hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
ＤＮＡ損傷応答機構を中心とした発がん制御機構の解析と、その応用による治療法の開発

DNA損傷応答機構による発がん制御のメカニズムの解明を行い、その機構を理解することによりATMを中心としたDNA損傷応答を標的としたがん治療法開発のための基礎研究を行った。神経芽腫ではATMの機能喪失がみられ、またATM依存にmicroRNAがMYCNの発現を制御することが知られているが、ATM依存のmicroRNAを見出した。また慢性骨髄性白血病の急性転化にATMが抑制的に働くことを明らかにした。1、小児がんにおけるATMの役割解明網羅的にATM依存的に発現調節をうけるmiRNAの解析を行った。その結果、発現に変動のある数多くのmiRNAを同定した。このうちのいくつかについて定量的PCR法を用いて発現量の再確認を行い、いくつかのmiRNAの発現量がATM欠損により大きく変動することが明らかになった。これらの機能解析を行いmiRNA-Aが細胞分化を阻害することが明らかとなった。またmiRNA-Bが細胞をトランスフォームし、腫瘍化能があることが明らかとなった。2、増殖シグナル制御におけるATMの役割解明細胞増殖においてATMが活性化されATMの機能的失活が腫瘍化にとって必要なことが明らかとなった。ATMハプロ欠損の遺伝的背景によりBCRABLトランスジェニックマウスが腫瘍化までの期間が短縮されることが明らかとなった。3、細胞分化における転写制御とATMの新機能の解明ATM欠損細胞マウスではT細胞受容体再構成が始まる段階で分化障害があることが明らかとなり、この時点でのT細胞受容体再構成の失敗が染色体転座を引き起こすことが明らかとなった。慢性骨髄性白血病は融合遺伝子p210BCR/ABLにより発症する造血器悪性腫瘍である。慢性骨髄性白血病を発症するp210BCR/ABLトランスジェニックマウスに、DNAの修復や細胞周期の制御に関わるATM(Ataxia Telangiectasia Mutated)の欠損マウスを掛け合わせることにより、慢性骨髄性白血病の発症や急性転化におけるATMの役割について検討した。その結果p210BCR/ABLトランスジェニックATMヘテロ欠損マウスで急性転化までの期間が短縮されることが明らかとなった。この研究により疫学的に推測されている毛細血管拡張性運動失調症ATの保因者における高発がん性が、細胞生物学的にも立証できたと考える。またこういった腫瘍に対する治療法の開発を試みた。ATM欠損細胞は相同組み換え修復能が低下し、PARP阻害剤に高感受性を示すことが知られている。p210BCR/ABLもまた相同組み換え修復能を阻害することが知られている。このような結果にもとずきPARP阻害剤に対する感受性検討している。またDNA損傷を誘導する薬剤がどのように細胞死にかかわるか検討した。また抗がん剤であるヒドロキシウレアが細胞死を誘導するにはエンドヌクレアーゼであるArtemisが必要なことを明らかにした。トポイソメラーゼ阻害剤であるエトポシドはATM欠損細胞に強く細胞死を誘導し、ATMとトポイソメラーゼIIαの相互作用が重要であることが明らかとなった。DNA損傷応答が腫瘍化の防御機構で重要な役割を担っていること、抗がん剤の作用機序を考える上で重要なことが明らかとなった、ゲノム安定性にかかわる遺伝子の異常は細胞のがん化に深く関与している。近年の研究から正常細胞が腫瘍化する段階で細胞増殖シグナルが活性化されるため、過度のDNA複製要求が起こりそのためDNA損傷応答機構が活性化され、発がんのバリアとして働いていることが明らかとなった。慢性骨髄性白血病(CML)の原因であるBCR-ABLキメラタンパク質は細胞増殖を促進する、チロシンキナーゼである。BCR-ABLによる細胞増殖の促進がDNA損傷応答機構の活性化につながるか慢性骨CML慢性期の骨髄と正常骨髄を用いDNA損傷応答の活性化をATMのリン酸化を指標として免疫組織染色法を用いて検討を行った。その結果、CML慢性期の骨髄ではATMのリン酸化が認められ、DNA損傷応答の活性化が起こっていることが示唆された。また細胞株を用いた実験でもBCR-ABLの発現によりDNA損傷応答経路が活性化され、さらに放射線照射によるDNA損傷によって、過剰のDNA損傷応答の活性化起こることが明らかとなった。CMLは数年の慢性期の後、急性転化を起こし、この急性転化にはがん抑制遺伝子p53の変異の獲得やp16INK4Aの失活、分化に必要なIKZF1の欠失などが関与していることが知られているが、そのすべては明らかにはなっていない。そこでDNA損傷応答機構が活性化による発がんのバリアの破綻が急性転化にどの様な影響を及ぼすか、CMLのモデルマウスであるBCR-ABLトランスジェニックマウスとDNA損傷応答機構の障害を持つATM欠損マウスを交配し、検討した。その結果ATM欠損がハプロに起こるだけでCMLの急性転化が促進されることが明らかとなった。このことからCMLの慢性期の維持にDNA損傷応答機構が重要な役割を持ち、発がんのバリアとして機能して働いていることが明らかとなったATMによって制御を受ける経路、分子を複数同定することができた。今後各々について、さらなる詳細な検討を加える。25年度が最終年度であるため、記入しない。

DNA損傷応答が急性骨髄性白血病発症に深くかかわったことを明らかにできた点、Tリンパ球細胞分化においてATMが染色体転座発症にかかわっていることを明らかにできた点で、血液腫瘍分野における、研究は十分進歩がみられた。しかし神経芽腫におけるDNA損傷応答機構の解析はまだ進行途中である。今回同定されたmicroRNAがどのような機序により細胞の癌化にかかわるか、また染色体転座がどのように腫瘍化に関わるか検討する。25年度が最終年度であるため、記入しない。DNA損傷応答にかかわり生体防御システムとして働くDNA損傷修復に着目して、合成致死により細胞死を誘導する治療法の開発を慢性骨髄性白血病を中心に行う。また神経芽腫におけるDNA損傷応答機構の解析を引き続き継続する。
分子内反応補助基の協奏的効果による酵素類似触媒の高度機能化

平成21年度は以下のように検討を行った。マンガンサレンに反応補助基を分子内に導入し、そのカタラーゼ様活性を飛躍的に高めることを目的とし、本年度は、昨年度合成した塩基性官能基を導入したマンガンサレン錯体を中心に、カタラーゼ様活性以外の活性、すなわちペルオキシダーゼ(Pox)様活性及びスーパーオキシドディスムターゼ(SOD)様活性について検討した。その結果、Pox様活性は、カタラーゼ様活性と相関があったが、官能基を導入したものは、カタラーゼ様活性と比較して相対的に低く、抗酸化化合物として好ましい特性を有していることがわかった。また、SOD様活性をチトクロムc法で測定したところ、単純なMnサレン錯体と比較して同等かそれ以上の活性を有していることもわかった。これにより、合成した錯体類は、カタラーゼ様活性とSOD様活性を併せ持つことが確認できた。さらに、ヒト培養細胞の過酸化水素毒性からの防御活性を検定したところ、10μMで十分な防御を行えるということがわかり、実際の生体系でも、高い抗酸化活性を発揮することが明らかとなった。次に、当研究室で開発した安定なチオレート配位鉄ポルフィリンであるSR錯体、及び硫黄への水素結合が存在するSR-HB錯体の酸化還元電位(Fe^<III>/Fe^<II>)を比較するとSR-HBの方が予想通り高電位であった。しかし、意外にも(Fe^<III>/Fe^<IV>)側の電位は、水素結合型の方が低電位であり、これは他の誘導体との比較でも、一般的であることがわかった。すなわち、鉄2価と4価の間の電位差が、水素結合により小さくなることを示し、水素結合の新しい効果と考えられる。ペルオキシドとの反応においても水素結合型の方が高い触媒活性を示し、水素結合が協奏機能を与えることを示した。今回見いだしたチオレート軸配位子への水素結合の効果は、酵素の合目的性を表す結果となり意義深いと考えられる。平成20年度は以下のように検討を行った。マンガンサレンに反応補助基を分子内に導入し、そのカタラーゼ様活性を飛躍的に高めることを目的とし、本年度は、ペルオキシダーゼの活性中心付近に存在するヒスチジンのイミダゾール基が、以下のように一般酸塩基触媒として反応を促進していることに着目した。すなわち過酸化水素が鉄原子と錯形成する際にそれを促進する塩基として働き、O-O結合を切断する際には、今度はプロトン化したイミダゾリウムが酸として働き反応を促進する機構である。この機構に基づき同様の機能を有する有機塩基(ピリジン環)を導入した錯体を5種合成した。それらのカタラーゼ様活性をバッファー中で測定すると、ピリジン環を導入しなかったものに比較していずれも高い活性を示した。その中で塩基性の低かったものは相対的に活性も低かったので、塩基としての働きが重要と考えられた。次に、プロスタグランジンH_2異性化酵素のモデル反応として、ヘムのエンドペルオキシド異性化反応を検討した。当研究室で開発した安定なチオレート配位鉄ポルフィリンであるSR錯体を用いると、極めて高速に異性化反応が進行した。一方、イミダゾール配位ヘムではその速度は1000分の1と遅くなり、クロル配位ヘムでは全く反応が進行しなかった。極度に大きな軸配位子効果が観測された。また、これらの速度とヘム錯体の酸化還元電位(Fe^<III>/F^<IV>)との間に相関が見られ、電位が低いものの方が、異性化反応が早かった。酵素においてはチオレート軸配位のシトクロムP450が異性化反応を行っており、今回見いだしたチオレート軸配位効果は、酵素の合目的性を説明する結果となり意義深いと考えられる。

ペルオキシドとの反応においても水素結合型の方が高い触媒活性を示し、水素結合が協奏機能を与えることを示した。今回見いだしたチオレート軸配位子への水素結合の効果は、酵素の合目的性を表す結果となり意義深いと考えられる。
敗血症性多臓器不全治療に向けた基盤研究：HIF-1による組織代謝制御の解明

敗血症動物モデルを用いて,敗血症早期の肺組織においてHIF-1αの増加が見られること,また同時にATP濃度が増加することを明らかにした.一方で,遅いタイミングでは肺組織のHIF-1αレベルは低下し,ATP濃度が低下することが明らかになった.以上から,HIF-1αの増加は敗血症において組織のエネルギー代謝を保つ保護的な効果を持つ可能性があることが示唆された.本研究によって,今後,HIF-1の制御が,敗血症における組織エネルギー代謝を改善,ひいては治療効果をもつのかどうかの検討を行うのにつながる基盤的な知見を得ることができた.敗血症患者から生検針を用いて筋生検を行い,組織レベルでのHIFの発現を測定する予定であったが,敗血症患者においてはDIC等による凝固機能異常が見られることが多く,危険性がある可能性が指摘されたため,採血によるサンプリングにてHIFの発現について検討を行う方針とした.そのため,組織レベルでのHIFの発現についてはLPSを腹腔内投与した敗血症モデル動物を用いて行った.肺及び肝臓においてHIF-1のレベルがLPS投与後6時間では増加したものの,24時間後にはコントロール動物と同様のレベルまで低下した.組織レベルでのHIF-1は敗血症早期には増加するものの,後期には低下してくる可能性が示唆された.8-10週齢のC57BL6Jマウスに対してケタミン,キシラジン投与による全身麻酔下に,開腹を行い,盲腸を3-0絹糸で結紮,23ゲージ針で穿刺,腹腔内に戻して閉腹した.CLPモデル作成後,6時間,24時間後にマウスを全身麻酔下に脱血,安楽死させ,心臓,肺,肝臓,腎臓を摘出し液体窒素中に保存した.保存した検体からホモジネートを作成し,ELISA法にてHIF-1αタンパク濃度を測定,全タンパク量でノーマライズを行った.肝臓において軽度のHIF-1αの増加を認めたが,心臓,肺,肝臓,腎臓いずれの臓器においてもHIF-1αの有意な変化は見られなかった.また,昨年度採取したLPS腹腔内投与モデルにおける腎臓のHIF-1αタンパクについても定量をおこなったが,肺や肝臓においてLPS投与6時間後に明らかな増加が見られたのとは対照的に,6時間後,24時間後共に有意な変化が見られなかった.以上から,敗血症モデル,時間経過,さらに臓器毎にHIF-1αの増加が見られるタイミングが異なることが明らかになってきた.前年度,敗血症患者からの筋生検が困難と判断し,動物モデルを用いた検討に切り替えた.動物モデルおよびその評価法の確立に時間を要しており,進行がやや遅れている.敗血症性臓器不全における低酸素誘導性因子(HIF)の機能を明らかにするために,低酸素誘導性因子のαサブユニットの分解を司る酸素センサー分子PHD2のノックアウトマウスを作成することとし,PHD2-floxマウスの譲渡を受けた.さらにPHD2-floxマウスと掛け合わせるCreマウスを購入した上で,ノックアウトマウスの繁殖を行った.繁殖に時間がかかり,ノックアウトマウスの完成までには至らなかった.さらに,一昨年度の時点で,初期の段階で各種臓器におけるHIF-1の増加が観察されたLPS腹腔内投与による敗血症マウスモデル,およびLPS気管内投与肺傷害モデルマウス,これら腹腔内投与と気管投与の組み合わせ,さらに腹腔内投与,気管内投与それぞれのモデルに通常容量の一回換気量での人工呼吸を組み合わせたモデルにおいて肝障害や腎障害と行った臓器不全がどの程度観察されるのか血液中のGOT,GPT,クレアチニンを測定することで評価を行った..LPS腹腔内投与敗血症モデルでは肝障害,腎障害が確実にみられたものの明らかな肺傷害は観察されなかった.一方,LPS気管投与肺傷害モデルでは肺以外の臓器にはほとんど変化が見られなかった.腹腔内投与と気管内投与を組み合わせることで肺,肝臓,腎臓全てに傷害が生じ,肝障害については相乗的な増悪が見られた.さらに,人工呼吸はそれ自体が軽度の肝障害,腎障害を引き起すものの,単独では明らかな肺障害を引き起こさなかった.腹腔内投与や気管内投与モデルと人工呼吸の組み合わせでは臓器障害に対して相加的な効果が観察された.動物モデルの作成,臓器障害の評価に時間を要している.また,ノックアウトマウスの作成において繁殖に時間がかかり,研究の進捗状況はやや遅れている.昨年度までの研究によってLPS誘導性敗血症モデルマウスにおいて,肝障害及び腎障害が生じること.またそれに伴い,肺,肝臓の組織で6時間後に低酸素誘導性因子-1(HIF-1)のαサブユニットの増加が起こるものの,腎臓では変化がみられないこと,またHIF-1αタンパクレベルは24時間後には通常程度のレベルまで戻ることが明らかになっていた.これを踏まえて敗血症モデルマウスにおいて組織のHIFを増加させることがどのような影響をもたらすか明らかにするために,低酸素誘導性因子の分解を司るプロリルヒドロキシラーゼ(PHD)2のflox/floxマウスと上皮細胞特異的なサイトケラチン(CK)8-ERT2-creマウスをかけ合わせて上皮細胞特異的なPHD2ノックアウトマウスの作製を試みた.掛け合わせによりPHD2 (flox/flox)-CK8-ERT2-creマウスを得ることが出来た.また,薬剤によりHIFを増加させることができるPHD2阻害薬の効果を培養細胞を用いて検討した.

肺胞上皮細胞株MLE12に対して,FG-4592,BAY85-3934,GSK1278863の3種類のPHD2阻害薬を添加し24時間の培養後にHIF-1αの定量を行った.いずれも大きくHIF-1αタンパクが増加することが明らかになった.以上の結果から,敗血症モデルにおいて早期のタイミングでHIF-1の活性化が見られることが明らかになり,それを増強するような遺伝子改変動物及び薬理学的方法について検討を行い,その基盤となる成果を得ることができた.敗血症動物モデルを用いて,敗血症早期の肺組織においてHIF-1αの増加が見られること,また同時にATP濃度が増加することを明らかにした.一方で,遅いタイミングでは肺組織のHIF-1αレベルは低下し,ATP濃度が低下することが明らかになった.以上から,HIF-1αの増加は敗血症において組織のエネルギー代謝を保つ保護的な効果を持つ可能性があることが示唆された.本研究によって,今後,HIF-1の制御が,敗血症における組織エネルギー代謝を改善,ひいては治療効果をもつのかどうかの検討を行うのにつながる基盤的な知見を得ることができた.患者からの検体採取について安全面から懸念があったため,当初予定していた筋生検によるサンプリングから血液検体を用いた検討への切り替えが必要となったため.またヒトでは取れないデータについては動物実験レベルでの実証を行う形に計画を変更しなくてはならなかったため.動物モデル及びその評価を確立されたものとする.具体的には明らかな臓器障害を伴うモデルを作成するために,抗菌薬や輸液による蘇生を伴う敗血症モデルを確立し,各臓器不全と予後についての評価システムを確立する.その上で,HIFの挙動と臓器不全,予後の関係性を明らかにするとともに,PHD阻害もしくはPHDノックアウトマウスを用いてHIF経路への介入が敗血症治療に繋がる可能性について検討を行う.また,この動物モデルを用いて臓器不全マーカーを確立し,敗血症患者での測定を行いたいと考えている.ノックアウトマウスの繁殖を進めて,細胞種特異的なノックアウトマウスを完成させる.また,LPS腹腔内,気管投与モデルの臓器不全評価の結果を踏まえて,これらのモデルマウスに対して薬剤によるHIFの活性化もしくは阻害を行うことで,臓器不全の程度にどのような影響が生じるのか検討を行う.集中治療医学今後,危険性の低い採血による検体採取を行い,研究を行うこととした.具体的には採血サンプル中の白血球のHIF活性について,予後規定因子であるかの検討を行っていく.また,患者で行うことの出来ない組織レベルでのHIFの活性と予後については動物実験を行うことで,検討を行っていく方針である.動物モデルの構築に時間を要しており,その解析,介入実験等がまだ行えていないため,次年度使用額が生じた.動物モデルの作成,臓器不全の評価及びノックアウトマウスの繁殖に時間がかかり,敗血症性臓器不全における低酸素誘導性因子の阻害や活性化の影響を検討する実験の実施が遅れているため,次年度使用額が生じた.筋生検による患者検体の採取において危険性の懸念があったため,筋生検サンプル採取用の生検針,HIF-1,HIF-2のDNAバインィングアクティビティ,ATP量の測定キット等の購入を見送ったため.今後,敗血症モデル動物が確立した時点で,臓器障害評価,低酸素誘導性因子経路の解析を行うとともに,プロリルヒドロキシラーゼ阻害による介入が敗血症治療につながるのか検討を行う.
生体血管膜モデルを用いた血管新生・消退機構の統合的解析

本研究は、1)瞳孔膜消退過程のメカニズムの詳細に対する分子生物学的検討、2)瞳孔膜の消退が眼球全体の発達に及ぼす影響についての検討を目的とした。1)我々はこれまでに虹彩の動きが瞳孔膜血管の血流の停止再開を誘導し、それによる虚血再還流障害によって瞳孔膜を構成する血管内皮細胞のアポトーシスが誘導されることを明らかにした。今回我々は虚血再還流障害以降の過程でどのような因子が機能しているか検討を行った。我々は血管内皮細胞のアポトーシスに関与するとサイトカインの中で、血管内皮細胞増殖因子と骨形成因子、また虚血再還流障害による細胞死において重要な役割を果たす活性酸素に注目しこれらの因子について瞳孔膜の消退時期における産生量について検討した。具体的には眼球の前房水中の血管内皮細胞増殖因子、骨形成因子、活性酸素の産生量を経時的に定量した。血管内皮細胞増殖因子および骨形成因子については瞳孔膜消退の前後で産生量に有為な変化を認めなかった。また活性酸素の産生量については計測が困難で有為なデータを得ることが出来なかった。2)瞳孔膜の消退が関与する他の眼球発達過程として我々は水晶体におけるナトリウム/カルシウム交換体の発現と硝子体動脈の消退に着目した。我々は虹彩の動きを抑制し瞳孔膜の消退を抑制し瞳孔膜を残存させた。そしてナトリウム/カルシウム交換体の発現をwesternblot法で検討した。また水晶体後方に存在する硝子体動脈の消退をその血管分岐点数を定量し検討した。瞳孔膜消退時期においてはナトリウム/カルシウム交換体の同位体1の発現を認めたが、その他の同位体の発現は認めなかった。同位体1の発現と瞳孔膜消退との間に因果関係を認めなかった。虹彩の動きを抑制すると瞳孔膜の残存がみられたが硝子体動脈の消退に影響はみられなかった。硝子体動脈の消退には虹彩の動きは関与していない可能性が高いと考えられた。本研究は血管新生および消退の機構を分子レベルから組織レベルまで経時的に解明することを目的とし、血管新生・消退におけるラット眼球の瞳孔膜の血流動態と調節因子の関係、調節因子間の相互関係を明らかにすることを目的とするものである。平成19年度において、我々はラットに対し生後7日目から1%アトロピンを点眼し虹彩運動を持続的に抑制することで、人為的に瞳孔膜を残存させた。我々はこの方法を繰り返し行い、本手法の再現性が極めて高く、安定して瞳孔膜を残すことが出来ることを確認した。我々は瞳孔膜血管の血流動態の変動に伴い、瞳孔膜を取り巻く環境、特に眼房水において血管新生や消退に関わるサイトカインの変動が起こっているのではないかと考えた。そこで、人為的に瞳孔膜を遺残させたラットと瞳孔膜が完全に消退したラット(コントロール)を用いて、各群のラット眼前房水中の血管内皮細胞増殖因子(VEGF)濃度をELISA法を用いて測定した。しかしこれまでの結果では、両群において前房水中のVEGF濃度に有意差はみられなかった。今後は、他のサイトカインについても検討を進める予定である。次に、眼房水以外の瞳孔膜消退に関わる因子として、我々は水晶体表面(前嚢)と瞳孔膜血管の接着が重要な役割を果たしていると考えた。そこで、マウス眼を用いて水晶体表面(前嚢)と瞳孔膜血管の接着に関わる細胞外マトリックスの局在について検討を始めた。現在、コラーゲンを中心に細胞外マトリックス分解酵素などについて免疫組織化学染色を行っており、平成20年度には瞳孔膜の消退過程と細胞外マトリックスの関係についてさらに検討を進める予定である。

同位体1の発現と瞳孔膜消退との間に因果関係を認めなかった。虹彩の動きを抑制すると瞳孔膜の残存がみられたが硝子体動脈の消退に影響はみられなかった。硝子体動脈の消退には虹彩の動きは関与していない可能性が高いと考えられた。
弱い算術の定義可能集合の特徴付け

Robinson arithmeticをQとし、これにopen inductionを付加した体系をI_<open>、さらに、Qに制限したinductionを付加したIΣ_n IΠ_n IΔ_nは通常の意味、inductionの代わりに制限したleast numberprincipleを付加したものをL_<open> LΣ_n LΠ_n LΔ_nとする。現在までにIΔ_nとLΔ_nが同値か否かがわかっていず、この問題を分析、解決するのが目標であった。いま、Qにlinear orderの公理を付加した体系をPA^-、PA^-にopen inductionを付加した体系をOIとする。Shepherdson(1963)の証明を分析する事により、OI→L_<open>が「モデル論」的に示せる事はわかった。I_<open>→PA^-は簡単に得られるので、事実としてI_<open>→L_<open>が正しい事はわかった。この事は当研究に協力頂いた鹿児島短期大学の福崎氏が同短大の紀要にまとめた。今のところ「証明論」的な証明を得ていない。さらに精密に「モデル論」的な証明を調べ、「証明論」的な証明を見つけようとしている最中である。これが明らかになれば、そこにIΔ_nとLΔ_nの間の関係を探るヒントが隠されていると思われる。引続き研究が必要である。
風水害後の被災者の復興過程と復興感に関する調査

近年、さまざまな自然災害が多発して、直後から中長期の生活再建ができるまでの復興期における支援活動がされている。世界的にも風水害の発生件数が一番多く、日本では特に被害の大規模化に伴い対応が求められている。しかしながら、風水害後の被災者の復興過程そのものや、被災者がどのような状況になった場合に生活再建ができたことを実感するのかは、明らかになっていない。本研究の目的は、風水害後の被災者の復興過程とともに復興感に影響するものを明らかにすることである。本研究によって、風水害後の復興を促進することや災害時におけるかかわり方全般に示唆を得ることができ、そのケアに関する基礎的な資料となる。
多次元領域における内部遷移層をもった定常解の存在と安定性について

二成分の反応拡散方程式系に対して、二次元以上の空間領域における内部遷移層を持つ定常解の存在と安定性について考察した。まず、空間二次元の全領域において回転対称な定常解に着目して、特異摂動法を利用して大きい解と小さい解の二種類を構成した。ワークステション等を使った数値実験によると、第一成分の時定数が比較的小さい時は大きい解は安全であるように見えるが、その時定数が大きくなるとこの定常解は不安定となり、あるモード数を持った新しい解が出現(分岐)する。また、定数定常解も存在し、これは時定数に関係なく安定である。SLEP法等を用いて線形化固有値問題を解析すると、小さい定常解は不安定であることは証明出来る。しかし、大きい解の安定性については完全には解決出来なかった。ある特定の大きさの固有値とあるタイプの固有関数に限定すれば、上記の数値実験の結果は正しいように思われる。すなわち、時定数が小さい時は限定された範囲で実部正の固有値は存在せず、時定数を減少させていくと、実固有値が虚軸を横切り、正固有値が出現する。これと平行して、従来の空間一次元問題に対する方法を利用するために、空間二次元の問題を空間一次元の問題で表現し(その代わり解くべき方程式の数は増加するが)、その近似がどれほど有効であるかを確かめた。具体的には、至る所神経繊維で覆われた心臓表面の神経パルスの伝播モデルに対して考察した。一次元的な平面波に関しては両者の結果は数学的に一致するが、スパイラルパターンに関しては、近似した方程式では安定に存在しないことを数値的に確認した。
紫外線障害に対する分子状水素を用いた新規予防法の開発と分子機構の解析

分子状水素(以下水素)を疾患モデル動物に投与して、疾患の予防・改善効果が得られたことを示した報告が多数ある。そこで本研究では紫外線障害に対する水素の効果を検討した。線虫を用いた検討では水素は紫外線照射に伴う寿命短縮作用を改善した。次にヘアレスマウスを用いて紫外線照射に伴う皮膚癌の発症に対する水素の作用を検討したが、水素非投与マウスに比べて、水素投与マウスでは腫瘍形成時期に有意な遅延がみられた。こうした作用は水素による炎症機転の軽減を介した作用であることが推察された。よって水素は紫外線照射により誘発される皮膚癌発症の初期過程を修飾し、皮膚癌発症を遅延させる効果が期待された。本研究の目的は紫外線障害に対する分子状水素を用いた新規予防法を提案することにある。昨年度は線虫寿命を指標にして、分子状水素が生体を紫外線障害から保護することを生存率、線虫卵を用いた孵化率、生殖細胞のアポトーシス細胞数等を検討し示した。さらにRNAi発現ベクターを投与して分子状水素の作用点の候補遺伝子をノックダウンすることで保護作用に関与する分子機構を明らかにする試みを行ったが、今年度は昨年度の検討点について再現性の確認を行った。この内age-1, daf-16, skn-1, wdr-23, rad-51, xpa-1, xpg-1, cep-1, hif-1の9種類の遺伝子の検討ではage-1, wdr-23, hif-1, rad-51のノックダウンにより水素の保護作用が減弱し生存期間に有意差が観察されなくなったことより、これらの分子の関連経路が分子状水素の紫外線障害保護効果に重要であることが示唆された。こうした結果は第36回日本分子生物学会で報告した。続いて分子状水素の投与の有無による遺伝子発現の変化を、DNAマイクロアレイを用いてマウス肝臓で比較した。Gene enrichment解析を行ったところ、一連のribosomal RNA発現が分子状水素により影響を受けていることが見いだされた。またreal time PCRにより実際にribosomal RNAの発現量が変動することを確認した。さらにGeneXplainによるネットワーク解析を行ったところ、mTORが上流に位置することが示唆された。線虫の検討で関連が指摘されたage-1は哺乳動物ではPI3Kに相当しmTORの上流に位置することからPI3K-Akt-mTOR経路が分子状水素の紫外線保護効果に関与している可能性が示唆された。現在その詳細な検討を進めている。本研究の目的は紫外線障害に対する分子状水素(以下水素)を用いた新規予防法を提案することにある。平成24年度は線虫寿命を指標に、水素が生体を紫外線障害から保護することの検討を行った。初めに水素が線虫寿命に与える影響を検討するために、空気下のコントロール環境とこれに水素を4%添加した水素添加環境で、N2株を用いて寿命に対する水素の影響を検討した。その結果水素は線虫寿命をわずかに延長する可能性が示唆されたが有意差は観察されなかった。次に線虫が成虫になった生後4日目に紫外線照射を行い照射後の寿命を検討したところ、水素投与群で有意に生存期間の延長を見た。さらに線虫卵を用いて紫外線耐性を検討した場合も生存率の増加が観察された。病態を検討するために生殖腺でのアポトーシスを示す細胞の数で検討したが、紫外線照射に伴うアポトーシス細胞の増加が水素投与で抑制された。またlong PCRの増幅率によりDNA損傷に与える影響を判定したが、水素添加によりDNA損傷が有意に減少することが観察された。次に分子状水素の作用がどのシグナル伝達経路、ストレス対応経路に影響を与えて効果を発揮するかを、長寿関連遺伝子、ストレス反応遺伝子、DNA修復遺伝子などのRNAi発現ベクターを投与して検討した。その結果分子状水素は広範な作用点を有することが示唆され現在さらに検討を加えている。一方ヒトのケラチノサイト由来HaCaT細胞を用いて紫外線照射が生存率に与える影響を検討した。生存率の有意な延長があるとの既報告例があり、我々も各種条件を変えて検討を行ったが有意な生存率の増加は再現できなかった。また細胞内シグナル伝達系の評価でも水素の影響は観察できなかった。現在他の細胞を用いて検討を続けている。一昨年度は分子状水素が紫外線障害から生体を保護する効果について、線虫を用いて分子機構の検討を行い第36回日本分子生物学会で報告した。さらに昨年度は肝臓における分子状水素による遺伝子変化と、その上流で影響を受けると思われるシグナル伝達機構の解析を行い、成果の一部はMol Cell Biochemに報告した(Sobue et al., Mol Cell Biochem, 2015)。平成26年度はヘアレスマウスをもちいた紫外線照射皮膚発癌モデルにおける分子状水素の皮膚発癌抑制効果の検討を行った。6週齢ヘアレスマウス12匹を2群に分け水素投与群には水素ガス及び水素水の投与を開始した。非投与群には、脱気水と空気にて飼育した。7週齢より1回450mJ/cm2のUV照射を開始した。UV照射は1週間当たり3回の照射を30週間継続した。水素投与群と非投与群間で皮膚変化を観察したところ、13週目ごろより皮膚上皮の肥厚性病変を認め、さらに20週目前後に皮膚癌形成が観察された。

今回の紫外線照射量では腫瘍の形成に明らかな差は観察されなかった。組織像は、角化した細胞や癌真珠、細胞分裂像、多核細胞が両群とも観察され差を認めなかった。一方生存率は水素投与群でやや高い傾向があった。こうした予備的結果を元に紫外線照射量の調整を行うとともに対象マウス数を増やして本検討を行い、平成27年度に水素の紫外線誘発性皮膚癌に対する抑制効果を詳細に明らかにする予定である。本研究の目的は紫外線障害に対する分子状水素を用いた新規予防法を提案することにある。平成26年度からの検討に引き続き、ヘアレスマウスをもちいた紫外線照射皮膚発癌モデルにおける分子状水素の皮膚発癌抑制効果の検討を行った。平成26年度の検討ではUV誘発性皮膚癌の発症に有意な差が観察されなかったが、照射線量が過剰であったことが一つの原因として考えられた。そこで平成26年度の検討と比較して60%程度のUVB照射量に設定し1回270 mJ/cm2の積算照射量で、7週齢目から20週間にわたり週3回の頻度で行った。H&#8322;マウスへの水素投与は、UVB照射開始4週間前(3週齢)から行い、UVB照射期間中の27週齢まで20週間にわたり投与した。その結果水素非投与マウスに比べて、水素投与マウスでは腫瘍形成時期に遅延がみられた。しかし、腫瘍の増殖速度や、個体ごとに形成される腫瘍数には大差はなかった。またUVB照射によって形成された腫瘍の組織型も両群間で差を認めなかった。一方このUVB照射時期の皮膚の炎症を免疫組織染色で検討したところT細胞に対する抗CD3抗体による免疫染色では、非投与群と水素投与群で明らかな差は見られなかったが、好中球に対する抗Gr-1抗体による免疫染色では非投与群に比べて水素投与群で炎症細胞の減少傾向が見られた。水素はUVBにより皮膚に惹起される炎症を軽減し、持続する炎症刺激に伴う皮膚表皮の反応性変化を減弱することが示された。こうした水素の作用は、紫外線照射により誘発される皮膚癌発症の初期過程を修飾し、皮膚癌発症を遅延させる効果が期待された。分子状水素(以下水素)を疾患モデル動物に投与して、疾患の予防・改善効果が得られたことを示した報告が多数ある。そこで本研究では紫外線障害に対する水素の効果を検討した。線虫を用いた検討では水素は紫外線照射に伴う寿命短縮作用を改善した。次にヘアレスマウスを用いて紫外線照射に伴う皮膚癌の発症に対する水素の作用を検討したが、水素非投与マウスに比べて、水素投与マウスでは腫瘍形成時期に有意な遅延がみられた。こうした作用は水素による炎症機転の軽減を介した作用であることが推察された。よって水素は紫外線照射により誘発される皮膚癌発症の初期過程を修飾し、皮膚癌発症を遅延させる効果が期待された。平成26年度に行ったヘヤレスマウスを用いた紫外線照射皮膚発癌モデルでは、一連の評価に30週間以上の長期間を要した一方で、今回の紫外線照射量が比較的多量であったこと、コントロール群および水素投与群それぞれに6匹ずつの評価では腫瘍形成数に明瞭な差が見られなかったことより、種々の条件を変更した上で平成27年度に再検討を行う事とした。こうした理由で当初の研究期間の1年間延長に至った。実験病理
関節軟骨表面擦過により生じる変形性関節症の発生機序に関する研究:特に無定形最表層との関連性について

関節軟骨表面のコラーゲン線維と細胞を欠く『(無定形)最表層』は、軟骨の基質であるプロテオグリカンからなり、関節の潤滑に寄与し、外来性酵素の侵襲から軟骨を保護している。ウサギの膝の関節表面を擦過し最表層を削除したところ高率に変形性関節症を生じた。その発生頻度には擦過範囲の大小が強く影響していた。擦過範囲が狭い場合は関節症の発生率が低くかった。この結果を受けて、擦過する範囲の大小によって、変形性関節症を生じる群と生じない群をつくり、変形性関節症の発生機序と最表層の関係を調べた。成熟ウサギを用いて、擦過範囲を大腿骨関節面の中央3分の1の部分に限定した群と、大腿骨関節面のほぼ全域を擦過した群をつくり比較した。その結果、擦過範囲を大腿骨関節面の中央3分の1の部分に限定した群では関節症の発生がなかったが、大腿骨関節面のほぼ全域を擦過した群では高率に変形性関節症を生じた。凍結走査電子顕微鏡による観察では、擦過範囲の狭い群では、擦過部の軟骨表面に最表層様の無定形物質を認めた。この無定形物質の出現の時期は、擦過後1週間以内の早期であり、この時期には擦過によって障害された関節の摩擦係数が回復していた。免疫生化学的な検討では、最表層様物質には、プロテオグリカンコア蛋白、ケラタン硫酸が存在しており、軟骨のプロテオグリカン類似の物質であることが解った。これは、正常の関節軟骨の最表層を構成する物質とほぼ同様の組成であった。透過電子顕微鏡による観察では、擦過部およびその周囲の軟骨細胞の細胞内器官の発達が見られ、擦過に対応して最表層様物質の産生が高まっているものと考えられた。大腿骨関節面の広範囲を擦過した群では、変形性関節症を高率に発生した。擦過した軟骨表面には最表層様の構造を認めず、悪化した関節の摩擦係数の回復が不良であり、関節症性変形が進行した。以上より、関節軟骨の最表層を擦過によって削除した場合、最表層の再生の有無が関節症の発生の有無と関連していることが示唆された。軟骨の最表層の再生の有無には、擦過範囲が関連しており、擦過範囲が狭い場合は、活性化した軟骨細胞からの分泌によって最表層が修復され軟骨の進行性の変性を生じない。擦過範囲が広い場合は、この軟骨細胞による最表層の修復が見られず、軟骨の変性破壊が進行することが多いと考えられた。関節軟骨表面のコラーゲン線維と細胞を欠く『(無定形)最表層』は、関節の潤滑に寄与し、外来性酵素の侵襲から軟骨を保護していた。その発生頻度にはウサギの成熟度や活動性よりも、擦過した関節表面の範囲の大小の方がより強く影響していた。

擦過範囲が狭い場合は関節症の発生率が低くかった。この結果を受けて、擦過する範囲の大小によって、変形性関節症を生じる群と生じない群を分けることにした。成熟ウサギを用いて、擦過範囲を大腿骨関節面の中央3分の1の部分に限定した群と、大腿骨関節面のほぼ全域を擦過した群を作り比較した。その結果、擦過範囲を大腿骨関節面の中央3分の1の部分に限定した群では関節症の発生がなかったが、大腿骨関節面のほぼ全域を擦過した群では高率に変形性関節症を生じた。凍結走査電子顕微鏡による観察では、擦過範囲の狭い群では、擦過部の軟骨表面に最表層様の無定形物質を認めた。この無定形物質の出現の時期は、擦過後1週間以内の早期であり、この時期には擦過によって障害された関節の摩擦係数が回復していた。大腿骨関節面の広範囲を擦過した群では、変形性関節症を高率に発生し、その軟骨表面には最表層様の構造を認めず、悪化した関節の摩擦係数の回復が不良であった。よって、この最表層様構造の再生の有無が、関節症の発生の有無と係わっていることが示唆された。平成9年度は、これらの2実験群における変化を、ヘマトキシリン-エオジン染色とサフラニン0-ファーストグリーン染色による標本の光学顕微鏡像、透過電子顕微鏡像や、ヒアルロン酸、コンドロイチン硫酸、プロテオグリカンコア蛋白、ケラタン硫酸、デルマッタン硫酸の免疫組織化学染色像でより詳細に検討する予定である。関節軟骨表面のコラーゲン線維と細胞を欠く『(無定形)最表層』は、軟骨の基質であるプロテオグリカンからなり、関節の潤滑に寄与し、外来性酵素の侵襲から軟骨を保護している。ウサギの膝の関節表面を擦過し最表層を削除したところ高率に変形性関節症を生じた。その発生頻度には擦過範囲の大小が強く影響していた。擦過範囲が狭い場合は関節症の発生率が低かった。この結果を受けて、擦過する範囲の大小によって、変形性関節症を生じる群と生じない群をつくり、変形性関節症の発生機序と最表層の関係を調べた。成熟ウサギを用いて、擦過範囲を大腿骨関節面の中央3分の1の部分に限定した群と、大腿骨関節面のほぼ全域を擦過した群をつくり比較した。免疫生化学的な検討では、最表層様物質には、プロテオグリカンコア蛋白、ケラタン硫酸が存在しており、軟骨のプロテオグリカン類似の物質であることが解った。これは、正常の関節軟骨の最表層を構成する物質とほぼ同様の組成であった。透過電子顕微鏡による観察では、擦過部およびその周囲の軟骨細胞の細胞内器官の発達が見られ、擦過に対応して最表層様物質の産生が高まっているものと考えられた。大腿骨関節面の広範囲を擦過した群では、変形性関節症を高率に発生した。擦過した軟骨表面には最表層様の構造を認めず、悪化した関節の摩擦係数の回復が不良であり、関節症変化が進行した。以上より、関節軟骨の最表層を擦過によって削除した場合、最表層の再生の有無が関節症の発生の有無と関連していることが示唆された。軟骨の最表層の再生の有無には、擦過範囲が関連しており、擦過範囲が狭い場合は、活性化した軟骨細胞からの分泌によって最表層が修復され軟骨の進行性の変性を生じない。擦過範囲が広い場合は、この軟骨細胞による最表層の修復がみられず、軟骨の変性破壊が進行することが多いと考えられた。
アンペア級電流に対応した3次元印刷配線用導電性ペーストの開発と導電性発現機構

近年,三次元積層造形技術がものづくり分野において革新的な製造方法であるとして世界的に大きく注目されている.本研究では,導電相としてAgペーストを想定し,アディティブマニュファクチャリングによる大電流対応3次元配線の開発を目指している.大電流通電においては従来無視できていた導電相間の接触抵抗による発熱が,配線の信頼性に大きく影響を及ぼすことが予想される.そこで本年度は導電性発現機構を解明するためにペーストキュア過程におけるその場電気抵抗測定方法を確立し,加熱中の導電性ペースト内のフィラー接触状態および相構成がペーストの電気特性に及ぼす影響を明らかにした.主な内容を以下に記す.導電性ペーストは,導電相としてAg粒子,バインダ樹脂としてエポキシ系樹脂を用いた.Ag粒子のサイズ,バインダ樹脂の配合比(硬化剤,溶剤)を変化させた.凝集防止のため高級脂肪酸で被覆して,バインダ樹脂と混合した.加熱前はいずれの配合比のAgペーストも導電性は認められないが,樹脂硬化温度の180°Cまでの加熱過程で導電性を発現した.加熱(キュア)過程におけるペーストの電気抵抗変化はペーストの配合比に依存していた.溶剤の添加量が多いペースト,またAg粒子の粒径が大きいペーストは粘度が小さいため,導電相(Ag)が移動しやすすく,低温で導通パスが確立した.オレイン酸被覆Agとヘキサン酸被覆Agを配合した場合,ヘキサン酸被覆Agを配合したペーストの方が,低温で導電性を発現した.この導電性発現のタイミングは,各脂肪酸の分解温度あるいは脱離温度と相関関係が認められた.また硬化剤無添加のペーストも加熱することで導電性が得られ,硬化反応は導電性発現の必要条件ではないことが示された.これらの結果は最適なペースト配合比やプロセス条件の選定に必要であり,より大電流を通電できる低抵抗なペーストの開発に繋がると考えられる.Agペーストの導電性発現機構を明らかにするために相構成(Ag粒子の粒径および被覆層,樹脂,硬化剤,溶剤)の異なるペーストの加熱中の電気抵抗をその場測定した.計画していた種々の導電性ペーストの作製,加熱中のその場電気抵抗測定,樹脂の反応機構については,概ね計画通りに進んだ.またペーストを用いた積層配線法との併用を想定し,Al基板上へコールドスプレイ法を用いたCu配線の造形も試みた.以下に詳細を記す.【導電性ペーストの作製と界面観察】Ag粒子にオレイン酸,ヘキサン酸を被覆し,粒径と保護膜が導電性に与える影響について明らかにした.EBSDおよび走査電子顕微鏡によってAg粒子の接触状態,結晶方位ならびにペースト中の分散状態について調べた.【樹脂およびAg粒子の相変態】熱分析によって樹脂の反応機構ならびに各被覆Ag粒子の相変態挙動を調べ,樹脂反応並びに被膜分解反応がペーストの電気抵抗に及ぼす影響について明らかにした.【電気抵抗測定および電流解析】加熱前のAgペーストは絶縁性を示しており,加熱キュア過程において抵抗が急激に変化して導電性を発現する.抵抗変化をその場測定する装置を組み上げた.本測定結果と熱分析,界面観察結果から本ペーストの導電性発現機構を明らかにした.有限要素法解析を用いてAg粒子間の接触界面抵抗とペーストの電気抵抗の関係を明らかにした.Ag粒子体積含有率が50%の場合のペーストの電気抵抗率を見積もり,実験で得られた結果と概ね一致していることを示した.【Al状へのCu配線】デバイス上へのCu太配線を想定し,Al上へコールドスプレイ法を用いてCuを積層した.Al/Cu界面構造およびAl基板上へのダメージを評価した.透過型電子顕微鏡による粒子同士の接触状態の観察,通電中の電流・伝熱解析については次年度以降に実施予定である.本年度で加熱中の電気抵抗のその場測定ならびに熱重量測定,示差走査熱分析,微細組織観察と合わせることでペーストの導電性発現機構の一部を明らかにした.しかし,導電性は導電相だけでなく,バインダ相である樹脂によっても大きく影響される.次年度以降は,ペーストの導電性を導電粒子間に存在するバインダ樹脂相を含んだ界面抵抗の観点から調べ,通電に対するペーストの特性ならびに安定性について明らかにする.特に大電流下においては,ジュール発熱が無視できないため,通電に対する配線特性(電気抵抗,形状)の信頼性を確保する必要がある.低配線抵抗,形状制御性,通電中の界面安定性を有した導電性ペーストを作製し,層間接続抵抗の小さい3次元積層配線プロセス技術を目指す.具体的な方針を以下に記す.【種々の導電性ペーストの作製】導電性ペーストはAg粉末(導電相)と樹脂バインダ(絶縁相)で構成する.表面被膜としては一般的な凝集防止膜であるオレイン酸以外に低温で分解可能なステアリン酸,ネオデカン酸などを検討する.また熱硬化性樹脂は骨格および硬化剤,還元剤ならびに希釈溶剤の影響を調べる.【導電性ペーストの信頼性評価】種々の導電性ペーストの大電流通電下における電気抵抗変化および温度変化を測定する.電流中の電流負荷前後の組織観察およびFT-IR分析によって粒子間に生じた現象を明らかにする.【導電相粒子の表面分析および界面の観察】X線回折,XPS-AES分析ならびに透過型電子顕微鏡(TEM)観察によって金属粒子の表面および界面状態を調べる.【樹脂の反応機構】

ビスフェノールFエポキシ/イミダゾール系以外の反応系を有する熱硬化性樹脂の熱分析ならびに粘度測定を行い,3次元積層配線に適したペースト組成の指針を得る.【電流伝熱解析】導電相の分布状態および界面抵抗の変化に対する通電経路および発熱現象を調べるために電流伝熱解析を行う.近年,三次元積層造形技術がものづくり分野において革新的な製造方法であるとして世界的に大きく注目されている.本研究では,導電相としてAgペーストを想定し,アディティブマニュファクチャリングによる大電流対応3次元配線の開発を目指している.大電流通電においては従来無視できていた導電相間の接触抵抗による発熱が,配線の信頼性に大きく影響を及ぼすことが予想される.そこで本年度は導電性発現機構を解明するためにペーストキュア過程におけるその場電気抵抗測定方法を確立し,加熱中の導電性ペースト内のフィラー接触状態および相構成がペーストの電気特性に及ぼす影響を明らかにした.主な内容を以下に記す.導電性ペーストは,導電相としてAg粒子,バインダ樹脂としてエポキシ系樹脂を用いた.Ag粒子のサイズ,バインダ樹脂の配合比(硬化剤,溶剤)を変化させた.凝集防止のため高級脂肪酸で被覆して,バインダ樹脂と混合した.加熱前はいずれの配合比のAgペーストも導電性は認められないが,樹脂硬化温度の180°Cまでの加熱過程で導電性を発現した.加熱(キュア)過程におけるペーストの電気抵抗変化はペーストの配合比に依存していた.溶剤の添加量が多いペースト,またAg粒子の粒径が大きいペーストは粘度が小さいため,導電相(Ag)が移動しやすすく,低温で導通パスが確立した.オレイン酸被覆Agとヘキサン酸被覆Agを配合した場合,ヘキサン酸被覆Agを配合したペーストの方が,低温で導電性を発現した.この導電性発現のタイミングは,各脂肪酸の分解温度あるいは脱離温度と相関関係が認められた.また硬化剤無添加のペーストも加熱することで導電性が得られ,硬化反応は導電性発現の必要条件ではないことが示された.これらの結果は最適なペースト配合比やプロセス条件の選定に必要であり,より大電流を通電できる低抵抗なペーストの開発に繋がると考えられる.Agペーストの導電性発現機構を明らかにするために相構成(Ag粒子の粒径および被覆層,樹脂,硬化剤,溶剤)の異なるペーストの加熱中の電気抵抗をその場測定した.計画していた種々の導電性ペーストの作製,加熱中のその場電気抵抗測定,樹脂の反応機構については,概ね計画通りに進んだ.またペーストを用いた積層配線法との併用を想定し,Al基板上へコールドスプレイ法を用いたCu配線の造形も試みた.以下に詳細を記す.【導電性ペーストの作製と界面観察】Ag粒子にオレイン酸,ヘキサン酸を被覆し,粒径と保護膜が導電性に与える影響について明らかにした.EBSDおよび走査電子顕微鏡によってAg粒子の接触状態,結晶方位ならびにペースト中の分散状態について調べた.【樹脂およびAg粒子の相変態】熱分析によって樹脂の反応機構ならびに各被覆Ag粒子の相変態挙動を調べ,樹脂反応並びに被膜分解反応がペーストの電気抵抗に及ぼす影響について明らかにした.【電気抵抗測定および電流解析】
CVD技術による傾斜機能性ダイヤモンド粉体の創製と焼結原理の構築

本研究は、粉体粒子表面の気相成長技術の構築し、これにより得られる表面改質粉末を放電プラズマ焼結(SPS)法により高速で焼結することにより、従来よりも低加圧なプロセスにより硬質ダイヤモンド焼結体を創出することを目的とする。平成29年度までに、ダイヤモンド粉末表面へのセラミックス層の気相成長技術を構築し、この気相成長技術を多様な粒子径のダイヤモンド粉末に応用することで、セラミックスコーティング層やダイヤモンド粒子径が焼結組織および密度や硬度などの各種特性に及ぼす影響を調べるとともに焼結挙動を検討してきた。最終年度となる平成30年度は、「セラミックス層の傾斜機能化」に挑戦するとともに、これまでに得られた知見をまとめ、セラミックスコーティングによるダイヤモンド粉末の易焼結化とMPaレベルの加圧焼結法による高硬度ダイヤモンド複合材の焼結原理と設計指針を検討した。「セラミックス層の傾斜機能化」に対して、具体的には炭化珪素とシリカの積層構造を有する複合層のコーティングを試みた。Si系有機化合物を原料に用いた回転CVD法により平均粒子径2ミクロンのダイヤモンド粉末粒子に対して炭化珪素層を被覆し、その後連続的にシリカ層を被覆することに成功した。現状では、得られたセラミックス複合層を有するダイヤモンド粉末をSPSにより高密度化することは困難であったが、最表面シリカ層の厚膜化またはシリカ粉末や他の易焼結性粉末を少量添加することで、従来のダイヤモンド/セラミックス複合材よりもダイヤモンド成分を高密度化することが期待でき、MPaレベルの加圧焼結プロセスにおける高硬度ダイヤモンド複合材の設計指針を示すことができた。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。本研究の目的は、粉体表面改質と高速焼結を複合した低圧プロセスにより、超硬ダイヤモンド焼結体を創出することである。このために、「ダイヤモンド粉末表面におけるセラミックス層の化学気相成長」、「複合層による高速焼結機構」、「ダイヤモンドの高密度化と組織制御」および「超硬特性の支配因子」の4点を重点課題とする。これらの課題に対し、粉末表面で構造や機能が変化(傾斜)する気相成長技術を粉体改質手法として提案し、低加圧下における緻密で強い組織を高速に形成する焼結原理を構築する。平成28年度は、先ず、ダイヤモンド粉末表面におけるSiC層の化学気相成長技術の確立に焦点をあてた。回転CVD法によりダイヤモンド粉末にSiC層をコーティングし、成膜温度や原料供給条件および粉末の粒径がSiC層の微細組織や膜厚、組成に及ぼす影響を調べた。従来、SiCのCVD合成には塩化物系の原料が用いられてきたが、Hexamethyldisilane(HMDS)やポリカルボシランなど安全性の高い原料に対して条件最適化を行い、サブミクロンサイズのダイヤモンド粉末表面を緻密で均質なSiC層でコーティングすることに成功した。得られたSiC層/ダイヤモンド粉末にSiO2ナノ粒子をボールミルで混合し、放電プラズマ焼結することで、空隙やクラックのなダイヤモンド基複合材を作製した。このときの圧力は100MPa、焼結温度は1873 Kであり、CVDコーティングと高速焼結手法を用いることで、GPaレベルの超高圧装置を必要とせずにダイヤモンド基複合体を高密度化できることを明らかにした。当初の予定は回転CVDによるダイヤモンド粉末へのSiC層のコーティングにおいて、高純度のSiC層を作製する予定であったが、HMDSを原料としたコーティング粉末や焼結体の微細構造・解析を進める過程で、SiC層中に炭素が過剰に含まれることがわかった。これにより、原料をSi/C組成比の高いポリカルボシラン原料を用いてコーティング条件の最適化を行うとととも原料供給機構の改造を行ったことで、SiC層のコーティング実験に当初よりも2か月程度多くの時間を要した。本研究は、粉体粒子表面の気相成長技術の構築し、これにより得られる表面改質粉末を高速で焼結することにより、硬質ダイヤモンド焼結体を創出することを目的とする。

前年の平成28年度までに、有機化合物系前駆体を用いた回転CVD法によりダイヤモンド粉末粒子上に炭化珪素の均質なコーティング層を形成し、組成や膜厚制御の検討を行ってきた。ダイヤモンド粉末へのコーティング、およびそれにより得られる複合(コア・シェル)粉末の焼結挙動や焼結体の各種特性に対して、原料となるダイヤモンド粉末の粒子径は重要なパラメータの一つである。平成29年度は、異なる粒子径のダイヤモンド粉末に対して炭化珪素層のコーティング条件を明らかにし、ダイヤモンド粒子とコーティング層が焼結条件や焼結体の微細組織および各種特性に及ぼす影響を調べた。具体的には、平均粒径が2、7および25ミクロンのダイヤモンド粉末に対して炭化珪素のコーティングを行い、成膜条件と膜厚の関係を系統的に調べることで、これらのダイヤモンド粉末に15-120nmの均質で緻密な非晶質炭化珪素層を被覆することができた。得られた複合(コア・シェル)粉末にシリカ粉末を加えた混合粉末を放電プラズマ焼結法により焼結を行うことで、炭化珪素層とダイヤモンド粒径が焼結組織に及ぼす影響を調べた。この結果、1)炭化珪素層を被覆しない場合、焼結後の微細組織においてダイヤモンド粒子表面とシリカの界面に空隙が形成するために高密度化しなく、このような傾向は粒子系が小さいときに顕著になる、2)炭化珪素層を被覆することにより、ダイヤモンド粒子とシリカは緻密な界面を形成し、高密度で高硬度なダイヤモンド基複合体が形成される、ことが分かった。このように平成29年度は、焼結挙動、微細組織および密度に及ぼすコーティング層と粉末粒子径の影響に関する系統的な基礎的知見を構築することができた。当初の予定は回転CVDによるダイヤモンド粉末へのSiC層のコーティングにおいて、高純度のSiC層を作製する予定であったが、HMDSを原料としたコーティング粉末や焼結体の微細構造・解析を進める過程で、SiC層中に炭素が過剰に含まれることがわかった。これにより、前駆体の再検討や気化・成膜条件の最適化、および原料供給機構の改造を行った(平成28年度)。これによりによりSiC層のコーティングに時間を要したが、平成29年度で焦点を当てた焼結体の合成や評価についてはおおよそ計画通りに進めている。平成28年度中に、回転CVDによるダイヤモンド粉末へのSiC層コーティング技術を確立し、これを用いた放電プラズマ焼結により高密度化できることを明らかにした。今後、コーティング層の構造と焼結体の機械的特性との相関を調べ、得られた結果をコーティング実験にフィードバックすることで、ダイヤモンド粉末表面層の最適化を行う。ダイヤモンド粉末の特性、コーティング層、SiO2添加量が焼結挙動に及ぼす影響を明らかにし、焼結メカニズムの検討と機械的特性の向上を目指す。一方、連続積層技術による組成や構造を制御したコーティング層の高機能化を試み、従来法では必要条件であった超高圧環境や金属助剤が不要な低加圧下での硬質ダイヤモンド焼結プロセスを確立する。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。