hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
生体の骨組織再生能を活性化する新世代骨修複材料の開発

我々は過去二年の研究において、ラミニンやフィプロネクチンなど様々な生理活性機能を有するタンパク質を骨の主要無機成分であるアパタイトと複合化することにより、常温常圧の穏和な条件の下でチタン金属表面や高分子基板表面へ被覆する手法を確立した。さらに得られた複合材料が優れた生体適合性や細胞接着性を示すことを明らかにした。しかしながら、タンパク質担持材料を生体に埋入した場合、そのタンパク質により免疫反応が引き起こされる可能性が懸念される。一方、タンパク中で目的の生理機能を担う部位のみを担持すれば同部位は免疫応答には関与しないので、望みの生理活性を示し且つ免疫反応を引き起こさない材料が得られると期待される。そこで我々は、ラミニン中に存在し上皮細胞接着性を示すアミノ酸配列であるYIGSRをアパタイト層中に担持させるための条件を詳細に調べた。その結果、YIGSR鎖のみではアパタイト層中にほとんど担持されないのに対して、YIGSRに数個のグルタミン酸を付加したペプチド鎖はアパタイト層中に効率よく担持されることを明らかにした。これにより、ペプチド鎖をアパタイト中に担持させるための手法が得られた。またこの手法は、他の様々なペプチド鎖にも応用可能である。従って、アパタイトに適当な生理活性分子を担持させることにより、その用途が骨組織のみならず他の組織へも広がると期待される。また我々は、内径約20nm、外径約28nmのかご型構造を有するCowpea Chlrotic Mottle Virus(CCMVの外殻タンパク質の内部にアパタイトを形成させることにより、ナノサイズのタンパク質-アパタイト複合体を作製することを試みた。尚、同タンパク質はプラスに帯電したN-末端のアミノ酸約20残基がかご内部に向けて髭状にのびているため、かご内部はプラスに帯電していると考えられている。このCCMVをリン酸カルシウム過飽和溶液に溶解させたところ、常温常圧下でその内部にアパタイトは形成されなかった。一方、N-末端のアミノ酸をマイナスに帯電したものに置換した組み換えCCMVを作製したところ、同タンパク質内部に直径約15-18nmのアパタイトが形成された。一連の結果によれば、タンパク質内部におけるアパタイトの核形成にはマイナスに帯電した表面、特にグルタミン酸が重要な役割を果たしていることが示唆された。金属や高分子材料の表面に、生体親和性と骨結合能を有するアパタイトと、生理活性を示す種々のタンパク質からなる複合体をコーティング出来れば、同材料は生体が本来有する組織修復能力を効果的に引き出す優れた生体材料になりうる。例えば、チタン金属は人工歯根用材料として広く用いられている。しかし、上皮組織との接着能が十分でないため、人工歯根と上皮組織の境界から細菌が侵入し、炎症を引き起こすことが報告されている。上皮細胞に対して有効な細胞接着性タンパク質であるラミニンとアパタイトをチタン金属表面に同時にコーティング出来れば、同材料は歯槽骨だけでなく歯肉上皮とも優れた接着性を示すと期待される。そこで本研究では先ず、チタン金属表面にラミニン-アパタイト複合体をコーティングする手法の開発を試み、次いで得られた試料表面における口腔由来上皮様細胞の接着性を評価した。水酸化ナトリウム及び加熱処理を施したチタン金属を、25°Cに保ったラミニン含有リン酸カルシウム過飽和水溶液(L-CP水溶液)に浸漬すると、浸漬後1日で同金属表面に厚さ約2μmのラミニン-アパタイト複合体層が形成されることが分かった。次に、未処理チタン、ラミニンのみを吸着させたチタン、アパタイトのみを被覆したチタン、及びラミニン-アパタイト複合体を被覆したチタン上に上皮様細胞を播種し2時間培養した後、各試料上に接着していた細胞数を計測した。その結果、ラミニン-アパタイト複合体を被覆したチタン試料上には他の試料に比べ有意に多数の細胞が接着していることが分かった。また、同様の手法により、アルブミンやフィブロネクチンとアパタイトの複合体をチタン表面にコーティングできることも明らかになった。さらに、ポリエチレンテレフタレートやエバールなどの高分子表面に適当な化学処理を施した後L-CP水溶液に浸漬すれば、その表面にもラミニン-アパタイト複合体層が形成され、同試料は優れた細胞接着性を示すことも分かった。骨の主要無機成分であるアパタイトは生体に対して優れた親和性を示すので骨置換材料等として既に実用化されている。一方、生体内の特定の組織や細胞に作用し特定の応答を引き起こす作用のある生理活性タンパク質が近年多数同定されるようになり、これらを生体材料へ応用しようとする研究も盛んに行われている。アパタイトにこれらの生理活性タンパク質を担持させれば、得られるタンパク担持アパタイトは、アパタイト由来の組織親和性とタンパク由来の生理活性を併せ示すようになると考えられる。そこで我々は先ず、骨だけでなく上皮組織とも優れた接着性を示す材料の開発を目指し、細胞接着タンパク質のひとつであるラミニンを担持したアパタイトを常温常圧の穏和な条件の下でチタン金属表面や高分子基板表面へ被覆することを試みた。さらに、得られた試料上への上皮由来細胞の接着性を調べたところ、ラミニン-アパタイト複合体を被覆した試料上には、未処理試料やアパタイトのみを被覆した試料に比べ多数の細胞が接着することが分かった。本法により得られた試料は人工歯根や径皮端子用材料として有用であると期待される。また、チタン金属は人工心臓用材料として既に実用化されているが、長期間使用可能な人工心臓開発のためにはチタン金属の抗血栓性を向上させる必要がある。

アルブミンを材料表面に吸着させれば同材料上での血栓形成が抑制されることが知られている。そこで我々は、先に開発した手法を利用しチタン金属表面にアルブミン担持アパタイトを被覆し、同材料の抗血栓性をヒト由来血小板を用いた動的接着性試験により調べた。その結果、同材料表面に接着した血小板の数は、鏡面研磨したチタン金属表面に接着した血小板の数に比べ少なく、ポジティブコントロールとして用いたヒト臍帯静脈内皮細胞被覆チタン金属表面に接着した血小板の数と同程度であった。従って、アルブミン担持アパタイトをチタン金属表面に被覆することにより同金属の抗血栓性を向上させられる可能性があることが示された。我々は過去二年の研究において、ラミニンやフィプロネクチンなど様々な生理活性機能を有するタンパク質を骨の主要無機成分であるアパタイトと複合化することにより、常温常圧の穏和な条件の下でチタン金属表面や高分子基板表面へ被覆する手法を確立した。さらに得られた複合材料が優れた生体適合性や細胞接着性を示すことを明らかにした。しかしながら、タンパク質担持材料を生体に埋入した場合、そのタンパク質により免疫反応が引き起こされる可能性が懸念される。一方、タンパク中で目的の生理機能を担う部位のみを担持すれば同部位は免疫応答には関与しないので、望みの生理活性を示し且つ免疫反応を引き起こさない材料が得られると期待される。そこで我々は、ラミニン中に存在し上皮細胞接着性を示すアミノ酸配列であるYIGSRをアパタイト層中に担持させるための条件を詳細に調べた。その結果、YIGSR鎖のみではアパタイト層中にほとんど担持されないのに対して、YIGSRに数個のグルタミン酸を付加したペプチド鎖はアパタイト層中に効率よく担持されることを明らかにした。これにより、ペプチド鎖をアパタイト中に担持させるための手法が得られた。またこの手法は、他の様々なペプチド鎖にも応用可能である。従って、アパタイトに適当な生理活性分子を担持させることにより、その用途が骨組織のみならず他の組織へも広がると期待される。また我々は、内径約20nm、外径約28nmのかご型構造を有するCowpea Chlrotic Mottle Virus(CCMVの外殻タンパク質の内部にアパタイトを形成させることにより、ナノサイズのタンパク質-アパタイト複合体を作製することを試みた。尚、同タンパク質はプラスに帯電したN-末端のアミノ酸約20残基がかご内部に向けて髭状にのびているため、かご内部はプラスに帯電していると考えられている。このCCMVをリン酸カルシウム過飽和溶液に溶解させたところ、常温常圧下でその内部にアパタイトは形成されなかった。一方、N-末端のアミノ酸をマイナスに帯電したものに置換した組み換えCCMVを作製したところ、同タンパク質内部に直径約15-18nmのアパタイトが形成された。一連の結果によれば、タンパク質内部におけるアパタイトの核形成にはマイナスに帯電した表面、特にグルタミン酸が重要な役割を果たしていることが示唆された。
炭素-リン三重結合種を鍵試剤として用いた多環式芳香族化合物の系統的合成法の開発

2,4,6位に置換基を有するホスフィニンおよびホスファナフタレン誘導体の合成に成功し、それらの構造や性質を明らかにした。さらに、数種の炭素-リン三重結合化合物の合成も行った。それらを鍵試剤として用い、ジエン等価体やジインとの環化付加反応を検討し、環内にリン原子を含む新規芳香族化合物の合成が可能であることを見出した。平成24年度は新規含リン芳香族化合物の合成法探索とそれらの基礎的性質の解明を行った。まず、リン原子を含む三重結合化学種とジエン等価体との環化付加反応を検討した。リン原子を含む三重結合化学種は文献既知の3級ブチルおよびアダマンチル置換体を用い、ジエン等価体としてはクマリン、シクロヘキサノンおよびベンゾチオフェンジオキシドなどを採用した。反応を行い反応混合物の31P核磁気共鳴スペクトルを観測したところ、低磁場領域にシグナルが観測され、目的とする芳香族化合物の生成を支持する結果が得られた。次に、遷移金属触媒を用いたリン原子を含む三重結合化学種とジエン類との環化付加反応を検討した。反応を31P核磁気共鳴スペクトルで追跡したところ、リン原子を含む三重結合化学種の消失は確認されたものの、芳香族物質に特徴的な低磁場領域の共鳴は見られず、目的の反応は進行しなかったと考えられる。次に、合成した新規含リン芳香族化合物の基礎的な性質を明らかにするために、紫外可視吸収および発光スペクトルの測定を行った。4位に各種アリール置換基を有する2,6-ジブチルホスフィニン誘導体では、吸収極大が約300nm、発光極大が約320nmに観測され、この吸収波長は分子軌道計算の結果とも良く一致しており、ホスフィニン類の許容遷移であるHOMO-LUMO遷移であることが明らかになった。さらに電気化学特性を評価したところ、+1.2V付近に不可逆な酸化波を、-2.0Vに可逆な一電子還元波を示すことがわかった。つまり新規なリン原子を含む芳香族化合物類の特性を明らかにすることに成功した。本研究ではリン原子を含む三重結合化合物を鍵化合物として選定し、ジエン等価体との環化付加反応および遷移金属を用いた環化付加反応により、含リン多環式芳香族化合物の簡便かつ系統的な合成経路の確立を目的としている。平成23年度は、反応原料となる炭素ーリン三重結合種の簡便合成に成功し、今後随時原料を供給できる体制が出来上がった。この炭素ーリン三重結合種とジエン等価体である、クマリンやベンゾチオフェンジオキシド、およびインデノン誘導体との環化付加反応を検討した結果、標的とする新規含リン芳香族化合物を得ることに成功し、当該年度の目標を達成できた。しかしながら、これらの反応は収率が低く、今後反応条件の最適化が必要であることも明らかになった。さらに、合成した物質の基礎物性を明らかにした。紫外可視吸収および発光スペクトルを測定し、電子構造を明らかにすることに、電気化学的測定によりそれらの酸化還元挙動を明らかにできた。これまでに報告されていない新規なリン原子を環内に含む芳香族化合物の基礎的性質の解明を行うことができた。反応原料となる炭素ーリン三重結合種の合成を検討した。炭素上の置換基にt-ブチル、アダマンチルおよびトリ-t-ブチルフェニル基を有する原料を合成し、いずれも合成可能であった。それらを用いた[4+2]環化付加反応を検討した。クマリンとの反応による1-ホスファナフタレン合成を検討したが、反応条件を厳しくしても目的化合物の生成は確認されなかった。しかしながら、ベンゾフランとの反応を行ったところ、反応混合物の核磁気共鳴分光および質量分析から2-ホスファナフタレンの生成が確認された。以上のように、当該年度に計画していた[4+2]環化付加反応によるリン原子を含む芳香族化合物の合成に成功したため、研究の順調に進行していると考えられる。平成24年度は炭素ーリン三重結合種とジエンおよびジイン等価体とを、有機金属試薬を用いた触媒的な環化付加反応により新規なリン原子を含む複素環類を合成する。検討初期段階で使用する反応条件は、現在まで広く研究されている炭素原子で構成される多環式芳香族化合物合成で見出された有機金属触媒や反応条件を適応させる。その後、遷移金属やその支持配位子のチューニングを行うことで選択的かつ効率的な合成法を探索する。さらにパイ電子ユニットとしてベンザイン類を用い、[2+2+2]環化付加反応を進行させる。これにより種々の多環式誘導体の合成経路を確立し、本合成手法の汎用性を拡大させる。さらに、新規に合成した含リン芳香族化合物の基礎的性質を解明し、有機ELや太陽光発電素子などの有機薄膜デバイス開発への応用を行う。具体的には、真空蒸着もしくはスピンコート法にて薄膜を作成し、その特性を明らかにする。

得られたデータを基に分子設計を逐次変更することで、リン原子を含む多環式芳香族化合物に関する構造・物性相関を系統化する。新規含リン芳香族化合物の大量合成を行うために、有機および有機溶媒を購入し、大容量のガラス器具や実験器具の購入を行う。さらに、有機金属試薬を用いた環化付加反応も検討するため、有機金属試薬も購入し、研究計画を効率的に進行させる。有機薄膜デバイス評価のため、各種金属および金属酸化物基板および不活性ガスの購入を、さらに基板のアニール処理が可能な検体乾燥器の購入を計画している。これまでに得られた研究成果を発表するため、国内で開催される合成化学および物性科学分野の討論会や国際学会に参加する予定である。
活性型Ｇｌｉ３及び抑制型Ｇｌｉ３を選択的に利用した効率的な骨再生法の確立

本年度は、活性型Gli3および抑制型Gli3を上流で制御するHedgehog(Hh)シグナルに関して実験を遂行した。マウス脛骨骨折モデルを使用し、活性型Gli3および抑制型Gli3ノックアウトマウスの実験へとつながる解析を進めてきた。8週齢のC57BL6/J雄マウスの左側脛骨骨折モデルを使用し、vehicle(精製水)を投与したコントロール群とSmoothened agonist(SAG)投与によるHhシグナル活性化群の骨折治癒過程の評価を行った。骨折後1日目にvehicleまたはSAGを骨折部へ局所投与し、骨折後14日目左側脛骨を採取した。3次元マイクロCTを用いた解析にて、骨密度の高い領域および低い領域ともにSAG投与群で仮骨形成量の増加が認められた。骨量、骨塩量、骨密度を計測し、すべての項目においてSAG投与群で有意な増加が認められた。以上より、SAG局所投与の影響は、高度に石灰化した仮骨および未熟な骨の両領域に及び、外因性にHhシグナルを刺激することは仮骨形成促進に寄与することが示唆された。さらに詳細な解析のため、軟性仮骨と硬性仮骨の領域に分け組織学的解析を行った。軟性仮骨における免疫染色では、SAG投与群において、PCNA陽性細胞およびSOX9陽性細胞の割合が有意に増加していた。SAG局所投与により、軟骨細胞が増殖し、軟性仮骨の形成が促進されることが示唆された。硬性仮骨における免疫染色では、SAG投与群において、SP7陽性細胞の割合が有意に増加しており、マッソン・トリクローム染色でも新生骨量の増加が認められた。以上、硬性仮骨においてもSAG投与により、仮骨形成が促進されることが示唆された。28年度が最終年度であるため、記入しない。H26年度は、活性型Gli3および抑制型Gli3の上流に位置するHedgehog(Hh)に関しての実験を遂行した。今後のGli3の機能解析、骨治癒過程での評価においてもHhを含めた包括的な解析は重要な情報となる。まず、8週齢のマウスの脛骨に骨折モデルを作製し、コントロール群とHhシグナル活性化群に分けて骨治癒過程を評価した。Hhシグナル活性化群には、術後1日目に、Hhシグナルを活性化するSmoothened agonist (SAG)の骨折部への局所投与を施行した。術後7、14日目にサンプル回収し、マイクロCTによる解析を施行した。SAG投与群では、仮骨形成量が増加しており、Hhの仮骨形成への関与を確認した。また、骨治癒過程におけるHhシグナル応答性細胞の機能に関し、Gli1-CreERT2マウス脛骨骨折モデルを用いた実験を予定している。そこで、Gli1-CreERT2マウスより採取した骨髄幹細胞にSAGを加えて2日間培養し、Hhシグナルの下流に位置する標的遺伝子Gli1が発現、その結果Creの発現が上昇することをRT-qPCRを用いて確認した。以上より、Hhシグナル活性化に対し、Creシステムが正常に機能していることが確かめられた。次に、Gli1-CreERT2マウス脛骨骨折モデルを作製した。Hhに応答した細胞がGli1を発現するという報告より、Creの発現を免疫染色にて確認する。Hhシグナル活性化群については骨折作製後1日目に骨折部にSAGを局所投与した。現在、サンプル回収まで終了している。以上、1年目はHhの解析、骨折モデルの確立・評価を中心に進めてきた。骨治癒過程におけるHhの関与が示唆され、活性型Gli3および抑制型Gli3の骨治癒における機能も期待される結果が得られた。さらにHhシグナルに関する機能解析を進め、Gli3の機能解明へとつなげていきたい。昨年に引き続き、活性型Gli3および抑制型Gli3の上流に位置するHedgehog(Hh)に関して実験を遂行した。まず、mES細胞を用いたHhシグナル活性化による発現遺伝子の解析を行った。Col1a1-GFP mES細胞を培養し、Smoothened agonist(SAG)およびヘリオキサンチン誘導体(TH)を用いて骨芽細胞分化誘導を行った。19日間の培養後、GFPの発現を顕微鏡にて観察し、骨芽細胞へと分化していることを確認した。さらに、RT qPCRを用いて遺伝子発現解析を行い、各ステージにおけるmRNAの発現を調べた。培養0日目から5日目では、中胚葉分化マーカーの上昇が認められ、12日目ではSAG + THによる骨芽細胞分化マーカーの上昇を確認した。さらに、培養5日目および培養12日目からmRNAを回収し、RNAシークエンスによる遺伝子発現の解析を遂行中である。すでにシークエンシングを行い、現在はRNA Seqから得られた情報の解析中である。また、MGHおよびハーバード大学にて2ヶ月間研究を遂行した。今後予定しているマウス頭蓋骨骨欠損モデルの作製およびin vivoイメージングによる頭蓋骨の評価を習得した。この度の海外研修で、実験計画にある頭蓋骨臨界骨欠損モデルの作製方法を学び、蛍光抗体のdelivery法、多光子顕微鏡の使用法を身につけた。最後に、マウス左側脛骨骨折モデルを使用し、骨折治癒過程へのHhシグナルの影響を評価した。本年度は、組織学的評価として、アルシアンブルー・ヘマトキシリン・エオジン染色を実施し、仮骨形成における形態学的な差異を観察した。

さらに、Hhシグナルの活性化による骨治癒過程への影響をさらに詳細に検討するため、術後14日目での免疫染色による組織学的解析を進めている。研究実施計画書にあるように、生物学的影響を遺伝子レベルで明らかにするため、遺伝子発現の解析を行った。当初の予定ではマイクロアレイでの解析を考えていたが、検討した結果、RNAシークエンスによる解析を行った。現在解析中であるが、結果はおおむね良好であり、順調に進んでいるといえる。また、骨疾患モデルにおける解析も放射線学的解析、組織学的解析ともに平行して順調に進んでおり、Hhシグナルの機能解析につながる良好な結果が得られている。さらに、他研究室にて実験計画を遂行していく上で必要なin vivoイメージングの技術も身につけ、骨疾患モデルを用いたさらなる解析に順調に近づいていると考えられる。本年度は、活性型Gli3および抑制型Gli3を上流で制御するHedgehog(Hh)シグナルに関して実験を遂行した。マウス脛骨骨折モデルを使用し、活性型Gli3および抑制型Gli3ノックアウトマウスの実験へとつながる解析を進めてきた。8週齢のC57BL6/J雄マウスの左側脛骨骨折モデルを使用し、vehicle(精製水)を投与したコントロール群とSmoothened agonist(SAG)投与によるHhシグナル活性化群の骨折治癒過程の評価を行った。骨折後1日目にvehicleまたはSAGを骨折部へ局所投与し、骨折後14日目左側脛骨を採取した。3次元マイクロCTを用いた解析にて、骨密度の高い領域および低い領域ともにSAG投与群で仮骨形成量の増加が認められた。骨量、骨塩量、骨密度を計測し、すべての項目においてSAG投与群で有意な増加が認められた。以上より、SAG局所投与の影響は、高度に石灰化した仮骨および未熟な骨の両領域に及び、外因性にHhシグナルを刺激することは仮骨形成促進に寄与することが示唆された。さらに詳細な解析のため、軟性仮骨と硬性仮骨の領域に分け組織学的解析を行った。軟性仮骨における免疫染色では、SAG投与群において、PCNA陽性細胞およびSOX9陽性細胞の割合が有意に増加していた。SAG局所投与により、軟骨細胞が増殖し、軟性仮骨の形成が促進されることが示唆された。硬性仮骨における免疫染色では、SAG投与群において、SP7陽性細胞の割合が有意に増加しており、マッソン・トリクローム染色でも新生骨量の増加が認められた。以上、硬性仮骨においてもSAG投与により、仮骨形成が促進されることが示唆された。H26年度は、今後の実験計画の準備実験を主に施行してきた。in vitro, in vivoのどの実験系からも、予想通りの、今後の実験につながる有用なデータを得ることができた。また、in vivo実験に必要な技術、知識も身につけることができ、これらを利用してさらに解析をすすめていきたいと考えている。以上より、1年目の研究達成度としてはおおむね順調であったといえる。in vitro実験については、現在遂行中であるRNAseqの解析はQC結果も良好であり、このまま解析を進めていく予定である。また、同時にmicro CTや免疫染色等によるマウス骨折モデルの評価も完成させ、頭蓋骨骨欠損モデルでの評価へとつなげていきたいと考えている。
合目的造形が可能な新規生分解性硬軟材料の開発と再生医学への応用

生分解性と温度応答性を有するハイドロゲルを三次元マトリックスとして用いるための設計を行った。この設計の方針は、最終的に合成されるハイドロゲルが温度応答性を発揮するためには、プレポリマーの段階でも敏感な温度応答性を発現する必要があると考え、それぞれポリアミノ酸連鎖(AlaとGlyとの共重合体)を有するIPAAm-AIPAAmコポリマーおよびカルボキシル基が活性化されたIPAAm-CIPAAmコポリマーを用いた。これらの水溶液を混合するだけでゲル化が進行し,得られゲルは37°C付近で明確な体積相転移温度を示した。さらにその相転移温度を挟んだ酵素分解性を調べたところ、ゲルが十分膨潤する25°Cにおいてはゲルの分解が観察された。さらに、一級アミノ基、3級アミノ基(ジメチルアミノ基)または水酸基を有するイソプロピルアクリルアミド型のモノマーを合成し、イソプロピルアクリルアミドとの共重合を組成を変化させながら行った。いずれの共重合体についても大変明確な相転移挙動を示すことが確認された。また、水酸基を有する共重合体系では、反応性比も算出し理想共重合反応が進行していることも確認した。細胞との親和性を向上させることが期待でき、さらにはサイトカイン類がイオン低な相互作用によって固定化できると考えている。マクロモノマー法による架橋膜の作成法を用いてカプロラクトンとラクチドとの共重合体架橋膜を調製した。それぞれの組成を変化させることにより、力学的強度の異なる架橋膜の調製に成功した。再生医学のscaffold材料として用いるためには、細胞接着性に優れていることが必須である。そこで、ライン化されたHeLa細胞をモデルとして細胞接着性試験を行った。これに先立ち、一般のラクチド系の材料は細胞接着性が乏しいことが知られているため、アルカリ加水分解によって表面の親水性を高める処理を行った。水滴法による接触角測定を行って、親水性が向上していることを確認した。これらの材料を細胞接着性試験に供した。24時間後の接着細胞の様子を位相差顕微鏡で観察した結果、アルカリ処理、未処理ともコントロールとして用いた細胞培養用ポリスチレン性ディッシュの場合と比較して変化はなく、よく進展し増殖していることが確認された。水酸基の数がそれぞれ1,2,3,4のブタノール、テトラメチレングリコール、トリメチロールプロパン、ペンタエリスリトールを開始剤として、オクタン酸スズ触媒存在下、カプロラクトンのバルク重合を行った。

得られたポリマーの^1H-NMR測定の結果、開始剤とカプロラクトンの混合比を変化させることにより、連鎖長の制御が可能であった。また、ゲルパーミエーションクロマトグラフィーによる分子量の測定を行った結果、分岐数が増加するに従って^1H-NMR測定から得られた平均重合度と異なる値を示した。これは、分岐数が増えると架橋点近傍の運動性に乏しいプロトンの割合が増加するためであると考えられた。得られた分岐型ポリマーに光架橋が可能なアクリロイル基を導入するために、アクリル酸クロリドと反応させた。このマクロモノマーのキシレン溶液を2枚のガラス板に挟み、光増感剤存在下で光照射を行ったところ架橋が進行することが確認された。昨年度確立したマクロモノマー法による架橋膜の作成法を用いてカプロラクトンとラクチドとの共重合体架橋膜を調製した。それぞれの組成を変化させることにより、力学的強度の異なる架橋膜の調製に成功した。再生医学のscaffold材料として用いるためには、細胞接着性に優れていることが必須である。そこで、ライン化されたHeLa細胞をモデルとして細胞接着性試験を行った。これに先立ち、一般のラクチド系の材料は細胞接着性が乏しいことが知られているため、アルカリ加水分解によって表面の親水性を高める処理を行った。水滴法による接触角測定を行って、親水性が向上していることを確認した。これらの材料を細胞接着性試験に供した。24時間後の接着細胞の様子を位相差顕微鏡で観察した結果、アルカリ処理、未処理ともコントロールとして用いた細胞培養用ポリスチレン性ディッシュの場合と比較して変化はなく、よく進展し増殖していることが確認された。今後、サイトカイン類の固定化を可能にする極性基の導入について検討する。軟材料については、一級アミノ基、3級アミノ基(ジメチルアミノ基)または水酸基を有するイソプロピルアクリルアミド型のモノマーを合成し、イソプロピルアクリルアミドとの共重合を組成を変化させながら行った。いずれの共重合体についても大変明確な相転移挙動を示すことが確認された。また、水酸基を有する共重合体系では、反応性比も算出し理想共重合反応が進行していることも確認した。細胞との親和性を向上させることが期待でき、さらにはサイトカイン類がイオン低な相互作用によって固定化できると考えている。マクロモノマー法による架橋膜の作成法を用いて、力学的な物性の異なるカプロラクトンとラクチドとの共重合体架橋膜を調製し、昨年度の引き続きこれらの材料を用いて細胞接着性挙動および酵素分解挙動を詳細に追究した。モデル細胞としてライン化されたHeLa細胞を用いて、カプロラクトンとラクチドの組成比が異なる架橋膜の細胞接着性試験を行った。その結果、カプロラクトン/ラクチドの組成比が90/10、80/20、70/30と変化するにしたがって、細胞接着性は向上することが判った。また、細胞増殖性を評価した結果、70/30の組成比の架橋膜が市販のポリススチレン性の細胞培養皿に匹敵する増殖性を示した。得られた架橋膜の酵素分解性を詳細に追究した。モデル酵素にはシュードモナスリパーゼを用いた。その結果、カプロラクトン/
ラン藻の環境ストレス応答性遺伝子の発現制御領域の網羅的解析

本研究の目的は、ラン藻のストレス応答性遺伝子の転写開始点を決定し、その上流配列の比較から発現様式に対応したプロモーター構造および転写調節領域を推定することであった。1.本年度、リン酸欠乏に応答して発現量が顕著に増加する遺伝子群について、それら遺伝子の上流の配列から共通配列を見いだした。また、我々はリン酸欠乏時にそれら遺伝子群の発現を制御する二成分情報伝達系(SphS-SphR)を同定し、転写調節因子であるSphRが、リン酸欠乏応答性遺伝子に保存された上流配列に試験管内で特異的に結合することを示した。2.我々はこれまでにラン藻Synechocystis sp. PCC 6803のゲノムに存在する43種のヒスチジンキナーゼの変異株ライブラリーを作製している。これらのヒスチジンキナーゼ変異株での、高塩濃度条件における遺伝子発現をDNAマイクロアレイを用いてスクリーニングし、高塩濃度条件で機能する4種のヒスチジンキナーゼを同定した。このうち2つのヒスチジンキナーゼについては、下流で働くレスポンスレギュレーターも見いだしている。これらの情報を基に高塩濃度に応答するヒスチジンキナーゼにより制御を受ける遺伝子群の転写開始点を決定し、それぞれの遺伝子群に共通な配列を見つけ出し、転写因子との相互作用を解析する候補を確立したと考えている。今後はさらに多数の遺伝子の転写開始点を同定し、解析の範囲を広げていくことが、生物の環境適応の機構を理解する上で重要であると思われる。本研究は、遺伝子の転写開始点を網羅的に決定する方法を確立し、ストレス応答性遺伝子の転写開始点を決定し、その上流配列の比較から発現様式に対応したプロモーター構造および調節領域の推定をめざしている。本年度は以下のような進展があった。1.環境ストレス応答性遺伝子群の同定ラン藻Synechocystissp.PCC 6803の様々な環境ストレス応答性遺伝子の一覧表を完成し、あるストレスに特異的に発現する遺伝子から、複数のストレスにより誘導される遺伝子まで、様々なグループに分類した。さらに、以前に我々が取得した、低温センサー・ヒスチジンキナーゼ、Hik33の変異株でも解析し、このセンサーが異なる種々のストレスを認識しそれぞれのストレスに特異的な遺伝子群を制御するマルチストレスセンサーであることを示した。2.レスポンス・レギュレーター破壊株の作製ヒスチジンキナーゼの下位で機能するレスポンス・レギュレーターはSynechocystisに40種存在する。それらの個別破壊株を全て取得した。各種ストレスに特異的に発現する遺伝子をプローブに、レスポンスレギュレーター破壊株での発現誘導パターンをスクリーニングし、ストレス特異的レスポンスレギュレーターの同定を試みている。
李朝時代仏教絵画の調査研究ー在銘作品を中心としてー

李朝時代(1393ー1910)は排仏興儒の政策がとられたために優れた仏教美術作品が少ないといわれてきた。ところが日本国内に残る仏教絵画は200点を越える作品があり、その中の40点ほどの作品には、いつ、だれによって、何のために制作されたかを記した銘文がある。これら在銘作品を調査することにより、李朝時代の仏教絵画の特色を明らかにすることができる。(1)李朝時代の仏教絵画の図像は、高麗時代以来の伝統性が強いものと、李朝時代に入って作られた革新性が強いものとの二つに大別できる。そして、伝統性の強い作品は17世紀初期までに集中して制作され、それ以後、革新性の強い作品がつくられるようになる。(2)銘文からみる限り、李朝時代の仏教絵画は、王室貴族階層、僧侶階層、民衆階層が主体となって制作されたことが知られ、作品に階層性があることがわかる。それは、仏教絵画の制作に当った画家(画員)の身分の相違、使用された素材の違いなどによって区別できる。(3)日本に残る本朝時代の在銘の仏教絵画は、17世紀最初期までに制作された作品が圧倒的に多い。このため、李朝時代初期の仏教絵画研究は、日本においての研究が可能である。(4)今後、本研究により収集された資料をもとにして、数多く存在する銘文をもたぬ作品の美術史的位置づけが可能となる。また、韓国はもとより、アメリカやヨ-ロッパに残る李朝時代の仏教絵画に関する調査研究を行うことにより、李朝時代の仏教絵画の全貌を明らかにする必要がある。それは、14世紀以降の東アジアにおける宗教美術の問題にも結びつくものである。李朝時代の仏教絵画は、意外なほどに製作時期を明示した紀年銘作品が多く、製作時期はもとより、製作背景となった願主や施主、あるいは実際の製作に当った絵師の存在を明らかにしてくれて、朝鮮半島ばかりでなく、東アジアの仏教絵画史を考察するうえで貴重である。しかしながら、これまでの李朝時代の仏教絵画については、大作であっても、図像的解釈が明確にならず、また、絵画技法的にも麻布地に粗い顔料を使用して製作した低級な作品であるという評価がなされてきた。本研究において、これまで収集した李朝時代の仏教絵画における紀年銘作品を分析したとき、これまで行なわれてきた評価と異なり、李朝時代の仏教絵画は重層的な存在で、多様な画風をもっていることが次第に明らかになってきた。それは、(1)王室や貴族層が顔主や施主となって製作された作品で、図像的には高麗時代以来の伝統的な図様を継承しており、いずれも絹本地で小ぶりなものが多く、極めて高く優れた絵画技法を駆使して描かれており、製作にたずさわったのは宮廷所層の絵師であったと考えられる。これらの作品は、李朝時代初期に作せりたものが多い。(2)僧侶や民衆層が願主や施主となって製作された作品で、図像的には李朝時代特有の仏教経典のみで解釈できない多様な図様が使われ、多くが麻布地で大ぶりなものが多く、いくぶん疎荒な絵画技法で描かれており、製作にたずさわったのは民間の絵師と考えられる。これらの作品は李朝時代中期以降に作られたものが多い。これまで極めて単一的にとらえられてきた李朝時代の仏教絵画を紀年銘別に整理することにより、製作背景ばかりでなく様式的にも技法的にも多様であったことが明らかになってきた。日本に現存する李朝時代の仏教絵画は約二百点と推測されるが、その中に制作時期や制作事情を記録した在銘作品が約五十点ほど含まれている。

本研究は、これら在銘作品の全容を明らかにすることにより、李朝時代仏教絵画の東アジアにおける美術史上の価値を解明しようとするものである。本年度の調査件数は二十八点にのぼるが、その中で次のことが明らかとなった。(1)日本に現存する李朝時代の在銘仏教絵画は、十五、十六世紀に集中しており、十七世紀以降の在銘作品はわづかな点数しかない。(2)日本に現存する在銘李朝仏画は絹本著色と麻布著色とに大別でき、前者は小ぶりの作品が多く、後者は大ぶりの作例が多い。(3)絹本著色本の場合は王侯貴族階層が願主となって制作された作品が多く、麻布著色の場合は寺院民衆階層が中心となって描かれた作例が多い。(4)作品の素材の相違は表現技法にも影響を与えており、絹本著色本の彩色は鮮やかで流麗な筆致の作品が多く、麻布著色本の彩色は暗色系でにぶく、渋滞気味の描線をもつ作品が多い。(5)図像は、絹本著色本の場合、中国の宋時代や元時代の仏教絵画に共通する点が多いのに対し、麻布著色本の場合李朝時代に特有のものがしばしば認められ、仏教信仰と土着信仰との交流の結果とも考えられる。(6)在銘李朝仏画の存在を確認するのは中世以来の交易地に多く、李朝仏画が交易品として日本に伝えられたことを示している。(7)十七世紀以降、日本への朝鮮通信使の来訪などにより、日本近世の風景画・人物画などには李朝絵画の影響が多く認められるものの、十五・十六世紀の日本の仏教絵画には、李朝仏画の影響はほとんど認められない。李朝時代は強い排仏崇儒の政策がとられたために、仏教美術が衰退したといわれる。ところが現実には多くの仏教美術作品が制作され、現在日本国内に残る李朝時代の仏教絵画は200点を越える作品の存在が確認されている。これらの作品群の中に40点ほどの銘文をもつ作品が含まれており、これら在銘作品を調査した結果、次のことが明らかになった。(1)日本に残る李朝時代在銘仏画は、17世紀最初期までに制作された作品が圧倒的に多い。(2)日本国内に残る李朝仏画は西日本に多く、東日本に少ない。(3)有銘作品にみる願主は、王室貴族階層、僧侶階層、民衆階層の3つに区分できる。(4)王室貴族階層を願主とする作品は、絹本を使用し、作品の規模が小さい。(5)僧侶階層、民衆階層を願主とする作品は麻布を使用し、作品の規模が大きい傾向がある。(6)王室貴族階層・僧侶階層によって制作された作品は、仏教の正統な図像に従って描かれているのに対し、民衆階層の作品には非仏教的要素を含む図像が認められる。(7)王室貴族階層の作品は、良質の顔料を使用した落着いた色調を示すのに対し、僧侶階層と民衆階層の作品は、彩色にアクセントが強くけばけばしい色調をもつ。(8)李朝時代の仏教絵画は、14世紀17世紀の日本の仏画にほとんど影響を及ぼしていない。(9)李朝時代の仏教絵画は日本で信仰をうけ、重要視されてきたらしく保存状態が良好である。(10)日本に残る在銘李朝仏画は、朝鮮半島で現在見ることのできない作品が多く含まれ、李朝時代初期の仏教絵画の研究は日本において可能である。(11)李朝時代の仏教絵画において、図像、彩色など初めて朝鮮半島らしい特色が發揮されている。
バスケットボールのボールを持たない動きに関する映像を用いた理解度テストの開発

本研究は,バスケットボールの「ボールを持たないときの動き」に関する映像を用いた理解度テストを作成することを目的とした.1)「パスを出した直後のボールを持たないときの動き」と「パスを受けた人に合わせるボールを持たないときの動き」について,48種のゲーム状況を設定した.2)ゲーム状況の撮影にあたり、女子学生のバスケットボール部選手の協力を得た.3)映像を用いた理解度テストでは、1被験者に攻撃の途中の決定的場面で「この場面において,ボールを持っていないプレーヤーはどのスペースに動くべきか?」を判断することを求めた.2回答は、3つの動きの方向(範囲)から適切なものを1つ選ばせる形式にした。新学習指導要領では,ボールゲームの技能の内容が「ボール・用具操作」と「ボールを持たないときの動き」とに初めて整理され,かつ体育の学習内容として新たに知識が明示されることとなった.これらの評価に寄与するものとして,バスケットボールのオフェンスプレーヤーの「ボールを持たないときの動き」に関する映像を用いた理解度テストを作成することを目的とする.研究期間2年目(平成24年度)は,1.状況判断場面に至るまでのゲームの経過の組み立て,2.予備的なテスト画像の作成,3.理解度テスト作成に向けて,予備的なテスト画像,撮影方法等についてヒアリング調査を行った.その結果,1.については,実際のゲーム場面に限りなく近似させた状況判断テストとするために,ゲーム中の単一静止場面ではなく,状況判断場面に至るまでのゲームの経過が重要であると考え,ゲーム経過の組み立てについて作成した.そして,作成したゲーム状況の内容的妥当性を確保するために,バスケットボール専門家によって,合議を持ちながらゲーム経過の組み立てを確定した.また,2.については,ゲームの臨場感を創出したテストにするために,複数プレーヤー間の動きの連携も含めて収録できるように,テスト画像を収録した.そして,撮影した各ゲーム映像が設定した「場面」の条件を満足しているか否かを検討し,(1)撮影する位置や撮影するカメラの位置・高さ・角度等の撮影方法,(2)プレーヤーの動きのスピード,プレーヤーの動きのタイミング等についての検討をした.3.理解度テスト作成に向けて,体育授業研究やバスケットボール研究に携わる専門家に対してヒアリング調査を実施した.本研究は,バスケットボールのオフェンスプレーヤーの「ボールを持たないときの動き」に関する映像を用いた理解度テストを作成することを目的とし、以下の手続きに沿って行った.1)ゲーム状況の作成:実際のゲーム場面に限りなく近似させたテストとするため,バスケットボールの公式ルールに沿ったオールコート5対5による試合を想定した。また,ボールを持たないときの動きを判断する場面に至るまでのゲーム経過が重要だと考え,試合場面を想定したゲーム状況を組み立てた.具体的には,「パスを出した直後のボールを持たないときの動き(パスを出した人)」と,「パスを受けた人に合わせるボールを持たないときの動き」に着目し,それぞれ「オールコート・ハーフコート」について,典型的な動きのパターンを参考にしながら各6パターン,計24種×2方向(攻撃方向が右から左へ,左から右へ)のゲーム状況を設定した.2)ゲーム状況の撮影:ゲーム状況の撮影は,N女子体育大学のバスケットボール部に所属する選手の協力を得て,ワイドコンバージョンレンズを取り付けたハイビジョンデジタルビデオカメラを用いて1プレーずつ行った.3)ゲーム映像の編集:撮影した画像は,ワークステーションに取り込み,攻撃のプレーの途中で一時停止し,その後画面が消えるようにデジタル加工した.4)「ボールを持たないときの動き」に関する映像を用いた理解度テストの作成:被験者には,攻撃の途中の決定的場面で「この場面において,ボールを持っていないプレーヤーはどのスペースに動くべきか?」を判断することを求めた.映像の提示順序は無作為とし,1問につき1回のみ再生することとした.画面が消えた後,直ちにその問題に対する回答を求める形式とした.本研究は,バスケットボールの「ボールを持たないときの動き」に関する映像を用いた理解度テストを作成することを目的とした.1)「パスを出した直後のボールを持たないときの動き」と「パスを受けた人に合わせるボールを持たないときの動き」について,48種のゲーム状況を設定した.2)ゲーム状況の撮影にあたり、女子学生のバスケットボール部選手の協力を得た.3)映像を用いた理解度テストでは、1被験者に攻撃の途中の決定的場面で「この場面において,ボールを持っていないプレーヤーはどのスペースに動くべきか?」を判断することを求めた.2回答は、3つの動きの方向(範囲)から適切なものを1つ選ばせる形式にした。本研究は,国内外における近年のボールゲーム授業変革の潮流を受け,また新学習指導要領で体育の学習内容として明示されることとなった「知識」の評価に寄与するものとして,バスケットボールのオフェンスプレーヤーの「ボールを持たないときの動き」に関する映像を用いた理解度テストを作成することを目的とする.そこで,研究期間1年目(平成23年度)は,1.バスケットボールにおけるボールを持たないときの動きの原則を設定し,その上でゲーム中に生じると考えられる複数の状況場面を検討するとともに,2.ゲーム状況の撮影方法および編集方法について検討した.その結果,1.については,先行研究の収集・検討を重ね,「ボールを持たないときの動きの意図」「スペースの大きさ」「動きの方向」をキーワードに,ボールを持たないときの動きのパターンを作成することができた.

その上で,ゲーム中に生じると考えられる複数のゲーム状況場面(例えば,「パスを出した後の動き」「ボール保持者の動きに合わせる動き」)を作成したことにより,テスト映像となるゲーム状況が確定できた.また,2.については,ゲームの臨場感を創出したテストにするために,特定のプレーヤーを捉えるのではなく,複数プレーヤー間の動きの連携も収録する必要があることから,有識者とディスカッションを重ね,体育授業研究やバスケットボール研究に携わる専門家に対するヒアリング調査の実施を通して,「ボールを持たないときの動き」理解度を測定できる撮影方法および編集方法について方向性を決めることができた.本研究の目的は,バスケットボールのオフェンスプレーヤーの「ボールを持たないときの動き」に関する映像を用いた理解度テストを作成することであり,なかでも研究期間1年目(平成23年度)は,ボールを持たないときの動きの原則を設定した上で,ゲーム中に生じる判断場面の確定,およびゲーム状況の撮影方法および編集方法についての情報を収集した.それを受けて,研究期間2年目(平成24年度)は,1状況判断場面に至るまでのゲーム経過の組み立て,2.予備的なテスト画像の作成,3.理解度テスト作成に向けて,ヒアリング調査を行った.この研究計画と現在までの進捗状況を照らしあわせると,1.については,実際のゲーム場面に限りなく近似させたテストにするために,ゲーム中の単一静止場面に至るまでのゲーム経過を確定できたことは評価できる.2.については,先行事例によると,戦術的な理解度を測定しようとの試みはみられるものの,テスト作成にあたっての手続きが明示されていないため,実際に撮影をすると課題が見られたが,修正点を洗い出し,それらを改善するため有識者とのディスカッションによってよりよい方法を見いだせたことは評価できる.3.については,国内の研究者に加えて,英国のTeaching Games for Understanding学会大会及びthe International Convention on Science, Education and Medicine in Sport (ICSEMIS)学会大会への参加を通して本研究についての情報交換を行うことができた.以上のことから,現在までの達成度は,おおむね順調に進展していると判断する.本研究の目的は,バスケットボールのオフェンスプレーヤーの「ボールを持たないときの動き」に関する映像を用いた理解度テストを作成することであり,なかでも研究期間1年目(平成23年度)当初の研究計画は,1.テスト映像となるゲーム状況の作成にあたり,ボールを持たないときの動きの原則を設定し,その上で複数のゲーム状況場面を作成すること,および2.ゲーム状況の撮影方法および編集方法について検討することであった.
教育用3次元ソリッドモデラーの開発と創造的数学教育のためのコンテンツ制作

中学・高校・大学の数学教育およびコンピュータ教育において,創造的な教育に応用可能な3次元ソリッドモデラーと数式を3次元グラフ表示できるソフトウエアを開発した.基本となるソフトウエアはすでに構築済みの3次元ソリッドモデラーである。学校の教育現場の意見を取り入れた改良が主な開発目的である.目標は「楽しく頭を使うソフトウエア」の開発にある.小学校から高校までの数学教育に使うコンテンツを,現場の教師の意見を参考に制作した。具体的なソフトウエア開発の内容は、ソリッドモデラーで生成した立体の体積,表面積,重心の計算と表示および展開図の生成機能を加えた。さらに、マウス操作による生成立体の移動回転、マウスおよびキーボード操作による立体生成コマンドの制御、関数による曲面形状立体の生成を可能にした。一方、コンテンツについては、「立体図形・体積」学習時のためのコンテンツ制作、展開図の生成と展開シミュレーションのコンテンツ制作など、50種類以上のモデル生成プログラムを制作した。2件の教育機関(小学校)で、実験授業を行い好評を得た。一箇所ではソリッドモデラーを実行しながら体積と表面積の授業を行い、もう一箇所では、本ソフトウエアで生成した展開図を利用し、全校生徒によるモデル製作授業を行った。現在、開発を進めている教育用3次元ソリッドモデラーについて、つぎの3つの機能を追加し、ホームページ等でダウンロードできるようにした。また、私学情報教育協会のホームページでも公開する予定である。展開図の生成については、まだ未完成であるため、引き続き次年度にも開発を進める。また、数式による立体生成機能もほぼできており、今後、マニュアルの整備し、一部機能を限定した状態で公開してする予定である。立体ディスプレイへの表示は、Open GLを用いて行っている。(1)生成立体の体積,表面積,重心,展開図をマウス操作で表示するプログラムの開発(2)マウス操作により立体表示の回転や移動等が行えるプログラムの開発(3)立体表示の高速化と立体ディスプレイへの表示プログラム開発一方、もうひとつの目標である教育コンテンツの制作はまだ十分ではない。数式による立体生成を使った2次元および3次元の関数表示例や波形や放物運動のシミュレーションなど簡単なものを作ったところである。次年度の研究において充実させていく。小中学校での教育の実践についても、東京電機大学情報環境学部に近い小学校で、立体モデル製作の課外授業を行い、正12面体、正20面体、準正32面体の組み立てを約300名の小学生と取り組んだ。子供たちや教師・父母の方々からも喜ばれ、その様子は地元のケーブルテレビでも放映された。次年度も実施してほしいという依頼が来ている。通常の授業の中で立体モデル制作のコンピュータ教師との調整もあり難しいので、次年度は、科学館等での体験学習のような機会を利用して、本ソフトウエアを小中学生に使ってもらうことを計画している。
光渦ドップラー分光法の開発と横方向流れ計測への応用

光渦は3次元的にねじれた位相構造を持つ電磁波であるため,その光波中を運動する粒子は3次元のドップラー効果を受ける.本研究では,光渦レーザーの特異な空間位相構造をプラズマ分光に利用することで,レーザーを横切る方向の運動に感度を持つ光渦ドップラー分光法を開発し,プラズマ中の流れ計測に応用することを目的としている.これまでの光渦ドップラー分光法の開発過程において,ビーム内に吸収率が負になる領域が観測されることが問題になっていた.光渦吸収分光ではビーム断面におけるドップラーシフトの位置依存性を利用するため,必然的に局所的な吸収による欠陥構造を観測する必要が出てくる.欠陥構造を持つ光渦の伝播に関する光学分野の先行研究において,伝播に伴うGouy位相変化で欠陥構造が回転することが報告されている.同様の効果が光渦の吸収分光に与える影響について数値計算を行い,伝播による吸収率分布の変形を確認した.伝播による吸収率分布の変形を避けるため新たに4f光学系を開発して測定系に導入することで,理論的な予想に近い吸収率分布が得られ,負の吸収率も観測されなくなった.これにより,これまで問題となっていた負の吸収率がGouy位相変化によって作り出されていたものであることが明らかとなった.測定系の改良に加え,光渦とフーリエ光学を組み合わせた生かした新たな試みとして,吸収によって生成される高次の空間構造のみを取り出すことにより,吸収分光の感度を格段に向上させる方法に関する理論解析も進めている.また,光渦LIF法の予備実験を行うとともに,受光系に求められる空間分解能等の検討を行った.大気圧ヘリウムプラズマジェットへの応用では,予備実験として1083nmのDFBレーザーを用いた通常の吸収分光法により,Heガス中を伝播するプラズマビュレットを観測し,その伝播特性を調べた.光渦分光法を確立するため,実験系の改善とともに,新たな応用に向けた理論解析等を着実に進めている.測定系に4f光学系を導入したことで吸収率分布の変形を抑えられることが明らかとなった.一方で,方位角ドップラーシフトの大きさが理論的な予想に対して数倍の大きさになっている原因については明らかになっておらず,その原因の解明が課題となっている.光渦の特徴を生かした吸収分光法の高感度化という新しい試みに加え,光渦LIF法の開発,大気圧プラズマジェットへの応用等を順調に進めている.2019年度は,欠陥のある光渦の伝播解析,フーリエマスク光渦吸収分光法の開発,光渦LIF法の開発,および大気圧プラズマジェット中の準安定原子計測への応用を進める.「欠陥のある光渦の伝播解析」2018年度に4f光学系を開発して測定系に導入することで,Gouy位相変化が吸収率分布に影響を及ぼすことが実験的に明らかになった.2019年度は数値計算により,欠陥のある光渦の伝播に伴う変形を詳細に検討する.「フーリエマスク光渦吸収分光法の開発」光渦吸収分光ではドップラーシフトの位置依存性により必然的に不均一な強度分布が得られる.このことは吸収によって高次の空間周波数成分が生成されたことを意味している.2018年度に,この高次の成分のみを取り出すことによって従来の吸収分光法の感度を格段に向上できる可能性を数値解析によって示した.2019年度は,この新しい光渦吸収分光法の測定系を構築し,予備実験を開始する.「光渦LIF法の開発」光渦LIF法では,ビーム断面内の位相特異点近傍から放出されるLIF信号の2次元分布が重要となるため,LIF信号を高空間分解で画像計測する必要がある.2018年度に予備実験を行うとともに,受光系に求められる空間分解能等の検討を行っている.2019年度は,高空間分解能な受光系を構築する.「大気圧プラズマジェット中の準安定原子計測への応用」本研究課題で開発した光渦収分光法を適用することで,準安定原子の放電に沿った輸送を観測する.初年度は,光渦分光法の実用化に向けて,現有の実験系全般の高安定化および低ノイズ化のための改造を行った.現有のシステムでは,光源に外部共振器型半導体レーザー(ECDL)(TOPTICA社製DL-100 697nm)を用いてアルゴンプラズマ中の準安定アルゴン原子を吸収分光法により測定している.ECDLの出力を偏光保持ファイバに導入することでビームの空間モードを整える.ファイバからの出力を空間位相変調器(SLM)に表示したホログラムに照射し,干渉を利用することで光渦に変換して測定に用いる.今年度,光源をDL-100からTOPTICA社製DLproに変更することで,波長掃引時のパワーおよび波長の安定性を向上させるとともに,レーザーパワーも10mWから30mWに増強した.光渦分光では,ビーム中央の位相特異点から数十μm程度の領域での吸収特性が重要となるため,ビームの位置を不安定化する実験室内の空気揺らぎを抑える必要がある.このため,光路全体をケースにおさめて実験室内の空気の揺らぎから実験系を切り離し,ビーム位置の揺らぎを数μm程度にまで抑制した.また,光渦生成に用いているSLMは反射光の位相変化が校正された液晶ディスプレイであるため,液晶のリフレッシュに対応した位相ノイズが光渦に重畳されている.今年度の実験では,位相ノイズを十分平均化するため,ビーム画像を記録しているカメラの露光時間を0.5秒以上とした.以上の測定系の改良を行った後,流速を校正したガス流を用いた横方向流れ測定の実証実験を行った.