hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
表面・界面での化学反応理論とシミュレーション

表面・界面における化学反応を、(1)局所励起ダイナミクス、(2)反応量子ダイナミクス、(3)緩和過程ダイナミクス、の観点から研究する分子論とシミュレーション手法を開発し、光電エネルギー変換過程に応用した。有機薄膜太陽電池の異種界面での電子ダイナミクスの解析から、界面配向の最適化により電荷移動の高効率が可能であることを明らかにした。また色素増感太陽電池について、色素と酸化チタン表面との電子移動反応を振電相互作用に着目した解析を行い、電子移動の特性を予測することに成功した。酸化チタン表面の光誘起エキシトンについて、電子と正孔の分布を解析し、光触媒作用との関連を明らかにした。酸化チタンに光が照射されると電子-正孔対がクーロン相互作用したエキシトンが生成し、このエキシトン状態の表面電子・正孔分布や寿命が光誘起過程を理解するための鍵になると考えられる。エキシトン状態は密度汎関数法といった一体近似の電子状態理論では記述できず、電子-正孔間の二体相互作用を考慮した多体摂動論による取り扱いではじめて記述できる。アナターゼ型酸化チタンのナノ粒子には(001)面と(101)面があらわれる。(101)面が主な光触媒活性面と言われているが、最近(001)面も活性で、また表面再構成の可能性にも興味が持たれている。そこで本研究では、アナターゼ型TiO2(001)表面の密度汎関数法(DFT)および多体摂動論Bethe-Salpeter方程式(BSE)による第一原理計算により、表面エキシトンと、その電子分布を理論的に検討した。表面構造最適化のための密度汎関数計算は平面波基底で擬ポテンシャルを用いたGGA/PBEレベルで行った。表面は8層スラブでモデル化し、(001)表面ユニットセルは1x1、またLazzeriとSelloniらの計算によって提案された、"ad-molecule"モデル(ADM)による再構成面ユニットセルは1x4とした。LDA近似でグリーン関数G、RPA近似でスクリーンポテンシャルWを求め、DFTバンド構造に対する自己エネルギー補正をGW法で評価した。最後に電子-正孔2体グリーン関数についてのBethe-Salpeter方程式(BSE)を解いてエキシトン状態を求めた。1x1(001)3.1eVエキシトンの場合、電子は正孔のある酸素原子から離れたTi原子に局在している様子が見られた。この電子分布の局在性は光触媒作用としての酸化還元反応に有利であると予測される。一方1x4(001)3.6eVエキシトンの場合、電子は完全に非局在し、光触媒反応に有効ではないと予測される。(1)電子供与分子/電子受容分子の異種界面での電子ダイナミクスと励起エネルギー移動電子供与分子と電子受容分子の異種界面を利用した有機薄膜太陽電池では、エキシトンの拡散速度、寿命、電荷分離確率といったエキシトン・ダイナミクスが光エネルギー変換効率を律する重要な要因である。量子Master方程式を用いたDonor/Acceptorの配向変化に伴うエキシトン・ダイナミクスの解析により、Donor(TFB)/Acceptor(F8BT)の配向を変化させた際の電荷移動状態(D^+/A^-)の強い配向依存性が見られた。これらの電子移動ダイナミクスの違いは、配向の変化にともなう、Donor/Acceptorの分子軌道の相互作用の違いによる励起状態の変化で定性的に説明できた。(2)色素から酸化チタンへの電子注入過程色素から酸化チタンへ電子注入が起こる一般的な色素増感型太陽電池と異なり,界面錯体型の太陽電池では色素あるいは表面吸着分子から酸化チタンへ直接電子注入が起こる。まず酸化チタンと吸着分子の複合系についてTDDFT/B3LYP/6-31G*計算により界面錯体型の電荷移動遷移を明らかにした。一方、酸化チタンへ注入された電子の色素分子への逆電子移動はIPCEの効率を下げる。この現象の要因の1つとして振電相互作用による内部転換を指摘し,TCNE,TCNQ,TCNAQの逆電子移動反応について励起状態における振電相互作用に着目した解析を行った。パイ共役の増長による光吸収量の増加と,分子サイズ増大に伴う低振動数振動寄与による逆電子移動の増加のトレードオフにより,TCNQが最も高いIPCEをもつという実験結果を説明することに成功した。昨年度に引き続き、電子供与分子/電子受容分子の異種界面での電子ダイナミクスと励起エネルギー移動に関して研究を行った。有機薄膜太陽電池界面における電荷対生成の高効率化を目指し、電荷対生成過程の初期過程であるドナー分子からアクセプター分子への電荷移動反応が高効率におきる励起状態や界面配向を探索することを目的とした。ドナー分子としてtetrabenzoporphyrin(BP)、アクセプター分子としてbis(dimetylphenylsilylmethyl)

[60] fullerene(SIMEF)からなる分子複合系をマーカス理論により解析したところ、ドナーの低励起状態ほど電荷移動速度が速いことがわかった。これは、有機薄膜太陽電池が利用可能な可視光エネルギー領域がマーカスの逆転領域に相当するためである。次に界面におけるドナーとアクセプターの分子間配向を変化させたところ、ドナーの励起状態毎に最適な分子間配向が異なることがわかった。つまり、光電変換に利用するエネルギー領域毎に最適な界面配向を用意することで電荷移動をより高効率に起こすことが可能であるとわかった。今後は、ドナー励起状態から電荷移動状態についての界面配向設計を他の材料候補へ応用すると共に、有機薄膜太陽電池の効率が上がらない大きい原因である界面における電荷再結合を抑制するための理論研究を行い、最適な有機ヘテロ界面の理論設計を目指す。昨年度に引き続き、電子供与分子/電子受容分子の異種界面でのエキシトン・ダイナミクスと励起エネルギー移動に関して研究を行った。特に有機薄膜太陽電池界面における電荷対生成の高効率化を目指し、電荷対生成過程の初期過程であるドナー分子からアクセプター分子への電荷移動反応が高効率におきる励起状態や界面配向を探索することを目的とした。種々の有機薄膜太陽電池の異種有機分子界面について電子状態計算、マーカス理論、量子マスター方程式法を用いてドナー励起状態から電荷移動状態への電子移動ダイナミクスを解析し最適なドナー分子の理論的設計を進めた。有機薄膜太陽電池については、PCBM/P3HT系において側鎖長やPCBMの分散濃度を変更した際に電荷移動状態が如何に変化するか解析し界面における分子配向の同定と効率に与える影響を考察した。その結果、PCBM/P3HT系の相界面における有機分子の配向が明らかになり、また、電荷移動状態のPCBMの分散濃度依存性も明らかになった。特に、エネルギー変換効率が低い要因となる電荷再結合速度のPCBMの分散濃度依存性が明らかになり、アクセプターであるPCBMの凝集度により複数のPCBMにわたるLUMOの非局在化を調整することで電荷移動状態を変化させることが、高効率化への指針になると考えられる。さらに複数のDiketopyrrolopyrrole (DPP)誘導体ドナーについての電子双極子解析から,ドナーからアクセプターへの電荷移動型励起状態が存在すると、この励起状態が界面における光吸収による励起子生成と直接的な電荷移動を可能にし、ドナー凝縮層で生成した励起子が界面で解離する中間状態としても機能するため、短絡電流密度が大きくなると考えられる。今年度は光エネルギー変換システムである太陽電池と光触媒について共通の基礎過程である光吸収とキャリア拡散についてをエネルギー変換効率向上の観点から光吸収材料のバンドギャップ、バンドベンディング、キャリア寿命について密度汎関数理論(DFT)及び多体摂動論(MBPT)により研究を行った。GaN:ZnOは可視光照射下で水の全分解反応を起こす材料として知られている。GaN及びZnOは可視光を吸収しないワイドギャップ半導体であるが、固溶によって可視光応答が発現する機構については、これまで多くの研究が行われているにも関わらず未だ明らかでない。
光音響イメージングによる、リンパ管の新しい3次元イメージング手法の研究開発

光音響イメージングとは、非侵襲的に微細な血管の3次元画像が得られる新たな画像診断技術である。申請者は本技術をリンパ管の撮影に応用し、ヒトのリンパ管を高解像度の3次元画像で記録した。さらに、リンパ管が周期的にリンパ液を送り出す動画をリアルタイムで3次元的に記録することにも成功した。一方で、光音響イメージングによるリンパ管の撮像には、リンパ管を良好に描出するために必要な条件が十分にあきらかでないという課題がある。本研究は、これまでの研究を発展させ、すでにリンパ外科の領域で普及している蛍光リンパ造影との比較を通じ、光音響イメージングによるリンパ管の描出法や、画像診断の体系を確立することを目的とする。
等色における線形性および加法性に関する研究

現在,産業界では広くCIEが1931年に制定したXYZ表色系が用いられているが,この等色関数は短波長域で実際の観測者より低い感度を持っているという問題がある。そこで,CIEは2006年に錐体分光感度である錐体基本関数(CIE2006LMS)を,さらに2015年に錐体基本関数に基づくXYZ型の表色系(CIE2015XYZ)を発表した。本研究では,この新しい表色系を観測者条件等色の問題解決と個人差,特に異常3色覚の色の見えのシミュレーションに応用した。等色関数は単位エネルギーをもつ単色光の三刺激値として定義される。等色関数を最大彩度法とマクスウェル法の2方法により測定した。等色関数の測定には波長分布可変刺激呈示装置を用いた。原刺激には狭波長帯域の赤,緑,青光を呈示し,これらの混色光と波長可変のテスト光の等色を行った。波長分布可変刺激装置では空間的に視野を2つに分けることは困難であるので,単色光のテスト光とR, G, Bの混色光を時間的に交互に呈示する方法をとった。最大彩度法では,テスト単色光の色と赤,緑,青の原刺激の混色により等色した。マクスウェル法においては,参照刺激は常に3つの原刺激の混色による白色光を呈示し,マッチング視野にはテスト単色光と3つの原刺激の内の2つの原刺激の混色光を呈示した。等色に関するグラスマンの法則のひとつである加法則が成立するならば,最大彩度法で等色している2つの視野の両方に同一の光刺激を加え白色にしても等色は成立することになる。つまり,最大彩度法とマクスウェル法の2つの等色実験を行うことにより加法則の検証ができることになる。その結果、短波長域において、マクスウェル法は最大彩度法より高い感度を示し、加法則が成立しないことが判明した。測色の基本的な値である光の三刺激値はその光を構成する各波長の三刺激値を波長積分することによって計算されるが,加法則の不成立はこの波長積分が適用できないことを意味し,極めて重要な問題である。この研究成果は2015年の日本照明工業会報に解説として発表した。初年度はほぼ計画通り順調に進んでいる。白色LED,有機ELなどの固体素子光源の開発,普及が急速に進む中,新たな測色の問題が起きている。測色には1931年に制定されたCIE表色系がISO国際標準として用いられているが,測色値は等しいが分光放射分布の異なる光源の色の見えが異なることが指摘されている。これは,CIE表色系に用いられている等色関数の不適正を意味する重大な問題である。また,等色は線形性,加法性が成立するとするグラスマンの法則に則っているが,実際には加法性が成立しないことも考えられる。本研究の目的は,等色関数を見直し,等色に関するグラスマンの法則を検証することにより,新規光源にも適応可能な新たな測色法を国際標準に向けて提言することである。本年度は,研究者代表者の等色関数を最大彩度法とマクスウェル法の2つの方法で測定した.研究代表者は1984年にも同じ被験者で等色関数を測定しており,年代の異なる等色関数を比較することにより,加齢の影響を検討した。また,分光放射分布の異なる種々の光源をテスト視野に呈示し,等色実験を行った。原刺激は等色関数の測定に用いたものと同様,赤,緑,青のLED光源を使用する。テスト光源として,白色LED, HIDランプ,ハロゲン電球を使用した。この実験と過去の実験を含め,分光エネルギー分布が異なるが測色値が同じ(つまり,CIE1931標準観測者では同じに見える)白色光ペアの見えの不一致の原因を新しいCIE2006等色関数で解析した結果,大きな改良が得られないことを確認した。この原因には,桿体あるいはip神経節細胞にある視物質,メラノプシンの介入が考えらる。そこで,錐体による等色関数ばかりでなく,桿体,メラノプシンの分光感度を等色実験の解析に導入することにより,錐体以外の視細胞の介入の可能性を検討した。その結果,,メラノプシンの吸収が等色実験にも影響している可能性を見出した.退職後も研究分担者の協力を得て,順調に進んでいる.白色LED,有機ELなどの固体素子光源の開発,普及が急速に進み,照明光源やディスプレイに広く用いられるようになった中,新たな測色の問題が生じている。現在,測色には1931年に制定されたCIE表色系が用いられているが,測色値が等しいが分光放射分布の異なる光源の色の見えが異なることが頻繁に指摘されている。これは,観測者が異なると同じ光源でも色の見えが異なる観測者条件等色の問題であるが,CIE表色系の重大な問題の一つである。CIEでは2006年に新たに錐体の分光感度(錐体基本関数)を発表し,さらに2015年に錐体基本関数に基づくXYZ表色系を発表した。本研究では,(1)新しいCIE表色系が従来のCIE1931XYZの問題を解消できるか?(2)CIE2006の錐体基本関数を基にした色の見えの個人差の解析を実施した。

(1)では,分光放射分布の異なる光源を狭波長帯域の赤,緑,青のLEDの混色による等色実験を行った。その結果,CIE2015XYZ表色系はCIE1931XYZに比べて,わずかな改善が見られたが,条件等色の問題を解決するまでには至らなかった。その原因として,視覚作用を起こさなといわれているipRGC(ip神経節細胞)に含まれるメラノプシンの色の見えへの介入の可能性が考えられ,錐体に加えてipRGCさらに桿体の介入の可能性を解析した。その結果,ipRGCの直接的な介入は不確定的で,S錐体との相互作用が示唆された。(2)では,CIE2006LMS(錐体基本関数)を基にした異常3色者の色の見えのシミュレーションモデルを開発し,異常3色者の等色関数による等色実験の解析を行った。その結果,分光放射分布が異なるディスプレイで色覚正常者では同じ色に見えるものが,異常3色者で大きく異なる現象を説明することができた。現在,産業界では広くCIEが1931年に制定したXYZ表色系が用いられているが,この等色関数は短波長域で実際の観測者より低い感度を持っているという問題がある。そこで,CIEは2006年に錐体分光感度である錐体基本関数(CIE2006LMS)を,さらに2015年に錐体基本関数に基づくXYZ型の表色系(CIE2015XYZ)を発表した。本研究では,この新しい表色系を観測者条件等色の問題解決と個人差,特に異常3色覚の色の見えのシミュレーションに応用した。分光放射分布の異なる種々の光源をテスト視野に呈示し,等色実験を行う。原刺激は等色関数の測定に用いたものと同様,赤,緑,青のLED光源を使用する。等色線形性を調べるには高輝度のテスト刺激,およびマッチング刺激が必要となり,LED原刺激等色実験装置が必要となる。テスト光源として,種々のタイプの白色LED,有機EL, HID(High Intensity Discharge)ランプ,蛍光灯,ハロゲン電球等,入手可能なできる限り多くの照明用白色光源を使用する。多数の分光放射分布の異なる白色光源の等色実験を行うことにより,理論的には多数の単色光を用いた場合の等色実験と同様に,等色関数を求めることができる。さらに前年度に得られた等色関数との比較検討を行う。新たな等色実験,既発表の条件等色のデータを含め,引き続き,多角度から観測者メタメリズムのメカニズムの解析に取り組む.また,2015年に発表された新しいCIE表色系の普及にも務める.次年度は本研究の最終年度となるので,研究成果を論文としてまとめる方法で進める.視覚工学,色彩工学,画像工学物品費については現有の実験装置を利用したために,支出がなかった。謝金については,研究代表者が被験者となって実験を行ったため,支出がなかった。最終年度に実験設備の充実,実験の遂行,研究発表の論文投稿,旅費等に使用する。
超高熱伝導率炭素繊維の物性計測およびMDシミュレーション

以下に、本研究で得られた主要な成果を列挙する。1.異なる炭素繊維材を対象にした熱伝導率の測定を行い、熱処理温度などの違いが熱伝導率におよぼす影響を明らかにした。測定結果より、カーボンファイバーの熱伝導率は、炭素化処理温度が高くなるにつれて大きな値を示すことが確かめられた。(3000°Cで炭素化した繊維の熱伝導率は700°Cで炭素化した繊維の数百倍の値がある)。2.異なる炭素繊維材を対象にした電気伝導率の測定を行い、熱処理温度などの違いが電気伝導率におよぼす影響を明らかにした。さらに、熱伝導率と電気伝導率との相関を検討した結果、2000°C以上で炭素化した繊維の熱伝導率と電気伝導率との間にλ_f1260σ_eで示される線形関係がある。3.走査型電子顕微鏡(SEM)およびX線回折装置を用い、カーボンファイバーの断面組織構造、グラファイト面方向の結晶粒サイズ、面積層厚さ、面間距離および配向度の測定を行った。その結果、熱処理温度などの違いがカーボンファイバーの断面組織構造におよぼす影響を明らかにした。炭素化処理温度が高くなるにつれてカーボンファイバー断面の中心部にヘビベルトの面積が大きくなることが確かめられた。4.本研究により、超高熱伝導率炭素繊維自体の熱伝導率および電気伝導率を正確に知り、両者の相関関係を明確にした。その結果、超高熱伝導率炭素繊維の製造法の改善に対する貴重な指針を与えることになった。本研究は超高熱伝導率炭素繊維自体の熱伝導率および電気伝導率を測定することと、両者の相関関係を明らかにすることを目的としたものである。これまで我々は極微細単線(直径数μm数十μm)を対象した新しい原理に基づく定常短線加熱法の開発と確立を目指してきた。すでに本測定法の感度分析を行うとともに、熱物性値が既知の銅線や白金線などを実測し、本測定法がこれら極微細線に適用できることを確かめている。本年度は、1.プローブの感度分析を行い、高感度プローブを設計・製作するとともに、それを用いて、熱伝導率が既知の高純度白金および銅細線を対象にした実測を行った。これにより測定精度の確認を行い、精度向上のため装置の改良を行った。2.製造工程が異なる炭素繊維材を対象にした測定を行い、製造工程や熱処理温度などの違いが熱伝導率におよぼす影響を明らかにした。3.今後は熱伝導率の増加傾向と組織構造との相関を定量的に明らかにすることを予定している。前年度の熱処理温度が異なる炭素繊維材を対象にした測定を目的とした実験および解析に続いて、本年度は、新しく創製された炭素繊維を対象に系統的な熱伝導率および電気伝導率の実測を行った。さらに、SEMやX線回折および分子動力学シミュレーションによる熱伝導率の増加傾向と組織構造との相関を定量的に明らかにした。詳細な研究内容を以下に示す。1.新しく創製された製造工程が異なる炭素繊維材を対象にした測定を行い、製造工程や熱処理温度などの違いが熱伝導率におよぼす影響を明らかにした。2.走査型電子顕微鏡(SEM)およびX線回折装置を用い、カーボンファイバーの断面組織構造、グラファイト面方向の結晶粒サイズ、面積層厚さ、面間距離および配向度の測定を行った。その結果、結晶粒の軸方向サイズと熱伝導率の間に線形関係があることが分かった。3.第一原理計算に基づいた分子動力学シミュレーションを試みた。

4.本研究により、超高熱伝導率炭素繊維自体の熱伝導率および電気伝導率を正確に知り、両者の相関関係を明確にした。その結果、超高熱伝導率炭素繊維の製造法の改善に対する貴重な指針を与えることになった。
成長因子固相化技術を応用した革新的骨軟骨移植法の確立

同種骨軟骨移植の成績向上を目的に、成長因子固相化同種骨軟骨移植を行った。実験1)ラット大腿骨顆部を用いて、成長因子固相化の至適条件(浸漬時間)を検討した。実験2)ウサギ大腿骨顆部から採取した円柱状の骨軟骨組織を、保存液中で1週間保存後、成長因子(bFGF)を固相化し、ウサギ骨軟骨欠損モデルに移植した。移植後4および8週間後の組織をμCTおよび組織標本にて評価した。成長因子固相化をしなかった標本をコントロールとした。結果:実験1)15分の反応で、軟骨組織表層にbFGF-CBDが結合した。実験2)bFGFを固相化した標本はコントロールと比較して、μCTおよび組織学的には明らかな差は認めなかった。1)骨軟骨組織へのコラーゲン結合ドメインのアンカーリングの検討SDラットより関節軟骨を含む大腿骨顆部を採取し、24時間コラーゲン結合ドメイン溶液に浸漬し関節軟骨へのアンカーリングを試みた。結合部位を蛍光抗体法を用いて確認したところ、コラーゲン結合ドメインは関節軟骨の最表層にアンカーリングされることが確認された。実用化した場合、医療現場では、より短時間での効率的なアンカーリングが求められると思われる。現在、骨軟骨組織のコラーゲン結合ドメイン溶液への浸漬時間とアンカーリング効率の関係について調査し、至適浸漬時間を検討中である。2)骨軟骨移植の検討日本白色家兎を使用して移植実験を行っている。家兎の大腿骨顆部関節軟骨より、臨床で使用されているようなポンチ型の医療用採取器具を用いて円柱形の骨軟骨組織を採取することを試みたが非常に困難であった。今回、電動ドリルの先に取り付けて使用する回転型の骨軟骨組織採取器具を開発し使用したところ、効率よく円柱形の骨軟骨組織を採取することが可能となった。現在、骨軟骨組織の移植実験を並行して進めており、実験系の確立のため条件検討中である。1)至適成長因子アンカーリングのための浸漬時間の条件検討ラットの大腿骨顆部から骨軟骨組織サンプルを採取した。Alexa Flour標識basicfibroblast growthfactor (bFGF) collagen binding domain (CBD)溶液(濃度0.29μM)を作製した。1容器に対し、骨軟骨組織サンプル1つとbFGF-CBD溶液1mlを入れ、0、15分、30分、60分、24時間浸漬し、組織固定した。フィルム法にて凍結切片を作製し、蛍光顕微鏡で発光強度を評価した。その結果、bFGF-CBDに浸漬しなかった0分の条件では、関節軟骨は発光しなかったが、15分から24時間の浸漬時間では同等に関節軟骨の表面の発光を確認した。このことから、bFGF-CBDを結合させるには少なくとの15分以上の浸漬が必要であることが確認された。2)骨軟骨組織移植モデル作製と評価方法の確立日本白色家兎を使用した。麻酔下に左膝関節大腿骨側より、今回開発した専用採取器で円柱形の骨軟骨組織を採取した。ポジティブコントロールの新鮮組織移植条件では、骨軟骨組織を採取した直後に、右膝にドリルで軟骨欠損を作製し骨軟骨組織を移植した。ネガティブコントロールの凍結組織移植条件では同様に骨軟骨組織を採取し、液体窒素で15分間凍結したものを自然解凍し、右膝軟骨欠損部に移植した。移植後4週間、8週間後に、移植部の組織を採取した。移植部肉眼観察および組織評価(HE染色およびサフラニンO染色)を行った。その結果、いずれの条件に於いても肉眼的に軟骨表面は修復され、組織形態やサフラニン染色性に明らかな差が認められなかった。凍結により死滅した組織を移植しても8週間程度の観察期間では、新鮮組織移植と凍結組織移植では、軟骨修復や変性の程度には差は認められないことが判明した。26年度は移植モデルの作製に苦渋したが、27年度は家兎を用いた骨軟骨組織の採取から移植までの行程が可能となり、骨軟骨組織移植モデルを確立することができた。このため、進行状況はやや遅れているが、bFGF-CBD結合骨軟骨組織の作製と、bFGF-CBD結合骨軟骨組織移植が可能となり、今後移植後の評価を行っていく段階である。同種組骨織移植へのコラーゲン結合型成長因子(bFGF)の応用を目的とし、ウサギ骨軟骨欠損モデルを用いて成長因子固相化同種骨移植の有用性を検討した。ウサギ大腿骨顆部よりシリンダー型の骨軟骨組織を採取した。我々が過去に報告した10%同種血清添加UW液および米国で保存液として使用されているDMEM細胞培養液の2つの保存液中で採取した骨軟骨組織を7および14日間保存した。保存期間終了後、15分間、bFGF結合コラーゲンに浸漬し、軟骨組織に成長因子固相化を行い、別のウサギ骨軟骨組織欠損モデルに移植した。コントロールとしてbFGFを結合させない骨軟骨組織を、ウサギの骨軟骨組織欠損モデルに移植した。移植後4週間および8週間経過後に安楽死させ大腿骨顆部を採取した。採取した組織をμCTおよび組織標本にて検討を行った。組織学検討では、HE染色およびサフラニンO染色を行い、骨癒合、軟骨の修復過程、軟骨変性を評価した。その結果、μCTによる評価では、いずれの標本も4週より骨癒合が始まり、8週目には完全に骨癒合を認めた。

bFGF結合骨軟骨組織では骨質の差異が示唆される所見が得られた。組織学的にも骨癒合はどの標本も認められた。移植後の軟骨組織の修復の程度および軟骨組織の変性の程度は、保存液中での保存期間および移植後の数週のよる差は認められたものの、bFGF結合の有無には明らかな差は認めなかった。今回の申請研究課題の仮説として、成長因子結合骨軟骨組織移植により、骨癒合および軟骨修復の程度に差異が認められることを予測したが、差は認められなかった。しかし、bFGF結合骨軟骨組織移植後の骨組織骨質に変化を示唆する結果が得られており、今後さらなる検討を要する。同種骨軟骨移植の成績向上を目的に、成長因子固相化同種骨軟骨移植を行った。実験1)ラット大腿骨顆部を用いて、成長因子固相化の至適条件(浸漬時間)を検討した。実験2)ウサギ大腿骨顆部から採取した円柱状の骨軟骨組織を、保存液中で1週間保存後、成長因子(bFGF)を固相化し、ウサギ骨軟骨欠損モデルに移植した。移植後4および8週間後の組織をμCTおよび組織標本にて評価した。成長因子固相化をしなかった標本をコントロールとした。結果:実験1)15分の反応で、軟骨組織表層にbFGF-CBDが結合した。実験2)bFGFを固相化した標本はコントロールと比較して、μCTおよび組織学的には明らかな差は認めなかった。家兎を使用した骨軟骨移植の方法の確立に時間を要したため、当初の計画よりもやや遅延している。現在は移植実験は確立されており、家兎膝軟骨より効率よく円柱形の骨軟骨組織を採取し、骨軟骨欠損モデルに移植することが可能となっている。今回の研究で確立した家兎を用いた骨軟骨組織移植モデルを用いて、bFGF-CBD結合および非結合骨軟骨組織の移植実験を行い、移植後評価を、肉眼、μCT、組織学的手法等を用いて行う予定である。同種組織移植コラーゲン結合ドメインの関節軟骨や骨組織へのアンカーリングの条件検討を進めて行く。また、家兎を使用した骨軟骨組織移植実験を行い、成長因子固相化軟骨組織と非固相化軟骨組織の移植後の継時的変化を組織・組織化学的に検討して行く予定である。試薬等の購入費が、実験計画に比較し価格が低かったため次年度使用額が発生した。動物飼育費や試薬購入費に使用する予定である。
遺伝性不整脈の分子医学-遺伝子診断の臨床への応用

遺伝性不整脈は、近年のヒト・ゲノム・プロジェクトをはじめとする分子遺伝学の進歩により明らかにされた比較的新しい概念である。すなわち、心筋イオン・チャネル遺伝子の多種多様な変異により招来されるチャネル病であることが判明した。なかでも心電図上、著しいQT時間の延長と特異な多形性心室頻拍を起こす家族性QT延長症候群(以下LQTS)は比較的若年者に見られ、心臓突然死を起こすことから注目を集めてきた。Brugada症候群は体表面心電図で特異的な胸部右側誘導のST上昇と右脚ブロックを伴い、夜間に多く発症する心室細動で突然死をきたす。その一部ではNaチャネルの遺伝子(SCN5A)異常が同定されている。一方、薬剤などに伴う2次性LQTSにおいても(1)何らかの遺伝子異常が潜んでいるがチャネル機能障害が軽度であるため、(2)薬剤や低カリウム血症など他のリスク・ファクターが重なってはじめて発病するのではないかと、我々は提唱してきた。1980年代初めから、主としてパッチクランプ法など心臓電気生理学的な方法論を用いて、イオン・チャネルの構造と機能の問題をより臨床的な観点から追求してきた。当初より、なぜ心筋は他の興奮性細胞と比べて再分極が遅れるのか、あるいは活動電位持続時間が長いのかに興味を持ち、Kチャネルの内向き整流性の謎について研究し、世界に先駆けて生理的な濃度の細胞内Mgイオンが内側よりチャネル孔を塞ぐことが原因の一つであることを解明した(J Physiol, 1987)。この研究をもとに心筋再分極の問題に取り組むことになり、LQTSとの関連からも交感神経による再分極の修飾に興味を持った(Nature, 1994 ; Circ Res 1995, JCI, 1997 etc)。1995年に世界で最初のLQTS関連遣伝子が同定され、我々も含め多数の研究室で2次性LQTSの中にも変異や多型(Single Nucleotide Polymorphism以下SNP)が発見・報告されている。我々は1996年から2次性を含めLQTS患者の遺伝子検索と発見された変異チャネルの機能解析を行い、臨床教室である強みで全国から貴重な症例(LQTS, Brugada症候群等)の紹介を沢山受けることができ(2006年1月現在、LQTS症例を含む600名の遣伝性不整脈患者のゲノムを集積)、この10年あまりの研究期間に、K channel(KCNQ1, KCNH2, KCNJ2)、Na channel(SCN5A)の遺伝子変異やSNPについて報告することができた。特に2次性QT延長症候群におけるgenetic variantsの報告を世界に先駆けて行っている。LQTSを中心とした遺伝性不整脈の研究は不整脈発症のメカニズム解明に新たな切り口を与えることになった。従来、不整脈とは最も疎遠と考えられていた分子生物学的な研究手法を当該分野に導入することになり、さらに、薬剤性を含めたQT延長に伴う心臓突然死の予知と予防を可能にした点は革命的な進歩であった。特に、近年、我々を含めた複数の研究施設から『LQTS関連遺伝子のSNPと不整脈発症』の問題が提起されており、もはや遺伝性不整脈は限られた特定の患者を対象とする疾患ではなくなった。さらに、あらかじめ関連SNPを知ることにより、一般人における薬剤の副作用などによる予期せぬ心臓突然死も未然に防ぐことも可能となり、本研究はいわゆるテイラーメイド治療の提供へ展望を開くものである。

我々は1996年から2次性を含めLQTS患者の遺伝子検索と発見された変異チャネルの機能解析を行い、臨床教室である強みで全国から貴重な症例(LQTS, Brugada症候群等)の紹介を沢山受けることができ(2006年1月現在、LQTS症例を含む600名の遣伝性不整脈患者のゲノムを集積)、この10年あまりの研究期間に、K channel(KCNQ1, KCNH2, KCNJ2)、Na channel(SCN5A)の遺伝子変異やSNPについて報告することができた。特に2次性QT延長症候群におけるgenetic variantsの報告を世界に先駆けて行っている。LQTSを中心とした遺伝性不整脈の研究は不整脈発症のメカニズム解明に新たな切り口を与えることになった。従来、不整脈とは最も疎遠と考えられていた分子生物学的な研究手法を当該分野に導入することになり、さらに、薬剤性を含めたQT延長に伴う心臓突然死の予知と予防を可能にした点は革命的な進歩であった。特に、近年、我々を含めた複数の研究施設から『LQTS関連遺伝子のSNPと不整脈発症』の問題が提起されており、もはや遺伝性不整脈は限られた特定の患者を対象とする疾患ではなくなった。さらに、あらかじめ関連SNPを知ることにより、一般人における薬剤の副作用などによる予期せぬ心臓突然死も未然に防ぐことも可能となり、本研究はいわゆるテイラーメイド治療の提供へ展望を開くものである。遺伝性不整脈は、心筋の活動電位形成に寄与するイオン・チャネルあるいはその調節蛋白遺伝子の多種多様の変異により招来されるチャネル病である。QT延長症候群(以下LQTS)、Brugada症候群、洞不全症候群、Andersen症候群、カテコラミン誘発性多形性心室頻拍、心房細動、催不整脈源性右室心筋症、AT短縮症候群など多くの不整脈疾患において、近年、その遺伝的背景が解明されつつある。なかでも、著しいQT時間の延長と特異な多形性心室頻拍を起こす家族LQTSは、比較的若年者に見られ、心臓突然死を起こすことから注目を集めてきた。また、Brugada症候群は、体表面心電図で特異的な胸部右側誘導のST上昇と右脚ブロックを伴い、夜間に多く発症する心室細動で突然死をきたす。近年、その一部ではナトリウム・チャネル遺伝子の異常が同定されている。一方、薬剤などに伴う2次性LQTSにおいても、実際、LQTS遺伝子の変異や多型(SNP=Single Nucleotide Polymophism)が発見され、私たちの研究室を含む多くの施設から報告されている。このようなSNPは、新規薬剤の開発における安全性試験においても、注目されている。私たちは、1995年から2次性を含めたLQTSやその他多くの遺伝性不整脈症例の遺伝子検索、さらに発見できた変異チャネルの電気生理学的な機能解析を行ってきた。また、主に心筋のイオン・チャネルに関する幅広い研究を行ってきた。このような研究を通して、致死的な不整脈を予知・予防し、個々の疾患に特異的な治療(オーダーメイド医療)を可能としてきた。すなわち、各遺伝性不整脈に共通のイオン・チャネル異常を臨床的に同定し機能解析を行うことにより新たな治療戦略を打ち立てている。その内容は、11.研究発表欄に示すように、多数の読者を持つ英文雑誌に、掲載することができた。遺伝性不整脈は、近年のヒト・ゲノム・プロジェクトをはじめとする分子遺伝学の進歩により明らかにされた比較的新しい概念である。
蛋白質における埋もれた極性残基の機能評価のためのデータベース構築

蛋白質は主に疎水性相互作用によって水溶液中で安定な構造を取るが,蛋白質内部に埋もれた極性残基が作る水素結合などの相互作用も構造と機能に重要な役割を果たす.しかし,これらの埋もれた極性残基は比較的稀な事象ととらえられており,天然の蛋白質における解析は十分に行われてこなかった.本研究ではこれらの埋もれた極性残基をProtein Data Bankから網羅的に集計し,立体構造のパターンと進化的保存についての特徴を解析したものである.これらの成果は蛋白質立体構造予測やデザインに応用できると期待される.平成26年度は研究実施計画に基づいて,Protein Data Bankに登録されたタンパク質立体構造を網羅的に取り扱い,その中に含まれる埋もれた極性残基の構造情報についての解析を行った.これらの埋もれた極性残基を持つタンパク質について,PDBの他の類似タンパク質とのマルチプル配列アラインメントを作成し,埋もれた極性残基が疎水性残基と置換されているものを抽出した.また,PDBの立体構造を構造アラインメントに基づいてクラスタリングし,各クラスターにおける埋もれた極性残基の残基置換パターンを調べた.さらに,埋もれた極性残基について二次構造や側鎖間相互作用と行った局所構造に基づく分類を行い,極性残基の埋もれ方についての情報を収集した.極性残基として特にセリン,スレオニン,アスパラギン,アスパラギン酸,グルタミン,グルタミン酸,アルギニン,リジン,ヒスチジンに注目し,PDBの中で埋もれている極性残基をすべて抽出することが出来た.また,極性残基の埋もれの定義を,Accessible surface areaおよび,埋もれ度(Contact number)を用いて様々な計算方法や閾値を変えて検討し,複数の手法で埋もれていると判断される残基を検討した.特に埋もれにくい荷電性残基であるグルタミン酸,アルギニン,リジンについて,複数の埋もれたこれらの残基をもつタンパク質について具体的に構造上の特徴を検証した.その結果,荷電性の側鎖はタンパク質主鎖の極性基や反対の荷電を持つ側鎖によって安定な相互作用を形成していることが確認された.本研究は蛋白質において立体構造内部に埋もれた極性残基の機能を明らかにするために,Protein Data Bank(PDB)からこれらの残基を網羅的に抽出し,解析をすることを目指した.初年度にはPDBに含まれる蛋白質立体構造から非冗長なデータセットを作成し,その中で埋もれた極性残基を抽出した.最終年度には,初年度に作成したデータセットについて解析を進め,タンパク質の立体構造の安定性に寄与する因子の解明を目指した.具体的には埋もれタッ極性残基の構造パターンの分類と,進化的保存度の解析を行った.構造パターンの分類においては側鎖の極性の官能基が蛋白質分子内水素結合をどのように形成しているかを検討した.その結果,埋もれた極性残基は主にタンパク質の二次構造以外のループ構造の安定化に重要であることがわかった.また,ヘリックスの側鎖間,シートの側鎖間も極性残基の埋もれにおいて頻繁に現れるパターンであった.次に,各タンパク質についてマルチプル配列アラインメントを作成し,埋もれた残基がどの程度自身の残基として保存されているかを検討した.その結果,埋もれた極性残基の保存度を埋もれた疎水性残基の保存度と比較したところ,埋もれた状況では極性残基の方がより保存されることがわかった.さらに本研究では,埋もれた極性残基が疎水性残基に置換されているケースを検索した.その結果,埋もれた極性残基が蛋白質の他の部分と側鎖間の水素結合を形成している場合には,当該残基が非極性の者に置換された場合には,それと水素結合をしている極性残基も非極性のものに置換されるケースが多いことがわかった.以上の結果から,蛋白質立体構造の内部で極性残基がどのような構造を取っているのか,進化的にどのように保存されているかについての体系的な知識が得られた.本研究成果は蛋白質の立体構造構築原理の理解を押し進めるものであると考えている.蛋白質は主に疎水性相互作用によって水溶液中で安定な構造を取るが,蛋白質内部に埋もれた極性残基が作る水素結合などの相互作用も構造と機能に重要な役割を果たす.しかし,これらの埋もれた極性残基は比較的稀な事象ととらえられており,天然の蛋白質における解析は十分に行われてこなかった.本研究ではこれらの埋もれた極性残基をProtein Data Bankから網羅的に集計し,立体構造のパターンと進化的保存についての特徴を解析したものである.これらの成果は蛋白質立体構造予測やデザインに応用できると期待される.PDBの立体構造における埋もれた極性残基を網羅的に抽出し,その構造的特徴と進化上の特徴を抽出するという初年度の目標はほぼ達成することが出来た.タンパク質における埋もれた極性残基は疎水性残基が埋もれるというタンパク質構造安定化の原理からは一見反するものであるが,側鎖の極性の強さによって程度の差はありこそすれ,すべての極性残基がタンパク質内部に埋もれた構造を集めることが出来た.これらの埋もれた極性残基について研究計画に基づいて以下の3点について解析を行った.・

アミノ酸配列(変異パターン):埋もれた極性残基を持つタンパク質のアミノ酸配列について相同性検索を行い,配列アラインメントから埋もれた極性残基やそれと相互作用をする残基について疎水性残基などと置換されるものを抽出した.・構造アラインメントによる全体構造の比較:PDBから配列冗長性をのぞいた代表構造について網羅的に構造アラインメントを行い,類似構造をクラスタリングし,クラスター内での埋もれた極性残基の置換パターンを比較検討した.・局所構造の比較:埋もれた極性残基についてタンパク質構造における主鎖や側鎖の相互作用について網羅的に検討することで,極性残基をタンパク質内部に埋もれさせるためのパターンを抽出することが出来た.バイオインフォマティクス平成27年度は平成26年度に作成した埋もれた極性残基についての情報をまとめ,データベース化し公開するとともに,見つかった埋もれた極性残基がタンパク質の構造安定性に与える影響を物理化学および進化の観点から調べるための解析を行う.まず,データベース化についてはこれまでに検討した各極性残基について,タンパク質構造内部に実際に埋もれている残基を公開するとともに,ユーザが様々な条件でアミノ酸残基種,埋もれの定義のやり方,埋もれ方として極性相互作用の種類や自身や相互作用相手の二次構造,相互作用相手との配列上の距離などで絞り込んで結果を表示することができるようにする予定である.また,進化上の情報についても,埋もれた極性残基のうち,配列アラインメント上で他の極性残基,あるいは疎水性残基に置換しているものや,PDBの他の構造の中で置換されているものについて検索を可能にする.このように,埋もれた極性残基の情報を網羅的に整理して検索しやすいデータベースを作成し公開する予定である.さらに,前年度の配列比較,全体構造と局所構造の比較解析結果に基づいて,タンパク質の構造上で埋もれた極性残基を挿入可能な部位を予測する手法を開発する.このような手法はシミュレーションや実験においてタンパク質の疎水性コアに極性残基を導入する候補を作り出す上で有用となることが期待される.本年度は物品費,旅費,人件費・謝金,その他の項目で次年度使用額が生じている.このうち,物品費については今年度の必要な解析を行うための計算機を既存の設備でまかなうことが出来たために次年度使用額が生じた.旅費については,今年度の研究発表の回数が予定よりも減ったことによる.また,当初研究補助のアルバイトを雇う予定であった解析については適当な人材が見つからず一部申請者自身が行い,一部を次年度に行う予定である.最後にその他の項目については研究成果発表の費用として次年度に継続して執行予定である.物品費については平成27年度のデータベースの公開において必要な計算機リソース等の整備において使用する.データベース公開の際に必要なインターフェースの整備などについてアルバイトとして人件費を支出する.最後に研究成果発表を行うことで,旅費,その他の次年度使用額を使用する予定である.
不正咬合を有する咬合異常者における咀嚼筋誘発電図に関する研究(特に顎変形症症例について)

本研究は,顎顔面非対称症例のTVRにより誘発された咀嚼筋筋活動の観察を行うことにより,咬合状態および顎態とγ運動神経の関連性を検討するために計画された。結果A下顎骨側方偏位と側頭筋の反射性筋活動の関連を緊張性振動反射(TVR)を用いて筋電図学的検索を行った。下顎側方偏位患者11名、学生ボランティア6名を被験者とした。以下の結果が得られた。1)全被験者について、偏位側と比較し、非偏位側のTVR indexが有意に高い傾向を示し、下顎偏位量とTVR indexの左右差の間に有意な相関を認めた。2) 6名のボランティアについては下顎位が中央の時にTVR indexが最も低く、筋に対して対側へ下顎を偏位させたときにTVR indexは有意に高い値を示した。以上の結果より、下顎側方偏位症例では単に左右の筋紡錘の伸張量が異なるためにTVRにおいて左右差が生じるのではなく、中枢からのγ運動神経活動の左右差の存在の可能性が示唆された。結果B下顎骨側方偏位と咬筋の反射性筋活動の関連を緊張性振動反射(TVR)を用いて筋電図学的検索を行った。下顎側方偏位患者12名、健常者10名を被験者とした。1)下顎側方偏位患者においては偏位側と比較し、非偏位側のTVR indexが有意に高い値を示した。2)全被験者において下顎側方偏位量とTVR indexの左右差の間に有意な負の相関が認められた.以上の結果から、下顎側方偏位患者においては、偏位方向に関連する咬筋に対するγ運動神経活動の左右差が存在することが示唆された。被験者には研究目的、研究方法を説明し、同意を得た上で上記の研究を行った。顎変形症例(特に顔面非対称症例)においては現在までに咀嚼筋筋活動・筋収縮特性の非対称性が報告されているが、その非対称性が何に由来しているかは不明な点が多い。我々はこの要因の解明のために新潟大学歯学部附属病院矯正科に来院した咬合異常・顎変形症を主訴とする者および歯学部職員・学生ボランティアを被験者として咀嚼筋誘発筋電図ならびに咬合状態(咬合接触面積、咬合圧、咬合力)の分析を行った。咬合状態はデンタルプレスケールに記録しオクル-ザにて咬合接触面積、咬合圧、咬合力の分析を行った。咬合状態と顔面の非対称性には女性において関連性が認められた。すなわち下顎の偏位側では咬合力・咬合接触面積が反対側よりも大きくなる傾向が認められた。またこの傾向は下顎偏位側に臼歯部交叉咬合を有する症例で著明であった。今後は症例を増やし、さらに筋機能との関連性を探求する。一方、咀嚼筋誘発筋電図には緊張性振動反射(TVR)を用いて、咀嚼筋各筋のγ-driveの把握に努めている。上下顎前歯部に咬合させたバイトブロックに振動器にて振動を加え、このときの左右咬筋・側頭筋(前方部)の反射性筋活動の記録を行った。現在までのところ形態的な顔面非対称性と直接関連した一定の傾向は得られていない。今後症例数を増やして、顎顔面非対称症例に対して筋機能的な分類を行い検討していくことが必要と思われる。

さらに、術後症例についても分析を進め、術前後の変化について検討する予定である。顎変形症例(特に顔面非対称症例)においては現在までに咀嚼筋筋活動・筋収縮特性の非対称性が報告されているが、その非対称生が何に由来していえるのかは不明な点が多い。我々はこの要因の解明のために新潟大学歯学部附属病院矯正科にら委員した咬合異常・顎変形症を主訴とする者および歯学部職員・学生ボランティアを被験者として咀嚼筋誘発筋電図の分析を行った。咀嚼筋誘発筋電図には緊張性振動反射(TVR)を用いて、咀嚼筋各筋のγ-driveの把握に努めている。上下顎前歯部に咬合させたバイトブロックに振動器にて振動を加え、このときの左右咬合・側頭筋(前方部)の反射生筋活動の記録を行った。現在までのところ形態的な顔面非対称生と関連した傾向が得られた。すなわち、1)顎側方偏位症例では下顎の偏位側と反対側の側頭筋のTVR-indexが偏位側の側頭筋TVR-indexに比較して有意に大きくなること。2)咬筋では顎偏位の方向とTVR-indexには一定の傾向が認められない、である。これらのことは顔面非対称例では側頭筋の筋紡錘の活動状態が非対称であり、γ-driveの活動が非対称である可能性が示された。今後術後症例についても分析を進め、術前後の変化について検討する予定である。また、側面顎顔面形態と咬合状態の関連性について検討を行った。その結果、顎機能正常者では側面顎顔面形態と咬合力、咬合接触面積において相関関係が認められた。一方顎機能異常者では側面顎顔面形態と咬合力、咬合接触面積において相関が認められなかった(顎機能誌4:5965,1997)。本研究は,顎顔面非対称症例のTVRにより誘発された咀嚼筋筋活動の観察を行うことにより,咬合状態および顎態とγ運動神経の関連性を検討するために計画された。結果A下顎骨側方偏位と側頭筋の反射性筋活動の関連を緊張性振動反射(TVR)を用いて筋電図学的検索を行った。下顎側方偏位患者11名、学生ボランティア6名を被験者とした。以下の結果が得られた。1)全被験者について、偏位側と比較し、非偏位側のTVR indexが有意に高い傾向を示し、下顎偏位量とTVRindexの左右差の間に有意な相関を認めた。2) 6名のボランティアについては下顎位が中央の時にTVR indexが最も低く、筋に対して対側へ下顎を偏位させたときにTVRindexは有意に高い値を示した。以上の結果より、下顎側方偏位症例では単に左右の筋紡錘の伸張量が異なるためにTVRにおいて左右差が生じるのではなく、中枢からのγ運動神経活動の左右差の存在の可能性が示唆された。結果B下顎骨側方偏位と咬筋の反射性筋活動の関連を緊張性振動反射(TVR)を用いて筋電図学的検索を行った。下顎側方偏位患者12名、健常者10名を被験者とした。1)下顎側方偏位患者においては偏位側と比較し、非偏位側のTVRindexが有意に高い値を示した。2)全被験者において下顎側方偏位量とTVRindexの左右差の間に有意な負の相関が認められた。以上の結果から、下顎側方偏位患者においては、偏位方向に関連する咬筋に対するγ運動神経活動の左右差が存在することが示唆された。被験者には研究目的、研究方法を説明し、同意を得た上で上記の研究を行った。
超高圧力衝撃波による岩盤掘削用多結晶体ダイヤモンドビットの試作

本研究は超高圧衝撃波を利用して、表面に厚さ数ミリメートルのダイヤモンド層をもつ超硬合金(炭化タンステン)製の岩盤掘削用ビット製造の可能性を探るための研究であり、本年度は3年間の研究計画の最終年度である。ダイヤモンド層は表面に37%のシリコンをコーティングしたダイヤモンド粒子の圧粉体に衝撃波を通過させて形成させた。粒間のシリコンはダイヤモンドと反応して炭化ケイ素に変化して、ダイヤモンド粒間の結合材としての役割を果たすことを期待して研究を進めてきた。本年度において得られた研究成果を箇条書きに述べる。(1)衝撃処理したダイヤモンド固化体の粒界の高分解能電子顕微鏡観察による観察結果、ダイヤモンド粒同士は生成した炭化ケイ素によって結合されるのではなく、ダイヤモンドから転換した高密度ガラス炭素によって結合しており、その中に微細な炭化ケイ素が分散されていることが明らかになった。(2)上記の炭化ケイ素分散層はナノコンポジット構造であり、粒界の粒子分散強化が期待できる。(3)ダイヤモンド焼結体中に相当に大きな炭化ケイ素や黒鉛がみられ、これが得られた焼結体の機械的特性を著しく低下させる原因であり、このことを抑制することが、本技術への実用化への鍵であることが認識された。(4)本研究において開発されたダイヤモンド粒子に対するシリコンのプラズマコーティング方法は画期的なものであったが、本技術を実用化するにはまだ不十分であり、ダイヤモンドにシリコンを極めて均一にコーティングする方法の開発が不可欠であることが分かった。このことによって、本技術の産業化は十分に可能となるであろう。本研究は表面の厚さ数ミリメートルのダイヤモンド層をもつ超硬合金製の岩盤堀削用ビットの開発に関するものである。本年度は3年間の研究プロジェクトの初年度である。得られた研究成果を箇条書きに述べる。(1)衝撃固化に使用されるダイヤモンド粉末はシリコンの添加物が加えられている。衝撃波通過時に発熱化学反応をダイヤモンド表面で均一に励起させるために、ダイヤモンド粒子にシリコンを均一にプラズマコーティングさせる方法を確立した。(2)粒径24mmのダイヤモンド粉末とシリコン粉末の混合物と、コーティングした粉末について平面法によって同一条件で衝撃圧縮実験を行った結果、コーティング材が、固化物の硬さと均一性においてはるかに優れていることが明らかになった。(3)粒径24mmのダイヤモンド粉末の場合、約7%のシリコンコーティングが衝撃固化に最適であることを見いだした。内径40mmの鋼製円筒衝撃アセンブリーについて、爆薬、外筒の大きさ、冬の衝撃条件を変えて回収実験を行ったが、予想以上に高い圧力が内部に発生した結果、試料の吹き出しが起こり回収が困難になったので、衝撃圧縮の詳細な計算機シミュレーションを行い、衝撃アセンブリーの最適形状と条件を設定した。(5)最適密度をもつ堀削ビットの心材となる、超硬合金を放電焼結法によって作製できることを確認し、目的の形状をもつ超硬合金材の放電焼結についての最適条件を求めた。本研究は表面の厚さ数ミリメートルのダイヤモンド層をもつ、超硬合金製の岩盤掘削用ビットの開発に関するものである。本年度は3年間の研究計画の2年度である。(1)多くの種類のダイヤモンド粉末について試験を行った結果、GE社製300シリーズ合成ダイヤモンド粉末にターゲットを絞り、研究を進めることに決めた。(2)粒径24mmのダイヤモンド粉末に約7%のシリコンを均一にプラズマコーティングし、遊離のシリコンを除去する方法を確立した。(3)平面衝撃法を使用してタングステンカーバイト製の基材に上記のシリコンコーティングダイヤモンドを固化すると同時に基材とダイヤモンドが強固に接着する衝撃条件を明らかにした。(4)円筒衝撃回収アセンブリーについての詳細な計算機シミュレーションを行い、これを指針として実際の回収実験を行い、岩盤掘削用ビットの製作の衝撃回収のための条件を明らかにした。

(5)衝撃処理された複合ダイヤモンド層のダイヤモンド粒子間の超微細構造を高分解能電子顕微鏡によって解析し、粒間結合を高めさらに靱性を強化するための指針を得た。(6)円筒衝撃法においては衝撃圧縮時に切削ビットの心材となる、タングステンカーバイト製基材の中心にクラックが発生して、実用上障害になることが明らかになったので、基材の成分を傾斜配分する必要が生じ、この予備実験を行い、クラック発生防止の指針を得たので、最終年度においてはまずこの実証試験を行う計画である。本研究は超高圧衝撃波を利用して、表面に厚さ数ミリメートルのダイヤモンド層をもつ超硬合金(炭化タングステン)製の岩盤掘削用ドット製造の可能性を探るための研究であり、本年度は3年間の研究計画の最終年度である。ダイヤモンド層は表面に37%のシリコンをコーティングしたダイヤモンド粒子の圧粉体に衝撃波を通過させて形成させた。粒間のシリコンはダイヤモンドと反応して炭化ケイ素に変化して、ダイヤモンド粒間の結合材としての役割を果たすことを期待して研究を進めてきた。本年度において得られた研究成果を箇条書きに述べる。(1)衝撃処理したダイヤモンド固化体の粒界の高分解能電子顕微鏡観察による結果、ダイヤモンド粒同士は生成した炭化ケイ素によって結合されるのでなく、ダイヤモンドから転換した高密度ガラス状炭素によって結合しており、その中に微細な炭化ケイ素が分散していることが明らかになった。(2)上記の炭化ケイ素分散層はナノコンポジット構造であり、粒界の粒子分散強化が期待できる。(3)ダイヤモンド焼結体中に相当に大きな炭化ケイ素や黒鉛がみられ、これが得られた焼結体の機械的特性を著しく低下させる原因であり、このことを抑制することが、本技術の実用化への鍵であることが認識された。(4)本研究において開発されたダイヤモンド粒子にたいするシリコンのプラズマコーティング方法は画期的なものであったが、本技術を実用化するためにはまだ不十分であり、ダイヤモンドにシリコンを極めて均一にコーティングする方法の開発が不可欠であることが分かった。このことによって、本技術の産業化は十分に可能となるであろう。