hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
局所エネルギー入力による液滴乾燥パターンの制御

非平衡過程において形成される散逸構造は多様な形態を示すことから、新規材料構築の手法として、近年注目されている。本研究では、基板上でコロイド分散液が乾燥する際に現れるパターン形成(コーヒーリング効果)に着目し、基板の性質や光刺激を与えることで内部の散逸構造(流れ)を制御し、特徴的な微粒子配列や、分布のある高分子薄膜の形成を行った。また分散粒子のサイズによる乾燥パターンの変化についても検討した。平成25年度は、コロイド分散液の乾燥パターンの基本的な観察と、乾燥パターンを変化させるために用いる集光レーザー装置の構築を行った。液滴を展開する基盤の親水・疎水性を制御することで、得られる乾燥パターンが変化することが分かった。直径1μmのポリスチレンラテックス粒子を超純水に分散させ(0.09 vol%)、カバーガラス上に100 μl滴下し乾燥した。空気の流れや湿度変化の影響を減らすため蓋をしたシャーレ内で乾燥させ、乾燥パターン形成を観察した。ガラスはエタノールで洗浄しただけのものと、オゾン処理により表面を浄化し親水性を高めたものを用いた。乾燥パターンの形状や構造は、単純な目視、および倒立型光学顕微鏡を用いて観察した。親水化したガラスの場合、ガラス面上への滴下の時点で分散液が薄く大きく広がり、接触線が長くなった。さらにピン留め効果により乾燥時も接触線がほとんど移動しないことから、乾燥後の粒子密度が低くなった。また接触角が小さいことから、接触線近傍では液膜が薄く、多重積層構造をとりにくくなった。これらの要因により、親水基盤では、やや幅が狭く単層な領域が広い構造が形成された。形成される乾燥パターンを新規材料として利用するためには、層の厚さの制御が重要であり、広い面積にわたって均質な構造を形成する必要がある。今回の検討により、多重積層構造の形成を抑えるためには、基板を親水化することが効果的であることが分かった。より広い面積で均質な構造を形成するためには、温度や湿度などの外的環境や、エタノールなどの添加による界面張力の変化など、更なる条件の制御が必要であると考えられる。高い拡張性を有する集光レーザー光学系を倒立顕微鏡に組み込み、レーザートラップも可能な装置を構築した。本装置を用い、液滴乾燥時に発生する対流を制御することに成功し、乾燥パターンの変化を観察した。ポリスチレンビーズ分散液を用い、レーザー照射によるコーヒーリング形成の変化を検討した。直径1 μmのビーズ分散液10 μlをガラスボトムディッシュ上に滴下し、蓋をした状態で、波長1064 nm, 200 mWのレーザーを液滴の中央、および端に照射しながら乾燥させた。レーザーを照射しない場合と比較し、どちらも荒れたリング構造を形成した。特に液滴端に照射した場合は、放射状の乾燥パターンが得られた。ゲル微粒子からなる構造形成として、ナノゲル分散液を用いた実験を行った。アクリロイル基を導入した疎水化プルラン(CHPOA)、末端にアクリロイル基を付与した4分岐ポリエチレングリコール(PEGOA)、光反応開始剤を用いて、アクリロイル基をUV照射により反応させゲル化すると同時に、液滴を乾燥させ、ナノゲルのリング構造を形成する手法を試みた。CHPOAとPEGOAがモル比5:1、CHPOAの終濃度が15 mg/mlになるように混合し、これをスライドガラスに巻きつけたテフロンフィルターに10 μL滴下して室温で放置した後、365 nmのUV光照射を15分間行った。その後再び室温で乾燥させ、顕微鏡で観察した。CHPには蛍光色素を付与しており、この蛍光よりナノゲルの分布を調べたところ、ナノゲルがリング状に残った構造が観察された。3D測定レーザー顕微鏡で表面形状を調べたところ、ドーム状に盛り上がっており、PEGが中央に多く存在していることが分かった。また、中央の高さはPEGの混合比を下げると低くなった。そこでPEGを含まないCHPOAのみの分散液でも同様の実験を行ったところ、ナノゲルのリング構造が確認された。この光架橋ゲルには蛍光を付与したCHPOAしか含まれていないことから、蛍光強度が厚さにほぼ比例すると考えられ、リング様の構造が作成できた。ソフトマターの物理平成25年度は、コロイド分散液の基本的な乾燥パターンの観察、および、液滴内部の流れ制御のための集光レーザー装置の構築と、その装置を用いた乾燥パターンの研究を予定していた。まずは基盤の親水・疎水性が乾燥パターン形成に与える影響を検討した。乾燥パターンの形状や構造は、単純な目視、および、倒立型光学顕微鏡を用いて観察した。滴下した液滴が同量であっても、基板の親水・疎水性により、滴下直後の液滴の形状や面積が異なった。その結果、親水表面の方が制御された乾燥パターン形成に適していることが分かった。一方で、集光レーザー装置の構築に関しては、当初計画では既製の装置(シグマ光機社製・光ピンセットMini)の導入を予定していた。

しかし、既製装置は完全に部品が固定されており、ユーザー側での変更の余地が全くなく、将来的なレーザー焦点の時空間変化や、多点化などの機能拡張が困難であった。このことから、限られた予算を有効に活用し、今後の研究の発展に対応しうる拡張性を装置に持たせるため、レーザー光源、および光学部品を個々に購入し、光学定盤上に装置を自作することにした。その結果、光学系の設計、部品の選定、組み立て、調整に当初の想定以上の時間を必要とし、集光レーザーを用いた乾燥パターン制御の実験に若干の遅れが生じる結果となった。今年度構築した集光レーザー装置は、当初導入を予定していた既製装置と同等以上の性能を有している。また全ての光路系にアクセスし、構成を自由に変更することが可能であり、拡張性が非常に高い装置となっている。以上より、使用する装置の問題は完全に解決しており、今後の研究は加速度的に発展し、この遅れは十分に取り戻せると考えられる。コロイド分散液の乾燥時に形成される微粒子集積構造の制御について研究を行う。平成25年度に得られた基礎的な知見を元に、今後はサイズの異なる粒子の輸送挙動の違い、粒子の形状の影響、粒子表面の修飾の違いによる輸送挙動の変化を調べる。特にこれら性質の異なる粒子の混合系について検討し、性質の異なる粒子混合系の分離パターン形成について調べる。また、エタノールや界面活性剤など、界面物性を変化させる物質を添加することで、得られる乾燥パターンがどのように変化するか調べる。集光レーザーによる、性質の異なる粒子の乾燥パターン制御について、集光レーザーの位置や強度を変化させて、検討を行う。光を吸収する材料の使用や液滴を展開する基盤の加工、レーザーの多点化など、液滴乾燥時の内部の流れを制御する試みを検討する。粒子サイズによる分離パターンの形成に着目し、その制御を試みる。得られた乾燥パターンの評価については、目視による構造色の確認や光学顕微鏡による観察を基本とするが、蛍光標識した試料を用いた走査型共焦点レーザー顕微鏡による3次元構造観察も検討する。また小さい粒子を用いる場合は、必要に応じて原子間力顕微鏡や走査型電子顕微鏡などの微細構造分析を行う。これらの微細構造分析に必要な装置類については、学内の共同利用施設を利用することで対応する。高分子溶液の乾燥パターンに関しても、同様に集光レーザーを用いてパターン形成を制御する研究を実施し、本手法の汎用性について検討する。得られた乾燥構造を光学顕微鏡、偏光顕微鏡、走査型電子顕微鏡などの様々な手法で観察し、新規材料としての評価を行う。また、必要や強度に応じて、引っぱり試験等の力学試験を行う。当初計画に予定していた国内学会への参加を取り止めたことから、旅費として計上していた予算が未使用となった。また集光レーザー装置を、既製品ではなく、個々の部品を購入し組み立てた経緯から、集光レーザー装置の構築に使用した金額に、当初計画からの差額が発生した。これらの理由により、平成25年度は一部予算が未執行となったが、執行金額に計画からの大きな変更はない。平成25年度から繰り越した予算は、集光レーザー系に追加する光学部品、および、レーザーの光軸調整に必要な治具の導入に使用する。また平成26年度の予算は、予定通り、消耗品の購入と、電子顕微鏡等の共同利用設備
光硬化型グラスアイオノマーセメントの専用プライマーの実用化に関する研究

本研究では,光硬化型グラスアイオノマーセメントの象牙質接着性を向上させる研究の一環として,専用のデンティンプライマーを開発するために,接着性を向上させるに有効であると考えられる組成のデンティンプライマーを試作し,これらの含有率を変え象牙質接着強さ,接合面や接合界面の電顕的観察および接着耐久性試験から検討し,以下の結論を得た。1.試作デンティンプライマーに用いる機能性モノマーとしては,カルボン酸系モノマーに比較してリン酸エステル系モノマーが,象牙質接着強さを向上させた。とくにその接着効果は,EPHにおいて最も高くなる傾向を示した。2.試作デンティンプライマーの組成の至適含有率としてはBis-MEP 5 wt%,EtOH 20 wt%,およびHEMA 35 wt%であり,製造者指示のデンティンコンディショナ-処理よりも明らかに大きな象牙質接着強さが認められた。3.試作デンティンプライマーを用いた接着試片の試験後の接合界面の電顕的観察では,光レジンにおけるハイブリッド層と同様に、セメントマトリックス含浸層様の含浸層が認められ,それらの試験片では象牙質の凝集破壊例が一部に認められた。4.試作デンティンプライマーを用いた接着耐久性試験では,対照として用いた光レジンよる接着安定性に優れる成績を示した。以上の結果から専用のデンティンプライマーを製作,使用することによって光セメントの象牙質接着性の向上が可能であることが示唆された。また,デンティンプライマーはボンディング材のように層状構造物を接着界面に形成するはないことから,セメントから徐放されるフッ素の歯質取り込みを阻害することはないものと考えられた。光硬化型グラスアイオノマーセメントの象牙質接着性を向上させるために専用プライマーの開発およびその臨床応用手技を確立することを研究の目的とした。すなわち、開発されるプライマーとしては,コンディショナ-(酸液)の機能としてのスミア-層の除去とプライミング機能としての象牙質面の改質を行うものである。その組成としては,HEMA,エタノールおよび機能性モノマーなどの種類と含有率を変えた専用プライマーを試作した。象牙質接着性試験と接着界面の電顕観察について検討が行われた。その結果,プライマーを構成する機能性モノマーとしてリン酸エステルモノマーを用いたものでは,35%HEMA,20%エタノール,5%機能性モノマーの組み合わせが高い象牙質接着性を示した。カルボン酸エステルモノマーを用いたものではこれを4-METAとし,35%HEMA,20%エタノール,5%機能性モノマーの組み合わせが高い象牙質接着性を示した。接合象牙質界面の環境型電子顕微鏡観察では,数μmのセメントマトリクス層が認められた。アルゴンエッチング後の従来型走査電子顕微鏡観察では,表層脱灰象牙質およびセメントとは異なる像を示し,光重合型レジンでみられるハイブリッド層のように観察された。さらにプライマーの構成に架橋材モノマーを混入し界面の構造強化を図り接着性の向上を目的としたプライマーを試作し,接着強さへの影響を検討した。その結果リン酸エステルプライマー,カルボン酸エステルプライマーともに架橋材を混入した効果は認められなかった。

2.試作デンティンプライマーの組成の至適含有率としてはBis-MEP5wt%,EtOH20wt%,およびHEMA35wt%であり,製造者指示のデンティンコンディショナ-処理よりも明らかに大きな象牙質接着強さが認められた。3.試作デンティンプライマーを用いた接着試片の試験後の接合界面の電顕的観察では,光レジンにおけるハイブリッド層と同様に,セメントマトリックス含浸層様の含浸層が認められ,それらの試験片では象牙質の凝集破壊例が一部に認められた。4.試作デンティンプライマーを用いた接着耐久性試験では,対照として用いた光レジンによる接着安定性に優れる成績を示した。以上の結果から専用のデンティンプライマーを製作,使用することによって光セメントの象牙質接着性の向上が可能であることが示唆された。また,デンティンプライマーはボンディング材のように層状構造物を接着界面に形成するはないことから,セメントから徐放されるフッ素の歯質取り込みを阻害することはないものと考えられた。
ナノ流体デバイスによる分子ソーターの開発

本研究は,幅や高さが数10nmサイズのナノ流路を利用して,生体分子を1分子ずつ検出する1分子センシングデバイスを実現するために必要な要素技術の開発を目的としてスタートした。その結果,ナノ流路内でfAオーダーの感度を持つ電流計測系の構築に成功し,ナノ流路内での超高感度電流測定から,ナノ流路を流れるDNA1分子の検出に成功した。さらに,オンチップ型のfA級電流測定回路の集積化にも成功し,集積化1分子計測ナノ流体システムの構築を一歩進めることに成功した。本研究は,幅や高さが数10数100mmサイズのナノ流路を利用して,生体分子を1分子ずつ検出しつつソートする分子ソーターを実現するために必要な要素技術の開発を目的としている。本年度は,主にナノ流路と付随するナノ構造を基板上に作り込んだナノデバイス作製のための製作手法の検討と,デバイス内部の1分子の様子を観察したり,また電気測定や電気力学的分子操作を実現する上での外部インターフェースの検討と試作を進めた。当初は,申請者が以前に開発した収束イオンビーム加工装置(FIB)を応用した手法にてナノ流路などのナノ構造を作製する計画であったが,FIBによる加工は1つ1つが手作りとなるため加工誤差が大きく,従ってそのデバイスを使った実験での測定誤差が大きいものとなってしまい,十分定量的なデータを得ることが難しことが判明した。さらに作製の手間や時間もかかる欠点が露呈し,デバイス作製から測定までの一連の作業を効率良く進める新手法の検討が必要であると判断した。そこで,FIBだけでデバイス上の全てのナノ構造を加工するのではなく,従来のフォトリソグラフィーとプラズマエッチングとを組み合わせて,例えば,加工深さが浅いため比較的短時問の作業で作製出来るプラズマエッチング用のマスク構造部分をFIBで作っておき,そのように用意した多数の基板を1回のプラズマエッチングで処理することで,デバイス問の加工のばらつきを最小化する手法を検討した。その結果,ガラス基板上に接着層としてTi(厚さ2nm)とマスク材のPt(厚さ20nm)をそれぞれ真空蒸着し,一旦フォトリソグラフィーによってμmサイズまでのパターニング後,nmサイズの構造をFIBによって加工することに成功した。また,フォトリソグラフィーとFIBによって形成したPt/Tiパターンをマスクとして,CF4+02を使った反応性イオンエッチング(RIE)法によりガラスをエッチングし,Pt/Tiマスクの反転ナノパターンをガラスに転写することにも成功した。さらに,多数のデバイスを一度にプラズマエッチングすることで,各デバイス問で均一な流路深さを持つナノ流路を作れることも確認し,本手法によって素子間のばらつきを低減することに成功した。インターフェース部分に関してであるが,ナノ流路内を観察するためには作動距離(レンズ表面と試料までの距離)が約100μmの高NAかつ油浸対物レンズを使わなくてはならない。電気的測定のためのノイズ低減には測定部位を電磁シールドする構造が望まれるが,わずか100μmの距離内に従来のような構造の電磁シールドを構成することは困難である。そこで,本研究ではこうしたナノデバイス用の電磁シールド構造の基礎検討と検証実験から進めることにした。具体的には,顕微鏡で内部を観察するためにはシールド部分が透明でなくてはならず,かつ電磁シールド材には導電性が要求されるため,まずは透明導電体としてInldium Tin Oxdde(ITO)をスパッタにより着膜した厚さ約100μ皿のガラス基板でナノ流路をシールすると共に,電磁シールド効果が得られるかどうか試みた。さらに,デバイス内部のナノ電極と外部とを接続するコンタクト部分の検討もすすめ,デバイスを簡単に交換可能で,かっコンタクト部位での接点抵抗や電気容量が極めて小さいコンタクトパッドの試作にも成功した。ところで,このような電気的・光学的なインターフェースは,本研究テーマでは脇役的存在ではあるが,実は将来の産業化に向けてのシステム化には非常に重要となる部分であり,電気的・光学的なインターフェースを必要とするナノ流体デバイス応用には必須の要素であるため,本研究から得られた知見はそうした未来のナノ流体デバイス研究・開発に重要な貢献となるであろうと期待している。本年度は,1分子ソーターのコンセプトを実証するため,入口が1つで出口が3つに分岐したナノ流路ネットワークを作製し,さらに流路の途中に1)1分子の流速検出用,2)1分子計測用,3)分岐部で出口流路へとスイッチング用,の3種類の電極構造を組み込み,1分子の検出からソーティングまでの一連の動作を実現するナノ流体デバイスを作製した。さらに,サンプル分子として3種類の分子量のDNAをそれぞれ作製し,その3種類を特定の割合で混合したDNA溶液を使って1分子ソーターを評価したところ,入口では3種類のブレンドであったものが,出口3箇所でそれぞれの分子量に対応したDNAを回収することに成功し,1分子ソーターのコンセプトの実証に成功した。回収率を蛍光強度から評価したところ,およそ95%以上の回収率で,かつ90%以上の回収精度が得られた。

分離中の様子を観察したところ,サンプル調製時の誤差により用意した3種類の分子量以外のDNAも含まれていたことから,回収精度が90%に留まったのは予定外の長さのDNAも含まれていたためと考えられる。100%同じ分子量のみでDNAを調製することは極めて難しいので,回収量の評価方法の工夫が必要であり,次年度の課題とした。また,ナノ流路内のようにほとんど界面だけで構成された電気二重層内の空間となる特殊な場における1分子の活性を評価するため,1分子モーターを使って電気二重層内におけるその活性も評価し,ナノ流路内が生体分子の活性にどのような影響を与えるかに関しても間接的に検討した。本研究は,幅や高さが数10nmサイズのナノ流路を利用して,生体分子を1分子ずつ検出する1分子センシングデバイスを実現するために必要な要素技術の開発を目的としており,今年度はデバイスのポータブル化によるオンサイトでの超高感度測定の可能性を開拓しつつ,配線の最小化による低ノイズ化を同時に達成すべく,ナノ流路チップ上への電気測定回路の集積化を行った。測定回路としては,オペアンプを用いた電流-電圧変換回路(トランスインピーダンス回路)をチップ上に直接構成した。fAの検出のためにはTΩ近い帰還抵抗が必要となるので,本研究では0.1TΩの帰還抵抗を特注で作成し,測定回路を構成した。さらに外部ノイズを低減しつつ,顕微鏡下での測定を実現するため,透明導電帯のIndium Tin Oxide (ITO)を使用した内部観察可能なシールドを構成し,シールドボックスの外部でのfA級の電流測定セットアップを実現した。その結果,市販の超低入力バイアス電流のオペアンプと,高精度帰還抵抗,およびチップ上のリーク電流や寄生容量を考慮した電気配線パターンにより,1.25インチ角上の石英チップに,ナノ流路と電流測定回路を同時に実現すると共に,超高感度の電流測定の実証に成功した。現在,ノイズレベルは数10fAオーダーで,数100fA程度の電流測定能を達成している。今後ガード電極などの更なる低ノイズ化手法を併用して,サブfAオーダーの電流感度へと到達させる予定である。更に,インピーダンス測定による誘電率評価を実現するため,インピニダンス測定用の回路のオンチップ化も検討していきたい。
カンショのショ糖情報伝達系におけるプロテインホスファターゼ2Aの役割

カンショの塊根よりクローニングしたプロテインホスファターゼ2A(PP2A)のcDNA(IbPP2A)は292個のアミノ酸残基からなる分子量約33kDaのタンパク質をコードしていた.IbPP2Aをプローブとした部位別(葉身,葉柄,ほふく茎,若根及び塊根)のノーザンブロット分析では各部位で約1.9kbのバンドが検出され,mRNAレベルは若根で最も高かった.塊根形成過程(苗植え付け後14日目,21日目及び28日目)の根では14日目にPP2AのmRNAレベルが最も高く,その後低下した.この時,β-アミラーゼやスクロースシンターゼ(SUS)のmRNAレベルは塊根形成とともに高まり,PP2A遺伝子の発現様式と一致しなかった.一方,スクロースの輸送タンパク質であるスクローストランスポーター(SUT)のmRNAレベルは塊根形成とともに低下し,PP2A遺伝子の発現様式とよく一致した.次に,葉身を付けた葉柄の切断面から6%スクロース溶液を吸収させたところ,葉柄のβ-アミラーゼとSUSのmRNAレベルは高まったが,PP2AとSUTのmRNAレベルは変化しなかった.以上の結果より,カンショのPP2A遺伝子の発現様式はβ-アミラーゼやSUS遺伝子の発現様式と一致せず,SUT遺伝子の発現様式とよく一致することが明らかとなった.このことからクローニングしたPP2Aの遺伝子はSUT遺伝子の発現を制御していることが考えられる.本研究はカンショにおけるショ糖情報の伝達機構を明らかにするため,プロテインホスファターゼ2Aの触媒サブユニット(PP2A)の一次構造と発現様式を検討した.カンショの塊根よりクローニングしたPP2AのcDNAは876bpのオープンリーディングフレームを持ち,分子量約33kDaのタンパク質をコードしていた.カンショと他の植物のPP2Aとの相同性を比較するとシロイヌナズナとは71%,ナタネとは63%,ヒマワリとは73%,アルファルファとは63%,タバコとは73%,イネとは72%の相同性を示した.アミノ酸配列についてみてみると,カンショPP2AのN末端から69番目以降のアミノ酸残基では他の植物のPP2Aのアミノ酸残基とよく一致した.しかし,N末端から68番目までのアミノ酸残基はあまり一致しておらず,カンショのPP2Aには他の植物のPP2Aには見られない特異なアミノ酸配列が存在した.また,植物のPP2Aのアミノ酸配列に基づいた系統関係を検討すると,これまでに報告された植物のPP2Aは大きく二つのグループに分かれた.しかし,カンショのPP2Aはそのどちらにも属さず他の植物のPP2Aとは最も遠い系統関係にあった.カンショの器官別(葉身,葉柄,ほふく茎,若根及び塊根)のノーザンプロット分析ではすべての器官で約1.9kbの1本のバンドが検出された.PP2AのmRNAレベルは若根で最も高かった.塊根形成過程の根におけるPP2AのmRNAレベルは苗植え付け後14日目が最も高く,塊根形成にともなって低下した.以上の結果より,カンショの根には他の植物のPP2Aとは異なる特異なPP2Aが多量に存在していることが明らかとなった.本研究はカンショにおけるプロテインホスファターゼ2A(PP2A)の役割を明らかにするため,PP2A遺伝子の発現様式とβ-アミラーゼ,スクロースシンターゼ(SUS)及びスクローストランスポーター(SUT)遺伝子の発現様式を比較・検討した.PP2Aの部位別(葉身,葉柄,ほふく茎,若根及び塊根)のノーザンブロット分析では,各部位で1.9kbのバンドが検出され,mRNAレベルでは若根で最も高かった.塊根形成過程(苗植え付け後14日目,21日目及び28日目)の根では14日目にPP2AのmRNAレベルが最も高く,その後減少した.この時,β-アミラーゼやSUSのmRNAレベルは塊根形成とともに高まり,PP2A遺伝子の発現様式と一致しなかった.一方,SUTのmRNAレベルは塊根形成とともに低下し,PP2A遺伝子の発現様式とよく一致した.次に,葉身を付けた葉柄の切断面から6%スクロース溶液を吸収させたところ,葉柄のβ-アミラーゼとSUSのmRNAレベルが高まったが,PP2AとSUTのmRNAレベルは変化しなかった.更に,成熟葉のPP2AのmRNAレベルは幼葉と比較して高く,これはSUTのmRNAの発現様式と一致した.以上の結果より,カンショのPP2A遺伝子の発現様式はβ-アミラーゼやSUS遺伝子の発現様式と一致せず,SUT遺伝子の発現様式とよく一致することが明らかとなった.カンショの塊根よりクローニングしたプロテインホスファターゼ2A(PP2A)のcDNA(IbPP2A)は292個のアミノ酸残基からなる分子量約33kDaのタンパク質をコードしていた.IbPP2Aをプローブとした部位別(葉身,葉柄,ほふく茎,若根及び塊根)のノーザンブロット分析では各部位で約1.9kbのバンドが検出され,mRNAレベルは若根で最も高かった.塊根形成過程(苗植え付け後14日目,21日目及び28日目)の根では14日目にPP2AのmRNAレベルが最も高く,その後低下した.この時,β-アミラーゼやスクロースシンターゼ(SUS)のmRNAレベルは塊根形成とともに高まり,PP2A遺伝子の発現様式と一致しなかった.

一方,スクロースの輸送タンパク質であるスクローストランスポーター(SUT)のmRNAレベルは塊根形成とともに低下し,PP2A遺伝子の発現様式とよく一致した.次に,葉身を付けた葉柄の切断面から6%スクロース溶液を吸収させたところ,葉柄のβ-アミラーゼとSUSのmRNAレベルは高まったが,PP2AとSUTのmRNAレベルは変化しなかった.以上の結果より,カンショのPP2A遺伝子の発現様式はβ-アミラーゼやSUS遺伝子の発現様式と一致せず,SUT遺伝子の発現様式とよく一致することが明らかとなった.このことからクローニングしたPP2Aの遺伝子はSUT遺伝子の発現を制御していることが考えられる.
水熱劣化抑制と半透明グラデーションを有するジルコニア系ナノ複合セラミックスの開発

本研究の目的は,アルミナをほとんど含まないジルコニアに微量のシリカを添加し試作したイットリア系ジルコニア(Y-TZP)の透光性や低温劣化を評価することである.試作シリカ添加アルミナ無添加Y-TZPブロックを異なる温度で焼結し,透光性,機械的特性,低温劣化について検討した.さらに,試作Y-TZPをCAD/CAMにより加工したクラウンの適合性や破壊加重を検討した.比較対象には市販の高透光性ジルコニアを使用した.その結果,本研究で試作した高透光性ジルコニアは,市販高透光性ジルコニアと同等の透光性をもつだけでなく,低温劣化を生じにくい性質をもち,今後の臨床応用が期待できる材料であることが示された.透光性をもつイットリア系ジルコニア(Y-TZP)のみで作製したクラウンブリッジが多用されるようになったが、透光性Y-TZPは、光を透過させるためにアルミナを減少させている。このため、口腔内で長期に使用した場合、低温劣化によるクラウンブリッジの破折が懸念される。我々は、微量のシリカを添加することにより低温劣化を抑制したY-TZPを開発したので、これを応用して低温劣化しにくい透光性Y-TZPの開発を試みた。従来型Y-TZP、試作のシリカ(0.2wt%)添加アルミナ無添加Y-TZP、シリカおよびアルミナ無添加Y-TZPの3種類を14001600°Cで焼結し試料を作製し、透光性を検討した。その結果、焼結温度が上がると透光性が上昇する傾向が認められた。シリカ添加アルミナ無添加Y-TZPはシリカおよびアルミナ無添加Y-TZPより透光性が低かった。これは、ジルコニア結晶間に存在するシリカの影響で透光性が低下したものと思われた。焼成温度1500°C、1600°Cではシリカ添加アルミナ無添加Y-TZPと従来型Y-TZPの透光性はほとんど変わらなかった。この実験結果から、シリカを添加したY-TZPの透光性をさらに向上させることが必要であることがわかったので、次に、アルミナ無添加でシリカの含有量を0.12wt%に減らし1450°Cおよび1500°Cで焼結した試料を作製した。比較の対象には、市販の従来型Y-TZPおよび透光性Y-TZPを用いた。実験では、先のコントラスト比、TP値に加え分光透過率を測定し、SEM観察を行った。その結果、0.12wt%シリカ添加Y-TZPを1500°Cで焼結した試料は、市販の透光性Y-TZPに近い透光性をもつことが明らかとなった。またSEM観察により、1500°Cで焼結したものは1450°Cのものよりも結晶粒径が大きかった。近年、透光性をもつイットリア系ジルコニア(Y-TZP)で作製したクラウンブリッジが多用されるようになった。ところが、透光性Y-TZPは、光を透過させるためにアルミナを減少させている。このため、口腔内で長期使用した場合、Y-TZPの低温劣化によるクラウンブリッジの破折が懸念される。我々は、以前にY-TZPに微量のシリカを添加することにより低温劣化を抑制することを報告した。本研究では、これを応用して低温劣化しにくい透光性Y-TZPの開発を試みた。前年の研究で、市販の透光性ジルコニアと同程度あるいはそれ以上の透光性を示したイットリアを3mol%、シリカを0.12wt%含み、焼結温度を1450°Cおよび1500°CとしたY-TZP(3Y-1450および3Y-1500)、イットリアを6mol%、シリカを0.12wt%含み、焼結温度を1500°CとしたY-TZP(6Y-1500)の3種を使用し、134°C2気圧の水中で40時間まで劣化試験を行い、結晶構造、曲げ強度、ビッカース硬度、表面粗さの変化を検討した。コントロールには市販の透光性Y-TZPを使用した。その結果、劣化の指標となる単斜晶の出現率は、3Y-1450および3Y-1500では40時間後で約20%であり大きな劣化はみられなかったが、市販のY-TZPでは劣化40時間後で約80%になり、明らかな低温劣化を示した。40時間の劣化試験後に、市販の透光性Y-TZPは曲げ強度が約18%低下したが、3Y-1450および3Y-1500では曲げ強度の低下は約10%であり、6Y-1500では、曲げ強度の低下は観察されなかった。40時間の劣化試験後に市販透透光性ジルコニアでは、表面粗さRaが約2倍に増加し、表面が粗造であるためビッカース硬度は計測できなかった。試作Y-TZPは3種とも表面粗さやビッカース硬度に大きな変化はみられなかった。以前の研究から、微量のシリカを含有させたイットリア系ジルコニア(Y-TZP)は低温劣化しにくい性質をもつことが分かっていたが、透光性については不明であった。26年度の実験で、0.12wt%のシリカ添加アルミナ無添加のY-TZPを試作したところ、市販の透光性Y-TZPに近い分光透過率が得られた。

また、Y-TZP原料の粒径が小さいと透光性が向上するとの報告があり、本年度は同じ0.12wt%のシリカ添加アルミナ無添加のY-TZPであるが、より粒径の小さい原料を使用したところ、市販の透光性ジルコニアを上回る透光性が得られたため、透光性については、ある程度目的を達成することができた。本年度は、この0.12wt%のシリカ添加アルミナ無添加のY-TZPを使用し、イットリアの含有量、焼結温度を変化させて実験を行った。その結果、イットリアを3mol%含み1500°Cで焼結したY-TZPとイットリアを6mol%含み1500°Cで焼結したY-TZPが市販の透光性ジルコニアよりも高い透光性を示した。ところが、イットリアを6mol%含むY-TZPは結晶が通常の正方晶ではなく立方晶が多く、一般の歯科用Y-TZPの1/3程度の強度(約300MPa)であり、ブリッジには使用できないことが明らかとなった。イットリアを3mol%含み1500°Cで焼結したY-TZPは、134°C40時間の加速劣化試験を行っても強度が約900MPa(初期強度の約90%)であり、透光性をもつが劣化しにくい材料であることがわかり、劣化しにくい透光性Y-TZPの最適化が行えた。近年、透光性をもつイットリア系ジルコニア(Y-TZP)で作製したクラウンブリッジが多用されるようになった。ところが、透光性Y-TZPは、光を透過させるためにアルミナを減少させている。このため、口腔内で長期使用した場合、Y-TZPの低温劣化によるクラウンブリッジの破折が懸念される。我々は、以前にY-TZPに微量のシリカを添加することにより低温劣化を抑制することを報告した。本研究では、これを応用して低温劣化しにくい透光性Y-TZPの開発を試みた。試料には、前年の研究で、市販の透光性ジルコニアと同程度の透光性を示し、市販の透光性ジルコニアよりも高い強度と劣化抑制を示した試作Y-TZP (イットリア3mol%、シリカ0.12wt%、焼結温度1450°C)を使用した。コントロールには市販の透光性Y-TZPを使用した。試作Y-TZP、市販Y-TZPともにCAD/CAMにてクラウンを製作し、支台歯との適合性と低温劣化による破壊荷重の変化を評価した。その結果、適合性は試作Y-TZP、市販Y-TZPのクラウンと支台歯の内面間隙量、辺縁間隙量に有意な差を認めなかった。市販Y-TZPクラウンは劣化処理後に破壊荷重が約20 %低下し、有意な差を認めたが、試作Y-TZPクラウンは劣化処理後の有意な低下を認めなかった。また、試作Y-TZPクラウンは劣化なし群,劣化群ともに市販Y-TZPクラウンよりも有意に高い値を示した。また、市販Y-TZPクラウンは劣化前後で単斜晶割合の有意な増加を認めたが、市販Y-TZPクラウンでは、有意な増加は認めなかった。以上のことから、試作ジルコニアで製作したクラウンは、市販高透光性ジルコニアクラウンよりも劣化しにくく,加速劣化試験後も破壊荷重が低下しなかった.本研究の目的は,アルミナをほとんど含まないジルコニアに微量のシリカを添加し試作したイットリア系ジルコニア(Y-TZP)の透光性や低温劣化を評価することである.試作シリカ添加アルミナ無添加Y-TZPブロックを異なる温度で焼結し,透光性,機械的特性,低温劣化について検討した.さらに,試作Y-TZPをCAD/CAMにより加工したクラウンの適合性や破壊加重を検討した.比較対象には市販の高透光性ジルコニアを使用した.その結果,本研究で試作した高透光性ジルコニアは,市販高透光性ジルコニアと同等の透光性をもつだけでなく,低温劣化を生じにくい性質をもち,今後の臨床応用が期待できる材料であることが示された.以前の研究から、微量のシリカを含有させたイットリア系ジルコニア(Y-TZP)は低温劣化しにくい性質をもつことが分かっていたが、透光性については不明であった。
反応性を立体効果およびケイ素鎖で制御した反応活性種の化学

分子内にアセチレン単位3個持つトリオキサヘキサシラシクロペンタデカトリインと種々の遷移金属錯体による分子内3量化に関する前年度の研究成果を基にして,本年度は分子内にアセチレン単位を2個有する環状ポリシロキサンを幾つか合成して,これらと鉄カルボニル錯体との反応による分子内2量化反応を検討した.ジシランあるいはトリシラン鎖を持つ大環状ジアセチレンであるテトラシラシクロオクタジイン,ペンタシラシクロノナジインおよびヘキサシラシクロデカジインをトリメチルアミンオキシドを用いて酸化し,目的とする3種のアセチレン単位を分子内に2個持つ環状ポリシロキサン1__, 2__,および3__をほぼ定量的に得た.これらはそれぞれ架橋鎖の原子数が(3, 3), (3, 5)および(5, 5)の環状ジアセチレンであって,それぞれ環サイズを異にい,架橋鎖に化学的に安定なジシロキサン鎖を持っているのが特徴である.ここでは,これらの環状ジアセチレンの鉄カルボニルによる2量化反応はメチレン鎖と対照的にケイ素鎖が存在する場合は顕著な環効果が観測された.すなわち, 1__, 2__および3__からは一般的に予想されるシクロブタジエン型生成物が得られることなく,それぞれこれを全く異なる型の化合物,すなわち1__からはトリメチレンメタン型鉄2核錯体, 2__からは共役エンイン構造を有する双環性異性体および3__からは対応するメチレンシクロプロペン鉄錯体が得られた.これは最も基本的な環状共役化合物の一つであるメチレンシクロプロペンの最初の合成例となった.ここでは共通にアセチレン単位の2量化とともにケイ素基の1, 2-転位が起こっている.これら生成物の生成経路は中間にビニリデン錯体を経るとして最も合理的に理解できるように思われる.これには今後種々の面から検討を加えることが必要であろう.分子内にアセチレン単位3個持つトリオキサヘキサシラシクロペンタデカトリインと種々の遷移金属錯体による分子内3量化に関する前年度の研究成果を基にして,本年度は分子内にアセチレン単位を2個有する環状ポリシロキサンを幾つか合成して,これらと鉄カルボニル錯体との反応による分子内2量化反応を検討した.ジシランあるいはトリシラン鎖を持つ大環状ジアセチレンであるテトラシラシクロオクタジイン,ペンタシラシクロノナジインおよびヘキサシラシクロデカジインをトリメチルアミンオキシドを用いて酸化し,目的とする3種のアセチレン単位を分子内に2個持つ環状ポリシロキサン1__, 2__,および3__をほぼ定量的に得た.これらはそれぞれ架橋鎖の原子数が(3, 3), (3, 5)および(5, 5)の環状ジアセチレンであって,それぞれ環サイズを異にい,架橋鎖に化学的に安定なジシロキサン鎖を持っているのが特徴である.ここでは,これらの環状ジアセチレンの鉄カルボニルによる2量化反応はメチレン鎖と対照的にケイ素鎖が存在する場合は顕著な環効果が観測された.すなわち, 1__, 2__および3__からは一般的に予想されるシクロブタジエン型生成物が得られることなく,それぞれこれを全く異なる型の化合物,すなわち1__からはトリメチレンメタン型鉄2核錯体, 2__からは共役エンイン構造を有する双環性異性体および3__からは対応するメチレンシクロプロペン鉄錯体が得られた.これは最も基本的な環状共役化合物の一つであるメチレンシクロプロペンの最初の合成例となった.ここでは共通にアセチレン単位の2量化とともにケイ素基の1, 2-転位が起こっている.これら生成物の生成経路は中間にビニリデン錯体を経るとして最も合理的に理解できるように思われる.これには今後種々の面から検討を加えることが必要であろう.
遺伝性アルファ2プラスミンインヒビタ-欠損症の成因の分子生物学的研究

線溶阻止因子アルファ2プラスミンインヒビタ-(以下PI)の遺伝性欠損症に2家系について、PI遺伝子の解析を行った。その結果、1家系においてはコ-ド領域に3塩基対の欠失が、他の家系においては1塩基の挿入がみとめられた。前者においては、1アミノ酸の欠失が、後者においては、フレ-ムシフトによる停止コ-ドンの移動によるC末端アミノ酸配列の置換と伸長が起きた変異蛋白がそれぞれ産生されることが予想された。そこで、それぞれの変異遺伝子の発現プラスミドを作成し、サルのCOSー7細胞にトランスフェクトして発現をみた。その際、パルスラベルによる発現PIを標識し、時間的に免疫沈降法、SDS電気泳動法、オ-トラジオグラフィ-などで分析を行った。その結果、両変異蛋白は、細胞内に正常と同量程度に産生されるが、細胞内に停滞し、極めて僅かしか細胞外に分泌されないことが判明した。細胞内にとどまっている変異蛋白は、高マンノ-ス型の糖鎖を有し、僅かに分泌された変異蛋白はノイラミニダ-ゼに感受性を示した。細胞内RNAのRNA blot analysisあるいはRN aseprotection assayでもmRNAのレベルには正常と差がみられなかった。C末端部が伸長した変異蛋白は正常蛋白とSDS電気泳動にて容易に識別できることから、正常PIを産生しているヒト肝癌細胞株Hep G2にその変異遺伝子の発現プラスミドをトランスフェクトして上記同様の発現実験を行い、正常PIと変異PIの肝細胞内での輸送分泌過程を直接同一細胞内で比較した。その結果、COSー7の場合と同様に、肝細胞内でも変異蛋白の輸送分泌過程での障害が確認された。したがって、これらPI欠損症の2家系では、肝細胞内で産生された変異蛋白が、粗面小胞体からゴルジ装置へ輸送される過程で、輸送障害が起きているため細胞外に分泌されずに欠損症が生ずるものと結論された。先天性α_2-plasmin inhibitor(以下α_2PI)の先天性欠損症2家系について、遺伝子変異と欠損の分子的基礎を明らかにした。2家系ともにサザンブロット分析で検出可能な遺伝子の欠失・組換えなどの異常は認められなかったので、ホモ接合体の遺伝子をクロ-ニングし、すべてのアミノ酸コ-ド領域を含むエクソンとその周囲のイントロン部分につき塩基配列を分析した。その結果、1家系では、第10エクソンのα_2PIC末端をコ-ドする領域に1塩基Cの挿入を認めた。このフレ-ムシフト変異によりα_2PIC末端の12個のアミノ酸残基は、全く異なった178個のアミノ酸残基に置換され延長することが予想される(ホモ接合体の出生地名よりα_2PI-Naraと命名)。また、α_2PI欠損症発見の最初の家系に当たる他の1家系では、第7エクソンのGlu137の欠失をもたらす3塩基の欠失を認めた(α_2PI-Okinawaと命名)。これら2つの遺伝子変異は、オリゴヌクレオチド・プロ-ブを用いた検討でそれぞれの家系の他の成員にも認められ、その存在様式と欠損症の形質とはよく一致したため、これらが欠損症の原因となる遺伝子変異と考えられた。そこで、分子異常症を引き起こすと予想されるこれらの遺伝子変異から欠損症に至る機序を解明するため、これらの遺伝子変異を有するα_2PIの発現プラスミドを構築し、COS細胞に導入して発現実験を行った。その結果、mRNAのレベルには正常と差が認められなかったが、ELISA法によるα

_2PI抗原量測定および免疫沈降法による^<35>Sメチオニン標識α_2PIの分析で、変異α_2PIはともにエンドグリコキシダ-ゼHに感受性を有する前駆体として大部分が細胞内に遅滞し、上清には正常の約420%のみしか分泌されないことが判明した。すなわち、これらの家系では、変異により生じた変異α_2PI分子が、その立体構造の変化により、その細胞内輸送に障害を受け欠損症に至ったものと考えられる。アルファ2プラスミンインヒビタ-(α_2PI)欠損の2家系において、異常分子が産生されるが、細胞内輸送の障害により分泌されないため欠損症に至ることが、変異遺伝子のCOSー7細胞における実現実験によって示唆された。実際に肝細胞においても、産生された変異α_2PIの細胞内輸送障害が同様に存在することを確かめた。すなわち、変異α_2PIーNaraでは、その分子量が正常α_2PIより約30%大きいことから正常分子と容易に区別して観察できることを利用し、α_2PIーNara遺伝子を肝癌細胞株Hep G2に導入し発現実験を行い、α_2PIーNaraの産生を観察した。その結果、mRNAのレベルには正常と差が認められなかった。ELISA法によるα_2PI抗原量の測定では、細胞内では差がみられなかったが、培養上清中には、変異α_2PIは正常α_2PIの約10%しか存在しなかった。放射性Sメチオニンでパルス標識した後、時間を追って免疫沈降法とSDS電気泳動で標識α_2PIを追跡分析を行った。その結果、正常α_2PIは約2時間でほとんどすべてが細胞から培養液中に分泌されるが、変異α_2PIは、より長く8時間も細胞内に滞留して存在することが認められた。培養液中には、変異α_2PIにおくれて出現し、しかも正常の10%程度しか出現しなかった。細胞内変異α_2PIは正常α_2PIと同様にendoglycosidase Hに感受性を有していた。これらの結果により、産生された変異α_2PIは粗面小胞体内に送られるとともにhighーmannosetypeの糖鎖の付加をAsm残基に受けることは正常分子と同じであるが、その後、粗面小胞体からゴルジ装置へ送られ分泌に至る過程が障害され、その結果、変異α_2PIは大部分が細胞内にとどまり細胞内にて分解されてゆくものと結論された。肝細胞内における変異α_2PIの分泌輸送経路の障害が、日本の2家系における血漿α_2PIの欠損の主因であると考えられる。
異方性力学環境培養技術を利用した間葉系幹細胞による軟骨組織大規模高次構造の再生

本研究により,次に示す成果が得られた.一様伸縮の機械的刺激に対して,間葉系幹細胞は,細胞外マトリックスとなるタンパク質の合成量および組織構造化に関して,異なるひずみ依存性を示した.また,ひずみ勾配を有する伸縮刺激に対して,間葉系幹細胞が配向挙動を示す許容限界軸ひずみを簡便かつ高精度で求め,その値は5. 1%であった.さらにそれぞれの合成タンパク質の発現量曲線は,伸展率に対し異なる特性を示し, I型コラーゲンの発現は伸展率に対して幅広い応答性を示すことを明らかにした.本研究により,次に示す成果が得られた.一様伸縮の機械的刺激に対して,間葉系幹細胞は,細胞外マトリックスとなるタンパク質の合成量および組織構造化に関して,異なるひずみ依存性を示した.また,ひずみ勾配を有する伸縮刺激に対して,間葉系幹細胞が配向挙動を示す許容限界軸ひずみを簡便かつ高精度で求め,その値は5. 1%であった.さらにそれぞれの合成タンパク質の発現量曲線は,伸展率に対し異なる特性を示し, I型コラーゲンの発現は伸展率に対して幅広い応答性を示すことを明らかにした.本年度は,二次元培養下の一軸伸縮の機械的刺激によって骨髄由来間葉系幹細胞から発現する細胞外マトリックスの構造とその発現量に関して,異なる伸展率と伸縮時間の影響を検討した.8%,10%の伸展率に対し,それぞれ24h,48hの伸縮時間の四種類の条件で培養を行い,細胞外マトリックスの構造の違いを蛍光抗体染色法による顕微鏡観察で,その発現量の違いを吸光度測定法で比較した.注目した細胞外マトリックスの成分は,腱組織の主成分であるI型コラーゲンおよびTNCである.そして,以下の結果を得た.(1)骨髄由来間葉系幹細胞から腱細胞への分化,およびI型コラーゲン,TNCの生成を確認した.伸縮時間が長くなるにつれそれらたんぱく質の発現量は増加し,特にTNCは著しく増加する傾向が見られた.また,それらたんぱく質の発現量は伸展率8%が最適であった.(2)発現したI型コラーゲン,TNCは細胞外マトリックスを構築せず,培養液中に溶解する結果となった.その傾向はTNCで著しく見られ,I型コラーゲンでは若干のネットワーク構造の構築が観察された.(3)細胞外マトリックス成分の発現量の観点からは伸展率8%,伸縮時間48hが最適であった.しかしながら,細胞外マトリックスの構築,すなわちI型コラーゲンのネットワーク構造の生成の観点では,伸展率10%,伸縮時間48%が最も適していた.これは,細胞外マトリックスの発現とその組織の構築の間には異なるひずみ依存性が存在することを示唆するものである.本年度は,ひずみ勾配を有する伸縮刺激下での間葉系幹細胞の配向挙動・分化特性に関する研究を推進した.基板上に骨髄由来間葉系幹細胞を播種し,垂直ひずみ215%に連続的に変化するひずみ勾配を有した周期的伸縮刺激を細胞に付与する.そして,伸展率と細胞配列の関係性,および伸展率と幹細胞分化の系統的定量評価を行った.分化は,腱細胞への分化促進性を対象とし,腱細胞分化因子であるプロコラーゲンI(Col T)およびテネイシン(↑nc)の細胞内発現量を免疫染色法によって調べた.そして,以下の結果を得た.(1)細胞の配列が,時間と伸展率に依存して変化する挙動が三次元ヒストグラムで表示することにより詳細に把握できた.そして,48時間伸縮における結果から,細胞の力学的特性を示す許容限界軸ひずみ量を理論的見地を考慮し算出したところ,その値が5.1%となった.この許容限界軸ひずみによって,細胞配列が支配的に制御されていることを統計的有意差とともに明確に示した.(2)分化特性に関しては,Col Iが伸展率611%という広範な伸展率で発現が生じた一方で,Tncは伸展率が8%のみで高い発現を示すという傾向を示した.すなわち,生体組織のほとんどに含まれるCol Iの発現に対する伸展率は選択性が非常に広く,腱細胞のような機能特化された細胞は選択性の非常に狭い伸展率であることがわかった.そして,伸展率8%前後,かつ伸縮時間48時間で幹細胞を伸縮させることにより,効率的に腱細胞への分化が促進されることを詳細な分析により示した.
焼結金属における３D気孔配置のトポロジー解析ー疲労破壊挙動の解明

本研究は、金属焼結体の疲労亀裂の発生と伝播過程をX線CTによって4次元(4D)観測し、亀裂の発生・伝播に関わる気孔配置の変化をパーシステントホモロジー(PH)解析し、金属焼結材料の疲労破壊機構の解明を目的とする。H30年度は実験計画に従い、下記の基本的な実験手法を確立した。1)小型焼結体試作プロセスの選定:X線透過率が高い実用組成としてTi-6Al-4V粉末を対象に、X線CT観測用に厚さ1mmの疲労試験用小型焼結体製造プロセスを検討した。その結果、射出成型(MIM)法によって作成した焼結体を旋盤加工することによって疲労試験用小型焼結体の製造が可能であることを確認した。2)SPring-8におけるTi系焼結体のX線CTスキャン条件の検討:上記の手法で試作したTi合金焼結体についてX線CT観測条件を検討し、X線エネルギー52KeV,露光500msの条件で良好な透過像を得た。3)気孔中心座標の数値化技法の確立;3D画像から求めた気孔の中心座標位置を、homcloud(東北大・平岡研)によってPH解析し、10万点あまりの気孔が形成するネットワーク構造を2次元のパーシステント対(b.d)に変換、これを2次元座標に散布図としてプロットできることを確認した。さらに、散布図中の点密度の高いパーシステント対(b.d)に対応する気孔群の重心座標を抽出し、ユークリッド空間上にプロットし、線で結ぶことによって、焼結体構造を特徴付ける気孔ネットワーク構造を特定することに成功した。本結果の一部はEuroPM2018 Keynote Paper Awardを受賞。4)小型焼結体を用いた疲労試験方法の検討(前倒検討):オフラインで疲労限破断直前の状態まで繰返し応力を付与した小型焼結試験片のX線CT観察を行い、疲労亀裂の3D観察で想定される課題を抽出し、今後の実験計画を修正した。H30年度の研究計画書では、「モデル焼結体のX線CT測定による気孔配置の数値化技法の確立」のため、1)X線透過率の高いモデル焼結体の試作、2)気孔構造の3D観測および数値化技法の確立について検討を実施予定であった。概要で述べた通り、いずれも計画通りに遂行できた(概要1ー3)。さらに、疲労試験方法についても予備調査を前倒しで実施した。一方、当初計画では、小型焼結体を粉末の均一振動充填・熱間静水圧プレス(HIP)による製法を想定したが、粉体の均一充填状態を保持したままのHIPが困難であることが判明し、上記のMIM法に変更した。また、当初、オフライン疲労試験後、除荷し、無負荷状態でCT観測を行うことを想定したが、疲労亀裂の幅がX線CTの精度同等以下であることが分かった。このことから、オフライン疲労試験後も、亀裂幅を広げた状態でCT観測を行う必要を確認し、インラインでの試料への引張応力付与装置設置の検討を次年度課題に追加した。以上より、現時点では当初の計画以上に進展したものと評価した。*本研究課題の今後の推進方策および計画変更点1)焼結体への繰返し応力付与方法の検討および疲労亀裂のCT観察のための予備データ取得(当初計画に追加)オフラインで試作した小型焼結体について疲労試験を行い、SN線図を作成し、CT観測を行う繰返し数Nを決定する。さらに、未破断状態の試験片に引張応力を付与したままX線CT測定を行うため、インラインに設置可能な引張治具を製作する。2)繰返し応力を付与した焼結体のX線CT観測および疲労亀裂のCT観察(当初計画)オフラインで所定回数Nの繰返し応力を付与した焼結体を、引張応力を付与した状態でCT観測し、繰返し数Nの増大に伴う疲労亀裂および気孔発生状態を上記のH30年度確立した手法でPH解析し、疲労亀裂伝播に寄与する気孔配置(塑性ひずみ領域の進展)を特定する。

本結果の一部はEuroPM2018 Keynote Paper Awardを受賞。4)小型焼結体を用いた疲労試験方法の検討(前倒検討):オフラインで疲労限破断直前の状態まで繰返し応力を付与した小型焼結試験片のX線CT観察を行い、疲労亀裂の3D観察で想定される課題を抽出し、今後の実験計画を修正した。H30年度の研究計画書では、「モデル焼結体のX線CT測定による気孔配置の数値化技法の確立」のため、1)X線透過率の高いモデル焼結体の試作、2)気孔構造の3D観測および数値化技法の確立について検討を実施予定であった。概要で述べた通り、いずれも計画通りに遂行できた(概要1ー3)。さらに、疲労試験方法についても予備調査を前倒しで実施した。一方、当初計画では、小型焼結体を粉末の均一振動充填・熱間静水圧プレス(HIP)による製法を想定したが、粉体の均一充填状態を保持したままのHIPが困難であることが判明し、上記のMIM法に変更した。また、当初、オフライン疲労試験後、除荷し、無負荷状態でCT観測を行うことを想定したが、疲労亀裂の幅がX線CTの精度同等以下であることが分かった。このことから、オフライン疲労試験後も、亀裂幅を広げた状態でCT観測を行う必要を確認し、インラインでの試料への引張応力付与装置設置の検討を次年度課題に追加した。以上より、現時点では当初の計画以上に進展したものと評価した。*本研究課題の今後の推進方策および計画変更点1)焼結体への繰返し応力付与方法の検討および疲労亀裂のCT観察のための予備データ取得(当初計画に追加)オフラインで試作した小型焼結体について疲労試験を行い、SN線図を作成し、CT観測を行う繰返し数Nを決定する。さらに、未破断状態の試験片に引張応力を付与したままX線CT測定を行うため、インラインに設置可能な引張治具を製作する。2)繰返し応力を付与した焼結体のX線CT観測および疲労亀裂のCT観察(当初計画)オフラインで所定回数Nの繰返し応力を付与した焼結体を、引張応力を付与した状態でCT観測し、繰返し数Nの増大に伴う疲労亀裂および気孔発生状態を上記のH30年度確立した手法でPH解析し、疲労亀裂伝播に寄与する気孔配置(塑性ひずみ領域の進展)を特定する。*当該助成金が生じた状況:当該年度検討項目のうち、原料粉末は材料メーカーよりのサンプルとして無償供与を受けたこと、さらに、粉末の成形方法についても検討の結果、HIP法からMIM法に変更したことによって、所属内で保有する射出成形機による成形が可能となり、外注費用が発生せず、その他費用が大幅に削減できた。*翌年分と合算した助成金の使用計画:粉末成形費用は節約できたが、前年度の呼び検討で、X線CT測定時にインラインで試料に引張応力を付与する引張治具の設置が必要であることが分かり、当該助成金は引張治具の製作(120万円相当)に当てることとした。さらに、前年度購入を見送った3Dデータ解析用のワークステーションは次年度購入予定。2019年度分は、計画通りに執行予定。