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気相グリニャール試薬の生成とその構造・反応性の解明

本研究は、有機合成化学にとって無くてはならない反応のひとつであるグリニャール反応・グリニャール試薬の実体・反応機構を物理化学的な手段で解明することを目的とした。グリニャール試薬に対応する金属原子-有機分子-溶媒分子からなる気相クラスターを生成し、その性質をレーザー分光法によって研究する計画であった。レーザー蒸発法により気相Mg原子を生成し、キャリヤーガス中にヨウ化メチルおよびジエチルエーテルをまぜ、断熱膨張-冷却によりクラスターを生成した。しかし、三種の原子・分子からなるクラスターは観測されなかった。金属原子の濃度が低く、真空紫外レーザーイオン化では感度不足と考えられた。グリニャール反応は、長い歴史を持つ有機合成化学にとって無くてはならない重要な反応の1つである。本研究は、このグリニャール反応・グリニャール試薬の実体・反応機構を物理化学的手段で解明することを目的としている。本研究では、レーザー蒸発法を用いて気相に取り出した金属原子(Mg)とCH3I、ジエチルエーテル(DEE)と混合し、3成分クラスターを生成する計画であった。生成したクラスターを真空紫外レーザーイオン化により、イオン化質量分析して構成を決定し、グリニャール試薬類似の化学種を探索する計画で、混合方法、超音速ノズルの形状、イオン化方法などを検討し、目的の化学種の検出を目指していた。本年度は、ノズル延長部なしでレーザー蒸発ー118nm真空紫外レーザーイオン化法を基本にして、CH3I/キャリヤーガス(He、Ar)、DEE/キャリヤーガスなどの条件でMg-CH3IあるいはMg-DEE錯合体を検索した。また、Mg/DEE/キャリヤーガスの自由膨張にCH3Iを少量混合する方法も試みた。その結果、MgとCH3I、DEEのクラスターはほとんど観測することができなかった。これは、118nmイオン化がMgを効率よくイオン化することができないため、感度に問題があると考えられる。しかし、CH3I-(DEE)nクラスターについては、n=6、7までが効率よく生成していることが観測された。もっとも濃度の低い金属原子をより効率よく観測すること、他の金属原子(Znなど)を試みるなど展開を図りたい。グリニャール反応は、有機合成化学にとって最も重要な反応の1つである。本研究は、グリニャール反応・グリニャール試薬の実体・反応機構を気相クラスターを用いて物理化学的手段で解明することを目的としている。本研究計画では、レーザー蒸発法を用いて気相に取り出した金属原子とヨウ化メチルの錯体に溶媒としてジエチルエーテル(DEE)を付着させたクラスターを生成する計画であった。本年度は、金属としてマグネシウムを用いて、ノズルの延長部なしでレーザー蒸発法を行い、主に118nm(YAGレーザー3倍波の3次高調波)によってイオン化することを試みた。その結果、DEE自身のクラスター、DEEによって溶媒和したヨウ化メチルのクラスターを観測することができたが、金属Mgを含むクラスターは全く観測されなかった。また、光量が多く、多くのイオンが生成できるArFレーザー(193nm)も試みたが、基本的には改善されなかった。これは、118nmや193nmによるイオン化では、ヨウ化メチルやDEEに比べて濃度がはるかに低いMg原子は検出されにくいためと考えられる。金属原子に対してより感度の良い共鳴多光子イオン化などの手法も試みたが、Mg/CH3I/DEEは、「共鳴波長が不明である」「飛行時間のわずかに短い金属イオンの強いシグナルのテールの影響を受ける」などのために検出できなかった。出発点になる金属原子-有機分子のクラスターがまだ観測されていない。レーザー蒸発によって生成する金属原子を含むクラスターを検出するのに十分な感度を持つイオン化法が見いだせないためである。共鳴多光子イオン化は金属原子を非常に高感度に検出できるが、有機分子と金属原子のクラスターは、その強い金属原子イオンに隠れてしまうと考えられ、検出方法の再検討が必要である。グリニャール反応は、有機合成化学にとって最も重要な反応のひとつである。本研究はグリニャール反応とグリニャール試薬の実体、反応機構を気相クラスターを用いて物理化学的な手段で解明することを目指していた。本研究では、グリニャール試薬のプロトタイプとして、金属原子(マグネシウム)とヨウ化メチルのクラスターに、溶媒分子としてジエチルエーテルを付着させたものを気相中に生成し、そのクラスター内の反応として、金属原子のC-I結合への挿入などを観測することを目指してきた。3種類の原子・分子からなるヘテロクラスターは、レーザー蒸発法により金属原子を生成し、超音速膨張中でヨウ化メチル、ジエチルエーテル分子を付着させる計画であった。ヨウ化メチル、ジエチルエーテルはそれぞれ超音速膨張のキャリヤーガス中に微量混ぜる、ノズルから噴出直後の「膨張」領域で微量を混ぜるなどの手法を試みた。生成したクラスターは、レーザーイオン化-飛行時間型質量分析装置によって観測した。イオン化には、全ての分子種をイオン化できる真空紫外レーザー光および強度の強いArFレーザーを用いた。また、金属原子の共鳴遷移を介した多光子イオン化も、金属原子の検出感度を上げるために試みた。ヨウ化メチルとジエチルエーテルの混合クラスターは真空紫外レーザーイオン化によって観測された。しかし、本研究で試みた真空紫外レーザーあるいはArFレーザーイオン化では、金属原子を含むイオンは全く観測されなかった。これは、金属原子の濃度が他の化学種にくらべて低いからだと考えられる。

金属原子(マグネシウム)の共鳴遷移を介した多光子イオン化は、共鳴波長のわかっている原子は非常に感度良く観測されたが、クラスターについては吸収波長が全く不明なため、広い範囲の波長をスキャンして探索したが、検出できなかった。本研究は、有機合成化学にとって無くてはならない反応のひとつであるグリニャール反応・グリニャール試薬の実体・反応機構を物理化学的な手段で解明することを目的とした。グリニャール試薬に対応する金属原子-有機分子-溶媒分子からなる気相クラスターを生成し、その性質をレーザー分光法によって研究する計画であった。レーザー蒸発法により気相Mg原子を生成し、キャリヤーガス中にヨウ化メチルおよびジエチルエーテルをまぜ、断熱膨張-冷却によりクラスターを生成した。しかし、三種の原子・分子からなるクラスターは観測されなかった。金属原子の濃度が低く、真空紫外レーザーイオン化では感度不足と考えられた。もっとも重要な金属原子ー有機分子の混合クラスターの観測に成功していない。レーザー蒸発条件、超音速膨張条件などは可能な条件を十分に検索したとはいえない。金属原子イオンと有機分子-金属原子クラスターイオンを同一の検出器で検出することは難しい。飛行時間が異なるが、先に検出器に到達する金属イオンの強度があまりに強いため、後に続く弱いクラスターイオンは観測されない可能性が高い。イオン検出器にクラスターイオンの到達と同期させて短時間の高電圧パルスをかけ、クラスターに対してだけ感度があるようないわゆるゲートをかけることが必要である。また、ノズル形状、Mgに変わる金属種を再検討することも必要である。反応物理化学計画で提案しているように、レーザー蒸発条件・超音速膨張条件・反応セル型ノズル延長部の導入など、試みるべき方法はあるので、それを着実に試みていく。また、亜鉛金属原子はCH3IのCI結合に挿入したという報告もあるので、金属原子もMgにとらわれずに取り扱う。イオン化法については、118nm光を強くすることを試みると共に、193nm光によるイオン化、金属原子の共鳴を用いたイオン化などを試みる。今年度は、レーザー蒸発法によって生成した気相マグネシウム原子をヨウ化メチルのC-I結合へ挿入させるべく、さまざまな条件で観測を行ったが、挿入した化学種を検出できなかった。イオン化検出の感度も十分ではなく、更に条件を検討する必要がある。また、研究代表者は、研究科長・理学部長の職にあり、十分研究に費やす時間を取ることも難しかった。平成28年度はこの役職を終了するので、一部予算を繰り越して成果を上げたいと考えた。本年度は、現有の光イオン化ー飛行時間型質量分析計をそのまま用いた測定を主に行った。当初の計画では、ノズル延長部の改良デザイン・製作、いくつかのイオン化法の導入を行う予定であった。そのための物品費を繰り越すことになった。非常に濃度の低い目的クラスターイオンを高感度に検出するために、イオン検出器に高電圧ゲートをかけるために必要なパルス電源を購入する。また、ノズルの改良・工作費用にあてる。2年度予算を合わせて、光イオン化ー飛行時間型質量分析計の改良を行う。
低分子量Ｇタンパク質Ｒａｃ１の新規四肢形成制御機構及び制御因子の解明

低分子量Gタンパク質Rac1は細胞の増殖、分化、細胞死などに重要な役割がなされていることが知られている。本研究ではRac1を肢芽未分化間葉系細胞特異的に欠損させたコンディショナルノックアウトマウスの肢芽細胞を用いたマイクロマスカルチャー培養を用いることで四肢の軟骨形成に重要な役割があることが示唆された。Rac1ノックアウトマウスを用いた肢芽細胞はコントロールマウスの肢芽細胞と比較して増殖能の低下が認められた。これよりRac1は四肢の軟骨細胞における増殖能に重要な役割を担っていることが示唆された。H27年度では肢芽未分化間葉系細胞で特異的にRac1を欠損させたRac1遺伝子コンディショナルノックアウトマウス(Rac1fl/fl;Prx1-Cre)を作成し未分化間葉系細胞の段階(胎生12日齢)で四肢の採取を行い細胞レベルでの検討を行った。採取した四肢細胞を高密度培養を行い培養0日、3日、5日で細胞の分化・増殖の検討を行った。その結果コントロール群(Rac1をノックアウトしていない細胞)に対しRac1をノックアウトした細胞では有位な細胞増殖の低下が認められた。また、軟骨の形成をAlcian blue染色を用い確認したところコントロール群とRac1をノックアウトした細胞ともに軟骨の形成が認められた。軟骨分化に対し定量的PCR法を用い軟骨細胞特異的な遺伝子(Aggrecan,Col2,Col10,SOX9)の発現量を検討した結果、分化に違いは認められなかった。軟骨培養を5日行ったのちβグリセロリン酸を添加した石灰化培地に変更し培養を行った。その結果コントロール群に対しRac1をノックアウトした細胞の石灰化が促進されたことをVonKossa染色にて確認した。また、定量的PCR法を用いて骨芽細胞特異的な遺伝子(ALP,RUNX2,OSX)の発現量を検討した結果、Rac1をノックアウトした細胞で優位に発現量が増加した。以上より肢芽未分化間葉系細胞でRac1遺伝子を欠損させたコンディショナルノックアウトマウス(Rac1fl/fl;Prx1-Cre)の肢芽細胞を用いた細胞培養系では、Rac1は細胞の増殖能を制御する因子であることが分かった。また、軟骨細胞の石灰化段階においては石灰化を促進させることが分かった。肢芽未分化間葉系細胞で特異的にRac1を欠損させたRac1遺伝子コンディショナルノックアウトマウスを作成し未分化間葉系細胞の段階(胎生12日齢)で四肢の採取を行い細胞レベルでの検討を行ったところ、軟骨形成段階においてRac1が間葉系細胞の増殖能へ関与していることが示唆された。これはIn vivoで認められた長管骨成長板で認められた軟骨組織の形成・成熟異常の再現性が得られた可能性が示唆される。また、細胞培養系においてβグリセロリン酸を添加した石灰化培地で培養した結果、Rac1をノックアウトした細胞において石灰化が促進することが認められた。これよりRac1は間葉系細胞、軟骨細胞において石灰化を抑制するシグナルのスイッチ遺伝子として働いている可能性が示唆された。これらの結果より四肢形成、特に軟骨内骨化においてRac1遺伝子が重要な働きに関与している可能性が見出された。H28年度は胎生12.5日齢のRac1コンディショナルノックアウトマウス(Rac1fl/fl;Prx1-Cre)の肢芽より細胞を採取し培養した結果、Rac1遺伝子の発現の低下と共に、未分化間葉系細胞および軟骨細胞増殖能の低下を認められた。さらに、軟骨分化の影響を定量的PCR法にて確認したところ、軟骨分化に関わる遺伝子群に優位な変化は認められなかった。軟骨の分化・増殖能にRac1がどのように関与するのかを検索するため、過去に報告のある軟骨の分化および増殖に関与する因子(BMP、TGF-β、EGF、FGF等)をRac1コンディショナルノックアウトマウスの胎生12.5日齢で採取した初期肢芽細胞に加え細胞培養を行ったところEGFを加えた群ではコントロール群に比べRac1コンディショナルノックアウトで細胞増殖の減少を認めた。また、同様の細胞種で軟骨細胞培養を5日間行った後にβ-グリセロリン酸を加えた石灰化培地に変更しさらに5日間培養を進めた結果、Rac1コンディショナルノックアウトマウス培養系において石灰化およびそれに関連した分子(Runx2、OSX、ALP)の発現量の上昇が認められた。この石灰化段階においてRac1がどのように関与しているかを検討するため、石灰化に関与する因子(BMP、TGF-β、EGF等)をRac1コンディショナルノックアウトマウスの胎生12.5日齢で採取した初期肢芽細胞に加え細胞培養を行ったところEGFがRac1遺伝子を介した石灰化抑制を行う可能性が示唆された。肢芽未分化間葉系細胞特異的にRac1遺伝子を欠損させたコンディショナルノックアウトマウスの肢芽細胞を用いた研究では、Rac1は未分化間葉系細胞、軟骨細胞及び石灰化段階に関与していることが示唆された。この細胞培養系ではRac1遺伝子欠損マウスの初期の四肢細胞を使用するため、採取するまでに時間がかかり予測された研究進行状況よりりやや遅延している。H29年度では肢芽未分化間葉系細胞で特異的にRac1を欠損させたRac1遺伝子コンディショナルノックアウトマウス(Rac1fl/fl;Prx1Cre)の四肢長菅骨(生後1日齢)の成長板における軟骨細胞の増殖について検討した。

組織切片を凍結切片で作製し、EdUにより細胞の増殖を検討した。その結果、EdU陽性細胞は増殖軟骨細胞においてコンディショナルノックアウトマウスで減少している傾向が認められた。以上よりRac1は軟骨細胞の増殖に重用な機能を有することが示唆された。また、これまで行ってきた研究を国際学会にて発表を行い、今後の研究に関する有用な情報を得ることができた。低分子量Gタンパク質Rac1は細胞の増殖、分化、細胞死などに重要な役割がなされていることが知られている。本研究ではRac1を肢芽未分化間葉系細胞特異的に欠損させたコンディショナルノックアウトマウスの肢芽細胞を用いたマイクロマスカルチャー培養を用いることで四肢の軟骨形成に重要な役割があることが示唆された。Rac1ノックアウトマウスを用いた肢芽細胞はコントロールマウスの肢芽細胞と比較して増殖能の低下が認められた。これよりRac1は四肢の軟骨細胞における増殖能に重要な役割を担っていることが示唆された。肢芽未分化間葉系細胞で特異的にRac1を欠損させたRac1遺伝子コンディショナルノックアウトマウスをの胎生期および1日齢の四肢骨格標本をを作成し、骨・軟骨組織をAlizarinn redおよびAlcian blueで染色を行う。高密度培養で得られた細胞より精製したmRNAを用い、マイクロアレイ解析を行い、遺伝子の網羅的解析を行うことで、Rac1コンディショナルマウス肢芽(胎生12日齢)で発現に変化が認められる遺伝子の探索を行う。選定された遺伝子に関しては定量的PCR法を用いて再現性を検討する。マイクロアレイで選定された候補遺伝子の軟骨細胞および間葉系細胞に対する作用を、アデノウイルスベクターによる強制発現、およびshRNAによるノックダウン法用いて検討する。胎生12日齢の培養肢芽細胞を様々な増殖因子・分化誘導因子で刺激した際の細胞増殖に対する影響、および分化誘導に対する影響を検討する。肢芽未分化間葉系細胞特異的Rac1コンディショナルノックアウトマウスの細胞培養系を用い、軟骨細胞増殖および石灰化を抑制するシグナル経路の探索を行う。現在までの実験よりEGFは軟骨細胞増殖、石灰化を抑制する可能性が示唆されており、EGFのシグナル経路とRac1の関連を探索する。そのためにEGFのシグナルであるMAPK、PI3K、JAK/STATシグナル経路、それぞれのインヒビター因子を加えることで石灰化の抑制に関与するであろう経路を同定する。また、EGFのシグナル経路においてRac1がどこで関与するかをタンパクレベルで解析を行う。骨代謝マイクロアレイによる網羅的遺伝子解析を次年度に行うこととしたため。肢芽未分化間葉系細胞特異的Rac1コンディショナルノックアウトマウスの胎生12日齢の肢芽細胞を使用するためにマウスの交配および必要量の細胞採取に時間がかかる。また、実験系も複雑であるため再現性を得る実験にも時間がかかることで実験の遅延が生じている。マイクロアレイを用いてRac1コンディショナルノックアウトマウスの肢芽細胞の遺伝子変異を網羅的に解析することとする。肢芽未分化間葉系細胞特異的Rac1コンディショナルノックアウトマウスの胎生
CD40シグナルの過剰によるSLE皮膚病変の発症機序の解析

B細胞上にCD40リガンド(CD40L)を過剰発現する遺伝子導入マウス(CD40L遺伝子導入マウス)を作成した。このマウスを通常環境下で飼育し、自己免疫疾患の発症について解析したところ、抗核抗体、抗ssDNA抗体、抗dsDNA抗体等の自己抗体の産生や、尿中に蛋白質の漏出を伴う個体が認められた。またこれらのマウスを解剖し病理学的検討をしたところ、免疫グロブリンの沈着を伴う糸球体腎炎を発症を認めた。これらの結果に遺伝子非導入マウスとの間に有意差を認めたため、このCD40L遺伝子導入マウスがSLE様自己免疫疾患を発症することを報告した。ヒトSLE患者やSLEのモデルマウスであるBXSBマウスでは、通常T細胞に発現するCD40Lが、B細胞上に異所的に発現することが報告されており、今回作成したCD40L遺伝子導入マウスは、ヒトSLEの病態のモデルマウスとなりうると考えられた。さらに、CD40シグナルの過剰によるB細胞の自己トレランスの破綻について解析するため、CD40L遺伝子導入マウスと抗DNA抗体遺伝子(免疫グロブリン重鎖)導入マウスとの交配し、B細胞の大多数が自己反応性をもつCD40L遺伝子導入マウスを作成したところ、このマウスにおいて抗DNA抗体の産生を認め、トレランスの破綻を認めた。さらにフローサイトメトリーの解析から、CD40刺激は骨髄内での未熟B細胞段階でのトレフンスには影響は認められなかったため、末梢での未熟B細胞のトレランスを破綻させることが示唆された。
代数的ベクトル束のモジュライの研究

代数曲線上の直線束のモジュライ上には、テータ因子かある。これの類似で、代数曲線上のベクトル束のモジュライ上には、一般テータ因子がある。n, kを自然数とする。階数nのベクトル束のモジュライ上のレベルkの一般テータの空間と、階数kのベクトル束のもジュラ以上のレベルnの一般テータの空間の間には、strange dualityと言われる双対性がある。これは、BelkaleとMarian-Opreaによって証明された。Beauvilleは、シンプレクティック束のモジュライに対して、strange dualityを定式化した。こちらは未だ証明されていない。本年度の研究成果は、このstrange dualityのシンプレクティック類似に関するものである。具体的にはまず、Beauvilleによって定式化されたシンプレクティック束に対するstrange dualityを放物型に拡張した。これは、曲線を退化させてstrange dualityを考察する際に必要な一般化である。そして、種数が零の場合に正しければ一般の場合にも正しい、ことを曲線の退化の手法を用いて証明した。その証明の過程で、特異点を持った代数曲線上のシンプレクティック束のモジュライのコンパクト化を考察し、一般テータ因子の空間に対する分解定理を証明した。これは、正規化した曲線上のシンプレクティック束のなすモジュライ上の一般テータの空間と元の一般テータの空間を比較するもので、strange dualityを退化の手法で考察する際に、とても大切な結果である。以上の結果をRIMS preprintにまとめた。本年度も昨年度に引き続き、結節点を持った代数曲線上のSL(2)束のモジュライについて研究した。昨年度の研究対象が、「大きな」コンパクト化である、ギーゼカ流のコンパクト化であったのに対し、今年度は、「小さな」コンパクト化である、捩れ無し層によるコンパクト化について調べた。Faltingsの結果によりこのコンパクト化は正規になることが分かる。これの特異点解消の様子を調べることにより、一般テータ関数の空間の分解定理を導くことができた。これは、共形場理論における共形ブロックの空間の分解定理の代数幾何における対照物である。さらにこれの応用として、SL(r)-GL(n) strange dualityのDonagi-Tuによる一般化をr=2の場合に解決した。これを詳しく述べると次のようになる。SL(r)束のモジュライ上の一般テータ関数の中にはGL(n)束に付随して作られるものがある。このようなGL(n)束から来る一般テータ関数たちが、一般テータ関数のなすベクトル空間を張る、というのが、SL(r)-GL(n) strange dualityである。本研究者は、このSL(r)-GL(n) strange dualityの主張を、放物型のベクトル束に拡張した。そして、曲線の種数が1の点つき曲線で、点の個数が2個以下の場合に,r=2のとき放物型のSL(r)-GL(n) strange dualityを証明した。最後に曲線が退化したときの上の分解定理を用いて、GL(n)束から来る一般テータ関数の退化の様子を調べた。その結果、研究者は本年度、r=2の場合に、退化の議論を用いてr=2の場合にSL(r)-GL(n) strange dualityを証明することに成功した。本年度の研究実績は次のようである。まず始めに、SL(2)の場合の「奇妙な双対性」に関して昨年度行った研究の手法の見直しをいった。「奇妙な双対性」については、BelkaleおよびMarian-Opreaによって研究代表者とは異なる方法で一般的に解決されたため、研究代表者の退化を用いるという手法の優位点を探したいことがその動機である。その結果、SL(2)の場合の「奇妙な双対性」のときの手法の応用として、階数2の場合のベクトル束のモジュライのテータ埋め込みが一般曲線の場合には射影的正規であることを証明することに成功した。これを論文としてまとめた。次に8月に国際数学者会議のサテライトコンファレンスに参加し、ベクトル側についての最新の結果について情報収集を行った。その後、昨年度のSL(2)の研究をシンプレクティック群の場合に拡張する研究に着手した。具体的な目標は、シンプレクティック群の場合の「奇妙な双対性」を退化を用いて解決することである。そのためのステップとして、本年度はまず、Kauszによる一般線形群のコンパクト化のシンプレクティック類似を定式化して証明することが出来た。この代数群のコンパクト化はスフェリカル多様体と呼ばれているもので、これについて名古屋大の藤野修氏と議論を行った。さらにこれを用いて、結節点をもった特異な代数曲線上のシンプレクティック束のモジュライの一般テータの空間に対する、分解定理を証明することが出来た。10月から1月までのフランスとドイツの海外出張中に以上の進行中の研究発表を行った。ニース大のBeauville教授には貴重な研究示唆を受けた。

Beauvilleは、シンプレクティック束のモジュライに対して、strange dualityを定式化した。こちらは未だ証明されていない。本年度の研究成果は、このstrange dualityのシンプレクティック類似に関するものである。具体的にはまず、Beauvilleによって定式化されたシンプレクティック束に対するstrange dualityを放物型に拡張した。これは、曲線を退化させてstrange dualityを考察する際に必要な一般化である。そして、種数が零の場合に正しければ一般の場合にも正しい、ことを曲線の退化の手法を用いて証明した。その証明の過程で、特異点を持った代数曲線上のシンプレクティック束のモジュライのコンパクト化を考察し、一般テータ因子の空間に対する分解定理を証明した。これは、正規化した曲線上のシンプレクティック束のなすモジュライ上の一般テータの空間と元の一般テータの空間を比較するもので、strange dualityを退化の手法で考察する際に、とても大切な結果である。以上の結果をRIMS preprintにまとめた。
超小型衛星の先端ミッション対応能力向上のためのバス高性能化に関する研究

本研究は、超小型の人工衛星の基本的な性能を向上させることを目的とする。そのため、衛星に働く余計な力を打ち消す新しい方法を考案した結果、衛星の向きを1/1, 000°より小さい角度で制御することができ、また温度の制御もタケノコ式に熱の伝わりを遮断することで1/1, 000°Cよりも細かく安定させることを実現した。さらに、難しい衛星設計開発を効率よく進める電子的な資料の整理プログラムを開発して、実際にその効果を確認した。「超小型衛星の先端ミッション対応能力向上のためのバス高性能化に関する研究」は、以下の相互依存関係にある3項目の目的から構成される。(1)高精度姿勢制御・安定度達成:衛星内の特定部位において、指向精度1[度]、安定度1[秒角/秒]のオーダーを達成する方式の考案、製作と実証を行う。(2)高精度温度制御・安定度達成:衛星内の特定部位において、制御精度1[K]、安定度1[mK/s]のオーダーを達成する方式の考案、製作とその実証を行う。(3)効率的な設計情報の蓄積と伝達による設計支援。人工衛星の専門家ではないstakeholderの要求を誤解なく設計側に伝達し、少人数で迅速に正確な衛星設計を支援するシステムの構築。本研究は、いかにして小さな人工衛星でも多くの人の要求に応えることができるようになるかを研究する。そのためには、1:衛星が宇宙空間で精度良く自分の姿勢を安定させること、2:衛星の中の一部分でも温度を精度よく一定に保つこと、3:衛星をよく知らなくても衛星設計開発に参加できることを中心に検討を行った。1:姿勢制御:衛星の姿勢を乱す原因である残留磁場対策が難しいことが分かった。(他の要因もあるが、対策は比較的容易である。)そのため、小型衛星用部品の磁場特性の調査結果と、この打ち上げ前の地上での磁場計測では、必要な計測精度が達成困難であることを踏まえて、磁気シールド等よりも軌道上で能動的に残留磁場を相殺する装置搭載が最善であると結論付け、その開発を行った。同時にこの効果を検証するための計算機上のシミュレータを整備した。2:熱制御:衛星は内部にバスと呼ばれる機能維持するための機械が必要で、小型衛星はミッション用機器との距離を取りにくい。そこでタケノコ状に何層にも熱伝達の切断層、輻射の断熱層を組み合わせることで、ミッション部の温度安定を狙った。この熱的特性が同一のモデルを製作し、宇宙空間を模擬した熱真空チャンバー内にてその効果を測定した。同時に実際に研究室で運用している小型衛星の温度データを取得して、熱数学モデルへの反映を行った。現状目標の1mK/secの安定度は達成できず、熱の進入経路を特定して効果を改善する。3:衛星設計支援:1)衛星設計時のデータは電子データで作成し、そのデータを管理するドキュメント管理システムを整備した。2)プロジェクト上発生する作業項目・気づき事項を管理するシステムの開発を行った。1),2)に日々データが蓄えられている。3)定石的な衛星設計手法に1,2)のデータを自動抽出することで作られる「設計ハンドブック」のシステムの設計に取りかかった。本研究は、いかにして小さな人工衛星でも多くの人の要求に応えることができるようになるかを研究することである。そのためには、1:衛星が宇宙空間で精度良く自分の姿勢を安定させること、2:衛星の中の一部分でも温度を精度よく一定に保つこと、3:人工衛星のことをよく知らなくても衛星設計開発に参加できることを中心に検討を行った。1:姿勢制御:昨年度の検討を踏まえ、衛星電気回路の発生する非定常電磁場について解析し衛星の姿勢の乱れを防ぐ対策案を考案した。市販品レベルの磁力計を用いて、軌道上で残留地場の非定常成分の推定を行う方法を考案した。衛星の試験機モデルを用いて地上で計測できる精度において対策が有効であることを示した。また、これまでの検討をまとめて総合的な超小型衛星向け残留地場対策の方針をまとめた。小型衛星向けの光ジャイロ-スタートラッカー単体の研究開発とそれらを組み合わせて複合航法をまとめている。08年度版の問題点を洗い出し断熱を強化した方式をまとめた。3:衛星設計支援:引き続きプロジェクト上発生するドキュメント・作業項目・気づき事項を電子的に蓄積している。教科書的な設計手法にこれまで蓄積された設計・ノウハウを肉付けした「設計ハンドブック」のシステムの設計に取りかかった。

本研究は、多くの人が宇宙機の求める高い性能を、いかにして小さな人工衛星でも実現させるかを研究することである。そのためには、1:衛星が宇宙空間で精度良く自分の姿勢を安定させること、2:衛星の全体あるいは一部分の温度を精度よく一定に保つこと、3:人工衛星のことをよく知らなくても衛星設計開発に参加できることを中心に検討を行った。1:姿勢制御(1)磁気関連残留磁場の計測:既存の超小型衛星の残留磁気モーメント(以下RMM)を周波数ごとに計測した。オンボードRMM推定:RMMが時間変動するため、衛星の搭載計算機で実装可能な推定則を拡張カルマンフィルターにて構築し、衛星の姿勢運動から残留磁気モーメントを推定する方法について検討した。オンボード磁気センサー較正:センサーの軌道上における較正方法を検討した。本研究で求める姿勢制御精度を達成するために、バイアス等通常の補正項目以外に地球磁場異常の補正の必要性などの発見があった。(2)イメージフィードバック制御と段階的姿勢安定手法恒星センサーと光ジャイロによる複合航法により数秒角精度の姿勢制御を行い、そこからさらにミッション用望遠鏡の画像情報を用いて1秒角以下の姿勢制御を行う。望遠鏡の取付ミスアライメント等の影響を排除してこの制御が実現可能であることを数値シミュレーションにて示した。(3)質量特性高精度の姿勢制御を行うためには、高い精度で質量特性を制御することが必要である。そのため、精密な特性制御・計測方法を考案し衛星実機を用いて実証した。その結果、従来の平均的な大型衛星では1%の精度であるのに対して、本研究では0.01%オーダーの質量特性制御方法を実現した。2:熱制御これまでの検討を反映させた最終版(フライト機)を開発し、熱真空試験により地上における熱的性能が設計範囲内であることを確認した。また、衛星打ち上げ後に衛星から送られる情報を元に熱モデルを較正するための解析作業の準備に着手した。3:衛星設計支援研究開始当初よりプロジェクト上発生するドキュメント・作業項目・気づき事項を電子的に蓄積している。教科書的な設計手法にこれまで蓄積された設計情報・ノウハウを自動的に肉付けした「設計ハンドブック」のバージョンアップを実施した。本研究は、多くの人が宇宙機に求める高い性能を、いかにして小さな人工衛星でも実現させるかを研究することである。1:姿勢制御(1)磁気関連:磁気センサー補償方法の高精度化をおこなった。また、残留地場の経年変化については許容範囲内であることが確認された。(2)制御則関連:ミッション用星像を姿勢情報として用いる場合に、星の波長依存性・検出器の劣化・工学系のゆがみ等に対する頑堅性を向上させた。(3)姿勢センサー:リアクションホイールの振動が、光ジャイロの出力を想定よりも乱すことが確認されたため、振動減衰機構を検討・設計・製造し、その効果を検証した。
希土類元素を含む高分子錯体を前駆体とする新規材料化プロセスの開発

本研究課題では、“従来の複合酸化物はストイキオメトリー(組成)の制御が完全でないため、物質本来の特性を100%発揮していないという立場"から、あるいは、“組成が厳格に制御されたときに隠れた機能が出現する可能性すら残されているという立場"から、組成複雑な複合酸化物を作製する技術として優れる“錯体重合法"を、希土類含有機能性複合酸化物の特性向上の手段として発展的に利用した。“錯体重合法"は、金属クエン酸とエチレングリコールとの間のポリエステル化反応に基礎を置き、金属錯体形成反応と高分子反応とを同時に進行させることにより、構成成分が偏析することなく均一に分散した前駆体が得られるところに大きな特徴を持つ。本年度の主たる成果は、1)Y_2Ti_2O_7の低温合成において、遊離したY_2O_3とTiO_2との固相反応によってY_2Ti_2O_7が生成するのではなく、ほぼ原子レベルでYとTiとが分散した非晶質性の前駆体から直接Y_2Ti_2O_7が結晶化することを明らかにしたこと、2)固相法では単相化が著しく困難とされるLaAlO_3およびY_3NbO_7を研究対象とし、錯体重合法を用い、触媒として利用可能な比表面積をもつ粉体の低温合成に成功したこと、3)固相法で合成した試料と比べて3-4倍他界活性を有するK_2La_2Ti_3O_<10>水分解光触媒の作製に成功したこと、などである。
NISSIN Projectを用いた老化に関するα-Klotho蛋白質の影響解明

背景と目的:近年、α-Klotho蛋白質は抗老化ホルモンの一つとして注目されている。しかし、ヒトにおけるα-Klotho蛋白質の長寿との関係やα-Klotho蛋白質の増減に関わる生活習慣については不明な点が多い。本研究は、N市の65歳健やか健診をベースとし、10年間(1996-2005年)で約3,000名が参加した「NISSIN Project」コホート研究を用いて、1血中α-Klotho蛋白質量がその後の死亡及ぼす影響の検討と2血中α-Klotho蛋白質量に影響を与える生活習慣の検討を行うことで、α-Klotho蛋白質の長寿マーカーとしての意義を解明することを目的とした。方法:1死亡をケースとするケース・コーホート研究を行う2サブコーホート内で生活習慣とα-Klotho蛋白質との関連を横断的に検討する。結果:本年度はケースとサブコーホートを抽出したデータベースの作成とα-Klotho蛋白質の測定準備を行った。サブコーホートは、血液検体が得られる対象者2,851名しコーホート登録年度と性別で層化し、各層で対象者の20%に当たる570名をランダムサンプリングした。さらに2013年末までに209名の死亡を確認し、ケースとして抽出した。研究効率を上げるために、研究デザインの選定と対象者のサンプリング方法の検討に予想以上の時間を要した。そのために当初の計画よりもやや遅れたものの、対象者の選定とα-Klotho蛋白質測定準備は完了しており、今後の計画への影響は最小限度に抑えられたものと考える。本研究は、平成25,26年度の2カ年計画として開始した。平成26年度以降は、本研究を平成26-28年度基盤研究(C)「高齢者コーホートを用いた長寿に関連する血中マーカーの解明」(研究代表者:鵜川重和)に引き継ぎ、α-Klotho蛋白質に加えて脂肪細胞の慢性炎症を引き起こすことでインスリン抵抗性を増加させ、ひいては糖尿病発症の原因物質としての役割を果たすとされるAngiopoietin-like protein 2 (Angptl2)も同時に測定することにより、α-Klotho蛋白質およびAngptl2の長寿マーカーとしての意義を解明する。
４ボルト級ナトリウムイオン電池を実現する層状マンガン系酸化物の研究

当研究室では,ナトリウムイオン電池の材料研究を通して,希少かつ毒性元素を不要とする新型二次電池の実現を目指し,その全電池作動を世界に先駆けて実証し,現在も電極活物質や電解質に適用できる新材料の開発により電池の高性能化を目指した研究を進めている.本研究では4ボルト級の電池作動を目指して,正極活物質の研究を行った.これまでもP2型層状構造を有するニッケル・マンガン複合層状酸化物で4ボルト作動を実証してるが,充放電寿命が短いことが問題であった.そこで,寿命を改善するために,ニッケルサイトの一部をアルミニウムやチタンで部分置換した.その結果,電池充放電中の結晶構造の体積変化が抑制されて,電池寿命が改善できることが分かった.この材料の詳細な電気化学特性と構造変化の相関を解明した上で,さらなる材料の最適化を進めた.またマンガンだけでなく,すべての3d元素を対象として合成および電気化学測定も行い,各種ナトリウム・マンガン層状酸化物との比較検討を行って総説論文を発表した.また,既に4ボルト以上の高電圧領域で,正極表面の状態,とりわけバインダーが果たす役割が重要であるこを報告しているが,さらに用いる有機電解液の成分や濃度が重要であり,これらが電極表面において電気化学反応によって生成する表面被膜の構造に大きな影響を及ぼすことを見出した.今年度は,最終年度であったため以上を統括して,4ボルト級の標記電池の安定作動を実現する層状マンガン系酸化物材料の研究から,炭素材料や機能性バインダーの役割と重要性を合わせてしめした.今後も,標記材料の研究を発展させつつ,関連する電池材料,さらにはイオンキャリヤをカリウムに置き換えた新奇な電池,また実用化されているリチウムイオン電池の高性能化研究に展開した.平成30年度が最終年度であるため、記入しない。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。ナトリウムイオン電池用層状酸化物としてP2型に着目した検討を行った.合成条件について詳しく調査したところ,非化学量論性のことなる二つの結晶多形を単相で合成することにはじめて成功した.そこで,さらにその結晶構造と電気化学特性の違いについて調査を行った.化学量論性が異なっていることは,組成分析や放射光X線回折,電子顕微鏡や電子回折から立証し,結晶構造の違いが三価のマンガンイオンに起因するヤーン・テラー歪みの違いに起因することを突き止めた.すなわち,P2型層状酸化物には六方晶と直方晶の二つの多形が存在する.二つの多形について電気化学特性を調査したところ,電池としての作動電圧や可逆容量に違いがあることを明確に示した.特に,ナトリウムの脱挿入反応時に,結晶構造がどのように変化するのかをオペランドX線回折法によって調査,格子定数変化,および結晶構造相転移および超構造の生成について明らかにした.さらに4ボルト作動を目指してマンガンおよびニッケルを含むP2型層状酸化物の検討も進めている.層状マンガン系酸化物の結晶多形について,これまで報告例のない単一相合成を達成したことで,電池特性および結晶構造に関する成果が当初の想定を超える成果が得られた.一方で,電池への応用を考えると,エネルギー密度や充放電寿命については,引き続き特性上向上を目指した検討が必要である.以上の状況から,おおむね順調な進捗状況と判断する.我々はナトリウムイオン電池が,レアメタルフルーかつ毒性元素が不要な次世代二次電池として有望で有り,そのフルセル作動を世界に先駆けて実証し,現在も電極活物質や電解質に適用できる新材料の開発により電池の高性能化を目指した研究を進めている.本研究では4ボルト級の電池作動を目指して,正極活物質の研究を行った.これまでもP2型で結晶化したニッケル・マンガン複合層状酸化物で4ボルト作動を実証してるが,充放電寿命が短いことが問題であった.そこで,寿命を改善するために,ニッケルサイトの一部を銅や亜鉛で置換した.その結果,ナトリウム脱晶入時の結晶構造変化が安定化されて,寿命が改善できることが分かった.この材料の詳細な電気化学特性と構造変化の相関を解明した上で,さらなる材料の最適化を進めている.また,4ボルト以上の高電圧領域では,正極表面の状態,とりわけバインダーが果たす役割が重要であることに着眼した.ナトリウムイオン電池に適用可能な正極材料の多くが耐水性が不十分で,水溶性のバインダーの適用が困難であった.しかし,P2型のニッケル・マンガン層状酸化物が十分な耐水性を有することを突き止めた上で,電極の機械的強度を格段に高めることができる水溶性カルボン酸ポリマーをバインダーとして調査した.その結果,ポリグルタミン酸バインダーがもっとも適したバインダーであることを見出した.3d元素を含む各種ナトリウム・マンガン層状酸化物について引き続き検討を進めている.4ボルト作動の正極材料の開発,さらにバインダーの最適化や各種3d層状酸化物の系統的な固体電気化学的検討が進んでおり,想定を上回る成果を得ており,学術論文としても投稿しているから.当研究室では,ナトリウムイオン電池の材料研究を通して,希少かつ毒性元素を不要とする新型二次電池の実現を目指し,その全電池作動を世界に先駆けて実証し,現在も電極活物質や電解質に適用できる新材料の開発により電池の高性能化を目指した研究を進めている.本研究では4ボルト級の電池作動を目指して,正極活物質の研究を行った.これまでもP2型層状構造を有するニッケル・マンガン複合層状酸化物で4ボルト作動を実証してるが,充放電寿命が短いことが問題であった.そこで,寿命を改善するために,ニッケルサイトの一部をアルミニウムやチタンで部分置換した.

その結果,電池充放電中の結晶構造の体積変化が抑制されて,電池寿命が改善できることが分かった.この材料の詳細な電気化学特性と構造変化の相関を解明した上で,さらなる材料の最適化を進めた.またマンガンだけでなく,すべての3d元素を対象として合成および電気化学測定も行い,各種ナトリウム・マンガン層状酸化物との比較検討を行って総説論文を発表した.また,既に4ボルト以上の高電圧領域で,正極表面の状態,とりわけバインダーが果たす役割が重要であるこを報告しているが,さらに用いる有機電解液の成分や濃度が重要であり,これらが電極表面において電気化学反応によって生成する表面被膜の構造に大きな影響を及ぼすことを見出した.今年度は,最終年度であったため以上を統括して,4ボルト級の標記電池の安定作動を実現する層状マンガン系酸化物材料の研究から,炭素材料や機能性バインダーの役割と重要性を合わせてしめした.今後も,標記材料の研究を発展させつつ,関連する電池材料,さらにはイオンキャリヤをカリウムに置き換えた新奇な電池,また実用化されているリチウムイオン電池の高性能化研究に展開した.蓄電池用活物質の材料研究は,材料合成の検討,電池特性の評価,さらに材料の物性評価など多岐にわたる検討に長い時間を要する.今後はすでに確立した材料合成法を基に,電圧および可逆容量を考慮した電池特性の評価をすすめ,電池への応用研究として価値の高い成果を目指す.それと同時に,材料化学および物性物理からの学術的な材料評価を進めつつ,電池特性と材料物性の関係にも着目しながら,研究を推進したい.今年度までに得られた知見を基に,さらに層状マンガン系酸化物の材料開発を進める.具体的には,2017年度に見出したマンガン・ニッケル系酸化物の異種元素置換について,計算化学的手法を用いて結晶相の安定性とナトリウム脱離時の作動電位のシミュレーションを基に,結晶構造と電気化学特性の相関の調査を進める.2011年にNature Materials誌に発表したP2型マンガン・鉄系層状酸化物に上記アイデアを拡張し,酸化還元の容量を向上させるために,酸素アニオンのレドックスの発現と,それに伴う電池特性変化を詳細に調べる.すでに事前調査を進めており,一定の成果を見込んでいる.これらの検討は,酸化物バルク構造の調査であるが,それに加えて,水溶性バインダーや電解液添加剤による界面修飾を調査し,さらに研究を最大限かつ効果的に推進する予定である.平成30年度が最終年度であるため、記入しない。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。
地盤の三次元すべり破壊の特性と安定性評価に関する研究

遠心載荷装置を用いた支持力実験として、水平及び傾斜地盤に矩形載荷を行った場合の破壊形態と支持力特性を調べた。実験は地盤工学会の研究委員会で提案された一斉支持実験の仕様に従い、着色・無着色の標準砂を互層に敷き詰めて模型地盤を作製し、破壊後に断面を切り出してすべり面の観察を行う方法を採った。実験結果を総括すると、(1)基礎形状比(ζ=L/B)大なるに従って載荷重のピークが明瞭で脆性破壊を示すが、支持力値や地盤反力係数の変動は小さい。(2)水平地盤では形状係数がζの減少に伴って低下してDeBeerの提案式にほぼ対応するが、傾斜地盤ではζによる強度変化は殆ど認められない。(3)換算基礎幅の増大に伴い支持力値が低下する寸法効果が認められる。(4)傾斜地盤と水平地盤の支持力比は0.50.6で、斜面の存在による支持力低下がかなり大きい。(5)傾斜地盤ではすべり面が明瞭に観察され、その形状は対数ら線で精度良く近似できる。盛土及び自然斜面の三次元すべり破壊の形態と基礎地盤形状との関連性を調べる実験では、遠心載荷装置の土槽内にアルミ板で組立てた谷形状の傾斜した基礎地盤を作製し、その上に砂質盛土を構築した後に、遠心加速度を加えながら前面に設置した壁を移動させて強制的に斜面を崩壊させ、実験終了後に盛土を切り出して(盛土内に設置した素麺の切断位置を特定して)すべり形状を観測した。今回は谷幅を変えた実験だけ行ったが、(1)谷幅が広くなるほど側方からの拘束効果は薄れるので、すべり破壊の規模(深さや長さ)が大きくなること、(2)実験で観測されたすべり面を用いた斜面安定解析でも同様の傾向を示し、谷幅の拡大に伴って三次元安全率が二次元安全率に漸近する特性が認められたこと、などが特徴的な知見として挙げられる。遠心載荷装置を用いた水平地盤の支持力実験は、土質工学会「地盤破壊の三次元的評価に関する研究委員会」で提案された一斉支持力実験の仕様に従って行った。すなわち、試料には豊浦標準砂を用い、ポアリング法で相対密度約85%の地盤を作製して載荷試験を行い、破壊面の観察では墨汁で染めた標準砂を1015mm間隔で薄く敷いて破壊後に水浸・自立させて断面を切り出す方法をとった。本年度は、円形基礎でのmodelling of models、矩形載荷における形状係数の特性や寸法効果などを主対象に実験を行い、支持力値については他の研究機関で行われた実験結果の大体中間の値を得た。これらの実験結果を総括すると以下のようになる。(1)換算基礎幅が等しければ基礎寸法によらず同じ挙動を示す。(2)形状係数Sγは基礎形状比L/Bの減少に伴って低下し、その傾向はDeBeerの提案式にほぼ一致する。(3)円形基礎と正方形基礎の挙動はほぼ等しい。(4)換算基礎幅が大きくなると支持力値は低下する(寸法効果)。なお、水平地盤ではすべり面の観測がかなり難しく、特に円形や正方形基礎では、破壊後かなり変形が進んだ段階でしか明瞭なすべり面が認められず、ピーク荷重強度や残留荷重強度との対応性を踏まえた議論が必要と考えられる。盛土の三次元すべり破壊の実験では、まず重力場で(高さ約40cmのV字形の基礎地盤に盛土斜面を作製し、これを土槽ごと傾斜させる方法で)予備実験を行い、すべり形状を観察した。

遠心場の実験では土槽を傾斜させることが困難であるので、二三の方法を考案して、より実際に近い状況で斜面破壊を生じさせる方法を試行錯誤的に検討している段階である。遠心載荷装置を用いた支持力実験の継続として、傾斜砂地盤の天端面に矩形載荷を行った場合の破壊形態と支持力特性を調べた。実験は地盤工学会の研究委員会で提案された一斉支持力実験の仕様に従い、着色・無着色の標準砂を互層に敷き詰めて模型地盤を作成し、破壊後に断面を切り出してすべり面の観察を行う方法を採った。傾斜地盤の場合は斜面傾角と法肩からの余裕幅が支配要因として加わるが、支持力値やすべり面形状と基礎形状比(L/B)の関係、あるいは寸法効果などの基本的な特性は水平地盤と同様な傾向が見られた。ただし、傾斜地盤と水平地盤の支持力比が0.50.6で、斜面の存在による支持力低下がかなり大きいこと、傾斜地盤ではすべり面が明瞭に観察され、その形状は対数ら線で精度良く近似できること、などが注目された。盛土及び自然斜面の三次元すべり破壊の形態と基礎地盤形状との関連性を調べる実験では、遠心載荷装置の土槽内にアルミ板で組立てた谷形状の傾斜した基礎地盤を作製し、その上に砂質盛土を構築した後に、遠心加速度を加えながら前面に設置した壁を移動させて強制的に斜面を崩壊させ、実験終了後に盛土を切り出して(盛土内に設置した素麺の切断位置を特定して)すべり形状を観測した。今回は谷幅を変えた実験だけ行ったが、(1)谷幅が広くなるほど側方からの拘束効果が薄れるので、すべり破壊の規模(深さや長さ)が大きくなること、(2)実験で観測されたすべり面を用いた斜面安定解析でも同様の傾向を示し、谷幅の拡大に伴って三次元安全率が二次元安全率に漸近する特性が認められたこと、などが特徴的な知見として挙げられる。なお、遠心実験でも基礎と盛土材料の接触面の処理や盛土の作製方法の影響が顕著であったので、今後は実験精度の向上を図りながら実験ケース数を増やして種々の要因の影響を系統的に調べたいと考えている。
セラミックスの研削表面クラックの性質と強度

脆性材料の強度はクラックの大きさと形状に支配されると言う観点から、セラミックスの表面に研削によって発生するクラックを高分解能電子顕微鏡(HRTEM)によって詳細に調べ、セラミックスの強度と研削クラックとの因果関係を解明した。本研究では性質が互いに異なる代表的な構造用セラミックスを試料として研削と強度との関係をセラミックスの性質をパラメ-タとして解析した。性質の異なるセラミックスとして、イオン結合性の強いアルミナ、共有結合性の窒化ケイ素、炭化ケイ素、相転移強化型のジルコニアを選び、これらのセラミックスの強度と研削加工に用いる砥粒の粒度との関係を調べた。その結果、ジルコニアを除くその他の試料では平均曲げ強さは砥粒の粒度の影響があまり顕著でなかったが標準偏差の値は粒径が細かくなると小さくなることが共通的に認められた。一方、ジルコニアの1試料では研削に用いた砥粒の粒度が粗い方が高強度となっていた。これは研削によって表面に出来るクラックの影響より研削により相転移が起こり、このことにより表面に圧縮応力が生ずることの影響が強く表れているためと考えられる。電子顕微鏡観察によるとクラックは砥粒の通過方向に平行なものとそれに直角方向のものがあった。窒化ケイ素焼結体の表面に研削によって出来たクラックの先端部分を高分解能電子顕微鏡で観察することができた。その結果、表面に沿ってクラックが進行した跡が認められた。ここではクラックの伝播面が電子ビ-ムの方向と斜交しているように見え、さらに窒化ケイ素の格子が不連続となっていてここでクラックの先端部の状況を見ることが出来た。アルミナおよびジルコニアの表面でもクラックの先端を観察することに成功した。
アンチエイジング医療の創成

老化は多くの因子が複雑に関与して進行するため、そのメカニズムの解明は容易ではない。しかし、細胞内において活性酸素産生に関与するミトコンドリアがその主因子であるとの考えは老化研究では主流となりつつある。酸素はミトコンドリアで消費される際、一部が活性酸素であるスーパーオキシドラジカルアニオン(O_2^-)として生成される。O_2^-はスーパーオキシドジスムターゼ(SOD)やグルタチオンペルオキシダーゼ(GPX)、カタラーゼによりH_2O_2から無害なH_2Oへと変換されるが(図1)、一方で、SOD、GPXなどの酵素のバランスが崩れるとミトコンドリアやDNAが損傷を受け、これら損傷の蓄積が生理機能の劣化をもたらし老化を誘起すると考えられている。つまり、病的な老化現象を抑制するには、生体内で生成する活性酸素を消去し、活性酸素毒よりミトコンドリアを保護しかつその機能を低下させることなく維持させることが重要となる。本研究では、生体内活性酸素を消去しミトコンドリア傷害を抑制する新しいアンチエイジング機能物質の創成と、活性酸素毒によるミトコンドリアの電子伝達系障害がどのように老化に影響を与えるかを明らかにすることにより、老化現象の予防と治療に関わる『アンチエイジング医療』の可能性を検討する具体的には、SOD活性とONOO-活性を示すMnポルフィリン錯体が自発的にミトコンドリアへ移行する、新規Mnポルフィリン錯体を合成、ミトコンドリアの保護効果を様々な酸化ストレス下で実験を行うことにより確認した。本研究では、生体内活性酸素を消去しミトコンドリア傷害を抑制する新しいアンチエイジング機能物質の創成と、活性酸素毒によるミトコンドリアの電子伝達系障害がどのように老化に影響を与えるかを明らかにすることにより、老化現象の予防と治療に関わる『アンチエイジング医療』の可能性を検討する具体的には、先ずミトコンドリアから漏出したO_2^-を還元するため、SOD活性を有するアンチエイジング機能物質を合成した。さらにそのアンチエイジング機能物質を、細胞膜を透過させかっミトコンドリア外膜まで選択的に輸送させるキャリアを合成した。これら物質の細胞内透過機構を考察した。
ペプチドトランスポータ遺伝子導入安定発現系の確立に基づく薬物認識機構の分子的解明

本研究では、2種のラットH^+/駆動型ペプチドトランスポータPEPT1またはPEPT2の安定発現上皮細胞系を新たに確立することにより各々の薬物認識特性の比較解析を実地し、以下の研究成果を得た。1.ペプチドトランスポータ安定発現細胞の確立動物細胞発現ベクターに挿入したラットPEPT1またはPEPT2cDNAを構築し、遺伝子トランスフェクションによって各々のトランスポータを安定に発現する上皮細胞の単離を試みた。ノーザンプロット解析によるメッセンジャーRNAの細胞内発現、ウエスタンブロット分析によるタンパク質発現、並びにジペプチドglycylsarcosine取り込み活性を指標としてスクリーニングを行い、最終的にPEPT1またはPEPT2安定発現細胞の確立に成功した。2.PEPT安定発現細胞による薬物認識特性の比較解析ラットPEPT安定発現細胞を用い、glycylsarcosine輸送に対する競合阻害効果に基づいてPEPT1とPEPT2の薬物認識特性の比較解析を試みた。PEPT発現細胞へのglycylsarcosine取り込みに及ぼす経口用β-ラクタム抗生物質の競合阻害実験を実施し、見かけの阻害定数(Ki)によって各薬物のトランスポータに対する親和性を比較した結果、PEPT2はceftibutenとcefiximeなどのアミノ基を持たない薬物を除き、多くのβ-ラクタム抗生物質に対してPEPT1よりも高親和性であることが判明した。3.PEPT発現細胞によるペプチドトランスポータとβ-ラクタム抗生物質との相互作用解析ヒスチジン修飾試薬diethylpyrocarbonate(DEPC)の処理によって、PEPT1及びPEPT2発現細胞のglycylsarcosine取り込み活性は消失すること、DEPCのトランスポータ不活化は、過剰のジペプチドまたはアミノ基を持つセファロスポリンによって防御し得ることがわかった。一方、アミノ基を持たないセファロスポリンやベスタチンはDEPC不活化に対する防御効果を示さなかったことから、薬物のアミノ基とPEPT分子内の必須ヒスチジン残基との相互作用がトランスポータの薬物認識機序に関わっている可能性が示唆された。これらの研究成果は、ペプチド類似薬物の体内動態制御機序の解明並びにペプチドトランスポータの基質認識性を利用したドラッグデリバリーシステムの開発に有用な基礎的情報を提供するものと考えられる。