hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
GaN/AlGaN微細六角錐列の作製とその電子・光物性に関する研究

GaNは量子デバイスへの応用が期待されているが、微細構造作製技術は未熟である。特に、サファイア以外の基板を用いた微細構造の研究は皆無である。ここでは集積デバイス作製技術の確立を念頭に置き、主としてシリコン基板上への微細構造列の選択成長技術の研究を行った。1.選択成長法によりサファイア基板上への六角錐、ならびにストライプ構造を作製した。マスク上の横方向成長領域には不純物が導入されるが、基板との界面に発生する転位はマスク上に曲がり貫通転位とならないことを明らかにした。2.選択成長法によってシリコン基板上へのGaNの結晶成長が可能であることを見いだした。さらに、成長初期に形成される第一原子層の制御により高品質化に成功した。3.シリコン基板上に作製した窒化物結晶のヘテロ界面近傍にはアモルファス状の層があるもののシリコンと窒化物とは格子不整を保ったままエピタキシャル成長することがわかった。4.選択成長法によるシリコン基板上への微細GaN/AlGaNヘテロ構造の作製に成功した。5.マイクロマシンニングの技術により表面加工したシリコン基板上への選択成長でC軸が傾いた窒化物結晶が得られた。6.成長窓の大きさを2-300nmとすることにより1個の成長核からの結晶成長が得られた。GaN等の窒化物半導体とその混晶は、光デバイス用の材料としてのにならず、電子デバイスや量子デバイスへの応用が期待されているが、微細構造作製技術は極めて未熟な段階にある。特に、サイズの制御性や得られる結晶の品質や電子・光物性の詳細は不明である。本研究は、MOVPE法による選択成長を用い、微細6角錐構造を作製し、その結晶学的、光学的特性を明らかにすることを目的としている。本年度は、まず、AlGaN/GaN六角錐構造の均一化と微細化のための成長条件を明らかにした。GaN六角錐をシリコン基板上に直接選択成長法によって作製するとSiO2マスクの形状とは関わりなく(1-101)ファセットで囲まれた六角錐が形成される。微細六角錐構造の形状と下地の作製条件、並びに6角錐成長条件を詳細に検討した。その結果、特に、成長初期における微細な成長核を選択基板上に均一に作りつけることが欠陥の少ない均一な6角錐構造を得るのに必要不可欠であることが分かった。さらに、サファイア基板上で従来得られていたストライプ状のマスクパターンを用いて、シリコン上への均一なGaN単結晶の作製条件を検討し、条件を最適化することによって(1-101)ファセットで囲まれた三角または台形構造を得ることに初めて成功した。得られる結晶の品質は6角錐構造と同様に緩衝層の作製条件によって大きく左右されることが分かった。得られた結晶の光学的性質を液体ヘリウム温度におけるホトルミネッセンス測定を行って評価したところ、高品質なGaNであることを示す強いバンド端発光が観測された。さらに、そのエネルギーは、バルク結晶で期待されている値と異なり、得られた結晶は格子歪みを内在していることを示唆した。GaNは量子デバイスへの応用が期待されているが、微細構造作製技術は未熟で、特に、サイズの制御性、結晶品質、電子・光物性の詳細は不明である。本研究は、MOVPE法によるサファイア並びにシリコン基板上への選択成長を用い、その電子・光物性の成長条件依存性、サイズ依存性、ならびに結晶性の詳細な評価を行って、成長機構の解明と条件の最適化を達成することを目的としている。本年度は次の成果を得た。1.サファイア基板上への選択成長により、ファセット面の安定化、特にC面の均質化には成長初期の成長核の均一形成が必須であることを明らかにした。2.透過電子顕微鏡観察により、基板との界面で発生した転位(貫通転位)は側壁のファセット面と出会うと横に逸れ、頂上のC面には到達しないことを明らかにした。3.選択成長した結晶の光学スペクトルの黄色帯発光は極めて弱く、光学的に優れていることを示唆した。また、バンド端発光のピークエネルギはシリコン基板上では長波長側にサファイア基板上では短波長側にシフトした。

これは、熱膨脹係数差による二軸性歪みが主な原因であることが分かった。4.結晶のバンド短発光には、選択成長に用いたシリコン酸化膜を起源とすると考えられる酸素の不純物ピークが観測されたものの、シリコンのピークは顕著には現れなかった。また、カソードルミネッセンススペクトル強度分布の評価により、束縛励起子に起因する特性ピークはマスク上に横方向成長した部分で顕著であり、不純物取り込みが成長モードにより異なることを明らかにした。1.シリコン基板上への初期成長条件の最適化、特に前処理と緩衝層の最適化について検討した。シリコン基板上への窒化物の形成には、成長初期に形成される第一原子層が最も重要であり、アルミニウムとシリコンとの結合を促すため、成長開始前のアルミニウムによる表面処理が有効であることが新たにわかった。2.シリコン基板上選択成長窒化物結晶の結晶性を検討するため、TEMならびにPL、CLによる結晶性の評価を行った。断面TEM像では、シリコンとのヘテロ界面付近で発生した転位が貫通転位とならず、横に曲がることによって成長表面に達しないことがわかった。高分解TEMによる格子像では、ヘテロ界面近傍にはアモルファス状の層があることがあるが、シリコンと窒化物とは格子不整を保ったままエピタキシャル成長することがわかった。3.シリコン基板上に微細GaN/AlGaNヘテロ構造をストライプ状の窒化物結晶上に作製することに成功した。しかし、三角ロッド状の結晶の上にみられるC面は必ずしも平坦にならず、アルミニウムの混入により、試料表面上の化学種の拡散長が短くなるためと予想された。4.マイクロマシンニングの技術を応用して傾斜シリコン基板上の表面を加工することによって(111)面を露出させここに選択成長を試み、C軸が傾いた窒化物結晶を得ることに成功した。5.選択成長法による窓の大きさを2-300ナノメートルとしてその様子を観察した。ほとんどの窓領域で1個の成長核から成長が起こることが見いだされ、得られた結晶はきわめて高品質であることがわかった。
単結晶PZTの作製とその強誘電特性

強誘電性ジルコン酸チタン酸鉛(Pb(Zr_<1-x>Ti_x)O_3:PZT)の単結晶を広い組成範囲で作製し,蛍光X線分析,X線回析,透過型電子顕微鏡,光学顕微鏡,誘電率の温度依存性から,組成,結晶構造,内部組織,キュリー点などを調べた.特に,初めてX<0.47の組成範囲で菱面体晶相のPZT単結晶の作製に初めて成功した.単結晶作製法にはフラックス法を用いた.作製した単結晶の組成は,仕込み組成に比べて,Zr量が少ないことがわかった.これは,単結晶作製時にまず,Tiがペロブスカイト構造のBサイトを優先的に占めるためと考えられる.また,結晶構造を同じ組成での単結晶と多結晶焼結体を比較した結果,以下のことがわかった.菱面体晶相では,単結晶の方がa軸が長かった.一方,正方晶ではc軸の長さは変わらないが,a軸の長さはやはり,単結晶の方が長かった.また,菱面体晶,正方晶両方において,キュリー点以上で常誘電相である立方晶の格子定数は共に単結晶の方が長かった.さらに,キュリー点を同じ組成での単結晶と多結晶とを比較した結果,単結晶の方がすべての組成で約40K高いことがわかった.これらの原因としては,単結晶と多結晶体セラミックスでの試料作製時の環境の違いがにより自由エネルギー曲線の違いが挙げられる.内部組織については,正方晶では分域壁は{011}という低指数面だけが観察されたのに対し,菱面体晶では{110}と{100}面が多数を占めたが,一部{112},{122}の高指数面も観察された.以上の成果の一部は,すでに発表しているが,残りについても投稿予定である.強誘電性ジルコン酸チタン酸鉛(Pb(Zr_<1-x>Ti_x)O_3:PZT)の単結晶を広い組成範囲で作製し,蛍光X線分析,X線回析,透過型電子顕微鏡,光学顕微鏡,誘電率の温度依存性から,組成,結晶構造,内部組織,キュリー点などを調べた.特に,初めてX<0.47の組成範囲で菱面体晶相のPZT単結晶の作製に初めて成功した.単結晶作製法にはフラックス法を用いた.作製した単結晶の組成は,仕込み組成に比べて,Zr量が少ないことがわかった.これは,単結晶作製時にまず,Tiがペロブスカイト構造のBサイトを優先的に占めるためと考えられる.また,結晶構造を同じ組成での単結晶と多結晶焼結体を比較した結果,以下のことがわかった.菱面体晶相では,単結晶の方がa軸が長かった.一方,正方晶ではc軸の長さは変わらないが,a軸の長さはやはり,単結晶の方が長かった.また,菱面体晶,正方晶両方において,キュリー点以上で常誘電相である立方晶の格子定数は共に単結晶の方が長かった.さらに,キュリー点を同じ組成での単結晶と多結晶とを比較した結果,単結晶の方がすべての組成で約40K高いことがわかった.これらの原因としては,単結晶と多結晶体セラミックスでの試料作製時の環境の違いがにより自由エネルギー曲線の違いが挙げられる.内部組織については,正方晶では分域壁は{011}という低指数面だけが観察されたのに対し,菱面体晶では{110}と{100}面が多数を占めたが,一部{112},{122}の高指数面も観察された.以上の成果の一部は,すでに発表しているが,残りについても投稿予定である.
ロボット特異姿勢の動力学的性質の解明とその応用

平成30年度においては,3次元マニピュレータ,平面4リンクロボットなどの多自由度ロボットに対する特異姿勢の有用性を数値シミュレーション,理論解析,実機実験によって調べ,押し動作や引っ張り動作における特異姿勢付近の動力学について解析を行った.また,平成28,29年度に実施したモバイルマニピュレータなどに対する解析結果を含めて特異姿勢の動力学的性質について考察を行った.さらに,実際のロボット設計において重要となる関節モータのギア比およびそれに応じた摩擦に着目し,関節摩擦に応じた特異姿勢の特性と利用法について調べた.3次元マニピュレータについては重量物の持ち上げ動作における特異姿勢の利用法を詳細に調べた.様々な条件における最適な持ち上げ動作を求めたところ,3次元マニピュレータでは,2リンクアームでは存在しない種類の特異姿勢についても利用する場合があることが分かった.これはリンク機構の関節(自由度)配置によって多様な特異姿勢が存在し,それぞれの特異姿勢に対して機構的拘束を活用した動作が可能であることを示唆している.さらに,関節モータのギア比を変えることで,最適な動作および活用される特異姿勢が変化することが確認された.また,ヒトの脚を模した平面4リンクロボットについては,最適な跳躍動作および押し動作を求めるとともに,実験機による検証を進めた.平成29年度に製作した試作機をもとに,平成30年度は本格的な実験機を製作しその動作を確認した.実験機の動作を再現するシミュレータを構築し最適動作を求め,押し動作における特異姿勢の性質と利用法を確認した.モバイルマニピュレータに関する解析結果等を学術誌において論文発表し,平面4リンクロボットの実験機製作や動作実験結果については,国際会議および国内会議において論文発表をおこなった.平成28年度においては,2リンクアームを搭載したモバイルマニピュレータ,3リンク平面冗長マニピュレータ,3次元ロボットマニピュレータなどの多自由度ロボットマニピュレータを対象に,重量物運搬動作における特異姿勢の有用性を数値シミュレーション,運動方程式にもとづく理論解析,実機実験によって調べた.これらの対象ロボットは,それぞれ異なる運動の自由度を持っている.従来研究では,2リンクアームの特異姿勢のみを扱ってきたが,それぞれの対象ロボットの特異姿勢を調べることで,一般の多自由度ロボットにおける特異姿勢の動力学的性質解明へとつながるものである.平成28年度の研究結果によれば,これらの多自由度ロボットにおいても,重量物運搬などのダイナミック動作に有用な特異姿勢の動力学的性質が確認された.とくに,ロボットベースが並進移動する自由度を持つモバイルマニピュレータについては,実機実験によっても特異姿勢の有用性が確認された.質量6kg程度のモバイルマニピュレータでも,特異姿勢を通過する動作によって,質量30kgの重量物を引き摺りながら移動させることができる.さらに,このとき生じる引っ張り力は,運動方程式にもとづく理論解析によって明らかとなった.また,3リンク平面冗長マニピュレータ,3次元ロボットマニピュレータに対する解析によって,多様な特異姿勢の利用方法が明らかになりつつある.2リンクアームで見られた特異姿勢の有用性はあるものの,増えた自由度を活かした運動との組み合わせによって省エネルギ動作を実現する場合が見られる.モバイルマニピュレータについての数値シミュレーションや理論解析の結果は,学術雑誌および国際会議において論文発表をおこなった.さらに,実験結果や他のロボットの結果についても,国内会議での発表を行った.多自由度化したいくつかのロボットに対して,数値シミュレーション,理論解析,実機実験が進んでおり,研究は順調に進展していると言える.とくに,モバイルマニピュレータに対しては,数値シミュレーションや理論解析に整合する実験結果が得られており,特異姿勢の動力学的性質とその利用法を確認できた.また,他のロボットに対しては,従来研究から予想される結果とともに,多自由度化に伴ういくつかの予期しない動作も数値シミュレーションによって得られている.これにより,多自由度ロボットの特異姿勢における多面的な動力学的性質の解明に向けて,貴重な知見が得られつつある.平成29年度においては,3次元マニピュレータ,平面4リンクロボット(脚型ロボット)などの多自由度ロボットに対する特異姿勢の有用性を数値シミュレーションや理論解析によって調べるとともに,対象ロボットや対象作業に応じた特異姿勢の利用法の分類について考察を進めた.対象ロボットのダイナミックな作業は,大きく引っ張り動作と押し動作に分けられる.これまでの解析によって,引っ張り動作と押し動作では,特異姿勢の利用法が大きく異なることが分かってきた.2リンクアームの特異姿勢の理論解析結果によれば,エネルギを用いた大きな引っ張り力の生成が可能であるが,押し動作ではその効果を利用できない.ただし,押し動作においては,特異姿勢から負荷に応じてずれた姿勢において関節トルクを用いた大きな力を発生可能である.このような対象ロボットや作業の分類を行うため,平成29年度は具体的対象として,3次元マニピュレータ,平面4リンクロボットを取り上げた.3次元マニピュレータについては,手先の姿勢を変更する自由度を加えることで産業用の6自由度マニピュレータに対応する.手先の重量物を鉛直方向,水平方向に動かす場合では,重力の影響により,最適な動作が大きく異なることが数値シミュレーションによって確認された.また,実ロボットでの動作確認を行うため,実験機の製作を行った.また,平面4リンクロボットについては,跳躍動作もしくは押し動作に着目し,数値シミュレーションを行うとともに,実験機の製作を進めた.非常にダイナミックな動作となるため,まず実現可能性を確認する試作機を製作し,その後,本格的な実験機の設計を行った.3次元マニピュレータについての数値シミュレーションや理論解析の結果は,国際会議および国内会議において論文発表をおこなった.さらに,平面4リンクロボットの試作機に関する結果についても国内会議での発表を行った.

いくつかの具体的な対象ロボットに対して,数値シミュレーション,理論解析,実機実験が進むとともに,対象ロボットや作業ごとの特異姿勢利用法の違いからその分類が明らかになりつつあり,研究は順調に進展していると言える.3次元マニピュレータの事例からは,重量物の移動方向の違いにより最適動作にも違いが見られ,重力という大きな負荷に応じて特異姿勢の利用法が変わることが明らかになった.また,平面4リンクロボット(脚型ロボット)の事例からは,跳躍動作や押し動作における特異姿勢の利用法が引っ張り動作の場合とは異なることについて詳細に解析を進めた.これらの知見を統合することで,多自由度ロボットの特異姿勢における多面的な動力学的性質の解明および分類が進みつつある.平成30年度においては,3次元マニピュレータ,平面4リンクロボットなどの多自由度ロボットに対する特異姿勢の有用性を数値シミュレーション,理論解析,実機実験によって調べ,押し動作や引っ張り動作における特異姿勢付近の動力学について解析を行った.また,平成28,29年度に実施したモバイルマニピュレータなどに対する解析結果を含めて特異姿勢の動力学的性質について考察を行った.さらに,実際のロボット設計において重要となる関節モータのギア比およびそれに応じた摩擦に着目し,関節摩擦に応じた特異姿勢の特性と利用法について調べた.3次元マニピュレータについては重量物の持ち上げ動作における特異姿勢の利用法を詳細に調べた.様々な条件における最適な持ち上げ動作を求めたところ,3次元マニピュレータでは,2リンクアームでは存在しない種類の特異姿勢についても利用する場合があることが分かった.これはリンク機構の関節(自由度)配置によって多様な特異姿勢が存在し,それぞれの特異姿勢に対して機構的拘束を活用した動作が可能であることを示唆している.さらに,関節モータのギア比を変えることで,最適な動作および活用される特異姿勢が変化することが確認された.また,ヒトの脚を模した平面4リンクロボットについては,最適な跳躍動作および押し動作を求めるとともに,実験機による検証を進めた.平成29年度に製作した試作機をもとに,平成30年度は本格的な実験機を製作しその動作を確認した.実験機の動作を再現するシミュレータを構築し最適動作を求め,押し動作における特異姿勢の性質と利用法を確認した.モバイルマニピュレータに関する解析結果等を学術誌において論文発表し,平面4リンクロボットの実験機製作や動作実験結果については,国際会議および国内会議において論文発表をおこなった.平成28年度に得られたいくつかのロボットでの数値シミュレーション結果にもとづき,多自由度ロボットにおける特異姿勢の多様な利用方法を整理していく.
高齢者における踵骨骨量の加齢変化と体力の関係に関する縦断研究

日常生活における歩行数を体力指標とすることによって,高齢者の骨量減少の個人差と体力との関係について縦断的な検討を行った。対象者は女性高齢者54名である。1.平成9年度に得られた成果を下記に示す。1995年に第一回目の踵骨骨量及び歩行数測定を実施し、その2年後に追跡調査を行った。踵骨骨量の測定には,超音波骨量測定装置(Lunar社製A-1000)を用い,Stiffnessの年間変化率を%△Stiffnessとして算出した。1)全対象者の%△Stiffness平均値は-1.0±2.3であり、年齢との相関はみられなかったが,初回測定時のStiffnessとの間には有意な負の相関が認められた。2)初回測定時に歩行数が少なく,2年後にさらに歩行数が低下した者では,%△Stiffnessは-2.4±2.8であった。3) 2年間高いStiffnessを維持している者では,優れた体格及び活動的な日常生活が特徴として認識された。以上の結果から,日常生活の活動量が標準レベルから逸脱している高齢者では,骨量は加齢に伴う生理的減少の範囲外で推移している可能性が示された。2.平成10年度に得られた成果を下記に示す。前年度の対象者の中から,47名の協力により,採血を実施し,骨代謝マーカーや遺伝的な要因であるビタミンDレセプター遺伝子多型について検討した。その結果,%△Stiffnessと遺伝子多型との間には明確な関係は得られなかった。これらの成果から,高齢者における骨量減少には,環境的な要素が強く関与している可能性が示された。本研究では,日常生活における歩行数を体力指標とすることによって,高齢者の骨量減少の個人差と体力との関係について縦断的な検討を行った。対象者は女性高齢者54名(60歳82歳)である。1995年に第一回目の踵骨骨量及び歩行数測定を実施し,その2年後に追跡調査を行った。踵骨骨量の測定には,超音波骨量測定装置(Lunar社製A-1000)を用い,Stiffnessの年間変化率を%△Stiffとして算出した。その結果は以下の通りである。1)全対象者の%△Stiffness平均値は-1.0±2.3であり,年齢との相関はみられなかったが,初回測定時のStiffnessとの間には有意な負の相関が認められた。3)一方,2年間高いStiffnessを維持している者では,優れた体格及び活動的な日常生活が特徴として認識された。したがって,体力低下度の相違が骨量減少の個人差に関与していると思われた。
キャビテーション気泡による局所加熱増強効果を利用した超音波がん治療法の開発

強力集束超音波によるがんの加熱凝固治療は非侵襲な治療法として注目されている。しかしながら、治療時間の長いことが問題点の1つとなっている。一方で、超音波焦点での大きな負圧によって生じるキャビテーション気泡は超音波加熱を増強する効果があることがよく知られている。本研究では、超音波によって発生、成長したキャビテーション気泡の挙動を高速度撮影により調べた。また、キャビテーション気泡のモニタリング手法の開発を目的として、気泡からの反射波の解析を行った。さらに、光学的手法による圧力場測定手法についての検討を行った。平成22年度は,高解像度CCDカメラを購入し,それを用いて圧力場を光学的に可視化するシステムを立ち上げた.これによって,超音波の波長あたりのピクセル数が大幅に増大し,圧力場を光学的に計測することが,実用的なS/Nで可能となった.その成果は,2010 IEEE International Ultrasonics Symposium, The 31st Symposium on Ultrasonic Electronics (USE 2010)において発表した.さらに,光学的に透明な生体模擬ファントムを用いてキャビテーション気泡の加熱増強効果を解析する実験システムを立ち上げた.生体模擬ファントムは,アルブミンを含んだポリアクリルアミドゲルを用いており,これによって,一定の温度以上になってアルブミンが変性し,白濁することによって可視化される.平成22年度では,この実験システムを用い,主に発生したキャビテーション気泡からの分数調波信号を検出することによって,生体模擬ゲルのキャビテーション発生の圧力閾値について調べた.パラメータは,超音波の周波数,超音波強度,ゲルの組成とした.ゲルの組成については,混入するアルブミン濃度の増加にともなってキャビテーション発生の閾値が下がることが確認された.超音波の周波数については,およそ1MHzから6MHzの範囲とし,最大負圧が-10MPaまでの範囲でキャビテーション閾値について調べた.結果として,キャビテーション閾値に関する様々な先行研究と同様に,低周波数の超音波を用いた方が,キャビテーション閾値が低くなることを確認できた.平成23年度は,保有する高速度カメラを用いたキャビテーション気泡発生の高速度撮影,発生した気泡から放出される圧力波の測定,生態模擬ファントムを用いた加熱増強効果の検証を行った.フレームレート500kfps,露光時間250nsで高速度撮影を行うことにより,最初に発生したキャビテーション気泡からの反射波と集束させた超音波が干渉し,キャビテーション気泡群が超音波伝播方向トランスデューサ側に成長する過程を可視化することができた.この結果から,超音波単独の効果によるキャビテーション気泡の発生過程と,キャビテーション気泡からの反射波が干渉する成長過程それぞれを最適化することで,キャビテーション気泡群の発生と成長を目的に合わせて最適化する超音波照射手法が存在することがわかった.また,発生したキャビテーション気泡から放出される音波を保有する超音波診断装置で測定したところ,非常に大きい高調波成分に着目することでキャビテーション気泡の発生を超音波診断装置で検出できることがわかった.さらに,大口径かつ広帯域のハイドロフォンを用いた測定では,非常に広帯域の放出音圧が観測され,ある帯域の音響エネルギーに着目したキャビテーション気泡の検出手法も有効であることが示唆された.さらに,そのように生じたキャビテーション気泡に超音波を照射することで増強された加熱効果を,熱電対で温度測定することによって検証した.その結果,通常の超音波吸収による温度上昇に加えて,キャビテーション気泡が発生した領域で超音波吸収が顕著に高められていることがわかった.ただし,キャビテーション気泡が非常に多く発生した場合は,温度上昇のピーク位置が焦点とずれるケースもあり,効率を最適化するためには,キャビテーション気泡の放出音圧のエネルギーなどを用いて,キャビテーション気泡の発生領域,発生量などを評価する必要があることが示された.
無機、非晶質材料の中距離構造とその制御に関する研究

酸化物およびフッ化物を中心とする無機非晶質を超急冷法、スパッタ法、ゾル-ゲル法により作製し、分光学的手段等よってその中距離構造を明らかにし、さらに構造と物性との関係について知見を得た。得られた具体的な成果のうち主なものを以下に項目別に記述する。1.イメ-ジ炉ー双ロ-ラ-法により作製したMnF_2ーMnO_2ーSiO_2およびMnF_2ーPbF_2ーSiO_2系のオキシフルオライドガラスにおいて、高いフッ化物イオン伝導性が見いだされた。XPS測定に基づき、ガラス中のフッ化物イオンは2種類の異なった化学状態に置かれ、その一方が高イオン伝導に寄与すると類推した。この結果は分子動力学シミレ-ョンにより再現された。2.鉄あるいはユ-ロピウムを含む酸化物ガラス、シリカゲル、非晶質合金および酸化物結晶に対してメスバウア-効果測定を行い、その結合状態を系統的に整理した。3.酸化物ガラスにおいて室温で初めてアップコンバ-ジョン蛍光を見いだした。ガラス中の格子振動をフォノンサイドバンドスペクトルから明らかにし、振動エネルギ-および電子ー格子相互作用の大きさの観点から、アップコンバ-ジョン蛍光の出現の理由を明らかにした。4.酸化物ガラスの破壊現象および高密度化の効果を実験的に調べ、特にホウ酸塩ガラスにおいて塑性変形が起こり得ることを見いだした。5.スパッタ法によりSiO_2ーAl_2O_3、AlPO_4ーAl_2O_3、TeO_2等の非晶質膜を作製し、EPMAを用いて各イオンの酸素配位数を明らかにし、その結果に基づき膜の物性の組成依存性を説明した。無機非晶質中における原子の配列はある程度の短範囲秩序を示すが、長範囲にわたる規則性はもたない。現在、超急冷法、スパッタ法、ゾルーゲル法などで新機能をもつ非晶質が作製されつつあるが、これらの非晶質の特性発現のもととなる数〓数10〓の中範囲の乱れやそのつながり方については、殆んど調べられておらず、新しく、しかも画期的な機能を備えたガラスを創製するための障害になっている。そこで本研究はこの中範囲構造を追求し、その制御法を確立することを主目的とした。本年度は、この研究の一環として中範囲秩序の異なったEuを含有するガラスを溶融法やスパッター法で作製し、その蛍光スペクトルを測定し、ガラス構造について検討し、次のような興味ある結果を得た。1.ホウ酸塩、リン酸塩、ケイ酸塩、ホウリン酸塩、テルル酸塩、ゲルマン酸塩各ガラスを作製し、含有しているEu^<3+>の蛍光スペクトルを測定したところ、一次元鎖状構造からなるリン酸塩ガラスが最も対称性の良い位置にEu^<3+>イオンを配することができることが明らかになった。またEu^<3+>の配位しているサイトのバラツキは、Eu^<3+>の配位しているサイトの対称性とほぼ比例関係にあることがわかった。2.シリカガラスにEu^<3+>を導入するためにスパッター法を用いて非晶質を作製し、その蛍光スペクトルを測定したところ、Eu^<3+>の配位しているサイトは、対称性が極めて悪いサイトであることが分かった。これは、スパッター法により作製したガラスが極めて不安定な非平衡状態にあることを示唆しており、特異な物性の発現が期待される。以上の結果をふまえて中距離秩序を大きく変えたガラスを作製し、その構造を反映した物性の関係を明らかにするとともに、特徴ある機能性ガラスを合成することを次年度の目標としたい。なお、これらの関係をコンピュータシミュレーションも並用して設計も行なう予定である。

無機非晶質の中距離構造とその制御に関する研究のうち本年度の研究成果を以下に項目別にまとめて述べる。1.フッ素をド-プしたシリカガラスの弾性異常現象を解明する目的で液体ヘリウム温度まで測定可能な立方体共振法に基づく弾性率測定装置を開発し、広い温度範囲での弾性異常に関する定量的な測定デ-タを得た。同時に50K付近での内部摩擦を測定し、その温度依存性からシリコンー酸素結合の横ずれ振動における活性化エネルギ-を算出した。その結果、フッ素のド-プに伴い活性化エネルギ-の低下が認められた。この事実と赤外およびラマンスペクトルの結果に基づき、フッ素ド-プによる異常性の増大を定性的に説明することに成功した。2.イメ-ジ炉と双ロ-ラ-を組み合せた装置により、窒素と高濃度に含有するオキシナイトライドガラスの作製に成功した。ガラスの比熱を液体窒素温度付近から400kまでの温度範囲で測定し、それを3バンド理論を用いて解析した結果、ガラス中の化学結合力が窒素の導入により高められていることが明らかになった。また、同じガラスが極めて高い弾性率を有することが見出された。3.スパッタ法で非晶質酸化物薄膜を生成する過程でのプラズマ中における気相反応を質量分析法を用いて調べた。出発物質によらず気相中には金属原子と金属の一酸化物分子が存在し、金属が酸素と反応して一酸化物を生成する過程が律速段階であると考えられた。酸化物およびフッ化物を中心とする無機非晶質を超急冷法、スパッタ法、ゾル-ゲル法により作製し、分光学的手段等によってその中距離構造を明らかにし、さらに構造と物性との関係についての知見を得た。得られた具体的な成果のうち主なものを以下に項目別に記述する。1.イメ-ジ炉ー双ロ-ラ-法により作製したMnF_2ーMnO_2ーSiO_2およびMnF_2ーPbF_2ーSiO_2系のオキシフルオライドガラスにおいて、高いフッ化物イオン伝導性が見いだされた。XPS測定に基づき、ガラス中のフッ化物イオンは2種類の異なった化学状態に置かれ、その一方が高イオン伝導に寄与すると類推した。この結果は分子動力学シミュレ-ションにより再現された。2.鉄あるいはユ-ロピウムを含む酸化物ガラス、シリカゲル、非晶質合金および酸化物結晶に対してメスバウア-効果測定を行い、その結合状態を系統的に整理した。3.酸化物ガラスにおいて室温で初めてアップコンバ-ジョン蛍光を見いだした。ガラス中の格子振動をフォノンサイドバンドスペクトルから明らかにし、振動エネルギ-および電子ー格子相互作用の大きさの観点から、アップコンバ-ジョン蛍光の出現の理由を明らかにした。4.酸化物ガラスの破壊現象および高密度化の効果を実験的に調べ、特にホウ酸塩ガラスにおいて塑性変形が起こり得ることを見いだした。5.スパッタ法によりSiO_2ーAl_2O_3、AlPO_4ーAl_2O_3、TeO_2等の非晶質膜を作製し、EPMAを用いて各イオンの酸素配位数を明らかにし、その結果に基づき膜の物性の組成依存性を説明した。
慢性腎臓病に伴う血管石灰化における腸内細菌由来のエンドトキシンの役割に関する研究

アデニン+高リン食負荷による慢性腎臓病(CKD)マウス血管石灰化モデルの確立C3H/HeNおよびC3H/HeJマウスにおいて0.2%アデニン+高リン食(Ca;1.0%, P:2.0%, Na:0.5%)負荷によりCKD血管石灰化モデルの作製を行った。10週齢のC3H/HeN (n=10)およびC3H/HeJ (n=10)マウス(雄性)に0.2%アデニン+高リン食(各系統n=5)を12週間負荷したところ、それぞれの系統の高リン食単独群(各系統n=5)に比して有意な体重減少が認められた。しかし、アデニン負荷群間およびコントロール群(高リン食単独群)間では、体重の有意な差は認められなかった。血液生化学データでは、C3H/HeNおよびC3H/HeJのいずれの系統においても、アデニン負荷によりコントロール群に比してBUN、CreおよびP値の上昇が認められた。しかし、アデニン負荷群間およびコントロール群間では、BUN、CreおよびP値に有意な差は認められなかった。一方、血清Ca値は、アデニン負荷群間で比較するとC3H/HeNマウスにおいて有意な低下が認められたが、コントロール群間では有意差はなかった。大動脈石灰化をアリザリンレッド染色により検討すると、コントロール群では、両系統とも大動脈の石灰化を認めなかった。一方、アデニン群間ではC3H/HeJマウスに比してC3H/HeNマウスにおいて大動脈石灰化の促進が観察された。C3H/HeJマウスはエンドトキシンに対する感受性が欠如していることから、腸内細菌に由来するエンドトキシンがCKDマウスにおける血管石灰化の発症に関与している可能性が示唆された。当初計画していたapoEノックアウトマウスにおいてアデニン負荷によるプラーク石灰化モデルを作製する試みが予定通りに進まなかったこと、また、文献的にしばしば報告されているDBA/2雌性マウスを用いた血管石灰化モデルの作製も成功しなかったことなどが計画より遅れている原因と考えられる。本年度にC3H/HeNおよびC3H/HeJマウスにおいてアデニン+高リン負荷による血管石灰化モデルを確立できたことから、主要なテーマである血管石灰化の発症における腸内細菌由来のエンドトキシンの役割に関する検討に焦点を絞り今後研究を進めていく予定である。(1)CKDによる血管石灰化モデルマウスの確立当初の計画では、C3H/HeN, C3H/HeJ, apoEKOマウス(8週齢)に4週間アデニン負荷を行うことにより腎不全を惹起し、その後高リン食あるいは高脂肪食に変更して血管石灰化病変の作製を試みる予定であったが、予備検討によりアデニン負荷を中断すると腎機能が改善し、血管石灰化病変が形成されないことから、アデニン負荷を可能な限り継続する必要があると判断した。そこで、apoEノックアウト(apoEKO)マウスに0.2%アデニンを含む高リン食(Ca1.0%, P 1.2%; 20% lactose)を9週間投与したところ、大動脈弓および主要な分枝に石灰化病変が確認された。現在、CKDによる血管石灰化プロトコールとして7週間の0.2%アデニン・高リン食+5週間の高リン食を用いて検討中である。(2)血管平滑筋細胞におけるLPSの石灰化促進機能の解析ヒト大動脈由来血管平滑筋細胞(HASMC)を用いてすでに確立しているin vitroでの石灰化実験系においてLPSの石灰化促進効果を検討した。HASMCを骨芽細胞分化メディウムおよびoncostatin M存在下で培養すると、培養4日目にはRunx2およびALPなどの骨芽細胞マーカーの発現が誘導され、8日目にはin vitroでの石灰化が認められた。この系にLPS (100 ng/mlまたは1000 ng/ml)を添加すると、4日目には対照群に比してLPS 1000 ng/ml添加群では有意なALPの発現増加がALP染色およびALP活性測定により認められた。さらに、8日目にはLPSがin vitroでの石灰化を容量依存的に上昇させることが確認された。今後、このLPSによる石灰化促進作用の機序について検討する予定である。CKDによる血管石灰化モデルマウスの確立が当初予定より遅れている。当初の計画では、0.2%アデニン負荷を4週間行うことにより不可逆的な腎障害が誘導できるものと想定していたが、予備検討の結果ではアデニン負荷の中断により腎機能が改善し血管石灰化病変が形成されなかったことから、プロトコールの変更を余儀なくされた。in vitroでの血管平滑筋細胞を用いた研究はほぼ計画通りに進行しており、全体としてはやや遅れていると判断した。

しかし、アデニン負荷群間およびコントロール群(高リン食単独群)間では、体重の有意な差は認められなかった。血液生化学データでは、C3H/HeNおよびC3H/HeJのいずれの系統においても、アデニン負荷によりコントロール群に比してBUN、CreおよびP値の上昇が認められた。しかし、アデニン負荷群間およびコントロール群間では、BUN、CreおよびP値に有意な差は認められなかった。一方、血清Ca値は、アデニン負荷群間で比較するとC3H/HeNマウスにおいて有意な低下が認められたが、コントロール群間では有意差はなかった。大動脈石灰化をアリザリンレッド染色により検討すると、コントロール群では、両系統とも大動脈の石灰化を認めなかった。一方、アデニン群間ではC3H/HeJマウスに比してC3H/HeNマウスにおいて大動脈石灰化の促進が観察された。C3H/HeJマウスはエンドトキシンに対する感受性が欠如していることから、腸内細菌に由来するエンドトキシンがCKDマウスにおける血管石灰化の発症に関与している可能性が示唆された。当初計画していたapoEノックアウトマウスにおいてアデニン負荷によるプラーク石灰化モデルを作製する試みが予定通りに進まなかったこと、また、文献的にしばしば報告されているDBA/2雌性マウスを用いた血管石灰化モデルの作製も成功しなかったことなどが計画より遅れている原因と考えられる。CKDによる血管石灰化モデルマウスをapoEKO、C3H/HeN、C3H/HeJの3系統において確立することを最優先する。もし、血管石灰化病変が予想通りに形成されない場合は心血管系に石灰化を起こしやすいとされるDBA/2系統の使用も検討する。in vitroの研究については今後LPSの石灰化促進作用の機序について検討を進める。本年度にC3H/HeNおよびC3H/HeJマウスにおいてアデニン+高リン負荷による血管石灰化モデルを確立できたことから、主要なテーマである血管石灰化の発症における腸内細菌由来のエンドトキシンの役割に関する検討に焦点を絞り今後研究を進めていく予定である。モデルマウスの作製が計画より遅れており、マウスおよびマウス飼料などin vivoでの研究に関連する費用が当初計画に比して少なかったため。次年度においてin vivoでの研究に今年度の残金を充当する。モデルマウスの作製が計画より遅れているため、in vivoでの解析に必要となる試薬の購入が予定より少なかったことが理由として挙げられる。今後、マウスモデルを用いたin vivoでの検討を積極的に進める。
成長発達期における口腔筋機能療法の効果に関する生理学的研究

成長発達期期において、口腔筋機能療法(MFT)による異常嚥下および口腔周囲筋の機能改善が、口腔の生理的機能に与える影響を検証することを目的として、口唇閉鎖力と舌の挙上力の改善に対するMFTの効果について検討した。口呼吸や嚥下時の舌突出などの口腔筋機能の異常が認められ、MFTを実施した小児を対象として口唇圧と舌圧を測定した。その結果、MFTの実施により比較的早期に口唇圧、舌圧の上昇が認められた。特に舌の運動制限を伴う小児において、舌小帯切除後のMFTによる著しい改善効果が得られた。平成26年度は神奈川歯科大学研究倫理審査委員会への承認申請の結果、研究遂行に関する承認が得られた(承認番号第275番)。神奈川歯科大学付属病院外来に来院した小児患者のうち、口腔周囲筋の機能に問題があり、口腔筋機能療法(以下MFT)の実施を希望した患児とその保護者に対し、本研究の目的、意義、方法、リスクやメリット、さらに研究遂行への同意とその撤回に関する意思表示の自由度などの説明を、文書ならびに口頭で行い、患児および保護者の同意が得られた小児を被験者とした。研究初年度に当たり、以下の事項についての記録を行った。1.口腔周囲筋の状態に関する検査:付属病院外来でMFT実施時に用いているチェックリストに基づいて、口腔周囲筋の状態を精査し、記録用紙に記載した。2.歯列・咬合に関する記録:被験者の顔面写真ならびに口腔内写真撮影、上下顎の印象採得、咬合採得を行い、歯列・咬合の状態に関する状態を記録した。3.口唇閉鎖力の測定:リップデカムLDC-110(株式会社パタカラ製)を用いて、MFT開始前の口唇閉鎖力を測定し、その後ほぼ1か月毎のMFT実施時に継続して測定し記録を行った。測定データは口唇閉鎖力データ解析ソフトLDCD-03(コスモ計器社製)による解析を行った。4.舌圧の測定:JMS舌圧測定器オーラライズ(株式会社ジェイ・エム・エス社製)を用いて舌の挙上時における口蓋への圧接力として、MFT開始前および、ほぼ1か月毎のMFT実施時に測定を行った。平成26年度においてはMFTの対象者となる小児の総数が少なく、咬合の発育段階における各歯齢別に分析に必要な症例数を満たしていない。したがって、咬合状態に分類ごとの解析は困難であるが、個々の症例毎に観察すると口唇閉鎖力ならびに舌圧ともにMFT開始前に比較して大幅に上昇しており、MFTの効果を客観的に裏付ける結果を示している。平成27年度は前年度に引き続き、神奈川歯科大学付属病院外来に来院した小児患者のうち、口腔周囲筋の機能に問題があり、口腔筋機能療法(以下MFT)の実施を希望した患児を被験者として、研究を継続した。MFTを実施した被験者のうち、舌の運動制限があり、舌小帯短縮症と診断された小児においては、舌小帯切除術実施前からの舌圧の変化に関する検討を行った。MFTを実施した小児で舌小帯に異常がなく、舌の運動制限のない者との比較、検討を行った。平成27年度は、前年度に引き続き以下の項目についての記録を行った。今年度は、一般医療機器として認可され平成27年9月に販売が開始された、歯科用口唇閉鎖力測定器「りっぷるくん(株式会社松風製)」による口唇圧の測定を並行して実施した。平成27年度においては、被験者のうち舌の運動制限があった小児と、口唇の閉鎖不全のあった小児とのデータの比較検討を行った。その結果、両者の間に舌圧の増加率に明らかな相違が認められた。平成27年度においては、乳歯列後期から混合歯列期を中心にMFTを実施する症例がある程度集積できた。しかしながら、被験者となった小児および保護者の時間的制約や協力度の問題により、研究への参加を同意が得られず、光トポグラフィー装置(NIRS)を用いて口唇閉鎖および舌挙上に関するMFT実施中の脳血流量の測定を行う計画を達成できない状況であった。また、筋電計による口輪筋および頬筋の活動電位測定を試みたが、装置の電極の大きさと必要な電極間距離とが被験者となった小児の口腔周囲筋の面積を超えていたため測定が困難であった。また、咬合の発育段階別の被験症例数が少ないため、機能障害を生じている部位として、口輪筋ならびに舌に分けて測定値の集積と分析を行った。

さらに、研究計画立案時に使用可能な口唇閉鎖力測定装置「リップデカムLDC-110(株式会社パタカラ製)」を用いて口唇閉鎖力の測定を行っていた。平成27年度には新たに開発され、口唇閉鎖力測定装置として現在唯一、一般医療機器として厚生労働省の認可を受けた「りっぷるくん(株式会社松風製)」による口唇閉鎖力の測定を開始した。この新規の装置を使用し、口唇閉鎖力の測定開始したことで、MFT開始前の新規対象者の集積が必要となったことも、研究進行の遅延につながっている。上記のように当初設定した研究環境の整備の遅れと被験者の保護者の協力度に対する把握の遅れが大きく影響し、研究計画の一部を変更せざるを得ない状況となった。平成28年度は前年度に引き続き、神奈川歯科大学附属病院小児歯科外来を受診した小児患者のうち、口腔周囲筋の機能に問題があり、口腔筋機能療法(以下MFT)の実施を希望した患児を被験者として、口唇閉鎖力ならびに舌圧の測定を行った。平成27年度から継続し被験者を対象として、口腔周囲筋の状態に関する検査、歯列・咬合に関する記録、口唇閉鎖力の測定、さらに舌圧の測定を実施した。口唇の閉鎖機能に関する検討には、口唇閉鎖力測定装置(リップデカム; LDC-110、株式会社パタカラ製)と歯科用口唇閉鎖力測定器(りっぷるくん;、株式会社松風製)を用いて口唇閉鎖力を測定した。また、舌の運動機能に関する検討には、舌圧測定装置(JMS舌圧測定器オーラライズ;、株式会社ジェイ・エム・エス社製)を用いて舌の挙上時における口蓋への圧接力を測定した。平成28年度においては、口腔機能改善の指標として、以下の項目についての検討を加えた。1)健常小児における口唇閉鎖力、舌圧の検討2)舌小帯施術患者におけるMFTの効果についての検討3)舌圧と口唇圧の関連性についての検討MFT実施患者において舌圧の改善と口唇圧の変化との関連性についての検討を加えた。その結果、MFT実施患者において、全ての症例で舌圧および口唇圧ともに術後の値は術前(MFT開始時)と比較して高い値を示した。また、舌小帯伸展量を測定することが困難な症例においても術後の舌圧の上昇がみられたことから、舌の動作性が改善されたと考えられた。さらに、口唇に対するMFTを行わなかったにもかかわらず、術後の口唇圧は上昇していたが、舌小帯切除術とMFTによって低位舌が改善し、口唇閉鎖機能も改善されたものと考えられた。MFT時に舌圧・口唇圧を測定することは、数値に表れるため患児のモチベーション維持に有効であると考えられた。成長発達期期において、口腔筋機能療法(MFT)による異常嚥下および口腔周囲筋の機能改善が、口腔の生理的機能に与える影響を検証することを目的として、口唇閉鎖力と舌の挙上力の改善に対するMFTの効果について検討した。口呼吸や嚥下時の舌突出などの口腔筋機能の異常が認められ、MFTを実施した小児を対象として口唇圧と舌圧を測定した。その結果、MFTの実施により比較的早期に口唇圧、舌圧の上昇が認められた。特に舌の運動制限を伴う小児において、舌小帯切除後のMFTによる著しい改善効果が得られた。平成26年度においては、混合歯列期前期から咬合の発育段階別に口腔筋機能療法の対象となる小児患者に対し、口唇閉鎖力および舌圧の測定を行い、筋電図による口腔周囲筋の活動電位を測定する計画であった。しかしながら、想定していた症例の集積が達成できていないこと、さらに筋電図の設置時期が遅れ、MFTの開始前に筋の活動電位の測定が困難な状況となった。これは購入した筋電計は海外メーカーの製品であり、納入業者選定の際に複数の業者からの見積書の提出を依頼したこと、業者決定後に海外からの取り寄せに期間を要したことなどによる。
液晶性超分子の開発とキラル自己組織構造制御

生体は、様々な分子間相互作用を協調して働かせることにより、精緻な秩序構造を自己組織的に構築し、優れた機能を発現している。本研究の主題は、液晶化という手法を用いて、生体分子である葉酸やアミノ酸を3次元的に超分子組織化し、さらに形成した自己組織構造を、外部刺激や環境によって自在に制御することにある。昨年度は葉酸のプテリン環が形成するディスク状4量体のカチオン選択的イオン認識能に着目し、一定の閾値を超えるイオン濃度に応答して、開閉を可逆的に行う動的ナトリウムイオンチャンネルの開発を試みた。また、スイスジュネーブ大学との共同研究において、葉酸誘導体のカラム状集合体が、カチオン選択的なイオンチャンネルとして機能することを初めて実証した。本年度は、液晶性葉酸誘導体を用いたキラル分子認識システムの構築を目指し、まず葉酸のカラム状集合体におけるキラル伝達のメカニズムについてより詳細な検討を行った。その結果、本研究で開発した葉酸誘導体は、イオンと水素結合という2つの分子間相互作用が協調して初めて超分子らせん構造を誘起する、新しいタイプのキラルカラムナー液晶であることがわかった。さらに、これまでの知見を利用して、新規光・電子機能性超分子液晶の開発を行った。芳香族化合物であるピレンに扇形オリゴペプチドを導入することにより、キラルカラムナー液晶および自己組織性ファイバーを構築した。特に後者において、ゾルゲル転移により、通常とは逆方向の色調変化を伴う可逆的な発光色制御を達成した。通常ピレンのエキシマー発光は分子会合を示す指標とされるが、本研究のピレン誘導体は、隣接ペプチド部位の水素結合ネットワークに強く束縛されたピレン環が部分的にしか重なり合うことができず、ゲル状態においてエキシマー発光が抑制され、モノマー発光を生じる。さらにこの会合モードはゲル状態に特有のものであることを示した。特に、葉酸のプテリン環が形成するディスク状4量体のカチオン選択的イオン認識能に着目し、一定の閾値を超えるイオン濃度に応答して、開閉を可逆的に行う動的ナトリウムイオンチャンネルの開発を試みた。本年度の成果として、まずオリゴペプチドや葉酸の液晶化を行い、一次元カラム構造に超分子組織化することに成功した。ここでアミノ酸や葉酸の液晶化において、分子の形・分子間相互作用およびナノ相分離を適切に制御することで安定な超分子液晶を構築できることを見出した。扇形の液晶性葉酸分子は多重の分子間水素結合を介してディスク状4量体を形成する。この4量体が積層して形成されたカラム状集合体は、内部の空孔にイオンを選択的に取り込み、超分子キラリティーの発現や、キュービック相の発現を行うことを示した。続いて、この液晶性葉酸誘導体と脂質二分子膜との複合化を行った。水溶液中、濃度勾配をかけてイオン輸送能を調べた結果、葉酸のカラム状集合体がカチオン選択的なイオンチャンネルとして機能することを初めて実証した。なお、この実験はスイスジュネーブ大学のマティル研究室との共同研究である。
光学シースルー頭部搭載型ディスプレイと視覚適応画像処理による視覚拡張技術の確立

光学シースルーHMD(OST-HMD)を用いて人間の視覚機能を制御・強化する、視覚拡張(Vison Augmentation)技術の実現に向けて、今年度は下記の進捗があった。【視覚特性の推定】について、装着型HMDでの使用を視野に入れた、眼球の焦点距離すなわち注視点の奥行きを推定する手法を検討した。光点から出た光が眼球内部で反射する第4次Purkinje反射、その位置が焦点距離と相関することを用いた推定手法を提案し、装着型視線追跡カメラを用いたシステムを実装した。その結果1545cmの視点距離において、約3.15cmの平均誤差での焦点距離推定が行えた。本システムの利点は、既存の大型の計測機器と異なり、個々人を継続的に計測できることにある。【視覚特性適応画像処理】について、人の輝度調節機能を補助する視覚拡張手法を提案した。OST-HMDと遮蔽LCDパネルを組み合わせたシステムを構築した。一人称カメラで計測した視野画像から、ユーザーの視野において露出過多・不足の領域を推定し、眼に入る光量を本システムによって低減・増幅する。実験では露出過多・不足領域が25%・50%低減し、視点における画像のダイナミックレンジを制御できることを示した。【超高精度空間校正手法】について、各種HMDにて実行可能な赤外眼球画像向け3D視線追跡プログラムを実装し一般公開した。本プログラムは単眼の眼球近接赤外カメラで実行可能であり、本研究課題において汎用的に利用可能なソフトウェア資源となる。なお本研究課題は平成29年度より17H04692若手研究(A)へと昇華・統合し、視覚拡張技術の発展へ向けて研究を継続する。翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。
カドミウム毒性における鉄代謝異常の関与とその分子機構解明

カドミウムが妊娠マウスの十二指腸で鉄輸送関連遺伝子であるDMT1、FPN1、DCYTBの発現を抑制することで鉄の吸収を阻害し、その結果鉄欠乏状態となって胎仔の発育が阻害されること、非妊娠成熟マウスにおいてもカドミウムが十二指腸中のDMT1、FPN1、DCYTB、HEPH、HCP1の遺伝子発現を抑制し、腸管からの鉄吸収に影響を与えること、並びに培養小腸上皮細胞においてもカドミウムが鉄輸送関連遺伝子(DMT1、FPN1、DCYTB、HEPH)の発現を抑制することを見いだした。妊娠マウスにおける鉄の体内動態および消化管での鉄輸送関連遺伝子の発現変動に及ぼすカドミウム妊娠期曝露の影響を検討した。C57BL/6J妊娠マウスに、10mg/kgのカドミウムを妊娠1日目から18日目まで1日1回強制経口投与し、妊娠19日目にエーテル麻酔下で心採血した後、母体の肝臓、腎臓、十二指腸、胎盤および胎仔を摘出した。胎仔については、体重および身長を測定した後、さらに肝臓を摘出した。それらの組織中鉄濃度を測定した結果、母体肝臓および母体腎臓ではカドミウム曝露による鉄濃度の有意な変化は認められなかったものの、母体血清、母体十二指腸、胎盤および胎仔肝臓中の鉄濃度はカドミウムの妊娠期曝露によって有意に減少した。食物から摂取する鉄は、主に十二指腸から吸収されることから、次に、カドミウム妊娠期曝露における母体十二指腸の鉄輸送関連遺伝子の変動について検討した。その結果、カドミウム曝露群ではferroportin 1およびduodenal cytochrome b (Dcytb) mRNA量の顕著な減少が認められ、divalent metal transporter 1 (DMT1) mRNA量もカドミウム曝露によってコントロールの約50%まで減少した。一方、hephaestinのmRNA量は、カドミウム曝露による影響を受けなかった。また、カドミウム妊娠期曝露によって胎仔の体重および身長の有意な減少が認められ、カドミウムによるマウス胎仔の発育阻害が観察された。以上の結果より、カドミウムは、妊娠期のマウスの十二指腸において、ferroportin 1、DcytbおよびDMT1のmRNAの発現を抑制することを通じて鉄の吸収を阻害し、母体並びに胎仔の鉄欠乏を引き起こす結果、胎仔の発育阻害に影響を及ぼす可能性が示唆された。成熟マウスの十二指腸における鉄輸送関連遺伝子の発現に及ぼすカドミウム単回経口投与の影響について検討した。8週齢のC57BL/6Jマウスにカドミウム50mg/kgを単回経口投与して、3時間後に十二指腸を摘出し、鉄輸送に関わるdivalent metaltransporter 1 (DMT1)、duodenal cytochrome b (Dcytb)、ferroportin 1 (FPN1)およびhephaestin (Hp)の各mRNA量をリアルタイムRT-PCR法で測定した。その結果、カドミウムを投与したマウスの十二指腸におけるDMT1、Dcytb、FPN1およびHpのmRNA量は、いずれもコントロール群に比べて有意に低下した。また、カドミウム投与24時間後の血清中鉄濃度はコントロール群と比較して有意な減少が認められた。以上の結果より、成熟マウスにおいて十二指腸中の鉄輸送関連遺伝子の発現がカドミウムの経口曝露によって速やかに抑制されることが明らかとなった。したがって、カドミウムの経口曝露は十二指腸で鉄輸送関連遺伝子の発現を抑制することを通じて、消化管からの鉄吸収を阻害する可能性が示唆された。次に、ヒト小腸上皮細胞モデルであるCaco-2細胞を用いて、鉄輸送関連遺伝子の発現に及ぼすカドミウムの影響をin vitroの系で検討したところ、Caco-2細胞においても、カドミウムがDMT1、Dcytb、FPN1およびHp mRNAの発現を抑制することが示された。昨年度までの検討により、成熟マウスの十二指腸およびヒト小腸上皮細胞モデルであるCaco-2細胞において、非ヘム鉄輸送関連遺伝子の発現がカドミウム曝露によって速やかに抑制されることを明らかにした。本年度は、成熟マウスの十二指腸およびヒト小腸上皮細胞モデルであるCaco-2細胞における非ヘム鉄輸送関連遺伝子のタンパク質発現に及ぼすカドミウム単回経口投与の影響について検討した。8週齢のC57BL/6Jマウスにカドミウム50mg/kgを単回経口投与して、3時間後に十二指腸を摘出し、非ヘム鉄輸送に関わるdivalent metaltransporter 1(DMT1)およびferroportin1(FPN1)の各タンパク質量をウエスタンブロット法で測定した。その結果、カドミウムを投与したマウスの十二指腸におけるDMT1およびFPN1のタンパク質量は、いずれもコントロール群に比べて有意に低下した。

また、Caco-2細胞においても、カドミウムがDMT1およびFPN1タンパク質の発現を抑制することが示された。次に、成熟マウスの十二指腸におけるヘムの輸送体であるheme carrier protein 1(HCP1)の遺伝子発現に及ぼすカドミウム単回経口投与の影響について検討したところ、HCP1 mRNA量も非ヘム鉄輸送関連遺伝子と同様にカドミウム投与3時間後にコントロール群と比較して顕著に減少した。以上の結果より、カドミウムの経口曝露は十二指腸で非ヘム鉄およびヘムの輸送関連遺伝子の発現を抑制することを通じて、消化管からの鉄吸収を阻害する可能性が示唆された。