hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
慢性炎症病態への小胞体ストレス経路の時空間的関与機構の解析

細胞内ストレスセンサー系である小胞体ストレス応答経路が、転写因子CHOPの誘導を介して、これまで我々が明らかにした急性冠症候群の発症だけでなく、その後の心臓の虚血再灌流障害に関与しており、とくに活性酸素の誘導が小胞体ストレス経路の誘導に重要である事を明らかにした。また、膝関節症における軟骨組織障害にも小胞体ストレスーCHOP経路が関与している事を明らかにした。次に、ゴルジ体ー細胞膜における脂質異常が小胞体など他の細胞内小器官に影響を与える機序をSMS1ノックアウトマウスをモデルに解析するとともに、欠損によりミトコンドリアストレスを誘導する可能性のある新規タンパク質の構造機能解析を行った。ほ乳類をはじめ多細胞生物は、個々の細胞において内外からのストレッサーに対応しきれない場合には、細胞が機能障害におちいり、その結果、細胞内容物を放出する細胞死をおこし、周囲の細胞に致死的な悪影響をもたらす事を防止するため、プログラムされた細胞死機構であるアポトーシス機構を備えている。小胞体ストレス機構も細胞内ストレスセンサーとして働き、過剰なストレスを受けた場合には、アポトーシス経路を活性化するが、その際、そのシグナルはミトコンドリアに伝達され、アポトーシス実行分子群の活性化につながる。一方、近年、直接的なミトコンドリアの機能障害に対する応答経路であるミトコンドリアストレス応答が注目されているが、この経路においても過剰なストレッサーに対してはアポトーシスが誘導される。ところが、このミトコンドリアストレスにおいて、小胞体ストレス誘導性アポトーシスにおいて重要な働きをする転写因子CHOPの関与が報告されている。この他にも小胞体とミトコンドリアの膜に共通して、アポトーシス調節に重要なBcl2ファミリー分子が存在する。このように小胞体とミトコンドリアはストレス応答において密接な関係をもつが、その機構には不明な点が多い。本年度我々は、小胞体ーゴルジ系の膜のスフィンゴミエリン脂質異常を示すマウス(SMS1ノックアウトマウス)をモデルに、ミトコンドリア機能への影響の伝達機構、小胞体ストレス関連因子の動態について検討した。その結果、ミトコンドリア内膜の電子伝達系の異常がATP産生を障害するとともに、活性酸素産生を亢進させている事が明らかとなったが、ミトコンドリアへの影響がどのように伝わるのかは、現在、検討中である。また、直接ミトコンドリアに薬剤による機能異常をおこしたミトコンドリアストレスの場合、小胞体ストレス応答経路がどのように誘導されるかの検討を行っている。これまでの研究から小胞体ーゴルジ体において合成され、細胞膜に輸送されるスフィンゴミエリンの合成酵素を欠損させ、小胞体ーゴルジ系におけるスフィンゴミエリンを減少させ、セラミドを増加させた条件にすると、その影響はミトコンドリアにおよび、ATP産生量の減少、活性酸素産生の増加がおこることを既に明らかにしている。ただ、今のところ、これが細胞外に添加した場合、ミトコンドリアに障害を与えアポトーシス誘導をもたらすセラミドが細胞内小器官間の膜の移動を介してミトコンドリア膜に影響を与えたためなのか、小胞体膜成分の変化により誘導された一種の小胞体ストレス応答の影響がミトコンドリアに及んだためなのかは明らかではないため、各細胞内小器官のストレス応答について検討を進めている。また、高脂肪食負荷による肝臓における小胞体ーゴルジ体ーミトコンドリア間のストレス応答連関について脂質代謝への影響の観点から解析を進めた。肝細胞ならびに脂肪細胞に中性脂肪が蓄積した条件を検討したところ、脂肪酸取り込みに関与する分子の発現が誘導されるとともに、ミトコンドリア増殖に関与するとされる遺伝子の誘導も明らかであった。しかし、個体レベルの酸素消費量は低下し、ミトコンドリアの呼吸機能は低下しているものと判断された。また、ミトコンドリアに由来すると推定される活性酸素の産生が増加し細胞障害に働くと思われたが、その過程には酸化ストレスを介した小胞体ストレス応答の関与が示唆されたため、なお解析中である。小胞体ーゴルジ体の機能に関連して、これらオルガネラが産生の場となる脂質類への影響を解析しているが、未だ結論を出すには至っていない。とくにミトコンドリア機能への影響が報告されているセラミド関連分子の変動と、その際のミトコンドリアへの影響について検討中である。小胞体ストレス応答は、元来は小胞体機能障害に対する細胞の保護機構であり、小胞体機能の改善維持に働く。しかし、分泌タンパク質や膜タンパク質の複雑な合成・成熟過程の場である小胞体は、細胞内外からの種々のストレスにより様々な影響を受け、それに反応するため、その影響はストレスの種類、強度、持続期間により様々である。本研究では、広義の慢性炎症を背景とする病態における小胞体ストレス応答の影響について解析を行っている。

平成23年度においては、心筋の虚血再還流障害モデルというヒトにおいて頻度が高いにも関わらず、新たな治療法の開発が待たれている病態について動物モデルを用いて、小胞体ストレス経路の関与を中心に新たな視点からの病態解析を行った。心筋の虚血再還流モデルは、左冠状動脈を50分間血流を止めた後、血流を再開することにより作成した。その後、再還流障害が認められた心筋領域では、小胞体ストレス誘導性転写因子CHOPをはじめとする小胞体ストレス関連分子の誘導が認められた。また、この領域にはTNFa、IL1、IL6などの炎症性サイトカインの誘導も認められた。ところが、CHOPノックアウトマウスでは、炎症性サイトカイン誘導の抑制ならびに再還流障害領域の縮小が認められた。このことから、再還流障害領域においては、小胞体ストレス-CHOP経路の誘導が、慢性炎症さらには心筋細胞死の誘導に重要な働きをしていると考えられた。さらに、小胞体ストレス経路がどのような機構で誘導されているかを明らかにするため、フリーラジカル消去剤であるエダラボンを血流途絶の前に投与し、その効果を検証した。その結果、投与したエダラボンの容量依存的にCHOPの誘導は抑制され、小胞体ストレスーCHOP経路の誘導に再還流による活性酸素の産生が関与していると考えられた。CHOPは心筋梗塞病態の治療標的となる可能性があると考えられる。本研究宇代表者はこれまで小胞体ストレス経路を中心に、細胞が細胞内外のストレッサー刺激に対してどのように応答し、細胞内ホメオスタシスをどのように維持しているか、また、細胞機能が維持不可能な場合には、周囲の細胞への悪影響を防止するために、アポトーシスにより自らをどのように処理しているかについて研究を行って来た。その中で、様々な細胞内外からのストレッサー刺激下において、小胞体、ゴルジ体、ミトコンドリア、核という細胞内小器官の相互作用により、ストレス応答が行われる事を明らかにしてきた。また、最近、小胞体ストレス応答だけでなく、ゴルジ体ストレス応答や、ミトコンドリアストレス応答が注目を集めている。そこで、本年度の研究では、ミトコンドリア機能異常が引き金を引いたストレス応答において、小胞体ストレス経路がどのような役割を果たすのかを明らかにするために、まずミトコンドリアに局在し、ミトコンドリア機能の維持に関与する可能性のあるタンパク質に注目し、その構造機能解析を行った。steroid receptor RNAactivator (SRA)は、ミトコンドリアにおいて転写後のタンパク質合成の過程に関与し、ある種のミトコンドリア病に関与するとされている。このSRAの下流に位置し、ミトコンドリアタンパク質である可能性が高いとされるタンパク質群が他の研究者により報告されているが、そのうち、研究代表者らは、解析が進んでいなかったTransmembrane protein 65(TMEM65)に注目し、解析を行った。TMEN65は、培養ほ乳類細胞においてノックダウンを行ったところ、細胞の酸素消費速度および解糖系に影響を与えた。また、TMEM65が、ミトコンドリアの内膜タンパク質である事を証明した。さらに、TMEM65欠損の各細胞内小器官への影響について解析する予定である。
自由表面を有する移動境界問題の実用的な数値計算手法の開発

砕波変形過程の画像解析を行うにあたり、まず従来の画像解析によって得られた流速場が、質量保存則をどの程度満足しているかについて空間的に調べ、流体内部に比較して底面境界や自由表面付近において質量保存則が満足されにくいという問題点を明らかにした。また、画像解析の精度向上のため、最小限の補正で質量保存則を満たすように、マスコンモデルを画像解析結果に適用するハイブリッドな補正方法を提案し、その有効性と解析精度について検証した。砕波変形過程の数値解析にあたり、複雑な自由表面形状や海底形状に対応した解析を行うために、境界適合座標系と数値格子生成法を組み合わせたBFC法を開発した。一様斜面上での巻き波砕波の計算を行った。計算より、波形の切り立ちから巻き込みが形成されるまでの変形過程を再現し、レーザー流速形や画像解析との比較より流速の計算精度を定量的に確認した。砕波変形過程の3次元数値シミュレーションが可能な高精度数値造波水槽の確立を目指し、汎用性に優れたVOF法を採用し、その弱点である自由表面の認識精度や質量保存性の精度向上させる方法を提案した。VOF法の弱点である自由表面の認識精度や質量保存性を向上させる方法を提案するために、1次元の線形移流方程式を対象に、数種類のスキームについてその数値拡散などを比較した。その結果より、CIP法にDigitizerを組合せ、さらにTangent変換の際の係数を0.85とすることで、より数値拡散を押さえ、不連続面をシャープに取扱えることを示した。さらに、通過境界での自由透過処理について検討を加え、造波水槽内での波変形問題への本計算手法の適用性を検証した。VOF法では自由表面形状を移流方程式により決定するため、移流方程式の解法にあたっては数値拡散をより押さえた計算スキームを選択する必要があることも指摘した。次に、VOF法の弱点である自由表面の認識精度や質量保存性を向上させる方法を提案するために、1次元の線形移流方程式を対象に、数種類のスキームについてその数値拡散などを比較した。その結果より、CIP法にDigitizerを組合わせ、さらにTangent変換の際の係数を0.85とすることで、より数値拡散を押さえ、不連続面をシャープに取扱えることを示した。さらに、自由表面問題への適用にあたっての2次元の数値解析手法や離散化手法の詳細を述べるとともに、適用計算例として、矩形容器内のスロッシング現象とダム崩壊現象を対象に解析を行い、解析手法の自由表面認識精度と質量保存性について確認した。最後に、通過境界での自由透過処理手法の検討を行い、造波水槽内での波変形問題への本計算手法の適用性を検証した。その結果、Sommerfeldの放射条件が自由透過境界条件として有効であることや、高精度数値造波水槽の作成にあたっては、入射境界における反射波と通過境界での自由透過波の処理手法の確立が急務であることを指摘した。自由表面での境界条件の簡便性を考慮し、変数配置にはレギュラー格子を採用し、一様斜面上での巻き波砕波の計算を行った。しかしながら、変形が進行するにしたがって、圧力振動が顕著になることを示し、この原因が変数配置や計算格子の歪の増大などにあることを指摘した。そこで、レギュラー格子で問題となる圧力振動を押さえ、計算の安定化をはかるために、スタガード格子を用いた離散化手法や自由表面条件に表面張力を考慮する手法などを提案した。

矩形容器内でのスロッシング現象などの適用計算の結果、圧力振動は生じず、水面変動の計算結果は解析解と比較しても定量的に十分な精度を有するとともに、質量保存性にも優れていることを確認した。さらに、一様斜面上での巻き波砕波の解析を行い、波峰下の水平方向流速の経時変化より、自由表面近傍の内部流速が波速を超えて砕波が生じ、巻き込みが形成されることを数値的に明らかにした。しかしながら、巻き込みが発達してくると、波面前面での計算格子の歪が顕著となり、座標変換が困難となり計算が発散することを示し、本計算手法の適用範囲は巻き込みの初期形成段階までであることを明らかにした。
海洋細菌由来多糖の美白・美肌機能と免疫賦活化能

海洋性のPseudomonas sp. WAK-1株の静置培養により生産される菌体外多糖は、D-グルクロン酸とN-アセチル-D-ガラクトサミンがβ-1,3とβ-1,結合で交互に連結したコンドロイチン骨格を主鎖とするグリコサミノグリカンであり、N-アセチル-D-ガラクトサミンに側鎖としてピルビン酸が結合したN-アセチル-L-ガラクトサミンがα-1,4結合している。本多糖にはメラニン生成の抑制と免疫賦活作用があることが見出されている。本研究では、本多糖のマウスB-16細胞でのメラニン合成に関与する遺伝子の発現に及ぼす影響とマウスマクロファージ培養細胞(J774,1)や脾臓細胞での各種サイトカインの誘導能さらに大量調整法の開発に関して検討した。その結果、RT-PCR法を用いた遺伝子現実験では、本多糖(100μg/ml)と高濃度ピルビン酸(2.2mg/ml)はメラニン合成経路の後期に必要なチロシナーゼ関連タンパク1と2の発現を阻害しなかったが、初発酵素であるチロシナーゼの発現を阻害することが明らかになった。したがって、本多糖の基本骨格に付加したピルビン酸がメラニン合成阻害に重要であることが示唆された。また、J774.1細胞では本多糖はIL-12の産生を増強し、本多糖はC57BL/6マウスの脾臓細胞ではIL-12の産生を増強しなかったが、インタフェロン(IFN)-γの産生増強が本多糖に認められたことから、ヘルパーT細胞1型からのIFN-γ産生による細胞性免疫の増強によるアレルギー反応の抑制という免疫機能性が本多糖に確認された。さらに、試作した中空糸を用いた限外ろ過膜装置(分子量5万以下をカット)に菌体外多糖液を通した後、凍結乾燥することにより、効率的かっ短時間で十分純度の高い精製多糖を調製できた。したがって、本多糖のメラニン合成阻害機構と免疫賦活化能の科学的証拠が得られ、大量調製法も開発できたことから、今後本多糖の美白剤や健康食品への展開が期待される。海洋性のPseudomonas sp. WAK-1株の生産する菌体外多糖の分子量は約100万で、D-グルクロン酸とN-アセチル-D-ガラクトサミンがβ-1,3とβ-1,4結合で交互に連結したコンドロイチン骨格を主鎖とするグリコサミノグリカンであり、N-アセチル-D-ガラクトサミンの6位炭素にピルビン酸が結合したN-アセチル-L-ガラクトサミンが側鎖として結合している。本多糖にはメラニン生成の抑制と免疫賦活作用があることが見出されているが、本年度は、この多糖のメラニン生成抑制の作用機構についてマウスB-16細胞を用いて検討した。B-16細胞に本多糖を150μg/ml添加した場合5μg/mlでメラニン生成抑制効果が見えはじめ、それ以上の添加によって明らかにメラニン生成を抑制していることが認められた。50μg/mlの添加によりメラニン生成は完全に抑制され、同程度の効果に必要なβ・アルブチン(10μg/ml)に匹敵する効果を示した。一方、本多糖は100μg/mlの濃度でもB-16細胞の増殖抑制効果は認められなかった。これに対して、β-アルブチンは20μg/mlの濃度で増殖が50%抑制された。

本多糖を加水分解、脱ピルビン酸、硫酸化あるいはアセチル化するとメラニン生成の抑制作用はなくなった。チロシンを基質とした場合、マッシュルームチロシナーゼに対してβ-アルブチン(100μg/ml)は活性を23%阻害したが、本多糖やヒアルロン酸(100μg/ml)は活性を阻害しなかった。本多糖は高分子量で細胞内に入るとは考えにくい。本多糖と類似した多糖のヒアルロン酸にはメラニン生成の抑制作用は認められないので付加しているピルビン酸が重要である。そこで、ピルビン酸のメラニン生成の抑制を検討した結果、ピルビン酸は高濃度(2.2mg/ml)でB-16細胞のメラニン生成の抑制作用が見られた。ピルビン酸にはメラニン合成経路のチロシナーゼ及びその関連タンパク1と2の発現を阻害することが特許報告されている。したがって、今後、本多糖のこれら3種類のタンパク質の遺伝子質発現に及ぼす影響をB-16細胞でRT-PCR法を用いて検討していく予定である。海洋性のPseudomonas sp.WAK-1株の生産する菌体外多糖は、D-グルクロン酸とN-アセチル-D-ガラクトサミンがβ-1,3とβ-1,4結合で交互に連結したコンドロイチン骨格を主鎖とするグリコサミノグリカンであり、N-アセチル-D-ガラクトサミンに側鎖としてピルビン酸が結合したN-アセチル-L-ガラクトサミンがα-1,4結合している。本多糖にはメラニン生成の抑制と免疫賦活作用があることが見出されている。本年度は、この多糖の高速液体クロマトグラフィー(HPLC)によるゲルろ過分析とトリフロオ酢酸による部分分解後の糖鎖分析、メラニン生成抑制の作用機構についてマウスB-16細胞で、メラニン合成経路のチロシナーゼ及びその関連タンパク1と2の遺伝子質発現に及ぼす影響、マウスマクロファージ様細胞J774.1株とBALB/Cマウスの脾臓細胞に対する各種サイトカインの誘導能について検討した。その結果、本多糖の分子量は約200万であり、部分分解物をアミノ安息香酸エチルエステル標識後、逆相カラムで分析したところ、コンドロシンとD-ガラクトサミンが同時に検出可能なシステムを開発できた。RT-PCR法を用いた発現実験では、チロシナーゼ関連タンパク1と2の発現は阻害されていなかったが、チロシナーゼについては未確定で、プライマー設計の再検討が必要であった。本多糖でJ774.1細胞を刺激すると、インターロイキン(IL)-12、IL-6、腫瘍壊死因子(TNF)-αの誘導が濃度依存的に認められたが、IL-10の誘導はなかった。マウスの脾臓細胞では、IL-12とインタフェロン(IFN)-γの産生増強が本多糖に認められたが、IL-4の誘導はなかった。したがって、ヘルパーT細胞1型からのIFN-γ産生による細胞性免疫の増強によるアレルギー反応の抑制という免疫機能性が本多糖に確認された。海洋性のPseudomonas sp.WAK-1株の静置培養により産生される菌体外多糖は、D-グルクロン酸とN-アセチル-D-ガラクトサミンがβ-1,3とβ-1,4結合で交互に連結したコンドロイチン骨格を主鎖とするグリコサミノグリカシであり、ぶN-アセチル-D-ガラクトサミンに側鎖としてピルビン酸が結合したN-アセチル-L-ガラクトサミンがα-1,4結合してい。本多糖にはメラニン生話の抑制と免疫賦活復用があることが見出されている。本年度は、本多糖のマウスB-16細胞でのメラニン合成に関与する遺伝子の発現に及ぼす影響とC57BL/6マウスの脾臓細胞での各種サイトカインの誘導能さらに大量調整法の開発に関して検討した。
多面的な分析による多様な言語的背景をもつ日本語学習者のリテラシーの構造の解明

本研究プロジェクトでは,1日本国内で日本語指導が必要な外国にルーツをもつ子ども,2在外の日本語補習校在籍児,3聴覚障がい児という3つの特徴的な言語的背景を持ったグループの子ども達を対象として,主に「読み能力」を査定するために申請者が開発してきたATLAN(高橋・中村, 2009)と,「書く能力」を査定するために開発した総合的・多層的作文評定システムを組み合わせて実施し,多面的にプロフィールを描くことにより,日本語のリテラシー獲得を目指す多様な子ども達の支援を視野に入れた,日本語リテラシーの構造と発達過程の解明を目的とする。
臨床へのフィードバックを目指した濃厚栄養剤の半固形化とその物性評価

摂食嚥下困難者に対する経管栄養補給において、胃食道逆流による誤嚥性肺炎や下痢のような合併症が問題となっている。この解決法として、濃厚栄養剤を増粘凝固剤で半固形化して提供する「半固形化栄養法」が注目され、臨床に供されている。本研究では、介護・リハビリテーションの臨床の場へフィードバックすることを目的に、濃厚栄養剤へ増粘凝固剤を添加して自己調製した半固形化栄養剤の物性解析を進めた結果、増粘凝固剤や濃厚栄養剤に含まれる増粘多糖類やミネラル等との相乗・拮抗作用により半固形化栄養剤の物性が著しく変化することを見出し、調製上の問題点や注意点を示すことができた。平成24年度は、前年度の研究結果をもとに市販の濃厚栄養剤へ増粘剤(トロミ剤)を添加して調製した半固形化栄養剤の物性評価を行った。まず予備試験として、熱量の異なる(1kcal/mLおよび2kcal/mL)8種類の濃厚栄養剤と10種類のトロミ剤を組み合わせて栄養剤を半固形化し、物性測定を行った。これらの測定結果を層別し、同一熱量(1kcal/mL)の濃厚栄養剤3種類、トロミ剤6種類に限定して研究を進めた。さらに、日本摂食・嚥下リハビリテーション学会が提示した「とろみの3段階嚥下調整食学会基準案2012」に準拠して粘度測定とLST(Line Spread Test)を実施した。この結果、濃厚栄養剤と増粘剤(トロミ剤)との組み合せにより、やはり粘度やテクスチャー指標のような物性値は大きく変化することを確認した。さらに、この傾向は特定の濃厚栄養剤とトロミ剤との組み合せで生じ、その原因は濃厚栄養剤とトロミ剤に含まれる増粘多糖類とミネラルやタンパク等との相互作用や化学反応が原因であることを第73回応用物理学会学術講演会にて研究代表者が報告した。一方、医師や管理栄養士などの医療関係者がトロミ剤で半固形化した濃厚栄養剤の「トロミの付き方や目安」を患者や介護者へ伝える際に『市販の液状・半固形状食品を例示すれば理解しやすいのではないか?』と考え、市販の種々の半固形状食品と濃度の異なるトロミ水溶液を用い、前述した学会基準案に準拠して物性評価を行った。結果として、市販の半固形状食品をはじめトロミ水溶液でもトロミ剤の種類や濃度によっては学会基準案で定義された粘度とLST値の範囲外となり、基準案に適合しない場合があることを第16回日本病態栄養学会年次学術集会にて研究協力者である山﨑ひろみ(東海大学大学院工学研究科工業化学専攻大学院生)が報告した。平成25年度は、これまでの研究結果をもとに市販の濃厚栄養剤3種類(I:アイソカルRTU、M:メイバランス1.0、C:CZ-Hi)と市販の凝固剤3種類(A:介護食用寒天、G:ソフティアG、E:ソフティアENS)を用いて半固形化栄養剤を調製し、物性評価を行った。なお比較対象として濃厚栄養剤の代わりに水道水、および市販の半固形態栄養剤(Calmsolid400)を採用した。胃ろう(PEG)患者に対する半固形化栄養剤の短時間注入法に関し、香川大学の合田は、『半固形化栄養剤の粘度はB型粘度計を用い、4rpmの条件において20000mPa・s以上であれば、下痢による脱水や胃食道逆流の防止に有用である』と提唱している。そこで、前述した条件で規定の粘度を満足しうる凝固剤濃度を調査した。まず、基準となる水道水に対し前述した粘度(20°C)を満足しうる凝固剤濃度を調査したところ、Aは0.75%、Gは1.5%、そしてEは2.15%となることが判明した。これら凝固剤と濃厚栄養剤を組み合わせた場合の粘度は、介護食用寒天では水道水<M<I<C、GではM<C<I<水道水、そしてEでは水道水<M<C<Iの順に高くなることが判明した。また、濃厚栄養剤を基準とした場合の粘度は全般に、G<E<Aの順に高くなることが判明したが、水道水ではA<G<Eとなった。なお、市販のCalmsolid400の粘度はC+Eの場合と同程度(24Pa・s)であった。これらの変化は、凝固剤や濃厚栄養剤に含まれる増粘多糖類やミネラル、タンパクの組み合わせが原因であり、特にキサンタンガムやグアーガムとカリウムやカルシウムが含まれる場合に粘度増加は著しく、一方、ペクチンが含まれると著しい粘度低下を来すことが研究結果から判明した。よって、介護施設や在宅において半固形化栄養剤の自己調製に際しては、その成分にも充分に注意を払う必要があることが示された。

本年度は濃厚栄養剤や濃厚栄養剤へ増粘剤を加えて調製した半固形化栄養剤について、「円錐・円板型粘度計」(購入設備)と「解析用ソフトウェア」(物品費で購入)、共軸二重円筒型粘度計ならびにクリープメータ(現有設備)を併用して、レオロジーやテクスチャーのような物性を総合的・定量的に把握・評価できる「半固形化濃厚栄養剤の物性評価システム」を構築して当該研究に供した。まず市販の濃厚栄養剤や増粘剤、これらの原材料である基本的な増粘多糖類について、厚生労働省が定めていた「高齢者用食品:そしゃく・えん下困難者用食品」の許可基準」で採用されていたずり速度3/sと、食物の咽頭通過時のずり速度といわれる50/sの各条件で、ずり速度と粘度との関係を測定、併せてテクスチャーも測定した。この結果、同一熱量(1kcal/mL)の濃厚栄養剤(二種類)の粘度はほぼ10mPa・s程度であり、ずり速度の影響も少ないことが判明したが、市販のトロミ調整剤(増粘剤;三種類)を濃度2%となるように添加すると粘度は増加し、ずり速度の増加と共に粘度は低下した。さらに、濃厚栄養剤Iへトロミ調整剤を加えると、水にトロミ調整剤を加えた場合よりも粘度は増加し、一方、濃厚栄養剤Mへトロミ調整剤を加えると水に加えた場合よりも粘度は顕著に減少した。テクスチャー解析の結果、かたさ応力は粘度と同様に増減し、トロミ調整剤を添加した双方の濃厚栄養剤の付着性は有意に増加、凝集性は顕著に減少した。よって、濃厚栄養剤を半固形化する際にはこれらの組み合わせに注意する必要があること、この理由は増粘多糖類同士やミネラル、タンパク等との相互作用が原因であることを第15回日本病態栄養学会年次学術集会にて、研究協力者である山崎ひろみ(東海大学大学院工学研究科工業化学専攻大学院生)により成果報告がなされた。平成24年度当初の研究達成目標として、平成23年度の研究結果をさらに発展させ、『1濃厚栄養剤や増粘・凝固剤の種類をさらに増して半固形化栄養剤を自己調製』して、『2これらの組み合わせや濃度、温度(室温:20°C,冷蔵:10°C,加温:45°C)やずり速度をパラメータ』として、昨年度構築した「半固形化濃厚栄養剤の物性評価システム」を利用して、粘度のようなレオロジー特性、かたさ・付着性・凝集性のようなテクスチャーに与える影響を明らかにすることを計画した。これら目標のうち、1については達成できた。しかし、2については「ずり速度と粘度との関係」のみしか評価できなかった。さらに、日本摂食・嚥下リハビリテーション学会より提示された「とろみの3段階嚥下調整食学会基準案2012」は本研究課題の目標である『患者や介護者をはじめ、医師や管理栄養士など医療従事者が濃厚栄養剤を半固形化する際や市販の半固形化栄養剤を選択する際の客観的な指針を与える』ことに関連した内容であるため、敢えて本基準案に準拠して種々の試験を実施し妥当性を検討した。なお、本結果は前述したとおりであり、学会発表へと結びついた。なお、可能であれば「医学部付属大磯病院栄養科にて調製した半固形化栄養剤のテクスチャー試験をリハビリテーション科で行う」ことも企図していたが、物品費で購入して製作した「テクスチャー簡易試験機」の解析ソフトウェアに疑義が発覚し、係る問題を解決するために研究代表者と装置メーカー開発部との間でソフトウェア開発・指導を行っていた結果、医学部付属大磯病院での試験は行えなかった。なお、修正版ソフトウェアは平成25年度上旬には修正・完成予定である。以上の理由ならびに自己点検結果から、本年度の研究計画は目標の約2/3を達成できたため、「区分(2)おおむね順調に進展している」と自己評価した。本研究では、食事を経口から摂取できない経管栄養補給患者に対して投与される、(1)濃厚栄養剤、(2)濃厚栄養剤へ増粘・凝固剤を添加して調製した半固形化栄養剤、そして(3)市販の半固形化栄養剤について、粘度をはじめ、かたさ・
食品添加物の食物アレルギー誘導性に関する研究

本研究は、食品添加物の食物アレルギー誘導性について、食品添加物の免疫機能修飾能を中心に検討を行うことを目的としている。本年度は、汎用されている天然着色料7種、合成着色料3種のT細胞、およびB細胞に与える影響について検討を行った。その結果、天然着色料であるコウリャン色素は単独ではB細胞に対し増殖作用を示した。またT細胞に対しては単独では増殖作用を示さなかったが、抗T細胞レセプター抗体で刺激した際の増殖反応をさらに促進した。しかしコウリャン色素は、T細胞マイトージェンであるコンカナバリンA(ConA)で刺激した際には、前述のような増殖反応に対する相乗効果を示さなかった。抗T細胞レセプター抗体で刺激した際にコウリャン色素が作用するT細胞集団をさらに詳細に検討したところ、コウリャン色素はCD8^+T細胞ではなくCD4^+T細胞に対してのみ相乗作用を示した。さらにこのような刺激を与えた際のサイトカイン産生を検討したところ、CD4^+T細胞においてのみTh1型のサイトカインであるIFN-γ産生の亢進が確認された。一方、アレルギー誘導時に産生されるTh2型サイトカインのIL-4産生は抑制されていた。以上の結果から、コウリャン色素による免疫機能修飾は、食物アレルギーを誘導するというよりも、むしろ免疫偏向をTh1有意にしてアレルギー状態を改善する作用を有する可能性が示唆された。またコウリャン色素の作用は、従来のT細胞に対するin vitro機能修飾(毒性)試験法のConA刺激増殖反応では全く認められなかったことから、食品添加物などに対する免疫機能修飾試験法は、生体のT細胞増殖反応を反映した刺激を与えた系で行うべきであることも示唆された。
低ブーム・低抵抗の複葉型超音速旅客機の空力設計

本研究は次世代航空機の実現を目指し、空気力学に基づて数値シミュレーションを行っている。次世代航空機に求められる要素としては、輸送料の増加に伴う高速化、燃費の削減である。前者においては現在の旅客機の巡航速度の約2倍である超音速旅客機を見越しており、巡航時間を大幅に低減することができる。しかしながら、超音速飛行をする際には大幅に抵抗が増大することとなり、後者の燃費削減とはトレードオフ関係となる。本研究の最も画期的な点は、複葉翼を採用することにより、この超音速飛行特有の多大な抵抗(造波抵抗)を大幅に低減させようというところである。この概念自体は今から70年以上前の1935年にドイツのBusemannによって既に提案されていたが(以下、Busemann複葉翼と呼ぶ)、実際の超音速機に採用されることはなかった。本研究は数値流体力学(CFD)を用いることによって、シミュレーションによりこの複葉型超音速旅客機の実現可能性を模索した。前年度までの研究においては、これまで2次元翼型で無揚力であったBusemann複葉翼に揚力を持たせ、かつ3次元翼形状に拡張を行った。また、巡航速度意外の領域では大幅に抵抗が増大することを確認し、その対策を講じることで、離陸から巡航まで抵抗を抑えられることを示した。本年度の研究においてはより将来的な航空機実現のための基礎研究として、胴体形状と複葉翼との干渉効果の検証を行った。翼単体においては、複葉の2枚翼間において適切な干渉が保たれるために造波抵抗を大幅に減少させることができる。ここでは、将来的に胴体に翼を取り付ける際に、その干渉効果がどのように影響されるのかを調べることを目的とした。その結果、胴体から生じる膨張波と複葉翼を干渉させることによって、複葉翼単体と比べてさらに抵抗が低減できることを示した。また、巡航速度領域外においても更なる改善が見られ、この干渉効果を利用することで、非常に低い抵抗領域をさらに広められることを示した。本研究は超音速飛行特有の重要な課題である、抵抗・ソニックブームの大幅な低減を実現する超音速旅客機を提案することを目的としている。これまでに商用として運行した超音速旅客機としてはコンコルドが挙げられるが、本研究においては新たに複葉翼という概念を導入し、2枚翼間における空気力学的な波の干渉を利用することで、抵抗・ソニックブームの大幅な低減を図る。このコンセプトは1930年代にA.Busemannによって最初に提案され、その翼型を基に研究を進めている。研究の手順としては低抵抗の翼の設計後、低ブーム化コンセプトにのっとった胴体を考案し、全機形状モデルを作成して最終的な低ブーム・低抵抗の超音速旅客機を設計する。なお、巡航マッハ数は1.7としており、解析・設計には全て数値流体力学を用いている。初年度においては低抵抗な翼の設計を行った。設計手法には逆問題設計法を用いている。これは、理想的な圧力分布を設計者側で決定し、それを実現する翼形状を設計することができるものである。この手法を用いて低抵抗を達成する圧力分布を設定し、その翼形状を決定する。巡航マッハ数においては、上記の設計法により、低抵抗な翼形状を設計することができた。しかし、超音速複葉翼は、設計点から外れた非常に広いマッハ数領域において、2枚翼間の波の干渉が崩れ、チョーク現象と呼ばれる抵抗が非常に高くなる現象が生じる。この現象の回避案として、通常航空機が離陸する際に使用する高揚力装置を応用し、最終的に離陸から巡航まで、低抵抗を実現する翼形状を提案することができた。
バランシング領域分割法と双対基底ラグランジュ乗数法によるアセンブリ構造解析

双対基底ラグランジュ乗数法に基づくモルタル有限要素法について,改めて文献サーベイを行い,ベースとなる要素の形状,次数とそれに対する双対基底について整理した.また,ラグランジュ乗数を離散化する表面メッシュをスレーブ面に一致させることで,拘束条件行列の中のスレーブ面に関するブロック行列が対角行列となるので,これを利用して射影行列を縮約した上で共役射影勾配法の射影を行う方法について検討した.メニーコア型CPUであるIntel Xeon Phi Knights Landingプロセッサ(以下,Xeon Phi)を搭載したワークステーション上で,BDD法を実装した固体・構造の並列有限要素解析コードであるADVENTURE_Solid Ver. 2をIntelコンパイラによりコンパイルし,実行できるようにした.ポイントとなったのは,コースグリッド問題の求解,MPCに対する共役射影勾配法の射影を行うために使用しているスパースダイレクトソルバーMUMPSのコンパイルであり,MUMPSで用いられているBLAS,BLACS,LAPACK,ScaLAPACKをソース版からIntelコンパイラのMath KernelLibrary版に置き換えることである.これらはXeon Phiに合わせてマルチスレッド並列化されているために高速化できる.分担者の山下が担当するアセンブリ構造物としての建築構造物のメッシュ生成システムにおいて機能追加された、部品の接合面に対するマスター・スレーブ型のMPCの生成機能を用いて,MPCにより部品メッシュ(E-モデラーにおける整合メッシュユニット)を接合して組み立てた建築構造部材モデルに対して,ADVENTURE_Solid Ver. 2によるテストを行った.「京」により行った2億自由度規模の原子力発電所モデル(一体型)による弾塑性地震応答解析の計算結果を分析してパフォーマンススタディを行い,それを論文にまとめた.まもなくJSME Mechanical Engineering Letterに投稿する予定である.双対基底ラグランジュ乗数法によれば,積分の結果得られる拘束条件行列は,スレーブ(non-mortar)面側の節点自由度に関するブロック行列のみが対角行列になり,マスター(mortar)面側ではスレーブ節点周辺の節点に関する成分が非ゼロとなる.従って,通常のラグランジュ乗数法に基づくモルタル有限要素法に比べると,拘束条件行列のスレーブ面に関するブロック行列は単純化されるものの,拘束条件行列の構造は,多点拘束条件型の(積分を伴わない)マスター・スレーブ型拘束の拘束条件行列とほぼ同じであり,それよりも計算量が減るわけではないことがわかった.モルタル有限要素法の精度向上がそれに必要な積分のコストに見合うものであるかについて更なる調査が必要である.2次元解析における境界の直線1次形状関数および3次元解析における境界の三角形1次形状関数については,双対な形状関数を作成できたが,それ以外の形状,および高次の場合についての双対な形状関数ができていない.当初,3次元解析におけるラグランジュ乗数用の2次元メッシュを別に作成することを考えていたが,スレーブ面のメッシュをそのまま使えば,特別なメッシュは必要ないことがわかった.一方,ラグランジュ乗数とマスター側の変位の積に対する面積分を数値積分により行う方法の開発が必要であることがわかった.現在はマスター,スレーブの重なる領域が長方形の場合のみを考えている.Xeon Phiを搭載したワークステーション上で,固体・構造の並列有限要素解析コードであるADVENTURE_Solid Ver. 2のコンパイルはできたものの,計算性能評価ができていない.モルタル有限要素法での計算性能評価もできていない.アセンブリ構造物としての原子力発電所モデルの作成には着手できていない.アセンブリ構造物としての建築構造物のメッシュ生成システムの開発については,本年度にも進捗があり,計画通りに研究が進んでいる.3次元解析における境界の三角形2次形状関数,四角形1次形状関数については,詳細に記載された文献が見つかったのでそれを参考にして双対な形状関数を作成し,実装する.また,任意形状のスレーブ面を用いて離散化されたラグランジュ乗数とマスター面で離散化された変位の積分を数値的に行うために,積分領域を三角形に分割して各三角形のガウス積分を行うシステムを開発する.時間が限られているため,プリ処理システムから出力される接合面情報を読み込み,積分を行い,結果をMPCデータとして出力するフィルタプログラムとして開発する.通常のマスター・スレーブ型の多点拘束条件による接合に比べて,モルタル有限要素法の方がどの程度精度的に優位性があるのかについて調べる.Xeon Phiを搭載したワークステーション上に移植した,ADVENTURE_Solid Ver. 2の計算性能評価を早急に行う.その後,モルタル有限要素法での計算性能評価を行う.ポスト京重点課題プロジェクトとの連携で東京大学情報基盤センターのXeon Phi Oakforest-PACSスーパーコンピュータシステムへの移植を進める.ラグランジュ乗数に対して双対な形状関数を用いたモルタル有限要素法+BDD法による超高層ビルモデルの解析(少なくとも静的な自重解析)を実施する.原子力発電所のメッシュの一部をアセンブリ構造化したテストモデルを作成し,これを用いた試解析も可能であれば行う.その後,研究の総括を行い,論文としてまとめる準備をする.双対基底ラグランジュ乗数法に基づくモルタル有限要素法の定式化を確認し,二次元問題に対するラグランジュ乗数の基底関数を計算し,それを用いて表される拘束条件をファイルに出力するプログラムを試作した.また,拘束条件のかわりに各部分領域において拘束を考慮した空間を考える方法についても検討した.今後はまず三次元化してから拘束条件を多点拘束条件(MPC)として出力し,そのデータをMPCを考慮したBDD法に基づく解析コードに読み込み,線形ソルバーの性能を評価する.機器備品費によりメニーコア型CPUであるIntel Xeon Phiプロセッサを搭載したワークステーションとスレッド並列化が可能なOpenMPに対応したコンパイラを購入した.

基本的な行列演算についてメニーコアCPU上でのスレッド並列計算の性能評価を行った.並行してスーパーコンピュータ「京」上でのMPCを考慮したBDD法のチューニングを行った.MPCを考慮したコースグリッド問題の係数行列の作成処理をOpenMPによりスレッド並列化することで,大幅な高速化が実現した.分担者の山下が担当する「アセンブリ構造物としての建築構造物のメッシュ生成システムの設計」については,山下がこれまでに開発してきた既存の建築構造物用プリ処理システムの改造のための仕様を検討した.部品の接合面に対してマスター・スレーブ型のMPC,および,モルタル有限要素法の拘束条件の生成に必要なデータを生成できるようにする.調査の結果,双対基底ラグランジュ乗数法には色々な定式化があり,比較検討に時間がかかったため,二次元問題に対するプログラムの試作しかできなかった.三次元問題の場合の検討および実装も完成していないため,既存のMPCを考慮したBDD法の解析コードによる反復型線形ソルバーの性能評価に進むことができなかった.そのため,研究は全体的に遅れている.一方,機器備品費によりメニーコア型CPUであるIntel Xeon Phiプロセッサを搭載したワークステーションと対応するコンパイラを購入し,計算機が稼働し始めたため,平成29年度に開始予定であった解析コードのメニーコア並列環境向けのチューニング作業については,前倒しで開始することができた.アセンブリ構造物としての建築構造物のメッシュ生成システムの開発については計画通りに研究が進んでいる.双対基底ラグランジュ乗数法に基づくモルタル有限要素法の定式化に基づく拘束条件は,一般的な線形多点拘束条件(MPC)となり,このMPCが付加された線形問題は,研究代表者が提案したMPCを考慮したバランシング領域分割法(BDD法)(MPC-BDD法)により解けることがわかった.計算速度を向上させるためにMPC-BDD法を高速化した.まず,局所座標系によりコースグリッドを定義したBDD法を開発した.本手法により,MPCを考慮したコースグリッド問題の係数行列の性質を改善することで,係数行列の分解の速度やCG法の収束性が向上した.次に,MPCに関する処理をハイブリッド並列化した.その中では,MPCを含むコースグリッド問題の係数行列の作成を,OpenMPによってスレッド並列化している.また,共役射影勾配法において,MPCをグループに分けして射影の線形問題をブロック化して並列化することで高速化した.以上の手法の性能評価を「京」上で行った.メニーコア型CPUであるIntel Xeon Phi KLプロセッサ(以下,Xeon Phi)を搭載したワークステーションにおける行列演算のチューニングを引き続き行った.
非線形・動的FEAに基づく歯科インプラントの生体力学的検討

本研究では,歯科インプラント周囲に荷重ベクトルを反映した応力分布が認められた.また,両者とも相当応力のコンター図,及び各歯科インプラント周囲骨の相当応力の最大値はほぼ同様の傾向を示し,解析時間分割の違いによる優位な差分は認めなかった.本研究において,歯科インプラント周囲骨に係る応力値及び分布は,荷重量・方向の影響を受けていたことから,歯科インプラント周囲骨における力学挙動を考慮した場合には,咬合力などの大きさと方向を考慮する必要があることが示唆された.ひずみ速度を含む未実装の変数を当該解析モデルに適応することで,各種の継時的な荷重タスクの差分に影響する可能性があり更に検討すべき余地がある.歯科インプラント機能時に口腔内で生じる非線形・動力学的挙動を、材料粘弾性と動的荷重条件を反映した非線形・動的有限要素シミュレーションにより解明する。本研究は既存の有限要素解析研究(以下、FEA)における線形・静的解析を発展させ,構造物の動力学的挙動を捉えることで,歯科インプラントの生体力学的最適化へと繋げる革新的な試みである。申請者らは,インプラント支台義歯使用患者から得られたCTデータを用いて、本学工学研究科数理システム設計学分野と共同で開発したFEA応力解析システムを用いて顎骨の幾何形状および骨内材料不均質性を明らかにした。またインプラントに加わる荷重量および方向を、当分野の依田らによって開発された三次元的にリアルタイム測定するシステムにより得られた荷重データを用いて,歯科インプラント埋入方向が機能時の顎骨内応力に対して与える影響に関する報告を行った。本研究は、これらの知見を発展させ非線形・動的力学挙動を解明することにより、歯科インプラントにおける臨床的偶発症の予防、ひいては生体力学的最適化へ寄与するものである。今年度は有限用要素解析モデル(以下、FEモデル)の作成を行った。具体的に名は顎骨形状に関して、皮質骨と海綿骨の空間分布様相および構造的特徴の再現性を向上することを目的として作成を行った。作成したFEモデルの応力解析を行うに当たり、複雑なモデルほど再現性は向上することが知られる。しかしながら、複雑なモデルはPCリソースを多く必要とし、PCスペックや対象となる構造物の大きさによって計算が収束しない場合がある。このことから、複数のFEモデルを作成して接点数や総要素数の妥当性の検討を行い、非線形・動力学的挙動を観察するに際して妥当性の高いFEモデルを得ることに成功した。複数のFEモデルを作成して接点数や総要素数の妥当性の検討を行い、非線形・動力学的挙動を観察するに際して妥当性の高いFEモデルを得ることに成功した。これは、申請書に記載した研究計画におおむね沿った進捗状況である。本研究は、歯科インプラントコンポーネントおよび周囲骨における非線形・動的力学挙動を、経時的に変化する動的荷重条件を反映した非線形・動的有限要素シミュレーションモデルを確立することにより解明することを目的としている。申請者は、昨年度に作成した歯科インプラント支台義歯使用患者の顎骨幾何形状及び骨内材料不均質性を再現した解析モデルについて、従前モデルとの整合性及び妥当性の検討を行った。当該モデルは、歯科インプラントに加わる荷重量及び方向を三次元的リアルタイム測定システムにより得られた荷重データをインポートすることで再現性を高めている。この荷重データについて、荷重シーケンスを細分化して荷重ステップが異なるモデルで解析を行った。具体的には、最大荷重値を中心としたモデルと荷重値の勾配が急な部位を適用したモデルを作成して応力値を比較した。両者を比較した結果大きな差は見られなかった。顎骨が有する粘弾性や材料塑性など、当該モデルに考慮されていない要素について更に検討する必要がある。特に骨の弾性率は、組織の粘弾性や慣性の影響を受け、歪み速度の増加に伴い増加することが知られる。各種の経時的な荷重タスクについてひずみ速度をより詳細に解析することで,各荷重タスクが骨内の歪みに与える影響を考慮する必要性が示唆された。しかしながら、本結果において両者に相違がなかったことから、顎骨モデルを単純化することの妥当性について寄与する可能性が示された。本研究では,歯科インプラント周囲に荷重ベクトルを反映した応力分布が認められた.また,両者とも相当応力のコンター図,及び各歯科インプラント周囲骨の相当応力の最大値はほぼ同様の傾向を示し,解析時間分割の違いによる優位な差分は認めなかった.本研究において,歯科インプラント周囲骨に係る応力値及び分布は,荷重量・方向の影響を受けていたことから,歯科インプラント周囲骨における力学挙動を考慮した場合には,咬合力などの大きさと方向を考慮する必要があることが示唆された.ひずみ速度を含む未実装の変数を当該解析モデルに適応することで,各種の継時的な荷重タスクの差分に影響する可能性があり更に検討すべき余地がある.今年度に得られたFEモデルに基づいて、負担機構が周囲骨の動力学挙動(応力,ひずみ)に及ぼす影響を比較検討する。具体的な分析項目として,i)基準領域における応力ヒストグラム,ii)基準体積あたりの応力平均値(MPa),iii)ひずみエネルギー密度(SED)を予定している。歯科補綴学FEモデル作成がおおむね順調に進んだため、翌年度の計画に合わせて使用することとした。各種応力解析に必要十分な機能を有したの解析用PCの購入とデータ整理に必要なソフトウエアの購入を予定している。
革新的ピストンを用いた2段ガス加速方式による固体水素ペレット入射の高速度化研究

本年度では、高速射出弁、低温冷凍装置をチャンバに組み込み、圧縮試験を行った。その結果、アイスピストンを使って、200 kPaのガスを30 MPa以上まで圧縮することができた。本研究では、核融合燃料供給法の一つである固体水素氷粒ペレット入射法において、「アイスピストン」を用いたこれまでにない2段ガス加速方式を提案し、開発を行うものである。昨年度まででアイスピストンを駆動するための大流量の高速射出弁を製作したので、本年度は高速射出弁と既設の低温冷凍装置をチャンバに組み込み、アイスピストンの生成とその射出による圧縮性を調べた。圧縮させるガスとして三重点が比較的高い窒素を用いた。低温冷凍装置のスイッチを入れてから2時間程度で、ヒートシンクが常温から20 K程度まで冷却された。窒素ガスを200 kPa充填し、窒素が固化するまで数時間その状態を保持した。その後、1.5-2 MPaのヘリウムを加速ガスとして用いて、高速射出弁によりアイスピストンの射出を行い、圧力上昇を圧力計により測定した。その結果、200 kPaに充填されていた窒素ガスが瞬間値として30 MPa程度まで上昇した。30 MPaに上昇するまでに要した時間は5msec程度であった。本研究結果は、本研究課題であったアイスピストンにより高圧縮化が可能になったことを示している。アイスピストンの材料として、今回は三重点の比較的高い窒素を用いたこともあり、窒素が固化しきれていない可能性があるほか、想定よりヒートシンクの温度が高くなっていたこともあり、アイスピストンの強度が低かった可能性がある。三重点の低い水素をアイスピストンとして用いるほか、ヒートシンクの温度を想定よりも上昇させている原因を究明してさらに冷却温度を下げれば、さらなる圧縮化が可能であると考えられる。本研究では、核融合燃料供給法の一つである固体水素氷粒ペレット入射法において、入射速度の高速化ならびに高繰り返し運転が可能な信頼性の向上のため、「アイスピストン」を用いたこれまでにない2段ガス加速方式を提案し、開発を行う。本研究によりペレット入射を高速度化し、プラズマ実験に供することにより、核融合炉に向けてペレット燃料吸収過程を精度よく予測、外挿することが可能となる。本研究の目的は、長期間でも信頼性のある2段ガス加速方式の開発のため、駆動による金属ピストンの摩耗を解消できる、斬新な発想に基づく2段ガス加速方式を開発することである。具体的には、これまでの金属製のピストンの代わりとなるものとして、プラズマへ入射するペレットとは別に、あらかじめ大型サイズのペレット「アイスピストン」を生成しておき、それを射出して100MPaオーダの高圧圧縮ガスを作り出し、2段ガス加速方式として活用する。本年度は、アイスピストンが金属製ピストンの代用となりうるかどうか検証を行った。アイスピストンの大きさは、これまで京都大学で行われてきた2段ガス加速方式の仕様を参考に約20mmと決定した。アイスピストンの材質としてアルゴンを採用し、その質量は従来型のピストンと同程度であり、アイスピストンの加速に必要な流量を見積もった。その結果、必要流量は4000 Pam^3程度であることがわかった。この流量を満たすためには、アイスピストンの加速用に大流量の高速射出弁を開発する必要があることがわかった。さらにアイスピストン作成のために、アルゴンガスの凝縮が必要であり、本研究では冷凍機による冷却システムを採用することとした。本年度はそのシステム設計を行った。アイスピストの加速のために加速ガスの流量を見積もったところ、特殊な大流量の高速射出弁が必要であることがわかり、その仕様策定および製作の目処に時間を要した。その目的は、入射速度の高速化ならびに高繰り返し運転が可能な信頼性の向上である。今年度の実績として、アイスピストンを駆動するための大流量の高速射出弁を製作した。アイスピストンの材質としてアルゴンを選択し、サイズを20 mmの円筒形と仮定した場合、アイスピストンの加速に必要な加速ガス流量は約4000 Pa m3であり、その流量を満たす高速射出弁を製作した。アイスピストンの加速ガスはヘリウムとし、最大使用ガス圧力Pを4-8 MPaに設定した。また圧力上昇度dP/dtは13-27 MPa/msとしたほか、最大圧力への到達時間が約0.3 msとなるようにした。製作後の高速射出弁のガス流量試験を行い、上記の仕様を満たしていることがわかった。大流量の高速射出弁の製作には海外のメーカーを通して行われた。その際、仕様に関する議論に時間を費やしたほか、製作日数も当初予定していたよりも時間を要したため、進捗はやや遅れている。しかしながら、射出試験のための制御系および冷凍機などのユーティリティの準備は進捗しており、平成29年度はアイスピストンの駆動試験を行うほか、アイスピストンの射出試験を行い、加速ガスの高圧縮性を検証する予定である。

本研究によりペレット入射を高速度化し、プラズマ実験に供することにより、核融合炉に向けてペレット燃料吸収過程を精度よく予測、外挿することが可能となる。昨年度、アイスピストンを駆動するための大流量の高速射出弁を製作した。高速射出弁の仕様は以下の通りである。アイスピストンの材質としてアルゴンを選択し、サイズを20 mmの円筒形と仮定した場合、アイスピストンの加速に必要な加速ガス流量は約4000 Pa m^3であり、その流量を満たす高速射出弁を製作した。製作後の高速射出弁のガス流量試験を行い、上記の仕様を満たしていることを確認した。本年度は、高速射出弁を用いて実際にアルゴンによるアイスピストンの射出を試みたが、アイスピストンを生成するまでに予想よりも時間を要することがわかり、まずは固形ピストンによる圧縮性を確かめることとした。固形ピストンの使用に際し、ピストンの材質の検討を行った。これまでの先行研究によりポンプチューブは高温になることがわかっており、単純なチタン合金では表面が摩耗する可能性があり、その対策としてダイアモンドライクカーボンなどの耐摩擦に優れたコーティング法を検討した。射出試験のための制御系および冷凍機などのユーティリティと射出の要である大流量高速射出弁の準備は進捗しており、平成29年度はアイスピストンの駆動試験を行う予定であったが、アイスピストンの生成に時間を要することがわかり、まずは高圧縮性を検証すべく、固形ピストンを用いることにした。その際、耐摩擦性能を向上させる必要があり、その材質の検討に時間を要した。本年度では、高速射出弁、低温冷凍装置をチャンバに組み込み、圧縮試験を行った。その結果、アイスピストンを使って、200 kPaのガスを30 MPa以上まで圧縮することができた。本研究では、核融合燃料供給法の一つである固体水素氷粒ペレット入射法において、「アイスピストン」を用いたこれまでにない2段ガス加速方式を提案し、開発を行うものである。昨年度まででアイスピストンを駆動するための大流量の高速射出弁を製作したので、本年度は高速射出弁と既設の低温冷凍装置をチャンバに組み込み、アイスピストンの生成とその射出による圧縮性を調べた。圧縮させるガスとして三重点が比較的高い窒素を用いた。低温冷凍装置のスイッチを入れてから2時間程度で、ヒートシンクが常温から20 K程度まで冷却された。窒素ガスを200 kPa充填し、窒素が固化するまで数時間その状態を保持した。その後、1.5-2 MPaのヘリウムを加速ガスとして用いて、高速射出弁によりアイスピストンの射出を行い、圧力上昇を圧力計により測定した。その結果、200 kPaに充填されていた窒素ガスが瞬間値として30 MPa程度まで上昇した。30 MPaに上昇するまでに要した時間は5msec程度であった。本研究結果は、本研究課題であったアイスピストンにより高圧縮化が可能になったことを示している。