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アルカリ金属イオン二次電池負極材料の創製とそれを活かす機能性界面の構築

資源量が豊富で原料の入手が容易なナトリウムを用いたナトリウム二次電池(NIB)は,定置用などの大型電源として有望な蓄電デバイスであり大きな注目を集めている.その負極にハードカーボンを用いた場合には約250 mA h g-1の可逆容量で充放電することが報告されているが,電池の高エネルギー密度化のためにはより多くのNa吸蔵を可能とする高容量負極材料の開発が必要である.LIBの負極としてのSiはLiとの合金化ー脱合金化により高い可逆容量を示すが,NIB負極としてのSiについては可逆的にNaを吸蔵ー放出した例はこれまでに報告されていない.もしSiが電気化学的にNaを吸蔵しNaSi相を形成するならば954 mA h g-1の高い理論容量を示すため,NIB用負極活物質として非常に有望なものとなる.報告者はSiO4四面体マトリックス中に微分散した状態である一酸化ケイ素(SiO)中のSiが塊状のそれよりも高活性であると推察し,このような状態のSiならNaとの電気化学的反応が進行するのではないかと考えた.本研究では,これを検証することを目的としてSiOの負極特性を評価した.充放電試験によりSiO電極が220 mA h g-1の可逆容量を示し,SiとNaとの電気化学的合金化反応を実現させることに成功した.また得られた容量は他の研究者が計算化学により示した値と非常に近いものであった.様々な結晶子サイズを有するSiOをメカニカルミリングにより調製し,それらのサイズとSiO電極の可逆容量を調査した結果,SiO4四面体マトリックス中に微分散するSiがクラスター状態に近いほどNaに対する反応性が大きいことが明らかとなった(J. Alloys Compd., 640 (2015) 440-443.).27年度が最終年度であるため、記入しない。27年度が最終年度であるため、記入しない。ケイ素(Si)は現行のリチウム二次電池(LIB)負極である黒鉛の10倍もの高い理論容量を有することから次世代高容量負極材料としてその活用が求められている.これまでに申請者はSi負極にイオン液体電解液を適用することで従来の一般的な有機電解液と比較してその性能が大きく向上することを見出している.本研究では,そのイオン液体のカチオン構造を制御することで負極ー電解液界面のLiイオン移動をスムーズに行わせることでSi負極の性能向上を試みた.カチオン側鎖にエーテル基を導入したもの(PP1MEM)では,側鎖がアルキル基のもの(PP16)と比較して初回可逆容量が約900 mA h g-1も増大し,Siの潜在的な高容量を発揮させることに成功した.また,電解液バルクのラマン分光解析から,エーテル基の酸素原子がLiイオンに溶媒和するTFSAアニオンの数を減少させる機能を有することを明らかにした.一般的な有機電解液では100回の充放電サイクル後に大きく容量が減少したのに対し,PP1MEM-TFSAを適用したものでは1000 mA h g-1の容量を維持する優れた負極特性が得られた.結晶性Siが充放電後に非晶質化する現象を利用し,電極上でLiと反応したSiの部位を顕微ラマン分光法によりマッピングすることで,PP1MEM-TFSAにおけるSi電極のサイクル性能向上のメカニズムを検討した.PP1MEM-TFSAを用いた場合,有機電解液を用いた際に起こる電極への局所的なLi挿入が抑制され,電極全体で均一なLi化反応が起きることが分かった.これにより相対的に電極にかかるダメージが小さく充放電サイクル寿命が改善されることを明らかにした.資源量が豊富で原料の入手が容易なナトリウムを用いたナトリウム二次電池(NIB)は,定置用などの大型電源として有望な蓄電デバイスであり大きな注目を集めている.その負極にハードカーボンを用いた場合には約250 mA h g-1の可逆容量で充放電することが報告されているが,電池の高エネルギー密度化のためにはより多くのNa吸蔵を可能とする高容量負極材料の開発が必要である.LIBの負極としてのSiはLiとの合金化ー脱合金化により高い可逆容量を示すが,NIB負極としてのSiについては可逆的にNaを吸蔵ー放出した例はこれまでに報告されていない.もしSiが電気化学的にNaを吸蔵しNaSi相を形成するならば954 mA h g-1の高い理論容量を示すため,NIB用負極活物質として非常に有望なものとなる.報告者はSiO4四面体マトリックス中に微分散した状態である一酸化ケイ素(SiO)中のSiが塊状のそれよりも高活性であると推察し,このような状態のSiならNaとの電気化学的反応が進行するのではないかと考えた.本研究では,これを検証することを目的としてSiOの負極特性を評価した.充放電試験によりSiO電極が220 mA h g-1の可逆容量を示し,SiとNaとの電気化学的合金化反応を実現させることに成功した.また得られた容量は他の研究者が計算化学により示した値と非常に近いものであった.

様々な結晶子サイズを有するSiOをメカニカルミリングにより調製し,それらのサイズとSiO電極の可逆容量を調査した結果,SiO4四面体マトリックス中に微分散するSiがクラスター状態に近いほどNaに対する反応性が大きいことが明らかとなった(J. Alloys Compd., 640 (2015) 440-443.).イオン液体のカチオン構造に適切な官能基を導入することで,Si負極の初回容量を増大させることに成功した.Si負極にイオン液体電解液を適用した際に得られる優れた負極特性の原因を明らかにすることが本研究の重要課題の1つであった.本研究では顕微ラマン分光解析により有機電解液およびイオン液体電解液中におけるSi電極へのLi挿入分布を調査し,このLi挿入特性の違いが電極特性に大きな影響を与えることを明らかにした.27年度が最終年度であるため、記入しない。ナトリウム二次電池(NIB)用高容量負極材料の開発を実施する.また,リチウム二次電池(LIB)の研究で得られた知見を活かし,電極性能を最大限に引き出すNIB用イオン液体電解液を探索する.27年度が最終年度であるため、記入しない。
免疫療法を目指した、B型慢性肝炎・肝癌発症における宿主免疫制御機構の意義の解明

潜伏感染から、慢性肝炎、さらには肝癌を引き起こすB型肝炎ウイルス(HBV)は公衆衛生上重要な感染症である。しかし、HBV潜伏感染が維持される機序や潜伏感染からどのように慢性肝炎・肝癌発症に至るのか、免疫学的に十分な解析は行われておらず、様々な課題が残されている。本研究課題では、ウイルス学・免疫学的視点からHBV潜伏感染に関わる免疫応答および慢性肝炎・肝癌の引き金となる要因の解明を目指す。
数値繰り込み群法による無限次元周期アンダーソンモデルの研究

今年度の研究によって次の2つの研究成果が得られた。1.不純物アンダーソンモデルの有限温度における励起スペクトルの計算。無限次元周期アンダーソンモデルは、有効媒質中の一不純物問題に帰着される。今年度は、無限次元周期アンダーソンモデルの励起スペクトルの温度変化を数値繰り込み群(NRG)の方法を用いて計算する準備として、不純物アンダーソンモデルの有限温度における励起スペクトルをNRG法で計算するプログラムを開発した。電子間相互作用Uによる2次摂動計算の結果が信頼できるようなUの小さい場合に対して、NRG法と摂動計算の一粒子励起スペクトルの計算結果を比較し、両者がよく一致することがわかった。NRG法の計算精度はUの大きさによらないので、本研究で開発した方法により十分信頼できる計算結果が得られることがわかった。また磁気励起スペクトルに対しても十分信頼できる計算結果を得た。今後、無限次元周期アンダーソンモデルをNRG法で取り扱う方法に本研究で開発した有限温度への拡張法を組み合わせた研究を行う。2.結晶場一重項と近藤効果の競合問題。ウラニウム化合物中のウラニウムイオンの基底状態は、結晶場によって一重項になる可能性がある。この一重項状態と近藤効果の競合問題をアンダースクリーニングのアンダーソンモデルに対してNRG法を用いて研究した。その結果、結晶場の励起エネルギーと近藤温度が同程度の時に比熱や励起スペクトルに新しい低エネルギースケールが現れることがわかった。
XAFSによる金属ガラスの変形に伴う原子配列の変化の直接観察

乱雑な原子配列を有する金属ガラスの変形挙動は、弾性変形領域、塑性変形領域のいずれにおいても結晶金属と著しく異なることが、知られている。その微視的なメカニズムについては、未解明の点が多い。当研究グループの目的は、金属ガラスの弾性変形領域において示す擬弾性や、塑性変形領域において、破断直前のシアーバンド生成の微視的なメカニズムを解明することである。研究の手法としては、金属ガラスに引張り変形を与えながらEXAFS(X-線吸収微細構造)を測定し、特定の原子周辺の原子配列の変化を直接観察する。巨視的な歪み量と各原子種間の距離の関係を定量的に把握することによって、金属ガラスのもつ擬弾性や破断直前のシアーバンド生成の微視的なメカニズムを解明する。当グループの年度毎の進展状況1)2004年度:支給された科学研究費補助金によって、金属ガラスの引張り変形時の原子配列変化をEXAFS法によって直接観測するための引張り装置を開発した。上記1)で作成した装置を用いてCu_<50>Zr_<50>金属ガラス(リボン状)を用いてZr原子周りのEXAFS測定を高エネルギー加速器研究機構・物質構造科学研究所で行った。2)2005年度:上記1)で作成した装置を用いてCu_<50>Zr_<50>金属ガラス(リボン状)を用いてCu原子周りのEXAFS測定を中国科学技術大学・放射光実験センターで行った。3)Ni_<30>Zr_<70>金属ガラス(リボン状)を用いてZr原子周りのEXAFS測定を高エネルギー加速器研究機構・物質構造科学研究所で行った。これまでの主な研究成果・Cu_<50>Zr_<50>金属ガラスの引張り変形量の増加に伴い、Cu-Zr原子間距離が増大し、Zr-Zr間距離が減少した。また、Cu-Zr原子間距離、Zr-Zr間距離いずれも、ある限度に達すると、歪みの少ない状態に戻り、そこからまた、Cu-Zr原子間距離が増大し、Zr-Zr間距離が減少した。このことは、現在コンピューターシミュレーションなどで行われている研究結果とも一致しており、重要な成果であると考えられる。・Ni_<30>Zr_<70>金属ガラス(リボン状)を用いて引張り変形時に、Zr原子周りのEXAFS測定を試行した結果、Cu_<50>Zr_<50>金属ガラスと同様の傾向を示すことが分かった。結晶金属の変形挙動とアモルファス金属の変形挙動は、大きく異なる。結晶金属においては、弾性限以下で応力と歪みは比例関係を示すが、アモルファス金属においては、応力と歪みは比例関係を持たず擬弾性を示す。アモルファス金属は、塑性加工による加工硬化は示さない。このように、アモルファス金属の変形・破壊挙動は、結晶金属と大きく異なる。バルク金属ガラスにおいても、本質的にはアモルファス金属と同様の機械的性質を示すことが徐々に明らかになりつつある。しかし、バルク金属ガラスの変形・破壊挙動の微視的なメカニズムに関しては、未解明の点が多く残されている。本研究の目的は、比較的変形量が少ない変形領域において、金属ガラスの変形に伴う原子配列の変化を直接観察することによって、金属ガラス独特の擬弾性挙動の微視的メカニズムを解明しようとするものである。Cu_<50>Zr_<50>金属ガラスを通常の単ロール法によって、作成した。試料は、厚さ約20μm、幅約2mmのリボン状のものである。今年度の科研費によって、EXAFS測定装置に適合した引張り装置を設計・作成した。この装置を使用してCu_<50>Zr_<50>金属ガラスに引張り変形量を段階的に増加させながらEXAFSの測定を行った。EXAFSの測定は、ZrのK-吸収端(17998.9eV)付近約1000eVの範囲で通常の透過法によって行い、得られた信号をフーリエ変換し、Zr原子まわりの動径分の変化を求めた。引張り変形の少ない第一段階において、引張り変形量の増加に伴い、Cu-Zr原子間距離が増加し、Zr-Zr原子間距離が減少することが観測された。変形量が徐々に増加し、ある限界量に達すると、Cu-Zr原子間距離、Zr-Zr原子間距離のいずれも、変形が無い状態に突然戻った。そこから引張り変形量が増加するのに伴い、また、変形量の少ない第一段階と同様にCu-Zr原子間距離が増加し、Zr-Zr原子間距離が減少することが観測された。現在、他の測定結果も含め、Cu_<50>Zr_<50>金属ガラスに引張り変形挙動の微視的メカニズムについて理論的な検討を行っている。

当グループの年度毎の進展状況1)2004年度:支給された科学研究費補助金によって、金属ガラスの引張り変形時の原子配列変化をEXAFS法によって直接観測するための引張り装置を開発した。上記1)で作成した装置を用いてCu_<50>Zr_<50>金属ガラス(リボン状)を用いてZr原子周りのEXAFS測定を高エネルギー加速器研究機構・物質構造科学研究所で行った。2)2005年度:上記1)で作成した装置を用いてCu_<50>Zr_<50>金属ガラス(リボン状)を用いてCu原子周りのEXAFS測定を中国科学技術大学・放射光実験センターで行った。3)Ni_<30>Zr_<70>金属ガラス(リボン状)を用いてZr原子周りのEXAFS測定を高エネルギー加速器研究機構・物質構造科学研究所で行った。これまでの主な研究成果・Cu_<50>Zr_<50>金属ガラスの引張り変形量の増加に伴い、Cu-Zr原子間距離が増大し、Zr-Zr間距離が減少した。また、Cu-Zr原子間距離、Zr-Zr間距離いずれも、ある限度に達すると、歪みの少ない状態に戻り、そこからまた、Cu-Zr原子間距離が増大し、Zr-Zr間距離が減少した。このことは、現在コンピューターシミュレーションなどで行われている研究結果とも一致しており、重要な成果であると考えられる。・Ni_<30>Zr_<70>金属ガラス(リボン状)を用いて引張り変形時に、Zr原子周りのEXAFS測定を試行した結果、Cu_<50>Zr_<50>金属ガラスと同様の傾向を示すことが分かった。
閉経後骨粗鬆症モデルラットを用いたMRONJ発症メカニズム解析と新規治療法の探索

本研究の目的はBisphosphonates (BP)製剤休薬によるAnti-resorptive agents-related osteonecrosis of the jaw (ARONJ)発症予防の有効性とそのメカニズムについて解明を行うこと、また、BPからの副甲状腺ホルモン(PTH)製剤(テリパラチド:TPTD)への薬剤変更によるARONJ発症予防の有効性とそのメカニズムについて検討・解明をすることである。本研究の結果は、今後のARONJの予防・治療戦略に大きく貢献することが期待される。現在は、適正な休薬期間を設定する、予備実験を行っている。予備実験では12週間休薬24週間休薬38週間休薬群を設け、その中で休薬効果が得られた最短の休薬群を休薬モデルとすることを決定する。すべてのラットにビスホスホネート系製剤の1つであるZoledronate(ZOL)を4週間皮下注射し、ZOL投与後の休薬による顎骨・大腿骨への影響を確認するために、休薬を行わなかった群と、2週休薬群、4週休薬群、8週休薬群を設け、その後、顎骨ならびに大腿骨に対してドリリングを行い、歯周病原細菌より抽出したLPS充填し、その後、ヘマトキシリンエオジン(HE)染色を行いって骨壊死面積を評価した。休薬を行っていない群と比較して、4週の休薬と8週の休薬群は明らかな有意差は認めないが、骨壊死面積が小さくなる傾向にあった。4週の休薬と8週の休薬では有意差は認めないが、骨壊死面積が小さくなる傾向にあった。BP製剤の休薬によりARONJ発症が抑制される可能性は示唆されたが、有意差はなく、N数を増やして、再度検討し、適切な休薬期間を設定する必要性があると考える。本研究は標本作成までに少なくとも16週の期間を要する。また、その後の標本作製と解析に時間を要した。さらに全身麻酔下に手術を行う際に、全身的には手術侵襲に伴うラットの全身状態から安楽死が必要となった症例、術中・術後死の症例、局所的には顎骨や大腿骨の骨折の症例は、一定数生じるため、十分なN数を確保できていない。以上の理由から、上記と判断した。適正な休薬期間の決定を行い、休薬モデルの作製・検証を行うことで侵襲的処置前の休薬の有効性を検討する。TPTDへの薬剤変更によるARONJ発症予防の有効性について検討する。次年度使用額が生じた理由:動物実験が予定より進まなかったために、動物の購入や飼育、検体の処理等に関する費用がかからず次年度使用額が生じた。次年度使用額の使用計画:進捗が遅れている動物実験を進めるため、適宜外部業者に委託する検査も利用しながら進める。
可換環論を使った超平面配置の研究

超平面配置の代数的な性質として「自由性」という概念がある。超平面配置の組み合わせ論的応用や位相的構造を調べるうえでも重要な概念である。ここ数年、Alexandru Dimca氏、Gabriel Sticlaru氏、阿部拓郎氏らにより、自由配置ではないが、その次に重要だと思われる超平面配置のクラスがいくつか導入されている(Nearly free, Plus-one generated (PO配置))。今年度は、PO配置の代数的な性質と超平面配置のヤコビイデアルの準素イデアル分解に現れるembedded primeの関係を調べた。また多くの例の計算をコンピュータによる計算で実行した結果、「PO配置に一枚超平面を付け加えることで自由配置にできる」という作業仮説がもっともらしいという結論になった。これは、阿部による低利「自由配置から一枚除いて得られる配置は、自由配置かもしくはPO配置」という結果のっ逆に相当するもので、PO配置の特徴づけといえる。吉永、Michele Torielli, Tan Nhat Tran等と、証明に向けた議論を進めた。国内で4件の口頭発表を行った。内容は、有理数体上定義された超平面配置の自由性とmod pして得られる超平面配置の自由性の関係に関する結果と、計算代数プログラムCoCoAの紹介を兼ねたものである。12月には、ジェノア大学のA. Bigatti氏を訪問し、計算代数プログラムCoCoAに関する研究打ち合わせを行った。外国人特別研究員を2018年10月に開始し、今年度の活動期間は半年であったが、計画通り、PO配置の代数的研究を進め、今後解決するべき作業仮説(予想)を定式化した。また、国内で4回の研究発表を行うなど、研究活動全般的におおむね順調に進展していると考えられる。引き続き、PO配置の代数的な性質に関する研究を進める予定である。特に昨年度定式化した「PO配置は必ず自由配置から一枚超平面を除くことで得られる」という結果の検証を目標とした研究を理論面、コンピュータによる具体例の検証の両面から進める。コンピュータによる実験により、様々な新しい現象が見つかることも期待している。6月にカナダである計算機代数の研究集会をはじめ、内外のいくつかの研究集会に出席し、最新の研究成果に関する情報収集および関連する研究者との議論、成果発表を行う予定である。
宗教的教義に基づく経済と環境の均衡を目指す文化価値の創出に関する参加型研究

地球環境問題への取り組みの中で宗教的教義はどのような役割を果たすことができるのか、という課題を、インドネシア、ボゴール郡チチャダス村を舞台に、現地の協力者とともに話し合い、議論をした。世界最大のムスリム国とされるインドネシアで、宗教的教義・経済・環境保全の三者がどのような関係になっているのかを調べた。最終的には、企業、行政、インドネシア・ウラマー評議会関係者の参加を得て、「グリーン・チチャダスへのロードマップ」をテーマとする集会を持った。平成25年度7月から8月にかけてメールにて9月末に行う調査についての話合いを行った。先方が期待する内容と当方ができることとの間に違いがあることも明らかになり、話合いの過程そのものも重要であると再認識した。平成25年度第1回目の現地調査を9月22日から10月2日の間に行った。最初に現地研究協力者とスケジュールについての確認を行った。そして、チチャダス村に関係する行政関係機関とどの程度の話合いが可能か、どのように戦略を立てると良いかについて相談した。今回の調査の目的は主要な行政関係者がどのような現状認識を持っているのか、どのように現状を変更しようとしているのかについて話を聞くことであった。グヌング・プトリの経済部の数名から行政の立場についての説明を受けた。また、政治・経済関係の調査をしている地元のメディアとの話し合いも行い、何かしらの共同体制を作ることについて話し合うことにした。地元のボゴール農科大学の関係者とも話し合いを行い、企業との話し合いの難しさについての理解を深めた。また、チチャダスモスクと関係の深い人々に集まってもらい、話し合いを行った。その中で企業・工場との話し合いが一筋縄で行かないことが明らかになってきた。場合によってはアポイントを取ることさえ難しいという。年間の調査のスケジュールの話し合いで、木村が半年に一回訪問するというのは間に期間が空き過ぎるのでは、という意見が出され、平成25年度2回目の予定である平成26年3月の調査を延期し、平成26年度内に3回調査を行い、各調査の間が空きすぎないようにすることとした。それゆえ平成26年度中には3ヶ月か4ヶ月に一度、会合を開くようにすることにした。また、現地で評価されている企業としてグローバル企業のHolcimがあることが分かり、次回には現地の研究協力者とHolcimを訪問することにした。平成26年度には、当初の予定とは異なり、研究の過程で明らかになった点を補う研究を行った。まず、インドネシア現地の人々にインドネシアの環境政策と日本における違いを説明してもなかなか理解してもらえない理由として、日本の状況についての直接的な知見がないからであると考え、研究協力者のナフダトゥル・ウラマ関係者の二名を6月半ばに一週間ほど日本に招へいした。日本の都市空間のあり方をみてもらうために、大田区の住宅街と小規模工場とが併存している状況、京葉工業地域の汚染対策の状況、大都市東京の緑地としての明治神宮などを見てもらった。そして、近代化・工業化と都市の環境対策は両立可能であるということを技術革新と政策の観点から理解してもらった。また、そのように都市の生活空間を美化している背後にある宗教的意識についても意見の交換を行った。もう一点、重要な研究を行った。それは平成27年2月末にジャカルタ郊外に工場を持つグローバルコンクリート会社であるホルチムの工場を現地の研究協力者と訪問したことである。ホルチムはスイスに本社を持つヨーロッパ的な企業価値を持つグローバル企業であり、インドネシアにおいてもその環境に配慮した企業活動は高く評価されている。その実際を直接目で見ることにより、周辺の生活環境にも配慮した工場での生産活動は可能であることが分かった。また、政府関係者、ボゴール・ジャカルタ・ウラマ協会との話し合いで、ウラマ、キアイ(イスラーム教師)を対象したワークショップ開催の可能性についても話し合った。平成26年度での研究活動は一見すると、本研究の対象であるチシャダス村における宗教と環境と産業の関係に関係がないかのように思われるが、当該地域の外の様子を見ることによって、反対に現地に外からの良い影響を与えることができるということも考えられるようになった。本研究は、地球環境問題をローカルな観点から捉え直し、特定地域の宗教的伝統と教えが経済活動と環境保全との均衡を促すのにどのような役割と意義を持つかを、インドネシア・ジャカルタ近郊のチチャダス村を事例として研究するものであった。インドネシアの保守的イスラーム団体ナフダトゥル・ウラマーのメンバーでもあるイルファン・アワルディン氏、アグス・ムラヤニ氏と密に連絡を取りながら、研究をすすめた。現地社会においても繋がりのない行政、経済、宗教の間を本研究を通じて結び付けながら、全体的状況を把握できるようにと努めた。三年間の研究の最終目的として挙げたワークショップの企画・準備に関しては、現地の協力者であるイフファン氏に協力をお願いし、多くの若者にも協力してもらった。また、本研究の調査の過程で知り合った企業関係者にも協力を仰ぐことができた。そして、2015年12月19日にプトリ郡チチャダス村会議場で開催した。当日発表をしたのは、研究協力者であるイルファン・アワルディン氏、ホルチムセメント会社のアリ氏、アクア社のイリアス氏、インドネシアイスラム協会のヌル・アリ氏、プトリ郡庁の方である。聴衆は40名ほどであった。発表の後、質疑応答がなされ、グリーン・チチャダスを目指すという考えが広く共有された。

平成27年度に予定していた計画のうち、ワークショップについては2015年12月19日に開催できた。ただ、このワークショップの発表のテープ起こしと翻訳に予想以上の時間が掛かったため年度内に最終報告書の印刷ができなかった。最終報告書の印刷が次年度へと繰り越すこととなった。本研究では、現地の研究協力者のネットワークを通じて、様々なステークホルダーと会合を持つことにより、宗教的教義・経済的関心・環境保全への取り組みが相互にどのような関係を持っているのか、あるいは持ち得るのかを探ることを目指した。行政機関の環境部で、イスラームの環境保全の教義を人々に伝える会合を何度か持ったが、人々の意識を変えるのには成功しなかったという。ボゴール郡の行政事務所で、セメント会社ホルチムはサステイナビリティ賞を受賞しており、その環境保全活動はよく知られているということを知った。現地の研究協力者もこのことは初めて知った。後にホルチム社の工場を訪問し、その環境保全の実情を視察した。インドネシアウラマ評議会では、環境問題に宗教的な理由からも非常に関心を抱いていること、あるいは危機感を感じていることが良くわかった。だが、人々に訴えるには経済界からの経済的支援が必要であると考えていることも明らかになった。平成27年12月19日にインドネシア、ボゴール郡、チチャダス村会議場で「Interactive Dialogue: Roadmap to Green Cicadas」と題するワークショップを開催した。地元の企業関係者、行政機関、インドネシア・ウラマ評議会の関係者、地元の研究協力者、研究代表者、そして、聴衆30名ほどが参加した。報告したのは、最初に地元の研究協力者である、Irvan Z. Awaludin氏、本研究代表者の木村、グローバル・セメント企業のHolcim CompanyからAry Wahyu setiawan氏,飲料水会社のAqua DanoneからIllyas Sudarso氏、インドネシア・ウラマ評議会からKH.Nur Ali師、Gunung Putri役所からYudi Nurjaman氏であった。聴衆から活発な質問が出され、関心の高さがうかがわれた。地球環境問題への取り組みの中で宗教的教義はどのような役割を果たすことができるのか、という課題を、インドネシア、ボゴール郡チチャダス村を舞台に、現地の協力者とともに話し合い、議論をした。世界最大のムスリム国とされるインドネシアで、宗教的教義・経済・環境保全の三者がどのような関係になっているのかを調べた。最終的には、企業、行政、インドネシア・ウラマー評議会関係者の参加を得て、「グリーン・チチャダスへのロードマップ」をテーマとする集会を持った。イスラーム社会といわれるインドネシアにおいて、イスラーム的な教義ならびにその専門家でもあるイスラーム教師(キアイ)が社会一般に対して及ぼす影響は強い、というのが従来の研究であり、それを前提として、調査地域チチャダス村と周辺の工場との関係の改善にイスラームの環境倫理あるいは環境神学が有効であると考えていたが、実際に現地の社会状況を見てみると、行政・イスラーム団体・経済企業関係者の間には、他の社会と同様の困難が想像して以上に利益の相反・衝突があることが明らかになってきた。
低酸素性虚血性脳症に対する新規トロンボモジュリンによる脳保護作用の解明

重症新生児仮死は低酸素性虚血性脳症(HIE)を惹起し、重度の脳障害や生命予後に影響する疾患である。一方、重度新生児仮死では播種性血管内凝固(DIC)を発症する。重症新生児仮死に合併した新生児DICに対して遺伝子組換えトロンボモジュリン(rTM)を用い治療を行ってきたが、DICの改善効果に加え、顕著にHIEの改善効果を観察した。本研究はrTMの脳神経保護効果をラットを用いた中大脳動脈閉塞(MACO)モデルで検証した。その結果、rTMはDICの効果のみならず脳神経保護を有すると考えられた。また病態に、炎症の関与が示唆された。しかし本研究は実験数の限りからさらなる検証が必要と考える。成熟ラットの頸動脈を露出してナイロン縫合糸を中大脳動脈内へ挿入し、永久結紮を加えることで脳虚血傷害の発症させ、結紮後6時間での傷害脳組織を評価した。静脈内に投与したトロンボモジュリン投与群と対象として生理食塩水を投与した非投与群に分けて虚血脳病変をTTC染色で比較し、ミトコンドリア機能を有する正常組織は赤色に先勝され、傷害部位は白色である。傷害部位のおよそ局在をラットの標準脳組織標本図と比較し区分した。主な局在はCingulate、motor neuron、somatosensory neuron、pitiform、Striatum、Thalamus等で、区分が可能であった。傷害の面積をImage Jで計測した。傷害部位は同側および対側脳部位と、また各局在部位で解析した。中大脳動脈永久結紮モデルでは、striatumは程度の差異はあるが傷害され、Cortexではsomatocensory領域が主に傷害された。傷害部位は浮腫上に腫脹していた。トロンボモジュリン投与群では、Striatum部位で傷害がみられるがその面積が減少し、somatosensory領域で有意な傷害部位の縮小がみられなかった。本研究からトロンボモジュリンは脳傷害の進展を防止し、脳保護作用を有すると推定した。トロンボモジュリンには、いくつかの生理機能の存在が知られている。トロンビンと結合することでトロンビンの凝固活性や血小板活性化作用の抑制、トロンビンと結合することでプロテインC(PC)を活性化し、活性化凝固因子V,VIIIaの抑制、HMGB-1と結合することで組織傷害の抑制、TAFIの活性化である。ラットは直接PC系を介さないとされることから、他の要因で脳保護作用を示したと考えらえるが、その機序解明をされに進める必要がある。低酸素虚血性脳症へのトロンボモジュリン(TM)の脳保護作用を検討するため、Koizumi Jらの方法に準じラットを用い右内頚動脈永久結紮モデルで検討した。結紮後にTM投与群(3.6mg/kg)と非投与群とに分け、6時間後と24時間後でPetullo Dの方法による運動麻痺の評価、2,3,5-Triphenyltetrazolium chloride (TTC)染色による脳壊死病巣の広がりを計測した。結紮後6時間でTM投与群と非投与群との傷害部位を皮質部位領域と線条体部位領域とに分け解析した。線条体部位領域では差異がなかったが、皮質部位領域で有意に神経保護効果が観察された。また、24時間後で皮質壊死での差異は乏しかったが、有意に運動機能の改善が観察された。さらに、TM投与群は非投与群に比して脳浮腫の有意な軽減効果が観察された。今回の結果からTMはNedelcu Jらの観察したラット脳血流障害モデルの6時間後、24時間後の二相性の脳浮腫Pediatr Res.1999 46:297-304)の両相に改善効果を示すと考えられた。今年度の実験を進めるにあたり、新生児仮死に伴う新生児DIC症例の脳MR画像、精神運動機能を評価し、傷害群と非傷害群で入院時の血液ガス、止血検査成績を比較した。傷害群では有意に乳酸値が高値を示し、活性化部分トロンボプラスチン時間が有意に延長し、アンチトロンビン(AT)が有意に低下していた。TMはトロンビンと複合体を形成しプロテインS(PS)とともにプロテインC(PC)を活性化プロテインC(APC)に変換する。APCは抗凝固作用に加え、抗炎症作用、さらに脳保護作用を示すことが報告されている。TMの脳保護作用が1直接的(脳にTMが高発現)、2APCを介するかAPCとの強調作用、3PC、PS、ATなどとの相乗効果が考慮される。これらを踏まえ引き続き実験を行う。新生児仮死の低酸素性虚血性脳症へのTMの脳保護効果を想定し、総頚動脈結紮および低酸素負荷による古典的なRice 3rd JEの幼弱ラットモデルで実験を重ねた。しかし、脳壊死部位の再現性が約60%と満足できるものでなく、個体差および脳血管バイパスの関与が推定された。TMの脳保護効果を確認するため、再現性が高い成熟ラットを用いた右内頚動脈永久結紮モデルで実験を行いTM投与による有意な脳保護効果を確認した。しかし、TMの脳保護作用機序の解明に脳組織レベルを含めた追加実験が必要であること、当初の作業仮説でもある幼弱ラットでの脳保護効果を検証する必要がある。実験遂行に再度新生児仮死に伴う新生児DICへのTM投与による脳保護効果を脳MR画像、神経運動機能から検証した。

TM投与により明らかに予後改善がみられたが、傷害を残した群の結果からTM投与法、他の治療法との併用療法が必要と想定された。追加実験に際し、脳病理解析、TM投与法についても検討する。播種性血管内凝固(DIC)治療薬として開発された遺伝子組換えトロンボモジュリン(rTM)を、重症新生児仮死に伴うDICに使用したところ、DICの病態の改善に加えて、低酸素性虚血性脳症に伴う脳神経障害に対して神経保護効果を有することを臨床観察から経験した。発症時期や病因が異なる臨床観察であることから、動物実験でrTMの神経保護作用を検証した。方法は再現性の得られるKoizumiの方法に準拠し、ラット内頚動脈(MCA)永久結紮モデルを用いた。MCA結紮後にラットの尾静脈からrTM(ラットでのDIC治療実験に要した投与量3mg/kg)を投与した群(rTM投与群)と、対照として同投与容量の生理食塩水を投与した群(対照群)との間で比較した。MCA結紮rTM投与後6時間後で、脳の皮質領域で、TTC染色で識別した壊死層の有意な減少が確認された。しかし、6時間後ではPetulloらの方法に準じた神経運動機能評価で有意な改善はなかった。さらに24時間後で検証した。24時間後ではMCA結紮側で肥大した脳浮腫がTM投与群で対照群と比較し有意に減少していた。また、rTM投与群で対照群と比較し有意に神経運動機能が改善していた。さらにrtM投与をMCA結紮後と6時間後の2回反復投与を行い24時間後で脳組織の変化を観察した。しかし、脳浮腫の軽減効果はなかった。要因として、rTMは発症早期に有効であるが、一旦形成された傷害に対して再投与を行っても効果が乏しいと考えられた。また、rTM投与に際し、5mL/kgの容量負荷がかかることから、再投与で過剰の水分負荷がかかることで効果に影響したと考えられた。現在、上記実験で得られた血液および病理組織の解析を行っている。また、これまでの研究成果をまとめた論文を作成中である。重症新生児仮死に伴う低酸素性虚血性脳症(HIE)は、新生児の生命および神経運動予後にとって最も重要な疾患である。また、重症新生児仮死は、われわれが全国調査した新生児播種性血管内凝固(DIC)の主たる原因疾患の一つでもある。一方、遺伝仕組換えトロンボモジュリン(rTM)製剤は、わが国で開発されたDIC治療薬であり、新生児DICの治療にも使用されてきている。これまでのわれわれの臨床研究からrTMがDICのみならず、新生児HIEに対し神経保護作用を有すること経験してきたが臨床的観察であることから確証には至らなかった。本基礎研究から、その効果をさらに確実なものと考えられた。推定される作用機序は、同薬剤が有する抗炎症作用である。抗炎症効果の機序として、一つはDICで過剰に産生されるトロンビン(Th)とrTMとが結合し、Thの有する凝固作用や血小板活性化作用を中和し、同時にrTMとThとの複合体がプロテインCを活性化し、活性化プロテインC(APC)が、凝固を加速度的に促進させる活性化V因子、VIII因子を分解させるだけでなく、プロテアーゼ活性化受容体(PAR)を介しての神経保作用で、他は、rTMのアミノ末端にあるレクチンドメインによる抗HMGB-1作用による神経保護作用である。同作用機序は、本研究を進める中で、近年、他の研究機関から、それぞれAPC(3A3K改変体)を用いた動物実験、抗HMGB-1抗体を用いた動物実験で示されてきている。これらは動物実験の域をでていない。
突然変異と細胞がん化の原因となる放射線誘発長寿命ラジカルの性質

放射線を照射された細胞に複数の長寿命ラジカル(LLR^*)が誘導されることがわかった。その代表的なものが、システイン残基を持つタンパク質に生じたスルフィニルラジカル(R-CH2-SO・)およびセミキセノンラジカルである。これらは、放射線被ばく後、1時間10時間の間にミトコンドリアで誘導され、細胞内の高分子タンパクをゆっくりラジカル化することによって、細胞の様々な高度機能障害を生じさせることが明らかとなった。室温でγ又はX線照射された哺乳動物細胞中には半減期が20時間以上の長寿命ラジカルが生成することがわかった。水のラジオリシスによって生成した活性酸素が完全に消失している照射後20分や2時間後にビタミンCを細胞に添加すると、細胞死や染色体異常頻度に変化はなかったが、HPRT^-突然変異頻度は有意に下がると同時に長寿命ラジカルレベルも下がることがわかった。こうした放射線効果軽減作用は、ビタミンCだけではなく、エピガロカテキンやRibCys(リボースシステイン)にも同じ効果があり、長寿命ラジカルが突然変異誘発に関与していることを強く示唆している。本研究で発見したX線照射によって生成する長寿命ラジカルは、システインが酸化されたスルフィニルラジカルであることが明確となった。長寿命ラジカルは、照射後、第1回目のDNA合成期を経ても、依然として細胞内に残り続け、その遺伝的影響が残ることが判った。さらに、突然変異を起こした細胞のDNAの傷をPCR解析した所、ビタミンCで有効に軽減する突然変異体の遺伝子は、点突然変異に限られるので、タンパク質に生じたシステインラジカルは、細胞内に安定して存在し続け、DNA合成期にDNAの複製忠実度を低下させることで突然変異を誘導しているものと推測される。さらに、遠紫外線(UV-B)で照射された細胞内に、X線やガンマ線などの電離放射線被ばく時に見られるラジカルと極めて類似した構造を持つラジカルが発生し、ビタミンC処理で効率的に捕捉でき、それに伴って細胞致死効果に影響を与えないものの、突然変異の誘導を効率よく抑制することが判った。UV-Bで誘導されるラジカルのESRパターンは、細部構造がX線で誘導されたラジカルのパターンと異なるので、さらに詳細な検討が必要であるが、タンパクラジカルが突然変異の原因であることは明確である。これらの結果を受けて、X線照射されたマウスの発癌を、照射後のビタミンC処理で抑制できるかどうかの検討を始めた。これまでに長寿命ラジカルは、タンパク質中に生じたスルフィニルラジカル(R-CH_2-SO・)であることを明らかにした。しかし、どのような機構を介して突然変異を誘導するかは明確ではなかった。長寿命ラジカルは常温細胞内で安定であることから、長寿命ラジカルが、"バイスタンダー効果"の伝達因子として働き、細胞の遺伝的不安定化に関与し、突然変異誘導や発がんの原因となると予想し、照射細胞にビタミンCを処理して、バイスタンダー効果(微小核誘導)が変化するかどうかを調べた。その結果、照射後、5mMのビタミンC処理によって微小核誘導が有為に抑制されることがわかった。この効果は、OHラジカルの捕捉剤DMSOやNOX捕捉剤c-PTIOで処理しても全く見られないので、長寿命ラジカルが、バイスタンダー効果の伝達因子として働く可能性が示唆される。また、UV-B照射でもガンマー線の場合と同様に、タンパク成分にスルフィニルラジカル(R-CH_2-SO・)が誘導され、それが突然変異の原因となることを明らかにした。しかし、ESRスペクトラムは細部においてガンマー線で誘導されたそれの形と微妙に異なるので、違うものである可能性は否定できない。現在、詳細に検討中である。さらに、細胞レベルで確認されたビタミンCによる突然変異や細胞がん化抑制効果が動物個体で可能かどうかの調査を開始した。そのため、ビタミンCで長寿命ラジカルを捕捉することによってマウスにおける放射線誘導乳がんの発生を抑制できるかどうかを調べているが、現在まで、顕著な抑制効果は見られていない。マウスは生体内でビタミンCを生合成できるため、抑制効果が見られなかったものと思い、現在、ビタミンC生合成能欠損マウスを入手し再検討をおこなっている。この長寿命ラジカルは、ビタミンCで効率良く捕捉され突然変異や細胞がん化頻度を下げるが、今回、これと同様の効果が、ガリック酸でも認められることが判り、天然植物素材から抗変異原性および抗がん原物質の探索に期待が持てる。本研究は、"放射線を照射された細胞にタンパク由来の長寿命ラジカル(LLR)が生じ、そのラジカルが放射線による突然変異と発がんの原因である"とする独自の発見に基づく仮説の是非を検証するために計画した。平成18年度には、放射線照射でミトコンドリア中にセミキノンラジカルが生じ、それが細胞にもともと存在するチイルラジカルとともに細胞内酸化レベルと関与していることを発見した。これらの状況から、突然変異や発がんの原因となる放射線誘導ラジカルの候補は、かなり絞られてきた状態にあり、現在、さらに、詳細に検討中である。

照射後、OHラジカルなどの活性の高いラジカルが消滅した後(照射20分後)にビタミンC処理をおこなうことでこのLLRを消去すると、微小核の誘導、突然変異の誘導が抑制されることがわかった。しかし、NOXの特異的阻害剤c-PTIOやヒドロキシラジカルの阻害剤DMSOで処理しても、こうした抑制は見られない。LLRは、細胞内で比較的安定に存在するので、被ばくの影響が放射線被ばくした細胞から放射線を被ばくしていない細胞に空間を隔てて及ぶバイスタンダー効果や、被ばくした細胞の子孫細胞に被ばくの影響が時間を隔てて伝搬する現象の情報伝達に関わる伝搬因子であるのではないかと推測し、放射線照射されたヒト正常細胞をLLRの特異的捕捉剤であるビタミンC処理することによって、バイスタンダー効果と遺伝的不安定性誘導が抑制されるかどうかを調べた。その結果、放射線照射20分後からのビタミンC処理は、細胞死に影響を及ぼさないが微小核の誘導を抑制することを発見した。さらに、放射線照射後、細胞にビタミンC処理を行うと、遅延型細胞死および遅延型染色体異常頻度が抑制され、細胞寿命が延長されることを明らかにした。これらの結果は、LLRが遺伝的不安定性発現の情報伝達因子として働く可能性を示唆する。本研究は、"放射線を照射された細胞にタンパク由来の長寿命ラジカル(LLR)が生じ、そのラジカルが放射線による突然変異と発がんの主因である"とする独自の発見に基づく仮説の是非を検証するために計画した。平成19年には、放射線照射によって生ずる長寿命ラジカルは、放射線照射に対するストレス応答機能の活性化に伴って生ずるミトコンドリアにおけるエネルギー産生亢進に起因するプロトン漏出によって生じることを明らかにした。この経路は、放射線被ばく時に限らず、高密度培養時や細胞老化時にも同様に活性化され、細胞内酸化ラジカル量を高めDNA損傷量、染色体異常、細胞がん化頻度等を上昇させることがわかった。この発見は、放射線による細胞がん化は、細胞の生存に必須なエネルギー生産系の攪乱を起源とし、自然発がんの経路と全く同じである可能性を支持する。放射線被ばくした細胞は、非被ばく細胞に比べ、有意に細胞内酸化ラジカル量を増加させ、最終的に細胞老化を促進する。こうした細胞集団の中で、かなり高い頻度で細胞内酸化状態が低下する細胞集団が出現し、最終的には、無限増殖能を獲得しがん化することが明らかになった。がん化した細胞に共通してみられる遺伝的変化は染色体の三倍体化であった。LLRを特異的に捕捉する能力があるビタミンC処理は、細胞内酸化ラジカル量を低下させ、細胞老化を遅らせ、染色体三倍体化を抑制し、細胞がん化頻度を低下させることがわかった。放射線を照射された細胞には、複数のLLR*が誘導されることがわかった。その代表的なものが、システイン残基を持つタンパク質に生じたスルフィニルラジカル(R-CH2-SO・)およびセミキセノンラジカルである。そのなかで、後者は、ミトコンドリアで放射線被ばく後、1時間10時間の間に遅延的に誘導され、その誘導をビタミンCで消去すると突然変異誘導が抑制されることがわかった。後者のラジカルの生成には、ミトコンドリアの電子伝達系から漏れでた電子によって生成した活性酸素ラジカルが生体内で消去される過程で生ずるH2O2が関与していることがわかった。
細粒度分割型三次元積層技術による高エネルギー効率プロセッサの設計空間探索

本研究の目的は、細粒度分割型三次元積層技術を用いることにより高エネルギー効率のプロセッサを実現することである。本研究では、まず三次元積層技術によりプロセッサ構成要素の性能向上を図った。その結果、細粒度分割を行う事により、二次元実装の場合と比較して演算器の性能が最大で20%向上し、消費電力が最大10%削減可能であることが示された。次に、複数の演算器から構成される計算ノードの三次元積層技術による高エネルギー効率化を目指し、細粒度分割による回路分割手法の検討および設計空間探索を行った。その結果、二次元実装の場合と比較して性能が最大で8%向上し、消費電力が最大18%削減可能であることが示された。本研究の目的は、三次元積層型プロセッサにおいて、構成要素の細粒度分割を行う事により、高エネルギー効率のプロセッサを実現することにある。平成26年度の研究では、プロセッサ構成要素の細粒度分割手法の検討、および分割後の構成要素の三次元空間上での配置の最適化を試みる設計空間探索を行った。プロセッサの構成要素について、回路規模を変化させた場合の細粒度分割手法の影響を調査することを目的とし、三次元積層型乗算器のビット幅を変化させた場合の性能への影響について研究を行った。演算回路の規模および複雑さにより有効な分割手法が異なることが示され、今後の構成要素の細粒度分割の研究を進める上での指針となった。研究成果は国際会議IEEE 3DIC 2014で発表を行った。平成27年度の研究では、プロセッサの構成要素である演算器の細粒度分割手法の検討、および設計空間探索を行った。また、三次元積層型演算器の設計を行い、設計を行った演算器の一部機能についてチップ試作を行った。前年度の研究成果を基に、大規模演算回路向けの回路分割手法を提案した。提案手法を用いて設計した三次元積層型の演算器が、二次元実装の場合と比較して性能向上および低消費電力化を実現可能であることを示した。研究成果は国際会議IEEE 3DIC 2015および電子情報通信学会ICD研究会で発表を行った。平成27年度は、プロセッサの構成要素の分割手法、および設計空間探索に関する研究成果を発表する事ができた。また、当初の予定通りチップ試作を行う事ができており、研究はおおむね順調に進展していると言える。研究成果は国際会議IEEE 3DIC2014で発表を行った。平成27年度の研究では、前年度の研究を基に三次元積層型浮動小数点演算器の設計およびチップ試作を行い、従来の二次元実装に比べ低消費電力化・高性能化が達成可能であることを示した。研究成果は国際会議IEEE 3DIC2015および電子情報通信学会ICD研究会で発表を行った。平成28年度の研究では、前年度までの研究を踏まえ、複数の演算器から構成される計算ノードの低消費電力化および高性能化を目指し、新たに回路分割手法を提案した。提案手法に基づいて三次元積層型計算ノードの設計・評価を行い、三次元積層技術により計算ノードの低消費電力化・高性能化が達成可能であることを示した。成果は国際会議HEART2016、IEEE 3DIC2016、および国際学会ACMの論文誌で発表した。平成26年度の研究により、プロセッサ構成要素の細粒度分割について、回路規模を変化させた場合の新たな知見が得られた。これに基づき、三次元積層型プロセッサの設計を行う予定である。また、設計空間探索については、これまでの想定に沿った結果が得られており、研究はおおむね順調に進展していると言える。平成28年度は、前年度に設計を行った三次元積層型演算器の性能解析結果に基づき、プロセッサ構成要素の細粒度分割手法を再度検討し、高エネルギー効率プロセッサの実現を図る。また、研究成果を国際会議や論文誌等を通じて適宜発表する予定である。計算機アーキテクチャ平成27年度は、高性能ワークステーションを用いて三次元積層型プロセッサの設計を行う。

設計を行った三次元積層型プロセッサについて、各層ごとにVDECを通じたチップ試作を行い、その性能を評価する予定である。また、研究成果を適宜、国際会議や論文誌等を通じて発表する予定である。物品費は主として平成27年度に行ったチップ試作の費用として計上していたものであるが、チップ試作費用の支払いが試作チップの納入後となるため、平成28年度へ繰り越したものである。物品費については、高性能ワークステーションの購入に充てるために予算を申請していたものであるが、平成26年度は購入を見送り、平成27年度に購入することとした。これは、高い計算能力が必要となるのが平成27年度に予定しているチップ試作を行う際であること、また、コストあたりの性能面で最新のワークステーションを購入することが有利であることから、平成26年度は既存の設備を使用して研究を行うこととしたためである。物品費は平成27年度に行ったチップ試作費用の支払いに充てる予定である。次年度使用額は、高性能ワークステーションの購入のために用いる予定である。購入したワークステーションを用いて、チップ試作のための三次元積層型プロセッサの設計を行う予定である。
高分子ナノ薄膜とバイオエレクトロニクスの融合による生体計測・制御技術の創製

本研究では自己支持性高分子ナノシートの製造手法に印刷・分子集合技術を導入することで、生体機能の計測制御を可能にするプリンテッドナノ薄膜を創製した。導電性高分子やナノインクをナノシートの構成素材に適用することで、皮膚貼付型の生体電極や電子回路を開発した。また、相分離現象を利用することで多孔質ナノシートを調製し、分子から細胞に至る各種物質の透過制御に成功した。この時、多孔質ナノシートの表面で幹細胞を培養することにより細胞移植に応用した。さらに、温度応答性色素を担持したナノシート温度計を開発することで、筋肉組織における細胞から組織の発熱挙動をリアルタイムで蛍光イメージングすることに成功した。本研究では、生体組織が有する微細構造を規範にした機能性高分子ナノ薄膜を創製し、細胞・組織・器官の各階層間に生じる生体電気信号の計測・制御技術を開発する。具体的には、二次元構造を有する高分子ナノ薄膜を作製し、構成分子となる導電性高分子の集合構造やミクロ/マクロ相分離構造を制御することで、ナノ薄膜に導電性や柔軟性を付与する。さらに、印刷技術を利用して各種ナノ薄膜を複合化することで、生体運動時に生じる電気信号を計測・制御可能なナノ薄膜型電極を創製する。平成27年度の成果は以下のとおりである。(1)導電性ナノ薄膜の作製と物性制御導電性ナノ薄膜の調製には、ポリ3,4-エチレンジオキシチオフェン:ポリスチレンスルホン酸(PEDOT:PSS)を用いた。ロール・ツー・ロール(R2R)法によるナノ薄膜の大面積化を試みたところ、製膜条件を各種検討することで膜厚を数十数百ナノメートルの範囲で制御が可能になり、従来型のスピンコート法に対して面積を約3000倍まで巨大化させることに成功した。この時、生体適合性の可塑剤であるブチレングリコールをPEDOT:PSS水分散液に少量添加することで、製膜後の導電率が3桁上昇し、膜厚100 nm以上で500 S/cmを達成した。(2)導電性ナノ薄膜の電気特性評価PEDOT:PSSとポリ乳酸からなる導電性ナノ薄膜(各層膜厚: 120 nm,計240 nm)は、手首のような屈曲部に貼付可能であり、間接部を屈伸させた場合でも安定な導電性(450-500 S/cm)を示した。さらに、導電性ナノ薄膜を皮膚貼付型電極として利用したところ、ナノ薄膜を介して上腕部の表面筋電位を計測することに成功した。種々の生体組織表面に安定して貼付可能な導電性ナノ薄膜(電子ナノ絆創膏)は、運動時の動的な生体電気情報のセンシングに有用であると考えられる。平成27年度の研究計画では導電性ナノ薄膜の調製方法の確立と電気特性評価までを目標にしていたが、R2R法によるナノ薄膜の製造規模の拡大により平成29年度に予定している生体電気信号の計測実験を予備的に検討する段階まで踏み込めた。平成28年度の成果は以下のとおりである。(1)多孔質ナノ薄膜の作製と構造解析非相溶性の高分子ブレンド溶液(ポリ乳酸・ポリスチレン)を用いて、マクロ相分離構造を有する自己支持性ナノ薄膜を調製した。任意の溶媒を用いてポリスチレン相を溶解することで、多孔質構造を有するポリ乳酸ナノ薄膜を得ることに成功した(膜厚: 150±12 nm,平均孔径: 4 um,開孔率: 40%)。次に、ポリスチレン-ポリブタジエン-ポリスチレン共重合体(SBS)を用いて、エラストマーからなるナノ薄膜を調製した。原子間力顕微鏡にてSBSナノ薄膜の表面を走査したところ、ポリスチレン相とポリブタジエン相に由来するミクロ相分離構造が認められた。調製したSBSナノ薄膜は従来のポリスチレンやポリ乳酸ナノ薄膜と比較して、伸縮性に優れることを見出した(ヤング率: 5.7 MPa)。(2)多孔質ナノ薄膜を用いた細胞の組織化制御多孔質ナノ薄膜上に骨格筋筋芽細胞(C2C12)または脂肪組織由来幹細胞(ASCs)を播種したところ、細胞外マトリックスを構成する主要なタンパク質であるFibronectin、Collagen IV、Lamininの分泌が確認され、多孔質ナノ薄膜が細胞接着の足場として機能することが見出された。次に、Fibronectinを表面に修飾した多孔質ナノ薄膜に細胞を播種し、これを積層することで3層構造の細胞組織体を得た。この時、Bradford法にてタンパク質を定量したところ、積層数に依存して分泌タンパク量が増加することが見出された。また、細孔を持たないナノ薄膜と比較して、多孔質ナノ薄膜では有意に分泌量が増加した。以上より、ナノ薄膜への多孔質構造の導入は液性因子の透過性向上に有用であり、3次元状培養組織の作製や細胞移植療法への応用が期待される。平成28年度で目標としていた多孔質ナノ薄膜の調製およびナノ薄膜表面での細胞培養手法を確立した。また、平成29年度で予定しているインクジェットプリンタによるナノ薄膜表面への回路印刷の段階まで踏み越むことができた。