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新規反芳香族ポルフィリノイドの創出

反芳香族性化合物は、小さなHOMOーLUMOギャップやその酸化還元のされやすさなど、芳香族性化合物にはない新たな機能を発現できる可能性を有している。そこでポルフィリンを基盤とした新たな反芳香族性分子の合成や反芳香族性の性質を生かした機能性分子の創製を目的として研究を行なった。新たな反芳香族性ポルフィリン類縁体の合成のために、1年目に合成した末端のα位にブロモ基をもつトリピリンを前駆体として用いた。このトリピリンはポルフィリンの部分骨格と見ることもでき、末端のブロモ基は様々な変換反応を行うことが可能である。そのため、このトリピリンは新たなポルフィリン類縁体を合成する上で良い前駆体であると考えられる。このトリピリンに対し、芳香族求核置換反応によりメゾ位に窒素や硫黄原子を導入したジヘテロヘキサフィリンを合成することに成功した。今回合成したメゾ位に窒素原子を導入したジアザヘキサフィリンは28π反芳香族性を示し、酸化によって26π芳香族性へと変換できることがわかった。また、トリピリンに対し、ジイミノピロールを作用させることによって5,10位に窒素原子を導入したジアザポルフィリンも合成した。ジアザポルフィリンを合成する際に、β位の二重結合が還元されたジアザクロリンも同時に得られた。これらジアザポルフィリンおよびジアザクロリンはいずれも18π芳香族性を示すことがわかった。今後は得られたジアザポルフィリンを還元することによって20π反芳香族性の発言を目指す。これまでの研究状況をまとめると以下のようになる。1年目において合成した化合物を前駆体として用いて種々の変換反応をおこなうことにより様々なポルフィリン類縁体を合成した。得られたポルフィリン類縁体の物性を調べることによって反芳香族性を示すことを見出すだけでなく、酸化反応により反芳香族性から芳香族性へと可逆に変換できることを見出した。以上のことから研究は当初の計画以上に進展していると判断した。これまでに合成した反芳香族性分子に対し、種々の金属を錯化させることにより、金属錯体を合成する。得られた金属錯体に対し、NMR、紫外可視吸収スペクトルの測定やx線単結晶結晶構造解析などを行うことにより、金属原子の母核に与える影響や金属原子の違いによる電子的、磁気的摂動の違いについて検討する。2年目において合成した芳香族性のポルフィリン類縁体に対し、酸化還元反応によって反芳香族性の発現を目指す。また、2年目においては末端のα位にブロモ基を導入したトリピリンに対し主に求核置換反応を用いて種々のポルフィリン類縁体の合成したが、今後はクロスカップリング反応などを用いて新たな反芳香族性ポルフィリン類縁体の合成を検討して行きたいと考えている。また、ポルフィリンやヘキサフィリンだけでなく、より大きな環構造やより小さな環構造を持つ反芳香族性ポルフィリン類縁体の合成も検討する。新たな反芳香族性ポルフィリン類縁体の合成のために、まず最初に末端のα位にブロモ基をもつトリピリンの合成した。このトリピリンは3つのピロール環が2つのメチン炭素で架橋された構造をもつ鎖状の化合物である。また、このトリピリンはポルフィリンの部分骨格と見ることもでき、末端のブロモ基はクロスカップリング反応や芳香族求核置換反応などにより様々な変換反応を行うことが可能である。そのため、今回合成した末端のα位にブロモ基をもつトリピリンはブロモ基を適切な反応により変換し環化させることにより様々なポルフィリン類縁体を合成できると期待できる。実際に、このトリピリンに対し、芳香族求核置換反応により種々の求核剤と反応させることにより、メゾ位にヘテロ原子を導入したポルフィリンやヘキサフィリンを合成することに成功した。ヘキサフィリンは6つのピロール環を持つ環拡張ポルフィリンであり、今回合成したメゾ位に窒素原子を導入したヘキサフィリンは反芳香族性を示し、酸化によって芳香族性へと変換できることがわかった。また、この研究の過程において末端にアニリンを導入したトリピリンが結晶構造中において水素結合による二重らせん構造を持つ二量体を形成し、溶液中において単量体と二量体の平衡状態にあることを見出した。新たな反芳香族性を有するポルフィリン類縁体を合成し、その物性を測定するだけなく、酸化反応により反芳香族性から芳香族性へと変換できることを見出した。その合成に用いた前駆体は1年目において合成した化合物に限らず、種々の変換反応により様々なポルフィリン類縁体を合成できることが期待できる有用な前駆体であった。また、その過程において合成した分子の特異な会合挙動を見出し、詳しく調べた。

そこでポルフィリンを基盤とした新たな反芳香族性分子の合成や反芳香族性の性質を生かした機能性分子の創製を目的として研究を行なった。新たな反芳香族性ポルフィリン類縁体の合成のために、1年目に合成した末端のα位にブロモ基をもつトリピリンを前駆体として用いた。このトリピリンはポルフィリンの部分骨格と見ることもでき、末端のブロモ基は様々な変換反応を行うことが可能である。そのため、このトリピリンは新たなポルフィリン類縁体を合成する上で良い前駆体であると考えられる。このトリピリンに対し、芳香族求核置換反応によりメゾ位に窒素や硫黄原子を導入したジヘテロヘキサフィリンを合成することに成功した。今回合成したメゾ位に窒素原子を導入したジアザヘキサフィリンは28π反芳香族性を示し、酸化によって26π芳香族性へと変換できることがわかった。また、トリピリンに対し、ジイミノピロールを作用させることによって5,10位に窒素原子を導入したジアザポルフィリンも合成した。ジアザポルフィリンを合成する際に、β位の二重結合が還元されたジアザクロリンも同時に得られた。これらジアザポルフィリンおよびジアザクロリンはいずれも18π芳香族性を示すことがわかった。今後は得られたジアザポルフィリンを還元することによって20π反芳香族性の発言を目指す。これまでの研究状況をまとめると以下のようになる。1年目において合成した化合物を前駆体として用いて種々の変換反応をおこなうことにより様々なポルフィリン類縁体を合成した。得られたポルフィリン類縁体の物性を調べることによって反芳香族性を示すことを見出すだけでなく、酸化反応により反芳香族性から芳香族性へと可逆に変換できることを見出した。以上のことから研究は当初の計画以上に進展していると判断した。これまでに合成した反芳香族性分子に対し、種々の金属を錯化させることにより、金属錯体を合成する。得られた金属錯体に対し、NMR、紫外可視吸収スペクトルの測定やx線単結晶結晶構造解析などを行うことにより、金属原子の母核に与える影響や金属原子の違いによる電子的、磁気的摂動の違いについて検討する。また、1年目において合成した末端のα位にブロモ基を導入したトリピリンは新たなポルフィリン類縁体を合成する上で有用な前駆体である。これまでは、主に芳香族求核置換反応を用いて合成を行ってきたが、末端のブロモ基はその他の種々の反応でも変換が可能であると考えられる。今後はクロスカップリング反応を用いた新たな反芳香族性ポルフィリン類縁体の合成も検討して行きたいと考えている。また、ポルフィリンやヘキサフィリンだけでなく、より大きな環構造やより小さな環構造を持つ反芳香族性ポルフィリン類縁体の合成も検討する。2年目において合成した芳香族性のポルフィリン類縁体に対し、酸化還元反応によって反芳香族性の発現を目指す。また、2年目においては末端のα位にブロモ基を導入したトリピリンに対し主に求核置換反応を用いて種々のポルフィリン類縁体の合成したが、今後はクロスカップリング反応などを用いて新たな反芳香族性ポルフィリン類縁体の合成を検討して行きたいと考えている。
Mn-Laドープによる透明な室温強磁性・強誘電性酸化物の創製

本研究は、代表的強誘電体をベースとしたMnドープペロブスカイト型酸化物A_<1-x>La_xM_<1-x>Mn_xO_3 (A=Sr, Ba, Ca, Pb, M=Ti, Zr)において、Bサイトを占めるMnイオンが希薄であるにもかかわらず高い強磁性キュリー温度を示す強磁性の発現機構を明らかにすると共に、強誘電性、圧電性と強磁性の相関を探査して電圧による磁性制御の可能性を示すことを目的として行われ、以下の成果を得た。1.ATiO_3(A=Sr, Ba, Ca)へのLa-Mn共ドープは、Mn量に比例した磁化を持つ室温強磁性を示すが、キュリー温度はそれぞれ強磁性酸化物(La, A)MnO_3のそれらに近い値を示し、Mn量にはほとんど依存しなかった。また、これらの磁化は、焼成温度に強く依存し、セラミックスの焼き締まる1200°C以上で急速に減少することを見出した。2.結晶粒界付近での高分解能透過電子顕微鏡観察およびEDXによる組成分析により、Ba系材料では粒界部にMnリッチな結晶粒が観測されるものもあった。またこれらの系では、La, Mnドープ量の増加とともにX線回折に(La, Ba)MnO_3に近い微量のピークが観測された。これらの結果より、観測された室温強磁性は、強誘電体母在中への微量な強磁性Mn酸化物相の析出による可能性が極めて高いことが明らかになった。3.1mol%La, MnドープBaTiO_3において、世界で初めて室温で大きな磁化と強誘電性を示す強磁性・強誘電性共存材料の作製に成功した。4.室温強磁性・強誘電性共存材料La, Mn1mol%ドープBaTiO_3において、1KV/mmの電界印加により、強磁性飽和磁化が最大70%と極めて大きな減少をしめすことを明らかにした。この電界による磁化の減少は、世界で初めて達成されたものであり、夢であった電界による磁性制御に大きく道を開く結果である。本年度は、研究計画に従いペロブスカイト型希薄強磁性酸化物における強磁性の発現機構を明らかにするため、Mn-La置換量およびその価数と磁性との相関、更にはホストイオン種のMn-Laドープ強磁性への影響について探査し、以下の結果を得た。1.SrTiO_3へのLa-Mn共ドープは、Mn量に比例した磁化を持つ室温強磁性を示すが、キュリー温度は約375KでありMn量にはほとんど依存しなかった。また、5Kでの磁化曲線には強磁性ヒステリシスに重畳して強磁性に寄与しない孤立したMnによる常磁性が観測された。2.(sr,La)(Ti,Mn)O_3の磁化は、焼成温度に強く依存し、セラミックスの焼き締まる1200°C以上で急速に減少することを見出した。この減少は、電子スピン共鳴の測定よりMn価数の変化と相関のあることが明らかとなった。

また、還元雰囲気での焼成では焼成温度によらず全く強磁性を示さなかった。3.La-Mn10%ドープSrTiO_3セラミックスの結晶粒界付近での高分解能透過電子顕微鏡観察およびEDXによる組成分析では、結晶粒界およびその周辺にMn, Laリッチな領域は観測されなかったことより、強磁性は強磁性不純物(La,Sr)MnO_3に起因していないことが示唆された。4.BaTiO_3,CaTiO_3へのLa-Mnドープは、それぞれ、ドープ量にあまり依存せずキュリー温度300K,260Kの強磁性を示すことが見出された。これらのキュリー温度はSr系同様、Ba, Caを含む強磁性マンガナイトの値に近いことが明らかとなった。本年度研究計画に基づき、1.ペロブスカイト型希薄強磁性酸化物における強磁性発現機構、2.強磁性・強誘電性の共存条件、3.印加電界の磁気特性への影響を明らかにすることを目的として研究を行い、以下の成果を得た。1.La,Mnが共ドープされた強誘電体BaTiO_3セラミックスは、約320Kにキュリー温度を持つ室温強磁性ヒステリシスを示すが、この系では、La,Mnドープ量の増加とともにX線回折に(La,Ba)MnO_3に近い微量のピークが観測された。また、高分解能TEMにより粒界部にMnリッチな結晶粒が観察されたこと、およびこの強磁性はセラミックスの焼成温度にも強く依存し、高温で焼成された試料は強磁性を示さなかったことから、強磁性は析出した他のペロブスカイト強磁性相による可能性が高いことが明らかとなった。2.La,MnドープはBaTiO_3の強誘電性にも影響を与え、強誘電性キュリーに対応する誘電率のピーク温度および強度は、ドープ量の増加とともに減少してその温度特性は3mol%以上のドープではブロードとなって明確なピークは観測されなかった。しかし、強磁性を示すドープ量1mol%では室温で強誘電性も持ち、世界で初めて室温で大きな磁化と強誘電性を示す強磁性・強誘電性共存材料の作製に成功した。3.1.の知見より予想されるようにBaTiO_3-LaMnO_3コンポジットにおいても室温でより強い強磁性と強誘電性の共存する材料を作製することに成功した。4.La,MnドープBaTiO_3およびBaTiO_3-LaMnO_3コンポジットにおいて、電界印加により、強磁性飽和磁化が大きく減少することを明らかにした。この電界による磁化の減少は、世界で初めて達成されたものであり、夢であった電界による磁性制御に大きく道を開く結果である。
重イオンがん治療用超小型直接プラズマ射線形加速器の研究

既存の粒子線がん治療装置は,20世紀に開発された加速器技術により建設されて利用に供されている。そのため装置全体が大型化かつ複雑化しているのが現状である。2000年代初めに開発された最新の加速器技術である,直接プラズマ入射法(Direct Plasma Injection Scheme)とドリフトチューブ線形加速器におけるAPF(Alternating Phase Focusing)法を積極的にがん治療装置に取り入れ,その入射線形加速器への利用を試みた。直接プラズマ入射型レーザーイオン源について,気体と固体をターゲットとした場合の開発研究をおこなった。YAGレーザーとクライオクーラーの組み合わせにより良好な結果が得られたため,各種の国際ジャーナル誌および国際会議で報告した。また,既存の2MeV/u重イオン加速試験用APF-IH線形加速器を利用して,直接プラズマ入射法による実験を試みた。軌道計算を詳細におこなうと,加速アクセプタンスを高くするには大きな改造を必要とすることが分かったが,予算の関係で小改造にとどめた。直接プラズマ入射法の利用によって入射エネルギーが低い場合,APF-IH収束による大強度加速では大きなアクセプタンスを期待出来ないことを明らかにした。その改善策として,低エネルギー領域での入射加速に優れたRFQ型と,中エネルギー領域での加速に優れたAPF収束ドリフトチューブ型の2つの加速構造を1台のIH(Interdigital H)空洞に挿入する新しい線形加速器を考案した。この複合加速構造型単一IH空洞線形加速器について,各種の国際ジャーナル誌および国際会議で報告した。重イオンがん治療用超小型直接プラズマ入射線形加速器のためのイオン源の研究として,東京工業大学における既存のYAGレーザーを使用した,新しい小型レーザーイオン源を製作した。これは世界で初めてIH型線形加速器に対して直接プラズマ入射法を適用するものであり,既存のAPF-IH型線形加速器と組み合わせて,陽子ビームの加速実験をおこなうために使用する。その製作にあたっては,本研究の代表者らによる平成1516年度の本補助金・基盤研究(B)(2)「APF型小型ガン治療装置の研究」において,RFQ型バンチャー空洞とともに開発がおこなわれた,炭素6価イオン用レーザーイオン源の設計を参考にした。製作したイオン源のビーム特性については,理化学研究所における既存のイオン源テストベンチを利用し,ビーム強度や電荷分布などの測定をおこなっている。これらイオン源に関する研究成果については,平成17年にフランスで開催されたイオン源国際会議(ICIS2005)のなかで報告をおこなった。また,レーザーイオン源用のターゲット材料の開発と真空系の検討については,本研究課題の海外共同研究者が所属するルーマニアのサピエンタ大学とペトロマイオ大学と共同でおこない,その技術打ち合わせのために両大学に出張した。そして,来年度は前述のものとは別の既存のYAGレーザーを,サピエンタ大学の国際物理研究施設に輸送し,プラズマ分析装置を組み立てて共同実験をおこなう予定である。重イオンがん治療用線形加速器の小型化・大強度化の研究としては,既存のAPF-IH型線形加速器の加速電場強度を向上させることを考え,加速電極ギャップとベース電極の形状を変更し,3次元電磁場シミュレーションにより,加速電圧分布と共振周波数の解析をおこなった。また,ビーム軌道計算もあわせておこない,その結果を加速空洞の解析作業にフィードバックすることで,空洞性能とビーム加速性能の最適化を図った。その研究成果は,平成17年に米国で開催された粒子加速器国際会議(PAC'05)のなかで報告をおこなった。重イオンがん治療用超小型直接プラズマ入射線形加速器について,レーザーイオン源および高効率加速空洞の開発を進め,最終年度としてがん治療用装置として必要な性能評価を進めている。レーザーイオン源の開発については,前年度に製作したレーザーイオン源用真空チェンバーを,既存のテストベンチに取り付けて,YAGレーザーを使用したイオンビームの特性研究をおこない,現在も改良を続けている。その成果については,本年8月に韓国で開催されるInternational Conference on Ion Source (ICIS2007)で発表予定である。

また,レーザーイオン源用のターゲット材料の開発と真空系の検討については,ルーマニアのサピエンタ大学やペトロマイオ大学に所属する海外研究協力者(Hollanda, David, Kenez教授,Osvath研究員およびBiro教授)と共同で進めている。そして,日本からサピエンタ大学の国際物理研究施設にレーザープラズマ実験装置を運び,現地の装置と組みあわせて共同実験を開始し,その技術打ち合わせのために服部が両大学に出張した。これまでに組み立てが完了し,炭素を含む複合ターゲットの研究を現在行っている。しかし,高性能ターゲットが完成するまでには時間が必要と思われる。
現職,教育実習生の継続的授業分析による現職再教育のための理科授業モデル

教員養成学部の学生がいくつかの教育実習の段階を経ることによって、どのような能力が形成されていくか、学生の自己評価を通して明らかにする。本研究の目的は、我々の所属する大学で行われている「教育実地研究」が、学年進行と共に目的の異なった実習を段階的に実施していることから設定された。研究の方法としては、長期普通教育実習を終了したおよそ200名の学生の自己評価から、さらに、理科コース学生の実習中の授業ビデオから自己点検させることによって理科固有の教育実践能力形成状況を追跡調査した。その結果、次のような知見を得た。1段階的・継続的・教育実地研究の実施上の問題点と今後の対策について指摘した。2段階的に行われる実習について学生は自分なりに異なってとらえている。3実習中において苦労することが多かったという経験から、教育実践能力の必要性を認識してくる。教材研究に対する力量不足を指摘する学生が多い。4教育実習生の失敗授業からの授業評価は実習生には容易であり、その評価観点は次の授業改善に役立てることが出来る。5実習生の授業評価観点は、児童との対話、授業進行、実験指導などの技術的・表面的なものである。教材観や授業観や児童観といった価値的教科観は出来ていない。6実習経験後において学生は授業研究に対する事後指導を期待している。本年度は、学部学生の教育実習場面でのビデオ画面を中心に、その授業に対する批判能力の比較を中心に行った。具体的には以下の調査・分析を行った。1、学部学生の教育実習での実習場面をビデオに収録した。収録は研究代表者及び研究分担者が主に担当して、補助としてアルバイトが行った。2、収録したビデオをアルバイトを中心にプロトコルを取った。3、プロトコルを授業者への授業案と対応させた。4、上記の資料をもとに以下の四者の授業批判を受けた。1)授業担当学部学生、2)授業担当学部学生以外の同一学年の学部学生、3)授業担当学部学生の上級学年の学部学生、4)本学に派遣されている現職教員5、以上の授業批判の中でそれぞれがどの点に注目しているかを分析した。6、授業分析の資料を他研究機関で収集し比較した。7、学部学生の教育実習に対する感想文を提出させ、実際の授業場面との対応を分析した。本年度収録した授業場面は、同一学生の授業場面を再度収録する。それらを比較することによって、授業能力、授業批判能力の向上と分析する。本年度はそれらのための基礎デ-タの収録と位置づけられる。教育養成学部の学生のいくつかの教育実習の段階を経ることによって、どのような能力が形成されていくか、学生の自己評価を通して明らかにする。
異常タンパク質蓄積による神経変性疾患発症の分子機構の解明

ユビキチン・プロテアソーム系は基質特異的なタンパク質分解機構であり、基質に特異的にユビキチンを多数結合させる反応(ポリユビキチン化)は、ユビキチン結合酵素(E1)、ユビキチン活性化酵素(E2)、ユビキチンリガーゼ(E3)の複合酵素系によって行われると考えられてきた。さらに、最近になって基質の種類によっては、E1-E2-E3に加えてユビキチン鎖伸長因子(E4)を必要とするポリユビキチン化反応があることが報告された。われわれは、出芽酵母で同定された、ユビキチン鎖伸長因子(E4)であるUfd2の哺乳類ホモログE4B/UFD2aを同定した。E4BはそのC末端にU-ボックスドメインを有す。E4Bは、成体マウスでは主に大脳、小脳などの神経組織に発現が高く認められ、またポリグルタミン病の原因遺伝子産物(MJD1)のユビキチン化にE4として関わっており、神経組織におけるユビキチンシステムとの関連が示唆された。哺乳類個体におけるE4Bの分子機能を解析するためにE4Bノックアウト(-/-)マウスを作製したところ、E4B-/-マウスは胎生1213日で、頭部、頸部、心臓、腹部などに血管の拡張や出血を認め、致死に至った。また、心筋組織には広汎なアポトーシスが認められ、心臓の発生、成熟過程に異常が認められた。プロテオーム解析では、E4B-/-マウスにおいて脱ユビキチン化酵素であるUCHL1の分子量に変化がみられた。一方、生後6ヶ月以上経過したE4B+/-マウスにおいては、後足を引きずって歩くなどの歩行に異常が認められた。延髄薄束核では軸索末端が腫大し、軸索の変性が多数認められた。これらはUCHL1自然変異マウスであるGadマウスと類似の表現系であった。ユビキチン鎖伸長因子の機能低下による、ユビキチンシステムの機能異常と神経変性について解析を進めているところである。
表皮形成時においてGrhl3 因子と相互作用するタンパク質の機能解析

神経管閉鎖期の表皮では、外胚葉性前駆細胞が表皮細胞へと運命決定された後、引き続いてアクトミオシンなどの細胞骨格を活性化させることで、変形に強い頑強な組織となることがわかっている。特に、この表皮細胞の動態変化に核内転写因子であるGRHL3因子が細胞質で機能することが鍵となっていることも明らかにしている。しかし、GRHL3が核内転写因子として作用した後、細胞質内へと移行する際に、どのような分子機序が働いているのか全くわかっていない。そこで本研究では、Grhl3が核内での転写因子として機能した後、アクトミオシンを活性化するために細胞質へ移行する過程で必要となる分子の探索を行う。
液体金属MHD乱流に対応したLES乱流モデルの構築

本研究の内容は大きく分けて二つある。一つは独自に行ってきた液体金属を対象とした乱流の外部磁場印加による乱流の非等方化機構に関する理論的検討をもとに乱流解析の手法であるLarge Eddy Simulation(LES)に対応した乱流モデルを構築することにある。二つ目は,構築した乱流モデルをALIP型の電磁ポンプの実機と同じ条件で数値解析を行い,機器内部に現れる流れ場の不均一性、不安定性、圧力脈動の原因を解明し、提案する交流磁場の印加方法で動作環境を最適化することにある。一つ目の目的を達成するにあたり、スペクトル法を用いたMHD一様乱流の直接数値計算により、MHD乱流におけるエネルギーの散逸過程に関する検討を行った。その議論を基に直流磁場及び交流磁場環境で液体金属に見られる電磁乱流現象の把握を可能とする新たなSGSモデルの構築を行った。モデルの検証は一様磁場を印加した一様MHD乱流で検証を行った。次に構築したモデルを電磁ポンプに適用するのであるが、それに際して、より実機に近いシミュレーションを行うため有限要素法を用いて交流磁場印加による電磁ポンプ内MHD乱流解析への適用を試みた。用いる解析手法は申請者が開発した並列有限要素法解析手法であり、乱流モデルは申請者が平成16、17年度に構築した液体金属MHD乱流に対応したLES乱流モデルである。直接数値計算を行う際、速度場のデータが数GBにも及ぶ大規模計算となるためにスーパーコンピューターの利用が不可欠である。そこで本研究においては東京大学計算機センターのSR8000を用いて解析を行った。今年の研究の目的は、独自に行ってきた液体金属を対象とした乱流の外部磁場印加による乱流の非等方化機構に関する理論的検討をもとに乱流解析の手法であるLarge Eddy Simulation (LES)に対応した乱流モデルを構築することにある。スペクトル法を用いたMHD一様乱流の直接数値計算により、MHD乱流におけるエネルギーの散逸過程に関する検討を行った。高磁気Reynolds数MHD乱流における乱流モデル構築において重要な点は、運動方程式のローレンツ力の効果と、磁場の誘導方程式の非線形項の効果のモデリングである。二つの効果に対して個別にモデリングを行った。本研究で行ったモデリングの効果が顕著に現れるのは磁場に対するSGSモデルである。既存のSGSモデルには、流体の運動成分の高周波数領域における速度場と電磁場の非線形相互作用が低周波数領域に与えるAlpha効果が考慮されていない点に着目し、磁場の誘導方程式の非線形項の元となるOhmの法則の乱流起電力項にAlpha効果の影響を考慮した新しいDynamic SGSモデルを構築した。また現象解析から得られるデータを可視化し、視覚的に乱流場を理解することは重要であるため、大容量のメモリーを搭載したPCを購入し、独自にデータの加工を行った。所属研究機関で可視化ソフトは所有しているため今年度、主に必要となる経費は大型計算機利用料、PCの購入費であった。成果報告は論文投稿を中心に行い、現在査読中である。来年度には掲載される予定である。
芳香族化合物間の高位置選択的な炭素-炭素結合形成法の開拓

本研究では,均一系遷移金属錯体触媒を用い,芳香族化合物の炭素-水素結合を直接芳香族炭素-炭素結合に変換する新しい合成反応の開発を行った.反応の位置選択性を制御する方法として,芳香環上の置換基の触媒金属への配位を利用することにより,その置換基のオルト位での選択的な炭素-炭素結合形成に成功した.以上の成果により,様々な2,2'-置換1,1'-ビアリ-ル化合物を効率的に合成することが可能となった.本研究では,均一系遷移金属錯体触媒を用い,芳香族化合物の炭素-水素結合を直接芳香族炭素-炭素結合に変換する新しい合成反応の開発を行った.反応の位置選択性を制御する方法として,芳香環上の置換基の触媒金属への配位を利用することにより,その置換基のオルト位での選択的な炭素-炭素結合形成に成功した.以上の成果により,様々な2,2'-置換1,1'-ビアリ-ル化合物を効率的に合成することが可能となった.ルテニウム錯体触媒を用いたイミノ基,オキサゾリル基を有する芳香環の,ハロゲン化アリールによる直接アリール化反応を開発した.触媒に関しては,ホスフィンが配位したルテニウム系錯体が高い活性を示した.さらに,塩基は炭酸カリウム,溶媒はN-メチルピロリジノン,反応温度は120°C,反応時間は20-40時間という最適条件を得た.この条件下で転化率は90%程度となる.また,様々な基質を用いて反応を実施し,適用範囲の検討を行った.様々な芳香族イミン類,オキサゾリン類とブロモベンゼンの反応では,アリール基として電子吸引性,供与性に関わらず様々な置換基を有するフェニル基が適用できることが分かった.アリール基の置換位置に関しては,オルト位,メタ位の場合は選択的にモノフェニル化体が生成し,パラ位の場合はジフェニル化体も生成した.さらに,アリール基としてフェニル基以外にもα-およびβ-ナフチル基等の縮環系芳香族が適用可能であることも明らかにした.イミノ基はケトン,アルデヒド,アルコール,アミンに容易に変換可能であり,また,オキサゾリル基はカルボン酸,エステル,アミドに容易に変換可能である.すなわち,本反応はこれらの官能基を有する芳香環の直接アリール化を可能とするものである.上記の成果は芳香環C-H結合の活性化を経るものであるが,アルケニルC-H結合の活性化とハロゲン化アリールとの直接カップリング反応の開発にも今回成功した.すなわち,アルケニルピリジン類とハロゲン化アリールをホスフィンが配位したルテニウム系錯体触媒と炭酸カリウムの存在下に反応させると,アルケニルピリジンのβ-位が位置選択的にアリール化された生成物が高収率で得られた.また,反応のE,Z選択性は極めて高く,Z体のみが選択的に得られた.このZ選択性はMizoroki-Heck反応のそれとは全く逆の傾向を示し,本反応の大きな特徴である.これまでの研究で,ルテニウム錯体触媒を用いた,ピリジル基,イミノ基,オキサゾリニル基,イミダゾリニル基を有する芳香環のハロゲン化アリールによるオルト位選択的なアリール置換反応の開発に成功している.平成18年度は,このクロスカップリング反応の適用範囲を拡大するため,ハロゲン化ヘテロアリール類とのカップリング反応,アリルアセテート類とのカップリング反応へと研究を展開した.ルテニウム錯体触媒の存在下,2-フェニルピリジンと様々なハロゲン化ヘテロアリール類との反応を検討した.その結果,ブロモチオフェン,ブロモフランなど,ヘテロ原子を含む五員環ヘテロアリールブロマイドとの反応はスムーズに進行し,2.2等量のブロマイドを用いた場合にはオルト2置換生成物を高収率で与えた.窒素原子を含む6員環ヘテロアリールブロマイドとの反応では,2.2等量のブロマイドを用いてもモノ置換生成物を優先して与えた.また,窒素原子のオルト位に臭素が置換したものでは収率が低下した.収率の低いこれらのヘテロアリールブロマイドに関しては,今後反応条件の検討を引き続き行い,収率の改善を図る予定である.ハロゲン化アリールに代えてアリルアセテート類を用いてもカップリング反応が進行し,オルト位アリル化生成物が収率良く得られた.二重結合が内部に異性化したものも多少生成したが,その割合は1割程度であった.置換基を有するアリルアセテートの場合,分岐のアリルアセテートからは直鎖のアリル化生成物のみが主生成物として得られ,直鎖のアリルアセテートからは直鎖と分岐のアリル化生成物がほぼ同量生成した.これまでの研究で,ルテニウム錯体触媒の存在下,アリールピリジンとヘテロアリールブロマイドとのカップリングが進行することを見出している.ここで,2-ブロモピリジンを用いた場合,導入された2-ピリジル基が新たな誘導基として作用することが期待される.そこで,過剰量の2-ピリジルブロマイドを用い,連続的ヘテロアリール化反応を目指して反応条件の検討を行った.

2-ピリジルブロマイドの添加方法として,反応を始める際に8当量を一度に加えて反応を行ったところ,ピリジル基が3個以上導入されたテトラキス(2-ピリジル)ベンゼンやペンタキス(2-ピリジル)ベンゼンの生成を確認することができたが,その量はわずかであった,そこで,2-ブロモピリジンをシリンジポンプによりゆっくりと添加し,配位子や触媒の添加量に関しても検討した結果,収率68%でペンタキス(2-ピリジル)ベンゼンが得られ,さらに,全てのC-H結合にピリジル基が導入されたヘキサキス(2-ピリジル)ベンゼンも22%得られた.一方,ルテニウム錯体触媒とアリルアセテートの存在下に,アリールオキサゾリンがオルト位でカップリングし,2,2'-置換対称ビアリールが生成することを見出した(式3).アリルアセテートの構造が収率に大きく影響し,二重結合内部に置換基を有するアリルアセテートを用いると高収率でホモカップリング生成物が得られた.ルテニウム錯体に対する誘導基として,オキサゾリン以外にも,イミダゾール,チアゾール,オキザゾール,ピラゾールなどの五員環複素芳香環が有効であることも明らかにした.これまでの研究で、ルテニウム錯体触媒の存在下、アリールピリジンとヘテロアリールブロマイドとのカップリングが進行することを見出している。今年度は、ルテニウム錯体触媒とアリルアセテートの存在下に、アリールオキサゾリンがオルト位でカップリングし、2、2'-置換対称ビアリールが生成することを見出した。アリルアセテートの構造が収率に大きく影響し、二重結合内部に置換基を有するアリルアセテートを用いると高収率でホモカップリング生成物が得られた。ルテニウム錯体に対する誘導基として、オキサゾリン以外にも、イミダゾール、チアゾール、オキザゾール、ピラゾールなどの五員環複素芳香環が有効であることも明らかにした。また、芳香族C-H結合の直接的アリール化反応の基質一般性を向上させるべく、単純な芳香族化合物の直接的アリール化反応の開発を行った。高原子価のアリールパラジウム種には強力な求電子性が期待できることから有望な活性中間体になり得ると考え、その発生法の確立を目指した。具体的には、2価のパラジウム錯体と各種アリール金属試薬のトランスメタル化及び酸化剤による能動的な酸化を組み合わせることで4価のアリールパラジウム種の発生法を検討し、種々の芳香環との求電子置換反応について研究を行った。その結果、触媒として塩化パラジウム、酸化剤として二価の塩化銅を用いることにより、アリールスズ試薬やアリールケイ素試薬によるナフタレンなどの比較的電子豊富な芳香族化合物の直接アリール化反応の開発に成功した。
障害者陸上選手の投てき動作の運動学的解析ならびに調節式スローイングチェアの開発

障害者の陸上競技、中でもフィールド競技に関する先行研究は散見する程度であり、特に、重度障害者を対象とした投てき競技に関する研究は皆無である。本研究は主として脳性麻痺や頚髄損傷者の重度障害者の投てき運動を可能にするための補装具である調節式スローイングチェアを作成し、スローイングチェアの適合度合いの差異がどのように投てき運動に影響を及ぼすかについて調査することを目的とした。具体的には、各々の選手の投てき運動を6台のデジタルビデオカメラを用いたビデオ式3次元解析装置(ToMoCo Vm4)により運動学的に解析し、障害度やその特徴の違いやスローイングチェアの適合性が投てき運動に及ぼす影響について明らかにした。これらの結果は、重度障害者にとって、投てき競技の魅力が拡大し、その普及に寄与できるとともに、障害者の投てき競技におけるスポーツ指導方法の基礎データとしたり、競技能力向上に寄与することができる。1.調節式スローイングチェア(通称、座投一)を作製した。2.脳性麻痺選手を対象に、調節式スローイングチェアを約2ヶ月間貸与し、調整後、障害者陸上ジャパンパラリンピック大会に本機を使用して出場した。3.アテネパラリンピックに出場した頚髄損傷選手(銀メダリスト)を対象に、調節式スローイングチェアを使用し、より競技能力向上に目的に、検討した。(現在も継続中)4.脳性麻痺、頚髄損傷選手の投てき動作について、三次元解析装置にて運動学的に分析、検討した。5.3および4の結果から、改良型調節式スローイングチェアを作製した。6.脳卒中の投てき選手に座投一を試行し、より障害像に適したシッティングポジションを確立できた。7.調節式スローイングチェアについて特許申請を行い、受領された。(特願2005-265193)8.第26回医療体育研究会/第9回アジア障害者体育スポーツ学会目本部会第7回合同大会にて、「陸上投てき競技用調節式スローイングチェアの開発について」を報告した。9.第18回大阪府理学療法学術大会にて、「頚髄損傷投てき選手に対する競技用調節式補装具(モジュラー型スローイングチェア)を用いた競技能力向上への取り組み」について報告予定。10.第22回日本義肢装具学会学術大会にて、「重度障害者の陸上投てき競技用スローイングチェアの開発と適応について」報告予定。障害者のフィールド競技に関する先行研究は散見する程度であり、特に、重度障害者を対象とした投てき競技に関する研究は皆無である。本研究は主として脳性麻痺および脊髄損傷選手の投てき運動を6台のデジタルビデオを用いたビデオ式3次元解析装置(ToMoCo Vm11により運動学的に分析し、障害度やその特徴の違いが投てき運動に及ぼす影響について明らかにするとともに、スローイングチェアの適合度合いの差異がどのように投てき運動に影響を及ぼすかについて調査することを目的とした。これらの結果は、重度障害者にとって、投てき競技の魅力が拡大し、その普及に寄与できるとともに、傷害者の投てき競技におけるスポーツ指導方法の基礎データとすることができる。今年度は以下の事項を実施した。1.デジタルビデオカメラ6台システムへのバッジョンアップの実施

従来、既存の4台のデジタルビデオカメラによる三次元解析を行ってきたが、どうしても4台では隠れ点等が発生し、仮想のマーカー位置を補間していくことが必要であったため、精度的な問題を有していた。今回、6台システムにバージョンアップすることにより、より精度の高い測定が容易に可能となった。2.現役障害者投てき選手の投てき動作の解析を行った棍棒投げ選手1名およびやり投げ選手1名の投てき動作を6台システムで測定し、解析した。結果、現在のフォームならびにスローイングチェアの設計上の問題点等を抽出できた。今後引き続き、フォームおよびスローイングチェアの調整を実施し、ビデオ解析結果から最も効率の良い投てき条件を検討する。3.投てき競技以外ではあるが、水泳および女子車椅子バスケットボールのアテネパラリンピック選手を対象として、それぞれ、水泳運動およびシュート動作の解析を実施した。結果、エリート選手の障害を補完するための身体運動の特徴について、明らかにすることができた。障害者の陸上競技、中でもフィールド競技に関する先行研究は散見する程度であり、特に、重度障害者を対象とした投てき競技に関する研究は皆無である。本研究は主として脳性麻痺選手の投てき運動を6台のデジタルビデオカメラを用いたビデオ式3次元解析装置(ToMoCo Vm4)により運動学的に解析し、障害度やその特徴の違いが投てき運動に及ぼす影響について明らかにするとともに、スローイングチェアの適合度合いの差異がどのように投てき運動に影響を及ぼすかについて調査することを目的とした。これらの結果は、重度障害者にとって、投てき競技の魅力が拡大し、その普及に寄与できるとともに、障害者の投てき競技におけるスポーツ指導方法の基礎データとすることができる。さらに、本年度はアテネパラリンピックが開催されたが、従来、4台のビデオカメラで実験を行っていたが、6台で行うことが可能となり精度を向上させることが可能となったため、投てき選手はもとより、水泳、ボッチャならびに車いすバスケットボール選手を対象に実験が行え、フォーム分析等のデータを提供することが可能となり、競技能力向上に貢献できた。また、現在は来年のトリノパラリンピックに出場するクロスカントリースキー選手のフォーム分析も行っている。今年度は以下の事項を実施した。1.アテネパラリンピック投てき選手の投てき運動について三次元解析を実施し、スローイングチェアとの関連性を考察しながら、改良型スローイングチェアを作成し、競技力向上に役立てた。2.調節式スローイングチェアの設計を行った。現在製作中。3.投てき競技以外であるが、水泳、女子車椅子バスケットボールのアテネパラリンピック選手を対象に、さらに来年のトリノパラリンピックを目指しているクロスカントリースキー日本代表選手そして重度障害者としてボッチャ日本代表選手それぞれのフォーム分析を行い、競技能力向上につとめた。各々の競技において、障害がどのような影響を及ぼすかについて、考察した。
進化・学習システムに基づく適応学習型最適化法の開発と再構成可能デバイスへの応用

本研究は,再構成可能デバイス設計問題のように解の品質と求解の高速性が要求される問題に対応するために,評価関数曲面の構造に基づいて解の探索過程を自律的かつ適応的に調整する適応学習型最適化法の開発を目的とする。開発手法では,最適化の過程で評価関数の構造に関する情報が収集され,解の探索過程の適応的な調整に用いられる。その結果,問題の規模およびモデル化に依存することなく,高品質の解を効率的に探索できる。本研究では,生物進化を模擬した進化型計算法に基づいた新たな最適化手法として,評価関数局面の構造に基づいて解の探索過程を自律的・適応的に調整する適応学習型最適化法を開発する。本年度は開発手法の改良を試みる。具体的には,以下の4段階により適応学習型最適化法の改良を試み,その効果を検証する。(1)生物の免疫系でみられるランダム的な遺伝子組み替え交叉法を導入する方法を検討し,その理論的解析を行う。(2)上述のランダム的な遺伝子組み替え交叉法を実現するための,具体的なアルゴリズムを構築する。(3)開発したアルゴリズムを,適応学習型最適化法のシミュレーション実験システムに導入する。(4)上述のシミュレーション実験システムを利用して,まず,比較的単純な問題である二次割当問題,巡回セールスマン問題等のベンチマーク問題において,アルゴリズムの改良の効果を検証する。ランダム的な遺伝子組み換え交叉法としては,遺伝的アルゴリズムで一般に用いられる親2個体間の各種の交叉に加えて,免疫系でみられる親3個体以上の個体間での交叉を検討する。免疫系の交叉を導入することで,より多様な探索候補点を生成し,探索領域の拡大をはかる。さらに,探索点間に相互作用を導入し,探索点間での情報共有をはかることで,探索性の向上をはかる方法を検討する。探索点間の相互作用としては,探索点間の類似度に基づく方法,各探索点の目的関数値に基づく方法,それらを組み合わせた方法を検討する。以上の手順により,ランダム的な遺伝子組み替え交叉法の効果として期待される探索領域の拡大および解集団内の遺伝的多様性の維持により,開発手法の解の品質面での性能向上をはかる。1.基礎的研究は,以下の3段階により適応学習型最適化法に対する基礎的研究を進める。(1)これまでの研究で開発を進めてきた進化型計算法に,評価関数曲面の特徴に関する情報を遺伝情報として蓄積する機能を加えるための手法を検討し,その理論的解析を行う。(2)さらに,与えられた問題の性質に応じて探索過程を適応的に最適化する方法を検討し,その理論的解析を行う。(3)以上の機能を組み合わせることで,適応学習型最適化法を構築し,その理論的解析を行う。これまでの研究で,二次割当問題についてはシミュレーテッドアニーリングを用いるモデルについて,解空間の大局的な構造としてある種の自己相似性があり,また局所的な構造として局所的最適解の近傍構造とアニーリングの温度パラメータの間にある種の相関関係があるとの知見を得ている。具体的にはこれらの構造を遺伝子情報として利用することを考える。2.アルゴリズムの開発では,以下の5段階により適応学習型最適化法を実現するためのアルゴリズムの開発,シミュレーション実験システムの構築,および開発した適応学習型最適化法の基礎的性能評価を行う。(1)評価関数の構造を効率的に遺伝子にコード化する方法を検討し,その具体的なアルゴリズムを構築する。(2)蓄積された情報の有用性に応じて必要な情報を適応的に取捨選択するための交叉法を検討し,その具体的なアルゴリズムを構築する。(3)以上の二つのアルゴリズム組み合わせることで,適応学習型最適化法の具体的なアルゴリズムを構築する。(4)構築したアルゴリズムに基づき,適応学習型最適化法を計算機上で実行できるような,シミュレーション実験システムを開発する。(5)適応学習型最適化法のシミュレーション実験システムを利用して,まず比較的単純な問題において,開発した適応学習型最適化法の基礎的な性能評価を行う。本研究は,再構成可能デバイス設計問題のように解の品質と求解の高速性が要求される問題に対応するために,評価関数曲面の構造に基づいて解の探索過程を自律的・適応的に調整する適応学習型最適化法の開発に取り組んだ。再構成可能デバイス設計のように大規模かつ複雑な評価関数曲面を有する問題に対しては,最適化の過程で評価関数の構造に関する情報を収集・蓄積し,この情報に基づいて解の探索過程を適応的に調整することが,解の品質向上および計算時間短縮に有効であると考えられる。本研究では,生物進化を模擬した進化型計算法に基づいた新たな最適化手法として,評価関数局面の構造に基づいて解の探索過程を自律的・適応的に調整する適応学習型最適化法の開発に取り組んだ。遺伝的アルゴリズムや遺伝的プログラミングなどの進化型計算法は,解の状態を遺伝子コード化し,有益な部分解を交叉により組み合わせることにより,高品質の解を効率よく探索できる。

しかし,実際的な問題に応用した際には,理想的な遺伝子コード化および交叉法を見出すことは困難である。本研究の特徴は,解の探索過程そのものを遺伝子情報として付加し,観測された評価関数曲面の特徴に応じて探索過程を適応的に最適化する機能を,進化型計算法に導入する点にある。その結果,問題毎に人手で遺伝子コード化および交叉法を調整することなしに,また,問題の規模およびモデル化に依存することなく,高品質の解を効率的に求められるようになると考えられる。本研究では,具体的には次の点に関して検討した。まず,進化型計算法に評価関数曲面の構造を遺伝情報として蓄積する機能を加えることにより,探索過程を自律的・適応的に最適化する適応学習型最適化手法を構築した。つぎに,開発手法を実現する具体的なアルゴリズムを構築した。さらに,開発手法を各種ベンチマーク問題に応用し,有効性を確認した。システム工学これまでの研究で,具体的に以下の事項について,研究計画が遂行されている。(1)開発手法を最適化問題の基礎的なベンチマーク問題に応用し,有効性を検証する。また,ここでの実験結果に基づいて,開発手法の改良を検討する。特に,大規模かつ複雑な問題への応用を念頭に,改良する。これまでの研究で,具体的に以下の事項について,研究計画が遂行されている。(1)進化型計算法に評価関数曲面の構造を遺伝情報として蓄積する機能を加えることにより,探索過程を自律的・適応的に最適化する適応学習型最適化手法を構築する。(2)開発手法を実現する具体的なアルゴリズムを構築する。特に,評価関数曲面の構造情報を収集する手法,これを遺伝子にコード化する方法,およびこの遺伝情報を効率的に受け継ぐための交叉法を検討する。今後の研究で,具体的に以下の事項について,研究計画を遂行する。(2)開発手法を再構成可能デバイス設計に応用し,有効性を検証する。開発手法の改良では,以下の4段階により適応学習型最適化法の改良を試み,その効果を検証する。(1)生物の免疫系でみられるランダム的な遺伝子組み替え交叉法を導入する方法を検討し,その理論的解析を行う。(2)上述のランダム的な遺伝子組み替え交叉法を実現するための,具体的なアルゴリズムを構築する。(3)開発したアルゴリズムを,適応学習型最適化法のシミュレーション実験システムに導入する。(4)上述のシミュレーション実験システムを利用して,まず,比較的単純な問題である二次割当問題,巡回セールスマン問題等のベンチマーク問題において,アルゴリズムの改良の効果を検証する。ランダム的な遺伝子組み替え交叉法の効果として期待される探索領域の拡大および解集団内の遺伝的多様性の維持により,開発手法の解の品質面での性能向上をはかる。なお,シミュレーション実験システムの改良,およびシミュレーション実験の実施には,平成24年度購入および平成25年度新規購入の高性能パーソナルコンピュータを使用する。
流動する純水による高分子板の帯電特性および高分子板上の純水の挙動に関する研究

本研究では一定量の純水を接地した注射針を通して,傾斜角および紙ヤスリで表面の粗さを変化させたPTFE(polytetrafluoroethylene,商品名:テフロン)板に連続的に一定速度で流下した.PTFE板表面電位および純水の帯電量の測定,純水の流動状態の観察を行った結果,純水がPTFE板上を「液滴群」として移動する場合,傾斜角が大きくなるにしたがって液滴の数は増大し,液滴1個の寸法は小さくなる.このとき,流下後の純水の帯電量はある傾斜角で極大となる.表面の粗さに関わらずこの傾向は見られたが,表面が粗い方が帯電量は小さくなる傾向があった.また,流下後のPTFE板の表面は純水が接触した部分が帯電する.このとき純水流下点近傍は大きく負に帯電し,下流部に向かうにしたがって負の電位は減少し,正に反転するものもある.このとき,傾斜角が大きく流下後の純水の帯電量が小さい場合,負の電位は低く,帯電している面積も小さい.このことは純水とPTFEの接触面積が小さいことに対応している.これまでの研究で,純水中のOH^-のような負イオンは液滴表面近傍に集まりやすくなっていると考えられている.純水液滴がPTFE板上を移動するとき,液滴最後部の負イオンを板上に残すため,PTFEは負に,純水は正に帯電すると考えられている.この純水の帯電量は液滴とPTFEの接触面積とともに大きくなるはずである.傾斜角が大きくなると液滴は小さくなり,数が増える.これは純水全体として,接触面積を増加させる方向に働く.一方,1個の液滴は傾斜角が大きくなると球形に近くなり,PTFE板との接触面積は小さくなる.したがって,接触面積はある傾斜角で最大となり,電荷量もその角度の付近で最大となったと考えられる.紙ヤスリでPTFE板の表面を粗くすると表面の凸凹の上に液滴が乗る形となり,粗さが異なると接触面積も異なり,結果として帯電量が異なると考えられる.本研究では一定量の純水を接地した注射針を通して,傾斜角および紙ヤスリで表面の粗さを変化させたPTFE(polytetrafluoroethylene,商品名:テフロン)板に連続的に一定速度で流下した.PTFE板表面電位および純水の帯電量の測定,純水の流動状態の観察を行った結果,純水がPTFE板上を「液滴群」として移動する場合,傾斜角が大きくなるにしたがって液滴の数は増大し,液滴1個の寸法は小さくなる.このとき,流下後の純水の帯電量はある傾斜角で極大となる.表面の粗さに関わらずこの傾向は見られたが,表面が粗い方が帯電量は小さくなる傾向があった.また,流下後のPTFE板の表面は純水が接触した部分が帯電する.このとき純水流下点近傍は大きく負に帯電し,下流部に向かうにしたがって負の電位は減少し,正に反転するものもある.このとき,傾斜角が大きく流下後の純水の帯電量が小さい場合,負の電位は低く,帯電している面積も小さい.このことは純水とPTFEの接触面積が小さいことに対応している.これまでの研究で,純水中のOH^-のような負イオンは液滴表面近傍に集まりやすくなっていると考えられている.純水液滴がPTFE板上を移動するとき,液滴最後部の負イオンを板上に残すため,PTFEは負に,純水は正に帯電すると考えられている.この純水の帯電量は液滴とPTFEの接触面積とともに大きくなるはずである.傾斜角が大きくなると液滴は小さくなり,数が増える.これは純水全体として,接触面積を増加させる方向に働く.一方,1個の液滴は傾斜角が大きくなると球形に近くなり,PTFE板との接触面積は小さくなる.したがって,接触面積はある傾斜角で最大となり,電荷量もその角度の付近で最大となったと考えられる.紙ヤスリでPTFE板の表面を粗くすると表面の凸凹の上に液滴が乗る形となり,粗さが異なると接触面積も異なり,結果として帯電量が異なると考えられる.
雌ウシの潜在能力を利用したホルモン処置を使わないダブル排卵モデルの確立

今年度は、乳牛の発情周期中の卵胞の発育と閉鎖に関わる血管新生と血流を制御する因子の解析を進めると同時に、第1卵胞波の時期に限定して、黄体が存在しない状況下でのダブル優性卵胞の発現とダブル排卵の起きる内分泌環境の詳細な解析を行った。1)血管構築に関わると考えられるアンギオポエチン(ANPT)とそのレセプターTie2の発現を各発育段階にある卵胞から得られた顆粒膜細胞で調べた結果、ANPT1は中卵胞以上の卵胞で急速に増加し、一方、ANPT2は急速に減少した。レセプターTie2の発現は変化しなかった。このことから、血管新生が激増する中卵胞以上で、むしろ血管を安定化させるといわれるANPT1が主なリガンドとなることから、顆粒膜細胞のANPT1は、血管新生ではなく、むしろエストロジェン合成と深く関わっている可能性が示唆された。2)ウシ卵胞液中のN型糖鎖の変換の第一段階を触媒するNアセチルグルコサミニルトランスフェラーゼI(GnT I.)活性を検索した結果、閉鎖卵胞液にその活性が高いことがわかり、卵胞の閉鎖過程とN型糖鎖の変換活性との関連が示唆された。3)乳牛の第1卵胞波の直径2mm以上の全ての卵胞の消長を、カラードップラー超音波診断装置を用いて、それらの基底膜の局所血流とともに詳細に調べた結果、閉鎖に向かう卵胞は、どのサイズにおいても血流がDay3を境に消失するのに対して、発育を続ける卵胞の血流は存続することを初めて実証した。4)LHサージの直前に優性卵胞を吸引除去(ダブル優性卵胞モデル)または、GnRH投与による誘起排卵(シングル優性卵胞モデル)直後から5日目まで、毎日8時間、15分間隔の連続採血を行い、LHとFSHのパルス状分泌を観察した。その結果、黄体が存在しない(プロジェステロン濃度が基底値)ダブル優性卵胞モデルでは、LHパルスが活発で、FSH濃度も若干高いことがわかった。初年度は、ウシ卵巣内で起きている発情周期中の卵胞選抜の状況を探り、以下に挙げる成果を得た。1)卵胞期の排卵に至る主席卵胞と、排卵せずに閉鎖する次席卵胞の基底部の血流像を、カラードップラー超音波画像診断装置によって、経時的に詳細に観察したところ、血中エストロジェン濃度の上昇につれて主席卵胞基底部でのみ局所的な血流が増加し始め、LHサージとともに急上昇し、排卵直前には最高値を示した。一方、排卵しない次席卵胞基底部では、血流が監察されなかったことから、卵胞基底部の血流は排卵現象と直接的な関係がある事を初めて生体レベルでビジュアルな画像として示した(論文1)。2)同様に、発情周期中の第1卵胞波の直径3mm以上のすべての卵胞基底部の血流像を観察した結果、発情周期の3日目に起きる卵胞選抜と同調して、主席卵胞の血流は増加してゆくのに対して、次席卵胞とその他の小型の卵胞基底部の血流は、3日目を境として減少に転じ、閉鎖(死)に向かうことが生体レベルで初めてビジュアルに示された(投稿準備中)。3)ウシ卵胞のステージと顆粒層細胞のグルココルチコイドシステムに関わるmRNAを調べた結果、不活性なコルチゾンを活性型のコルチゾールに変換する酵素の11beta-HSD1だけが検出され、逆の反応を促進する酵素の11beta-HSD2は検出されなかった。一方、黄体組織中には、両方の酵素のmRNAが検出された。このことから、卵胞内には、局所的なグルココルチコイドシステムが存在することが示唆された(論文2)。4)ウシ卵胞膜内の血管新生の調節に関わると考えられるアンギオポエチンとそのレセプターTie2の発現を卵胞の状態と合わせて調べた結果、ウシ卵胞内のアンギオポエチン-Tie2システムは、卵胞の成長と閉鎖に密接に関係することがわかった。特に、アンギオポエチン2主導で、血管が不安定状態となり、血管新生因子であるVEGF等が欠如することで、その卵胞は血管系が崩壊へ向かい、結局卵胞の死(閉鎖)に陥ることが強く示唆された(論文3)。5)ウシの発情周期のLHサージ直前に排卵する運命にある主席卵胞を吸引して除いてしまうと、その後1週間黄体が存在しない期間となり、必ず2つの卵胞が主席卵胞として成長することが初めて示された。これは、ウシのダブル排卵モデルとして今後様々な研究モデルに応用可能な基礎的なモデルとして位置づけられ、現在、その内分泌環境と局所環境について詳細に解析を進めている(2004年度アメリカ生殖学会発表予定)。