hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
固体^<19>F-NMRを用いたチャンネル型膜蛋白質微細構造の解明

前培養の培養状態をそろえ、530nmと660nmでの光学密度をモニターしながらフルオロトリプトファンを投入することによって再現性よくタンパクが生産できるようになった。フルオロトリプトファンは生産の阻害をしている可能性があり、生産量はそれほど向上しなかった。炭素-13原子に関してはトリプトファンインドール環の4位を標識したトリプトファンを投与し、生産を試みている。フルオロ化バクテリオロドプシンについてはプロトンポンプ能、MALDI-TOF型のマススペクトル、固体13-Cおよび19-F NMRの測定を試みた。いずれのタンパク質もプロトンポンプ能を持つことは確認した。マススペクトルは膜画分をそのまま用いて測定したところ、4-フルオロおよび5-フルオロトリプトファンを含有するタンパクは分子イオンピークを観測できたが、6-フルオロの場合、観測出来ていない。スクロースグランジエントの挙動を見ても6-フルオロトリプトファン含有タンパクは比重が軽く、膜への発現の状況が他のタンパクと異なることが示唆された。固体13-C NMRではカルボニル炭素がよく見え、かなりのタンパク濃度であることが分かった。固体19-F NMRはMASを試みたところ、意外に緩和時間が長いことが分かった。これまで、バクテリオ口ドプシンについて4F、5F、6F-トリプトファンを導入することに成功した。その中で6F-トリプトファンを取り込んだものについてはスクロースグラジェントやMALDI-TOF MSの挙動から蛋白質と膜との複合的な構造に根本的な違いがある可能性が示唆されていた。通常のバクテリオ口ドプシンは膜上に3量体構造を並べた形の2次元結晶を作っていることが知られており、6F-トリプトファンを導入したものについてはその構造が崩れている可能性が考えられた。そこで、これら3種のF-トリプトファン含有バクテリオロドプシンのX線回折実験およびCDの測定を行ったところ6F-トリプファン含有パクリオロドプシンについてはX線回折像が全く得られず、またCDスペクトルからも非結晶性であることが明らかとなった。以上の結果を踏まえると6F-トリプトファン含有バクテリオロドプシンのMALDI-TOF MSが測定できないのは蛋白と膜を構成している脂質との相互作用に原因がある可能性があるので、アセトニトリル処理で膜を除去したところ、ワイルドタイプのバクテリオロドプシンと同様のMSスペクトルが得られることが分かった。これらの結果から6F-トリブトファン含有バクテリオロドプシンは膜上で3量体構造を取らないと考えられる。核間距離の測定をめざして、レチナールク口モフォアのシクロヘキセニル部分をCF_3基を持つベンゼン環に置換した化合物を合成し、5Fおよび6F-トリプトファンを含むオプシンとの再構成を行い、5Fの場合は成功した。このサンプルについてRFDRタイプの実験を試みたところ双極子相互作用によるものと考えられる磁化移動が観測できた。6F-トリプトファンを含むオプシンを用いて再構成を試みたところ合成レチナールク口モフォアは入らず、新たに-75ppm付近に化学シフトが変化した化合物を含む物質を生成した。
咽頭癌に対する分子生物学的アプローチによるサイクリンD1と予後との関連

Cyclin D1はG1-S期の進行に必要とされる細胞周期調節因子である。また、cyclin D1はcdkやPCNAなどの細胞周期をつかさどる蛋白と結合し、この増幅が不死化のキーポイントであると考えた。Cyclin D1mRNAおよびcdk4mRNAの増幅を未治療の生検材料を用いて検索するため、鋭敏なin situ RT-PCR法を使用した。CyclinD1蛋白の過剰発現、PCNA蛋白の過剰発現をみるためにモノクローナル抗体を使用して免疫組織学的手法も追加した。Cyclin D1 mRNAの増幅は40%に、cdk4 mRNAの増幅は25%に、cyclin D1蛋白の過剰発現は50%にPCNA蛋白の過剰発現は48%にみられた。この発現と予後をretrospectiveに評価し、細胞組織学的悪性度および癌転移の物理的防御機構の相関を調べた。この結果と年齢,病期分類、組織分化度、リンパ節転移に相関はなかったが、Cyclin D1 mRNAとcdk4 mRNAの過剰増幅には有意の相関がみられた.これは、両者は細胞周期の同時期に増幅されるということを示唆した。PCNAの発現とcyclin D1 mRNA、cdk4 mRCyclin D1はG1-S期の進行に必要とされる細胞周期調節因子である。PCNAの発現とcyclin D1 mRNA、cdk4 mRp53蛋白からp21遺伝子へと進む経路とRb遺伝子がG1-S期移行の抑制に働くのをリン酸化して不活化する経路の接点にCyclinD1があり、この増幅が不死化のキ-ポイントであると考えた。1.咽頭癌患者の未治療の生検材料を用いてRT-PCRにより得られたHuman cDNAライブラリーを作成した。これより作成したCyclinD1のantisenceをprobeとしてIn situ hybridizationを行いm-RNAの増幅を蛍光顕微鏡にてFISH画像解析システムを用いて染色体レベルで検索することにより発現部位を固定した。その結果、咽頭癌の35.4%に過剰発現がみられた。病期、転移、予後との関係をみると病期では進行するほど、リンパ節転移ではNスコアーが増すほど過剰発現が多くみられる傾向があった。またHuman cDNAライブラリーを再発時に作成したものは過剰発現がみられたことから、細胞内の染色体DNAがより損傷を受けたときに、よりp53が増加し、それを受けてp21量が増加する。これに対応してp21が細胞周期のG1期からS期に必要なCyclin/Cdkに結合してその活性を阻害し、DNAに損傷をうけた細胞がS期へ移行を阻止するcheck pointが破綻した結果と考えた。野生型P53はP21の発現を誘導してCyclin/Cdkの活性を阻害することにより細胞周期の進行を止めていると考えられるが、変異型p53ではp21の発現は誘導されず、細胞周期の進行に抑制がかからなくなり癌細胞の増殖に促進的に作用するためと考えた。2.臨床材料を直ちに処理し、In situ PCR法により切片上でCyclinD1の発現を検出し臨床の場へとフィードバックすることによりハイリスク群の指標とした。PCNAの発現とcyclin Dl mRNA、cdk4 mRNAの増幅、cyclin D1蛋白の過剰発現の間にそれぞれ有意の相関があった.この結果から、cyclin D1やcdk4が細胞周期を調節する重要な働きがあることを示唆された。またHuman cDNAライブラリーを再発時に作成したものは過剰発現がみられたことから、細胞内の染色体DNAがより損傷を受けたときにp53が増加し、それを受けてp21量が増加する。

これに対応してp21が細胞周期のGl期からS期に必要なCyclin/Cdkに結合してその活性を阻害し、DNAに損傷をうけた細胞がS期へ移行を阻止するcheck pointが破綻した結果と考えた。
骨髄異形成症候群における細胞周期調節機構の解析

骨髄異形成症候群から白血病化する過程における造血細胞の細胞増殖分化機構の破綻の機序をlate G1期を中心とした細胞周期調節の観点から明らかにすることを目的として、骨髄異形成症候群由来のSKM-1細胞を用い、GM-CSFとTGF-β1とのサイトカイン相互作用をG1期細胞周期制御の観点から分子レベルで解析した。【方法】SKM-1細胞をGM-CSFおよびTGF-β1の存在下、非存在下で培養し、3H-thymidineの取り込みを測定し、細胞増殖を検討すると共に、Propidium iodide(PI)によりflow cytometoryで細胞周期の解析を行った。次に各種条件下で培養したSKM-1細胞からRNAを抽出し、細胞周期関連遺伝子の発現をRT-PCR法で検討した。【結果】SKM-1細胞はTGF-β1の添加により濃度依存性に細胞増殖が抑制されてG1 arrestをきたした。RT-PCRの結果、このG1 arrestに一致してcyclin D2,cdk 4,6の発現抑制が認められたが、cyclin D1,D3,cdk 2の発現には変化がみられなかった。一方、GM-CSF存在下ではTGF-β1のSKM-1に対する細胞増殖抑制作用および細胞周期停止作用は観察されず、TGF-β1の単独存在下で発現抑制のみられたcyclin D2,cdk 6遺伝子の発現が回復した。しかし、TGF-β1によるcdk 4遺伝子の発現抑制はGM-CSF存在下でも継続して観察された。【考案】骨髄異形成症候群由来のSKM-1細胞において、cyclin D2,cdk 6遺伝子を介する相互作用を通して、GM-CSFはTGF-β1によるG1期停止作用を解除するものと考えられた。cyclin D2,cdk 6遺伝子を介する細胞周期活性化機構の存在は今まで知られておらず、このpathwayが骨髄異形成症候群の白血化に関与する可能性が有るものと考えられた。1)SKM-1細胞増殖におよぼすTGF-βとGM-CSFの影響:骨髄異形成症候群由来のSKM-1細胞(2X10^4)を96穴プレート、10%FCS RPMI1640培養液中で造血因子非存在下、TGF-β存在下(10ng-50ng/ml)、GM-CSF(20ng/ml)存在下、TGF-βとGM-CSFの同時存在下で1-5日間培養し[^3H]Thymidineの取り込みを測定し細胞増殖を検討した。SKM-1細胞は造血因子の非存在下で増殖するとともにGM-CSF(20ng/ml)により軽度の増殖促進が観察された。一方、SKM-1細胞はTGF-βにより培養2日目より濃度依存性に細胞増殖が抑制され、その抑制効果はTGF-β25ng/mlで最大に達した。しかし、このSKM-1細胞に対するTGF-βの抑制効果はGM-CSF(20ng/ml)を同時に存在することにより全く認められなくなった。つまり、SKM-1細胞において正の造血因子(GM-CSF)と負の造血因子(TGF-β)の相互作用が観察された。2)Propidium Iodide(PI)法による細胞周期の解析:1)で観察された正の造血因子(GM-CSF)と負の造血因子(TGF-β)の相互作用を細胞周期の観点から解析するために、各種の培養条件下から回収した1X10^6のSKM-1細胞を70%エタノールで固定後、PBSで洗浄し、RNAseを添加後P I染色してflow cytometryで細胞周期の解析を行った。

その結果、SKM-1細胞はTGF-βの添加によりG1休止することが明らかとなった。さらに、GM-CSFを同時添加することによりTGF-βの存在下でもSKM-1細胞のG1休止は認められなかった。従って、GM-CSFによるTGF-βのSKM-1細胞に対する増殖抑制の解除はGM-CSFがTGF-βのG1休止作用を抑制することによるものと考えられた。骨髄異形成症候群から白血病化する過程における造血細胞の細胞増殖分化機構の破綻の機序をlate G1期を中心とした細胞周期調節の観点から明らかにすることを目的として、骨髄異形成症候群由来のSKM-1脂肪を用い、GM-CSFとTGF-β1とのサイトカイン相互作用をG1期細胞周期制御の観点から分子レベルで解析した。【方法】SKM-1細胞をGM-CSFおよびTGF-β1の存在下、非存在下で培養し、3H-thymidineの取り込みを測定し、脂肪増殖を検討すると共に、Propidium iodide(PI)によりflow cytometoryで細胞周期の解析を行った。次に各種条件下で培養したSKM-1細胞からRNAを抽出し、細胞周期関連遺伝子の発現をRT-PCR法で検討した。【結果】SKM-1細胞はTGF-β1の添加により濃度依存性に細胞増殖が抑制されてG1 arrestをきたした。RT-PCRの結果、このG1 arrestに一致してcyclin D2,cdk 4,6の発現抑制が認められたが、cyclin D1,D3,cdk 2の発現には変化がみられなかった。一方、GM-CSF存在下ではTGF-β1のSKM-1に対する細胞増殖抑制作用および細胞周期停止作用は観察されず、TGF-β1の単独存在下で発現抑制のみられたcyclin D2,cdk 6遺伝子の発現が回復した。しかし、TGF-β1によるcdk 4遺伝子の発現抑制はGM-CSF存在下でも継続して観察された。【考案】骨髄異形成症候群由来のSKM-1細胞において、cyclin D2,cdk 6遺伝子を介する相互作用を通して、GM-CSFはTGF-β1によるG1期停止作用を解除するものと考えられた。cyclin D2,cdk 6遺伝子を介する細胞周期活性化機構の存在は今まで知られておらず、このpathwayが骨髄異形成症候群の白血化に関与する可能性が有るものと考えられた。
蘇生後低酸素脳症患者の急性期病態の解明

我々は平成15、16年度の研究で、脳表微小循環(脳血流量、動静脈血管径、脳酸素消費量、脳温度)を、同一部位で、同時に、無侵襲で、しかもリアルタイムに測定することができる顕微分光分析システムの開発に世界に先駆けて成功した。我々は独自に開発したこのシステムを用い、(1)血流再開直後の脳微小循環の変化を経時的に測定し、砂ネズミ前脳30分虚血モデルが人間の低酸素脳症の病態に酷似していること、(2)5分、15分虚血モデルと30分虚血モデルとでは、虚血再灌流後の脳血流、動静脈血管径、脳酸素消費量の変化パターンが全く異なること、を明らかにした(2005年3月日本神経外傷学会で発表)。平成17年度は、(1)虚血再灌流後の脳血流、動静脈血管径の経時的変化だけでなく、脳実質の温度も測定し、長時間虚血後での脳細胞の代謝について検討した。その結果、5分虚血群と15分虚血群では再灌流15分後に約1°Cの一過性脳温上昇を認めるだけで、その後速やかに前値に復したのに対して、30分虚血群では再灌流15分後に2°C以上の急激な脳温上昇を認め、下降後も前値より約1°C高い状態が遷延した。(2)再灌流後に高温状態が持続する30分虚血群で、脳組織が好気的代謝を行っているかどうかを確認するために、3群とも再灌流12時間後にTTC染色を行ってミトコンドリアでの好気的代謝の有無を検討した。その結果、3群とも脳の全領域が全く同程度に赤く染色され、30分虚血群といえども12時間後にミトコンドリアの好気的代謝が十分に行われていることが判明した((1)(2)については2005年10月日本救急医学会総会、11月米国神経外傷学会で発表)。(3)さらに3群で体性感覚誘発電位(SEP)及び脳波の虚血再灌流後の経時的変化を測定し、30分虚血群でも神経細胞としての機能が維持されているかどうかについて検討した。その結果、30分虚血群でも再灌流1時間後には5分虚血群・15分虚血群と同様にSEP及び脳波は回復するが、その後減弱して行き、やがてフラットになって神経細胞としての機能が消失することが判明した(2006年9月米国外傷学会で発表)。以上の実験結果から、5分虚血群、15分虚血群と30分虚血群とでは脳虚血再灌流後、全く異なる変化を示すことが明らかになった。長時間の虚血再潅流では脳温と脳血流の不均衡な回復のため脳が傷害され、神経学的予後、生命予後に影響していると考えられた。

長時間の虚血再潅流では脳温と脳血流の不均衡な回復のため脳が傷害され、神経学的予後、生命予後に影響していると考えられた。我々は、CPA蘇生後の脳血流量の経時的変化と神経学的予後の関係を明らかにするため、蘇生後脳症患者8例に対して蘇生直後から1週間内の脳血流動態をXe-CTを用いて経時的に測定し、併せて脳酸素代謝の経時的変化を観察して神経学的予後との関係を検討した。その結果、1.蘇生後脳症の脳血流量は、蘇生直後は正常範囲内に維持されているが、蘇生後8-24時間内に低下し、24-48時間内に正常化した後、1週間目までは低値の状態が続いた。2.脳血流の変動パターンは蘇生後脳症患者の神経学的予後によって相違を認めなかった。3.予後良好群では脳血流量の変化によらず、脳酸素消費量(CMRO_2)は蘇生直後から低く保たれ、相対的な需要-供給の均衡が維持されていた。4.予後不良群では蘇生直後のCMRO_2は高値を示して相対的な脳血流量不足状態をきたし、需要-供給の不均衡を生じていた。という事実が判明した。以上の結果から、予後良好群では脳血流量の変化によらず、脳酸素代謝は低く抑えられて、需要と供給のバランスが維持されているが、予後不良例では蘇生直後は脳酸素代謝が亢進して相対的脳血流量不足状態をきたし、48時間後に脳血流量が回復する頃には脳酸素代謝が低下して相対的脳血流量過剰状態をきたし、アンバランスを生じていると考えられた。従って蘇生後脳症患者の予後を好転する可能性があるtherapeutic time windowは蘇生後12時間以内であると考えられる。今後このgolden timeの更なる病態の解明とこの時間に集中した治療法の導入が予後の改善に大きく寄与すると考えられる。我々は、Positron Emission Tomography(PET)よりも汎用性の高い画像システム(SPECTを改良したHybrid PET)を用いて脳グルコース消費量を画像化することに成功し、重症頭部外傷患者の脳グルコース代謝の測定を開始した。今年度は、蘇生後脳症患者でも脳グルコース代謝を測定し、脳血流量変化及び脳酸素代謝との関連を検討する計画を立てている。〔研究I〕全身麻酔下に雄スナネズミ(70100g)の両側頚動脈をテーピングし、A群(10匹)では5分間、B群(10匹)では15分間、C群(10匹)では30分間、両側頚動脈を遮断して、再開通後の生存率を比較した。血流再開後、A群(10匹)は10匹中10匹、B群(10匹)では10匹中9匹、C群(10匹)では10匹中5匹が生存した。C群では血流再開後に脳表に点状出血が出現し、生存率(50%)とも考え合わせて、実際の蘇生後脳症患者の病態に最も類似していると考えられた。〔研究II〕全身麻酔下に雄スナネズミ(70100g)の両側頚動脈をテーピングし、脳表観察のために頭頂窓を確保した後、〔研究I〕と同様にA群(6匹)では5分間、B群(6匹)では15分間、C群(6匹)では30分間、両側頚動脈を遮断した。血流再開後、生体顕微鏡下にレーザー組織血流計を用いて脳表微小循環をリアルタイムにモニターし、同時にイメージアナライザーを用いて脳表血管径を経時的に測定した。A群とB群では、脳表血流量は再潅流後徐々に増加し、1015分後にピークに達して遮断前の約160190%となり、2030分後に再度遮断前の状態に戻った。脳表細動脈径は1015分後にピークに達して遮断前の約110%となり、約30分後に遮断前の状態に戻った。脳表細静脈径も1015分後にピークに達して遮断前の約120%となり、細動脈の場合とは違って遮断前の状態に戻るのに60分以上を要した。これに対してC群では、再潅流後の脳表血流量は約30分かけて徐々に増加して遮断前の値に復し、ピークを全く認めなかった。脳表細動脈径は再灌流後60分経過しても遮断前値に復さなかった。脳表細静脈径は対照的に再灌流後120%まで増加したが、A群とB群と違って遮断前値には復さなかった。以上より、C群ではA群・B群と全く違った脳循環が生じていることが判明した。
血友病発症犬におけるフコイダンの血小板及び凝固活性化を介した出血抑制機序の解明

血友病(血液凝固第VIII因子欠乏症)は人及び犬に頻繁に自然出血を起こすが、有効な治療法は現在も確立されていない。オキナワモズク由来フコイダンが犬の血小板を活性化し、血友病を発症した犬の自然出血を抑制する一連の機序を解明することを最終目的として、本研究では、1)フコイダンによる血小板の活性化機序、2)活性化血小板による組織因子経路インヒビターの阻害と血液凝固能亢進、3)犬に経口投与したフコイダンの吸収動態と血小板の活性化、の3点を明らかにする。
中国地域における草屋根葺きの技術文化研究

中国5県で活躍する草葺き屋根職人の所在調査と、地域ごとの屋根型、技術、道具の違いを調査した。その結果、環境と人の暮らしの立場から山地と平野部の屋根の屋根勾配の違い、千木の有無の違いを明らかにした。近代産業と在来技術の関わりの視点から芸州流と呼ばれる広島県の職人、出雲の職人について、技術の特徴と職人像を明らかにした。中国地域の草葺き屋根職人の存在を確認するために、島根県、岡山県、鳥取県の市町村教育委員会あてに職人の所在アンケートを行った。個人情報にも配慮し、無理のない範囲での回答ができるようアンケートの設計を工夫した。結果として岡山県4カ所、鳥取県2カ所、島根県6カ所について職人の所在が確認された。広島県の草葺き屋根職人2名に県外への出張仕事の習俗について聞き取り調査を行った。1名は関西を中心にした出張仕事であり、1名は山口県、九州北部を中心にした出張仕事であった。特に山口、九州へは炭鉱住宅の草葺き屋根の更新の需要があり、これに応じるための出張仕事であった。近代産業とのつながりを明らかにすることができた。筑波大学安藤研究室との研究交流を行い、広島県の現地調査、つくば市域の現地調査を共同で実施した。棟仕上げを中心として大きな技術の違いが見いだせること、組織化の形態が大きく異なることが明らかとなった。技術については「仕事が早くて、屋根が長持ちがする」ような効率的な技術を目指した広島の職人に対して、できるだけ見映えがする棟、軒づくりを目指した筑波の職人の特徴が明らかとなった。組織化については、広島の職人が出張仕事のために2名を基準とする組の体系を作っていたのに対して、筑波の職人は農村共同体の気心の知れた仲間から発生した組織の名残を残していた。広島でも中国山地側の職人は出張仕事をした志和、熊野地域の職人とは異なる技術、組織体系を持っていた。広島県での調査で明らかになった技術、組織の特徴を今後は他県調査での指標としたい。本年度は岡山県・鳥取県・島根県域の草屋根葺き職人調査を計画していたが、教育委員会等行政を通しての連絡に時間がかかり、一部21年度へ引き継ぐ形となった。調査は島根県内に集中し、まず平成19年に行った所在調査から明らかになった六名について調査の打診をした。教育委員会を通して調査の可否を問うたところ、2名の調査が可能となった。他の2名のうち1名は調査拒否、1名は他地区のデータと重複、1名は交渉中である。調査は島根県邑南町1名、斐川町1名に対して、調査目的である草屋根葺きの技術、職人組織、村の相互扶助の形態についての聞き取り調査を行った。結果として地域特有の屋根形、道具及び職人組織について記録することが出来た。邑南町では段葺きと呼ばれる特徴的な屋根形を記録することが出来た。斐川町は築地松で囲まれた散居型の集落形態で著名である出雲平野に位置するが、棟の両端が反り上がる独特のものであった。この棟仕舞の技術を聞き取ることを行い、あわせて模型を入手した。北風が強い出雲平野にあってこれに対処する技術を明らかにすることが出来た。いずれも場合も職人組織は村内の親方に弟子入りする農閑余行的な形であった。村の相互扶助はいずれの場合も明確な形では明確な形では存在せず、個々の家で材料の調達、手伝いの確保が行われていたことが明らかとなった。職人調査とは別に屋根鋏の製作工程を映像記録した。県外への出仕事をよくした広島県安芸高田市域にあって、出仕事の職人に屋根鋏を供給した鍛冶屋での調査である。職人からの多くの注文の中で洗練された屋根鋏の型が作られていった。その型の要点を工程記録と共に明らかにすることが出来た。その他、島根県の各市町村史にあたり、関連する資料収集を並行して行った。研究の最終年度にあたり、鳥取県、岡山県の重点的調査を実施した。また、全体をまとめ報告書を出すための補足調査、及び技術アンケート調査を実施した。鳥取県の草屋根葺き職人1名、岡山県の職人5名について聞き取り調査及び技術、用具調査を実施した。比較的多くの茅葺き屋根が継承され、また、高齢化しつつも多くの職人が活動していることが明らかとなった。その理由の一つは茅揚の存在である。調査の過程で、屋根葺き材料である茅の供給場所として鳥取県と岡山県の県境山間部があったことが聞き取り調査から明らかになり、補足調査を行った。茅揚が維持されている日名倉山で茅刈りの状況を映像記録した。また、日名倉山の所有者である美作市後山地区で文献調査を実施した。後山地区自治会の資料を複写することが出来、大正期からの共有林の管理記録等を蒐集した。鳥取県、岡山県の草屋根葺き職人への調査から次の点が明らかになった。・津山市以北の中国山地沿いでは積雪に対処するために屋根勾配が平地より急にとられている。

・山地では強風に対処するために千木が棟の押さえとしてつけられている。・屋根葺き材料としては山地では茅、平地では麦藁、海岸部では麦藁・笹が用いられた。・裕福な家では棟を箱棟にし、蘆で葺くという一定の仕様があった。・広島からの藝州流屋根職人は広く岡仙県の北部まで来ており、その名残が残る。3年間のまとめをするために、直接聞き取り調査を行った8名に対して技術に関するアンケートを行った。調査に協力された職人をはじめ、各市町村の教育委員会に対して成果を還元する目的で結果を報告書としてまとめた。
福祉作業所をイノベーション・ハブに - 障がい者支援の新しいあり方の研究 -

平成30年度はまず上期に、前述の専門家チームが、福祉作業所に通所するメンバー(障がい者)の個性や創造性から生まれるデザイン、メンバーのバリアを解決する機能について、作業所を訪問して発掘することを実施した。地域の福祉作業所が抱える課題をリストアップし、作業環境や作業方法の問題でメンバーの個性が十分に発揮できていないことが明らかなものを対象として、工程分析を行い作業の改善案を提示すると共に、作業を効率的に行えるような補助具を提案した。またメンバーの個性や創造性を発掘するために視覚的な作業手順マニュアルを提供し、これまで作業が困難と考えられていたメンバーが当該作業を担当できる可能性を示すことができた。下期には本学の京都北部出身の学生が福知山分校に集まり、専門家チームの指導の下にデザインを活用した新たな商品の開発、及びバリアを解決する機能の具現化、すなわち物作りに関わった。商品開発、機能の具現化においては地元企業、作業所職員、メンバーにも参画して貰うため、本学の福知山分校や作業所などで適宜、合同でのワークショップを開催した。今年度の成果としては、京丹後の七姫伝説をモチーフとしたパッケージデザインを実施してそれを作業所の商品に適用し、地域の観光業者にその商品を取り扱ってもらうためのマッチング会を実施した。また福祉作業所のデザイン力をアップするための職員向けのワークショップを数回実施することで、非常に洗練されたデザインの商品が多数誕生した。京丹後市の精力的な協力の下で、地域の福祉作業所本学学生の連携が非常にスムースに実施でき、多くの成果を上げることができた。障がい者のバリアから新たなイノベーションを生み出すには至らなかったが、現場での問題の発見、それを改善することによる障がい者の方の新しい働き方の創出、作業所の生産性の向上という一連の流れを具現化することができた。平成31年度は基本的には前年度のサイクルを踏襲して、自治体と連携しながら地域の福祉作業所と同様の活動を実施すると共に、本研究の効果を医療経済学の専門家により検証を行い、自立に向けた方向性を模索する。そして自治体、地域の大学、地元企業がデザイン、地域経営、人材育成を行いながら、作業所をイノベーション・ハブとして活用し、地域の一つの機能として自立できる社会の実現への道筋をつける。そしてそれら必要な知識を整理して学際的な新たな学問体系を構築する。
巨大ブラックホールと銀河の共進化に関する研究

銀河(バルジ成分)と超巨大ブラックホールの形成進化(共進化)に関する研究を行った。まず、Chandra Deep Field South領域のアーカイブデータ(Chandra衛星,ハッブル宇宙望遠鏡,Very large telescope,Spitzer Space Telescope)を基に、赤方偏移z1の2型活動銀河核(AGN)サンプルを作成した。ハッブル宇宙望遠鏡で撮られたAGNの画像データを解析し、ホスト銀河のバルジ成分の光度を算出した。算出したバルジ光度と可視赤外波長のカタログデータから、サンプルAGNの母銀河のバルジ成分のスペクトルエネルギー分布を推定し、その星質量と星形成率を算出した。また、X線源のカタログデータからAGNのブラックホール質量とブラックホールへの質量降着率を推定した。上記の算出した値から、z1からz=0(約70億年間)にかけて、ブラックホールと銀河はカノニカルなブラックホール/バルジ質量比(近傍宇宙における銀河とブラックホールの平均的な質量比、約0.1パーセント)を保ちながら進化してきた可能性が高いことが判明した。一方でまた、成長率では、ブラックホールの方がバルジに比べて20倍程度高いことが判明した。このことから、バルジの成長が先行し、後からブラックホールが成長して、やがてカノニカルな質量比に落ち着くという一つの進化シナリオが考えられる。このシナリオは、ブラックホール/バルジ質量比がカノニカルな値の1/10程度であるサブミリ銀河や超高光度赤外銀河がAGNやクエーサーの前段階フェイズであるという説をサポートする。この研究を纏めた論文を5月中にジャーナルへ提出する予定である。
基礎的なマルチフィジックス問題における多目的形状最適化

基礎的なマルチフィジックス問題における多目的形状最適化として,熱弾性場と自然対流場の問題を取り上げた.熱弾性場問題では,剛性最大化を目指した多目的形状最適化として,温度分布に基づく熱変形によるコンプライアンスの重み付き線形和を目的汎関数に設定し,随伴変数法を用いて形状修正の感度となる形状勾配関数を理論的に導出した.Freefem++を利用し,導出した形状勾配関数に基づいて最適形状を実現するプログラム開発を行い,二次元問題の解析例から提示した解法の妥当性を示した.また,自然対流場の問題に対しても同様な手法によって解法の妥当性を示した.本研究では,伝熱と弾性変形を連成させた熱弾性場,あるいは伝熱と流れを連成させた熱対流場などの基礎的なマルチフィジックス問題に対して,合理的な多目的形状最適化の解法を提案し,その妥当性を検証することを目的とした.平成26年度の主な研究実績は次の通りである.1.前年度に実施した,熱弾性場問題の部分領域において熱応力分布を規定する形状決定の研究成果を口頭発表し,雑誌論文へ投稿の準備をした.また,前年度に実施した粘性流れ場の部分領域において流速分布をコントロールし,流れ場全体での散逸エネルギーを最小化する粘性流れ場の多目的形状最適化の研究成果を口頭発表し,雑誌論文へ投稿の準備をした.2.粘性流れ場の部分領域において,圧力分布をコントロールする粘性流れ場の形状最適化問題の解法を試みた.問題の定式化を行い,形状修正の感度関数の導出,解析プログラムの開発を行って,簡単な数値解析結果より,解法の妥当性を確認した.3.伝熱と弾性変形を連成させた熱弾性場の部分境界における熱変形コントロールと質量最小化の多目的形状最適化の解法を試みた.ε制約法に基づいて問題を設定し,形状修正の感度関数の導出,解析プログラムの開発を行って,簡単な数値例を通じて解法の妥当性を検討した.4.伝熱と流れを連成させた非定常自然対流場の部分境界,あるいは部分領域における温度分布時刻歴をコントロールする形状同定問題の解法を試みた.問題の定式化を行い,形状修正の感度関数の導出,FreeFem++を利用した解析プログラムの開発を行って,簡単な数値解析結果より,解法の妥当性を確認した.本研究では,伝熱と弾性変形を連成させた熱弾性場,あるいは伝熱と流れを連成させた熱対流場などの基礎的なマルチフィジックス問題に対して,合理的な多目的形状最適化の解法を提案し,その妥当性を検証することを目的とした.平成27年度の主な研究実績は次の通りである.1.前年度に実施した,伝熱と流れを連成させた非定常自然対流場の部分境界,あるいは部分領域における温度分布時刻歴をコントロールする形状同定について,研究成果を国内会議にて口頭発表し,雑誌論文へ投稿した.また,熱弾性場の問題では,部分境界における熱変形量の大きさを維持し体積を最小化する形状決定について,研究成果を国内会議にて口頭発表した.さらに,粘性流れ場の部分領域において流速分布をコントロールして,流れ場全体での散逸エネルギーを最小化する粘性流れ場の多目的形状最適化について,研究成果を国際会議にて口頭発表した.2.熱弾性場の問題では,温度変化に基づく熱変形と外力に基づく力学的変形に対して重み付き線形和で表した目的汎関数を設定し,それを最小化するための多目的形状最適化の解法を試みた.問題を定式化し,形状修正の感度関数の導出,プログラムの開発を行い,簡単な数値例を通じて解法の妥当性を検討した.3.これまでの自然対流場の形状最適化問題では,境界における熱伝達境界の影響を考慮していなかったが,熱伝達境界の影響を考慮した理論の構築とプログラム開発を行った.実際には,自然対流場の熱伝達境界の部分境界における放熱量最大化を目的とする形状最適化問題に対して,問題の定式化を行い,形状修正の感度関数の導出,解析プログラムの開発を行って,数値解析結果より解法の妥当性を確認した.また,自然対流場の部分境界,あるいは部分領域における温度分布と流速分布の時刻歴を同時にコントロールする多目的形状同定問題の解法を試み,解析結果より解法の妥当性を検討した.平成26年度から28年度の3年間において,具体的な問題として,(1)熱弾性場における多目的形状最適化,(2)熱対流場における基礎的な多目的形状最適化を取り上げ,問題の定式化,形状修正のための感度関数の理論的導出,およびその感度関数を用いた数値解析を行って,提案する解法の妥当性を検証することを目的とした.(1)熱弾性場問題では,部分境界における熱変形コントロールと質量最小化の多目的形状最適化に対して,基礎的な研究成果が得られている.また,温度変化に基づく熱変形と外力に基づく力学的変形を同時に最小化するための多目的形状最適化に関して,基礎的な研究成果が得られつつある.(2)熱対流場の問題では,部分境界,あるいは部分領域における温度分布時刻歴をコントロールする形状同定問題の解法の研究成果が雑誌論文として掲載された.さらに,熱伝達境界を考慮した熱対流場の形状最適化問題へ拡張することにより,熱伝達境界の部分境界における放熱量最大化を目的とする形状最適化,部分境界,あるいは部分領域における温度分布と流速分布の時刻歴を同時にコントロールする多目的形状同定問題の解法に対して,良好な研究成果が得られつつある.

本研究では,伝熱と弾性変形を連成させた熱弾性場,あるいは伝熱と流れを連成させた熱対流場などの基礎的なマルチフィジックス問題に対して,合理的な多目的形状最適化の解法を提案し,その妥当性を検証することを目的とした.平成2628年度の主な研究実績は次の通りである.1.熱弾性場問題では,温度変化に基づく熱変形と外力に基づく力学的変形に対して重み付き線形和で表した目的汎関数を設定し,それを最小化するための剛性最大化を目的とした多目的形状最適化の解法を試みた.問題を定式化し,形状修正の感度関数の導出,プログラムの開発を行い,簡単な数値例を通じて解法の妥当性を示した.これらの研究成果を国内会議にて口頭発表し,雑誌論文へ投稿した.2.自然対流場問題では,部分境界,あるいは部分領域における温度分布時刻歴をコントロールする形状同定問題の定式化を行い,形状修正の感度関数の導出,解析プログラムの開発を行って,数値解析結果より解法の妥当性を確認した.また,自然対流場の熱伝達境界の部分境界における放熱量最大化を目的とする形状最適化問題に対して,問題の定式化を行い,形状修正の感度関数の導出,解析プログラムの開発を行って,数値解析結果より解法の妥当性を確認した.これらの研究成果を国内および国際会議にて口頭発表し,雑誌論文へ投稿した.3.平成28年度の主な実績として,強制熱対流場の部分領域における温度分布時刻歴をコントロールし,熱対流場全体での散逸エネルギーを最小化する多目的形状最適化を試み,問題を定式化し,形状修正の感度関数の導出,プログラムの開発を行い,簡単な数値例を通じて解法の妥当性を示した.その研究成果を国内会議にて口頭発表した.基礎的なマルチフィジックス問題における多目的形状最適化として,熱弾性場と自然対流場の問題を取り上げた.熱弾性場問題では,剛性最大化を目指した多目的形状最適化として,温度分布に基づく熱変形によるコンプライアンスの重み付き線形和を目的汎関数に設定し,随伴変数法を用いて形状修正の感度となる形状勾配関数を理論的に導出した.Freefem++を利用し,導出した形状勾配関数に基づいて最適形状を実現するプログラム開発を行い,二次元問題の解析例から提示した解法の妥当性を示した.また,自然対流場の問題に対しても同様な手法によって解法の妥当性を示した.平成26年度から28年度の3年間において,具体的な問題として,(1)熱弾性場における多目的形状最適化,(2)熱対流場における基礎的な多目的形状最適化を取り上げ,問題の定式化,形状修正のための感度関数の理論的導出,およびその感度関数を用いた数値解析を行って,提案する解法の妥当性を検証することを目的とした.(1)熱弾性場問題では,部分境界における熱変形コントロールと質量最小化の多目的形状最適化に対して,基礎的な研究成果が得られつつある.(2)熱対流場問題では,これまでに定常強制熱対流場に限定されてきた形状最適化問題の解法を,非定常かつ自然対流場の問題への拡張が実現できた.実際,自然対流場の部分境界,あるいは部分領域における温度分布時刻歴をコントロールする形状同定問題の解法に対して,良好な研究成果が得られつつある.さらに,本年度より,プログラム開発を比較的容易に実行するために,FreeFem++を利用した解析プログラムの開発を試み,その利用法の基礎が築けた.熱弾性場問題では,(a)温度変化に基づく熱変形と外力に基づく力学的変形を同時に最小化するための多目的形状最適化に関して,詳細に検討する.(b)部分境界における応力分布コントロールと質量最小化の多目的形状最適化等について検討を開始する.
in vivoにおけるレジン修復物の長期耐久性とその改善

エナメル質とレジン修復物の接合面は、時間の経過とともに劣化し、ステップやレジン修復物の破折が見られるようになった。また、窩縁隅角が大きい症例では、レジンの破折が多く見られた。マージン部にボンディング材の厚い層が見られる場合には、早期にこの部の摩耗が見られ、レジンの破折やステップ幅の拡大が見られた。エナメル質に、リン酸処理を併用した場合には、レジン修復物の接合状態に改善が見られ、ステップやレジンの破折の出現時期が遅くなる傾向が見られた。レジン修復物の長期耐久性を検討するため、東北大学病院保存修復科に来院した患者の中から、唇側または頬側歯頚部に、う蝕またはくさび状欠損を有する患者に対し、事前に十分なインホームドコンセントを行い了解が得られた後、各種ボンディングシステムにてコンポジットレジン修復を行った。これら症例を今年度は以下について検討を行った。1.筆者がこれまで行ってきた症例を引き続きリコールし、臨床成績を評価するとともに、修復物のレプリカを製作する。2.現在市販されている、ワンステップタイプのボンディング材を使用しレジン充填を行い、経時的に臨床評価とレプリカ制作を行う。3.窩縁隅角を厚く(45度)形成した症例に、セルフエッチング処理併用ボンディングシステム、ワンステップボンディングシステムにてレジン修復を行い、経時的に臨床評価とレプリカ制作を行う。4.エナメル質にリン酸処理を併用した症例について、臨床評価とレプリカ製作を行う。5.レプリカSEM観察により得られた画像を処理し、劣化の過程を分析する。以上の結果、エナメル質とレジン修復物の接合面は、時間の経過とともに劣化し、ステップやレジン修復物の破折が見られるようになった。また、マージン部にボンディング材の厚い層が見られる場合には、早期にこの部の摩耗が見られ、レジンの破折やステップ幅の拡大が見られた。エナメル質に、リン酸処理を併用した場合には、レジン修復物のの接合状態に改善が見られ、ステップやレジンの破折の出現時期が遅くなる傾向が見られた。2.ジャケットオペークを使用したレジンインレーを製作し、辺縁部の適合性、咬合力による耐久性を検討する。また、ジャケットオペーク使用レジンインレーは、ジャケットオペークなしのものにくらべ隣接面移行部での破折が少なかった。これら症例を以下について検討を行った。1.筆者がこれまで行ってきた症例を引き続きリコールし、修復物のレプリカを製作した後、臨床成績を評価した。2.レジン修復物の厚みを大きく(45度)形成した症例に、セルフエッチング処理併用ボンディングシステム、ワンステップシステムにてレジン修復を行い、レプリカ製作を行った後、経時的に臨床評価を行った。3.エナメル質にリン酸処理を併用した症例についてレプリカ製作を行い、経時的に臨床評価した。4.レプリカSEM観察により得られた画像を処理し、劣化の過程を分析した。

マージン部にボンディング材の厚い層が見られる場合には、早期にこの部の摩耗が見られ、レジンの破折やステップ幅の拡大が見られた。エナメル質に、リン酸処理を併用した場合には、レジン修復物の接合状態に改善が見られ、ステップやレジンの破折の出現時期が遅くなる傾向が見られた。
放射線照射制御検出のための赤外線発光シンチレーター素子の開発とその応用

分子生物学者が切望するin situ実験の新しい手法として、可視光環境でα線を細胞の任意の場所に照射個数の制御が可能な照射応答観察システムの構築を目指した。Po-210をPt芯線に電着してマイクロα線源を作成し、ステッピングモータ制御のXYステージにより、0.1μm単位で希望の位置に誘導・照射できる装置を完成した。照射個数および位置の計測は、シリコン半導体素子および赤外線位置感応素子では達成できたが、赤外線発光シンチレーション素子の開発では、制御に必要な強度の発光量を達成できず、研究期間中に赤外光の応答信号を用いたα線の照射個数および位置を連動制御できるシステムの完成には至らなかった。本研究は、α線照射で赤外を発光するシンチレーター素子を開発し、分子生物学者が切望するin situ実験用の新しい研究手法として、α線照射実験とその応答観察の両方の実験を同時にできる計測システムの開発を目指すものである。この目的のためには、以下の3点の開発が必要である。1.通常の細胞観察(可視光)の元で作動する放射線用検出素子(赤外線発光のガラスシンチレーター)を開発する。2.この素子を用い、シングルイオン(α線)の照射位置とイオン個数の制御(計測)ができるシステムを完成させる。3.この計測システムとマイクロα線源を顕微鏡に組み込み、最終的に、任意の場所に照射するためのXYステージと連動する総合的な照射制御観察システムを完成させる。今年度(初年度)は、個々の開発を独立に進めることで、それぞれの問題点、改良(工夫)点を明確にすることができ、達成可能でより最適なシステム構築の見通しを立てることができた。また、照射用のマイクロα線源(Po-210)については、Pt芯線(径15μm)先端に電着した微小線源(強度0.110cps)を開発し、簡便に、標的細胞に放射線(α線)を照射することには成功している。本研究は、分子生物学者が切望するin situ実験の新しい手法として、可視光環境でα線を細胞上の任意の場所に任意の個数を照射する総合的な照射応答観察システムの構築を目指した。α線源として、Po-210をPt芯線(径15μm)に電着してマイクロ線源(0.110cps)を作成し、またステッピングモータ制御によるXYステージを作成し、これらを既存の顕微鏡に組み込み、0.1μm/パルス単位で10mm×10mm内の希望の位置に誘導・照射できるシステムを構築した。照射個数の計測では、シリコン半導体素子を用い、入射面を遮光して環境中で作動させ、シングルのα線のエネルギー測定が可能である。また、位置の計測は、赤外線位置感応素子(PSD、2次元9mm×9mm)を用いて、約5μmの位置分解能で照射スポット検出を達成できた。赤外線発光のシンチレーション素子の開発では、その発光量に問題があり、特に最終年度は、この素子開発と計測システムの制御の整合性の開発に費やした。ガラス質(Bi2O3またはB2O3)を母体に、希土類元素(Pr, Er, Sm等)をドープし、α線の刺激で800-1200nmの波長の近赤外線を発光するシンチレーター素子をいろいろ試作したが、目的とする強度の発光量を達成してない。つまり、システムを機能的に制御するトリガー信号をえられない。目的の赤外発光による位置検出は、シングルイオンでの光量が達成できれば、フィードバックのかかる制御が可能である。さらに、感度を上げるためにμPMT(近赤外900nm感応、超小型電子増倍素子)を使い、本実験用にシンチレーション検出器を組み上げた。現在単独で個数と位置の計測の機能は達成しているが、今後、素子の発光強度を上げる改良を進め、赤外光の応答信号を用いて可視光環境で照射α線の個数を計数し照射位置を制御できる照射応答観察システムの完成を目指したい。原子核、原子物理、放射線計測初年度は、赤外線発光シンチレーター素子の作成とその検出と位置計測装置およびXY-ステージの開発をした。1.シンチレーター素子開発α線(Am-241線源を使用、エネルギー:5.5MeV )を利用して、赤外線を発行するガラスシンチレーター素子を開発した。まだ開発中であるが、素子の透過性や発光効率の最適化・安定化を図る開発の環境は整備できた。発光波長320-1700nmの可視光から赤外線領域まで測定(評価)可能で、スペクトル分析できる装置(コンピュータ)を組み上げた。ガラス質(Bi2O3またはB2O3)を母体に、希土類元素(Pr, Er, Sm等)をドープした素子を作成し、α線の刺激で800-1200nmの波長の近赤外線を発光するシンチレーター素子を作成したが、まだ目標とする強度の発光量を達成してない。2.照射個数・位置検出システムの開発

照射個数の計測と位置の計測システムの開発を独立しておこなった。照射個数の計測は、シリコン半導体素子(PIPS)を用い、入射面を遮光して環境中(大気中、可視光環境中)で作動させ、α線をシングル計測(エネルギー測定)できるところまで構築できた。また、位置の計測は、赤外線位置感応素子(PSD、2次元9mm x 9mm)を用いて、約5μmの位置分解能で照射スポット検出を達成できた。さらに、XYステージは、顕微鏡に組み込み、パソコンから任意の位置制御が可能な遠隔システムを構築した。パルスモータ制御により、X軸、Y軸方向ともに0.1μm単位で遠隔制御し、顕微鏡視下を希望の位置に誘導できる。シンチレーター素子の発光強度を上げる改良を進め、赤外光の応答信号で、照射α線の個数を計数し、さらにその検出発光量の差分を利用して照射位置を評価する位置検出システムを組み上げる。現在単独で、個数と位置(さらに分解能を上げる開発が必要であるが)の計測は達成している。今後、同時に位置と照射個数を出来るシステムの構築を目指す。また、α線源を局所照射システム照射範囲・照射イオン数の制御システムと整合するように、線源の形状・線源強度の最適化を行い、開発中の素子、検出器、制御システム装置等の配置と使用の利便性を考慮して、総合的な照射制御観察システムの構築を目指す。さらに、実際に生物細胞照射で実証実験(in situ実験)を行い、装置の操作性、精度・効率等を総合的にチェックし最適化し、性能評価を行う。素子開発の消耗品を購入予定で、試したい素子(校正用に)がいくつかあったが、購入金額が不足するので、次年度に持ち越し、購入素子の選択(検討)の自由度をもたせた。校正用素子の購入(の一部)に使用する。
有機界面層を用いた環境調和型薄膜太陽電池の無毒化と高効率化

Cu2ZnSnS4(CZTS)は構成元素が豊富に存在し、人体に無害であり、太陽電池に適した光学特性をもっている。しかし変換効率を向上させるために有害元素を含むCdSを界面層に用いていることが問題となっている。そこでCdを使用しない環境にやさしいCZTS薄膜太陽電池を作製することを目的とし、CdS代替材料として炭素から構成される無害な有機材料に注目した。ゾルゲル硫化法で作製したCZTSと様々な有機材料の組み合わせを検討した結果、フラーレンC60の膜厚が約5 nmのときに最大変換効率0.47%であり、界面層が無い場合に比べて大きく向上していた。近年簡易な作製工程で高効率化が可能なCu(In, Ga)Se2化合物(CIGS)を用いた薄膜太陽電池が注目されている。しかし、CIGSは希少金属In、Gaと有害元素Seを含むことが問題であり、その代替材料としてCu2ZnSnS4化合物(CZTS)が注目され始めている。CZTSは構成する元素が豊富に存在すること、無害であること、太陽電池に適した光学特性を持つこと、簡単な作製工程であるという長所がある。しかしCZTS薄膜太陽電池の変換効率を向上させるために有害元素Cdを含むCdSを界面層として用いていることが問題となっている。そこで本研究では、Cdを使用しない低環境負荷でレアアースを使用しないCZTS薄膜太陽電池を作製することを目的とし、CdS代替材料として有機材料を検討している。これまでの研究で界面層には高抵抗率と高透過率である材料が望ましいと考えられており、有機材料の多くはこれらの条件を満たしている。昨年度の研究において有機材料の中でも高い電子輸送性と耐熱性を持つフラーレン(C60)に注目した結果、界面層が無い場合と比較して変換効率が向上することが分かった。今年度は主にC60を界面層として使用した場合の発電特性とC60界面層の膜厚依存性について調べた。素子作製方法は昨年度の報告と同様で、ソーダライムガラス上にMo/CZTS/C60/ZnO:Al/Alを堆積した構造である。光照射時におけるJ-V特性やIPCEのC60膜厚依存性を測定した結果、変換効率は界面層が無い場合において0.25%であり、C60の膜厚が約5nmのときに最大値をとり0.47%で、C60の膜厚を厚くするのに伴いは減少した。これらの要因として、C60を挿入することでヘテロ界面が形成されて光電流が増加したと考えられるが、その膜厚を厚くした場合、C60界面層の抵抗が取り出せる電荷量を制限していると考えられる。Si太陽電池は高効率な発電が可能であるが、生産コストが高いことが問題とされている。そこで近年では単純作製工程で高効率化が可能なCu(In, Ga)Se2化合物を用いた薄膜太陽電池が注目され、結晶Siに次ぐ高い変換効率が得られている。しかし希少金属In、Gaと有害元素Seを含むことが問題であるため、更にその代替材料としてCu2ZnSnS4化合物(CZTS)が注目され始めている。CZTSは構成する元素が豊富に存在すること、人体に無害であること、太陽電池に適した光学特性を持つこと、簡単な作製工程であるという長所が挙げられる。平成24年度までの研究において様々な低分子系有機材料を界面層材料として検討した。特に有機材料の中でも高い電子輸送性と耐熱性を持つフラーレン(C60)に注目した結果、界面層が無い場合と比較して変換効率が向上することが分かった。またC60界面層の膜厚を変化させた場合の発電特性について調べた結果、変換効率は界面層が無い場合において0.25 %であり、C60の膜厚が約5 nmのときに最大値をとり0.47 %であった。最終年度である平成25度は更に受光層の全ての層を溶液法で成膜することを目指し、界面層として溶液法で成膜可能な有機材料を使用した。PCBMや導電性高分子Pedot:PSSを試した結果、整流特性は得られていたが、変換効率の向上は見られなかった。Cu2ZnSnS4(CZTS)は構成元素が地殻に豊富に存在し安価で毒性がないため,これを光活性層とする薄膜太陽電池の低コスト化と簡易作製プロセス化が期待されている。

CZTS光吸収層を用いた太陽電池としてはAl/Al:ZnO/CdS/CZTS/Moの構造で最大変換効率6.77 %が報告されているが,大きな問題点の一つに界面層として有毒元素Cdを含むCdSを用いていることが挙げられる。このことはCZTSの無毒という特徴を相殺している。CdS界面層が変換効率向上にどのように寄与しているのか諸説あるものの正確には不明であり,界面層は可視光が透過し,抵抗率が高ければよいことがわかっている。そこで本研究では,界面層として抵抗率が高いことで知られている有機薄膜を検討し,CdSに代わる安価で毒性の低い界面層物質を見つけることを目的とした。さらに本研究で様々な元素や分子状態を有する有機材料を界面層として検討することにより,Seなどの毒性のない環境調和型薄膜太陽電池が実現できるだけでなく,レアメタル問題の対策として新しい技術の確立が期待できる。今年度は、界面層の膜質を均一にして膜質の影響を省いた実験を行うために、界面層材料の成膜方法として蒸着法で成膜可能な有機材料を選定した。また材料の仕事関数とおおよその抵抗率を考慮した材料を選定し、界面層として約10種類の材料について試みた。その結果フラーレン系有機材料であるC60を界面層として使用した場合に比較的安定に太陽電池の出力が向上することが分かった。特に膜厚が数十nmから数nm程度のときに出力感度が増加している傾向があるため、今後は膜厚の制御や膜質の改善によって更に感度が向上するように検討する必要がある。今年度は昨年度の結果を元に主にCZTS薄膜上へのC60薄膜成膜条件と膜厚依存性について検討した。特に真空蒸着法により成膜した後に大気中で熱処理した時の、表面状態の変化、光学特性の変化およびC60界面層の膜厚と素子特性の関係について調べた。C60界面層の膜厚を0200nmで変化させた結果、C60膜厚が5nm付近で最も感度が高くなっており、開放電圧0.45mV、短絡電流密度3.61mA/cm2、曲線因子0.29、変換効率は0.47%であった。また光電流スペクトルを測定した結果、界面層の膜厚が薄くなるに伴い、ピーク波長が低波長側にシフトすることが分かった。この要因は照射光550nm以下におけるC60の光吸収が減少したことによると考えられる。また大気中でのC60薄膜熱処理の結果300°C付近で結晶性がなくなっているため、今後はC60の熱処理方法について検討していく必要があることが分かった。特にC60界面層の上部に成膜されるZnO:Alは薄膜形成時において500°C付近で熱処理することで最も低抵抗率が得られることが分かっており、太陽電池の高感度化のためには必要不可欠である。今年度は主にCdSに替わる界面層材料を選定することを目的とした。抵抗率や仕事関数、光透過性を考慮した種々の有機材料から界面層として使用できる可能性がある材料を決定することは、今後有機材料の応用分野を広げるためにも重要である。フタロシアニン系や芳香アミン系などの有機デバイスとしての利用が有力な堅牢性の高い材料から10種類程度選び、それらの有機材料をCZTS光吸収層の上に成膜して界面層を形成してから素子化した後、太陽電池特性を評価した。殆どの材料は整流性が悪く光電流も発生しないという結果が得られたが、フラーレン系材料C60を界面層として使用することで界面層がない場合と比較して感度が増加することが分かった。