hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
炎症性疾患における免疫受容体Ａｌｌｅｒｇｉｎ－１の機能解明

Allergin-1が気道炎症の制御に関与していることをこれまでに明らかにしてきた。Allergin-1は骨髄球系細胞に主に発現しており、骨髄球系細胞の活性化を制御することで気道炎症を制御していることが示唆される。気道炎症では骨髄球系細胞やリンパ球が重要であるが、近年では、上皮細胞も重要な役割を果たしていることが報告されている。しかし、この活性化制御は未だ不明な点が多い。そこで気道炎症における上皮細胞の活性化制御機構を解明することを目的として以下の実験を行った。野生型、または受容体X欠損マウスにS. pneumoniaeを気管内投与し炎症を誘発し野生型マウスと比較して受容体X遺伝子欠損マウスでは有意に死亡率が上昇することを見出した。受容体Xは骨髄球系細胞、及びリンパ球上にも広く発現している。そこで、上皮細胞上に発現する受容体Xが気道炎症に関与しているか検討するため、上皮細胞特異的に受容体Xを欠失させたコンディショナルノックアウトマウスを作製し、これを用いてS. pneumoniaeによる気道炎症を誘導した。その結果、肺上皮細胞特異的に受容体Xを欠損させたマウスでも野生型マウスと比較して病態が増悪した。このことから受容体Xが肺上皮細胞の活性化を制御することで気道炎症を制御することが示唆された。また、受容体Xのリガンドとして報告されている分子は数種類存在する。そこでまず、肺における受容体Xリガンド分子の発現を解析した。その後、肺に発現する3種類のリガンド分子をそれぞれ欠損させたマウスにS. pneumoniaeを用いて気道炎症を誘導し、受容体Xによる気道炎症の制御機構にどのリガンドが関与しているか検討した。その結果、分子Y遺伝子欠損マウスで野生型マウスと比較して病態が増悪した。このことから分子Yが気道炎症モデルにおいて受容体Xのリガンドとして機能していることが示唆される。27年度が最終年度であるため、記入しない。TLRに対するAllergin-1の抑制能を検討するため、野生型またはAllergin-1遺伝子欠損マウス由来の骨髄細胞から分化誘導した樹状細胞、マクロファージ、肥満細胞上のTLRをTLR4のリガンドであるLPSで刺激し、炎症性サイトカインであるTNF、およびIL-6産生をELISA法により検討した。その結果、樹状細胞、マクロファージ、肥満細胞ともにAllergin-1遺伝子欠損マウスは野生型マウスと比較して誘導に差はなかったが、TNFおよびIL-6の産生量は増加していた。in vivoにおいてもAllergin-1がTLR4を介した活性化を抑制しているか検討するため、TLR4を介してシグナルを伝達することが報告されているハウスダストマイト(HDM)抽出物を経鼻的に投与し、マウスに気道炎症を誘導した。その結果、Allergin-1遺伝子欠損マウスは野生型マウスと比較して気管支肺胞洗浄液(BALF)中の好酸球数の増加、血清中のIgE抗体価の上昇、気道過敏性の上昇が観察され、Allergin-1はHDMによる気道炎症、および気道過敏性を抑制することが示唆された。Allergin-1はIgEを介した肥満細胞の活性化を抑制する機能を有することから、ジフテリア毒素(DT)投与により肥満細胞を特異的に除去できるMas-TRECKマウスに野生型マウス、またはAllergin-1遺伝子欠損マウス由来のBMMCsを移入して肥満細胞のAllergin-1機能を検討した。その結果、Allergin-1遺伝子欠損マウス由来のBMMCsを移入したMas-TRECKマウスでは野生型マウス由来のBMMCsを移入したマウスと比較して気道過敏性は上昇したが、BALF中の好酸球および血清中のIgE抗体価は有意差がなかった。このことから肥満細胞上のAlergin-1は気道過敏性の抑制にのみ関与していることが示された。Allergin-1はIgEを介した肥満細胞の活性化を抑制することが明らかになっているがリガンドは不明であるため、生体内での詳細な生理機能は不明な点が多い。そこで、肥満細胞上のIgE受容体とAllergin-1を抗TNP-IgE抗体とAllergin-1リガンド候補分子を用いて刺激することで、野生型マウス(WT)、またはAllergin-1遺伝子欠損マウス(KO)由来の肥満細胞からの顆粒放出を抑制するかを検討した。その結果、リガンド候補分子で刺激したWT由来の肥満細胞はコントロールで刺激した肥満細胞と比較して有意に顆粒の放出が減少した。これはKO由来の肥満細胞では見られなかった。さらに即時型アレルギーモデルであるPCAモデルを用いてリガンド候補分子がマウス生体内でAllergin-1のリガンドとして働くか検討した。WTまたはKOの耳介に抗TNPマウスIgE抗体、およびコントロールまたはリガンド候補分子を皮内投与し、24時間後に抗原としてTNP-OVA、およびエバンスブルーを尾部静脈から投与して血管からの漏出量を指標に比較検討した。その結果、野生型マウスではリガンド候補分子を投与するとPCAの程度が軽減した。これらの結果からリガンド候補分子はAllergin-1のリガンドとして働くことが示唆される。このリガンド候補分子を用いてAllergin-1を人為的に刺激することで肥満細胞を抑制することが出来れば、疾患の治療につながることが期待できる。

また、樹状細胞上のAllergin-1の機能を解明するため、樹状細胞を除去したマウスにin VitroでHDM刺激したWTまたはKO由来の樹状細胞を移入して気道炎症を誘導した。その結果、KOの樹状細胞を移入したマウスは炎症が増悪した。このことからAllergin-1は樹状細胞の活性化を抑制することで気道炎症を抑制することが示唆された。Allergin-1が気道炎症の制御に関与していることをこれまでに明らかにしてきた。Allergin-1は骨髄球系細胞に主に発現しており、骨髄球系細胞の活性化を制御することで気道炎症を制御していることが示唆される。気道炎症では骨髄球系細胞やリンパ球が重要であるが、近年では、上皮細胞も重要な役割を果たしていることが報告されている。しかし、この活性化制御は未だ不明な点が多い。そこで気道炎症における上皮細胞の活性化制御機構を解明することを目的として以下の実験を行った。野生型、または受容体X欠損マウスにS. pneumoniaeを気管内投与し炎症を誘発し野生型マウスと比較して受容体X遺伝子欠損マウスでは有意に死亡率が上昇することを見出した。受容体Xは骨髄球系細胞、及びリンパ球上にも広く発現している。そこで、上皮細胞上に発現する受容体Xが気道炎症に関与しているか検討するため、上皮細胞特異的に受容体Xを欠失させたコンディショナルノックアウトマウスを作製し、これを用いてS. pneumoniaeによる気道炎症を誘導した。その結果、肺上皮細胞特異的に受容体Xを欠損させたマウスでも野生型マウスと比較して病態が増悪した。このことから受容体Xが肺上皮細胞の活性化を制御することで気道炎症を制御することが示唆された。また、受容体Xのリガンドとして報告されている分子は数種類存在する。そこでまず、肺における受容体Xリガンド分子の発現を解析した。その後、肺に発現する3種類のリガンド分子をそれぞれ欠損させたマウスにS. pneumoniaeを用いて気道炎症を誘導し、受容体Xによる気道炎症の制御機構にどのリガンドが関与しているか検討した。その結果、分子Y遺伝子欠損マウスで野生型マウスと比較して病態が増悪した。このことから分子Yが気道炎症モデルにおいて受容体Xのリガンドとして機能していることが示唆される。in vivoでの樹状細胞上のAllergin-1の機能を示唆するデータが得られた。またAllergin-1リガンドの同定が出来た。27年度が最終年度であるため、記入しない。目的のマウスの樹立に時間がかかっているため、細胞を移入する系での実験を中心に解析を行う計画である。Allergin-1リガンドを用いた疾患の治療モデルの解析を行う。また、Allergin-1 Floxedマウスについてもスクリーニングの段階まで進めることが出来た。Allergin-1 Floxedマウスについてもスクリーニング後、CD11c-creトランスジェニックマウス、及びlysozome-M(LysM)-creトランスジェニックマウスと交配させ、樹状細胞、またはマクロファージ特異的にAllergin-1を欠損したマウスを用いてHDM投与の系を行う計画である。目的のマウスの樹立に時間がかかる場合はAllergin-
レーザMBE法による強誘電体/強磁性体傾斜機能材料の創成

(1)ペロブスカイト構造を持つ機能性酸化物の中で、特に(強)誘電体、(強)磁性体に着目し、格子定数、熱膨張係数等のパラメータを考慮してヘテロ成長が期待される以下の組み合わせを選定した。選定材料は、誘電体;MTiO_3、磁性体;MMnO_3,MCoO_3(M=Ba,Sr,Ca,La etc.)である。(2)レーザアブレーションを用いたMBE成膜法による傾斜構造の形成。先ず誘電体同士、磁性体同士の傾斜組成化を行い電気・磁気特性の評価を行った。例えば(Ba_<1-x>Sr_x)TiO_3で、数種類の組成(x)を傾斜層として組み合わせることにより、多段階のキュリー温度を持ち、広範囲な温度域で高い誘電特性を示す傾斜誘電材料が創成できた。(3)傾斜構造成長過程の評価。傾斜構造形成中に反射電子線回折装置(RHEED)によるその場観察により、ペロブスカイト構造形成のメカニズムと傾斜構造の成長過程を調べた。(4)計算化学による材料設計。パソコンを用いた分子動力学計算により、傾斜構造化に伴う最適結晶構造を予測した。
エネルギー消費代謝を制御する褐色脂肪細胞の発生機構と生理的役割の解明

ヒト成人において余剰のエネルギーの消費器官としての褐色脂肪の存在が証明されている。その減少や機能不全が糖尿病の発症や肥満度と相関し、褐色脂肪の重要性が認識されてきている。本研究においては、(1)食品などの環境因子による組織型褐色脂肪および非組織型褐色脂肪(ベージュ細胞)の発生・発達機構をin vivoで解析するため、褐色脂肪特異的蛍光タンパク質レポータートランスジェニックマウスを作製し、機能評価を行った。(2)新規褐色脂肪細胞株を用いて詳細な褐色脂肪細胞の分化、増殖、機能抑制の分子機構を解明した。(3)褐色脂肪の発生、機能増強をもたらす食品成分や化合物の解析と作用機構の解明を行った。本研究では、申請者のこれまでの脂肪細胞に関する研究知見や実験手法を発展させながら、従来から申請者が断片的に観察していた組織型褐色脂肪および非組織型褐色脂肪の発生機構と生理的意義の解明を、動物個体と細胞レベルで系統的に行うために、発生工学的手法、蛍光ならびに磁気共鳴(MRI)イメージング法を駆使した動物個体レベルでの新しい検出系、評価系を開発するとともに、ヒト由来多能性幹細胞を活用して詳細な分子機構を解析することを目的とした。本研究では(1)食品などの環境因子による組織型褐色脂肪および非組織型褐色脂肪の発生・発達機構をin vivoで解析するために、(1-a)褐色脂肪特異的に発現する遺伝子の遺伝子発現を制御する領域(プロモータ)を利用し、褐色脂肪のみを特定のレポーター(蛍光タンパク質(FP)・リジンリッチタンパク質(LRP))でラベルしたトランスジェニックマウスの作製、(1-b)リジンリッチタンパク質レポータートランスジェニックマウスの作製を行い、蛍光ならびに磁気共鳴(MRI)イメージングの手法を用いた動物個体もしくは組織の立体画像を構築、褐色脂肪の発生・分化過程の空間的・定量的な検討を行っている。さらに、(2)新規褐色脂肪細胞株を用いた褐色脂肪発生・発達の分子細胞生物学的なin vitro解析のため、(2-a)褐色脂肪への分化誘導処理を行ったhMADSの遺伝子発現を、経時的に未分化な状態のhMADSとDNAマイクロアレイ法やサブトラクションPCR法などにより比較、hMADSの褐色脂肪分化に必須な調節因子の同定を、(2-b)生体内エネルギー代謝を制御することが知られている甲状腺ホルモン(T3)が強く影響を及ぼしているhMADSにおけるUCP-1の発現変化を指標として、アドレナリンなどの内因性、またイソプレノイドなどの食品由来の外因性の調節因子について検討を行いつつある。前年度に引き続き、主に下記の項目について研究を行った。(1)組織型褐色脂肪および非組織型褐色脂肪の発生・分化機構に関するin vivo実験系の確立:動物個体内で組織型および非組織型褐色脂肪がどの位置にどの程度、存在しているかを個体レベルで定量・定性的に検討するため、褐色脂肪特異的に発現する遺伝子の遺伝子発現を制御する領域(プロモータ)を利用し、褐色脂肪のみを特定のレポーター(蛍光タンパク質(FP)・リジンリッチタンパク質(LRP))でラベルしたトランスジェニック(Tg)マウスの作成・解析を行った。(1-a)FPレポーターTgマウス:小動物用蛍光イメージング装置および共焦点レーザ走査型顕微鏡による解析(担当:河田、高橋、坂本)既存のTgマウスと本申請研究で作製するUCP-1プロモータFPのTgマウスとを掛け合わせることで、さらに詳細な褐色脂肪の発生・分化過程に関する検討を行っている。FGレポーターTgマウスの蛍光シグナルの検出は、ヒトの肉眼では識別が困難な赤色FGを用いて、多色検出が可能になるよう実験系をデザインした。また、本研究で申請している共焦点レーザー走査型顕微鏡により、細胞1個の挙動まで検討できる空間分解能を確保できる。これにより、in vivoでの詳細な解析を行っている。(1-b)LRPレポーターTgマウスの作製と磁気共鳴イメージング(MRI)による解析(高橋、坂本、松田(研究協力者:京大情報学研究科)レポーター遺伝子LRPシグナルの検出をMRIによって行っている。動物個体を輪切りにしたMRI画像を重ねることで、動物個体もじくは組織の立体画像を構築し、褐色脂肪の発生・分化過程を空間的・定量的に検討している。本申請研究で作製するUCP-1プロモータLRPのTgマウスのMRI解析も松田教授に研究協力者として参画願い、研究体制の強化を図っている。(2)新規褐色脂肪細胞株を用いた褐色脂肪発生・発達の分子細胞生物学的なin vitro解析(2-a)褐色脂肪発生・分化過程における内因性調節因子の探索と同定(河田、高橋)

褐色脂肪への分化誘導処理を行ったhMDSの遺伝子発現を、経時的に未分化な状態のhMDSとDNAマイクロアレイ法やサブトラクションPCR法などにより比較することで、hMDSの褐色脂肪分化に必須な調節因子の同定を試みている。(2)組織型褐色脂肪および非組織型褐色脂肪の発生・発達機構解明のための遺伝子発現解析: DNAマイクロアレイ法およびRNA-Seq解析の後、理研のスーパーコンピューターを用いて各脂肪組織の遺伝子発現パターンを調べたところ、特異的な挙動を示す遺伝子が複数見出された。(3)褐色脂肪の退縮因子の検討:肥満状態の脂肪組織では、マクロファージ(MΦ)由来の炎症性サイトカインが、白色脂肪細胞における、UCP1の発現誘導を抑制する可能性を見出した。(4)褐色脂肪の発生、機能増強をもたらす食品成分や化合物の系統的解析と応用基盤の確立:EPAおよびDHAリッチ魚油摂取両群の皮下脂肪組織においてUCP1の顕著な発現増加が引き起こされることを見出した。1)組織型褐色脂肪および非組織型褐色脂肪の発生・発達機構のマウスおよびその遺伝子発現情報を用いた解析(1-a)褐色脂肪特異的蛍光タンパク質レポータートランスジェニックマウスの作製と機能評価:当初の目的であるUCP1-mRFP BAC Tgマウスが作製できあがり、現在、より蛍光シグナルが高いlineの選抜を行っている。(1-b)組織型褐色脂肪および非組織型褐色脂肪の発生・発達機構解明のための遺伝子発現解析:バイオインフォマティクスの専門家である連携研究者の支援により、DNAマイクロアレイ法およびRNA-Seq解析を用いて本研究の本質的なテーマである異所性UCP1の発現制御機構と関連性の深い遺伝子が複数見出された。2)新規褐色脂肪細胞株を用いた詳細な細胞分化、増殖の分子機構の解明肥満状態の脂肪組織では、マクロファージ由来TNFαがERKの活性化を介して、脂肪細胞におけるUCP1発現誘導を抑制する可能性が新規褐色脂肪細胞株を用いて示すことができた。このことは、肥満時の白色脂肪組織でのマクロファージに由来する炎症反応が、非組織型褐色脂肪の退縮に極めて重要な役割を果たしていることを示唆するものであり、これらの知見により、当初の第一の研究目標を達成できた。3)褐色脂肪の発生、機能増強をもたらす食品成分や化合物の系統的解析と応用基盤の確立EPAリッチ魚油およびDHAリッチ魚油摂取両群において、非組織型褐色脂肪である鼠径部脂肪組織においてはUCP1の発現の顕著な発現増加が認められるとともに、種々の実験から魚油摂取により末梢交感神経活動の亢進が惹起されることが示唆された。さらに、脂肪細胞での脂肪分解とUCP1誘導に関わるアドレナリン受容体β3の遺伝子発現の有意な増加が褐色脂肪で認められたことから、魚油摂取が交感神経活動を活性化し、非組織型褐色脂肪することが明瞭となった。1)褐色脂肪特異的蛍光タンパク質レポータートランスジェニックマウスの作製と機能評価前年度までにUCP1-mRFP BAC Tgマウスが作製できたので、今年度はこのTgマウスで本研究を進めた。より蛍光シグナルが高いlineを選抜するとともに、寒冷刺激やアドレナリン受容体アゴニストにより、蛍光シグナルが白色脂肪組織において誘導されるか、即ち非組織型褐色脂肪の発生の検討を行なった。その結果、寒冷刺激により、蛍光シグナルを強く誘導するlineを作成することができた。
定式化された形式木言語理論に基づくソフトウェア基盤技術の開発

本研究の目的は定式化された形式木言語理論をソフトウェア基盤技術へ応用することであるが,2年目にあたる平成30年度では,形式木言語理論の中心となる木トランスデューサ(木変換の形式的表現)と木オートマトン(木集合の形式的表現)の双方について応用やそのための拡張について研究を進めた.本年度の成果は,主に(1)木トランスデューサの記号的拡張,(2)木トランスデューサの等価性判定,(3)結合子論理の性質の部分的解明である.(1)の記号的拡張は既存の木オートマトンや木トランスデューサを拡張する手法の一つであり,記号の有限性制約を外すことを目的としている.この拡張は,有限性を満たす場合の望ましい性質を維持しながら注意深く行う必要があるが,本研究では,マクロ木トランスデューサとよばれる比較的表現力の高いものについて拡張に成功した.(2)の等価性判定はプログラム検証の手法に応用可能な「同じ入力に対し必ず同じ出力が得られる」という問題を解くことであり,一般的には決定不能問題であるが,特定の木トランスデューサについては決定可能であることが知られている.本研究では,ストリーム木トランスデューサの特殊な場合について等価性が決定可能になると予想し,部分的に解決した.(3)の結合子論理の中で関数合成を表す結合子について,研究代表者が平成20年に予想した性質を部分的に証明した.この証明においては,無限個の要素を含む木集合を有限で表せる木オートマトンを利用している.当初の計画において本年度は,昨年度までに検討した形式木言語理論のソフトウェアへの応用に対し,それに即した拡張を行う予定であった.ここでは,本年度までの進捗状況について,研究代表者が計画において掲げている形式木言語理論の二つの応用,(1)プログラム検証,および,(2)プログラム効率化について述べる.(1)のソフトウェア検証に利用可能な等価性判定アルゴリズムについては,共同研究者との研究において,等価性判定が決定可能であることが知られている既存の木トランスデューサに帰着することで,異なるクラスの木トランスデューサの等価性判定を実現できることを発見した.この木トランスデューサのクラスはストリーム木変換とよばれる時間効率性と空間効率性の双方を兼ね備えたプログラムをモデル化したものであり,実用的なソフトウェアへの応用する重要な第一歩といえる.(2)のプログラム効率化に利用可能な木トランスデューサの合成については,記号の有限性にとらわれない記号的アプローチに着目し,既存のさまざまな木トランスデューサのクラスに対して記号的拡張を提案し,それに対応する合成アルゴリズムを開発した.この手法により,多くの再帰的な木変換プログラムの効率化が可能になることが期待される.一方,当初の予定ではこの拡張を定理証明支援系によって定式化することも視野に入れていたが,結合子論理の性質など想定していない応用も同時に進めていたため,定式化はあまり進んでいない.これは来年度以降の課題である.当初の計画においては,3年めにあたる令和元年度からプログラム合成やモデル検査に必要な木トランスデューサおよび木オートマトンの拡張も進めていく予定であった.プログラム合成は仕様からプログラムを自動生成する手法で,形式木言語理論においては,入出力に対応する木オートマトンなどで与えられる仕様から木トランスデューサの規則集合を推測することに相当する.また,モデル検査はソフトウェアが仕様を満たしているかを静的に検査する手法で,形式木言語理論においては,「木トランスデューサと入出力に対応する木オートマトンに対し,入力木が入力仕様を満たす限りその変換による出力木は必ず出力の仕様を満たす」という型検査に相当する.本年度においては,特に型検査に重点を置き,既存の木トランスデューサより広いクラスの木変換に対して型検査を試みる.具体的には,逆像の正規保存性を満たさないクラスの木変換を定義し,従来の手法では実現できなかった型検査アルゴリズムを提案する.また,前年度までに行ってきた等価性判定アルゴリズムについても精査し,木トランスデューサの融合手法についても研究を進め,可能な限り定理証明支援系による定式化を行う.前年度までの研究代表者の研究成果である木言語理論および木トランスデューサ理論の定式化を整理し,実際の応用に必要な拡張について検討を行うのが本年度の目標であった.ここで具体的に想定されていた応用とは,形式木言語理論を利用した(1)ソフトウェア開発の手法(プログラム合成やプログラム変換)および(2)プログラム検証の手法(モデル検査や等価性判定)のことである.本年度は,(1)として属性付き木トランスデューサの表現力の再考,(2)としてはプログラム検証である(2a)木トランスデューサの型検査や(2b)等価性判定の実装の準備を進めた.(1)については研究代表者が平成21年に発表したスタック属性付き木トランスデューサを再考してプログラム変換への応用を発表したが,循環性の考慮が必要なその意味論の複雑さから定理証明支援系において定式化することは難しく,今後の課題であると言える.(2a)木トランスデューサの型検査は,与えられた木変換規則と入出力の仕様に対し,「仕様を満たす入力を変換すると必ず仕様を満たす出力が得られる」ということを静的に検査することであり,逆像に基づく計算手法が一般的である.本研究では木オートマトンの表現を工夫することで効率的な実装ができることを確認した.(2b)木トランスデューサの等価性判定は,与えられた2つの木変換が同じ入力に対して同じ出力を返すことを静的に判定することであり,降下型木トランスデューサについては様々なアルゴリズムが提案されているものの実装されているものはほとんどない.一部のアルゴリズムについて実装を進めている.初年度である本年度は主として木言語理論および木トランスデューサ理論の定式化を応用するための調査が主な目的であった.

一般に,定理証明支援系によって定式化された枠組みから得られる実装は非効率であることが知られているため,Coqなどで提供されているプログラム抽出の機能(定式化された関数を実行可能なプログラムに変換する機能)をそのまま利用することは現実的ではない.そこで,定理証明支援系とは独立に効率的な実装ができることを確認した上で,それを定式化するという方針で進めている.本年度は,木言語理論において実用化が期待できる枠組みやアルゴリズムのうち,(1)スタック属性付き木トランスデューサの合成によるプログラム変換,(2a)マクロ森トランスデューサの型検査および(2b)降下型木トランスデューサの等価性判定によるプログラム検証を対象にした.(1)については,スタック属性付き木トランスデューサの合成は,定式化されやすい関数型プログラミングによって実装を行なっているものの,停止性については非自明であり,定理証明支援系における定式化は簡単ではない.そこで,マクロ木トランスデューサと呼ばれる,高い表現力を持ちながら停止性が自明である枠組みを拡張し,スタックマクロ木トランスデューサの考案に至った.(2a)については,マクロ木トランスデューサを拡張したマクロ森トランスデューサの型検査は逆像を木オートマトンで表現する方法が直観的であり定式化しやすいが,効率のために工夫された実装では交代性木オートマトンが必要であることがわかった.(2b)については,降下型木トランスデューサの等価性判定の手法として,木トランスデューサの値域を多項式環イデアルに対応できる事実を利用しているため,今後この定式化が必要であることがわかった.ただし,効率的に実装は多項式環に関する特殊な事実を利用する必要がある.本研究の目的は定式化された形式木言語理論をソフトウェア基盤技術へ応用することであるが,2年目にあたる平成30年度では,形式木言語理論の中心となる木トランスデューサ(木変換の形式的表現)と木オートマトン(木集合の形式的表現)の双方について応用やそのための拡張について研究を進めた.本年度の成果は,主に(1)木トランスデューサの記号的拡張,(2)木トランスデューサの等価性判定,(3)結合子論理の性質の部分的解明である.(1)の記号的拡張は既存の木オートマトンや木トランスデューサを拡張する手法の一つであり,記号の有限性制約を外すことを目的としている.この拡張は,有限性を満たす場合の望ましい性質を維持しながら注意深く行う必要があるが,本研究では,マクロ木トランスデューサとよばれる比較的表現力の高いものについて拡張に成功した.(2)の等価性判定はプログラム検証の手法に応用可能な「同じ入力に対し必ず同じ出力が得られる」という問題を解くことであり,一般的には決定不能問題であるが,特定の木トランスデューサについては決定可能であることが知られている.本研究では,ストリーム木トランスデューサの特殊な場合について等価性が決定可能になると予想し,部分的に解決した.(3)の結合子論理の中で関数合成を表す結合子について,研究代表者が平成20年に予想した性質を部分的に証明した.
大腸３次元解析、内臓脂肪面積測定、アディポカイン測定による大腸の健康診断法の開発

大腸CT検査による大腸腫瘍の診断を行うとともに、脂肪面積測定ならびに脂肪関連サイトカンであるアディポサイトカイン測定を行い、大腸腫瘍と肥満との関連性について検討を行った。当院において大腸CT検査と内視鏡検査を同日に行った123名を、無病変群40名、腺腫ポリープ群41名、早期癌群21名、進行癌群21名の4群に分類した。無病変群と比較して、腺腫ポリープ群の内臓脂肪面積、内臓脂肪INDEX)が有意に高値であった。早期癌群も内臓脂肪面積ならびに内臓脂肪指数が高値であるに加えて、血清TNFαが優位に低下していた。進行癌群は、血清TNFαが優位に低下していた。大腸腫瘍と内臓脂肪型肥満は関連性を認めた。現在までに、大腸内視鏡検査の適応のある70名(平均年齢66.1歳、男性40例、女性30例)を登録し解析を行った。まず、大腸内視鏡検査、大腸3D-CT検査を同日施行し、大腸3D-CT検査の精度比較を行った。さらに、大腸検査の所見より、健常(Normal Control;NC)群、大腸ポリープを認めるpolyp群、CRC群の3群に分類し、大腸3D-CT検査で得られた腹部断層画像により、大腸3次元解析を行うとともに腹囲、内臓脂肪面積、内臓脂肪量、腸腰筋CT値、筋肉面積を測定した。また、アディポサイトカインである血清アディポネクチン、レプチン、TNF-α、IL-6を測定した。結果:NC群38名(男性21名、女性17名)、polyp群12名(男性7名、女性5名)、CRC群20名(男性12名、女性8名)であった。CRC群のアディポネクチンは、polyp群と比較して有意に高かった(p<0.05, 14.1 ug/ml vs 9.1 ug/ml)。また、血清TNF-αおよびIL-6はいずれもNC群ならびにポリープ群と比較しCRC群が有意差をもって低かった(p<0.05)。今後の展望:大腸3次元解析、内臓脂肪面積測定、及びアディポサイトカイン測定を組み合わせることにより効果的な大腸疾患診断の確立が期待できる。今後さらに症例、各郡60名を目標に登録を目指す。上記内容を国内学会および国際学会で発表した。【目的】大腸CT検査による大腸腫瘍の診断を行うとともに、肥満、内臓脂肪面積測定ならびに脂肪関連サイトカンであるアディポサイトカイン測定を行った。【方法】当院において大腸CT検査と内視鏡検査を同日に行った153名(男性90例、女性63例)を対象とした。大腸内視鏡診断をもとに、無病変群56名(男性30名、女性26名)、ポリープ群52名(男性29名、女性23名)、早期癌群27名(男性17名、女性10名)、進行癌群18名(男性14名、女性4名)の4群に分類した。腹部断層画像を用いて、大腸3次元解析を行うとともに大腸腹囲、内臓脂肪面積、内臓脂肪量も測定した。また、アディポカインである血清アディポネクチン、レプチン、TNF-αを測定した。【成績】無病変群と比較して、ポリープ群の内臓脂肪面積(150cm2vs115.2 2cm, p<0.05)、内臓脂肪INDEX(91.5cm2/m2vs 70.1cm2/m2, p<0.05)が有意に高値であった。また、これらの因子は単変量および多変量解析で有意差を認めた。無病変群と比較して、早期癌群の血清TNFαが優位に低下しており(14.9pg/ml vs 27.1 pg/ml, p<0.05)、単変量および多変量解析で有意差を認めた。進行癌群は、無病変群と比較してHDLが優位に低下しており(45.1mg/dl vs 56.6 mg/dl, <0.05)、単変量および多変量解析で有意差を認めた。【結論】大腸CT検査で、大腸腫瘍の診断のみならず内臓脂肪面積測定を行い、アディポサイトカイン測定を加えることで効果的な大腸腫瘍の診断の確立が期待できる。当初の予定どおり、川崎医科大学および同附属病院倫理委員会の承認を得た後、まず本研究に必要不可欠な大腸3D-CT検査用炭酸ガス自動注入装置(プロトCOL2、エーディア)を購入した。検査方法は本研究開始し、現在確立できている。大腸3D-CT検査の前処置は、大腸内視鏡検査に準じて経口腸管洗浄液(クエン酸マグネシウム)に水溶性造影剤(ガストログラフィン)を混入したPEGーC法を用いている。

大腸3D-CT検査は、16列の検出器を有するmulti detector-row CT(MDCT)、Light Speed Ultra16(GEヘルスケアジャパン社製)を用い、撮影は管電圧120kV、管電流100440mA、管球回転時間0.5秒、撮影スライス幅20mm(1.25mm×16)でヘリカルスキャンを行い、2D-CT画像用に画像再構成厚5mm、画像再構成間隔は5mmとした。3D-CT画像用に画像再構成厚1.25mm、画像再構成間隔0.625mmとした。3D-CT画像データはMDCTよりワークステーション(Virtual Place Raijin : AZE社製)に転送し、3D-CTの画像構築と解析を行っている。内臓脂肪面積は同ワークステーションの脂肪面積解析ソフトを用いている。アディポサイトカインは、大腸検査前(絶食)に採血を行い、アディポカイン、レプチン測定はELISAで行っている。また、大腸内視鏡検査を同時に施行できた症例に関しては、直腸の正常粘膜を採取し、抗アディポサイト受容体(1,2)抗体を用いて免疫染色を行っている。初年度エントリーは現時点で大腸3D-CT検査は約150名検査を施行した。大腸3D-CT検査、採血および内視鏡検査における生検をすべて行った症例は約50名エントリーしている。現在、大腸検査の前処置、検査法等について改善点がないかどうかデータ集計を行っている。解析方法は確立できており、症例登録もおおむね順調に進展している。上記の如く、3郡にわけて検討を行っているが、現時点でやや症例が少ない早期大腸癌群の登録数を今後増やしていく必要がある。大腸3DーCT検査件数は、予定どおり年間150例は超えており、おおむね順調に伸展している。大腸検査、採血および内視鏡検査時の生検すべて行った症例は50例である。上記の如く、3郡にわけて検討を行っており、現時点でやや登録数の少ない早期大腸癌群の登録数を増やしていく必要がある。したがって、今後地域医からの症例紹介を促進していただくために、研究発表を積極的に行い外部に研究のアピールをおこなっていく。大腸3DーCT検査は順調に伸展しているが、採血および内視鏡検査時の生検すべて行った症例がまだ足りていない。今後は、さらに症例集積、さらには内視鏡検査も同日にできるようにますます積極的に症例を集めたい。現在、予定の50例になったため、現在解析を行い改善点のチェックがないか現在解析中である。当初の症例登録目標数に達しなかったため繰り越し金が生じた。24年度からの繰越額は25年度請求額と合わせて大腸CT検査およびアディポネクチン測定に必要な物品費に使用する計画です。次年度使用額は、本年度請求分と合わせ、アディポカイン、レプチン測定はELISAで行い、また、大腸内視鏡検査を同時に施行できた症例に関しては、直腸の正常粘膜を採取し、抗アディポサイト受容体(1,2)抗体を用いて免疫染色を行うため、主にELISAキット、免疫染色に必要な消耗品を購入予定である。
ヒト脊髄の単一運動細胞に対する神経回路の検索法の開発と回路の解析

1.単一運動単位活動を用いて脊髄神経回路活動の検索のための新たな方法を開発した.(1)この方法のためのコンピュータプログラムを開発した.(2)H反射を導出してその中に含まれる単一運動単位を記録した.(3)運動単位の発火確率が50%になるように刺激の強さを自動的に調節した.これは前の刺激によって運動単位が発火すれば刺激強度を弱め,発火しなかったら刺激を強めることで行なった.Ia線維の閾値強度をPSTHの方法を用いて求め,これを差し引いたものをcritical firing stimulus(CFS)と名付けた.(4)運動細胞に対する種々の入力の効果は,条件刺激を先行して与えたときのCFSの変化によって判定した.(5)運動単位の種類(閾値)は発火確率が50%となるときのH反射の大きさ(critical firing level,CFL)によって決定した.2.正常人を対象に本法による結果を従来から確立されているH反射での結果と比較検討した.(1)対象とした反射回路は抑制回路(相反性Ia抑制)と促通回路(異名性Ia促通)を用いた.(2)効果の見られた運動単位についてみると,条件刺激効果量はH反射を用いた方法と極めてよく相関した.(3)条件刺激効果の測定感度はH反射を用いた方法とほぼ同等であった.(4)運動単位によっては効果の全く見られないものもあり,末梢神経からの神経結合が運動単位によって量的にも質的にも異なっていることが明らかにされた.これはH反射では得られない知見である.3.異名性Ia促通については大腿四頭筋からヒラメ筋に対するIa結合率(51.3%)をヒトで初めて明らかにし,ネコ,猿よりやや低い値を示した.4.相反性Ia抑制の拮抗筋随意収縮時の変化については従来から議論があり,問題はH反射が運動細胞群の活動を反映し,個々の運動細胞の活動を必ずしも示さないことにあった.本法により単一運動細胞に対する検索が可能となり,抑制量が増加することが解明された.1.単一運動単位活動を用いて脊髄神経回路活動の検索のための新たな方法を開発した.(1)この方法のためのコンピュータプログラムを開発した.(2)H反射を導出してその中に含まれる単一運動単位を記録した.(3)運動単位の発火確率が50%になるように刺激の強さを自動的に調節した.これは前の刺激によって運動単位が発火すれば刺激強度を弱め,発火しなかったら刺激を強めることで行なった.Ia線維の閾値強度をPSTHの方法を用いて求め,これを差し引いたものをcritical firing stimulus(CFS)と名付けた.(4)運動細胞に対する種々の入力の効果は,条件刺激を先行して与えたときのCFSの変化によって判定した.(5)運動単位の種類(閾値)は発火確率が50%となるときのH反射の大きさ(critical firing level,CFL)によって決定した.2.正常人を対象に本法による結果を従来から確立されているH反射での結果と比較検討した.(1)対象とした反射回路は抑制回路(相反性Ia抑制)と促通回路(異名性Ia促通)を用いた.(2)効果の見られた運動単位についてみると,条件刺激効果量はH反射を用いた方法と極めてよく相関した.(3)条件刺激効果の測定感度はH反射を用いた方法とほぼ同等であった.(4)運動単位によっては効果の全く見られないものもあり,末梢神経からの神経結合が運動単位によって量的にも質的にも異なっていることが明らかにされた.これはH反射では得られない知見である.3.異名性Ia促通については大腿四頭筋からヒラメ筋に対するIa結合率(51.3%)をヒトで初めて明らかにし,ネコ,猿よりやや低い値を示した.4.相反性Ia抑制の拮抗筋随意収縮時の変化については従来から議論があり,問題はH反射が運動細胞群の活動を反映し,個々の運動細胞の活動を必ずしも示さないことにあった.本法により単一運動細胞に対する検索が可能となり,抑制量が増加することが解明された.正常人を対象にH反射および運動単位を記録し、運動単位を用いた新しい方法論の確立をめざした。実験遂行の為のコンピュ-タプログラムは完成し、正常成人13名について運動単位を用いて検索した。H反射を導出して、その中に含まれる運動単位を単極微小針電極を用いて記録した。運動単位の発火確率が50%になるように、試験刺激の強さをコンピュ-タによって自動的に調節し、条件刺激をこれに先行して与えて試験刺激強度の変化によって条件刺激効果を判定した。運動単位の種類は発火確率50%となる刺激でのH反射の大きさ(critical firing level,CFL)によって決定した。運動単位を用いた方法で得られた結果をH反射での結果を比較検討すると、効果のみられた運動単位についてはH反射の結果と極めてよく相関した。運動単位によっては全く効果のみられなかったものもあり、未梢神経から神経経合が運動単位によって異なっていることが明らかにされた。本方法の感度についてはH反射を用いた実験とほぼ同等であった。以上より個々の運動細胞に対する神経結合を検索する新しい方法がほぼ確立されつつある。

今後技術的には、運動単位の記録に用いる記録電極の一層の工夫が必要であり、現在の微小針電極では検索対象となる運動単位が低閾値のものに限られてしまう。運動細胞の種類の違いによる神経結合の相違を検討することは、運動制御機構を解明するために重要であるが、そのためにはより高閾値の運動単位の検索が必要となる。1.正常人を対象に運動単位活動を用いて,脊髄神経回路活動の検索のための新たな方法を開発した。(1)この方法のためにコンピュータプログラムを開発した。(2)H反射を導出してその中に含まれる単一運動単位を記録した。(3)運動単位の発火確率が50%になるように刺激の強さを自動的に調節し,この時の刺激強度をcritical firing stimulus(CFS)と名付けた。CFSは当初は刺激装置からの出力(V)をそのまま使用していたが,Ia線維の閾値強度をPSTHの方法を用いて求め,これを差し引くことでデータの信頼性を高めた。(4)運動細胞に対する種々の入力の効果は,条件刺激を先行して与えたときのCFSの変化によって判定した。(5)運動単位の種類(閾値)は発火確率が50%となるときのH反射の大きさ(critical firing level,CFS)によって決定した。2.本法による結果を従来から確立されているH反射を用いた方法での結果と比較検討した。(1)対象とした反射回路は抑制回路と促通回路でそれぞれ相反性Ia抑制,異名性Ia促通を用いた。(2)効果の見られた運動単位についてみると,条件刺激効果量はH反射を用いた方法と極めてよく相関した。(3)条件刺激効果の測定感度はH反射を用いた方法とほぼ同等であった。(4)運動単位によっては効果の全く見られないものもあり,末梢神経からの神経結合が運動単位によって量的にも質的にも異なっていることが明らかにされた。これはH反射では得られない知見である。3.異名性Ia促通については大腿四頭筋からヒラメ筋に対するIa結合率をヒトでは初めて明らかにし,ネコ,猿に比ベてやや低い値を示した。4.相反性Ia抑制の拮抗筋随意収縮による変化については,従来から議論があったが,本法により純粋な神経回路の活動性の変化として増加することがほぼ解明された。5.運動障害患者の結果も得られつつあるが,結論はまだ出ていない。1.単一運動単位活動を用いた脊髄神経回路活動の検索のために本研究で新たに開発した方法を用いて,正常人12名(ヒラメ筋で計38運動単位)について反射回路の活動性を検索し,従来から確立されているH反射を用いた方法での結果と比較検討した.(1)対象とした反射回路は抑制回路と促通回路で,それぞれ相反性Ia抑制,異名性Ia促通を用いた.(2)効果の見られた運動単位についてみると,条件刺激効果量はH反射を用いた方法と極めてよく相関し,両者は高い相関係数を示した.(3)条件刺激効果の測定感度はH反射を用いた方法とほぼ同等であった.(4)運動単位によっては効果の全く見られないものもあり,末梢神経からの神経結合が運動単位によって量的にも質的にも異なっていることが明らかにされた.これはH反射では得られない知見である.2.異名性単シナプス性Ia促通については,大腿四頭筋からヒラメ筋に対するIa結合率をヒトでは初めて明らかにし,結合率は51.3%で,ネコ,猿に比べてやや低い値を示した.3.相反性Ia
一般大学出身の教育実習生を支援する「教授活動ゲーム」の開発

本研究は、これまでに開発してきた「授業設計訓練システム」と「教授活動ゲーム」について、(1)「授業設計訓練システム」をWeb上で実行できるようにすること、(2)「教授活動ゲーム」に生徒の誤り・つまずきを生成する機能や関心・意欲の状態を変化させる機能を実現すること、(3)システムの運用実験を行うことを目的とした。目的(1)に関しては、伝達内容を自動生成するためのモデルを検討し、Lispで実装したが、教育実習では、短時間で効率良く指導計画の流れを大まかに検討できることが重要であるため、自動生成方式で伝達内容のリアリティを高める方法は不採用とした。それに代わり、これまで、「授業設計訓練システム」と「教授活動ゲーム」とを連携させて、教材分析⇒指導案作成⇒模擬授業の作業を行ってきたが、一方のシステムで集中的に作業を行えるようにし、作業の効率化を図ると同時に、作業の手順を固定し過ぎず、柔軟に変更できるようにした。具体的には、「教授活動ゲーム」に、a)目標構造図作成機能とその結果に対して「授業設計訓練システム」用のルール・ファイルを転用してフィードバックを返す機能、b)指導計画の5つ組を入力するための対話インタフェース、c)ゲームの実行を途中で中断・再開できる機能を実現した。その際、5つ組と授業展開分析用の入力インタフェースでは、以前からユーザの要望が多かった階層的メニュー方式をJavascriptで実現し、選択肢を容易に絞り込めるようにした。また、目的(2)については、生徒や指導教員に対するアンケート、授業観察から、生徒の認知面、情意面、行動面の変化に関するルールを抽出・構成し、それらを用いて模擬授業できるシステムを開発した目的(3)については、実験により、模擬授業システムが教育実習に向けた意識を高めたり、授業における意思決定能力を高めることに効果があることを確認した。本研究は、これまでに開発してきた「授業設計訓練システム」と「教授活動ゲーム」について、(1)「授業設計訓練システム」をWeb上で実行できるように改良する(その際、著作権上の問題に対応するため、伝達情報の自動生成機能を実現する)、(2)「教授活動ゲーム」に、生徒の誤り・つまずきを生成する機能や関心・意欲の状態を変化させる機能を実現する、(3)システムの運用実験を行って効果を検証する、ことを目的としている。今年度は、(1)の準備段階として、高校「数学I」の2次関数の範囲について、伝達内容を自動生成するためのモデルを検討し、Lispで実装した。生成モデルは、次元分けの考え方に基づき、手続き的な知識に関しては、下位目標に該当する手続きを順次実行することで、また、宣言的な知識については、適切次元に対応する知識を概念知識から生成する方式とした。実際に生成する文章は、教授意図に応じて、説明文や発問文にできるようになっている。また、(2)については、教授活動ゲームの内部変数記述機能を拡張し、複数の生徒の複数の状態を記述したり、ルールに基づいて変更したりできるようにした。また、高校生から収集したデータに基づき、当該機能を使った生徒モデルや状態変化ルールを作成した。さらに、学習者の様子をよりリアルに表現するための対話インタフェースの拡張を行った。そして、これらの機能を使って、実際に行う模擬授業と教授活動ゲーム上で行う模擬授業との比較を行った。この他、教育実習での利用に向けた検討を行った結果、実習生が教材研究や授業設計について、教職課程で十分に学習していないため、まず、授業設計の作業そのものについての演習教材が必要であること、社会科歴史分野への適用を考えた時、教科書に頼らない教材研究や授業のあり方を考えさせることが重要であること等が現職教員へのインタビューで明らかになった。

本研究は、これまでに開発してきた「授業設計訓練システム」と「教授活動ゲーム」について、(1)「授業設計訓練システム」をWeb上で実行できるようにすること、(2)「教授活動ゲーム」に生徒の誤り・つまずきを生成する機能や関心・意欲の状態を変化させる機能を実現すること、(3)システムの運用実験を行うことを目的とした。目的(1)に関しては、昨年度、伝達内容を自動生成するためのモデルを検討し、Lispで実装したことを受け、目的(3)とも関連づけて、システムの負荷やデータ作成の手間、ユーザの入力作業の手間などについて検討した。その結果、教育実習では、短時間で負担無く指導計画の流れを検討できることが重要であるため、自動生成方式は不採用とし、Javascriptを使った階層的メニューで選択肢を容易に絞り込む方法を採用して、メニュー項目も再構成し、実装した。また、これまで、「授業設計訓練システム」と「教授活動ゲーム」とを連携させて、教材分析⇒指導案作成⇒模擬授業を行ってきたが、作業の効率化を支援するには、一方のシステムで集中的に作業を行えることと、作業の手順を固定し過ぎず、柔軟に変更できることなどが必要であると考え、「教授活動ゲーム」に、a)目標構造図作成機能とその結果に対して「授業設計訓練システム」用のルール・ファイルを流用してフィードバックを返す機能、b)指導計画の5つ組を入力するための対話インタフェース、c)ゲームの実行を途中で中断・再開できる機能を実現した。さらに、目的(2)については、目的(1)と同様、誤り・つまずきを生成するよりも、実際の授業結果を取り入れて授業改善することを重視することとした。そして、授業で見いだした生徒の誤り・つまずきを授業改善に取り入れるために、教授活動ゲームと電子掲示板機能を連携させ、授業後に指導計画を自動的に掲示板に転載し、それについて討論できるようにする機能を実現した。
北海道西南部地域における更新世人類遺跡の分布調査

日本人の起源の解明にあたって、更新世の人類化石の発見が待たれている。東日本では旧石器時代の遺跡が数多く分布するにもかかわらず、未だ人骨の検出がなされていない。石灰岩洞穴は化石の保存に最もてきした環境にある。そこで北海道西南部において更新世人類化石の発見が期待される石灰岩洞穴遺跡の分布調査をおこなった。調査地域は洞穴の発見に有望な先第三系の石灰岩広くが分布する函館北部の上磯地域ならびに渡島半島西岸の島牧村である。両地域にて延べ20日間にわたり沢沿いに踏査をおこなった。その結果、上磯地域においては戸切地川中流から上流にかけての先第三系の石灰岩ブロックに5カ所の洞穴が確認されたが、約200mほどのがけ中腹に位置し、発掘調査は極めて困難であった。一方、島牧村においては大平川から泊川に挟まれた先第三系の地域を踏査した。先史人類の居住に適した洞穴はカモイ川上流およびホンベツ川中流の枝沢に存在するが、このうち後者の洞穴については発掘調査をおこなった。基盤にいたる2m50cmの深度まで掘り下げた結果、炉跡ならびに2点の黒曜石の石鏃が検出された。炉跡の木炭のC14年代測定から、およそ8000BPの年代が得られ、縄文時代前期の遺跡であることが確認された。石鏃の形態もこの年代に矛盾はなかった。北海道では前期旧石器の遺跡は希少であり、この結果は極めて重要である。今回の調査では更新世の遺物は検出されなかったが、今後の発掘調査で更新世人類の化石の発見が期待される有望な洞穴のひとつであることが確認された。
セラミックス膜と樹脂基材のシナジー

大気開放型化学気相析出(CVD)法で作製される水酸化物膜は、ゾル-ゲル法の乾燥ゲル体とアルキル基の有無による違いはあるものの構造が類似していると考えられる。本研究では、適当な樹脂基材上に結晶性酸化物膜を得るための展開研究を行った。シリコン、シリカガラス、アクリル樹脂、PETおよびポリイミドなどの基材上に比較的低温で水酸化物膜を形成し、低温ポストアニールで結晶性クラックフリー酸化物膜を得た。クラックフリーの膜を得るための結晶化挙動を、赤外分光分析法、X線回折法、走査型電子顕微鏡法および示差熱天秤法を用いて熱的に検討した。まず大気開放型CVD法を用いてアモルファス水酸化チタン膜を基板加熱温度120°Cから360°Cの条件で原料気体温度300°C以下で得た。この試料に対して、500°Cまでのアニールを行なうと基板温度の低い条件(基板温度200°C)で作製されたアモルファス膜は、構造的に結晶から遠いため、自由体積が大きく、アニールによる結晶化挙動が比較的低温で起こりやすい。一方、基板温度の高い条件(基板温度280°C)で作製されたアモルファス膜では、構造的に結晶に近いため、自由体積が小さく、アニールによる結晶化挙動が比較的低温で起こりにくい。クラックを起こさずにポストアニールによって比較的低温で酸化物膜の結晶化を行うには、自由体積の大きいアモルファス膜を形成することが有利であることがわかった。大気開放型化学気相析出(CVD)法により酸化物膜を樹脂基材に析出させた。研究目的は酸化物と樹脂の双方の特徴を互いに共生(シナジー)させながら、高度に特性が制御された材料を創出することである。初年度は密着性のよい接合の得られる酸化物膜と樹脂基材の組み合わせを調査した。本年度で選択された2つの酸化物はチタニアとシリカである。大気開放型CVD装置を用いて、チタニアはチタン酸イソプロピルから、シリカはシリカエトキシドから成長させた。また樹脂基材にはアクリル(PMMA)とポリカーボネート(PC)シート(2mm厚)およびフィルム(100μm厚)を準備した。チタニアとシリカともシートおよびフィルム上で1μm程度の膜厚を有する膜を形成した。原料の加水分解には気相中での加熱が必要になる。チタン酸イソプロピルは200-300°C、シリカエトキシドは300-400゚Cでノズルから大気に開放されなければならない。開放された原料は空気中で加水分解および冷却されながら水酸化物を形成すると考えられる。それらが80-100°Cに加熱された樹脂基材上で一部脱水をおこしながら、膜を形成する。膜の堆積速度はおおよそ10.50nm/sと比較的高速である。作製条件によるPCとチタニア膜の密着性マッピングまで終了した。チタニア膜は基板温度80°C以上で比較的高速に堆積する。ノズルからの開放温度が300°C未満であると密着性のよい平坦な膜が堆積するのに対し、300°C以上では粉様の機械的に軟質な膜が堆積する。気相での加水分解あるいは脱水の程度が堆積膜の質を決定するようである。次年度は膜質や密着性を決定する要因を調査する。本研究では、樹脂基材上に比較的低温で水酸化物膜を形成し、低温ポストアニールでクラックフリー酸化物膜を得る。大気開放型CVD法を用いるとアモルファス水酸化チタン膜を基板加熱温度300°C以下で原料気体温度250°C以下のときに得ることができる。この試料に対して、0.548hアニールを行なうと150°C250°Cの範囲でアナターゼ結晶になる。

結晶はX線回折法で確認することができる程度までの結晶性を有する。プロセス全体を通じて基材温度150°Cまで最低限加熱すればアナターゼ膜が得られることを確認した。Ti、OおよびHの組成比を算出したところ、水酸化チタン膜中には水が含まれることがわかった。水は水酸化チタンに比較してTi(OH)_4・nH_2O(n<3)の組成をとる。ポストアニールによる試料の赤外線吸収スペクトル経時変化を求めたところ、ポストアニールによって水はゆっくりと膜の外に排出されることかわかった。比較的に急激な脱水が生じる場合、ポストアニール後の試料はクラックを伴い基材よりはがれた。しかしながらゆっくりと脱水する場合にはクラックを生じることなくアナターゼ多結晶膜を形成した。この多結晶膜は樹脂基材あるいはSi基材上に良好に密着する。大気開放型化学気相析出(CVD)法で作製される水酸化物膜は、ゾル-ゲル法の乾燥ゲル体とアルキル基の有無による違いはあるものの構造が類似していると考えられる。本研究では、適当な基材上に比較的低温で水酸化物膜を形成し、低温ポストアニールで結晶性クラックフリー酸化物膜を得るための結晶化挙動を、示差熱天秤を用いて熱的に検討した。大気開放型CVD法を用いてアモルファス水酸化チタン膜を基板加熱温度120°Cから360°Cの条件で原料気体温度300°C以下で得た。この試料に対して、500°Cまでのアニールを行なうと基板温度200°Cのとき374°Cで、基板温度240°Cのとき398°Cで、基板温度280°Cのとき413°Cで、結晶化に伴う発熱ピークを得た。この温度を越してアニールされると、アモルファス水酸化チタン膜はアナターゼ結晶膜となる。基板温度の低い条件(基板温度200°C)で作製されたアモルファス膜では、構造的に結晶から遠いものと思われる。すなわち自由体積が大きく、アニールによる結晶化挙動が比較的低温で起こりやすいといえる。一方、基板温度の高い条件(基板温度280°C)で作製されたアモルファス膜では、構造的に結晶に近いものと思われる。すなわち自由体積が小さく、アニールによる結晶化挙動が比較的低温で起こりにくいといえる。クラックを起こさずに結晶化するには、基板温度の低い条件がよかったため、クラックフリーの結晶化を得るためには、自由体積の大きいアモルファスが有利であることがわかった。