hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
コムギ葉緑体ゲノムの全構造の決定

イネ科では、イネとトウモロコシにおいて葉緑体ゲノムの全構造が決定されていたが、コムギではまだ全構造明らかにされていなかった。そこで、本研究班では、平成10、11年度の2年間にパンコムギ葉緑体ゲノムの全構造を決定した。材料は、パンコムギの遺伝学的研究に世界で最も広く使われているChinese Springである。併せて、コムギとその近縁属における種属間・系統間のDNAおよび転写物産の変異をサザン法およびノザン法で解析するために有用な、葉緑体ゲノム全体をカバーする整列クローンの作成、および、葉緑体遺伝子の構造領域の増幅に必要なPCRプライマーの設計と、それを用いた当該DNA領域の増幅を行った。結果の概要は以下のとおり。1)パンコムギ葉緑体ゲノムの全塩基配列の決定:ゲノムサイズは134,540bpであり、トウモロコシの140,387bpよりは5,847bp(4.2%)小さく、イネの134,525bpにほぼ等しかった。多くの植物と同様、大小2つの単一コピー領域(LSCおよびSSC)と、これらに挟まれた逆位型反復配列(IRAとIRB)からなっていた。LSC、SSCおよびIR領域のサイズは、それぞれ、80,347、12,789および20,702bpであった。このゲノムには、4種のrRNA遺伝子(いずれも重複)、20アミノ酸に対応する30種のtRNA遺伝子、70のタンパク質をコードする遺伝子、および機能が未同定な5遺伝子、合計109個の遺伝子が見い出された。うち、9遺伝子とイントロンを有していた。2)パンコムギ葉緑体DNAの整列クローンの作成: LSC、SSCおよびIRBを完全にカバーする整列(一部、部分的にオーバーラップ)クローンバンクを作成した。これは55クローンからなっており、クローンの平均サイズは2,246bpであった。全クローンの73%はサイズが1-3kbの範囲であった。3)パンコム葉緑体遺伝子増幅用PCRプライマーの設計: 2tRNA遺伝子を除くすべての遺伝子(107個)の構造領域を増幅するために必要なPCRプライマーを設計した。また、これを用いて、当該領域DNAをPCRによって少量ずつながら増幅した。イネ科植物では、これまでに、イネとトウモロコシについて葉緑体ゲノムの全構造が決定されているが、コムギではまだ全構造の決定が行われていない。そこで、本研究班で、2年間にパンコムギ葉緑体ゲノムの全構造を決定することにした。そのため、前年度に必要クローンを班員に配布し、本年4月から各分担者が割り当てられた領域の塩基配列の決定に着手した。そして、5月29、30日の両日、国立遺伝学研究所において第1回の研究打合せ会を行い、各自が研究の進展状況を報告するとともに、問題点の解決法について相談した。次いで、6月19、20日の両日、福井県立大学において第2回目の研究打合せ会を開催し、各自の成果を報告するとともに、8月にカナダで開かれる第9回国際コムギ遺伝学シンポジウムにおいて、得られた成果をまとめて報告するための方法について相談した。

幸い研究が極めて順調に進行し、7月下旬には、一部領域で2本鎖のうちの一方についてしか配列が決定できなかったし、隣接する断片の接続部の塩基配列の確認も不十分ではあったが、一応、全構造について予報的報告ができるまでになった。すなわち、パンコムギ葉緑体ゲノムは134,523塩基対の環状分子であり、4種rRNA遺伝子を各2個、33個のtRNA遺伝子(うち、6個は重複、4個は偽遺伝子)、77個の構造遺伝子(うち2個が重複、1個はトランススプライスされる遺伝子、8個は偽遺伝子)、8個のORF(うち5個が重複)を含むことがわかった。そこで、8月2日7日にカナダのサスカチュワン大学で開催された第9回国際コムギ遺伝学シンポジウムにおいて、荻原が代表者になって、以上の結果を骨子とする予報的報告を行った。イネ科植物ではこれまで、イネとトウモロコシにおいてのみ葉緑体ゲノムの全構造が解明されていた。本年、われわれは世界に先駆けて、パンコムギ葉緑体ゲノムの全構造を決定した。同時に、サザンやノザン分析による種間・系統間のDNAおよび転写産物の変異解析のためのプローブとして、全塩基配列を基にして、葉緑体DNAの整列(一部重複)クローンバンクを作成した。主要な結果は以下のとおり。1)全塩基配列の決定:パンコムギの葉緑体ゲノムの大きさは134,540塩基対であることが確定した。このゲノムには、rRNA遺伝子が4、tRNA遺伝子が30(20種アミノ酸に対応)、リボソームタンパク質の遺伝子が21、転写・翻訳に関わる遺伝子が5、光合成に関与する遺伝子が30、その他の酵素・タンパク質に関係する遺伝子が14、イネ科植物に保存されているORF遺伝子(機能は未同定)が5、合計109の遺伝子がみられた。その内、19個の遺伝子は逆位反復配列に重複して存在した。2)整列クローンバンクの作成:一方の反復配列を除く全領域をカバーする整列(一部、部分的に重複)クローンバンクを作成した。このバンクは、55のクローンないしサブクローンよりなり、葉緑体ゲノムの-548(+133,992)番目から118,485番目までの119,033塩基対をカバーする。クローンの平均サイズは2,246塩基対であり、その変異幅は141-5,406塩基対である。約43%のクローンは1-3kbの大きさである。
抗酸化物質膜輸送体を標的とした臓器慢性疾患防御の研究と治療への応用

臓器慢性疾患の予防や治療を目指し、疾患部位に多く存在する膜輸送体を利用し、炎症を抑えることが本研究の目的である。膜輸送体は細胞膜に存在し、細胞内外での物質のやり取りを司る。したがって、疾患部位に存在する膜輸送体は、予防や治療効果のある物質を送り込むために利用できる。本研究では、膜輸送体の一種が肝線維化や炎症性腸疾患モデルの炎症部位に高いレベルで存在し、食物由来の抗酸化物質を細胞内へ取り込むことによって炎症抑制に働くことを示した。したがって、臓器慢性疾患の予防や治療を目的として、当該膜輸送体を利用し、強力な抗酸化物質や薬物を炎症部位に送達する新たな薬物治療法を提唱することができた。有機カチオントランスポーターOCTN1は、食物由来抗酸化物質であるergothioneine(ERGO)を体内に濃縮的に取り込むことで、酸化ストレス抑制と炎症性疾患に対する生体防御に働く可能性がある。本年度は、OCTN1の肝線維化と中枢性疾患に及ぼす役割解明を目的として、その機能的発現に関する検討を行った。マウス肝線維化モデルを作製したところ、線維化部位でのOCTN1の発現が顕著に亢進し、OCTN1の重要性が示唆された。一方、右側脳室に[^3H]ERGOを投与後の脳内分布を測定したところ小脳、橋・延髄、視床下部、中脳で野生型に比べ欠損マウスで低下し、これら脳部位で機能的に発現することが示唆された。次に脳部位における食事由来ERGOの含有量を測定したところ、小脳で最も高く、橋・延髄、視床下部、中脳で高い傾向を示した。さらにOCTN1の遺伝子発現を測定したところ、小脳で最も高く、橋・延髄、視床下部、中脳で高い傾向にあった。発現量の分布は[^3H]ERGOや食事由来ERGOの分布とおおむね合致しており、OCTN1の脳での機能的発現を裏付けた。マウス脳凍結切片を作製しOCTN1抗体と神経細胞マーカータンパクMAP2抗体を用い、蛍光免疫二重染色を行ったところ、小脳、橋・延髄、視床下部、線条体、中脳、海馬、大脳皮質でOCTN1が神経細胞に発現することが示された。OCTN1の役割をさらに詳細に検討する目的で、未分化神経細胞モデルNeuro2a細胞にOCTN1特異的なsiRNAを処置したところ、OCTN1のmRNA発現と[3H]ERGOの取り込みが顕著に抑制された。この時、siRNA処置群では細胞総数が増加し分化した細胞の割合は減少した。すなわち、OCTN1によって神経前駆細胞の分化能が制御される可能性が示されOCTN1が新たな創薬標的となりえる可能性が示された。膜輸送体OCTN1の関与が示唆されるジメチルニトロサミン誘発性肝線維化モデルマウスにおいて、その生体内基質である食物由来抗酸化物質ergothioneine(ERGO)を経口投与したところ、線維化抑制効果が見られた。ERGOの体内動態を調べ、得られた情報から体内動態を記述する速度論モデルが構築できた。マウスにデキストラン硫酸を飲水投与し炎症性腸疾患モデルを作製したところ、臨床報告と同様、対照群に比べ血液中ERGO濃度が低下した一方、小腸組織中でのOCTN1の発現量は対照群に比べ増加した。発現量増加の原因の一部がOCTN1を発現する小腸粘膜下組織マクロファージの増加によることが示唆された。体重減少や腸管組織の長さが野生型とOCTN1遺伝子欠損マウスとの間で顕著な差が見られ、OCTN1が同疾患に機能的に関与することが示唆された。神経変性疾患との関連が示唆される神経幹細胞分化に焦点を当て、膜輸送体OCTN1とERGOの影響を検討した。マウス胚性腫瘍細胞株P19を神経系前駆細胞様に分化誘導後にOCTN1をノックダウンすると神経細胞マーカー陽性細胞の割合が減少し、アストロサイトマーカー陽性細胞の割合が増加した。一方で、ERGOを添加すると正反対の影響が見られた。マウス胎児大脳皮質由来神経幹細胞にERGOを添加したところ、神経細胞マーカー陽性細胞の割合が増加し、アストロサイトマーカー陽性細胞の割合が減少した。以上より、OCTN1やその基質ERGOは神経分化を促進することが示唆された。そこで、神経変性との関連が示唆されるうつ病モデルを作製しERGOを経口投与しその体内動態と抗うつ効果を調べたところ、ERGOは投与量依存的に脳内に移行することが示唆され、うつ病モデルにおいてERGOによる抗うつ効果が示された。以上よりOCTN1とERGOが種々の疾患と関連することが示唆された。炎症性腸疾患(IBD)を中心に膜輸送体OCTN1の病態への関与を検討した。デキストラン硫酸誘発性IBDモデルマウスを作製したところ、OCTN1の生体内基質であり食物由来抗酸化物質であるergothioneine(ERGO)の血中濃度の低下が見られた。この現象はクローン病患者と同様であったことから、IBD病態解明の手がかりを得る実験系として妥当であると考えられた。さらに検討を進めたところ、小腸および大腸炎症部位でOCTN1の発現量増加とERGO量の増加が観察された一方、炎症臓器から採取した小腸粘膜固有層単核球細胞(LPMC)でもOCTN1が発現しERGOを取り込むことが示された。

LPMCに含まれるマクロファージでのOCTN1の機能的発現は、マクロファージのモデル細胞株THP-1でも確認された。従って、IBDにおいてはERGOの吸収部位である小腸上皮でのOCTN1の高発現によりERGOの消化管吸収が増加する一方で、炎症部位に集積するマクロファージにもOCTN1が発現してERGOを取り込む結果、IBDでの血中ERGO濃度は正常時に比べ低下することが示唆された。以上の結果は、血中ERGO濃度のモニタリングが炎症部位へのマクロファージの集積を表すバイオマーカーとなりえる可能性を示すことから、IBDの病態を反映するバイオマーカー探索において、ERGOもしくは他のOCTN1基質を用いる妥当性が示唆された。IBDモデルをoctn1遺伝子欠損マウスでも作製したところ、野生型に比べ顕著な病態の悪化が観察されたことから、OCTN1がIBDに対して防御の働きを示すことが示唆された。本年度はこの他に、IBD治療薬5-アミノサリチル酸の消化管吸収の一部にOCTN1が関与することを示し、OCTN1がIBDのバイオマーカーのみならず治療薬の標的としても重要であることを示唆した。臓器慢性疾患の予防や治療を目指し、疾患部位に多く存在する膜輸送体を利用し、炎症を抑えることが本研究の目的である。膜輸送体は細胞膜に存在し、細胞内外での物質のやり取りを司る。したがって、疾患部位に存在する膜輸送体は、予防や治療効果のある物質を送り込むために利用できる。本研究では、膜輸送体の一種が肝線維化や炎症性腸疾患モデルの炎症部位に高いレベルで存在し、食物由来の抗酸化物質を細胞内へ取り込むことによって炎症抑制に働くことを示した。したがって、臓器慢性疾患の予防や治療を目的として、当該膜輸送体を利用し、強力な抗酸化物質や薬物を炎症部位に送達する新たな薬物治療法を提唱することができた。26年度が最終年度であるため、記入しない。薬物動態学26年度が最終年度であるため、記入しない。当初計画では、肝線維化を対象とする研究のみを本年度に計画していたが、その計画通りに結果が得られたばかりでなく、平成26年度に予定していた脳を対象とした研究についても一部の成果を得ることができた。交付申請書に記載の通り、ERGOを投与後の血漿、臓器中濃度推移を測定し、得られた情報からERGOの全身での動態を記述する生理学的速度論モデルを構築することができた。また、ERGOによる抗線維化効果を示す目的で、肝線維化モデルマウスを作製しERGOの効果を示すことができた。さらに、脳においてもOCTN1とERGOの神経幹細胞分化に及ぼす重要な役割を示すことができ、ERGOによる抗うつ作用も示された。このように本研究は種々の慢性疾患に及ぼすOCTN1の役割を解明しつつあり、研究計画通りに達成されている。当初計画通り肝線維化における膜輸送体の役割解明を中心に進め、これを他臓器疾患にも応用する。膜輸送体を標的とする化合物を用いた治療実験を並行して進める.研究計画に従いERGOによる抗線維化作用をさらに実証するとともに、本年度示された炎症性腸疾患との関連においてもERGOによる作用を検証する。中枢でのOCTN1の役割が明確になってきたため、神経変性疾患モデルを作製し、OCTN1の役割とERGOによる効果を解明する予定である。
細胞治療・バイオ創薬のための高機能分離精製技術の開発

細胞治療・再生医療の実用化には,治療に用いられるiPS細胞や幹細胞由来の特定細胞の効率的な分離の技術の開発が不可欠であり,現実的な治療コストの実現のためにも極めて重要である。本研究では,申請者らが開発した刺激応答性高分子を用いた新しい概念の分離システムを基盤とし,標的選択性を有した機能性高分子の開発により,治療に必要な細胞の特性を保持したまま分離する技術,選択的細胞クロマトグラフィーシステム及びバイオ創薬のためのタンパク分離精製システム創製について検討した。poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAAm)に正荷電を導入した共重合体を修飾した充填剤を用いた細胞分離カラムを作製し,モデル細胞としてヒト骨髄性白血病細胞(HL-60細胞),ヒト急性T細胞性白血病細胞(Jurkat細胞)の分離を行ったところ,温度変化による細胞の保持及び溶出を実現した。また,修飾するポリマー中に含まれる正電荷のモノマーの含有量,ポリマーの修飾構造により,細胞の溶出挙動を制御可能であった。本研究により細胞種による溶出挙動の差を利用した細胞分離の可能性を示した。温和な条件下での細胞分離が可能となるため,活性維持や工程の簡略化への貢献が期待できる。タンパクの分離精製については,本研究で新規に開発した温度応答性固相抽出カラムにより,抗体医薬品の生理活性を維持しながら精製できることが示された。また,可変部位の違いのみで抗体同士の分離が可能であることから,抗体のFc領域と結合するプロテインA担体とは異なる機構で選択的に分離できることが示された。本研究では安価なシリカビーズを用いており,ラボスケールの抗体精製用固相抽出カラムのみならず,スケールアップによってバイオプロセスにおける精製法として,さらには抗体医薬品のみならず様々なタンパク質製剤の精製への応用も期待できる。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。本年度は、これまで構築した刺激応答性高分子を用いた分離デバイスを利用して、1)標的タンパクの選択的な吸脱着を可能とする機能性高分子の開発、さらに、2)温度応答性アフィニティーシステムを構築しタンパク精製に応用した。従来法では、リガンドに結合した目的物質を溶出させる際に低pH溶媒や高塩濃度溶媒が必要となり、タンパクの凝集・変性が起こりやすい・脱塩など煩雑な後処理を要するなどの問題点がある。そこで本研究では、温度応答性高分子の温度に伴う構造変化を利用して目的物質の吸脱着を行うため従来のような低pH・高塩濃度の溶媒を用いる必要がなく、温和な条件下でのタンパク精製が可能となる。温度応答性高分子とリガンドを共固定したアフィニティー担体を作製した。温度応答性高分子は、ある温度を境に低温側では伸長し、高温側では収縮する性質を持つ。モデルタンパクとしてトロンビン、モデルリガンドとしてトロンビンに特異的に結合するDNAアプタマーを用い、作製したアフィニティー担体の温度によるトロンビン吸脱着能を評価した。作製したアフィニティー担体において、低温では高分子鎖の伸長によりリガンドが遮蔽され、トロンビンの吸着が抑制された。高温では高分子鎖の収縮によりリガンドが表面に露出し、トロンビンが吸着された。一方、アプタマーを導入していない担体において同様の実験を行ったところ、温度に関わらずトロンビンは吸着されなかった。また、高温でトロンビンを吸着した担体を冷却したところ、温度応答性高分子を修飾した担体ではトロンビンが脱着された。これらの結果から、本システムでは溶媒を変えることなく、温度制御のみによって目的タンパクの吸脱着を制御できる可能性が示唆された。本システムの実現によりタンパク精製における活性維持・工程簡略化に大きく貢献できると考えられる。温度応答性高分子PNIPAAmを分離担体に応用することにより、温度変化による充填剤表面の親水性・疎水性変化を利用した吸脱着制御を、温度制御のみによって、水系溶媒中での低分子薬物と血清タンパク質の分離、及び目的タンパク質のアフィニティー精製が達成された。有機溶媒を用いない環境負荷の少ない温和な条件下で分離精製を行うため、タンパク質の活性を維持したまま効率よく精製を行うことが可能になると考えられる。以上の結果は複数の学会で発表し、研究に協力した学生が学会で受賞するなど社会的な評価も高かった。抗体医薬品などの分離精製への応用も可能であり、実用化できる技術レベルに近づいていると判断できる。本研究では,申請者らが開発した刺激応答性高分子を用いた新しい概念の分離システムを基盤とし,標的選択性を有した機能性高分子の開発により,治療に必要な細胞の特性を保持したまま分離する技術,選択的細胞クロマトグラフィーシステム及びバイオ創薬のためのタンパク分離精製システムについて検討した。温度応答性高分子ポリ(N-イソプロピルアクリルアミド)(PNIPAAm)は下限臨界溶解温度(Lower Critical Solution Temperature; LCST)を境に低温側では親水性に、高温側では疎水性に変化する性質を持つ。外部温度を変化させることにより担体表面の性質を制御し、目的細胞の分離精製を行った。温和な条件下での細胞分離が可能となるため、活性維持や工程の簡略化への貢献が期待できる。このカラムを用いて細胞表面を修飾せずに分離する細胞分離システムを構築した。温度応答性高分子を修飾したビーズを充填したカラムを用いることで、温度変化による細胞の保持、溶出が可能であった。

また、修飾する温度応答性高分子中に含まれる正電荷のモノマーの含有量、高分子の修飾構造により、細胞の溶出挙動を制御し、さらには細胞種による溶出挙動の差を利用した細胞分離の可能性が得られた。温度応答性高分子を修飾した充填剤表面の性質を温度により変化させることで溶出制御を行い、さらに溶出溶媒として水系溶媒を用いることで、温和な条件での抗体精製の可能性について検討した。抗体医薬との吸着を強くするために、陰イオン性モノマーを導入した高分子修飾充填剤を用いた。抗体医薬作製時における培養系由来の主夾雑物を想定したウシ血清アルブミンと抗体医薬(セツキシマブ、リツキシマブ等)を温度制御により、有機溶媒を用いず生理的食塩濃度に近いリン酸バッファーのみで溶出するという温和な条件で分離・精製することが可能となった。温度応答性ビーズの設計と抗体医薬の吸着挙動評価:温度応答性高分子Poly(N-isopropylacrylamide)と疎水性モノマー、親水性モノマーとの共重合体を架橋して重合させたハイドロゲル表面を持つ充填剤を作製した。作製したタンパク精製カラムを抗体医薬であるセツキシマブおよびリツキシマブを用いて評価した。高温で夾雑物を除去し、低温にして抗体を回収した。抗体の凝集体評価はサイズ排除クロマトグラフィーによって行った。陰イオン性モノマー導入量を増加させる溶出が遅くなり、溶出溶媒濃度増加させると溶出が早くなったことから、充填剤表面と抗体の間で静電的相互作用が働いていることが示された。また、高温時の方が低温時と比較して静電的相互作用が強く働くことが明らかになり、温度によって充填剤表面の電荷密度を制御し、抗体の溶出挙動を制御可能であると示唆された。抗体医薬であるセツキシマブおよびリツキシマブとウシ血清アルブミンを、pH7.0の水系溶媒を用いて温度変化のみで吸着・脱離することができた。また脱離後の抗体を評価した結果、凝集体を形成せずに脱離を行えることを確認した。温度応答性シリカビーズ(粒径: 75-150μm)を固相抽出カラムに充填し、ヒト骨髄性白血病細胞(HL-60細胞)、ヒト急性T細胞性白血病細胞(Jurkat細胞)を負荷し、溶出挙動を観察した。カチオン性モノマーであるDMAPAAmを導入した高分子を修飾した充填剤では、37°Cで両細胞の保持が確認できた.一方、電荷のない高分子カラムでは、ほとんど保持されない傾向が確認でき、細胞保持は静電相互作用によるものであると示唆された。本研究で作製したカラムは温度変化により細胞の保持・溶出を制御でき、細胞溶出挙動の差による細胞分離が可能であった。細胞治療・再生医療の実用化には,治療に用いられるiPS細胞や幹細胞由来の特定細胞の効率的な分離の技術の開発が不可欠であり,現実的な治療コストの実現のためにも極めて重要である。本研究では,申請者らが開発した刺激応答性高分子を用いた新しい概念の分離システムを基盤とし,標的選択性を有した機能性高分子の開発により,治療に必要な細胞の特性を保持したまま分離する技術,選択的細胞クロマトグラフィーシステム及びバイオ創薬のためのタンパク分離精製システム創製について検討した。
生体親和性圧電材料の開発によるアクティブバイオマテリアルの創成

本研究では近年見出された圧電性K-Na-Nb-O系ぺロブスカイトに着目し,これを骨の主成分であるHApやその他バイオセラミックスと複相化することで,劇的な生体親和性向上を試みた.この結果,作製時の適切な条件設定を行うことにより,期待通りKNN/バイオセラミックス複相圧電体の創成に成功した.また熱分解性樹脂であるPLLAとの混合により,ポーラス化も達成することができた.実際に生体疑似溶液であるハンクス液への浸漬により,試料表面へのリン酸カルシウム化物の形成促進も確認され,新たな生体材料としての開発可能性が示唆された.本年度は生体親和性圧電材料の開発に向けた第一歩として,生体為害性が低いと考えられる元素から構成されているK-Na-Nb-O系圧電体,いわゆるぺロブスカイト型(K,Na)NbO3 [KNN]と,骨置換材としての利用を視野に入れ,骨主成分であるハイドロキシアパタイト(HAp)との複合体の作製可能性を検討した.この結果,KNNとHApの混合焼結により,期待通りの複合体が作製可能であることが見出されたものの,その特性は初期HAp粒径に依存して劇的に変化することが明らかとなった.粒径な週百nmオーダーの市販HApをそのまま混合した際には,焼結時にKNNと激しく反応することにより,圧電特性がKNN単体の10%以下まで低下してしまうという大きな問題が明らかとなった.そこでこの対策として,KNNとの混合前に,HApに予焼結を行い,粒径を5μm程度に粗大化させる,という前処理を検討した.この結果,約50[pC/N]という高い圧電特性を示すKNN/HAp複合体の作製に成功した.またこのKNNの生体親和性を調査すべく,粉砕したKNN粉末を浸漬した生体疑似溶液から抽出した溶液中における細胞培養実験を行い,圧電材料としてもっとも一般的に知られる材料であるPZTと比較して,期待通り高い生体親和性を示すことを確認した.さらに上述のKNN/HAp複相体の作成過程において,気孔の導入が圧電特性に影響を与える可能性が見出されたため,その組織制御法に関する検討をさらに進めた.加え,他の組織制御法として,高温圧縮の可能性について現在検討を進めている.新規生体親和性圧電材料の創製について,KNNの示す高い生体親和性について確認するとともに,既にKNN/HAp複相材の作成に成功し,その特性制御法に関する検討が進められている.今後さらに,この複相材料が示す骨誘導能について評価するとともに,他のバイオセラミックスとの複合化についても検討を進める.昨年度の成果を受け本年度は,HAp以外のバイオセラミックスと生体親和性(K0.5Na0.5)NbO3(以下KNN)圧電性セラミックスとの複合化についても検討した.具体的に,KNNとCa4P2O9 (TTCP),またCa3(PO4)2 (alpha-TCP)との複相化について,昨年度と同様の混合焼結法を用いたアプローチにより検討した.この結果,昨年度見出したバイオセラミックスの事前熱処理を施すことにより,KNNとの劇的反応を抑え,HAp複合体と同程度の圧電性を示す複合材料の創成に成功した.これら複合材料を実際に生体疑似溶液であるハンクス液中に浸漬したところ,HAp出発材ならびにTTCP出発材においては,浸漬に伴い試料表面へのリン酸カルシウム化物形成の促進が確認され,機能性生体材料の開発可能性が示唆された.しかし一方で,alpha-TCP出発材においてはそのような効果が認められず,この要因について今後さらに検討を進める必要がある.上述の成果に加えKNN/HAp複合体については,さらに他の生体内溶解性材料との複合化についても検討を進め,低温圧粉焼結によりその作製可能性を見出した.以上のように,本研究により期待通り,生体親和性を有するKNN/バイオセラミックス複相体の創成が実現された.ただし,実用化実現を目指した更なる研究推進に向けては,圧電特性をはじめとする諸特性の更なる向上が必要不可欠であり,今後引き続き検討を進める必要がある.本研究では近年見出された圧電性K-Na-Nb-O系ぺロブスカイトに着目し,これを骨の主成分であるHApやその他バイオセラミックスと複相化することで,劇的な生体親和性向上を試みた.この結果,作製時の適切な条件設定を行うことにより,期待通りKNN/バイオセラミックス複相圧電体の創成に成功した.また熱分解性樹脂であるPLLAとの混合により,ポーラス化も達成することができた.実際に生体疑似溶液であるハンクス液への浸漬により,試料表面へのリン酸カルシウム化物の形成促進も確認され,新たな生体材料としての開発可能性が示唆された.上述のように,昨年度までに作製に成功したKNN/HAp複相材について,浸漬実験により骨誘導能の有無について評価するとともに,その力学特性に関する考察も行う.またこの複合体が示す諸特性のHAp体積率依存性について検討するとともに,他のバイオセラミックスとの複合化についても検討を進めることで,生体親和性圧電材料開発のための指針を明らかにすることを目指す.結晶塑性学,機能性構造材料学計上した大型装置購入は,減額によりその購入が困難と判断し見送った.また2015年度は別予算を本研究に集中的に投資することが可能であったため,次年度を見据え別資金を選択的に使用することで,当初実験計画を滞りなく実施した.

計画書に記載の通り,試料作製,組織制御のための熱処理に必要な消耗品および浸漬実験用の生体疑似溶液の購入などを中心に使用していく予定である.加え,得られた成果を学術会議などで研究発表するとともに,積極的に最新知見を得るための海外旅費(国際会議参加費)などにも使用する予定である.
機能性薄膜の信頼性向上に関する破壊力学的研究

蒸着膜,スパッタリング膜,メッキ膜といった数μmから数百μmの膜厚を持つ機能性薄膜の付着力を,物理的に意味を持ついわゆるはく離強度として正確に測定できる方法を確立し,機能性薄膜の信頼性向上を目的として研究を進め、以下の成果を得た.1.薄幕のはく離試験を行うに当たって,薄膜の付着面に平行な力すなわちせん断力が発生しないように工夫した精密はく離試験治具を設計・製作し,薄膜のはく離試験中のはく離位置を正確に測定できるようにした.さらにはく離試験の際,薄膜に直接力を加えて引き剥がすと薄膜が破断したり,大変形を生じるので,有効なはく離強度を求めることはできない.そこで本研究では薄膜の上に適当な材質,適当な膜厚の補強膜を付けて引き剥がすことを提案し,はく離強度を評価したい薄膜に対してどのような材質どのような膜厚の補強膜を取り付けるのが適当かを明らかにした.2.補強膜を取り付けた薄膜に関して,はく離荷重と荷重点変位から薄膜のはく離中の限界エネルギー解放率算定式を導出した.3.ABS樹脂基板表面に無電解ニッケルメッキ膜を被覆した試験片を製作し,上記はく離試験にてメッキ膜のはく離試験を行った.その結果用いた補強膜に影響されない,いわゆるメッキ膜にはく離強度が合理的は限界エネルギー解放率の値として得られた.そしてこの結果から信頼性の高いメッキ条件を検討することが可能となった.4.上記提案した試験法をコンクリート表面上に塗工した樹脂塗装膜のはく離強度評価にも適用した.得られた塗装膜のはく離強度は補強膜の種類・厚さ,さらにはく離位置に関係のない一定の値となり,はく離強度が定量的に求められることが明らかになった.蒸着膜,スパッタリング膜,メッキ膜といった数μmから数百μmの膜厚を持つ機能性薄膜の付着力を,物理的に意味を持ついわゆるはく離強度として正確に測定できる方法を確立し,機能性薄膜の信頼性向上を目的として研究を進め、以下の成果を得た.1.薄幕のはく離試験を行うに当たって,薄膜の付着面に平行な力すなわちせん断力が発生しないように工夫した精密はく離試験治具を設計・製作し,薄膜のはく離試験中のはく離位置を正確に測定できるようにした.さらにはく離試験の際,薄膜に直接力を加えて引き剥がすと薄膜が破断したり,大変形を生じるので,有効なはく離強度を求めることはできない.そこで本研究では薄膜の上に適当な材質,適当な膜厚の補強膜を付けて引き剥がすことを提案し,はく離強度を評価したい薄膜に対してどのような材質どのような膜厚の補強膜を取り付けるのが適当かを明らかにした.2.補強膜を取り付けた薄膜に関して,はく離荷重と荷重点変位から薄膜のはく離中の限界エネルギー解放率算定式を導出した.3.ABS樹脂基板表面に無電解ニッケルメッキ膜を被覆した試験片を製作し,上記はく離試験にてメッキ膜のはく離試験を行った.その結果用いた補強膜に影響されない,いわゆるメッキ膜にはく離強度が合理的は限界エネルギー解放率の値として得られた.そしてこの結果から信頼性の高いメッキ条件を検討することが可能となった.4.上記提案した試験法をコンクリート表面上に塗工した樹脂塗装膜のはく離強度評価にも適用した.得られた塗装膜のはく離強度は補強膜の種類・厚さ,さらにはく離位置に関係のない一定の値となり,はく離強度が定量的に求められることが明らかになった.蒸着膜、スパッタリング膜、メッキ膜といった数μmから数百μmの膜厚を持つ機能性薄膜の付着力を、物理的に意味を持ついわゆるはく離強度として正確に測定できる方法を確立し、機能性薄膜の信頼性向上を目的として研究を進め、以下の成果を得た。[1]薄膜のはく離試験を行うに当たって、薄膜の付着面に平行な力すなわちせん断力が発生しないように工夫した精密はく離試験治具を設計・製作した。この治具を引張試験機に取り付け薄膜端部から薄膜を引張り、ピ-ルはく離させる。はく離試験中のはく離荷重および荷重点変位を連続的に精度良く、マイコンに自動的に取り込めるよう計装化した。また薄膜のはく離試験中のはく離位置を正確に測定できるようにした。[2]薄膜のはく離時の荷重Pと薄膜のはく離位置までの距離、さらに薄膜のヤング率Ea、基板のヤング率Ebをパラメータとしてはく離試験時のエネルギー解放率の算定式を誘導した。[3]はく離試験の際、薄膜に直接力を加えると、薄膜が破壊し、はく離強度を求めることができない。そこで実際のはく離試験では薄膜の上に適当な性質の厚膜を補強して実験を行う。そのため補強した厚膜のヤング率Ecおよび補強膜の厚さdをもパラメータとして考慮したエネルギー解放率算定式を誘導した。[4]製作したはく離試験装置を用いて、試みにセロハンテープのはく離強度を限界エネルギー解放率の値として求めた。得られた値は補強膜の種類・厚さ、さらにはく離位置に関係のない一定の値が得られ、はく離強度が定量的に求められることが明らかになった。

蒸着膜、スパッタリング膜、メッキ膜といった数μmから数百μmの膜厚を持つ機能性薄膜の付着力を、物理的に意味を持ついわゆるはく離強度として正確に測定できる方法を確立し、機能性薄膜の信頼性向上を目的として研究を進め、本年度は以下の成果を得た。1.はく離試験の際、薄膜に直接力を加えて引き剥がすと薄膜が破断したり、大変形を生じるので、有効なはく離強度を求めることはできない。そこで本研究では薄膜の上に適当な材質、適当な膜厚の補強膜を付けて引き剥がすことを提案している。そこで本年度ははく離強度を評価したい薄膜に対してどのような材質どのような膜厚の補強膜を取り付けるのが適当かを明らかにした。2. ABS樹脂の表面に無電解ニッケルメッキ膜を被覆した試験片を製作し、昨年度の研究において製作したはく離試験装置を用いてメッキ膜のはく離試験を行った。はく離試験に際しては本年度研究[1]で明らかにした適当な補強膜の条件に基づいて、板厚2.0mmの塩ビ板およびと0.5mmの鋼板の二種類の補強板を用いた。その結果両補強板の場合とも、メッキ膜がABS基板からうまく剥がれた。3.はく離試験中のはく離荷重および荷重点変位を連続的に測定し、昨年度誘導したエネルギー解放率算定式にこれらの測定値を代入することにより限界エネルギー解放率を算定した。得られた値は補強板の種類・厚さ、さらにはく離位置に関係のない一定の値が得られ、はく離強度が定量的に求められることが明らかになった。1.SUS304ステンレス基板上にイオンプレーティング窒化チタン薄膜を被覆するための成膜条件を検討した。その結果、チタン蒸発速度5Å/sec、窒素イオン電源2keVで膜厚1.0μmの良好な薄膜を生成することが出来た。2.上記条件でステンレス基板上に薄膜を被覆した短冊形試験片を準備し、この試験片に一昨年度研究で製作したはく離試験装置を用いて窒化チタン薄膜のはく離試験を行った。はく離試験に際しては昨年度の研究で明らかにした適当な補強板の選択条件に基づいて、0.5mmの鋼板の補強板を用いた。製作された窒化チタン薄膜は非常に良好な皮膜特性を持ち、また基板に対して非常に強いはく離特性を有しており、本実験においては、薄膜のはく離は全く生じなかった。この結果より、製作された窒化チタン膜は工業的使用においては十分信頼性のある皮膜であることが明らかになった。3.無電解Niメッキ膜、塗装膜といった機能性薄膜の信頼性向上のため、はく離強度の評価方法を検討し、適当な補強板を付けた実験と破壊力学的考察を用いることにより、合理的にははく離強度を求められることが明らかになった。
光学式高速嗅覚センサを搭載したドローンの開発：大気環境の高精度モニタリングの実現

高速かつ高感度な光学式嗅覚センサを開発し,これをドローンに搭載して,大気環境モニタリングに応用することを目指す。MEMS技術を活用し,各種ガスを検知・識別可能な光学式ガスセンサの実現を目指す。開発したセンサはドローンに搭載し,廃棄物埋立地で発生する各種温室効果ガスや悪臭のモニタリングに応用する。また,検知したガスや匂いが気流に運ばれてきた経路を推定し,ガス源や悪臭源の位置を特定する信号処理手法を開発する。
一次相転移を利用した液体水素～窒素温度領域における磁気冷凍材料の開発

物質の磁気熱量効果を用いた磁気冷凍は新たな冷凍技術として注目されている.本研究では液体水素液体窒素温度領域における新たな磁気冷凍材料の開発を行うことを目的とする.ここでわれわれは巨大磁気熱量効果を示す一次の磁気相転移物質に注目する.一次相転移物質の種々の物性をコントロールすることが本研究の学術的な課題である.われわれは組成変化,元素添加,化学両論組成からのずれ,侵入型原子の添加による材料開発に加え,新規作製プロセスや新たな磁気熱量効果の測定法の導入により低温磁気冷凍材料の効率的な開発を目指す.物質の磁気熱量効果を用いた磁気冷凍は新たな冷凍技術として注目されている.本研究では液体水素液体窒素温度領域における新たな磁気冷凍材料の開発を行うことを目的とする.ここでわれわれは巨大磁気熱量効果を示す一次の磁気相転移物質に注目する.一次相転移物質の種々の物性をコントロールすることが本研究の学術的な課題である.われわれは組成変化,元素添加,化学両論組成からのずれ,侵入型原子の添加による材料開発に加え,新規作製プロセスや新たな磁気熱量効果の測定法の導入により低温磁気冷凍材料の効率的な開発を目指す.
単一細胞のRNAおよびDNA同時抽出・解析技術の開発

本研究では,マイクロ流路内における細胞の電気穿孔法および動電現象を利導した単一細胞のRNAおよびDNAの同時抽出・解析技術を開発した.開発したマイクロ流体システムは,細胞膜の溶解を200 ms,抽出および分離を約1分程度で完了し,高品質のRNAおよびDNA分子を出力できることを示した.構築したマイクロ流体システムをcytoplasmic RNAおよびnuclear RNAの並列次世代シークエンシング解析を実施し,それらの網羅解析が可能であることを示した.また,両者の対比からそれぞれの分画で変動している発現遺伝子や,イントロンの保持型に顕著な差異があることが明らかになった.本年度は一細胞からcytoplasmic RNAおよびgenomic DNAを同時に抽出・分離するマイクロ流体システムを構築した.また,マイクロ流体システムから出力されたcytoplasmic RNAおよびgenomic DNAのそれぞれの品質についてRT-qPCR (reverse transcription quantitative polymerase chain reaction)およびqPCRを用いた解析を行った.本解析から,RNAサンプルにおけるgenomic DNAの混入量はqPCRの検出限界以下であり,抽出したRNAの純度が非常に高いことがわかった.また,house keeping geneをターゲットとしたRT-qPCR解析から,抽出したRNA分子のほとんどがPCRで増幅できる程度にはintegrityを保っており,我々の開発した方法が様々な解析に応用できる可能性を示した.我々の開発したマイクロ流体システムは,細胞膜の溶解を200 ms,抽出および分離を約1分程度で完了させることが可能であり,本高速分離抽出技術により比較的不安定なRNA分子の品質を保てているものと考えられる.H26年度に構築した一細胞RNAおよびDNA同時抽出手法を発展させ,本年度はcytoplasmic RNAおよびnuclear RNAの同時計測技術の開発,処理を並列化するマイクロ流路構造の開発,次世代シークエンシング用のパイプランプロトコルの開発に取り組んだ.まずcytoplasmic RNAおよびnuclear RNAの同時計測では,主に核内に存在するmRNAを対象とし,スプライシングバリアントおよびmRNA前駆体を網羅的に解析することを目的とした.具体的には,poly(A) tailを用いて逆転写のプライミングを行うとともに,テンプレートスイッチング法を用いた方法で全長cDNAを作成した.これと同様にcytoplasmic RNAからもcDNAライブラリを作成し,次世代シークエンシングにより解析した.これらに加えて一細胞前処理を自動化および並列化するための基盤技術構築を目指し,マイクロ流路内部に一細胞を捕獲するためのトラップ構造を導入した.このトラップ構造は細胞の捕獲に加えて電流経路の限定により,局所的に電場を集中し細胞の破砕に必要な印可電圧を従来法の1/10程度にまで低減できる.さらに,細胞質RNAの抽出時には核をトラップ構造に保持することで細胞質RNAと分離するため,従来法で不可欠であったシービングマトリックスが新しいシステムでは不要である.本年度は上記のマイクロ流路を試作し,K562細胞を利用して細胞質RNAの抽出効率および核DNAおよびRNAの検出について検討した.定量方法には抽出したRNAおよびDNAに対してhouse keeping geneであるGAPDHをターゲットとしてRT-qPCRおよびqPCRを用いた.これまでは核サンプルを核DNAを解析に用いていたが,H27年度はnuclear RNAの解析に用いることを考案し,そのアイデアが十分に機能することを確認できた.これにより,例えばmRNAのスプライシングの詳細が一細胞レベルで解析できる.この成果は当初予想していなかったものであるが,H28年度は更にこの手法の有効性を検証する解析を更に進め,新しい一細胞解析手法として提案する.また,並列化マイクロ流体チップの開発においては,考案した構造により印可電圧が低減でき,ジュール加熱を大幅に低減できたため,電圧印可装置も簡便化することができた.これに加えて細胞を導入する際の分散溶液の選択肢も広がり,例えばPBS(phosphate buffered saline)あるいはculture mediumの様に電気伝導性の高い溶液であっても利用可能になった.本研究では,マイクロ流路内における細胞の電気穿孔法および動電現象を利導した単一細胞のRNAおよびDNAの同時抽出・解析技術を開発した.開発したマイクロ流体システムは,細胞膜の溶解を200 ms,抽出および分離を約1分程度で完了し,高品質のRNAおよびDNA分子を出力できることを示した.H26年度はマイクロ流体システムの基本構造を開発し,出力されたcytoplasmic RNA (cyt RNA)およびgenomic DNAのそれぞれについてRT-qPCRおよびqPCRを用いて品質を評価した.本解析から,RNAサンプルにおけるDNAの混入量はqPCRの検出限界以下であり,抽出したRNAの純度が非常に高いことがわかった.また,RT-qPCR解析から,抽出したRNA分子のほとんどがPCRで増幅できる品質を保っており,我々の開発した方法が様々な解析に応用できる可能性を示した.H27-H28年度は構築したマイクロ流体システムをcyt RNAおよびnuclear RNA (nuc RNA)の同時計測技術へ展開し,出力サンプルを用いた次世代シーケンシングに取り組んだ.ここでは,オリゴ(dT)プライマーを用いてmRNAのpoly(A)配列から逆転写のプライミングを行うとともに,テンプレートスイッチング法を用いた方法で全長cDNAを作成した.これらのサンプルに対して次世代シークエンシング解析を実施し,一細胞のcyt RNAとnuc RNAの網羅解析が可能であることを示した.また,開発した方法はcyt RNAとnuc RNAの分画を高精度かつ高い再現性で実施可能であり,両者の対比からそれぞれの分画で変動している発現遺伝子や,イントロンの保持型に顕著な差異があることが明らかになった.

本研究では,マイクロ流路内における細胞の電気穿孔法および動電現象を利導した単一細胞のRNAおよびDNAの同時抽出・解析技術を開発した.開発したマイクロ流体システムは,細胞膜の溶解を200 ms,抽出および分離を約1分程度で完了し,高品質のRNAおよびDNA分子を出力できることを示した.構築したマイクロ流体システムをcytoplasmic RNAおよびnuclear RNAの並列次世代シークエンシング解析を実施し,それらの網羅解析が可能であることを示した.また,両者の対比からそれぞれの分画で変動している発現遺伝子や,イントロンの保持型に顕著な差異があることが明らかになった.一細胞からcytoplasmic RNAおよびgenomic DNAを同時に分離・抽出・精製するマイクロ流体システムの開発に成功し,出力されたRNAおよびDNAの品質が様々なダウンストリーム解析に対して適用可能であることがわかった.本技術はマイクロ流体工学の研究者のみならず,geneticsおよびmedicine等の分野の研究者からも注目を集めており,我々の技術を基盤とする共同研究をすでにスタートさせている.具体的にはRNA-seqおよびDNA-seq等の網羅的解析技術とのパイプラインプロトコールを開発し,臨床サンプルを用いた技術の実証試験を試験的に実施している.H28年度は次世代シークエンシング技術を用いた解析,多種の細胞を用いた解析の実施,並列化および自動化チップの生産技術に関する検討を行いたいと考えている.次世代シークエンシング技術を用いた解析では,まずK562細胞を用いて基本的な性能評価を実施する.核サンプルを用いたライブラリ作成は2種の方法を考えており,核DNAを対象とした解析と核RNAを対象とした解析であり,現在はそれぞれREPLI-g(Qiagen)およびSMARTer(Clontech)を用いたライブラリ作成を計画している.性能評価に加えてCTC(circular tumor cell)を用いた解析を国立がん研究センターと、神経細胞を用いた解析をStanford UniversityのGeneticsのグループと、また胚細胞を用いた解析をStanford UniversityのSchool of Medicineのグループと協力して進める予定である.これらの展開により実施例を多く集めたいと考えている.これに加えて並列化および自動化マイクロ流体チップを共同研究先に提供するために,その生産技術の検討を行う.現在の試作法では,生産効率が低いこと,不純物の混入の可能性があること等が課題になっており,これらを解決する新たな生産方法を学内外の研究者および技術者と協力しながら進める.
強い磁化をもつ室温強磁性酸化物半導体を用いた希土類酸化物スピントロニクスの開拓

今年度は、様々な希土類単酸化物のエピタキシャル薄膜の作製と基礎物性の評価に取り組んだ。また、薄膜作製用のパルスレーザー堆積装置等を購入し、今後の研究メンバーの増加に対応できる研究環境を整えた。ネオジミウム単酸化物のエピタキシャル薄膜を初めて作製した結果、キュリー温度が約20 Kの新しい遍歴強磁性体であることがわかった。常磁性体という約40年前の報告を書き換える結果である。また、非磁性かつスピン軌道相互作用が大きい物質として、イッテルビウム単酸化物を合成して初めて電気伝導性を調べた結果、室温における高い電子移動度を見出した。この結果をまとめた論文はAppl. Phys. Lett.誌のエディター選出論文に選ばれた。くわえて、ルテチウム単酸化物を初めて合成した結果、スピン軌道相互作用が大きい物質であることがわかり、論文発表した。さらに、ランタン単酸化物が5 Kの転移温度をもつ新超伝導体であることを発見し、J. Am. Chem. Soc.誌に論文発表した。この超伝導は、電子濃度や格子歪で転移温度が変化する興味深い性質を示した。他の希土類単酸化物薄膜の合成、キャリアドープ法や薄膜の結晶性を上げるバッファー層の開発については、現在も継続中である。極低温走査型トンネル顕微鏡を用いた実験については、直結したPLD装置で作製した薄膜をSTM/STS観察するノウハウを確立したので、今後、希土類単酸化物薄膜等のその場測定を開始する予定である。また、ヘテロエピタキシャル構造については、すでに薄膜合成の報告がある強磁性半導体ユーロピウム単酸化物を用いると、ランタン単酸化物など他の希土類単酸化物とのヘテロエピタキシャル構造を作製可能であるという予備的結果が得られており、今後、強磁性/超伝導接合や、強磁性/高スピン軌道相互作用物質、といったヘテロエピタキシャル構造を作製可能である。希土類元素の種類による多少の難易度の差はあるが、希土類単酸化物の薄膜合成技術を向上させた結果、これまで試みたすべての希土類単酸化物薄膜の作製に成功しており、今後も新しい薄膜材料を得られる見込みが十分ある。さらに、希土類元素の種類により、希土類単酸化物の物性は非常にバリエーションがある、という新しい知見を得ることができた。また、ヘテロ構造の作製も、当初の予想より容易であることがわかってきた。今後、ヘテロ構造・界面の物性を開拓することが可能である。希土類単酸化物の薄膜成長技術が蓄積されてきたため、引き続き、新たな希土類単酸化物エピタキシャル薄膜の作製と基礎物性の解明を進め、キャリアドーパントの手法開発も行う。主に、セリウム、プラセオジウム、ガドリニウムの単酸化物薄膜を作製し、電気伝導特性および磁性を評価する。また、予備的結果から新強磁性体であることがわかったネオジミウムの単酸化物の磁性の詳細も調べる。年度後半に学生が配属されるため、テルビミウム以降の後期希土類単酸化物の合成と電気伝導特性と磁性の評価を行うキャリアドーパントの手法として、酸素欠損の導入および水素の添加を試みる。また、薄膜の結晶性の向上のために、バッファー層の開発を行う。そして、これまで開発してきた単酸化物を用いてヘテロエピタキシャル構造の作製と物性評価を進める。ユーロピウム単酸化物は希土類単酸化物で唯一古くから知られている物質でエピタキシャル薄膜も作製可能な強磁性体である。このユーロピウム酸化物と新超伝導体のランタン単酸化物の強磁性/超伝導ヘテロ接合の作製を試み、強磁性が超伝導に与える効果を調べる。ランタン単酸化物はスピン軌道相互作用が大きい電極とも見なせるので、スピンホール磁気抵抗等の磁気伝導測定も行い、既存の強磁性絶縁体/金属接合の磁気伝導との比較を行う。また、ユーロピウム酸化物とネオジミウム酸化物のヘテロ接合を作製し、磁性や磁気伝導特性を調べる。酸化物薄膜をその場測定できる目処が立ったため、走査型トンネル顕微鏡を用いたトンネル分光で、薄膜の電子状態計測にも取り組む。今年度は、研究代表者の福村が研究を統括して希土類単酸化物の物質設計・ヘテロ構造設計と物性解析を行い、研究分担者の岡大地が薄膜作製とバッファー層・化学ドープ法の開発、研究協力者の岡博文が薄膜の原子分解能トンネル分光を担当する。

この超伝導は、電子濃度や格子歪で転移温度が変化する興味深い性質を示した。他の希土類単酸化物薄膜の合成、キャリアドープ法や薄膜の結晶性を上げるバッファー層の開発については、現在も継続中である。極低温走査型トンネル顕微鏡を用いた実験については、直結したPLD装置で作製した薄膜をSTM/STS観察するノウハウを確立したので、今後、希土類単酸化物薄膜等のその場測定を開始する予定である。また、ヘテロエピタキシャル構造については、すでに薄膜合成の報告がある強磁性半導体ユーロピウム単酸化物を用いると、ランタン単酸化物など他の希土類単酸化物とのヘテロエピタキシャル構造を作製可能であるという予備的結果が得られており、今後、強磁性/超伝導接合や、強磁性/高スピン軌道相互作用物質、といったヘテロエピタキシャル構造を作製可能である。希土類元素の種類による多少の難易度の差はあるが、希土類単酸化物の薄膜合成技術を向上させた結果、これまで試みたすべての希土類単酸化物薄膜の作製に成功しており、今後も新しい薄膜材料を得られる見込みが十分ある。さらに、希土類元素の種類により、希土類単酸化物の物性は非常にバリエーションがある、という新しい知見を得ることができた。また、ヘテロ構造の作製も、当初の予想より容易であることがわかってきた。今後、ヘテロ構造・界面の物性を開拓することが可能である。希土類単酸化物の薄膜成長技術が蓄積されてきたため、引き続き、新たな希土類単酸化物エピタキシャル薄膜の作製と基礎物性の解明を進め、キャリアドーパントの手法開発も行う。主に、セリウム、プラセオジウム、ガドリニウムの単酸化物薄膜を作製し、電気伝導特性および磁性を評価する。また、予備的結果から新強磁性体であることがわかったネオジミウムの単酸化物の磁性の詳細も調べる。年度後半に学生が配属されるため、テルビミウム以降の後期希土類単酸化物の合成と電気伝導特性と磁性の評価を行うキャリアドーパントの手法として、酸素欠損の導入および水素の添加を試みる。また、薄膜の結晶性の向上のために、バッファー層の開発を行う。そして、これまで開発してきた単酸化物を用いてヘテロエピタキシャル構造の作製と物性評価を進める。ユーロピウム単酸化物は希土類単酸化物で唯一古くから知られている物質でエピタキシャル薄膜も作製可能な強磁性体である。このユーロピウム酸化物と新超伝導体のランタン単酸化物の強磁性/超伝導ヘテロ接合の作製を試み、強磁性が超伝導に与える効果を調べる。ランタン単酸化物はスピン軌道相互作用が大きい電極とも見なせるので、スピンホール磁気抵抗等の磁気伝導測定も行い、既存の強磁性絶縁体/金属接合の磁気伝導との比較を行う。また、ユーロピウム酸化物とネオジミウム酸化物のヘテロ接合を作製し、磁性や磁気伝導特性を調べる。酸化物薄膜をその場測定できる目処が立ったため、走査型トンネル顕微鏡を用いたトンネル分光で、薄膜の電子状態計測にも取り組む。今年度は、研究代表者の福村が研究を統括して希土類単酸化物の物質設計・ヘテロ構造設計と物性解析を行い、研究分担者の岡大地が薄膜作製とバッファー層・化学ドープ法の開発、研究協力者の岡博文が薄膜の原子分解能トンネル分光を担当する。