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複合フェルミ粒子の超流動に基づく有限密度QCDと冷却原子気体の統一的解明

特別研究員三年目となる今年度は、有限密度QCD物質の特性を冷却原子・分子気体によって間接的に検証するという目的の下、前年度に引き続き冷却原子・分子気体における電気/磁気双極子相互作用をする二成分フェルミ系のモデルを構成し、その詳細な解析を行った。中性子星内部のような核子有限密度系においては、核子と中間子との間の非等方的相互作用の結果、空間的に非一様な中間子凝縮が起こると考えられている。そこで、核子を二成分フェルミ原子(又は分子)、ベクトル型中間子をフォトン(電磁場)に読み替え、磁気(又は電気)双極子型相互作用をするフェルミ原子気体のモデルを構成した。さらに、粒子数密度分布が一次元方向に周期局在化し、スピン密度期待値が反強磁性分布を持つ変分状態(Anti-Ferro Smectic-C,AFSC state)を用いて多体系の変分エネルギー関数を導出した。原子核物理における先行研究ではハートリー近似(平均場近似)による研究しかなされていなかったが、本研究ではフォック項(交換相互作用項)の寄与を算出する事にも成功した。さらに、フォック項の寄与が最大で全体の30%を占める事を示し、定量的に無視できない事を指摘した。そして、AFSC状態(非一様ベクトルボソン凝縮状態)が、自由フェルミ気体状態やフェルミ面変形状態よりもエネルギーが低くなるようなパラメータ領域(密度、結合定数領域)を特定した。また、実際の冷却原子実験における粒子数密度、原子(例えばDy)の磁気双極子モーメントの値、分子(例えばLiCS)の電気双極子モーメントが、このような非一様凝縮を実現する領域にあることを定量的に示した。以上を踏まえ、核子有限密度系における中性ロー中間子の非一様凝縮現象がフェルミ原子気体において模擬実験可能であるという結論を得た。当初は中性中間子凝縮のみを対象とし、それに対応する冷却原子系の研究を行ってきた。しかし研究を進めるうちに、荷電中間子凝縮を対象とする冷却原子系を発見した。そして、その両者を統一的に扱う理論的枠組み、及び解析手法を考案することに時間がかかってしまった。粒子数密度に偏りのある二成分フェルミ原子(分子)気体の平衡状態の性質を研究し、荷電中間子凝縮が冷却原子(分子)気体によって間接検証可能であることを示す。その場合、中性中間子凝縮と異なり、時間変化するスピン密度波を解析する事になり、そのような状態が実際の実験で用いられるレーザートラップ中でどのように観測されるかを予め理論的に記述する必要がある。有限密度QCDにおいては、高密度領域でカラー超伝導状態が実現し、低密度側では核子の形成が起こると考えられている。さらに、核子は高密度側の有効自由度であるダイクォークとクォークの束縛状態と見なすことが出来る。本年度は、ダイクォークをボソン、クォークをフェルミオン、核子を複合フェルミオンに抽象化したボソン・フェルミオン混合系の相構造の解析を行った。相構造を決める制御パラメーターとして、温度とボソン・フェルミオン間の引力相互作用の強さを用い、冷却原子気体におけるハドロン物理の模擬実験を提唱した。有限密度QCDの実験が極めて困難である現状を鑑みると、このような原子核物理から物性物理への分野横断型の模擬実験を考案する意義は、極めて大きい。また、冷却原子系を視野に入れて非相対論的なボソン・フェルミオン混合系の模型を構成し、フェッシュバッハ共鳴により制御可能な接触型相互作用を取り入れた。弱結合領域では同種粒子間に誘起される相互作用の量子補正を摂動論に基づいて計算し、ボソンの超流動相と不安定相が存在することを示した。一方、強結合領域では複合フェルミオンの自由度で記述された有効理論を導出し、それらの低エネルギー有効相互作用が引力であることを示した。これにより複合フェルミオンの超流動状態が実現しうることを明らかにした。相互作用が中間的な大きさの場合は解析計算が困難であるが、対称性の自発的破れの観点から定性的な考察をし、相図のトポロジカルな構造を決定した。強結合ボソン・フェルミオン混合系をラージN模型に拡張し、複合フェルミオン間の有効相互作用を系統的に評価する手法を単著論文で発表した。この論文において、二成分フェルミ原子気体を含むより広いモデルのラージN自由度への拡張法を提供し、非相対論的場の理論と1/N展開によるダイアグラム計算法を詳細に解析した。1/N展開の最低次では、混合系の低エネルギー有効理論は複合フェルミオンの自由フェルミ気体で記述され、その次の次数まで考慮すると、複合フェルミオン間に弱い引力が働くことを示した。これにより、極低温では複合フェルミオンの超流動状態が実現するという前年度の解析を1/N展開によって基礎づけることに成功した。核子有限密度系においては、核子と中間子との間の非等方的相互作用の結果、空間的に非一様な中間子凝縮が起こると考えられている。核子を二成分フェルミ原子、ベクトル型中間子をフォトン(電磁場)に読み替え、磁気双極子型相互作用をするフェルミ原子気体のモデルを構成した。さらに、一次元方向に局在化した変分状態を用いて多体系の変分エネルギー関数を導出し、ある密度領域では非一様なベクトルボソンの凝縮が存在する方が自由フェルミ気体よりもエネルギーが低くなることを明らかにした。また、実際の冷却原子実験における粒子数密度や原子(例えばDy)の磁気モーメントの値が、このような非一様凝縮を実現する領域にあることを示した。

以上を踏まえ、核子有限密度系における中性ロー中間子の非一様凝縮現象がフェルミ原子気体において模擬実験可能であるといら結論を得た。これらの研究成果に関する論文二編を現在、作成中である。特別研究員三年目となる今年度は、有限密度QCD物質の特性を冷却原子・分子気体によって間接的に検証するという目的の下、前年度に引き続き冷却原子・分子気体における電気/磁気双極子相互作用をする二成分フェルミ系のモデルを構成し、その詳細な解析を行った。中性子星内部のような核子有限密度系においては、核子と中間子との間の非等方的相互作用の結果、空間的に非一様な中間子凝縮が起こると考えられている。そこで、核子を二成分フェルミ原子(又は分子)、ベクトル型中間子をフォトン(電磁場)に読み替え、磁気(又は電気)双極子型相互作用をするフェルミ原子気体のモデルを構成した。さらに、粒子数密度分布が一次元方向に周期局在化し、スピン密度期待値が反強磁性分布を持つ変分状態(Anti-Ferro Smectic-C,AFSC state)を用いて多体系の変分エネルギー関数を導出した。原子核物理における先行研究ではハートリー近似(平均場近似)による研究しかなされていなかったが、本研究ではフォック項(交換相互作用項)の寄与を算出する事にも成功した。さらに、フォック項の寄与が最大で全体の30%を占める事を示し、定量的に無視できない事を指摘した。そして、AFSC状態(非一様ベクトルボソン凝縮状態)が、自由フェルミ気体状態やフェルミ面変形状態よりもエネルギーが低くなるようなパラメータ領域(密度、結合定数領域)を特定した。また、実際の冷却原子実験における粒子数密度、原子(例えばDy)の磁気双極子モーメントの値、分子(例えばLiCS)の電気双極子モーメントが、このような非一様凝縮を実現する領域にあることを定量的に示した。以上を踏まえ、核子有限密度系における中性ロー中間子の非一様凝縮現象がフェルミ原子気体において模擬実験可能であるという結論を得た。当初は中性中間子凝縮のみを対象とし、それに対応する冷却原子系の研究を行ってきた。しかし研究を進めるうちに、荷電中間子凝縮を対象とする冷却原子系を発見した。そして、その両者を統一的に扱う理論的枠組み、及び解析手法を考案することに時間がかかってしまった。粒子数密度に偏りのある二成分フェルミ原子(分子)気体の平衡状態の性質を研究し、荷電中間子凝縮が冷却原子(分子)気体によって間接検証可能であることを示す。その場合、中性中間子凝縮と異なり、時間変化するスピン密度波を解析する事になり、そのような状態が実際の実験で用いられるレーザートラップ中でどのように観測されるかを予め理論的に記述する必要がある。
神経ペプチドとモノアミンによる行動制御の可塑性と新しい技術による研究

本研究の主題は脳内神経活動を無麻酔・無拘束ラットの行動を観測しながら経時的に測定することである。ラット脳線条体にミクロ透析チューブを慢性的に挿入し、透析膜を介して脳内の神経伝達物質ドーパミン誘導体DOPACなどを連続的に採取する。採取したDOPACなどを高速液体クロマトグラフィー電気化学検出器で定量した。手術後3日目に無麻酔・無拘束で透析を行ったところ、DOPAC,HVA,5-HIAAが56時間安定であった。次に、種々の薬物に対するこれらの物質の濃度変化について研究した。パーキンソン氏病や老人性痴呆などで問題となっている脳内アセチルコリンニューロンとの相互作用について研究を行ったところ、大変興味あることを発見した。アセチルコリンニューロン作用薬として、ニコチン性とムスカリン性の二種類があるが、ニコチン性作用薬であるロベリンを透析膜を介して脳内に投与したところ、ドーパミンニューロンが活性化された。その活性化は2段階で起ることがわかった。即ち早い活性化とゆっくりとした活性化があり、早い活性化はドーパミンニューロンの終末へ直接作用して活性化していることが判明し、一方のゆっくりした活性化は他のニューロンを介してドーパミンニューロンを活性化していることがわかった。ムスカリン性作用薬であるオキソトレモリンはニコチン性作用薬と同様に2段階の反応がある。しかし、一段階目の反応はドーパミンニューロンを抑制した。これらの結果から、ラット脳線条体内のアセチルコリンニューロンは、ドーパミンニューロンを早く又はゆっくりとコントロールし、ある場合には抑制し、活性化も行うことがわかった。今後更に詳細に検討し、生理的条件下におけるいろいろなニューロンの相互作用を解明するつもりである。特に線条体にはエンケファリン,サブスタンスP,CCKなどが存在するので、これらの可塑性に伴った変化との関係を解明したい。
膜型反応器とマイクロ波照射の融合による化学反応の高効率化

ガス流通式の固体触媒反応をより効率よく進行させるため、膜型反応器とマイクロ波照射技術を組み合わせた新規な反応手法を提案し、その実現に向けた基盤研究を行った。マイクロ波照射を膜型反応器に適用する技術を開発し、流通型反応におけるマイクロ波照射効果の基礎的知見等を得た上で、非平衡的温度分布を利用した触媒反応、マイクロ波照射による活性化などについて調べ、効率的な化学反応に資する技術・知見を得た。本研究は、ガス流通式の固体触媒反応をより効率よく進行させるため、膜型反応器とマイクロ波照射技術を組み合わせた新規な反応手法を提案し、その実現に向けた基盤研究を行うものである。当該年度は、本研究のベースとなるマイクロ波照射を膜型反応器に適用するにあたっての制御技術、マイクロ波照射効果の基礎的知見について研究を実施した。まず、マイクロ波照射下での流通型気相膜触媒反応に適した装置の製作に成功した。この装置では、特に円筒型マイクロ波照射キャビティによって、マイクロ波強度が膜表面で最大となるような設計にしている。さらに、従来では特定の周波数のマイクロ波照射しか行えなかったが、新たに周波数を可変にしてマイクロ波を照射できる触媒反応器の試作に成功した。パラジウム金属膜を対象にマイクロ波照射を検討したところ、膜温度を低出力で任意かつ迅速に制御することが可能であった。その結果、高純度水素透過や透過水素による水素化反応、脱水素反応へ適用できることを実証した。マイクロ波照射効果の基盤データとして、担持金属粉体触媒や金属微粒子をコーティングしたセラミックチューブの加熱挙動、触媒反応性なども調べた。ここで各種金属によって加熱挙動が異なることや、マイクロ波加熱と従来の電気炉加熱を比較して反応管内の温度分布などが異なることを見出した。特にマイクロ波照射では触媒温度と照射空間の温度を変化させることが可能である等の知見が得られ、流通式触媒反応の新たな制御方法として利用可能であることが示された。当該年度は、前年度までの成果をベースとして、マイクロ波照射を膜型反応器に適用するにあたっての制御技術、マイクロ波照射効果の基礎的知見、さらにマイクロ波照射による触媒反応効率化の実証について研究を推進した。マイクロ波照射下での流通型気相膜触媒反応に適した装置として、従来製作した10mm反応管に加えて、新たなマイクロ波照射空間設計を行い、2mm径のチューブにもマイクロ波を集中して均一照射することを可能とさせた。ここで、一般的な2.45GHzに加え26GHzのマイクロ波照射技術も構築した。また、マイクロ波の加熱モードとして、これまでの誘電加熱に加えて、磁界を均一に発生させ膜表面に生ずる誘導電流を利用した加熱(磁界利用加熱)も可能なデバイスを製作した。これによって、従来は加熱が困難とされてきた金属薄膜の加熱も可能とし、膜触媒反応の適用範囲を大きく広げることができた。膜触媒としてパラジウム金属膜や銀薄膜などを対照にガス分離、水素化反応、脱水素反応を実施し、各種金属膜の加熱挙動や、分離、反応特性の違いなどマイクロ波照射効果についてデータを蓄積した。担持金属粉体触媒に関しても、各種の金属種、担持量の違いや、触媒の充填希釈剤の影響などについて、マイクロ波吸収特性を調べた。また流通式エタノール改質反応などの気相固体触媒反応にマイクロ波照射を利用し、電気炉に比べて優れた昇温・降温特性、マイクロ波による反応促進効果などを確認し、マイクロ波利用反応が従来報告されている液相合成反応に限らず、工業的に重要な気相流通反応でも有効であることを明らかにした。本年度は、前年度までの成果をベースとしてマイクロ波照射を膜型反応器に適用するにあたっての制御技術の改善、マイクロ波照射による膜型反応効率化の実証について研究を実施した。前年度までに膜表面を均一に加熱することが可能な装置を作成しているが、膜触媒反応への最適化を考慮して温度制御等を改善した。すなわちマイクロ波利用反応においては、照射空間内に熱電対等の導体を設置することが不可能なため、温度測定は放射温度計などを用いた非接触測定が主となる。ここで放射温度計、サーモグラフィなどを併用し、温度制御、測定の信頼性を向上した。特に照射したマイクロ波の反射波を解析することで触媒の温度を非接触で測定する手法を見出した。併せてマイクロ波照射下における触媒表面吸着種の挙動を観察するため、分光セルを設計、製作し、触媒表面の吸着水の挙動確認などに利用することを可能にした。さらに前年度までの成果を踏まえて、流通式固体触媒反応、流通式膜型触媒反応のマイクロ波による効率化を図った。その結果、いくつかの反応系(水素化、酸化等)と触媒に組み合わせによっては、マイクロ波の照射効果が顕著に現れる系があることが分かった。

特に気相流通反応では触媒吸着水の影響が著しいことなどを明らかにした。前述の温度測定の精密化を利用し触媒層温度を測定したところ、ガス流通の影響で温度分布が生じることなどが分かった。これらの影響を低減するために適切な温度制御、もしくは温度勾配を利用した反応場の構築を行い、流通触媒反応の新しい制御方法となること等を明らかにした。
高温ナノイオニクスを基盤とするヘテロ界面制御フロンティア

(1)成果報告を取りまとめるための検討を研究代表者・研究分担者・協力者等の間で行った.また関連する研究テーマの各研究グループ間の議論を進めるために,電子メールベースの議論と本研究参加者のため議論内容のWeb公開を進め,議論の内容を共有した.これまでの領域内における様々な共同研究の実現や班会議等を通じて,継続的してきた討論をさらに展開した.すなわち本特定領域研究の4研究項目の班長である研究協力者の積極的な関与とイニシアチブにより,代表者ならびに各項目責任者の積極的なリーダーシップのもとに的を絞った討論を加速して次項の研究討論会へとつなげた.(2)これまで得られてきた個別あるいは共同研究グループ単位の成果をもとにして,共通的基盤を形成する上位の基礎概念の形成を目指して,研究取りまとめを行った.(平成21年9月23-25日(ラフォーレ修善寺))具体的には,基本的な学理の形成のための項目を整理するとともに,新しい概念の提案に向けた議論を徹底的に行い,各グループで共通する結果の抽出と共通的概念を形成することができた.なお,各研究代表者に提出させた最終報告書の原稿の内容を詳しく検討すると共に,この取りまとめの議論等を含めて最終報告書原稿とした.(3)すべての研究代表者(旅費支給)と研究分担者(任意参加)による2日間の成果公開シンポジウム(平成21年12月25-26日(東京大学・山上会館:参加者74名))にて成果を公開するとともに,本研究に参画していない研究者との議論を行った.相互の研究者に関する継続的な議論を先述の電子メールならびにWebベースで進め,成果の取りまとめに向けた準備を行った.(4)成果報告書(印刷物並びにCD)として成果をまとめるとともに関係者に配布した.また,得られた結果をわかりやすい形で関係する領域の研究者や学生,若手研究者に伝えるために,続編となる関連書籍発行や国内外の学会誌等への特集記事の掲載を企画した.ナノイオニクス研究の国際的ネットワーク形成と基本的共通概念の構築のため,国内外の関連する研究者を本領域主催のセミナーへ招聘すると同時に,学会等における情報収集や研究打ち合わせを積極的に行った.得られた知見について班会議等を通じて討論し,各研究者へフィードバックした.また,代表者・分担者間の共同研究打ち合わせや班長会議を通じて関連分野の専門家の意見を聴取しながら各々の研究の有機的な連携を深めるとともに,若手研究者の育成と一般への啓蒙にも務めた.本年度は,本特定領域研究の計画研究のみが開始された初年度に当たり,下記に示すような総括班としての活動を行った.計画班長間の調整・打ち合わせは,メールによる打ち合わせを随時行った上で(1)の三回を開催し,特定領域研究の周知,各研究計画代表者・分担者間の共同研究打ち合わせ,研究討論の進め方などについて関連分野の専門家の意見も聴取しながら進めた.本年度は本特定領域研究の設定を周知するための公開研究会(1),各計画研究の内容を相互に理解して共同研究を有機的に連携して進めるための計画研究の計画発表会(2),ならびに各計画研究の成果発表会(3)を開催した.(1)では,約40名の一般参加者と計画研究代表者に対して,領域代表による全体計画の概略,各研究班長による研究項目の概要説明した後,総合討論を行った.(2)では,合宿形式により各計画研究代表者13名による研究計画討論を行った.(3)成果発表会では,計画研究代表者および分担者による総計20件の研究成果発表と海外研究協力者であるアーヘン工科大学のM.Martin先生による基調講演,およびトヨタ自動車(株)FC開発部の伊藤直樹氏による招待講演を行った.基調講演は物質移動が生じているナノ構造界面の安定性に関する基礎的概念の構築を目的としたものであるが,本特定領域研究の目的の一つである国際連携の推進ねらいの一つである.招待講演は具体的な応用研究のアウトプットイメージを共有することを目的としたものであり,水素選択性透過膜であるPd支持型水素透過膜燃料電池の開発における様々な問題が提起されたが,ナノイオニクス現象による理解と問題解決の方法が熱心に議論された.総括班会議は,3名の評価委員(小久見,南,早稲田)の参加を得て開催した本年度成果発表会の後,本年度の研究の総括,来年度以降の本領域の研究の進め方について議論を行った.また,研究計画や企画行事の広報,活動成果の発信のためにホームページ等を整備した.(1)班長会議(3回):(1)平成16年9月10日(土)(東京),(2)平成16年10月13日(水)(東京),(3)平成17年2月13日(日)(仙台)(2)研究発表会(3回)(1)特定領域研究発表会:平成16年9月23日(東京大学(東京))(2)計画研究全体会議:平成16年10月12-13日(東京弥生会館(東京))(3)研究成果発表会:平成17年2月11-12日(KKR仙台(仙台))(3)総括班会議(1回):平成17年2月13日(日))本年度は,本特定領域研究の2年度目に当たり,下記に示すような総括班としての活動を行った.計画班長間の調整・打ち合わせを9回開催し,さらにはメールによる打ち合わせを随時行い,特定領域研究活動・成果の公開,各研究計画代表者・分担者間の共同研究打ち合わせ,研究討論の進め方などについて関連分野の専門家の意見も聴取しながら綿密に進めた.

研究を有機的に連携して進めるため,評価委員・共同研究者を含めた班会議は3回,その班会議をふまえて評価委員・計画班長との総括班会議を2回開催した.また,ナノイオニクス研究の国際的ネットワーク形成と若手研究者の啓蒙と育成を目的として,第1回ナノイオニクスサマーセミナー(9月,福島)を開催した.総括版による講義とポスター形式による研究議論を行い,本特定領域研究の基本的共通概念の構築と共同研究の進展を図った.また,東京ならびに研究会において,海外の関連する研究者による招待講演・ナノイオニクスセミナー(H16年から10回開催)を開催した.(1)全体の研究計画の立案・調整班長会議(9回),班会議(3回),総括班会議(2回)(2)ニュースレターの発行等:ニュースレター(本年度2回),ホームページの公開,成果報告集発行(3)研究発表会等【】内は参加者数キックオフ研究会(京都)平成17年7月1-2日【51名】夏のセミナー(福島)平成17年9月15-17日【43名:学生14名,海外5名】公開成果報告会(東京)平成18年1月31日-2月1日【70名】電気化学会秋季大会(千葉)平成17年9月8-9日(関連発表:31件,このうちグループ内研究23件、研究班内共同0件、他研究班との共同研究8件)固体イオニクス討論会(新潟)平成17年11月28-30日(関連発表:65件,このうちグループ内研究54件、研究班内共同2件,他研究班との共同研究9件)本特定領域研究の3年度目に当り,ナノイオニクス研究の国際的ネットワーク形成と基本的共通概念の構築のため,国内外の関連する研究者を本領域主催のセミナーやワークショップへ招聘すると同時に学会等における情報収集や研究打ち合わせを積極的に行い,得られた知見を班会議等を通じて各研究者に還元・討論するとともに,代表者・分担者間の共同研究打ち合わせや班長会議を通じて関連分野の専門家の意見を聴取しながら研究の有機的な連携を深めた.若手研究者主体の第2回ナノイオニクスサマーセミナー(9月,兵庫),本特定領域研究の活動・成果を一般に公開するシンポジウム(8月,東京)及び成果報告会(3月,東京)の開催,電気化学会秋季大会(9月,京都),固体イオニクス討論会(11月,福岡)における発表,ニュースレターの発行,ホームページの公開,成果報告書作成を行い,若手研究者の育成と一般への啓蒙にも務めた。(1)全体の研究計画の立案・調整班長会議(9回),班会議(2回),総括班会議(2回),A01縲廣04班会議(随時)(2)ニュースレターの発行等:ニュースレター,ホームページの公開,成果報告集作成(3)研究発表会等【】内は参加者数公開シンポジウム(東京)平成18年8月3-4日【79名】サマーセミナー(兵庫)平成18年9月11-13日【43名:学生17名,海外3名】公開成果報告会(東京)平成19年3月8日-9日【66名】電気化学会秋季大会(京都)平成18年9月14-15日(関連発表:44件,このうちグループ研究班内共同2件、他研究班との共同研究11件)固体イオニクス討論会(福岡)平成18年11月27-29日(関連発表:61件,このうちグループ研究班内共同1件,他研究班との共同研究13件)
細動脈・血管平滑筋の筋原性収縮の発現と維持機構に関する研究

1.単離細動脈の膜電位測定ラット骨格筋及び腸間膜細動脈(100-150μm)を単離しdissecting chamber内で外膜側の結合組織を丁寧に除去した後、実験漕内で両端にガラスカニューレを挿入固定し3M KCIを満たしたガラス電極(先端抵抗40-80MΩ)を血管外膜側から穿刺した。平滑筋細胞内への穿刺確認は急激な電位の低下及び測定後、電極を抜いた際の急激な0電位への復帰を目安とした。測定中に電極抵抗が20%以上変化したものは除いた。骨格筋細動脈は2例成功しintact時の膜電位は-45及び-52mVであった。40mM KCI条件下ではそれぞれ-30及び-34mVへと脱分極した。腸間膜細動脈では3例成功している。膜電位は骨格筋細動脈と同様で-41mVから-56mVであった。未だ成功例が少なくこれら両者の膜電位に有意差があるかどうかさらに例数を増やして検討する必要がある。また血管内圧上昇時の膜電位変化については連続的記録が得られていない。これが得られしだい細胞内カルシウム濃度測定と同時に検討する予定である。2.筋原性収縮に対する筋小胞体の役割1.単離細動脈の膜電位測定ラット骨格筋及び腸間膜細動脈(100-150μm)を単離しdissecting chamber内で外膜側の結合組織を丁寧に除去した後、実験漕内で両端にガラスカニューレを挿入固定し3M KCIを満たしたガラス電極(先端抵抗40-80MΩ)を血管外膜側から穿刺した。2.筋原性収縮に対する筋小胞体の役割
Ischemic preconditioningの効果、機序に関する研究

長時間の心筋虚血に数回の短時間の心筋虚血が先行する場合、先行する虚血によるischemic preconditioning(1P)により心筋の虚血再潅流傷害が軽減するとの報告みられる。本研究ではこのような1Pの虚血再潅流障害軽減効果に注目し、Langendorff法により潅流したラット心を用いた虚血再潅流モデルにて研究を行ない、以下の成果を得た。1)1Pの抗不整脈作用へのadenosine,A1受容体刺激の関与1Pによる虚血性不整脈抑制作用にadenosine,A1受容体刺激が関与しているかを調べるため、1P、adenosine、選択的A1受容体刺激薬である2-chloro-N-cyclo-pentyladenosine(CCPA)の虚血前反復投与の虚血性不整脈に対する影響をした。実験モデルは潅流ラット心を用い、30分間の冠動脈結紮中の心室性不整脈発生頻度、発生頻度の時間的推移を検討、以下の結果を得た。i)1Pにより虚血中の心室性不整脈(VPC,VT,VF)の発生が抑制された。発生頻度の時間的推移の検討から、この効果は虚血性不整脈発生の遅延ではなく、真の発生頻度低下であった。ii)adenosine、A1受容体選択的刺激薬の虚血前反復投与により同様に不整脈発生頻度が低下した。iii)以上から、1Pによる虚血性不整脈抑制にadenosine、A1受容体刺激が関与している可能性が示された。2)ATP感受性K^+チャネルの再潅流不整脈に対する効果Ischemic preconditioningに関連しATP感受性K^+チャネルの虚血心筋保護作用が注目されている。ATP感受性K^+チャネル開口薬の再潅流不整脈に対する影響を調べるため、潅流ラット心を用いATP感受性K^+チャネル開口薬(Y-26763)を虚血前に投与し10分間冠動脈結紮後の再潅流不整脈を検討した。その結果、i)ATP感受性K^+チャネル開口薬の虚血前投与により再潅流時のVPC、VT、VFの発生頻度が低下し、またVT、VFの持続時間が減少した。ii)以上から、ATP感受性K^+チャネル開口薬は再潅流不整脈を抑制する可能性が示された。長時間の心筋虚血に数回の短時間の心筋虚血が先行する場合、先行する虚血によるischemic preconditioningにより心筋の虚血再灌流傷害が軽減するとの報告がみられる。本研究ではこのようなischemic preconditioningの虚血再灌流障害軽減効果に注目し、虚血再灌流不整脈、虚血再灌流による左心機能低下に対するischemic preconditioningの効果を検討している。Langendorff法により灌流したラット心を用いた、虚血再灌流モデルにて研究を行ない、現在までの以下の成果を得た。

1.虚血性不整脈灌流ラット心を2回の短時間(5分)の虚血にさらし、その後30冠動脈結紮を行ないischemic preconditioningによる虚血性不整脈に対する抑制効果を検討したところ、虚血性不整脈の軽減を認めた。2.再灌流不整脈灌流ラット心を2回の短時間(5分)の虚血にさらし、その後に10分間冠動脈結紮、再灌流を行ないischemic preconditioningによる再灌流不整脈に対する抑制効果を検討したが、本モデルでは再灌流不整脈の軽減は認められなかった。3.虚血再灌流による左心機能低下灌流ラット心を用い、2回の短時間(5分)の虚血の後、20分間のglobal ischemiaおよび20分間の再灌流を施行し、左心室機能の回復およびCK releaseなど生化学的な心筋傷害指標などに対する効果を現在検討中である。今後は、ischemic preconditioningによる虚血性不整脈抑制の機序(さらに虚血再灌流による左心機能低下軽減効果が得られた場合にはそれも含め)を検討する。IPによる虚血性不整脈抑制作用にadenosine、A1受容体刺激が関与しているかを調べるため、IP、adenosine、選択的A1受容体刺激薬である2-chloro-N-cyclo-pentyladenosine(CCPA)の虚血前反復投与の虚血性不整脈に対する影響をした。実験モデルは潅流ラット心を用い、30分間の冠動脈結紮中の心室性不整脈発生頻度、発生頻度の時間的推移を検討、以下の結果を得た。i)IPにより虚血中の心室性不整脈(VPC,VT,VF)の発生が抑制された。発生頻度の時間的推移の検討から、この効果は虚血性不整脈発生の遅延ではなく、真の発生頻度低下であった。ii)adenosine、A1受容体選択的刺激薬の虚血前反復投与により同様に不整脈発生頻度が低下した。iii)以上から、IPによる虚血性不整脈抑制にadenosine、A1受容体刺激が関与している可能性が示された。2)ATP感受性K^+チャネルの再潅流不整脈に対する効果Ischemic preconditioningに関連しATP感受性K^+チャネルの虚血心筋保護作用が注目されている。ATP感受性K^+チャネル開口薬の再潅流不整脈に対する影響を調べるため、潅流ラット心を用いATP感受性K^+チャネル開口薬(Y-26763)を虚血前に投与し10分間冠動脈結紮後の再潅流不整脈を検討した。その結果、i)ATP感受性K^+チャネル開口薬の虚血前投与により再潅流時のVPC、VT、VFの発生頻度が低下し、またVT、VFの持続時間が減少した。ii)以上から、ATP感受性K^+チャネル開口薬は再潅流不整脈を抑制する可能性が示された。
第三世代弱毒痘瘡ワクチンLC16m8株の温度感受性と弱毒化メカニズムに関する研究

細胞培養痘そうワクチンの製造承認株であるLC16m8株は,Lister株から低温馴化によりLC16株,LC16mO株を経由して樹立された株である.LC16mO株,LC16m8株のほぼ遺伝子配列を比較すると,両者の遺伝子配列の相違点は,B5R遺伝子の一塩基欠失変異以外には5塩基のみ異なることが明らかにされた.その一方で,LC16系統痘そうワクチンの親株であるLister株の塩基配列は,バリエーションのある多様なウイルス変異体の集合として存在していることが明らかにされた。ListerとLC16系統それぞれの遺伝子の安定性(変異が生じやすいのか,それとも安定なのか)が不明であった.Lister株とLC16mOからプラーククローニングによって得られたクローンについてそれぞれ複数回継代を行ない,継代前後で塩基配列を比較し遺伝子の安定性を検討した.どちらの株についても1継代目と7継代目を比較して塩基配列に変異が生じなかったことから,Lister株から得られたクローンとLC16mO株の遺伝的安定性は高いことが明らかにされた.LC16m8の温度感受性責任遺伝子を明らかにするために必要な組換えワクチニアウイルスを容易に作製するためのシステムを開発した.薬剤耐性遺伝子であるgpt遺伝子をgus A遺伝子とフュージョンタンパク質として発現する組換えワクチニアウイルスを作製した.この際,ワクチニアウイルスの変異導入あるいは,入れ替えたい遺伝子領域をgpt-gus A遺伝子の両側に重複させる.このような組換えベクタープラスミドをトランスフェクションした細胞にワクチニアウイルスを感染し,薬剤を添加した選択培地を用いて組換え中間体を選択する。次に薬剤を非添加培地で組換え中間体ウイルスを増殖させて,重複する遺伝子領域の相同組換えによりgpt-gus Aフュージョン遺伝子を脱落させて目的遺伝子を入れ替える方法である.当該年度は、まず、Lister株クローンおよび温度非感受性BAC相補クローンとLC16mO株との全塩基配列を比較し、BACライブラリーを用いた温度感受性相補試験と組み合わせることにより、LC16m0株の温度感受性を規定する領域を6遺伝子にまで絞り込んだ、さらに,温度非感受性BAC相補クローンの温度感受性相補レベルと候補遺伝子との関係から、特に温度感受性を規定しているのは、A56R、A36R,A53R,A55Rの4遺伝子の変異である可能性が示唆された。そこで、絞り込み領域内の各遺伝子について、温度感受性相補の有無を調べるためLC16mO型Lister株およびLister型LC16mO株の組換えウイルス作製を試みた。選択マーカーとしてgus遺伝子を用いたが、選択の繰り返しによる組換えウイルスの消褪が著しく、gus単独では組換えウイルス作製が困難なことが判明した。そこで次年度では、gus-gpt遺伝子をマーカーとして組換えウイルスを作製する予定である。続いて、同定した温度感受性責任遺伝子のうち、A56R遺伝子と弱毒化との関連について、マウス高病原性ワクチニアウイルスWR株のA56R遺伝子をLC16m8型に組換えたウイルスを作製した。組換えウイルス2クローンについてマウスに接種し病原性の低下を検索した。結果、陽性コントロールであるWR株ウイルス10^6pfu/mLを接種したマウスの1週間後における重度の肺炎症状、神経症状、体重減少(80%以下)に対し、組換えWR株クローン接種マウスの症状は軽度で、体重が減少後2週目に回復した。しかし、もう一方のクローンについては、接種マウスの症状と体重減少はWR株接種群と同程度であった。ニクローンのマウスへの病原性の差異は、組換えWR株作製時の前後領域遺伝子の組換え過多に起因すると考えられる。今後、さらに詳細に検討する予定である。次に薬剤を非添加培地で組換え中間体ウイルスを増殖させて,重複する遺伝子領域の相同組換えによりgpt-gus A
α波解析による歯科治療恐怖症の迅速的病態診断法確立と治療法応用への試み

今回、歯科治療恐怖症の重症度診断、治療法立案や治療効果判定などといった治療への応用の可能性の検討を研究目的として、本研究は脳波のうち特にα波解析を用いた本疾患に対する調査検討を行った。調査方法は、事前に書面および口頭で本研究に対し同意の得られた健常成人ボランティア、および歯科治療恐怖症患者に対して、まず精神心理学的病態の検索として不安、抑うつ、心気傾向、性格傾向などの各種心理テストを施行し、その後(1)仰臥位安静維持、(2)被検者自身が制御可能な方法による疼痛負荷試験、を行った。さらに各検査中は心電図R-R間隔を用いた持続的自律神経系活動解析とα波解析を中心とした脳波解析を行った。その結果、心理テストでは歯科治療恐怖症患者は抑うつや心気傾向といった状態は健常被検者との間に大きな違いはみられなかったものの、全般的な不安傾向が非常に強いことが示唆された。さらに、自律神経系活動解析結果においては、安静時の交感神経系活動が健常被検者に対して高く、疼痛負荷試験によって交感神経系活動の上昇が健常被検者よりも大きい傾向が示唆された。また同時に測定を行った脳波解析結果では、疼痛負荷試験時において歯科治療恐怖症患者と健常被検者の間には明らかな差はみられなかったものの、仰臥位安静維持の状態において健常被検者では安定した高頻度のα波が検出されたのに対し歯科治療恐怖症患者では波形がばらつきα検の検出量も少ない傾向が認められた。しかし、歯科治療恐怖症患者に対して経時的な調査を行ったところ、治療経過とともに心理的不安状態の減少傾向、安静時の交感神経系活動の低下傾向がみられるとともに、脳波においてもα波の検出量の増加傾向がみとめられた。以上の結果より、α波解析は歯科治療恐怖症の重症度判定や治療効果判定など治療への応用に対して有用である可能性が示唆された。α波解析による歯科治療恐怖症の迅速的診断法の確立、および治療法への応用に向け、研究1年目の本年度はまず健常成人と歯科治療恐怖症患者を対象として、精神心理学的病態の検討、および自律神経系活動上の病態について調査検討を行った。調査方法は、まず事前に書面および口頭で本研究に対し同意の得られた健常成人ボランティア、および歯科治療恐怖症の診断を有する患者に対して、精神心理学的病態の検索のために各種心理テスト(Hospital Anxiety and Depression scale、State-Trait Anxiety Inventorytest、Somatosensory Amplification scale、Self-ratingQuestionnaire for Depression)を施行した。さらにその後、歯科ユニット上にて、(1)仰臥位安静維持、および(2)被検者自身が制御可能な方法を用いた疼痛負荷試験(ペイントレランステスト)を行い、同時に各検査中持続的な自律神経系活動を心電図R-R間隔を用いて測定・解析した。その結果、まず各種心理テストの結果では、歯科治療恐怖症患者では抑うつや心気傾向といった状態は健常ボランティアとの間に大きな違いはみられなかったものの、特性不安、状態不安、および全般的な不安傾向が非常に強いことが示唆された。さらに、自律神経系活動解析結果においては、安静時の交感神経系活動が健常被検者に対して高く、疼痛負荷試験によって、交感神経系活動の上昇が健常被検者よりも大きいことが示唆された。この結果をふまえ次年度では、精神心理学的検査、自律神経系活動解析結果もあわせながら、α波解析を用いてさらなる調査を行い、歯科治療恐怖症の診断法、治療への応用の有用性について検討を行う。
最小複雑性原理の基づくDNA配列からの分子進化系統樹の構築

分子進化系統樹の作成は分子進化学において重要な課題の一つである。今まで系統樹の作成法が多数提案されたが、決定的な方法を得るに至っていない。本研究の目的は、情報論的の確立しており、いろいろな分野の帰納推論に応用された成功している最小複雑性原理に基づくことによって、より広い情報論的枠組みから伝統的な分子進化系統樹作成法を統合する新しい系統樹構築法を構築した。この原理に基づいて構築した系統樹が現在よく利用される最尤法と最小進化法の一種の統合になっている。1.数値シュミレーションによる人工分子進化系統樹を用いた妥当性および特徴の検討人工的な分子進化を仮定して、これに乱数を使った遺伝子群をシュミレーションによって作成し本法をはじめとして既成の分子系統樹構築法を適応して、もとの分子進化モデルが復元できるかどうか検討した結果、(1)最尤法と最小複雑性法が大きく結果を違えるのは多分木の判定である、(2)裁縫複雑性法は最尤法と最小進化法の中間の結果を出力する、(3)計算速度近似法を使用できれば大丈夫である、などの結果を得た。2.情報量基準の理論的深化これまで複雑性の尺度として、Rissanenの記述長を採用していたが(MDL)、この複雑基準の性質も必ずしも良くはないことが明らかとなった。そこで経験的エントロピーという新たな量を定義した後、これに基づいて新たな系統樹解析における量を構成した。この点で最尤法およびMDL型最小複雑性理論の双方の欠点を改善できた。
兵庫県南部地震における衝撃的地震動と構造物破壊の究明

本研究組織の構造工学を専門とするグループは,現場調査で得た多くの構造物に関する破壊モードの分析を行った.その結果,高架橋の鉄筋コンクリート(以下,RCと略称する)橋脚,地下鉄駅舎のRC柱,RC建築物の中間層の破壊等は,硬質地盤に支えられた基礎工からの衝撃的な突き上げ力によって発生したものであると結論を得るに至った.これを検証するために,モデル実験によって破壊モードの再現を試み,数値解析によって破壊モードと入力動との関係を調べた.さらにモデル実験に基づいた数値解析によっては,衝撃的破壊が実物大モデルで発生するために必要な入力地震動の条件について検討した.一方,地質および地盤を専門とするグループは,強震域およびその周辺の地下構造や地盤特性の解析を行い,これらと同地区に居住する多くの市民が体験した衝撃的鉛直動(または力)との関係を調べた.また,地盤の非線形特性,とくに地表面の鉛直地震動と深く関わる地盤のP波の非線形特性に着目し,衝撃的鉛直動の生成に寄与する地下構造の特性の研究を行った.各グループにより新しい知見を示す研究成果が得られ,当初の目的は一応達せられたと考えられるものの,本課題の大きさに比べて,申請した期間は十分でなく,まだまだ未解決な問題を残している.特に,構造物に入射される衝撃力の特性は,基礎地盤の非線形特性ならびに構造物の基礎工と支持地盤の境界面での応力波の反射および透過特性に依存し,それらの特性は破壊した個々の構造物の局部的な条件に強く依存するもので,それらの調査に手を付けるまでに至っていない.また,衝撃的鉛直動の生成メカニズムについても,定量的な議論が残された.本研究組織の構造工学を専門とするグループは,現場調査で得た多くの構造物に関する破壊モードの分析を行った.その結果,高架橋の鉄筋コンクリート(以下,RCと略称する)橋脚,地下鉄駅舎のRC柱,RC建築物の中間層の破壊等は,硬質地盤に支えられた基礎工からの衝撃的な突き上げ力によって発生したものであると結論を得るに至った.これを検証するために,モデル実験によって破壊モードの再現を試み,数値解析によって破壊モードと入力動との関係を調べた.さらにモデル実験に基づいた数値解析によっては,衝撃的破壊が実物大モデルで発生するために必要な入力地震動の条件について検討した.一方,地質および地盤を専門とするグループは,強震域およびその周辺の地下構造や地盤特性の解析を行い,これらと同地区に居住する多くの市民が体験した衝撃的鉛直動(または力)との関係を調べた.また,地盤の非線形特性,とくに地表面の鉛直地震動と深く関わる地盤のP波の非線形特性に着目し,衝撃的鉛直動の生成に寄与する地下構造の特性の研究を行った.各グループにより新しい知見を示す研究成果が得られ,当初の目的は一応達せられたと考えられるものの,本課題の大きさに比べて,申請した期間は十分でなく,まだまだ未解決な問題を残している.特に,構造物に入射される衝撃力の特性は,基礎地盤の非線形特性ならびに構造物の基礎工と支持地盤の境界面での応力波の反射および透過特性に依存し,それらの特性は破壊した個々の構造物の局部的な条件に強く依存するもので,それらの調査に手を付けるまでに至っていない.また,衝撃的鉛直動の生成メカニズムについても,定量的な議論が残された.(1)衝撃的上下動を解明するため、これまで軽視されてきた飽和土中のP波の伝播特性を再検討した。すなわち、P波速度を決定する要因の一つは体積弾性率であるが、これのひずみ依存性は、S波速度を決定する剛性率のひずみ依存性と逆になっているため、飽和度が高い材料の大振巾P波の伝播速度を解明する必要があり、模擬地盤を用いてインパルス水圧発生装置による高振巾P波伝播実験を行い、現在得られたデータを検討している。【中川】(2)衝撃的上下動によって損傷を受けたと考えられる構造物、特にRC構造物の地域分布を再調査した。その際、激震地よりも大阪周辺地域に重点を置いたが、激震地同様の破壊形態が見られた。また、兵庫・大阪など激震地もふくめ市民が体験した地震計の記録にない体感衝撃的上下地震動の証言を1000件収集し、実際の被害地域との対応性を探るためにその分布地図を作成したが、いわゆる「震災の帯」を包含する分布となった。【高田・東田・小林】(3)コンクリート系構造物に作用する負荷を同定するため、シミュレーション解析と、同時にモデル構造物に対する衝撃破壊実験を行った。シミュレーション解析では、構造物の破壊状況に整合し作用原因が推定できる逆問題に関わる数理モデルを提案し、FEMによる波動解析より、岩盤を想定した基盤面で、10Hz前後の上下変位動でその速度成分が20kineを越えるものが存在していたならば、RC柱には輪切りひび割れが発生し、さらに自重の影響も重なり圧縮破壊を起こす可能性のあることが分かった。実験では、3μFのコンデンサーに10KVの充電電圧でためた電気を水中で細線に流して衝撃圧を発生させる水中線爆装置を制作し、石膏で造った橋脚模型に照査させたところ、模型橋脚の頭部に引っ張り破断が生じた。【園田・高田・那谷】

兵庫県南部地震では,衝撃的鉛直動によって破壊したとみられる構造物の位置や,そのような地震動を経験した証言者の居住範囲は気象庁震度7の地域とほぼ一致しているが,この地域には地震記録はほとんどなく,鉛直動についての詳しい波形情報は得られていない.しかし,本研究組織の構造工学を専門とするグループは,現地調査で得た多くの構造物に関する破壊モードの分析を行った.その結果,高架橋の鉄筋コンクリート(以下,RCと略称する)橋脚,地下鉄駅舎のRC柱,RC建築物の中間層の破壊等は,硬質地盤に支えられた基礎工からの衝撃的な突き上げ力によって発生したものであるとの結論を得るに至った.これを検証するために,モデル実験によって破壊モードの再現を試み,数値解析によって破壊モードと入力動との関係を調べた.さらにモデル実験に基づいた数値解析によっては,衝撃的破壊が実物大モデルで発生するために必要な入力地震動の条件について検討した.一方,地質および地盤を専門とするグループは,強震域およびその周辺の地下構造や地盤特性の解析を行い,これらと同地区に居住する多くの市民が体験した衝撃的鉛直動(または力)との関係を調べた.また,地盤の非線形特性,とくに地表面の鉛直地震動と深く関わる地盤のP波の非線形特性に着目した研究を行った.これらの結果から,衝撃的鉛直動は,下方からの強烈なSV波が地表面付近の地層境界でP波に変換される際,非線形効果によって,短周期化されて生成されたと推定された.以上のことにより,今回の兵庫県南部地震のような直下型地震では,衝撃的な鉛直地震の卓越する地域が地盤条件によって局所的に存在し,これが構造物の引張り破壊を生じさせた可能性があることを指摘した.
水中レーザ溶接における水素生成機構の解明

水素は、エネルギー供給の多様化や環境負荷低減の資する資源で、水素生成は、人工光合成や燃料電池と言った研究のホットトピックスと同時に、人類にとって重要な研究課題でもある。一方、溶接という視点から水素を見れば、鉄鋼材料の水素脆化や溶接金属部の水素割れを引き起こす原因としてしか知られていない。そこで、レーザ溶接の特有の溶融機構(キーホール現象)に着目して、実験的・理論的に水中レーザ溶接時の水素生成機構を解明し、“水中で金属が溶融すると、どうして水素が生成するのか"を明らかにすることを研究目的とした。本年度は、本研究が注目しているキーホール現象が普遍的であるかも検証する為、世界最大出力100 kWの超高出力レーザにおいてキーホール現象を確認し、Optics Letters (IF:3.589)43(19)に研究成果を公開した。また、第一原理計算に基づく水素生成シミュレーションを実施した。具体的には、12.5 &Aring;の単位格子に水64分子(密度1g/cm3)を配置し、チタン4原子が孤立し、水中に分散している(ケース1)とチタン4原子が集合状態(クラスター)を形成している(ケース2:レーザ溶接時の金属蒸気はクラスターを形成しているとの文献存在)について数値計算を行った。但し、水分子の温度を300K、チタン原子の温度を5000K、分子動力学シミュレーションの時間刻みは0.5 fsに設定した。5 ps程度の数値計算の結果、ケース1では5個、ケース2では3個の水素分子生成が確認できた。これは、金属蒸気が水との反応で水素生成が十分に起こりうる結果を示す。言い換えれば、レーザ加熱によって生み出さる数千度の電子温度を有する金属は、水から酸素を奪う可能性を示唆するものである。本年度は、キーホール現象に着目した研究成果をOptics Letters (IF:3.589)にて公表でき、また第一原理計算に基づく水素生成シミュレーションを実施し、“水中で金属が溶融すると、どうして水素が生成するのか"の問いに対し、量子力学の視点からある可能性を示唆できたことから判断すると、おおむね順調に進展していると考えられる。レーザ溶接時の水素生成に関して、これまでに実験的・理論的に明らかにした点を考慮して、水素生成に適正な元素と最適なプロセスを明らかにし、“水中で金属が溶融すると、どうして水素が生成するのか"の問いを探求していく。水素は供給源の多様化や環境負荷低減に資するエネルギー源で、水素生成は人工光合成や燃料電池における重要な研究課題である。一方、私の研究分野である溶接における水素は、鋼材の水素脆化や溶接部の水素割れを招く原因となる。我々は水中レーザ溶接時に水素が生成されることを新たに発見した。通常、溶融金属が水に触れると、水は水蒸気に、溶融金属は冷却され凝固する。このような相変態だけでは水素生成は起こらない。水の直接分解による水素生成には数eVのエネルギーが必要であり、本研究で使用したレーザ(波長1μm)の光エネルギーは1 eV程度なので、水と高温の金属との触媒反応および化学反応が必須となる。レーザ溶接時の溶融金属の温度を知ることは、水中レーザ溶接時の水素生成機構を解明には重要であり、レーザ溶接の特殊な溶融機構(キーホール現象)ではこれまで明らかにされていなかった。本年度は、溶融金属からの熱放射の分光計測により、溶融金属温度はキーホール周辺のみが2000 Kから2500 Kの高温であり、それ以外ではステンレス鋼の融点程度の1700 Kに達し、熱および質量のバランスするシステムの存在を明らかにした。本成果はOptics Express ( IF: 3.307 )Vol. 26, Issue 5, pp. 6392-6399 (2018)に掲載された。また、キーホール周辺の高温の溶融金属のみが水に接するレーザ出力を抑えた条件で実施したところ、数ml(準備実験の数十分の一)の気体しか発生せず、効率的な水素生成には、溶融金属が水に触れる時に固-液でなく、液-液として接する必要があることを示唆する新たな知見も得られた。"レーザ溶接時に水中で金属が溶融すると、どうして水素が生成するのか"を明らかにする為、水中レーザ溶接時の水素生成機構の解明と水素生成に適正な元素と最適なプロセスの探求を行い、新しい知見も見つかり、基礎的な必要用件が判明してきており、研究はおおむね順調と判断される。

具体的には、12.5 &Aring;の単位格子に水64分子(密度1g/cm3)を配置し、チタン4原子が孤立し、水中に分散している(ケース1)とチタン4原子が集合状態(クラスター)を形成している(ケース2:レーザ溶接時の金属蒸気はクラスターを形成しているとの文献存在)について数値計算を行った。但し、水分子の温度を300K、チタン原子の温度を5000K、分子動力学シミュレーションの時間刻みは0.5 fsに設定した。5 ps程度の数値計算の結果、ケース1では5個、ケース2では3個の水素分子生成が確認できた。これは、金属蒸気が水との反応で水素生成が十分に起こりうる結果を示す。言い換えれば、レーザ加熱によって生み出さる数千度の電子温度を有する金属は、水から酸素を奪う可能性を示唆するものである。本年度は、キーホール現象に着目した研究成果をOptics Letters (IF:3.589)にて公表でき、また第一原理計算に基づく水素生成シミュレーションを実施し、“水中で金属が溶融すると、どうして水素が生成するのか"の問いに対し、量子力学の視点からある可能性を示唆できたことから判断すると、おおむね順調に進展していると考えられる。来年度は、金属蒸気に注目し、第一原理計算に基づいた水素分子発生に関するシミュレーションを新たに行う予定であり、今回得られた新たな知見を踏まえて、適正なモデル化等について研究分担と密に議論し、"レーザ溶接時に水中で金属が溶融すると、どうして水素が生成するのか"を明らかにできるように検討する。レーザ溶接時の水素生成に関して、これまでに実験的・理論的に明らかにした点を考慮して、水素生成に適正な元素と最適なプロセスを明らかにし、“水中で金属が溶融すると、どうして水素が生成するのか"の問いを探求していく。IFが高い外国雑誌(IF: 3.307)への研究成果掲載を優先し、さらに情報取集・技術打合せに予想以上の費用がかかり、高額の水中環境冶具の購入を見送り(既存の冶具で対応し、研究進捗には影響ない)、このような状況に至った。差引額に関しては、次年度以降、水中環境冶具と同等になるように既存の冶具を効率的に改修し、計画的に利用する。
顎関節症患者血清中のNOに関する研究

平成10年度は、当科を受診した顎関節症患者42名の資料収集を行った。対象者は女児のみで平均年齢は16歳であった。臨床症状の診査は、開口障害、顎関節部および咀嚼筋の疼痛、顎関節雑音に関して行った。顎関節部の画像所見として、顎関節部断層X線写真からは下顎頭および下顎窩の骨変化を、MRIからは関節円板動態およびjoint effusion像を得た。患者の末梢血からは生化学検査を行った。また、血清は凍結保存し、NOよび炎症性サイトカインを計測した。平成11年度は、資料収集を行った顎関節症患者34名の末梢血から得られた生化学検査値、NO、炎症性サイトカインの数値と顎関節症の臨床症状と関連するのかについて検討を行った。また、炎症性サイトカインと画像検査によって検出されるjoint effusionや骨変化との関連についても検討を行った。各顎関節症症状の有無別では、NO濃度に有意な差は認めなかった。また画像検査によって検出された所見と下顎頭の骨変化の有無別でもNO濃度に有意差は認めなかった。しかし、顎関節部に骨変化を認める患者のNO濃度の平均値は骨変化を認めない患者のそれと比較して大きい傾向が認められた。炎症性サイトカインであるIL-1β、およびIL-6は共に20pg/ml以下の検出値であった。TNF-αのみ2名に20pg/ml以上の値が検出された。TNF-αは炎症局所への白血球の浸潤や、軟骨・骨破壊に関与しており、RA患者の結合組織の炎症部位で、線維芽細胞やは骨細胞を活性化し、プロスタグランジンやコラゲナーゼの産生を誘導することが知られている。本研究対象者の中で唯一、下顎頭のerosionを認めた女児は血清中のTNF-α値が著しく高く、末梢血中にも骨変化に関わったサイトカインが検出された可能性が示唆された。本年度は、当科を受診した顎関節症患者42名の資料の収集を行った。開口障害は29名に、顎関節部疼痛は29名、咀嚼筋疼痛は18名、顎関節雑音は31名に認められた。関節円板の前方転位は39名、joint effusionは23名に認められた。患者の末梢血からは生化学検査(RA、ASO、CRP)を行った。RA陽性は認められなかった。CRPは全て、正常範囲であったが、ASOは5名で正常値より高値であった。また、血清は凍結保存し、NOおよび炎症性サイトカイン(IL-lβ、IL-6、TNF-α)を計測した。それぞれの平均値は、NO 4.4μM、IL-lβ0.lpg/ml、IL-6 1.8pg/ml、TNF-α18.9pg/mlであった。現在、末梢血から得られた生化学検査値、NO、炎症性サイトカインの数値が、顎関節症の臨床症状と関連するのかについて検討を行っている。また、炎症性サイトカインと画像検査にて検出されるjoint effusionや骨変化との関連についても調査している。