hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
有機IV,V,VI族典型金属化合物の合成とC-C結合生成反応への利用

1.末端アセチレンのヒドロメタル化によるアルケニルメタルの合成:ロジウム触媒を用いたヒドロスタニル化反応をPh-C C-Dについて行い、この触媒系が、位置選択的にフェニル基のα位にスズが結合し、立体特異的にシス付加で進行していることを明らかにした。また、ヒドロゲルミル化およびヒドロシリル化反応でも、同様な結果を得た。特に後者の場合、白金触媒とは全く逆の位置選択性示したことは、興味深い。2.アルケニルメタルのパラジウム触媒によるアリール化脱メタル反応:パラジウム触媒による(E) -Ph (Bu_3Sn) C=CHDとArN┣D22BF┣D24┫D2の反応の立体科学を検討した結果、このアリール化脱スズ反応が、Ar-Pdのシン付加と、Pd-SnBu┣D23┫D2のアンチ脱離で進行していることを明らかにした。また、アルケニルスズ化合物のAr-Pd-Xによる求電子置換反応が、アリール基上の置換基の他、パラジウムの配位子によって、トランスメタレーション機構と付加脱離機構の2つの経路を選択して進行している事を示した。アルケニルシランおよびアルケニルゲルマンについてもAr-Pd種を用いてアリール化脱メタル応を検討した結果、共にAr-Pdの付加とPd-Si (Ge)またはPd-Hの脱離により進行すること、並びに脱離様式がパラジウムの配位子により強く影響を受けることを明らかにした。以上の結果は、パラジウム触媒を用いたアルケニルメタルと有機求電子剤とのカップリング反応における、位置および立体化学の制御に重要な情報を与えるものである。3.芳香族ジアゾニウム塩よりアリールテルルの合成:ArTeTeArのNaBF_4による還元あるいは、ArMgBrとテルル金属の反応と引き続く加水分解で得られるArTeHと芳香族ジアゾニウムの反応を検討し、ハロゲンやカルボニル基を含む種々の置換基を持つ非対称ジアリールテルル'Ar-Te-Ar'の選択的合成法を開発した。1.トリアルキルヒドロスタンナンを用いる末端アセチレンのヒドロスタニル化反応に対して, VIII属遷移金属錯体触媒(Rh, Ni, Pd, Pt, Coなど)が非常に高い活性を示すことを見出した.なかでもロジウム錯体, RhCl(CO)(PPh_3)_2は高活性なだけでなく,位置選択的なα-スタニルアルケンを好収率で与えることを明らかにした.また,重水素化アセチレンを用いたヒドロスタニル化反応では,選択的にシス付加で進行することを見い出した.従来最もよく用いられて来たラジカル触媒系が, β-スタニルアルケンをトランス付加を主要な経路として与えることと全く逆であり,興味深い.2.1で得られるα-スタニルスチレンと芳香族ジアゾニウム塩の反応を0価のパラジウムを触媒として検討したところ,興味あることに,シススチルベン誘導体を選択的に且つ好収率で与えることを見出した.本反応は,ニトロ基やカルボニル基など多様な置換基をもつシススチルベン合成法として重要である.一方, α-シリルスチレンとジアゾニウム塩の反応では,選択的にトランススチルベンを生成した.このアルケニルスズとアルケニルケイ素による立体化学の相違は,付加中間体からのスズあるいはケイ素の脱離様式の違いによると考えられる.今後内部アセチレンの立体選択的ヒドロスタニル化反応を開発すると共に,それを用いた立体選択的オレフィン合成を計画している.

3.ヘキサアルキルジスタンナンとジアゾニウム塩の反応により,ニトロ基やカルボニル基など多様な官能基を含むアリールスタンナンの合成法を確立し,芳香族ケトン合成に応用した.4.ジアリールジテルリドヒジアゾニウム塩の反応により,極性官能基をもつ非対称ジアリールテルルの合成法を見出したが,収率向上の為,反応条件等の検討を加える予定である.1.末端アセチレンのヒドロスタニル化によるアルケニルスズの合成:ロジウム触媒RhC1(CO)(PPh_3)_2を用いたヒドロスタニル化反応を重水素化フェニルアセチレンについて行い、この触媒系が、位置選択的にフェニル基のα位にスズが結合し、立体特異的にシス付加で進行していることを明らかにした。2.アルケニルスズのパラジウム触媒によるアリール化脱スズ反応:1.で合成した(E)-Ph(Bu_3Sn)C=CHDを用いてパラジウム触媒によるジアゾニウム塩との反応の立体化学を検討した結果、このアリール化脱スズ反応が、Ar-Pdのシス付加と、Pd-SnBu_3のトランス脱離で進行していることを明確に示すことが出来た。また、系中で発生させた種々の置換基や配位子を持つAr-Pd-X(X=BF_4,I)と(E)-PhCH=CHSnPh_3の反応を検討した結果、アルケニルスズ化合物のパラジウム錯体による求電子置換反応が通常の有機スズと異なり、トランスメタレーション機構と付加脱離機構の2つの経路で進行している事を明らかにした。これらの経路の選択に、アリール基上の置換基の他、パラジウムの配位子も重要な影響を持つことを示した。以上、パラジウム触媒を用いたアルケニルスズと有機求電子剤とのカップリング反応における、位置および立体化学の制御に重要な情報を与えるものである。3.芳香族ジアゾニウム塩よりアリールテルルの合成:ArTeTeArのNaBF_4による還元あるいは、ArMgBrとテルル金属の反応と引き続く加水分解で得られるArTeHと芳香族ジアゾニウム塩の反応を検討し、ハロゲンやカルボニル基を含む種々の置換基を持つ非対称ジアリールテルルAr-Te-Ar'の選択的合成法を開発した。
ワイヤー型フォノニック結晶における振動モードとフォノンダイナミクス

ワイヤー型フォノニック結晶、すなわち周期構造を持つナノワイヤー超格子の振動モードの解析を、変分法に基づくxyzアルゴリズムを用いて行った。ワイヤー断面の形状と振動モードの関係を群論に基づいて整理し、各振動モードに対する分散関係およびフォノン変位を計算した。円形断面を持つGaN/AlNナノワイヤー超格子において、全ての振動モードが存在しない完全フォノニックギャップが出現するパラメータを見いだした。ワイヤー型フォノニック結晶とは、異なる2種類の物質を軸方向に交互に繰り返して作製されるワイヤー状の人工物質で、「ナノワイヤー超格子」とも呼ばれる。本研究では、ワイヤー型フォノニック結晶の振動モードの特性を明らかにすることを目的のひとつとしている。本年度は、主にフォノン分散関係の計算を行うことにより、矩形および正方形の断面をもつワイヤー型フォノニック結晶に生じる振動モードの解析を行った。はじめに、空間群の理論を用いて振動モードの分類を行い、正しい対称性を持った変位ベクトルとして、どのような関数が許されるかを調べた。次に、それぞれのモードに対して、xyzアルゴリズムと呼ばれる、変分法に基づく数値計算法を用い、分散関係を求めた。この計算方法は、周期構造を持たない一様な矩形ワイヤーの振動モードの解析に用いられ、その有用性が認められた計算方法である。この計算方法を、矩形および正方形の断面をもつワイヤー型フォノニック結晶に適用できるように拡張を行った。その際、正しい対称性を持った変位ベクトルを基底関数として用いた。数値例として、GaAsとAlAsからなるワイヤー型フォノニック結晶、およびGaNとAlNからなるワイヤー型フォノニック結晶に対して、全ての振動モードの分散関係、および対応するフォノン変位を計算した。この計算結果に基づいて、ワイヤー型フォノニック結晶中のフォノンの特性を調べた。特に、ワイヤー軸に垂直な方向へのフォノン閉じこめの効果と、ワイヤー軸方向の超格子周期による変調の効果が、フォノンスペクトルにどのような変化をもたらすかを明らかにした。また、矩形断面の場合と正方形断面の場合で、フォノンスペクトルがどのように異なってくるかを明らかにした。ワイヤー型フォノニック結晶は「ナノワイヤー超格子」とも呼ばれ、異なる物質を軸方向に周期的に並べて作製されるワイヤー状の人工物質である。本研究では、ナノワイヤー超格子の振動モード特性を明らかにすることを主要な目的のひとつとしている。本年度は、ナノワイヤー断面の形状が振動モードにどのような影響を及ぼすかを詳細に検討するため、「円形」の断面をもつナノワイヤー超格子の分散関係の計算を行った(ただし、ナノワイヤー超格子の構成層は弾性的に等方であると仮定した計算を行った)。はじめに、対称性の理論を用いて振動モードの分類を行い、正しい対称性を持った変位ベクトルの組を構成した。次に、それぞれのモードに対して、正しい対称性を持った変位ベクトルを基底関数として用いて分散関係を求め、振動パターンを解析した。数値計算は、昨年度に開発した手法を用いて、InAsとInPからなる系およびGaNとAlNからなる系に対して行った。InAsとInPからなるナノワイヤー超格子では、構成層の音響ミスマッチがあまり大きくなく、その結果、種々のパラメータを系統的に変化させても、全ての振動モードが存在することのできない周波数領域、いわゆる完全フォノニックバンドギャップが低周波領域に開くことはなかった。一方、GaNとAlNからなるナノワイヤー超格子に対しては、ワイヤー半径と周期長の比、および、GaNとAlNの層厚の比をうまく選ぶと、低周波数領域に完全フォノニックバンドギャップが出現することがわかった。また、昨年度に行った正方形断面のナノワイヤー超格子に生じる各振動モードとの対応を明らかにした。本年度は、ワイヤー型フォノニック結晶の断面が「三角形」、「六角形」の場合を取り上げ、振動モードの解析を行った。まず、三角形、六角形の断面をもつワイヤー型フォノニック結晶に対して、対称性の理論を用いて振動モードの分類を行い、正しい対称性を持った変位ベクトルの組を構成し、これらの変位ベクトルを基底関数として用いて分散関係を計算するプログラムを作成した。また、当初の計画にはなかった、固体と液体からなる1次元フォノニック結晶を取り上げ、その振動モードの解析と、この系に特有な共鳴現象の解析も行った。これは、Hassouaniらの論文[PRB78, 174306]の詳細な検討から発展した研究であり、本研究にも重要な影響を与えるものであることから、この時期に行ったものである。この系の分散関係と透過スペクトルを、転送行列法を用いて解析的に計算することにより、この系に特有な周波数ギャップの物理的解釈に成功した。この系においては、よく知られている周期多層構造によるフォノンのブラッグ反射に起因した周波数ギャップに加えて、ブラッグ反射に関係のない周波数ギャップが現れることがわかった。固体液体界面でのモード変換を伴う多重反射の際、横波成分は固体層に完全に閉じ込められる。その閉じ込めモードと入射フォノンとが共鳴相互作用することにより、透過波が完全に打ち消される周波数帯(ストップバンド)があらわれる。

この周波数帯が、ブラッグ反射とは関係のない周波数ギャップであり、この系に特有な周波数ギャップである。これまでの研究では、種々の断面形状をもつワイヤー型フォノニック結晶に対して、対称性の理論を用いて振動モードの分類を行い、正しい対称性を持った変位ベクトルの組を構成して分散関係を計算するプログラムを作成してきた。その際、ワイヤーの形状の対称性に加えて結晶自身の持つ対称性を考慮しなければならないが、断面形状の効果のみに注目してきた。計算は、GaAs/InAs系、InAs/InP系およびGaN/AlN系に対して行ったが、GaN/AlNナノワイヤー超格子に対して、ワイヤー半径と周期長の比、および、層厚比をうまく選ぶと、完全ギャップが出現することが示された。ただし、この計算では、GaNとAlNの構造は、立方晶(すなわち閃亜鉛構造)であると仮定しており、断面形状を円としていた。近年作成されているIII族窒化物ナノワイヤーの多くはウルツ鉱構造で、六角形の断面形状をとるものが多い。そこで、構成物質の構造異方性の効果を明らかにするため、等方性近似を適用してみたところ、ギャップが消失した。このことは、バンドギャップエンジニアリングを行う際に、結晶の異方性を十分考慮する必要があることを示している。そこで、ウルツ鉱構造をとるナノワイヤーに適応できるようにプログラムの改良を行い、六角形の断面をもつGaNからなるナノワイヤーの振動モードを解析して、結晶の異方性の効果を議論した。また、近年、中空のナノワイヤー、すなわち、チューブ構造をもつワイヤーが作成され、盛んに研究が行われている。本研究においても、六角形断面のチューブ状GaNナノワイヤーの振動モード解析を行い、穴を開けたことによる効果を振動モードごとに解析し、その特徴をまとめた。特に、A1モードとE2モードが穴の大きさに敏感で、チューブの厚さを薄くしていくと、それらのモードの固有振動数は大きく低周波数側にシフトしてくることが明らかとなった。交付申請書に記載した今年度の研究実施計画のみに関して言えば、若干遅れているとの指摘がなされるかもしれない。しかしながら、今年度は、研究の自然な流れの結果として当初の計画にはない研究を行い、その結果、本研究に重要な知見を得ることができた。「研究の目的」の達成度を全研究期間の時間スケールで見れば、順調に進展しているということができる。24年度が最終年度であるため、記入しない。数値例として、GaNとAlNからなるワイヤー型フォノニック結晶に対して、全ての振動モードの分散関係、および対応するフォノン変位を計算する。この計算結果に基づいて、ワイヤー型フォノニック結晶中のフォノンの特性を調べる。昨年度までに行った「矩形」、「正方形」、および「円形」断面の場合の計算結果と比較検討することにより、振動モードが、ワイヤー断面の形状にどのように依存するか、いわゆる形状効果を明らかにする。また、ワイヤー型フォノニック結晶の各構成層に対して、等方性近似を行った場合と、異方性を考慮した場合との比較を行う。
マイクロインジェクション法を用いた樹木木部細胞における細胞骨格の動的解析

昨年度検討を行ったマイクロインジェクションの方法に若干の改良を加え、各種針葉樹の芽ばえに蛍光標識した微小管の構成タンパク質であるチューブリンを注入した。注入1030分後、共焦点レーザ走査顕微鏡法により芽ばえを観察したところ、微小管に基づく蛍光像が観察できた。マイクロインジェクション法により微小管の蛍光標識化合物が細胞内に取り込まれたといえる。微小管は細胞内での方向性が認められた。伸長中と思われる細胞では、微小管は細胞軸に対して垂直または斜め方向に配列していた。この微小管の方向がセルロースミクロフィブリルの方法を決め、細胞の伸長の方向を決めていると考えられる。また、蛍光標識化合物を注入した試料に低温処理を行い、蛍光像の観察を続けると、微小管像が不鮮明になった。微小管は、低温に対する安定性が低く脱重合を起こしやすいことが報告されており、本研究の結果からも微小管の低温に対する不安定性を裏付けることが出来た。また、アクチンなど微小管以外の細胞骨格もマイクロインジェクション法を用いて細胞内に取り込ませることが可能となった。アクチンは、細胞内で三次元ネットワークを構築しているように観察できた。従って、本研究で確立したマイクロインジェクション法と共焦点レーザ走査顕微鏡法を組み合わせた方法は、植物ホルモンや重力などの外的刺激が細胞骨格の配向を制御する過程をin situで可視化できる点で優れているといえる。今後、樹木木部細胞内に存在する細胞骨格の動的な変化を解析し、細胞の分化機構に関する新しい知見を得る上で有効な手段となりうるといえる。細胞骨格は、細胞の分裂面や細胞の形態の決定に重要な役割を担っていると考えられている。そこで本研究では、細胞骨格の動的な解析を行うためのマイクロインジェクション法と共焦点レーザ走査顕微鏡法を組み合わせた方法の確立を第一の目標とした。マイクロインジェクションとは、先端径が微小なキャピラリーに目的物を詰めて、細胞に注入することである。細胞内への注入には、汎用型のマイクロインジェクターを用いた。先端の直径を0.5μm以下に加工した微小なガラス製の針状キャピラリーを取り付け、蛍光標識した微小管の構成タンパク質であるチューブリンを注入した。蛍光標識化合物は、緩衝液に融解して用いた。方法の確立を行うために、植物試料として異なる厚さをもつ樹木の葉を用いた。試料をスライドグラス上に置き、顕微鏡下で蛍光標識化合物を入れたキャピラリーを挿入し、圧力をかけて蛍光標識化合物を細胞内に注入した。注入約20分後、切片を共焦点レーザ走査顕微鏡により観察したところ、蛍光標識化合物を注入した植物体内部の蛍光像が得られた。蛍光標識化合物は、柔細胞だけでなく葉脈にも取り込まれていた。走査後、使用した試料から注入部を含む横断面切片を作成し、蛍光標識化合物の注入位置を特定した。今後、特定の細胞のみに注入できる方法を確立する必要がある。平成13年度は、本年度に確立した方法を用い、植物ホルモン供与や重力刺激を行った植物樹幹試料における細胞骨格の動的変化を追跡し、細胞分裂や細胞分化における細胞骨格の役割を明らかにする。また、微小管とともにアクチン・フィラメントを解析する予定である。
羊膜幹細胞移植後の疾患モデルにおける組織形態学的変化

羊膜上皮および羊膜間葉系細胞に含まれる幹細胞を純化し、疾患モデルでその効果を検討した。糖尿病モデルでは、一過性の血糖値の低下および延命効果が見られた。脊髄損傷モデルでは、損傷後1週間後に羊膜間葉系細胞を移植したにも関わらず、下肢の機能に有為な回復が認められた。骨欠損モデルでは、異種動物への移植であったにも関わらず、拒絶はほとんど認められず骨組織への再生が確認された。羊膜幹細胞は再生医療の細胞素材として有効である。本研究では、(1)羊膜に存在する幹細胞を濃縮あるいは増幅する方法を確立すること(2)羊膜幹細胞の多分化能を疾患の治療に利用するために、病態モデルを用いて、羊膜細胞の効果を明確にすることを目的としている。・羊膜幹細胞の濃縮(増幅)ヒト羊膜細胞(ヒト羊膜上皮細胞:hAEおよびヒト羊膜間葉系細胞;hAM)から羊膜幹細胞を多量に採取する方法および幹細胞の特性を持った細胞を増殖する方法を検討した。フローサイトメーターやmagnetic activatedcell sortingを利用した細胞表面マーカーによる選択と培養方法による選択により、外来遺伝子を組み込まなくても増殖能、多分化能を維持する羊膜幹細胞を採集することが可能となった。遺伝子の発現量をiPS細胞と比較したところ、SOX2という転写因子がiPSよりも高い値を示すこと、体性幹細胞の中で、移植などに有効であることが示唆されている骨髄由来間葉系幹細胞(MSC)よりも、OCT3/4,KLF4,Nanogなどの転写因子の発現が極めて高く、発がん性を示さないことが確認された。今後、本細胞系をさらに効率よく樹立できる方法を検討する予定である。・疾患モデル動物を利用して欠損した組織、機能を補填するために、多分化能を有する細胞を移植する方法が試みられている。しかし、移植する細胞をどの時期に、またどの段階まで分化させた状態で移植することが組織再構築の効果をもたらすのか明確にされていない。本年度は、脊髄損傷ラットを用いて、羊膜幹細胞の効果について検討した。羊膜幹細胞を脊髄損傷発症後1週間という症状が亜急性期に移行する時期に分化誘導をかけないままに髄腔内に移植したにも関わらず、運動能が有意に回復し、組織学的にも軸索の空胞化の抑制、新たにな神経突起の再生が観察された。今後、これらの組織、関連分子の解析を進める。本年度は疾患モデルへ羊膜幹細胞を移植し、その効果の検討をした。1)糖尿病モデルマウスへの移植(インスリン分泌細胞への分化):ニコチンアミドで分化誘導した羊膜幹細胞を糖尿病モデルマウスの脾臓に移植し、その効果を啓示的な血糖値の測定及び採取材料の免疫組織化学的な結果により検討した。4週齢のマウスの腹腔にstreptozotocine (STZ ; Sigma, 250mg/Kg body weight)を投与し、血糖値が3日間以上継続的に400mg/dl以上を示すものを糖尿病モデルマウスとして実験に使用した。脾臓に分化誘導羊膜細胞を移植後、3日目、4週間目に採取し脾臓および肝臓を、凍結、光学顕微鏡の材料として処理した。投与直後に、一時的に血糖値は低下するものの、継続した血糖値の低下は認められなかった。2)骨欠損モデル動物への移植(骨細胞への分化):自家性の骨分化培地にて骨細胞への分化を平面及びスカフォールド上で実施した。スカフォールド上に細胞を播種し、分化培地にて培養したものを走査型電子顕微鏡で観察したところ、培養開始2から3週間にかけて細胞表面に線維の進展および多数の顆粒が存在するのが観察された。EDXにてミネラル成分の沈着を測定したところ、果粒の中に高濃度にCaを貯留しているのを確認した。次に、スカフォールドに細胞を播種し分化誘導かけたものをドリルで骨欠損部を作製したラットの頭蓋に移植し骨形成能を検討した。移植後8週間目に観察したところ、基質の分泌は見られるものの骨化は細胞播種群と非播種群において違いが認められなかった。3)軟骨への分化:ウサギで骨、軟骨全層欠損モデルを作製し、軟骨の再生を検討した。材料を経時的に採取し、軟骨の形成能を組織学的、免疫組織学(collagen type II,アグリカンの産生)的に現在検討中である。1)糖尿病モデルマウスへの移植(インスリン分泌細胞への分化):昨年度、ニコチンアミドで分化誘導した羊膜幹細胞を糖尿病モデルマウスの脾臓に移植し、その効果を啓示的な血糖値の測定及び採取材料の免疫組織化学的な結果により検討したが、投与直後に、一時的に血糖値は低下するものの、継続した血糖値の低下は認められなかった。本年度は、糖尿病モデルへ移植する細胞が、採取した細胞により、分化度に差があることから、糖尿病治療に適した細胞系を再度検討した。

これまで、羊膜上皮幹細胞を糖尿病治療にと、その効果を検討してきたが、羊膜間葉系幹細胞にも、治療効果を有する細胞が確認された。2)骨欠損モデル動物への移植(骨細胞への分化):自家性の骨分化培地にて骨細胞への分化を平面及びスカフォールド上で実施した。スカフォールド上に細胞を播種し、分化培地にて培養したものを走査型電子顕微鏡で観察したところ、培養開始2から3週間にかけて細胞表面に線維の進展および多数の顆粒が存在するのが観察された。EDXにてミネラル成分の沈着を測定したところ、果粒の中に高濃度にCaを貯留しているのを確認した。次に、スカフォールドに細胞を播種し分化誘導かけたものをドリルで骨欠損部を作製したラットの頭蓋に移植し骨形成能を検討した。移植後6週間、および12週間目に移植部位を採取し、組織学的、免疫組織学的な検討を行った。レシピエントの組織に近い部位では、レシピエントの細胞の浸潤が観察されるが、羊膜幹細胞播種群のスカフォールでは、骨化がおこっている部位にヒトcollagen Type1陽性が観察された。非播種群では、スカフールド周辺にのみ、わずかな骨化が認められたが、播種群では、スカフォールド中央部も含め、いくつかのコロニー状に骨化が観察された。このことから、移植細胞が生着し、骨化中心として骨化を進めていることが確認された。以上の結果を基に、今後更に、その機序について検討を進める予定である。
三次元超音波エラストマイクロスコープの開発

組織の質的な変化を捉える組織性状診断は、組織形態の病変が顕在化する前の早期診断や良悪性の鑑別診断を可能とするものとして重要視されている。その中でも、組織の硬さは、癌、肝硬変、動脈硬化症などの病態を敏感に反映することから、近年、腫瘍の検出精度の向上や進行度の診断などを目的として、超音波により組織弾性を画像化する組織弾性イメージングが実用化された。一方、疾病の進行度の把握や、良悪性鑑別等のためには、組織の粘弾性の変化の病理学的な意味付けが重要となるが、そのような疾病との対応を定量的に把握できるデータは皆無に近い。本研究では、我々がこれまでの研究で開発したin vivoでの体内臓器の歪み分布やヤング率を得る手法や、ヒステリシス特性に基づき粘弾性に関するパラメータの抽出する手法を用いて、自動的に組織切片の圧迫・弛緩を行う装置と、専用の高周波超音波トランスデューサを用いたシステム、さらにデータ解析のアルゴリズムの開発を通じて、三次元超音波エラストマイクロスコープの開発を行う。本年度は、前年度までの基礎実験システムによる検討結果をもとに、有限要素法等を用いて実験システムを忠実に再現したシミュレーターを構築した。これにより、ビーム形状や超音波パルス形状、弾性像の空間分解能を向上させるためのフィルタ等のパラメータの最適値について検討した。次に、上記の結果を反映したシステムの改良を行い、ファントムにより空間分解能、粘弾性パラメータの精度などについて評価した。また、組織切片を用いて、組織の粘弾性における温度依存性、繰り返し計測による履歴性などについて詳細に検討し、併せて、既設の機械的な圧縮試験装置を用いて得られるマクロな特性値との比較検討を行った。最後に、これらの検討結果と実用化に向けての課題を整理し本研究の取り纏めを行った。その中でも、組織の硬さは、癌、肝硬変、動脈硬化症などの病態を敏感に反映することから、近年、腫瘍の検出精度の向上や進行度の診断などを目的として、超音波により組織弾性を画像化する組織弾性イメージングの開発が進められており、一部実用段階に入りつつある。本研究は、組織性状診断技術の向上の観点から、組織粘弾性と病理組織との対応関係を解明する手段として、超音波を用いて組織切片における粘弾性の三次元分布を定量的に計測可能とする、三次元超音波エラストマイクロスコープの開発を目的とするもので、初年度は以下の検討を行った。1.組織切片内三次元変位分布測定法の開発圧縮した場合の組織切片内に生ずる変位の三次元分布、およびそれに基づく歪み分布を得る手法を開発した。また、評価のための基準データとして、様々な組織の粘弾性値を機械的計測により求めた。2.基礎実験システムによる歪み分布測定法の評価基礎実験システムを構成して上記で開発した組織切片内歪み分布計測法を適用し、変位空間分解能、歪み弁別能、SN比などの基本特性を評価した。それぞれの成果は国際会議等で発表した。これらより、ほぼ計画通りに次年度へ繋げることができると考える。本研究は、組織性状診断技術の向上の観点から、組織粘弾性と病理組織との対応関係を解明する手段として、超音波を用いて組織切片における粘弾性の三次元分布を定量的に計測可能とする、三次元超音波エラストマイクロスコープの開発を目的とするもので、本年度は以下の検討を行った。1.粘性弾性パラメータの抽出法の開発変位の三次元分布から、ヒステリシスループの形状の粘弾性モデルへの当てはめによる粘弾性パラメータを抽出する方法について検討した。2.シミュレーションによる特性の評価組織の粘弾性や実験システムの特性に対応する条件下で、理論的解析や3次元有限要素法に用いたシミュレーションを行い、空間分解能、コントラスト分解能などの基本特性を評価した。3.基礎実験システムによる基本特性の検討組織粘弾性の三次元的分布計測の基礎実験システムを構築し、ファントム実験により空間分解能、粘弾性パラメータの精度などのシステムの特性を評価した。

一方、疾病の進行度の把握や、良悪性鑑別等のためには、組織の粘弾性の変化の病理学的な意味付けが重要となるが、そのような疾病との対応を定量的に把握できるデータは皆無に近い。本研究では、我々がこれまでの研究で開発したin vivoでの体内臓器の歪み分布やヤング率を得る手法や、ヒステリシス特性に基づき粘弾性に関するパラメータの抽出する手法を用いて、自動的に組織切片の圧迫・弛緩を行う装置と、専用の高周波超音波トランスデューサを用いたシステム、さらにデータ解析のアルゴリズムの開発を通じて、三次元超音波エラストマイクロスコープの開発を行う。本年度は、前年度までの基礎実験システムによる検討結果をもとに、有限要素法等を用いて実験システムを忠実に再現したシミュレーターを構築した。これにより、ビーム形状や超音波パルス形状、弾性像の空間分解能を向上させるためのフィルタ等のパラメータの最適値について検討した。次に、上記の結果を反映したシステムの改良を行い、ファントムにより空間分解能、粘弾性パラメータの精度などについて評価した。また、組織切片を用いて、組織の粘弾性における温度依存性、繰り返し計測による履歴性などについて詳細に検討し、併せて、既設の機械的な圧縮試験装置を用いて得られるマクロな特性値との比較検討を行った。最後に、これらの検討結果と実用化に向けての課題を整理し本研究の取り纏めを行った。
C型肝炎におけるシェーグレン症候群発症機序のトランスジェニックマウスを用いた解明

慢性C型肝炎患者の約半数で唾液腺にシェーグレン症候群様の病変を認めたと報告されている。我々のグループでは、HCVのエンベロープ遺伝子を導入して樹立したトランスジェニックマウスを報告した。このトランスジェニックマウスの肝においては、高度のE1とE2蛋白の発現にもかかわらず、何らの組織学的変化も生じてこない。これに対して、同様にE1、E2蛋白の発現の認められた唾液腺においては、マウス出生後数か月から特徴ある組織変化が生じてきた。すなわち、まず、唾液腺内の小血管の周囲にリンパ球浸潤(limphocytic capillaritis)を生じ、これが次第に拡大し、約6か月齢には、小葉内導管(intralobular duct)の周囲に著明なリンパ球浸潤を認めるようになる。唾液腺炎はゆっくりと進行性であり、約一年半を経過すると唾液腺内の導管の増生や実質の脱落と線維化を認めるようになる。これらの病変は、ヒトにおけるシェーグレン症候群における唾液腺病変に酷似している。また、涙腺においても同様な炎症像を認めている。唾液腺病変の頻度を月齢毎にみていくと、3か月齢以内に病変は既に出現し、全体では80%以上のトランスジェニックマウスで唾液腺炎が出現している。これに対して、非トランスジェニックマウスでは、113匹中の2匹にごく軽い唾液腺炎を認めたのみであった。マウスの唾液腺におけるエンベロープ蛋白の発現も確認されている。すなわち、ウエスタンブロットによって、E1、E2の両エンベロープ蛋白は唾液腺において肝と同レベルに発現していることが確認され、また免疫組織染色では、唾液腺内の導管上皮細胞にエンベロープ蛋白が確認された。唾液腺炎とエンベロープ蛋白発現との間には、強い関連が存在する。本トランスジェニックマウスの意味するところは、二つある。ひとつは、HCVとシェーグレン症候群あるいはシェーグレン症候群類似の唾液腺炎との関連を実験的に証明できたことである。ふたつ目は、HCVのエンベロープ蛋白がシェーグレン症候群様唾液腺炎の発症の原因になっていることを示したことである。我々のグループは、HCVのエンベロープ遺伝子を導入してトランスジェニックマウスを樹立した。このマウスでは、遺伝子型1b型HCVのエンベロープ遺伝子(E1とE2)がB型肝炎ウイルスX遺伝子の制御領域を用いて導入されている。このトランスジェニックマウスでは既に報告したように、肝においては高度のE1とE2蛋白の発現にもかかわらず、何らの組織学的変化も生じてこない。すなわち、まず、唾液腺内の小血管の周囲にリンパ球浸潤を生じ、これが次第に拡大し、約6か月齢には、小葉内導管の周囲に著明なリンパ球浸潤を認めるようになる。また、この唾液腺炎はゆっくりと進行性であり、約一年半を経過すると唾液腺内の導管の増生や実質の脱落と線維化を認めるようになる。これらの病変は、ヒトにおけるsjogren症候群における唾液腺病変に酷似している。このトランスジェニックマウスには、このように著明な唾液腺病変が認められるにも拘わらず、体重減少や衰弱もなく、寿命である24か月以上を全うしている。

唾液腺病変の頻度を月齢毎にみていくと、3か月齢以内に病変は出現し、全体では80%以上のトランスジェニックマウスで唾液腺炎が出現している。これに対して、非トランスジェニックマウスでは、113匹中の2匹にごく軽い唾液腺炎を認めたのみであった。また、唾液腺炎の出現に性差は無かった。唾液腺炎とエンベロープ蛋白発現との間には、強い関連が存在する。本トランスジェニックマウスの意味するところは、2つある。ひとつは、HCVとsjogren症候群あるいはsjogren症候群類似の唾液腺炎との関連を実験的に証明できたことである。ふたつ目は、HCVのエンベローブ蛋白がsjogren症候群様唾液腺炎の発症の原因になっていることを示したことである。慢性C型肝炎患者の約半数で唾液腺にシェーグレン症候群様の病変を認めたと報告されている。我々のグループでは、HCVのエンベロープ遺伝子を導入して樹立したトランスジェニックマウスを報告した。このトランスジェニックマウスの肝においては、高度のElとE2蛋白の発現にもかかわらず、何らの組織学的変化も生じてこない。これに対して、同様にEl、E2蛋白の発現の認められた唾液腺においては、マウス出生後数か月から特徴ある組織変化が生じてきた。すなわち、まず、唾液腺内の小血管の周囲にリンパ球浸潤(lyrnphocytic ccapillaritis)を生じ、これが次第に拡大し、約6か月齢には、小葉内導管(intralobular duct)の周囲に著明なリンパ球浸潤を認めるようになる。唾液腺炎はゆっくりと進行性であり、約一年半を経過すると唾液腺内の導管の増生や実質の脱落と線維化を認めるようになる。これらの病変は、ヒトにおけるシェーグレン症候群における唾液腺病変に酷似している。また、涙腺においても同様な炎症像を認めている。唾液腺病変の頻度を月齢毎にみていくと、3か月齢以内に病変は既に出現し、全体では80%以上のトランスジェニックマウスで唾液腺炎が出現している。マウスの唾液腺におけるエンベロープ蛋白の発現も確認されている。すなわち、ウエスタンブロットによって、E1、E2の両エンベロープ蛋白は唾液腺において肝と同レベルに発現していることが確認され、また免疫組織染色では、唾液腺内の導管上皮細胞にエンベロープ蛋白が確認された。本トランスジェニックマウスの意味するところは、二つある。ひとつは、HCVとシェーグレン症候群あるいはシェーグレン症候詳類似の唾液腺炎との関連を実験的に証明できたことである。ふたつ目は、HCVのエンベロープ蛋白がシェーグレン症候群様唾液腺炎の発症の原因になっていることを示したことである。
マイクロバブルを用いた血管密度解析による、乳癌微小リンパ節転移診断法の確立

従来の画像検査ではリンパ節転移が認められない乳癌患者に対し、マイクロバブルを用いた造影超音波検査を施行し、血管密度を測定することによりリンパ節転移の有無が指摘可能であるかを検討した。正常のリンパ節では強い造影効果が認められるが、転移のあるリンパ節では造影効果の低下した領域が認められることが本研究により明らかになり、本検査で転移疑いの所見がなければ現在標準的に施行されている乳癌患者に対するセンチネルリンパ節切除術を省略することができる患者を同定できる可能性が示された。健康ボランティア12人の腋窩リンパ節に対してソナゾイド造影超音波検査を施行し、ソナゾイドのリンパ節内の動態解析をすることにより、血管密度を測定するのに敵したタイミングを推定した。リンパ節内でのソナゾイド造影効果は、多くの健康ボランティアにおいてソナゾイド投与後1.5分程を過ぎると減弱傾向が見られたため、血管密度の測定は1.5分程度までの連続撮影で行うこととした。その後、触診や従来の超音波検査では腋窩リンパ節転移が疑われない(clinical N0)乳癌患者30人に対して患側腋窩リンパ節のソナゾイド造影超音波検査を行った。センチネルリンパ節の可能性がある腋窩低部にあるリンパ節のうち、最も描出が良好でありリンパ節の皮質が良好に観察可能なもの選択し、一つのリンパ節を造影後造影後1.5分まで連続的にシネ画像で撮影した。解析のためにはリンパ節が最もよく描出されている断面を同定し、そのスライスにソナゾイドが通過した回数を測定することで血管密度を推定した。ソナゾイドが通過した回数をグレーディングすることで、パラメトリックマップも作成した。現在のところ、乳癌患者30人のうち5人において、術前では転移が同定できなかったものの最終病理では転移が同定された。いずれの転移巣もサイズは数mm5mmm程度と微小なものであった。転移のあった5人のうち、ソナゾイド造影検査によって4人では転移が同定可能であった。従来の超音波検査で腋窩リンパ節転移が指摘できない乳癌患者35人に対して患側腋窩リンパ節のソナゾイド造影超音波検査を施行した。腋窩リンパ節のうち皮質が良好に観察可能なものを選択し、1つのリンパ節をソナゾイド投与後1.5分後まで連続的にシネ画像で撮影した。解析にはリンパ節が最も描出されている断面を同定し、そのスライスにソナゾイドが通過した回数を測定することで血管密度を推定し、ソナゾイドの通過回数をグレーディングすることでパラメトリックマップを作成した。定量評価としては、パラメトリックマップ上造影効果が最も強い領域と最も弱い領域における時間強度曲線からpeak intensity of maximally enhancing area (PImax)とpeak intensity of minimally enhancing area (PImin)、PImaxとPIminの比(PIratio)を算出し、転移ありリンパ節群・転移なしリンパ節群間で比較した。視覚的には造影効果の低下したperfusion defectの有無を評価した。35人のうち6人において最終病理で転移が同定された。転移巣のサイズは平均4mm(2.5mm12mm)であった。転移陽性のリンパ節群ではPIminとPIratioが転移無しリンパ節群に比し統計学的有意差を持って低下しており、PIminはリンパ節の深さやゲインの調節により影響され得るためPIratioが普遍性を持って使用できる可能性が考えられた。視覚的評価ではperfusion defectが転移陽性リンパ節全例で見られ転移無し群に比し統計学的有意差が見られた。視覚的評価では陰性適中率が100%であり、perfusion defectがない症例ではセンチネルリンパ節切除を省略できる可能性が考えられた。以上の結果を第74回癌学会にて発表した。概ね予定通りのボランティア・乳癌患者において造影超音波を施行することができており、進捗は概ね順調と思われる。放射線科今後は乳癌患者における施行数を増やして血管密度の計測や視覚によりリンパ節転移が同定できるか否かの検討を行い、学術発表を行う予定である。主に旅費が予定額に達さなかったためであるが、これは研究は概ね順調に進捗はしているものの昨年度の時点では乳癌患者における造影超音波の施行数が充分でなく、データをまとめて学術発表をする程度には至らなかったためである。乳癌患者における造影超音波の施行数を増やし、学術発表を行うための旅費に使用する予定である。
副腎腫瘍におけるアンジオテンシンIIタイプ2受容体の病態生理学的意義

アンジオテンシンII(Ang II)受容体の2種のサブタイプのうち、血管系ではAT2がAT1を介する生物作用に拮抗的に作用する事が示唆されているが、Ang IIのもう一つの代表的な標的組織である副腎におけるこれらサブタイプの存在、病態生理学的意義の詳細は不明である。今回私達はヒト副腎組織におけるAT1、AT2mRNA発現を検討すると共に、in vitroにてアルドステロン分泌とDNA合成能におけるAT2の役割を検討した。手術にて得られた副腎皮質、髄質腺腫および正常副腎からtotal RNAを抽出後、AT1およびAT2受容体mRNAをRT-PCRにて増幅し、さらにサザンブロット解析にてAT1、AT2mRNA発現を検討した。その結果、いずれの副腎組織においてもAT1およびAT2受容体mRNAの発現を認め、副腎腺腫における両受容体mRNAの発現はいずれも正常副腎に比べ増加していた。原発性アルドステロン症およびウシ副腎球状層組織を用いたincubation studyでは、AT2受容体刺激薬により軽度ながら有意なアルドステロン分泌を認め、ウシ副腎球状層初代培養系におけるBrdUの取り込みを指標としたDNA合成能の検討でも、AT2受容体刺激薬により軽度ながら有意なDNA合成の促進を認めた。正常副腎、副腎腺腫においてAT1受容体と共にAT2受容体のmRNA発現亢進を認め、副腎腫瘍におけるAT2受容体の病態生理学的意義が示唆された。さらに、副腎組織においてAT1受容体と同様にAT2受容体もAng IIのアルドステロン分泌、DNA合成促進作用に関与することが示唆された事から、血管系とは対照的にAT2受容体も副腎ホルモン分泌、腫瘍増殖などにAT1受容体と協調的に作用する可能性が示唆された。
高校生のライフスタイルに応じた睡眠教育の実践に関する検討

本研究では、高等学校の教員が、生徒のライフスタイルに応じた睡眠教育を効果的に行う方法を検討し、その有効性の評価を行うことを目的としている。高校生への睡眠教育を行うことにより、心身の健康だけでなく、生涯にわたる適切な生活習慣を獲得することが期待でき、その意義は大きい。初年度である今年度は、高校生の睡眠習慣と生活習慣、心身の健康状態に関する実態を把握することを目的としており、そのための質問紙調査の作成を行った。具体的には、文献検討により、睡眠時間や就寝・起床時間、熟睡感、日中の眠気などの睡眠に関する内容や、食事、運動、入浴、携帯電話やインターネット等の利用状況などの生活習慣、心身の健康状態等の項目の把握の必要性を確認した。生徒の生活指導や保健指導に携わる養護教諭への聞き取り調査を行い、質問内容に反映させた。聞き取り調査により、これまでの睡眠に関する学習の機会や内容についても併せて確認する必要があることが指摘された。また、家族構成や家族の生活スタイル等、家族による影響が少なくないことが指摘され、今後の睡眠教育の内容を検討する際には重要な課題であることが確認できた。さらに、有識者より質問内容への指導・助言を得て精錬させた。併せて、睡眠教育の内容を今後検討するにあたり、助言を得た。今年度は、質問紙の作成は行ったものの、作成に時間を要してしまい、実際の実施までには至らなかった。しかし、高校生の睡眠習慣と生活習慣、心身の健康状態に関する実態を把握し、今後の睡眠教育を検討するためには必要なプロセスであったと考える。
仮想計算機を用いたきめ細かいセキュリティ機構の研究

攻撃によってOSの制御を奪われた場合でも不正なファイルアクセスや不正な通信だけを防げるようにするために、仮想計算機モニタ(VMM0でOSレベルの情報を用いてきめ細かいアクセス制御を行うシステムを開発した。また、サービス妨害攻撃に対処するためにVMMが直接OSのスケジューリングを変更するシステムを開発した。これらのシステムの開発を通して、VMMがOSレベルの情報を扱う際に必要となるインタフェースの定義を行った。仮想計算機モニタ(VMM)でファイルアクセス制御を行うことにより、攻撃によりOSが乗っ取られた場合でも不正アクセスを防ぐことができるシステムを開発した。このシステムではVMMがユーザに直接ダイアログを出して認証を行うことで、OSに頼らないセキュリティを実現している。VMMがファイルを理解するためのインタフェースを提供することで、ファイル単位のきめ細かいアクセス制御が可能となった。OSが乗っ取られた時にOSのファイルキャッシュ上にある機密情報が漏洩する危険性を減らすために、認証の有効期限が切れた時にOSに通知してファイルキャシュを消去させる仕組みを開発した。また、VMMからOSのスケジューリングを変更することにより、特定のプロセスがシステムを過負荷にするサービス妨害攻撃を防ぐことを可能にした。開発したシステムでは、サービス妨害攻撃を行っているプロセスを指定して、スケジューリング対象から外すことで実行を阻止する。OSのスケジューラが使っているデータ構造をVMMから変更できるようにするために、VMMがOSのデータ構造にアクセスするためのインタフェースを定義した。さらに、アスペクト指向プログラミングの技術を用いることで、仮想計算機上で動いている複数のOSに同時にコードを挿入し、OS間のデータフローを取得するシステムも開発した。一方、仮想計算機モニタの再起動によるサービス妨害攻撃を防ぐために、仮想計算機の状態をメモリ上に保持したまま、仮想計算機モニタだけを高速に再起動するシステムも開発した。この機能により、仮想計算機上で動いているサービスのダウンタイムを大幅に削減することができた。さらに、仮想計算機を別の計算機にマイグレーションする手法との比較を通して、提案システムの有用性を示した。昨年度に引き続き、仮想計算機モニタ(VMM)でファイルアクセス制御を行うことにより、攻撃によってOSが乗っ取られた場合でも不正アクセスを防ぐことができるシステムを開発した。VMMのレベルでファイル単位のアクセス制御を行えるようにするために、従来のブロックレベルのインタフェースではなく、ファイルシステムレベルのインタフェースを定義し、OSに提供するようにした。さらに、ファイルアクセスに関して特権を必要とするプログラムを安全に実行できるようにするために、このようなプログラムはVMMを介してしか実行できないように新たなインタフェースを定義した。また、セキュリティポリシを強制するためにOS内のファイルキャッシュを消去する仕組みを昨年度開発したが、今年度はOS-VMM間のインタフェースとして厳密に定義した。昨年度、サービス妨害攻撃を緩和するために、VMMからOSのスケジューリングを強制的に変更するシステムを開発したが、今年度は対象OSをLinuxだけでなくWindowsにも拡大し、OSのスケジューラを変更するためのインタフェースを定義した。Windowsの内部構造はLinuxとは異なる部分が多く、特に、内部情報が少なかったため、様々な間接的な手法を組み合わせてスケジューリングの変更を実現した。さらに、昨年度までに開発してきたシステムではI/Oを多く行うプロセスをうまく制御できていなかったが、今年度はLinuxにおいてこのようなプロセスを制御するための技術を開発した。また、踏み台攻撃を緩和するために、VMMからOS内部のプロセスやユーザといった情報を用いてきめ細かいパケットフィルタリングを行うシステムの設計を行った。VMMから仮想計算機上で行われている通信の情報を取得するだめに、OS内の通信に関するデータ構造を参照するためのインタフェースを定義した。今年度は仮想計算機モニタ(VMM)において仮想計算機(VM)内のゲストOSの情報を用いたきめ細かいパケットフィルタリングの実装を行った。まず、昨年度の設計に基づいて、パケットフィルタをXenのドメイン0と呼ばれる特権VM上に実装した。この実装を行うために、パケットフィルタとドメイン0のOSカーネルの間に必要となるインタフェースを新たに定義した。このシステムの性能評価を行ったところ、ドメイン0からゲストOSの情報を解析する部分に非常に大きなオーバヘッドがあることが分かった。そこで、このシステムの高性能化のために、パケットをまとめて一括で検査する機構、および、同一コネクション内を流れるパケットの検査を省略する機構を開発した。前者の機構を実現するために、パケットフィルタとドメイン0のカーネルの間のインタフェースの修正を行った。これらの機構により、性能を大幅に改善することができた。さらに高速化を行うにはパケットフィルタをVMM内に組み込む必要があるため、その際に必要になるドメイン0とVMMの間のインタフェースの設計を行った。また、VMMからゲストOS内のスケジューラを操作することによるグローバルスケジューラについて、WindowsのI/0待ちプロセスの制御に取り組んだ。昨年度までにLinuxのI/0待ちプロセスは制御できるようになっていたため、同様の手法を用いることができるかどうか調査したところ、Windowsには適用することができないことが分かった。Windowsに適用できる手法を模索したが、WindowsではI/0待ちしているプロセスを制御するのは困難であるという結論が得られた。
生体活性バイオセメントの成分設計と物性解析・制御

高温合成(平衡合成)したαーリン酸三カルシウム(α-TCP)単一成分セメントの水中サスペンジョン水和反応は、初期pH4以上では反応中間体の関与する継起反応、pH4以下ではα-TCP溶解→CaHPO_4・2H_2O(DCPD)の析出反応であることを明らかにした。α-TCP+DCPD系複合セメントの場合は、成分配合割合によって、α-TCPと似た水和挙動と典型的な“溶解-析出"挙動、のいずれかが優先的に現れた。湿気中でセメント粉体の水和凝集固結は、30°C以下、相対湿度を30%以下、で防止できた。非晶質リン酸カルシウム(ACP)の自由エネルギーの高さを利用した高温相α-TCPの低温合成(非平衡合成)条件を明らかにし、その水和硬化性の低さと向上について考察した。反応硬化性リン酸カルシウムの利用形態の一つとしてアパタイト硬化体の作製プロセスとして、半水セッコウ(CaSO_4・1/2H_2O)の優れた水和硬化性を利用する方法を提案した。セッコウ(CaSO_4・2H_2O)硬化体を種々の濃度の(NG_4)_2HPO_4水溶液に浸せきする方法であるが、アパタイト化はセッコウ硬化体表面から内部へと進行するため、アパタイト層と未反応セッコウ硬化体芯部との境界面で剥離しやすいものを、剥離しにくくできる条件を明らかにした。また、セッコウからアパタイトへの転換反応はトポ化学的な機構で進むこと、アパタイト硬化体の緻密度は気孔率60%程度が限度であること、強度はこれまでのアパタイトセメント硬化体の強度にほぼ対応するものであった。反応硬化性リン酸カルシウムは、バイオセメント新素材としての発展が期待されているが、物質化学的に未知のところが多い。本研究では、セメント成分・粒子形態とセメント物性との関係、水和反応の解析、硬化体の組織制御・高強度化の方向等を明らかにする。本年度は、まず、文献および予備実験から、セメント構成成分としてαーリン酸三カルシウム(以下、α-TCP)とリン酸水素カルシウム2水和物(DCPD)を選定し、水和の挙動は水中および新しい試みとして湿気中(吸着水中)においてしらべた。調製した粉末試料は、粉末X線回析装置(本年度整備)による物質同定したのち、粒度調整して供試した。α-TCP単成分セメントの水中サスペンジョン水和反応では、初期pH4以上では時間と共に単調に5付近に漸近し、水和反応生成物はリン酸八カルシウム(OCP)あるいはアパタイトであった。この反応では、電気伝導度および液中[Ca^<2+>]の時間とともに増加傾向の曲線に、一旦、ほとんど無変化または下降する領域が現れ、反応中間体の関与する継起反応が示唆された。pH4以下では、α-TCP→DCPD析出反応であった。α-TCP+DCPD系複合セメントの場合は、成分配合割合に依存して、α-TCP単成分セメントと似た水和挙動、電気伝導度および液中[Ca^<2+>]の急増とその後の急減をしめす典型的な溶解-析出挙動、のいずれかが優先的に現れた。湿度中でセメント粉体を長時間放置した場合、重量変化およびOCPあるいはアパタイトの生成をともなって凝集固結した。すなわち、表面吸着水膜あるいは粒子間毛管凝縮水で水和が進行しとものと推察される。湿気中水和は、30°C以下、相対湿度を30%以下、で防止できた。これらの結果は、水蒸気水和による高強度硬化体の作製やセメント粉体の保存管理上、極めて有用である。バイオセメント新素材として期待されている反応性リン酸カルシウムは、まだ物質化学的に未知のところが多い。本研究では、リン酸カルシウムセメントの成分・粒子形態とセメント物性との関係、水和反応の解析、硬化体の組織制御・高強度化の方向等を明らかにする。

前年度は、セメント構成成分である高温合成(平衡合成)したαーリン酸三カルシウム(α-TCP)を用いたセメントの水中および水蒸気中での水和挙動を調べた。本年度は、非晶質リン酸カルシウム(ACP)および低結晶性アパタイト(L-Ap)の熱分解によって、α-TCPをその安定な高温度領域以下で低温合成(非平衡合成)する条件をしらべた。ACPのTCP組成の水和物の非晶質物質であり、L-ApはTCP組成のAp構造の物質とみなせる。両者の熱分解過程で安定相であるβ-TCPを生じる過程で、不安定な高いエネルギーを経ると推察すると、加熱分解の制御によってα-TCPを非平衡合成できるものと期待できる。その結果、各温度1時間加熱の条件で、ACPは650°C付近で発熱的に結晶化しはじめ、720°Cでもっとも高いα相の生成割合のα+β混合生成物を生じた。870°Cではほとんどβ相であったが、これは、初期に生成した非平衡相であるα相が高温ほど安定相であるβ相へ転移しやすくなるためと推察できる。L-Apの場合は、620°Cまでは脱水はするもののAp構造を保持し、670°C以上で分解してβ-TCPのみを生成した。これは、α相レベルにまったく留まることなくβ相を生成したのか、もっと加熱時間を短縮することにより、α相を検出できるのか、また、このようにして得られたα相の水和硬化性の程度などについては今後も引き続き研究する。生体活性バイオセメントとしての発展が急がれている反応硬化性リン酸カルシウムの利用形態の一つにアパタイト硬化体の作製がある。本年度は、アパタイト硬化体の新しい作製プロセスとして、半水セッコウ(CaSO_4・1/2H_2O)の優れた水和硬化性の利用を検討した。まず、気孔率40%程度のセッコウ(CaSO_4・2H_2O)硬化体を種々の濃度の(NH_4)_2HPO_4水溶液で浸せきした。アパタイト化はセッコウ硬化体表面から内部へと進行するが、アパタイト層とそれに接するセッコウ硬化体境界面で剥離しやすかった。濃度および温度を高めると剥離しにくくなることが分かった。しかし、セッコウより密度の大きいアパタイトへ変化するため、アパタイト硬化体の気孔率は80%程度にまで増加した。セッコウからアパタイトへの転換反応は、セッコウ硬化体を構成する柱状結晶粒子表面にアパタイト微結晶が析出しており、トポ化学的な機構で進むものと推察した。つぎに、低気孔率のアパタイト硬化体の作製を考え、まず、低気孔率24%程度のセッコウ硬化体を作製し、80°C以上での水熱処理を試みた。その結果、反応液濃度および水熱温度を制御することによって、剥離無しのアパタイト硬化体を作製できた。アパタイト硬化体の微組織は、もとのセッコウ柱状粒子から針状のアパタイト微粒子へと変化した。アパタイト硬化体の気孔率は、水熱処理による硬化体外形サイズの変化がほとんどなかったことからも予想できたが、60%程度に増加した。その強度は、これまでのアパタイトセメント硬化体の強度にほぼ対応するものであった。