hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
小脳長期抑圧現象におけるプロテインキナーゼCおよびDGキナーゼの時空間解析

本研究では、PKCとDGK分子機能相関を明らかにした上で、小脳スライスのLTDに対してPKCとDGKの結合および相互機能修飾がどのように働くかを、電気生理学的現象と同時にライブイメージングを用いて神経可塑性における分子メカニズムを明らかにすることを目的とした。その結果、(1)GFP標識PKCを発現する遺伝子操作動物を作製した。この動物においてはGFP標識PKCの脳内の発現部位および発現時期がともに制御可能であり、各脳部位でのPKC分子のライブイメージングが可能であるだけでなく、各脳部位でのPKC発現による行動変化の解析も可能である。今回、この動物の小脳スライスを用いて、Purkinje細胞におけるgammaPKC-GFPのイメージングを行ったところ、平行線維刺激によっては、gammaPKC-GFPの細胞膜へのトランスロケーションが、樹状突起遠位から近位へと伝播する様子が認められた。この事実は、シナプスを介した刺激によりPKCの活性化がニューロン内で伝播されることを示しており、LTDの分子メカニズムを理解する上で非常に興味深い。(2)小脳Purkinje細胞に共存する2種類のリン酸化酵素PKCおよびDGK分子間の機能的協関を解析した。PKCとDGKは、PKCの活性化とともに結合し、DGKはPKCによりリン酸化されることが明らかとなった。Mass spectrometryにより、DGKのリン酸化部位を決定し、変異体を作製した結果、PKCによるDGKのリン酸化は、DGK活性の上昇を導くことが明らかになった。これらの結果は、受容体刺激によるDG産生およびCa2+上昇を介したPKCの活性化は、DGKの細胞膜上でのPKCとの結合を引き起こし、そこでのDGKのPKCによるリン酸化による活性化を導く。このDGKの活性化は細胞膜上のDG量を減少させ、PKCの活性化を終了させると推測され、LTDの分子機構にも重要なメカニズムであると考えられる。
造血器腫瘍に対する新たな細胞免疫療法の開発

造血器腫瘍に対する新たな細胞免疫療法の開発を目的に研究を遂行し、下記の結果が得られた。1)白血病関連抗原CML66特異的細胞傷害性T細胞の誘導と機能解析健常者末梢血からCML66ペプチド特異的CD8陽性CTLを誘導した。抗HLA-A24抗体ならびにHLA-A24遺伝子導入細胞を用いた解析からHLA-A24拘束性CTLであることが確認された。CML66は多くの白血病細胞に強く発現され、正常細胞には発現が極めて低いことが確認された。CML66特異的CTLは白血病細胞ならびに新鮮分離白血病細胞をHLA-A24拘束性に傷害したが、正常細胞には影響を与えなかった。以上の結果から、CML66は新たな白血病関連抗原であることが明らかとなった。Aurora-Aペプチド特異的HLA-A2拘束性CD8陽性CTL株を樹立した。Aurora-Aは、ほとんどの白血病細胞株および新鮮分離白血病細胞に強く発現が認められた。中でも特に、慢性骨髄性白血病のCD34陽性分画にきわめて高い発現が認められた。他方、正常細胞では骨髄並びに臍帯血CD34陽性細胞も含めてその発現量は低値であった。Aurora-A特異的DTLは正常細胞には全く影響を与えなかったが、白血病細胞株ならびに新鮮分離白血病細胞に対してはHLA-A2拘束性に強い細胞傷害性を示した。以上の結果から、Aurora-Aを標的とした細胞免疫療法は白血病の新たな治療戦略になりうると考えられる。3)ケモカインレセプター遺伝子導入制御性T細胞移入による急性GVHDの制御GVHD発症組織では、CXCR3リガンドが高発現していることが明らかとなった。そこで、TregにCXCR3遺伝子を導入し、CXCR3強制発現Treg(CXCR3 -Treg)を作製した。CXCR3 -TregをGVHD発症マウスに移入したところ、肝臓と腸管に選択的に集積した。CXCR3 -Treg移入マウスでは、肝臓と腸管のGVHDのグレードは明らかに軽度であり、体重減少などの全身症状の回復も認められた。以上の結果から、人為的操作を加え、病変部位に選択的に集積できる制御性T細胞を用いた治療法は、新たな免疫制御療法になりうることが示された。細胞傷害性T細胞(CTL)が認識する新たな造血器関連抗原として、CML66とAurora-Aを初めて同定した。まず、CML66およびAurora-Aは、多くの白血病細胞に強く発現しているが、正常細胞には精巣を除いては発現レベルが極めて低いことが分かった。次に、CML66およびAurora-Aのアミノ酸配列から、HLA-A2またはHLA-A24に結合しうると考えられる9merペプチドを合成した。樹状細胞にこれらのペプチドを添加し、自己CD8陽性T細胞を繰り返し刺激し、CML66およびAurora-A由来ペプチド特異的CTLを樹立した。これらのCTLは白血病細胞をHLA拘束性に殺傷するが、正常細胞には全く影響を与えないことが示された。これらの結果から、CML66およびAurora-Aは新たな造血器腫瘍関連抗原として、細胞免疫療法の標的分子となることが明らかとなった。これまでの基礎的研究成果を基に、WT1およびhTERT由来ペプチドを用いたがんペプチドワクチン療法の第I相臨床試験を継続した。GMPグレードペプチドをIFAとともに2週間に一度、最低3回皮下接種した。これまでにグレード2以上の有害事象は認めておらず、一部の固形癌患者において腫瘍縮小効果が得られている。また、赤血球輸血依存性骨髄異形成症候群(RA)、難治性AMLで輸血非依存性になった症例を経験している。臨床効果が得られた症例においては、ELISPOT assayおよびtetramer解析によってペプチド特異的CTLの誘導が確認されている。また、ペプチドワクチン投与中止によって、貧血が進行し、再開によって改善が繰り返し認められたことから、本ペプチドワクチンの臨床効果が確認された。Aurora-A特異的DTLは正常細胞には全く影響を与えなかったが、白血病細胞株ならびに新鮮分離白血病細胞に対してはHLA-A2

拘束性に強い細胞傷害性を示した。以上の結果から、Aurora-Aを標的とした細胞免疫療法は白血病の新たな治療戦略になりうると考えられる。3)ケモカインレセプター遺伝子導入制御性T細胞移入による急性GVHDの制御GVHD発症組織では、CXCR3リガンドが高発現していることが明らかとなった。そこで、TregにCXCR3遺伝子を導入し、CXCR3強制発現Treg(CXCR3 -Treg)を作製した。CXCR3 -TregをGVHD発症マウスに移入したところ、肝臓と腸管に選択的に集積した。CXCR3 -Treg移入マウスでは、肝臓と腸管のGVHDのグレードは明らかに軽度であり、体重減少などの全身症状の回復も認められた。以上の結果から、人為的操作を加え、病変部位に選択的に集積できる制御性T細胞を用いた治療法は、新たな免疫制御療法になりうることが示された。
サッカロミセス酵母の細胞融合を保障する調節機構

サッカロミセス酵母の接合反応時におこる細胞融合を保障する機構を調べるために、酸胞融合能を欠損した変異株を分離した。これらの変異株は、性的凝集不能,フェロモン反応不能,フェロモン生産不能,細胞融合不能などの表現型を示し,a型α型2細胞融合時の同調性を欠く変異株は今までのところ分離に成功していない。上記の変異株について4分子解析によるマッピングを行った結果,変異株のうち4株が新しい遺伝子変異をもっていることがわかった。1株はa型の凝集不能株で4分子解析結果から,a型特異的に発現されていることが判明した。他の3株はいずれもa型,α型の両方の細胞で発現され、うち2株は、フェロモン反応性が著しく低下していた。残りの1株はフェロモン反応性がやや低下しているだけで、凝集,フェロモン生産性は正常であった。この遺伝子は第VIII染色体上のang4近くに位置し,G蛋白のαサブユニットをコ-ドするGPAIとよく似た位置であるために,PGPAIプラスミッド形質転換させて、相補テストを行なった結果GPAI内の変異であることがわかった。我々は他の2株の新規の変異株について、遺伝子のクロ-ニングを試み,変異を相補する約6KbのDNA断片を分離した。種々の制限酵素を用いて制限地図を作製し,一方のDNA断片については現在PUC118,119プラスミッドに挿入し,塩基配列の決定を行なっている。
包括的地域再生に向けた順応的ガバナンスの社会的評価モデルの開発

自然再生は包括的な取り組みであるため、関係者は拡大し異質な価値が併存する状況が生じる。そのため多様な関係者が協働を合意形成を進めながら、複数の価値の実現を図る順応的ガバナンスの実現が課題となる。各地の事例で共通する課題は、包括的地域再生という理念は共有されていても、協働と合意形成が困難であることである。本研究では異分野と異業種の関係者による参加型ワークショップを実施することにより、活動の可視化を図る「自然再生の活動プロセスの社会的評価ツール」と関係者の対話と協働を促す「環境活動の見える化ツール」を開発することで、包括的地域再生に向けた順応的的ガバナンスの実現に資する社会的評価モデルを提示した。(1)総合地球環境学研究所(京都市)で共同研究のデザインに関する研究会を開催し、申請者らが設定した社会的評価指標や社会的評価シートの妥当性、研究の方向性について議論をした。(2)以下の地域で事例研究を進めた。1)新潟県佐渡島で佐渡島加茂湖水系再生研究所のメンバーとのワークショップを実施し、これまで開発をすすめてきた社会的評価モデルの妥当性を検証した。2)島根・鳥取両県にまたがる中海で、佐渡島でのプレ調査を踏まえ、開発中の社会的評価シートを使用したワークショップを実施し、モデルの検証を進めた。3)兵庫県豊岡市で、自然保護関係者とのワークショップを実施し、自然再生の社会的側面の抽出を試みた。4)包括的地域再生としてのジオパークに注目し、自然再生との比較調査を進めた。ジオパークにおける包括的地域再生に向けた取り組みを調査するとともに、ジオパーク専門員に焦点を当て、地域に暮らす専門家が包括的地域再生に置いて果たす多面的な役割の解明を進めた。5)タンチョウを軸にした包括的地域再生を目指す北海道鶴居村において、関係者への聞き取り調査と農家へのアンケートを実施し、自然再生と地域の生業の関係を検討した。(3)佐渡島と中海で実施したワークショップによって得られたデータを分析し、社会的評価指標の再設定を行った。中海では自然再生の社会的評価シートを用いたワークショップを実施し、その結果をまとめた社会的評価シートを関係者に示することで修正点や関係者にとっての意義の確認を行い、開発中の社会的評価モデルの検証を実施した。社会的評価シートを用いることで関係者の語りが促進されること、そして自然再生のプロセスが可視化され、関係者間で共有されることが明らかになった。このように現場へのフィードバックを行いながら、検証作業を進めている。(4)自然再生の社会的評価に関する論文の執筆を進めた。現地調査は、おおむね順調に進展している。とりわけ、島根・鳥取両県にまたがる中海の自然再生を対象としたワークショップでは、社会的評価モデルの検証を実施し、具体的な修正を行うことができた。現場の関係者へのフィードバックを行いながら開発を進めるなど、研究は順調に進展している。自然再生の関係者が使いこなせる社会的評価モデルにむけた方法論の確立を目指しているところである。また、豊岡では主に自然保護関係者、鶴居では主に農家、ジオパークでは主にジオパーク専門員という専門家を対象としたワークショップや調査を実施しており、関係者の属性、地域、テーマの違いによる社会的評価の視点の違いを明らかにしつつある。さらに、自然再生の社会的評価に関する論文を執筆しており、成果の発信に向けた取り組みも順調に進んでいる。ただ、研究者と多様な関係者による研究会は開催できていない。(1)以下の事例研究を進めた。1)自然再生の活動プロセスの「社会的評価ツール」を用いて、島根県・鳥取県にまたがる中海の自然再生に取り組む認定NPO自然再生センターのメンバーとワークショップを実施し、活動プロセスの社会的評価を試みた。現場に結果をフィードバックし、ツールとしての妥当性と課題を検証した。さらに自然再生に関わる関係者と協働で、自然再生の社会的評価チェックシートを作成し、それを用いたワークショップを実施した。その結果、自然再生の社会的プロセスが関係者の間で可視化されるとともに、コミュニケーションを促進するツールとしての可能性を見出すことができた。2)広島県東広島市豊栄町で、社会的評価ツールを用いたワークショップを開催し、オオサンショウウオの保全とその生息環境の再生の活動プロセスの社会的評価を行った。また、その成果を関係者にフィードバックし、ツールとしての妥当性を検証するとともに、課題も議論した。3)包括的地域再生としてのジオパークに注目し、自然再生との比較調査を進めた。ジオパーク専門員に焦点を当て、地域に暮らす専門家が包括的地域再生において果たす多面的な役割に関するアンケートを実施した。4)タンチョウを軸にした包括的地域再生を目指す北海道鶴居村において、農家へのアンケートを実施し、農業と自然再生の関係性を検討し、包括的地域再生の現状と今後のありうべき方向性を検討した。(2)総合地球環境学研究所(京都市)で研究会を開催し、(1)で実施した調査の結果を分析し、本科研で開発しているツールは自然再生の活動プロセスを社会的に評価するものとしては、概ね妥当であると判断した。課題としては、活動プロセスを社会的に評価するだけではなく、未来に向けたありうべき姿を共有するツールの開発が必要であることが共有された。(3)自然再生の社会的評価に関する論文を公表した。

自然再生の社会的評価ツールを用いたワークショップを、島根・鳥取両県にまたがる中海の自然再生、広島県東広島市豊栄町をフィールドに、それぞれ複数回開催し、ツールの検証と課題の洗い出し作業を行うことができた。常に現場の関係者へのフィードバックを行うことにより、現場での有用性を確認しながら開発を進めていくことができている。研究成果の発表は、中海の自然再生の活動プロセスの社会的評価ツールに関する原稿の公表、豊栄町でのワークショップの結果の学会報告を行うなど順調に進んでいる。さらにジオパーク専門員のアンケートの分析を進め、専門員の属性と包括的地域再生に果たす多面的な役割の解明を目指した論文の執筆を進めている。北海道鶴居村の農家アンケートについても、データの分析を進め、論文執筆作業を進めているところである。成果発信はおおむね順調に進展している。以上のように、現場の関係者と協働的に研究を進めており、自然再生の当事者が使いこなせる社会的評価モデルにむけた方法論の確立を目指しているところである。ただ、研究者と多様な関係者による研究会は開催できていない。近年、自然再生が重要な環境政策と位置づけられ、各地で実践されている。自然再生の対象地は人の生活空間であるため、その対象は人と自然の多様な相互作用にまで拡大する。この点から、自然再生は包括的地域再生として進めていくべきものといえる。自然再生を進めていくには、多様な主体がかかわりながら、複数の価値の実現をはかる順応的ガバナンスの実現が必要である。各地の事例で共通する課題は、包括的地域再生という理念は共有されていても、複数の価値の実現を目指した合意形成は困難という点である。その理由として、再生後の姿が議論の対象になり望ましい結果の共有が難しいことを指摘できる。本研究では、活動プロセスに評価を組み込むことによってこの課題にアプローチした。活動や事業の到達点を自己評価することによって、活動や事業の修正や次に活動ビジョンを自分たちで導き出す可能性を高めることができるからである。本研究で採用した研究方法は、異分野の研究者と実践者との協働的・対話的アプローチである。第一に環境社会学、観光学、環境哲学、環境政策学、人文地理学、農業土木といった異分野の研究者がフィールド経験を話し合う学際的アプローチにより、自然再生が地域に及ぼす効果・課題を抽出し、社会的評価指標として整理した。第二に事例地域のNPO、行政、市民、農業者・漁業者といった関係者とワークショップを実施し議論を重ね、「自然再生の社会的評価シート」と「環境活動の見える化ツール」を開発した。第三に、開発した指標およびツールを用いたワークショップを開催し、その結果を現場にフィードバックすることによって検証作業を重ねていった。この研究方法によって順応的ガバナンスの実現に資する自然再生の社会的評価モデルを開発した。この結果、研究目的で掲げていた当事者が包括的地域再生のプランニングに活用できる思考モデルを研究成果として提示することができた。自然再生は包括的な取り組みであるため、関係者は拡大し異質な価値が併存する状況が生じる。そのため多様な関係者が協働を合意形成を進めながら、複数の価値の実現を図る順応的ガバナンスの実現が課題となる。
実験生物学的手法による底生有孔虫類の殻形態の評価

本研究は飼育実験を通じて底生有孔虫の殻形態に生物学的な意味づけをすることを目的としている。実験は、温度・塩分濃度・光・溶存酸素量などの環境要素を制御した条件下で有孔虫を飼育し、殻を作らせることによって行った。(1)飼育系の整備......有孔虫を実験動物として確保するために、日本沿海より多数の底質を採集した。飼育は3つの段階にわけて行った。自然個体群を底質とともに飼育する粗放飼育、一種類のみを選別して飼育する粗飼育、無性生殖によって生まれた遺伝的に同一の個体群を飼育するクローン飼育である。これとは別に餌とする藻類の継代飼育も行った。(2)精密飼育実験......すでに生活史が明らかになっている浅海生有孔虫、Trochammina hadai,Ammoniabeccarii、Glabratella opercularisを温度・塩分濃度・溶存酸素量を制御して飼育した。T.hadai,A.beccariiは粗飼育個体群を、G.opercularisの実験にはクローン個体群をそれぞれ用いた。これら三種類とも、温度・塩分濃度を変化させると、成長速度が大きく変化したが、殻形態は変らなかった。しかし、溶存酸素量を変化させると、T.hadai,A.beccariiの殻に形態変異が現われた。低溶存酸素環境では、殻縁部が平滑になり、高溶存酸素環境ではふくらんだ殻を作った。A.beccariiは殻の壁孔の大きさも変化し、低溶存酸素環境で大きな壁孔を持った殻を作った。溶存酸素量を有孔虫の殻形態に影響を与えることが明らかである。また、相模湾から採集した、深海生有孔虫については、餌濃度と水圧を制御した実験を行った。深海生有孔虫は、餌濃度に敏感で、一定量以上の餌を与えると成長した。また、加圧した環境下でより早く成長した。(3)交配実験......Glabratella opecularisの細胞質融合実験を行った。いくつかのF_1個体を得、現在形態解析を行っている。底生有孔虫類の殻形態が持つ生物学的意味を明らかにすることを目的として,個々の環境要素を独立に制御した飼育実験を行なった。平成2年度は次のような研究を行なった。(1)<粗飼育>___ー....有孔虫を実験動物として研究室内に常に確保するために,日本沿海(静岡・宮城・福井の岩礁地,浜名湖,下田湾,伊豆諸島近海)より多数の底質試料を採集した。実験室内では温度・塩分濃度・光のみを制御して有孔虫を底質とともに飼育した。(2)<クロ-ン飼育>___ー....粗飼育している有孔虫の中から,有性生殖によって生れた個体を取出し,シャ-レ内で無性生殖のみによる増殖を試みた。Rosalina globularisは無性生殖を繰り返し,クロ-ン化に成功した。しかし,Glabratella opercularis,Trochammina hadaiの2種は,有性生殖と無性生殖とを交互に繰り返す生活環を持つため,クロ-ンは作れなかった。(3)<精密制御飼育>___ー....粗

飼育している有孔虫を一匹ずつ拾い出して特製水槽に入れ,飼育環境をさまざまに変えながら飼育した。この飼育実験で成長し,新しく形成された殻は走査型電子顕微鏡を用いて詳細に観察した。今年度は,砂質殻有孔虫Trochammina hadaiを材料として,温度・塩分濃度・溶存酸素量の3つの環境要素をそれぞれ変えた飼育実験を行なった。その結果,Trochamminaは,高温・付溶存酸素量のもとでは矮小(dwarf)な殻を作った。これは,高温・付溶存酸素量の海況になる夏場に矮小な殻を作るという野外における観察事実と整合的である。なお,塩分濃度の濃淡は,殻形態には影響せず,成長速度に関係していた。平成3年度は,石灰質殻有孔虫の精密飼育実験を行い,底生有孔虫の殻の形質と環境との相関を更に積極的に検討する。底生有孔虫類の殻形態が持つ生物学的意味を明らかにすることを目的として,個々の環境要素を独立に制御した飼育実験を行った。平成3年度は次のような研究を行った。(1)粗飼育......有孔虫を実験動物として研究室内に確保するために,日本沿海(静岡の岩礁地,浜名湖,下田湾,相模湾,東北日本太平洋側,薩南海域)より多数の底質試料を採集した。実験室内では温度,塩分濃度・光を制御して有孔虫を底質とともに飼育した。(2)精密制御飼育......浜名湖産Ammoniabeccarii(Linne)forma1を単離し,環境要素を制御しながら飼育した。この種は耐性が大きく,また殻変異も大きいことが知られている。温度・塩分濃度・溶存酸素量を何段階に変えて飼育した結果,A.beccarii forma1は20°C,20‰,4ml/lの条件下でもっとも良く成長した。この種はDOに対する耐性があり,DO=Oの環境でも生き延びている。さまざまなDO条件下における呼吸量を測定したところ,2ml/l以下ではほとんど酸素を消費していなかった。このことは,この種がゴカイと同様に有酸素呼吸系と嫌気呼吸系の2つを持っており,低DO条件では嫌気呼吸をしている可能性があることを示唆している。Ammonia beccarii(Linne)formalの殻形態はDOと強い相関があり,高DOではloboteした殻を,低DOではsmoothな殻を作った。また,壁孔(pore)にも変異が見られ,高DOでは仕切りの入った小さなporeを,低DOでは仕切りのない大きなporeを作った。これらの形態変異は野外でもよく観察され,環境との相関も極めて整合的である。有孔虫は海の水深とともに住み分けている。水圧に対する耐性を検討するために水圧をかけられる加圧培養装置を購入し,予備実験を行った。本格的な実験は相模湾産深海生有孔虫を用いて平成4年度に行う。底生有孔虫類の殼形態が持つ生物学的意味を明らかにすることを目的として、個々の環境要素を独立に制御した飼育実験を行った。平成4年度は次のような研究を行った。(1)粗飼育......有孔虫を実験動物として研究室内に確保するために、日本沿海より多数の底質試料を採集した。実験室内では、温度・塩分濃度・光を制御して、有孔虫を底質とともに飼育した。(2)精密制御飼育......相模湾に生息する深海生底生有孔虫、Chilostomella ovoidea Globobulimina
味覚・嗅覚系を模した味・におい認識システムの研究

最近、生体の味覚・嗅覚機能を模したセンサを作り、味や匂いの識別と客観的計測を実現しようとする研究が盛んである。本研究は、この分野の研究者の情報交換により、味、匂い計測システムの実現を促進することを目的とした。平成3年度は2回の研究会を開き分担者の研究を中心に紹介し、研究の現状を調査した。すなわち栗原は味覚、嗅覚の研究状況、岡畑は2分子膜の分配係数について匂い分子の化学構造があたえる影響、森泉は水晶振動子に吸着膜を塗りガスセンサ群を作り、この出力パターンより匂の識別を行うシステムの開発状況、都甲は各種の2分子膜を塗った電極の電位や電流の出力パターンから味を識別するシステムを説明した。油水界面に発生する不安定性を用いる化学センサについては吉川が詳しく解説し、川久保、沢田、森泉が最新の実験を紹介した。その他、半導体ガスセンサの機能改善法について白江、平中、森泉が、半導体の表面光電効果と表面プラズモン波、弾性波を用いたバイオセンサについて勝部と塩川が、マルチ蛍光スペクトルを用いた化学センサを相沢が紹介した。平成4年度は3回の研究会を開き、合原はカオスの基礎と神経情報処理系における機能について、山崎は2種の感覚情報を統合し認識能力を高めるセンサフュージョン技術を紹介した。次いで分担者以外の講演による調査に移り、外池(大阪電総研)による嗅覚生理研究の現状、脳波を用いた嗅覚系応答に関する研究、和智(高砂香料)からは匂の材料、分子構造、調香に必要な匂の言語表現法と訓練法、神崎(筑波大学)からはかいこガのフェロモン受容、行動、生理、神経回路網の研究が紹介された。以上、2年間の研究の結果、味覚、嗅覚、受容機構、センサの原理、識別・認識アルゴリズム、人間感覚に近い特性をもつセンサの研究・開発状況などについて有益な情報が得られ、研究開発の促進に非常に貢献することができた。従来、味や匂いについては客観的尺度がなく人間が行う官能検査が評価方法の中心であった。最近、生体の味覚・嗅覚機能を模したセンサを作り、これにより味や匂いの識別と定量的計測を行う研究が盛んである。本研究は、この分野の研究者の連係により、人工的味、匂い計測システム実現を促進することを目的とする。本年度は2回の研究会を開き、研究の現状につき各自の研究を中心に紹介した。具体的には、栗原は味覚、嗅覚の研究状況を説明し、嗅覚受タンパク質の存否に関する話題を紹介し、岡畑は嗅覚受容器における2分子膜の役割を明らかにするために、水晶振動子に2分子膜を塗り周波数変化から分配係数を求め、匂い分子の構造、分子量、断面積が与える影響を調べた。森泉は水晶振動子に各種の吸着膜を塗りガスセンサ群を作り、この出力パタ-ンよりアルコ-ル飲料、香水、フレ-バなどの識別を行うシステムの開発状況を説明した。都甲は各種の2分子膜を塗った電極の電位や電流の出力パタ-ンから味を識別出来ることを示し、開発中の味識別システムを紹介した。油水界面に界面活性剤が添加されるとマランゴニ効果に代表される不安定性が発生するが、この時発生する界面電位の振動波形は添加される味物質に影響され、波形の形と周波数より物質の同定と濃度の定量が可能である。この現象については吉川が詳しく解説し、川久保、沢田、森泉が最新の実験を紹介した。

その他、半導体ガスセンサの選択性を中心とする機能改善法については、白江、平中、森泉が、半導体の表面光電効果を使った免疫センサは勝部が、表面プラズモン波と弾性波を用いたバイオセンサは塩川が、マルチ蛍光スペクトルを用いた化学センサを相沢が紹介した。以上の研究発表により味、匂いを中心とする化学センサの研究現状が明かになり、次年度における研究討論の共通認識、土台を築くことができた。本年度は3回の研究会を開き、研究分担者及びそれ以外の研究者の講演により、研究の総合的現状の把握に努めた。まず、合原はカオスの基礎について解説し、Freemanの嗅覚系特に嗅球の研究を通り上げ、神経細胞の集団的興奮現象のカオス的振舞いが匂い認識に本質的役割を果たしており、その連性非線形振動モデルが紹介された。外池(大阪電総研)は嗅覚生理の研究の現状と彼の呼吸同期式匂い刺激に対する脳波を用いた嗅覚系応答に関する研究を紹介した。和智(高砂香料)は調香専門家の立場から匂の材料、分子構造、匂の言語表現法、専門家の訓練に必須な言語表現の獲得について述べた。山崎は視覚及び聴覚情報が脳の中で統合され認識能力を高める事実を人口的に実現するセンサーフュージョン技術を解説し、その例として話者の口の動きにより雑音中の声情報のSN比を約20db改善した例を示した。このような技術は味覚・嗅覚センサの能力改善にも使えることは疑いない。神崎(筑波大学)はかいこガのフェロモン受容に関する行動、生理、神経回路網の研究を紹介し、風に運ばれるフェロモを触角で受容し、その興奮経路、行動神経系のフリップフロップ動作等を示し、においロボットなどの人工系実現のため大きな示唆を与えた。以上の結果、本年度に計画した味覚、嗅覚、受容機構、センシング原理、識別・認識アルゴリズム、人工システムと人間感覚との対応について、非常に有益な情報が得られ、味・におい認識システムの開発・研究に関する研究者に大きな刺激となり、今後の研究展開に利するところが大きかった。
血清中マイクロRNAを用いた炎症性腸疾患に対する疾患鑑別および病勢判定の確立

潰瘍性大腸炎,クローン病,健常人の各10人の血清サンプルを用いて2555種類のmicroRNAの発現プロファイリングのパイロットスタディーを行い、炎症性腸疾患と健常者の2群間でmicroRNAのプロファイリングは階層的クラスタリングにより明確に異なることを同定した。潰瘍性大腸炎群とクローン病群を比較したクラスター解析では、潰瘍性大腸炎群において有意に上昇していたのはmiR-204-3p, miR-6803-5p,有意に減少していたのは、miR-1199-5p, miR-4745-5p, miR-4725-3p, miR-3621であった。特にmiR-204-3pにおいて顕著な差を認めた。近年Liquid biopsyとしてのmicroRNAの研究は重要視されている。炎症性腸疾患の鑑別、病勢の判定に関与する血清中バイオマーカーとしてのmicroRNAが同定できれば、治療方針(薬剤の選択)の決定に大いに寄与すると考えられる。さらに、そのmicroRNAの研究は、創薬開発を目指したバイオ産業の基盤技術となる可能性がある。今回、潰瘍性大腸炎とクローン病の2群間では複数のmicroRNAに差を認め、特にmiR-204-3pにおいて顕著な差を認めたが、このことは、同microRNAが新しいバイオマーカーとなり得、また創薬開発にも寄与する可能性を秘めていると思われる。IBD患者の血清を用いたmiRNA解析は報告例は極めて少なく、miRNAは複数の標的遺伝子の発現を調節していることから、単一で有用なマーカーになり得る可能性がある。病状進行や潰瘍性大腸炎およびクローン病の鑑別可能な新たなバイオマーカー発見し、それはまた有効な治療の標的となり得る可能性があり適切な個別化治療を行うため診断や治療への応用が期待される。これまでの研究で、UC, CD,健常人の各10人の血清サンプルを用いて2555種類のmiRNAの発現プロファイリングのパイロットスタディーを行い、IBDと健常者の2群間でmiRNAのプロファイリングは階層的クラスタリングにより明確に異なることを同定した。また、UCとCDの2群間では複数のmiRNAに差を認め、特にmiR-204-3pにおいて顕著な差を認めた。検体数の収集がやや遅れているが、現在までの検討をすでに学会で報告している潰瘍性大腸炎,クローン病,健常人の各10人の血清サンプルを用いて2555種類のmicroRNAの発現プロファイリングのパイロットスタディーを行い、炎症性腸疾患と健常者の2群間でmicroRNAのプロファイリングは階層的クラスタリングにより明確に異なることを同定した。検体数を増加させるために、新規患者や関連協力病院の患者にも協力していただく検体の収集数が昨年度には不十分で解析ができなかったため、次年度使用額が生じた。次年度は症例数を増加させ解析のため助成金を使用する予定。
超並列計算による材料非線形ボクセルFEM解法の開発

本研究では,ボクセル有限要素計算のための3次元超並列計算手法を開発した.すなわち,MPI/Open-MPによるハイブリッド並列型のライブラリを開発するとともに,GPU計算のためのコードも開発した.また,ボクセルFEMで任意形状を表現するための数値積分法についても検討を行い,次元あたり3点あれば良いという知見を得た.さらに,磁歪材料などの計算のためにボクセルFEM型の節点・辺要素による非線形解法を開発した.本研究は,モノづくりための設計や事故時の原因究明において欠かせないコンピュータシミュレーションを,「京スパコン」に代表される超並列計算機を用いることで,数十から数千倍に高速化しようとするものです.1つの計算に数週間を要していたものが数時間でできるとなると,さまざまな可能性が広がるはずです.なお,この高速化においては,汎用的な解決法でなく敢えてその一部を切り捨てることで,ある種の解法に特化しようと考えています.固体系のシミュレーションー本研究では,エンジンブロックのような複雑形状の産業部品や,発泡金属やCFRPのような複合材料微細構造の力学的応答計算ーでは,有限要素法なる手法が最も有用とされています.通常であれば計算領域内を細かくメッシングするには数十年来,一般の三角や四角形状が適しているとされてきました.しかし,本研究ではメッシングを敢えて立方体,すなわち3-Dデジタル画像に限定することにより,これまでのメッシングでは少し難しかった超並列計算のロードバランス平滑化を達成しようとしています.このような目的を踏まえて,初年度はFujistu FX-10スパコンにて,1500強のCPUコア数にて単純形状であれば百数%のスーパーリニアな高速化を達成しています(100%が理想的な高速化).なお,一般の複雑な形状においても,CPUコア数に対して95%程度の高速化ができています.単一CPUコアの場合には不要であったCPUコア間の通信ー余計な処理ーが新たに発生するため,これを如何に上手く隠ぺいするかが高速化の要となります.初年度は最低限のノルマ達成ができたと自負しております.本研究の目的は,超並列計算機を対象とした材料非線形ボクセルFEM解法の開発である.a)そのため昨年度は,並列化のためにまずはMPI通信を組み込んだ弾性体ボクセルFEMコードの開発と,名古屋大学のFujitsu FX10スーパーコンピュータ上にて1500コアでの性能確認を終えている.本年度はこの結果を踏まえて,より超並列化を目指すために,MPI通信に加えてOpen-MP並列のハイブリッド並列化を実施した.具体的にはマルチカラー処理のアルゴリズムを追加した.しかし,同スーパーコンピュータで同コア数にて性能確認をしたところ,MPI通信のみの場合に比べて並列化性能が1/7倍ほどに劣化した.Intel系のハードウェアとコンパイラではこのような並列性能の著しい劣化はみられなかったこと(数割程度の劣化)から,コンパイラ特有の問題も考えうる.b)ボクセルFEMに特有の,領域を階段状に近似する問題に対して,山田・長嶋らが提案した数値積分法の実装を終えた.本数値積分手法はFEM要素内に幾何形状が横切る場合の巧みな処理法であり,ある程度の高精度を保ちつつも,反復計算において計算量が少なくなるという長所をもった手法である.本手法は各ボクセル有限要素において計算量が均一となるという点でも,本研究の超並列計算に適したものである.なお,浅井らの提案した非局所化処理(数値実験的に有用性が実証された,ひずみの要素間を跨いだ平滑化ー画像処理でいうガウシアンフィルタ的な処理)のアルゴリズムについてもいくつか検討したが,大量の空隙を認めるボクセルFEM解析の超並列化とは,メモリ上の観点から相容れないことを確認した.c)この非局所化処理に付随して,GPU上にて,付随的にボクセルFEMにおいて素朴な幾何学的マルチグリッドを適用したが,収束性は改善できないことを確認した.ボクセルFEMには,CT画像などの3次元画像を基に,画素点からすぐに要素分割できるという長所がある.しかし,境界面が階段状に近似されることにより,境界付近に不合理な応力が発生し,かつ曲げに対する解析精度も低いという短所がある.前者については,弾塑性や損傷計算において問題となる.後者について例えば,はりのたわみは,その高さの3乗に逆比例するが,はり高さを要素長さの倍数にしかとれないため,その予測精度は著しく低くなる.そこで,H27年度の研究では,要素内に領域を定義すること,具体的には境界面の近似と数値積分を工夫することにより,ボクセルFEMの精度改良を図り,特に片持ちはりの曲げを例にその性能評価を行った.なお,この評価は反復求解で頻出の可能性があるが,要素あたりの計算量は一定であるため,複数の要素を効率よく超並列で処理できるものである.メッシュサイズを小さくしていったときの数値解の収束性から,本手法に基づくボクセルFEMの性能を評価した.従来のボクセルFEMでは,はり高さが結果として2要素となる場合に最大200%の差が生じるが,本手法では約10%の差であった.また,はり高さが4要素の場合には3%の差に収まった.

なお,境界付近に不合理な応力が発生しないことも確認した.以上より,本手法に基づくボクセルFEMでは,曲げが支配的な領域でも厚さ方向に最低限2要素,理想的には4要素程度に分割すれば十分といえる結果を得た.学内の仕事(教務)が入ったこともあり,手法検討と超並列プログラミングに割く時間をあまりとることができず,当初の計画より最終年度を一年間延長することとした.本研究の目的は,超並列計算機を対象とした材料非線形ボクセルFEM解法の開発である.そのために,下記の2点について研究を実施し,一定の成果を得た.a)前年度までに開発と性能確認を終えたMPI通信を組み込んだボクセルFEMコードに対して,Open-MP並列も加えてハイブリッド化を実施した.Intel Xeon E5-2600(2.6GHz)搭載のスパコンFujitsu PRIMERGY CX400(名古屋大学)を用いてMPI/OpenMPハイブリッドの性測計測を行った.ノード内でOpenMPの並列数を増やすと,8並列時で理論性能の6割程度まで性能が低下した.しかし,ノード間のMPI並列を1並列から64並列まで増加させたとき,FlatMPIは9%の性能低下がみられたが,MPI/OpenMPハイブリッド並列の性能低下は7%にとどまった.このことから,さらに並列数を増やしていくと,FlatMPIよりMPI/OpenMPハイブリッド並列の方が良い性能を得られるようになると結論付けられる.b)ボクセルFEMコードのGPU実装について,CUDA FortranによるElement-by-Element方式による疎行列・ベクトル積に対する実装を行った.しかし,CUDA Cに対して7割程度であったので,性能維持のため,疎行列・ベクトル積はCUDA Cのまま,その他の大部分をCUDA Fortranとする混合プログラムを作成した.完成したプログラムの計算時間を元のものと比較したところ,ほぼ同じ速度を得た.c)ボクセルFEMの応用先として,X線CTスキャンと組み合わせ,材料定数の同定やデジタル画像相関についても検討した.本研究では,ボクセル有限要素計算のための3次元超並列計算手法を開発した.すなわち,MPI/Open-MPによるハイブリッド並列型のライブラリを開発するとともに,GPU計算のためのコードも開発した.また,ボクセルFEMで任意形状を表現するための数値積分法についても検討を行い,次元あたり3点あれば良いという知見を得た.さらに,磁歪材料などの計算のためにボクセルFEM型の節点・辺要素による非線形解法を開発した.a)本来であれば,MPI通信とOpen-MP並列化というハイブリッド並列化で,より超並列化をした際に,MPI通信のみよりも性能が出せる予定であった.この原因究明に手間取って,当初の予定を達成できなかった.b)山田・長嶋らの数値積分手法の実装は完成したが,それをボクセルFEMに組み込み,離散化性能を確認するところまでは達しなかった.申請当初の予定に少し無理があったこと,また学内業務の見通しが甘くそちらに注力せざるを得なかったことが悔やまれる.H27年度にやり残した分を含めて,H28年度では,この境界面の数値積分法とvoxel FEMの超並列計算を1つのコードにまとめて,構造解析全体での性能評価を実施する予定である.計算力学a) MPI通信とOpen-MP並列化というハイブリッド並列化が,Fujitsu FX10で性能が出なかった理由をプロファイラでさらに詳細に検討する.コンパイラの問題であれば深入りせず,intel系のみを対象とする.
纎毛虫テトラヒメナの分裂停止突然変異株を利用した細胞分裂の分子機構

細胞分裂の機構やその制御機構を分子レベルで明らかにすることを本研究の目的とし、纎毛虫テトラヒメナで温度感受性の細胞分裂停止の突然変異(cda遺伝子座)を利用して解析をしてきた。また、細胞分裂の主役となるテトラヒメナ・アクチンについても性状の調査を行った。テトラヒメナ・アクチンは我々の遺伝子解析から、通常のアクチンと可成り相異する性質があると予測されていたが、実際に本年度の研究で精製し、その性質をしらべたところ、(1)通常のアクチンと同様に繊維形成をし、ミオシン-S1と矢尻構造をとる、(2)ミオシンのMg^<2+>-ATPaseの活性化をする、(3)ウサギ骨格筋アクチンと共重合できる、などの点では通常のアクチンと同様であったが、(1)ミオシンのMg^<2+>-ATPase活性化能が1/8、(2)ファロイジンやDNaseIと相互作用しない、(3)筋肉由来のα-actininやトロポミオシンとも相互作用をしない、など大変ユニークな性質をもっていることが判明した。このことから、テトラヒメナのアクチン調節因子も哺乳類等の筋・非筋のものとはちがった性質をもつことが推察された。一方、突然変異をもつcdaAl株では、我々は既に変異遺伝子産物(p85と仮称)を同定し、このp85が分裂直前期に分裂予定赤道面に配列することを明らかにしていた。さらに詳細な蛍光抗体法での解析から、p85の配列を基にして収縮環のアクチン微小繊維が形成されることが考えられた。そこで、この関係を明らかにするため、分裂直前の細胞に骨格筋アクチンを注射したところ、このアクチンは分裂帯附近で繊維形成がおこるが、調節蛋白の違いが原因で分裂を抑制する興味ある結果を得た。また、他のcdaC6突然変異体の変遺伝子産物は分裂溝にある収縮環繊維を束ね収縮力を表層に伝えるものでアクチン結合蛋白質であろうと我々は解析を進めてきた。これについては、現在、テトラヒメナ・アクチンを調整し、アクチン結合蛋白質の同定や性状を検討中である。
シナプス前微小神経終末からの化学伝達物質遊離機構の解明

ラットマイネルト基底核からシナプスボタン標本を作成し、シナプス前微小神経終末におけるCa^<2+>流入経路について調べた。1)細胞内遊離Ca^<2+>の増加によって増加する自発性抑制性シナプス後電流(sIPSC)を指標にして、神経終末部に存在する高閾値型(HVA)Ca^<2+>チャネルのサブタイプを薬理学的に分類した。一般に哺乳動物中枢神経系のHVACa^<2+>チャネルには、(1)nicardipine感受性のL型、(2)ω-conotoxin-G VIA感受性のN型、(3)ω-agatoxin-IVA感受性のP型(高濃度ではQ型も抑制)、(4)ω-conotoxin-M VIIC感受性のQ型、(5)(1)(4)の薬物に非感受性だがCd^<2+>には感受性の抵抗型(R型)の5種類が知られている。本標本では、nicardipineが10^<-8>Mより濃度依存性にGABA作動性sIPSCを抑制した。また、ω-agatoxin-IVAも濃度依存性に抑制した。しかし、ω-conotoxin-G VIAは無効であったことから、神経終末からのGABAの自発性遊離にHVACa^<2+>チャネルのL、PとQ型が関与していることが示唆された。2)さらに本標本を用いて、興奮性アミノ酸受容器(イオンチャネルの直結型のNMDA、KA、AMPA受容器と代謝型のmGluR)のIPSCsに対する効果を検討した。NMDA、KA、AMPAは、この順にsIPSCおよび外液中のBa^<2+>存在下でのIPSCsの発生頻度を増加した。他方、mGluRをACPDで活性化するとsIPSCの頻度がわずかに減少し、sIPSCの平均電流値は変化しなかった。従って、神経終末上の興奮性アミノ酸受容器がGABAの放出を巧妙に制御していることが示唆された。
中国西蔵省における植物の高地適応機構の生物、化学的解析

蘚苔類苔綱のジャゴケ属のヒメジャゴケは東アジアに分布し,地球の寒冷化,乾燥化に適応してジャゴケから進化したという説がある。須原らは、まずヒメジャゴケの種内構造を明らかにするため,rbcL遺伝子の塩基配列による種内変異を調べている。すでに,日本産のヒメジャゴケには北海道の北方タイプ(Nタイプ)と本州のSタイプ(Sタイプ)があることを明らかにした。日本のヒメジャゴケの系統と起源を知るために、調査を中国雲南省に拡大した。平成12年度に中国雲南省の昆明市付近と南(東)部のヒメジャゴケを調査した.その結果雲南省南東部にSタイプ,北部の昆明市付近に固有の雲南タイプ(Yタイプ)を発見した。これは東アジアにおけるヒメジャゴケの起源・伝播を考える上で大変興味深い結果であった。平成13年度は、雲南省の北西部(麗江,大理),昆明(西山),北東部(昭通,大関)を調査し,昆明および大関県でヒメジャゴケを採集し,DNAを抽出できた。これらのヒメジャゴケのrbcL遺伝子はすべてYタイプであった。今後、rbcL以外の遺伝子でさらに広いDNA領域で比較する。さらに本州産Sタイプのヒメジャゴケから基準のゲノムDNAライブラリー作成,塩基配列の決定が現在進行中である.決定された塩基配列からプライマーをデザインし,各産地のDNAをPCR増幅し,塩基配列を比較する予定である。平成14年3月6日から17日まで、黒田は中国雲南省昆明植物研究所を訪問した。昨年度の訪中の際、雲南省北西部にてキク科Ligularia属植物を採集し、その抽出物を立教大学に持ち帰って成分研究を行っており、今回の訪問では、その研究結果について同研究所の沈博士(植物有機化学)と意見交換した。さらに、同研究所の武教授(植物分類学)ならびに胡女史(国際合作処副処長)を交え、本研究で得られた成果を踏まえて、今後の共同研究の進め方について話し合った。堀内は、平成13年8月沈博士より入手した雲南省のカモメヅル属(Cynanchum otophyllum)(中国名:青陽参)の根の培養細胞を利用するテルペン類の物質変換に取りかかっている。次の二つのテーマにつき調査研究を実施した。1.高地植物中の超微量元素の動態解析による植物の高地適応機構の化学的解析資料としては、チベット高地で主食としている青〓を、緯度がほぼ同じ(平均31°)で、東経101°5'から86°5'の間で採取した。採取値の標高は、最低が3230m、最高が4500mである。測定元素は、Ti,V,Zn,Ga,Y,W,Au,Pbおよび希土類14元素を含む22元素とした。(1)種子、茎、髭の各部位ごとに測定した元素の含有量は、希土類元素は種子の部分に少なく、茎、髭に多かった。栄養分を蓄えておく種子の部分より、他の部分に多く蓄えられている元素が存在したという注目すべき結果が得られた。植物中の希土類元素の動態解析が今後の大きな課題となった。(2)種子について日本産と比較すると、Pb以外のすべての元素においてチベット産に多く含まれていた。

特に希土類元素は、日本産では、La、Ce、Prの軽希土以外は検出できなかったが、チベット産では、La(0.3)、Ce(1.05)、Pr(0.21)、Nd(0.18)、Sm(0.08)、Eu(0.09)、Gd(LOD)、Dy(0.05)、Ho(LOD)、Er(0.11)、Tm(0.08)、Yb(0.13)、Lu(0.08μg/g)が検出された。これは、東チベットの土壌に希土類元素が多く含まれていることが予想され、土壌との関連での調査の必要性があったが、土壌の採取の許可が得られなかった。環境汚染が著しく低いと考えられる地域だけに、今後に期待したい。(3)標高及び経度の違いによる明確な差異は今回の資料については認められなかった。(4)植物中の超微量元素分析の公定法はなく、各自が開発していく必要があり、今回、分析法の確立に多大の労力を必要とした。2.高地における太陽紫外線の生態系に対する影響評価の基礎としての紫外線生物効果量の測定UVモニタMS-211-I(英弘精機)製によって、UVB量の南中時前後10分間にわたる積算値と瞬時値を測定した。来年度以降の胞子線量計を用いて本格的測定の基礎データを得た。2000年10月-11月、黒田、花井、須原および武(昆明植物研究所)の4名により、中国雲南省において野外植物調査を行った。雲南省北部に生息するキク科植物成分研究のための予備調査として、麗江県雪松村およびその周辺にて8種類の植物を採集した。今回の採集対象植物としては、地元の民間薬として用いられているSenecio scandensを含むSenesio属、Cocalia属、およびLigularia属植物を選んだ。採集した7種類の植物は、それぞれS.scandens、S.laetus、C.latipes、C.cycloluo、L.alatipes、L.vallerea、およびL.atroviolaceaであると同定した。残りの1種類については地上部が枯れた後で、根のみの採集となったため、同定には至らなかったが、L.lankongensisであると推定した。採集した植物試料は昆明植物研究所にて2日間乾燥したのち、粉砕し、酢酸エチルにて3回冷浸抽出を行った。このうち、L.lankongensis(推定)は根に多量のオイルが含まれているという興味深い事実が判明した。このオイルの成分は、各種スペクトルの測定から、ほぼ純粋なエレモフィラン化合物から成ると推定することができた。また、雲南省南部に生息する苔類特にヒメジャゴケとジャゴケの分布状況を調査した。ヒメジャゴケはアジアの寒冷化,乾燥化に適応してジャゴケから分化したという説があり,DNAレベルでの検証は大変興味深い。ヒメジャゴケについては調査地の昆明,石林,河口,Pingbian,金平の高度10002000mの地域で旺盛な生息が認められた。さらに通常の繁殖様式である無性芽形成中のヒメジャゴケも頻繁に観察することができた。採集した15点の材料からDNAを抽出し,rbcL遺伝子の塩基配列を決定しつつある。これらの結果から、雲南省のヒメジャゴケのタイプと日本のそれとを比較することによってヒメジャゴケの進化に関して重要な知見が得られるものと期待される。蘇苔類苔綱のジャゴケ属のヒメジャゴケは東アジアに分布し,地球の寒冷化,乾燥化に適応してジャゴケから進化したという説がある。須原らは,まずヒメジャゴケの種内構造を明らかにするため,rbcL遺伝子の塩基配列による種内変異を調べている。
形状自由度の高い多機能金属基複合材料製造プロセスの開発

形状自由度の高い高機能、高信頼性の金属基複合材料を得るため、低圧含浸法による複合材料の製造プロセスの確立を目指した。その結果、(1)プリフォーム中に低圧で溶湯を含浸させる手法の提案を行った。(2)含浸、凝固過程のモデリングと数値シミュレーションを開発し、鋳造欠陥のない製造条件を確立した。(3)製造した複合材料の機械的および機能的特性の評価と組織観察による発現機構の解明より、最適プロセスの提案を行った。本年度は、従来の低圧含浸法の問題点を鑑み、形状自由度の高い高機能、高信頼性の金属基複合材料を汎用技術であるダイカスト法や重力鋳造法、砂型鋳造法で製造するために必要な最適プロセス設計の手法を得ることを目的とし、主にシミュレーションの基礎的構築および含浸圧低減化の模索に関する研究のフレームワークの形成に関する研究を行った。得られた実績は以下の通りである。低圧含浸を可能にする手法を模索することと、シミュレーションを構築するためのモデリング、計算アルゴリズムの構築を行った。含浸挙動のシミュレーションは含浸から凝固までを考慮した。含浸挙動についてはダルシー流れに対する直接差分法を用いた。これを、ドーナツ形状の部材を想定して計算を行った。凝固中、プリフォームに接した部分でのアルミニウム溶湯の凝固を考慮する為、透過率を変化させた場合の熱移動を考えて、含浸、熱伝導、凝固の各現象を含んだ連性型のシミュレーションの開発を行い、熱の問題を考慮した単純形状の2次元モデルでのシミュレーションを完成させた。含浸低減化法の模索として、カーボン繊維を用いて低圧含浸用プリフォームの作製を行った。浸透を低圧化させるためにプリフォーム中の空隙表面中の改質を行った。まず、微細空孔に内部まで均一なニッケル薄膜を形成させるため、前処理の検討、めっき液への流れ付与、超音波の利用、めっき液の種類、濃度の調整により、プリフォーム内の強化材表面にサブミクロン厚程度の均一で薄いめっき層を付着できた。また、カーボン繊維と銅粉末を積層させながら放電焼結することにより、数気圧の含浸圧力に耐えられ、低圧含浸可能なプリフォームの作製できた。更に、アルミナ繊維にシリカを添加することにより、低圧含浸の可能性を調べた。その結果、シリカの添加は含浸圧の低減化に効果があることが分かった。溶融アルミニウムの多孔体プリフォーム中への、含浸シミュレーションの展開については、実用に耐えうるシミュレーションを構築する上で以下の項目について研究を実施した。(1)いくつかの単純形状のプリフォームモデルを用いて内部にガスが残存しないような一方向充填の最適プロセス条件を明らかにした。(2)圧力低減化可能な含浸条件の最適化を試みた。含浸圧低減化の模索および高速化手法の検討を行った。以前、検討した低圧含浸用プリフォームを用いて、アルミニウム合金の含浸性に対して検討を行った。銅粉末と炭素繊維から作製した低圧含浸用プリフォームを用いて、含浸挙動および緻密化についての検討を行った。また、作製した複合材料の熱伝導性、熱膨張係数を測定し、放熱板への展開を検討した。更に、シリカを含有したアルミナ粒子に対する低圧含浸性についても検討を行った。シリカ成分の含有は、マトリックスがアルミニウムの場合、濡れが良いという利点があるが、一方で反応の制御が問題となる。その為、含浸時の温度、含浸速度を制御する必要がある。そこで、鋳型内雰囲気、真空度制御の実験的検討と、シミュレーションによる最適化を行った。実験による含浸挙動の解析を行った。プリフォーム中の各場所に、熱電対を設置し、低圧含侵時に溶融金属が到達した時に、温度が急激に変化することを利用し、プリフォーム中の溶融金属の含侵挙動を実験的に明らかにした。また、実験とシミュレーションの比較を行い、シミュレーションの妥当性を評価した。過去2年間の研究成果を踏まえ、最適プロセスで作製したカーボン繊維およびアルミナ繊維を用いたアルミニウム複合材料の特性評価およびその発現機構の解明を行った。カーボン長繊維強化複合材料、カーボンナノ繊維強化複合材料の室温の機械的性質(引張強度、伸びおよび剛性)、熱伝導性、電気伝導性、および室温および高温(350°C以下)の熱膨張係数の評価を行った。また、アルミニウムと炭素繊維の反応が熱伝導性に与える影響を明らかにした。機械的、機能的特性に影響を与えるため、組織と諸特性の関係を学理的に明らかにし、製造方法、製造条件が組織や諸特性に与える影響を明らかにした。特に、Cu粉末を添加した長繊維プリフォームに溶融アルミニウムを0.8MPaで含浸させた複合材料は繊維分布の最適化、界面反応の抑制により、繊維軸方向に280W/mKの優れた熱伝導性を有することを明らかにした。また、得られた複合材料の諸特性を向上させるため、カーボンナノ繊維強化複合材料について圧延による二次加工や熱処理の影響を調査した。

その結果、圧延により繊維方向を制御出来ることを明らかにした。得られた結果を基に、放熱板、電気伝導部材、半導体や液晶などの製造装置に利用可能な精密構造材料への利用可能性を明らかにした。アルミナ繊維強化複合材料については、輸送機器などのエンジン周りの部材への適用を念頭に、室温および高温(350°C以下)での機械的性質(引張強度および剛性、伸び)の評価を行った。また、複合材料の微細組織を走査電子顕微鏡、透過電子顕微鏡を用いて観察し、諸特性の発現機構を考察した。特に、アルミナ繊維プリフォーム作製時に用いる結合材にシリカゾルを用いると機能特性向上に効果的であることを明らかにした。得られた知見を基に、更に高機能を有する複合材料の組織のあり方を探り、高機能複合材料を作製する製造法および製造条件の指針を得た。