形成されている。歯科材料に対するペリクルの影響が細菌吸着にどのように影響するか検討した。そこで、チタン表面にペリクル成分の一つであるムチンを吸着させた後に、細菌表層タンパク質の一つである黄色ブドウ球菌由来リポタイコ酸(LTA)の吸着挙動をQCM法にて計測した。チタンに対するLTAの吸着量はLTA濃度による影響をほとんどなく、ごく微量であった。しかし、ムチンが吸着したチタンに対するLTAは濃度が高くなると吸着量が大きくなる傾向を示した。これらの結果により、ペリクル成分の吸着成分を制御することにより、バイオフィルム抑制に繋がることが示唆された。唾液タンパク質と細菌表層タンパク質の吸着特性についてQCMを用いて検討を行っている。現在、唾液タンパク質としてムチンおよび細菌表層タンパク質としてリポタイコ酸を用い吸着特性を検討している。評価手法を再検討した後、AFMを用いた形態学的評価と併せて日本歯科理工学会およびバイオマテリアル学会などの関連学会での発表・投稿を予定している。歯科理工学
ホールスラスタの耐久性向上に関する研究

次世代宇宙用推進機であるホールスラスタは,人工衛星の小型化および高機能化を強力に推進するため,各国で競って研究開発が進められている.しかしながらホールスラスタには耐久性の向上という課題が残っている.そこで磁場形状と寿命の関係を調査し,長寿命化の指針を得るために必要不可欠なリアルタイムで定量的に寿命が計測できるキャビティリングダウン分光法を用いた寿命評価センサを開発し,寿命と磁場形状の関係を調査した次世代宇宙用推進機であるホールスラスタは,人工衛星の小型化および高機能化を強力に推進するため,各国で競って研究開発が進められている.しかしながらホールスラスタには耐久性の向上という課題が残っている.そこで磁場形状と寿命の関係を調査し,長寿命化の指針を得るために必要不可欠なリアルタイムで定量的に寿命が計測できるキャビティリングダウン分光法を用いた寿命評価センサを開発し,寿命と磁場形状の関係を調査した次世代宇宙用推進機であるホールスラスタは,人工衛星の小型化および高機能化を強力に推進するため,各国で競って研究開発が進められている.しかしながらホールスラスタには耐久性の向上という課題が残っている.そこで磁場形状と寿命の関係を調査し,長寿命化の指針を得るために必要不可欠なリアルタイムで定量的に寿命が計測できる寿命評価センサの開発を行った.しかしながら予算の執行の遅れから予定していたレーザーの納品が遅れたために,キャビティリングダウン分光法を用いたセンサではなく,代替法である多層膜コーティング法を用いたセンサの検討を行った.また次年度に計画していたニューロ制御を用いたインテリジェンス電源の開発も前倒しで行った.インテリジェンス電源を開発するに当たり,核となる制御手法の開発を行った.具体的には,壁面の損耗とともに最適な磁場形状が変わるため,ニューロ制御を用いて最適な磁場で作動するように複数のコイルを自動で制御するシステムを構築し、検証を行った.パラメータとしては寿命ではなく,放電振動の大きさを指標として制御し,うまく制御できることが確認できた.また,多層膜コーティング法による寿命評価のために,アルミの薄膜を製作し,損耗の様子を観察した,この際にアルミの損耗量を算出し,目標とするSN比をえるために測定誤差をどの程度まで低減させる必要があるのかの検討も行った.この値は次年度にキャビティリングダウン法を用いた寿命評価センサの目標値となる.またレーザートムソン散乱の改良にも取り組み,キセノンプラズマでのプラズマ密度および温度の計測に成功した.さらに,キャビティリングダウン法で用いるキャビティの製作および検出用プログラムを作成し,動作確認を行った.次世代宇宙用推進機であるホールスラスタは,人工衛星の小型化および高機能化を強力に推進するため,各国で競って研究開発が進められている.しかしながらホールスラスタには耐久性の向上という課題が残っている.耐久性向上にはホールスラスタの磁場形状や加速チャンネル形状の最適化が不可欠であるが,従来の数百時間作動させた後の形状変化を見る耐久試験では,最適化するためには時間がかかりすぎ,現実的ではなかった.そこでこれに変わるリアルタイムで定量的に寿命が計測できるキャビティリングダウン分光法を用いた寿命評価システムを開発してきた.本年度は、このシステムの改良に取り組んだ.具体的には損耗率をほぼリアルタイムで算出出来るプログラムを新たに構築した.次に,宇宙空間を模擬した真空容器内にホールスラスタおよび寿命評価センサを設置し,構築したプログラムを用いて寿命の評価を行い,正しく作動する事を確認した.さらに寿命と磁場依存性を調査し,磁場の増加に伴い耐久性が向上している事を確認した.これと並行してホールスラスタ制御用の電源の改良を行い,実際にスラスタとかみ合わせて実験を行い,作動する事を確認した.さらに、壁面に衝突するイオンの生成・加速過程との関係を定量的な解明のためにはホールスラスタ内部のプラズマ密度や電子温度を計測する必要がある.これにはプラズマに擾乱を与え内で測定できるレーザー-トムソン散乱法を用いるのだが,感度および測定精度が足りなかった.そこで,感度および精度の向上を目指して,イオンエンジンのコンポーネントであるマイクロ波放電型中和器のプラズマの計測を通してレーザートムソン散乱法の改良を試みた.次世代宇宙用推進機であるホールスラスタは,人工衛星の小型化および高機能化を強力に推進するため,各国で競って研究開発が進められている.しかしながらホールスラスタには耐久性の向上という課題が残っている.そこで磁場形状と寿命の関係を調査し,長寿命化の指針を得るために必要不可欠なリアルタイムで定量的に寿命が計測できるキャビティリングダウン分光法を用いた寿命評価センサを開発した.寿命評価センサの感度向上のために,光学系を一から見直し,また検出能力の高い検出器に変更し,検出限界密度を10^11 m^-3に達成し,様々な作動パラメータの寿命への依存性の調査が可能となった.さらにイオンの生成・加速過程は寿命と密接にかかわっているため、長寿命化にはイオンの生成・加速過程、特に磁場形状との相関関係を解明する必要がある。イオンの生成・加速過程の解明には、プラズマ密度および温度分布の計測が必要不可欠で,これを可能にする測定技術であるレーザートムソン散乱計測の改良に取り組み,光学系等の改良によって,感度が10倍向上し,キセノンプラズマでのプラズマ密度および温度のより精密な計測が可能となった.これと並行して自己学習型システムを組み込んだデジタル制御電源の開発を行った.実際にスラスタとかみ合わせて実験を行い,作動パラメータを変更してそこから学習しその後最適値を算出しパラメータを最適値に設定できた.これよりこのシステムが機能したことを確認した.

航空宇宙工学予算の執行の遅れ,それに伴い実験装置の発注が遅れ,当初予定していたキャビティリングダウン分光法を行うには十分な実験期間がとれなかったが,その代わりに次年度以降に予定していたニューロ制御を用いたインテリジェンス電源の開発および多層膜コーティング法による寿命評価が行えたため.25年度が最終年度であるため、記入しない。本年度購入した高感度検出器であるICCDカメラの選定および納品に想定以上の時間をかけてしまったため,レーザートムソン散乱法の計測に十分な時間を取ることが出来なかったが,結果として想定通りの感度向上が確認できた.またICCDカメラが納品されてくる間にインテリジェンス電源の開発やキャビティリングダウン分光法の感度向上に取り組むことができ,これらも当初の予定の成果を上げることが出来たため,おおむね順調に進展しているといえる.当初の研究計画通りキャビティリングダウン分光法を実施し,磁場形状と寿命の関係を明らかにする.さらに,その物理背景をさぐるため,イオンエンジン内部のプラズマ測定で実績のあるレーザートムソン散乱(LTS)法に、ICCDカメラを検出器として用いる改良を加え,イオンの生成・加速過程を明らかにしていく.25年度が最終年度であるため、記入しない。開発したセンサを用いて、スラスタの形状や磁場の最適化を行う。これと並行して、プラズマ密度・温度の2次元分布を計測し、壁面に衝突するイオンの生成・加速過程との関係を定量的な解明を目指す。また,開発した寿命評価センサを用いて、電源自身が自己判断で、磁場を作る複数のコイルに流す電流を制御して常に最適な磁場で作動できる用に,制御システムの改良を検討する。これと並行して最近報告があったNo erosion Hallに大きく貢献するマグネチックシールドがどのように機能しているのかを明らかにするために,マグネチックシールドの寿命およびプラズマ密度への影響を調査する。
糖尿病性腎臓病の新規マーカーと治療法の臨床応用

糖尿病性腎臓病(DKD)は末期腎不全に至る最多の原疾患であり発症者の早期発見や進展予防は急務の課題であるが、既存の血糖管理や血圧管理といった治療だけでは進行を止められない症例も多い。また一般にDKDの評価に用いられるアルブミン尿やeGFRといった指標ではこれらが顕在化してからでは手遅れとなってしまう症例もある。申請者は腸内細菌酵素によってチロシンから産生されるフェノールの代謝物であるフェニル硫酸がDKD発症の早期発見マーカーであり治療ターゲットとなり得ることを明らかにした。本研究は腸内細菌というこれまでのDKD治療や診断マーカーにない新たな分野を対象とした研究で極めて新規性が高い研究である。
セルアレイからのタンパク質分布と発現タイミング情報に基づくがん細胞の特徴化と分類

セルアレイからのタンパク質の量と凝集度、細胞のサイズ、DNAの量と凝集度の5つの散布パターンを、サポートベクターマシンのカーネル関数を用いて有次元の特徴空間に写像して線形分離を行うことで、がん細胞の特徴情報を明確する手法を開発した。さらに、時間ペトリネットによるシグナル伝達経路モデルを滞留なしペトリネットとするために必要な条件を示した。この条件は、トランジションの遅延時間とサイクルの構造に依存するため、シグナル伝達経路の各部分構造に対する遅延時間の決定方法と、サイクルの構造条件を示した。タンパク質データを取得するシグナル伝達経路の選定を行い、医学的な応用面で有用であり、シミュレーション研究においても実績のあるアポトーシスシグナル伝達経路を研究対象とすることを決定した。古屋は、Fasリガンドによるアポトーシス誘導の実験を行い、リガンド投与後から6時間まで.1時間おきにサンプリングを行うて、細胞内でシグナル伝達の状況が観察できることを確認した。さらに、使用するセルアレイのデザイン、及びデータ取得するタンパク質について予備実験を行った。タンパク質の濃度と凝集度の散布パターンを分類する手法について研究を行い、自己組織化マップ、ニューラルネットワークを用いた分類手法の開発に取り組んだ。特に、2次元の散布パターンを1次元情報である可視化数列に変換することで情報圧縮を可能にし、分類に必要な計算時間を短縮することに成功した。さらに、この可視化数列を用いて散布パターンを分かりやすくがん研究の専門家に提示する手法を開発した。これは、がん分類のための特徴ベクトル要素としても適用できる。以上に加えて、シグナル伝達経路を時間ペトリネットを用いてモデル化する方法の開発に取り組んだ。シグナル伝達経路の性質を表現するため滞留なしペトリネットのモデルを定式化し、さらにフードバックや抑制反応をもつシグナル伝達経路の対処方法についても検討した。対応するペトリネットモデルにおいてはサイクル構造と抑止アークを持つことになるが、サイクル構造については、滞留なしとなるためにペトリネットモデルが持つべき条件を求めた。抑止アークについては、対応する分子反応の速度に応じて、適切なモデル化を行う必要があることを指摘し、まずは容易に対応できる低速度反応時のモデル化手法を示した。以上の提案手法の有効性は、IGF-1シグナル伝達経路のペトリネットモデルを用いた確認した。時間ペトリネットを用いたシグナル伝達経路については、昨年度までの研究でそのモデル化手法はほぼ確立したが、その手法の情報科学的な正当性が示されていなかったので、その証明を行なった。これにより、この手法の実用性を確定させることができた。また、ペトリネットによるモデル化手法を遺伝子制御ネットワークにも拡張し、最近、がん発生との関係も指摘されている概日リズム機構のモデル化とシミュレーションも行なった。各トランジションの発火速度は、シグナル伝達経路中の分子の反応速度に対応する。アポトーシスシグナル伝達経路を対象にし、セルアレイを用い、このシグナル伝達タンパクであるカスパーゼの濃度を一定間隔で測定し、トランジションに与える発火速度の同定を試みた。この際、得られた全てのデータを使うのではなく、セルアレイから得られるタンパク質の凝集度情報も用いて、細胞周期のG1期のデータのみを使用するようにした。これにより、データの精度向上が見込まれる。得られた結果には予想通りのタイミング情報が含まれているものもあるが、想定外のタイミングを示すものもあり、データ処理方法も含め、さらなく検討が必要である。これまでにLaser Scanning Cytometerで測定したがん細胞のタンパク質量とその凝集度のデータに対し、ニューラルネットワークのバックプロパゲーション法や自己組織化マップを用いて分類を行う手法を開発し、未分類データも高確率で認識できることを確かめてきた。しかし一方で、データサイズが増加すれば必要なニューロン数も増加させなくてはならず、この問題が認識率にも影響していた。そこで本年度は、余分な追加学習を行なうことなく、がん細胞の自動分類を可能とするサポートベクタマシンを用いた手法を検討し、ツールを開発した。認識実験の結果、与えられたどの種類のがん細胞も正しく認識できたが、種類によっては認識率の低下が見られた。これまでの研究により,離散ペトリネットを使いシグナル伝達経路をモデル化する手法を提案してきた.さらに,時間の概念を持つ時間ペトリネットでシグナル伝達経路をモデル化し,そのモデルの構造情報から,各トランジションが満たすべき発火頻度条件式を導出する手法も提案した.またその際,シグナル伝達経路のスムーズなシグナルの流れを再現するために新たに「滞留なし」という概念を導入し,その概念を持つペトリネットを滞留なしペトリネットを定義した.今年度は,シグナル伝達経路のモデルである滞留なしペトリネットモデルにおけるトランジション間の依存関係を調べた.滞留なしペトリネットでは,上流と下流のトランジションの発火頻度が互いに依存しあう関係にある.このように依存しあう関係の部分ネットを依存部分ネットと呼ぶが,今年度の研究では,まず依存部分ネットを定義しその性質を調べた.次に依存部分ネットを求めるアルゴリズムを提案し,さらに提案したアルゴリズムを依存部分ネットの求解に応用する例も示した.さらに,セルアレイから得られたタンパク質情報について,グラフィック技術を用いることにより分かりやすく可視化することで,この分類診断を支援することを考えた.具体的には,分類基準となるタンパク質の発現範囲や発現量,凝集度の分布の3情報を可視化数列によって表現し,さらにその直感的イメージを提示できるシステムを作成した.

この可視化数列には,セルアレイ情報の本質的部分を失うことなく情報圧縮ができるという利点があり,多量なデータの解析の効率化に貢献できる.時間ペトリネットを用いたシグナル伝達経路のモデル化については、依存縮約の考え方により、構造情報のみから反応速度情報(すなわちトランジションの遅れ時間)を推定する方法を開発しているが、これまではその基本的考え方とそれに基づく例示を行っただけであった。そこで本年度は、依存縮約によるペトリネットの重みや遅れ時間の更新や条件の定式化と、その証明に取り組んだ。さらに、縮約後のペトリネットモデルの更新パラメータを導出するアルゴリズムの開発を行った。これにより、理論的に裏打ちされた反応速度情報を求めることができるようになり、提案手法の信頼性が向上した。タンパク質と凝集度の散布パターンの特徴化については、膨大ながん細胞のタンパク質情報をデータベース化し自動で特徴化を行うシステムを開発しているが、これまでは着目した一部のタンパク質の関連性についてのみ確認するだけであり、分析に時間を要していた。そこで本年度は、タンパク質量とその凝集度、核の反応面積、DNA量の情報を、サポートベクタマシンを利用して学習することで、一括して特徴化を行うシステムの開発に取り組み、試作システムを完成させた。これにより、提案手法の分析速度が向上した。現在は、システムの最適動作の補正と実システム化を行っている。シグナル伝達経路のシグナルの流れを再現するために新たに``滞留なし''という概念を導入し,滞留なしペトリネットにより反応速度の自動決定手法の開発に取り組んできた。このなかで,依存部分ネットを定義し,依存縮約による発火頻度の決定,すなわちシグナル伝達経路の反応速度の決定が可能であることを示した.これは依存縮約可能な部分ネットにおけるトランジションの発火頻度が互いに依存しあうことによる.今年度の研究では,段階的な依存縮約によるネットの構造変化を示したうえで,滞留なしペトリネットの依存縮約を実現するアルゴリズムを提案した。さらに滞留なしペトリネットモデルにおける依存縮約可能なトランジション同士へ依存関係を定義し,依存縮約手法に関する一意性についての性質も示した。一方,セルアレイを利用し,イメージサイトメトリーから取得したがん細胞のタンパク質量,タンパク質の凝集度,細胞のサイズ,DNA量,DNAの凝集度の5次元の散布パターンの違いを利用した特徴化の実現について,サポートベクターマシン(SVM)を用いて非線形空間に写像し線形分離を行うことでがん細胞の特徴化を実現することができることを示した.これにより,がん患者から採取した未知のがん細胞が,過去に採取されSVMによって特徴化されたデータベース内の細胞情報と適合させることを可能にした.この手法では,がん細胞のサンプル数が増加すればするほど学習制度を向上させることができ,患者から取得した未知のがん細胞であっても,データベース内のSVMと比較照合が可能となる.
スパースモデリングを用いた自閉症スペクトラムの構造推定

本研究は,スパースモデリングを用いて,NIRS(近赤外分光法)による脳活動計測データと,医療現場で既に活用されている質問紙検査等の心理指標とを統合し,自閉症スペクトラム障害(Autism Spectrum Disorder: ASD)の理解を進めることを目的とした.H27年度は,課題3として複数の変数を同時に扱うスパースモデリングによってスペクトルの構造を検討するため,生理指標データを予備的に取得した.課題2において行動指標から心理指標を予測する際,データ内に複数のクラスタ構造があったため,課題3を進めるとともに課題2の結果を基にクラスタの記述を試みた.各クラスタに含まれるデータ点の個数に均衡が取れていない場合でも,適切にクラスタを記述する手法を検討した.領域推進においては,他の研究計画,および公募班との研究打ち合わせを行い,領域内連携を加速した.特に,既に他のスパースモデリングを用いて解析されたデータを心理統計手法を用いて再検討した研究によって,心理学分野の研究にスパースモデリングを根付かせる動機を得,今後の研究展開の計画を立てることができた.27年度が最終年度であるため、記入しない。27年度が最終年度であるため、記入しない。本研究は,スパースモデリングを用いて、NIRS(近赤外分光法)による脳活動計測データと、および医療現場で既に活用されている質問紙検査等の心理指標とを統合し、自閉症スペクトラム障害(Autism Spectrum Disorder: ASD)の理解を進めることを目的とした.H26年度は,課題1として,発達障害児を対象としたNIRS計測を行い、さらにその血流データからASD群と、他の発達障害である注意欠陥多動性障害(ADHD)群を鑑別する試みを行った.この成果をFrontiers in Human Neuroscience誌に発表した.論文掲載に伴い,プレスリリース(「怒り顔に対するADHD児の脳活動の特徴-近赤外分光法(NIRS)による脳活動計測で、世界で初めて明らかに-」)を行い,国内の医療従事者向け専門サイトほか,国外の研究者向けポータルサイトScience Dailyをはじめとした国外の34ウェブサイト(2014年9月30日現在)に研究成果が紹介された.この成果は,NIRSを脳活動計測に用いている研究者が多く集まる国際会議fNIRSにおいて公表した.課題2において,生理指標から心理指標を回帰する際,当初の想定に反し,データ内に複数のクラスタ構造があることがわかった.したがって生理指標計測をふくめた課題3と並行して進めるよう研究計画を一部変更した.領域推進においては,他の計画研究および公募班との研究打ち合わせを1ヶ月から2ヶ月に1回程度行い,領域内連携を開始した.領域外に向けては,当該領域が主催した2014年度公開シンポジウムにても講演を行い,領域活動の推進に貢献した.課題1は予想以上に順調に進展した.続いて課題2を開始したが,生理指標から心理指標を回帰する際,当初の想定に反し,データ内に複数のクラスタ構造があることがわかった.クラスタに含まれるデータ点の個数に大きな偏りがあり,通常のクラスタ分析ではデータの性質を適切に記述することが困難であった.そこで,課題2の結果を基に,当初は課題3で想定していた,複数の変数を同時に扱うスパースモデリングによってクラスタを記述するよう,研究計画を一部変更した.H26年度の進捗は,課題2を予定通り遂行した後,課題3を開始したため,概ね順調に進展していると言える.本研究は,スパースモデリングを用いて,NIRS(近赤外分光法)による脳活動計測データと,医療現場で既に活用されている質問紙検査等の心理指標とを統合し,自閉症スペクトラム障害(Autism Spectrum Disorder: ASD)の理解を進めることを目的とした.H27年度は,課題3として複数の変数を同時に扱うスパースモデリングによってスペクトルの構造を検討するため,生理指標データを予備的に取得した.課題2において行動指標から心理指標を予測する際,データ内に複数のクラスタ構造があったため,課題3を進めるとともに課題2の結果を基にクラスタの記述を試みた.各クラスタに含まれるデータ点の個数に均衡が取れていない場合でも,適切にクラスタを記述する手法を検討した.領域推進においては,他の研究計画,および公募班との研究打ち合わせを行い,領域内連携を加速した.特に,既に他のスパースモデリングを用いて解析されたデータを心理統計手法を用いて再検討した研究によって,心理学分野の研究にスパースモデリングを根付かせる動機を得,今後の研究展開の計画を立てることができた.H27年度は,課題3を引き続き行うとともに,課題3で得られた解析手法を用いて課題2のデータを再評価する.合わせて,得られた研究成果を学会発表を含めて広く公表していく.27年度が最終年度であるため、記入しない。
放射光によるジルコニアバイオセラミックスの擬似体液中でのその場相変態観察

21世紀の初頭には我が国の人口の25%以上が65歳以上の高齢化社会になることが予測されている.そのため,安全に長期間使用できるインプラント材の開発が進められている.部分安定化ジルコニア(PSZ)は,高強度,高靭性などの優れた性質を有するため.インプラント材としての利用が期待されている.その優れた性質は正方晶(T)→単斜晶(M)相変態に深く関わっており,Y_2O_3およびAl_2O_3量,また環境によって左右される.本研究では,PSZを医療の現場で使用した場合を考え,その熱的安定性について組織学的に,また中性子回折およびシンクロトロン放射光回折を用いて調べた.ZrO_2-Y2O_3の平均結晶粒径はAl_2O_3添加量が増大するにつれて大きくなった.また昇温時の膨張,収縮量,降温時の膨張量もAl_2O_3の添加量に比例して増加した.DSCのシグモイダル曲線はAl_2O_3を添加することによって短時間側にシフトし,飽和に達するまでに長時間を要するようになった.またAl_2O_3を添加することによって,集合組織に変化が認められた.AFM観察の結果,T-M変態は多方向に分岐して進展することが明らかになった.つまり,Al_2O_3添加によって変態時の配向性を抑制し,T-M変態の進展を多方向に分岐させることによって変態が生じやすくなり,機械的性質向上につながることが示唆された.シンクロトロン放射光回折および中性子線回折を利用することで,試料の極表面近傍の深さ方向の情報を得ることに成功した.そのほか,水溶液中での変態その場観察を実現するため,軟X線顕微鏡の開発を行っており,今後の実用化が期待される.ジルコニアに13molイットリアを含むセラミックスの正方相-単斜相変態(マルテンサイト型変態といわれている)について,等温処理と非等温処理を施し,変態開始温度や,変態量,変態の進展の過程を調べた。400-800Kの等温時効の時間と共に,単斜相量はシグモイダル的に増加した。その増加の仕方は,核生成-成長のそれに類似していた。変態量-時効時間曲線から得たTTT図は,C字型になり,イットリア量の減少と共に短時間側へ移行し,飽和変態量が増加することを明らかにした。しかし,いずれの塑性,温度とも,変態速度は同じで,速度論的解析から粒界面核生成の不均一核生成で進行することが推測された。さらに,その変態は,水環境で加速するが,それは核生成速度が増加するためであること,さらに中性子線や放射光を用いた回折実験から,試料の表面から試料内部へ進展することなどを明らかにした。また詳細な変態に伴う表面起伏の原子間力観察から,変態は正方相の粒界から粒内へ向かって進行すること,アルミナ添加で,その変態の進展がアルミナ粒子や立方晶相に阻止され留ことなどを明らかにした。従って,以上の実験結果から,本変態がある種の拡散支配の相変態であることが明らかになった。従来,本変態が非等温的変態とされていたが,非等温処理で得られたMs点と鼻より高温でのC曲線とほぼ一致したことより,イットリア量が少ない場合は,特に,等温変態速度が速いため,非等温変態と受け取られていた可能性が強いことを明らかした。本研究結果は,バイオセラミックスとして利用する際は,変態の進展速度を十分認識して検討する必要があることを示唆している。ジルコニアに04mol%のイットリア,030mass%のアルミナを含むセラミックスの正方晶-単斜晶相変態(マルテンサイト型変態といわれている)について,変態開始温度,変態に伴う熱量変化,長さ変化,変態集合組織に及ぼすアルミナ添加の影響を調べた。(1)アルミナ添加のないセラミックスの変態温度は,イットリア添加量の増加と共に減少し,2.5%以上では,ほぼ一定値であった。アルミナの添加は変態温度に大きくは影響しなかった。(2)アルミナ添加と共に,結晶粒径は増加したが変態温度や変態に伴う熱量測定は変わらなかった。しかし,熱膨張変化はアルミナ添加の方が大きいことが判明した。(3)T-M変態に伴う表面起伏は,T相の粒界から発生し,粒内へ進展,さらに隣接粒へ伝播した。その伝播はほぼ同心円状に広がったが,アルミナ添加でT相中に存在する孤立アルミナ粒子でT-M進展は途絶え,その結果,多方面に伝播し,アルミナ無添加の場合より枝分かれするT-M進展状態であった。(4)変態に伴って,(111)_Mと(11-1)_Mの集合組織が顕著に表れたが,アルミナ添加によってそれらは軽減された。また,それらのX線回折強度比も,アルミナ添加で粉末試料とほぼ同じ強度比になった。すなわち,変態による結晶学的集合配向はアルミナ添加で軽減されることが明らかになった。これは,T相粒内での変態生成物への拘束力が小さいことを意味する。(5)変態に伴うセラミックスの割れ発生は,アルミナ添加で抑制されることが判明した。すなわち,アルミナ添加で機械的性質の向上が図られた。(6)アルミナ添加による機械的性質の向上は,T-M変態に伴って生成するM相の隣接T相からの拘束力の減少に関係することが期待され,アルミナ添加がバイオセラミックスの生成に有効であることが判明した。

21世紀の初頭には我が国の人口の25%以上が65歳以上の高齢化社会になることが予測されている.そのため,安全に長期間使用できるインプラント材の開発が進められている.部分安定化ジルコニア(PSZ)は,高強度,高靭性などの優れた性質を有するため.インプラント材としての利用が期待されている.その優れた性質は正方晶(T)→単斜晶(M)相変態に深く関わっており,Y_2O_3およびAl_2O_3量,また環境によって左右される.本研究では,PSZを医療の現場で使用した場合を考え,その熱的安定性について組織学的に,また中性子回折およびシンクロトロン放射光回折を用いて調べた.ZrO_2-Y2O_3の平均結晶粒径はAl_2O_3添加量が増大するにつれて大きくなった.また昇温時の膨張,収縮量,降温時の膨張量もAl_2O_3の添加量に比例して増加した.DSCのシグモイダル曲線はAl_2O_3を添加することによって短時間側にシフトし,飽和に達するまでに長時間を要するようになった.またAl_2O_3を添加することによって,集合組織に変化が認められた.AFM観察の結果,T-M変態は多方向に分岐して進展することが明らかになった.つまり,Al_2O_3添加によって変態時の配向性を抑制し,T-M変態の進展を多方向に分岐させることによって変態が生じやすくなり,機械的性質向上につながることが示唆された.シンクロトロン放射光回折および中性子線回折を利用することで,試料の極表面近傍の深さ方向の情報を得ることに成功した.そのほか,水溶液中での変態その場観察を実現するため,軟X線顕微鏡の開発を行っており,今後の実用化が期待される.
口腔癌の所属リンパ節転移におけるケモカインシステムの解明と口腔癌治療への応用

口腔癌において、顎下または頚部リンパ節への転移の頻度は非常に高く、予後に大きく関与する。リンパ節へのホーミングに関わる因子として、ケモカイン・ケモカインレセプター系が知られているが、今回申請者はケモカインレセプターと同様に7回膜貫通型Gタンパク共役型の構造をもつドーパミンレセプターD3がナイーブCD8陽性T細胞に選択的に発現し、ナイーブCD8陽性T細胞の遊走とリンパ節へのホーミングに関与していることを見出した。今研究期間において申請者は、D3が遺伝子レベルおよびタンパクレベルでナイーブCD8陽性T細胞に発現していること、ドーパミンによる遊走反応および接若反応を誘導すること、ナイーブCD8陽性T細胞の主要な遊走因子であるケモカインCCL19、CCL21、CXCL12との共存下においてドーパミンは相乗的な遊走反応を誘導することを示した。また、D3特異的阻害剤を腹腔内に投与したマウスにおいて、蛍光標識したナイーブCD8陽性T細胞のリンパ節中での特異的な数の減少を認めた。以上の結果から、二次リンパ組織へのナイーブCD8陽性T細胞のホーミングは、D3がナイーブCD8陽性T細胞に選択的に発現しており、ドーパミンはD3を介してインテグリンの活性化、および細胞遊走を誘導することが明らかとなった。さらにマウスへのT細胞の移入実験において、D3特異的阻害剤がナイーブCD8陽性T細胞のリンパ節内での数を選択的に減少することから、ホーミングを部分的に阻害することが明らかとなった。結論として、ドーパミンはケモカインと協調して二次リンパ組織へのナイーブCD8陽性T細胞のホーミングに関与することが示唆された。口腔癌のリンパ節への転移時にもケモカインーケモカインレセプター系だけでなく、D3など他の7回膜貫通型Gタンパク共役型レセプターの関与が考えられ、現在口腔癌組織を用いて研究をすすめている口腔癌において、顎下または頚部リンパ節への転移の頻度は非常に高く、予後に大きく関与する。口腔癌のリンパ節への転移時にもケモカインーケモカインレセプター系だけでなく、D3など他の7回膜貫通型Gタンパク共役型レセプターの関与が考えられ、現在口腔癌組織を用いて研究をすすめている悪性腫瘍の治療のためには、局所制御ばかりでなくリンパ節転移や遠隔転移の防止が重要である。これらのリンパ節転移のメカニズム解明は、転移防止治療の開発に貢献する可能性が高い。リンパ節への遊走に関与するケモカインシステムとしてCCR7-CCL19/CCL21が重要な役割をはたしている。口腔癌細胞によるCCR7-CCL19/CCL21の発現を検討した。口腔癌組織をhomogenizedしてreverse transcription-PCR法にてCCR7、CCL19、CCL21のmRNAの発現を検討した。癌周囲組織を含めた標本からCCR7、CCL19、CCL21のmRNAの明らかなバンドが認められた。リンパ節標本でも明らかな発現が認められた。凍結組織標本を用いて上記CCR7、CCL19、CCL21 mRNAの発現を形態学的にin situ hybridizationにて観察したところ、癌胞巣内にはこれらのmRNAの発現は観察されなかった。癌周囲の間質にそれらのmRNAが観察された。これらを発現する細胞の細胞同定はこれからの課題である。同様に上記抗体を用いてCCR7、CCL19、CCL21蛋白の発現を組織標本において免疫組織染色にて観察した。mRNAの発現とほぼ同様の結果が得られた。細胞マーカーを用いた二重染色にて細胞同定を行う予定である。パラフィン標本でもantigen retrieval法を工夫して染色する予定である。

リンパ節へのホーミングに関わる因子として、ケモカイン・ケモカインレセプター系が知られているが、今回申請者はケモカインレセプターと同様に7回膜貫通型Gタンパク共役型の構造をもつドーパミンレセプターD3がナイーブCD8陽性T細胞に選択的に発現し、ナイーブCD8陽性T細胞の遊走とリンパ節へのホーミングに関与していることを見出した。今研究期間において申請者は、D3が遺伝子レベルおよびタンパクレベルでナイーブCD8陽性T細胞に発現していること、ドーパミンによる遊走反応および接着反応を誘導すること、ナイーブCD8陽性T細胞の主要な遊走因子であるケモカインCCL19、CCL21、CXCL12との共存下においてドーパミンは相乗的な遊走反応を誘導することを示した。また、D3特異的阻害剤を腹腔内に投与したマウスにおいて、蛍光標識したナイーブCD8陽性T細胞のリンパ節中での特異的な数の減少を認めた。以上の結果から、二次リンパ組織へのナイーブCD8陽性T細胞のホーミングは、D3がナイーブCD8陽性T細胞に選択的に発現しており、ドーパミンはD3を介してインテグリンの活性化、および細胞遊走を誘導することが明らかとなった。さらにマウスへのT細胞の移入実験において、D3特異的阻害剤がナイーブCD8陽性T細胞のリンパ節内での数を選択的に減少することから、ホーミングを部分的に阻害することが明らかとなった。結論として、ドーパミンはケモカインと協調して二次リンパ組織へのナイーブCD8陽性T細胞のホーミングに関与することが示唆された。口腔癌のリンパ節への転移時にもケモカイン-ケモカインレセプター系だけでなく、D3など他の7回膜貫通型Gタンパク共役型レセプターの関与が考えられ、現在口腔癌組織を用いて研究をすすめている。
野生生物の重金属濃縮メカニズム解明と生態影響評価の試み

解決の求められる環境汚染物質である重金属類を高濃度で蓄積・濃縮する野生生物の蓄積メカニズムを解明し、その生態影響評価を試みた。数種の植物や、タイワンリス、ジャワマングース、ニホンジカの重金属濃縮を明らかにし、ハクビシンの疥癬との関係から生態影響評価を試みた。また、アジアで採取された魚類の分析からスリランカ等での重金属汚染の影響が懸念された。植物に関してイネ科、マメ科、タデ科を中心にカドミウムおよび鉛に注目した研究を行った。動物はマングースの水銀蓄積、タイワンリスの銅およびハイテク材料である超微量元素の蓄積を中心に、昆虫など生態系全体を通した解析も行った。植物に関してはイネ科、マメ科、タデ科の各数種を用い、金属曝露した条件の栽培試験を行い、基礎データを収集した。とくに、エンバク類およびクロタラリア類は、カドミウム蓄積において近縁種で耐性を有する蓄積種と高感受性の非蓄積種を見いだし、耐性種のカドミウム蓄積には、鉄やカルシウムといった低毒性・必須元素およびそれらと関係したメカニズム(トランスポーターやチャネル)が関係していることが明らかとなった。タデ科ではとくにソバ類で鉛の高蓄積種と比較的蓄積しない種を見いだした。動物では、奄美大島でジャワマングースのサンプリングを環境省および鹿児島大学との共同研究で実施した。また、台湾のタイワンリスにハイテク産業と関連した超微量元素汚染が存在する可能性が見いだされ、とくに大気経由で肺に、カドミウム、ヒ素、ガリウムの特徴的な蓄積を見いだした。ジャワマングースに関しても同様の検討を行ったが、本種の水銀蓄積に大気経由の曝露源の負荷が関与している可能性は低いと結論された。昆虫類ではアリやナナフシ等、一部のグループにヒ素やガリウム等、特殊な濃縮傾向がある可能性が示唆された。資料収集の目的で国内で数カ所、および中国の研究者と打ち合わせ等ミーティングも行った。中国では富カルシウム地域に分布する植生の毒性元素蓄積の可能性を探りたい。化学分析は、ICP-MSによる微量元素分析を中心に、液体クロマトグラフィー法を行える環境を整備し、解毒に関わるスーパーオキシドジスムターゼなどの酵素活性や、ファイトケラチン、メタロチオネインなど高濃度蓄積に関わる各種タンパクの発現などのパラメーターを分析した。重金属類は、過去に深刻な公害事件を引き起こした汚染物質であるが、現在も産業的価値の高さから多方面の素材として使用され、その生産量は増加の一途をたどっている。産業的価値の根拠となる様々な物理化学的性質にとどまらず、生体内においても普遍的に存在し、一部の元素は生命活動に不可欠な必須元素として機能している。自然界で多様に存在する生物の中には、特定の金属類を異常とも言える高レベルで濃縮する種が存在するが、その詳細は未解明と言える。本研究は、野生生物にみられる金属濃縮現象において吸収、蓄積、排泄および解毒のコンパートメントに注目し、蓄積メカニズムの解明を行うと共に、耐性機構を含めた潜在毒性の評価、生態影響への適用へ関連付けることを上位目的としている。本年度は、とくに植物においてはカドミウムに注目し研究を行った。その結果、マメ科のタヌキマメにカドミウム濃縮・耐性品種と、感受性(毒性が出やすい)種を見いだし、その体内における金属結合タンパク(PC)やリグニン含量が特徴的に変化することを明らかにした。動物ではマングースの水銀およびスリランカの魚類における超微量元素の蓄積を中心に解析を行った。その結果、前者は成長に伴う蓄積上昇や、組織特異的な濃縮を明らかにし、後者は採取された6地点を特徴付ける元素組成の存在を明らかにした。つまり、ジャワマングースの毛における水銀排出能が海生哺乳類と類似していることを明らかにし、スリランカの水域には大きく2パターンの元素組成を示す汚染が存在すること(銀・カドミウムパターンとヒ素・水銀パターン)を示唆し、さらに各水域にも汚染を特徴付ける元素が存在することを明らかにした。これらの知見は、大きくは、未だ発見されていない金属類の濃縮種やメカニズムの存在を示唆し、ミニマムには、種以下(品種や個体群)に特徴的な濃縮機構が存在する可能性を示していると結論された。平成20年度は野生生物の重金属濃縮メカニズム解明と生態影響評価の試みを目的とした本研究の最終年となる。そこで、野生生物の重金属濃縮の解明をこれまで通り続行させながら、研究のまとめ及び発表にも重点をおいた。化学分析の対象は、当初の予定通り、野生動物の中から、我が国に分布するシカ類やジャワマングースに加え、ベトナム及びスリランカの魚類を選択し行った。シカ類からはイタイイタイ病の発生が疑われている兵庫県生野鉱山周辺で捕獲された個体より、いまだ極めて高濃度のカドミウムが検出され、今後の調査の必要が示唆された。ジャワマングースは高齢のメス胎内の仔に極めて高濃度の水銀が移行するメカニズムが明らかとなった。魚類を用いた検討では、スリランカの南部沿岸で採取された魚類から極めて高濃度のヒ素を検出し、同時に行った都市部不妊患者の精漿分析とあわせ、スリランカにおけるヒ素汚染の影響が懸念された。

研究全体のまとめとして、ジャワマングースに関して水銀の濃縮器官であることを明らかにした肝臓における細胞内分布を検討した報文を公表し、また、野生動物の微量元素分析を行うことで、本研究の主要テーマ、種に特有な生物濃縮と生態影響評価の試みを行ったタイワンリスやハクビシンのケースを哺乳類科学に公表した。また、生態影響に関して、レビューを求められたカドミウムのリスク評価書に執筆を行った。本研究の結果、現在の地球環境で水銀やカドミウム、ヒ素といった重金属類・生態微量元素は人為活動の影響で、天然由来を上回る負荷がなされ、野生生物は種特異的に蓄積・濃縮している現状が明らかとなった。今後も、野生生物の綿密なモニターと、高精度の生態影響評価の改良が必要と結論された。
熱帯海草藻場生態系の構造と物質環境におよぼす大型草食動物の影響

本研究はタイ南部のアンダマン海に面した熱帯海草藻場において海草の主要な摂餌者の1つであるジュゴンと海草藻場との相互作用を中心にタイのカセサート大学研究者との共同で調査を行った。調査の主要な項目は1)海草藻場の物理・水質環境の把握、2)藻場の生物群集構造の解析、3)海草の成長およびその制御因子の解析、4)ジュゴンの食性およびその摂餌速度の推定、5)ジュゴンの摂餌後での藻場の回復である。現地調査は10年の3月と12月および補足調査を11年3月に行った。平成10年3月にはハロフィラを主体とする潮干帯の藻場でのジュゴンの摂餌を克明に観察することに成功し、その食み跡から摂餌行動および摂餌量の推定を行った。ここには同じ1個体のジュゴンが満潮時に現われ、1-2時間で約5kgのハロフィラを摂餌すること、この付近の海草藻場は5-6種の海草からなる混合群落であるがジュゴンは主にハロフィラを選択的に摂餌していること、ジュゴンによる摂餌はハロフィラの食み跡部分での成長速度を増加させることなどが解った。又この海域は夏は季節風の影響を強く受け、12月の調査時には潮干帯の八ロフィラ藻場は海砂でほぼ埋没しており、摂餌場所は潮下帯の藻場に移行していることが推測された。海草の中でハロフィラは地下部が浅く又栄養価の高い部分が多いことなどからジュゴンに好まれると思われる。11年3月の補足調査では海砂の埋没の少なかった潮干帯下部のハロフィラ藻場にジュゴンが戻って来ているのが確認された。このアンダマン海側のタイ南部は島の多い入組んだ地形であり多くの河川による陸からの土砂や栄養塩の供給があることから豊かな海草藻場が形成されている。又撹乱する環境でのパイオニア種であるハロフィラ藻場も多いここからジュゴンの生育には適した自然環境であるが、活発な網などを使った沿岸漁業活動がある程度のマイナス要因として働いていることが推測された。平成9年度は調査としてタイ側の研究協力者と設定したタイ南部アンダマンに面したHaad Chao Mai National Parkが、インドネシアを中心とする山火事の影響で、12月までアクセスが困難になったため、1月に予備調査、3月に本調査を行った。この海域では海草藻場に対する大型の捕食者であるジュゴンが頻繁に観察されており、予備調査で広範囲にわたってその捕食トレイルが観察された。あらにトレイルが明らかに観察されるのは海草の中でもハロフィラ族が優先種を占める藻場であることがわかった。このハロフィンラ族は我々のこれまでの藻場調査でも環境の不安定な所に出現するいわゆるパイオニア種であると考えられている。又この族は海草の中では、最も光合成に関与する栄養価の高い種類でることも分かっている。このような予備調査での知見をもとに、現在本調査が進行中であるが、本年度の調査の重点は、ジュゴンの海草への摂餌が海草藻場の生物群集およびその生態系としての機能にどのような影響を与えているかを解析することにした。具体的には、1)摂餌によるハロフィラ属、およびそれらと共存する付着動物群集の現存量、種組成、成長速度への影響、2)ジュゴンの食性の安定同位体等を用いた解析、3)この調査海域でハロフィラ属が優先する藻場が成立しているジュゴンの摂餌を含む環境要因の調査などである。この調査海域では、タイ側のサポートにより、3月の本調査の後、来年同定、調査を行う約10か月の間、海草藻場定点における、環境調査、生物群集の現存量調査などの系時変化を観測する予定である。この海域は、張るから夏にかけてモンスーン季節風による、堆積物の移動を含む大きな環境変化が起っている。従って上記の時系列的な定点調査と2回の総合的な精緻あ系調査によってこのような環境変動下での海草藻場の維持機構にジュゴンの摂餌がどように係わっているかを解析することが出来る。

又この海域は夏は季節風の影響を強く受け、12月の調査時には潮干帯の八ロフィラ藻場は海砂でほぼ埋没しており、摂餌場所は潮下帯の藻場に移行していることが推測された。海草の中でハロフィラは地下部が浅く又栄養価の高い部分が多いことなどからジュゴンに好まれると思われる。11年3月の補足調査では海砂の埋没の少なかった潮干帯下部のハロフィラ藻場にジュゴンが戻って来ているのが確認された。このアンダマン海側のタイ南部は島の多い入組んだ地形であり多くの河川による陸からの土砂や栄養塩の供給があることから豊かな海草藻場が形成されている。又撹乱する環境でのパイオニア種であるハロフィラ藻場も多いここからジュゴンの生育には適した自然環境であるが、活発な網などを使った沿岸漁業活動がある程度のマイナス要因として働いていることが推測された。
咬合終末経路の動態画像解析

顎運動の軌跡は種々の方法により把えられてきている。しかし、その開閉口路のうちで特に、上下の歯が最初に接触した時点より咬頭嵌合位に至る咬合終末経路の動態を、精細かつ明瞭に把握することは、歯科医学の基本的な課題であるにも拘らず、未だ適確な解決がなされていない。これは、この咬合終末経路が複雑な変位過程を微小時間内に示すため、その経路の精細な再現が困難であったためであると思われる。そこで、本研究では、多方向からの光マイクロより得られた上下歯列の精密形状を表す三次元座標値マトリックスを、下顎歯列上の3点の咬合終末経路に投射させ、コンピュ-タ画像処理技術を介することにより、咬合終末経路における歯列全体の動態を画像として立体的に再現する基本的アルゴリズムを確立した。これにより、形態として捉えた上下咬合模型の三次元座標値マトリックスと、機能として捉えた顎運動の三次元座標値マトリックスとを数値演算処理により合成され、今後、歯の早期接触や咬頭干渉もしくは咬頭誘導の状態等が任意の時点での任意の方向から、任意の部分を抽出表現することが可能となった。さらに、平成2年度(一般B)「不正咬合者の咬合終末経路における接触滑走状態の画像解析」と題する研究計画により本研究成果の臨床的応用として、各種不正咬合者に特有の咬合終末経路の動態に対し、特にその上下顎の咬合素材の接触にはじまる滑走状態を、本研究成果を基にしたコンピュ-タ-三次元的画像処理技術を駆使することにより究明し、不正咬合の様態およびその成因を明らかにし、矯正の診断や治療上に活用する所存である。
ウラン三元系UーTーX(T=Ni,Pd,Pt,X=In,Sn)の相図と物質探索

まず、UーNiーInとUーNiーSnという未知の三元相図の中に新物質を見出す為に、UaNibXcの組成比を(1:b:1)(1:1:c)として,b,cを1,2,3,4,5という組成せの試料を作製した。X線粉末線回折と金属顕微鏡による組織観察によって単相と確認されたものは(1,1,1);(1,2,1),(1,4,1)(3,3,4)であった。次に(1,2,1)と(3,3,4)に組成比を絞りT元素をNi,Pd,Pt,Cu,Ag,Auとし,XをSn,Sbとした化合物を試作した。この様な物質探索によって7つの新化合物を見出した。それらは,AlPt_2Zr型六方晶構造を持つUCu_2Sn,ホイスラ-型立方晶構造を持つUNi_2In,UNi_2Sn,Y_3Au_3Sb_4型立方晶構造を持つU_3T_3Sn_4(T=Cu,Pt,Au)とU_3Cu_3Sb_4である。以下にこれらの興味ある物性を概要する。UCu_2中でU原子が成す三角格子面は,二枚のCu原子から成る面に挟まれているので,準二次元的な三角格子とみなせる。17Kで起こる反強磁性転移に伴って電気抵抗は急上昇し,15.5Kでピ-クを成す。これは、反強磁性秩序によってフェルミ面の一部にギャップが生じた為であろう。この点を明確にする為に,現在単結晶を育成して研究継続中である。U_3T_3X_4はTとXの組み合わせによって,重い電子系から半導体,さらには強磁性体へと多彩な物性を示す。すべてのSn化合物において、重い電子的挙動が現われる。電子比熱係数はT=Ni,Ptで90mJ/K^2molUであるが、TをそれぞれCu_1,Auへと置換するとγ値は300mJ/K^2molUへと増加する。この質量増強は、d電子数が増えることにより、5fーd混成が弱まった為である。一方,Sb化合物のうちT=Ni,Pd,Ptは、いずれも0.2eVのバンデギャップを持つ半導体である。ところがTをCuとすると金属強磁性体へと変わる。以上の結果から,U_3T_3X_4化合物が,重い電子系となるか,あるいは半導体となるかは,主に5P電子の数によって決まることが明らかになった。
マグネシウムシリサイドを用いた中高温型熱電材料とモジュールの高性能化に関する研究

〈熱電性能指数〉は〈ゼーベック係数〉2乗×〈電気伝導率〉÷〈熱伝導率〉で表されるが、いずれの項もキャリア濃度に依存している。したがって、熱電変換材料のキャリア濃度の制御を行った上で〈熱伝導率〉に含まれるキャリアに依存しない〈格子熱伝導率〉を抑制することが熱電性能の高性能化の指針となる。以上より、本研究では、環境低負荷熱電変換材料であるマグネシウムシリサイド(Mg2Si)の熱電性能の向上のために、以下の内容の研究を実施した。1ドーパントとSiの合金を原料とし、放電プラズマ焼結法を用いてMg2Siを合成することで、ドーパントを均一化し、酸化を抑制したMg2Si試料を作製する2SbおよびGe添加によるキャリア濃度や格子定数の測定から、4bサイト格子間Mgへの影響や正確な固溶限を調査し、熱電特性を評価する3Sb添加Mg2SiにさらにGeを添加することで格子熱伝導率を減少させ、熱電性能を向上させるMg2Siへの添加不純物として、Siサイトへドナーとして固溶されることでキャリア制御が可能であり、Siとの質量差から格子伝導率の減少が可能なSbと、キャリアを生成せずSiサイトへ全率固溶が可能であり、格子熱伝導率を抑制可能なGeに着目した。Siとドーパントの合金を用いたMg2SiのSPS内合成により、Sbの固溶限以下の範囲でSb濃度を制御することでキャリア濃度を制御可能とし、Geの添加によりSbの固溶限を増加させることが可能であることを明らかとした。また、SbおよびGe添加Mg2Siの電気伝導率とゼーベック係数は、Sb濃度に伴うキャリア濃度に依存することが明らかとなった。さらにMg2SiへGe添加することで、電気伝導率およびゼーベック係数へほぼ影響を与えず、格子熱伝導率の減少させることで無次元性能指数ZTの向上に有効的である知見を得た。26年度が最終年度であるため、記入しない。