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核スピン量子シミュレータの開発

本研究では高偏極化した核スピンを用いた磁気相転移の量子シミュレータの開発を行った。2つの動的核偏極手法を用いて核スピンを高偏極化し、実効的に核スピン温度を冷却した。不対電子スピンの熱平衡状態を用いた動的核偏極では、小電力で電子・核を操作できる共振器を開発し、CaF2結晶中の19Fスピン偏極を50%程度に高めることに成功した。光励起三重項状態を用いた動的核偏極ではp-テルフェニル結晶中の1Hスピンの偏極を34%まで高めた。平均場近似を用いてp-テルフェニル結晶の磁気相転移に必要な偏極率を計算した結果、26%で強磁性秩序に相転移することが分かった。本研究では核スピンを用いた磁気相転移の量子シミュレーションの実現を目指している。量子シミュレーションは古典的なコンピュータでは困難な量子多体問題を解析することが可能である。我々の実験を行うにはまず核スピンの偏極率を高めてスピン温度を低くする必要がある。核スピン間の結合強度を考慮するとマイクロケルビンオーダーまでスピン温度を下げなければならないため、電子スピンの高偏極状態を核スピンに移す動的核偏極を行う必要がある。そこで本年度は高磁場、極低温下での核スピンの高偏極化を行うための実験装置の開発とサンプル作製を行った。サンプルは高偏極化により核スピンの磁気相転移が起こることが知られているフッ化カルシウム単結晶を作製した。フッ化カルシウムにはTmをドープし、アニール処理することで不対電子スピンをもつTm2+を生成した。実験系では主に導波管とWeisらによって提案されたENDOR(Electron Nuclear DOble Resonance)共振器の開発を行った。それぞれパラメータを変えて電磁界シミュレータによって性能を評価した後、試作を行った。その結果、希釈冷凍機内で用いることが可能な低損失の導波管と高効率の共振器の開発に成功した。作製したサンプルを用いて4.2Kの環境下で実験を行った結果、動的核偏極により19Fスピンの偏極を数%に高めることに成功した。また数値的手法により核スピン間のハミルトニアンを実効的に量子シミュレーションを行うためのハミルトニアンに変化させる照射パルスを作成した。核スピン系で量子シミュレータを実現するには、実効的に核スピンの温度を冷却する動的核偏極を行う必要がある。動的核偏極はマイクロ波を照射し、高偏極な電子スピンの状態を核スピンに移すことで核スピンの向きを揃える手法である。本年度は2つの動的核偏極の手法を用いて研究を行った。ひとつは不対電子スピンを用いた方法で、電子スピン偏極がほぼ100%を実現できる2.85 T、極低温(1 K以下)で実験を行った。核スピン、電子スピンを共に低電力で操作できる自作したコイル型のENDOR(Electron Nuclear Double Resonance)共振器を用いた。フッ化カルシウムにツリウムをドープした単結晶を用いてフッ素核スピンの偏極率を50%程度まで高めることに成功した。しかしながら研究期間内に磁気相転移を実現するには至らなかった。今後はこの高偏極状態に生成したラジオ波パルスを照射することで、核スピン間の相互作用を操作し、量子シミュレーションの実現を目指す。ふたつめは光励起により三重項状態に遷移した電子スピンを用いた手法で、0.4 T、室温で実験を行った。重水素化ペンタセンを部分的に重水素化したp-ターフェニルにドープしたサンプルを用いた。平均場近似を用いて解析し、水素核スピン偏極が最小で26%あれば磁気相転移が実現できることが分かった。動的核偏極により水素核スピンを34%まで高めた後、回転座標系での断熱消磁を行い核スピン温度を下げた結果、垂直帯磁率にプラトーが現れた。ただし磁気相転移が起こる偏極率と動的核偏極によって得られる偏極率に大きな差がないために明確に磁化プラトーを示せていない。今後はスピン格子緩和時間が長くより高偏極が得られる高磁場で実験を必要がある。北川研究室ホームページ磁気共鳴、量子情報磁気相転移を起こすには核スピン間の結合エネルギーよりスピン温度を下げる必要がある。高磁場、極低温下でサンプルにマイクロ波を照射して電子スピンと核スピンの状態を交換すれば核スピン温度を十分に下げることができる。そこで本年度は希釈冷凍機内でも利用可能な、低電力でスピンを操作できるENDOR共振器や低損失のOversized導波管を作製した。開発したそれらの装置を用いた動的核偏極の実験によって核スピン偏極を数%に高偏極化させることに成功した。

また核スピン間ハミルトニアンの操作のための変調パルスを数値計算により作成した。以上の成果から本研究は、当初の研究計画に従っておおむね順調に進んでいる。本年度開発した実験装置を熱流入の観点から改良し、極低温下で動的核偏極を行う。実験条件を最適化することで核スピン偏極を磁気相転移に必要である数十%以上に増大させる。また本年度に作成した変調パルスを拡張した核スピン間の双極子結合を強度的に制御できるパルスの作成法ついて検討する。それらを用いて偏極率、結合強度などをパラメータとして磁気相転移の量子シミュレーションの実現を目指す。また平均場近似により計算を行った結果、室温下での光励起三重項電子スピンを用いた動的核偏極で得られる偏極率でも磁気相転移が起こる可能性を見出しており、その物質系でも量子シミュレーションの実現性を検討する。実験装置の開発により液体ヘリウムを用いた低温下での実験の回数が少なかったため予定していた使用額より少額になった。希釈冷凍機を用いて極低温下で実験を行うため、前年度で繰り越した助成金分を増額して液体ヘリウムを購入する。また同軸ケーブルやコネクタなどの高周波部品を購入する。研究成果の学会発表、情報収集のための旅費として使用する。
4次元超音波診断装置と小型圧力センサを用いたPAPの後縁形態に関する検討

食べる機能の障害である摂食嚥下障害に対する歯科的治療として舌接触補助床(PAP)と呼ばれる入れ歯が用いられている。今回、より治療効果の高いPAP設計のための資料を得る目的で、後方部分の設計が異なる2種類のPAPを作製し、それぞれのPAPを装着して食事したときの舌の動きの違いを超音波診断装置と小型圧力センサを用いて検討した。その結果、PAPの後方部分の設計の違いにより、食事中の舌の動きに差が生じることが明らかとなった。〔目的〕初年度は、2次元、3次元超音波診断装置を用いた先行研究にて設定された撮影条件にて4次元超音波診断装置での嚥下動態の描出が可能か否かについて検討を行った。〔対象と方法〕対象は研究参加について十分な説明ののちに同意の得られた個性正常咬合を有する成人男性3名(平均年齢27.6歳)である。超音波画像診断装置(VolusonE8、GE社製)に,一触子(RAB4-8L、GE社製)を接続し,探触子の固定には,大塚の考案した可変角度調整可能なスプリング付き探触子固定装置を用いた.接触子は前額方向傾斜角を30度に固定し、矢状方向傾斜角を20度、30度にそれぞれ変化させて舌動態の描出可能率の検討を行った。測定に際し、被験者にフランクフルト平面が床面と並行になるように座位をとらせた。また、事前に各被験者の口蓋形態に適合した最厚部3mmの舌接触補助床(以下、PAP)を作製した。各条件において冷水3mlを指示嚥下した際の舌接触補助床装着に伴う舌動態の変化を描出できるか否かについて、2次元Bモードおよび4次元画像にて評価した。本研究は昭和大学歯学部医の倫理委員会の審査、承認(2014-033)を経て実施された。〔結果と考察〕各条件において、Bモードを用いた2次元画像ではPAP装着に伴う水分嚥下時の舌動態の違いを先行研究と同様に評価することが可能であった。しかしながら、4次元化された舌動態の画像においては、舌運動の速度に対して画像の鮮明度が不十分であり、その違いを判別することは困難であった。これまでの先行研究において2次元や3次元での嚥下動態評価に用いられてきた条件では、口蓋形態の変化に伴う嚥下時の舌の動態評価が困難であることが明らかとなった。2年目ではより詳細な撮影条件の見直しを実施し、4次元による嚥下時舌動態の評価が可能となるように努めていく予定である。本年度は後方形態の異なる2種類の舌接触補助床(PAP)装着した際の嚥下時の口蓋部舌圧と舌動態の解析を小型圧力センサーと超音波診断装置を用いて実施した。顎咬合系に異常を認めない個性正常咬合を有する健常成人10名を対象に測定を実施した。このうち超音波診断装置にて異常嚥下癖の認められた男性1名と嘔吐反射により測定用PAPの持続的装着が困難であった女性1名を除いた8名(男性4名、女性4名、平均年齢23.6歳)について検討を行った。測定用PAPは後方形態の違いにより、口蓋部から後縁に移行的に変化していく移行型と口蓋部から後縁まで同じ厚みを維持していく断端型の2種類を作製した。ゼリー4gを指示嚥下した際の口蓋部舌圧と舌動態を小型圧力センサ(PS-2KC)と超音波診断装置(E8、GE社製)を用いて測定した。センサーは口蓋前方・中央・後方の3か所に設置し、得られたデータより最大圧、舌口蓋接触時間および舌動態について検討した。測定用PAPの後方形態の違いにより、各センサーにおける最大圧、舌口蓋接触時間と総舌口蓋接触時間に差は認めなかった。しかし、超音波診断装置にて観察された舌動態では後方形態の違いに合わせた明らかな舌動態の違いが認められた。健常成人においては、後方形態の違いにより舌動態が変化するものの、舌機能にて代償することで一定の口蓋部舌圧と接触時間を維持している可能性が示唆された。今後は得られたデータを詳細に検討することで、PAPの後方形態決定のための一助となる発表ができるものと考えられる。昨年度の結果より、4次元超音波診断装置を用いての舌動態の観察は困難であることが明らかとなり、研究計画の変更を余儀なくされた。また、被験者の選択および測定用舌接触補助床の作製に時間を要したため、研究成果発表ができていないなど、研究の遂行がやや遅れている。最終年度は、舌接触補助床(以下、PAP)の床後方形態の違いが嚥下時舌動態に及ぼす影響を明らかとすることを目的に、小型圧力センサーと超音波診断装置を用いた検討を実施した。顎咬合系に異常を認めない個性正常咬合を有する健常成人8名(男性4名、女性4名、平均年齢23.6歳)を対象とした。測定用PAPは床後方形態の違いにより、口蓋部から後縁に移行的に変化していく移行型と口蓋部から後縁まで同じ厚みを維持していく断端型の2種類を作製した。ゼリー4gを指示嚥下した際の口蓋部舌圧を小型圧力センサー(PS-2KC、共和電業社製)にて測定した。小型圧力センサーは口蓋正中部の前方・中央・後方の3か所に設置し、得られたデータより最大圧、舌口蓋接触時間および嚥下時舌圧発現順序について検討した。

また、同時に顎下部より矢状断方向に設置した超音波診断装置にて、ゼリー嚥下時の舌動態について記録した。最大圧では口蓋中央と後方において8名中7名が移行型と比較して断端型で低い値を示した。舌口蓋接触時間では、3か所ともに差を認めなかった。また、嚥下時舌圧発現順序では、移行型において6名が前方から、2名が前方と中央の同時に発現した。断端型においては前方と中央の同時または中央から各3名、前方から2名であり、6名が異なる発現機序を示した。また、超音波診断装置による舌動態評価では、床後方形態の違いによる嚥下時舌動態の違いを画像として捉えるには至らなかった。健常成人においては、PAPの床後方形態の違いにより舌動態が変化する可能性が示唆された。食べる機能の障害である摂食嚥下障害に対する歯科的治療として舌接触補助床(PAP)と呼ばれる入れ歯が用いられている。今回、より治療効果の高いPAP設計のための資料を得る目的で、後方部分の設計が異なる2種類のPAPを作製し、それぞれのPAPを装着して食事したときの舌の動きの違いを超音波診断装置と小型圧力センサを用いて検討した。その結果、PAPの後方部分の設計の違いにより、食事中の舌の動きに差が生じることが明らかとなった。研究計画では初年度において、4次元超音波診断装置での嚥下時舌動態の評価法確立を目指していたが、十分な成果を得られることが困難であった。測定条件について2次元モードにて観測した画像では評価可能な状況であっても、4次元モードにて観測した画像では評価不可能であった。4次元超音波診断装置側の要因もあり、今後の検討が必要である。得られたデータの詳細な検討と不足部分を補う追加実験を実施する予定である。また、遅れている研究成果発表についても28年度中に実施予定である。口腔衛生学超音波診断装置の機器側の要因として、2次元で評価可能の条件において、4次元にて評価が困難な原因を早急に検討するとともに、4次元での嚥下時舌動態評価法の条件確立を最優先に研究を継続する。また、機器側の性能限界として4次元での評価が困難であることが明らかとなった場合には、舌接触補助床の口蓋形態の違いによる舌運動の違いを2次元超音波診断装置と小型圧センサを用いた解析に切り替え、研究を遂行していく予定である。研究進行の遅れにより当該年度内に研究成果発表を実施できなかったため、次年度に研究成果発表を実施するための予算を残すに至った。解析ソフトの納期遅れにより、計画していた被験者数が少なくなってしまった。そのため、測定装置に使用する小型圧力センサの購入数が少なくなってしまったため、物品費および人件費・謝金を残すこととなった。本年度、関連学会での研究成果発表を実施予定である。小型圧力センサは消耗品であり、個人の口腔内に接することから、感染予防の観点より相当数の購入が必要となる。次年度は被験者数を増やして研究を遂行する予定であり、本実験に必要な研究消耗品の購入にあてる予定である。
アリル型有機金属化合物の高選択的反応の開発

アリル型金属化合物は一般に、炭素-金属間のσ結合のみで結合しているモノハプト型(η^1)あるはいσ結合に加えてさらにオレフィンが配位したトリハプト型(η^3)の2種類の結合様式をとることが知られている。特にトリハプト型は、異常原子価を持つ高配位金属化合物であり、近年その構造および反応性に強い関心が寄せられている。非対称型アリル金属化合物では、一定温度以上になると金属の1、3-転位等による立体異性化反応がおこることが知られている。そのくわしいメカニズムはいまだに不明であるが、このためアリル型金属化合物の位置制御、特にオレフィンのE/Zの立体を制御することは極めて難しい問題になっている。本研究はこのアリル型有機金属化合物の異性化の問題の抜本的解決を図る。当該年度は、昨年度までに開発したアリルカルボアニオンの立体選択的発生法をさらに種々の金属に応用した。その結果、ハロゲン化アリル化合物と活性バリウム金属を用いて発生させたアリルバリウム反応剤が、対応するリチウムやマグネシウム反応剤よりもさらにその異性化温度が高いことを見出した。しかもこのアリルバリウム反応剤は、カルボニルとの反応において高いα-選択性を示すことがわかった。-78°Cの反応においては、その生成物であるホモアリルアルコールは原料のハロゲン化アリル化合物の立体化学を完全に保持している。このような完全な立体選択的α-アリル化反応はかつてないものである。この手法の開発により、アリルカルボアニオンの位置・立体制御の問題は一挙に解決された。さらにこの手法を応用して、アリルバリウム反応剤のα-選択的カルボキシル化反応を行うことにより、β,γ-不融和カルボン酸の位置・立体選択的合成法を達成した。
活性種協同系の高次反応集積化

本研究では、活性種協同型反応プロセスの集積化法の開発に焦点を当てている。前年度においては触媒充填型フローリアクターを用い、医薬品、化粧品として広く利用されているトラネキサム酸のフロー合成に取り組んだ。Pd/Cを充填したフローリアクターを用い、4-シアノ安息香酸メチルのシアノ基の水素化還元を行ったところ、シアノ基の還元が室温、滞留時間1分で完了しベンジルアミンが定量的に得られることを見出した。また、続く水酸化ナトリウム水溶液による加水分解も約1分で完結し、カルボン酸のナトリウム塩が定量的に得られることを確認した。さらに、芳香族環の還元を行ったところRu/Al2O3を用い90°C、1分で反応が完結し目的生成物であるトラネキサム酸のナトリウム塩が得られることを明らかとした。これらの3つの反応を連結し、トラネキサム酸のワンフロー合成を行ったところ、良好な収率でトラネキサム酸のナトリウム塩を一段で得ることに成功した。得られたトラネキサム酸のナトリウム塩はシス体が主生成物であるが、得られた反応混合物を加熱することでエピメリ化が進行し、望みのトランス体を得ることができた。また、光照射可能なフローリアクターを用い、アリルブロミドのアルキンへのラジカルブロモアリル化反応が、極めて効率的に進行しブロモ置換1,4-ジエンが良好な収率で得られることを見出した。滞留時間、光強度を変えることでブロモアリル化生成物の立体選択性を制御可能であるという知見を得ている。本研究では複数の反応活性種が協同して作用する活性種協同型反応プロセスの高次集積化を行い、生物機能中分子などの高機能性化合物の迅速合成に資する新たな方法論を開拓することを目的としている。本年度は触媒充填型フローリアクターを用い、医薬品、化粧品として広く利用されているトラネキサム酸のフロー合成に取り組んだ。本反応では4-シアノ安息香酸メチルを出発基質とし、Pd触媒にシアノ基の還元、塩基によるエステルの加水分解、Ru触媒による、ベンゼン環の水素化を連続反応を達成した。また、アルキンのラジカルブロモアリル化反応では得られる生成物がビニル臭素部位を有することから、続くイオン反応、触媒反応により、連続した官能基変換が可能となるものと期待される。また、複数の固体触媒を同一のカラムリアクターに充填した触媒混合型カラムリアクターを用い、単一のカラムリアクターないで複数の触媒反応を一挙に進行させる反応集積化についても継続的に検討を行っており、興味ある知見を得ている。今年度はこれまでに得られた知見を基に本格的に反応集積化に以降する予定であるが、これまでに得られた研究の達成度は十分に満足のいくレベルであり、最終年度に向けて研究は順調に推移しているものと考えている。従来の有機合成において、複数の触媒反応を実施する際には触媒同士の干渉を避けるために複数のリアクターを用いて順次反応を実施することが一般的である。混合触媒系による均一系触媒反応の報告もあるが、触媒同士の干渉がない場合に限定され、例えば酸触媒反応と塩基触媒反応を同一のリアクターないで実施することは極めて困難である。これまでに得た触媒混合型リアクターの概念は従来型の「複数の触媒反応はそれぞれのリアクター内で実施する」という固定観念から脱却し、均一系触媒反応では共存できない複数の触媒を同一の反応系に用いることが可能となり、種々の反応の集積化が可能となるものと期待される。本年度はこの概念の一般化に取り組むため、酸、塩基、遷移金属触媒などの触媒を混合した触媒混合型リアクターを用いた、活性種協同型反応プロセスの構築に取り組む。また、アルキンのブロモアリル化反応では得られる臭素置換1,3-ジエンを活用し続くイオン反応、触媒反応との集積化を実現し、ラジカル/イオン、ラジカル/遷移金属集積型ジエン合成を検討する。本研究では活性種共同型反応プロセスの集積化方の開発に焦点を当てている。触媒充填型のフローマイクロリアクターを用いたプリスタン合成を行った。スルホン酸修飾シリカゲルを充填したカラムリアクターを用い、アリルアルコールの脱水反応を検討した結果、滞留時間30秒で効率良く脱水反応が進行し、プリスタン前駆体が得られることを見出した。本反応では、溶媒としてTHF/水の混合溶媒が有効であることを明らかとした。さらに、パラジウム炭素を充填したカラムリアクターを用い、フロー水素化反応を検討した結果、滞留時間3秒で水素化反応が進行しプリスタンを効率良く得ることに成功した。また、上記スルホン酸修飾シリカゲルを用いたカルボン酸類のエステル化反応が良好に進行し、高収率かつ簡便にエステルを得ることができた。本手法では反応後に塩基による中和操作を必要としないことからグリーンケミストリーの観点からも興味深い。一方で、多環芳香族化合物合成の集積化を行うことを目的とし、新規カルボニル化の開発についても検討を開始した。光照射条件下に、芳香族ヨウ素化物をアミン存在下一酸化炭素と反応させるとラジカル的にアミノカルボニル化が進行しアミドが効率良く得られることを見出した。本反応はPd触媒を用いないアミノカルボニル化の最初の例である。さらにこれまでに見出しているアリル臭素化物とアセチレンを用いたジエン合成のフロー型反応への適応を行ったところ、中程度ではあるが目的の反応が進行するという知見を得ている。

複数の反応活性種が協同して働く活性種協同型反応プロセスの高次集積化を行い、生物機能中分子など高機能性化合物の迅速合成に資する新たな方法論を開拓することを目的としている。触媒充填型マイクロリアクターを用い固体酸触媒による脱水反応、パラジウム触媒による水素化反応が効率良く進行することを見出しており、これらの反応集積が天然物であるプリスタン合成に有効であることを示すものである。また、新規ラジカルカルボニル化についても新たな知見を得ることができ、今後フロー系への応用、Pd触媒によるカップリング反応、ロジウム触媒による分子内環化反応と集積化させることにより多環芳香族化合物の集積型合成への発展が期待される。集積型ジエン合成においても第一段階であるアセチレンのブロモアリル化が中程度ではあるが進行することを確認しており、Pd触媒を用いたカップリング反応やブチルリチウムによるリチオ化と続く求電子材との反応による臭化ビニル部位の官能基化反応との集積化が期待できる。次年度では、これまでに得られた知見をもとに本格的な反応集積化に移行する予定であるが、本年度に得られた研究の達成度は十分に満足のいくレベルであり、次年度に向けて本研究は順調に推移しているものと考えている。本研究では、活性種協同型反応プロセスの集積化法の開発に焦点を当てている。前年度においては触媒充填型フローリアクターを用いたプリスタン合成において、スルホン酸修飾シリカゲルを用いたアリルアルコールの脱水反応、パラジウム炭素による水素添加反応によりプリスタンが得られることを明らかとした。本年度はこれらの段階を連結したプリスタンのワンフロー合成に取り組んだ。その結果、スルホン酸修飾シリカゲルとパラジウム炭素を充填したカラムを連結することでプリスタンのワンフロー合成を達成した。また、不均一触媒が互いに干渉しないことを利用してこれらの触媒を混合した触媒混合型フローリアクターを開発し、プリスタンの1段合成を達成した。アルキル塩素化物は重要な合成中間体である。塩素ガスによるアルカンの塩素化はアルキル塩素物の直裁的合成法であるが、塩素ガスは腐食性、毒性ガスでありその取り扱いには細心の注意を払う必要がある。NaOClとHClを混合すると塩素ガスが発生することは古くから知られているが、本研究ではフロー系での塩素ガスの発生と続く光塩素化が効率よく進行することを明らかとした。本システムはイオン反応とラジカル反応を組み合わせたものであり、塩素ガスボンベを使用することなくアルキル塩素化物を効率よく合成することが可能である。また、Cossyラジカル環化反応が効率的に進行すること、photoredox触媒を用いたアルケンの還元的ジフルオロメチル化反応が光マイクロリアクターを用いて良好に進行することを明らかとした。本研究では複数の反応活性種が協同して働く活性種協同型反応プロセスの高次集積化を行い、生物機能中分子などの高機能性化合物の迅速合成に資する新たな方法論を開拓することを目的としている。本年度は触媒充填型フローリアクターを用いプリスタン合成に取り組んだが、スルホン酸修飾シリカゲルを用いたアリルアルコールの脱水反応とパラジウム炭素を用いた水素添加反応連続的に行うプリスタンのワンフロー合成を達成している。この検討の際、固体酸触媒と固体のパラジウム炭素が互いに干渉しないことを利用した触媒混合型リアクターの開発に成功した。
フェムト秒レーザーによるダイヤモンド状炭素膜のナノ構造制御表面の創成

フェムト秒レーザーをDLC薄膜表面に平面状に照射し、レーザー条件(レーザーの強度、パルス数、スポット径など)を変化させて、周期的微細構造(ナノ構造)を約15mm角で均一に加工する技術を開発した。ナノ構造が生成されたDLC薄膜の摩擦係数を、ナノメカニカル試験装置を用いて測定した。1001000μNの荷重でダイヤモンドチップ(先端半径1μm)を用いて測定したところ、未照射面で0.1を示す摩擦係数が、レーザー照射により0.20.3に増加することが判明した。また、スクラッチ時のチップの侵入深さが、レーザー強度や荷重が増えるに伴い増加した。この荷重域では、レーザー照射による硬度の低下や表面に形成されたナノ構造の凹凸の影響により摩擦係数が増加したと考えられる。次に、福井大学本田助教授にご協力いただき、原子間力顕微鏡(AFM)を用いたさらに荷重の小さいナノ摩擦試験を行った。垂直荷重を20130nNと変化させ、測定範囲1μm×1μm、すべり速度2μm/sとして、コンタクトモード(垂直荷重一定)で測定した。表面測定のプローブには、市販のカンチレバーにガラス球を接着したガラス球探針を用いた。その結果、この荷重域では、ナノ加工により摩擦力が約1/3、引き離し力が約1/4と大幅に低減することが判明した。また、ボールオンディスク型摩擦摩耗試験により、ナノ構造が生成されたDLC薄膜表面のマクロなトライボロジー特性を調べた。その結果、鉄系の軸受鋼ボールが相手材の時は摩擦係数が低下することが判明した。さらにナノ構造生成面にMoS_2を0.51μm被覆した複合膜を作製し特性を調べたところ、超硬ボールに対しては約1/4、軸受鋼ボールに対しては約2/5と摩擦係数が大幅に低下することが判明し、複合化の効果が大きいことを見出した。(1)各種特性のDLC膜の成膜(安丸)非平衡マグネトロンスパッタリング(UBMS)装置を用いて、基板(ステンレス鋼)との密着性を向上させるために、Crの中間層を蒸着後DLC膜を成膜した。なお、蒸着時のCH_4ガスのArガスとの混合比やバイアス電位を調整し、さらにCrを同時蒸着により510%ドーピングさせることにより、硬度や導電性・光学的特性を変化させたDLC膜を開発した。(2)フェムト秒レーザーによるDLC膜の表面加工(大気中)(宮崎)薄膜制御加工用に精密に制御可能なフェムト秒レーザーシステムを開発した。その後レーザー特性(パルスエネルギー、波長(赤外800nm紫外267nm)、偏光(円偏光と直線偏光))を変化させてDLC膜に200μm程度のスポットで1100パルス照射し、DLC膜のアブレーション加工を行った。(3)薄膜表面解析(安丸)レーザーアブレーション後の照射面に対し、マイクロスコープ顕微鏡(レンズ購入)、EDX付属FE-SEMで照射面の高精度観察や元素分析を行い、原子間力顕微鏡(AFM)で加工面のナノレベルの3次元計測を行った。また、極微レーザーラマン分光装置により、照射面の状態変化を調べた。その結果、アブレーション閾値近傍の低フルーエンスでDLC膜表面を照射すると、薄膜の表面に周期的ナノ構造が形成されると同時に、DLC膜がGC(ガラス状炭素)膜に改質することをラマン分光の解析により見出した。GCはグラファイトの一種であり、結晶子サイズが約3nmと非常に小さく高い硬度を持った硬質炭素材で、バルク材が製品化されている。このDLC膜から形成されるGC層は、DLCにない導電性、耐熱性、耐酸化性などの優れた物性を有しているはずであり、新しい機能性炭素系薄膜として広範な工学的応用分野が期待できる。DLC膜にフェムト秒レーザーの特性(フルーエンス(エネルギー密度)、波長(赤外800nm紫外267nm)、偏光(円偏光と直線偏光))を変化させて200μm程度のスポットで照射し、膜表面に形成される周期的微細構造(ナノ構造)のサイズや形状を制御するための条件を明らかにした。即ち、ナノ構造のサイズを波長とフルーエンスにより制御し、形状を偏光で制御する技術を開発した。また、照射雰囲気の効果を調べるために、真空中と酸素中でレーザー照射を実施したが、真空中ではアブレーション閾値が低下することや加工速度のフルーエンス依存性が低下することが判明した。酸素中(1気圧)では、大気中の結果に類似しているが、高フルーエンスでは照射痕の形状が異なり、酸素の影響があることが推測された。また、ラマン分光による分析では、大気中の照射結果と傾向が類似しており、低フルーエンスでGC(ガラス状炭素)に改質されることが判明した。次にこのナノ構造をより広い平面状に形成する技術の開発に着手した。その結果、アブレーション閾値近傍の低フルーエンスの照射条件で、試料ステージを精密駆動させ駆動スピードを最適化することにより、約15mm×15mm程度の平面にナノ構造をほぼ一様に形成することが可能になった。また、ラマン分光により、照射面の全画がGC(ガラス状炭素)に改質されていることも判明した。GCの薄膜化技術は今までに報告例がなく、DLCと類似な性質を有し、DLCにない耐熱性や導電性も併せ持つ新規の硬質薄膜として、幅広い応用が期待される。さらに、ナノ構造が平面状に形成されたDLC膜表面のトライボロジー特性を、ボール・オン・ディスク型摩擦摩耗試験により評価した。

その結果、未照射面と比較して、超硬ボールに対してはそれほど変化しないが、鉄系(軸受鋼)のボールに対しては摩擦特性が向上することが判明した。フェムト秒レーザーをDLC薄膜表面に平面状に照射し、レーザー条件(レーザーの強度、パルス数、スポット径など)を変化させて、周期的微細構造(ナノ構造)を約15mm角で均一に加工する技術を開発した。ナノ構造が生成されたDLC薄膜の摩擦係数を、ナノメカニカル試験装置を用いて測定した。1001000μNの荷重でダイヤモンドチップ(先端半径1μm)を用いて測定したところ、未照射面で0.1を示す摩擦係数が、レーザー照射により0.20.3に増加することが判明した。また、スクラッチ時のチップの侵入深さが、レーザー強度や荷重が増えるに伴い増加した。この荷重域では、レーザー照射による硬度の低下や表面に形成されたナノ構造の凹凸の影響により摩擦係数が増加したと考えられる。次に、福井大学本田助教授にご協力いただき、原子間力顕微鏡(AFM)を用いたさらに荷重の小さいナノ摩擦試験を行った。垂直荷重を20130nNと変化させ、測定範囲1μm×1μm、すべり速度2μm/sとして、コンタクトモード(垂直荷重一定)で測定した。表面測定のプローブには、市販のカンチレバーにガラス球を接着したガラス球探針を用いた。その結果、この荷重域では、ナノ加工により摩擦力が約1/3、引き離し力が約1/4と大幅に低減することが判明した。また、ボールオンディスク型摩擦摩耗試験により、ナノ構造が生成されたDLC薄膜表面のマクロなトライボロジー特性を調べた。その結果、鉄系の軸受鋼ボールが相手材の時は摩擦係数が低下することが判明した。さらにナノ構造生成面にMoS_2を0.51μm被覆した複合膜を作製し特性を調べたところ、超硬ボールに対しては約1/4、軸受鋼ボールに対しては約2/5と摩擦係数が大幅に低下することが判明し、複合化の効果が大きいことを見出した。
無線メッシュネットワークにおけるスループットの最大化とフローの公平性に関する研究

無線ルータや無線センサーなどの移動端末からなる大規模無線メッシュネットワークにおいて、移動端末と他のネットワークへのゲートウェイとの間を流れるトラヒック量が多く、また、移動端末の位置情報を管理するためのメッセージ数が膨大になることがある。本研究では、近隣の端末をクラスター化し、さらにこれらのクラスターを階層化した上で、データ通信スループットの向上や位置情報管理負荷の分散、通信資源利用の均等化などを図る方法を提案し、その性能評価を行った。本研究は、無線メッシュネットワークにおけるルーティングのスループット最大化および通信フローの公平性に関する問題の解決法を追究することを目的としている。無線メッシュネットワークはアドホックネットワークの1つの形態として、ネットワークバックボーンが固定・半固定の無線ルータから構成され、ルータ間のデータ通信が複数の無線ルータを経由するようになっている。そこで、異なる通信トラヒック間に衝突が生じ、また、無線資源の割り当てが不均衡になる問題が生じてしまう。本研究では、高負荷時に資源要求の衝突が多いため、通信トラヒックに公平に資源(タイムスロット)を割り当てるTDMA方式を使用する一方、低負荷時に通信要求が容易に受け入れられるCSMA方式を使用するハイブリッド型資源割当法が提案された。また、提案方式の性能を評価するためのシミュレーション手法を開発し、実験を開始した。ここで、TDMA方式とCSMA方式との切り替えタイミングが資源割当の性能に大きな影響を与えるため、現在各種パラメータ条件による影響を調査中である。また、無線資源を要求する際、通信要求の衝突を最小化するため、複数ホップ先までのルータに通信要求を知らせる仕組みを開発し、その評価を行っている。平成21年度中には、アドホックネットワークにおける最短ルーティングおよびセルラ移動通信ネットワークにおける動的な位置情報管理についても、効率的で、かつ、高速なルーティング方式を提案し、その研究成果が関連分野の国際学術雑誌に発表された。複数ホップ内の隣接ルータ同市が通信フロー情報を交換することにより、ルーティングやトラヒック制御を行うTDMA方式が無線通信資源利用の公平性を実現することができるが、通信資源を割り当てるためのオーバヘッドを抑えることが難しいことが分かった。そこで、上記問題の解決法を引き続き追究することとし、視点を変え無線ルータより構築される実システムでトラヒック制御および通信遅延の削減に焦点を当て、無線ルータおよび無線LANを用いた無線メッシュネットワーク環境を構築することにした。そして、移動端末を携帯するユーザの位置情報を追跡・管理する仕組みを開発し、ネットワークスループットの最大化につながる位置情報伝送オーバヘッドの削減および通信フローの公平性につながる個々の位置情報伝送遅延の最小化をはかるメカニズムを実現した。ネットワーク全体をクラスタリング化し、さらにクラスタを階層化することにより、ネットワークトラヒックがクラスタ化された領域内に分散されるのみでなく、位置情報の処理負荷がクラスタ間で均等化される。大規模ネットワークにおいて、提案方式の有効性を検証するため、シミュレーション手法による性能評価を行った。これらの研究成果が学術論文として電子情報通信学会英文誌に採録された。また、その他の関連研究成果が待ち行列関連分野の研究者集会で発表された。本研究は、無線メッシュネットワークや無線センサーネットワークなどのようなマルチホップ型無線通信ネットワークにおける通信資源を効率的に利用することにより、ネットワークスループットの最大化および通信フローの公平性を実現する方法の提案を目的としている。このような通信ネットワークにおいては、無線通信端末(ノード)は他のネットワーク(例えば、インターネット)にある端末とデータ通信を行う際、他のネットワークに接続されている1つ以上のゲートウェイノードを経由する必要があるため、従来研究では、ゲートウェイから全ノードまでの最短通信経路からなるツリーを利用することが多かった。本研究では、スループットの最大化および通信フローの公平性を実現するため、まず、複数のノードをグループ化することにより、トラヒックの集約化・圧縮化を図り、そして、各ノードからゲートウェイまでの通信経路を複数持たせるようにした。また、隣接ノードのフロー情報を利用することにより、ゲートウェイまでの複数通信経路を流れる通信フローを均等化する手法を提案した。さらに、ノードが移動することにより、ネットワークトポロジーに変化が生じた際、トポロジーに変化が起こった位置周辺に限定するような必要最小限の経路変更手法を開発した。提案方式の有効性を検証するため、シミュレーション手法による性能評価を行った。その結果によると、従来の方式より通信資源の利用効率を高めたほか、各ノードを流れる通信トラヒックをより均等化することができた。本研究で提案した手法は、大規模ネットワークにおける通信負荷の不均衡を解消し、通信端末の寿命を延ばすために役に立てる技術として期待できる。これらの研究成果はIEEE主催の国際会議で発表され、さらに拡張・改善された研究成果は現在国際学術雑誌に投稿中である。
最適性を基礎とした運動機能制限下での運動戦略の選択に関する理論構築

本研究は最適性を基礎とした運動機能制限下での運動戦略の選択に関する理論構築を目的とした。第1実験では、股関節屈曲制限モデルを用いてエネルギーコストと歩行戦略の関係について検討した。第2実験では、非対称性足部接地における立ち上がり動作の重心軌道形成とエネルギーコストの関係について検討した。第3実験では、膝関節屈曲制限モデルを用いて障害物に対する跨ぎ動作と着床時の床反力の関係について検討した。結論として、機能制限下においてもエネルギーコストを最小限にするよう運動軌道および運動パターンが形成されていること、転倒などの危険を回避しなければならないような課題では安全性が優先されることが示された。平成25年度においては、機能制限モデルを用いた歩行時の運動パターンとエネルギーコストの関係を明らかにすること、さらには自由歩行をさせたときに選択される運動パターンがEC最小になるのかを明らかにすることであった。対象は、健常若年男性20名であった。全ての対象者は実験参加に先立ち、十分な説明受けた後、同意書に署名した。我々は被験者の右股関節屈曲を0度に制限し、それを機能制限モデルと定義した。機能制限モデルにおける歩行再建の戦略は3種類とした(骨盤後傾型・骨盤回旋型・足部揃え型)。測定条件は10、20、30、40、50、60 m/minの6種類とし、被験者は静止立位を3分間とった後、各速度で3分間歩行した。各歩行戦略での歩行中、呼気ガス分析装置を使用して酸素摂取量(VO2)を測定した。最後に、被験者は歩行戦略を指定されないで歩き、我々はこれを自由歩行と定義した。さらに対照として、被験者は機能制限のない条件で歩行を行い、我々はこれを普通歩行と定義した。統計解析では、二元配置分散分析および事後検定としてBonferroniの多重比較検定を用いた。なお、これらの統計学的有意水準は危険率5%未満とした。VO2においては、歩行戦略と歩行速度に主効果を認めた。また、両要因間の交互作用は有意だった。10m/minにおいては、VO2は回旋型、揃え型、後傾型の順で大きかった。2060m/minにおいては、VO2は揃え型、回旋型、後傾型の順で大きかった。10 m/minでの自由歩行において、揃え型を選択した者は10人、後傾型は10人だった。骨盤後傾型の人数は速度の増加と共に増え、60 m/minでは19人が選択した。本研究の結果において、エネルギーコストの面から考えると、後傾型が最も効率的であると明らかとなった。また、自由歩行における運動パターンの選択はECを優先すると考えられた。本年度は、椅子からの立ち上がり動作をモデルとして、脳卒中片麻痺患者が用いる非対称性の足接地条件での重心軌道形成について、Jerk costを用いて検討した。被験者は健常成人男性22名とし、以下の2つの肢位で立ち上がり動作を行わせた。すなわち、P1)利き足背屈20度・非利き足背屈0度、P2)利き足背屈20度・非利き足底屈20度。また、立ち上がり条件として、1)意識せずに普通に立ち上がる、2)意識して非利き足に重心移動して立ち上がる、の2つを設定した。体重心および関節運動の測定には3次元運動分析装置を用い、赤外線反射マーカーは両側の肩峰、大転子、外側上顆、外果、第5中足骨骨頭に貼付した。また、重心軌道から各軸方向(前後x、左右y、上下z)のJerk costを算出した。結果、各肢位で意識せずに立ち上がると、これまでの報告どおり利き足側へ重心軌道が偏位した。そこで、Jerk costを比較すると、前後、左右方向で意識的に非利き足に重心を偏位させた場合にJerk costが有意に高かった。一方、上下方向では条件間で有意な差はみられなかった。一般的には、脳卒中片麻痺患者では非麻痺側に重心軌道が偏位する。しかし、麻痺側を引かせ足部位置を非対称性に接地させると、麻痺側に重心軌道が偏位する。運動療法では、この現象を利用して麻痺側への荷重訓練を行っている。すなわち、非対称性足部接地における立ち上がり動作の運動パターンは、Jerk costが小さくなるように形成されていることが本研究で示され、臨床における知見と一致した。機能障害を有する場合の運動パターンの形成においてもエネルギーコストが重要な因子になっていることの一つの証拠として見ることが出来る。平成27年度においては、機能制限モデルを用いたまたぎ動作時の運動パターンを明らかにするために研究を行った。対象は、健常若年男性10名であった。全ての対象者は実験参加に先立ち、十分な説明を受けた後、同意書に署名した。我々は被験者の右膝関節屈曲を45度に制限し、それを機能制限モデルと定義した。機能制限モデルにおけるまたぎ動作の障害物高は0、10、20、30cmの4条件とした。被験者は、至適歩行速度にて歩行し、障害物をまたぎ、通り抜けることとした。最後に、被験者は機能制限のない条件でまたぎ動作を行い、我々は制限なしまたぎ動作と定義した。またぎ動作時には、各体節傾斜角(大腿、下腿、足部、骨盤)と障害物クリアランス、床反力について測定した。

統計解析では、二元配置分散分析および事後検定としてHolm法を用いた。なお、これらの統計学的有意水準は危険率5%未満とした。障害物クリアランスにおいては、主効果・交互作用ともに有意ではなかった。各体節傾斜角においては、骨盤傾斜角と大腿傾斜各にて主効果・交互作用ともに有意であった。床反力の垂直成分において、主効果・交互作用ともに有意ではなかった。本研究の結果において、機能制限モデル下では、下腿傾斜角分の障害物クリアランスの補償として、骨盤傾斜角と大腿傾斜角を増加させて対応させていたことが明らかになった。また、床反力の垂直成分を変化させずにまたぎ動作を遂行するように戦略を行っていると考えられた。研究開始から3年経過し、実験は計画通り進んでいるが、報告が遅れている。今年度はまたぎ動作に対する機能制限モデル(膝関節屈曲制限)の運動戦略について検討した。その成果は平成28年度に国際学会で発表予定であり、その後の論文作成も進めている。そのため、平成28年度に期間を延長して、研究を完結させる予定である。立位における荷重分布異常(機能制限)を想定し、その際の速度最適性に対する運動パターンを検討した。対象は健常若年男性30名とし、測定条件としてCOPの位置要因(前方AP、中央MP、後方PP)3種類、速度要因(普通N、急速R)2種類の計6条件とした。合図(光)と同時に歩かせ、運動パターンを前傾、後傾、後方ステップ、回旋に分類した。なお、所要時間は刺激(光)から振り出し脚の踵接地までとした。結果、運動パターンは、AP-N、AP-R、MP-Nでは全て前傾パターン(100%)、MP-Rでは前傾パターン(73.3%)、後傾パターン(10%)、後方ステップパターン(6.7%)、回旋パターン(6.7%)の計4パターン、PP-Nでは前傾パターン86.7%)、後傾パターン(13.3%)の計2パターン、PP-Rでは後傾パターン(46.7%)、後方ステップパターン(43.3%)、前傾パターン(10%)の計3パターンに分類された。所要時間は、Rで有意に所要時間が短かった。また、COP位置要因ではAP<MP<PPの順で有意に所要時間が短かった。COP偏位量は要因間の交互作用は有意(p<0.01)であったが、PPにて速度要因間に有意差はみられなかった。所要時間が、最大速度条件において有意に短い値を示したのは、健常若年者の速度調節に関する予備能があることを示した。速度要因Nおいては、前傾パターンが最も多く選択された。これは、コスト優先の運動パターンを選択するという運動パターン形成の原理に従っていることを示した。一方、速度を優先するとMP、PPで後傾パターンが増加したことから、下腿前傾にはじまり、骨盤前方移動を先行させることが、前方への重心移動速度を増すためには有効な運動戦略である可能性が示唆された。本研究は最適性を基礎とした運動機能制限下での運動戦略の選択に関する理論構築を目的とした。第1実験では、股関節屈曲制限モデルを用いてエネルギーコストと歩行戦略の関係について検討した。第2実験では、非対称性足部接地における立ち上がり動作の重心軌道形成とエネルギーコストの関係について検討した。第3実験では、膝関節屈曲制限モデルを用いて障害物に対する跨ぎ動作と着床時の床反力の関係について検討した。結論として、機能制限下においてもエネルギーコストを最小限にするよう運動軌道および運動パターンが形成されていること、転倒などの危険を回避しなければならないような課題では安全性が優先されることが示された。
分子ネックレス構造による人工膵臓分子マシン

鎖状高分子が多数の環状分子を貫いた構造は分子ネックレスとよばれる。この分子ネックレス構造の環状分子に対し,糖センサー分子のフェニルボロン酸(PBA)を導入することで,糖により崩壊する分子マシンになることを既に報告している。本研究では,新たにニトロフェニルボロン酸(NPBA)を用いた検討を行った。NPBAを用いた場合,グルコースに対する応答が改善した。これはNPBAの糖への高い親和性に加え,分子ネックレス中でのNPBAの3次元的配置によるものと考えられた。鎖状高分子の先にインスリンを導入して分子ネックレスを調製し,糖に応答しインスリンを放出する,人工膵臓としても機能することを確認した。分子ネックレス構造による人工膵臓分子マシンを実現するため,平成25年度は,グルコース高親和性のフェニルボロン酸(PBA)修飾シクロデキストリン(CyD)の調製を行い,分子ネックレスへの適用を試みた。様々なPBA誘導体をCyDに導入を試みたなかで,ニトロ基を有するフェニルボロン酸(NPBA)を,γ-CyDに導入することに成功した。NPBAはニトロ基の電子吸引性により,ボロン酸の酸性度が高く,グルコースへの結合力が高いと期待される。NPBA-γ-CyDとナフタレン修飾ポリエチレングリコール(Naph-PEG)を水中で共存させたところ,Naph-PEGがいくつものNPBA-γ-CyDを貫いたポリシュードロタキサン,すなわち分子ネックレスが得られた。1H-NMRにより化学量論比を調査したところ,NPBA-γ-CyDを用いた分子ネックレスは,一本鎖の分子ネックレスであると推測された。過去の未修飾γ-CyDとPEGを組み合わせた分子ネックレスは二本鎖であることから,本研究課題で得られたNPBA-γ-CyDとNaph-PEGによる分子ネックレスは,γ-CyD誘導体を用いながら一本鎖であるという新しいタイプの分子ネックレスである可能性が高く,超分子化学的にも興味深い。NPBA-γ-CyDとNaph-PEGによる分子ネックレスは水中で不溶であったが,グルコースを共存させることにより崩壊した。各濃度のグルコース溶液中で崩壊性を評価したところ,NPBA-γ-CyDによる分子ネックレスは,ニトロ基のない場合に比べ,より低濃度のグルコースに応答し,崩壊することが明らかとなった。これまでの検討により,フェニルボロン酸修飾γ-シクロデキストリン(PBA-γ-CyD)とナフタレン修飾ポリエチレングリコール(Naph-PEG)の組合せにより,糖応答性分子ネックレスの調製が可能であることを見出している。平成26年度はこの糖応答性分子ネックレスにインスリンを組み入れる検討として,ポリエチレングリコール修飾インスリン(PEG-Ins)を調製し,分子ネックレスへの適用を試みた。放出挙動の調査では,Naph-PEG-Ins/PBA-γ-CyD分子ネックレスは水中でNaph-PEG-Insを徐々に放出したが,糖が共存することによりその放出速度が増加した。この結果は,血糖値が高いときにインスリン誘導体を放出する人工膵臓分子マシンの動作原理の開発に成功したとことを示すものである。また,新たな糖応答性分子ネックレスの開発の試みとして,フェニルボロン酸修飾ポリエチレングリコール(PBA-PEG)を合成し,CyDとの相互作用を調査した。その結果,γ-CyDとの組み合わせによりPBA-PEG/γ-CyD分子ネックレスが調製可能であった。この分子ネックレスも糖と共存することにより,崩壊する特性を持つことを見出した。前年度までの検討により,糖応答性インスリンデリバリーシステムの作動原理の構築に成功している。このシステムは分子ネックレスという超分子構造を利用したものであり,環状分子と鎖状高分子を基本構造とする。環状分子であるシクロデキストリンに糖応答性分子のフェニルボロン酸を修飾した誘導体(PBA-γ-CyD),および鎖状高分子であるポリエチレングリコールの片方の末端にナフタレン,もう片方にインスリンが修飾された誘導体(Naph-PEG-Ins)を用意し,これらを組合せることにより,分子ネックレスPBA-γ-CyD/Naph-PEG-Insが得られた。このPBA-γ-CyD/Naph-PEG-Insは糖を共存させることにより崩壊し,Naph-PEG-Insを放出した。平成27年度には,より低濃度で機能する糖応答性インスリンデリバリーシステムの構築を目指し,ニトロフェニルボロン酸(NPBA)を修飾したγ-CyD(NPBA-γ-CyD)とNaph-PEG-Insを組合せ,分子ネックレスNPBA-γ-CyD/Naph-PEG-Insの調製を試みた。両物質を溶液中で共存させることにより,NPBA-γ-CyD/Naph-PEG-Insが固体として得られた。構造解析の結果,この分子ネックレスもニトロ基が導入されていない場合と同様,γ-CyD誘導体を用いているにも関わらずCyD空孔に2本でなく1本のPEG誘導体が包接されている,珍しいタイプの分子ネックレスであることが確認された。糖応答性を評価したところ,ニトロ基が導入されていないものに比べ,より低い糖濃度で崩壊し,Naph-PEG-Insを放出した。さらに,NPBA-γ-CyD/Naph-PEGの形成過程の調査から,ニトロ基が導入されることにより,ボロン酸残基がCyDに包接されにくくなり,分子ネックレスになったときの糖応答性の改善に寄与しているという,新たな知見が得られた。

この分子ネックレス構造の環状分子に対し,糖センサー分子のフェニルボロン酸(PBA)を導入することで,糖により崩壊する分子マシンになることを既に報告している。本研究では,新たにニトロフェニルボロン酸(NPBA)を用いた検討を行った。NPBAを用いた場合,グルコースに対する応答が改善した。これはNPBAの糖への高い親和性に加え,分子ネックレス中でのNPBAの3次元的配置によるものと考えられた。鎖状高分子の先にインスリンを導入して分子ネックレスを調製し,糖に応答しインスリンを放出する,人工膵臓としても機能することを確認した。平成26,27年度の計画では「PEG-Insによる分子ネックレスの調製とその血糖値制御機能の評価」を課題としており,インスリンへのPEG鎖の導入から検討を始めた。末端に異なる官能基を持つPEG(NH2-PEG-COOH)を用い,アミノ基をナフトイルクロリドで修飾した後,もう一方のカルボキシ基とインスリンのアミノ基の間でアミド結合を形成させた。こうして得られたNaph-PEG-Insはインスリン1分子あたり約2本のPEG鎖が導入されていた。Naph-PEG-InsをPBA-γ-CyDと水中で共存させることにより,ねらい通りNaph-PEG-Ins/PBA-γ-CyD分子ネックレスを得ることができた。得られた分子ネックレスについて各種構造解析を行った結果,PEG鎖とPBA残基の両方がγ-CyD空孔に包接された珍しい構造であることを見出した。このことは超分子化学の分野でも重要な発見といえる。Naph-PEG-Ins/PBA-γ-CyD分子ネックレスは水中でNaph-PEG-Insを徐放することが確認された。これは既報のPEG-Ins/γ-CyD分子ネックレスと同様の結果といえる。PBAが導入されたNaph-PEG-Ins/PBA-γ-CyD分子ネックレスではグルコースを添加したとき,Naph-PEG-Insの放出速度が増加が見られた。これはPEG-Insの糖応答性放出を実現した世界初の例といえる。今後,血糖値レベルでの応答性が得られるような分子ネックレスの改良を行う。以上の結果をもって,平成26年度の計画はおおむね順調に進展しているといえる。物理化学平成25年度の「グルコース高親和性PBA-CDの調製と分子ネックレスへの適用」の検討で,ニトロ基導入PBA(NPBA)をγ-CyDに修飾したものがグルコース高親和性であり,かつ分子ネックレスに適用可能であることを見出した。平成26年度の「PEG-Insによる分子ネックレスの調製とその血糖値制御機能の評価」ではNaph-PEG-Insの調製に成功し,これとPBA-γ-CyDによる分子ネックレスが得られ,糖濃度に応じてNaph-PEG-Insの放出速度が増加することを確認した。平成27年度ではグルコース高親和性のNPBA-γ-CyDとNaph-PEG-Insの組合せにより,分子ネックレスを調製し,糖応答性を評価することを第一の課題とする。その情報を基に,血糖値応答性インスリンデリバリーシステムへと発展させるための以下の課題について検討する。
CLEM法を用いたTRAIL受容体の細胞内局在解析法の開発

Tumor necrosis factor-ralated apoptosis-inducing ligand(TRAIL)受容体はそのリガンドであるTRAILと結合し、複合体を形成、集積することにより、がん細胞特異的にアポトーシスを誘導することが知られている。その機序は未だ不明な点は多いが、受容体の集積の仕方がアポトーシスの誘導に関係していることが示唆されている。本研究では、TRAIL受容体集積の様子を電子顕微鏡レベルで解析するための手法を開発することを目的としている。方法として、TRAIL受容体の細胞内局在を解析するため、TRAIL受容体のN末端側に蛍光顕微鏡と電子顕微鏡の両方で観察可能なタグであるminiSOGを結合させた遺伝子コンストラクトを作製した(miniSOGをタグとすることで、免疫電顕法では得られない通常電顕像に近い形態保持に優れた電顕像が得られると考えられる)。作製したコンストラクトをHEK細胞に遺伝子導入し、共焦点レーザー顕微鏡で観察可能であることを確認した。遺伝子導入し発現したタンパク質がTRAIL受容体の局在を正しく反映しているか確認するため、内在性のTRAIL受容体を免疫染色し比較、検証した結果、ほぼ同様に形質膜上に局在していることが確認できた。現在、レーザー顕微鏡で観察した領域をそのまま電子顕微鏡で観察する方法の検討を行っている。また、本研究の成果として、アポトーシス抵抗性を示す細胞として糖転移酵素のGalNAcT14をノックダウンした細胞では、TRAIL受容体がコントロール細胞とは異なる局在を示すことがわかった(2017年度生命科学系学会合同年次大会発表)。今後、これらの細胞と作製した遺伝子コンストラクトを用い、アポトーシス抵抗性とTRAIL受容体の局在の関係性を電子顕微鏡レベルで解析していく予定である。