hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
骨粗鬆症の臨床疫学研究 : スクリーニング、有病率、及びリスク因子の検討

福岡県S村における検診(男:136、女:435)につき、X線、診察、身体計測、骨密度、臨床検査、生活習慣検査からなる総ての結果のデータベースを完成し、解析を進めている。平成8年度に得た特に興味ある解析結果を以下に示す。骨粗鬆症と同様に年齢と共に増加する骨関節疾患として、変形性膝関節症と変形性脊椎症がある。変形性膝関節症のX線所見別(正常/1度/2-4度)骨密度(g/cm^2)は、男子で0.716/0.697/0.727(P=0.395)、女子で0.572/0.513/0.493(P=0.000)であり、骨粗鬆症と同様に症度が高くなる程骨密度が低いという関係が示唆された。ところが年齢補正値は各々0.706/0.713/0.741(P=0.323),0.544/0.550/0.554(P=0.571)となり、有意ではないものの症度と骨密度は男女共正の相関を示す傾向にある。変形性脊椎症のX線所見別(正常/異常)骨密度は、男子で0.709/0.714(P=0.773)、女子で0.553/0.531(P=0.033)、年齢補正値は各々0.698/0.719(P=0.170),0.537/0.568(P=0.000)となり、変形性膝関節症と同様に症度と骨密度は正の相関を示した。前年度報告した如く、骨粗鬆症では男女共に症度が上がる程骨密度は低値を示し、年齢補正しても結果に変化はない。これらの比較より、骨粗鬆症はその発症において、変形性膝関節症や変形性脊椎症と全く逆の成因に基づいていると考えられる。即ち骨粗鬆症の一次予防は、変形性膝関節症や変形性脊椎症を増加させる可能性がある。これらの知見に基づき、次年度は個々のリスク因子に関し詳細な解析を行う。福岡県S村において、検診受診者571人(男:136人、女:435人)を対象に骨粗鬆症の臨床疫学的研究を行った。X線検査により、骨粗鬆症は男2人(2%)、女28人(7%)、変形性膝関節症は男53人(39%)、女167人(38%)、変形性脊椎症は男90人(67%)、女130人(30%)であった。慈恵医大式骨粗鬆症分類に基づいて判定すると、[正常/境界/軽度以上]の分布は、男96(72%)/26(20%)/11(8%)、女166(39%)/166(39%)/97(23%)であった。各症度での年齢補正骨密度(g/cm^2)は男0.736/0.670/0.608、女0.585/0.543/0.486であり、症度と骨密度は負の関連を示した。一方変形性膝関節症に関しては、年齢補正骨密度は[正常/1度/2-4度]で男0.706/0.713/0.741、女0.544/0.550/0.554、変形性脊椎症に関しては.[正常/異常]で男0.698/0.719、女0.537/0.568であり、症度と正の関連を示した。骨粗鬆症の検診の問診項目である「腰痛」に関する女子の解析では、骨粗鬆症は関連を認めず、一方変形性膝関節症のodds ratio(OR)は1-9(P=0.008)、変形性脊椎症のORは1.6(P=0.04)と、増悪方向に作用する。「膝関節痛」に関しては、骨粗鬆症のORは0.26(P=0.08)と軽減方向に作用するが、変形性膝関節症のORは4.1(P=0.004)、変形性脊椎症のORは1.8(P=0.09)と増悪方向に作用している。骨粗鬆症の予防として提唱されている骨密度の増大は、変形性膝関節症や変形性脊椎症を増加させるという矛盾を有しているようである。研究期間途中に日本骨代謝学会において原発性骨粗鬆症の診断基準が改定されたため、新たなクライテリアに合致させてリスク因子の再解析を行っている。
テトラアザポルフィリン骨格を有する新規ドナー分子の設計・合成及び物性評価

有機分子を構成分子とする分子集合体において新しい興味ある分光学的性質及び磁気・電気的性質を発現させることを目指してテトラアザポルフィリン骨格およびポルフィリン骨格を持つ化合物を合成した。テトラアザポルフィリン骨格を持つ化合物については8個の長領アルキル基を持つ化合物を含む7種の化合物の合成を完了した。これらは液晶性を示すものである。予備的な電導性の測定の結果では高導電性を示さなかったので、今後中心金属を種々変えて検討を行なう予定である。一方、有機溶液に対して十分な溶解度を有し、しかも分子の形状が平面である様な置換基を導入したポルフィンの(W_6O_<19>)^<2->電荷移動錯体結晶の作製に成功し、X線構造解析を行なった。その結果、結晶内でポルフィリン環は平行に積み重なっているものの対イオンが大きすぎて、その影響で面間隔が長くなっており、高導電性は期待できないことが判った。目下、対イオンの大きさが小さい電荷移動錯体の単結晶作りを行なっている。
事前の情報提供に基づく同意制度-遺伝資源の取得と利益配分のための基本要素-

本研究は、生物多様性条約の下で求められているPIC手続きの具体化のための制度要件を明らかにすることを目的としている。それに向けて、今年度は、ボンガイドラインおよびその他の関連する国際法および国内法について最新の動向を把握するとともに、環境条約の実施確保状況について検証した。また、この分野に関わる研究者に聞き取り調査を行うとともに、関連する国内外の研究会合に参加して論議した。法令に関する資料および会議動向は、インターネットを通じて入手するとともに、2003年7月に釧路で開かれたラムサール条約に関する国際ワークショップおよび2004年1月のフランスにおける実地調査とヒアリングによって入手した。また、本研究以外の目的で参加した会議の場も活用した。たとえば、ボンガイドラインと国内法令との関係については、2003年9月に国連大学において開かれた生物遺伝資源に関する国際会議に研究代表者および研究分担者ともに出席し、報告するとともに論議に参加した。また、国連大学高等研究所およびブラジル政府により2003年10月にブラジルで開かれた「パンタナール湿地管理ワークショップ」には、研究分担者が本研究以外の経費で参加を要請されたが、その場を用いて資料を収集するとともに、各国および各機関からの専門家と論議を深めた。また、主要環境条約および主要国際機関によって運営されているミレニアム・エコシステム・アセスメントのうち、法制度に関するセクションおよび生物多様性に関するセクションについて協力を要請され、研究代表者と研究分担者との共同作業によって遺伝資源に関する制度を含めて報告書原案を提出した。なお、国内レベルでも、関連省庁、産業界および関連研究者への聞き取り調査などを行った。以上に加えて、研究分担者は、ワシントン大学における博士論文に基づいて、データの差し替えと最近の動向を反映させる作業を行い、「法は森林を救えるか」という英文の報告書を2003年7月にCIFOR(国際林業調査センター、インドネシア)から出版した。また、8月には、国連大学高等研究所およびキルギス共和国政府の共催による国際ワークショップ「生物安全保障II:中央アジアおよびモンゴルにおける遺伝資源へのアクセスと利益配分、伝統的知識および生物安全性」の企画準備に携わるとともに、報告および論議に加わった。それに向けて、今年度は、ボンガイドラインおよびその他の関連する国際法および国内法について、最新の動向を把握した。法令に関する資料および会議動向は、主に、インターネットを通じて入手するとともに、本研究以外の目的で参加した会議の場も通じて入手した。たとえば、ボンガイドラインを補強する支援措置を探ることおよび遺伝資源利用に伴う利益配分を促進する制度を策定するにあたり開発途上諸国の能力構築を考えることを目的として、国連大学高等研究所および国連環境計画により2002年10月にマレーシアで開かれた「遺伝資源へのアクセスと利益配分のための能力構築対策に関する目標設定会合」には、研究代表者および研究分担者が本研究以外の経費で参加を要請されたが、その場を活用して資料を収集するとともに、各国および各機関からの専門家と論議を深めた。同様に、2003年3月に釧路で開かれた国連研修調査機関と釧路国際湿地センターとの共催による「生物多様性に関する多国間環境条約の実施に関するアジア太平洋地域研修ワークショップ」において、研究代表者は主催者の経費で参加したが、研究分担者は本研究経費で参加し、それぞれ、生物遺伝資源利用に関する国際法制度および遺伝資源利用の際のPIC制度について講演を行い、質疑応答を行った。

以上に加えて、研究分担者は、ワシントン大学における博士論文に基づいて、データの差し替えと最近の動向を反映させる作業を行い、「法は森林を救えるか」という英文の報告書を2003年7月にCIFOR(国際林業調査センター、インドネシア)から出版した。また、8月には、国連大学高等研究所およびキルギス共和国政府の共催による国際ワークショップ「生物安全保障II:中央アジアおよびモンゴルにおける遺伝資源へのアクセスと利益配分、伝統的知識および生物安全性」の企画準備に携わるとともに、報告および論議に加わった。
情報学的手法を用いた癌リンパ節転移の進行形式の研究

(1)頭頚部癌のリンパ節転移に関する研究:リンパ節転移のパターンを検討した。抽出されたパターンについては臨床的経験に反するものではなく、この方法での解析が有望であることが示唆された。(2)T1N0M0期声門癌の放射線治療成績に関する研究:retrospective studyを行った。総治療期間が局所制御に重要な因子であることが示された。(3)再発上咽頭癌に対する再照射症例の研究:retrospective studyを行った。再照射は治療法の一つとなると考えられた。今回の研究には頭頚部癌の中でリンパ節転移・リンパ節再発の比較的多い腫瘍を探し出すことが重要であるため、まず北大病院にて放射線治療を行った頭頚部腫瘍の患者のデータベースを作成した。様々な部位の頭頚部腫瘍の中で、舌癌が放射線治療後のリンパ節転移・リンパ節再発の頻度が比較的高いということが分かった。放射線治療を受けた舌癌患者の、リンパ節転移・リンパ節再発の形式をデータベースにまとめた。今後はどのような情報学的手法を用いるべきか検討を行い、今年度中に学会発表を行う予定である。また、データベース作成により喉頭癌の放射線治療成績がまとまった。当院では、他施設で行われているよりも1回線量を多くし、しかし総治療期間を短縮せずに放射線治療を行っていた。喉頭癌では画線量が多い方が治療成績がよいとする報告が多いが、同時に総治療期間の短縮も行われており、1回線量と総治療期間のどちらが治療成績に影響を与えているのかはっきりしない面があった。当院の治療成績から1画線量の増加がよい治療成績に結びついている可能性が示唆された。この結果について論文作成中である。頭頚部癌では腫瘍内の低酸素領域の存在が再発に関係しているとの報告がある。当院での放射線治療を受けた患者さんで、低酸素領域の存在を知ることのできるFMISO-PETを思考した患者さんで、FMISO-PETの所見と放射線治療後の初期反応を検討し、その結果について学会報告を行った。低酸素領域が存在した部分では、それ以外の部位と比較して放射線治療後の縮小様式が異なることを報告した。昨年度に作成した、北大病院にて放射線治療を行った舌癌の患者のデータベースの解析方法を検討した。Bioinformatics分野で利用されている、Minimus spanning tree(MST)と呼ばれる方法や分子系統樹推定の方法が有望であると思われた。強度変調放射線治療が頭頚部癌で使用されるようになってきている。強度変調放射線治療では、線量分布の実現に自由度が高い反面、どのリンパ節領域の線量を少なくするかによってはリンパ節再発の頻度が増える恐れがある。強度変調放射線治療での再発形式や合併症を検討することで、どのリンパ節領域に転移の頻度が高いかを知ることに加え、線量の適切さ、照射部位の適切さ、などを検討することが可能と思われた。中咽頭癌で頚部リンパ節転移が発生したと判断された症例があったが、すでに転移リンパ節に対する線量が少なくなっていたことが判明し、治療前の病期診断が重要であることが示唆された。また、わずかではあるが、中咽頭後壁の癌で咽頭膿瘍が発生し、上咽頭癌では仮性動脈瘤破裂などの重篤な晩期障害が発生していることを報告した。頚部リンパ節領域で、最初からリンパ節転移がなかった部位に新たにリンパ節転移が発生することは無かった。強度変調放射線治療の再発形式の研究からは、現在の方針であれば頚部リンパ節再発のリスクはかなり低いことが示唆された。しかし、重篤な合併症がわずかとはいえ発生していることが確認できた。今後普及すると思われる治療法であるが、その実施に当たっては十分な注意が必要と思われた。1.前年度までに作成したデータベースを用い、舌癌患者のリンパ節転移・再発のパターンをデータ・マイニングの手法を用いて解析し、臨床に使える情報を引き出すことができるか検討した。1990年から2007年まで舌癌に対して放射線治療を行った患者のうち、リンパ節の情報が分かる186名を対象とし、association analysisを行った。(1)T1-2で同側IVリンパ節へ再発した場合、同側IIIリンパ節へも再発する、(2)同側Ibと同側III番リンパ節へ再発した場合、同側II領域にも再発する、(3)同側IV領域に再発した場合、同側III領域に再発する、といったruleが抽出された。2.上咽頭癌の再発症例に対する治療成績を検討した。再発に対する再照射後の生存率は2年時点で58.5%、5年時点で18.3%であった。再照射後局所制御率は1年時点で67.9%、2年時点で43.1%であった。66Gyの照射後再発に対して65Gy/26回の再照射を行った1例に上咽頭粘膜潰瘍からの出血死を認めた。

累積線量が110Gyを超えると合併症が多いという報告がある一方、再照射線量が60Gy未満では生存率が悪いという報告があり、線量の選択は難しいと思われた。3.T1N0声門癌の治療成績と総治療期間の関係について検討した。北大病院で治療された声門癌T1N0症例201名を対象とし、局所制御率は5年で89.8%、総治療期間が46日以内では91.5%であった。晩期反応は一時的な気管切開を必要とした喉頭浮腫を1名で認めた。65Gy/26回/6.5週は46日以内の総治療期間では良好な局所制御率が得られ、晩期反応の頻度も臨床上問題とはならないと思われた。
ハイブリッドコントローラにおける論理ダイナミクスの設計

本年度は,ハイブリッドシステムのサブクラスである区分的線形システムの安定性の解析,ならびに可安定性の解析を行った.対象とするシステムとしては,特に,2モード・高次の区分的線形システムと多モード・2次の区分的線形システムを扱った.以下,本年度の研究成果三点をそれぞれまとめる.1,2モード・高次システムに対する可安定性解析:前年度導出した2モード・高次システムに対する安定性の十分条件を基に,2モード・高次システムに対する可安定性の十分条件を導出した。前年度までの安定解析の結果は離散コントローラ(論理ダイナミクス)のみの設計指針を与えるものであったが,この結果は,連続・離散混合コントローラ(ハイブリッドコントローラ)に対する設計指針を与える.2,多モード・2次システムに対する安定性解析:このクラスのシステムに対して,原点が安定であるための必要十分条件を導出した.この必要十分条件は,前年度導出した必要十分条件を極と零点の条件として書き直したものである。この新しい必要十分条件は,以前の結果と比較して論理ダイナミクスの設計に対して見通しのよいものとなっている.3,2モード・高次システムの安定条件と多モード・2次システムの安定条件の関係の整理:これまで導出してきた2つのクラスに対する安定性に対する条件を,「遷移モード」,「弱遷移モード」と呼ぶ2つの特性を用いて結びつけた.これは,この研究で得られた結果が,システムのクラスに限定されるものでなくハイブリッドシステムの論理ダイナミクスの設計に対して体系的な枠組みを与えるものとなっていることを示している.本年度は,論理ダイナミクスの設計も含めたハイブリッドコントローラの設計手法確立の第一ステップとして,以下の特徴を持つシステムを対象に研究を行った.1,離散ダイナミクス:状態変数に対してアファインな不等式条件のもとに離散変数が変化する.2,連続ダイナミクス:線形特性を持つダイナミクス.本年度で扱ったシステムは区分的線形システムと呼ばれている.区分的線形システムは,離散・連続ダイナミクスともに単純な形式をしており,離散ダイナミクスの解析に適している.本年度は,制御目標を安定化として,離散ダイナミクスと区分的線形システムの安定性の関係を解析した.具体的には,離散ダイナミクスの次数(モードの数)と連続ダイナミクスの次数ごとに,以下の事項を明らかにした.1,2モード2次のシステムの場合:このとき、切替平面は安定性に影響を与えないことを明らかにした.すなわち,システムの安定性は,離散ダイナミクスの選択とは無関係であり,連続ダイナミクスの選択のみで決定する.よってこの場合,ハイブリッドコントローラは,従来の連続ダイナミクスに対するコントローラ設計方法を適用することで設計できる.2,2モード高次のシステムの場合:このとき,安定性のある必要条件とある十分条件が,制御理論における可検出性の概念によって特徴付けられることを明らかにした.よってこの場合,論理ダイナミクスの設計は,ある可検出性に関する必要条件を満足する。ように選ばなければならない.またさらに得られた十分条件を満足するように論理ダイナミクスを設計すれば,システムの安定性を保証することができる.3,多モード2次の場合:このとき,安定性の必要十分条件が,サブシステムに対する固有値の条件と可観測性に関する条件で特徴付けられることを明らかにした.これも,論理ダイナミクス設計の指針となるものである.本年度は,ハイブリッドシステムのサブクラスである区分的線形システムの安定性の解析,ならびに可安定性の解析を行った.対象とするシステムとしては,特に,2モード・高次の区分的線形システムと多モード・2次の区分的線形システムを扱った.以下,本年度の研究成果三点をそれぞれまとめる.1,2モード・高次システムに対する可安定性解析:前年度導出した2モード・高次システムに対する安定性の十分条件を基に,2モード・高次システムに対する可安定性の十分条件を導出した。この新しい必要十分条件は,以前の結果と比較して論理ダイナミクスの設計に対して見通しのよいものとなっている.3,2モード・高次システムの安定条件と多モード・2次システムの安定条件の関係の整理:これまで導出してきた2つのクラスに対する安定性に対する条件を,「遷移モード」,「弱遷移モード」と呼ぶ2つの特性を用いて結びつけた.これは,この研究で得られた結果が,システムのクラスに限定されるものでなくハイブリッドシステムの論理ダイナミクスの設計に対して体系的な枠組みを与えるものとなっていることを示している.
百日咳菌の宿主特異性に関わる遺伝子の検索

感染過程において特異的に発現する遺伝子群探索を目的として気管支敗血症菌のRIVETシステムと細胞感染モデル実験の検討を行った結果、RIVETシステムには二つの技術的な問題点があることが判明した。一つは、感染開始直後に発現する遺伝子群に選択的に大きな偏りが生じることであり、感染過程で一過的に発現するような遺伝子群の同定は相対的に困難になってしまうと推察された。二つ目はシークエンス反応によるライブラリの同定方法では大規模な網羅的解析が困難なことである。以上の問題点を解決するために、研究計画1)および2)を次のように変更し検討を行った。1)改良型IVETシステムの考案、検討菌体表層に提示される標識蛋白質の遺伝子上流にゲノムライブラリを挿入し、感染過程で発現するライブラリを導入された菌株のみを選択的に回収し、網羅的に解析する改良型IVET法を考案した。細胞感染モデル実験と組み合わせて菌体の回収およびライブラリの抽出などの諸条件の検討を行い、感染過程において経時的に発現する遺伝子群探索に使用できる実験条件を確立した。2)遺伝子間領域のみをプローブとするカスタムアレイの設計および検討IVETシステムで選択回収されたライブラリを網羅的に解析する目的で気管支敗血症菌のゲノム配列情報から遺伝子間領域が100bp長を超える1469領域をプローブとするカスタムアレイを設計した。本アレイの使用条件の検討を行い、網羅的解析に使用できる実験条件を確立した。気管支敗血症菌を三種の動物(マウス、モルモット、ラット)に感染させる感染動物モデル実験系を構築した。感染成立後、肺と気道組織から菌を回収する実験手法および条件も確立した。上記の改良型IVETシステムとカスタムアレイと合わせて、感染動物モデル実験において特異的に発現する遺伝子探索のための全ての実験手法および実験条件の検討が終了した。感染過程において宿主内で特異的に発現する遺伝子群探索を目的として改良型IVET法を開発した。本法は菌体表層に提示される標識蛋白質をコードする遺伝子上流にゲノムライブラリを挿入し感染過程で発現するライブラリ導入菌株のみを選択的に回収し、マイクロアレイを用いた網羅的解析のための材料を提供する。本年度は、培地へのMgSO4添加により気管支敗血症菌の遺伝子発現が変動することを利用して本法の有効性の検討を行った。その結果、MgSO4添加培地で培養したライブラリ導入菌株群からはMg2+イオンによって正に制御される鞭毛遺伝子群が、MgSO4無添加培地で培養したライブラリ導入菌株群からはMg2+イオンによって負に制御される病原性遺伝子斜が、それぞれ選択的に回収されることを確認できた。さらに、既知のプロモーターを導入した菌株とラット感染モデル実験系を用いて本法を行うと、宿主の気管から病原性遺伝子のプロモーターを導入した菌株が選択的に回収されることも確認できた。本法により、これまで解析が困難であった宿主、組織および感染時間など実際の感染環境の様々な違いに応じて発現する遺伝子群の変化を網羅的に解析することが可能になった。昨年度に構築したカスタムアレイと合わせて、感染動物モデル実験(マウス、モルモット、ラット)において特異的に発現する遺伝子探索のための全ての実験手法および実験条件の検討が終了した。研究の成果について、その具体的内容昨年度開発した改良型WET法を用いて調製した試料のマイクロアレイ解析を行い、実験動物感染モデルにおいて気管支敗血症菌が発現する遺伝子を網羅的に同定した。感染1, 3, 9, 15, 30日後のラット気道組織から試料を調製し、感染期間を通じて発現が強く誘導される遺伝子群の中から、百日咳菌や類百日咳菌にはない気管支敗血症菌のみが保持する遺伝子の抽出を行い12の領域が得られた。得られた領域の制御下にある遺伝子をCOG分類より機能予測した結果、遺伝子発現制御に関係する8遺伝子と、付着因子の可能性のある3遺伝子が得られた。一方、既知の病原性遺伝子群発現の経時的変化に注目すると、付着遺伝子fhaB、III型分泌機構関連遺伝子群の感染中の恒常的な発現、付着遺伝子fim2の一過的な発現抑制と毒素遺伝子cyaAの一過的な発現誘導などが観察された。研究の成果の意義、重要性本研究で開発した改良型IVET法により、これまで解析が困難であった宿主、組織および感染時間など実際の感染環境の様々な違いに応じて発現する遺伝子群の変化を網羅的に解析することが可能になった。感染宿主内で発現誘導される遺伝子の同定によって広い宿主域で感染を成立させる気管支敗血症菌特異的因子の候補を提供することができた。今後、候補遺伝子の機能解析を通して宿主域の広い気管支敗血症菌と宿主をヒトに限局した百日咳菌の感染性の違いを明らかにする分子生物学的基礎知見を提供できると考えられる。また、感染経過に伴う病原性遺伝子の発現消長が観察されたことは、発現に影響を及ぼす感染宿主内環境因子が存在することと因子の量的あるいは質的な変動があることを示唆している。これは、感染宿主と病原性細菌の相互作用が経時的に変化することを意味しており、本菌の感染病態を理解する重要な知見と考えられる。
上肢運動リズムを介して下肢歩行運動を安定化できる歩行アシストロボット開発

従来の歩行アシストロボットは、下肢(脚運動)に直接的に駆動力を加えるため、歩行の不自然さやトラブル時の転倒危険性の問題が指摘されてきた。そこで本研究では上肢運動(腕振り)リズムを介して間接的に下肢運動(歩行)リズムを安定化させることで、転倒危険性の低い安全な歩行アシストロボットを世界で初めて開発した。つまり、上肢と下肢のリズム相互同調のなかで、上肢運動リズムの制御を介して歩行の全身体的な安定化を誘導するものである。具体的には、上肢(腕)と下肢(脚)がCPG神経系を介して相互作用することに注目し、上肢運動リズムへの介入から下肢運動リズムに間接的に影響を与えることで、歩行運動の全身体的な動的安定化を実現できる歩行アシストロボットの開発をめざした。平成29年度までに、上肢と下肢のリズム同調によって生成された歩行運動の動的安定性を評価する手法の開発を完了させた。具体的には、腰部や足首に装着された加速度センサを用いて算出される歩行時の腰軌道や足首軌道の時系列データに注目し、この軌道の幾何学的特徴や動的システムとしての時間的相関に基づいて、安定性を定量的に評価する方法であった。さらに歩行アシストロボットをパーキンソン病の加速歩行やすくみ足に適用し、上記の評価手法を適用することで、上肢運動リズムを介して間接的に下肢運動リズムを安定化させる歩行アシストロボットの臨床評価も開始できた。これら成果を踏まえて、平成30年度は、前年度になされた歩行障害への適用とその有効性評価に継続して取り組んだ。特に、臨床評価における信頼性を担保することを目的として、パーキンソン病の患者数を平成29年度の12例から30例に増加させることに成功した。その結果、提案する歩行アシストロボットの臨床的有効性を実証することができた。そこで本研究では上肢運動(腕振り)リズムを介して間接的に下肢運動(歩行)リズムを安定化させることで、転倒の危険性の低い安全な歩行アシストロボットを世界で初めて開発する。具体的には、上肢(腕)運動と下肢(脚)運動がCPG神経系を介して相互に同調することに注目し、上肢運動リズムへの介入から下肢運動リズムに間接的に影響を与えることで、歩行運動の全身体的な動的安定化を実現できる歩行アシストロボットの開発をめざす。平成28年度は、初年度として上肢運動リズムの制御システムの開発(アクチュエータと制御器の開発)に取り組んだ。上肢の駆動システムを開発するために、まず上肢の肩関節の回転運動を駆動するアクチュエータを開発した。これは現状のプロトタイプモデルを発展させる形で、トルク生成のタイミング制御システムとして構築された。このとき上下肢の運動リズムの関係を明らかにするために、両運動リズムの同調プロセスも分析した。そして、この結果に基づいて、上肢と下肢の運動リズム同調を説明する数理モデルを構築した。特に上肢運動リズムへの介入によって下肢の歩行運動を安定化するためには、CPG神経系を介する上下肢の相互同調がグローバルなアトラクタを形成し、その構造安定性を生成する必要があるが、これをCPG同調モデルを拡張することで制御モデルとして実現した。本年度の研究目標は、上肢運動リズムの制御システムを開発することであり、そのために、1)上肢運動リズムの駆動アクチュエータの開発、および、2)上下肢の運動リズムのCPG同調モデルの構築に成功した。その結果、おおむね想定どおりの成果を達成することができた。そこで本研究では上肢運動(腕振り)リズムを介して間接的に下肢運動(歩行)リズムを安定化させることで、転倒危険性の低い安全な歩行アシストロボットを世界で初めて開発する。平成29年度は、前年度の成果を踏まえ、歩行障害への適用とその有効性評価に取り組んだ。特に、上肢と下肢のリズム同調によって生成された歩行運動の動的安定性を評価するために、歩行時の腰軌道や足首軌道の時系列データに注目した。これは腰部や足首に装着された加速度センサを用いて算出される軌跡であり、この軌道の幾何学的特徴や動的システムとしての時間的相関に基づいて安定性を定量的に評価する方法を開発したのである。さらに歩行アシストロボットをパーキンソン病の加速歩行や脳卒中の片麻痺歩行に適用し、上記の評価手法を適用することで、上肢運動リズムを介して間接的に下肢運動リズムを安定化させる歩行アシストロボットの臨床評価も実現できた。これらの結果は歩行安定化に向けて提案手法が有効であることを示している。

本年度の研究目標は、歩行の安定性の評価手法の開発と、それを用いた歩行アシストロボットの臨床評価であるが、そのいずれにも基本的に成功している。その結果、おおむね想定通りの成果を達成することができた。従来の歩行アシストロボットは、下肢(脚運動)に直接的に駆動力を加えるため、歩行の不自然さやトラブル時の転倒危険性の問題が指摘されてきた。そこで本研究では上肢運動(腕振り)リズムを介して間接的に下肢運動(歩行)リズムを安定化させることで、転倒危険性の低い安全な歩行アシストロボットを世界で初めて開発した。つまり、上肢と下肢のリズム相互同調のなかで、上肢運動リズムの制御を介して歩行の全身体的な安定化を誘導するものである。具体的には、上肢(腕)と下肢(脚)がCPG神経系を介して相互作用することに注目し、上肢運動リズムへの介入から下肢運動リズムに間接的に影響を与えることで、歩行運動の全身体的な動的安定化を実現できる歩行アシストロボットの開発をめざした。平成29年度までに、上肢と下肢のリズム同調によって生成された歩行運動の動的安定性を評価する手法の開発を完了させた。具体的には、腰部や足首に装着された加速度センサを用いて算出される歩行時の腰軌道や足首軌道の時系列データに注目し、この軌道の幾何学的特徴や動的システムとしての時間的相関に基づいて、安定性を定量的に評価する方法であった。さらに歩行アシストロボットをパーキンソン病の加速歩行やすくみ足に適用し、上記の評価手法を適用することで、上肢運動リズムを介して間接的に下肢運動リズムを安定化させる歩行アシストロボットの臨床評価も開始できた。これら成果を踏まえて、平成30年度は、前年度になされた歩行障害への適用とその有効性評価に継続して取り組んだ。特に、臨床評価における信頼性を担保することを目的として、パーキンソン病の患者数を平成29年度の12例から30例に増加させることに成功した。その結果、提案する歩行アシストロボットの臨床的有効性を実証することができた。平成29年度は、本ロボットを歩行障害に適用し、その有効性評価(臨床における有効性評価試験)を実施する予定である。具体的には、1)パーキンソン病の歩行安定化への応用、および、2)脳卒中による片麻痺歩行リハビリへの応用に取り組む。上記のように本年度の目標は基本的に達成できているが、臨床評価における患者数に若干の不足がある。本研究を投稿論文として仕上げるためには、サンプル数を現状の10数例から50例以上に増加させる必要がある。上肢運動リズムの駆動アクチュエータを構築する際、その試作回数が当初予定の半分のサイクル数で完了したため、試作に関わる材料費(モーターおよびドライバ回路)が軽減できた。これが次年度使用額が生じた主たる理由である。(理由)歩行の安定性評価の指標の確立に想定以上の時間を要し、臨床評価における十分なサンプル数を集める時間が不足した。そのため年度内に臨床データの収集が完了せず、次年度に繰り越すこととなった。(使用計画)実験方法やデータ分析の方法は既に確立している。そのため次年度において臨床データのサンプル数を10数例から50例以上になるように臨床評価試験を継続することになる。上記の理由で軽減された経費によって、主としてパーキンソン病の加速歩行および脳卒中患者の片麻痺歩行への有効性試験の事例数を増加(変更前60例→変更後80例)させる計画である。
脳ペプチドによる摂食行動の脳制御機構とその進化プロセスの解明

摂食行動は、視床下部や脳幹部に発現する多数の脳ペプチドによって促進的あるいは抑制的に制御されていることが哺乳類を用いた研究により判明してきた。しかしながら、摂食行動の複雑な調節を司る神経機構の進化の過程における変遷については、殆ど判っていない。本研究は、キンギョ、ゼブラフィッシュ、トラフグおよびウシガエルにおける摂食行動の制御機構を明らかにすること、および得られた知見と他の動物における制御機構とを比較検討して、摂食行動の脳制御機構の進化プロセスを考察することを目的とした。本研究では、魚類の摂食行動が生殖や情動行動に関わる脳ペプチドの影響も強く受けながら調節されることを初めて見出した。哺乳類や鳥類の調節機構と大きく異なる機構の存在も見出され、摂食調節の脳制御機構が進化的に変遷してきた可能性が示された。動物にとって摂食行動は、生命の維持と個体の諸活動を支えるエネルギー獲得のため、欠くことのできない最も重要な本能行動である。本研究は、摂食行動の神経ペプチドによる脳制御機構における進化的背景を探ることを目的として、魚類のモデルとして用いたキンギョにおける機構の解明を目指した。本年度では、キンギョの摂食行動を制御する神経ペプチドの機能解析、特に神経ペプチドの相互作用や神経相関の有無についての解析を進めた。その結果、これまで得ていた神経ペプチドY、オレキシン、グレリン、メラニン凝集ホルモンおよびニワトリ型生殖腺刺激ホルモン放出ホルモンIIによる摂食調節作用に加え、ニューロメジンUはコルチコトロピン放出ホルモンによる作用経路を、オクタデカニューロペプチドは黒色素胞刺激ホルモンによる作用経路を、それぞれ介することにより摂食行動を調節することを新たに見出した。また、神経ペプチドYとメラニン凝集ホルモンによる摂食調節作用は互いに拮抗しながら発揮されることが新たに判った。一方、新規に開発した行動追跡方法により神経ペプチドYとオクタデカニューロペプチドはキンギョの自発遊泳行動に深く影響を及ぼすことを示唆するデータを初めて得た。本研究により、神経ペプチドは、キンギョの摂食行動のみならず情動行動の調節にも深く関与する可能性が示唆された。本年度は、摂食行動の脳調節機構の進化過程を探る上で、水生生活を送る両生類幼生の摂食行動に及ぼす神経ペプチドの影響にも注目した。変態の進行とともにオタマジャクシが摂食行動を停止する理由としてコルチコトロピン放出ホルモンによる摂食抑制作用の可能性を示唆するデータを初めて得た。また、コルチコトロピン放出ホルモンは、両生類幼生において、他の動物種と類似した摂食調節作用を有することが判り、今後の研究を進めるにあたり、大きなヒントを得ることになった。本研究は、摂食行動の神経ペプチドによる脳制御機構における進化的背景を探ることを目的として、前年度よりの継続研究としてキンギョにおける脳機構の解明を進め、また、トラフグ、ゼブラフィッシュ及び両生類ウシガエル幼生・成体における機構も解析した。ゼブラフィッシュの摂食行動制御機構を探るための新たな実験系の開発に成功し、また、本年度では、また、キンギョの摂食行動制御機構を解明する研究途中で見出した情動行動に及ぼす神経ペプチドの影響についても新たに探った。その結果、これまでキンギョの摂食行動を調節する作用を見出していた神経ペプチドY、オレキシン、グレリン、オクタデカニューロペプチド、ニューロメディンUおよびニワトリ型生殖腺刺激ホルモン放出ホルモンIIはキンギョの自発遊泳行動に大きな影響を与えることが判り、新規に開発した行動追跡方法と明暗実験水槽における嗜好テストにより神経ペプチドYとオクタデカニューロペプチドは、それぞれ不安緩和作用と不安惹起作用を有することを初めて解明、した。これらの実験データは、キンギョの摂食行動の調節に関与する神経ペプチドが情動行動の調節にも深く関与することを証明するものである。本年度は、摂食行動の脳調節機構の進化過程を探る上で、水生生活を送る両生類幼生と陸上生活を送る両生類成体の摂食行動に及ぼす神経ペプチドの影響にも昨年度に続けて解析した。変態の進行とともにオタマジャクシが摂食行動を停止する理由としてコルチコトロピン放出ホルモンによる摂食抽制作用の可能性を示唆するデータを初めて得た。また、コルチコトロピン放出ホルモンは、両生類幼生および成体において、他の動物種と類似した摂食調節作用を有することが判った。本研究は、摂食行動の神経ペプチドによる脳制御機構における進化的背景を探ることを目的として、研究課題最終年度の研究としてキンギョにおける機構の解明と、ゼブラフィッシュ及び両生類ウシガエル幼生・成体における機構の解析を進めた。

ゼブラフィッシュにおける摂食行動の制御メカニズムはキンギョにおける機構と非常に類似していることが判り、これまでキンギョの摂食行動を調節する作用を見出していた神経ペプチドY、オレキセン、グレリン、オクタデカニューロペプチド、ニューロメディンUおよびニワトリ型生殖腺刺激ホルモン放出ホルモンIIはキンギョの自発遊泳行動に大きな影響を与えることを明らかにした。また、ウシガエルにおいて神経ペプチドYが摂食亢進作用を有することも判った。さらに新規に開発した行動追跡方法と明暗実験水槽における嗜好テストにより摂食行動に影響する神経ペプチドは、情動作用を有することを初めて解明し、食欲と情動との密接な関係を探ることが可能となった。上記の研究遂行によって得られた実験データは、魚類等の非哺乳類において摂食行動の調節に関与する神経ペプチドが情動行動の調節にも深く関与することを証明するものである。これらの研究によって、摂食行動を司る脳内機構として、神経ペプチドによる摂食調節作用は魚類から哺乳類に至る動物において高度に保存されていること、しかし、受容体サブタイプの有無による神経経路は動物種によって異なっていること、さらには、摂食行動は情動行動と密接に関係しながら、制御されていることが新たに判明した。
アトピー性皮膚炎の形成におけるセリンプロテアーゼKLK6の役割の解明

本研究ではKLK6がアトピー性皮膚炎の病態形成に与える影響とそのメカニズムについてKLK6ノックアウト(KO)マウスを用いた研究により明らかにすることを目的とする。最初に野生型マウスとKLK6 KOマウス皮膚を比較し、正常皮膚におけるKLK6の機能を解析した。増殖マーカーであるKi67の免疫染色を行ったところ、野生型マウスと比較してKLK6 KOマウス表皮ではKi67陽性細胞数が有意に低下していた。次に表皮細胞の分化マーカーであるフィラグリン、インボルクリン、ロリクリンの免疫染色を行ったところ、2つのマウス群の表皮で発現に差異は見られなかった。以上の結果から正常表皮においてKLK6は表皮細胞の増殖に寄与する一方で、分化には影響を与えないことが示唆された。次にアトピー性皮膚炎のマウスモデルとしてオキサゾロン誘発皮膚炎モデルを作成した。過去の報告に基づき、感作後にマウス耳介にオキサゾロンを反復塗布することにより耳介腫脹が誘発され、病理組織学的にも表皮肥厚や炎症細胞浸潤が確認された。KLK6の免疫染色を行ったところ、オキサゾロン誘発皮膚炎で肥厚した表皮上層にKLK6の発現が誘導されることが明らかになった。このことはアトピー性皮膚炎患者の表皮でKLK6の発現が増加しているという過去の報告と一致していた。さらに野生型マウスとKLK6 KOマウスの耳介にオキサゾロン誘発皮膚炎を誘導した。2つのマウス群でオキサゾロンに誘発された耳介腫脹を比較したところ、野生型マウスと比較してKLK6 KOマウスでは耳介腫脹が有意に減少していた。このことからKLK6はオキサゾロン誘発皮膚炎の増悪に寄与することが明らかになった。以上の結果からKLK6がアトピー性皮膚炎においても皮膚炎の増悪に関与する可能性が示唆された。アトピー性皮膚炎のマウスモデルとしてオキサゾロン誘発皮膚炎モデルを作成した。一方で皮膚炎の程度にマウス間でばらつきが見られ、アトピー性皮膚炎のマウスモデルの確立に時間を要した。手技の検討により再現性よく皮膚炎が誘導され、安定した結果が得られるようなった。皮膚バリア機能障害時のKLK6を含むKLKsの発現およびKLK6の皮膚バリア機能に与える影響を検討する。テープストリッピングやアセトンは皮膚バリア機能障害を引き起こすことが知られている。野生型マウス皮膚にこれらのバリア機能障害を加えることで、KLK6を含むKLKsの発現が変化するかを定量的PCR、ウエスタンブロット法、免疫染色を行い解析する。さらに野生型マウスおよびKLK6ノックアウトマウス皮膚においてテープストリッピングやアセトンにより皮膚バリア機能障害を惹起する。その後、経時的にtransepidermal water loss (TEWL)を測定し、野生型マウスとKLK6ノックアウトマウスで皮膚バリア機能に差異が見られるか解析する。また経時的に皮膚を回収し、皮膚バリア機能障害時の2次的な皮膚炎に組織学的に差異が見られるかを解析する。

一方で皮膚炎の程度にマウス間でばらつきが見られ、アトピー性皮膚炎のマウスモデルの確立に時間を要した。手技の検討により再現性よく皮膚炎が誘導され、安定した結果が得られるようなった。皮膚バリア機能障害時のKLK6を含むKLKsの発現およびKLK6の皮膚バリア機能に与える影響を検討する。テープストリッピングやアセトンは皮膚バリア機能障害を引き起こすことが知られている。野生型マウス皮膚にこれらのバリア機能障害を加えることで、KLK6を含むKLKsの発現が変化するかを定量的PCR、ウエスタンブロット法、免疫染色を行い解析する。さらに野生型マウスおよびKLK6ノックアウトマウス皮膚においてテープストリッピングやアセトンにより皮膚バリア機能障害を惹起する。その後、経時的にtransepidermal water loss (TEWL)を測定し、野生型マウスとKLK6ノックアウトマウスで皮膚バリア機能に差異が見られるか解析する。また経時的に皮膚を回収し、皮膚バリア機能障害時の2次的な皮膚炎に組織学的に差異が見られるかを解析する。アトピー性皮膚炎のマウスモデルとしてオキサゾロン誘発皮膚炎モデルを作成したが、皮膚炎の程度にマウス間でばらつきが見られ、アトピー性皮膚炎のマウスモデルの確立に時間を要した。このことにより、野生型マウスのオキサゾロン誘発皮膚炎におけるKLK6の発現解析(定量的PCR、ウエスタンブロット法、免疫染色)および野生型マウスとKLK6ノックアウトマウスにおけるオキサゾロン誘発皮膚炎の比較解析(フローサイトメトリーによる各種炎症細胞浸潤の評価、ELISAによる炎症性サイトカインの発現およびマイクロアレイによる網羅的な解析)を予定していたが、これらの実験に遅れが生じた。手技の検討により再現性よく皮膚炎が誘導され、安定した結果が得られるようなったため、次年度にこれらの実験に必要な物品、試薬の購入に充てる予定である。
電子デバイスプロセスを利用した水素分離用金属薄膜の作製

Pd複合膜の支持層部分の作製にフォトリソグラフィを応用した。従来、多孔質セラミック支持体を用いたときには開孔率は約35%であった。一方、本研究でPd層の上に作製した多孔質Ni支持層の開孔率は目標値(50%)を超える50.3%が得られた。開孔率を考慮して求めたPd複合膜水素透過係数(350°C)は、Pd膜での既報値とほぼ一致した。しかし、400°Cより高温で水素雰囲気下ではPdとNiが合金化し複合膜の破壊に結びつくことがわかった。そこで、高融点金属であるRhをPdとNiの拡散抑止層として用いたところ、450°Cでも破壊が生じず使用可能であることを実証した。平滑な樹脂基板上に無電解めっきでPd層を形成した後にレジストを塗布し、簡易なOHPシートを用いたフォトマスクを通して紫外線を照射・現像することでPd層上にレジストパターンを得た。その後AuとNiの電解めっきを行い、レジストと樹脂基板を除去することでPd複合膜を得た。フォトリソグラフィーでPd複合膜作製したとき、ネガ型レジストを用いたときには露光・現像後に電解めっきを実施できずレジストがPd層上に残存しることが確認された。一方、ポジ型レジストを用いたときにはレジストが残存することなく、AuおよびNiの電解めっきを実施でき、多孔質Ni支持体層の形成が確認できた。水素が多孔質Ni支持体層を抵抗なく拡散できるようにするために、機械的強度を保ちつつも細孔開口率を大きくすることを試みた。そのため既存のセラミック支持体と同程度の開口率のNi支持体層を作製し、水素透過係数(膜厚で補正した単位膜厚あたりの水素透過速度)を文献値と比較した。その結果、Ni支持体層の開口率を考慮して算出したPd複合膜の水素透過係数は、ほぼ文献値と同等であり、フォトリソグラフィーにより多孔質支持体層をPd層上に作製した新規なPd複合膜を作製できたと言える。Pdと多孔質Ni支持層は高温下では容易に合金化し,ボイド等が発生することが懸念されるため、Pd層とNi層の間にAuなどをめっきすることで熱拡散抑制層を作製している。水素透過性が時間とともに若干低下したことから、それらの金属間の相互拡散が生じたと言える。作製したPd複合膜の多孔質Ni支持体の微細構造は、インク径170μm、インク間距離30μmのフォトマスクを用いたとき、開孔径160μm、開孔間距離40μmとなり、他のフォトマスクを用いたときも同様にフォトマスクの設計値と実際の多孔質Ni支持体の微細構造には5-10 μm程度の相違が生じた。これは厚みのある基板(3 mm)に露光したため、光源とフォトマスクの密着度が不十分となり、光の広がりが生じたためと考えた。作製したPd複合膜の支持体の開孔率は50.3%と目標値としていた50%を超えており、350°Cにて水素透過試験を実施した結果、開口率を考慮して求めた水素透過係数は試験圧力に依存せずほぼ一定値となり、文献値とほぼ一致した。しかし、400、450°Cでは、圧力上昇に伴い水素透過係数が上昇し、Pd複合膜に欠陥が生じたことがわかった。Pd複合膜の表面観察結果から、多孔質Ni支持体の開孔間より破壊が起きていることが確認できた。そこでPd複合膜の断面をSEM-EDXにて観察したところ、いずれもPdと多孔質支持体層Niの合金化が確認された。PdとNiの拡散防止層のAu層が厚いほど合金化速度を低下できるが、水素雰囲気下でPdとNiの合金化が生じるとPd複合膜が破壊されることがわかった。そこで、Auよりも高融点であり合金化の抑制効果が期待できるRhを拡散抑止層として用いてPd複合膜の作製し、水素透過試験(450°C)を実施した。Rhを用いたPd複合膜では24 h後でも水素透過係数は文献値と一致し、破壊が生じないことがわかった。また試験後のSEM・EDXにて観察結果からも合金化が進行していないことがわかった。以上の結果からPdと多孔質支持層Niが合金化し、Ni層内部に水素が多量に吸蔵されとことでPd複合膜の破壊に至ったと考えられ、実用化には高価なRhにかわる拡散防止層が必要と言える。水素分離用Pd系複合膜は,Pd使用量の削減や水素透過性能の向上を目的として,Pd層のさらなる緻密薄膜化が必要とされている。

しかし,現在使用されている多孔質セラミックス支持体は表面粗度が大きいため,Pd層を薄膜化すると均一な層が出来ず欠陥・ピンポールが発生する。本研究では,従来法とはまったく異なる製膜法であるフォトリソグラフィーを利用する製膜法に注目した。具体的には,平滑な樹脂上にPd薄膜を作製,フォトリソグラフィーで細孔パターンを形成した支持体層を作製し,最後に樹脂を除去してPd複合膜を作製した。いくつかの樹脂基板を試験したが,なかでもABS/ポリカーボネート樹脂基板には無電解めっきでPdが良好に付着した。この樹脂基板上にPd層を形成し,Pd層上にネガ型およびポジ型のレジストをスピン塗布した。その後,露光・現像処理を行い、支持体層(電解Auめっき・電解Niめっきによる)を作製した。さらにレジストの剥離,樹脂の除去を実施した。まずネガ型レジストを用いレジストパターンを作製したが,支持体層作製のためにAu電解めっきを行ったが,電流は全く流れなかった。その原因として,フォトマスク(簡易的にOHPシートを使用)のマスク部分にも一部の光が透過したため,一部のレジストが溶解せず固化したと考えた。そこでネガ型に変えてポジ型レジストについても検討した。スピン塗布で回転数の増加に伴い膜厚が減少し、2500 rpmの時に17 μm程度の膜厚が得られた。露光・現像工程では露光条件を変化させた結果,50 s以上の条件ではレジストを十分に除去することができた。また,支持体作製工程のAuめっき(50 nm)では、めっき前後で明らかに色の変化が確認でき,Auが析出していた。Niめっきではレジストパターン部分以外のPd上にレジストよりも大きい膜厚の多孔質Ni層(約50 μm)を得ることができた。多孔質Ni支持層の抵抗が小さくなるような構造(開口率、細孔径、層の膜厚)を設計することを目的として、細孔構造はSEM観察、さらにはポロシメーターにより細孔径分布や細孔容積の測定等で評価する計画であったが、本年度は実施できなかった。これは当初使用予定であったレジストがメーカー側の理由で入手困難となったため、別メーカーからレジストを入手し製膜条件を一から見直しを迫られたためである。以下に示す研究項目の達成状況から判断した。製膜後パラジウム薄膜から剥離が容易な基材としては,表面粗度が小さく,無電解めっき(化学反応)の触媒となるパラジウム超微粒子が高密度で付着可能なことが要件である。市販のABS樹脂,ポリカーボネートなどのプラスチック素材を対象に,熱処理による変形の有無,有機溶剤への可溶性などを調べ,最適な基材としてABS/ポリカーボネート樹脂を選定できた。光露光技術における最適なレジスト材の選択するにあたり,ポジ型およびネガ型の両方のレジストを使用して比較検討した結果,簡易的なOHPシートを用いたマスクであったためにマスク部分での光透過が問題となり,ポジ型が良好な結果が得られた。また,レジスト層の厚みが多孔質Ni支持層の厚みとなるため,支持層として十分な強度が得られるであろう50 μm程度の厚みを目標にレジスト層を作製した。その結果,レジストは17 μm程度であったが,最終的には50 μm程度の多孔質Ni支持層を形成できた。フォトレジスト法によるPd上への多孔質Ni支持層の作製では,パターン形成にはフォトマスクが必要である。ここでは,予算の関係からOHPシートを用い高解像度プリンターによる印刷でフォトマスクを作製した。フォトレジストで支持層の細孔構造のパターニングが可能となり,支持層となる多孔質Ni層(50 μm)をめっき法で形成できることを実証できた。平成24年度までに得られた結果を基にして,平成25年度は以下の事項の研究を実施する。水素が多孔質Ni支持体層を抵抗なく拡散できるようにするために、機械的強度を保ちつつも細孔開口率を大きくすることを試みる。
光パルス誘起フォノンによる非晶質固体の局所構造変化に関する研究

非晶質固体中の局在中心の極低温における光学的ホールスペクトルをモニターしながら、光パルス誘起フォノンを作用させてホールスペクトルの変化を観測するという最終段階には残念ながら到らなかった。しかしながら、1)非平衡フォノン誘起用光源としての色素レーザーアンプシステム及びチタンサファイアレーザーの製作及び整備、2)非晶質ホスト中の色素分子における低振動数モードに関するラマン散乱の共鳴効果及びパルス誘導光散乱強度の共鳴増大の確認、3)半導体レーザーを用いたホールバーニング分光システムの作製、という前段階的研究を行なってきた。フォノン誘起用光源としては、尖頭出力100kWが得られ、パルス誘導光散乱の観測には有効であるが、当初目的の達成のためにはさらに出力の増大を図る必要があり、また、アンプシステムの揺らぎの改善も残された課題である。共鳴効果の測定に関しては、局在中心として色素を媒質中にいれ、色素の吸収バンドにレーザー光の波長を近づけることにより、ラマン散乱測定及びパルス誘導光散乱測定のいずれにおいても共鳴増大が見いだされた。特徴的なこととして、ホスト媒質の振動モードが共鳴効果により強く誘起されるが、ホスト媒質の分子内振動に比べ、色素のまわりの局所的なネットワークに由来すると思われる低振動数モードが格段に増強されることが見いだされた。このことは、共鳴を通じ、色素のまわりの局所構造を変化させるという本研究の目的達成にとって有利な事象であると考えられる。現在、先に述べたフォノン誘起光源の出力増強を図るとともに、ホールスペクトルのモニター及び共鳴効果を引き起こすのに適した試料の探索を行ないつつ、最終段階へ向けた研究が進行中である。
高融点金属のナノ構造制御による高エネルギー粒子照射特性の改善に関する研究

これまでの研究で従来のW合金ではHeイオン照射により材料内部のHeが高密度に蓄積してしまい、レンズ型バブルを形成して表面剥離が発生してしまった。それに対して、我々のこれまでの実験によりメカニカルアロイング法で作製W-TiC分散型合金では、注入したHeを飛程領域外に分散させることにより飛程領域のHe濃度を低下させ、レンズ型バブルの形成を防ぎ、表面剥離を抑制する可能性が考えられていた。このようなW-TiC分散型合金の注入Heを分散する性質は、材料中の微細な結晶構造、特に高密度に存在する粒界により発現していると考えられた。そこで、W-TiC分散型合金に対して熱処理などで結晶粒径の調整を行い、Heイオン照射試験およびTDS試験を用いて、W-TiC分散型合金のHeイオン照射による表面剥離抑制効果について結晶粒径と微細組織の観点から検討を行った。作製した各試料に対して、Heイオン照射を室温にて5×10^<21>He/m^2行い、1500°CまでのTDS(昇温脱離)試験を行い、Heの表面への蓄積挙動を検討した。結晶粒径が小さくなるほど、Heの放出開始温度は低いこと、結晶粒径が飛程より小さい領域と大きい領域では放出量が異なることが分かった。これは、結晶粒径が飛程よりも小さい領域ではHeが粒界拡散により放出に至るのに対して、結晶粒径が飛程よりも大きい領域ではHeが粒内拡散により放出するからだと考えた。これより、注入Heの飛程領域から表面までの拡散および放出のプロセスでは、結晶粒径が大きく影響をしていると考えられた。粒界から表面までの拡散のプロセスよりもHeイオン照射時の飛程領域におけるバブル成長挙動のほうが、表面剥離発生の可否に大きく影響している可能性示唆された。結晶粒径が少なくとも0.5μmよりも小さくなければ、Heイオン照射による表面剥離の抑制効果は現れない可能性が示唆された。