hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
金属ガラスの大面積・高アスペクト比転写技術の開発とタルボ干渉計用回折格子への応用

インプリント法による、Pd基およびGd基金属ガラスの大面積・高アスペクト比の転写加工技術を確立した。加工性が高いPd基金属ガラスでは過冷却液体温度域における等温保持加工によって十分な加工量を得ることができた。加工性の低いGd基金属ガラスにおいては、結晶化温度以上まで高速昇温することで加工を結晶化完了まで継続させ、十分な加工量を得ることができた。これらの知見に基づいてX線および中性子線位相イメージングに応用できる回折格子の作製に成功した。平成26年度はPd基金属ガラスおよびGd基金属ガラスのインプリント性の基礎的評価を行った。Pd基金属ガラスは高い熱的安定性を有し、粘性流動特性などの基礎データが既に明らかにされている。それらを基にして、Pd42.5Cu30Ni7.5P20金属ガラスを10K/sの加熱速度において、10kNの荷重を負荷することで、幅8ミクロン、高さ30ミクロン(アスペクト比が3.5)のインプリント加工ができた。一方で、Gd基金属ガラスはPd基金属ガラスに比べて熱的安定性が低く、粘性流動特性の基礎データがほとんど調べられていない。従って、Gd基金属ガラスにおいてはインプリント加工に適する熱的安定性と粘性流動特性を有する合金の組成探査から始めることにした。様々な組成のGd-Al-(Co,Cu,Ni)金属ガラスを作製し、熱分析により過冷却液体温度域や結晶化潜伏時間を測定した。また、熱機械試験により過冷却液体の粘性率を測定した。これらに基づいて各組成の金属ガラスの成型性(formability)を計算した結果、Gd60Cu25Al15の合金組成の成形性が最大となることが予想され、次のインプリント試験に用いることとした。幅5ミクロン、深さ18ミクロンの溝が周期的に加工されたSi型にGd金属ガラスリボン(5mm×5mm)を押し当て、300°Cまで加熱した後、1000Nの圧縮荷重にてインプリント加工した。その結果、高さ18ミクロン、幅5ミクロン(アスペクト比が3.6)の縞状格子が均一に成形されており、高さ、幅ともにシリコン型を完全に転写することができた。このようにPd基およびGd基両金属ガラスにおいてインプリント加工できることが確認できたので、平成27年度以降はスパッタ装置や高速加熱高荷重インプリント装置を利用して、転写の高アスペクト比・大面積化を図り、実寸の回折格子を試作してイメージング試験を行う。平成26年度は、Gd60Cu25Al15金属ガラスを用いて、一定温度において結晶化潜伏時間内にインプリント加工を完了し、ガラス相を維持したまま格子を得るため条件探査を行っていた。この結果、ピッチ5ミクロン、高さ18ミクロンの格子の作製に成功していた。中性子を用いたタルボ・ロー干渉計によるイメージングでは、格子がガラス構造か結晶構造であるかは中性子の吸収にあまり影響しないことを考慮して、平成27年度は結晶化を許容することで、最大の深さのインプリント加工ができる条件を探査した。その結果、あらかじめ100 MPaの圧縮応力を付加し、10°C/秒の高速でガラス相の結晶化温度を上回る約700 Kまで昇温すると、ガラス遷移温度到達直後から粘性流動変形が開始し、ガラス相の結晶化が完了するまで変形が継続し、インプリント加工深さが最大となることが明らかになった。この加工条件を用いることでピッチ9ミクロン、高さ約30ミクロンの回折格子が得られ、平成26年度に用いていた一定温度条件の場合に比べてインプリント深さを増大させることができた。本研究で開発したGd合金格子を用いて中性子線イメージング試験を行った。試料にはアルミニウムを用いた。アルミニウムは中性子線をほどんど吸収しないため、吸収コントラスト像では試料を観察することができなかったが、本研究で開発したGd合金格子を組み込んだタルボ・ロー干渉計による微分位相コントラスト像ではアルミニウム試料を明確に観察することができ、インプリント法で作製したGd合金が中性子線イメージングに利用できることを実証した。Pd基金属ガラスおよびGd基金属ガラスの最適インプリント加工条件の導出、スパッタ装置による大面積金属ガラス膜の作製条件を明らかにすることができており、概ね研究計画を達成することができている。材料工学平成26年度の研究において、Pd基およびGd基両金属ガラスにおいてインプリント加工できることが確認した。平成27年度以降はスパッタ装置や高速加熱高荷重インプリント装置を利用して、転写の高アスペクト比・大面積化を図り、実寸の回折格子を試作してイメージング試験を行う。平成26年度は主に小型試験片を用いたインプリント性の評価や、スパッタ成膜の条件探査等の基礎研究を中心に行ったため、地金等の消耗品の消費が見込みよりも少なかった。

平成27度初期においてスパッタ装置を用いた大面積金属ガラス試料作製を計画しており、このために貴金属(Pd,Pt)や希土類(Gd)等の高価金属合金のスパッタターゲット作製用地金購入、ターゲット加工、成膜基板購入などに使用する予定である。
可積分等質幾何構造と不変式

本研究では等質空間上の可積分幾何構造の存在・非存在問題、及びリーマン多様体の局所等長埋め込み問題における可積分条件について、代数的な不変式論の観点から取り組んだ。更にこれらの研究の基盤となる表現論上の問題(plethysmの分解公式等)にも取り組んで、様々な成果を上げることができた。具体的な成果としては、例えばリー群上の左不変で平坦な共形構造に対応するリー環の表現から不変式を構成することに成功し、またリーマン多様体の等長埋め込み問題に関しては4次元ユークリッド空間に超曲面として実現可能な3次元多様体の特徴付けを曲率の不変式・共変式を用いて与えることができた。研究2年目である今年度は、不変式に関する研究として、plethysmの分解公式、及び不変量の初等幾何学への応用について調べた。plethysmとはテンソル空間のある種の合成積のことであるが、特別な場合を除いてその分解公式は未だ知られていない。曲率を含む一般のテンソル積空間における不変式の状況を把握するためには、この分解公式を(ある限られた場合でもよいから)知ることが不可欠な1ステップである。この問題に関して、今年度はn次元線形空間上の3次形式の場合について調べ、この空間の分解状況がある多面体内の格子点と対応していることを示した。これにより、plethysmを既約分解したときの既約成分の個数がnの多項式で表されることが分かり、またこの分解式に相互律を適用することにより、一般のm次形式が3次の不変式をもつ場合をすべて確定することができた。これらの結果を更に一般次元の一般次形式に拡張することが今後の課題である。また、不変式(不変量)の一つの応用として、初等幾何学で有名なラングルの問題(四角形の一般化された外心に関する問題)が四角形の不変量を用いて非常に明快な形で解決されることを示した。一般に四角形は相似不変量を7個もち、そのうち関数的に独立なものは4個ある。これらの生成元を辺及び対角線の長さの有理式で具体的に書き下し、それらを用いてラングル変換はinvolutiveであることを示した。証明の過程において、上記生成元が関数的に独立でないために、その都度不変式間の恒等式を見出しながら目標とする等式を示すという作業が必要であった。これと全く同じ現象が曲率型テンソル空間においても起こっており、今後の研究を進めてゆく上で重要な手法・知見が得られたと考えている。今年度は、リーマン多様体の等長埋め込み問題に現れる可積分条件について、表現論的側面から研究を行った。等長埋め込み問題を考察する際、最初の障害(=可積分条件)として現れるガウス方程式が解をもつための必要条件について表現論的視点から考察し、今までにない新たな必要条件を求めることに部分的に成功した。テンソル積空間を一般線形群の作用のもとで既約分解すると様々な表現空間が得られるが、それらは自然数のある分割と1対1に対応している。リーマン多様体が与えられたとき、その曲率を用いてある分割に対応する二つの表現空間の間の写像が自然に定義される。もしこのリーマン多様体がある特定の余次元に局所等長埋め込み可能であれば、この写像は自然に定まる自明でない核をもつことを示すことができた。数多く存在する表現空間の中で、どの空間を用いればこのような性質をもつ写像が構成できるのかが最大の問題点であったのだが、plethysmの計算結果等表現論的諸事実を有効に活用することにより、突破口を見出すことができた。これにより、曲率の定める線形写像の階数を計算することにより、ガウス方程式がある余次元では解を持たないことを示すことが原理上可能となった。現時点では、このような写像は余次元が3以下でしか存在が確認されていないが、更に表現論的な考察を深めることにより、より高い余次元の場合に拡張されるものと期待される。また、こうして得られた新たな条件を具体的なリーマン多様体(例えば複素射影空間等のリーマン対称空間)に適用することにより、現在得られている埋め込み可能な次元の評価が改良される可能性がある。ここしばらく膠着状態にあったリーマン多様体の局所等長埋め込み問題において、新たな展開が期待される地点に至ることができた。研究初年度である今年度は、リー群上の左不変で平坦な共形構造について研究を行った。このような幾何構造とリー環のある種の条件を満たす準同型写像との間には1対1の対応が存在していることが知られている。この条件を満たす準同型が存在するための必要十分条件(存在・非存在を判定するアルゴリズム)について、射影構造の場合には100%満足できる結果が既に得られているが、同様の条件を共形構造の場合に求める研究を行った。現時点では、必要十分といえる条件にまでは至れていないが、存在のための必要条件を種々求めることができた。(表現行列と可換な行列の固有値の符号を調べることにより、必要条件が得られる等。)更にこの条件を用いることにより、いくつかの半単純リー群に対し、不変で平坦な共形構造の存在しないことを示すことができた。ただし、今回得られた条件だけでは十分性が成り立たないので、更なる必要条件を見出す必要があり、これは次年度以降の研究課題として取り組む予定でいる。平坦な射影構造の場合には、この幾何構造が存在すればある種の不変式が必ず対応して存在することが知られていた。同様の現象が平坦な共形構造の場合にも成り立つことを示すことができた。

共形構造の場合には、射影構造の場合に比べモデル空間のリー環の構造が複雑であるため、不変式の構成法はやや複雑なものとなった。またこの不変式の因子と、共形構造の下部幾何構造(例えば定曲率リーマン計量)との関連について研究を行った。射影構造の場合と同様、この不変式は特別な形の因子をもつことを示すことができた。今年度は主に左不変計量の与えられた低次元リー群の局所等長埋め込み問題について研究を行った。これは橋永貴弘氏との共同研究である。左不変計量の与えられた3次元リー群の中で、例えば3次元正定曲率空間や2次元双曲平面とR^1の直積空間等は明らかにR^4に超曲面として(局所的に)実現することができる。しかしそれら以外のリー群あるいは左不変計量については、超曲面としてR^4に実現できるか否かについては未知の事柄であった。今年度は主にこの問題に取り組み、ほぼ決定的な解を得るに至れた。局所等長埋め込みは本質的に偏微分方程式の問題であり、ガウス方程式がその最初の可積分条件として現れる。私のこれまでの研究により、ガウス方程式が解を持つための様々なobstructionが発見されている。しかし、3次元リー群の場合にはこれら既知の条件を使うだけでは超曲面としての実現可能性は多くの場合判定不能であることがわかる。そこでガウス方程式の次の段階(1階数だけ高いジェット空間)に現れる可積分条件について計算をすすめ、その結果ほぼすべての3次元リー群は超曲面としてユークリッド空間に実現できないことを示すことができた。部分多様体の基本定理としてよく知られているように、リーマン多様体が局所的にユークリッド空間に超曲面として実現できるためには、ガウス方程式とコダッチ方程式を満たすことが必要かつ十分な条件である。しかし、これはリーマン多様体の各点に第2基本形式が与えられて初めて判定可能な条件であり、アブストラクトなリーマン多様体には適用できないものである。上記の「次の段階に現れる可積分条件」はこの困難を突破する判定法であり、今回得られた結果は3次元リー群という特別なケースではあるが、ガウス方程式を超えた判定法が有効に機能した初めての例を与えるものである。本年度は主に3次元リーマン多様体が4次元ユークリッド空間に局所等長埋め込み可能となるための必要十分条件を、リーマン多様体の内在的な量であらわすための研究を行った。その結果、埋め込み可能となる条件として、曲率テンソルが定めるある3次の不変式に関する不等式が成り立つこと、及び曲率とその共変微分を用いたある高次のテンソル式(これは共変式となる)が0になることが(リーマン多様体がgenericの仮定の下で)必要十分であることを示すことができた。ここに現れる不等式はガウス方程式の可解性に関わる条件であり、また後者の共変式は、等長埋め込みを表す偏微分方程式系の可積分条件から導かれるものである。前年度までの研究により、個々の空間に対する埋め込み可能性の判定法は既に確立していたのであるが、今年度の成果により、ある手順を積み上げて判定するのではなく、ある幾何学的な量を計算するだけで埋め込みの可能性をほぼ100%判定することが可能となった。これは内在的な量のみで、等長埋め込みの可否が判定できるという、今までにない新しい方向性を示す結果である。
コグニティブ無線に用いるＯＦＤＭ信号の帯域外漏洩電力抑圧に関する研究

本研究の目的は,OFDMベースのDynamic Spectrum Access型コグニティブ無線において,二次利用者の送信信号の隣接帯域(二次利用者が使用する帯域の左右に隣接する帯域),および峡間帯域(既存利用者が使用する二次利用者に挟まれた帯域)への漏洩電力を同時に抑圧する新しい手法について検討することである.本年度はOrthogonal Precoding (OP)の計算量をさらに削減する手法を考案した.従来のOP法は全サブキャリアを用いて帯域外電力を抑圧するため,サブキャリア数に比例する計算量が必要であった.本年度に提案した手法では帯域外漏洩電力抑圧に使用するサブキャリアを減らすことで計算量を削減することが可能となった.数値実験により性能を維持したまま計算量が削減できることを確認した.またOP法と窓関数法のハイブリッド法を提案し,隣接帯域だけでなくより広い帯域での漏洩電力の抑圧性能を改善した.加えて本年度はN-continuous Symbol Padding (NCSP)のPAPR抑圧法を考案した.4G LTEで広く用いられるDFT-s-OFDMとNCSP-OFDMとのハイブリッド法を提案し,数値実験により性能改善を確かめると共に,SDR(Software Defined Radio)ボードによる実装実験を行った.以上の研究結果を元に1本の論文を投稿し受理され,2件の国内研究発表会で発表した.また2本の論文を投稿準備中である.本研究の目的は,OFDMベースのDynamic Spectrum Access型コグニティブ無線において,二次利用者の送信信号の隣接帯域(二次利用者が使用する帯域の左右に隣接する帯域),および峡間帯域(既存利用者が使用する二次利用者に挟まれた帯域)への漏洩電力を同時に抑圧する新しい手法について検討することである.本年度は主にN-continuous Symbol Padding (NCSP)とOrthogonal Precoding (OP)の計算量削減について検討した.まずOrthogonal Precodingの計算量削減法としてプレコード行列を特異値分解すると,ここで得られる特異値行列の非ゼロ要素数が元の行列のサイズと比較して十分すくなることを発見した.これにより行列サイズを小さくすることが可能となり,大幅な計算量削減に成功した.次にN-continuous Symbol Paddingの計算量削減法として,同様な特異値分解を導入した.これにより計算量が削減され安価なFPGAへの実装が実現できることを示した.さらにこれまで2つのFFTモジュールが必要であたった計算を整理することでFFTを1つ削減することができた.以上からより現実的なサイズで回路実装が可能となった.以上の研究結果をもとに2本の論文にまとめ受理された.また2件の国際会議および9件の国内研究発表会で発表した.国内研究発表のうち1件は招待講演である.当初,NCSPとSpectrum Sculpting Precoder (SSP)のハイブリッドにより漏洩電力を抑圧することを計画していた.これはSSPが峡間帯域への漏洩電力抑圧に優れているからである.しかしSSPは誤り率劣化を伴う手法であり,これが問題として残っていた.本年度はこの解決策としてOrthogonal Precoding (OP)を導入することでこの問題を解決することを試みた.OPは若干伝送効率が低下するものの誤り率劣化を伴わないプレコーディングであり,SSPとのハイブリッドが容易であることが以前から知られていた.ただし計算量が大きい問題があるため当初は本手法を検討外としてた.本年度になりこの計算量を大幅に削減できる手法を考案できたためその詳細を提案し,計算量削減効果を評価した.一方,NCSPについても計算量削減法を提案した.本手法はプレコード行列を特異値分解することで計算量を削減するもので,廉価なFPGAへの実装に適している.HDLにより回路設計した結果,従来法よりも少ない回路規模で同等の性能が得られることを確認した.本研究の目的は,OFDMベースのDynamic Spectrum Access型コグニティブ無線において,二次利用者の送信信号の隣接帯域(二次利用者が使用する帯域の左右に隣接する帯域),および峡間帯域(既存利用者が使用する二次利用者に挟まれた帯域)への漏洩電力を同時に抑圧する新しい手法について検討することである.本年度はOrthogonal Precoding (OP)およびN-continuous Symbol Padding (NCSP)の計算量削減について検討した.昨年度はOrthogonal Precoding (OP)とSpectrum Sculpting Precoder (SSP)のハイブリッド法の計算量削減に成功した.本年度はOrthogonal PrecodingとN-continuous schemeのハイブリッド法の計算量削減に取り組んだ.N-continuous schemeは帯域外輻射電力の抑圧に関してSSPより優れている.また,N-continuous Symbol Paddingの送受信機の計算量削減およびハードウェア化に関する研究に取り組んだ.送信機に関しては昨年度提案した削減法についてさらに検証を行った.また受信機に関してはこれまで複雑であった受信アルゴリズムを簡素化して従来の受信器と同じとし,数値実験を行った結果,十分な性能が得られることを確認した.以上の研究結果をもとに2本の論文を投稿して受理された.また3件の国際会議および1件の国内研究発表会で発表した.本年度までの研究の結果,OPとSSPのハイブリッド法,およびOPとN-continuous schemeのハイブリッド法の計算量が大幅に削減でき,実用化に近づいた.両手法はそれぞれ峡間帯域および隣接帯域への漏洩電力抑圧に有効であり,コグニティブ無線への応用に適している.一方,提案法は経験則に基づく手法であり理論的な裏付けがない問題がある.また峡間帯域および隣接帯域の漏洩電力を同時に抑圧する手法が必要である.さらに,従来の窓関数法などの手法と比べてまだ計算量が大きい問題が残っている.

NCSPは本年度までの研究で相当な計算量削減を達成でき,特に受信機は従来のOFDM受信機と同じものが利用できることを確認した.一方,本手法はN-continuous schemeによる波形整形法であり,峡間帯域への漏洩電力抑圧性能が高くない問題がある.またprecoding法であることから他のprecoding法との混載が難しい問題がある.さらに送信機の計算量は窓関数法と比較してまだ十分に抑制されるべきである.実機での検証も必要と考える.本研究の目的は,OFDMベースのDynamic Spectrum Access型コグニティブ無線において,二次利用者の送信信号の隣接帯域(二次利用者が使用する帯域の左右に隣接する帯域),および峡間帯域(既存利用者が使用する二次利用者に挟まれた帯域)への漏洩電力を同時に抑圧する新しい手法について検討することである.本年度は昨年度までに開発したOrthogonal Precoding (OP)の計算量削減法について理論的解析を行い,その妥当性を検証した.OPとSpectrum Sculpting Precoder (SSP)のハイブリッド法は優れた帯域外輻射電力抑圧性能を有するが,その計算量はサブキャリア数の2乗に比例するため実用上の問題があった.昨年度までに開発した手法によるとその計算量を大幅に削減することが可能となったが,解析的に検証されていなかった.本年度はこれに取り組み,開発した手法が理論的に妥当であることを証明した.加えて本年度はN-continuous Symbol Padding (NCSP)の回路化を進めた.市販のFPGA(Field Programmable Gate Array)ボードと高速なDA/ADを使用してソフトウェア無線機として実装し,簡易な実験を行った.帯域外輻射電力が通常のOFDMより大きく低減できることをスペクトルアナライザで確認することができた.以上の研究結果をもとに3本の論文を投稿して受理された.また3件の国内研究発表会で発表した.OPとSSPのハイブリッド法のプレコード行列のサイズはサブキャリア数×サブキャリア数で,これを用いたプレコード計算には莫大なコストを要する.昨年度までに行った研究によると,プレコード行列を特異値分解するとわずかな個数の特異値を残して,他はすべて0となることが発見されていた.非ゼロの特異値の数はプレコード行列を求める際に使用する制約条件数に比例しているが,この数はサブキャリア数と比べて極めて少ないため,0の特異値をりようすることで大幅な計算量削減が可能となった.ただし昨年度までは本手法の理論的裏付けがなかった.本年度の研究によりプレコード行列の性質から使用する制約条件数の2倍以上の非ゼロ特異値が存在しないことを解析的に証明した.これによる開発した手法の理論的な有効性が裏付けられた.
生体マイクロ波原子間力顕微鏡の開発及び細胞活性の非侵襲計測

本研究は、微細加工技術により微小寸法のマイクロ波伝送導波線路の開発が可能であることに着目して、細胞内物質の導電率および誘電率を計測する独自の発想に基づき、マイクロ波の伝送、検出ができる生体計測用マイクロ波原子間力顕微鏡プローブを開発し、探針近傍の細胞における近接場マイクロ波の振幅および位相の変化を検出することによって、細胞の電気的特性の計測を可能にする独創的な生体マイクロ波原子間力顕微鏡を開発した。本研究は、MEMS微細加工技術により微小寸法のマイクロ波伝送導波線路の開発が可能であることに着目して、細胞内物質の導電率および誘電率を計測する独自の発想に基づき、液体中でもマイクロ波の伝送、検出が可能である生体計測用マイクロ波AFMプローブを開発し、探針近傍の細胞における近接場マイクロ波の振幅および位相の変化を検出することにより、細胞活性の非侵襲計測を可能にする独創的なマイクロ波生体顕微計測技術を開発する。本年度は以下の実績を得た。(I)生体マイクロ波AFMプローブの開発(I-1)マイクロ波AFMプローブの設計マイクロ波の伝送特性と、AFMプローブの形状、寸法、培養液の誘電率など各要素を考慮し、電磁波の伝送解析理論に基づき、75GHz110GHz帯域のマイクロ波を効率よく伝送できる導波線路を設計した。さらに導波線路の材質、形状、寸法、使用周波数などに基づき、マイクロ波の伝送・検出が可能になる細胞計測マイクロ波AFMプローブの最適な構造を決定した。(I-2)ガリウム砒素AFMカンチレバーの作製マイクロ波導波路の基板として導波損失の少ない半絶縁ガリウム砒素を用い、マイクロ波導波プローブの基本になるAFMカンチレバーの開発に成功した。(I-3)マイクロ波AFMプローブの開発スパッタリングによりガリウム砒素カンチレバーの上下表面に金属膜を蒸着させ、マイクロストリップライン構造の導波路を形成した。さらに集束イオンビーム加工技術を用いて、カンチレバー探針部にスリトを導入させ、マイクロ波の伝送が可能になるマイクロ波AFMプローブの開発に成功した。(II)骨髄幹細胞の増殖培養凍結状態の骨髄幹細胞を解凍し、37°C、5%CO_2の環境中で10%ウシ胎児血清液を含むDMEM培地中に培養し、各段階での培養、洗浄、分離を経て、活性度の高い骨髄幹細胞の増殖培養を実現した。本研究では、生体計測用マイクロ波原子間力顕微鏡(AFM)プローブを新規開発し、細胞内物質の導電率および誘電率を同時に計測することによって、細胞の活性を定量的に評価できる技術の確立を目的とする。(I)サブミクロンスケールのマイクロ波近接場計測(I-1)生体マイクロ波AFMプローブの評価原子間力顕微鏡を用いて、開発したマイクロ波AFMプローブの表面形状計測機能を調査し、プローブのバネ定数や共振周波数、検出分解能などについて評価を行った。さらに、ネットワークアナライザを用いて、開発したマイクロ波AFMプローブのマイクロ波導波特性を調査し、プローブのマイクロ波周波数に関する電気損失や位相変化について評価を行った。(I-2)生体マイクロ波AFMプローブの最適化マイクロ波原子間力顕微鏡を用いて、マイクロ波の伝送、検出に関する各種検証実験を実施した。実験結果と理論を比較し、細胞計測マイクロ波AFMプローブの形状、寸法などを改良し、マイクロ波AFMプローブの探針近傍の細胞における近接場マイクロ波の振幅および位相の変化の検出感度を向上させ、マイクロ波AFMプローブの最適化を実現した。(I-3)マイクロ波近接場の計測培養した骨髄幹細胞を用いて、細胞内1μm深さ範囲における近接場マイクロ波の計測を行った。75GHz110GHz帯域のマイクロ波を掃引することにより、各周波数における近接場マイクロ波の振幅および位相の変化の高精度計測を実現した。(II)骨髄幹細胞による腱/靭帯線維芽細胞の分化シリコン皿の伸展による力学的な刺激により、骨髄幹細胞の分化による腱/靭帯線維芽細胞の生成を実現した。腱/靭帯の線維芽細胞の検出計測は逆転写遺伝子増幅法により実現した。さらに、伸展の振幅、周波数、作用時間などの刺激条件を制御することにより、骨髄幹細胞の分化による腱/靭帯線維芽細胞生成の最適化を行った。本研究では、マイクロ波の応答が物質の電磁気物性値に依存する特徴を利用して、サブミクロン空間分解能を有する生体計測用マイクロ波原子間力顕微鏡(AFM)プローブを新規開発し、細胞内物質の導電率および誘電率を同時に計測することによって、細胞の活性を定量的に評価できる技術の確立を目的とした。本研究において、MEMS微細加工技術により微小寸法のマイクロ波伝送導波線路の開発が可能であることに着目して、液体中でもマイクロ波の伝送、検出ができる生体計測用マイクロ波AFMプローブを開発した。マイクロ波導波路の基板として導波損失の少ないガリウム砒素を用い、微細加工プロセスにより、マイクロ波導波プローブの基本になるAFMのカンチレバーを作製した。

またスパッタリングによりガリウム砒素カンチレバーの上下表面に金属膜を蒸着させ、マイクロストリップライン構造の導波路を形成した。さらに集束イオンビーム加工技術を用いて、カンチレバー探針部の導波路を完成させ、マイクロ波を伝送できるAFMカンチレバー、すなわちマイクロ波導波AFMプローブの開発に成功した。さらに、培養した骨髄幹細胞を用いて、細胞内1μm深さ範囲における近接場マイクロ波の計測を行い、75GHz110GHz帯域のマイクロ波を掃引することにより、特定の共振周波数における近接場マイクロ波の振幅および位相の変化の高精度計測を実現した。測定結果をマッピングすることにより、細胞の表面形状および電気的特性分布をサブミクロン空間分解能で同時に計測することに成功した。
肺腺癌の系統的転移モデルの作製

EGFR, KRAS, ALK, METなど、さまざまなドライバー変異を有する肺腺癌細胞を左心室内に接種し、系統的に肺癌転移モデルを作製した。また一部の細胞については、低接着培養条件下にて長期浮遊3次元培養することにより、浮遊状態で増殖し通常の培養条件では再接着する能力を有する亜株(FL株)を作製するとともに、FL株が親株よりも高い転移能を有することを明らかにした。さらに親株とFL株の包括的な遺伝子解析を行い、FL株において発現変動のある転移関連遺伝子、あるいはFL株で遺伝子増幅を示すゲノム領域を同定した。今回作成したさまざまな転移モデルは、転移形成の分子機構を探るうえで有効な手法と考える。本研究では、さまざまなドライバー変異を有する腺癌細胞株を系統的にNOD/SCIDマウスの胸腔あるいは左心室内に移植しin vivoの転移モデルを作製することを目的としている。肺癌細胞40株のドライバー変異の内訳は、KRAS (n=11), EGFR (n=5), MET (n=3), HER2 (n=2), BRAF (n=2), EML4-ALK (n=1)などであり、肺腺癌のドライバー変異の多様性をよく反映した構成になっている。初年度は以下の検討を行った。低接着条件での長期培養:より高い転移能を持つ細胞を選択するために、肺癌細胞40株について、低接着培養皿上での浮遊培養を3-4ヶ月継続して行った。浮遊培養の初期では、円形のスフェロイドを形成するものが27株、ぶどう状のスフェロイドを形成するものが13株あり、一部をのぞき、ほとんどの細胞株において細胞数の減少あるいは増加の停止がみられた。しかし、長期浮遊培養を行うことにより、スフェロイドの形態変化とともに新たに増殖能を獲得した細胞が選択されてくる現象が半数近くの細胞株において認められた。胸腔内接種、左心室内接種の準備実験:(1)の長期浮遊培養で得られた亜株の一部はすでに胸腔内への接種を行い、肺内の脈管内への侵襲性、肺内転移を示すことが確認されている。さらにIn vivo imagingの実験の準備のためLuciferase発現ベクターを安定的に発現するための遺伝子導入実験についても開始している。本研究では、さまざまなドライバー変異を背景にもつ肺腺癌細胞を系統的に免疫不全マウスの胸腔あるいは左心室内に注入し、現実の肺腺癌の状況に近い転移モデルを作製することを目的とする。肺腺癌40株のドライバー変異の内訳は、KRAS (n=11), EGFR (n=5), MET (n=3), HER2 (n=2), BRAF (n=2), EML4-ALK (n=1), Others (n=16)となっており肺腺癌の多様性をよく反映している。これら細胞を低接着培養皿で長期(2-6か月)培養し、低接着の環境においても増殖能を獲得した亜株(以下、亜株)をそれぞれのドライバー変異に対して作成した。各親株と亜株を免疫不全マウス(NOD/SCIDマウス)の皮下あるいは胸腔内に接種し、腫瘍形成能、組織形態についてまず検討した。親株と亜株で皮下の腫瘍形成能に大きな違いはなかったが、胸腔内接種では、浸潤性、転移能に違いのある細胞も認められた。これまでA549 (KRAS変異株), H441 (KRAS変異株), HCC4006 (EGFR変異株)、それぞれの親株と亜株にluciferase発現ベクターを導入し安定的に発現する細胞を作製した。これら細胞を胸腔内接種、あるいは左心室内接種し、転移が形成されること、転移巣が継時的に増殖する過程をin vivo live imagingによって可視化することに成功している。さまざまなドライバー変異を有する癌細胞を左心室内に接種し、系統的な転移モデルの作成を行った。実験に用いた肺癌細胞は、HCC4006 (EGFR変異株), H441 (KRAS変異株), H2009 (KRAS変異株), A549 (KRAS変異株), H2228 (ALK転座株), LC-2/ad (RET転座株), H1993 (MET増幅株), ABC-1 (NF1変異株)である。転移のステップとして細胞・基質間の接着低下が重要であると考えられていることから、長期間にわたり低接着プレート上で浮遊3次元培養することにより、肺腺癌の高転移株の作成もあわせて試みた。各々の細胞株にルシフェラーゼを導入後、NOD/SCIDマウスの左心室内にエコーガイド下で接種し、IVISによる発光の観察と組織学的な検討を行った。左心室内接種により、HCC4006, H441, A549, H2228, H1993について転移モデルを作成できた。またH441, A549に関しては、低接着プレート上の浮遊状態で増殖する亜株(以下FL株)を得ることができた。FL株は通常の培養条件下では再接着し、親株に比して紡錘形への形態変化を示した。左心室内接種によりFL株は親株よりも高い転移能を有していた。次いで高転移形成の分子機構を探るため、包括的な遺伝子発現、コピー数解析を行い、FL株において発現変動のある遺伝子、あるいはFL株で増幅を示す遺伝子領域を同定した。

転移形成に関与する候補遺伝子、シグナル経路を阻害するこにより、in vitroでの段階ではあるが、FL株の転移形質を一部抑制可能であることが示された。今回作成したさまざまなドライバー変異を有する癌細胞の転移モデル、長期低接着培養株による高転移モデルは、細胞・基質間の接着低下を介した転移形成の分子機構を探るうえで有効な手法である可能性がある。EGFR, KRAS, ALK, METなど、さまざまなドライバー変異を有する肺腺癌細胞を左心室内に接種し、系統的に肺癌転移モデルを作製した。また一部の細胞については、低接着培養条件下にて長期浮遊3次元培養することにより、浮遊状態で増殖し通常の培養条件では再接着する能力を有する亜株(FL株)を作製するとともに、FL株が親株よりも高い転移能を有することを明らかにした。さらに親株とFL株の包括的な遺伝子解析を行い、FL株において発現変動のある転移関連遺伝子、あるいはFL株で遺伝子増幅を示すゲノム領域を同定した。今回作成したさまざまな転移モデルは、転移形成の分子機構を探るうえで有効な手法と考える。luciferase vectorを安定的に発現する株を作製するうえでの条件検討に予想以上の時間をとられた。また一部の細胞については、転移形成の再現性が安定しなかったため、実験手技につき細かな再検討を行った。以上の理由により、やや計画より遅れているが、現在これら技術的な問題はほぼ解決している。人体病理KRAS, EGFR, MET, HER2, BRAF, ALK, RETなどのドライバー変異を有する細胞株とそれに由来する低接着性の亜株につき、luciferase発現ベクターを導入しlive imagingの準備を行う。次いで系統的にマウスの胸腔内あるいは左心室内に接種し、転移モデルを作製する。転移組織の組織標本を作製し、免疫組織学的な解析を行う。高転移能を獲得した細胞について、遺伝子発現プロファイル、コピー数解析を行い、親株との比較により、転移に関係する遺伝子の同定を行う。高転移能を付与するための長期浮遊培養は順調に進んでいる。胸腔内接種によりより悪性形質を示す亜株も得られている。マウスへの接種実験は当初の計画より少し遅れているが、大きな遅れとはなっておらず問題はない。以下の2つの理由により、実験に遅れが生じたため。(1) luciferase vectorを安定的に発現する株を作製するうえでの条件検討に予想以上の時間をとられた。(2)一部の細胞については、転移形成の再現性が安定しなかったため、実験手技につき細かな再検討を行った。長期浮遊培養を行うことによりスフェロイドの形態変化とともに新たに増殖能を獲得した細胞のうち、特にEGFR, KRAS, HER2, MET, RET, ALKなどのドラバー変異の判明している細胞を重点的に解析する。in vivoの接種前にluciferase発現ベクターを導入し、in vivoでの転移をモニターできるようにしておく。転移能を新たに獲得した細胞については、ゲノムワイドのコピー数解析、遺伝子発現解析を行い、親株と比較することにより、転移能の獲得に関与している遺伝子変異を探索する。転移関連遺伝子の候補については、shRNA vectorなどのよるノックダウン実験により機能解析の実験を行う。KRAS, EGFR, MET, HER2, BRAF, ALK, RETなどのドライバー変異を有する細胞株とそれに由来する低接着性の亜株につき、luciferase発現ベクターを導入しlive imagingの準備を行う。
血管系細胞の細胞間シグナル伝達系に対する酸化ストレスの影響

血管系細胞とマクロファージとの相互作用は、血圧調節や動脈硬化など生理的、病理的にも重要である。特に動脈硬化の成立には酸化的に変性した低密度リポタンパク質(LDL)が重要な要因のひとつであることが知られるようになってきた。本研究では、血管系細胞のシグナル伝達系に対する酸化LDLなどの酸化ストレスの影響を明らかにするために、まず、血管平滑筋の抗酸化系の制御機構を調べ以下の結果を得た。1、ヒト血管平滑筋に酸化LDLを負荷した時、形質膜上でのシスチンの輸送活性が増大した。また、基質特異性などの結果から、これがシスチン、グルタミン酸の交換輸送を担うX_C^-系であることを示した。2、シスチン輸送活性の上昇に伴なって細胞内グルタチオンレベルも増加した。3、低分子抗酸化物質のひとつとして知られているアスコルビン酸を平滑筋細胞に24時間負荷した後、酸化LDLを添加するとシスチン輸送活性および細胞内グルタチオンの上昇が、アスコルビン酸濃度依存的に抑制された。以上のことから、血管系細胞のひとつである血管平滑筋細胞にも、マクロファージや血管内皮細胞で見られたような酸化ストレスに対する防御系が存在することが明らかとなった。また、アスコルビン酸は、血管平滑簡に対し酸化LDLによる酸化ストレスを軽減する作用のあることが示唆された。今年度の結果は、昨年度の成果と合わせて、血管系細胞およびマクロファージのシグナル伝達系における酸化LDLの影響を考察するうえで有用な知見であると考えられる。なお、本研究の成果は、論文および総説として発表した。近年、動脈硬化の成立には酸化的に変性した低密度リポタンパク質(LDL)と血管系細胞やマクロファージとの相互作用が重要であることが知られるようになってきた。本研究では、血圧調節や動脈硬化おいて生理的、病理的にも重要な役割を担うことが最近明らかとなりつつある、一酸化窒素(NO)や一酸化炭素(CO)のこれらの細胞における産生系を調べた。また、それが酸化ストレスによってどのような影響を受けるかを調べ、以下のような結果を得た。1.マウス腹腔マクロファージにおいて、酸化LDLや他の酸化ストレスを添加することにより、ヘムオキシゲナーゼの誘導が見られた。この時、アルギニンの細胞内への輸送活性に変化はなく,NO産生もほとんと見られなかった。2.マクロファージを低濃度の細菌性リポ多糖とインターフェロンγで刺激すると、アルギニンの輸送活性が上昇し、NO産生も上昇した。この時、ヘムオキシゲナーゼの誘導は認められなかった。3.ヒト血管平滑筋細胞において、酸化LDLや他の酸化ストレスによってマクロファージと同様にヘムオキシゲナーゼの誘導が見られた。また、この時、アルギニンの輸送活性は変化せず、NOの産生も認められなかった。4.血管平滑筋細胞を種々のサイトカインで刺激することにより、NO産生の上昇が認められたが、ヘムオキシゲナーゼの誘導は見られなかった。以上の結果から、COの産生系とNOの産生系は異なる制御を受けていることが示唆された。酸化ストレスが加わった時には、ヘムオキシゲナーゼが誘導されることによってCO産生が高まり、NOの代替的な機能を果たす可能性が考えられた。今後は、血管内皮細胞についてもCOとNOの産生系を調べ、COとNOを介する細胞間シグナル伝達系の制御に対する酸化ストレスの影響についてさらに検討する予定である。
細胞の微細形態形成に関わる新規遺伝子を同定する手法の開発

申請者は、神経細胞のモデルとして頻用されるPC12細胞を用いて、シナプス小胞の輸送や分布に関連する遺伝子を同定することを目的に、レトロウイルスを感染させて形態学的スクリーニングを行う新しいgene trap(遺伝子トラップ)法を開発し、現在いくつかの興味深い新規遺伝軸子の同定を始めている。そこで申請者はレトロウイルスベクターを用いたgene trap法のシステムを開発し、PC12細胞においてその応用に成功した。このシステムは、レトロウイルスベクターを、目的とする培養細胞のゲノムDNAに挿入することで遺伝子の機能を不活性化させるものである。ベクターは、ベクターの挿入された細胞を高率に濃縮できるように工夫されているため、それらの細胞を形態学的な特徴によってスクリーニングすることが初めて可能になった。そして、そのベクターの性質を利用してベクターが挿入された遺伝子を簡便に同定し、更にCre-loxP技術を用いて、その遺伝子が異常な表現型の原因か否か簡便に確認できるという優れた利点を持つ。申請者はこの技術を用いて、PC12細胞でシナプス小胞(正確にはシナプス小胞様小胞)の量や分布に異常を引き起こす遺伝子をいくうか同定した。更にそのうちのある遺伝子は脳に多く発現し、ヒトの神経疾患との関連がしられているため、その遺伝子の欠損マウスを作製し、その表現型を現在解析している。また他の細胞でもこのスクリーニングが行えるか、現在検討中である。申請者はPCl2細胞に、2つのloxP配列で挟まれたgene trapベクターを持つレトロウイルスを感染させて、ベクターをPCl2細胞のゲノムに挿入し、シナプス小胞のマーカー(synaptophysin,Achtransporter)の量や分布が異常になる細胞を同定することに成功した。またその細胞に、アデノウイルスを用いてCre recombinaseを発現させ、挿入したベクターを除去して表現型が元に戻ることを確認することができた。これらの細胞について、5'-RACE,inverse PCR,splinkerette PCRといった手法を用いて、複数の細胞株についてベクターの挿入箇所を同定した。そのうち遺伝子が異常になった1つの株については、様々な細胞内小器官の分布が異常になっていること、原因遺伝子を導入して表現型が回復することなどを既に確認している。また、その遺伝子産物(蛋白)に対する抗体を作製し、分布を調べている。ES細胞でその遺伝子のgene trap系統が市販されているため、現在その系統を用いてノックアウトマウスを作製中である。その遺伝子の変異がヒトのある神経疾患と関連があることが知られているため、興味深い結果が得られることが期待できる。上皮細胞の極性形成に重要な分子を調べる目的で,同様の手法でMDCKにレトロウイルスを感染させ,apical markerであるCD59-GFPの量や分布が異常になった細胞株を複数拾い,ベクターの除去によって局在が元に戻ることを確認した。今後この細胞株のゲノムのどこに遺伝子が挿入されているか,調べる予定である。
頸部郭清手術時の頸部静脈還流障害による頭蓋内圧還境および脳代謝の変化

脳静脈に静水圧を負荷しただけの頭部低位状態と物理的な脳静脈洞閉塞状態とで、それぞれ脳静脈血うっ滞の実験モデルを作成し、これら2条件間における頭蓋腔の圧ー容量(P-V)関係の差異を検討した。実験動物は、エンフルレン・笑気・酸素で麻酔したネコを用いた。動脈圧、脳室圧(VP)、矢状静脈洞圧(SSP)を測定した上で、静脈洞閉塞群(A郡)、頭部低位群(B郡)の2群に分け、両群とも、実験操作前に一定量の人工髄液を側脳室内にbolus injectionし、VP波形からpressure-volume index(PVI)と髄液吸収抵抗(Ro)を求めて、これを対照値とした。その後、A群では静脈洞交会前方部で矢状静脈洞を閉塞させ、VP、SSPの変化を観察した後にPVI、Roを算出した。B群では、A群と同程度のVP上昇となるように頭部を低下させ、同様にPVI、Roを求め、両群とも対照値と比較した。またA群では、脳浮腫発現の有無を検索するために、実験終了後に脳組織の水分含量を乾燥重量法で測定した。その結果、PVIは、A群では対照値と差を認めなかったが、B群では有意に増加した。またRoは、A群では増加したが、B群では減少し、P-V関係からみた病態は、両群間で大きく相違するものと考えられた。なお、A群での脳組織の水分含量に有意の変化が認められなかったことから、この相違が脳実質の変化によるものではなく、静脈循環動態の相違に起因したものであることが推察された。また、これらの結果より、頸頭郭清手術時の内頸静脈結紮は頭蓋内圧環境を劣悪なものとする危険性があることが示唆された。
シリコンゲルマニウム混晶の異常吸収バンドを利用した「表面」光検出器の開発研究

シリコン基板を酸化膜で分離したSOI(Silicon-On-Insulator)構造が低消費電力化と高速化の観点から注目されている。シリコンフォトニクスに後押しされながら光電子のハイブリッド化を推進する上で、チップ搭載すべき光電素子の大きさが現状のアーキテクチャのままでは高集積化の要求に応えられない。これは間接遷移型半導体のシリコンが小さな光吸収係数しかもたないからである。本研究では、この問題を対症療法ではなく根本的に解決するため半導体の酸化「表面(近傍領域)」の近傍で発生する非バルク的な特異な電子状態を積極的に利用した光検出原理の検証およびチップ搭載に適した量子検出器の原型の構築を目指した。具体的には酸化SiGe近表面1.2eV異常吸収帯の非バンド端状態にともなう大きな振動子強度を検証し、表面酸化によって発現すること表面近傍に活性領域をもつことをつきとめた。SOI,SiGe-OIを含めた材料・構造依存性からシリコンに特徴的な現象であることが判明した。さらにSchottky電極のMSM(金属-半導体-金属)検出器の波長感度特性、ダイナミックレンジ、電圧バイアスにともなう信号強度変化と暗電流、狭帯域検出(波長選択検出)能、偏光非依存検出能、ホールバーニング不在のスペクトルの均一広がりとサブナノ秒の過渡応答を調べた。電場による変調効果として吸収スペクトル、エレクトロリフレクタンスから電場光変調器(EO変調器)へのデバイス機能の拡張性を示した。SOI構造とSiGe-OI構造でも予備検証として1.2eV吸収帯の発現を観測した。一部、アレイ構造によるマルチチャネル検出器の構築、定在波検出器の構築などは今後の課題として残ったが、全体的にほぼ当初の計画どおりに研究がすすみ発展的な結果も得られた。デバイス分野では、基板分離構造(SOI)が低消費電力化と高速化の観点から注目されている。SOI仮想基板層はその厚みが薄いほどよく、今や数ナノメータに迫っている。したがって、本格的な光電子集積回路には、ミクロンオーダにおよぶ深さ領域を活性層や能動領域とする従来の「埋め込み型」光電子デバイスを使うことができない。本研究では、この問題の解決方法として、従来にはない「表面」を活用した光電子量子検出器を提案し、その実現を目指した。本年度では、表面近傍の電子状態を活用した光量子検出器のプロトタイプ構築を目的とし、近年、代表者らが見出したシリコンゲルマニウム混晶の異常光吸収バンドを利用することを試みた。まず、温度、時間、酸化雰囲気をパラメータとして試料を作製し、光学評価と電子顕微鏡による構造観察を行った。その結果、表面吸収バンドが格子欠陥の導入によって発生することを見出した。また、吸収バンド内に中心波長をもつ短パルスレーザを用いることで吸収飽和とホールバーニングについて検討した。吸収ピーク付近の選択励起下では、スペクトルホールは生じず、むしろバンド全体が減衰する傾向がみられた。この結果は、吸収バンドが不均一幅で拡がっているのではないことを意味する。さらに、酸化制御を通じてスペクトル線幅の狭帯域化を試みた。吸収バンドのピークエネルギーおよびバンド形状はGe組成に依存せず、常に同じ吸収バンドが再現性よく得られることがわかった。これらをもとにSiGe量子井戸を利用して、プロトタイプのMSM型表面光検出器を作製した。表面垂直、平行の2方向に電場を印加した時の光電流を比較したところ、平行電場では吸収バンドのみが観測された。この結果は、吸収バンドが表面近傍で発生することを直接示している。デバイス分野では、分離基板(SOI)が高速化と低消費電力の観点から注目されている。SOIの仮想基板層は薄いほどよく、今や数ナノメータに迫っている。

一方この事実は、SOIべースの光電子集積回路には、ミクロンオーダにおよぶ深さ領域を活性層とする従来の埋め込み型光電子デバイスを使うことができないことを意味する。本研究では、この問題を解決するため、従来にはなかった「表面近傍」を活性層とする新しい光電子量子検出器を提案し、その実現を目指した。本年度では、シリコンゲルマニウム混晶の異常光吸収バンドを利用した表面近傍光量子検出器の特性検証を行った。表面方向に電極を設けたMSM検出器では、1064nmのパルス光入射によって数100MHzの動特性が得られた。現状、波長感度はmA/Wオーダ、ナノワットからミリワット領域まで5桁以上の直線性を得ている。また、吸収バンドは面垂直方向の電場印加によってシフトを示し、電場吸収変調度として1%以上の値が得られている。一方で吸収バンドの発生要因について調べた。酸化シリコンゲルマニウムの吸収バンドの発生が、点欠陥導入と相関があること、波長がゲルマニウム組成に依存しない2つの事実に基づき、イオン注入したシリコン、シリコンカーボン混晶における吸収バンド発生について調べた。その結果、強い吸収バンドの発生を確認し、シリコン中の欠陥が関与する現象であることがわかった。また、熱処理試料による実験から、転位の発生と1.2eVバンドの消失が相関することを見出した。本年度のもうひとつの課題であるSOI構造への搭載に関しては、SiGeをSi-OIに成長して酸化、SiGeを直接SOI化するふたつの方法を検討した。後者では、転位の発生が顕著なため1.2eVバンドがマスクされてしまうものの、前者ではSi基板の吸収に影響されずに1.2eV吸収バンドのみが得られることがわかった。分離基板(SOI)は、高速化と低消費電力の観点から電子デバイス分野で注目を集めている。SOIの仮想基板層は、今や数ナノメータ程度にまで薄膜化が進んでいるが、これは逆に、SOIベースの光電子回路には、厚い活性層を必要とする従来の埋め込み型素子構造が使えなくなることを意味する。本研究では、この問題を解決するため、従来にはなかった表面近傍の薄膜活性層を利用する新しいタイプの光電子量子検出器を提案し、その実現を目指した。本年度では、酸化シリコンゲルマニウム混晶の異常光吸収バンドを利用した表面近傍光量子検出器の高機能化の検討を行った。吸収の電場誘起変調度として数10Hzで1%以上を得、周波数帯域として変調度0.01%で10MHzを得た。この他、MSM検出器の周波数特性向上を目指し、SOI櫛形電極配置MSM検出器の作製、イメージング用のアレイ素子作製を試みた。また、検出器の物性評価として、高輝度レーザの入射に伴う結晶の質的変化を調べた。その結果、SiGeの蛍光測定において、室温近傍でレーザ照射に起因する蛍光強度の増強効果を見出した。増強の度合いは、光照射によってSiGe近傍の欠陥が反応し、非輻射再結合が減少するモデルを用いて定量的に説明できることがわかった。この欠陥の光照射欠陥反応促進効果はSiGeを用いて検出器を構成する上で考慮されるべき要因である。