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加齢性筋萎縮におけるアクアポリン４の関与の検討

我々は、2017年度に骨格筋における水分代謝の主要な制御因子の一つである水チャネル“アクアポリン4(AQP4)"が筋萎縮によってその発現量が低下することを明らかにした。さらに、その発現量の低下が運動ニューロンによる筋線維の支配と密接に関係している可能性を示唆する知見を得た。加齢性筋萎縮が発症する際、運動ニューロンの退行や消失を伴うことから、加齢性筋萎縮によるAQP4の発現様式や機能性の変化を明らかにする上で、運動ニューロンによる筋線維支配とAQP4の発現制御との関係を明らかにする事は、重要事項のひとつである。そこで、本年度の研究は、運動ニューロンによる筋線維支配がAQP4の発現様式に及ぼす影響を明らかにすることを目的に実施した。実験動物にFischer 344系ラットを用い、被験筋を前脛骨筋とした。冷却したステンレス棒を坐骨神経に押し当て凍結させることで、一過性の脱神経と再神経支配を誘発した。神経凍結後1、4週間目に被験筋を摘出し、AQP4や関連タンパク質の発現量の変化をウエスタンブロット法により明らかにした。その結果、神経凍結1週間後の脱神経期には、AQP4の発現量が有意に低下した。しかし、再神経支配期となる神経凍結4週間後には、AQP4の発現量の回復が認められた。一方、AQP4の結合因子であるα1-syntrophinの発現量は、脱神経期および再神経支配期ともに有意な変化は認められなかった。以上のことから本研究により、脱神経期に減少したAQP4の発現量が、再神経支配期には回復することが明らかとなったことから、AQP4の発現制御には運動ニューロン支配が関与していることが明らかとなった。一方で、AQP4の結合因子であるα1-syntrophinの発現制御は、AQP4とは異なり運動ニューロンによる筋線維支配とは独立している可能性が示唆された。本年度は、加齢性筋萎縮におけるAQP4の発現特性の変化を解明するにあたり、昨年度の研究成果からの発展的研究として、運動ニューロンによる神経支配がAQP4の発現制御に及ぼす影響を明らかにすることを目的に研究を実施してきた。実験動物にFischer 344系ラットの下肢に対し、冷却したステンレス棒を坐骨神経に押し当て凍結させることで、一過性の脱神経と再神経支配を誘発した。その結果、神経凍結1週間後の脱神経期には、AQP4の発現量が有意に低下したのに対し、再神経支配期となる神経凍結4週間後には、AQP4の発現量の回復が認められた。したがって、骨格筋におけるAQP4の発現制御は、運動ニューロンによる神経支配の状態に依存している可能性が示唆された。加齢に伴い筋萎縮とともに運動ニューロンの退行や喪失が生じることから、これらの知見は、加齢性筋萎縮がAQP4の発現特性に及ぼす影響を明らかにする上で、従来の筋原性変化に加え神経因性変化という新たな視点をもたらす重要な知見であると考えられる。またこれらの研究成果の一部は国際雑誌および国内学会で発表することができ、十分な研究成果が得られた。今年度の研究により、骨格筋におけるAQP4の発現制御が運動ニューロンによる神経支配状態に依存している可能性が示された。一方で、骨格筋の萎縮状態とAQP4の発現特性の変化に関しては、不明瞭な点が多く残されている。骨格筋において加齢によって生じる主要な特徴の一つが筋萎縮であることから、骨格筋の萎縮状態がAQP4の発現特性に及ぼす影響を明らかにする事は、非常に重要であると考えられる。そこで、今後は、筋萎縮の進行状態とAQP4の発現特性の変化との関係性を検討していく予定である。骨格筋の水分子は、1)筋細胞内の環境維持、2)筋線維の形態維持、3)加水分解酵素であるATPaseとともにATPを分解し筋収縮に必要なエネルギーをつくりだすなど、筋活動を維持する上で必要不可欠となる。さらに、細胞内の水分低下は、タンパク質合成能にも影響を及ぼす。骨格筋における水分子の主要な移動経路には、水チャネル“アクアポリン4(AQP4)"が働いている。高齢期骨格筋では水分含有量が低下すると同時に、速筋での著しい筋萎縮が生じ、転倒や移動能力の低下を誘発する。速筋は遅筋に比べAQP4分布量が多いことから、AQP4による水分子輸送能が速筋の選択的加齢性筋萎縮に関係する可能性が考えられる。しかし、現状では、筋萎縮におけるAQP4の生理学的役割に関する報告は少なく、加齢性筋萎縮におけるAQP4の役割を明らかにする上で、筋萎縮におけるAQP4の発現制御および機能特性における基礎知見を得ることが急務であった。そこで本年度の研究は、成熟期のラットを用いて筋萎縮におけるAQP4の発現制御および機能特性における基礎知見を得ることを目的に実施した。実験動物にはFischer344系雌ラットを用いた。被験筋は前脛骨筋とした。ラットの右脚下肢を支配する坐骨神経の切除により骨格筋の萎縮を誘発した。実験期間は術後4週間とした。標的タンパク質をウェスタンブロッティング法によって検出した。また、水分含有量及び水分活性もそれぞれ測定した。その結果、水分含有量と水分活性は除神経による筋萎縮の影響は観察されなかった。一方、AQP4の発現量は、除神経により萎縮した骨格筋で著しく低下した。したがって、除神経による筋萎縮がAQP4の発現抑制に関与する一方で、除神経によるAQP4発現量の低下は、相対的な水分含有量及び水分活性には影響を及ぼさないことが明らかとなった。

本年度は、加齢性筋萎縮におけるAQP4の関係性を解明するにあたり、未だに不明瞭な筋萎縮とAQP4の発現制御との関係性に関する基礎知見を得ることを目的に研究を実施してきた。実験動物にはFischer344系雌ラットを用い、右脚下肢を支配する坐骨神経の切除(除神経)により骨格筋の萎縮を誘発した。除神経4週間後にAQP4の発現量を検討した結果、AQP4の発現量が著しく低下していた。したがって、運動神経由来の筋萎縮においては、AQP4の発現が抑制される可能性が明らかとなった。またこれらの研究成果の一部は国際雑誌および国内学会で発表することができ、十分な研究成果が得られた。我々は、2017年度に骨格筋における水分代謝の主要な制御因子の一つである水チャネル“アクアポリン4(AQP4)"が筋萎縮によってその発現量が低下することを明らかにした。さらに、その発現量の低下が運動ニューロンによる筋線維の支配と密接に関係している可能性を示唆する知見を得た。加齢性筋萎縮が発症する際、運動ニューロンの退行や消失を伴うことから、加齢性筋萎縮によるAQP4の発現様式や機能性の変化を明らかにする上で、運動ニューロンによる筋線維支配とAQP4の発現制御との関係を明らかにする事は、重要事項のひとつである。そこで、本年度の研究は、運動ニューロンによる筋線維支配がAQP4の発現様式に及ぼす影響を明らかにすることを目的に実施した。実験動物にFischer 344系ラットを用い、被験筋を前脛骨筋とした。冷却したステンレス棒を坐骨神経に押し当て凍結させることで、一過性の脱神経と再神経支配を誘発した。神経凍結後1、4週間目に被験筋を摘出し、AQP4や関連タンパク質の発現量の変化をウエスタンブロット法により明らかにした。その結果、神経凍結1週間後の脱神経期には、AQP4の発現量が有意に低下した。しかし、再神経支配期となる神経凍結4週間後には、AQP4の発現量の回復が認められた。一方、AQP4の結合因子であるα1-syntrophinの発現量は、脱神経期および再神経支配期ともに有意な変化は認められなかった。以上のことから本研究により、脱神経期に減少したAQP4の発現量が、再神経支配期には回復することが明らかとなったことから、AQP4の発現制御には運動ニューロン支配が関与していることが明らかとなった。一方で、AQP4の結合因子であるα1-syntrophinの発現制御は、AQP4とは異なり運動ニューロンによる筋線維支配とは独立している可能性が示唆された。本年度は、加齢性筋萎縮におけるAQP4の発現特性の変化を解明するにあたり、昨年度の研究成果からの発展的研究として、運動ニューロンによる神経支配がAQP4の発現制御に及ぼす影響を明らかにすることを目的に研究を実施してきた。実験動物にFischer 344系ラットの下肢に対し、冷却したステンレス棒を坐骨神経に押し当て凍結させることで、一過性の脱神経と再神経支配を誘発した。その結果、神経凍結1週間後の脱神経期には、AQP4の発現量が有意に低下したのに対し、再神経支配期となる神経凍結4週間後には、AQP4の発現量の回復が認められた。したがって、骨格筋におけるAQP4の発現制御は、運動ニューロンによる神経支配の状態に依存している可能性が示唆された。
血管新生・糖尿病血管症罹患感受性を制御する選択的mRNAスプライシングの新機構

本研究の目的は、可溶型糖化蛋白受容体(receptor for AGE, RAGE)mRNAと可溶型VEGF受容体(Flt-1)mRNAを生成する選択的mRNAスプライシング/プロセシングの医学・生物学的意義を明らかにするとともに、その制御機構を解明して、血管新生や糖尿病血管合併症などの血管障害が関与する疾患のリスク予知・予防・治療法開発に向けた新規原理を打ち立てることである。平成1718年度の研究で以下の成果を得た。(i)可溶型RAGEmRNA選択的スプライシング(2)免疫組織化学法により、可溶型RAGEは血管、神経、膵β細胞、単球、胆管、顎下腺などを含む多くのヒト組織で発現していることを明らかにした。(3)ELISAを開発し、血液中の可溶型RAGE濃度と動脈硬化との関連を検討したところ、血中可溶型RAGE濃度は動脈硬化の進行と逆相関を示した。(4)ヒトRAGEミニ遺伝子とヒト由来HEK293T細胞を用いたRAGEmRNA選択的スプライシング解析系を確立し、各種ミニ遺伝子変異体を用いた解析により、可溶型RAGEmRNA産生を制御する配列を同定した。(ii)VEGF受容体(Flt-1)mRNAの選択的3'端プロセシング(1)ヒト血管内皮細胞で産生されるFlt-1mRNAの3'端プロセシング/ポリA付加部位を3'-RACE法により決定した。(2)ヒトFlt-1のミニ遺伝子とヒト初代培養血管内皮細胞を用いたFlt-1mRNA選択的3'端プロセシング解析系を確立し、site-directed mutagenesisにより可溶型Flt-1mRNAの産生に必須な配列とそこに作用すると考えられる因子を同定した。本研究の目的は、我々が最近見出した、血管新生や糖尿病血管症罹患感受性を制御する選択的mRNAスプライシングの機構を解明するとともに、がん・糖尿病血管合併症などの成人病の発症・進展に密接に関わる血管異常のリスク予知・予防・治療法開発への新しい原理を明らかにすることである。具体的には、(i)糖尿病合併症において血管保護作用を持つ内在性可溶型糖化蛋白受容体(endogenous secretory RAGE, esRAGE)mRNAの産生と(ii)新しいタイプの血管新生制御遺伝子pIClnによる可溶型VEGF受容体mRNAの産生の分子機構を解明する。平成17年度の研究で以下の成果を得た。(i)esRAGE mRNA産生は、イントロン9内の別の5'スプライスサイトの選択による。そこで、RAGE遺伝子領域(第8イントロン11エクソンにわたる領域を発現ベクターに挿入し、選択的スプライシングを解析するRAGEミニ遺伝子を構築した。このミニ遺伝子は、RAGE配列が5'上流のGFP遺伝子とin frameで連結して発現されるように構築してあり、選択的スプライシングがmRNAレベルだけでなく、蛋白質レベルでも検出できるように工夫した。(ii)上記RAGEミニ遺伝子の各種欠失変異体、点突然変異体を作製してヒト由来HEK293T細胞に導入し、スプライシングを解析した結果、esRAGE mRNA産生に関わるエレメントはイントロン9配列中に存在することが示唆された。(2)pIClnによるVEGF受容体mRNAの選択的スプライシング(i)pIClnによるmRNA選択的スプライシング解析のため、pIClnに対するRNAiシステムを確立した。(ii)pIClnによるmRNA選択的スプライシング解析のため、pICln過剰発現細胞を作製した。(iii)可溶性VEGF受容体mRNA産生は膜結合型VEGF受容体遺伝子のイントロンに存在する別のポリAシグナルの選択的使用による。

そこで、ポリAシグナルの選択的使用に関わると考えられるVEGF受容体(Flt-1)遺伝子領域を発現ベクターに挿入し、Flt-1ミニ遺伝子の構築を行った。本研究の目的は、血管新生や糖尿病血管症罹患感受性を制御する選択的mRNAスプライシング/プロセシングの機構を解明するとともに、血管新生や血管障害が関与する疾患のリスク予知・予防・治療法開発への新しい原理を明らかにすることである。具体的には、(i)可溶型VEGF受容体mRNAの産生と(ii)糖尿病合併症において血管保護作用を持つ可溶型糖化蛋白受容体(可溶型RAGE) mRNAの産生の分子機構を解明する。平成18年度の研究で以下の成果を得た。(i)VEGF受容体mRNAの選択的3'端プロセシング(1)ヒト血管内皮細胞で産生されるVEGF受容体(Flt-1)の3'端プロセシング/ポリA付加部位を3'-RACE法により決定した。(2)ヒトVEGF受容体(Flt-1)の人工ミニ遺伝子とヒト初代培養血管内皮細胞を用いたFlt-1 mRNA選択的3'端プロセシング解析系を確立し、site-directed mutagenesisにより可溶型Flt-1 mRNAの産生に必須な配列を同定した。(3)RNA結合蛋白質データベースと内皮細胞での発現解析から上記配列に結合すると考えられる蛋白因子を同定し、発現ベクターを用いた過剰発現の影響を解析したところ、可溶型Flt-1 mRNAの産生が抑制されることが確認された。(1)RAGEミニ遺伝子の各種変異体を用いた17年度の解析から制御配列の存在が示唆されたイントロン9配列につきさらに詳細な検討を行ない、可溶型RAGE mRNA選択的スプライシングを制御する配列を同定した。(2)RNA結合蛋白質データベースから制御配列に結合すると考えられる因子を同定し、過剰発現およびRNAiによる発現抑制の影響を解析したところ、hnRNP-Hが可溶型RAGE mRNA産生に促進的に働いていることが示された。
クリニック通院中のメンタルヘルス不調者へのセルフマネジマントプログラムの開発

うつ病・不安障害などのメンタルヘルス不調者の症状コントロールのみならず,再発予防,生活の質を高める「セルフマネジメント支援プログラム」を開発するため,2015-2017年プログラムを作成し,22名に介入を実施した。本プログラムは,SATイメージ療法(宗像,2006.)を用いて肯定的な自己イメージの再構築を図ることで自己否定や無力といった認知を変容し,心理教育による学習とグループのエンパワメントによりセルフマネジメント力を高め,行動変容へと導くことを意図して構成した。その結果,抑うつと自己効力感の改善など一定の効果が認められたた。介入の評価から課題となった1肯定的な自己イメージのイメージ定着までのフォローアップ2中長期的な効果の確認3エビデンスに耐えうるデータの蓄積、のためにプログラムおよび介入方法を精錬・修正し,メンタルヘルス不調者のセルフマネジメント力を高めるプログラムを開発することを目的としている。平成26年から29年までの介入の結果、量的調査から抑うつ気分と自己効力認知、自己抑制型行動特性の改善が確認された。質的調査からは、ネガティブ感情が減少し、症状の緩和とセ不不マネジメント行動を生活に取り入れているなどの変化があった。今年度は、この結果とプログラムの評価から、プログラムの内容は変更することなく、新たなエビデンスに基づく内容への差し替えを中心にワークショップ用テキストを改定した。さらに、対象患者が多く受診するクリニックを研究協力施設として開拓した。倫理審査委員会の承認を受け、協力施設・共同研究者・研究協力者との打ち合わせを重ねて介入の準備を進めた。そのうえで、11月12月Aクリニックにて1回、3月Bクリニックにて1回、ワークショップを開催し、計10名の研究協力が得られた。現在は、1ヵ月後、3ヵ月後までの追跡調査の段階である。平成30年度の計画は、介入の準備を整えることであった。順調に計画を進めることが出来た。具体的には、これまで実施した「セルフマネジメント支援プログラム」の介入評価に基づきプログラムの精錬・修正を行い、テキストを改定した。倫理審査委員会の承認を受け、協力機関・研究協力者への協力依頼、打ち合わせを行い介入の準備を進めた。11月から3月に2箇所の研究協力クリニックにてそれぞ1回づつワークショップを開催することができた。今年度も、引き続きAクリニック、Bクリニックにおいてワークショップを開催し、データーを蓄積する。ただし、対象者が集まるためには、開催間隔を56ヶ月程度は空ける必要があるため、今年度45回程度の開催を目標とする。さらに、ここまでのデータを分析し、第1報として学会発表を行なう。当初予定していたビデオカメラ等の備品購入の必要がなくなったため、予算に余裕ができた。次年度、本格的な介入を進めていく中で、研究協力者への謝金、介入補助者への謝金などが当初の予算を上回る可能性があるため、有効に使用していく。
精巣の細胞マトリックスレセプターmRNAとタンパクの局在と動態

精巣よりtotal RNAを抽出、精巣における各種インテグリンサブユニットの発現をRT-PCR法にて検討した。この結果精巣にはα1、α3、α5、α6サブユニット、およびβ1、β3サブユニットが発現していた。β4サブユニットについては成体マウスでは発現していなかったが、8日令マウスでは発現しており、発生の特定の段階で役割を果たしていることが示唆される。一般にβ4サブユニットはα6β4という分子構成でヘミデスモソームに局在しており、細胞内のケラチンフィラメントがアンカーしている。この時期のSertoli細胞には電子顕微鏡でヘミデスモソーム様構造が観察された。またラットではケラチンは胎生期には存在するが、生後14日には消失することが知られており、β4インテグリンの消長との関連を現在検討している。なお67kDラミニンレセプター遺伝子もよく発現していた。一方ケミコン社より、インテグリンα1、α2、サブユニットおよびα6β1ヘテロダイマーに対する抗体を購入、同社のインストラクションに従い、アセトン固定したラット精巣を用いて蛍光抗体法を行った。この結果α1サブユニットは精粗細胞と精母細胞の一部で発現しているらしい。α3サブユニットは間質、筋様細胞で発現していた。α5サブユニットは間質と一部の精子系の細胞に発現していた。α6β1インテグリンは間質の細胞に発現していた。しかし同社の抗体は固定法により示される局在が異なる傾向があったため、現在、RT-PCR法で得られた各種シンテグリンサブユニットcDNAをpBluesript IIにクローニング、さらにpETファージに組み込んで大腸菌にreconbinantタンパクとして合成させ、これを回収、ウサギに免疫して抗体を作成中である。
化学プローブのデザイン・合成による動物個体イメージング

本研究では機能性小分子プローブをデザイン・合成し、生きた状態での生体内分子が有する生理機能の直接観測を行う。この目的のため、in vivo(動物個体)における可視化解析のための化学原理を精査し、生命科学研究に応用可能なスペックにみあう分子プローブ開発を行う。この結果、生物個体内の分子動態解析への応用や蛋白質の生体内ラベル化法が可能となり、化学を用いた新時代の生命科学研究を展開してきた。この目的のため、in vivo(動物個体)における可視化解析のための化学原理を精査し、生命科学研究に応用可能なスペックにみあう分子プローブ開発を次の二項目に関して行う。(1)酵素活性をin vivoで検出する19F-MRIプローブの開発新規原理に基づく加水分解酵素の19F-MRIプローブの開発を行う。これまでに、in vitroや細胞レベルの実験において、酵素活性によって、設計したプローブのMRIシグナルが変化することを示した。本研究課題では、このプローブを用いて生物個体内における酵素活性の可視化を行う。さらに、応用展開として、レポーター酵素の活性を捉えるMRIプローブの開発を行い、個体内の遺伝子発現を検出する。特定の蛋白質を生きた状態で特異的に修飾する技術を開発する。プローブ分子のデザイン・合成より開始し、試験管レベルでのラベル化実験の後、in vivoでのラベル化技術の開発を行う。また、蛋白質のラベル化に伴い蛍光強度が変化するスイッチ機能をもつ新しい原理を開発し、その原理に基づいた分子設計・合成を行い、生物応用へ展開する。蛋白質の細胞内での可視化は、蛋白質の機能を解明する強力な手法であり、現在大きな注目を集めている。一方、蛋白質を蛍光小分子化合物でラベル化・可視化する既存の手法は細胞洗浄プロセスが煩雑である点や、特異性が低いなどの問題点があるため、新しい蛋白質ラベル化法が必要とされている。これまでに、β-lactamase変異体をタグ蛋白質として、発蛍光型プローブCCDにより標的蛋白質を蛍光標識する手法を開発してきた。CCDはβ-ラクタム系抗生物質に蛍光物質(クマリン誘導体)とそのクエンチャーをつないだ構造を有しており、β-lactamase変異体と結合し、蛍光強度が上昇するように設計されている。本研究では、この手法を生細胞に応用し、細胞内の標的蛋白質の可視化を行った。まず、β-lactamase変異体とCCDの反応の特異性を調べるために、細胞溶解液中でラベル化反応を行った。その結果、夾雑蛋白質存在下においてβ-lactamase変異体のみと反応することが明らかとなり、その反応は極めて特異的であることが示された。次に、標的蛋白質を上皮成長因子受容体EGFRとし、タグ蛋白質であるβ-lactamseをEGFRの細胞外ドメインに融合した蛋白質の遺伝子を設計した。この遺伝子を培養細胞において発現させ、CCDを添加すると、遺伝子発現が観測される細胞のみから蛍光が観測された。以上の結果から、本手法を用いることにより、生きたままの細胞で目的とする蛋白質を蛍光により可視化できることが明らかとなった。このことから、本手法は、生物研究において、蛋白質を可視化するための有用なツールとなることが期待される。ポストゲノム時代において、生体内で作用する分子の機能を、生きているその場で解明することが重要な研究課題として挙げられている。特に、蛋白質標識技術は、蛋白質の局在や機能を生細胞上で明らかにする強力な研究アプローチである。そこで、本研究では、蛋白質を可視化するために、蛋白質標識技術の開発に取り組んだ。・これまでに、蛋白質を標識することを目的として、βラクタマーゼ変異体(BLタグ)をタグ蛋白質として、βラクタム環構造をもつ化合物をプローブとして利用した方法を開発してきた。本年度の研究では、蛍光色素の会合を利用してBLタグに結合すると蛍光強度の上昇するプローブの開発を行なった。まず、プローブにBLタグの基質としてセファロスポリンを組み込み、蛍光色素とその蛍光色素と会合し消光させる効果を持つジニトロベンゼンをつないだ。この結果、プローブとタグが結合したとき、ジニトロベンゼン部位が解離し、それに伴い蛍光強度が上昇すると考えられた。実際に、ラベル化実験を行いゲル電気泳動実験を行なったところ、設計したプローブのBLタグに対する結合が確認され、蛍光スペクドルより、ラベル化に伴い蛍光強度の上昇が確認された。培養細胞上に、EGFRを融合させたBLタグを発現させ、ラベル化実験を行なったところ、特異的に発現細胞を蛍光イメージングすることに成功した。以上の結果は、本技術が細胞に発現させた蛋白質の局在を解析する強力なツールになることを示している。蛋白質の蛍光標識・イメージング技術は、蛋白質の細胞内局在や動態を生きたまま可視化する有用な方法である。

報告者は、これまでにβ-lactamase変異体(BLタグ)をタグ蛋白質として、蛍光プローブにより蛋白質をラベル化する技術を開発してきた。前年度までの研究において、BLタグと結合することで、蛍光強度が増大するプローブの開発に成功している。このプローブは、蛍光消光作用のある分子を蛍光プローブに組み込んであり、遊離状態では非蛍光性であり、BLタグとの結合により、消光分子が解離することで蛍光強度が上昇する。一方、その消光分子の解離速度が遅いために、標識に伴う蛍光強度の増大を迅速に検出することができない問題がある。本研究では、蛍光検出時間の短縮を目指して消光分子が迅速に脱離するプローブ分子の改良を行った。まず、消光分子の脱離速度を向上させるために、脱離基のpKaが低い分子構造としてアゾピリジンを消光分子として採用した。この消光分子にBLタグリガンドであるセファロスポリン誘導体をつなぎ、蛍光色素であるフルオレセインを組み込んだプローブFCAPO2を設計・開発した。FCAPO2と肌タグを反応させたところ、極めて短時間(数分以内)で蛍光強度の上昇が確認された。更に、BLタグ融合蛋白質を細胞膜上に発現させ、FCAPO2を添加すると15分程度でラベル化反応が完了することが分かった。以上の結果から、細胞膜上の蛋白質を極めて迅速にイメージングする技術の開発に成功した。MRIは蛍光やPETなどのイメージング法と比較して感度が低い点が問題である。この問題をプローブデザインによって解決する為には、プローブ内の^<19>F数を増加させることが一番の近道である。しかし、単純に^<19>F数を増加させると、^<19>Fの疎水性のため血清蛋白質や脂質分子と相互作用しやすくなり、^<19>Fの分子運動が抑制される。この分子運動抑制の結果、T_2が短縮され^<19>F MRI信号は低下し感度はかせげない。高感度を保つためには、^<19>Fの運動性を確保しつつ、数多くの磁性的に単一の^<19>Fを増やす分子設計が必要不可欠である。高感度かつ多様な機能化が可能な^<19>F MRI造影剤の開発するために、コア-シェル型のパーフルオロクラウンエーテル(PFCE)内包シリカナノ粒子を新たに考案した。コアとなるPFCEはPFCの一種で、化学シフトが等価なフッ素を20個有している。また、シェルを構成しているシリカ(SiO_2)は生体適合性が高く、有機溶媒・水溶液中・高温下でも高い分散性を示す。このためPFCE内包シリカナノ粒子は高感度なPFC内包ミセルの問題点を克服した^<19>F MRI造影剤であると考えた。PFCE内包シリカナノ粒子は、PFCE内包ミセルを鋳型として表面でシリカ重合を行うことで合成した。作製したPFCE内包シリカナノ粒子を電子顕微鏡によって観察した結果、直径が約50nmのコア-シェル型ナノ粒子が生成していることが確認された。続いて、担癌マウスに尾静脈から投与し、^1H/^<19>FMRI撮像を行った。^<19>FMRI測定の結果、癌組織から非常に強い^<19>F MRI信号が観測された。
気体力学に現れる非線形偏微分方程式の数学解析と非線形波の安定性

気体力学に現れる非線形偏微分方程式に対する安定性解析を研究目標とし,具体的な方程式として非線形緩和的双曲型系,もしくはそれと同等の非線形移流項付き消散型波動方程式に対する研究を行ってきた。特に今年度は,より物理背景に根差した仮定の下での解析に着目し,研究を遂行してきた。その結果として,方程式を構成する非線形項の条件の一般化に成功した。これまでの既存の結果では非線形項に凸性を仮定した場合の安定性を議論したものが多く,凸性の仮定がどの程度本質的かは未解決であった。しかし,2007年に大阪大学の橋本氏・松村氏により,凸性を仮定しない非線形項を持つ粘性保存則に対する安定性解析が展開された。その結果は,非線形波への漸近安定性は示されているものの,対応する時間減衰評価は得られていない。そこで,第一の研究内容として,橋本氏・松村氏の結果に精密な時間減衰評価を与えた。その手法は,自身のこれまでの研究で培った重み付きエネルギー法によるものである。さらに,第二の研究内容として,放物型方程式である粘性保存則と比べると格段に解析困難である,双曲型方程式に分類される非線形移流項付き消散型波動方程式に対しても漸近安定性を議論した。その研究では,非線形項の一般化だけでなくsub-characteristic条件と呼ばれる安定性を議論する上で必要不可欠な条件の緩和にも挑戦し,現在研究を進行中で期待される結果が得られつつある。気体力学に現れる非線形偏微分方程式に対し,解析を行う事を目的に研究を進めており,具体的には非線形緩和的双曲型系,またはそれと同等な非線形移流項付き消散型波動方程式に現れる非線形波の安定性解析を主に行った。その結果として第一に,既に研究者自身の結果で得られている,空間1次元半空間における定常波の安定性解析め空間多次元への拡張が挙げられる。この結果は,空間一次元の解析の際に得られた,初期値の制限に比例して時間減衰率が定まるという結果を踏まえているのは勿論,空間次数と時間減衰率の関係が得られている点に最大の特色がある。この特徴は,熱方程式に代表される放物型方程式に現れるもので,研究者自身が扱っている純粋な双曲型の方程式に消散項が加えられた方程式の構造を知る上での大変価値のある結果といえる。また更に,上記の研究内容に対しFourier変換を用いた新たな手法を使う事で,初期値に仮定を加えると時間減衰率が改善されるという異なった視点からの結果を得る事にも成功した。この手法は一般性を持っているので他の方程式にも有用と考えられ,この手法を用いた研究の更なる発展が期待できる。他に,粘性衝撃波の安定性についても研究を進めており,その漸近安定性と定量的時間減衰率についての結果を得た。この結果は,放物型の方程式である粘性保存則方程式で既に得られている結果と同様のものとなっており,この結果からも非線形緩和的双曲型系に含まれる緩和項が及ぼす効果が十分に伺われる。
摩擦の物理

1、弾性体の前駆滑りの解析的研究を実施した。2、砂の摩擦の振る舞い,特に水分含有量依存性を明らかにした。3、計算機実験によりナノスケール接合の剪断破壊の機構を明らかしつつある。4、階層性を取り込み、原子分子スケールからメゾスケール、マクロスケールに至る摩擦の法則を理論的に解明しつつある。5,地震ではある種の臨界現象が見られるが、地震のモデルにもとづきその普遍性クラスを明らかにすることを試みた。2,一つの真実接触点の摩擦と滑りの機構を、真実接触点の原子モデルの分子動力学法計算により調べ、界面の構造が整合・不整合・ランダムに関わらず、摩擦力に逆らい外力がした仕事は表面エネルギーの増加分に対応すること、従って"真実接触面積"に比例することを示した。3,マクロ摩擦の有効モデルを構築し、摩擦が荷重に比例するというアモントンの法則が限られた荷重領域では成立するが、より広い荷重領域では荷重とともに減少することを示した。これは1の結果と矛盾しない。4,塑性変形や凝着、真実接触点間の変形の相関なども取り入れ、限られた荷重領域では一般的にアモントン則が成り立つ事を解析的に示した。これも1,3の結果と矛盾しない。5,粉体の摩擦実験および離散要素法を用いた数値実験により、スリップサイズの頻度分布が冪乗則に従うこと、その冪の値は、駆動速度、荷重、次元生などに依ることを示した。6,バイオリンの弦と弓の間の摩擦による弦の運動と発生音を実機の実験によって求めたパラメーターを用いた数値実験により調べ、いわゆる良い音が鳴る条件を明らかにした。本研究の研究目的の概要はいかの通りである。摩擦は最も身近な物理現象の1つであり実用上も極めて重要であるため古くから調べられてきたが,多くの基本的な問題が未解決である。本研究は,解析計算,数値シミュレーション,実験を合わせて行い,現代物質科学・技術の成果をもとに新しい視点から,様々な分野における多様な系・スケールの摩擦機構の研究を有機的に繋げる。そして,原子・分子スケールからマクロスケールにわたる現象の階層性を正しく取り込み,様々な系における摩擦の普遍性と多様性の機構を明かにし,摩擦の基礎的・統一的描像を確立することを目標とする。さらに,その成果を工学上の問題に展開する。この目的に即して研究実績の概要を以下に記す。1)ナノメートルスケールの単一真実接触点の振る舞い、およびそこでの摩擦の法則を数値実験により明らかにすることに成功した。2)上記の単一真実接触点の摩擦の法則は巨視的スケールで成り立つ摩擦法則とは異なる。メゾスケールの多くの真実接触点からなる系の摩擦法則を、極めて一般的に導出し、それがよく知られた巨視的な系の摩擦法則であるアモントンークーロンの法則と一致することを示した。3)しかし、巨視的な系では必然的に生じる圧力などの空間的不均一性などから、アモントンークーロンの法則は破れる場合があることを先に示していた。これらの研究により原子分子スケールからメゾスケール、さらには巨視的スケールの摩擦の研究をつなげ、摩擦の法則はスケールに依存することを明らかにした。研究実績の概要に記したように研究目的はおおむね達成されつつある。しかし、より詳細な研究が必要な部分もあり、また、介在物のある摩擦、地震の研究などは現在進行中である。1、弾性体の前駆滑りの解析的研究を実施しその特異な振る舞いを明らかにした。特に局所的には最大静摩擦力が無い系においても、巨視的には静摩擦力が自発的に生じることを明らかにした。2、砂の摩擦,特に水分含有量依存性を実験補助員として科研費で雇用している実験補助員とともにその一部を明らかにした。一様に水分を含んだ砂と基盤間の摩擦は、乾燥した砂と基盤間の摩擦に比べ、減少する。しかし、最初に密に詰めた乾燥した砂に上から水分を補給した場合には、基盤との摩擦は乾燥した砂と変化が無かった。関連して水を含有した砂の密度は大きなヒステリシスを示すことを明らかにした。3、計算機実験によりナノスケール接合の剪断破壊の機構、特に摩擦力がした仕事と表面エネルギーの変化の結晶軸の相対角度依存性を明らかしつつある。6,アクリルガラスの表面粗さを紙やすりで磨くことにより制御した系において、摩擦力の表面粗さ依存性を明らかにした。表面粗さはレーザー顕微鏡を用いて平均二乗変位を測定し、それを用いた。その結果、表面が滑らかな領域では摩擦係数は表面粗さの増加とともに減少すること、表面が粗い場合は逆に増加することを明らかにした。さらに後者では摩耗の効果が大きいことも示した。交付申請書に記した本研究の目的は以下のとおりである。

1、解析計算,数値シミュレーション,実験を合わせて行い,現代物質科学・技術の成果をもとに新しい視点から,様々な分野における多様な系・スケールの摩擦機構の研究を有機的に繋げる。2,原子・分子スケールから地震にまでおよぶ摩擦現象の階層性を正しく取り込み,様々な系における摩擦の普遍性と多様性の機構を明かにし,摩擦の基礎的・統一的描像を確立することを目標とする。3,その成果を工学上の問題に展開する。1,2,うちの固体間の乾燥滑り摩擦に関しては極めて順調に進んでいる。原子スケールの単一接触点の摩擦のシミュレーションを行い、そのスケールでの摩擦則を明らかにした。また、メゾスケールでの多真実接触点の系では、単一接触点の分布のため、原子スケールとは異なる摩擦則、すなわち、摩擦が荷重に比例するというアモントンの法則がある荷重領域では極めて一般的に成り立つ事を解析的に示すことに成功した。この結果は我々が構築した摩擦のメゾスケールの有効モデルの数値計算の結果と一致する。さらにマクロなスケールでは、メゾスケールではアモントンの法則が成立しても、駆動力による底面での圧力分布の不均一性のため系全体の滑りの前に局所的前駆滑りが起こり、これにより摩擦係数が荷重の-1/3乗に比例して減少するという新たな摩擦則をこれまでに予言していたが、これを実験的に検証することが出来た。これらの研究により原子スケールから巨視的な系までの摩擦研究をつなぎ、統一的視点を与えることが出来た。今後、この成果をより多様な条件化での問題に広げるとともに、工学的問題に展開していきたい。原子分子スケールからメゾスケール、さらには巨視的スケールの摩擦の研究をつなげることをより詳細に行う。さらに介在物のある摩擦、地震の研究、固体内摩擦現象の研究を進める。物性物理学研究計画、課題について特に変更は無い。固体間の原子スケールの単一接触点の摩擦については、計算機実験により定量的な結果を得て実験との比較を行っていく。メゾスケール、巨視的スケールの摩擦現象に関しては、これまでの研究をより広い条件化で行い、実験と比較していく。また粉体の摩擦も実験、数値実験を進め、定量的比較を行う。さらに解析的理論との比較もおこなう。潤滑剤を含んだ系においても数値実験を進め、基礎的・統一的描像の構築を図る。今年度、アメリカで行われるGordon Research Conference on Tribologyに参加予定であること、研究実験補助員を雇用しての実験を計画していることなどのため予算を確保する必要があった。2014年度購入予定だった計算サーバが、研究計画のうち弾性体の計算を主に解析的な計算でおこなったこと、潤滑剤の計算にいたらなかったことから購入を遅らせることが可能となった。一方2015年度に国際会議を予定しており、このための海外研究者招聘旅費などののために申請した住友財団助成金が不採択となったことにより、招聘旅費を準備しておく必要が生じた。最近、上記国際会議を東京大学地震研共同利用研究会として開催できる事が決まったため、海外招聘旅費の多くは地震研より支出できることとなった。繰り越した予算は当初計画通り、計算サーバの購入に当てる計画である。
遷移金属触媒を用いないクロスカップリング反応におけるマイクロ波加熱連続フロー合成

本研究課題では、遷移金属触媒を用いないクロスカップリング反応において、マイクロ波加熱とフローケミストリーを組み合わせた効率的な連続合成手法開発を行う。触媒にマイクロ波を直接吸収させる現象(MADC)を実証することにより、通常の加熱に対して反応効率の向上を目指す。フロー系における通常の加熱では流路に同心円状に温度ムラが生じるが、マイクロ波加熱では一様な加熱が期待でき、大量合成への適用が容易である。本研究課題の最終的な目標は、有機太陽電池や有機トランジスタに用いるπ共役系有機材料の効率合成への適用を目指す。本研究によって、学術的に有意義な知見が得られるだけでなく、材料の生産性向上、コスト削減、低環境負荷および生産現場の安全性向上が期待される。今年度は、スチレン誘導体を用いたCアルキル化反応について検討した。アルキル置換複素環化合物、ケトン、イミン、ニトリルやアミドのカリウムエノレートタイプの前駆体は、スチレン誘導体とCアルキル化反応を起こすことが知られており、創薬での有用なプロセスであると期待されている。一方でこの反応については、反応機構については明らかではなかった。そこで、上記反応について実験及び理論計算的手法で詳細を検討し、反応速度、収率および選択性を支配する因子を検討した。さらにこの知見を活用しMADC適用可能性について検討を行った。その結果、特定の金属複合体の遷移状態の存在で反応速度と選択性を合理的に説明できることが明らかになった。反応モデルの探索を行ったが、マイクロ波加熱によるフロープロセスの適用には至っていない。適切な反応モデル系を見出し、マイクロ波加熱による条件検討を効率的に実施する。有望な系においてはフロー系によるMADCを実証する。
ネットワーク侵入検知のための高速ストリングマッチングハードウェアに関する研究

ネットワーク侵入検知のための、ウィルスパターンを実行時に設定可能なシストリックアルゴリズムに基づく正規表現マッチングハードウェアを提案した。また、正規表現マッチングと近似文字列照合を組み合わせた近似正規表現マッチングに対しても新しいマッチングハードウェアを提案した。これらの研究成果により、未知のネットワークウィルス等に対しても柔軟かつ迅速に対処可能なネットワーク侵入検知システムの構築が可能になった。ネットワーク侵入検知システム(Network Intrusion Detection System、NIDS)はネットワーク上で伝送されるウィルス等をリアルタイムに検出することでネットワークシステムのセキュリティの保持を実現するシステムである。NIDSではウィルス検出のためのストリングマッチングを高速に実行することが要求される。本研究では、ストリングマッチングアルゴリズムをハードウェアとして実現し、高速にストリングマッチングを実行することでウィルス等を検出するNIDS専用マッチングハードウェアを開発し、FPGA評価ボード上に実現して、評価を行った。本研究で提案した専用ハードウェアは正規表現のサブセットを検索パターンとし、検索パターンの更新に対して瞬時に対応可能という特徴がある。NIDSにおけるパターンは一般に数100種類と数が多く、頻繁に更新されるという特徴がある。さらに、更新にあたっては瞬時の対応が要求される。本研究ではネットワークのセキュリティを高度に保つことを目的として、パターンを回路に組み込む従来のパターン依存マッチングハードウェアと、我々が提案したパターンを実行時に設定可能なパターン非依存マッチングハードウェアを組み合わせた新しいNIDSのシステム構成を提案した。提案システムでは、既知のパターンに対してはコンパクトな回路構成で高速にストリングマッチングを実行できるパターン依存ハードウェアでストリングマッチングを行い、更新されたパターンに対してはパターン非依存ハードウェアでストリングマッチングを行う。そのため、提案システムは、パターンの更新に対して瞬時に対応可能でありながら、かつ、実現するためのハードウェアコストが低い、という特徴がある。我々は昨年度までの研究において、1文字の繰返しを指定する量指定子をパターンとして利用できる正規表現マッチングハードウェアを提案した。しかし、文字列のユニオンや文字の否定などの正規表現のサブクラスに対する量指定子のパターンに対するマッチングが必要になる場合もある。そこで、本年度は昨年度までの結果を拡張し、文字列のユニオンや文字の否定に対して量指定子が適用可能なハードウェアアルゴリズムを提案した。提案ハードウェアを用いることでパターンをコンパクトに表現することが可能になり、パターンの実現に必要な回路面積を大幅に削減できる。提案アルゴリズムを実際にFPGA上に実現し、回路規模が削減されることを確認した。我々は昨年度までの研究において、文字列の繰返しを指定する量指定子をパターンとして使用できるシストリックアルゴリズムに基づく正規表現マッチングハードウェアを提案した。本年度は昨年度までの研究成果を拡張し、シストリックアルゴリズムと非決定性有限オートマトンを組み合わせた新しいマッチングハードウェアを提案し、昨年度までのアルゴリズムよりさらに広い正規言語のサブクラスをパターンとして使用することを可能にした。また、正規表現マッチングと近似文字列照合を組み合わせた近似正規表現マッチングに対しても新しいマッチングハードウェアを提案し、実際にFPGA上に実現して評価した。これらの研究成果により、未知のネットワークウィルス等に対しても柔軟に、かつ迅速に対処可能なネットワーク侵入検知システムの構築が可能になった。
腰椎黄色靭帯における血管新生及び血管増生に関する研究

腰部黄色靭帯組織をHE染色やCD34染色などで観察したところ、靭帯の変性とともに血管の新生が確認された。靭帯の変性は、脊柱管面に近い部位ではそれ程強くない一方で、背側では強く、それらに伴って血管の新生状況にも差があることが明らかとなった。血管新生・増生に関与する因子であるHIFやSDF、更にVEGFの発現は少数で確認できたが、その発現は少なく、靭帯の変性の程度とは相関関係を見出せていない。我々は脊椎手術において、生体に対し低侵襲に行うべく各種機器を駆使し、様々な工夫を行っている。頚椎前方手術においては、金属をできる限り使用せず、また他部位からの移植骨採取に伴う合併症を軽減し、さらに広い視野で安全に手術を行うべく工夫を行い、良好な結果を得ている。腰椎後方除圧手術においても、脊柱後方支持組織をできる限り温存する方法を取り入れ、低侵襲に手術を行うべく努力を行っている。このような、腰椎への後方除圧手術によって腰椎黄色靭帯組織を摘出し、靭帯をホルマリンで固定後、切片を作成したが、十分量の検体を得ることができた。得られた黄色靭帯組織切片を、HE染色を行い観察し、靭帯の変性を確認、さらに、血管のマーカーであるCD34を用いて免疫染色を行い、新生された血管の分布を確認し、それらの相関について、観察し、解析した。明瞭に確認できた。血管新生・増生に関与する因子であるstromal cell-dedved factor-1(SDF-1)及びHypoxia inducible factors-1(HIF-1)、VEGFの蛋白の発現については少数で確認できたが、現在のところ、靭帯の変性の程度、及びそれら蛋白発現との相関関係を見出せていない。また臨床症状との関連についても、明らかな相関は認められず、今後の更なる検討が必要であると思われた。我々は脊椎脊髄手術において、生体に低侵襲に行うべく各種機器をもちいて、様々な工夫を行っている。頚椎前方手術では、金属をできる限り使用せず、また他部位からの移植骨採取に伴う合併症を軽減し、更に広い視野で固定範囲を減らし、安全に手術を行うべく工夫を行い、良好な結果を得ている。頚椎後方手術でも、脊柱後方支持組織をできる限り温存し、手術範囲を限局して行う方法を取り入れ、低侵襲に手術を行うべく工夫を行っている。このような、脊椎手術によって腰椎黄色靭帯組織を摘出し、病理切片を作成して各種検討を行った。血管新生・増生に関与する因子であるstromal cell-derived factor-1 (SDF-1)及びHypoxia inducible factors-1 (HIF-1)、VEGFの蛋白の発現は少数で確認できたが、その発現は少なく、黄色靭帯内に認められた血管すべてに発現しているものではなく、その発現に時間的な差異がある可能性が示唆された。またHIF-1とSDF-1については、その発現に明らかな相関を見出せずにいる。臨床症状や画像所見と、各種低酸素関連因子との関連について、明らかな相関は認められず、今後の更なる検討が必要であると思われた。頚椎前方手術においては、金属をできる限り使用せず、他部位からの移植骨採取に伴う合併症を軽減し、さらに広い視野で安全に手術を行うべく工夫を行い、その詳細な結果について解析を行い、良好な成績を報告した。また、多椎間手術による負担を軽減すべく工夫を行い、良好な成績を得ている。後方手術においても、筋損傷を低減し、術後の痛みや術後の神経症状を軽減すべく工夫を行い、その良好な成績を報告した。腰椎後方手術においても、脊柱後方支持組織をできる限り温存する方法を取り入れ、低侵襲に手術を行うべく努力を行っている。腰椎への後方除圧手術によって腰椎黄色靭帯組織を摘出し、靭帯をホルマリンで固定後、切片を作成したが、十分量の検体を得ることができた。血管新生・増生に関与する因子であるstromal cell-derived factor-1及びHypoxia inducible factors-1、VEGFの蛋白の発現については少数で確認できたが、その発現は少なく、靭帯の変性の程度、及びそれら蛋白発現との相関関係を見出せていない。
単一分子デバイスの導電挙動の解明を志向した新規π共役オリゴマーの開発

近年リソグラフィ技術の発達により半導体は格段に微小化したが、この技術を用いたさらなる微小化は技術的に困難と言われている。分子は物質の中で最も小さい物の一つであることから、それらを半導体として用いるという概念が「分子エレクトロニクス」である。この概念の実現のためには、最も単純な素子である「分子ワイヤ」の導電特性の評価が不可欠であった。チオフェン環を直線状に連結した「オリゴチオフェン」は、決まった長さを有することから、分子ワイヤの構造-物性-導電挙動評価に適した化合物である。しかし、長鎖オリゴチオフェンにおいては拡張したπ電子同士で相互作用が働くため、単一分子の評価が困難であった。この観点から、分子間相互作用を克服する分子ワイヤの開発を行った。完全被覆型オリゴチオフェン分子ワイヤ開発...分子間相互作用を克服するための置換基として、チオフェン環に垂直にフルオレン環を有するモノマーを用いて、チオフェン環同士を結合させるクロスカップリング反応を用いることにより、全てのチオフェン環上に被覆部を有し、両末端に電極と接合可能な硫黄官能基を有する被覆型オリゴチオフェンの合成を達成した。合成した化合物は期待通りの物性を有しており、共同研究によるチオフェン2量体、4量体、6量体におけるSTMを用いた単分子の評価からは、これらのオリゴマーは理論計算とよく一致した導電特性を示すことが明らかとなった。電子輸送型オリゴチオフェン分子ワイヤ開発...高い電子受容性を有することを報告しているジオキソジフルオロシクロペンタ[C]チオフェン誘導体を、上記同様にカップリング反応を用いることで、一般のオリゴチオフェンとは異なる導電挙動を示すと期待される、電子受容性オリゴチオフェン、被覆部位を導入した電子受容性オリゴチオフェンを合成した。各種測定から、これらの化合物は期待通りの物性を示すということが明らかとなった。単一分子ワイヤの導電特性の評価方法としては、ブレークジャンクション法、STM法による方法が試みられている。それらの方法から得られる統計データは量子的な挙動を示し、単一分子に由来するものであることが推定されている。しかし、それらのデータが電極自身や近傍の分子による影響の受けている可能性についてはいまだ議論されているところである。本研究ではナノギャップ電極と10nmという巨大な有機分子を用いることにより、STM等による可視化が可能、被覆した分子を用いることにより近傍の分子の影響が排除可能となる。この観点から、分子間相互作用を阻害する長鎖分子ワイヤの開発を行った。平行して、分子ダイオードへの応用に先立ち、合成が困難であるため新奇な物性を有することが期待される電子受容性の長鎖オリゴマーの開発、構造-物性相関の評価を行った。完全被覆型オリゴチオフェン分子ワイヤの開発...コンバージェント法を用いることで両末端にアセチレンおよび硫黄官能基を有する被覆型オリゴチオフェン6量体の合成を達成した。フッ化銀媒介パラジウム触媒C-H結合切断カップリング反応により、被覆型オリゴチオフェンの効率的なオリゴマー化に成功した。電子輸送型オリゴチオフェン分子ワイヤの開発...当研究室で高い電子受容性を有することを報告しているジオキソジフルオロシクロペンタ[C]チオフェン誘導体をビルディングブロックとして用いることで、15量体までの、電子受容性オリゴチオフェン、及び新規に被覆部位を導入した電子受容性オリゴチオフェンの合成法を確立した。CV測定、電子吸収スペクトル測定からこれらのオリゴチオフェンは予期したように電子受容性が向上し、被覆を施したものにおいては高い被覆効果を有することが明らかとなった。
圧縮・回復法を用いたしまりばめ仕口

木材の弾塑性的性質、形状記憶性を生かし、ほぞの圧縮セット、回復性を用いたしまりばめ仕口について検討した。圧縮セットほぞをほぞ穴に挿入し、熱、水分により圧縮セットを回復した直後の高含水率状態のしまりばめ仕口は、圧縮変形の回復力と細胞の膨潤力によって、非常に強固で高い引抜き強度3kNを示した。しかし、しまりばめ仕口が乾燥し気乾状態になると、回復力が消滅し、細胞が収縮し、完全なすきまばめ状態になり、試みは失敗となった。そこで、圧縮・回復法の利点を生かし、深さ方向に大きさが変化する形状制御型の変則しまりばめ仕口に研究対象を変更した。深さ方向に傾斜をもたせた蟻形ほぞと段差のあるT型ほぞのしまりばめ仕口を作成し、引抜き強度を調べた。ここでは、仕口接合時に圧縮セットを熱、水分による回復操作を施してから、完全に乾燥し、気乾状態にさせた。その結果、ほぞ深さ50mm、ほぞ短辺30mm、長辺80mm程度の寸法の変則しまりばめ仕口で、T型ほぞでは引抜き強度5kN、ほぞ深さ方向に傾斜角7°の蟻形ほぞで引抜き強度2kNの結果を得た。これらの引抜き強度値はある程度高いものと思われ、この変則しまりばめ方法の可能性が伺えた。木造建築の強度、耐震性、耐久性などに関わる木構造における接合部の強度強化を具現するしまりばめ仕口を考案した。金属金具や接着剤を使うことなく、弾性体である木材の性質を生かす。ほぞ穴よりサイズの大きいほぞをほぞ穴より小さいサイズに圧縮セットする。組立て(ほぞをほぞ穴に挿入)後に、ほぞの圧縮セットを元のサイズに回復させ、引抜き抵抗が高く、剛節度の高い仕口接合の開発を目指す。本年度は、しまりばめ仕口の基礎資料を得ることを目的に、圧縮セット条件としまりばめ仕口の引抜き強度の関係を調べた。100×100×600mmのベイマツ角材に、短辺(繊維垂直方向)30mm一定、長辺(繊維方向)95,90,85,80,75mmの長方形ほぞ穴を設定した。ほぞには、断面100×30mm、長さ100mmのヒノキ、ホワイトウッドの柾目板を用いた。ほぞは、100°Cの高圧水蒸気雰囲気下で10分間かけ軟化させ、油圧プレスにより、前述のほぞ穴に対応させ、各々半径方向(繊維垂直方向)を93,88,83,78,73mmに圧縮し、10分間脱気し圧縮セットさせた。ほぞ板の接線方向は30mmを維持するように拘束したが、レーザ変位計およびXYアクチュエータによる形状測定により、圧縮率が高くなると30mmを1,2mm超えてしまい、正確に設定した断面に圧縮セットができなった。次年度は、圧縮セットのための軟化、圧縮セットの最適条件を追求する。圧縮セットしたほぞをほぞ穴に挿入し、サーモトレーサにより温度をモニタリングしながら、熱湯に約2時間浸漬あるいはマイクロ波加熱により、圧縮セットを回復させた。引抜き強度の測定には、材料試験機を用い、変位・荷重を測定した。圧縮率の増大に従い、引抜き荷重は200kgfから350kgfまで増大し、圧縮率が30%以上になると飽和した。熟練者による加工、プレカット加工による仕口より引抜き強度はかなり高められた。

しかし、しまりばめ仕口が乾燥し気乾状態になると、回復力が消滅し、細胞が収縮し、完全なすきまばめ状態になり、試みは失敗となった。そこで、圧縮・回復法の利点を生かし、深さ方向に大きさが変化する形状制御型の変則しまりばめ仕口に研究対象を変更した。深さ方向に傾斜をもたせた蟻形ほぞと段差のあるT型ほぞのしまりばめ仕口を作成し、引抜き強度を調べた。ここでは、仕口接合時に圧縮セットを熱、水分による回復操作を施してから、完全に乾燥し、気乾状態にさせた。その結果、ほぞ深さ50mm、ほぞ短辺30mm、長辺80mm程度の寸法の変則しまりばめ仕口で、T型ほぞでは引抜き強度5kN、ほぞ深さ方向に傾斜角7°の蟻形ほぞで引抜き強度2kNの結果を得た。これらの引抜き強度値はある程度高いものと思われ、この変則しまりばめ方法の可能性が伺えた。