hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
改質器の応答遅れによる余剰・不足電力補償機能を有する家庭用燃料電池発電システム

平成18年度および19年度の2年間における研究成果は以下のとおりである。(1)改質器を考慮した燃料電池発電模擬装置の開発:小容量直流電源を用いて、燃料電池のI-V特性および改質器の遅れを一次遅れ要素で近似した燃料電池発電模擬装置を開発した。直流電源の制御には、計測制御用統合ソフトウェアであるLabVIEWを用いた。(2)燃料電池発電電力逆変換用インバータシステムの開発:研究室に所有しているDSPシステムを中核とするインバータシステムを開発し、パワーラインコンディショナ機能および電流バランサ機能を付加した。(3)改質器の応答を考慮した場合の逆潮流現象の確認:改質器の応答により負荷急変時に発電電力の過不足が発生することをMATLAB/SIMULINKを用いた計算機シミュレーションにより確認した。シミュレーション結果から過不足電力の大きさを検討しフライホイール容量を決定した。(4)フライホイール電動発電模擬装置の開発:平成18年度に完了できなかったフライホイール電動発電機模擬装置の開発について計算機シミュレーションにより詳細な検討を行った。(5)家庭用燃料電池発電システムの構成:一戸建て規模を想定し、計算機上で家庭用燃料電池発電システムを構成し負荷変動による改質器の応答遅れの模擬,余剰・不足電力の発生の確認,およびフライホイールにより余剰不足電力の補償が可能であることを確認した。(6)EDLCシミュレータの構成:米国DOEの改質器開発目標を考慮するとEDLC(電気二重層キャパシタ)が、余剰・不足電力補償に近い将来有望となる。そこで、昇降圧チョッパと単相PWM整流器を用いたEDLCシミュレータを構成し、計算機シミュレーションにより有効性を確認した。本年度の研究実績の概要は以下のとおりである。(1)改質器を考慮した燃料電池発電模擬装置の開発はじめに小容量直流電源を用いて、燃料電池のI-V特性および改質器の遅れを一次遅れ要素で近似した燃料電池発電模擬装置を開発した。直流電源の制御には、計測制御用統合ソフトウエアであるLabVIEWを用いた。実験結果から、改質器を考慮した燃料電池発電模擬装置を構成できていることを確認した。(2)燃料電池発電電力逆変換用インバータシステムの開発研究室に所有しているDSPシステムを中核とするインバータシステムを開発する。この開発するインバータシステムにはパワーラインコンディショナ機能および電流バランサ機能を付加する。これにより、電源側で正弦波電流とし漏電遮断器の誤動作を防止する機能を実現する。実験装置を構成し、実験により有効性を確認した。(3)改質器の応答を考慮した場合の逆潮流現象の確認(平木)改質器の応答により負荷急変時に発電電力の過不足が発生することをMATLAB/SIMULINKを用いた計算機シミュレーションにより確認した。シミュレーション結果から過不足電力の大きさを検討し、フライホイール容量を決定する。(4)フライホイール電動発電模擬装置の開発汎用電動発電機を購入し、フライホイール模擬装置を開発中である。平成18年度中に完了することができなかったため、19年度初めには完了する予定である。これは、DSPにより駆動される直流電動機によってフライホイールを模擬するものであり、慣性および制動係数を可変とすることができる。このため、様々な負荷状態に応じたフライホイール電動発電機を模擬できる。本年度の研究成果概要は以下のとおりである。(1)フライホイール電動発電機模擬装置の開発:平成18年度に完了できなかったフライホイール電動発電機模擬装置の開発について計算機シミュレーションにより詳細な検討を行った。実験装置による検討は完了できなかったため引き続き検討を行う予定である。(2)家庭用燃料電池発電システムの構成:一戸建て規模を想定し、計算機上で家庭用燃料電池発電システムを構成し負荷変動による改質器の応答遅れの模擬、余剰・不足電力の発生の確認、およびフライホイールにより余剰不足電力の補償が可能であることを確認した。(3)連系インバータへのパワーラインコンディショナ機能の付加:連系インバータへのパワーラインコンディショナ機能の付加について、その制御方式を検討した。

平成18年度の方式では変換器容量が大きくなり、連系インバータが高価となる。そこで、電源電圧と負荷電流の相関と相互相関に着目した制御法を提案した。平成18年度の方式と比較して、パワーラインコンディショナ機能の付加により増加する変換器容量を30%増とすることができた。(4)EDLCシミュレータの構成:米国DOEの改質器開発目標を考慮するとEDLC(電気二重層キャパシタ)が、余剰・不足電力補償に近い将来有望となる。しかし、BBEDLCは高価であり大容量のものを購入するには研究室レベルでは困難な状況である。そこで、昇降圧チョッパと単相PWM整流器を用いたEDLCシミュレータを構成し、計算機シミュレーションにより有効性を確認した。なお、普及には不可欠な経済性の検討については平成19年度中に完了できなかった。これについては引き続き検討する予定である。
高周期典型元素-遷移金属不飽和結合の構築と機能

遷移金属とケイ素またはゲルマニウム間に不飽和結合を持つ錯体の合成および反応性の向上を目指して研究を行った。その結果,ケイ素またはゲルマニウム上に立体的に極めて小さな水素を導入することにより,これら不飽和結合の反応性を飛躍的に向上させることに成功し,これまで隠されてきた有機分子や無機小分子に対する独特の多様な反応様式を発見した。またこれら不飽和結合が分子内の様々な結合を活性化し,前例のない動的挙動や転位反応を引き起こすことも見出した。本研究では,ケイ素-遷移金属三重結合を持つシリリン錯体,立体障害軽減のためシリレンケイ素上に水素を持つ錯体(ヒドロシリレン錯体),ケイ素-遷移金属二重結合と同時に他の典型元素配位子を持つ錯体,および遷移金属-ケイ素-他の典型元素からなる三員環を骨格に持つ錯体を主な標的化合物とし,金属,配位子および置換基を系統的に変えて様々な錯体の合成を行なう。次に,それらの金属-ケイ素不飽和結合と他の典型元素配位子との分子内相互作用,動的挙動,転位反応,小分子との反応等を詳細に調べることにより,金属-ケイ素不飽和結合の基本的反応性を明らかにし,さらにこの不飽和結合と典型元素配位子との相互作用によって生み出される新しい性質の発見を目指す。最後に,金属-ケイ素多重結合に特有の反応を利用して,単結合の系では実現できない新しい触媒反応等の機能開発を試みる。(1)ヒドリド(ヒドロシリレン)ルテニウム錯体の合成と極性分子との反応以前合成に成功したタングステン錯体に続いて,今回ルテニウムのヒドリド(ヒドロシリレン)錯体の合成と構造解析に成功した。X線結晶構造解析およびNMRのカップリング定数から,このルテニウム錯体ではタングステン錯体と異なり,ヒドリド-シリレン配位子間に相互作用は無いことがわかった。また,このルテニウム錯体はケトン,ニトリル等の極性分子と容易に反応し,ニトリルの場合には炭素-炭素結合の切断を伴い,シリルイソシアニド錯体をほぼ定量的に与えることがわかった。(2)ハロシリレン白金錯体の合成と構造シリレンケイ素上にハロゲンを持つシリレン錯体は,ケイ素-遷移金属三重結合を持つシリリン錯体の前駆体となり得るが,その合成例は未だに少ない。今回,ブロモシリレン白金錯体を,ビス(ホスフィン)白金錯体とかさ高い置換基を持つトリブロモシランとの還元剤存在下での反応により,合成することに成功した。この錯体は,白金のハロシリレン錯体として初めての例である。この錯体のX線結晶構造解析の結果,白金-ケイ素結合距離は非常に短く,またケイ素周りの結合角の和は360°でケイ素は平面構造をとっていることから,白金-ケイ素結合は二重結合であることが確認された。また,シリレン配位子上のブロモ基をメチル基に置換することにも成功した。(3)アリール(シリレン)タングステン錯体とニトリルとの反応アリール配位子およびシリレン配位子を持つタングステン錯体にニトリルを反応させたところ,タングステン上のアリール配位子がシリレンケイ素上へ1,2-転位し,生じたシリル配位子とタングステンとの結合にニトリルが挿入し,η^2-イミノアシル錯体が生成することを見出した。さらにこの錯体にニトリルを反応させると,もう1分子のニトリルの挿入が起こり,五員環メタラサイクルに変換されることがわかった。(1)シリル(シリレン)ルテニウム錯体の合成およびその特異な反応性以前合成に成功している鉄錯体と同様の合成法を用いて標記錯体の合成に成功し,その構造および動的挙動を明らかにした。この錯体は鉄類縁体よりも反応活性であり,強いルイス塩基である4-(ジメチルアミノ)ピリジン(DMAP)を加えると,ケイ素上の置換基の再配列を伴って塩基で安定化されたシリル(シリレン)錯体が生成した。また光照射すると,前例のないη^4-シラ-o-キノジメタン錯体に変換された。さらに,アルコールとの反応では,シリル基上のメチル基が全てアルコキシ基に置換されるという予想外の反応を見出した。この結果は,シリル基上のメチル基のα脱離によるシリレン錯体の生成が連続して極めて容易に起こることを示している。(2)水素架橋ビス(シリレン)タングステン錯体の合成と構造極めてかさ高いペンタベンジルシクロペンタジエニル配位子を支持配位子として用い,二つのシリレン配位子が水素によって架橋されたビス(シリレン)錯体の合成・単離に初めて成功した。NMRデータは二つのケイ素が水素により架橋されていることを示しており,この構造は理論計算によっても支持された。(3)ヒドリド(ヒドロシリレン)ルテニウム錯体と様々な不飽和有機分子との反応

昨年度合成に成功した標記シリレンルテニウム錯体は,アルデヒド,ニトリル及びアルキンと容易に反応し,いずれも一次生成物として,[2+2]環化付加反応の後Si-H結合が部分的に還元的脱離したと考えられるagostic錯体を選択的に与えた。また,エノン,イソシアナート,イソチオシアナート等ともスムーズに反応し,[4+2]環化付加,ヒドリド移動,C=S結合開裂等を経由して興味深い構造を持つ錯体を与えた。このように,シリレン錯体の金属-ケイ素二重結合は多様な反応を行うことを明らかにした。(1)配位不飽和シリル錯体上での置換基の1, 2-転位反応によるシリレン錯体生成の中間体以前報告した標題反応の中間体を単離するために, (p-トリルシリル)タングステン錯体に配位した4-(ジメチルアミノ)ピリジン(DMAP)配位子をルイス酸であるBPh_3で引き抜いたところ, p-トリル基の芳香環内の二つの炭素がタングステンに配位した初めてのη^3-シラベンジル錯体が得られた。この錯体とDMAPとの反応でDMAPで安定化されたシリレン錯体が得られたことから,この錯体が反応中間体であることが確認された。またシリル配位子がSi(OMe)_2Meの場合には,メチル基の1, 2-転位が起こることも見出した。(2)K^2CN-(N-シリルイミノアシル)タングステン錯体の安定性と反応性2種類のルートで合成した標題化合物について,安定性と反応性を調べた。その結果,この錯体は三員環型N-シリルイミノアシル錯体としては初めての室温で安定な錯体であり, 120°Cまで加熱して初めてC-C結合活性化を起こすことが分かった。また,ニトリルとの反応ではこれを1分子取り込んで五員環錯体が,一方イソシアニドとの反応では2分子のイソシアニドと1個のカルボニル配位子がタングステンー炭素結合に挿入しシリル基が酸素上へ転位してη^3-2-アザアリル錯体が生成することを見出した。(3)ビフェニルユニットで連結されたシリレン配位子を持つタングステン錯体の合成と性質メチルタングステン錯体と4, 4'-ビス(ジヒドロシリル)ビフェニルとの反応により,ビフェニルユニットの両端に2つのシリレン配位子を持つ二核タングステン錯体を合成した。この錯体の電子スペクトルでは,最長波長の吸収極大が対応する単核錯体と比較して大きく長波長シフトしていることが確認された。DFT計算の結果,この長波長シフトはLUMOが2つのM=Siとビフエニルユニットからなるπ共役系全体に非局在化していることが原因と解釈できることが分かった。(1)ヒドリド(ヒドロゲルミレン)タングステン錯体の合成と反応性錯体Cp*(CO)_2(H)W=GeH{C(SiMe_3)_3}の合成に成功し,その結晶構造を決定した。この錯体はニトリル,ケトン,イソシアナート,イソチオシアナート等と容易に反応し,いずれも基質の不飽和結合に対するヒドロゲルミル化を経由した生成物を与えた。興味深いことに,メシチルイソシアナートとの反応によって生成する五員環キレート錯体は,穏やかな加熱によりゲルミリン錯体に収率よく変換された。(2)ヒドリド(ヒドロゲルミレン)ルテニウム錯体の合成と反応性ケイ素類縁体と同様の方法で,錯体Cp*(CO)(H)Ru=GeH{C(SiMe_3)_3}の合成に成功し,その結晶構造を決定した。この錯体はニトリルとの反応ではGe-N結合は形成されなかったが,ケトン,イソシアナート,イソチオシアナートとの反応では,Ge-OまたはGe-S結合の形成を伴うヒドロゲルミル化を経由する生成物を高収率で与えた。
脳損傷の生化学的診断法の比較検討

脳損傷がおきると、神経細胞が破壊され、破壊された細胞内の物質が脳脊髄液や血液中に漏出する。この漏出量を定量すれば、脳損傷の有無や程度を診断できると考え、世界に先駆けてγーエノラーゼ(NSE)をマーカーとする診断法を開発し発表した。幸いこの方法は多くの賛同を得て現在かなりの臨床的応用がなされている。このγーエノラーゼの他、Sー100蛋白とCKBがある程度の実用的なマーカーとされている。そこでこれらの有用性の比較検討を行い、さらに、新しいマーカーを探すことを目的として本研究を行った。ラット乳仔に実験的に核黄疸をおこし、脳脊髄液や血液に漏れ出るこれら脳特異蛋白の量を高感度免疫測定法によって測定した。その結果、脳の中でも神経細胞に特異的に存在しているγーエノラーゼが最も著しい上昇を示し、神経細胞にもグリア細胞にも存在しているCKBもかなりの上昇を示したものの、グリア細胞だけに存在しているとされているSー100蛋白はまったく上昇しなかった。この結果から、神経特異性の高い蛋白はよいマーカーになりうると考えられたので、もっと神経特異性の高い蛋白を探した結果、Go蛋白が有望と考えられた。その結果、脳脊髄液、血液中のGo量は、脳損傷を起こしたラットでは健康なラットのレベルの10倍程度にまで上昇し、脳損傷のマーカーとして有用であることが分かったが、その上昇の程度はγーエノラーゼに比べると低く、有用性はγーエノラーゼに劣ると考えられた。このことから、よいマーカーを捜す際には、神経特異性だけでなく、脳脊髄液への溶け出易さも、重要なファクターとして考える必要のあることが分かった。さらに、脳損傷の有無や程度だけでなく、損傷された神経細胞の種類までも脳脊髄液の検査で分かるようにしたいと考え、現在CaBP含有ニューロンの損傷を知る検査方法の開発を進めている。この漏出量を定量することによって、脳損傷の有無や程度を知ろうとする試みが、この数年の間に盛んになってきた。この時のマーカーとしてγ-enolase、S-100蛋白、CKBの3者がよく使われているが、本年度はこの内のどれが最も良いマーカーであるかを検討した。前2者についての高感度測定系はすでにできていたので、CKBについての高感測定系を作製した。作製された測定系は、神経細胞一個が含有しているCKB量を測定できるほどに高感度であった。これらの高感度測定系を用いて、脳損傷ラットの脳脊髄液や血中に漏れ出ているこの3つのマーカー蛋白を測定し、脳の病理変化と比較した。その結果、脳損傷のマーカーとして最も優れているのはγ-enolaseであり、CKBもかなり良いマーカーであるが、S-100蛋白は神経細胞の障害のマーカーとしては不適当であることが分った。また同時に免疫組織化学的にこれら蛋白の所在を調べ、マーカーとしての有用性との関連を検討したところ、神経細胞にのみ限局して存在する物質は良いマーカーとなり、他の細胞にも存在する物質の有用性はより低かった。そこで、より良いマーカーを求めて、神経細胞にのみ存在し、他の細胞には存在しない物質を探すことにした。GABA,β-bungarotoxin receptor、Go蛋白の3者について免疫組織化学的に組織分布を調べた。その結果、これら3者には各々の特徴があるものの、Go蛋白はシナップスに密接に関連し、極めて高い神経特異性を示すことが明らかになってきた。

このことはマーカーとしての有用性を示すものと考えられるので、次年度にはこのGo蛋白のマーカーとしての有用性を中心に検討する予定である。脳損傷がおきると,神経細胞が破壊それ,破壊された細胞内の物質が脳脊髄液や血液中に漏出する.この漏出量を定量することによって,脳損傷の有無や程度を診断する試みを行っている.昨年度は,この生化学的診断法に用いられているマーカー,即ちγ-エノラーゼ, S-100タンパク質, CKBの有用性を比較検討したところ,脳損傷のマーカーとして最も優れているのは, γエノラーゼ(NSE)であり,まだ,神経細胞にのみ限局して存在する物質があれば,更に良いマーカーとなり得ることが分かった.そこで,より神経特異性の高いマーカーを探し, G_O蛋白が極めて高い神経特異性を示すことを見いだした.そこで本年度は,このG_O蛋白のマーカーとしての有用性を中心に検討した.G_<Oα>蛋白の高感度測定法を開発し,脳内各部位及び全身諸臓器におけるG_<Oα>の含有量を測定し,更にその所在を免疫組織化学的に検討した.その結果, G_<Oα>は,脳では神経細胞の細かい突起に広く分布し,細胞体には少なく,グリア細胞には存在しないと考えられた.また末梢組織中のG_<Oα>ほとんどはその組織に入り込んでいる神経繊維によると考えられ,神経のない血液中のG_<Oα>は,測定感度以下であった.このように,神経特異性の非常に高いことは,良いマーカーとなり得ることを示すが,測定感度以下では困るので,測定感度を更に上げるよう努力した結果,髄液中のG_<Oα>も測定できるようになった.更に予想外の発見であるが,ラットにおいては, NSE, G_<Oα>,ニューロフィラメントをはじめ,神経特異蛋白の多くが,神経細胞,神経内分泌細胞の他に,例外的に幼若な心筋細胞にも存在することを発見した.この発見は,幼若ラットにおいては,脳損傷の他に,心筋障害によっても血液中の脳損傷マーカー蛋白が上昇する可能性を示す.脳障害がおきると、神経細胞が破壊され、破壊された細胞内の物質が脳脊髄液や血液中に漏出する。この漏出量を定量することによって、脳損傷の有無や程度を診断する試みを行っている。これまでに、マーカーとしてγ-I/ラーゼ、S-100蛋白、CKBの有用性の比較検討を終え、さらに、新しいマーカーとして、Go蛋白に注目した。高感度酵素免疫測定法と、免疫組織化学的方法によってこの蛋白の生体における分布を検討したところ、Go蛋白は、極めて神経特異性の高いことが明らかになった。そこで本年は、脳損傷を起こしたラットの脳脊髄液と血液中のGo蛋白量を測定し、診断のためのマーカーとしての有用性をγ-エノラーゼと比較した。脳脊髄液中のGo量は、脳損傷を起こしたラットでは健康なラットのレベルの10倍程度にまで上昇し、脳損傷のマーカーとして有用であることが分かった。しかし、その上昇の程度はγ-エノラーゼに比べて低く、有用性は劣ると考えられた。血液中に漏れ出るGoの量も僅かであり、実用性は見いだせない。結局、現在のところ一番優れているマーカーはγ-エノラーゼと考えられた。Go蛋白は神経特異性がγ-エノラーゼよりも高いにも関わらず、有用性が低い理由は、この蛋白が本来細胞膜に埋め込まれた蛋白であり、神経細胞の障害があっても容易には脳脊髄液や血液に溶け出てこないためであろうと考えられた。
「生きている化石」深海熱水フジツボの進化生物学的研究

(1)深海熱水噴出孔(ベント)にはフジツボ類全4亜目中3亜目に「生きている化石」と呼ばれる原始的な分類群(エボシガイ:Neolepas zevinae Newman 1979,ハナカゴ:Neoverruca brachylepadoformis Newman & Hessler 1989,フジツボ:Eochionelasmus ohtai Yamaguchi 1990)が発見されていた.ラウ海盆のベントから第4番目のブラキレパドモルファ亜目の親属新種Neobrachylepasrelica Newman & Yamaguchi 1995およびイ-スター島沖のベントからEochionelasmusの新種を提唱し,その原始性を議論した(Yamaguchi & Newman Jour.Crustacean Biol.に受理された).またEochionelasmusの北フィージ-,ラウ,マヌスの3海盆のベントからの集団標本間で,マヌス集団の付随小殻板の配列が他の2集団のそれとは異なり,それらに別々の新亜種名を与えた(Yamaguchi & Newman共著でBull.Mus.natl.Hist,Paris,4 ser.に投稿した).(2)マリアナ背弧海盆およびマヌス海盆のベントからそれぞれNeoverrucaおよびEochionelasmusのミトコンドリアDNAの16S領域の塩基配列を調べ,外群としてエボシガイ亜目を用いて系統を解析した.その結果,エボシガイ亜目から前者ハナカゴ亜目が派生し,ハナカゴ亜目から後者フジツボ亜目が派生したという系統が得られ,それはベントフジツボ類で化石記録・形態・幼生の個体発生・神経系などから考えられた系統に一致した.(3)Yamaguchi & Newman(1990)は,Eochionelasmusが現存するフジツボ亜目の中で浅海に棲むより原始的なイワフジツボ類(5種),クロフジツボ類(7種)のどれよりも原始的と評価した.ミトコンドリアDNAの系統解析でもその正当性が示された.そのうちクロフジツボ3種については長谷川・山口他(1996)に公表した.(1)深海熱水噴出孔(ベント)にはフジツボ類全4亜目中3亜目に「生きている化石」と呼ばれる原始的な分類群(エボシガイ:Neolepas zevinae Newman 1979,ハナカゴ:Neoverruca brachylepadoformis Newman & Hessler 1989,フジツボ:Eochionelasmus ohtai Yamaguchi 1990)が発見されていた.ラウ海盆のベントから第4番目のブラキレパドモルファ亜目の親属新種Neobrachylepasrelica Newman & Yamaguchi 1995およびイ-スター島沖のベントからEochionelasmusの新種を提唱し,その原始性を議論した(Yamaguchi & Newman Jour.Crustacean Biol.に受理された).またEochionelasmusの北フィージ-,ラウ,マヌスの3海盆のベントからの集団標本間で,マヌス集団の付随小殻板の配列が他の2集団のそれとは異なり,それらに別々の新亜種名を与えた(Yamaguchi & Newman共著でBull.Mus.natl.Hist,Paris,4 ser.に投稿した).(2)マリアナ背弧海盆およびマヌス海盆のベントからそれぞれNeoverrucaおよびEochionelasmusのミトコンドリアDNAの16S領域の塩基配列を調べ,外群としてエボシガイ亜目を用いて系統を解析した.その結果,エボシガイ亜目から前者ハナカゴ亜目が派生し,ハナカゴ亜目から後者フジツボ亜目が派生したという系統が得られ,それはベントフジツボ類で化石記録・形態・幼生の個体発生・神経系などから考えられた系統に一致した.(3)Yamaguchi & Newman(1990)は,Eochionelasmusが現存するフジツボ亜目の中で浅海に棲むより原始的なイワフジツボ類(5種),クロフジツボ類(7種)のどれよりも原始的と評価した.ミトコンドリアDNAの系統解析でもその正当性が示された.そのうちクロフジツボ3種については長谷川・山口他(1996)に公表した.深海熱水噴出孔に生息するフジツボ類4亜目(エボシガイ、ブラキレパドモルファ、ハナカゴ、フジツボ亜目)の原始的な分類群の系統関係を、ミトコンドリアDNA(mtDNA)の塩基配列から再構築するために、浅海に棲むクロフジツボ類のそれを調べる基礎的な研究を行った。日本にはクロフジツボ類は、クロフジツボ(Tetraclita japonica)、タイワンクロフジツボ(T.formosana)、ミナミクロフジツボ(T.squamosa)の三種が知られる。Yamaguchi(1989)では三種の形態、地理的分布、生態、繁殖時期、イソ酵素の対立遺伝子頻度による系統関係が議論された。また化石記録はクロフジツボが中期中新世初頭から知られる。和歌山県すさみ町で同所的に生息する現在の三種類の個体からmtDNAを抽出し、そのチトクロームCオキシダーゼサブユニットI(COI)遺伝子の塩基配列を比較した。その結果、クロフジツボとタイワンクロフジツボとの間で同一塩基対の割合が98.1%と非常に高く、ミナミクロフジツボとクロフジツボおよびタイワンクロフジツボとの間では、それぞれ82.4%、82.2%と低い。

Kimura(1980)の2変数法で求めた遺伝距離は、クロフジツボとタイワンクロフジツボとの間が最も近く(0.0143)、近縁であることが明らかで、ミナミクロフジツボとクロフジツボおよびタイワンクロフジツボと野間はそれぞれ10倍以上遠く、0.2038および0.1927であった。つまりクロフジツボとタイワンクロフジツボとの種分化が地質時代のより最近に起こったことを示す。Knowlton et al.(1993)が求めたテッポウエビのmtDNAのCOI遺伝子進化速度を用いて、クロフジツボとタイワンクロフジツボの分岐年代を計算すると0.58Ma±0.23Maとなった。これらのことはYamaguchi(1989)の結果を支持するものである。この結果からフジツボ類の系統関係を引き出す遺伝子としてCOI遺伝子がかなり有望であることが明らかになった。深海熱水噴出孔に生息するフジツボ類4亜目(エボシガイ,ブラキレパドモルファ、ハナカゴ,フジツボ亜目)の原始的な分類群の系統関係を,ミトコンドリアDNA(mtDNA)の塩基配列から再構築するために,浅海に棲む原始的なエボシガイ亜目の5種,より進化したフジツボ亜目のクロフジツボ類の近縁種間7種,アカフジツボ類3種,タテジマフジツボ類3種について,ミトコンドリアDNAのCOI領域の塩基配列を用いて系統解析を試みた.前年報告したクロフジツボ類3種(クロ,ミナミクロ,タイワンクロ)に加えて西太平洋に広く分布するより原始的なNewmanella,Tesselopora,Tetraclitellaの合計4種のmtDNAを調べた.予想通り3種のクロフジツボよりも原始的な系統関係が得られた.地理的な変異や遺伝し的距離を明らかにする研究を継続中である.アカフジツボ類3種(アカ,オオアカ,ミナミアカ)についてもクロフジツボ類と同様に分布の最も広いモナミアカフジツボがより原始的で,それらからアカ,オオアカが派生したという結果を得た.これに加えて,南西太平洋に棲むAustromegabalanusや他のアカフジツボ類を系統解析のために塩基配列を解析中である.またアカフジツボ類と同様に大きな分類群で分類が混乱しているタテジマフジツボ類については種間の形態差以上に塩基配列の違いの大きさが我明らかになりつつあり,形態的進化速度と分子レベルの進化速度の違いに興味を持った.ミミエボシについて解析中で、前3種(ミョウガガイ科)と後3種(エボシガイ科)のいずれが原子的な分類群かという蔓脚類の最も原始的な分類群を明らかにすることに大いに貢献するものと思われる.以上次年度への新しい課題も生まれてきた.(1)深海熱水噴出孔(ベント)にはフジツボ類全4亜目中3亜目に「生きている化石」と呼ばれる原始的な分類群(エボシガイ:Neolepas zevinae Newman1979,ハナカゴ:Neoverruca brachylepadoformis Newman & Hessler 1989,フジツボ:Eochionelasmus ohtai Yamaguchi 1990)が発見されていた.ラウ海盆のベントから第4番目のブラキレパドモルファ亜目の新属新種Neobrachylepasrelica Newman & Yamaguchi 1995
コモンマーモセットを用いた歯科用アマルガムへの免疫・生体防御系の総合的研究

新世界ザルであるコモン・マーモセットをヒトの外挿モデルとして使用可能か否かを検討し、ヒト歯科治療用のアマルガム含有水銀の生体内影響を免疫学的に解析し、安全な歯科治療の確立への寄与する事を目的とした。初めにマーモセットの免疫学的解析に必要なツールの確立を目的に、1サイトカインの定量的PCR系の確立。2TCRレパトア解析系の確立。3MHCクラスI遺伝子の同定とタイピングの確立を行った。また、マーモセットの歯牙を用いたアマルガム充填モデル形の確立にも着手した。現在、動物実験系を用いた解析を行っている。本研究では、ヒトの歯科治療の使用するアマルガム含有水銀の生体内での影響を免疫学的に解析する事を目的としている。新世界サルであるコモン・マーモセット(Callithrix jacchus,以下、マーモセット)をヒトの外挿モデルとして使用し実験計画を立案した。マーモセットはヒトとの遺伝子相同性が90%前後で、ヒト疾患の病態を良く反映し、様々な化合物や生理活性物質の薬効・体内動態・代謝または安全性の対して有用な実験動物である。更には繁殖力が高く、小型で取り扱いや飼育が容易である。ヒトの口腔内環境に関しても類似性は高く歯科領域における動物モデルとしても近年注目を集めている。本研究で立案し得られた研究成果を通してアマルガム含有水銀の生体内での影響を免疫学的な検証を行う事で、安全な歯科治療の確立へ寄与する事を目的としている。24年度までに上記の研究目的の遂行の為に、マーモセットの免疫学的解析ツールの確立として1定量的PCR測定系の確立を行った。CD抗原(CD3ε,CD4, CD8α,CD20)、サイトカイン(IL-1β, IL-2, IL-4, IL-5, IL-6, IL-10, IL-12β, IL-13, IFNγ, TNFα)の測定を可能した。また、T細胞の機能の本体であるTCR遺伝子の網羅的解析系の確立にも成功した。25年度は、マーモセットのMHC classIの遺伝子を決定した。この成果により、マーモセットにおけるT細胞の抗原特異的な反応をヒトと同程度に解析を行う事が可能になった。平成26年度には上記の成果に加えて、マーモセットのMHC classIIの遺伝子を決定し、免疫学的解析ツール確立を完璧にして、マーモセットの歯牙にアマルガムを充填させる実験系を行い、ヒトの充填状態と同様な状態を提示するモデル系の作成を行い、水銀による免疫学的影響を検討する。本研究では,ヒトにおけるアマルガム含有水銀の生体内での免疫応答を解析する実験動物として,新世界猿であるコモン・マーモセット(Callithrix jacchus,以下,マーモセット)を用いた実験を計画した.マーモセットは遺伝子相同性が90%前後で,ヒト疾患の病態をよりよく反映し,様々な化合物や生理活性物質の薬効,体内動態,代謝または安全性の評価に有用な実験動物である.さらには繁殖力が高く,小型で取り扱いや飼育が容易であり,また口腔内の環境もヒトに類似していることから歯科領域の動物モデルとして近年有望視されている.本研究成果を通してアマルガム含有水銀の生体内での影響について免疫学的な検証を行うことで,安全な歯科治療の確立へ寄与したいと考えている.24年度は、上記の研究目的の遂行の為に、マーモセットにおける免疫系解析ツールの確立に注力した.研究実績としては,定量的PCR系でのCD抗原(CD3ε, CD4, CD8αand CD20),サイトカイン(IL-1β, IL-2, IL-4, IL-5, IL-6, IL-10, IL-12β, IL-13, IFN-γand TNF-α)測定系の確立し、これら遺伝子の発現解析における精度の高い評価に必須であるリファレンス遺伝子の評価を行った.また、既に単離同定したTCR遺伝子に関して網羅的TCR解析を目的に解析系の確立を行い,健常マーモセットの末梢血,脾臓,リンパ節,胸腺におけるTCRレパトアについて情報を得た.上記した解析系の確立により平成25年度には,マーモセットの歯牙にアマルガムを充填させる実験を本格化し,ヒトの充填状態と同様な症状を示すモデル系の作成を目指する.水銀の含有量および充填部位による条件検討を行い,発症頻度,病態,血液性状解析,尿検査,水銀溶出量,自己抗体の検出,サイトカイン・ケモカインの検出する.本研究の目的は、ヒトう蝕歯に対する治療に使用されるアマルガム含有水銀(以下、アマルガム)の生体に対する免疫学的影響を解析する事である。新世界ザルであるコモン・マーモセット(Callithrix jacchus:以下、マーモセット)をヒトの外挿モデルとして実験を立案した。

マーモセットはヒトの遺伝子と90%程度の相同性を有し、ヒト疾患の病態を良く反映する事が知られ、様々な化合物や生理活性物質の薬効・体内動態・代謝または安全性評価系に対して有益な実験動物である。更には繁殖力が高く、小型で取り扱いや使用が容易である。さらに、ヒト口腔内環境に関しても類似性が高く歯科領域における動物モデルとして近年注目されている。本研究で得られた研究成果を通してアマルガムのマーモッセトにおける生体内での免疫学的検証を行う事で安全な歯科医療の確立への寄与を目的としている。平成24年度・平成25年までに上記の目的を達成する為に、マーモセットの免疫学的解析ツールの確立を行ってきた。1CD抗原(CD3ε,CD4,CD8)、サイトカイン(IL-1β,Il-2,Il-4,IL-5,IL-6,IL-10,IL12β,IL-13,IFNγ,TNFα)の定量的PCR系の確立、2TCR遺伝子の同定とTCRレパトア解析系の確立、さらには、マーモッセトのMHC classI遺伝子の同定を行った。平成26年度には、マーモセットのMHC classII遺伝子の同定のためにマーモセットの末梢血と筋肉組織からRNAを抽出しエマルジョンPCRの産物を時次世代シーケンシングで遺伝子解析を行い、幾つかのマーモッセトMHC classII遺伝子の単離を継続して行っている。また、アマルガム充填モデル系の確立を行うために、マーモセット死体を用いた系の確立も継続中である。臨床免疫(理由)1マーモセットのTCRレパトア解析系の確立:マーモセットにおける網羅的TCR解析系の確立に成功した。2マーモセットの各種サイトカイン測定系の確率:マーモセットの各種サイトカインの定量的測定系として、リアルタイムPCR系の確立に成功した。測定可能なサイトカインとしては、IL-1β, IL-2, IL-4, IL-5, IL-6, IL-10, IL-12β, IL-13, IFNγ, TNFα。4マーモセットの主用組織適応抗原系(MHC)クラスIの同定:マーモセットのMHC classIの同定を決定した。日本国内でマーモセットを供給販売している日本クレアから50頭分の血液から採取したRNAを用いて次世代シーケンシング技術により検定し、MHA classIハプロタイピングを可能とした。1マーモセットのTCRレパトア解析:申請者らが既にヒトおよびマウスで開発した網羅的TCRレパトア解析法を基盤にして,我々が近年同定したマーモセットのTCR遺伝子情報から網羅的TCRレパトア解析系の確立に成功した.健常マーモセットの末梢血・脾臓・リンパ節・胸腺における網羅的TCRレパトア解析を終了し,健常時の情報として得る事ができた.その結果を論文にして発表した.本年度迄に、マーモセットの免疫学的解析ツールの確立が予定どおりに進捗している。来年度は、マーモセットのMHC classIIの発現解析を行い、遺伝子の同定とハプロタイピングを行う。これにより、免疫系に関連するMHCのハプロタイピングが可能となり、前年度までに確立したサイトカインおよびCD抗原の定量的発現解析、網羅的TCR解析を以って、本研究課題を行う事が可能となった。本年度は、マーモセットを用いた歯牙へのアマルガム充填に関しては、充填後の評価を経時的に行う。検討項目としては体温・活動性評価・皮膚検査・一般血液検査・肝機能・腎機能と血中および尿中の水銀濃度測定、更には自己抗体産生評価を行う。
熱フィラメントアシストスパッタ法によるカーバイン複合薄膜の物性評価と制御

グラファイトをターゲットとした直流マグネトロンスパッタリングに、熱フィラメントを組み合わせることで、配向性の強い結晶性炭素薄膜が得られることを見出し、その物性評価を行うとともに、作製条件と特性の関係を調べることにより所定の特性の薄膜を得るための検討を行った。走査電子顕微鏡による観察の結果、薄膜は柱状構造の結晶から成っていることが判明した。さらにその個々の構造について詳細に観察すると、それぞれがさらに細い繊維状構造が集まって構成されていることがわかった。構成要素である繊維を取り出して透過電子顕微鏡による観察を行った結果、いわゆるカーボンナノチューブとは異なり、中空ではないことが示され、制限視野回折では1次元構造特有の縞(平行線)状の回折像が得られた。これらの結果から、本方法で作製した炭素薄膜は、これまでに報告されていない新しい構造のものであり、カーボンナノファイバと称すべき構造である。さらに、ラマン分光法により炭素の原子結合について評価した結果、わずかではあるがsp結合からの散乱光が検出され、カーバイン相の存在が示唆された。
金属/絶縁体多層膜の軟X線吸収

マグネトロンスパッタ装置を用いて、Cu/SiO2, Cu/BNの2種類の組み合わせについて、それぞれ膜厚を変化させた多層膜を作成し、分子研UV-SOR施設BL7Aにおいて、Cu/L吸収の内殻吸収測定(全電子収量法)を行った。これらの測定の結果、Cuにおける新しい準位による構造を見出さなかった。この原因は、成膜時におけるCuの酸化の影響とBL7Aおける分解能が不足しているため、と考えられる。次の実験では、分解能の不足を補うためUV-SORのBL8b1を用い、ビームラインのエネルギー範囲に合わせてSi/LiFの組み合わせを選んだ。前回同様膜厚をかえて多層膜を作成し、内殻吸収測定を行った。その結果、この系のSi-L吸収スペクトルは、単結晶のものとは異なった形状を示し、そのスペクトル形状には角度依存性(異方性)が見られたが、膜厚依存性は観測されなかった。従って、この新しく見出された構造は、量子井戸状態によるものではないと考えられる。以上3つの系が多層膜を形成しているのをX線回折計を用いて確認してあるが、量子井戸状態を形成していない理由は、個々の層の膜質の均一性の欠如や層間の界面における急峻性の欠如による、と考えられる。特にSi-L吸収スペクトル形状が、多孔質Siの1種と形状が類似しており、膜質の均一性に対する問題を提起している。その解決策としては、エピタキシャル成長することが知られているSi/CaF2多層膜を用いることで、膜質の結晶性を良くすることが可能であると思われる。
ピンポイントX線とDDS薬剤による深部癌治療法の開発

本研究課題では、化学放射線治療の副作用を低減し、治療効果を増大させる有力な方法のひとつとして、ピンポイントX線と放射線増感剤のドラッグデリバリーを提案した。更に、その実現に向けて治療機器の開発と生物的な治療効果の評価を行った。前者に関しては、呼吸性移動を伴う腫瘍の追尾照射システムの開発の一環として、精度検証用の動体ファントムを開発した。平成22年度は、臨床で用いられている4次元放射線治療装置(4次元CT装置、呼吸波形検出器等)を用いた実証試験を行い、有用であることが示された。また、試験機で得られた知見を元に、汎用性の高い2号機の開発を行った。後者の生物的な評価に関しては、放射線医学総合研究所での細胞実験に加え、本学での動物実験による予備試験を行った。細胞実験では、シスプラチン含有高分子ミセルを培地と混合した後に、異なるタイミングで照射を行ったところ、ヒト肺癌細胞の種類によって細胞毒性が異なることを見出した。治療効果の最大化を図るには、放射線照射のタイミングを最適化する必要があることが示唆される。また、2種類のヒト肺癌細胞を用いたマウスの肺同所移植モデルの作成に成功し、シスプラチン含有高分子ミセルとγ線照射(左肺のみ)による治療効果評価の予備試験を行った。平成20年度は、白金含有高分子ミセルの細胞への取り込みをParticle Induced X-ray Emission(PIXE)で詳細に調べた。上半期は細胞サンプル作製法を確立し、下半期はシスプラチンとシスプラチンミセルで処理したヒト癌細胞内の白金分布を高い分解能(2μm)で観察することに成功した。シスプラチン処理した細胞内では白金が一様に分布している様子が見られたが、シスプラチンミセル処理の場合は、局所的に集積している兆候が見られた。上半期までの結果は11月に行われたアジア・オセアニア医学物理学会で発表し、Outstanding Poster Presentation賞を受賞した。また、腫瘍組織内での白金含有高分子ミセルの分布を調べる方法を模索し、放射光を用いた蛍光X線分析が有効ではないかと考えた。SPring-8の平成20年度下半期のマシンタイムを申請し、24時間のトライアルユース枠に採択された。BxPc-3(ヒト膵臓癌)を移植したマウスに薬剤を注射し、24時間後に組織を取り出して凍結切片を作製し、ビームライン37XUの放射光を用いて測定した。その結果、興味深いことに、腫瘍内の癌細胞巣(Cancer Nest)周辺の元素分布が得られた。癌細胞巣内部はカリウム濃度が高く、癌細胞の活性が高いことを示しており、周辺には栄養を供給する血管と考えられる鉄の分布が見られた。薬剤を示す白金のシグナルは、周辺の血管が最も高く、癌細胞巣内部へと徐々に減少しながら分布している様子が観察された。これは、ミセルが血管壁を透過していること、また、血液成分である鉄と同様の傾向を示していることから、ミセルも拡散によって癌細胞巣内部へと浸潤したと考えられる。この方法は白金製剤の体内動態の評価に大変有効であるだけでなく、ミセルのサイズや崩壊特性の最適化にも応用できる可能性がある。X線とドラッグデリバリーシステムを組み合わせるためには、照射タイミングを最適化するため、薬剤の腫瘍・正常組織への分布を理解する必要がある。本年度は昨年度に引き続き、白金製剤含有高分子ミセルの一種である、シスプラチンミセルの体内動態を調べるため、陽子線およびシンクロトロン放射光を用いた細胞・組織サンプルの蛍光X線分析を行った。放射線医学総合研究所のμ-PIXEを用いて、細胞核内の白金含有量の測定を行い、サンプル作製法および照射の最適化を図った。また、高い感度をもつ東北大のμ-PIXEにより、シングルセルスキャニングを行った。カウント数が少ないものの、これまでよりも低濃度(100μM)のシスプラチンミセルで処理した細胞の細胞核・細胞質における白金分布画像が得られた。蛍光標識したミセルの顕微鏡画像と併せて評価することにより、白金製剤含有高分子ミセルの細胞内での動態解明が可能であると考えられる。放射光蛍光X線分析(SR-XRF)に関しては、SPring-8のBL37XUのマシンタイムを144時間獲得し、シスプラチンとシスプラチンミセルを投与後、124時間後のマウスの腫瘍組織および腎臓切片の白金・鉄・カリウム等の元素分布を取得した。腫瘍切片では、hypo/hyper-vascularな腫瘍の比較を行うと共に、血管からの距離と分布との関係を調べた。シスプラチンは投与後1時間で既に血管周囲に広く分布しているのに対し、シスプラチンミセルは時間が経つにつれ徐々に血管周囲へ浸透していく様子が観察された。腎臓切片はシスプラチン投与した場合は1時間後には既に尿管に白金が集中しており、8時間後も留まっていることから、周囲の細胞に取り込まれて腎毒性の原因となっていると考えられる。

また、試験機で得られた知見を元に、汎用性の高い2号機の開発を行った。後者の生物的な評価に関しては、放射線医学総合研究所での細胞実験に加え、本学での動物実験による予備試験を行った。細胞実験では、シスプラチン含有高分子ミセルを培地と混合した後に、異なるタイミングで照射を行ったところ、ヒト肺癌細胞の種類によって細胞毒性が異なることを見出した。治療効果の最大化を図るには、放射線照射のタイミングを最適化する必要があることが示唆される。また、2種類のヒト肺癌細胞を用いたマウスの肺同所移植モデルの作成に成功し、シスプラチン含有高分子ミセルとγ線照射(左肺のみ)による治療効果評価の予備試験を行った。
Kex2型蛋白分解酵素Furinの発現によって胃粘膜上皮細胞が増殖する機序

Furinは成長因子等の前駆体蛋白切断酵素で、-RXXR↓X-を切断して活性型に転換する。我々は、Furinがラット胃粘膜上皮増殖帯のすぐ上部と、下部の細胞群に高発現していることを見出し、発現細胞の同定を試みた。胃粘膜先端部の胃小窩上皮細胞はTGFαを強く発現するが、Furin陽性細胞はTGFα陰性であった。Furin陽性細胞はHK-ATPase抗体で染色され、壁細胞と同定され、TGFα陽性粘膜上皮細胞に囲まれていた。TGFαの受容体であるEGF-Rは管腔側の粘膜上皮細胞、Furin陽性壁細胞、および主細胞で強く発現していた。TGFαがFurin発現を制御している可能性を考え、マウス粘膜上皮細胞由来株GSM06を用いてルシフェラーゼ法でFurinプロモーター活性を測定した。FurinプロモーターはTGFαとフォルボールエステルで強く活性化され、壁細胞のFurin発現が周囲のTGFα陽性上皮細胞によって制御されている可能性を示した。増殖帯下部のFurin陽性細胞はPepsinogen抗体で主細胞と同定された。そこで、主細胞でFurinによって活性化されるTGFβとの共発現の可能性を検討した。主細胞ではTGFβ2,3と、EGF-Rが強く染色された。主細胞周囲の壁細胞ではTGFαとTGFβII型受容体(-RII)が発現していた。主細胞のFurin発現は壁細胞のTGFαによって増加し、TGFβを活性型にし、TGFβは壁細胞のTGFβ-RIIを介して酸分泌機能を調節すると考えられる。以上より、胃小窩では粘膜上皮細胞と壁細胞、腺部では壁細胞と主細胞がFurin活性を介して相互依存的に高次機能を構築すると考えられる。
小学校体育授業における思考・判断の効果的な指導方法に関する実践的研究

本研究の目的は、思考力・判断力を効果的に獲得させるための指導方法を実証的に明らかにすることであった。新学習指導要領においては、小学校における体育の学力は、身体能力、態度、思考・判断の3つの要素から構成されている。これらの要素は並列に並べられているのではなく、思考・判断を中核にして結びついている(文部科学省、小学校体育まるわかりハンドブック、2011)。すなわち、新しい体育授業に求められていることは、身体能力や態度を高めるために、思考・判断をどのように関連付けて体育指導を行うのか、ということである。思考力・判断力を育成するためのツールとして、再現性、データの保存性、使用の簡便性、及び携帯性に優れ、即時的なフィードバックが可能であったり、以前の学習との比較が簡単になったりするタブレットPCを位置づけた。対象は、第4学年の3クラスの高跳びの単元であった。タブレットPCの使用に関する条件は、15ー6名のグループに2台用いた、2高跳びの試技の1映像を撮影した、3振り返りの際にその映像を使用した。以下の3つの活用方法を適用し、学習成果及び学習過程を比較検討した。(1)個人の必要性に応じて使用、(2)一人一人の1回の試技毎に使用、(3)3ー4回の試技毎に1回使用、であった。収集したデータは、(1)抽出グループの会話、(2)学習者行動、(3)思考力・判断力に関わる調査、(4)形成的授業評価、(5)体育授業に対する愛好的態度調査、であった。その結果、第一に、いずれの指導方法にも関わらず、形成的評価、愛好的態度は高い値を示した。使用回数を設定してタブレットPCを使用しても、愛好的態度等に大きな影響をしないことがわかった。第二に、タブレットPCを3ー4名で1台を便用することにより、技能についての思考・判断に関する1人当たりの発話量が多くみられた。1台当たりの人数を限定していくことが有効と考えられた。
小型能動式埋込型管腔系人工内臓の開発研究

食道疾患患者数は、我が国で増加傾向にあることが知られている。それらの患者は、食道の持つ食物運搬機能が失われ、重篤な逆流性食道炎または逆流によって胃の内容物が肺に入り込むことによって引き起こされる肺炎などが課題となっている。中でも食道がん患者は進行の程度によっては、食道の全摘出もしくは亜全摘出を行った後に再建臓器として胃や小腸を用いる手術を行われる場合があるが生来の食道の持つ蠕動機能は失われたままとなる。そこで本研究では、そのような患者への新しい治療方法として、能動的な食物運搬機能を有する埋込可能な人工食道ステントの研究開発を行っている。人間と同程度の体格を有する動物としてヤギの食道を用いて食道の材料力学的特性試験を行って食道の蠕動運動と食道の材料力学的特性の分布との関連を調べた。本研究では圧容積試験、食道引張試験、動的粘弾性試験および組織染色をヤギから摘出した食道に対して行った。圧容積試験では、食道内に容積負荷として生理食塩水を注水しその時の内圧との変化からスティフネスパラメータβを算出した。また食道引張試験は作製したリング状試料に対して一定の速度で引っ張り、応力ひずみ曲線を得た。その後非線形性粘弾性モデルを用いて解析を行った。また動的粘弾性試験においては、圧容積試験と同様に分割を行い、蠕動運動と同程度の周波数の刺激を与えた。それらの結果から貯蔵弾性率と損失弾性率を求めた。これらの材料力学的解析の結果から、食道の材料力学的特性分布を求めた。これらの生体の材料力学的試験の結果から、生体食道の蠕動運動の特性に基づく人工食道ステントのための食物運搬機構を構築した。それらを具現化するためにPTFEシートとNi-Ti系形状記憶合金線維を用いた構造物を作製した。また本デバイスの駆動制御として、加速度センサおよび3次元位置情報センサを用いて嚥下挙動検知をヒトとヤギを対象として行った。29年度が最終年度であるため、記入しない。癌患者数は我が国では年々増加傾向にあり、超高齢社会となる日本では今後大きな社会問題になることが懸念されている。心疾患などのような命に直ちに直結する重大な疾患については、以前から研究され、現在では人工心臓による治療なども行われるほど発展してきた。一方で、消化器系、特に食道癌に関しては直ちに命が失われる病気ではないため、発展が遅れてきた背景がある。しかし、食道癌は平均5年生存率が33%と低く、また現在の治療方法では食道の運動機能が回復しないため、治療後に重篤な食道炎などが問題となる場合が存在する。そこで本研究の能動的な食物運搬機能を有する人工食道ステントによる治療方法では、生体が本来有していた運動機能を代替し、停滞の無い食物運搬の実現および逆流性食道炎の予防などを目的とする。摘出された大型動物の食道に対して、圧容積試験や食道試料の引張試験などの生体材料力学的試験および上部食道から下部食道まで詳細に分けて、組織工学的見地から構造を明らかにし、その構造から食道の蠕動運動機構を明らかにし、その機構を具現化するデバイスを人工物で作成を行った。作成された人工食道デバイスはアクチュエータとしてNi-Ti系の形状記憶合金線維を用いて、また構造物はゴアテックスシートを用いて作成し、体内挿入可能な大きさを実現した。現在は柵瀬資したデバイスに対して流体力学的特性を考慮したIn Vitroの実験装置を組み立て、機能評価および大型動物を用いた挿入動物実験などを予定している。現在は生体食道用の引張試験装置を作製し、7-10例程度の実験を行い統計解析を含めて、非線形粘弾性モデルを用いて解析を行っている。また同時進行として、本研究デバイスの制御機構の一つとして考えられる嚥下検知デバイスの作成も行った。嚥下検知手法はいくつか現在は検討しており、そのうちの一つが加速度センサを用いた方法であり、センシングデバイスを口頭隆起表面付近に設置し、加速度の変化から嚥下を検知する手法である。

また動的粘弾性試験においては、圧容積試験と同様に分割を行い、蠕動運動と同程度の周波数の刺激を与えた。それらの結果から貯蔵弾性率と損失弾性率を求めた。これらの材料力学的解析の結果から、食道の材料力学的特性分布を求めた。これらの生体の材料力学的試験の結果から、生体食道の蠕動運動の特性に基づく人工食道ステントのための食物運搬機構を構築した。それらを具現化するためにPTFEシートとNi-Ti系形状記憶合金線維を用いた構造物を作製した。また本デバイスの駆動制御として、加速度センサおよび3次元位置情報センサを用いて嚥下挙動検知をヒトとヤギを対象として行った。今年度は作成したプロトタイプデバイスのIn Vitroの実験装置の作成および評価試験の実施、さらに大型動物を用いた埋込挿入実験を行い、実際の臨床上の運用に近い状況での本デバイスの有用性・有効性の検討を行うことを目標とする。In Vitro試験では流体力学的特性を考慮したモデルを作成し、差圧や流量変化などを中心にデータをとり、流量がどの程度生み出せるかを検討する。大型動物を用いた動物実験では、実際に生体内に挿入時におけるデバイスが駆動できるかの検討、」他の臓器などへの影響がどの程度存在するかの検討を行うことを目的とする。29年度が最終年度であるため、記入しない。