hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
頸部電気インピーダンスを用いた嚥下活動評価法の開発に関する研究

嚥下障害は高齢者人口の増加に伴い、近年注目され始めたが診断方法等に関しては十分とは言い難い。生体電気インピーダンスは無侵襲的な生体計測法として広く利用されているものであるが、本研究では、頸部電気インピーダンスを用いた新しい計測法としてインピーダンス咽頭図(Impedance Pharyngography,以下IPGと略す)を提案した。本法の簡便であるという特徴はこれからの医療に適するものであると信じる。新たにIPGを提案するに際して、IPGの基本的な計測システムを確立し、IPG波形の生成機序の解明、波形の特徴と分類、嚥下障害者の波形の特徴解析、IPGを用いた診断法の指針、さらにIPGを利用した嚥下機能回復訓練の試みなどを行った。すなわち、1.多チャンネルインピーダンス咽頭図(IPG)計測システムの構築(a)多チャンネルIPGのためのインピーダンス測定装置の製作、(b)計測装置とデータレコーダおよびパソコンからなる計測システムの構築2. IPG波形の生成機序の解明。IPG波形の各点がそれらのどこに対応しているか、それぞれの波形の違いの原因について、IPGとX線検査との同時測定やリハビリテーション専門医の意見などを参考に検討を行った。3.嚥下障害者のIPG波形の解析。大学付属病院の協力を得て、高齢者や嚥下障害者のIPG波形の測定およびX線透視検査を行い、健常者の波形と比較しながら波形の解析を行った。4.嚥下障害のIPG波形に及ぼす影響について検討を行った。5. IPG評価パラメータの決定。嚥下動作を評価するために適するパラメータを決定し、そのためのプログラムを完成させた。6. IPGの応用として、バイオフィードバックを用いた嚥下のトレーニングを試みて、嚥下障害の新しい治療法についてその可能性を検討した。高齢化社会を迎え嚥下動作に支障を訴えるひとが増えてきている。この嚥下障害が診断する新しい方法として、頚部電気インピーダンスを用いたインピーダンス咽頭図(IPGと略す)を提案した。本法の特徴はつぎの通りである。(1)測定が容易で被測定者の負担も少ない。(2)無侵襲的な計測法であり繰り返し測定することができる。(3)結果が波形または時系列的な数値データとして得られるため、直感的、かつ、定量的な診断に適する。本年度は、1.IPG計測システムに関して多チャンネル計測システムを製作した。これは各種の同時測定や分割測定を可能にし、IPGを用いて嚥下活動の評価を行う場合、信頼性の向上と診断根拠の確立に有用である。2.計測システムにおける基本ソフトウエアを作成した。これはつぎのプログラムより構成される。(1)IPGデータ集録プログラム、(2)IPGデータ予備処理プログラム、(3)IPGデータ保存格納プログラム、(4)IPG波形解析及び特徴抽出プログラム、(5)自動化計測システムのためのプログラム3.健常者のIPG波形の特徴と分類。IPGは嚥下における微妙な違いを反映するものであることは明らかになっているが、多くの健常者についてIPGの測定を行い、IPGにおける各きょく波の大きさ、間隔、それらの相対的な関係について種々の検討を行った。また、食塊の種類による波形の特徴についても調べた。4.IPG波形の生成機序の解明。嚥下動作は口腔期、咽頭期、食道期に分けることができる。

これらがIPG波形のどこに対応するか、波形の違いが各動作の何の違いによるものについて、同時測定や分割測定を用いて検討したが、この点に関しては引き続きIPGとX線透視検査との並列測定や専門家の意見などを参考に解明していきたい。高齢化社会を迎え嚥下動作に支障を訴えるひとが増えてきている。この嚥下障害を診断する新しい方法として、頚部電気インピーダンスを用いたインピーダンス咽頭図(IPGと略す)を提案した。本法の特徴はつぎの通りである。(1)測定が容易で被測定者の負担も少ない。(2)無侵襲的な計測法であり繰り返し測定することができる。(3)結果が波形または時系列的な数値データとして得られるため、直感的、かつ、定量的な診断に適する。本年度は、1.IPG計測システムに関して多チャンネル計測システムを製作した。これは各種の同時測定や分割測定を可能にし、IPGを用いて嚥下活動の評価を行う場合,信頼性の向上と診断根拠の確立に有用である。2.計測システムにおける基本ソフトウエアを作成した。これはつぎのプログラムより構成される(1)IPGデータ集録プログラム、(2)IPGデータ予備処理プログラム、(3)IPGデータ保存格納プログラム、(4)IPG波形解析及び特徴抽出プログラム、(5)自動化計測システムのためのプログラム3.健常者のIPG波形の特徴と分類。IPGは嚥下における微妙な違いを反映するものであることは明らかになっているが、多くの健常者についてIPGの測定を行い、IPGにおける各きょく波の大きさ、間隔、それらの相対的な関係について種々の検討を行った。また、食塊の種類による波形の特徴についても調べた。4.IPG波形の生成機序の解明。嚥下動作は口腔期、咽頭期、食道期に分けることができる。これらがIPG波形のどこに対応するか、波形の違いが各動作の何の違いによるものかについて、同時測定や分割測定を用いて検討したが、この点に関しては引き続きIPGとX線透視検査との並列測定や専門家の意見などを参考に解明していきたい。
立体形状部全面における全方向傷の高感度な探傷システムの確立と傷の高精度サイジング

機械部品や各種構造物における複雑形状部ではその形状から探傷が困難となる。さらに、応力集中により傷の発生率も高く、現状の非破壊検査において早急に解決すべき課題である。また、高感度に傷を検出できることに加えて、その傷が破壊に与える影響の程度を判定するため、傷形状を正確にサイジングする技術の確立も、重要な課題の一つになっている。本研究では、運輸機械などで使用される複雑で立体的な形状をした機械部品(強磁性体)を具体的な検査対象材とし、立体形状部に存在する全方向傷の高感度探傷システムの開発を検討した。さらに、探傷結果から傷の形状を正確に定量的評価する手法の確立も検討した。機械部品や各種構造物は、立体的で複雑な形状をしていることが一般的であり、その非破壊検査は難しい。一方、複雑形状部では応力集中により傷の発生率が高く、危険な因子を抱えた箇所を十分な精度で探傷できない可能性があり、現状の非破壊検査において早急に解決すべき課題である。そこで本研究では、運輸機械などで使用される複雑で立体的な形状をした機械部品(強磁性体)を具体的な検査対象材とし、立体形状部に存在する全方向傷の高感度探傷システムの開発を検討した。以下の3項目の研究内容に取り組んだ。1.広範囲に3次元回転磁界を発生する磁化システムの開発...立体形状の被検査体全面且つ全方向に均一な回転磁界を発生する磁化システムの開発に取り組んだ。2.磁粉探傷試験による極微小傷の定量的評価手法の開発...幅および深さが数十μm程度の極微小傷を磁粉探傷試験により検出し、その試験結果を基に傷形状を定量的に評価する手法の確立を検討した。3.渦電流探傷試験による複雑傷の定量的評価手法の開発...複雑な形状の自然傷を正確に定量的評価するため、渦電流探傷試験による強磁性体の探傷システムの開発と定量的評価手法を検討した。「1.広範囲に3次元回転磁界を発生する磁化システムの開発」については、実機を用いて3次元回転磁界を発生させ、空間の各測定箇所における磁束密度の3方向成分(x,y,z成分)を測定することで、発生する磁界の強度と方向を確認した。さらに、数値解析によるシミュレーション結果との比較により、その実験データの妥当性も確認できた。「2.磁粉探傷試験による極微小傷の定量的評価手法の開発」については、傷形状の違いによる傷への磁粉付着量の変化に関して、高速度カメラを用いた動画像計測により測定した。傷への付着磁粉の幅と高さの測定結果および磁粉幅と高さのアスペクト比を用いることにより、傷の幅と深さを定量的に評価する手法が確立できつつある。「3.渦電流探傷試験による複雑傷の定量的評価手法の開発」については、全方向の傷を一度の試験で検出可能な回転渦電流を用いたマルチプローブの開発を行った。また、強磁性体における極微小傷を高感度に探傷できるプローブの設計・作製を行った。開発したプローブにより深さ数十μmの極微小傷の検出が可能であることを確認した。1.広範囲に3次元回転磁界を発生する磁化システムの開発・・・立体形状の被検査体全面且つ全方向に均一な回転磁界を発生する磁化システムの開発に取り組んだ。有限要素法による数値解析を実施し、試験体の全面で且つ全方向に磁化が可能な条件を評価した。立体形状試験体を作製し、磁粉探傷試験の実証試験を実施した。2.磁粉探傷試験による極微小傷の定量的評価手法の開発・・・高速度カメラを用いて傷に付着する磁粉模様を観測し、その試験結果を基に傷形状を定量的に評価する手法の確立を検討した。3.渦電流探傷試験による複雑傷の定量的評価手法の開発・・・傷を正確に定量的評価するため、探傷結果より傷形状の推定に有利な特徴を持つプローブの開発を検討した。1.広範囲に3次元回転磁界を発生する磁化システムの開発・・・立方体形状の試験体の磁粉探傷試験を想定し、試験体の全面で且つ全方向に磁化が可能な条件を、有限要素法を用いた数値解析により評価した。

磁化器と試験体の相対サイズに最適値があることが確認された。さらに、磁粉探傷試験の実証試験を実施するため、立体形状試験体を作製し、試験体に深さの異なる傷を放電加工した。磁粉探傷試験結果の付着磁粉模様と数値解析で得られた試験体内の磁束密度分布に相関関係があることが確認された。2.磁粉探傷試験による極微小傷の定量的評価手法の開発・・・高速度カメラを用いて傷に付着する磁粉模様の幅と高さをそれぞれ評価した。付着磁粉の幅と高さの測定結果および磁粉幅と高さのアスペクト比を用いることにより、傷の形状を定量的評価する手法を確立できた。3.渦電流探傷試験による複雑傷の定量的評価手法の開発・・・強磁性体における極微小傷を高感度に探傷するため、試験体の直流および交流磁界による磁化の違いを評価した。直流と交流では傷周りの磁化分布(磁束密度分布)が異なり、これにより同じ傷であっても探傷結果が異なることを確認した。探傷結果より傷形状の推定に有利な特徴を持つプローブについても開発できた。機械部品や各種構造物は、立体的で複雑な形状をしていることが一般的であり、その非破壊検査は難しい。一方、複雑形状部では応力集中により傷の発生率が高く、危険な因子を抱えた箇所を十分な精度で探傷できない可能性があり、現状の非破壊検査において早急に解決すべき課題である。また、高感度に傷を検出できることに加えて、その傷が破壊に与える影響の程度を判定するため、傷形状を正確にサイジングする技術の確立も、重要な課題の一つになっている。そこで本研究では、運輸機械などで使用される複雑で立体的な形状をした機械部品(強磁性体)を具体的な検査対象材とし、立体形状部に存在する全方向傷の高感度探傷システムの開発を検討した。さらに、探傷結果から傷の形状を正確に定量的評価する手法の確立も検討した。以下の3項目の研究内容に取り組んだ。1.広範囲に3次元回転磁界を発生する磁化システムの開発・・・立体形状の被検査体全面且つ全方向に均一な回転磁界を発生する磁化システムの開発に取り組んだ。有限要素法による数値解析を実施し、試験体の全面で且つ全方向に磁化が可能な条件を評価した。立体形状試験体を作製し、磁粉探傷試験の実証試験を実施した。2.磁粉探傷試験による極微小傷の定量的評価手法の開発・・・高速度カメラを用いて傷に付着する磁粉模様を観測し、その試験結果を基に傷形状を定量的に評価する手法の確立を検討した。3.渦電流探傷試験による複雑傷の定量的評価手法の開発・・・傷を正確に定量的評価するため、探傷結果より傷形状の推定に有利な特徴を持つプローブの開発を検討した。機械部品や各種構造物における複雑形状部ではその形状から探傷が困難となる。さらに、応力集中により傷の発生率も高く、現状の非破壊検査において早急に解決すべき課題である。本研究では、運輸機械などで使用される複雑で立体的な形状をした機械部品(強磁性体)を具体的な検査対象材とし、立体形状部に存在する全方向傷の高感度探傷システムの開発を検討した。交付申請書に記載した「研究の目的」、「研究実施計画」に即して、次年度以降の研究を推進する。具体的な推進方策を以下に示す。「1.広範囲に3次元回転磁界を発生する磁化システムの開発」については、立体形状の試験体を作製し、試験体表面における磁束密度の確認を実験および数値解析により行う。
感温性高分子ゲル吸着剤を用いた液中ナノ粒子の高度分離・回収・再資源化

近年,生体への悪影響が問題視され始めているナノ粒子の環境への流出を防ぐため,その分離除去方法の確立が急務である.そこで本研究では,アニオン性高分子であるsodiumpolyacrylate(SPA)を保護剤として合成した白金(Pt)ナノ粒子をモデルナノ粒子とし,感温性を有するN-isopropylacrylamide(NIPA)と正電荷を有するvinylbenzyl trimethylammonium chloride(VBTA)を共重合した感温性高分子ゲル(NIPA-VBTAゲル)を吸着剤として用いることで,温度スイング操作によるナノ粒子の吸着分離を,ナノ粒子が再利用できる形で実現するプロセスの構築を目的としている.本年度は,昨年度に合成し,感温性の発現を確認したNIPAゲルおよびNIPA-VBTAゲルを用い,相転移温度以下の298 Kとそれ以上の333 KにおけるPtナノ粒子の吸着挙動について検討を行った.その結果,NIPAゲルはいずれの温度でもPtナノ粒子をほとんど吸着しないこと,NIPA-VBTAゲルはいずれの温度でもPtナノ粒子を吸着できるが,その量は333 Kの方が大きいことが分かった.この結果を受け,NIPA-VBTAゲルを用いたPtナノ粒子の温度スイング吸着実験を実施したところ,NIPA-VBTAゲルは333 KでPtナノ粒子を吸着し,298 Kに降温すると吸着したPtナノ粒子の一部を脱着することが明らかとなった.さらに,温度スイング操作を繰り返すことでこのようなPtナノ粒子の吸脱着を繰り返し行えることにも成功した.近年,生体への悪影響が問題視され始めているナノ粒子の環境への流出を防ぐため,その分離除去方法の確立が急務である.そこで本研究では,アニオン性高分子であるsodium polyacrylate(SPA)を保護剤として合成した白金(Pt)ナノ粒子をモデルナノ粒子とし,感温性を有するN-isopropylacrylamide(NIPA)と正電荷を有するvinylbenzyl trimethylammonium chloride(VBTA)を共重合した感温性高分子ゲル(NIPA-VBTAゲル)を吸着剤として用いることで,温度スイング操作によるナノ粒子の吸着分離を,ナノ粒子が再利用できる形で実現するプロセスの構築を目的としている.まず,SPAを用いてPtナノ粒子を合成し,透過型顕微鏡によって得られたナノ粒子の観察を行ったところ,平均粒径10.5 nmの単分散なPtナノ粒子が得られたことが分かった.また,そのゼータ電位は-38.5 mVであった.他方,比較実験用のNIPAゲルとともにNIPA-VBTAゲルの合成を行い,そのゼータ電位を測定したところ,前者はほぼ中性であるのに対し,後者は26.3 mVと正に帯電したゲルであることが確認された.これより,正に帯電したNIPA-VBTAゲルによって負に帯電したPtナノ粒子を静電的に吸着できることが期待できる.また,これらのゲルの膨潤度をCCDカメラ付き顕微鏡と解析ソフト内蔵のPCからなる画像処理システムを用いて測定したところ,NIPAゲルは既報の相転移温度(306 K付近)以上で収縮すること,およびNIPA-VBTAゲルも正電荷を有するVBTAを含んでいるにもかかわらず,相転移以上において収縮することを確認した.これらの結果から,NIPA-VBTAゲルによりPtナノ粒子の温度スイング吸着を実現できることが期待できる.単分散かつ負に帯電したPtナノ粒子,および正に帯電しつつも感温性を示す高分子ゲルの合成手順は確立できたため,次の段階となるこれらを用いた温度スイング吸着実験に取りかかる準備はできたと言える.しかし当初予定していたような,モノマー比や架橋剤濃度の異なる,すなわち特性の異なる感温性高分子ゲルを数種類合成するという段階までは至らなかったため,上記の評価となった.前年度において作製したPtナノ粒子分散液と感温性高分子ゲルを用い,バッチ式の吸着実験を行うことで吸着特性の温度依存性を把握する.ただし,Ptナノ粒子の吸着量は次のようにして求める.任意の時間にサンプリングした分散液に王水を加えてPtナノ粒子を溶解させ,ICP発光分析装置を用いてPt濃度を測定する.同様にして,初期Pt濃度も測定し,物質収支からPtナノ粒子の吸着量を算出する.またこれと並行して,前年度において確立した手法により特性の異なる感温性高分子ゲルを複数合成し,その特性を評価した上で,同様にPtナノ粒子の吸着実験に用いる.このようにして得られた吸着実験結果をゲルの性状と照らし合わせ,感温性高分子ゲル合成方法へフィードバックすることで,吸着剤としての最適化を行う.次に,このようにして最適化した感温性高分子ゲルを用いたバッチ式の温度スイング吸着実験を行う.ある初期温度において吸着量が平衡に達した後に,溶液の温度を変化させることで,一旦吸着されたPtナノ粒子が脱着できるかを検討する.ただし,それらの温度は先に検討した吸着特性の温度依存性を基に設定する.このバッチ式温度スイング吸着実験により,Ptナノ粒子の脱着量が最も大きくなる感温性高分子ゲル吸着剤と温度設定の組合せを検討する.また,脱着操作後のPtナノ粒子分散液のDLS測定を行うことで,脱着されたPtナノ粒子の分散状態を確認する.

最後に,感温性高分子ゲル吸着剤を充填したカラムを用いた流通式の吸着実験を行い,感温性高分子ゲル吸着剤の再生能力とPtナノ粒子の分離・濃縮能力を検討する.本年度は,吸着実験に適したPtナノ粒子および感温性高分子ゲルの合成手法とその評価手法を確立するための研究に時間を費やしたこと,および申請者の所属変更にともない,その前後において研究の遂行が困難な時期があったことから,Ptナノ粒子および感温性高分子ゲルの大量合成とそれらを用いた吸着実験まで至らなかったため,使用する試薬が予定より少なく,吸着実験に必要となる設備を購入することもなかった.その結果,次年度に使用する予定の研究費が生じた.しかしながら,次年度はこれらを用いた吸着実験が主な研究内容となるため,これらの原料となる試薬を多く使用する予定である.また,様々な温度における吸着実験を並行して進める必要があることから,現有の恒温槽に加えて新たに購入する必要があると考えている.
肝糖新生におけるType2 Innate Lymphoid Cellの役割の解明

新規免疫細胞である2型自然リンパ球(ILC2)は、白色脂肪の褐色脂肪化が報告されたが、肝臓などインスリン標的臓器におけるILC2の役割は明らかでない。申請者は、これまでにマウスより肝臓特異的なILC2の同定/単離に成功し、肝臓ILC2がIL-13を介して強力な糖新生抑制作用を発揮することを見出した。本研究では、肝臓ILC2/IL-13による糖代謝制御機構を解明するために、シグナル依存的GATA3転写複合体機能のメカニズムを明らかにすることを目的とする。肥満や糖尿病などの生活習慣病における肝臓ILC2のGATA3シグナルの制御を、新規糖尿病治療標的の候補と考え解析を進める。
サブナノ粒子の非晶質及び結晶中での動的・熱的挙動と力学特性への影響の計算機実験

1.表面にコーティングされた異種材料の薄膜ならびに基材の損傷に関する分子動力学シミュレーションを行い,それらの機械的性質に与える種々の因子について評価した.シミュレーション対象は,四角錐形状の圧子,コーティング層,ならびに,基材からなる.原子間の相互作用はレナードージョンズ型のポテンシャルで記述した.圧子のコーティング層への打ち込みは荷重および温度一定の条件で行った.因子として,構造(二成分系非晶質またはfcc結晶)およびコーティング層の厚さを変化させるとともに,ポテンシャルを変化させることにより,ヤング率(凝集エネルギー),格子定数(平衡最隣接原子間距離),コーティング層と基材との結合力を種々変化させて,シミュレーションを行った.コーティング層のヤング率が高いほど基材の損傷は小さくなるが,コーティング層が極めて薄い場合には,高いヤング率のコーティング層は基材のみの損傷を引き起こす.コーティング層/基材界面の整合ひずみに関しては,コーティング層側で圧縮になっている場合の方がその損傷は小さくなる.2.応力一定の条件における,ナノ結晶を分散させたアモルファス固体の引張塑性変形に関する分子動力学シミュレーションを行った.Ar-Xeアモルファス固体中にXeナノ結晶を分散させた系を計算対象とした.ナノ結晶の分散率,ナノ結晶とアモルファス層との界面の結合力,ナノ結晶の弾性定数が,ナノ結晶分散アモルファス固体のひずみ速度や変形抵抗に与える影響について明らかにした.また,ヤング率と体積弾性率から計算されるそれぞれのせん断弾性係数を比較すると,線形混合側が成り立つ.1.表面にコーティングされた異種材料の薄膜ならびに基材の損傷に関する分子動力学シミュレーションを行い,それらの機械的性質に与える種々の因子について評価した.シミュレーション対象は,四角錐形状の圧子,コーティング層,ならびに,基材からなる.原子間の相互作用はレナードージョンズ型のポテンシャルで記述した.圧子のコーティング層への打ち込みは荷重および温度一定の条件で行った.因子として,構造(二成分系非晶質またはfcc結晶)およびコーティング層の厚さを変化させるとともに,ポテンシャルを変化させることにより,ヤング率(凝集エネルギー),格子定数(平衡最隣接原子間距離),コーティング層と基材との結合力を種々変化させて,シミュレーションを行った.コーティング層のヤング率が高いほど基材の損傷は小さくなるが,コーティング層が極めて薄い場合には,高いヤング率のコーティング層は基材のみの損傷を引き起こす.コーティング層/基材界面の整合ひずみに関しては,コーティング層側で圧縮になっている場合の方がその損傷は小さくなる.2.応力一定の条件における,ナノ結晶を分散させたアモルファス固体の引張塑性変形に関する分子動力学シミュレーションを行った.Ar-Xeアモルファス固体中にXeナノ結晶を分散させた系を計算対象とした.ナノ結晶の分散率,ナノ結晶とアモルファス層との界面の結合力,ナノ結晶の弾性定数が,ナノ結晶分散アモルファス固体のひずみ速度や変形抵抗に与える影響について明らかにした.また,ヤング率と体積弾性率から計算されるそれぞれのせん断弾性係数を比較すると,線形混合側が成り立つ.ナノ結晶を分散させたレナード-ジョンズ系非晶質固体ならびに非晶質単相固体の力学的挙動に関する分子動力学シミュレーションを行った。一軸引張ならびにせん応力による非晶質Ar固体の高速塑性変形挙動において、ひずみと時間との間に比例関係が認められ、ひずみ速度の温度依存性については修正アレニウスの式に従う事が明らかとなった。引張とせん断変形の活性化エネルギーの値はほぼ同値であり、両塑性変形が、ひずみ量が十分大きい領域においては、粘性流動という同じ変形機構であることを示唆している。一軸引張応力によるレナード-ジョンズ系ナノ結晶分散非晶質固体の弾性変形挙動において、a-Ar-Xeのヤング率はfccXeナノ完全結晶を分散することにより向上する。ヤング率と体積弾性率から計算されるそれぞれのせん断弾性係数を比較すると、線形混合則が成り立つ。ナノサイズのビッカースの庄子形状の凸物体(以下、圧子)とコーティング層を有する平面物体との、一定圧縮応力下での衝突挙動において、以下の結果を得た。(1)同じ原子間相互作用であっても非晶質固体のヤング率は結晶のおよそ6070%程度である。(2)コーティング層の硬さと厚みによる効果は、コーティング層へのダメージを考えるならば、原子間相互作用が大きくコーティング層が厚い方がよい。(3)平衡原子間距離による効果は、コーティング層における値が基材のそれに近い方が、ダメージは少ない。(4)非晶質固体のコーティング層は自らが粘性流動的な変形をすることで、基材へのダメージを軽減させる。1.表面にコーティングされた異種材料の薄膜ならびに基材の損傷に関する分子動力学シミュレーションを行い,それらの機械的性質に与える種々の因子について評価した.シミュレーション対象は,四角錐形状の圧子,コーティング層,ならびに,基材からなる.原子間の相互作用はレナード-ジョンズ型のポテンシャルで記述した.圧子のコーティング層への打ち込みは荷重および温度一定の条件で行った.因子として,構造(二成分系非晶質またはfcc結晶)およびコーティシグ層の厚さを変化させるとともに,ポテンシャルを変化させることにより,ヤング率(凝集エネルギー),格子定数(平衡最隣接原子間距離),コーティング層と基材との結合力を種々変化させて,シミュレーションを行った.コーティング層のヤング率が高いほど基材の損傷は小さくなるが,コーティング層が極めて薄い場合には,高いヤング率のコーティング層は基材のみの損傷を引き起こす.コーティング層/基材界面の整合ひずみに関しては,コーティング層側で圧縮になっている場合の方がその損傷は小さくなる.

2.応力一定の条件における,ナノ結晶を分散させたアモルファス固体の引張塑性変形に関する分子動力学シミュレーションを行った.Ar-Xeアモルファス固体中にXeナノ結晶を分散させた系を計算対象とした.ナノ結晶の分散率,ナノ結晶とアモルファス層との界面の結合力,ナノ結晶の弾性定数が,ナノ結晶分散アモルファス固体のひずみ速度や変形抵抗に与える影響について明らかにした.
イソフラボンと腸内細菌特にNATTS菌の大腸がん進展に関する症例対照研究

【研究の背景と目的】わが国の大腸がん罹患数は2018年には第1位であり、その予防は社会的および医療経済的に重要である。罹患数増加の背景には食生活の欧米化が考えられている。食生活での可能性ある予防因子として食物繊維、コーヒー、カルシウムの摂取が示されている。イソフラボンについての疫学研究では、リスク低下との関連を示す報告もあるが、一方で関連のみられない結果もある。そこでわれわれは、イソフラボンの大腸がん予防効果について検証するために症例対照研究を行った。【研究の方法】症例群(大腸がん患者)および対照群(非がん患者)において、次の項目を測定した。1食生活調査2身長、体重、喫煙歴、既往歴3血中イソフラボン濃度4便中エコール産生菌(Slackia sp.strain NATTS)いずれも文書による説明・同意を得た患者を対象とした。【結果】症例群は平均年齢64歳、対照群は平均年齢65歳であった。対照群の血中ゲニステイン、ダイゼインおよびグリシテイン濃度は症例群と比較して有意に高い値であった。また、食事からのゲニステインおよびダイゼインの量は症例群、対照群において統計学的に有意な差はなかった。エコール産生菌についても、症例群と対照群で差はみられなかった。【研究の目的および内容】Slackia sp. strainNATTS(以下、NATTS菌)など腸内細菌と大腸がん発生に関する報告は皆無ではあるものの、その関連が示唆されている。本研究ではイソフラボンおよびNATTS菌の大腸がん予防効果を総合的に評価し、その疫学的根拠を得ることを目的とする。本研究はイソフラボンを含む栄養素摂取量、血中イソフラボン濃度および腸内細菌と大腸がんのリスクとの関連を症例対照研究により比較検討する。NATTS菌と大腸がん発生に関する報告は皆無ではあるものの、その関連が示唆されている。調査項目は症例群(大腸がん患者)と対照群(非がん患者)において1食生活調査により栄養素の1日摂取量を算出(半定量的食物摂取頻度調査票による)2血中イソフラボン濃度測定3糞便中NATTS菌などの菌数測定とする。【研究の意義・重要性】腸内細菌特にNATTS菌に着目し、エコールを含めたイソフラボンおよびNATTS菌と大腸がんとの関連を調べ、大腸がん予防の可能性を明らかにすることである。本研究はこれまでに報告されたことのない腸内細菌特にNATTS菌と大腸がんの関連、またイソフラボンの大腸がん予防効果を調べることより、大腸がんの予防因子が明らかとなり、罹患率の減少に寄与するものと考えられ、社会的および医療経済的に極めて重要であると確信している。研究の遅れの理由として以下、2点が考えられる。1)NATTS菌などの腸内細菌の測定には(株)ヤクルト中央研究所との共同研究により遂行している。共同研究にあたり大学側とヤクルト研究所側との契約に時間を要したため(約6か月)2)倫理審査委員会に2回提出しなければならなかった(2回目は研究分担者の変更と研究内容の若干の修正)【研究の目的および内容】研究はイソフラボンを含む栄養素摂取量、血中イソフラボン濃度およびSlackia sp.strainNATTS(以下、NATTS菌)などのエコール産生腸内細菌酵素と大腸がんのリスクとの関連を症例対照研究により比較検討する。本研究の目的は、イソフラボンおよびエコールの大腸がん予防効果を総合的に評価し、その疫学的根拠を得ることとする。具体的な調査項目は症例群(大腸がん患者)と対照群(非がん患者)において次の項目の測定を行う。1食生活調査により栄養素1日摂取量を算出(半定量的食物摂取頻度調査票による)2身長、体重、喫煙歴、既往歴3血中イソフラボン濃度3便中エコール産生腸内細菌酵素数【結果】調査対象機関は札幌医科大学附属病院とし、文書により同意を得た患者を対象とした。症例群は新規に大腸がんと診断された患者32名(2788歳、平均年齢61.7歳)であり対照群は、循環器・腎臓・代謝内分泌内科通院中の患者30名(4781歳、平均年齢67.1歳)であった。なお、本研究は札幌医科大学附属病院臨床研究審査委員会の承認を受けて実施している。症例群における喫煙者の割合は、対照群の喫煙者の割合より有意に多かった。症例群の血清ゲニステイン、ダイゼイン、グリシテイン濃度は対照群と比較して有意に低かった。緑茶1日当たりの摂取量は、症例群では対照群と比較して有意に少なかった。THD:equol oxidoreductaseのEggerthella type検出数の割合は症例群では対照群と比較して有意に多かった。対照群における納豆の1日摂取量は、症例群と比較して有意に多かった。今後さらに対象者を増やしつつ研究継続中である。今年度中に症例、対照各30例の対象者数とする予定である。おおむね順調に進展していると思われる。【研究の目的】本研究はイソフラボンを含む栄養素摂取量、血中イソフラボン濃度およびエコール産生腸内細菌のSlackia sp. strainNATTSを含むその他の腸内細菌と大腸がんのリスクとの関連を症例対照研究により比較検討するものである。したがって、イソフラボンの大腸がん予防因子としての可能性を評価するものである。【方法】

症例群(大腸がん患者)と対照群(非がん患者)において以下の項目について調べる。1食生活調査:半定量的食物摂取頻度調査票を用いることによって、1日の栄養素摂取量等を算出する。2血中イソフラボン濃度(ゲニステイン、ダイゼイン、グリシテイン、エコール)測定3便中のエコール産生腸内細菌酵素および有機酸濃度など4身長、体重、喫煙歴、既往歴5臨床所見。本研究は、札幌医科大学医学部附属病院臨床研究審査委員会の承認を受けて実施している。対象者は文書により同意を得た場合とした。【結果】調査対象機関は札幌医科大学医学部附属病院とした。症例群は消化器・総合、乳腺・内分泌外科にて新規に大腸がんと診断された治療前の患者52名であった(2788歳、平均年齢62歳)。対照群は循環器・腎臓・代謝内分泌内科に通院中の患者43名(3882歳、平均年齢65歳)であった。対照群の血中イソフラボン濃度の内ゲニステイン、ダイゼイン、グリシテインは症例群と比較して有意に高かった。多変量解析においても結果は同様であった。食事からのゲニステインおよびダイゼインの1日摂取量についても対照群では症例群に比べて多く、その差は有意であった。また、アルコール1日摂取量も症例群で多く有意な差であった。腸内細菌については総腸内細菌数、有機酸濃度およびエコール産生腸内細菌酵素数はいずれも症例群、対照群ともに有意な差はみられなかった。現在、対象者をさらに増やし研究継続中である。同意取得後の対象者の転院等により、予定対象者数確保が遅れている状況がある。さらに、検体測定に時間を要するため最終報告に遅れを生じている。【研究の背景と目的】わが国の大腸がん罹患数は2018年には第1位であり、その予防は社会的および医療経済的に重要である。罹患数増加の背景には食生活の欧米化が考えられている。食生活での可能性ある予防因子として食物繊維、コーヒー、カルシウムの摂取が示されている。イソフラボンについての疫学研究では、リスク低下との関連を示す報告もあるが、一方で関連のみられない結果もある。そこでわれわれは、イソフラボンの大腸がん予防効果について検証するために症例対照研究を行った。【研究の方法】症例群(大腸がん患者)および対照群(非がん患者)において、次の項目を測定した。1食生活調査2身長、体重、喫煙歴、既往歴3血中イソフラボン濃度4便中エコール産生菌(Slackia sp.strain NATTS)いずれも文書による説明・同意を得た患者を対象とした。【結果】症例群は平均年齢64歳、対照群は平均年齢65歳であった。対照群の血中ゲニステイン、ダイゼインおよびグリシテイン濃度は症例群と比較して有意に高い値であった。また、食事からのゲニステインおよびダイゼインの量は症例群、対照群において統計学的に有意な差はなかった。エコール産生菌についても、症例群と対照群で差はみられなかった。今後の研究遂行にあたり、以下のことを推進方策としたいと考える。
血管内皮細胞と平滑筋細胞の力学的相互作用についての形態学的アプローチ

血管を構成する細胞および細胞外基質の力学的な役割について、研究の進んでいる糸球体、および動脈を研究対象として、形態学的に解析した。本研究ではまず、(1)糸球体の力学構造の要であるメサンギウム細胞の役割を、さまざまな実験モデルを用いて解析した。メサンギウム細胞では、収縮装置としての細胞骨格が、糸球体基底膜を内向きに牽引している。この収縮能が障害された単離潅流腎のモデルでは、毛細血管が拡張するという構造変化が見られた。(2)糸球体濾過障壁の力学的な主体は基底膜であるが、この基底膜の微細構造を、糸球体ならびに腎臓の他の部分で観察した。基底膜は、その力学的な環境によって構造が多様であることを明らかにした。(3)腎臓内の動脈において、細胞骨格と細胞外基質の構造を観察したところ、内皮細胞のアクチンフィラメントの配列および内弾性板の形状が、部位によって多様性を示すことを明らかにした。とくに小葉間動脈遠位部では、内皮細胞のアクチンフィラメントが応力線維の形をとり、内弾性板の網目状構造との間に機械的な結合を作ることが明らかになった。これにより、腎臓内の動脈で、内皮細胞の収縮装置が、動脈の構造保持の役割をもち、さらに能動的に血管の収縮状態を調節する可能性が示唆された。腎臓内の動脈系を材料にして、小動脈の壁の力学的要素を、形態学的に観察した。方法としては、凍結切片のロ-ダミン・ファロイジンによりアクチン・フィラメントを染める。パラフィン切片のレゾルシン・フクシン染色により弾性線維を染める。透過電顕のために低温脱水法を用い、細胞内外の線維状構造を可視化した。腎臓の動脈系は、葉間動脈→弓状動脈→小葉間動脈→輸入細動脈とかなり規則的に枝分れしている。そのため組織切片上での位置、太さ、分岐の様子から、動脈の分節を同定することが可能である。そのように同定した動脈分節の中で、動脈壁の構造は次第に変化していく。その中で我々は、小葉間動脈遠位部に注目し、この部位の動脈壁の構造を詳細に解析し、以下の所見を得た。(1)小葉間動脈遠位部の内皮細胞は、血管の長軸に沿った扁平な紡錘形をしており、内部にアクチン・フィラメントからなるストレス・ファイバ-が縦方向に走っている。(2)小葉間動脈遠位部では、内皮と平滑筋を隔てる内弾性板に、孔が多数あいて、網目状になっている。(3)内皮細胞のストレス・ファイバ-は基底側細胞膜に停止し、内弾性板から出た弾性線維の枝がその部位の細胞膜に連結する。このような構造から、小葉間動脈遠位部では、内皮細胞のストレス・ファイバ-の収縮力は、基底側細胞膜を介して弾性線維に伝達され、内弾性板の網目の形状を変化させると考えられる。網目の形状の変化は、とりもなおさず血管の周長と直径の変化をもたらす。すなわち小動脈の内皮細胞の収縮は、従来考えられていたように血管壁の透過性を増加するための配置をもっておらず、血管低抵を調節するのに適した配置をもっている。方法としては、凍結切片をローダミン・ファロイジンで染めてアクチン・フィラメントを可視化する。パラフィン切片をレゾルシン・フクシン染色し弾性線維を染める。透過電顕のための低温脱水法を用い、細胞内外の線維状構造を可視化する。

(1)小葉間動脈遠位部の内皮細胞は、血管の長軸に沿って扁平な紡錘形をしており、内部にアクチン・フィラメントからなるストレス・ファイバーが縦方向に走っている。(2)小葉間動脈遠位部では、内皮と平滑筋を隔てる内弾性板に、孔が多数あいて、網目状になっている。(3)内皮細胞のストレス・ファイバーは基底側細胞膜に停止し、内弾性板から出た弾性線維の枝がその部位の細胞膜に連結する。この様な構造から、小葉間動脈遠位部では、内皮細胞のストレス・ファイバーの収縮力は、基底側細胞膜を介して弾性線維に伝達され、内弾性板の網目の形状を変化させると考えられる。網目の形状の変化は、とりもなおさず血管の周長と直径の変化をもたらす。すなわち小動脈の内皮細胞の収縮は、従来考えられていたように血管壁の透過生を増加するための配置を持っておらず、血管抵抗を調節するのに適した配置を持っている。血管を構成する細胞および細胞外基質の力学的な役割について、研究の進んでいる糸球体、および動脈を研究対象として、形態学的に解析した。本研究ではすでに、【.encircled1.】糸球体の力学構造の要であるメサンギウム細胞の役割を、さまざまな実験モデルを用いて解析した。メサンギウム細胞では、収縮装置としての細胞骨格が、糸球体基低膜を内向きに牽引している。この収縮能が障害された単離灌流腎のモデルでは、毛細血管が拡張するという構造変化が見られた。【.encircled2.】糸球体濾過障壁の力学的な主体は基底膜であるが、この基底膜の微細構造を、糸球体ならびに腎臓の他の部分で観察した。基底膜は、その力学的な環境によって構造が多様であることが明らかにした。本年度はさらに、【.encircled3.】腎臓内の動脈において、細胞骨格と細胞外基質の構造を観察したところ、内皮細胞のアクチンフィラメントの配列および内弾性板の形状が、部位によって多様性を示すことが明らかにした。とくに小葉間動脈遠位部では、内皮細胞のアクチンフィラメントが応力線維の形をとり、内弾性板の網目状構造との間に機械的な結合を作ることが明らかになった。これにより、腎臓内の動脈で、内皮細胞の収縮装置が、動脈の構造保持の役割をもち、さらに能動的に血管の収縮状態を調節する可能性が示唆された。
世界初！ナノセラミクス配合ヒトコラーゲンによる安心安全な歯周組織再生法

本研究計画では,バイオセラミクスとしてβーTCPナノ粒子を用い,ヒトコラーゲンペプチド顆粒にβーTCPナノ粒子を添加した新規足場材を作製し,歯周組織再生に最適化した条件の検討と,歯周再生治療へ展開することを目的としている.今年度の目標として,βーTCPナノ粒子配合ヒトコラーゲンペプチド足場材の作製とそれにZnを担持させた足場材の作製,また,それらの物性評価ならびに細菌を用いた抗菌性試験,培養細胞を用いた生体親和性試験,バイオアクティブ効果に関する生化学的評価を上げていた.βーTCPナノ粒子配合ヒトコラーゲンペプチド足場材は作製され,βーTCPナノ粒子の濃度を0.00110wt%まで設定し,生体親和性評価を行った.評価より,細胞のバイオアクティブ効果を向上させ,骨新生効果が期待できるβーTCPナノ粒子の至適濃度は1wt%と設定された.また,ZnをβーTCPナノ粒子に担持し,Zn担持型βーTCPナノ粒子分散液を開発し,抗菌性を付与した新規足場材の作製にも成功した.Zn担持型βーTCPナノ粒子配合ヒトコラーゲンペプチド足場材のZn濃度を振って,虫歯菌であるS.Mutansで抗菌性試験をおこなったところ,Zn1%で有意に高い細菌増殖抑制を示した.以上より,新規足場材の歯周組織再生に最適化した条件の検討の結果,TCP1%,Zn1%が有効である可能性が示唆された.来年度はこの結果をもとに,細胞親和性評価およびラット・ビーグル犬を用いた評価に移行する予定である.β-TCPナノ粒子配合ヒトコラーゲンペプチド足場材の作製,それへのZnの担持は良好に進んだ.β-TCPナノ粒子やZnの至適濃度の評価もおおむね順調に進んでおり,今後動物実験へ移行する予定である.Zn担持型β-TCPナノ粒子配合ヒトコラーゲンペプチド足場材は作製されたので,in vitroでのスクリーニング評価を強化し,Zn,TCPの至適濃度を設定,ラットやビーグル犬での評価へ移行する.本研究計画では,バイオセラミクスとしてβーTCPナノ粒子を用い,ヒトコラーゲンペプチド顆粒にβーTCPナノ粒子を添加した新規足場材を作製し,歯周組織再生に最適化した条件の検討と,歯周再生治療へ展開することを目的としている.今年度の目標として,βーTCPナノ粒子配合ヒトコラーゲンペプチド足場材の作製とそれにZnを担持させた足場材の作製,また,それらの物性評価ならびに細菌を用いた抗菌性試験,培養細胞を用いた生体親和性試験,バイオアクティブ効果に関する生化学的評価を上げていた.βーTCPナノ粒子配合ヒトコラーゲンペプチド足場材は作製され,βーTCPナノ粒子の濃度を0.00110wt%まで設定し,生体親和性評価を行った.評価より,細胞のバイオアクティブ効果を向上させ,骨新生効果が期待できるβーTCPナノ粒子の至適濃度は1wt%と設定された.また,ZnをβーTCPナノ粒子に担持し,Zn担持型βーTCPナノ粒子分散液を開発し,抗菌性を付与した新規足場材の作製にも成功した.Zn担持型βーTCPナノ粒子配合ヒトコラーゲンペプチド足場材のZn濃度を振って,虫歯菌であるS.Mutansで抗菌性試験をおこなったところ,Zn1%で有意に高い細菌増殖抑制を示した.以上より,新規足場材の歯周組織再生に最適化した条件の検討の結果,TCP1%,Zn1%が有効である可能性が示唆された.来年度はこの結果をもとに,細胞親和性評価およびラット・ビーグル犬を用いた評価に移行する予定である.β-TCPナノ粒子配合ヒトコラーゲンペプチド足場材の作製,それへのZnの担持は良好に進んだ.β-TCPナノ粒子やZnの至適濃度の評価もおおむね順調に進んでおり,今後動物実験へ移行する予定である.Zn担持型β-TCPナノ粒子配合ヒトコラーゲンペプチド足場材は作製されたので,in vitroでのスクリーニング評価を強化し,Zn,TCPの至適濃度を設定,ラットやビーグル犬での評価へ移行する.
磁性伝導体の全ての相互作用パラメータの分子軌道法による厳密計算と分子設計への適用

ドナー分子層の伝導性とカウンターイオン層の磁性がカップリングした各種の「磁性伝導体」の分子性結晶は新奇物質系として興味深い。特に、既に超伝導性+強磁性である物質の探索は未だ発展途上であり、是非とも理論的に予言をしたい。これらに関しては、実験科学者から種々の興味深い物質系が報告されている。そこで、本申請課題では種々の磁性伝導体の分子性結晶を包括的に取り扱うことができる理論的な方法論の開発と、各分子性結晶への適用を行う。本申請課題にて申請者が研究対象として解析する新奇物質系は、ドナー分子層の伝導性とカウンターイオン層の磁性がカップリングした各種の「磁性伝導体」の分子性結晶である。これらに関しては、既に小林(分子研)らにより超伝導性+反強磁性の性質を有するκ-BETS2FeX4が報告され非常に注目を集めた。しかしながら、超伝導性+強磁性である物質の探索は未だ発展途上であり、申請者も非常に興味を持っており是非とも理論的に予言をしたい。更に、これらの研究の成果として、実験科学者から種々の興味深い物質系が報告されている。本申請課題では種々の磁性伝導体の分子性結晶を包括的に取り扱うことができる理論的な方法論の開発と、各分子性結晶への適用を行う。その結果として、実験と相補的に理論からの分子設計を目指すドナー分子層の伝導性とカウンターイオン層の磁性がカップリングした各種の「磁性伝導体」の分子性結晶は新奇物質系として興味深い。平成19年度は、分子性結晶内の各分子に関してその構造と電子状態の解析を中心に実行した。既知の磁性伝導体の分子性結晶のうち、特に興味深い系では、共通した結晶構造が見られる。つまり、TTF骨格等を有したドナー性分子がπ-πスタッキングした2次元層と、そのカウンターイオンの2次元層である。その構成単分子に着目したとき、その構造は平面性が強く、分子全体にπ電子雲が広がっている。そこで、いかにTTF骨格に官能基の修飾を施すかでその電子状態的な性質が変化する。それは分子間の相互作用パラメータに影響を与え、最終的には結晶全体の物性に関与する。この様に興味深いTTF骨格としては数多くが報告されているが、特に、大阪府立大学の杉本教授の研究室で報告されている結晶群に関して解析を進めた。これらは、局在スピンと遍歴電子とが相互作用する磁性伝導体と考えられ、これらの特に磁性に関する量子化学計算を用いた理論的研究を行った。特に、(EDT-TTFVO)2FeBr4等は、伝導性は半導体的であるものの、磁性としては強磁性を示すものであり、この磁性の発現メカニズム関して解析を進めた。具体的には、分子間の磁気的相互作用を詳細に解析するミクロ的な視点と、求まった各パラメータから統計力学処理(量子モンテカルロ法)を実行したマクロ的な視点で行った。前者に関しては、磁気スピン源となるFeBr4-イオンのd軌道の5個電子(S=5/2)が、互いに直接・間接の両者で相互作用することが重要である。我々の詳細な計算から、この直接相互作用はd-d相互作用であり、その大きさは配向により正負いずれもとりうるが、値は小さいことが判明した。一方、間接相互作用はπ-d相互作用であり、これは有意に寄与があることが判明した。これらより結晶全体の磁気的ネットワークの形態が明らかになった。平成20年度は、前年度に引き続き相互作用パラメータに関する研究を行つた。D, E ; t, U, Vに着目した。まず、異方性成分に関してのパラメータであるD, Eであるが、この計算手法の開発から始めた。これらの項を求める理を構築する上での困難さとして、これらが、分子軌道法かミルトニアンのmagnetic dipole項やspin orbit項からなど、その発生メカニズムは複雑であり、系に依存したプログラム作りが必要となる。申請者らは計算プログラムの開発を進めた。次に、磁性伝導体に適用して、厳密な数値を算出した。例えばTMA0(2つのNO基がアダマンタンに)では、純粋有機物でありながら非零のD値であることを、既にプロトタイプ計算で確認している。有意な値のD値を有する分子を設計することで、J値だけでなくD値でも相互作用する物質の設計を行うことが出来る。これは量子コンピュータの素子(キュビット)なる可能性がある。次に、磁性伝導体の特に伝導性に関して、その性質をt, U, Vにて解析した。これらはJと互いに影響しあう量であり、総合的な観点での計算式が必要である。最も簡単な方法として、Hubbardハミルトニアンから導出される関係式を用いて、パラメータ最適化にて求めた。有機超伝導体の各系に精力的に適用しだ。本申請者の方法は、バンド計算からt等をまず計算する方法とは逆の立場であり、知見を更に深めることができた。平成21年度は、前年度に引き続き相互作用パラメータに関する研究を行った。J,J'に着目した。

従来より分子軌道法を用いて有効交換積分値(J)を見積もることで、有機強磁性体や有機超伝導体の解析を進めてきた。しかし、これらの学際分野が深化するにつれて、ノンコリニアー的スピンの取り扱いなど、次のステップの有効交換積分値の計算手法の開発が急務となってきた。そこで、拡張した有効交換積分値(J')を定義し、障害なくあらゆる対象系にて計算可能とした。具体的には、スピンの傾きを取り扱う分子軌道法の新手法のGHF,GDFT法が必須である。しかしその解にローカルミニマムが多数発生し、真の解を得るのが非常に困難である。これはスピンの自由度を解放したことでの任意性の増大が原因である。解決策として、化学的洞察に基づいたノウハウの蓄積が急務である。種々の磁性伝導体にてJ'の高精度計算を実行した。特に、スピンフラストレーションが内在している分子性結晶では、この真価を十二分に発揮できる。但し、スピンフラストレーションでは、スピンの量子性を無視できないためJ'を算出しただけでは駄目であり、完全に量子的な糸の計算が不可避である。そこで、Heisenbergハミルトニアンを全スピン状態を基底として展開し、厳密対角化することでスピン状態の解析を行った。研究対象として解析する新奇物質系は、ドナー分子層の伝導性とカウンターイオン層の磁性がカップリングした各種の「磁性伝導体」の分子性結晶である。これらに関しては、既に小林(分子研)らにより超伝導性+反強磁性の性質を有するκ-BETS2FeX4が報告され非常に注目を集めた。しかしながら、超伝導性+強磁性である物質の探索は未だ発展途上であった。そこで、本申請課題では種々の磁性伝導体の分子性結晶を包括的に取り扱うことができる理論的な方法論の開発と、各分子性結晶への適用を行った。平成22年度は、前年度に引き続き相互作用パラメータに関する研究を行った。J,J'に着目した。つまり、本申請者は、従来より分子軌道法を用いて有効交換積分値(J)を見積もることで、有機強磁性体や有機超伝導体の解析を進めてきた。更に、統計理論的なスピンシミュレーションを実行することで、各種のマクロな物理量を算出した。これにより、実験による磁化測定などの結果との比較を可能とした。
テラヘルツメタマテリアルを用いた磁性体スピン共鳴における非線形現象の探索

昨年度の研究では,メタマテリアル中の増強THz近接磁場を用いて弱強磁性体ErFeO3における光誘起スピン再配列相転移過程を制御し,THzを用いたマクロ磁化制御に成功した。最終年度である今年度は,光励起を用いない純粋THz波による巨視的磁化制御の実現を目指し,従来光源を大幅に超えた強力光源の適用に注力した。その結果,主として下記に示す成果を得られた。1.100uJ/pulseに達する世界最高強度のTHz光源である阪大産研の自由電子レーザー光源をErFeO3の単結晶試料に照射しつつ可視光のファラデー効果によって磁区形状を顕微観察したところ,THz照射領域内で強磁性磁区形状が大きく変形することを確認した。この現象の詳細な機構は理論考察中であるが,THz照射による加熱に加えて磁気音響効果によりドメイン壁の伝搬が生じるというモデル等が考えられる。純粋THz波により恒久的なスピン反転を実験的に示したのは初めてと思われる。2.THz波の近接磁場振幅をさらに増強するために,超収束効果を示すことで知られるテーパー型金属導波路を設計・作成した。磁気光学結晶(TGG)基板上に分割リング共振器(SRR)を作成し,THz電場を与えた際の近接磁場による可視光のファラデー回転をプローブとして,近接磁場強度の定量評価を行った。導波路有・無の両者に対してファラデー振幅を比較した結果,導波路を通してSRRを励起した際は23倍の磁場増強が得られた。導波路構造の最適化によってこの値はさらに向上が見込まれる。3.この他,米国MITとの共同研究を行い,非線形光学応答を高感度に取得する方法として知られる2次元THz分光法によって,YFeO3におけるサブTHz磁気共鳴の非線形ダイナミクス観測に成功した。また,独Konstanz大との共同研究で,差周波発生を用いた広帯域かつ高電場強度の2次元分光系の開発に着手した。28年度が最終年度であるため、記入しない。本研究の目的は,テラヘルツ(THz)帯域に共鳴応答を持つ金属微細構造(メタマテリアル)中の近接磁場を用いて磁性体中の電子スピンを高強度に励起し,従来行われていた線形領域の実験を大きく超えた劇的なスピンダイナミクスを実現することである。初年度である本年度は,まず現実的な強度のTHz磁場を用いて磁気秩序の巨視的な制御を行うことを目指した。そのために,磁気的摂動に非常に敏感な現象である,弱強磁性体エルビウムオルソフェライトErFeO3におけるスピン再配列相転移に着目した。ErFeO3は90K付近を境として強磁性磁化がa軸からc軸の間で温度に依存して連続的に90°回転する,回転型のスピン再配列相転移を示す。試料を低温相に設定しフェムト秒レーザーを照射すると加熱によりピコ秒スケールで再配列転移が生じるが,この初期過程に対して分割リング共振器(SRR)メタマテリアル中の増強THz近接磁場を用いて摂動を与えたところ,+c方向と-c方向に対する磁化回転の指向性を劇的に変調し,試料中の強磁性磁気ドメインをほぼ一方向に揃えることに成功した。生成磁化量は入射THz波振幅に対して飽和を示し,SRR増強THz磁場により励起されたスピン歳差運動の大きさが,熱揺らぎを大きく超えていることを示した。生じた磁化の方向はTHz波と加熱パルス光の入射タイミングによってコヒーレントに制御でき,この過程がスピン歳差運動及び入射THz磁場による相転移過程の対称性の破れによって生じていることが明らかになった。ここで示されたTHz磁場による相転移過程の制御という方法は,従来可視光励起によって行われていた実験では加熱によって埋もれていた可能性のある再配列相転移初期過程へのわずかな磁気的摂動が及ぼす効果を,THz磁場の利用によってより詳細に調べられる可能性を提供するものである。当初の予定ではメタマテリアル構造の最適化及び高強度THz光源の出力向上によってスピン共鳴を増大し,徐々に励起強度を強めて非線形領域に到達する予定であったが,スピン再配列相転移という磁気敏感な過程に着目したことにより,全くことなる方式で当初予想されていたよりも劇的なスピン秩序制御が可能であることがわかったため,これに関してより重点を置いて研究を行った。他方,MITグループとの共同研究により,純粋THz磁場の利用に関しても磁気的2次高調波発生等を示唆する非線形応答の信号を観測し始めている。

純粋THz波により恒久的なスピン反転を実験的に示したのは初めてと思われる。2.THz波の近接磁場振幅をさらに増強するために,超収束効果を示すことで知られるテーパー型金属導波路を設計・作成した。磁気光学結晶(TGG)基板上に分割リング共振器(SRR)を作成し,THz電場を与えた際の近接磁場による可視光のファラデー回転をプローブとして,近接磁場強度の定量評価を行った。導波路有・無の両者に対してファラデー振幅を比較した結果,導波路を通してSRRを励起した際は23倍の磁場増強が得られた。導波路構造の最適化によってこの値はさらに向上が見込まれる。3.この他,米国MITとの共同研究を行い,非線形光学応答を高感度に取得する方法として知られる2次元THz分光法によって,YFeO3におけるサブTHz磁気共鳴の非線形ダイナミクス観測に成功した。また,独Konstanz大との共同研究で,差周波発生を用いた広帯域かつ高電場強度の2次元分光系の開発に着手した。今後,純粋THz磁場による非線形スピン秩序の制御のためには,THz光源強度の大幅な改善が必須である。これに関しては,磁気共鳴周波数に合わせた高いスペクトル強度を持つレーザーベース狭帯域THz波光源の構築およびTHz自由電子レーザーの利用などを準備している。同時に,非線形応答の高感度検出のために,2次元THz分光法を適用することで線形応答成分を除外した磁気的非線形応答のロックイン抽出を行う予定である。28年度が最終年度であるため、記入しない。