hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
関節滑膜細胞におよぼす伸展ストレスの影響;酸化ストレスと遺伝子発現の誘導

1各ドメインを欠損させた変異PARP-1を過剰発現させ、どのドメインがNFκBの活性化に必要なのかを明らかにした。(iii)PAR合成の阻害もしくは分解亢進の伸展ストレス依存性NF&#61547;B活性化におよぼす効果について:PARP阻害剤存在下、あるいはポリADPリボースグリコヒドロラーゼ(PARG)の過剰発現下での伸展ストレス依存性NF&#61547;Bの活性化について検討を加える。又、DNA結合ドメイン欠損PARP-1遺伝子の過剰発現が、伸展ストレス依存性NFκBの活性化を抑制するのかについて検討した。(ii), (iii)によるPAR合成の抑制がいずれもNFκB活性化およびCOX-2とiNOS発現誘導に影響しなければ、PAR合成とNFκB活性化の両経路はクロストークしないと判断する。変異ポリADPリボース合成酵素-1(PARP-1)の強制発現もしくはノックダウンによるNFκB活性化への影響を調べることで、ポリADPリボース(PAR)合成とNFκB活性化経路の関連性を明らかにする。24年度が最終年度であるため、記入しない。PAR合成およびNFκBの活性化の関連性の解明に引き続き、伸展ストレスとPAR合成およびNFκBの活性化を連関させる機構について明らかにする。ラジカル化合物(Reactive oxygen species;ROSおよびReactive nitrogen species;RNS))の関与に着目しており、伸展ストレスにともなうROS/RNSの発生機構および、ラジカル化合物のPAR合成、NFKBの活性化以外への作用についても明らかにしたい。
機械学習を用いた二次電池電極表面におけるバタフライ効果の逆解析

本研究は二次電池の安全性向上を目標に、表面科学と情報科学を融合し、これまで困難であった電極の劣化原因の逆解析技術の実現に挑戦する。電極表面に形成されるデンドライト組織のフラクタル構造に着目し、(1)パーシステントホモロジーを用いた特徴量抽出と、(2)多様体による機械学習を行い、析出現象の初期物性値を推定する枠組みを構築する。組織構造と物性値の関係性を特徴量空間を介して接続し、電極表面におけるバタフライ効果を記述する。
関節リウマチにおける血管新生とグリオスタチンの分子機構

我々は,関節リウマチ(RA)の発症に,グリオスタチン(GLS)(血小板由来血管内皮増殖因子と同一でthymidine phosphorylase活性をもつ)が密接に関与していることを初めて見いだした.thymidinephospholylaseはin vivo, in vitroにおいて血管新生作用を有している.我々の研究グループでは,これまでの基礎研究成果に基づき,(1)RAにおける関節破壊へのGLSの関与を解明すること.(2)GLS遺伝子の発現から関節炎惹起活性の発現に至る諸相を阻害することにより,RA病勢を緩和する方法を確立することを最終目標としている.本研究ではRA滑膜炎増悪の一翼を担っている血管新生におけるGLS分子機構の解明を副票とした.RA人工膝関節置換術のさいに患者の承諾を得て採取した滑膜を培養し,3から9代継代し形態学的に均一な線維芽細胞様滑膜培養細胞(FLSs)を用いて,GLS刺激による血管新生などの遺伝子の発現プロファイルを検討した。RA患者の関節液中GLS濃度は平均300ng/mlである。この濃度でFLSsを刺激すると、血管内皮細胞増殖因子(VEGF)の発現が誘導された。またRA滑膜組織を抗GLS抗体と、抗VEGF抗体を用いて免疫組織染色をしたところ、ともに滑膜表層細胞に強く発現していた。GISとVEGFは協同作用にて、滑膜炎を増強していることが、示唆された.正常ウサギ膝関節にGLSを強制発現させ,関節炎発症機序,および骨軟骨の破壊機序を分析することを目的として、予備実験を行った。現在ウィルスベクターを使わないより安全なgene transfection法を模索しており、その一つとして,超音波を用いたmicrobubble gene transfectionの導入効率を検討した。実用的な条件設定が得られず、さらなる研究が必要である。我々は,関節リウマチ(RA)の発症に,グリオスタチン(GLS)(血小板由来血管内皮増殖因子と同一でthymidine phosphorylase活性をもつ)が密接に関与していることを初めて見いだした.thymidine phosphorylaseはin vivo,in vitroにおいて血管新生作用を有している.我々の研究グループでは,これまでの基礎研究成果に基づき,(1)RAにおける関節破壊へのGLSの関与を解明すること.(2)GLS遺伝子の発現から関節炎惹起活性の発現に至る諸相を阻害することにより,RA病勢を緩和する方法を確立することを最終目標としている.本研究ではRA滑膜炎増悪の一翼を担っている血管新生におけるGLS分子機構を明らかにしたい.本年度は,RA人工膝関節置換術のさいに患者の承諾を得て採取した滑膜を培養し,3から9代継代し形態学的に均一な線維芽細胞様滑膜培養細胞(FLSs)を用いて,精製したGLSにてこれを刺激し,DNA microarray systemを用いて,RAの病態に深く関与しているアポトーシス,癌遺伝子,サイトカイン,増殖因子,細胞接着,血管新生などの遺伝子の発現の誘導あるいは抑制を観察した.特に注目すべき誘導をみたのは,血管内皮細胞増殖因子(VEGF)であった.また正常ウサギ膝関節にGLSを強制発現させ,関節炎発症機序,および骨軟骨の破壊機序を分析することを次年度予定しているが,その予備実験として,ウィルスベクターを使わないより安全なgene transfection法を模索している.その一つとして,超音波を用いたmicrobubble gene transfectionの導入効率を検討中である.我々は,関節リウマチ(RA)の発症に,グリオスタチン(GLS)(血小板由来血管内皮増殖因子と同一でthymidine phosphorylase活性をもつ)が密接に関与していることを初めて見いだした.thymidinephosphorylaseはin vivo, in vitroにおいて血管新生作用を有している.

我々の研究グループでは,これまでの基礎研究成果に基づき,(1)RAにおける関節破壊へのGLSの関与を解明すること.(2)GLS遺伝子の発現から関節炎惹起活性の発現に至る諸相を阻害することにより,RA病勢を緩和する方法を確立することを最終目標としている.本研究ではRA滑膜炎増悪の一翼を担っている血管新生におけるGLS分子機構の解明を目標とした.本年度は,RA人工膝関節置換術のさいに患者の承諾を得て採取した滑膜を培養し,3から9代継代し形態学的に均一な線維芽細胞様滑膜培養細胞(FLSs)を用いて,GLS刺激による血管新生などの遺伝子の発現プロファイルを検討した。RA患者の関節液中GLS濃度は平均300ng/mlである。この濃度でFLSsを刺激すると、血管内皮細胞増殖因子(VEGF)の発現が誘導された。またRA滑膜組織を抗GLS抗体と、抗VEGF抗体を用いて免疫組織染色をしたところ、ともに滑膜表層細胞に強く発現していた。GLSとVEGFは協同作用にて、滑膜炎を増強していることが、示唆された。また正常ウサギ膝関節にGLSを強制発現させ,関節炎発症機序,および骨軟骨の破壊機序を分析することを目的として、予備実験を行った。現在ウィルスベクターを使わないより安全なgene transfection法を模索しており、その一つとして,超音波を用いたmicrobubble gene transfectionの導入効率を検討した。実用的な条件設定が得られず、さらなる研究が必要である。
イネにおける濁水冠水条件下の抵抗性機構の解明-葉の光合成活性に注目して

イネは、濁りの少ない水と比べ、濁水で冠水に遭うと退水後の回復が低下するが、濁水冠水下の生理反応には不明な点が多い。本研究では、濁水冠水がイネ品種の光合成活性に与える影響を葉のクロロフィル蛍光を用いて解析した。55品種を用いた試験で、清水冠水区および清水冠水区を遮光シートで覆った遮光冠水区、培養土を溶かした濁水冠水区の冠水中の伸長草丈および退水後の回復程度は、品種と冠水条件間で相互作用が認められ、冠水条件によって品種の反応が異なる可能性が示唆された。冠水抵抗性遺伝子Sub1Aを持つ品種は冠水中で葉の葉緑素の分解を抑え、光合成活性を高く維持していたが、濁水冠水下では光合成活性の低下が促進された。台風や大雨による河川の氾濫等によるイネの浸水・冠水害によって、アジア地域を中心に毎年莫大な被害が発生している。冠水したイネの生存率は冠水条件によって異なり、濁りの少ない水(清水)で冠水した時と比較して、濁水冠水区では生存率および退水後の回復が低下することが報告されている。しかしながら、これまでのイネの冠水抵抗性の研究は清水を使って行われることが多く、濁水中のイネの生理学的な冠水抵抗性機構はほとんど調べられていない。そこで、イネ品種の濁水中の冠水抵抗性機構を明らかにし、濁水冠水条件下で有効な冠水抵抗性の指標について検討するために、濁水中と清水中のイネの冠水抵抗性を比較した。アクリル水槽を用い、培養土を溶かした濁水冠水区、水道水を用いた清水冠水区および清水冠水区を遮光シートで覆った遮光冠水区を設けた。NIAS Global Rice Core Collectionを中心としたアジアイネ55品種を供試した結果、冠水を行わなかった対照区に対する冠水14日後の相対草丈および退水20日後の相対茎葉部乾物重は、品種間および冠水条件間で有意な差があった。品種をまとめた結果で、退水20日後の相対茎葉部乾物重は、冠水区が最も高く、濁水冠水区が最も低かった。退水20日後の相対茎葉部乾物重は、品種と冠水条件間で相互作用が認められ、冠水条件によって品種の反応が異なる可能性が示唆された。55品種より冠水中の生育が特徴的だった3品種を選抜し、葉の光合成活性を現すクロロフィル蛍光(最大量子収率(Fv/Fm))を冠水中の葉で測定した。冠水期間中の最上位展開葉のFv/Fmの低下は、冠水区および遮光冠水区に比べ、濁水冠水区で早く始まり、低下程度も大きかった。これらより、濁水冠水区では葉の光合成活性の低下が早く起こり、それによって清水による冠水よりもイネ品種の冠水抵抗性が低下している可能性が考えられた。イネの浸水・冠水害によって毎年莫大な被害が発生しているが、冠水中および退水後のイネの生理反応には不明な点が多い。冠水したイネの生存率は冠水した水の条件によって異なるが、これまでのイネの冠水抵抗性の研究は清水を使って行われることが多かった。本研究では、1より現場の状況に近い濁水冠水条件下の生理反応、2応募者らが開発したクロロフィル蛍光を用いた水中の葉の光合成活性の測定法の活用、3冠水ストレス抵抗性が異なるイネ品種の比較、を目的に研究を行っている。昨年度、培養土を溶かした濁水冠水区、水道水を用いた清水冠水区および清水冠水区を遮光シートで覆った遮光冠水区で、NIAS Global Rice Core Collectionを中心としたアジアイネ55品種を比較した結果、冠水下での草丈の伸長が異なるイネ品種を選抜した。本年度は、選抜した品種を用い、濁水冠水区、清水冠水区および遮光冠水区でイネを2週間冠水させ、退水20日後の無冠水の対照区に対する相対茎葉部乾物重で回復程度を測定した。冠水期間中、最上位展開葉の光合成活性を現すクロロフィル蛍光(最大量子収率(Fv/Fm))は、いずれの冠水処理区も冠水期間が長いほど低下し、濁水冠水区で最も早くかつ大きく低下した。したがって、濁水区でイネは浮遊物による遮光以外の影響も受けていることが考えられた。さらに、冠水の影響は品種によっても異なり、退水20日後の相対茎葉部乾物重が小さかった品種は,冠水下で冠水中に成長した葉のクロロフィル蛍光(Fv/Fm)が低く,冠水14日目のSPAD値が低かった。これらより、濁水冠水下で抵抗性が高い品種は、冠水中に上位葉で葉の光合成活性および葉緑素を維持していることが考えられた。当初の計画通り、平成27年度に予定していた濁水冠水条件下で抵抗性が異なったイネ品種の葉身のクロロフィル蛍光測定まで行うことができた。しかし、嫌気条件下の発芽耐性遺伝子AGとSub1の両方を持つAG+Sub1系統の種子の取り寄せ手続きに時間がかかっており、予定していたAG+Sub1系統の冠水中での発芽および生育におよぼす水温および濁度の影響は調べられなかった。現在、AG+Sub1系統の取り寄せを再申請するとともに、国内の生物資源研究所ジーンバンクよりSub1遺伝子を持つ品種を入手し、種子を増殖している。河川の氾濫等によって起こるイネへの冠水の影響は、冠水した水の条件によって異なる。

濁りの少ない水(清水)で冠水した時と比較して濁水冠水では退水後の回復が低下することが報告されている。しかし、これまでのイネの冠水抵抗性試験は清水を使って行われることが多かった。本研究では、1より現場の状況に近い濁水冠水条件下の生理反応、2クロロフィル蛍光(最大量子収率(Fv/Fm))を用いた水中の葉の光合成活性によるイネ品種の冠水抵抗性評価の活用、3冠水ストレス抵抗性が異なるイネ品種の比較、を目的に研究を行った。アクリル水槽を用い、培養土を溶かした濁水冠水区、水道水を用いた清水冠水区および清水冠水区を遮光シートで覆った遮光冠水区、無冠水の対照区を設けた。アジアイネ55品種を供試した結果、対照区に対する退水20日後の相対茎葉部乾物重は、品種間および冠水条件間で有意な差があった。退水20日後の相対茎葉部乾物重は、濁水冠水区が最も低く、品種と冠水条件間で有意な相互作用が認められた。冠水中の生育が特徴的だった3品種を選抜し、Fv/Fmを冠水中の葉で測定した。冠水中に葉のFv/Fmの低下が遅く,冠水14日目のSPAD値が高かった品種は、退水20日後の相対茎葉部乾物重が大きかった。PCR解析の結果、上記の品種では冠水抵抗性のSub1A遺伝子の存在が確認できた。Sub1A遺伝子を持つ品種(冠水抵抗性品種)は、Sub1A遺伝子を持たない品種(感受性品種)に比べ清水冠水区および遮光冠水区では水中で葉のFv/Fmを高く維持していた。一方、濁水冠水区では、冠水10日後以降に冠水抵抗性品種のFv/Fmが低下し、退水20日後の相対茎葉部乾物重は感受性品種と変わらなかった。これらより、清水冠水と比べ、濁水中でイネは遮光以外の影響も強く受け、品種の冠水抵抗性が低下すると考えられた。イネは、濁りの少ない水と比べ、濁水で冠水に遭うと退水後の回復が低下するが、濁水冠水下の生理反応には不明な点が多い。本研究では、濁水冠水がイネ品種の光合成活性に与える影響を葉のクロロフィル蛍光を用いて解析した。55品種を用いた試験で、清水冠水区および清水冠水区を遮光シートで覆った遮光冠水区、培養土を溶かした濁水冠水区の冠水中の伸長草丈および退水後の回復程度は、品種と冠水条件間で相互作用が認められ、冠水条件によって品種の反応が異なる可能性が示唆された。冠水抵抗性遺伝子Sub1Aを持つ品種は冠水中で葉の葉緑素の分解を抑え、光合成活性を高く維持していたが、濁水冠水下では光合成活性の低下が促進された。当初の計画通り、(1)アクリル水槽と培養土を用い、濁水冠水試験区を設置した。(2)作成した濁水冠水区を用い、清水冠水区とのイネ品種の冠水ストレス抵抗性の比較を行った。濁水冠水条件および清水冠水条件で反応が異なるイネ品種を選抜でき、平成27年度に予定していた、濁水冠水条件下で抵抗性が異なったイネ品種の葉身のクロロフィル蛍光測定まで行うことができた。今後は、AG+Sub1系統の種子が入手次第、冠水中での発芽および生育におよぼす水温および濁度の影響を調査する。本研究で選抜した品種とSub1遺伝子を持つ冠水抵抗性品種で、冠水条件による影響の違いを比較する。AG+Sub1系統の入手が研究期間中に間に合わなかった場合、抵抗性機構の解明が進んでいるSub1品種と比較することで、濁水冠水抵抗性機構の解明を進めることができる。作物学今後は、濁水冠水条件と清水冠水条件で抵抗性が異なったイネ品種の、さらなる解析を進め、遺伝子解析を行う。また、冠水耐性遺伝子Sub1を持つ品種との比較を行う。嫌気条件下の発芽耐性遺伝子AGとSub1の両方を持つAG+Sub1系統の冠水中での発芽および生育におよぼす水温および濁度の影響を調査する。
多波長LEDを利用した歯髄血液酸素飽和度測定による非侵襲的定量的歯髄診断法の開発

歯髄の循環系は歯の健康を維持するために大切な役割を果たしており、歯髄を失う可能性のある外傷歯においては、歯髄の生活反応を正しく診断する必要がある。これまでに歯髄光電脈波測定(TLP: Transmitted-light plethysmography)により、歯髄血液の有無による歯髄診断が可能となった。しかし、小児歯科臨床で診査の対象となる幼若永久歯の多くは歯の発育途中であり、歯の発育と歯髄脈波の関係については明らかになっていなかった。本研究では幼若永久歯と成人の被験歯を対象に歯髄脈波測定を行った結果、歯根形成度と被験者の成長発育が歯髄血流に関与していることが明らかになった。本研究では、歯髄の病態を歯髄血液SO2から予測し、臨床診断へと還元する新たな歯髄診断方法の確立を最終目標としている。SO2算出のための理論式については既に知的財産権を取得しているが、ヒト歯髄への臨床応用に先立ち、測定精度の検証など理論式の妥当性の評価が不可欠である。SO2算出式は、Modified Beer-Lambert(MBL)の法則に基づいている。これは「歯全体の透過光減衰度Optical Density(OD)は、歯質による光減衰と歯髄腔内血液による光減衰を積算したものとして表すことができる」という仮定によるもので、MBLの法則の式の連立方程式を用いることで、個々の歯の解剖学的形態(歯髄腔の厚み、歯質の厚み)に関わらず歯髄腔内血液の測定をできる可能性がある。初年度に当たる平成25年度は、白色光と分光器を用いて、歯の吸収散乱スペクトルの測定を行った。最終的に理論式で使用する光源波長は、血液の光吸収特性は異なるが、歯質の光減衰係数は近い波長が望ましい。しかし実際は、歯質が光の散乱体であるため、波長によって減衰係数が異なることが分かっている。ただし、使用する2波長の減衰係数の比率を定数で表すことができれば、理論式において歯質に由来する項を除去することができる。測定の結果、短波長になるほど光の減衰係数が大きくなることがわかった。そこで、異なる2波長の減衰係数の比率を求め、その結果を複数の抜去歯で比較したところ、概ね近い値に収束することが確認できた。以上の歯質の光学特性は、今後、歯髄血液の濃度、及び酸素飽和度測定の波長を選定する上での参考にする予定である。本研究では、歯髄の病態を歯髄血液SO2から予測し、臨床診断へと還元する新たな歯髄診断方法の確立を最終目的としている。SO2の算出の理論式はすでに特許を取得しているが、ヒト歯髄への臨床応用に先立ち、波長等の測定条件の設定や、測定精度の検証、理論式の妥当性の評価が必要である。SO2算出式はModified Beer-Lambert(MBL)の法則に基づいており、2段階となっている。まず異なる2つのヘモグロビン等吸収波長を用いて歯髄腔内血液濃度を算出する。次に、ヘモグロビンの等吸収波長と非等吸収波長を用いて酸素飽和度を算出する。この理論式を使用する利点は、MBLの法則の連立方程式を用いることで歯質での光減衰の項を除去できるため、個々の歯の解剖学的形態(歯髄腔の厚み、歯質の厚み)に関わらず、歯髄腔内血液濃度やSO2の測定ができることである。本研究課題の1年目では、歯の光学特性より測定波長の候補を検討し、等吸収波長として506nm、525nm、810nmが、非等吸収波長として460nm、590nm、625nmが挙げられた。2年目はこれを踏まえ、ヘモグロビン等吸収波長を用いた歯髄腔内血液濃度の算出、予測を試みた。その結果、ヘモグロビン濃度が05(g/dL)の範囲内において、歯髄腔内Hb濃度が予測可能であることが示唆された。今後は抜去歯サンプル数を増やし、個々の歯の違いによる影響、LED波長帯域についての検証も行う。また、次の段階として、理論式による酸素飽和度の予測も行っていく予定である。

その結果、ヘモグロビン濃度が05(g/dL)の範囲内において、歯髄腔内Hb濃度が予測可能であることが示唆された。3年目以降は、血液の酸素飽和度による透過光強度の変化について実験を行っている。今後は抜去歯サンプル数を増やし、個々の歯の違いによる影響、LED波長帯域についての検証も行う。また、次の段階として、ヒト歯髄の測定により歯髄の病態との関係についても検証する予定である。3年目は歯髄血液酸素飽和度変化による透過光強度変化について調べ、抜去歯を用いた実験により酸素飽和度の予測を行っているが、酸素飽和度変化による透過光強度の変化は微量であることが明らかになっている。今後は、測定精度向上のための工夫を行い、実験を継続していく。本研究では、歯髄の病態を歯髄血液SO2から予測し、臨床診断へと還元する新たな歯髄診断方法の確立を最終目的としている。SO2の算出の理論式はすでに特許を取得しているが、ヒト歯髄への臨床応用に先立ち、波長等の測定条件の設定や、測定精度の検証、理論式の妥当性の評価が必要であった。この理論式の利点は、MBLの法則の連立方程式を用いることで歯質での光減衰の項を除去できるため、個々の歯の解剖学的形態(歯髄腔の厚み、歯質の厚み)に関わらず、歯髄腔内血液濃度やSO2の測定ができることである。本研究課題の1年目は、歯髄脈波を測定可能な波長の検索を行い、等吸収波長として506nm、525nm、810nm、非等吸収波長として460nm、590nm、625nmを候補とした。2年目の研究では、ヘモグロビン濃度が05(g/dL)の範囲内において、歯髄腔内Hb濃度が予測可能であることが示唆された。しかし、酸素飽和度についてはSO2変化による透過光強度の変化は微量であり、検出が困難であることが明らかになった。臨床診断においては健全歯、外傷歯、失活歯の診断基準が必要となる。幼若永久歯の臨床測定より、歯の透過光減衰度(Optical Density)や歯髄脈波振幅の大きさは、歯髄の病態によって違いがあることが明らかになった。歯の透過光は複数の因子に影響を受けるが、本研究では健全歯を対象に歯根形成度による透過光強度の違いについて調べた結果、歯の形成と透過光強度には関係があることが明らかになった。本研究の多波長計測より、歯髄脈波測定の適性波長が明らかになり、さらに歯根形成度の歯髄脈波振幅への影響も示唆され、今後外傷歯の診断をする上で有用な情報を得ることができた。歯髄の循環系は歯の健康を維持するために大切な役割を果たしており、歯髄を失う可能性のある外傷歯においては、歯髄の生活反応を正しく診断する必要がある。これまでに歯髄光電脈波測定(TLP: Transmitted-light plethysmography)により、歯髄血液の有無による歯髄診断が可能となった。しかし、小児歯科臨床で診査の対象となる幼若永久歯の多くは歯の発育途中であり、歯の発育と歯髄脈波の関係については明らかになっていなかった。本研究では幼若永久歯と成人の被験歯を対象に歯髄脈波測定を行った結果、歯根形成度と被験者の成長発育が歯髄血流に関与していることが明らかになった。当初の予定では、歯髄腔内血液濃度の予測を終えて酸素飽和度予測の検証へ進む予定であったが、実験室の改装工事のため、血液を使用したin vitroの実験を予定通り進めることができなかった。次年度以降は酸素飽和度の予測式の検証のため、血液循環回路を用いて血液の酸素化・脱酸素化を行い、酸素飽和度測定の実験も行っていく予定である。これまでの実験により歯髄腔内血液濃度の予測ができる可能性が示されている。
歯肉線維芽細胞のダイレクトリプログラミングによる骨芽細胞の作成

歯槽骨、顎骨の欠損は患者のQOLを低下させる原因となる。近年、線維芽細胞から軟骨細胞へとダイレクトリプログラミングする手法が報告されている。そこで本研究では歯肉線維芽細胞をダイレクトリプログラミングすることで、骨芽細胞を誘導する手技の研究を行った。エレクトロポレーション法による遺伝子導入でRNUX-2、BMP-4の遺伝子発現を確認した。歯槽骨、顎骨の欠損は患者のQOLを大きく低下させる。このような患者への再生医療の応用が期待されている。近年、線維芽細胞からiPS細胞を介することなく心筋細胞へと分化させる、ダイレクトリプログラミングの手法が報告された。ダイレクトリプログラミングは腫瘍形成の可能性が低く、目的とする細胞への誘導期間が短いといった利点がある。本研究では、口腔外科医が容易に採取することが可能な歯肉線維芽細胞をダイレクトリプログラミングすることで骨芽細胞様細胞を誘導し、効果的な顎骨の再生を可能とする治療法の創出を目指している。ダイレクトリプログラミングの手法を確立するために、現在までわれわれが使用してきたヒト脂肪由来幹細胞(ADSCs)を用いた遺伝子導入法の検討を行った。誘導因子を細胞に作用させる際、従来までの技術ではレトロウイルスを用いて遺伝子を細胞に導入していた。この手法はiPS細胞誘導に適していたが、導入遺伝子が染色体の不特定な位置に組み込まれることによって宿主の遺伝子発現を乱す、導入遺伝子自体の発現が安定しない、あるいは誘導後も導入遺伝子が発現したりする問題があった。その結果、安定な誘導細胞が得られないことや、細胞が癌化しやすくなるなどの不都合が生じていた。そこで、本研究では遺伝子導入にはプラスミドを用いたエレクトロポレーション法による遺伝子導入を検討した。エレクトロポレーションによる遺伝子導入システムとしてNeon Transfection Systemを用いた。NeonによりADSCsにRUNX-2 BMP-4を導入し発現を確認した。このような患者への再生医療への応用が期待されている。本研究では、口腔外科医が容易に採取できる歯肉線維芽細胞をダイレクトリプログラミングすることで骨芽細胞様細胞を誘導し、効果的な顎骨の再生を可能とする治療法の創出を目指している。ダイレクトリプログラミングの手法を確立するために、現在までわれわれが使用してきたヒト脂肪由来幹細胞(ADSCs)を用いた遺伝子導入の検討を行った。誘導因子を細胞に作用させる際、従来までの技術ではレトロウイルスを用いて遺伝子を導入していた。この手法はiPS細胞誘導に適していたが、導入遺伝子が染色体の不特定な位置に組み込まれることによって宿主の遺伝子発現を乱し、導入遺伝子自体の発現が安定しない問題点があった。その結果、安定的に誘導細胞が得られない場合や、細胞が癌化しやすくなる問題点があった。そこで、本研究では遺伝子導入にプラスミドを用いたエレクトロポレーション法による遺伝子導入を検討した。エレクトロポレーション法による遺伝子導入システムとしてNeon Trabsfection Systemを用いた。NeonによりADSCsにRUNX-2 BMP-4を導入し遺伝子発現の確認を行った。Neonの使用法の獲得に時間を要したため実験に遅れを生じてしまった。再生医療ダイレクトリプログラミングに必要な転写因子の検討を継続して行う。また、歯肉線維芽細胞の単離培養を行い、遺伝子導入する。
ICT活用による授業の質向上および業務の効率化を目指した教員研修プログラムの開発

本研究は日本語教師を対象としたICTリテラシーの向上を目指す基礎研究である。したがって、現職の日本語教師がICT活用に関してどのような問題を抱えているかについての調査を行うことがもっとも重要となる。そこで事業初年度であるH29年度は日本語教師が授業前、授業中、授業後にどのような業務を行っているかについて詳細なデータ収集を行った。収集したデータは、日本語教師の業務に関する文字データと授業録画データの2種類である。今年度は、文字データをもとにして、ICTを活用した授業案を提案し、実際にワークショップ形式で試行を行い、日本語教師にとってどのようなICTリテラシーが必要かを検討した。その結果、現職の日本語教師にとって習得可能で導入可能なものとそうではない項目があることが明らかになった。導入が容易なものは、個人のパソコンやタブレット型端末を用いて、教室内で完結するものである。その一方、導入が難しいものの特徴は、教室の中で完結しないものであり、同僚や機関での調整が必要なものであることが本年度の調査から浮き彫りになってきた。この調査結果をもとに、今年度は、日本語教師にとって必要なICTリテラシーを選定及び難易度別に整理することを狙いとして、ワークショップを開催し、参加者からのフィードバックを収集した。H29年、30年の調査結果の研究成果として『日本語教師のためのアクション・リサーチ』として2019年5月にくろしお出版から刊行が決まっている。本研究は、日本語教師のICTリテラシー向上に寄与することを目標とした研究である。したがって現状の日本語教師がどのような状況に置かれているかを正確に把握する必要性がある。そのため、H29年度は、A日本語学校に協力してもらい、業務項目一覧の作成と授業録画を実施した。このデータをもとに、H30年度は、日本語教師にとって習得しやすいICTリテラシーと習得しにくいものを精査し、実際にワークショップ形式で教師研修を行い、現職日本語教師からのフィードバックを収集した。加えて、ロンドン大学での聞き取り調査を実施し、欧州でのICTリテラシー教育についての知見を収集した。これらの調査結果は、書籍やシンポジウムで社会へと還元され、最終年度に完成予定の「日本語教師のためのICTリテラシーCan-Do-Statements」開発に生かされる。本研究の最終年度であるH31年度には「日本語教師のためのICTリテラシーCan-Do-Statements」の開発に時間を費やす。盛り込まれる項目は、H29、30年度に収集したデータ及びロンドン大学への聞き取り調査、国際交流基金からの助言をもとに精査する予定である。並行して、Can-Do-Statementsに盛り込む項目の難易度をどのように設定するかを今年度は検討し、Can-Do-Statementsをもとにしたオフライン研修を実施し、項目の確認、難易度に基づいた提示順を検討する。最終的には、日本語教師がICTリテラシーを習得していく過程で、どのような支援が必要か、すなわち、どのような研修デザインが現在の日本語教師にとって望ましいかを提言する。したがって、現在の日本語教師がICT活用に関してどのような問題を抱えているかについての調査を行うことがもっとも重要となる。そこで事業初年度は日本語教師が授業前、授業中、授業後にどのような業務を行っているかについて詳細なデータ収集を行った。文字データ収集の対象者はA日本語学校で働く日本語教師15名であり、日本語教師が扱う業務全般について自由に記入してもらった。その結果、授業前の業務項目は17項目、授業中の業務項目は17項目、授業後の業務項目が17項目となった。また、どれにも当てはまらない業務が19項目挙げられた。さらにコーディネート業務は35項目、学校運営業務は24項目抽出された。これらの結果を概観した結果、日本語教師の業務は非常に多岐に渡っていることが明らかになり、労働時間に対しての業務量が多すぎる結果が示唆された。また得られたデータから「教えること」以外の業務が多いことが観察されたことから、ICTを活用して業務軽減をすることが必須であることが示された。授業録画データの対象者は、A日本語で日本語を教える教師7名であり、それぞれの教師から23つの授業提供を受けて合計で15コマ分の授業録画データを収集した。クラスは初級から上級まで、スキル別で、教師の教育歴は1年29年と幅を持たせた。文字データは定性データ分析ソフトNvivoでカテゴリーに分けて、どの項目がICT化した方が良いのか、または、ICTすべきではないかについて精査していく。授業録画データは、授業活動別で分類分けをし、これらもICTすべきものとすべきではないものに分類する予定である。そのため、A日本語学校に協力してもらい、業務項目一覧の作成と授業録画を実施した。これらは、すべて初年度に計画されていたものであるため、目標は達成できたと言える。他方、日本語教師に向けたICT活用状況に関する量的な調査は準備中である。この点のみ遅れていると言わざるを得ないが、調査を実施するためのプラットフォームは構築済みなので、業務項目一覧と授業録画から質問項目を作成すればWeb調査が可能となり、次の段階へと進める。

そこで事業初年度であるH29年度は日本語教師が授業前、授業中、授業後にどのような業務を行っているかについて詳細なデータ収集を行った。収集したデータは、日本語教師の業務に関する文字データと授業録画データの2種類である。今年度は、文字データをもとにして、ICTを活用した授業案を提案し、実際にワークショップ形式で試行を行い、日本語教師にとってどのようなICTリテラシーが必要かを検討した。その結果、現職の日本語教師にとって習得可能で導入可能なものとそうではない項目があることが明らかになった。導入が容易なものは、個人のパソコンやタブレット型端末を用いて、教室内で完結するものである。その一方、導入が難しいものの特徴は、教室の中で完結しないものであり、同僚や機関での調整が必要なものであることが本年度の調査から浮き彫りになってきた。この調査結果をもとに、今年度は、日本語教師にとって必要なICTリテラシーを選定及び難易度別に整理することを狙いとして、ワークショップを開催し、参加者からのフィードバックを収集した。H29年、30年の調査結果の研究成果として『日本語教師のためのアクション・リサーチ』として2019年5月にくろしお出版から刊行が決まっている。本研究は、日本語教師のICTリテラシー向上に寄与することを目標とした研究である。したがって現状の日本語教師がどのような状況に置かれているかを正確に把握する必要性がある。そのため、H29年度は、A日本語学校に協力してもらい、業務項目一覧の作成と授業録画を実施した。このデータをもとに、H30年度は、日本語教師にとって習得しやすいICTリテラシーと習得しにくいものを精査し、実際にワークショップ形式で教師研修を行い、現職日本語教師からのフィードバックを収集した。加えて、ロンドン大学での聞き取り調査を実施し、欧州でのICTリテラシー教育についての知見を収集した。これらの調査結果は、書籍やシンポジウムで社会へと還元され、最終年度に完成予定の「日本語教師のためのICTリテラシーCan-Do-Statements」開発に生かされる。基礎データの収集が終了したので次の段階として、データ分析を行う。これによりWebでの量的調査が可能となる。ついで、既存の業務・授業活動で何をICT化すべきかについての提案を行い、実際に日本語教師に取り入れてもらう。取り入れた結果、どのような効果が出たのか、どの程度労力がかかるのか、導入の難易度はどれぐらいか、について聞き取り調査を行い、30年度末には日本語教師のためのICTリテラシーCan-Do-Statementsのパイロット版の開発を行う予定である。本研究の最終年度であるH31年度には「日本語教師のためのICTリテラシーCan-Do-Statements」の開発に時間を費やす。
皮膚バリアの改善をめざす表皮バリアの3次元微細構造解析

表皮バリア機能の維持において必須の小器官である、層板顆粒の3次元微細構造を、ヒト頭皮皮膚をもちいて、focused ion beam scanning electron microscopy法により明らかにした(Yamanishi H, et al. J Invest Dermatol, 2019, 139(2):352-359)。すなわち、表皮顆粒層の上から3層目においては層板顆粒は細胞内で独立した小胞として存在するが、2層目になると網状構造に変化し、1層目ではほとんどが頂側の細胞膜と連続し、内容物を分泌していた。また表皮顆粒層の細胞ではトランスゴルジネットワークが広く網状に発達しており、ここから層板顆粒が形成されることが示された。この結果は、層板顆粒はトランスゴルジネットワークから連続性に細胞外領域へとつながる一連の構造であるとする以前の別の施設からの報告とは大きく異なっていた。現在、我々はこの成果をふまえ、層板顆粒の輸送に関連する分子の発現を抑制あるいは促進したときの影響を3次元培養皮膚をもちいて検討するための予備実験を行っている。我々はまた、皮膚バリア機能の維持において必須の構造であるタイトジャンクションの3次元微細構造についても検討を開始した。すなわち、backscattered electron-mode scanning electron microscopyを使ったarray tomography法をもちいて正常ヒト表皮のタイトジャンクションの分布を調べ、タイトジャンクションは表皮の顆粒細胞層において1層目から3層目にわたって広く存在するという予備的な結果を得たので2019年5月8日から米国シカゴ市で開催される第77回年次大会において発表予定である。層板顆粒の3次元微細構造を学術雑誌に投稿し、受理、公開された。我々の論文の画像は雑誌の表紙に採用された。タイトジャンクションの3次元構造についても予備的な結果を学会にて発表予定である。培養皮膚モデルを用いた実験は条件設定を行っている段階である。タイトジャンクションの3次元構造の解析を継続する。培養皮膚モデルにおいて層板顆粒の輸送を調節する遺伝子の発現の操作についてさらなる予備実験を継続する。さらに、表皮角化細胞内のいくつかの細胞内小器官に着目し、それらの相互関係について検討した。すなわち、層板顆粒、ゴルジ体、トランスゴルジネットワーク、コルネオデスモソームの位置関係を明らかにすることができた。その結果、表皮顆粒細胞の表層から第2層目において層板顆粒が小胞構造から網状構造に劇的に変化することが明らかとなった。また表皮角化細胞内のトランスゴルジネットワークが細胞質に広がり層板顆粒と連続していることも明らかになった。FIB-SEM法を用いて、正常ヒト皮膚の表皮の3次元微細構造を良好にとらえる方法を確立し、実際の画像の取得に成功している。2018年度は5月に米国オーランドで開催されるInternational Investigative DermatologyMeetingにおいて研究成果を発表し、当該領域の専門家の意見をうかがい、それを参考にしてさらに研究を進め、論文発表を目指す予定である。また、培養皮膚モデルを用いて、層板顆粒の輸送に関連すると考えられている分子の発現をノックダウンしたときの表皮のFIB-SEM3次元構造の変化を検討する予定である。2018年度始めの国際学会出張にあてる費用の出費に備えるため。次年度の学会発表への旅費、論文執筆にかかる英文校正料にあてるため。
冷却フェルミ原子気体に対する量子気体顕微鏡を利用したｄ波超伝導状態の実現

本研究は、2次元正方光格子中に捕捉された冷却フェルミ原子気体を対象として、d波超伝導状態を実現することを目的としていた。d波超伝導状態を実現するためには、超交換相互作用で特徴付けられるNeel温度に比べ、原子気体の温度を桁で下げる必要がある。具体的にはnKあるいはpKといった極低温が要求される。光格子中で発現する量子相の中には、エントロピーが空間的な分布をもつMott絶縁体相と呼ばれるものがある。高いエントロピーをもつ原子を選択的に排除した後、系を熱平衡化すれば、上記したような極限的な冷却が原理的には可能となる。本研究では、光格子中の原子をサイト分解して観測できる「量子気体顕微鏡」を使って、Mott絶縁体相を観測するとともに、高いエントロピーを有する原子を選択的に排除することを計画した。研究を開始した当初、我々は光格子中に捕捉されたイッテルビウム(Yb)原子を、サイト分解して観測することには成功していたが、強相関物性現象を誘起し、これを顕微観測するには至っていなかった。2年間の研究期間を通し、我々は174Yb(ボソン)を対象としてMott絶縁体相を誘起し、その特徴的な空間構造であるMott shellを量子気体顕微鏡を用いて捉えることに世界で初めて成功した。さらに173Yb(フェルミオン)をT/TF0.15程度のフェルミ縮退領域にまで冷却し(Tは系の温度、TFはフェルミ温度)、これを光格子中に導入することで、同じくMott絶縁体相を誘起し、Mott shellを観測することに成功した。上記した成果は目的とするd波超伝導相を発現・観測する上で重要なマイルストーンとなるものである。29年度が最終年度であるため、記入しない。本研究は、光格子中にトラップされた極低温のイッテルビウム(Yb)原子気体を対象として、銅酸化物高温超伝導体のモデルとされる2次元Fermi-Hubbard模型を量子的にシミュレートし、d波超伝導相を発現・観測することを目的としている。d波超伝導相を発現するためには、原子1個あたりのエントロピーを、反強磁性相のそれ(0.35kB)に比べて十分に下げる必要がある。最近になって我々が開発したYb量子気体顕微鏡は、光格子中の各サイトを分解して原子を観測することが出来る。最初にMott絶縁体相を誘起し、周縁部に存在する高いエントロピーを有する原子を、この顕微鏡を利用して排除すれば、系の温度を低下させることが可能となる(フィルタリング冷却)。この方法で反強磁性相を生成した後、系のドーピングを調整することで、d波超伝導相を誘起することを計画している。今年度、我々は、174Yb原子(ボソン)を2次元光格子に導入し、Mott絶縁体相を誘起するとともに、Mott shellと呼ばれる特徴的な空間構造を顕微観測することに成功した。系の温度は数100pK、原子1個あたりのエントロピーは0.3kB程度であった。ボソンを対象としたMott絶縁体相の観測に成功したため、我々は173Yb(フェルミオン)を対象とした実験を開始することにした。まず光トラップ中で173Yb原子気体を蒸発冷却させ、T/TF0.2という値を得た(TF:フェルミ温度)。フェルミ縮退領域に至った173Yb原子気体を光格子に導入し、量子気体顕微鏡で観測をしたところ、Mott絶縁体相と思われる特徴的な空間構造をとらえる予備実験に成功した。本研究の目的は、Yb原子気体を2次元光格子中で超低温度にし、d波超伝導相を観測することにある。本研究がスタートする前、既に我々は2次元光格子中に捕捉されたYb原子を、サイトを分解して観測する実験に成功していた。しかし、フィルタリング冷却を行うために必要なMott絶縁体相を観測することには成功していなかった。Mott絶縁体相を観測するためには、系の温度がオンサイト相互作用に比べて十分小さい必要があるが、これはT<<6nKというかなり厳しい条件に相当する。光格子を構成するレーザーの周波数雑音、強度雑音、さらに蒸発冷却を行うための各種光学系等を一からみなおすことで、最終的に数100pKという超低温度を実現し、Mott絶縁体相を観測することに成功した。この実験はボソンを対象として行われたが、すでにフェルミオンを対象とした同様の実験が機能しつつある。そもそも量子気体顕微鏡には高度な技術が要求されるため、同じ原子種であっても、同位体を変更することで顕微鏡が機能しなくなる可能性が十分にある。今回、ボソン、フェルミオン双方に対して量子気体顕微鏡が機能することを確認できた点も、大きな進展だといえる。僅か1年で、研究目的を達成する上で基盤となる技術に見通しがたったことは大きな成果だといえるだろう。

高いエントロピーをもつ原子を選択的に排除した後、系を熱平衡化すれば、上記したような極限的な冷却が原理的には可能となる。本研究では、光格子中の原子をサイト分解して観測できる「量子気体顕微鏡」を使って、Mott絶縁体相を観測するとともに、高いエントロピーを有する原子を選択的に排除することを計画した。研究を開始した当初、我々は光格子中に捕捉されたイッテルビウム(Yb)原子を、サイト分解して観測することには成功していたが、強相関物性現象を誘起し、これを顕微観測するには至っていなかった。2年間の研究期間を通し、我々は174Yb(ボソン)を対象としてMott絶縁体相を誘起し、その特徴的な空間構造であるMott shellを量子気体顕微鏡を用いて捉えることに世界で初めて成功した。さらに173Yb(フェルミオン)をT/TF0.15程度のフェルミ縮退領域にまで冷却し(Tは系の温度、TFはフェルミ温度)、これを光格子中に導入することで、同じくMott絶縁体相を誘起し、Mott shellを観測することに成功した。上記した成果は目的とするd波超伝導相を発現・観測する上で重要なマイルストーンとなるものである。173Yb原子の核スピンはI=5/2であるため、フェルミ縮退に至った原子気体はSU(6)系をなす。我々が目指す2次元Fermi-Hubbard模型の量子シミュレーションは、SU(2)系を対象としているため、まず6つのスピン成分を、光ポンピングによって2成分にする実験からはじめる。適切な磁場を印加した状態で、1S0-3P1遷移に対応するπ偏光のレーザー光を照射することで、原子をm=±5/2の磁気サブレベルに光ポンピングし、SU(2)系を生成する。SU(2)系を対象として蒸発冷却を行い、フェルミ縮退領域に至った原子気体を準備した後、これを光格子に導入し、Mott絶縁体相を誘起する。詳細は割愛するが、デジタルミラーデバイス(DMD)、および1S0-3P2超狭線幅光学遷移を利用し、Mott絶縁体相の周縁部に存在するエントロピーの高い原子を選択的に排除する。我々の量子気体顕微鏡は、原子がもつスピンを読み取ることが出来ないため、フィルタリング冷却によって系が反強磁性相に移行したことを、次の方法を使って確認する。まず、10G程度の磁場を印加することで、1S0-3P1光学遷移に、スピンに応じたゼーマンシフトを誘起する。次に、片方のスピンに共鳴するレーザー光を照射することで、対応するスピンをもつ原子を光格子から排除する。Mott絶縁体相が誘起された時点で、各サイトの占有数は1になっているため、量子気体顕微鏡を使って各サイトにおける原子の有無を観測すれば、スピンの空間分布を得ることが出来る。反強磁性相を確認した後、DMDを用いてポテンシャル形状を操作し、系のドーピングを制御することで、d波超伝導相の発現を目指す。29年度が最終年度であるため、記入しない。
fyn遺伝子欠損マウス精巣に見られる形態異常とFynチロシンキナーゼ機能の解析

1.fyn遺伝子欠損マウスの精巣には、ectoplasmic specialization(ES)と呼ばれる、セルトリ細胞特有の接着装置に微細形態的な異常が見られた。その異常は、生後発達過程においてfyn遺伝子欠損マウス精巣が多くの変性した生殖細胞を生じる生後3週齢において、とくに多く見られることがわかった。また、ESにはFyn蛋白やチロシンリン酸化蛋白も多く局在することが免疫組織化学により示された。従ってFynがセルトリ細胞のESにおいて何らかの機能を果たしていることが考えられる。2.精巣抽出蛋白質をTriton X-100可溶及び不溶分画に分け、Western blottingを行った結果、不溶分画において約80kDaの蛋白(P80)が野生型マウス精巣では強くリン酸化されているが、fyn遺伝子欠損マウス精巣では特異的にリン酸化が低下していることがわかった。Fyn蛋白はこの不溶分画に存在するので、P80がFynチロシンキナーゼの標的で、セルトリ細胞内情報伝達を介して生殖細胞の生存・分化に関与しているのかもしれない。3.セルトリ細胞由来の細胞株であるTM4を免疫組織化学的に調べたところ、TM4はFyn蛋白を発現していることがわかった。また二次元Western blot法を用いて調べた結果、diethylstilbestrol(DES)を始めとするいわゆる内分泌撹乱化学物質を処理した場合、特定の蛋白のチロシンリン酸化が亢進していた。チロシンキナーゼであるFynとの関連が示唆される。ESにはFyn蛋白も多く局在することから、Fynが生殖細胞の生存に何らかの影響を及ぼしていることが考えられる。2.精巣の細胞骨格蛋白のWestern blottingを行った結果、約80kDaの蛋白(P80)が野生型マウス精巣では強くリン酸化されているが、fyn遺伝子欠損マウス精巣では特異的にリン酸化が低下していることを見いだした。この蛋白はFynチロシンキナーゼの標的で、セルトリ細胞内情報伝達を介して生殖細胞の生存・分化に関与する可能性が高い。そこで、P80について二次元電気泳動で調べたところ、酸性よりの蛋白質であることがわかった。微量の蛋白であるが、今後、アミノ酸解析を行い、P80のキャラクタライズを進めていく。3.セルトリ細胞由来の細胞株であるTM4を免疫組織化学的に調べたところ、TM4細胞はFyn蛋白を発現していることがわかった。また二次元電気泳動法を用いて、TM4の構成蛋白ならびに蛋白のチロシンリン酸化パターンを調べたところ、diethylstilbestrol(DES)処理によって差異が生じることがわかった。チロシンキナーゼであるFynとの関連について、さらに調べていきたい。1.fyn遺伝子欠損マウスと野生型マウスの3週齢精巣の精細管の直径を比較した。その結果、fyn遺伝子欠損マウス精巣では113±13μm、野生型では123±13μmで、fyn遺伝子欠損マウス精巣の精細管径が有意に減少していた。また、精巣重量について調べたところ、3週齢および4週齢では野生型マウス精巣に較べて有意に減少していたが、成熟精巣では有意差が見られなくなった。2.fyn遺伝子欠損マウスの精巣には、ectoplasmic specialization(ES)と呼ばれる、セルトリ細胞特有の接着装置に微細形態的な異常、すなわちアクチン細糸層における異常な小胞が見られる。その異常について計測するため、電顕標本を作製した。生後3週齢精巣では観察したESのうち66%(119/180)、成熟精巣では33%(48/145)が異常なESであった。

また異常な小胞の数は3週齢に較べ成熟精巣で減少していた。3.抗リン酸化チロシン抗体を用いて、野生型マウス精巣を免疫染色したところ、ESの存在する部位近辺に特に強い反応が見られた。fyn遺伝子欠損マウス精巣では、この免疫染色反応が弱かった。ESにはFyn蛋白も多く局在することから、FynがESにおいて何らかの作用を及ぼしていることが考えられる。4.セルトリ細胞株TM4はFyn蛋白を発現している。そこでTM4を用いて二次元Western blot法により調べたところ、diethylstilbestrol(DES)を始めとするいわゆる内分泌攪乱化学物質を処理した場合、特定の蛋白のチロシンリン酸化が亢進することがわかった。チロシンキナーゼであるFynとの関連が示唆される。
人工筋肉によるバイオミメティックス型流力制御と波・流れエネルギー利用技術の開発

本研究では,波力,潮力,潮汐力,風力等の自然エネルギーを高効率で回収することが可能な弾性圧電デバイスの考案・開発を行い,その基本特性を明らかにした.特に,波浪外力によってしなやかに変形し,高効率な電気エネルギー変換が見込まれる弾性圧電デバイスの開発を行い,従来型の波力発電方式とは全く異なるタイプの波エネルギー利用技術の確立を行った.また,現在開発が進められている洋上風力発電システムの浮体部および水面下に,この弾性圧電デバイスを適用し,海洋エネルギーを効率的に利用可能な技術開発を行った.特に,波・流れ作用下における弾性圧電デバイスのさらなる汎用化,実用化,低コスト化に向けて,デバイスの構造様式やサイズ・形状を種々変化させ,発電性能を検証した.加えて,波・流れエネルギーに適合したデバイス開発の設計指針を得た.さらに,既存の直立防波堤,潜堤(リーフ)・没水平板などの消波構造物に,上述の弾性圧電デバイスを貼り合わせた全く新しいタイプの波浪発電方式を提案・開発し,その発電性能を検証した.本研究では,波力,潮力,潮汐力,風力等の自然エネルギーを高効率で回収することが可能な弾性圧電デバイスの考案・開発を行い,その基本特性を明らかにした.特に,波浪外力によってしなやかに変形し,高効率な電気エネルギー変換が見込まれる弾性圧電デバイスの開発を行い,従来型の波力発電方式とは全く異なるタイプの波エネルギー利用技術の確立を行った.また,現在開発が進められている洋上風力発電システムの浮体部および水面下に,この弾性圧電デバイスを適用し,海洋エネルギーを効率的に利用可能な技術開発を行った.特に,波・流れ作用下における弾性圧電デバイスのさらなる汎用化,実用化,低コスト化に向けて,デバイスの構造様式やサイズ・形状を種々変化させ,発電性能を検証した.加えて,波・流れエネルギーに適合したデバイス開発の設計指針を得た.さらに,既存の直立防波堤,潜堤(リーフ)・没水平板などの消波構造物に,上述の弾性圧電デバイスを貼り合わせた全く新しいタイプの波浪発電方式を提案・開発し,その発電性能を検証した.本研究の全体構想は,海岸・海洋に存在する波・流れエネルギーを利用して,バイオミメティックス型流力制御と,これに基づくエネルギー発電技術を開発することである.当初の予定では,人工筋肉を購入する予定であったが,購入先の企業が販売中止となってしまったため,研究の方法および購入物品を変更せざるを得なくなった.このような理由から,圧電フィルムを基盤とした独自の発電デバイスを開発することとなった.本年度は,圧電素材を用いた弾性圧電デバイスを独自開発し,以下のような研究成果を得た.1)波浪,潮流による弾性圧電デバイスの変形特性に関する実験(1)まず始めに,シリコンシート,圧電フィルム,天然ゴムを積層化した弾性薄型圧電デバイスを試作し,材料試験を行い,曲げ,伸縮,せん断による材料変形特性を明らかにした.(2)次に,一様流速を変化させることが可能な回流水槽を用いて,種々の流れ作用下における弾性圧電デバイスの変形特性を明らかにするとともに,発生した電力量を計測した.また,高速ビデオカメラによって材料変形を撮影し, PIV解析によって,曲率を求め,ひずみを推定することが可能となった.(3)次に,任意の一様波列を発生させることが可能な波浪水槽を用いて,波作用下における弾性圧電デバイスの変形特性を明らかにするとともに,起電力量の特性を調べた.(2)波・流れと人工筋肉との強連成シミュレーション技法の開発(1)で示した実験と同時並行で,波・流れと人工筋肉(弾性体)との強連成シミュレーションを実施し,実験や観測では得ることが困難な3次元非定常流体力や流れ場,さらには,人工筋肉内の3次元的なひずみ分布や応力分布を算定した.なお,この計算技法は,従来のEuler型とLagrange型のシミュレーション技法における利点と欠点を相互に補完した全く新しいタイプの計算技法である.本研究で行う波・流れと人工筋肉の強連成シミュレーションは,既存の商用コードでは解析不可能であるため,前述のような新たな計算技法の開発が必要となった.近年,発電効率と機械的運動特性に優れた柔軟素材を用いて,人工筋肉によるEPAM発電,圧電素材を利用した発電など,新しいタイプの発電技術が注目を集めている.これらの発電技術は,現在主流のタービン型に比べて,発電コスト,建設コスト,設置条件,維持管理コスト,異常外力に対する破損等の面で,大幅な改善が期待される.以上の背景を踏まえ,著者らは,大気(特に,市街区の風力),海洋(波力,潮汐力,潮流力),河川等の流れエネルギーを高効率で回収することが可能な振動型発電技術の開発を進めてきた.具体的には,超薄膜・柔軟素材である圧電フォルムを基盤とした「弾性圧電デバイス」を開発した.大気・海洋・河川における一様流れ,渦,波エネルギーの作用によって,この弾性圧電デバイスは,曲げ,せん断,ゆらぎ,蛇行,はためき,らせん運動等の弾性運動をし,電気エネルギーを発生させることが可能である.著者らの研究において,この弾性圧電デバイスの材料特性,運動特性および発電特性を検証し,その有用性を明らかにした.また,実用化を見据えた設計ツールとして,発電シミュレーションコードおよび画像解析手法を開発し,その有用性を確認した.さらに,蓄電化にも成功し,特許出願を行うに至った.今後,実用化に向けた設計指針と発電デバイスの最適形状について,明らかにしていく予定である.さらに,洋上風力発電システムとのハイブリッド化に向けた実用設計を行う予定である.