hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
鉄-軽元素合金融体の高圧物性研究 : 地球核のダイナミクスへの応用

地球の外核は、地球物理的観測と衝撃圧縮実験の比較から、純鉄の密度に比べ約10%小さいことが知られており、鉄-ニッケル合金中に水素、炭素、酸素、硫黄、および珪素などの軽元素が溶解していると考えられているが、どの元素がどのくらい含まれているか明らかになってはいない。地球の外核の地震波速度は、衝撃圧縮実験によって求められた溶融鉄の弾性波速度に比べ約3%程度速いことが報告されており、これら密度と弾性波速度に関する二つの条件を満たす軽元素を探すことで、外核中に含まれる軽元素の種類と量を制約することができる。今年度は、外核中に含まれる軽元素の候補である硫黄に着目し、前年度開発に成功したマルチアンビル型高圧発生装置と超音波法を組み合わせた手法を用いて、Fe-Sメルトの弾性波速度の測定を圧力と組成を変えて行った。出発試料にFe-S系の共融点組成に近いFe_<60>S_<40>とFeSを用い、縦波速度をそれぞれ5.4GPaまでと2.5GPaの条件で測定を行った。Fe-Sメルトの縦波速度は、硫黄の含有量が増加するに伴い、ほぼ線形に減少した。したがって、硫黄は5.4GPaまでは鉄メルトの縦波速度を遅くする効果があることが明らかになった。一方、Fe_<60>S_<40>メルトの縦波速度は、圧力の増加に伴い速くなるが、この増加率は純鉄メルトよりも大きい。そのため、7GPaよりも高圧では、Fe_<60>S_<40>メルトの縦波速度はFeメルトよりも速くなる可能性がある。これは、月やガニメデなど核の圧力が7GPa以下の場合、硫黄は鉄メルトの縦波速度を遅くするが、火星や地球の外核のような高圧力下では、硫黄は鉄メルトの縦波速度を早くする効果があることを意味する。したがって、硫黄は地球の外核中に存在しうる軽元素であることが明らかになった。地球の外核は地震波観測と衝撃圧縮実験の結果から、純鉄に比べ約10wt%密度が小さく、外核は鉄に硫黄、水素、酸素、炭素、珪素などの軽元素が含まれる合金融体であると考えられているが、どの軽元素がどれだけ存在するか明らかになってはいない。我々は以前に硫黄に注目し、4GPaでの鉄-硫黄系融体の密度測定が行った。その結果4GPaでは鉄と硫黄の混合の非理想性が大きくなるため、固体の場合に比べ融体全体の密度を減少するのにより多くの硫黄が必要であることがわかり、外核中に今まで考えられていたよりも大量に硫黄が存在している可能性が示された。しかしながら、これは4GPaのみの結果であり、密度や混合の非理想性の圧力依存性は良く分かっていない。また、外核条件での密度を議論するためには精度良く状態方程式を決定することが重要であり、このためには圧縮の大きい低圧領域で精度よく密度を決定する事が重要である。そこで、本年度は0.5GPaにおけるFe-S系融体の密度を放射光その場観察浮沈法で行った。4GPaにおける密度の組成依存性と比較すると、硫黄の含有量が増えるに従い密度差が大きくなることが分かった。これは硫黄の含有量が増えるに従い、圧縮率が大きくなる事を意味しており、Sanloupet al.(2000)らによって報告されている硫黄の含有量が増えるに従って、等温体積弾性率が減少するという傾向と調和的である。また地球の外核の弾性波速度は溶融鉄に比べ約7%程度速いことから、鉄合金融体の弾性波速度における軽元素の効果を調べることで、軽元素の制約を行うことができる。現在、愛媛大学の河野研究員と共同で高圧下におけるFe-S系合金融体の弾性波速度測定の準備を行っており、22年度中にFe-S系において予備的なデータが取れる段階まで引き上げる予定である。溶融状態にある地球の外核は、地震波観測や衝撃圧縮実験から純鉄の密度に比べ約10wt%小さく、鉄-ニッケル合金中に水素、炭素、酸素、硫黄、および珪素などの軽元素が溶解していると考えられているが、どの元素がどのくらいの量含まれているか明らかになっていない。地球の外核の地震波速度は衝撃圧縮実験によって求められた溶融鉄の弾性波速度に比べ約3%程度速いことも報告されており(Brown & McQueen, 1986)、これら密度と弾性波速度に関する二つの条件を満たす軽元素を探すことで、外核中に含まれる軽元素の種類と量を制約することができる。本年度は、はじめにマルチアンビル型高圧発生装置を用いた超音波法による測定技術の習得とFe-S系合金融体での測定に向けた予備実験を行った。次に、大型放射光施設であるSPring-8に萌芽課題「鉄合金融体の弾性波速度測定技術の開発」を申請し、高圧下でのFe-S融体の弾性波速度測定方法を確立する事を目標に実験を行った。高温高圧その場観察実験は、BL04B1ビームライン設置のSPEED-1500を使用して行った。出発組成にFe-S系の共融点組成に近いFe_<60>S_<40>を用いて、圧力を2, 3, 4, 5GPaと変えて弾性波速度測定実験を行った。その結果、見事に5GPaまでの高圧下においてFe_<60>S_<40>融体の弾性波速度測定に成功した。

この実験結果からFe_<60>S_<40>融体の弾性波速度は圧力が増加するに伴い、P波速度が上昇することが明らかになった。今後、密度に対して弾性波速度がどのように変化するか明らかにし、地球外核中の硫黄量を推定する予定である。来年度はさらに高い圧力下での弾性波速度測定を予定している。また、この結果は学会発表ならびに論文として投稿する予定である。地球の外核は、地球物理的観測と衝撃圧縮実験の比較から、純鉄の密度に比べ約10%小さいことが知られており、鉄-ニッケル合金中に水素、炭素、酸素、硫黄、および珪素などの軽元素が溶解していると考えられているが、どの元素がどのくらい含まれているか明らかになってはいない。地球の外核の地震波速度は、衝撃圧縮実験によって求められた溶融鉄の弾性波速度に比べ約3%程度速いことが報告されており、これら密度と弾性波速度に関する二つの条件を満たす軽元素を探すことで、外核中に含まれる軽元素の種類と量を制約することができる。今年度は、外核中に含まれる軽元素の候補である硫黄に着目し、前年度開発に成功したマルチアンビル型高圧発生装置と超音波法を組み合わせた手法を用いて、Fe-Sメルトの弾性波速度の測定を圧力と組成を変えて行った。出発試料にFe-S系の共融点組成に近いFe_<60>S_<40>とFeSを用い、縦波速度をそれぞれ5.4GPaまでと2.5GPaの条件で測定を行った。Fe-Sメルトの縦波速度は、硫黄の含有量が増加するに伴い、ほぼ線形に減少した。したがって、硫黄は5.4GPaまでは鉄メルトの縦波速度を遅くする効果があることが明らかになった。一方、Fe_<60>S_<40>メルトの縦波速度は、圧力の増加に伴い速くなるが、この増加率は純鉄メルトよりも大きい。そのため、7GPaよりも高圧では、Fe_<60>S_<40>メルトの縦波速度はFeメルトよりも速くなる可能性がある。これは、月やガニメデなど核の圧力が7GPa以下の場合、硫黄は鉄メルトの縦波速度を遅くするが、火星や地球の外核のような高圧力下では、硫黄は鉄メルトの縦波速度を早くする効果があることを意味する。したがって、硫黄は地球の外核中に存在しうる軽元素であることが明らかになった。
切り取り斜面の情報化施工における設計・施工管理総合システムの開発

土質材料の限界せん断ひずみを求めるために中空供試体によるねじりせん断試験機を試作した。これを用いて平面ひずみ状態において砂のねじりせん断試験を実施し、限界せん断ひずみとせん断弾性係数の関係を明らかにした。また、通常の三軸圧縮試験を実施し、その結果から計算によって限界せん断ひずみを求め、ねじり試験の結果と比較したところ、ねじりせん断試験による結果は三軸圧縮試験から得られる値の最低値を与えることがわかった。限界せん断ひずみが与えられると、以下の方法によって切り取り斜面の安全率を評価することができる。すなわち、切り取り斜面の計測変位から逆解析によって地盤のせん断弾性係数が求まると、本研究で得られた限界せん断ひずみを介して強度定数(内部摩擦角と粘着力)を推定することができる。ひとたび強度定数が推定できると斜面の安全率を求めることができる。本研究では以上の計算手段をコンピューター上で実施させるシステムの開発をも行った。この研究の成果は直ちに切り取り斜面の現場に適用できものである。
トウモロコシの転写因子Dof1の光応答の分子メカニズム

植物特異的な転写因子群Dofファミリーの一つ、トウモロコシのDof1は光合成回路における初期炭酸固定を担う酵素の発現に関わる転写因子であり、その活性は光応答性を有する。転写因子Dof1はどのようにして光によって活性が制御されいるか、また、Dof1はどのようにして光合成遺伝子の発現を制御しているかを明らかにすることを目的として行った本研究の今年度の研究成果を以下に記す。(1)暗室で生育させたトウモロコシの黄化葉と光照射を行った緑葉ら調製したプロトプラストにDof1の発現ベクターを導入してその発現産物をin vivo labeling法を用いて解析したところ、2本のバンドとして検出された。この現象は光応答と結びついており、予備的実験ではタンパク質脱リン酸化酵素阻害剤の添加によりDof1の転写促進効果が阻害されたのでDof1の光応答はリン酸化によって制御されている可能性が推察された。現在、更に詳細な解析を行っている。(2)昨年度の研究成果としてDof1はヒトGATA4と類似性を有する転写活性化ドメインを持つことを明らかにしていたが、今年度はさらに詳細な解析を行い転写促進活性に重要なトリプトファン残基を同定した。(3)昨年度、トウモロコシのトランスポゾンMutatorによって遺伝子破壊がなされているトウモロコシのラインからDof1遺伝子に変異が導入されているものをPCRを用いた方法によって検索しその候補を1ラインを選抜しているが、その挿入部位を正確に決定した。残念ながら、その部位はDof1の5'非翻訳領域中でありMutatorによる完全な遺伝子破壊がなされていなかったが、発現が著しく影響を受けている可能性は残っているので現在homozygoteの作成を行っている。植物特異的な転写因子群Dofファミリーの一つトウモロコシのDof1はその転写促進能に光応答性を有し、その活性制御は核内でDNA結合ドメインを介した翻訳後調節によるものであることを示唆してきた。また、トウモロコシなどのC4植物において初期炭酸固定という重要な役割を担う酵素であるC4光合成型ホスホエノールピルビン酸カルボキシラーゼ(C4PEPC)遺伝子の発現にDof1は関わっていることを示してきた。そこで、転写因子Dof1はどのようにして光によって活性が制御され、どのような遺伝子の発現をどのようにして制御しているのかを明らかにすることを目的として本研究は行われた。本年度の研究成果としては、トウモロコシの緑葉と黄化葉から調整したプロトプラストを用いた解析システムによって、Dof1はC4PEPC遺伝子だけでなく細胞質型ビルビン酸・リン酸ジキナーゼ遺伝子の光に応答した発現に関わっていることを示し、Dof1は炭素代謝に関わる複数の遺伝子に関わっている可能性を示唆した。一方で、トウモロコシのトランスポゾンMutatorによって遺伝子破壊がなされているトウモロコシのラインからDof遺伝子に変異が導入されているものをPCRを用いた方法によって検索し、Dof遺伝子に変異が導入されている二つのラインを選抜した。一つは新しいDof遺伝子にMutatorが導入されているとみられたが、もう一つのラインはDofl遺伝子が破壊されたラインであると判断された。現在、これらのラインの詳細な解析を行うと同時に、homozygoteの作成を行っている。次年度はこの株の表現型を解析することにより、Dof遺伝子の植物個体レベルでの機能を解析する予定である。
多軸マイク・スピーカーアレイと追跡視覚とによる複数人物への局所的音声送受

本研究の目的は、対象とする人の頭部周辺に「スポクト状」の高感度・高音圧分布を作り出してS/N比の高い集音・伝送を実現し、たとえその人が動いても、それに対してスポット状高感度・高音圧分布を追従可能な対象人物追従型遠隔伝声システムの実現を目指すことにある。このため具体的には多軸マイクアレイ・スピーカーアレイによる「スポットフォーミング」技術と、実時間追跡視覚による移動対象人物へのスポット実時間追従技術とを提案し、提案に基づく実験システム構築を通じてシステム構成法を明らかにする。これにつき、今年度は以下の3項目に取り組んだ。1)多チャンネルスピーカーアレイと実時間視覚との結合従来は、システム稼働中は、サウンドスポット位置が予め設定した位置に固定であったが、昨年度に、これを稼働中にも独立して変更可能となるよう機能拡張した。今年度は、昨年度に開発したこのサウンドスポット位置移動可能化技術と実時間視覚とを結合した。これにより、対象とする人物が動いてもそれに追随してサウンドスポットを追跡・移動させるような効果が実現できた。2)直交3軸スピーカーアレイの構築と3次元空間中任意位置でのスポット形成既設のスピーカーアレイを直交3軸に拡張し、空間中の任意の位置にスポットが形成できるようにし、3次元音場測定実験により確認した。3次元の音場測定には、きわめて多数の測定点での音圧測定が必要であり、そのための測定装置も構築した。3)音圧分布の時間変化に関するシミュレーションの展開計算力学的手法法を活用し、スピーカーアレイが生成する音圧の空間的分布の時間変化を数十マイクロ秒オーダの微少時間間隔でシミュレートする技術の開発に昨年度より着手した。2次元平面内に限定した、反射も吸収も無い状況のシミュレーションは実現できたので、今年度は反射、吸収の導入を図った。3次元への拡張についても検討を行った。本研究の目的は、対象とする人の頭部周辺に「スポット状」の高感度・高音圧分布を作り出してS/N比の高い集音・伝送を実現し、たとえその人が動いても、それに対してスポット状高感度・高音圧分布を追従させることが可能な対象人物追従型遠隔伝声システムの実現することにある。このため、具体的には多軸マイクアレイ・スピーカーアレイによる「スポットフォーミング」技術と、実時間ステレオ追跡視覚による移動対象人物へのスポット実時間追従技術との統合を図る。この目的のため、今年度は以下の項目について研究を実施した。1)スポット位置のリアルタイム移動可能化前年度までに構築したスピーカーアレイでは、各スポットの位置は、システム稼働中は予め設定した位置に固定であった。これを稼働中にもそれぞれ独立して変更可能となるよう拡張した。2)多軸スピーカーアレイによる3次元音場制御前年度までに構築した2軸のスピーカーアレイを拡張して3軸のスピーカーを構築した。これを用いて3次元音場の制御を行い、スポット位置を任意の3次元位置に設定することに成功した。3)マイク・スピーカアレイの組み合わせによる空間的音圧分布の測定スピーカーアレイが形成する音圧の分布を3次元的に把握するためには、多数の測定点で音圧を測る必要がある。このため、マイクアレイを用いて複数点での音圧分布を同時に測定するようにし、測定効率を向上させて数千点での測定を実現可能とした。4)音圧分布の時間変化に関するシミュレーション計算力学的手法および並列計算手法を活用して、スピーカーアレイが生成する音圧の空間的分布の時間変化を数十マイクロ秒オーダの微少時間間隔でシミュレートすることができた。
軸索を切断された神経細胞のシナプス再生機能の解析

従来、中枢神経系の神経細胞には再生機能がないと考えられていたが、近年の研究により、軸索の切断や神経細胞の欠落などの障害時には、神経回路の再編成が行われることが明らかとなった。私は、海馬の神経回路網を保持したまま組織培養するという高度な手法を用いて、苔状線維を人為的に切断したところ、切断された線維は約一週間後には形態、機能ともにほぼ完全に回復することを明らかにした。この現象に対し種々の薬理学的検討を行い、苔状繊維の再編成には、cAMP/PKA・cGMP/PKG系(J.Neurosci., 21 : 6181-6194, 2001.)、代謝型グルタミン酸受容体(J. Physiol. (Lond.), 539:157-162, 2002)のシグナルが関与していることを示唆した。上記のように私は予定された通りの研究を平成13年度に遂行し、予想されていた以上の多くの知見を得ることに成功した。とくに、代謝型グルタミン酸受容体の関与は注目すべき発見である。従来、グルタミン酸は主要な神経伝達物質として認識されていたが、本研究では、神経回路の形成の調節因子として、新規な役割を見出すことに成功した。これは、同アミノ酸の役割に対する既成概念を覆す重要な知見である。また、苔状繊維の再生過程は、NMDA受容体→AMPA受容体の順に行われ、特にNMDA受容体伝達の再構築は3日程度で十分であることを見出した。本成果は現在投稿中である。この知見は、サイレントシナプスから機能的シナプスへの転換が神経機能再生への律速段階であることを示唆しており、再生医療における新たな医薬ターゲットを提唱している。この現象に対し種々の薬理学的検討を行い、苔状繊維の再編成にはL-type Ca^<2+>チャネルの活性化(Neuroscience98:647-659,2000)、cAMP/PKA・cGMP/PKG系(投稿中)、mGlu受容体(投稿準備中)、BDNFシグナル(研究進行途中)が関与していることを示唆した。このように私は予定通りの研究を平成12年度に遂行し、予想されていた以上の多くの知見を得ることに成功した。また、L-type Ca^<2+>チャネルに関しては、培養系に留まらず、in vivoの系でも検討を重ね、マウスのてんかん発作後に観察される苔状繊維の異常形成がL-type Ca^<2+>チャネル阻害薬で抑制されることも明らかにし、臨床における有効性も示唆した。平成13年度は、以上で得られた基礎データに基づいて、再生機能を亢進させる方法を探究する予定である。とくにBDNFは機能亢進効果が期待できる内因性物質であるため、まずはこの因子の中心に作用の解析を進める。
Helicobacter pyloriの感染が胃癌の発生に与える影響

予備検討:本実験の前に、疫学的背景を探るため、56名の胃癌患者におけるH.pyloriの感染率を組織鏡検法と血清抗体法により調査した(詳細は添付した別刷を参照)。その結果95%以上の感染率を照明した。両検査法の相関は良好であるが、samplin errorと侵襲性、および大量検体の処理の点からは後者に優越性がみられた。種々のニトロソ化合物のうちヒト胃液内で最も高濃度に存在すると推定されるnitrosodimethyl-amineをtargetに測定した。しかし含有量は極く少なく、従来の測定系では測定感度に限界があるため、その感度を上げるべく、光化学反応を用いたinterfaceを作成し増感を試みた。しかし十分な分解能を得るには、さらに10-100倍程度の感度の上昇が必要であり、現在検体の濃縮法を模索中である。2.胃液中の発癌抑制物質の定量パイロット的に少数例で除菌前後の胃液中のascorbic acidを測定したところ、除菌後に上昇する傾向が窺われた。しかし上記のように胃癌患者では多くが菌陽性で、かつ偽陰性のことが少なくないため、真の陰性患者群を設けることが困難である。このため、PCR法などより感度の高い診断法を用いることも必要と思われる。3.動物における発癌とH.pyloriの関連H.pyloriはヒト、サルでは胃粘膜における感染が比較的容易に成立するが、ラットでは菌の定着率、およびその持続率が極端に低いことが判明した。そこでH.pyloriの類似菌でイヌ、ネコに感染率の高いH.felisを入手し投与を準備しているが、感染し難い場合は無菌ラットを用いることも考慮している。
動脈硬化保護作用をもつ新規善玉ペプチド：虚血性心疾患の診断及び治療薬への応用

ヒト新規ペプチドのVasostatin-1およびVaspinの動脈硬化抑制作用を世界で初めて明らかにするため、我々が最も得意とする基礎および臨床の両面からなるトランスレーショナルリサーチを行って検証した。1.ヒト血管壁細胞を用い動脈硬化抑制作用をin vitroで検証:動脈硬化の主要現象である内皮細胞の炎症、マクロファージの泡沫化、平滑筋細胞の遊走、細胞外マトリックス(コラーゲン3、フィブロネクチン)の産生に対して、Vasostatin-1は抑制的に働いた。また、Vaspinは、マクロファージの泡沫化、平滑筋細胞の遊走・増殖を抑制した。2.動脈硬化モデル動物への投与にて動脈硬化抑制作用をin vivoで実証:Vasostatin-1またはVaspinをアポE欠損マウスに浸透圧ポンプを用い4週間投与したところ、大動脈における動脈硬化病変の進展を有意に抑制できた。3.動脈硬化患者における臨床的検討:橈骨動脈の中膜のメルケベルグ硬化病変内においてVasostatin-1の発現は増加していた。また、Vaspinは冠動脈病変内に強く発現していた。これらは、動脈硬化の進展に抗うように反応性に増加していたものと推測された。以上から、Vasostatin-1およびVaspinは、動脈硬化抑制作用を有していることが明らかになリ、動脈硬化に対する予防・治療薬の可能性が高いと考えられた。研究分担者や連携研究者の全員が自分の役割をしっかりと果たし協力し合ったことで、実施計画は全般的にみて順調に遂行されていると思われる。今後は臨床研究を基盤に、Vasostatin-1を用いた冠動脈疾患のバイオマーカーの有用性の検討および同疾患に対する予防・治療薬の開発(創薬)を堅実に遂行していく。2.動脈硬化治療薬の開発(創薬):Vasostatin-1のアミノ酸配列において抗動脈硬化作用を有する活性中心を含みかつ副作用の無い低分子アナログ製剤を精製し、動脈硬化治療薬の開発を進めていく。並びに、ナノカプセル等のドラックデリバリーシステムを開発していく。3.研究成果をまとめて発表:学会やシンポジウムでの発表、国際学術誌に論文を執筆・投稿していく。ヒト新規ペプチドのCatestatin、ヒトGTP代謝産物であるNeopterin、ファイトケミカル(植物ホルモン)のOsmotinの動脈硬化抑制作用を世界で初めて明らかにするため、我々が最も得意とする基礎および臨床の両面からなるトランスレーショナルリサーチを行って検証した。1.ヒト血管壁細胞を用い動脈硬化抑制作用をin vitroで検証:動脈硬化の主要現象である内皮細胞の炎症、マクロファージの泡沫化、平滑筋細胞の遊走・増殖、細胞外マトリックスの産生に対して、Catestatin、Neopterin、Osmotinは共に抑制的に働いた。2.動脈硬化モデル動物への投与にて動脈硬化抑制作用をin vivoで実証:Catestatin、Neopterin、OsmotinをアポE欠損マウスに浸透圧ポンプを用い4週間投与したところ、大動脈における動脈硬化病変の進展を有意に抑制できた。3.冠動脈疾患患者における臨床的検討:CatestatinおよびNeopterinの冠動脈病変内の発現は共に増加していた。これは、動脈硬化の進展に抗うように反応性に増加したものと推測された。血中濃度では、非冠動脈疾患患者に比べ冠動脈疾患患者では、Neopterinは有意に増加していたが、Catestatinは有意に低下していた。Catestatinの血中濃度が低下していたのは、急性冠症候群の発症直後であったため過剰に分泌されていたカテコラミンがCatestatin分泌に対し抑制的に関与していたことが推測された。Catestatinとカテコラミンには負の相関が既に報告されている(Biomarkers 2011;16:327-7)。以上から、Catestatin、Neopterin、Osmotinは、動脈硬化抑制作用を有していることが明らかになリ、動脈硬化に対する治療薬の可能性が高いと考えられた。

研究分担者や連携研究者の全員が自分の役割をしっかりと果たし協力し合ったことで、実施計画は全般的にみて順調に遂行されていると思われる。今後は臨床研究を基盤に、CatestatinとNeopterinを用いた冠動脈疾患のバイオマーカーの有用性の検討、並びにこの2つの血管作動性物質に加えファイトケミカルであるOsmotinを利用した同疾患に対する予防・治療薬の開発(創薬)を堅実に遂行していく。2.動脈硬化治療薬の開発(創薬):Catestatin、Neopterin、Osmotinを用いて、各々のアミノ酸配列において抗動脈硬化作用の活性中心を含みかつ副作用の無い低分子アナログ製剤をそれぞれ精製し、動脈硬化治療薬の開発を進めていく。並びに、ナノカプセル等のドラックデリバリーシステムを開発していく。3.研究成果をまとめて発表:学会やシンポジウムでの発表、国際学術誌に論文を執筆・投稿していく。今後は臨床研究を基盤に、Vasostatin-1を用いた冠動脈疾患のバイオマーカーの有用性の検討および同疾患に対する予防・治療薬の開発(創薬)を堅実に遂行していく。2.動脈硬化治療薬の開発(創薬):Vasostatin-1のアミノ酸配列において抗動脈硬化作用を有する活性中心を含みかつ副作用の無い低分子アナログ製剤を精製し、動脈硬化治療薬の開発を進めていく。今年度生じた残金(6914円)だけでは、必要なものが買える金額ではなかった為、予算の有意義な使用を考え、来年度予算と合わせて消耗品を購入する予定である。年度境に差し掛かる時期の論文掲載料として確保しておりました。論文掲載料として必ず使用致します。
視標追跡に基づく手術手技の科学的分析と新時代の教育方法の開発

ふたつの研究を実施した。まず、特別なスキルを持つ熟達者の視線解析を試みたが、現在用いられているアイトラッカーは、眼鏡をかけている場合には正確な視線を得ることができないため、十分な解析は行えなかった。つぎに、熟練者の視線による手術教育効果を検討したところ、腹腔鏡下の縫合結紮は、腹腔鏡で用いる器具を操作した経験のある場合に効果を認めた。以上より、医学教育におけるアイトラッキングの応用は十分に可能であるが、日本人に多い眼鏡をかけている場合の正確な視線測定が課題であると考えられた。日本産科婦人科内視鏡学会の技術認定医取得者、技術認定医取得を目指している中堅医師ならびに日本産科婦人科学会専攻医の各々の範疇に入る術者の術中アイ・トラッキングを実施した。また、婦人科腹腔鏡下手術において、世界的に技量が認められている術者の術中アイ・トラッキングも施行した。ドライボックスによるトレーニング中の日本産科婦人科内視鏡学会の技術認定医取得者および初心者としての臨床実習中の医学生のアイ・トラッキングを実施した。被験者が裸眼であれば、眼鏡タイプのアイ・トラッカーでのアイ・トラッキングは容易であった。しかし、被験者がもともと眼鏡をかけていると、視点追跡が不確実になる場合があった。また、両眼で計測を行った場合には、視点が微妙にずれる恐れのあることが判明した。また、眼鏡タイプのアイトラッカーを固定した帽子を着帽して手術に臨んだ場合、時間経過とともに位置のずれが生じる可能性がある。一番の問題点は、被験者が裸眼であれば、眼鏡タイプのアイ・トラッカーでのアイ・トラッキングは容易であるが、被験者がもともと眼鏡をかけていると、視点追跡が不確実になる場合があることである。また、両眼の計測を行う場合、あるいが眼鏡タイプのアイトラッカーを帽子に固定して装着した場合には、時間経過とともに位置のずれが生じることも判明しており、データ解析に至っていない。ドライボックスを用いた腹腔鏡縫合実習を行う医学部医学科5年生90人を対象とした。熟練した術者により持針、運針、および第一結紮・第二結紮を行うまでの手技を録画した映像を作成し、術者の視線を画面に表示した画像および術者の視線を表示しない画像の2種類の画像を準備した。対象90人を、視線のある画像を見せる群と、視線のない画像を見せる群に分け、一定時間の練習ののち、縫合結紮完了までの時間を計測した。解析に当たっては、本研究参加以前に腹腔鏡実習を受けたことがあるか否かによりさらに細分し、視線のある画像を見た群の中で腹腔鏡経験がある群(A群)、視線のある画像を見た群の中で腹腔鏡経験のない群(B群)、視線のない画像を見た群のなかで腹腔鏡経験がある群(C群)、視線のない画像を見た群の中で腹腔鏡経験がない群(D群)の4群で検討した。A群とB群の間で有意差を認め、熟練者の視線による教育効果は器械の操作を経験後に発揮されることが示唆された。今後は術者のアイ・トラッキングを利き目のみに限定し、かつ時間も制限した上で各々の術者のデータを蓄積して、各人の特性の検討に入る。また、手術教育の成果を得るために、ドライボックスによるトレーニングにおけるアイ・トラッキングの有用性の検討を推進する。産婦人科
二核パラジウム錯体を単位ユニットとする鎖状多核錯体の合成と機能付与

金属イオンを含む分子集合体は電気伝導性化合物に代表されるように多種多様な立体構造と酸化状態を取ることが可能であり、単核には見られなかった新規な物性や機能を発現することから興味が持たれる。このような機能性分子集合体を構築するためには単核および二核錯体ユニットを橋かけ配位子やspacerを用いて秩序正しくつないだり積み重ねたりすることが必要不可欠である。本研究では二核Pd(I)錯体を橋かけ配位子を用いてつないだ一次元鎖状多核Pd錯体の構築を試み、その系統的合成法を確立する共に、その構造および性質を明らかにした。具体的には二核Pd(I)錯体[Pd_2(dppm)_2]^<2+>(1)(dppm=1,1′-ビス(ジフェニル)フォスフィノメタン)をprecursor錯体とし、橋かけ配位子である1,4-ジイソシアノベンゼンや4,4′-ビフェニルジカルボニルなどを反応させ一次元鎖状Pd錯体の構築を行ない、これらの構造をNMR、IR、元素分析などから明らかにした。またこれらの詳細な構造を明らかにするため単結晶化を行ない、現在単結晶X線構造解析を行なっているところである。さらにこれら一次元鎖状Pd錯体に機能を付与させるため部分酸化やオレフィン類などとの反応も行ない、その物理化学的性質も明らかにした。今後、SやP原子を含む種々の橋かけ配位子を用いて、新規な多核Pd錯体の合成を試み、その構造および性質を明らかにして行く予定である。
シリコン系化合物の耐放射線機構の解明とその応用

鉄(Fe)あるいはFe-Si化合物をターゲットとするイオンビームスパッタ蒸着(IBSD)法において、蒸着前に13keVのNeイオンによるスパッタ洗浄と加熱アニールを適切に組み合わせ、973Kで100nm程度の膜厚を有し、単相でかつ基板とエピタキシャル関係にある高配向性β-FeSi_2薄膜が再現性よく作製できることを明らかにした。さらに、高配向β-FeSi_2膜の成長に適した条件を基板温度と蒸着膜厚の関数として探索する過程で、従前の成膜条件よりもさらに100K低い温度でこれまでと同程度の良質な高配向膜を得ることができた。また、Fe_2Siターゲットを使用することにより、Feターゲット使用時よりもさらに数10%程度厚い高配向膜を得た。この高配向膜と基板との間に急峻な界面が形成されることを断面構造観察により明らかにし、β-FeSi_2とSiのヘテロ接合が可能で、半導体デバイスへの応用にも有望であることを示した。加えて、元素組成に関する深さ方向分析を行い、薄膜上の酸化被膜の厚さが1nm以下と非常に薄く、耐酸化性の点でも非常に優れた特性を有していることを明らかにした。一方、高エネルギー重イオン照射による電子励起効果を利用して、半導体相であるβ相から高温相でかつ金属相であるα相への転移が起こるか否かを検討したが、136MeV Xeイオンを照射した場合、照射を重ねるにつれ、β-FeSi_2としての結晶構造は認められなり、またα相への転移も認められなかった。しかし、低フルエンスでも常温付近で電気的な接触がとれなくなるほど電気特性の劣化が著しかったSiとは対照的に、鉄シリサイド膜の場合は、室温でSiと同様、みかけの移動度が著しく減少する傾向が認められたものの、電気特性自体は精度良く測定できることを確認した。さらに、発光測定により薄膜や基板に対する照射効果の検討が可能であることが分かった。シリコン(Si)は半導体材料であるとともに、低放射化材料の一つとして原子力材料としての利用も期待される。しかし、照射に対して敏感であるため、本研究では、Siの耐放射線性を向上させる試みの一環として、イオンビーム等を用いてβ-FeSi_2相を創出し、Siの改質を試みた。さらに、これに対して高エネルギーイオン照射等を行い、照射前後での特性変化を調べることにより、改質Si相への照射効果を明らかにし、耐放射線性材料創製のための指針を得ることを目標に掲げた。今年度は、まず鉄(Fe)あるいはFe-Si化合物をターゲットとするイオンビームスパッタ蒸着(IBSD)法により、Si(100)基板上にβ-FeSi_2薄膜の合成を試みた。蒸着前に13keVのNeイオンによるスパッタ洗浄と加熱アニールを適切に組み合わせることで、100nm程度の単相で、かつ基板とエピタキシャル関係にある高配向性β-FeSi_2薄膜が再現性よく作製できることを、X線回折法や反射高速電子回折法により明らかにした。これは、Neイオンの照射により、基板表面上の自然酸化膜が除去され、その後のアニールで照射により乱された基板の結晶性が回復し注入されたNeが脱離するばかりでなく、照射によってシリサイド化反応が促進されたためと考えられる。また、透過型電子顕微鏡による断面観察により、基板との間に急峻な界面が形成されることが分かった。このことは、β-FeSi_2とSiのヘテロ接合が可能で、半導体デバイスへの応用も有望であることを示唆している。

加えて、放射光を用いたX線光電子分光法による深さ方向分析によると、薄膜上の酸化皮膜の厚さは1nm以下と非常に薄く、耐酸化性の点でも非常に優れた特性を有していることが分かった。現在、所内の各イオン照射設備等を用いて、今年度作製したβ-FeSi_2相に対する照射改質に関する研究を進めている。本研究では、Siの耐放射線性を向上させる試みの一環として、イオンビームスパッタ蒸着(IBSD)法を用いてβ-FeSi_2相を創出し、Si表面の改質を試みた。さらに、これに対して高エネルギーイオン照射等を行い、照射前後での特性変化を調べ、改質Si相への照射効果に関する知見を得ることを目標に掲げた。実験では、高エネルギー重イオン照射による電子励起効果を利用して、半導体相であるベータ相から高温相でかつ金属相であるアルファ相への転移を期待した。X線回折測定によると、136MeV Xeイオン(13-14価)を照射した場合、低フルエンスでは、結晶構造はほとんど乱されなかったものの、その後照射を重ねるにつれ、ベータ鉄シリサイドとしての結晶構造は認められなくなった。また、アルファ相への転移も認められなかった。一方、電気特性に関しては、対照実験として行ったSi基板への照射において、低フルエンスでも常温付近で電気的な接触がとれなくなるほど電気特性の劣化が著しかった。しかし、鉄シリサイド膜の場合は、室温でSiと同様、みかけの移動度が著しく減少する傾向が認められたものの、電気特性自体は精度良く測定できることを確認した。イオンビームと固体表面の相互作用に関する情報を得るために、発光測定を行った。本手法によるβ-FeSi_2としては初めて、100K以下の温度にて0.77及び0.83eV付近に発光ピークを観測した。さらに、1153Kでアニールすることにより、ピーク位置は0.81eV付近にシフトするものの、ピーク強度は1桁以上増加した。Siも同様に0.81eV付近に転位に起因するピークを有するが、Si基板単独に対する発光測定の結果と比較検討することにより、このピークは基板固有のものでも、基板に対するスパッタ洗浄処理に由来するものでもないことを明らかにした。
甲殻類の心臓に存在する冷応答細胞の膜特性の解析

甲殻類(エビ)の心筋は心臓神経節からの神経インパルスを受け、通常、興奮性接合部電位(EJPs)の加重のみで収縮している。ところが、温度降下に伴い活動電位(スパイク)がEJPsの上に生ずるようになり、その振幅は温度降下に比例して増大した。このスパイクは低温下での筋収縮に寄与していると考えられた。冷応答性のスパイクの生成に関連して、Ca^<2+>チャネルが寄与していることは、Coイオンによる阻害効果から明らかであった。しかし、スパイクの振幅変化にK^+チャネルの寄与があるのではと疑われた。そこで、K^+チャネルの寄与の有無を先ず調べた。K^+チャネルの阻害剤のTEA(5mM)を投与すると、EJPsの振幅が増大し、スパイクが起こることもあったが、K^+チャネルへの温度作用でスパイクが生成することはなかった。従って、EJPs上に生ずるスパイクは、閾値の高いL-typeのチャネルを介して生じており、温度降下に比例して内向きのCa^<2+>電流が増大するものと解釈された。事実、Ca^<2+>電流がニフェディピンで阻害された。また、このCa^<2+>電流の増大にGTP結合蛋白質(Gタンパク)が関与している可能性が考えられた。そこで、Gタンパクのサブユニット(GDP-β-SとGTP-γ-S)の細胞内への注入実験を行った。その結果、内向きのCa^<2+>電流がGDP-β-Sの注入で減少し、GTP-γ-Sの注入で増大した。これらのサブユニットはCa^<2+>チャネルの開閉の調節に関与している。従って、このチャネルの開閉の程度がGタンパクへの温度の作用で変わると考えられた。すなわち、筋膜の興奮度が温度変化と逆の方向に変わり、補正されることが示唆された。一方、L-typeのCa^<2+>チャネルを阻害するニフェディピンやコバルトイオンを繰返し与えていると冷応答性のCaスパイクが時々生じなくなった。しかし、この消失したCaスパイクが、囲心腔ホルモンのプロクトリンやFl(a FMRFamide-related peptide)を与えると回復した。従って、体温降下に対処する心筋膜の興奮補正機構は囲心腔分泌器官の活性化と同調してなされていることが示唆された。どの細胞も温度変化に影響され、温度低下に伴って活動度が下がるのが通常であるが、イセエビの心筋細胞は、静止電位や活動電位が温度に反比例して変化し、心機能が高まる。本研究の目的は、この特異な逆反応を生ずる膜特性あるいはチャネル制御機序を解明する所にある。しかし、この研究に至る前に、いくつかの問題を解決する必要があった。即ち、良好な単離細胞を調製し、これにパッチクランプ法を導入して研究するための実験設備の整備とその取扱いに習熟する事であった。また、既存の微小電極法と心臓組織標本による実験で、問題点を明確にしておくことであった。

先ず、心筋細胞および神経節細胞を単離する実験を試みた。その結果、まだ取得効率は悪いが、心臓組織をコラゲナーゼで処理して細胞を分離し、いくつかの健全な単離細胞の標本を得ることができた(矢沢)。12月末にやっとパッチクランプ用の備品一式が整備でき、ホールセルクランプ法およびパッチクランプ法を用いて、単離した筋細胞や神経節細胞の膜電流を計測する実験に着手した(蔵本)。また、イオンチャネルや細胞内の信号伝達系を制御または阻害する物質を作用させ、膜の温度応答に関わるイオンチャネルの挙動を調べる実験にも着手した(蔵本)。しかし、実験が首尾良く行かず、目的のデータはまだ得られなかった。研究計画どうり、来年度に成果を期待している。微小電極法で、冷応答にCa^<++>チャネルの活性化があると予測できていたが、K^+チャネルの抑圧による可能性もあった。この可能性はK^+チャネルの抑制剤(Tetraethy lamm onium)を投与して調べた結果、除外できた。従って、来年度はCa^<++>チャネルの挙動に絞った研究に集中する事ができる。イセエビの心筋細胞膜の興奮度は、温度低下に比例して上がり、心機能が高まる。本研究の目的は、この特異な膜特性を担っているイオンチャネルの制御い機序を解明することにある。前年度に引継いで、心筋細胞を単離する実験を試み、いくつかの単離細胞の標本を得ることができた(矢沢)。しかし、生理状態が保てず、パッチクランプ法による膜電流に記録には、成功できなかった(蔵本)。甲殻類では、個々の筋細胞が密に神経支配を受けている。このシナプスの存在が、単離筋細胞の生存および膜の機能維持を難しくしていると思われた。ところが、心臓組織内の細胞にパッチクランプ法を適用して、実験している内に、筋の膜電流が心臓内でそのまま計測できることを発見した(蔵本)。しかも、シナプス電流を含めて活動電流が、比較的大きい変化として安定に記録できた。細胞を単離しないと研究できないと云う先入観にとらわれていたが、心臓全体の機能を見ながら、筋膜のイオンチャネルの挙動を解析できることが分かってきた。これは、むしろ、当初の研究計画を更に前進させた研究に導くものであった。この新しい膜電流記録法と本来の計画とにより得られた研究成果を下記に要約した。1)温度低下に伴って振幅を増す心筋のスパイク電位は、Lタイプに分類されるCa^<2+>チャネルによっており、このCa^<2+>チャネルの活性化は、ロブスターで発見されたFMRFamide(F1)またはFMRFamide関連ペプチドによっており、囲心腔器官の分泌作用により制御されうると考えられた。2)温度低下に伴って増大する電位依存性のCa^<2+>電流は、細胞内に注入したGTP_γSで増大し、GDP_βで減少した。これらの薬物は、GTP結合タンパク質(G-Protain)のサブユニットで、このタンパク質機能の調節に関与している。従って、冷応答性のCa^<2+>電流の変化にG-Protainが関与しており、Ca^<2+>チャネルの開閉の程度がG-Protainへの温度の作用によって変わることが示唆された。さらに、この検証および他のイオンチャネルとの関連を次年度に行い、研究成果を統括的にまとめたい。
ペロブスカイト型金属ハロゲン化物のフィリング制御と超伝導探索

本研究では、混合原子価を示すペロブスカイト型金属ハロゲン化物ABX_3(A=K,Rb,Cs;B=Ag,Au;X=Cl,Br,l)を母体として、物質開発を行った。バンドフィリング制御の観点からは、A,Bサイト置換が必要不可欠である。(1)Aサイト置換、Bサイト置換アルカリ土類金属のBaを用いて、Aサイト置換を試みた。Bal_2とCsAul_3を用いてブリッジマン電気炉で合成を行った。黒色のサンプルを得たが、非常に不安定な物質で容易にヨウ素を遊離して分解する。今のところ精密な物性測定は成功していない。Bサイト置換については、同じくペロブスカイト構造を有する金属ハロゲン化物が有望である。この観点から、CsHg(5d^<10>)l_3とCsPb(5d^<10>6s^2)l_3に注目した。まずこれらの試料の合成を行い、CsAul_3と混合して電気炉で焼いた。各組成比においてCs(AuPb)l_3系は半導体もしくは絶縁体であった。AuとPbの価電子帯のエネルギー差が大きいためと考えられる。一方Cs(AuHg)l_3系では、電気伝導性の高い試料が得られたが、これも不安定な化合物である。Cs(Au_<0.5>Hg_<0.5>)l_3の電気伝導度を粉末加圧成形試料において測定したところ、250K付近で急激な抵抗の減少が見られた。現在詳細な解析が進行中である。Agは4dが価電子帯のためAuよりもオンサイト-クーロン反発が大きいため、混合原子価による格子歪みが小さいことが期待される。そこでCsAgCl_3の合成を試みた。まず、CslとAgClを電気炉で250°Cに加熱してCsAgCl_2を合成した。これをドラフト内で塩素ガスにて酸化しCsAgCl_3を得た。X線粉末構造解析により、CsAuX_3系と同形であることがわかった。現在、本物質の物性測定と、これを母体とした物質開発が進行中である。(3)今後の課題六方アンビル型高圧発生装置を用いた高温高圧合成法も試みる予定である。この方法は酸化物高温超伝導体の合成で注目されており、高温高圧下で合成することにより、良質の単結晶を得ることができる。またこれにより、準安定相を常温常圧下で得ることも可能である。また申請者のこれまでの研究によっても明らかなように、金属ハロゲン化物結晶において圧力は極めて強い外部摂動効果として働く。高圧力は、結晶格子定数・エネルギーバンド構造・電子-電子間相互作用・電子-格子相互作用等を連続的に変化させることにより、固体物性を変えることが可能な手法である。上記の物質において高圧下での精度の高い測定を行ない、圧力印加による物性変化について電気的性質を中心に調べる予定である。また圧力効果の検討は、物質設計の指針を得るためにも重要である。

またこれにより、準安定相を常温常圧下で得ることも可能である。また申請者のこれまでの研究によっても明らかなように、金属ハロゲン化物結晶において圧力は極めて強い外部摂動効果として働く。高圧力は、結晶格子定数・エネルギーバンド構造・電子-電子間相互作用・電子-格子相互作用等を連続的に変化させることにより、固体物性を変えることが可能な手法である。上記の物質において高圧下での精度の高い測定を行ない、圧力印加による物性変化について電気的性質を中心に調べる予定である。また圧力効果の検討は、物質設計の指針を得るためにも重要である。
3次元的に不整形な地下構造における地盤表面波の効率的解析手法の開発

地盤を伝播する表面波の理論解は、平行層地盤について導かれたものはあるが、基盤が傾斜していたり、表層地盤が3次元的に変化しているような場合には、従来の意味での表面波は厳密には存在せず、境界条件や地盤形状を反映した複雑なものとなる。そこで我々が既に開発している有限要素技法を用いた平行層地盤におけるラブ波の簡易数値解析手法を拡張して3次元的不整形地盤に適用するために、平行層仮定によって導かれた表面波の解し振動形,位相速度,群速度等)がどのような条件ならば不整形地盤における近似解として工学的に許容できるかを数値解析と模型実験によって明らかにした。まず、最も簡単な不整形地盤として傾斜した基盤を持つ2次元地盤を考え、この地盤の振動・波動特性を数値解析的に調べた。要素内一定ひずみの有限要素法によって、この地盤の固有値解析を行った結果、(1)勾配が20%以下の傾斜地盤の深さ方向の振動形は低次の場合には平行層における振動形と相似であること、(2)傾斜地盤上のある点での卓越周期はその地点での層厚から1/4波長則によって計算された周期よりも1020%短かいこと、等がわかった。次にアクリルアミドゲルを用いて、勾配が10%未満の模型弾性地盤を作成し、この地盤における波動伝播特性を調べた。その結果(3)傾斜層内の位相速度や群速度はその点の層厚を持つ平行層の値とほぼ等しいこと、自由表面上の一点を単発加振した場合、(4)波が深い方向から浅い方向へ伝播する場合には各地点ではその地点の層厚に対応した周期成分があらわれること、(5)波が浅い方向から深い方向へ伝播する場合には、加振点の層厚に対応した周期成分が各地点に現れ、これよりも長い周期成分を持った波は伝わらないこと、等がわかった。これらによって3次元的不整形地盤における表面波動に対する効率的な解析手法を開発しうる手がかりが得られた。
生体におけるKeap1攻撃ストレスの時空間的分布と応答プログラムの解析

Keap1-Nrf2制御系は、活性酸素種・親電子性物質に対する応答システムとして、生体防御において重要な役割を果たしている。通常Keap1の作用により分解されているNrf2は、刺激により安定化し、生体防御系遺伝子群の発現をもたらす。Keap1は反応性の高いシステイン残基を複数有しており、活性酸素種・新電子性物質に応じてNrf2を安定化させるセンサーとして機能する。本研究では、生体における「Keap1攻撃ストレス」の時空間的分布を明らかにし、個々のKeap1攻撃ストレスがもたらす素反応が、個体という統合されたシステムにおいてどのように位置づけられるのかを明らかにすることを目的とした。Keap1攻撃ストレスを生体においてモニタリングするために、Neh2-tdTomatoレポーターマウスを作成した。骨髄幹細胞分画に含まれる未分化骨髄細胞は、親電子性物質への曝露により、tdTomato蛍光を増強させ、Nrf2の標的遺伝子の発現上昇も確認できた。このことから、骨髄幹細胞において、Keap1-Nrf2制御系が利用されていることがわかる。さらに、同システムが正常骨髄幹細胞の維持に重要な貢献を果たしていることを示唆する結果を得た。一方、Nrf2の活性制御の要であるKeap1のタンパク質量が積極的に制御を受けていることが明らかになった。Keap1タンパク質は、オートファジーにより分解されており、Keap1が親電子性物資により修飾をうけるとその分解が促進されることがわかった。さらに、Keap1が有する高反応性システインの中で、特定の残基の修飾が、オートファジーによる分解を促進することも明らかになった。親電子性物質に反応したあとのKeap1タンパク質の制御機構の解明により、親電子シグナルに対する応答の多様性が明らかになった。本研究では、生体における「Keap1攻撃ストレス」の時空間的分布を明らかにし、個々のKeap1攻撃ストレスがもたらす素反応が、個体という統合されたシステムにおいてどのように位置づけられるのかを明らかにする。そして、Keap1によるセンシング機構の観点から、様々な病態に伴うストレスの実体を類型化して理解する。さらに、個体の発生・分化過程や個体全体としての恒常性維持過程におけるKeap1-Nrf2制御系の貢献を明らかにすることを目的とする。平成21年度は、Neh2-tdTOMATOレポーターマウスを作製した。同マウスは、親電子性物質やLPSの投与により、細胞にtdTOMATOの赤色蛍光蛋白質が蓄積する。とくに、顆粒球系細胞においてその蓄積が顕著であった。また、Nrf2の遺伝子発現をモニタリングするために、Nrf2遺伝子領域を含む約200kbpのBACクローンを用いて、tdTOMATOレポーターマウスを作成した。同マウスでは、リンパ球以外り細胞系列でのNrf2の発現を定量的によくモニタリングできることがわかった。特に、骨髄前駆細胞において、Nrf2の発現が高いことがわかった。また、巨核球分化におけるNrf2の役割として、細胞殖を促進し、かつ、生体防御系遺伝子の発現を促進することで細胞内ROSの蓄積を抑制し、巨核球の過成熟を防いでいることがわかった。さらに、低線量の放射線照射によりNrf2が安定化することを見いだした。
骨質低下型骨粗鬆症への骨増生インプラントの臨床応用に向けた基礎的研究

本研究では,マイクロ・ナノ構造におけるマイクロ構造の最適化を目的とし,サンドブラスト処理により種々の大きさのマイクロ構造を形成し,さらに陽極酸化処理によりナノ構造を持つナノチューブ酸化膜を形成した.試料の算術平均表面粗さ(Ra)および粗さ曲線要素の平均長さ(RSm)はブラスト粒子の粒径の増加に伴い増加した.骨芽細胞様細胞は,Ra=0.6μm,RSm=11.1μmに制御されたマイクロ・ナノ構造試料において細胞増殖能の促進が認められた.骨粗鬆症は,骨芽細胞と破骨細胞のカップリングの不調和により骨形成の低下や,骨吸収の増加,骨質の劣化などが生じることが明らかとなってきた.そこで,我々は骨芽細胞の反応をマニピュレートすることを目的としたベクトルマテリアルを作製するために,生体親和性を有するセラミックスを,電気分極を用いて表面改質を行い,培養細胞の増殖・接着・分化に及ぼす影響を検討する実験系を確立してきた.チタンインプラントのコーティング方法で幅広く臨床応用されている,マイクロアーク酸化(MAO)により形成された酸化チタンは,電気分極処理により表面電荷を制御可能であり,分極酸化チタン上で骨形成が増加することを報告した.そこで,本年度は,表面電荷を最適化する為に,種々の条件で酸化チタンに対して電気分極処理を行い,以下の知見を得た.1:分極温度を変化させた場合,100°Cでは表面電荷は制御不可能であったが,200,300,400°Cで電気分極処理を行った場合,表面電荷が制御できることが分かった.また,400°Cにて加熱し,直流電界を100,200,300,400V/mmに変化させ,表面電荷制御を試みたところ,直流電界の増加に伴い,表面電荷が増加する傾向を示した.以上の事から,酸化チタンは酸素空孔を主なキャリアとし,イオン分極もしくは空間電荷分極により表面電荷を制御可能であることが示唆された.2:本実験によりMAOにより形成された酸化膜は,形成直後から表面電荷に極性が存在することが明らかとなり,酸素空孔とは異なるキャリアが存在することが示唆された.本キャリアは300°C以上の熱処理により,その配向性を失うことから,今後,キャリアの同定が必要と考えられる.3:種々の条件で電気分極処理を行った試料の水を用いた静的接触角を計測したところ,電圧の上昇に伴い,ぬれ性の向上が認められた.骨粗鬆症は,骨芽細胞と破骨細胞のカップリングの不調和により骨形成の低下や,骨吸収の増加,骨質の劣化などが生じることが明らかとなっている.骨粗鬆症の原因とされている女性ホルモンの低下は,骨芽細胞の増殖や分化等の機能を抑制する.生体内に埋入されたインプラント材料は,骨芽細胞により形成された骨と強固に結合することによりその機能を発揮する.インプラント材料の表面電荷や表面性状は,骨芽細胞の増殖や分化を制御することから,様々な表面改質法が検討されている.我々は,表面電荷を制御したチタンインプラントを開発し,その効果を検討したところ,骨芽細胞分化の指標であるアルカリフォスファターゼ活性の向上を認めた.また,生体材料の表面形状が細胞機能を制御する事から,我々は陽極酸化法を用いて,チタンインプラント表面に直径数十ナノメートルの孔を有するナノチューブコーティングと,サンドブラスト処理による直径数マイクロメートルから数十マイクロメートルのクレーター状の圧痕を有する階層性コーティング処理を開発した.本コーティング法は,現在臨床応用されている表面改質法のサンドブラスト過程に用いる研摩材を変更し,投射条件等を最適化したため,臨床応用しやすいことが利点とされる.形成されたマイクロメートル構造は,研摩材の種類により,厳密に表面粗さが制御可能であることから,細胞機能を制御する表面粗さの指標を提示可能となる.本コーティング法で作製したマイクロメートルの表面構造を有するチタン上では,細胞の伸展面積の減少と,細胞増殖能の亢進が認められた.本年度は,生体材料として広く使用されているチタン表面に陽極酸化処理によりナノチューブコーティングを行った.ナノチューブ径は,使用する電解溶液と印加電圧により制御可能であり,一般的にはフッ酸を用いる事により短時間でナノチューブが形成可能であるが,基板とナノチューブ移行部が脆弱で,超音波洗浄などで容易に剥離することが,臨床応用に向けて問題である.そこで,我々は,フッ化ナトリウムと硫酸ナトリウムを用いた電解溶液を用い,チタン表面に直径数十ナノメートルのチューブ状表面構造を付与した.本コーティング法により作製したナノチューブは強固に基板上にコーティングされた.また,マイクロメートルサイズの表面粗さを付与する為に,サンドブラストによる表面加工を試みた.現在,利用されている不定型のアルミナ粒子は,容易にチタン表面を加工可能であるが,その表面粗さは不定であり,細胞機能を制御する最適な表面粗さは未だ明らかとなっていない.そこで,球状の均一な大きさを有する研摩材を用いて,表面粗さの制御を試みたところ,直径数マイクロメートルから数十マイクロメートルの均一なクレーター状を有するチタン材料を得た.算術平均粗さおよび最大高さは,研摩材の粒径の増加に伴い増加したことから,本表面改質法により表面粗さの制御が可能であることが示唆された.前述した2種のコーティング法を併用し,マイクロ-ナノ構造を有するチタン材料を作製し,骨芽細胞様細胞MG63を播種し,その接着形態および増殖能を検討したところ,マイクロ構造を付与することにより,細胞伸展面積の減少と細胞増殖