hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
ナノ秒パルスパワー技術開発と環境・バイオ・リサイクル及び医療への応用

本研究目的は、パルス幅をナノ秒と極短パルスにした高繰り返しナノ秒パルスパワー発生装置を開発することである。さらに、発生したナノ秒パルスパワーを用いて、気体中、水中及び固体中で放電プラズマを生成し、バイオ、生体、化学物質等との相互作用を調べ、ナノ秒パルスパワー応用としての次世代産業利用の基礎を築くことである。これまでの研究成果の概要は下記のようである。1.超短パルス高繰り返しパルスパワー発生装置の開発油を媒質に用いたブルームライン線路方式により、ナノ秒パルスパワー発生装置を開発した。線路の充電電源として、パルス幅が100ナノ秒の磁気パルス圧縮方式パルスパワー発生装置を用いた。さらなる高繰り返し化のため、反転用スイッチとして磁気スイッチを用いた。2.パルスパワーを用いた高気圧気体中、液体中及び固体中での放電プラズマ生成高気圧高温度領域まで制御可能な容器を作成し、二酸化炭素の状態を気体、液体、超臨界流体まで変えることができた。その容器内での放電プラズマ生成条件を明らかにした。さらに、放電進展の様子の観測、及び放電プラズマの温度と密度計測を行った。3.高繰り返しパルスパワー発生装置の利用ナノ秒パルスパワー発生装置を用いた自動車からの排ガス処理に関する研究を行い、100ナノ秒の場合と比較して、高効率であることが分かった。また、アオコへの影響を調べ、アオコの細胞内ガス胞がつぶれ湖沼の底に沈むことが分かった。さらに、パルス電界によりがん細胞のアポトーシス誘発実験を行い、サブナノ秒パルス電界を用いるとアポトーシスが誘発できることも確認した。パルス幅が100ナノ秒程度以上の高繰り返しパルスパワー発生装置の開発をこれまで行い、大気圧気体中及び液体中における大容量の放電プラズマの生成に成功した。このパルスパワー発生装置の利用は、環境、バイオ、リサイクル、医療福祉関係にまで発展し、新しい産業分野を形成しようとしている。本研究目的は、5年後の産業利用を目指し、パルス幅をナノ秒以下と極短パルスにした高繰り返しナノ秒パルスパワー発生装置を開発する。出力電圧と電流は、数百kV、数十kAまでとする。さらに、発生したナノ秒パルスパワーを用いて、気体中、水中及び固体中で放電プラズマを生成し、バイオ、生体、化学物質等との相互作用を調べ、ナノ秒パルスパワー応用としての次世代産業利用の基礎を築く。本年度は、ナノ秒パルスパワー発生装置を開発し、その特性を調べた。ナノ秒パルスパワー発生装置として、油を媒質に用いたブルームライン線路方式を用い、反転用スイッチとしてSF_6充填ギャップスイッチを用いた。ブルームライン線路の充電電源として、パルス幅が100ナノ秒の磁気パルス圧縮方式パルスパワー発生装置を用いた。主要購入設備であるデジタルオシロスコープで電圧波形と電流波形を測定した。本研究目的は、5年後の産業利用を目指し、パルス幅をナノ秒と極短パルスにした高繰り返しナノ秒パルスパワー発生装置を開発する。今年度の研究実績は下記のようである。@ナノ秒パルスパワー発生装置のさらなる高繰り返し化のため、反転用スイッチとして磁気スイッチを用いた回路のシミュレーションを行い、動作することを確認した。@高気圧高温度領域まで制御可能な容器を作成し、気体、液体、超臨界流体まで状態を変えることができた。@パルスパワーで生成された大容量水中放電プラズマの温度と密度計測に成功した。@パルスパワー生成放電プラズマを高ダイナミックレンジストリークカメラで計測し、その生成過程を明らかにした。

@異なるパルス幅のパルスパワーを用いて、大容量放電プラズマ生成条件を調べた。パルス幅が100ナノ秒程度以上の高繰り返しパルスパワー発生装置の開発をこれまで行い、大気圧気体中及び液体中における大容量の放電プラズマの生成に成功した。このパルスパワー発生装置の利用は、環境、バイオ、リサイクル、医療福祉関係にまで発展し、新しい産業分野を形成しようとしている。本研究目的は、5年後の産業利用を目指し、パルス幅をナノ秒と極短パルスにした高繰り返しナノ秒パルスパワー発生装置を開発する。出力電圧と電流は、数百kV、数十kAまでとする。さらに、発生したナノ秒パルスパワーを用いて、気体中、水中及び固体中で放電プラズマを生成し、バイオ、生体、化学物質等との相互作用を調べ、ナノ秒パルスパワー応用としての次世代産業利用の基礎を築く。今年度の研究実績は下記のようである。@ナノ秒パルス幅を持つパルスパワー発生装置を用いて、大気圧空気中における放電進展の様子を明らかにした。さらに気体の種類を変えて実験を行い、同様に放電プラズマ進展の様子を明らかにした。@気圧と温度を変えることにより、気体、液体、超臨界流体まで状態を変えることが可能な放電プラズマ反応容器を用いて、大容量放電プラズマ生成条件を明らかにした。@ナノ秒パルスパワー発生装置を用いて、自動車からの排ガス処理に関する研究を行い、パルス幅が100ナノ秒の場合と比較して、高効率であることが分かった。@パルスパワーを用いた廃棄物のリサイクル、特に金属めっきプラスチックのリサイクルの可能性を実験的に示した。本研究目的は、本科研費終了後の産業利用を目指し、パルス幅をナノ秒と極短パルスにした高繰り返しナノ秒パルスパワー発生装置を開発する。@パルスパワーによって水中ストリーマ状放電をつけ、湖沼のアオコや赤潮の殺藻を行った。水中ストリーマ状放電によりアオコの細胞内ガス胞がつぶれ湖沼の底に沈むことが分かった。その際、細胞自身は死滅することはなく、太陽光などの条件が合えば、ガス胞が再生することも分かった。@パルスパワー生成放電プラズマ及びパルス電界により、芽胞菌の殺菌、大腸菌の殺菌を行い、芽胞菌はパルス電界に強いが、加熱との併用で、殺菌できることを見出した。
Dual Energy CTを用いた顎顔面領域腫瘍の薬物動態解析

本研究の目的は、顎顔面領域に低濃度造影剤対応のdual energy CTプロトコールを確立し、緻密な造影剤変化量を利用した薬物動態解析を行い、顎顔面腫瘍およびリンパ節転移の診断精度を向上させることである。今年度の研究達成目標としては、顎顔面領域にdual energy CTを導入するための撮像プロトコールの決定が最重要項目であった。胸腹部領域の過去文献を参考としたプロトコールを基に、撮像に使用する二層検出器型dual energy CTでの基本的な撮像プロトコールを決定し、まず数例の血管奇形症例に対して撮像を行なった。これまでの検査同様1回のスキャンでスペクトラルデータを得ることが可能であり、容易に仮想単色X線画像やヨードマップを取得できた。低エネルギー画像においては造影コントラストが強くなることから、一般的には病変描出の向上が期待されているが、顎顔面領域においては特有の問題点も判明した。軟組織内に限局する病巣に関しては、他領域同様に造影MRIとほぼ同等の微細な描出が可能であるが、歯や顎骨など硬組織が混在する病巣はヨード・カルシウムの物質分別が不十分であり、さらなる画像処理を検討中である。これらのことを踏まえ、悪性腫瘍に対しては舌・口底・頬粘膜など軟組織に限局した症例に対して撮像を行なった。同様に仮想単色X線画像を使用することで造影コントラスト上昇が見られ、今後は造影剤減量の可能性が十分に期待される。次年度は薬物動態解析に向けて、低侵襲下でのperfusion CT撮像プロトコールの決定が最重要項目となる。今年度内にファントム購入が間に合わず、dual energy CT下での定量性検証ができなかったため。次年度、ファントム実験を同時進行させることで遅れを取り戻すことは可能である。次年度は、顎顔面領域腫瘍に対してperfusion CTを導入するための撮像プロトコール確立が重要項目となる。今年度予定していたファントム購入および基礎実験ができておらず差額が生じた。次年度に行う予定のファントムと同時購入し、実験の同時進行を計画している。
時期および部位特異的なCaMKIIα欠損が引き起こす行動学的・心理学異常の解析

Calcium/calmodulin-dependentproteinkinaseIIαサブユニット(CaMKIIα)ヘテロノックアウトマウスは、作業記憶の異常や過活動などの精神疾患様の行動学的異常を示す。また、海馬歯状回の神経細胞のほとんどが疑似的な未成熟状態にとどまる「未成熟歯状回」という現象を示すことから、有用な精神疾患モデル動物であると考えられる。本研究では、CaMKIIαのfloxedマウスと、歯状回やCA3に特異的にcreを発現するマウスを交配し、脳領域特異的欠損マウスを得るための最適化の検討を行った。今後は、網羅的行動解析を行い、各種の行動学的異常が脳のどの時期、どの部位のCaMKIIα欠損に対応しているのかを明らかにする。研究代表者らのこれまでの研究から、αCaMKIIヘテロノックアウト(HKO)マウスは、顕著な行動学的・心理学的異常を示し、脳の海馬歯状回のほとんどの神経細胞が未成熟なままであることがわかっている。そこで、マウスの脳の「どの部位」の、「どの時期」のαCaMKIIの低下が一連の異常行動を引き起こすのか、を検討することを目的として、「部位特異的」あるいは「時期特異的」なαCaMKII欠損マウスを作製するかけあわせを開始した。本年度、新潟大・崎村建司教授からαCaMKII floxedマウスの分与を受けたが、このマウスはC57BL/6Nの遺伝的背景なので、近交系マウスC57BL/6Jの系統に戻し交配をする必要があり、現在Creマウスと掛け合わせをしつつ、戻し交配を進めている。マウスの遺伝的背景の違いは行動表現型に影響するので、各種のCreマウスについて、入手後、戻し交配の必要な系統については、αCaMKII floxedマウスと同様に、C57BL/6Jマウスで戻し交配を進めている。これまでに、海馬歯状回特異的Cre発現マウス、前脳特異的Cre発現マウス、海馬CA3特異的Cre発現マウスを入手し、戻し交配を進めた。実験用マウスをつくる交配では、CaMKII floxedマウスと歯状回特異的Cre発現マウスとの交配を手始めとして開始した。その交配のためには、各系統50-100ケージの飼育スペースを必要とし、必要数のマウスを得るのに数世代(半年から1年程度)かかるので、繁殖のピークが重ならないように交配を計画し、飼育スペースを確保しながら繁殖を進めている。本年度はそのための飼育ラックを新たに購入した。αCaMKIIヘテロノックアウトマウスはこれまで多数解析した遺伝子改変マウスの中で最も顕著な行動学的・心理学的異常を示した。研究代表者らのこれまでの研究でこのマウスの脳の海馬歯状回ではほとんどの神経細胞が未成熟なままであることがわかっている。本研究ではマウスの脳の「どの部位」「どの時期」にαCaMKIIが低下することが作業記憶の障害や周期的な活動量の波、不安の低下等の異常を引き起こすのか、を検討することを目的として「部位特異的」あるいは「時期特異的」αCaMKII欠損マウスの作成に必要な系統のマウスを入手して交配し実験を進めている。マウスの遺伝的背景の違いは行動表現型に影響するため、入手したαCaMKII floxedマウスについては繁殖と並行してC57BL/6Jへの戻し交配を進めた。実験用マウスを作る交配では、今年度海馬歯状回特異的Cre発現マウス(京都大学・鍋島教授から分与)との交配を予定したが、同Creマウスを別系統のfloxedマウスとかけ合わせた実験の結果から海馬歯状回の遺伝子発現が十分得られない可能性が予測されたため、同Creマウスに置き換わる系統として海馬歯状回特異的Pomc-CreマウスをJackson Labから今年度入手した。この系統は微生物汚染の問題があったためクリーン化する必要がありαCaMKII floxedマウスとの交配が遅れているが、準備ができ次第交配を進める。前脳特異的Cre発現マウス、海馬CA3特異的Cre発現マウスなどの「部位特異的」Creマウスも戻し交配を終えているので、平成23年4月以降に実験群の個体を得るための繁殖を進める予定である。研究代表者らの研究結果から、alpha-calcium/calmodulin-dependentproteinkinaseII(αCaMKII)ヘテロノックアウトマウスは各種の行動学的・心理学的な異常を示すとともに、海馬・歯状回が未成熟であることがわかった(Yamasaki et al., Mol Brain, 2008)。この未成熟な歯状回は、統合失調症などの精神疾患の中間表現型として有望なことからも、このマウスは非常に有用な精神疾患モデル動物であると考えられている。

本研究では、時期・脳領域特異的にαCaMKIIを欠損するようなコンディショナルノックアウトマウスを用いて、各種の行動学的・心理学的な異常が脳のどの時期、どの部位のαCaMKII低下に対応しているのかを解明することを目的とした。先ず、αCaMKII-floxedマウスに対して、各種プロモーターよりCreを発現するマウスを交配した。即ち、1)歯状回特異的な発現を示すProopiomelanocortin(Pomc)、2)海馬CA3領域特異的な発現を示すGlutamate receptorl gamma subunit (GluR1γ)、およびコントロールとして、3)αCaMKII、のプロモーターで発現がドライブされるCreマウスを用いた。平成22年度から継続的に行ってきたこれらの交配により、平成24年度に、各種のCre遺伝子座とαCaMKII-floxed遺伝子座をヘテロで持つマウスを得ることができた。現在、これらのマウスの各種脳領域や臓器のDNAを精製して、領域特異的なαCaMKII遺伝子領域の欠損を確認している。また同時に、海馬・歯状回におけるαCaMKII発現の低下と成熟度を、リアルタイムPCRおよび免疫染色により確認している。
糖・脂質代謝異常者に対する歩・ジョギング運動による改善過程の基礎研究

コレステロール値が正常値範囲以上の高いヒトを選択2.上記被験者を次の3グループに分ける。(1)いつも通りの生活を送るグループ(CG)(2)2日に1回、普通歩行約1時間を3カ月間強制的に実施するグループ(WG)(3)2日に1回、ジョギング(130/min)約30分を3カ月間強制的に実施するグループ(JG)3.3グループの血糖値、総コレステロール値、そして体力および免疫機能、血液性状、血管性状などの生理機能的分析を行う。4.3カ月の運動後において、血糖値、総コレステロール値、そして体力および免疫機能、血液性状、血管性状などの生理機能的分析を行う。5.主な実験結果(1)普通歩行約1時間で、平均5000から6000歩の歩行となった。(2)普通歩行もジョギングも3カ月後に血糖値においてほぼ同じ傾向で低下する兆しがみられるが、正常範囲には戻らなかった。総コレステロール値においても同様な傾向であった。(3)一定運動負荷時の心拍数は普通歩行・ジョギング開始前に比べて3カ月後において、顕著に低下し、心肺機能の改善が見られた。(4)結局、歩行・ジョギング運動は心肺機能の改善は著しいものの、糖代謝・脂質代謝の改善傾向は見られるものの、心肺機能程の顕著な改善は見られなかった。
ゴール指向的なオブジェクト操作の神経機構

ゴール指向的な行動では、ゴールに到達するために複数の行動を順序だてて適切な行動選択をする。そのために、最初に与えられた最終ゴールの情報から、一連の行動をプランニングし、最初に行う即時ゴールを決定し実行を始める。これらの細胞活動の神経機構を説明するために、多安定アトラクター回路を用いた神経モデルを構築し、その動作を確認した。4種類の細胞からなる回路は、相互に興奮性抑制性の結合をしており、複数の安定状態が存在する。またこれらとは別に入力または出力に関連する細胞群がある。二つの最終ゴールから二つの即時ゴールの変換する過程を、多安定性の様相の違いとして捉える。動作としては、最終ゴールの情報の入力がある時期には、多安定アトラクターは最終ゴールの選択をする回路の状態になっており、入力があると、最終ゴールを表現するどちらかの状態に引き込まれる。また時間とともに活動が減衰してくると、今度は即時ゴールの選択を行う回路の状態に変化し、神経回路はどちらかの即時ゴールの表現に引き込まれる。このような多安定アトラクターモデルは、その安定性をきめるアトラクター状態そのものを変化させることで、情報表現の変換を自発的に非常に融通性をもって表現できる。このような情報変換の機構は、単純な刺激-反応連合では困難な多次元の情報の時間的な動的変換に適切であり、前頭前野の機能を理解するうえで大切な役割を果たしていると考えられる。ゴール指向的にスクリーン上のオブジェクトの位置を両手で操作する課題をサルに訓練して手前頭前野の細胞活動の解析した。動作開始前の遅延期間中には、複数の種類のゴール関連細胞が見出された。すなわち最終的にどこへ到達するかということを符号化する最終ゴール関連細胞活動と最初にどこへ到達するかという即時ゴール関連細胞活動である。これらのゴール情報の細胞活動に関して時間経過を解析すると、遅延期間の最初は最終ゴールを表現している細胞が多く、遅延期間後半には即時ゴールを表現するものが増えてくる。また、同じ細胞がゴール表現を徐々に最終ゴールから即時ゴールへ変換させる細胞も多数見出された。このゴール変換する時期に同期性を解析すると、一過性に増加する傾向が見出された。前頭前野は、保持した情報をゴール指向的に課題遂行に必要な他の情報へ変換する過程にかかわり、しかもそのときに細胞間の活動相関が上昇して、回路の状態変化がその背景にあることが示唆された。
ハイブリッド界面制御と破骨細胞制御による新しい骨再生医療用生体吸収性材料の創製

ハイドロキシアパタイト粒子と生体吸収性樹脂の界面にハイブリッド界面制御を適用し,表面修飾割合を制御することを可能とすることによって,破壊特性と加水分解速度の両方を向上させるハイドロキシアパタイト/生体吸収性ポリマー複合材足場の創製を可能とした.ハイブリッド界面制御が適用可能で破骨細胞による溶解が可能な生体吸収性ポリマーとしてポリカプロラクトンを選択し,弾性率の制御により破骨細胞の代謝挙動を制御できることを示唆した.また,ハイドロキシアパタイトと炭酸アパタイトの併用により,骨芽細胞と破骨細胞を同時に制御し得る微視構造を設計できることを示唆した.本研究では,粒子/母材間の界面接着状態を飛躍的に改善可能なハイブリッド界面制御,最適な母材の選択,剛性変化を設計することによる破骨細胞の基質融解挙動制御を組み合わせて,治療初期は人工骨そのものが骨機能代替を果たすとともに,骨芽細胞による骨形成を促進するだけでなく,破骨細胞による人工骨分解・吸収を両立し,加水分解によって人工骨が「やわらかく」なると破骨細胞を徐々に不活性に制御することが可能な,高特性・高機能な骨再生医療用足場用ハイドロキシアパタイト粒子/生体吸収性ポリマー複合材料を創製することを目的とした.これにより,生体材料・複合材料・細胞挙動の知見を組み合わせた新しい材料システムの構築に寄与することを目指している.1年目の成果は,以下のように要約される.1)フーリエ変換赤外分光光度計を用いて,ハイドロキシアパタイト粒子表面へハイブリッド界面制御を施した際に二種類の生体親和性ポリマー(ペクチンとキトサン)が付着している表面積率を推定する方法を構築した.また,修飾する生体親和性ポリマーの量を変えたハイドロキシアパタイト粒子を用意し,修飾可能な最大量を導き出した.その結果,修飾可能最大値は,ペクチン:11 [wt%],キトサン:0.5 [wt%]となった.2)修飾表面率を変えたハイブリッド界面制御ハイドロキシアパタイト/ポリ乳酸複合材料の引張試験をおこなった結果,修飾表面率の増加とともに破壊特性が向上した.3)弾性率を変化させた基質(コラーゲン,キトサン,ポリカプロラクトン)上で培養した破骨細胞の代謝挙動を観察した.その結果,破骨細胞の分泌物産生挙動は足場の基質弾性率の影響を受けることが明らかとなった.特に,10 [kPa]前後の弾性率を越えると破骨細胞への分化数が増加しはじめ,100 [kPa]程度の弾性率を越えると不活性な破骨細胞が活性化され始めることが示唆された.本研究では,粒子/母材間の界面接着状態を飛躍的に改善可能なハイブリッド界面制御,最適な母材の選択,剛性変化を設計することによる破骨細胞の基質融解挙動制御を組み合わせて,治療初期は人工骨そのものが骨機能代替を果たすとともに,骨芽細胞による骨形成を促進するだけでなく,破骨細胞による人工骨分解・吸収を両立し,加水分解によって人工骨が「やわらかく」なると破骨細胞を徐々に不活性に制御することが可能な,高特性・高機能な骨再生医療用足場用ハイドロキシアパタイト粒子/生体吸収性ポリマー複合材料を創製することを目的とした.これにより,生体材料・複合材料・細胞挙動の知見を組み合わせた新しい材料システムの構築に寄与することを目指している.2年目の成果は,以下のように要約される.1)ハイドロキシアパタイト粒子に対するハイブリッド界面制御を最大化できる条件(ペクチン:11 [wt%],キトサン:0.5 [wt%])において,最適な保護基量が11 [wt%]であることがわかった.2)破骨細胞の代謝挙動により融解させることが可能な高分子であるポリカプロラクトンを母材に用いた場合でも,ハイドロキシアパタイト粒子表面へのハイブリッド界面制御が界面特性の改善・制御に有効であることが示された.3)ハイブリッド界面制御ハイドロキシアパタイト粒子とポリカプロラクトンを複合化し,一定期間の加水分解後に引張試験をおこなった.その結果,界面制御効率を最大化した場合に,加水分解にともなう破壊特性の低下がもっとも抑制された.これより,高い破壊特性とすみやかな分解・吸収特性を両立するためには,最適な界面制御効率が存在することが示唆された.粒子/母材間の界面接着状態を飛躍的に改善可能なハイブリッド界面制御,最適な母材の選択,剛性変化を設計することによる破骨細胞の基質融解挙動制御を組み合わせて,治療初期は人工骨そのものが骨機能代替を果たすとともに,骨芽細胞による骨形成を促進するだけでなく,破骨細胞による人工骨分解・吸収を両立し,加水分解によって人工骨が「やわらかく」なると破骨細胞を徐々に不活性に制御することが可能な,高特性・高機能な骨再生医療用足場用ハイドロキシアパタイト粒子/生体吸収性ポリマー複合材料を創製することを目的とした.最終年度の主な成果は以下のように要約される.1)弾性率を変化させたポリカプロラクトンおよびハイドロキシアパタイト/ポリカプロラクトン複合材基質上で破骨細胞を培養し,カテプシンK蛍光染色を実施した結果,約0.30.7 [GPa]の範囲内では,基質弾性率の増加にともなって破骨細胞の活性化率が増加することを定量的に評価した.2)ハイドロキシアパタイト/ポリカプロラクトン複合材基質の場合では,ポリカプロラクトン基質の場合と比べて破骨細胞数が減少した.これは,ハイドロキシアパタイトから放出されるリン酸イオンもしくは微小な基質表面凹凸が原因であると考えられた.研究期間を通じて得られた主な知見を以下に示す.

●ハイブリッド界面制御により,破壊特性の向上と加水分解速度の向上を両立するハイドロキシアパタイト/生体吸収性ポリマー複合材足場の創製が可能となった.●ポリカプロラクトンおよびハイドロキシアパタイト/ポリカプロラクトン複合材基質の弾性率の制御により,破骨細胞の代謝挙動を制御できることが示唆された.●ハイドロキシアパタイトと炭酸アパタイトの併用により,骨芽細胞と破骨細胞を同時に制御し得る微視構造を設計できることが示唆された.ハイドロキシアパタイト粒子と生体吸収性樹脂の界面にハイブリッド界面制御を適用し,表面修飾割合を制御することを可能とすることによって,破壊特性と加水分解速度の両方を向上させるハイドロキシアパタイト/生体吸収性ポリマー複合材足場の創製を可能とした.ハイブリッド界面制御が適用可能で破骨細胞による溶解が可能な生体吸収性ポリマーとしてポリカプロラクトンを選択し,弾性率の制御により破骨細胞の代謝挙動を制御できることを示唆した.また,ハイドロキシアパタイトと炭酸アパタイトの併用により,骨芽細胞と破骨細胞を同時に制御し得る微視構造を設計できることを示唆した.本研究の推進にあたって,当初計画にはなかった界面制御効率(ハイドロキシアパタイト表面修飾率)の評価および制御方法の構築が初年度に必要となった.この新たな課題については,報告の通り,ハイドロキシアパタイトに対する最適な修飾高分子量を明らかにし,安定した複合材破壊特性を発現させることが可能とすることで解決できた.そのため,全体の計画が順次後ろへずれているのが実情である.しかしながら,当初計画で初年度に実施する予定であったハイブリッド界面制御が適用可能な生体吸収性ポリマー(ポリカプロラクトン)の探索を達成した.ポリカプロラクトンは,破骨細胞により融解されることがわかっており,初年度の細胞実験でも細胞挙動を確認できている素材であるため,本研究の目標となる材料システムの母材として有力であると考えられる.また,ハイブリッド界面制御ハイドロキシアパタイト粒子/ポリカプロラクトン複合材料の加水分解にともなう劣化挙動を明らかにできた.このことから,初年度の遅れ分をかなり取り戻したと言える.材料力学・複合材料学・バイオマテリアルまず,2年目までの検討の結果を総合して,破骨細胞の活性化・不活性化の最適な制御が可能な微視構造の設計をおこなう.このためには,材料作製時の冷却工程を段階的に変化させるなどして,傾斜機能化する必要性も考えられる.また,設計した微視構造を有する材料システムを実際に作製し,分化因子を導入した造血幹細胞を試作したフィルム状試験片上で培養・挙動観察・評価することで,本研究の有効性・実用性を検証する.傾斜機能化による破骨細胞制御が想定通りに実現できない場合には,生体吸収性ポリマー製マイクロカプセル(MC)に封入した破骨細胞分化・活性化因子を材料内に最適に分散し,骨形成と足場分解吸収の状況に応じて破骨細胞分化・活性化因子を除放することで,目標とする機能の実現を検討する.本研究の推進にあたって,まず,当初計画にはなかった界面制御効率(ハイドロキシアパタイト表面修飾率)の評価および制御方法の構築が必要となった.
骨格筋の筋収縮活動が肝臓のインスリン作用を増強する分子機序の解明

身体運動によって骨格筋の筋収縮活動が亢進すると、活動筋と肝臓のインスリン作用が増強する。しかしながら、骨格筋とは異なり運動には直接動員されていない肝臓に運動適応が生じる作用機序は明らかではない。本研究では、ラットの後肢骨格筋を反復的に熱刺激し、その熱を肝臓に拡散させると肝臓に身体運動様の適応が生じることを明らかにした。以上の結果は、身体運動による末梢組織のインスリン作用の増強効果において、活動筋からの熱産生とその拡散による肝臓の適応が重要な役割を担っている可能性を強く示唆している。身体運動によって骨格筋の筋収縮活動が亢進すると、活動筋のみならず肝臓のインスリン作用も増強する。しかしながら、骨格筋とは異なり運動には直接動員されない肝臓に筋収縮由来の運動効果が生じる理由は不明である。本研究では、「筋収縮活動によって産生された熱は拡散によって肝臓に筋活動量を伝え、肝臓のAMPKを活性化することでインスリン作用増強効果を惹起・調節している」との仮説を検証している。ラットにトレッドミルによる走行運動を負荷すると、走速度の増加に応じて骨格筋のみならず肝臓の温度が上昇し、肝臓のグリコーゲンの減少と肝臓のAMPーactivated protein kinase (AMPK)と呼ばれる酵素の活性化を認めた。走行運動では主に後肢骨格筋が運動に動員されることから、走行運動によって骨格筋で生じた熱が拡散によって肝臓に伝わった可能性がある。そこで、今度はラットの後肢を温水に30分浸水して(温水刺激)、走行運動をすることなく骨格筋温度を変化させ肝臓での温度変化を測定した。その結果、骨格筋温度の上昇にともない肝臓の温度が上昇することを認め、さらに、走行運動をしていないにも関わらず肝臓のグリコーゲンの減少とAMPKの活性化が確認できた。このように、身体運動によって肝臓で生じる身体運動効果は、骨格筋の温水刺激によっても一部再現できることが分かった。しかしながら、骨格筋とは異なり運動には直接動員されていない肝臓に筋収縮由来の運動効果が生じる理由は不明である。本研究では、運動によって活動筋で生じる熱の産生や肝臓への熱拡散が肝臓のインスリン増強作用に関与しているとの仮説を検討している。また、肝臓や骨格筋において細胞温度の上昇にともなう代謝応答・適応を引き起こす一因子として、肝臓や骨格筋から分泌されるヘパトカインやマイオカインの関与も検討しており、身体運動と熱刺激のそれぞれに対する細胞応答の類似性・相違性を検討している。健常ラットに回転ゲージによる身体運動を4週間負荷すると肝臓のインスリン作用は増強した。この際、身体運動によって変化するヘパトカインの遺伝子発現を網羅的に解析した結果、インスリン作用に関与することが予想される複数の候補分子を認めた。この結果は高脂肪食を摂取したラットにおいても同様の結果であった。しかしながら、ヘパトカインの遺伝子発現量の程度はいずれのラットにおいても運動量(走行距離)とは今のところ有意な関係は認められていない。また、ヘパトカインのうち一部は骨格筋でも発現しており、筋線維組成の違いによってマイオカインの遺伝子発現量の程度は異なることも分かった。最終年度に行われる熱刺激実験との結果と合わせて考察する予定である。本研究では、身体運動によって生じる骨格筋の熱産生が肝臓に拡散し、間接的に肝細胞を熱刺激することによって肝臓が運動適応を惹起している可能性を検討している。また、肝臓が熱刺激に対する適応として、肝臓から分泌されるヘパトカインの発現・分泌調節を介して、骨格筋のインスリン作用を調節している可能性も合わせて検討している。ラットに回転ゲージによって自発的な走行運動をさせると、3週間後には肝臓の中性脂肪量が減少し、ヘパトカインであるLECT(Leukocyte cell-derived chemotaxin)2の蛋白発現量が減少することを確認した。LECT2は骨格筋に作用してインスリン抵抗性を惹起するホルモン様分子であるため、身体運動による骨格筋のインスリン作用の増大効果は、ヘパトカインの産生・分泌調節を介している可能性が高い。そこで、同様の現象が骨格筋の熱刺激によっても生じるか否かを調べた。ラットの後肢骨格筋を熱刺激すると、肝臓周辺の腹腔内温度の上昇が確認できた。この刺激を一週間処置した結果、肝臓の中性脂肪量は低下傾向を示し、肝臓のHeat-shock proteinの蛋白発現量が増加した。その際、肝臓のLECT2蛋白発現量が身体運動時と同様に減少することを認めた。熱刺激処置の期間において、摂食量や行動量に非刺激群との差が認められないことから、これらの肝臓の適応は骨格筋からの熱の拡散に起因すると考えることができる。

以上の結果は、身体運動による末梢組織のインスリン作用の増強効果において、活動筋からの熱産生とその拡散による肝臓の適応が重要な役割を担っている可能性を強く示唆している。本報告書は研究期間である3年のうち、2年目にあたる。研究代表者である私は4月に所属機関が移動となり、実験場所や分析機器など、大きく研究環境が変化したために特に年度の前半期間は十分な研究活動が難しい状況であった。このことにともない、研究は大幅に遅れている。しかしながら、既に課題遂行のために必要な環境を新しい所属先で整備したので、2年目に実施ができなかった実験予定も含め、今後は問題なく研究計画書で示している研究を遂行できることが期待される。運動生理学・運動生化学昨年度に行う予定であった実験の一部を最終年度の計画に加え、実験計画書に準拠した実験を順次行う予定である。すなわち、ラットに回転ゲージによる身体運動を4週間負荷する。その際、体内埋め込み型の無線式体温計によって全運動期間中の肝臓温度の変化を連続的に測定して、身体活動量ー肝臓温度の変化量ーインスリン作用増強の程度との関係を明らかにする予定である。初年度において、急性(単回)の身体運動や熱刺激によって肝臓温度を上昇させるとAMP-activated protein kinase (AMPK)とよばれるインスリン作用の調節に重要な酵素が活性化されることをすでに明らかにしている。そこで、熱刺激を反復することで身体運動の継続によって認められるような肝臓のインスリン作用の増大が生じるか否かも検討する。さらに、身体運動の継続によって生じるヘパトカインやマイオカインの変化が、熱刺激やAMPKの薬理的活性化剤によっても同様の変化が惹起されるか否かについても合わせて検討を行う予定である。初年度における予定では、回転ゲージを用いた自発的走行運動トレーニングも行い、その期間における肝臓温度の変化を無線式の体内留置型体温計で連続的に測定して、AMPKの活性化やトレーニング効果との関係を明らかにする予定であった。しかし、一般的なスチール材質による回転ゲージでは無線の電波が妨害されてしまうことがわかり、初年度ではデータの回収ができていない。この状況を改善するために、全てアクリル材質でできた回転ゲージを特注作成した。現時点において電波の受信状況は良好であり、次年度に実験を行う予定である。研究計画の遂行が遅れた分、自然発生的に残金として生じた。アクリル製の回転ゲージを用いて、走行運動中を含む全トレーニング期間中の肝臓温度の変化を連続的に測定する。私は先行研究において、4週間の走行運動トレーニングが全身性のインスリン作用を増強させることをすでに報告している。よって、同実験モデルにおいて、身体活動量ー肝臓温度の変化量ーAMPKの活性化の程度ーインスリン作用増強の程度の関係を明らかにする予定である。さらに、熱そのものによる影響を検討するため、身体運動は行わず後肢骨格筋への温水刺激を反復的に負荷して、肝臓に与える影響を検討する予定である。身体運動時と同様に、骨格筋や肝臓においてインスリン作用増強効果が確認できることが期待される。
金属フラーレンの金属・半導体表面における吸着構造と電子状態

シリコン表面において、フラーレンは表面のSi原子のダングリングボンドと強く化学結合をして、バルクにおけるスピン(回転)を止めることが判明している。本年度はフラーレンを吸着する表面を銅、銀として、吸着したフラーレンの薄膜、構造、電子状態を研究した。Cu(III)表面におけるC_<60>単分子膜において、C_<60>は分子間距離10.2AとバルクとほぼサイズのCu(111)-(4×4)C_<60>稠密単分子膜を形成した。このとき全てのC_<60>分子が、Cu表面の3-fold-hollow位置に吸着して、C_<60>の回転が止まり、C_<60>固有の電子状態に対応した3回対称の内部構造がSTMにより観察された。銅表面においてはフラーレンとの相互作用が比較的強く、またC_<70>、C_<60(x)>C_<10(1-X)>においても(4×4)構造が得られた。Ag(111)表面においてはC_<60>、C_<70>、Sc_2@C_<84>などのフラーレンを吸着し、単分子膜を形成すると、いづれの場合もそれぞれのバルクと同じサイズの稠密面となり、基板に対する整合性はCu(111)と比べて弱い。
導電性高分子に結合するペプチドの同定・評価とその応用

導電性高分子であるPPVに結合するペプチドをPPVの水溶化剤として応用した。通常PPVは水にはもちろんのことほとんどの有機溶媒にも不溶である。仮にPPVの水溶液が調製できれば、環境にも優しい有機溶媒フリーの製膜が可能になる。そこで、ペプチドとPPVを水中で混合し超音波処理した。遠心によって不溶成分は取り除き、上清の蛍光スペクトルから水中分散量を定量した。その結果、PPVの水中分散量はペプチドの濃度依存的に増加することがわかった。その際PPVの蛍光波長は短波長シフトし、水中において効率的に分散していることが示された。ペプチドの水中分散に重要なアミノ酸を同定した。さらに、分散体の構造を動的光散乱法、原子間力顕微鏡、透過型電子顕微鏡によって評価した。その結果直径約50ナノメートルの微粒子が生成していることを見出した。本手法を用いれば機能性ペプチドで保護された水中分散性の共役系高分子ナノ粒子をワンステップで簡単に調製することができる。得られた微粒子は蛍光性であるから、センシング能を備えたドラッグデリバリーのキャリアとしての応用が可能である。またPPV結合性ペプチドに細胞接着性配列として知られるRGD配列を融合したペプチドを合成し、PPVフィルム表面を細胞接着性に改変することにも成功した。PPVフィルムは元来細胞非接着性であるが、ペプチドでコートすることによって細胞の接着量が増え、またその細胞はよく伸展した。このように本ペプチドを用いることによってPPVのバイオ分野への新たな応用展開が可能になった。直鎖状ポリフェニレンビニレン(linPPV)と樹状PPV(hypPPV)のフィルムをガラス基板上に調製し、この薄膜に12残基のランダムペプチド提示ファージライブラリー(2.7×10^9種類)を作用させた。結合の弱いファージは洗い流し、結合能の強いファージを濃縮した。この一連の操作を5回繰り返し(バイオパニング)、得られたファージをクローン化してDNA配列解析を行うことでランダム領域に提示されたアミノ酸配列を同定した。linPPV,hypPPVに対して、それぞれLin01ペプチド(ELWSIDTSAHRK)、Hyp01ペプチド(HTDWRLGTWHHS)を同定した。これらの結合能・特異性をSPRによって定量的に評価した。その結果Lin01,Hyp01の標的に対する結合定数はそれぞれ7.7×10^4(M_<-1>)と7.7×10^5(M_<-1>)であった。またHyp01ペプチドは標的であるhypPPVに対してlinPPVよりも15倍大きな結合定数を与えた。同様にLin01ペプチドは標的であるlinPPVに対してhypPPVよりも2.1倍大きな結合定数を与えた。本結果は、ペプチドが樹状構造または直鎖構造という厳密な構造変化を認識できるということを示していて、とても興味深い。次に、特異性・結合能の高かったHyp01ペプチドについて、Alaスキャニング実験を行った。その結果、相互作用に重要なアミノ酸の順列は次の通りであった。Trp9>Trp4>Arg5>Leu6>Gly7>His10>His1>Thr8>Thr2>Asp3>His11>Ser12。Hyp01ペプチドは2つのTrpを含んでいるが、そのうちの1つをAlaに置換しただけで、hypPPVに対する特異性は失われた。つまり2つのTrpが共同的に作用することによってhypPPVに対する特異性が発現していることがわかった。
NF複合体によるc-fos遺伝子のクロマチン修飾と発現制御

当研究では、c-fos遺伝子の転写調節に関係すると考えられるNF複合体について主に生化学的手法を用いて解析を進めた。NF複合体はNF45、NF90又はNF45とNF110の複合体からなるが、組換え体NFタンパク質を用いてNF複合体のサブユニット構成をゲル濾過等で解析した結果、(NF45)_2(NF90)_2または(NF45)_2(NF110)_2とヘテロテトラマーを形成し、NF90とNF110は同一の複合体には存在しないことが明らかとなった。バキュロウイルスで発現させた組換え体の解析より、NF110,NF45/110はc-fos遺伝子の基本転写を活性化するのみで、NF90,NF45/90には非常に弱い転写活性化能しか認められなかった。そこで、NF45、NF90またはNF110にタグを付けた遺伝子をHeLa細胞に導入し、タグ付きのNF45、90及び110を含む複合体を精製した。その結果、NFタンパク質にはそれら以外に幾つかのペプチドが結合しより大きな複合体を形成していることが明らかとなった。この複合体は試験管内でc-fos遺伝子の転写を活性化することが観察され、転写活性化にはNF45、NF90、NF110以外の因子も関与していることが示唆された。NF複合体が転写活性化に関与することより、それぞれのNFタンパク質と他の転写因子との相互作用を検討した。その結果、NF複合体は、TFIIB,TFIID,TFIIHと結合することが分かった。さらにNF90,NF110,NF45/90,NF45/110RNAPIIとも弱く結合する。この転写活性化活性はpoly(I)-poly(C)で阻害される。以上より、NF因子は1)幾つかのペプチドと複合体を形成し、2)基本転写因子等と相互作用することによって転写を活性化し、3)この活性は一本鎖RNA等にて調節されていること、の3点が明らかとなった。
電気式離脱型頭蓋内ステントの開発研究

Close cell typeの頭蓋内ステントを作成し、これをPoly-vinylalcohol (PVA)を接続媒体としてデリバリーワイヤーに接着した試作品を製造した。接続方法は3種類を考案したが、製造工程を検討し、最も現実的と考えられたステントのストラットを収束して単純にPVAで接続する方法を選択した。接続強度は数回の挿入・回収に耐え得る強度を有していることが確認できた。しかし、PVAを膨潤し通電しても均一にPVAが熔解せず、ステントが完全拡張しない現象が一定の頻度で出現することが実験で判明し、接続方法の改良を検討中である。電気式離脱型ステントを開発するにあたり、最大の解決点であったPVAによる自己拡張型ステントの接続方法について実験や検討を行った。1)PVA接続部にストラットを数本に収束し、デリバリーワイヤーにPVAで接続する構造強度を検証したところ、数回の誘導・展開・回収に耐えうる接続強度を維持しながら、自己拡張力に耐えてステントをPVAで接続するには、製造技術の観点から困難な要因が多いことが判明した。2)収束したストラットを糸で纏めてPVAで接続する方法も実験したが、数回に一回の割合で糸に絡んでステントが完全に拡張しない現象が観察された。そのため患者の血管内で確実にステントを展開する機構として信頼性に欠けるという結論に至った(この点に関しては改善も試みている)。3)この間に欧米でシングルアームに収束したステントを電気式に離脱するシステム(Solitaire、ev3)が販売された。この方法はステントの近位端が長くなるため今回の研究には含めなかった案であったが、Solitaireの使用実績から十分臨床応用できるものであることが判明したため、接続部を一本に収束してPVAで接続する方法を、ステントデザインの変更を含めて検討中である。PVA接続による電気式離脱型動脈瘤塞栓用コイルの技術を応用すれば、シングルアームに収束したステントをPVAで接続する方法は、強度的に問題なく作成できると考えられる。少なくとも誘導・展開・回収の一連の操作を数回行うに十分な強度を持たせることは計算上可能である。離脱構造のみならず離脱ポイントの自動検出機能を併せ持たせた電気式離脱型ステントの開発を目標に、今後はシングルアームに収束させたステントが、いかにスムーズに展開し血管壁に密着するか、適切な位置に再留置するために一旦マイクロカテーテルに収納する際にどのような抵抗が発生するか、などに着目してステントデザインを検討していく予定である。昨年度来、電気式離脱型ステントを開発するにあたり、最大の解決点であったPVAによる自己拡張型ステントの接続方法について実験や検討を行ったが、1)PVA接続部にストラットを数本に収束し、デリバリーワイヤーにPVAで接続する構造強度を検証したところ、製造技術の観点から困難な要因が多いことが判明した。そのため患者の血管内で確実にステントを展開する機構として信頼性に欠けるという結論に至った。この点に関しては改善も試みたが、離脱後に確実に展開できる構造は現時点で製品化が困難と考えられた。この方法はステントの近位端が長くなるため今回の研究には含めなかった案であったが、Solitaireの使用実績から十分臨床応用できるものであることが判明したため、接続部を一本に収束してPVAで接続する方法を、ステントデザインの変更を含めて検討し、数回のステントの誘導・回収に対する強度、通電によるスムーズな離脱操作などの構造解析を施行中である。離脱構造のみならず離脱ポイントの自動検出機能を併せ持たせた電気式離脱型ステントの開発を目標に、シングルアームに収束させたステントが、いかにスムーズに展開し血管壁に密着するか、屈曲蛇行した血管に留置する際にMa1-positionとなりにくいデザインや剛性はどのようなものか、収納する際にどのような抵抗が発生するか、などに着目してステントデザインを検討している。Poly-vinylalcohol (PVA)を接着媒体とした国産電気式離脱型コイルのノウハウを活かし、より精度の高い頭蓋内ステント併用脳動脈瘤血管内治療に応用できる電気式離脱型頭蓋内ステントの開発研究を行った。

これまでの実験で、複数本のストラットをPVAで接続する方法では、PVA溶解の不均一性が理由で、離脱後にステントが完全拡張しない事象が一定の頻度で出現することが判明したため、ストラットを一本に収束してPVAで接続するステントデザインを考案し、新たな開発研究を行った。PVAの固定力は複数回のステント展開・回収に耐え得る強度を有し、複数本のストラットを接続する方法より製造工程が単純であるため、実用化に適した構造であることが判明した。しかし、ストラットを一本に収束するステントデザインは、直線的な血管に対する密着性に問題はないものの、蛇行血管に留置した場合にステント近位端の密着不良が原因で血栓塞栓性合併症の可能性が考えられた。この問題を解決するために、ストラットを一本に収束するデザインの改良が必要となり、理想的には短い距離でストラットを収束させながら、マイクロカテーテル内を円滑に誘導でき、目的部位に容易に展開しながら留置部位の微調整を行い、必要であれば抵抗なくマイクロカテーテル内に回収して再度誘導を行うことができる、全長に渡り血管壁に良好に密着するステントデザインの開発である。取り分け屈曲蛇行した血管内でも、均一に展開して血管壁に密着する構造を解析である。各メーカーが試行錯誤しても容易に製造できない電気式離脱機構の諸問題が、実験を進めるなかで明らかになってきた。製品として十分な確実性・信頼性を得るために、予想以上に検証・解析に時間がかかっていることが遅れている理由である。24年度が最終年度であるため、記入しない。計画より遅れているものの、着実に成果は得られており、計画変更の必要は無いと考える。これまでの実験結果を基に、新たな視点からの開発も視野に入れて研究を進めていく予定である。
電子型強誘電ドメイン構造の光・テラヘルツ強電場駆動

1.対物レンズなどの光学素子の導入により顕微テラヘルツ波発生測定系の開発を行い、高精度で安定な測定を可能にした。また、高い空間分解能(回折限界、1 μm)を実現するために、測定系の顕微クライオスタットへの適用を進めた。2.擬一次元有機伝導体(TMTTF)2X(X = AsF6、ReO4など)について顕微テラヘルツ波発生測定を行い、電子型強誘電ドメインの空間構造とその形成ダイナミクスを探索した。その結果、以下のことが明らかとなった。a)ドメインは100 μm程度の特徴的な大きさを持つ。b)正負の分極ドメインの境界の方向は大多数が結晶a軸に沿っている。この形状が生じた理由は、強誘電分極(電荷秩序)による静電的不安定性が最小となるようにドメインが成長したためと考えられる。c)光照射により、照射スポットの数倍以上にわたってドメイン構造が変化する。その機構は現時点で定かではないが、ドミノ倒しにも例えられる光誘起相転移の協力性を反映した可能性がある。d)アニオン秩序転移温度の付近で、ドメイン構造は著しい温度履歴を示す。これは電荷秩序とアニオン秩序の間に働く強い電子格子相互作用を反映すると考えられる。3.光励起-テラヘルツ波発生プローブ測定を行い、電子型強誘電性における超高速ダイナミクスを探索した。その結果、α-(ET)2I3など他の電子型強誘電体と同様に、光励起によって電荷秩序は瞬時(サブピコ秒)に融解することが解った。また、テラヘルツ波の過渡応答はドメイン構造に強く依存することが解った。4.非線形光学結晶などを導入し、傾斜パルス法による高強度テラヘルツ波光源の開発を行った。数百kV/cm程度の強電場の発生に成功し、顕微測定系への適用を進めた。5.電子型強誘電体α-(ET)2I3の合成を行った。成長条件の最適化が進み、高品質結晶を得る見込みを得た。1.一般に非常に弱い非線形光学過程を、顕微配置で、かつ、高感度な検出器が無いといってよいテラヘルツ帯で検出するのは簡単ではなく、測定例もほとんど無い。そのような中本研究では、電子型強誘電体を用いた高効率テラヘルツ波発生法(Appl. Phys. Lett. 104, 173302)を顕微測定に応用することで、ドメイン可視化を成し遂げることができた。電子型強誘電体には、漏れ電流があるため電気的測定が難しいという問題があったが、非接触な手法が開発されたことで研究が大きな進展すると期待できる。2.本研究で開発した顕微テラヘルツ波測定系を駆使することで、最も典型的な電子型強誘電体(TMTTF)2Xにおけるドメインの大きさ及び形状が初めて明らかとなった。さらに、ドメインは光照射やアニオン秩序によって変化することも明らかとなった。ドメイン形状の支配要因や変化の機構は現時点で定かではないが、今後照射強度や温度依存性を詳細に評価することで明らかになると期待される。3.時間分解測定により明らかとなった劇的(電荷秩序の融解)かつ超高速(サブピコ秒)な光励起ダイナミクスは、まさに強相関電子系に特徴的な応答といえ、電子型強誘電体の特性が見出されたといえる。さらに上述の顕微測定と組み合わせることで、時空間ダイナミクスの探索へと展開できる。4.これまでは光による物性制御として、秩序を壊す変化が多く報告されてきた。しかし高強度テラヘルツ電場を試料に印加することで、強誘電分極の強制的な整列あるいはドメイン駆動が行える、すなわち光による秩序構築が可能になると期待できる。5.電子型強誘電体α-(ET)2I3の特性は結晶品質に極めて敏感である。高品質化が進んだことで、強相関電子の集団的性質がより露になると期待できる。A.顕微テラヘルツ波発生測定系の最適化・高性能化を進める。顕微測定用クライオスタットおよび反射型対物レンズの導入により、回折限界(1 μm)の分解能を持つ反射配置測定系を整備し、光第二高調波発生による相補的な測定に対応させる。また偏光依存性測定に対応させ、試料の異方性とドメインの関連を明らかにする。B.前年度、ドメイン形成過程において、アニオン秩序には残留応力などの外因的要素(所謂「試料の癖」)を取り除く作用があることが解った。そこで、電子型強誘電体(TMTTF)2X(X = ReO4, BF4)におけるアニオン秩序転移温度の近傍において、ドメイン空間構造の変化を調べ、電子相関によって進行するドメイン核成長の詳細を明らかにする。アニオンX(化学圧力)を系統的に変えた試料で測定を行い、次元性との関連を探る。C.光照射実験を継続して進める。また、顕微測定と組み合わせることでドメインの時空間ダイナミクスを探索する。D.高強度テラヘルツ光源の開発を進め、さらなる高強度化を図る。顕微測定系に組込み、ドメインのテラヘルツ強電場下ダイナミクスを明らかにする。近赤外光(電荷秩序の融解)と高強度テラヘルツ光(分極整列)を同時に用いるハイブリッド印加に挑戦し、超高速分極スイッチングの可能性を探る。E.電子型強誘電体α-(ET)2I3の成長条件の最適化に引き続き取り組む。

高品質かつ大面積な結晶を用いて、ミリメートルスケールのドメイン構造を探索する。1.対物レンズなどの光学素子の導入により顕微テラヘルツ波発生測定系の開発を行い、高精度で安定な測定を可能にした。また、高い空間分解能(回折限界、1 μm)を実現するために、測定系の顕微クライオスタットへの適用を進めた。2.擬一次元有機伝導体(TMTTF)2X(X = AsF6、ReO4など)について顕微テラヘルツ波発生測定を行い、電子型強誘電ドメインの空間構造とその形成ダイナミクスを探索した。その結果、以下のことが明らかとなった。a)ドメインは100 μm程度の特徴的な大きさを持つ。b)正負の分極ドメインの境界の方向は大多数が結晶a軸に沿っている。この形状が生じた理由は、強誘電分極(電荷秩序)による静電的不安定性が最小となるようにドメインが成長したためと考えられる。c)光照射により、照射スポットの数倍以上にわたってドメイン構造が変化する。その機構は現時点で定かではないが、ドミノ倒しにも例えられる光誘起相転移の協力性を反映した可能性がある。d)アニオン秩序転移温度の付近で、ドメイン構造は著しい温度履歴を示す。これは電荷秩序とアニオン秩序の間に働く強い電子格子相互作用を反映すると考えられる。3.光励起-テラヘルツ波発生プローブ測定を行い、電子型強誘電性における超高速ダイナミクスを探索した。その結果、α-(ET)2I3など他の電子型強誘電体と同様に、光励起によって電荷秩序は瞬時(サブピコ秒)に融解することが解った。また、テラヘルツ波の過渡応答はドメイン構造に強く依存することが解った。4.非線形光学結晶などを導入し、傾斜パルス法による高強度テラヘルツ波光源の開発を行った。数百kV/cm程度の強電場の発生に成功し、顕微測定系への適用を進めた。5.電子型強誘電体α-(ET)2I3の合成を行った。成長条件の最適化が進み、高品質結晶を得る見込みを得た。1.一般に非常に弱い非線形光学過程を、顕微配置で、かつ、高感度な検出器が無いといってよいテラヘルツ帯で検出するのは簡単ではなく、測定例もほとんど無い。そのような中本研究では、電子型強誘電体を用いた高効率テラヘルツ波発生法(Appl. Phys. Lett. 104, 173302)を顕微測定に応用することで、ドメイン可視化を成し遂げることができた。電子型強誘電体には、漏れ電流があるため電気的測定が難しいという問題があったが、非接触な手法が開発されたことで研究が大きな進展すると期待できる。2.本研究で開発した顕微テラヘルツ波測定系を駆使することで、最も典型的な電子型強誘電体(TMTTF)2Xにおけるドメインの大きさ及び形状が初めて明らかとなった。さらに、ドメインは光照射やアニオン秩序によって変化することも明らかとなった。ドメイン形状の支配要因や変化の機構は現時点で定かではないが、今後照射強度や温度依存性を詳細に評価することで明らかになると期待される。3.時間分解測定により明らかとなった劇的(電荷秩序の融解)かつ超高速(サブピコ秒)な光励起ダイナミクスは、まさに強相関電子系に特徴的な応答といえ、電子型強誘電体の特性が見出されたといえる。さらに上述の顕微測定と組み合わせることで、時空間ダイナミクスの探索へと展開できる。4.これまでは光による物性制御として、秩序を壊す変化が多く報告されてきた。しかし高強度テラヘルツ電場を試料に印加することで、強誘電分極の強制的な整列あるいはドメイン駆動が行える、すなわち光による秩序構築が可能になると期待できる。