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シマトビケラ類(水生昆虫)による「すみわけ」論の実証的研究

1.分類学的成果:日本産のシマトビケラ属のうち,唯一成虫が不詳であったシロズシマトビケラの雌雄成虫が明らかになった。その雄成虫の生殖器の形態は,本属のいずれの種とも大きく異なり,系統関係の解析に重要な位置を占める。台湾,朝鮮半島,大陸東岸のシマトビケラ亜科について,文献と入手した標本の検討を行ない,未記範種,再記載,シノニム(投稿中),種群関係を明らかにした。2.生活環と移入定着についての研究:大和川支流の滝畑ダム下流で2年間の調査を行なった。ウルマ-シマトビケラ,コガタシマトビケラの2種は,いずれも越冬世代と非越冬世代の年2化型の生活環だった。人工基盤への定着の野外実験では,3齢以下の若齢の加入の多いこと,夏期の定着率が高いこと,新世代の加入期に加入・定着率の上昇することが明らかになった。河川水温と温度ー発育関係(発育零点・公育速度)から,各齢の加入数を推定する方法を開発し,先の2種類について,世代毎の生命表を作成した。秋の増水もあったが,世代期間の長い越冬世代のほうが,3齢以降の生残率の低いことが判明した。3.幼虫の営巣場所についての研究:ウルマ-シマトビケラ,オオヤマシマトビケラ,コガタシマトビケラの3種の共存する2河川で,自然石上の営巣位置を,季節,密度の異なる状態で比較した。それぞれの営巣位置は,ウルマ-が上面に,オオヤマとコガタが下面に多く,その傾向は,密度や季節,それに発育段階が異なっても,変化はなかった。各々の種の石礫上の営巣位置は,種内・種間関係によって可塑的に変化するものではなく,行動・生理的に各種に固定的要素が大と判断できる。また,人工基盤上面の営巣位置(大部分がウルマ-シマトビケラ)の解析では,低密度では集中的に分布することが多く,定着幼虫が増えると,ランダムに分布する傾向があった。日本産シマトビケラ属9種のうち、唯一種成虫の判明していなかったイカリシマトビケラHydropsyche ancorapunctata TANIDAの雌雄成虫が、野外及び幼虫の飼育によって得られた。この種類についての分類学的な報文を作成中である。また、日本産の種類と極めて関連性の深い台湾産及び韓国産のシマトビケラ属の成虫と幼虫が入手、採集することができたので、それらの分類・系統学的な研究を行なっている。大和川水系支流の石川では、2週間ごとに4定点(うち1定点はダム流出流)で定期調査を実施し、13ケ月分の資料を収集した。令期・生活環・密度変動などを解析中であるが、ウルマーシマトビケラ、コガタシマトビケラは、成虫の羽化期が長く、世代の重なりの大きい、年23世代の生活環を、オオヤマシマトビケラはやはり成虫の羽化期は長いものの年1世代と推定できた。しかし、この様に調査間隔の短い調査であっても、個々の幼虫・蛹の生体重を測定し、成長様式を分析しなければ、世代数の確定さえ、困難なことが判明した。

石面付着性のシマトビケラ類など幼虫の、生息場所量、密度測定に不可欠な石礫表面積の推定には、各々の石礫の長さ・幅・高さに加えて、容積を用いることによって、従来提唱されている表面積推定法より、さらに簡便で、正確な方法を確立した(短報準備中)。北海道の2、3の河川で、ウルマーシマトビケラとキタシマトビケラの生態分布の予備調査を実施した。キタシマトビケラは、本州におけるナカハラシマトビケラと、よく似た生態的地位をもつことが判明した。「すみわけ」モデルについては、シマトビケラ類以外の水生昆虫についての資料や反論も収載した「日本の水生昆虫」(共編、東海大出版)を刊行した。系統と生態との関連性を重視する「すみわけ」モデルの有効性は、ヒラタカゲロウ・シマトビケラ類以外の生物群でも示唆された。本年度は、大和川支流の石川の滝畑ダム直下で、人工基盤(コンクリ-トブロック)を瀬に設置し、自然石との密度を比較しながら、シマトビケラ類の移動・定着の季節的変動を中心に、周年調査を実施した。また、紀ノ川など大規模河川の中・下流域でも、シマトビケラ類の分布調査を行なった。1.シマトビケラ類は、石礫上に固着巣を作る半定着的な生活様式をもつため、従来の流下調査などによる移動分散の研究では、流下や移動を確認することの困難なグル-プであったが、今回の人工基盤を用いた調査では、カゲロウ類などよりは低いものの、予期したより高い比率の人工基盤への移入が確認された。2.当該地点では、ウルマ-シマトビケラ、コガタシマトビケラともに、越冬世代と非越冬世代との年2化の生活環をもつことが確認された。両世代を比較すると、非越冬世代は越冬世代に比べて、格段に高い移入率であった。移入率の季節(世代)による差異は、他の水生昆虫に比べて大きかった。3.発育段階による移入率の差は顕著で、1齢、2齢といった若齢幼虫の移入は、終齢の数倍にもなった。シマトビケラ類では造巣場所をめぐっての固体間の直接的干渉が報告されているが、自然河川としてはかなり高い密度である今回の調査地点でも、密度依存的な移入率の上昇は確認されなかった。4.紀ノ川下流部で、シマトビケラ属3種(ウルマ-、ナカハラ、ギフ)とコガタシマトビケラ属2種(コガタ、エチゴ)が同一地点で高密度で共存している場所が発見された。当該水域で水平的微細分布の調査を実施したが、この資料については現在解析中である。1.分類学的成果:日本産のシマトビケラ属のうち,唯一成虫が不詳であったシロズシマトビケラの雌雄成虫が明らかになった。その雄成虫の生殖器の形態は,本属のいずれの種とも大きく異なり,系統関係の解析に重要な位置を占める。台湾,朝鮮半島,大陸東岸のシマトビケラ亜料について,文献と入手した標本の検討を行い,未記載種,再記載,シノニチ(いずれも投稿中)、種群間係を明らかにした。2.生活史についての研究:河川水温と実験室で測定した温度一発育関係(発育零点,発育速度)から,各齢の加入数を推定する方法を開発し、ウルマ-シマトビケラとコガタシマトビケラの2種について、世代毎の生命表を作成した。秋の増水の影響もあったが,世代期間の長い越冬世代のほうが、3齢以降の生残率の低いことが判明した。3.幼虫の営巣場所についての研究:河川に設置した人工基盤の上面に加入,定着するシマトビケラ幼虫の巣の微細位置を,経時的に記録した。上面に定着する幼虫は,大部分がウルマ-シマトビケラであった。定着位置の解析では,低密度では集中的に分布することが多く,加入幼虫が増え密度が上昇すると,ランダムに分布する傾向があった。足場の設定方法により,定着数に顕著な差が見られた。また,筒巣のサイズから,かなりの精度で幼虫齢期を判定できることが判明し,今後の野外実験に有力な方法になると思われる。
機能コアのモデリング

材料中の結晶欠陥はバルクと異なる原子配列に基づき特異な量子場を形成する。こうした量子場は、材料の各種特性に大きく影響するとともに、多量の希少元素を要することなく新規な機能を発現させるため、その系統的理解が重要な研究課題となっている。そこで本計画研究では、代表的な結晶欠陥である「転位」を主対象として、転位の機能発現の源となる量子場を「転位機能コア」と位置づけ、それと材料機能の相関を解明することで、「機能コアのモデリング」を達成する。
非平衡状態下の脳を記述するネットワークの基礎理論

1ニューロ・フロー・ダイナミクスニューロン間のインパルスの流れ(フロー)を直接変数にとる記述法(ニューロ・フロー・ダイナミクス)を用いて、非平衡状態下にあるニューラル・ネットワークを取り扱うための基礎的枠組みの提出を試みた。またHebb則をフローによる記憶効果を含むように拡張し(フロー学習)、ニューロ・フロー・ダイナミクスとフロー学習によるネットワークの状態更新を詳細に解析した。その結果、記憶状態のランクサイズ関係がベキ的に分布していること、及びフロー学習によって初頭効果及び親近効果を統一的に説明できることを発見した。更に、外部から入力が無い状態でネットワークを更新すると(スリープ)、初頭効果及び親近効果がいっそう強められることが明らかとなった。2ルール・ダイナミクス1次元3近傍の対称なルールを持つオートマトンを用い、ルールとオートマトンの活動の同期に関して研究を行なった。ある任意の初期状態から更新させたルールの変化を記録し、そのルール変化を別の初期状態に適用してみると、オートマトンの平均活動度がルールによって支配されていることが数値計算から明らかになった。さらに、クラス2、3、4のルールからペアを作りそれらをオートマトンに適用すると、クラス2、3では同期が促進され、クラス4では非同期状態になる傾向があることがわかった。
地域社会における大学開放のニーズに関する実証的研究

本年度は、まず、平成13年度に成人学習者を対象に実施したアンケート調査「大学開放のニーズに関する調査」の結果を集計し、分析を行った。この調査により、成人学習者(新潟市内の成人教育機関における学習を行っている成人)における、生涯学習に関連する大学開放事業の(1)認知度、(2)参加利用状況、(3)今後の参加利用希望、(4)講座等に関する参加利用の条件および阻害要因、加えて、(5)生涯学習機関としての大学など、大学という機関へのイメージについてのデータを得た。この調査の分析結果については、平成13年度の日本生涯教育学会において口頭発表を行い、研究成果の還元を行った。さらに、市内の企業主を対象に、企業規模別に大学開放に関するヒアリング調査を実施し、その分析を行った。これらのアンケート調査やヒアリング調査により、地域に対して大学開放へのニーズを問うことよりもむしろ、大学が地域において何がしたいのか、何を目指しているのか、大学のアイデンティティを明確に示すこと、その上で、地域の人々とともにその地域の特性を探り、そこで、何が必要なのか、何ができるのかを地域および大学の双方が相互に引き出しあいながら、すなわちニーズを作り上げていく過程の必要性が明らかになった。この知見は、大学側が一方的に大学教育・研究の機能や成果を地域へ開くという従来の大学開放や大学の地域貢献の認識に対して、新しい視点を開くものである。本研究は、地域社会のニーズに対応した大学開放の推進に資するため、その基礎資料となる実証的なデータを集積し、かつ地域社会における大学開放のニーズを構造的に分析することを目的とし、(1)文献による理論研究、(2)大学開放のニーズに関する資料・情報収集と分析、(3)地域の成人学習者における大学開放のニーズに関するアンケート調査の実施、(4)地域企業主対象のヒアリング調査の実施、(5)調査結果の分析の5つの方法によって進められ、本年度は、計画に従い(1)から(3)までを実施した。(1)からは、主に大学開放の理論的枠組みに関する知見、(2)からは、大学開放の現状とニーズとの関連、および課題に関する知見を得た。大学開放の枠組みは大別して1)教育制度として(1)大学入学や学位取得へのアクセスの拡大、(2)昼夜開講等の履修形態の弾力化、(3)単位認定など学習成果の評価、2)地域への教育的サービスとして(4)公開講座など学外への教育機会拡充、(5)施設設備の開放、(6)学外での教員の委員活動および講師活動、3)研究活動として(7)学外組織との共同・委託研究、(8)研究成果等の情報提供に分類される。成人学習者対象のアンケート調査では、(1)から(8)までの大学開放事業についての認知度、および成人学習に直接関係する大学開放事業、すなわち(1)から(6)についてのニーズについて調査を実施した。さらに、生涯学習のニーズに関する先行研究、成人学習に関する先行研究等から、大学開放に係るニーズの主体の特異性(一般的な生涯学習のニーズでは例えば公開講座、社会人入学への関心度は低いこと)を考慮する必要が生じ、調査対象である成人学習者を、成入教育機関において学習活動を実施している学習者から抽出した。アンケート調査の結果は現在分析中である。
オキサリプラチン誘発末梢神経障害の治療薬に関する薬学的研究

【目的】オキサリプラチン誘発末梢神経障害に対するアセトアミノフェンの効果について薬理学的研究を行った。【方法】動物モデルは、江頭らの報告より7週齢のWistar系雄性ラットにオキサリプラチン4mg/kg/mLを1週間に2回、4週間腹腔内投与(i.p.)して作成した(1,2,8,9,15,16,22,23日)。アセトアミノフェンは50mg/kg, 100mg/kg, 300mg/kg (kg/10mL, i.p.)の3群に分けて対照群(PBS)を含む4群で治療効果を検討した。急性末梢神経障害(冷感刺激)に対する評価はアセトン試験(0,3,10,17日)、慢性末梢神経障害(機械的アロディニア)に対する評価はvon Frey試験(0,4,11,18日)を用いた。なお、これらの評価試験はアセトアミノフェン投与30分後に実施した。【結果・考察】実験開始3日目のアセトン試験の結果より、急性末梢神経障害(冷感刺激)が認められ、10日目、17日目も発現が認められた。一方、アセトアミノフェン300mg/kgの投与群においては、急性末梢神経障害(冷感刺激)の減少がみられた。von Frey試験の結果より、実験開始11日目より慢性末梢神経障害(機械的アロディニア)が認められたが、いずれのアセトアミノフェン投与群においても慢性末梢神経障害(機械的アロディニア)に対する影響はみられなかった。本結果より、アセトアミノフェンの投与によってオキサリプラチン誘発急性末梢神経障害を軽減させる可能性が示唆された。今後は、オキサリプラチン誘発末梢神経障害に対するアセトアミノフェンの作用機序を明らかにする目的でカンナビノイド受容体拮抗剤やTRP受容体拮抗剤を用いて検討することを計画している。
電子温度・密度および分子振動・回転温度計測のための 水素分子衝突輻射モデルの構築

電子・振動・回転状態を考慮した分子衝突輻射モデルを構築した。準位は、n, v,Λ, N, Jで区別し、n=6以下の計4133の状態を考慮した。A係数および電子衝突励起速度係数などの素過程データを調査し、モデルに組み込んだ。信州大のRFプラズマで観測される可視域(380nm-800nm)水素分子発光線を解析したところ、b^3Σ_u^+に遷移する連続光、および560 nmから640 nmの波長域で観測されるd^3Π_u -a^3Σ_g^+、j^3Δ_g- c^3Π_u、i^3Π_g- c^3Π_uの発光線の強度は、計算によりよく再現された。これらの発光線強度から、振動・回転温度や電子温度・密度の算出が可能であることが示された。今年度は重水素衝突輻射モデルの簡易版としてコロナモデルを構築し、信州大学高周波重水素プラズマに適用した。LHD等の大型核融合実験装置の周辺プラズマと同様に信州大学高周波重水素プラズマでも可視光全域にわたって分子発光線が観測されており、このうち、600nm付近のFulcher帯d^2Π_u→a^3Σ_g^+、700800nm付近のJ^1Δ_g→C^1Π_u、I^1Π_g→C^1Π_uについてコロナモデルを構築した。コロナモデルは励起分子が基底状態からの電子衝突によって作られ、生成された励起状態分子がより低い準位への自然放出遷移で失われるとするモデルである。Fulcher帯を除き、回転状態まで区別した電子衝突励起速度係数データが乏しいため、Fulcher帯以外は電子・振動状態のみを区別したモデルとして、自然放出は一番低い回転準位からと仮定した。プローブ計測により得られた電子温度・電子密度をコロナモデルに与えて励起状態密度を計算し、発光線強度計測から求めた励起状態密度(回転状態密度については和をとった)と比較したところ、d^2Π_u→a^3Σ_g^+の遷移では実験とほぼ一致したが、J^1Δ_g→C^1Π_uおよびI^1Π_g→C^1Π_uでは実験値と計算結果に明らかな不一致が見られた。J^1Δ_g→C^1Π_uおよびI^1Π_g→C^1Π_uでは上の自然放出についての仮定が成り立たない可能性がある。今後、これらの不一致についてさらに検討し、衝突輻射モデルの開発を進める。平成22年度は、衝突輻射モデル構築の手始めとして、融合原子の主量子数が2,3,4の電子状態について、振動・回転状態を考慮したコロナモデルを構築した。我々の高周波水素プラズマで観測されるシングレット系列のI^1II_g^-→C^1II_u、J^1Δ_g→C^1II_u、トリプレット系列のFulcher帯d^3Σ_u→a^3Σ_g^+、e^3Σ_u^+→a^3Σ_g^+の発光線強度から各励起分子密度を計算し、コロナモデルによる計算値との比較を行ったところ、d^3Σ_u、J^1Δ_gの励起準位ポピュレーションは実験値と計算値が良い一致を示したが、I^1II_g^-、e^3Σ_u^+については実験値が計算値に対して最大で3.4倍大きい値となった。この不一致はモデルに使用した自然放出確率および励起断面積によるものだと考えられる。平成23年度は、これらの文献調査をより徹底的に行い信頼性の高いデータをモデルに組み込む。また、実験条件の違うプラズマでの発光線解析を行い、モデルの信頼性を評価する。平成22年度は上述のコロナモデルに加え、励起準位間の遷移を考慮した衝突輻射モデルの構築に着手した。モデルでは、励起準位問の励起断面積のうち、水素分子のデータが入手できていないものについては、ヘリウム原子のデータを代用して組み込んだ。平成23年度は、励起状態間の電子衝突遷移についても、文献を広く調査し、可能なものはモデルに組み込んでいく。また、励起準位間での励起分子の生成・消滅が起こる高い電子密度のプラズマを我々の実験装置で生成し、衝突輻射モデルの信頼性を評価する。従来の我々の水素分子衝突輻射モデルでは、電子・振動状態だけを扱ってきたが、一般に、反応速度係数が分子の振動・回転状態に大きく依存するため、回転状態まで考慮したモデルを構築している。

回転状態を考慮したモデルを用いると、さらに、分子発光スペクトルが計算できるため、分光計測データとの比較により、電子温度、電子密度、振動温度、回転温度などが評価できるようになる。モデルにおける電子・振動・回転エネルギーとしてCrosswhiteのデータを用い、対応する融合原子の主量子数が4以下の2131のエネルギー準位を扱った。全準位で電子衝突遷移、自然放出を考慮し、電子基底状態ではさらに電子衝突による解離性励起、電子衝突による解離性付着、プロトン衝突による電荷交換、分子衝突遷移を考慮した。シュレーディンガー方程式を数値的に解いて振動波動関数を算出し、自然放出確率、およびフランクコンドン因子を計算した。b_3Σ_u^+およびX^1Σ_g^+の連続状態への自然放出確率も計算した。電子基底状態からの電子励起状態への電子衝突励起については、現時点では、電子状態のみを区別した速度係数をフランクコンドン因子によって振動状態に分け、さらに、光学的許容遷移はHonl-London因子で、光学的禁制遷移は上準位の回転状態の総数で割ることで回転状態に分けている。分子衝突による回転励起速度係数は、利用できるデータの不足から、すべての振動状態で電子基底状態内のrOと同じ速度係数を用いた。我々の研究室のRFプラズマを想定し、T_e=3.0 eV、n_e=10^<10>cm^<-3>、T_<H2>=300K、N_<H2>=10^<14>cm^<-3>の条件でポピュレーションおよび水素分子発光線スペクトルを計算した。今後、実験で得られた分子スペクトルとの比較を行なっていく。我々は、水素分子の発光線解析や中性粒子輸送コード中の各種の水素分子反応速度係数の算出のため、水素分子衝突輻射モデルの開発を進めている。従来は、電子・振動状態だけを区別していたが、回転状態に大きく依存する反応を扱うため、本研究では、さらに回転状態を考慮したモデルの構築を進めている。昨年度まで考慮していた電子・振動・回転状態は、主量子数nが4以下の2131の状態であった。今年度、n=6までの4133の状態を組み込む拡張を行った。これにより、高電子密度の核融合プラズマで見られるはしご様励起が考慮できるようになった。次にモデルの検証のため、我々の研究室で放電実験を行った。ヘリウム原子発光線強度から電子温度・密度を算出するために水素ガスにヘリウムガスを混合してRFプラズマを生成し、エシェル分光器を用い、380 nm - 800 nmの分光計測を行った。ヘリウム原子発光線強度から得られた電子温度・密度をモデルに与えて水素分子スペクトルを計算し、実験のスペクトルと比較した。分子発光線の波長は、実験と計算で僅かではあるがずれが見られたため、過去の文献を精査して、モデル中の各準位のエネルギー値を最新のものに更新した。その結果、計測された分子スペクトルの上準位・下準位の特定が多くのラインで可能になった。Fulcherバンドとトリプレットb状態に遷移する連続光の強度は、計算は概ね実験を再現した。これらの相対的な強度分布を、電子温度を変えて計算したところ、実験でも識別できる程度変化し、分子発光線強度から電子温度を算出できることが示された。これら以外の分子発光線の強度は、500 nmより長波長側では、まずまず計算は実験を再現しているが、短波長側では計算は実験よりあきらかに小さな値になっている。励起断面積等の検討を今後進めていく。水素分子衝突輻射モデルの構築が進んでおり、水素分子の電子・振動・回転状態を区別したポピュレーション分布および水素分子発光線スペクトルが計算できるようになった。24年度が最終年度であるため、記入しない。今後、これまでに水素分子衝突輻射モデルに取り入れた各種の素過程データをさらに信頼性の高いものに更新していく。
生分解性機能を有した環境配慮型高剛性土木材料開発への挑戦

本研究は,微生物によって分解可能な樹脂コンクリートを土中埋設した場合の分解影響を明らかにし,新たな建設材料として活用への可能生を探るものである.生分解性樹脂コンクリート供試体を異なる環境下に配置し,成分再生樹脂コンクリート供試体の曲げ・圧縮強度の経時変化を明らかにするとともに,外的劣化要因を包括できる劣化モデル式を作成するために,ワイブル分布を用いた統計的劣化推定モデルを作成した.さらに,生分解性樹脂コンクリートパイプを作製し,管軸方向圧縮試験,円周方向圧縮試験を実施した.その結果,十分な初期強度を発現し,暴露後には,再開発に支障をきたさないほどの強度低下が見込めることが明らかとなった.本研究は,微生物によって分解可能な樹脂コンクリートを土中埋設した場合の分解影響を明らかにし,新たな建設材料として活用への可能生を探るものである.生分解性樹脂コンクリート供試体を異なる環境下に配置し,成分再生樹脂コンクリート供試体の曲げ・圧縮強度の経時変化を明らかにするとともに,外的劣化要因を包括できる劣化モデル式を作成するために,ワイブル分布を用いた統計的劣化推定モデルを作成した.さらに,生分解性樹脂コンクリートパイプを作製し,管軸方向圧縮試験,円周方向圧縮試験を実施した.その結果,十分な初期強度を発現し,暴露後には,再開発に支障をきたさないほどの強度低下が見込めることが明らかとなった.H25年度は最初に,研究に用いる生分解性レジン(樹脂)や,温度,湿度ならびに埋設条件(腐葉土,微生物を考慮)を数種類選定し,その後,3号ケイ砂とS5S10程度の骨材を用い,生分解性樹脂との配合割合を種々変化させ,テストピース用型枠(40mm×40mm×160mm)を用いて供試体を作製する.その際,骨材の粒径を変化させ,ワーカビリティの観点から,施工に即した必要強度を有した配合割合を決定した.また,パネル用型枠(30mm×100mm×500mm×3連型枠)を設計・製作し,レジンコンクリート(パネル型供試体)を大量に作製し,テストピース用型枠を用いて作製した大量の供試体を対象に,異なる環境条件か土中に埋設放置した.その後,埋設養生中の供試体を経時的に掘り出し,曲げ試験,圧縮強度試験ならびに割裂引張強度試験などを遂行し,生分解性レジンの種類や骨材の粒径が,供試体強度に与える影響について,検討した.さらに,自然分解(加水分解)での樹脂の分解性能を把握するため,予備試料を対象に,浸漬加水分解試験を並行して推進した.その結果,生分解性樹脂コンクリートは,養生するに従って強度低下を示し,曲げ強度と養生期間は,ポーラスコンクリートの圧縮強度空隙率関係に類似していることが明らかとなった.また,多孔質構造に着目し微生物の繁殖促進を期待して混合した竹炭は,自身の持つ抗菌抑制作用によって微生物の繁殖が抑制される結果が得られ,埋設土とし適当でないことが明らかとなった.生分解性樹脂コンクリートの曲げ試験並びに圧縮試験後の破断面の詳細な観察を行ったところ,樹脂部からの骨材の剥離が確認され,骨材と樹脂の付着力の低下が強度低下に繋がることが示唆された.しかしながら,表面劣化や質量変化傾向と微生物量には相関性が見られたため,生分解性樹脂コンクリートの劣化には様々な外的要因が関係していることが推定された.よって,今年度は,このような様々な外的劣化要因を包括できる劣化モデル式を作成するために,ワイブル分布を用いた統計的劣化推定モデルを作成し,長期的な劣化予測を試み,予測推定式を確立した.さらに,最終目標である生分解性樹脂コンクリートの実用化にむけて,本年度は生分解性樹脂コンクリートパイプを作製した.生分解性樹脂コンクリートパイプの実現により,非開削推進工法への貢献が期待できる.そこで,試作したパイプを対象に,管軸方向圧縮試験,円周方向圧縮試験を実施した.その結果,生分解性樹脂コンクリートパイプは,十分な初期強度を発現し,暴露後には,再開発に支障をきたさないほどの強度低下が見込めることが明らかとなった.生分解性樹脂コンクリートに関する本研究への挑戦において,ある程度の力学挙動の解明が進んだが,温度や光,紫外線など他の劣化要因から受ける影響に関しては未解明なままである.今後,さらに微生物や水による分解について考察を深めることにより,強度発現をコントロールできるようになれば,大きな社会貢献が期待できる新しい土木材料であることが,明らかになった.農業農村工学数多くの供試体作製,長期間にわたる養生管理を計画通り遂行し,計画通りの試験結果を得ることができた.また加水分解に関する観点からの,追加実験や,埋設地盤条件を変えた供試体の追加作成など,計画以上の研究展開が図られているものと判断される.H26年度は,平成25年度のパネルでの各種曲げ試験,圧縮試験結果を受け,適切な配合割合を再度検討して決定する.その後,パイプ用型枠(φ350mm×L1000mm)を用いて円筒状供試体を試作する.具体的には,L=1000mmの試作パイプから管軸方向200mmを切り出し,円周方向の2点載荷試験を実施し,初期強度ならびに載荷荷重と鉛直変位の関係から,弾性係数を評価する.また,管体軸方向曲げ試験(L=1000mm)を実施し,管軸方向曲げ剛性を明らかにする.さらに,強度劣化特性に関しては,円周方向2点載荷試験から得られた強度の経時変化から評価する.

また,追加研究として,実用化へ向けての方針検討及び実証試験を遂行する予定である.研究成果報告に海外発表を予定していましたが,開催が,H26年度になりますので,海外旅費などのために,29万円ほどを繰り越しさせていただきました.H25年度から繰り越した約29万円は,成果発表のため,H26年度の海外渡航費に充当させていただく計画です.
哺乳類心臓発生における二次心臓形成領域の細胞動態解析

本研究では、哺乳類心臓発生において流出路、右心室に細胞を供給する前方の二次心臓形成領域(anterior Second Heart Field; aSHF)の細胞動態について理解することを目的とした。マウス胚の心臓中胚葉細胞で特異的に蛍光タンパク質を発現させ、発生中のaSHF領域のタイムラプスイメージングを行う手法を取り、細胞動態解析を行うことを試みた。その結果、胚発生と共に心臓背部のaSHF領域全体が流出路領域に取り込まれていく印象が得られた。このことは、胚組織のリモデリングに伴いaSHF領域が心臓へ取り込まれることにより、心臓流出路が形成されることを示唆している。ヒトにおいて先天性心疾患を伴って生まれてくる頻度は1%と高く、その内、心臓流出路・右心室領域に起因する心奇形は30%にも及ぶ。この心臓流出路・右心室領域は心臓背部の前方二次心臓形成領域(anterior Second Heart Field, aSHF)と呼ばれる中胚葉細胞に由来する心臓領域である。これまでにaSHFの発生異常によるヒト先天性心疾患の原因遺伝子としてTbx1などが同定され、またFgf, Bmp, Wntといったシグナリングや、Isl1, Mef2cなどの転写因子がaSHFの細胞増殖や細胞死を制御していることが明らかとなってきている。その一方、心臓発生中にaSHF細胞が流出路・右心室領域へと寄与していく過程において、細胞がどのようなパターン及び極性を持って分裂していくのかは不明のままである。本研究では蛍光タンパク質を発現するマウスレポーター系統を用いての4Dイメージングを行うことにより、心臓流出路・右心室領域の形成過程におけるaSHFの細胞動態を理解することを目的としている。平成26年度は、蛍光マウスレポーター系統として、組織特異的に細胞核を赤色蛍光タンパク質、mCherryで、細胞膜を緑色蛍光タンパク質、EGFPでラベルできるマウス(R26R-RGマウス、Shioi G et al., 2011)、また、心臓中胚葉特異的に発現するCreマウスとして、Mesp1-Creマウス(Saga Y et al., 1999)の2種の遺伝子改変マウスを用いて、胎生8.5日目胚の4Dイメージングの条件検討を行った。その結果、生存しているマウス胚での心臓中胚葉細胞の蛍光レポーター発現を確認した。また、卵黄嚢を取り除いた状態でのマウス胚の静置培養も短時間では可能であった。心臓中胚葉細胞で特異的に蛍光タンパク質を発現させ、胎生9.5日目マウス胚の発生中のaSHF領域のタイムラプスイメージングを行う手法を取り、細胞動態解析を行うことを試みた。その結果、短時間のタイムラプスイメージングではあるが、aSHF領域の細胞が心臓流出路に寄与していくと思われる様子が観察された。その際に、aSHF細胞は個々に独立して移動しながら流出路領域に供給されていくのではなく、aSHF領域全体が胚の大規模なリモデリングと共に、流出路領域に寄与していくという印象が得られた。この結果は、心臓流出路の形成は、aSHF領域の細胞の積極的な移動による心臓への寄与ではなく、組織のリモデリングにより心臓背部のaSHFが心臓へ取り込によって行われている可能性を示唆している。平成24年度は心臓中胚葉細胞の細胞膜、細胞核が蛍光ラベルされたマウス胚の作製、蛍光ラベルされたマウス胚の二次心臓形成領域細胞(aSHF)の動態観察と画像解析などを計画していた。蛍光レポーターマウス胚の作製と観察は実施でき、さらに心臓観察のために卵黄嚢を取り除いた状態でマウス胚を静置培養することも短時間では可能であった。その一方、4Dイメージングでは共焦点レーザーを照射することによりマウス胚の心拍動が不安定となり、発生に影響を受けていることが懸念されたため、さらなる条件検討が必要となっている。発生生物学今後は共焦点レーザー顕微鏡によるマウス胚心臓の観察を、安定した拍動条件下で行えるように、レーザー照射の強度、頻度、時間の条件検討を進める。また、心拍動がaSHF細胞の心臓流出路・右心室への寄与に及ぼす影響、Fgf、Bmp、Wnt,シグナリングのaSHF細胞動態に及ぼす影響について解析を進める計画である。
高性能GaN青色LED・LD用最適基板材料の開発

ワイドギャップGaN結晶は高出力青色半導体レーザー(LD)を実現する材料として最近最も注目されている。しかし高品位GaNの作成に最適な基板材料の開発が強く望まれており、これは従来困難とされている青色LDの室温での連続発振実現に最も重要な課題となっている。昨年(平成9年)度において報告者は高品位GaN結晶作成に最適な新しい基板材料として(La,Sr)(Al,Ta)O_3(LSAT)を見いだし、その単結晶化、優れた特性の確認に成功した。本年度の研究では、青色領域発光素子用の基板としての応用を考慮した場合を考慮し、無着色・透明高品質LSAT結晶の作成、及びLSATを基調とした新材料探索を行った。具体的には、1.作成結晶の無色化・高品質化:開発当初のLSAT結晶は褐色に着色しており、青色領域発光素子用の基板としての応用を考慮した場合好ましくなかった。本年度において、作成雰囲気の検討から純アルゴン雰囲気下で作成することによりLSAT結晶の無色化に成功した。また回転数、引上速度を検討した結果、歪みの少ない即ち格子歪みを緩和した高品質バルク単結晶の作成に成功した。3.光アイソレーター用新基板材料:ベロヴスカイト型LSATのみでなく、ガーネット型結晶も検討を進めた結果、ファラデー効果の高い光アイソレーター応用薄膜作成に最適な新ガーネット基板材料Gd_3Yb_2Ga_3O_<12>の開発にも同時に成功した。本研究では高品位GaN結晶作成に最適な新しい基板材料として(La,Sr)(Al・Ta)O_3 (LSAT)を見いだし、その単結晶化、優れた特性の確認に成功した。引き上げ単結晶作成法により,直径約25mm、長さ約100mmクラスの高品質LSAT単結晶作成に成功した。当初,最適な種結晶がなかったため,Ir棒を種結晶に採用し,結晶作成を開始した.得られた結晶から高品質種結晶を作成し,それにより,1インチサイズの単結晶が得られた.GaN結晶基板としての格子整合性を考慮した場合,<111>方位のLSAT結晶が必要となる.そこで作成結晶から<111>方位の種結晶を準備し,<111>に方位制御された1インチサイズ単結晶の作成にも成功した.作成したLSATはわずかに褐色に着色していたが,これは青色領域発光素子用の基板としての応用を考慮した場合,好ましくない.そこで,最適結晶作成条件を検討し,無着色・透明LSAT結晶の作成にも成功した.作成したLSAT結晶の評価を行った結果,以下のような特徴を有することが判明した.1)GaNとの格子不整合性は0.071%(Al_2O_3は16%)2)熱膨張係数差はAl_2O_3より1桁小さい(GaNのα||=5.75×10^6K^1に対してLSATのα=5.7×10^7K^1,熱膨張係数差は1.3×10^7K^<11>)3)大型・高品質結晶作成が容易.これにより低欠陥密度を有するGaN薄膜の作成(現状10^710^<11>,GaAsで10^4)が可能となり,長寿命化,耐熱性の向上など室温連続発振青色レーザーの高性能化が実現され,高性能青色発光素子として高密度記録媒体,フルカラーデイスプレイ等,幅広い応用が期待される.現在,LSATへのGaN薄膜作成の検討を進めている.ペロブスカイト型LSATのみでなく,ガ-ネット型結晶も検討を進めた結果,ファラデー効果の高い光アイソレーター応用薄膜作成に最適な新ガ-ネット基板材料の開発にも同時に成功した.ワイドギャップGaN結晶は高出力青色半導体レーザー(LD)を実現する材料として最近最も注目されている。
高感度・超高速赤外円偏光二色性分光による光駆動分子の絶対配置の追跡

本研究では,光励起によって生成する不安定分子種や短寿命過渡分子種を対象にした高感度・超高速赤外円偏光二色性(VCD)分光システムの開発を行い,そのような分子種の絶対配置の解析および追跡を目的とする.また,領域内共同研究も推進する.平成29年度には,主に以下の4つの研究を行った.(1)フェムト秒時間分解赤外マルチチャンネル分光システムの製作と応用:フェムト秒時間分解赤外マルチチャンネル分光システムを製作し,高速フォトクロミック分子や柔軟性と剛直性を併せもつアントラセン二量体系分子の光励起ダイナミクスを明らかにした.また,原子価異性を示す[CrCo]複核錯体の配位子金属間電荷移動バンドを光励起した際の光応答を追跡し,超高速光誘起分極スイッチングを実証した(領域内共同研究).(2)固体試料のVCD測定:固体試料でVCD測定を行うことができれば,例えば真空極低温下で準安定状態の捕捉ができるなど,測定対象となる化学種の幅が広がる.本研究では,軸不斉をもつ1,1'-ビ-2-ナフトール(BINOL)や螺旋不斉をもつヘリセン誘導体(領域内共同研究)について,KBr錠剤でのVCD測定の正確性を検証した.(3)ラマン光学活性(ROA)分光の応用:ROA分光と量子化学計算を組み合わせることで,BINOLを初めとする6つの1,1'-ビナフチル誘導体の絶対配置の識別と溶液中の二面角(ビナフチル骨格間)の決定を行った.(4)ベンゼン二量体型ラジカルカチオンの非局在電子を伴う大振幅振動の選択的観測:ベンゼン二量体のモデル分子[34](1,2,4,5)シクロファンのラジカルカチオンについて,近赤外光励起共鳴ラマン分光を行い,2つのベンゼン環に非局在化した電子と強く相互作用する低振動数領域の分子内大振幅振動の選択的観測と解析を行った.29年度が最終年度であるため、記入しない。29年度が最終年度であるため、記入しない。本研究では,光励起によって生成する不安定分子種や短寿命過渡分子種を対象にした高感度・超高速赤外円偏光二色性(VCD)分光システムの開発を行い,そのような分子種の絶対配置の解析および追跡を目的とする.また,開発したシステムの性能評価と方法論の検証を行い,領域内共同研究を推進する.平成28年度には,主に以下の3つの研究を行った.(1)フェムト秒時間分解赤外マルチチャンネル分光システムと近赤外光励起ナノ秒時間分解ラマン分光システムの製作と応用:新たにフェムト秒時間分解赤外マルチチャンネル分光システムを製作し,光励起によって結合開裂とその後の分子内回転を起こす高速フォトクロミック分子の光励起にともなう逐次的な分子構造変化を明らかにした.また,近赤外光をラマン励起光に用いたナノ秒時間分解ラマン分光システムを製作し,螺旋不斉を有するヘリセン誘導体のS1状態の過渡ラマンスペクトルを,TD-DFTと有限静電場法を用いて解析した(領域内共同研究).(2)冷却・定常光照射下での赤外分光システムの製作と応用:極低温(7 K)定常光照射赤外分光システムを製作し,これを用いて原子価異性を示す[CrCo]複核錯体の配位子金属間電荷移動バンドを光励起することにより,電子移動を誘起して錯体の分極を光制御できることを明らかにした(領域内共同研究).(3)ジペプチド結合アゾベンゼンの光異性化にともなうジペプチド部の構造変化:アゾベンゼンのパラ位に2つのフェニルアラニンからなるジペプチドが結合した分子は,自己組織化によりナノファイバーを形成するが,紫外光照射によりアゾベンゼン部がトランスからシスに光異性化するとファイバーが解ける.紫外光照射下の赤外及びVCD測定から,アゾベンゼン発色団の光異性化がペプチド部の構造とキラリティに与える影響の解明に取り組んだ.光学活性分子の基底状態のVCD分光とラマン光学活性(ROA)分光は可能になり,「9.研究実績の概要」の(3)に記述したように,VCD分光の不安定分子種への応用に取り組む段階まで到達した.また,(1)に記述したように,時間分解赤外・ラマン分光システムの製作も行った.しかし,短寿命過渡分子種へのVCD分光とROA分光の応用まではまだ到達していない.したがって,本研究は,おおむね順調に進展していると考えているが,今後,VCD分光計とROA分光計を時間分解測定ができるように改良し,過渡分子種への応用を行っていきたいと考えている.本研究では,光励起によって生成する不安定分子種や短寿命過渡分子種を対象にした高感度・超高速赤外円偏光二色性(VCD)分光システムの開発を行い,そのような分子種の絶対配置の解析および追跡を目的とする.また,領域内共同研究も推進する.平成29年度には,主に以下の4つの研究を行った.(1)フェムト秒時間分解赤外マルチチャンネル分光システムの製作と応用:フェムト秒時間分解赤外マルチチャンネル分光システムを製作し,高速フォトクロミック分子や柔軟性と剛直性を併せもつアントラセン二量体系分子の光励起ダイナミクスを明らかにした.また,原子価異性を示す[CrCo]

複核錯体の配位子金属間電荷移動バンドを光励起した際の光応答を追跡し,超高速光誘起分極スイッチングを実証した(領域内共同研究).(2)固体試料のVCD測定:固体試料でVCD測定を行うことができれば,例えば真空極低温下で準安定状態の捕捉ができるなど,測定対象となる化学種の幅が広がる.本研究では,軸不斉をもつ1,1'-ビ-2-ナフトール(BINOL)や螺旋不斉をもつヘリセン誘導体(領域内共同研究)について,KBr錠剤でのVCD測定の正確性を検証した.(3)ラマン光学活性(ROA)分光の応用:ROA分光と量子化学計算を組み合わせることで,BINOLを初めとする6つの1,1'-ビナフチル誘導体の絶対配置の識別と溶液中の二面角(ビナフチル骨格間)の決定を行った.(4)ベンゼン二量体型ラジカルカチオンの非局在電子を伴う大振幅振動の選択的観測:ベンゼン二量体のモデル分子[34](1,2,4,5)シクロファンのラジカルカチオンについて,近赤外光励起共鳴ラマン分光を行い,2つのベンゼン環に非局在化した電子と強く相互作用する低振動数領域の分子内大振幅振動の選択的観測と解析を行った.平成29年度には,以下のような研究を実施する予定である.(1)冷却・定常光照射下での高感度VCD分光システムを開発するとともに,(2)フェムト秒パルスレーザーを用いた超高速偏光変調赤外分光システムの開発も行う.さらに,(1)と(2)で開発したシステムを,(3)高速フォトクロミック分子の発色体の絶対配置の決定とその光励起ダイナミクスに応用するとともに,(4)研究領域内の共同研究を実施することで,「柔らかな分子系」の構造変化ダイナミクスに応用することを計画している.29年度が最終年度であるため、記入しない。29年度が最終年度であるため、記入しない。
生体透過光による指尖血液流動性検査の開発と臨床応用

動脈硬化における細動脈や毛細血管の病態に対するアプローチは重要であるが未開である.我々は指先を加圧して,指尖血管内ヘモグロビン量の移動(流動性)を,発光ダイオードによって定量的かつ低侵襲性に検査する方法を開発し,臨床的意義に関して研究した.本法によるvelocity pressure index(VPI)の再現性や変動係数は臨床的に容認されるレベルであった.特に糖尿病患者においてVPI値は健常群よりも有意に低く,また肥満や血清脂質のような動脈硬化危険因子と有意に正相関した.高血圧症合併糖尿病患者では過眠習慣の場合にVPIは有意に低値を示した.一連の成果は,生活習慣病における毛細血管病態に対する本検査法の有用性を示唆しており,実地応用に向けての更なる検討が期待される.動脈硬化における細動脈や毛細血管の病態に対するアプローチは重要であるが未開である.我々は指先を加圧して,指尖血管内ヘモグロビン量の移動(流動性)を,発光ダイオードによって定量的かつ低侵襲性に検査する方法を開発し,臨床的意義に関して研究した.本法によるvelocity pressure index(VPI)の再現性や変動係数は臨床的に容認されるレベルであった.特に糖尿病患者においてVPI値は健常群よりも有意に低く,また肥満や血清脂質のような動脈硬化危険因子と有意に正相関した.高血圧症合併糖尿病患者では過眠習慣の場合にVPIは有意に低値を示した.一連の成果は,生活習慣病における毛細血管病態に対する本検査法の有用性を示唆しており,実地応用に向けての更なる検討が期待される.生活習慣病の罹患増や人口の高齢化と相俟って,動脈硬化性疾患の診断と治療に関する一層の発展は求められている.大血管または中サイズの血管に対する検査法については幾種かが医療の現場に登場してきている.しかし,動脈硬化と関連する血管病態は細動脈あるいは毛細血管にも存在し,これらへのアプローチは新たな情報を与える可能性があると考えられながらも依然として未開である.こうした背景を踏まえ,本課題では特に毛細血管に焦点を当て,その定量的かつ低侵襲性の評価法の開発とその臨床的意義の確立を目指している.我々は,ヒトの指先の加圧過程で,発光ダイオード(LED光)を用いて血管内ヘモグロビンの量(指尖流動性)を検査することが新たな動脈硬化関連指標となり得る可能性を予見してきたが,本年度においては,まず指尖流動性の評価装置(指尖加圧型センサー付き生体透過光照射器)の開発に着手した.本装置の試作を繰り返し,被験者のモニターを経て複数台を作成した.次いで,健常者集団(30人)において,同装置による指尖流動性指標の再現性と測定条件の妥当性を調べ,臨床現場で血圧を測定する際に準じた安静座位を基本として,測定値が5%未満の変動係数を示すことを確認した.さらに装置間における測定値の格差もないことを確認した.これらの結果は本装置による指標が安定しており,臨床的応用が可能であることを示唆した.加えて,生活習慣病の一つである2型糖尿病患者群(28人:平均年齢57歳)において,性別・年齢をマッチさせた健常者(10人)と比較したころ,指尖流動性指標は有意に低い値(指数:糖尿病群0.25±0.16対健常群0.45±0.21;p<0.05)を示した.この臨床的意義については,今後,多数の被験者を得て,また他の生活習慣病との比較検討を行って究明を進めるように計画している.また実地適応を展望して,機器の小型化などのさらなる改良も次年度以降に予定している.動脈硬化性疾患の診断と治療に関する一層の発展は求められている.動脈硬化と関連する血管病態は細動脈あるいは毛細血管にも存在する.本研究課題では,特に毛細血管に焦点を当て,その定量的かつ簡易で低侵襲性の評価法ならびにこれを具現化した検査装置の開発とその臨床的意義の確立を試みることを目的にしている.昨年度に引き続き,ヒトの指尖を加圧し,発光ダイオード(LED光)を用いて血管内ヘモグロビンの量(指尖流動性)を検査する装置評価装置(指尖加圧型センサー付き生体透過光照射器)の開発(改良)を進めた.本年度は,指尖部の測定位置を固定するためのセンサー機能の強化,ならびに心拍同期用回路を組み込む工夫を行った,これらによって,指尖流動性の計測精度はより高まり,同時に,工学的モデルによる新規パラメータの作成も可能になってきた.次いで,臨床的な活用を目指して,平行して臨床的検討も行った.高血圧症または前高血圧症として受診した対象集団(88例,男性57%,平均年齢68歳)を得て,同装置を用いてvelocity pressure index(VPI)を測定し,一般的な臨床指標との関連について調査した.対象者の上腕で測定した収縮期血圧値は平均で143(標準偏差18)mmHg,また拡張期血圧値は平均で75(標準偏差8)mmHgであった.指先のVPIは平均で0.23(標準偏差0.18)であった.

相関解析を行ったところ,収縮期血圧とVPIとの相関は弱かったが,拡張期血圧とVPIとは有意に正相関(係数0.546,p<0.01)し,この相関は多変量解析で他の変数を補正しても依然として有意なままであった,これは,高血圧の発症に対する,末梢血管と比較的中枢の血管の相互関係を示唆する知見であり得る.今後,さらに,装置の改良ならびに基礎的データを積み重ね,指尖血液流動性検査の臨床的意義を確立していく予定である.動脈硬化性疾患の診断と治療に関する一層の発展は求められている.大血管または中サイズの血管に対する検査法については既に医療現場に登場してきている.しかし,動脈硬化と関連する血管病態は細動脈あるいは毛細血管にも存在し,これらへのアプローチは新たな情報をもたらすと考えられながらも未開の領域である.本研究課題では,特に毛細血管に焦点を当て,その定量的かつ簡易で低侵襲性の評価法ならびにこれを具現化した検査装置の開発とその臨床的意義の確立を目的にしている.前年度に引き続き,ヒトの指尖を加圧し,発光ダイオード(LED光)を用いて血管内ヘモグロビンの量(指尖流動性)を検査する装置(指尖加圧型センサー付き生体透過光照射器)の開発(改良)を進め,評価パラメータをさらに作成した.本年度は,特に臨床応用の視点から,生活習慣病の一つであり,かつ末梢血管病態を来たして生活の質を低下させやすい糖尿病における評価パラメータの意義に関する検討を行った.すなわち,糖尿病患者群(全210人,男女127対83人:平均年齢58歳)について,同装置を用いてvelocity pressure index(VPI)を測定し,臨床的な動脈硬化危険因子との関連について調査した.本患者集団のVPI(0.23±0.13)は健常群(0.45±0.21)に比べて有意に低い値を示した.VPIを従属変数にした多変量重回帰分析を行ったところ,年齢(係数0.27,p<0.01),体格指数(係数0.16,p<0.05),中性脂肪(係数0.22,p<0.05)と有意に正相関した.これらは糖尿病における末梢血管病態の促進因子である可能性があり,指尖流動性指標が同病態の診療に活用できる可能性も示唆された.さらなる検討の蓄積は必要だが,装置と測定値の安定性ならびに簡便性や低侵襲性も加味し,これまでの成果を踏まえると臨床現場での適応は期待される.
多孔質体の応用および生体内輸送機構の解明のための熱分散のモデリングと実験的検証

今まで,様々な形で提案されてきた生体組織の熱輸送の式について,多孔質体理論に基づき検討した.局所体積平均理論を用いることで,最小の仮定の下に,三次元一般生体熱移動の式が導かれることを示した.今回初めて対向する動脈と静脈の灌流の効果に加え,機械的分散の効果を加味することに成功した.この三次元一般生体熱移動の式を用いて,肺癌の冷凍壊死療法における凍結過程のシミュレーションを実施した.本研究で確立した機械的分散のモデルおよび三次元一般生体熱移動の式が,工業的応用や生体輸送機構を考える上で極めて有効であることが分かった.今まで,様々な形で提案されてきた生体組織の熱輸送の式について,多孔質体理論に基づき検討した.局所体積平均理論を用いることで,最小の仮定の下に,三次元一般生体熱移動の式が導かれることを示した.今回初めて対向する動脈と静脈の灌流の効果に加え,機械的分散の効果を加味することに成功した.この三次元一般生体熱移動の式を用いて,肺癌の冷凍壊死療法における凍結過程のシミュレーションを実施した.本研究で確立した機械的分散のモデルおよび三次元一般生体熱移動の式が,工業的応用や生体輸送機構を考える上で極めて有効であることが分かった.初年度は,機械的分散機構の解明の準備毅階として,濃度場の計測法および速度、濃度相関の画像処理法の確立を目指し,研究を行った。安価で信頼しうる温度分布および濃度分布のフィールド計測システムの確立が要望されている状況を踏まえ,まず,フォトクロミック染料を用いた流れの非侵襲的可視化法を検討してみた。可視化した画像を基にLambert-Beerの吸光則を用いることで濃度分布の計測に成功した。確立した可視化および濃度計測システムを用いて,線熱源からの自然対流および線物質源からの強制対流物質伝達の計測を行い,理論との比較検討を行っている。さらに,本研究のテーマの一つである多孔質体内流における機械的分散効果に注目し,物質移動実験を行っている。本年度の検討を通して,フォトクロミック染料は濃度揚の非侵襲的計測において極めて有効である;線物質源からの強制対流物質伝達において計測された濃度分布は厳密解と良好な一致を示す;Lambert-Beerの吸光則に基づく濃度の定量化は低速流に対して極めて有効である;トレーサー応答法は平均流速および見かけの拡散率を計測するのに有効である;などが明らかとなった。本年度は未だ未知な部分が多い気道内の輸送現象に着目し,実験と解析の両側面から検討した.気管は肺胞に至るまで23回程分岐する.このように,分岐管の数が極めて多数であること,また,その管径の減少に応じて局所レイノルズ数が大きく変化することなどから,気道内の流れの全容を把握することは極めて難しい.加えて,気道内の速度の非一様性に起因する機械的分散効果は気道内のガス輸送現象を複雑に支配的している.今年度は気道内の輸送現象に関わるこれらの未解決問題に注目し,実験を実施し,理論との比較・検討を行った.まず,気道流路のモデルとして矩形断面を有する水路を作成し,ローダミンB水溶液を用いた拡散係数の測定を行った.二箇所の可視化画像をモーメント法に基づき画像処理することで見かけの軸方向拡散係数を得ることに成功した.こうして得られた見かけの軸方向拡散係数が平均速度の二乗に比例し増加することを見出し,テーラーの機械的分散の理論が成立することを示した.さらに,Navier-Stokesの式を用いて直接数値解析した数分岐までの結果を,その下流で多孔質体モデル近似に基づくVafai-Tienの式の結果に接続するという,ハイブリッド法を提案した.これにより,肺胞に至るまでの計算を始めて可能とした.本研究の最終年度に当たる本年度においては,生体内輸送機構の解明のための熱分散のモデリングと実験的検証に関する総括的検討を行った.まず,実験的側面から気道の輸送現象を把握すべく,気道流路のモデルとして矩形断面を有する水路を作成し,ローダミンB水溶液を用いた拡散係数の測定を行った.二箇所の可視化画像をモーメント法に基づき画像処理することで機械的分散が及ぼす見かけの軸方向拡散係数への影響を調べた.種々の実験条件の下で得られた見かけの拡散係数のデータを処理することで,以前行った直接数値シミュレーションの結果と良好な一致を示すことが分かった.機械的分散が血流に及ぼす効果については,局所体積平均理論を用いて検討した.得られた生体伝熱の基礎式は,機械的分散の効果が血液の見かけの熱伝導率の増加として表現できることを示唆している.また,気道における血液灌流の効果が多孔質体理論を用いることで,適切に表現できることを示し,気管の23分岐の理由付けを行った.この成果はASME Journal of Heat Transferに公表された.さらに,静脈と動脈の血流が対向して流れる効果について検討し定式化も行った.その結果,機械的分散の効果および血液灌流の効果に加え,対向流の効果が血流の見かけの熱伝導率の増加として表現し得ることを示した.以上を通して,機械的分散が生体内輸送機構に及ぼす機械的分散の効果を明らかにした.