hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
第二言語獲得におけるメタ言語能力と、科学形成能力の発達に関する実証的研究

研究最終年度にあたる本年度は、メタ言語能力の実験基盤となる言語理論と言語獲得研究に関する各種研究会に参加して資料収集を行うと同時に、高校と大学でメタ言語能力の実験を行った。さらに、メタ言語能力と脳機能の関連を調べるために、脳科学の研究会に定期的に参加して、機能的磁気共鳴映像法(fMRI)、事象関連電位の測定法を学んだ。また、脳科学の最新知識を得るために、海外からMatt Davis氏(MRC Cognition and Brain Sciences Unit, Cambridge, UK)を共同で招聘し、セミナーを開催した。脳科学では、fMRIを用いて日本人母語話者の「かき混ぜ構文」の言語処理を測定して、その結果を10th Annual Meeting of the Organization for Human Brain Mappingで発表した。また、第ニ言語としての英語の言語経験が、日本人英語学習者の脳の機能変化にどのような影響を与えるのかを探るべく、日本でイマージョン教育を受けているバイリンガル児と、一卵性双生児を被験者としてfMRI測定を行い、研究成果の一部を現在投稿中である(東京大学との共同研究)。また、生成文法と脳科学の連携0)ために、第22回日本英語学会シンポジウム『第二言語獲得の脳科学の接点』を企画し、「第ニ言語獲得研究の展開」と題して本研究の一部を紹介した。また、第5回東京言語心理学会で発表した原稿をまとめると同時に、第ニ言語獲得、脳科学、生成文法に関連する論文を執筆した。さらに、本研究の研究成果を取り込んだ第二言語獲得の本を、執筆中である。来年以降は、過去三年間の研究成果に基づき、メタ言語能力の発達を調査するために、脳科学研究者との本格的な共同研究を開始する予定である。本研究は、文法教育を通して、科学形成能力とメタ言語能力の発達を考察するものである。研究初年度である本年は、メタ言語能力の実験基盤となる言語理論と言語獲得研究に関する各種研究会に参加して、資料収集を行うとともに、来年度以降の実験の準備を行った。まず、来年度に実施する、日本人英語学習者のおかす非対格動詞の誤り(" *The accident was happened")を用いて行うメタ言語能力発達に関する実験のために、Yusa (2003) "Passive Unaccusatives in L2 Acquisition" (Japanese/Korean Linguistics 11)を精緻化して、「第二言語獲得における刺激貧困の問題」(出版予定)をまとめた。この論文では、英語学習者が、非対格動詞を受動文で使う現象が、従来仮定されてきた受動化の過剰生成ではなく、ヨーロッパ言語に見られる相助動詞選択の反映であることを示した。さらに、この現象は、第二言語獲得者が、言語経験や母語文法からは帰納できない豊かな言語知識を内在化しており、第二言語獲得におけるプラトンの問題を形成することを示した。また、この誤りには、完結相(telicity)が関与し、完結性が高まると非対格動詞を過去分詞で用いる傾向が高まることを示した。次に、Shyder (1995) "Language Acquisition hand Language Variation"が主張するように、完結相が複合述部(complex predicate)を含む構文に関与しているという説を検証するために、結果構文、場所交替(locative inversion)に関する獲得研究の資料を収集した。現在、完結性と複合述部の関係に関する予備実験を行っている。研究二年度にあたる本年は、昨年同様にメタ言語能力の実験基盤となる言語理論と言語獲得研究に関する各種研究会に参加して資料収集を行った。さらに、メタ言語能力、科学形成能力に関する多くの先行研究を発表しているWayne O'Neil教授(MIT)、Maya Honda教授(Wheelock College)が来日の際に、本研究に関して意見の交換を行うと共に文献収集を行った。さらに、両教授と共同で、この分野のシンポジウムを行う方向で準備に入った。また、今年度は、昨年度の予備実験結果に基づき、高等学校三校で科学形成能力に関する実験を含めた講義を行った。さらに、本実験で使用する日本語の二重目的語構文に関する特質を解明するために、幼稚園で母語獲得の実験を共同で行い、"The Syntax of Ditransitives : A View from Acquisition"を第五回東京言語心理学会で発表した。以上に加えて本年度は、メタ言語能力の活性化を調べるために、脳科学の研究会に定期的に参加して、機能的磁気共鳴映像法(fMRI)、事象関連電位(ERP)の測定法を学んだ。このfMRIを用いて、日本人母語話者の「かき混ぜ構文」の言語処理を測定して、その結果をHuman Brain Mapping Conference (2004年6月)で発表予定である。次年度は、このfMRIを用いて日本人英語学習者の脳活動を探る実験を予定している。また、第二言語獲得と脳科学の接点に関するシンポジウムを日本英語学会で行う予定である。

また、第ニ言語としての英語の言語経験が、日本人英語学習者の脳の機能変化にどのような影響を与えるのかを探るべく、日本でイマージョン教育を受けているバイリンガル児と、一卵性双生児を被験者としてfMRI測定を行い、研究成果の一部を現在投稿中である(東京大学との共同研究)。また、生成文法と脳科学の連携0)ために、第22回日本英語学会シンポジウム『第二言語獲得の脳科学の接点』を企画し、「第ニ言語獲得研究の展開」と題して本研究の一部を紹介した。また、第5回東京言語心理学会で発表した原稿をまとめると同時に、第ニ言語獲得、脳科学、生成文法に関連する論文を執筆した。さらに、本研究の研究成果を取り込んだ第二言語獲得の本を、執筆中である。来年以降は、過去三年間の研究成果に基づき、メタ言語能力の発達を調査するために、脳科学研究者との本格的な共同研究を開始する予定である。
在宅用一酸化窒素(NO)吸入療法装置の開発

内皮由来の血管弛緩因子として一酸化窒素(以下NO)が脚光を浴び、重症呼吸不全や肺高血圧症に対しNOを吸入することで酸素化能を改善し、肺動脈圧を低下させるとの報告から、本邦においてもNO吸入療法の報告が増加している。そこで慢性呼吸不全患者の肺性心の予防を目的に、在宅酸素療法機器(携帯用軽量酸素ボンベ)による酸素吸入法とともに、NO吸入療法が簡単にかつ安全で、NOガスが無駄なく行えるような装置の開発を目的に、平成10年度、平成11年度にわたり研究を行った。試作装置は在宅酸素療法に用いられている既存の酸素セーバーを改良し、従来からある酸素供給用ポートの他に一酸化窒素供給ポートを設け、患者の呼気時にのみ酸素および一酸化窒素が同時に供給できるような機構の装置(呼吸間隔依存型、ガス供給時間設定型の2種類)を開発を行った。試作下装置(呼吸間隔依存型)の安全機構及び性能等の試験を、モデル肺と模擬上気道および人工呼吸器を用いて自発呼吸シミュレーションにより行った。装置の動作状態や警報・表示、および模擬回路に酸素およびNOガスを供給し、呼吸回数、呼気流速、一回換気量等を変化させ、各々の状態におけるNO濃度の理論値と実測値および発生するNO_2濃度について測定した。結果は、装置の安全機構は二重の安全を備えた機構であるため動作的な安全面では問題ない。性能試験では一回換気量および呼気流速の変化によるNO濃度の変化は理論値に近いものとなったが、呼吸回数の変化によるNO濃度は、呼吸回数の増加に従い理論値との差が大きくなった。また各項目でのNO_2の発生は非常に低く、実用化に向けた試作器が開発できたものと考える。なお本研究の成果を日本医科器械学会および日本エム・イー学会秋季大会で発表した。在宅酸素療法に用いられている既存の酸素セーバーを改良し、従来からある酸素供給用ポートの他に一酸化窒素供給用ポートを設け、酸素および一酸化窒素が同時に供給できるような試作装置の開発を行った。本試作装置の構成はコントロールユニット(酸素および一酸化窒素を供給する電磁弁を一定時間開放するための制御信号を出力する部分)と、圧カセンサ部(酸素および一酸化窒素が確実に供給されているかどうかを検出するための部分)からなる。この装置の基本的な作動の概要は、患者の吸気時に発生する微弱な吸気圧(陰圧)を微気圧センサを用いて吸気のタイミングを検出し、酸素および一酸化窒素を有効に供給できるような機構であり、今回2種類(吸気間隔依存型および開放時間設定型)の装置を試作した。これにより酸素および一酸化窒素の消費量を節約することで、限られたボンベ内のガスの使用時間を長くすることができた。それぞれ試作した装置のガス供給動作は、患者の吸気の検出、酸素の供給およびその確認、一酸化窒素の供給およびその確認、一酸化窒素の供給停止およびその確認、酸素の供給停止およびその確認というように、一酸化窒素のみが供給されないような機構とした。また、装置の安全対策としてガス圧力および供給動作に関して異常が発生した場合には、警報およびランプによる表示により患者に知らせる機構とした。現在、モデル肺および人工呼吸器を用いてシミュレーションを行い、理論値と実測値との比較およびガス供給に関する安全性・信頼性、また健常人での換気量と濃度変化について実験中である。本研究は平成10年度からの継続研究である。平成10年度に開発した試作器(呼吸間隔依存形)の安全機構および性能等の試験を行い、それぞれについて検討した。また新たに任意に任意設定形(R_SW1可変形)の試作器の作成にも着手し、それらをもとに今後の本研究課題等について検討した。

実験方法は、呼吸間隔依存形試作器の性能試験ために、モデル肺と模擬上気道および人工呼吸器を用い自発呼吸を模擬し、各安全機構(ガス供給異常、電磁弁開閉異常など)の作動を確認した。また各電磁弁およびガス供給圧の出力部を作成し、各々のタイミングを把握した。性能試験は自発呼吸模擬回路に酸素およびNOガスを供給し、呼吸回数、吸気流速、一回換気量等を変化させ、各々の状態におけるNO濃度の理論値と実測値および発生するNO_2濃度について測定した。結果は、装置の安全機構は二重の安全を備えた機構であるため動作的な安全面では問題はない。性能試験では一回換気量および吸気流速の変化によるNO濃度の変化は理論値に近いものとなったが、呼吸回数の変化によるNO濃度は、呼吸回数の増加に従い理論値との差が大きくなった。この原因は装置内チューブ類のコンプライアンスによるチュービング効果によるものと判明し、対策としてチューブを硬質のものに変更することや装置のガス出口(鼻カヌラ接続部)の改良により対策できることが分かった。また各項目でのNO_2の発生は非常に低く、実用化に向けた試作器が開発できたものと考える。今後の検討は、試作した2種類の装置の臨床応用を目指し、電磁波障害への対策や装置内配管の材質、性能などについて再度安全試験、NOボンベの容量や充填NO濃度の検討を使用時間等を考慮して検討する必要がある。また実際に使用すると思われる環境への汚染の程度についても検討する必要がある。なお本研究の成果を日本医科器械学会および日本エム・イー学会秋季大会で発表した。
鉄系高温超伝導の発現機構と対称性

鉄系超伝導体の強相関効果を動的平均場理論+エリアシュベルグ法を用いて調べた。繰り込み因子は最近のARPES実験の通り顕著な軌道依存性を示し、磁気・軌道秩序は共にRPAの結果に比べて大きく抑制される。この時、磁気揺らぎによるs±波超伝導も抑制されるが、軌道揺らぎによるs++波超伝導は大きく拡がり安定化されることが分かった。また、Feのd電子とAsのp電子間相互作用の効果についても調べ、弾性定数C66のソフト化に対応する強軌道揺らぎを増強すると共に、d電子間相互作用に起因する反強磁性揺らぎと波数空間で住み分けて働くため互いに競合すること無く、協力して高いTcをもつs±波超伝導を導くことが分かった。鉄系超伝導体に対する角度分解光電子分光(ARPES)で観測されたバンド構造は、第一原理計算で得られたバンドを全体にZ=1/21/5程度繰り込むことによりほぼ再現されると考えられてきたが、最近の高分解能ARPESでは繰り込み効果の大きなバンド(軌道)依存性が観測され、さらに、特定の軌道の繰り込み因子Zがゼロとなる軌道選択モット転移の可能性も議論されており、繰り込み効果を顕わに考慮できる強相関理論の重要性が高まってきた。そこで、鉄系超伝導体の第一原理計算に基づく5軌道ハバード模型を、強相関領域も記述できる非摂動的手法である動的平均場理論(DMFT)を用いて調べた。得られた局所自己エネルギーの強い軌道依存性から、dxz、dyzおよびdx2-y2軌道の繰り込み因子Zが他の軌道のZに比べて非常に小さくなり、現実的な相互作用に対して繰り込まれたバンドが高分解能ARPESを良く再現すると共に、軌道選択モット転移近傍の金属状態であることも分かった。次に、DMFTに基づいて磁気感受率と電荷・軌道感受率を計算し、その発散によって系のとりうる秩序状態を調べた結果、ストライプ型反強磁性磁気秩序および強軌道秩序は従来のRPAの結果と比べて共に抑制され、特に両者が拮抗する領域では特に抑制が大きくなり、現実的な相互作用パラメータの値に対して磁気秩序と軌道秩序(構造相転移)が実現する結果が得られた。さらに、磁気および電荷・軌道感受率から有効ペアリング相互作用を求め、エリアシュベルグ方程式に基づき超伝導を議論した結果、DMFTではRPAと比較して揺らぎが局所的に(q依存性が弱く)なるため、強いq依存性が必須の磁気揺らぎによるs±波超伝導領域は大きく抑制されるのに対して、軌道揺らぎによるs++波超伝導はq依存性が弱い方が超伝導に有利となるため大きく拡がり、s±波超伝導に比べてより安定化されることが示された。鉄ニクタイド高温超伝導体では、反強磁性(AFM)揺らぎと強軌道(FO)揺らぎの2つの顕著な揺らぎが存在し、前者を起源とするs±波と後者を起源とするs++波の2つの超伝導機構が議論されてきた。本研究でもこれまで、鉄のd軌道間クーロン相互作用およびd軌道とフォノンとの結合効果によって軌道揺らぎが増大しs++波超伝導が実現することを示した。その際、FO揺らぎと同時に反強軌道(AFO)揺らぎも増大し、このAFO揺らぎがAFM揺らぎに打ち勝つことによりs++波が実現するが、AFO揺らぎの増大は実験で直接観測されていないことや、AFO揺らぎとAFM揺らぎは競合して超伝導転移温度Tcを下げることなどの問題があった。最終年度は、鉄のd軌道に加えてニクトゲンのp軌道も顕わに含む16バンドd-p模型に基づき、鉄d電子とニクトゲンp電子間のクーロン相互作用に起因する新しいFO揺らぎ増大のメカニズムを提案した。まず、水素原子軌道型の波動関数を用いてd-p電子間クーロン相互作用の軌道依存性を定量的に計算し、現実的なd-pクーロン相互作用の値に対して弾性定数C66のソフト化に対応するFO揺らぎが増大することを示した。このd-pクーロン相互作用は、d電子間クーロン相互作用によって増大するAFM揺らぎには何ら影響せず、またAFO揺らぎの増大も伴わない。このとき、FO揺らぎを媒介とする電子およびホールのそれぞれのフェルミ面内での引力ペアリング相互作用と、AFM揺らぎを媒介とする電子とホールのフェルミ面間の斥力ペアリング相互作用は、波数空間で住み分けて働くため互いに競合すること無く、協力してs±波超伝導を導くため高いTcが得られる。さらに、このFO揺らぎの協力の下で実現するs±波超伝導は、従来のAFM揺らぎのみによるs±波では説明できない非常に小さなTcの非磁性不純物効果の実験も説明できることが分かった。

鉄系超伝導体の第一原理バンド計算を良く再現する2次元16バンドd-p模型に基づき、電子間クーロン相互作用と電子フォノン相互作用の効果を、まず乱雑位相近似(RPA)の範囲で調べた。特に、orthorhombic歪みと軌道揺らぎの結合効果により、強的軌道秩序がtetra-ortho構造転移を伴って実現し、その転移温度Tsが反強磁性転移温度TNより高くなることを示した。これにより、鉄系超伝導体の実験の相図と、最近の超音波実験で観測された弾性定数C66モードの巨大なソフト化を再現すると共に、このとき実現する超伝導は軌道揺らぎを媒介とするs++波超伝導であることを明らかにした。また、RPAでは考慮されない軌道揺らぎのモード間結合効果をSCR理論および自己無撞着揺らぎ理論(SCF)により調べ、超音波実験による弾性定数C66の温度依存性を広い温度領域で良く再現する結果を得た。次に、RPAやSCFなどの摂動的手法では十分に考慮されない局所電子相関効果を、動的平均場理論(DMFT)を用いて調べた。その結果、第一原理計算に比べてバンド幅が1/2から1/3に繰り込まれるARPESの実験結果を再現すると共に、RPAでは過大評価されていたストライプ型反強磁性に対して強軌道秩序が相対的により安定化されることを明らかにした。これにより、現実的な相互作用パラメータに対して、鉄系超伝導体の実験の相図(Ts>TN )が再現されることが分かった。さらに、RPAでは構造相転移の近傍でのみ強的軌道揺らぎによってs++波超伝導が実現するのに対して、DMFTでは電子相関効果と軌道ー格子結合の協力効果によって増強された局所軌道揺らぎによって構造相転移から離れた領域でもs++波超伝導が実現することを明らかにした。これは、構造相転移から離れたオーバードープ領域まで高い超伝導転移温度が実現する実験とコンシステントである。動的平均場理論(DMFT)は、強相関領域に対しても有効な非摂動的手法として様々な強相関系の研究に用いられてきたが、自己エネルギーやバーテックスの振動数依存性を正確に考慮できる一方、波数依存性は無視されるため、電子相関効果に起因するd波やs±波などの異方的超伝導の議論ができなかった。本研究では、DMFTで得られた磁気および電荷・軌道感受率から有効ペアリング相互作用を求め、それをエリアシュベルグ方程式に代入することにより、超伝導の異常自己エネルギーの波数依存性を考慮した異方的超伝導の議論が可能となった。また、これにより、DMFTに対して自己エネルギーの波数依存性を補正するDMFT+Σk法を開発するという当初の目的も達成された。電子間相互作用と電子格子相互作用が共に重要な役割を果たす多軌道・多バンド格子模型に対して、局所相関と空間相関を共に十分に考慮できる量子多体計算手法を開発するという研究目的を達成するため、自己無撞着揺らぎ理論(SCF)および動的平均場理論(DMFT)の2つの相補的な計算手法の開発を行った。この開発した手法を16バンドd-pホルスタイン模型および2軌道ハバードーホルスタイン模型に対して適用することにより、軌道揺らぎを媒介とする新規超伝導機構の可能性を検証するという当初の研究目的を達成することができた。鉄系超伝導体では、電子間クーロン相互作用による電子相関効果と、電子フォノン相互作用による軌道と格子の強結合効果の両者がともに重要であることが、これまでのRPAの計算によって明らかにされてきた。本年度は、5軌道ハバード模型に対してDMFTを用いて電子間クーロン相互作用による電子相関効果を調べ、また、電子フォノン相互作用の強結合効果に関しては、簡単化した2軌道模型による予備的な研究を行った。
高齢社会における自然環境保全活動支援システムの構築とコミュニティ形成に関する研究

本研究は、高齢者の社会参加とコミュニティ形成のあり方について地域の自然環境保全と持続可能性の視点から考察するため、日本と英国で調査研究を実施した。その結果、日本においてはNPOによるシニア世代への自然環境保全活動支援の成功している事例がみられた。英国においては、地域の自然環境保全活動が「生物多様性」の視点で、民間組織と住民そして行政とのネットワークで取り組まれており、参考にすべき事例が多く存在した。本研究は、高齢者の社会参加とコミュニティ形成のあり方を地域の自然環境保全と持続可能性に注目することにより、高齢社会における自然環境保全活動支援システムの構築とコミュニティ形成を目指すものである。この目的にもとづき平成19年度は、資料および情報収集を行い、基礎的資料を充実させることを中心に研究を進めた。まず、日本国内における自然環境指導者養成講座と運営組織の実態調査としてシニア自然大学に対しヒアリング調査を実施した。シニア自然大学に対しては平成10年度、11年度と調査研究を実施している。本研究初年度にあたる平成19年度の研究対象とすることで運営組織と講座修了生の経年変化、その後の活動状況が把握できるとともに、成功点と問題点が明確になる。自然環境に関するリーダー養成のための1講座としてスタートしたシニア自然大学であったが、現在はNPO法人として活動を開始し5年目が経過した。安定した収入と事業実績を持ち、多くの講座修了生を排出、前回調査当時と比較し増加した修了生は地域でさまざまな社会貢献を行っていることが確認できた。シニア自然大学の事例は高齢者の社会参加と地域の自然環境保全への活動を行う組織の成功事例として評価できるものであることが確認できた。講座修了生への実態調査および意向調査を実施する予定であったが、ヒアリング中に調査項目等再考が必要であることが明らかになったため、本年度の調査は見送った。しかし、シニア自然大学より本研究に対し研究意義など大変理解を示していただけ、組織として全面的に協力をしていただけるとの回答をいただけたことは、今後の調査研究を進めるにあたって大きな成果であった。また、本年度分析用機材および現地調査時に必要な機器等を整備できたことは、今まで実施できなかった調査・分析方法を取り入れることを可能にした。研究計画にもとづき平成20年度は、英国における自然環境保全活動団体の活動実態および人材育成の状況と英国における高齢者の自然環境保全活動状況および地域コミュニティでの果たす役割の把握のため、英国ケント県に存在する自然環境保全活動団体およびプロジェクトへのヒアリング調査を実施した。調査対象および調査内容は、英国全土で自然環境保全活動を行っている団体の支部組織やケント県の地域性より誕生した組織やプロジェクトを対象とし、(1)組織の運営状況、運営姿金の調達方法、(2)人材育成の方法、(3)コミュニティとのかかわり、(4)活動によるコミュニティへの影響などビアリングを行った。また、実際に自然保護区域でボランティア活動を行う住民と指導者に対してもビアリングを行った。(1)については、どの組織も組織のミッションを実践しながら地域に根差した活動を行う中で組織を維持するための外部資金(国の補助金、会費、受講費など)を調達し運営を行っていることが確認できた。(2)については、各団体が募集するボランティア活動やトレーニングの開講により独自に人材を育成している場合がほとんどであった。また、地域住民、地元住民に対する参加のきっかけづくりが重要であると確認できた。(3)(4)については、各組織とも地城に根差した活動を行っているため、地域住民の参加を促す活動は盛んに行われており、各組織の活動が地域の環境保全・維持、コミュニティの形成を担っている。しかし、今回の調査だけでコミュニティへの影響を分析するには不十分な部分があり、今後追加調査を行う必要がある。そして、英国では現在、「生物多様性」という視点から地域の環境保全、コミュニティ形成のための活動・プロジェクトを民間組織や住民、行政とのパートナーシップで実施されていることが確認できた。本研究の研究計画に基づき平成21年度は、英国における自然環境保全活動支援状況の把握と自然環境保全政策および地域コミュニティ政策の把握のため、英国West Midlands地方で活動する民間の自然環境保全活動団体、自治体、行政機関を対象にヒアリング調査を実施した。調査対象として、近年注目されている「生物多様化」の視点で活動やプロジェクトを実施しているものを対象とした。特に今回注目たのはLiving Landscapesである。これは英国第3位の環境に関する民間組織であるThe Wildlife Trustsが独自で作成した気候変動や生物多様性、持続可能性を視点に都市および都市郊外農業地域における自然環境保全活動に対する戦略的ビジョンを示すものであり、この戦略的ビジョンに基づき活動を行っている。Living Landscapesの活動地域は英国全土で100か所以上指定され、各支部がそれぞれの地域の特性に応じ、独自の活動を行っている。保全の手法としては、それぞれ個別に野生動物の保護やそれらの生息する地域を保全・保護することや新たに創造した自然保護区をつなげネットワーク化している。この中には住民の居住地域も保全の対象地域となっている。Living Landscapesの概念や活動等は行政機関に評価され、行政機関の自然環境保全計画や活動にも影響を及ぼしている。

The Wildlife Trustsのコミュニティにおける活動については、同じ組織でも都市部と郊外地域では活動の方法、住民や行政との協力関係、資金調達の方法などが異なり、それぞれの地域性にあわせた活動を展開していることが理解できた。本年度の研究は、日本における環境NPOの活動の充実、地域に根差した自然環境保全活動推進の検討に依拠できるものと考える。
数値流体力学血流解析による早期ステント被覆と新生動脈硬化の機序解明と治療最適化

冠動脈インターベンションの課題は、ステント内再狭窄、ステント血栓症、遠隔期新生動脈硬化、抗血小板薬二剤併用療法の早期終了である。これらを解決するために第3世代の冠動脈ステントが開発され、各種ステントには特徴的な技術が搭載された。我々は抗血小板薬二剤併用療法の早期終了と晩期再狭窄の抑制に効果的な因子は何かを明らかにするために、各種ステント留置後の状態に関する画像データを元に血管の状態をモデル化し、数値流体力学解析によりフローシミュレーションすることで、早期新生内膜、遠隔期新生動脈硬化の機序を解明し、抗血小板薬二剤併用療法の終了タイミングを決定するための客観的指標づくりに貢献することが目的である。
ヘパリン親和性を獲得した新規エリスロポエチンの生物学的特性と臨床応用のための検討

エリスロポエチン(EPO)は、赤血球系の造血因子として発見され使用されてきたが、その後の研究で組織保護的に働くことも明らかとなっている。研究代表者らは、EPO誘導体であるヘパリン親和性EPO(HEPO)の合成に成功し、この新規EPO誘導体の特性を検討した。ヒトHEPO(rhHEPO)は長時間作用型の赤血球造血作用を示しつつ、新たに血管新生阻害作用も獲得していた。本新規EPO誘導体(rhHEPO)は、造血促進効果および組織保護効果を維持しており、さらに抗腫瘍効果(腫瘍増殖阻害)が付加されていることで、臨床への応用が期待される。これまでに申請者は、赤血球系の造血因子であるエリスロポエチン(EPO)にヘパリン親和性モチーフを導入し、ヘパリン親和性EPO(HEPO)という新規サイトカインの合成に成功し(特願2008-323611)、EPO活性の保持とヘパリン親和性の獲得を確認している(特願2012-543009、国際出願PCT/JP2009/071095)。今回の研究では、ヒトHEPO(rhHEPO)の安定発現株(Stable Transfectant)を確立し、その生物学的特性を検討して、1長期作用性造血剤、2組織・血管内皮保護剤、3抗腫瘍剤(血管増殖阻害剤)としての臨床応用に向け、必要な基礎データを固めることを目的とした。そこで初年度は、安定発現株の作成と、大量培養系および蛋白精製系の確立のため、1.ヒト特有の糖鎖構造の重要性を踏まえ、現在のバキュロウイルス・昆虫細胞系からヒト細胞株による発現系を作成すること、2.安定発現株(Stable Transfectant)を樹立すること、3.浮遊細胞培養系を確立し、大量培養を行うこと、4.精製手法を確立し本新薬の安定生産を開始すること、を計画していた。そこでまず、過去の研究結果の解析、整理を行い、それをデータベース化し、今後の研究を進める上での方向性の検討と問題点の確認を行った。さらに、新規発現系に移行する前段階の評価として、既存の発現系によるrhHEPOの培養と生成、測定などを進めている。申請者は、赤血球系の造血因子であるエリスロポエチン(EPO)にヘパリン親和性モチーフを導入し、ヘパリン親和性EPO(HEPO)という新規サイトカインの合成に成功している(特願2008-323611)。またHEPOの特性として、EPO活性の保持とヘパリン親和性の獲得を確認している(特願2012-543009、国際出願PCT/JP2009/071095)。そこで初年度から次年度にかけて、安定発現株の作成と大量培養系および蛋白精製系の確立のため、1.ヒト特有の糖鎖構造の重要性を踏まえ、現在のバキュロウイルス・昆虫細胞系からヒト細胞株による発現系を作成すること、2.安定発現株(Stable Transfectant)を樹立すること、3.浮遊細胞培養系を確立し、大量培養を行うこと、4.精製手法を確立し、本新薬の安定生産を確立すること、を計画していた。そのために、過去の研究結果の解析、整理を行い、それをデータベース化し、今後の研究を進める上での方向性の検討と問題点の確認を行った。さらに、新規発現系に移行する前段階の評価として、既存の発現系によるrhHEPPOの培養と生成、測定などを進めてきた。申請者は、赤血球系の造血因子であるエリスロポエチン(EPO)にヘパリン親和性モチーフを導入し、ヘパリン親和性EPO(HEPO)の合成に成功している(特願2008-323611)。またHEPOの特性として、EPO活性の保持とヘパリン親和性の獲得を確認している(特願2012ー543009、国際出願PCT/JP2009/071095)。今回の研究では、ヒトHEPO(rhHEPO)の安定発現株(stable transfectant)を確立し、その生物学的特性を検討して、1長期作動性造血剤、2組織・血管内皮保護剤、3抗腫瘍剤(血管増殖阻害剤)としての臨床応用に向け、必要な基礎データを固めることを目的とした。初年度から次年度にかけて、安定発現株の作成と大量培養系および蛋白精製系の確立のため、1ヒト特有の糖鎖構造の重要性を踏まえ、バキュロウイルス・昆虫細胞系からヒト細胞株による発現系を作成すること、2安定発現株(stable transfectant)を樹立すること、3浮遊細胞培養系を確立し、大量培養を行うこと、4精製手法を確立し、本新薬の安定生産を確立すること、を計画していた。そのために、過去の研究結果を集計、解析し、その結果をデータベース化して、今後の研究を進める上での方向性の検討と問題点の確認を行った。さらに、新規発現系に移行する前段階の評価として、既存の発現系によるrhHEPNの培養と精製、測定などを進めてきた。

研究代表者らは、EPO誘導体であるヘパリン親和性EPO(HEPO)の合成に成功し、この新規EPO誘導体の特性を検討した。ヒトHEPO(rhHEPO)は長時間作用型の赤血球造血作用を示しつつ、新たに血管新生阻害作用も獲得していた。本新規EPO誘導体(rhHEPO)は、造血促進効果および組織保護効果を維持しており、さらに抗腫瘍効果(腫瘍増殖阻害)が付加されていることで、臨床への応用が期待される。申請時の研究計画では、初年度から次年度にかけて、安定発現株を作成し、大量培養系および蛋白精製系を確立し、in vitroおよびin vivoの実験を進める予定であった。しかし、平成25年度、26年度ともに臨床業務のエフォート率が申請時に想定していた以上に高くなってしまったため、計画通りに研究を遂行することが出来なかった。申請者は所属診療科における外来診療業務、および入院患者様に対する病棟業務にも従事し、学生講義や実習の担当、カリキュラム委員や共用問題作成などを行いながら、総括医長、外来長などの責務をも担っている。従ってここまでの経過で、蓄積された研究結果の解析、整理と、既存の発現系によるrhHEPOの培養と生成、測定を行うにとどまった。生物系医師薬学内科系臨床医学血液内科学(今後の推進方策)当初計画していた実験計画の続きを行う。具体的には、1.rhHEPOとヒト細胞株による発現系への転換と、2.rhHEPOの培養系、精製方法の確立である。さらに併行して、平成26年度以降に実施予定の、1.in vitro造血活性の検討、2.in vitro血管内皮作用の検討、3.in vivo動物モデルによる造血活性および血管内皮保護作用の検討、4.in vivo微小血管障害治療モデル作成のための基礎検討、も進めていく予定である。(次年度の研究費の使用計画)本研究計画を遂行するには、申請時に記入した研究経費が必須である。EKISAキットなど必要な試薬類の追加の他、in vitroの検討では細胞株や血管新生キット、in vivoにおける実験では各種動物が不可欠である。また研究の推進に必要な学会への参加や情報収集なども行っていく予定である。申請時の研究計画では、初年度中に安定発現株を作成し、大量培養系および蛋白精製系を確立する予定であった。しかし、平成25年度は臨床医としての業務のエフォート率が申請時に想定していた以上に高くなってしまったため、計画通りに研究を遂行することができなかった。申請者は所属診療科における外来の診療業務、および入院患者様に対する病棟業務にも従事している。平成25年度は教室の改変に伴う多数の赴任等があり、事実上教室員が半減した。更に新たな入局者が得られなかったため、臨床業務の負担の増加を受け入れざるを得ない状況となり、結果として研究に充てられる時間が激減した。従って初年度は、これまでの研究結果の解析、整理と、既存の発現系によるrhHEPOの培養と生成、測定を行うにとどまった。
時空間追跡に基く多次元濃淡画像からの微細構造の認識

3次元濃淡画像の解析の高度化を目的とし,時間的または空間的な連続性を手がかりとした図形検出と評価を行った.時間的には,直接的な対応付けが不可能であるような数ヶ月間隔で撮影された画像群,空間的には太さ12画素程度の非常に細い構造を対象とし,これらの濃淡構造の解剖学的特徴や大局的な評価に基づく対応付けに関する技術開発を行った.どちらも従来の3次元濃淡画像を対象とした領域分割に関する研究では対象にできなかったような困難な課題である.そこで,時間情報の疎密に応じて以下の事柄を実施した.-疎な時間連続に対する対応肺の領域における相対位置を適切に設定してそれら間の距離を定義することにより大まかな対応付けは可能であるという結果を得た.また,非剛体レジストレーションの適用も検討した.-密な時間連続への適用比較的に時間間隔が狭いためある程度安定した画像間レジストレーションが可能である,肝臓診断用のCT画像の解析を進めた.時空間画像を解析することにより,検出精度が向上することが確認された.-空間配置の評価とセグメンテーション微細な構造を直接追跡・領域分割する場合,結果の全体的な空間分布に偏りが生じることがある.この空間的な分布の評価は領域分割の精度向上に有効である.肺内の動脈と静脈の分類に取り組み,90%以上の精度を実現した.本研究全体として,空間と時間の両方の連続性を評価する領域分割の提案をおこない,その有効性を示してきた.多種多様な画像の様々な変化に対応するにはまだ解決しなければならない課題は山積している.今後は事例べ一ス学習などを取り入れることにより,個人差などの様々な変化に対応することが望まれる.3次元濃淡画像の解析の高度化を目的とし,時間的または空間的な連続性を手がかりとした図形検出と評価を行った.時間的には,直接的な対応付けが不可能であるような数ヶ月間隔で撮影された画像群,空間的には太さ12画素程度の非常に細い構造を対象とし,これらの濃淡構造の解剖学的特徴や大局的な評価に基づく対応付けに関する技術開発を行った.どちらも従来の3次元濃淡画像を対象とした領域分割に関する研究では対象にできなかったような困難な課題である.そこで,時間情報の疎密に応じて以下の事柄を実施した.-疎な時間連続に対する対応肺の領域における相対位置を適切に設定してそれら間の距離を定義することにより大まかな対応付けは可能であるという結果を得た.また,非剛体レジストレーションの適用も検討した.-密な時間連続への適用比較的に時間間隔が狭いためある程度安定した画像間レジストレーションが可能である,肝臓診断用のCT画像の解析を進めた.時空間画像を解析することにより,検出精度が向上することが確認された.-空間配置の評価とセグメンテーション微細な構造を直接追跡・領域分割する場合,結果の全体的な空間分布に偏りが生じることがある.この空間的な分布の評価は領域分割の精度向上に有効である.肺内の動脈と静脈の分類に取り組み,90%以上の精度を実現した.本研究全体として,空間と時間の両方の連続性を評価する領域分割の提案をおこない,その有効性を示してきた.多種多様な画像の様々な変化に対応するにはまだ解決しなければならない課題は山積している.今後は事例べ一ス学習などを取り入れることにより,個人差などの様々な変化に対応することが望まれる.本研究の目的、3次元濃淡画像の解析の高度化を目的とし、時間的または空間的な連続性を手がかりとした図形検出と評価を行うことである。本年度は、時系列の3次元画像を対象として、経時変化に頑健な注目領域の対応付けに関する検討を行った。胸部の3次元画像は、撮影時の呼吸の状態、人体軸と画像軸の角度、体自体の経年変化によりその位置あわせは非常に難しい。特に、多発性肺結節のような多数の結節をもつ症例では、経過観察において治療効果を定量的に評価することが困難である。この問題では、肝臓などの軟組織のように容易には非剛体レジストレーションが実現できるわけではない。そのため、まず、肺の領域における相対位置を適切に設定してそれら間の距離を定義することにより、大まかな対応付けを実現した。次に、得られた候補対応対から真の対応付けを同定する手法を検討した。胸部の画像間には複雑な非線形変換があり、局所的な特徴量のみでは対応ができないが、肺血管・気管支の分岐構造は大きくは変わらないため、これらの情報を活用することが重要となる。そのため、候補領域の適切な近傍領域の最大値投影をキーとした対応付け決定法を開発し、大局的な情報を利用した対応付けを行った。これらの結果、経時画像間に大きな変形があった場合でも注目領域の対応付けが実現できることを確認した。実際、同一被験者の治療経過画像4枚に適用した結果,対応する結節265組のうち258組を正しく対応付けることができ,誤対応は2組であった.本研究の目的、3次元濃淡画像の解析の高度化を目的とし、時間的または空間的な連続性を手がかりとした図形検出と評価を行うことである。本年度は、時系列の3次元画像を対象として、経時変化に頑健な注目領域の検出を,造影CT像からの肝臓領域と肝がん領域検出を中心に検討した。

肝臓の診断では,通常の診断のCT像に加えて,造影剤注入後の撮影時間が異なる3つの画像(早期相,門脈相,晩期相)を用いる.腹部CT像では,各臓器が近接して存在しているために境界が不鮮明であることが多い.そのため,領域拡張法などのCT値に基づく処理では各臓器を個別に抽出することは難しい.一方,各臓器の形状や位置関係,CT値の分布はほぼ既知である.そこで,解剖学的知識を領域拡張処理に組み込むことにより腹部臓器を抽出する.具体的には,臓器の位置関係に関する知識を用いて各臓器ごとに処理範囲を限定し,臓器のCT値の分布情報を領域拡張の拡張条件に反映させる.これにより,各臟器抽出の精度向上および安定化を図った.また,早期相と晩期相の画像は,がんがはっきりと造影されることから,肝臓がん診断の重要な診断画像である.そこで,この2画像の濃度変化特徴に着目する.最初に晩期相から周囲より濃度の低い領域を可変近傍型差分処理で候補領域を抽出し,次に早期相と晩期相の濃度変化を関心領域内での分布特徴として評価し,拾い過ぎ領域の削減を行う.本手法を多時相X線CT像21例に対して適用した結果,肝臓がんの検出率100%のときに拾いすぎ領域は症例あたり0.3個であった.その他,一般の画像処理・パターン認識技術についての開発を進めた.3次元濃淡画像の解析の高度化を目的とし,時間的または空間的な連続性を手がかりとした図形検出と評価を行った.時間的には,直接的な対応付けが不可能であるような数ヶ月間隔で撮影された画像群,空間的には太さ12画素程度の非常に細い構造を対象とし,これらの濃淡構造の解剖学的特徴や大局的な評価に基づく対応付けに関する技術開発を行った.どちらも従来の3次元濃淡画像を対象とした領域分割に関する研究では対象にできなかったような困難な課題である.・疎な時間連続に対する対応複数枚の胸部の3次元画像の対象物体(腫瘍)の位置あわせと追跡を実現するための画像特徴量に関する検討をおこなった.胸部の3次元画像は,撮影時の呼吸の状態,人体軸と画像軸の角度,体自体の経年変化によりその位置あわせは非常に難しい.肝臓などの軟組織のように容易には非剛体レジストレーションが実現できるわけではない.そこで,肺の領域における相対位置を適切に設定してそれら間の距離を定義することにより大まかな対応付けは可能であるという結果を得た.また,非剛体レジストレーションの適用も検討した.・密な時間連続への適用肝臓がんの精密診断には,造影剤を注入しながら数分間で4回のCT画像を撮影することが一般的である.この画像の場合,比較的に時間間隔が狭いためある程度安定した画像間レジストレーションが可能である.レジストレーションした画像の濃度分布を解析することにより微小な病変が検出可能であることを確認した.CADM学会主催の肝臓がん検出コンテストで優勝した.・空間配置の評価とセグメンテーション微細な構造を直接追跡・領域分割する場合,結果の全体的な空間分布に偏りが生じることがある.この空間的な分布の評価は領域分割の精度向上に有効である.肺内の動脈と静脈の分類に取り組み,90%以上の精度を実現した.
非対称プラズモニックナノ粒子複合系の超高速波長多重非線形ナノ光素子への展開

本課題の目的は、ナノレベルに近接した金属ナノ粒子複合系を基盤とする新規な非線形光学(NLO)ナノ光素子のプロトタイプデバイスを開発することである。ナノサイズの金属粒子を光励起すると、表面プラズモン(SP)と呼ばれる伝導電子の集団振動が励振され、それに伴い粒子表面に増強された光電場を生じる。このSP増強光電場の発生した金属ナノ粒子表面では複数の光波の混合現象であるNLO効果を示す。複数の金属ナノ粒子が近接した場合、粒子間には近接場相互作用を介して、各粒子におけるSP分極が連成振動する。適切に粒子を配列すると、孤立粒子系では実現しえないユニークな光物性効果および光操作技術が実現される。本研究では、次世代の高密度高速光情報処理技術への展開を視野に、高非線形動作のための複合金属ナノ粒子系の設計及び開発に挑戦した。研究では、励起光中の二光子が結合し、二倍の周波数を持つ一光子に変換される第二高調波(SHG)現象により複合粒子系の非線形光学特性を試験した。複数の複合粒子系の設計及び開発を実施したが、その中でドルマン型と呼ばれる複合粒子構造体において顕著な非線形性の増大効果を確認することに成功した。ドルマン型ナノ粒子構造体は、二本の平行に配置した直方体形状の金属ナノ粒子二量体とそれに垂直に配列したもう一本の直方体金属ナノ粒子より構成される。二量体構造体部分における逆位相での無輻射的な連成分極挙動が大きな非線形性の実現に関与しているものと考えている。金属ナノ粒子表面に非線形感受率の大きなポリマー材料を成長することにより、高非線形動作を実現することにも挑戦した。現在時点では汎用な非線形光学ポリマーを成長した孤立金属ナノ粒子より発生するSHG信号の約40倍の増大を確認した。また、励起波長である800nm帯で高非線形動作する非線形光学ポリマーの開発も進めており、小スケールでの合成に成功した。研究計画では三系統の金属ナノ粒子複合系の設計を提案したが、前述の通り、ドルマン型複合粒子構造体において明瞭な非線形性の増大効果の得ることに成功した。平成30年度の研究終了時点では提案技術の優位性を実証した段階である。具体的には参照用に用意した単量体および二量体構造と比較してSHG発生量が二倍程度増大することを確認した。引き続き設計の細部を検討することにより、これよりも大きなSHG発生効果を実現し、着実に非線形動作特性を向上することができるものと考える。NLOポリマーによる金属ナノ粒子表面のNLO特性増大効果に成功した点、近赤外帯で高非線形動作を示すポリマー材料の開発に成功した点もまた平成30年度の研究における大きな成果である。一般的な非線形光学の理論に基づくと、励起光波長と物質の吸収波長が近づくと共鳴励起効果により非線形光学特性が増大することが知られている。本研究では励起光源として波長750-900nmの近赤外光を利用しており、この波長帯域に吸収特性を持つ非線形光学媒質を開発することを計画した。研究の結果、小スケールであるが、700-850nm帯域に吸収特性を示すNLOポリマーを開発することに成功した。試験的に石英ガラス基板上に開発したNLOポリマーを成長させたところ、SHG発生を示すこと、また変換効率は吸収スペクトル形状と対応しており、共鳴励起効果の得られることを確認した。汎用非線形光学ポリマーによってもSHG発生量が40倍も増大しているだけに、この新規なポリマー材料の利用により、間違いなくこれ以上の非線形光学動作の実現につなげられるものと考える。以上のことから、研究計画は順調に進捗しているものと考える。研究最終年度の平成31年度は、ドルマン型金属ナノ粒子複合構造体の設計を最適化するとともに、この構造におけるNLO特性の増大機構を究明する。また、前年までに合成した高非線形性ポリマー材料との複合化により、さらなる非線形性増大効果の実現を目指す。最後に得られた研究成果を実用的な微小光学のためのナノ非線形光学素子へと展開する上での課題について検討し、研究の総括とする。複合粒子構造体の設計最適化は次の二点の指針に基づいて実施する。最初に二量体構造における連成プラズモンモードと単量体構造の局在プラズモンモードの共鳴周波数が一致したときに最も大きな相互作用が得られることに着目する。この条件を満たす新たな複合粒子構造の開発することが第一点目の設計指針である。次に単量体と二量体の相互作用が強くなると、その分電場増強効果が大きくなる半面、光との結合効率が低下する点に注目する。これらのバランスの取れた条件で最適な非線形動作が実現されるものと考える。そこで、単量体と二量体間の距離を系統的に制御することにより、非線形動作のために最適な粒子間相互作用を探査することが第二点目の設計指針である。また、非線形性増大化の引き金となる基本メカニズムを解明するために時間分解分光を実施する。これは、連成プラズモン効果によりプラズモン分極からの輻射特性が抑制されると、プラズモン分極の位相緩和時間が長時間化するからである。フェムト秒時間スケールで展開する表面プラズモン分極の位相緩和挙動を実時間観測することによりこの予測について検証する。最後に新たに開発した非線形光学ポリマーによる高非線形動作化を実施する。分光実験を進めるためにはある程度の合成量を確保する必要があるため、大スケールでの非線形

光学ポリマーの合成法の開発にも着手する。本研究課題では、非対称型金属ナノ粒子複合系より構成されるプラズモニック非線形ナノ光素子を開発する。一般的に表面プラズモン励起のために利用する金属ナノ粒子は、反転対称な幾何構造ゆえ、偶数次非線形光学遷移禁制である。本計画では系を構成する粒子間の粒径もしくは配列を非対称化し、粒子近傍の近接場分布を非対称化する。これにより系の実効的な反転対称性を破り、サブ波長空間でのパリティ変化に伴う偶数次非線形光学遷移を実現する。平成29年度は一対の直方体ロッド形状金ナノ粒子がナノレベルで近接したモデルシステムに対し、偶数次非線形光学効果の一種である第二高調波効果を試験した。金ナノロッドの設計は、長さ、幅、高さの寸法によって指定されるが、ここでは2つの粒子の幅と高さを共通とし、長さの調整により系を非対称化した。実験の結果、粒子間隔が30nmを切ると、第二高調波の発生量が増加することを確認し、系の非対称化により、垂直入射条件下で偶数次非線形光学遷移を許容化するという構想を実現した。研究では、基板上に二次元的に一定の周期間隔で配列した同一設計の金属ナノ粒子複合系を試料とし、分光計測実験ではこれらを一括して光励起し、その集団平均より複合粒子系1個当たりの光学的性質を算出した。非線形性増大化のためのポリマー材料の開発も進めた。先行研究によると、非線形光学媒質の吸収波長が励起光波長と一致すると、非線形性の増大することが知られている。本研究課題では表面プラズモン共鳴波長を非線形光学ポリマーの分子共鳴波長と一致させることにより、この共鳴励起効果を誘起することについて注目している。平成29年度はその準備段階として分光計測実験で使用予定の800nmの励起光源の波長帯において近共鳴な非線形光学ポリマーを開発した。反応は少量スケールで実施したが、分光実験を行うために十分な収量の化合物を得た。非対称型金属ナノ粒子複合系より構成される偶数次非線形光学動作許容なナノ光素子を開発することが本課題の目的である。金属ナノ粒子複合系のプラズモン応答を表現する複数の連成モードの非線形光学応答に対する役割を解明すること、フェムト秒時間領域で展開するプラズモン分極の緩和挙動とモード間の非線形相互作用を究明することも研究目標の一部である。そして、これらの基礎的な研究の積み重ねの上に、最終的に単一素子レベルでの非線形動作を実演する計画である。平成29年度は偶数次非線形光学動作許容な金属ナノ粒子複合系を製作した。この構想の実現には粒子間に生じる近接場相互作用を利用して光電場分布を非対称化することがポイントであり、そのためには金属ナノ粒子どうしをナノレベルで近接させる必要がある。予備的な数値計算により、光電場の有意な非対称化を引き起こすためには粒子間隔を30nm以下に近接させる必要があるという知見を得ていた。電子線リソグラフィにおける電子線照射やレジスト材料の条件を検討した結果、最小で20nmを切る粒子間距離の複合粒子系の製作に成功した。そして、粒子間隔の異なる粒子対を用意し、第二高調波分光を実践したところ、確かに粒子間隔が30nmを切ると第二高調波光強度の増大することを確認した。
視物質を用いた光受容デバイス創製の研究

我々の眼の中で極めて高速かつ高効率で光に応答する物質(レチナール)を実用的なデバイスに創り上げることを目的として研究を行った。レチナールの高速・高効率な機能はオプシンというタンパクのアシストで達成されている。この仕組みを模倣するために、レチナール、レチノイン酸、レチノール等の視物質(レチノイド)と天然の高分子であるキトサンとの交互吸着法での層状単分子膜形成により精度の高いナノ製膜技術を確立し、高量子効率の光受容デバイスを実現した。視物質をデバイスに創り上げることを目的として、レチナール、レチノイン酸、レチノール等のレチノイドを天然の高分子であるキトサン溶液に分散固定させたゾル状薄膜をスピンコータによって製膜、あるいは交互吸着による層状単分子配向膜を精度の高いナノ製膜自動装置によって作製し、再現性の高い高機能な光受容デバイス実現を目指した。H22年度は、レチナールとキトサンの分子機能電極上への交互吸着自動製膜最適条件を追究し、下記結果を得た。(1)10%EtOH(v/v)、30%EtOH(v/v)及び50%EtOH(v/v)の3条件で作製した交互吸着膜を用いて光受容デバイスを作製し、光電流応答を測定した結果、50%EtOH(v/v)のレチノイン酸溶液で作製したデバイスにおいて、光電流応答発現の歩留りが最も高いことを見出した。(2)レチノイン酸溶液の条件をエタノール容量濃度50%EtOH(v/v)、pH3に設定することで、歩留り33%まで光電流応答発現の成功確率を向上させている。また、キトサンの重合度を変更して光受容デバイスを作製した結果、100から300の重合度であるキトサンが適切であることも見出した。(3)交互吸着膜の製膜過程での実験者の技能による特性のばらつき要因を排除するため、自動交互吸着膜作製装置を設計・試作しITO基板上に交互吸着膜を作製した。不純物及び欠損がなくナノ構造が形成された膜では矩形波応答となり、光電流応答の外部量子効率はゲル型(分散型)デバイスの150倍に改善された。(4)Alq3層を導入したITO/ITO光受容デバイスの立ち上がり時間が0.85秒,立ち下がり時間が0.82秒となり、従来のデバイスに比較して1/17の短縮(高速応答化)に成功した。本年度は、(1)「レチノイン酸とキトサンとの交互吸着膜構造と光電流特性との関係」について、Alq_3を適用したITO/ITO光受容デバイスを測定した結果、最短で2秒間隔での光電流応答が確認され、応答間隔を1/10にまで短縮できた。また、光電流の立ち上がり時間においては、先行研究の3秒から今回作製したデバイスで1秒未満にまで短縮することに成功した。これらのことより、交互吸着法を用いた光受容デバイスに、電子輸送層を導入することで光電流応答の高速化に大きな改善を得られることが明らかになった。今後、更に高速な光シャッタの導入により、本デバイスの高速応答特性の限界を見極める測定を行う予定である。続いて(2)「レチノイン酸とキトサンの分子機能電極上へ形成された交互吸着膜(バイオフォトニックデバイス)の再生とそのメカニズム解明」に関しては、既にキトサンにレチノイン酸を分散させたスピンコート膜中において光電流応答が失活した膜に再生処理(化学処理と逆バイアス印加)によって複数回再生させることに成功している。この成果を、交互吸着膜(バイオフォトニックデバイス)の再生にも適用し、生体と同様の失活した膜の再生を検討した。その結果、交互吸着膜では失活するのに相当の期間を要することを見出し、微弱な光電流回復ながら再生現象の兆候を捉えることが出来た。今後はこの再現性を追求していく予定である。最後に、(3)「レチノイドを用いたバイオフォトニックデバイス適用先の明確化」について、昨年度得られた長寿命の光電流応答特性を詳細に解析すると、その外部量子効率は4.53という驚異的な値を示すことが明らかとなった。これは、革新的バイオフォトニックデバイス実現の可能性を示す成果と言える。単一光子検出器やビジョンチップ、高効率太陽光発電への適用の可能性が示唆され、今後は最適な応用形態を一本に絞って最終年度の検討に活かして行く予定である。我々の眼の中の光に応答するレチナールを実用的なデバイスに創り上げることを目的として研究を行った。この仕組みを模倣するために、レチナール、レチノイン酸、レチノール等の視物質と天然の高分子であるキトサンとの交互吸着法での層状単分子膜形成により精度の高いナノ製膜技術を確立し、高量子効率の光受容デバイスを実現した。