hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
非拘束測定による術後譫妾の定量評価に関する研究

最終年度は,「重心移動測定により術後譫妄症状を定量評価することが可能であるか判断する」ことを目的とし重心移動の測定を行った。着目したのは,未抽出の術後譫妄症状の抽出と重心移動の大きい譫妄動作の様態と頻度の把握である。動画撮影には前年度に作成した動画撮影ユニットを用い,外科病棟の患者を3日間撮影した。重心移動のデータは,看護師による術後譫妄症状の模擬動作と,外科病棟の実際の患者のデータを測定した。これらの調査や測定では患者4名と看護師6名の模擬動作のデータが取集でき,これを解析した結果以下の結果を得た。(1)看護師が認識している術後譫妄症状以外の新たな症状は見出せなかった。(2)「起居」動作は,「シーツに手を突く」「ベッド柵を握る」等など様々な動作においても1秒あたりの重心移動は大きい。(3)「点滴抜去」のような重心移動が少ないと思われていた上肢の動作においても,重心移動は発生する。(4)動作の内容により横軸優位,縦軸優位(体軸)の重心移動が発生する。これらの結果から,我々が提案する重心移動測定にとる術後譫妄症状の定量評価は,重心移動量や軸移動の特徴から十分有意なレベルで可能であると判断できる。術後譫妄症状と重心移動の定量的な関連付けには,現在のところ,まだ症例数が少なく至っていない。今年度は,患者8名に調査協力を依頼し4名から承諾を受け,そのうち1名が術後譫妄を発症,非承諾者4名中1名が発症した。これまでの調査実施状況の統計から,今後調査研究を2年間継続することで810例のデータ数を収集できることが見込める。このうち25%が譫妄を発症すると仮定をすると,今後2年間で解析に必要な症例数の蓄積が可能である。今回の調査研究では,「1秒あたりの重心移動量」に着目して解析を行ったが,今後「単位時間を数秒から数分,数十分」など設定し時間当たりの移動量の解析,単位時間を設定した「総移動量」の算出,発症前後の比較など,今回収集したデータの解析を継続して行い,定量評価法の確立することが課題として残った。初年度の研究では,術後譫妄を定量的に評価する事を目的として,先ずその症状を具象化する事とデータの測定方法や装置に関する調査研究に主眼を置いた。具象化では,看護師が認識している術後譫妄症状の抽出を,「一般外科手術患者の看護記録」および「看護師(一般外科病棟・集中治療室勤務)へのインタビュー調査」から行った。そして,術後譫妄症状の動作に関して,以下のような結果を得た。(1)「起き上がる」と「上肢が関与している」動作が高頻度である。(2)看護師が気づいていない新たな術後譫妄症状(下肢の動作のような)の存在可能性がある。この結果を踏まえつつ,高齢者の安全監視装置等の先行研究を参考に測定方法について検討を行った。この過程でベッドの重心の移動を計測する装置の存在を知り,本研究への装置の導入に関して開発企業と意見交換を行った。その結果,譫妄症状の動作の中で体幹の動きの様な大きな重心移動を伴う動作の検知に有効であるという結論に至った。重心計測装置を導入することで,装置の開発に必要な時間を大幅に短縮した。重心計測装置はベッドの重心移動のみを記録するもので,患者の行動を記録するものではない。そのため,重心の移動パターンと実際の患者の動きとの関係を対応させる必要がある。また,看護師の多くが認識している「上肢の動き」だけでは,重心の大きな移動が発生しにくいとも予測できるので,重心計測装置による測定には事前調査が必要である。このため,次年度には「起き上がる」等の重心移動の大きい動作が,どの程度の頻度で発生するかを把握する予定である。研究グループでは「動作の大きさ,頻度,好発時間」を調査するために,ネットワークカメラを用いた可動式一体型の動画撮影ユニットを独自にデザインし,その開発も終了した。初年度の研究結果の一部は第31回日本看護研究学会学術集会にて報告する。

これらの結果から,我々が提案する重心移動測定にとる術後譫妄症状の定量評価は,重心移動量や軸移動の特徴から十分有意なレベルで可能であると判断できる。術後譫妄症状と重心移動の定量的な関連付けには,現在のところ,まだ症例数が少なく至っていない。今年度は,患者8名に調査協力を依頼し4名から承諾を受け,そのうち1名が術後譫妄を発症,非承諾者4名中1名が発症した。これまでの調査実施状況の統計から,今後調査研究を2年間継続することで810例のデータ数を収集できることが見込める。このうち25%が譫妄を発症すると仮定をすると,今後2年間で解析に必要な症例数の蓄積が可能である。今回の調査研究では,「1秒あたりの重心移動量」に着目して解析を行ったが,今後「単位時間を数秒から数分,数十分」など設定し時間当たりの移動量の解析,単位時間を設定した「総移動量」の算出,発症前後の比較など,今回収集したデータの解析を継続して行い,定量評価法の確立することが課題として残った。
ガン遺伝子でトランスフォームした魚類不死化細胞株の樹立とその応用

本研究ではガン遺伝子を移入することによって,マダイから分離した白血球を不死化し,培養細胞株の樹立を試みた。また,マダイのイリドウイルスの培養の可能性も検討した。ガン遺伝子発現プラスミドの作製は,ゲノムDNAのC-fosを大腸菌に組み込んで行った。作製したガン遺伝子のC-fosはトランスフェクタム法を用いて,細胞数が2.5×10^6cells/mlのマダイの末梢血白血球に移入した。また,ガン遺伝子を移入せずに同様の操作を行ったものを対照細胞とした。これらの細胞を20°Cで培養し,細胞数を計数して30日間の生残率の推移を調べた。さらに,ガン遺伝子を移入して2日後に,MOIが0.001となるようにイリドウイルスを接種し,随時ウイルス力価を測定してウイルスの増殖性を調べた。また同時に,ウイルス接種細胞の電顕観察も行った。生残率はC-fos移入細胞では,培養25日後まで68.882.5%の間で推移しており,培養30日後に56.1%であった。対照細胞では,培養3日後に80.6%で最高値を示したが,その後は徐々に低下し,培養20日後に50.9%,30日後に42.9%となった。ウイルスの増殖性は,C-fos移入細胞でウイルス接種6時間後に3.051ogTCID_<50>/mlであったが,その後は徐々に低下する傾向を示し,接種7日後にウイルス力価は測定限界以下であった。また,対照細胞でも同様の傾向が認られた。電顕観察では,C-fos移入細胞内にウイルスの感染が認められなかった。以上のことから,ガン遺伝子の移入によってマダイの末梢血白血球は30日以上の培養が可能であることが明らかとなった。しかし,イリドウイルスの感染および増殖は認められなかった。この理由として,長期培養が可能になった細胞のほとんどがイリドウイルスに感受性のないリンパ球であるためだと考えられる。
新物質合成・FETデバイス構造によるフラーレン化合物の電子相制御

本研究の目的は、物質開発と電界効果トランジスタによるキャリヤドープによって、フラーレン物質の新しい機能性を引き出すことである。本研究の中で最も重要な成果は、フラーレンFETにおいて、化学的手法による界面修飾によってホール伝導を実現したことである。まず、フラーレンの薄膜FETの性能を向上させるため、フラーレン蒸着膜を作製した後そのまま高真空下でFET測定を行った。その結果、0.56cm^2/Vsなるn型有機半導体としては最高クラスの易動度を達成した。このデバイス構造において、ゲート絶縁膜を自己組織化単分子膜で修飾することによって、1x10^<12>cm^<-2>程度の面キャリヤ数を制御することに成功した。さらに、自己組織化単分子膜に用いる分子としてフッ化アルキルシランを用いた場合、フラーレントランジスタに両極性的振る舞いが見られることを見出した。この結果は、フラーレンC_<60>FETにホール伝導が観測された最初の例である。また、物質開発の側面からは、2次元的につながったC60ポリマーに30GPaを上回る高圧を印加すると、新しい3次元ポリマーが生成することを見出した.この3次元ポリマー相は、ダイヤモンド90%の体積弾性率をもつ非常に硬い物質であることも明らかになった。希土類をドープしたフラーレン化合物Sm_<2.75>C_<70>の電子密度レベルの精密構造解析を行い、Smイオンを介してC_<70>とC_<70>が結合した二量体構造を見出した。本年度、研究代表者の拠点が北陸先端大から東北大に移動し、主に試料合成設備、デバイス作製装置の立ち上げを行った。一方で、外部との共同研究によって、フラーレン固体の物性に関するフラーレン化合物の構造電子物性の測定とデバイス構造の作製技術の開発を行った。1)フラーレン薄膜を用いた電界効果トランジスタデバイスの作製を行った。高ドープシリコン基板上に熱酸化シリコン膜とし、その上にフラーレンC60薄膜を分子線エピタキシー法(MBE)によって、ボトムゲート型薄膜トランジスタを作製し、易動度0.08cm^2/Vsの値を得た。さらに、C70でもFET作製に成功し、易動度9x10^3cm^2/Vsを得た。両デバイスとも温度の低下とともに易動度は減少し、膜質の向上が不可欠であることを示唆している。2)フラーレンの希土類金属インターカレーション化合物の探索を行った。その中で特に安定な相としてSm3C70を見出し、その電子密度レベルにいたる精密構造を明らかにした。それによると、2つのC70分子がSmによって架橋された二重体構造を持つことが明らかになった。しかも、この二重体構造は、従来のフラーレンが直接結合したものに比べ極めて安定で、850Kまでその構造を保つことを明らかにした。3)金属内包フラーレンLa@C82の薄膜を作製し、その誘電率をはじめて測定した。La@C82の誘電率は約40であり、C60の4.4より一桁程度大きいことを明らかにした。これは分子固有の電気双極子が、分子回転に伴って交流電場に応答できるという、金属内包フラーレン分子特有の現象である。しかも、405Kには誘電率のピークを伴う相転移現象が発見された。熱物性測定の結果から、この相転移は分子の回転の凍結を伴った1次相転移であることも明らかにされた。このように、金属内包フラーレン結晶では、分子回転の自由度による誘導的な機能を有していることが明らかになった。本年度は希土類金属のインターカレーションによって、従来のアルカリ金属の場合からは予想できない新しい電子状態を実現した。一方、フラーレン薄膜の電界効果トランジスタ(FET)の作製法を完成し、以下の成果を得た。1)フラーレンの希土類金属インターカレーション化合物の物性研究を行った。

従来からよく知られているようにアルカリ金属のドーピングはイオン結晶的なフラーレン化合物を形成するが、希土類金属では、それとは異なり共有結合的な結晶を形成する。まず前年明らかにしたSm3C70の二量体構造に対して、高圧を印加することによって1次相転移が発現することを見出した。精密な構造解析によって、この現象の本質が、C70分子の配向整列とSm-C結合による3次元ポリマー的なネットワークの形成にあることが明らかになった。この希土類金属-炭素間結合は、従来とは大きく異なる電子状態をもたらしやすいと期待される。その結果、Eu9C70なる化合物においてTc=39Kで強磁性が発現することを見出した。Eu濃度がEuOなどに比べてはるかに低いにもかかわらず、かなり高いTcが実現できたのは、この結合によっていると考えられる。2)n型の伝導特性を示す有機材料は、一般に空気中で不安定で移動度も低い。フラーレンC60を有機FET材料として見た場合、n型で比較的高移動度を示す材料として非常に重要である。本研究では、C60およびその他のフラーレンの特性、特に本質的な伝導およびトランジスタ特性を明らかにするため、超高真空下で分子線蒸着後、空気にさらすことなくトランジスタ特性を評価する装置システムを構築し、C60の移動度0.6cm2/Vsを実現した。これは、n型有機半導体としては最高の値である。本研究の目的は、従来の研究成果に基づく物質設計・合成とFET(電界効果トランジスタ)デバイス構造の構築によって、フラーレン特有の性質を生かした新しい磁性、誘電性、伝導特性を開発し、三次元分子性固体としての新局面を切り開くことである。それによってフラーレン系の固体物性を支配する基本概念を明らかにするとともに、応用に供し得る電子機能性を探索することである。本研究の最終年度にあたる平成15年度は、以下の成果を得ることが出来た。1)フラーレン3次元ポリマーの生成と物性フラーレンが1次元、あるいは2次元的につながったフラーレンポリマーは、新しい純炭素固体相として従来から非常によく知られている。本研究では、このポリマーに30GPaにおよぶ高圧を印加すると、さらにフラーレン間結合が増えて、3次元的にネットワークを組んだ新しいポリマー相が生成するプロセスを発見した。2)フラーレン薄膜トランジスタの易動度改善有機薄膜トランジスタ材料のうち、ペンタセンなど多くの材料は正孔が伝導をになうp型半導体である。n型の物質の多くは空気中での安定性が悪いため、物質の特性を評価するのは非常に困難であることが知られている。本研究では、薄膜デバイス形成後空気にさらすことなくデバイス特性を評価できるシステムを構築し、フラーレンC60で従来値を7倍更新する0.56cm2/Vsという高易動度を得た。さらに、同システムを使用し、金属内包フラーレンLa2@C80のトランジスタ動作を世界ではじめて報告した。3)フラーレン薄膜トランジスタのキャリヤ制御電界効果トランジスタの伝導チャンネルは、ゲート絶縁膜との界面に集中している。その界面を自己組織化単分子膜によって修飾し、チャンネルでのキャリヤ数を1x10^<12>cm^<-2>のレベルで制御することに成功した。
二点配位型ルイス酸触媒を用いたアセチレン結合の新規活性化法の開発

アセチレン結合はルイス酸や遷移金属錯体などにより活性化されることが知られている。しかしそれらは、ひとつのルイス酸または遷移金属錯体がアセチレン結合の二つのπ-結合のどちらかひとつに配位し活性化するものであり、二つのルイス酸または遷移金属錯体が、それら二つに同時に配位する活性化の例はこれまで知られていない。申請者は前年度の研究で、1,8-dihydroxyanthraquinoneとTi(OiPr)4から調整したビスチタニウム錯体が、カルボニル基に対し極めて高い活性化効果を有していることを見い出している。そこで次にこの錯体をアセチレン結合へのヒドロメタル化反応の活性化剤として用いたところ、反応性の増幅がみられた。なおこの研究の過程で、分子内にビニルシリル部位とアルキン部位を有する基質に対しアルミニウム系ルイス酸を用いて反応を行ったところ、分子内ビニルシリル化反応が極めて効率良く進行し、6及び7員環生成物が収率よく得られることを見い出した。これまで炭素-炭素多重結合へのカルボシリル化反応は極めて報告例が少なく、本反応はルイス酸触媒によるビニルシリル化反応の初めての例である。現在引き続き二点配位型ルイス酸によるアルキンの活性化について検討中である。しかしそれらは、ひとつのルイス酸または遷移金属錯体がアセチレン結合の二つのπ-結合のひとつに1対1で配位し活性化するものであり、二つのルイス酸または遷移金属錯体が、それら二つに同時に配位する2対1による活性化の例はこれまで知られていない。そこでまずモデルを用いた二点配位型ルイス酸のデザインを行い、続いてそれに基づき種々のジオール化合物をテンプレートとして用い、これに様々なタイプのルイス酸を二当量加えることにより、一分子内に二つの金属部位を有する二点配位型ルイス酸を調整した。そしてまず予備実験として、アセチレンよりもルイス塩基性の高いカルボニル化合物を基質として用いて、その二重活性化の効果を調べることにした。その結果、1,8-dihydroxyanthraquinoneとTi(O^iPr)_4から調整したビスチタニウム錯体が極めて高い活性化効果を有していることがわかった。例えば、このビスチタニウム錯体を触媒量用いることにより、4-t-butylcyclohexanoneを室温6時間という穏和な条件下でBu_3SnHにより収率よく還元することに成功した。1-hydroxyanthraquinoneから調製したモノチタニウム錯体、またはTi(O^iPr)_4そのものを用いた対照実験では、生成物は極わずかしか得られないことから、ビスチタニウム錯体がカルボニル基に二点配位し、カルボニル基を二重活性化していることがわかる。現在この二点配位型ルイス酸を用いてアルキンの活性化について検討中である。
蒸気発生器伝熱管内の凝縮を伴う二相流動に関する研究

原子炉の冷却材喪失事故時に生じる蒸気発生器伝熱管内での蒸気の凝縮を模擬した実験を行い、入口プレナム内圧力変動・管軸方向冷却材温度変化を測定した。この結果、以下の知見を得た。1.蒸気供給量が少なく、伝熱管内ですべての蒸気が凝縮する条件では、フラディング発生まで入口プレナム圧力は低く一定に保たれ、フラディング発生後蒸気供給量の増加と共に緩やかに増加した。断熱系で行った実験と比較すると、断熱系の場合に見られた不連続な圧力上昇は見られず、冷却材温度分布からも、凝縮により管軸方向に気相流量が低下し、フラディング発生後も気液混合領域(蒸気の到達領域)が管内全域には広がっていない事がうかがえる。また、入口プレナム圧力は、凝縮水が管上端から排出されはじめるまで上昇し、断熱系の場合のおおむね10倍程度の10kPaに達した。2.蒸気供給量を増加させ、管内全域で凝縮が生じる条件では、入口プレナム圧力の周期的な変動が見られ、蒸気流量の増加とともに周期・振幅・最大圧力とも減少した。圧力の周期的な変動を招く要因として、管内を上向きに流れる蒸気により管内に保持される凝縮水の、凝縮熱伝達に及ぼす影響が挙げられ、本研究により蒸気と凝縮水が混合して存在する場合の、熱伝達率とボイド率の関係が定量的に明らかになった。また、このときの冷却材温度分布から管軸方向ボイド率分布を求めると、蒸気供給量及び冷却材流量により管内に凝縮水が偏在することを見出した。3.管内の凝縮水の偏在、周期的変動を調べるためには、今後更に測定点を増やし(現行では軸方向5点)、さらに精度の高い評価を行うとともに、管内に存在する非凝縮性ガスである空気(原子炉での燃料棒からのFPに相当)による影響を調べていく予定である。
関節リウマチにおけるToll様受容体を介したマクロファージ活性化機構の解明

関節リウマチ(RA)滑膜病変部ではマクロファージの自律的な活性化を認め、その炎症性サイトカインや細胞表面分子の発現亢進は慢性炎症と関節破壊に密接に関与することが明らかにされてきた。Toll様受容体(Toll-like receptor ; TLR)は、マクロファージや樹状細胞が多様な病原体を認識し、炎症性サイトカイン、副刺激分子などの発現を介して感染防御反応を誘導する重要な受容体ファミリーである。近年、TLR2とTLR4が壊死細胞、熱ショック蛋白(Hsp)、低分子ピアルロン酸、フィプロネクチン分解産物などの内因性分子を認識することが報告されている。本研究では、RA滑膜のマクロファージの持続的活性化におけるTLRの役割を検討した。RA末梢血にはIII型Fcγ受容体(CD16)を発現する単球が増加している。これらCD16+単球サブセットはTLR2を強く発現しており、滑膜表層の炎症性マクロフ1アージにはCD16とTLR2の発現が亢進していることを明らかにした。TLR2リガンドはCD16+単球の転写因子NF-κBおよびp38 MAPキナーゼの活性化を誘導し、腫瘍壊死因子(TNF-α)などの炎症性サイトカインやCD80やCD86の副刺激分子の発現を増強した。さらに、TLR2発現増強におけるM-CSFとIL-10の重要性、およびHsp60のRA関節内における内因性TLRリガンドとしての可能性を示した。以上の結果から、TLR2がRA滑膜に浸潤したCD16+単球の炎症性マクロファージへの機能的分化に関与していることが推察された。さらに、RA滑膜マクロファージではマルチリガンド受容体RAGE(receptor for advanced glycation endproducts)の発現が増強されていることを示し、慢性期の滑膜マクロファージの自律的な活性化には、炎症性サイトカイン以外にTLRやRAGEなどのNF-κB活性化能を有する多様な受容体システムが関与し、病態を複雑化させる原因となっていることが示唆された。慢性関節リウマチ(RA)滑膜病変部で活性化されたマクワファージは、腫瘍壊死因子(TNF-α)などの炎症性サイトカインを産生し、慢性炎症と関節破壊に関与する。Toll様受容体(Toll-like receptor ; TLR)は、マクロファージや樹状細胞が多様な病原体を認識し、炎症性サイトカイン、補助機能分子などの発現を誘導する重要な受容体である。近年、TLR-2やTLR4が壊死細胞、熱ショック蛋白(Hsp)、低分子ヒアルロン酸、フィブロネクチン分解産物など内因性物質を認識し、生体内を監視する機能をもつことが示唆されている。本研究の目的は、RA滑膜のマクロファージの持続的活性化および炎症性分子発現におけるTLR-2およびTLR-4の役割を解明することである。RA末梢血にはCD16を発現する単球が増加し、これらCD16+単球は接着因子やケモカイン受容体とともに、TLR-2とTLR-4を強く発現していた。RA滑膜組織では、CD16発現細胞は表層に局在し、TLR-2を強く発現していた。TLR-2の誘導には、M-CSFとIL-10が重要であった。

リポテイコ酸(LTA)の刺激により、接着性マクロファージ(50%以上がCD16陽性)はTNF-α、IL-1β、IL-6、IL-8、IL-12p40、IL-1受容体拮抗物質(IL1Ra)、IL-10など多様なサイトカインを産生し、この反応は主に抗TLR-2抗体により阻害された。また、免疫応答補助分子であるCD80とCD86も誘導した。LTAによるTNF-α産生は、III型Fcγ受容体(CD16)を抗体結合による活性化により増強された。内因的TLRリガンドであるHsp60、ヒアルロン酸、フィブロネクチンのうち、Hsp60がマクロファージのTNF-α産生を有意に誘導し、抗TLR-2抗体と抗TLR-4抗体により部分的に阻害された。LTAは転写因子NF-κBを強く活性した。以上より、RA滑膜の分化型CD16+マクロファージはHsp60などの内因的リガンドによりTLRを介して活性化されている可能性が示唆された。関節リウマチ(RA)末梢血にはCD16を発現する単球が増加し、これらCD16+単球は接着因子やケモカイン受容体とともにToll様受容体(Toll-like receptor ; TLR)のTLR2とTLR4を強く発現していた。RA滑膜組織ではCD16+マクロファージは表層に局在し、TLR2を強く発現していた。TLR2の発現誘導にはM-CSFとIL-10による活性化が重要であった。TLR2リガンドによる刺激により単球・マクロファージは腫瘍壊死因子(TNF-α)などの炎症性サイトカインを産生し、また免疫応答補助分子であるCD80やCD86の発現を増強した。この反応はIII型Fcγ受容体(CD16)の活性化により相乗的に増強された。内因的TLRリガンドであるHsp60によるマクロファージのTNF-α産生にはTLR2とTLR4が関与していた。CD16+単球・マクロファージにおいて、TLR2活性化によりMyD88依存性の転写因子NF-κBとMAPキナーゼの活性化が誘導された。MAPキナーゼではp38キナーゼが最も重要で、p38キナーゼ阻害薬によりマクロファージのTNF-α産生は著明に抑制された。その主要な役割は転写後のmRNA安定化と翻訳促進であることが示唆された。TLR2およびTLR4特異的リガンドにより活性化される遺伝子群には類似しているものが多かったが、一部にそれぞれに特異的な遺伝子群の活性化が起こっていることが判明した。以上より、RA滑膜の高度分化型CD16+マクロファージはHsp60など内因的TLRリガンドにより活性化され、その主要なシグナル伝達経路はNF-κBとp38-MAPキナーゼの活性化であることが明らかになった。
偏光赤外放射光による傾斜ディラックコーンの異方的誘電応答の解明

バルク固体物質では唯一のディラック電子状態を有する高圧力下の有機導体α-(BEDT-TTF)_2I_3について偏光赤外反射スペクトル測定を行うことに成功した。高圧印加によって、ディラック状態に特徴的なエネルギー分散の小さいスペクトルへの変化を観測した。本技術開発のより低温中のダイアモンドアンビルセル内の有機物質微小試料に対して、放射光赤外光を用いた顕微偏光反射測定を行うことが可能になった。本研究は,有機ゼロギャップ半導体α-(BEDT-TTF)_2l_3において埋論的に示唆されている特異な傾斜ディラックコーンの検出に遠赤外分光手法により挑戦し,低エネルギー励起状態や異方的な速度を有する質量ゼロ準粒子状態の解明を目指すものである.本年度は,実験に使用する良質単結晶の作製,キャラクタリゼーションと既存設備を使用した予備的高圧赤外実験を行い,次年度以降の高輝度放射光施設SPring-8を利用した本格実験の準備を中心に行なった.(1)良質単結晶育成とキャラクタリゼーションダイアモンドアンビルを使用する高圧光学実験用に小型ではあるが純良な単結晶,特に結晶表面が清浄な結晶を得ることを目的に単結晶育成を継続的に行なった.いくつかの目的に合致した結晶が得られこれを高圧光学予備実験と磁化抵抗測定による試料評価を行いその品質を確認した.(2)常圧遠赤外分光予備実験高圧実験に先駆けて(1)で作製した単結晶の常圧における光学スペクトル測定を行い,低温非金属相(電荷秩序絶縁体相)での電荷状態,バンド構造を明らかにした.その結果,これまで報告されている実験結果を定量的にも再現し,作製した結晶に高圧を印加することにより,指摘されているディラックコーン状態になることの確証を得た.(3)放射光を利用した高圧遠赤外分光予備実験放射光赤外光を利用した低温高圧遠赤外分光実験の予備実験を行った.SPring-8のBL43IR赤外物性ビームラインで,神戸大学岡村氏,SPring-8池本,森脇氏の協力を得て,このビームラインとして初めてとなる柔らかい有機物質のダイアモンドアンビルセルを用いた高圧赤外実験を行なった.特に試料の高圧封入,ハンドリング技術の向上を目的に実験を行い,予備的な結果を得た.この結果は日本物理学会で発表した.実験結果の再現性を確かめる必要があるが,必要な反射強度を得られることが解った.本研究は、有機ゼロギャップ半導体(BEDT-TTF)2I3において理論的に示唆されている特異な傾斜ディラックコーンの検出に遠赤外分光手法により挑戦し、低エネルギー励起状態や異方的な速度を有する質量ゼロ準粒子状態の解明を目指すものである。平成23年度は、前年度に予備的に行った放射光利用の高圧赤外実験の結果を基にして、ダイヤモンドアンビルセルへの微小有機単結晶の封入と圧力印加方法、偏光導入方法、冷却方法、またダイヤモンドアンビルセル内試料に対する反射率変換、解析手法などの実験遂行に必要な技術課題の検討を行った。以下に本年度の成果を記す。1)ダイヤモンドアンビルセルへの微小有機結晶の封入手法の確立。有機結晶はやわらかく、圧力や歪による状態変化が大きいため、ダイヤモンドアンビルセルへの封入の仕方、光学反射測定のためのアンビル面への取り付け方や圧力媒体の選択が無機物質の場合よりも難しく、高圧光学実験時に困難があった。これらの課題を手法の改良などによりほぼ解決した。しかし、継続的な改善は今後も必要である。2)ダイヤモンドアンビルセル内試料に対する光学反射率解析方法の検討。ダイヤモンドアンビルセル内の試料に対する光学測定において反射率を求めるためには通常の真空界面だけではなく、間にダイヤモンドを挟んだ、真空-ダイヤモンド-試料表面の構造を考慮した反射率解析を行う必要がある。協力研究者の岡村准教授(神戸大学)の協力により、解析方法の検討と確認を行った。以上のような実験技術の蓄積により、放射光利用による高圧力中赤外光学スペクトル実験の準備をほぼ完了することができた。本研究は、有機ゼロギャップ半導体(BEDT-TTF)2I3において理論的に示唆されている特異な傾斜ディラックコーンの検出に遠赤外分光手法により挑戦し、低エネルギー励起状態や異方的な速度を有する質量ゼロ準粒子状態の解明を目指すものである。平成24年度は、本研究の最終年度にあたり、前年度までに行ってきた、予備実験、技術開発を基にして放射光利用の本実験を行い、その実験結果の解析、検討を行った。以下にその実験結果と解析結果について記す。1)高輝度放射光施設SPring-8の赤外ビームラインBL43IRで8GPa, 4Kまでの赤外反射スペクトル測定を行った。得られたスペクトルは、大きな圧力依存性を有し、常圧での電荷秩序状態から高圧力中では半金属的なスペクトルを示した。圧力下のスペクトルは赤外領域でエネルギー依存性が小さく、ディラック状態的な振舞いをしている。また、常圧では電荷秩序転移温度で大きなスペクトル変化があるが、圧力中では室温から4Kの範囲でスペクトル形状の変化が非常に小さく、本物質のディラック状態を反映した振舞いを観測できた。

2)低温高圧力下の赤外スペクトル解析を理論計算と比較して行った。名古屋大学のグループにより、本物質を対象としたディラック状態での光学応答の理論計算が発表されており、実験結果との比較検討を行った。高エネルギー側の振舞は計算と矛盾しない振舞が観測されているが、計算で示されている傾斜ディラックコーン状態を最も特徴づける低エネルギー領域は、今回の実験では到達できないエネルギー領域であることが分かり、この点は実験的に未解決となった。以上のように、本研究により放射光使用による有機物質の高圧力中赤外光学測定は、技術的に可能になった。本物質のディラック状態を光学的に検証、解明するためにはより低エネルギー領域での研究、技術開発が必要であり、今後の課題である。平成23年度においては、ダイアモンドアンビルセルへの試料封入技術を改良することで、実験遂行上の技術的課題を解決するためにSPring-8での実験を3回予定していた。しかし、研究代表者(東北大学)の東日本大震災後の研究実施体制の復旧や実験条件の検討に時間を要したことなどにより当初予定に対してSPring-8での1回分の実験を行うことができず、平成24年度に計画の一部繰り越しを行った。このため、本研究における実験技術の確立に遅れが出ている。しかし、24年度前期への繰り越しの中でほぼ解決するに至っている。24年度が最終年度であるため、記入しない。平成24年度への若干の繰り越しも含む23年度の研究で有機物質に対する放射光高圧赤外スペクトル実験技術の開発はほぼ完了している。今後は、対象とする有機ディラック電子系候補物質である、(BEDT-TTF)2I3の高圧力下赤外スペクトル測定の実行とその解析、理論比較検討を行う予定である。
ナノスマート材料による土壌中放射性元素の迅速濃縮及び不溶化

2011年3月11日に発生した東日本大震災は福島第一原発の事故を引き起こし,そこから漏れ出た放射性物質(特に, 137Cs)による深刻な土壌汚染をもたらした。我々は常温常圧かつ乾燥条件下,ナノ粒子化した鉄/金属カルシウム/酸化カルシウムからなる分散体(Fe-nCa)が重金属類の不溶化や汚染土壌の減容化に効果があることを見出し,本手法を放射性セシウムの除染技術として応用を試みた。様々な検討の結果,放射性セシウムによる実汚染土壌に対して,同条件下で90%以上の除染率と5060%程度の土壌減容化率を達成した。放射性セシウムCsの簡便で確実な処理法の早期開発が切望されている。既存法では,洗浄排水の処分,廃棄物量,あるいは環境中での吸着剤の長期安定性等課題がある。我々は既に,固相であるにも拘らず放射性Csを濃縮可能な新スマート環境浄化材料の開発の可能性を見出した。そこで本研究では,目的に応じた新規複合ナノ材料(=スマート環境浄化材料,Fe/Ca/CaOナノ粉体等)の調製法を確立し,それらの物性把握と効果を検証し,その発現機構の明確化を目的とする。本法は濃縮物の分離や固化も可能であり,常温処理にて減容化できることを特徴とし,"ポリイオン法"に代わる土壌中放射性物質の革新的かつ万能型処理技術となる可能性を秘めている。初年度は,土壌のサンプリング(実汚染土壌として2か所からサンプリング,モデル土壌で3種準備)を行い,成分の定性・定量分析については適切な前処理を行い,JIS法に準拠して求めた。次いで,Ca/各種担体/Fe系分散体の調製法の確立と得られた複合材料の物性評価を行った。著しい効果の認められた材料については,その調製方法並びに配合比率などに関して特許申請準備中であるため,詳細な公開を控えた。各種土壌からの高濃度セシウム含有土壌/浄化土壌の分離比率は,回収された汚染土壌量については30wt%50wt%程度であるが,その中に全セシウム量の70%90%を迅速に濃縮分離可能であることを明らかにした。また,濃縮物からのCs再溶出も全く発生しないことを確認した。土壌に吸着した放射性セシウム(Cs)の簡便で確実な処理方法の早期開発が望まれている。重金属処理技術を転用した処理法では,廃水の処理,吸着剤等の廃棄処分,さらには放射性Csを含む吸着剤の長期安定性等に課題がある。我々は既に,固相に吸着した放射性Csを全く廃水を出すことなく濃縮可能な新スマート環境浄化材料の実用化の可能性を見出した。そこで本研究では,処理状況に応じた新規複合ナノ材料(=スマート環境浄化材料,Fe/Ca/CaOナノ分散体等)の調製法を確立し,それらの物性把握と除染効果を検証し,除染の機構を明らかにすることを目的とする。初年度は,土壌サンプリング,土壌成分の定性・定量分析をJIS法に準拠して行い,さらにナノ分散体の調製法の最適化とその物性把握に努めた。今年度は,引き続きナノ分散体の調製と物性評価を継続した。特に,材料の低コスト化に注力し,大手鉄鋼メーカー2社から入手した鉄粉製品(各1種類)を用いて,ナノ分散体とした薬剤の除染効率を検討した。例えば,S社提供による炉前スラグを用いたナノ分散体では,土壌含水率を510 wt%としたモデル汚染土壌を高速撹拌ミルにより撹拌処理を行うと,約10分の処理によって土壌中のセシウム濃度を46倍程度濃縮することに成功した。また,精錬時に生じる微粉鉄粉を原料とするK社のナノ分散体では,ラボ試験の結果から何ら前処理なく装置内で汚染土壌と直接撹拌混合することにより,約5倍程度の濃縮効果が得られることが明らかとなった。また,用いる鉄粉濃度が,分離された土壌粒径に与える影響についても検討し,100 μm以下,あるいは,20 μm以下など,選択的に土壌粒径の切り分けが可能であることも明らかとした。新規複合ナノ材料(Fe/Ca/CaO等)による汚染土壌の表層被膜の形成により、土壌粒子に強磁性物質を付着させ、土壌と磁石に働く磁力と自重とのバランスにより、全く廃水を発生させずに土壌から高濃度の放射性汚染物(=土壌微粒子)を選択的に分離する新技術の高度化を試みた。今年度は、ベンチスケール機(0.3 t/hrサイズ)を用い、混錬と磁力選別の効果を検証した。研究室による真砂土を利用した最適化では、対象土壌に含まれるシルト成分の95%以上を分離できる条件を見い出していたが、同条件下、福島汚染土壌に対して処理を施すと、わずか3%の回収率に留まった。

この原因として、有機物含有量の差異による遊離水分量の違いが影響したのではないかと考え、水分量を再最適化したところ、55%前後まで回収率が改善した。しかしながら、さらなる高含水条件では、次プロセスの磁力選別の効果を大きく低下させることが懸念されたため、土壌とより強い付着力が期待できる軽量な磁性材料に変更した。検討の結果、福島汚染土に対して、およそ90%以上のシルト成分を分離することに成功した。この新たな条件下では、14,100 Bq/kgの放射性汚染土壌を、処理後に廃棄物のクリアランスレベルを下回る3,400 Bq/kgとすることに成功した。26年度が最終年度であるため、記入しない。環境化学26年度が最終年度であるため、記入しない。研究計画にある土壌サンプリングと物性把握,複合材料の調製と評価,さらにそれらの不溶化効果と磁力選別能力の評価に関する成果を,論文発表や国際学会にて発表した。計画通りに進んでおり,本研究成果を化学工業社の特集号にテーマ「ナノカルシウム鉄による放射性セシウム汚染土壌の乾式除染技術」として発表した。今後は,引き続き,新規ナノ粉体を調製し物性を把握した後に,不溶化試験を行う。今年度はモデル試験機を使い,100 kgサイズの試験を行う。
神経細胞死に関与するグルタミン酸トランスポーターの解析

我々は、ウシ網膜のcDNAライブラリーより、ウシグルタミン酸トランスポーター(GLAST)のcDNAを単離した(サントリ-生物有機科学研究所堺谷政弘先生との共同研究)。この遺伝子は3.8kbで542のアミノ酸をコードしていた。次にこのクローンをアフリカツメガエル卵母細胞に発現させ、voltage clamp法でelectrogenicなグルタミン酸の取り込みを記録したところ、ウシGLASTのグルタミン酸の取り込みに対する親和性Kmは38.1であった。また、in situ hybridization法による解析の結果、GLASTmRNAはBergmann glia細胞、脳の幅広い領域のastrocytes、最終野、脳弓下器官等の脳室周囲器官等に発現していた(国立精神神経センター田中光一先生との共同研究)。また網膜ではGLASTはMuller細胞とastrocyteのグリア系の細胞に発現していた。次に一過性の網膜中心動脈閉塞再潅流のモデルラットを作製し、GLASTの遺伝子発現変化を検討したところ、再潅流48時間後にGLASTのmRNA発現量の顕著な増加を認め、一週間後にはGLASTmRNAの発現はコントロールレベルにまで減少した。さらに抗GLAST抗体を用い、同じ系でGLAST蛋白の局在を免疫組織化学法により検討したところ、Muller細胞はその突起を網膜の殆ど全ての層にわたって伸ばしているが、正常時にはGLAST蛋白の局在はその突起の外網状層、内網状層、神経節細胞層に位置する部分に限局していたが、内顆粒層で神経細胞死が起こっている48時間後には、GLAST蛋白は内顆粒層のMuller細胞の細胞体や突起に強い標識が認められ、再潅流後一週間ではGLAST蛋白は外顆粒層でも認められた。このことは、一過性の網膜虚血、細胞外のグルタミン酸による神経細胞死という過程の中で、Muller細胞に発現するグルタミン酸トランスポーター(GLAST)はそのmRNAの発現量を変化させるばかりでなく、同一細胞の突起内でもその蛋白の局在を変化させ、この病的な状態に機能的に対応しているものと考えられる。
排便を円滑にする腸内細菌叢を育む方法の開発

本研究では、便秘症状を有する成人の腸内細菌叢を解析し、好ましい腸内細菌叢の生育環境を検討することを目的とした。便秘症状を有する1名のボランティアより、糞便を6か月間(1-2回/月)採取し、その6か月後、飲水量を1,500-2,000 ml/日とする介入を1週間行い、その間の糞便を採取した。飲水量を増加することにより、腸内細菌叢の構成は、Bifidobacteriaceae、Bacteroidaceae、Streptococcaceae、Lachnospiraceae、Ruminococcaceae、Verrucomicrobiaceaeに変化が見られ、排便回数と量は増加し、便性状も改善した。Quality of lifeを評価するための健康指標として「排便」は常に注目されている。本研究は、便秘症状を有する成人を対象として、その腸内細菌の正常化により、ヒトが本来備えている力を活かすことにより円滑な便通の実現に至ることを目指している。国際的指標である機能性便秘の診断基準RomeIIIを用い、便秘症状を有する成人の現状を明らかにするにあたり、所属施設における倫理委員会の承認を得た。その後、大学生および教職員189名に調査票を配布し、76名から回収した(回収率40.2%)。回答が不完全であった1名を除外し、女性70名、男性5名の合計75名を対象とした。機能性便秘の有症率は9.3%(7名)で、すべて女性であることが明らかとなった。同時に、糞便採取や輸送方法、腸内細菌叢の培養条件、16S rRNA遺伝子配列を利用した菌の相同性検索方法を検討した。また、Bristol stool scaleを用いて機能性便秘有症者1名の便性状を調査するとともに身長、体重および排便状況を継続的に調査し、腸内細菌叢の解析に向け、提供試料は適切に保存した。本研究は、便秘症状を有する成人を対象として、その腸内細菌の正常化によりヒトが本来備えている力を活かし、円滑な便通の実現に至ることを目指している。ヒトの腸内細菌叢は個体差があり、日々様相が異なるため、平成26年度は、RomeIIIの診断基準にて機能性便秘有症者と判断された成人1名の便を、月に1-2回、5か月間継続的に採取し試料とした。採取した便中の水分量の測定および腸内細菌叢の解析を行い、排便時刻、排便量、排便時の症状とBristol stool scaleにて便性状を調査した。便の水分量は平均67.4%であり、便性状は形状がコロコロで硬く排泄困難、ソーセージ状で表面にヒビ、ソーセージ状で表面が滑らかといった性状であった。排便時の症状は、腹痛および腹満感がもっとも多く、怒責や肛門の閉塞感も生じていた。本実験条件下で培養可能であった150菌株は、16S rRNA遺伝子配列を利用した菌の相同性検索よりおよそ20菌種が同定され、Bacteroides sp.、Bifidobacterium sp.、Lactobacillu sp.などが検出された。特に、排便が5日以上ない場合、総菌数や検出菌種数が減少する傾向が観察されており、更なる検討が必要である。本研究では、人が本来備えている力により円滑な便通の実現に至ることを目指している。これまで便秘症状を有する成人1名の腸内細菌叢を継続的に解析しており、平成27年度は同対象者の1日の飲水量も調査した。対象者の1日の飲水量は、平均1,000mlであったため、飲水量を1,500ml/日以上とする介入を1週間行い、その間の糞便を採取し解析を行った。今年度は高速シーケンス解析を行い、詳細な菌叢解析も行った。飲水量を増加することにより、腸内細菌叢の構成に変化が見られ、Verrucomicrobia門の比率が低くなり、Actinobacteria門の比率が高くなった。便の水分量に変化は見られなかったが、排便回数、排便量は増加し、Bristol stool scaleも改善した。排便時の症状について比較すると、怒責する、腹痛・腹満感があるとの2つの訴えに減少し、肛門の閉塞感が改善されていた。平成26年度は、機能性便秘有症者の試料において、培養での検出が可能な腸内細菌の解析を計画していた。特定の対象の試料を継続的に観察することにより、腸内細菌叢の様相を検討することができ、概ね順調に進展している。臨床看護学平成27年度は、機能性便秘有症者からの試料を継続的に観察するとともに、円滑な便通を整えることができる善玉菌をはじめとした腸内細菌の好生育環境を検討する予定である。

本研究目的を達成するため、平成25年度は成人の排便状況の明確化、平成2526年度は便秘症状を有する成人において培養での検出が可能な腸内細菌叢の解析を計画していた。目標対象数への排便状況の調査より、機能性便秘有症率が明らかとなった。糞便採取や輸送方法、腸内細菌の培養条件、菌種同定方法の検討を行い、腸内細菌叢の解析に向け提供試料を適切に保存し、必要な機器類も予定通りに整え、概ね順調に進展している。所属施設の異動に伴い、吸光マイクロプレートリーダーの購入を保留としたため。機能性便秘有症者の試料を提供いただくためにも、機能性便秘の診断基準であるRomeIIIに基づき排便状況を継続的に調査し、機能性便秘有症者の腸内細菌叢の解析および善玉菌の好生育環境の解析に繋げていく。平成26年度は、これまでの知見を基に提供試料中の腸内細菌を同定し、便秘症状を有する対象の細菌叢の分布を解析する。糞便試料と同様に細菌を適切に保存し、平成27年度はこれらの保存した細菌を用いて、善玉菌の好生育環境を検討する予定である。異動先の施設にある吸光マイクロプレートリーダーの性能を確認した後、使用困難な状態であれば購入する。
昆虫機能を制御する家蚕のホルモン感受性遺伝子の遺伝子工学的手法によるクローニング

カイコの翅原基、脂肪体の吐糸0日、2日目のcDNAライブラリーの作成を行った。翅原基ではさらに、エクジステロイドにより誘導されたものとされないもののcDNAライブラリーの作成も行った。これらのライブラリーはラムダザップシステムに組み込みを行った。カイコのゲノムライブラリーの作成を行った。このライブラリーはラムダダッシュシステムに組み込みを行った。翅原基の異なるステージ、またホルモンにより誘導したものとしないものからmRNAを抽出しそれぞれから集団でcDNAプローブを作成しディファレンシャルスクリーニングを行い、ステージ特異的、またホルモンに誘導されたと考えられる5個のクローンを得た。これらは現在ノーザンハイブリダイゼーションを用いて特異性を検討中である。また、蛋白質の2次元電気泳動法を用いたオートラジオグラフィーにより、翅原基で時期特異的に、またエクダイソンに誘導されるペプチドが検出され、現在発表の準備をしている。ホモロジー検索を行いβ-チューブリンのアミノ酸配列のうち保存性の高い部域でフライマ-を作成しPCRによる増幅を行ったところ増幅されるバンドが検出された。このPCR産物を非RIのプローブとしcDNAライブラリーのスクリーニングを行い、2種のβ-チューブリン遺伝子をクローニングした。このうち1種は時期特異的にまたエクジステロイドに誘導されることが確認でき現在遺伝子構造の解析を行うとともに、発表の準備をしている。カイコの翅原基のcDNAライブラリーの作成を行った。5齢期でエクジステロイドの分泌が開始される時期及びホルモン濃度のピークになる時期、さらに培養下でホルモンを添加した組織、無添加の組織からそれぞれ6種のライブラリーの作成を行った。それぞれの時期の翅原基からmRNAの抽出を行い1本鎖DNA、2本鎖DNAを合成し、λファージに組み込みcDNAライブラリーを作成した。cDNAライブラリーの作成は予定通り成功した。当初失敗を繰り返していたが、mRNAの抽出法を確立した後はスムースに実験の遂行が行われた。それぞれの時期前後の組織からmRNAを抽出し、デファレンシャルスクリーニングを行っている。ライブラリーのファージをアガ-プレートにまき、2枚のナイロン膜に写し取って、それぞれの時期前後の組織のmRNAから作成したcDNAプローブでスクリーニングを行った。1次スクリーニングで陽性のものをさらに、2次、3次までスクリーニングした。現在までに、吐糸2日目、すなわちエクジステロイド濃度がピークになる時期のライブラリーから可能性のあるクローンが得られ、塩基配列の決定を行っている途中である。しかしライブラリーのスクリーニングに当たって、ハイブリダイゼイションの条件決定が非常に困難で現在なお検討中である。条件の検討により、成功率の高いスクリーニングを繰り返して、目的の遺伝子をクローニングしていきたいと考えている。これらは現在ノーザンハリブリダイゼーションを用いて特異性を検討中である。ホモロジー検索を行いβ-チューブリンのアミノ酸配列のうち保存性の高い部域でプライマーを作成しPCRによる増幅を行ったところ増幅されるバンドが検出された。
膝関節の衝撃吸収メカニズムの解析と人工膝関節の開発に関する研究

人工膝関節置換術後の大きな問題であるlooseningの発生については、正常な骨、軟骨を剛性の高い人工関節で置換することで、関節の衝撃吸収能が低下し、骨と人工関節の界面に異常な力が集中することが一因と考えられる。そこで衝撃吸収能にすぐれ、耐久性の高い人工関節を開発する目的で、以下の研究を行なった。まずTKA後の膝関節に歩行などの衝撃力が負荷された場合、その衝撃力がどのように伝達されるかを検討するために、故人及び遺族の同意のもと実験に供せられた新鮮屍体膝を用い、正常膝と人工関節置換膝の落錘衝撃試験を行い、人工関節置換膝では正常膝に比べ、有意に衝撃波の伝達が大きいことを解明した。次に3次元軸対称膝関節モデルを用い、動的有限要素法により行なった落錘衝撃試験を模した衝撃荷重の伝達様式の解析では、人工関節置換膝モデルでは衝撃波は伝播の早期から脛骨コンポーネントのcentral stemに伝播する一方で、脛骨側の海綿骨への伝播は少なかった。応力分布でも荷重部直下の海綿骨では正常膝の約50%の圧縮応力にとどまり、衝撃緩和能を有するとされている海綿骨部でのstress shieldingが生じる一方で、皮質骨部では正常膝の245%もの過剰な応力集中がみられた。このように正常膝と人工関節置換膝では衝撃荷重負荷後の応力分布と衝撃波の伝達様式について明らかな相違が認められた。さらにlooseningがよく発生する脛骨コンポーネントの界面の応力分布やmicromotionを衝撃荷重下の動的有限要素法を用いて解析した。その結果、梁状のkeelを有するタイプの脛骨コンポーネントは応力を分散させ、最大応力値を低減し、また界面の変位を抑え、さらに長いステムを有するタイプのものはmicromotionを抑制することが判明した。今後これらの結果をふまえて、耐久性にすぐれる人工膝関節を開発する予定である。予備実験として新鮮屍体膝を用い、大腿骨遠位10cm、脛骨近位10cmで切断し、皮膚、筋肉などは除去し、骨と関節包と靱帯が温存された試料を作製し、落錘式衝撃試験を施行した。その結果人工関節置換膝では正常膝に比べ、有意に衝撃波の伝達が大きいことが判明した。しかしこの実験系では人工関節そのものや、その周囲の骨組織などへの応力集中や、人工関節と骨の界面に生じる歪みなどの解析が困難であるため、3次元膝関節モデルを作製し動的有限要素プログラムを用い、力学的解析を行った。解析モデル作製のため、膝関節を中心とする大腿骨遠位10cm、脛骨近位10cmの3mm間隔のCT画像を元に、3次元膝関節のソリッドモデルを作製した。さらにことなるデザインの人工関節の脛骨コンポーネントのモデルを作製し、皮質骨、海面骨、軟骨、人工関節の素材など物性の違いにより要素分割した。モデルに衝撃荷重を負荷するために、衝突体に骨軸方向に8m/sの速度を与えて、これをモデルの脛骨下面に衝突させ、この後に発生する応力と歪みを解析した。その結果、正常膝と人工関節置換膝の応力分布の比較では、正常膝に比べ人工関節置換膝では、metal-bone interfaceにおける皮質骨への応力集中を認めた。一方海綿骨部分では応力遮蔽が認められ、これらの現象がlooseningの発生につながる可能性が示唆された。人工関節の脛骨コンポーネントのデザインとして、central stemを有するタイプとkeelを有するタイプを比較すると、応力分布には顕著な差は見られなかったが、荷重軸方向のmicromotionはkeel typeで小さくなっていた。

looseningの生じにくい人工膝関節の開発について、本年度は昨年度に解析を行った2種類のデザインの脛骨コンポーネント(central stemtype ; type1, keel type ; type2)に新たな2種類のデザインのを追加し、新しく導入した衝撃解析用ソプトDYNA3Dを用いて、衝撃荷重条件下の数値解析を行った。追加したデザインは梁状に設計したキ-ルを3方向に皮質骨まで延ばしmetal trayと皮質骨を接触させた形状(type3)とmetal trayの辺縁に皮質骨にかかる3つのペグを有する形状(type4)で、いずれもmetal trayと皮質骨との接合により強固な固定性を持たせ、応力や変形を軽減する効果を期待して作成した。解析は応力分布および相対変位、(micromotion)について解析を行った。応力解析では、その分布は各タイプ間で大きな差はなかったが、最大応力の比較ではtype3,typre4が最大値を抑える傾向がみられ、相対変位の解析ではtype3次いでtypr e4deで最大変位が軽減されていた。今後はmetal-bone interfaceの拘束条件や実際の臨床上問題となる荷重の偏りの影響を考慮して研究を進めていく予定である。また、前述の研究(弾性体の解析)と平行して、粘弾性特性を考慮した有限要素法の開発を行った。まず第一段階として、3要素粘弾性モデルを弾性要素とVolgt粘弾性要素の直列結合と定義し、2次元軸対称膝関節モデルを作成し、衝撃荷重条件下に粘弾性解析および弾性解析を行い、経時的な脛骨内部の応力について比較検討を行った。結果、粘弾性解析では脛骨内部のある部位においては応力の振幅が指数関数的に減衰し、弾性解析と違った結果となった。今後は3次元での解析に発展させていく予定である。前年度までに、人工膝関節で緩みが多く発生する脛骨コンポーネントの形状評価について、応力分布やstemの中心を基準点としたtrayの相対変位による評価を行なってきた。本年度はさらに、looseningの発生につながるmicromotionの立場から、新たなmicromotionの評価法を定義し、粘弾性を考慮した衝撃解析が可能な解析用ソフトLS-DYNA3Dによる有限要素解析を行った。micromotionの評価法として、3次元膝関節モデルにおいて脛骨コンポーネントと骨の界面を接触面として扱い、衝撃荷重負荷前の初期状態ではコンポーネント側の節点に対し同じ座標の骨側の節点を設定した。これらの節点は衝撃荷重負荷後、その材料特性の相違から生じる変形に対応して相対変位を生じることになり、この相対変位をmicromotionと定義した。検討に用いた脛骨コンポーネントの形状は、central stem type,long stemtype、short stem type、two-keel type、three-keel type、thick traytypeの6種類で、それぞれについてmicromotionの平均値、時刻歴応答に対する形状の影響を検討し、さらに荷重に対するコンポーネントの安定性の評価関数を定め最適形状の評価を行った。各タイプ間の比較からステムの長さについてlong stem typeがmicromotionを抑制する傾向が認められたが、trayの厚さやkeelにはmicromotionを抑制する効果はほとんど認められなかった。また評価関数による評価でも同様の結果となった。