hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
半導体用微細孔充填を目的とした高速銅めっきの電気化学工学的検討

高集積回路に求められる情報処理量の増加に伴い、半導体素子面積の増大を目的としてチップを積層し、素子を高密度化することが検討されている。このチップ積層技術として、積層されたチップ間の直接配線を可能とする貫通電極(TSV)に注目が集まっている。本研究では、TSV製造工程の中でもキーテクノロジーの一つとされる、ホール充填を目的とした電気銅めっき技術の反応促進メカニズムについて検討を行った。Cu+イオンはCu2+イオンと比較して反応速度が大きく、電気銅めっき中に生成されるCu+イオン濃度が増加することにより、電気銅めっきが促進されると考えられる。昨年度行った数値解析により、電気銅めっき中のCu+イオン濃度は銅溶解中に増加することを明らかにした。しかし、電気銅めっきの促進は銅溶解時ではなく、銅析出時に生じるはずである。そこで本年度は、銅析出中において、促進剤であるSPSや塩化物イオンがCu+イオン濃度に与える影響について検討を行った。電気化学に基づく解析を行った結果、SPSおよび塩化物イオンを添加した場合において、電気銅めっきの銅析出中に生成されるCu+イオンが増加し、電気銅めっきが促進される現象を明らかにした。そのため、既往の研究および本研究から考えられる電気銅めっき促進メカニズムを検討した。SPSは塩化物イオンが存在する酸性硫酸溶液中において、還元反応によりSPSの単量体を形成し、SPSの単量体は再び酸化することでSPSを形成することが報告されている[1]。このSPSの酸化還元サイクルにCu2+イオンが取り込まれ、Cu+イオンに還元されるとした電気銅めっき促進モデルを提案した。本年度は、電気銅めっき中において、促進剤であるSPSや塩化物イオンがCu+イオン濃度に与える影響について検討を行った。また、既往の研究および本研究から考えられる、SPSや塩化物イオン、Cu+イオンの相互作用による電気銅めっき促進メカニズムを提案し、学術論文に投稿した。本研究は平成26年度を最終年度とするため、記入しない。[1,2]このチップ積層技術として、積層されたチップ間の直接配線を可能とする貫通電極(TSV)に注目が集まっている。本研究では、TSV製造工程の中でもキーテクノロジーの一つとされる電解銅めっきを用いたホール充填技術について検討を行った。当初の予定では、電解銅めっきを行う際に取り扱う複数添加剤の挙動についての研究を行う予定であったが、今回「各種添加剤はめっき中に生成される一価銅と様々な相互作用を引き起こす」と考えられるため、めっき浴中の一価銅がめっき反応の重要なファクターになると考え、めっき中に生成される一価銅濃度の測定及び、一価銅濃度の違いがめっき形状に与える影響を検討した。実験方法について説明する。実際のホールに対して、めっき電流波形(PRパルス電流)を変化させることで電解銅めっきを行った。また、めっき電流によって生成される一価銅の割合を、回転リングディスク電極(RRDE)により評価し、めっき結果との比較を行った。実験結果について説明する。(1)直径4μm、深さ30μmのホールに対して逆電解電流密度を変化させてめっきを行ったところ、逆電解電流密度の増加に伴いホール底部の欠陥が減少することを確認した。(2)RRDEを用いて一価銅生成量を評価した。この実験により逆電解電流密度の増加に伴いめっき中に生成される一価銅濃度の増加が確認された。以上の結果より、PRパルス電流波形の逆電解電流密度を増加させることにより、ホール内部における一価銅生成量が増加し、各種添加剤の効果を高めたために充填結果が良好になったと考えられる。今後は有限要素法を用いたシミュレーションを行い、ホール内部の一価銅濃度分布および各添加剤との反応モデルを構築する。我々は昨年、めっき電流波形の逆電解電流を増加することで、ボイドフリーの完全充填を達成した。また、電気化学測定より逆電解の増加に伴う電極表面上のCu^+濃度の増加を確認した[1]。しかし、昨年の報告では電極表面上の反応しか考慮していない。めっきによるホール充填の更なる反応制御のためには、ホール内部でのCu^+イオンの挙動を理解する必要がある。そこで、本年度はホール内部充填の選択的析出制御の向上を目的として、有限要素法を用いたシミュレーションを行うことでめっき中にホール内部で生成されるCu^+濃度分布を明らかにした。シミュレーション結果について説明する。まず初めにホール内部のCu^+イオン分布を算出するために、Cuイオンの反応速度定数を実験およびシミュレーションの電流分布を比較することで決定した。その後、決定した反応速度定数を用いてホール内部のCu^+イオン分布を算出した。

シミュレーション結果より、Cu^+イオンは逆電解時に大量に生成され、休止時間のCu^+イオンのホール外部への拡散により、ホール開口部からホール底部にかけてCu^+イオン濃度が高くなる濃度勾配が生じることが分かった。これにより、ホール開口部と底部のCu^+イオン濃度差が大きくなり、電解時にCu^+濃度の高いホール底部を優先的にめっきすることを可能にした。高集積回路に求められる情報処理量の増加に伴い、半導体素子面積の増大を目的としてチップを積層し、素子を高密度化することが検討されている。このチップ積層技術として、積層されたチップ間の直接配線を可能とする貫通電極(TSV)に注目が集まっている。本研究では、TSV製造工程の中でもキーテクノロジーの一つとされる、ホール充填を目的とした電気銅めっき技術の反応促進メカニズムについて検討を行った。Cu+イオンはCu2+イオンと比較して反応速度が大きく、電気銅めっき中に生成されるCu+イオン濃度が増加することにより、電気銅めっきが促進されると考えられる。昨年度行った数値解析により、電気銅めっき中のCu+イオン濃度は銅溶解中に増加することを明らかにした。しかし、電気銅めっきの促進は銅溶解時ではなく、銅析出時に生じるはずである。そこで本年度は、銅析出中において、促進剤であるSPSや塩化物イオンがCu+イオン濃度に与える影響について検討を行った。電気化学に基づく解析を行った結果、SPSおよび塩化物イオンを添加した場合において、電気銅めっきの銅析出中に生成されるCu+イオンが増加し、電気銅めっきが促進される現象を明らかにした。そのため、既往の研究および本研究から考えられる電気銅めっき促進メカニズムを検討した。SPSは塩化物イオンが存在する酸性硫酸溶液中において、還元反応によりSPSの単量体を形成し、SPSの単量体は再び酸化することでSPSを形成することが報告されている[1]。このSPSの酸化還元サイクルにCu2+イオンが取り込まれ、Cu+イオンに還元されるとした電気銅めっき促進モデルを提案した。本年度は、電気銅めっき中において、促進剤であるSPSや塩化物イオンがCu+イオン濃度に与える影響について検討を行った。また、既往の研究および本研究から考えられる、SPSや塩化物イオン、Cu+イオンの相互作用による電気銅めっき促進メカニズムを提案し、学術論文に投稿した。本研究は平成26年度を最終年度とするため、記入しない。当初の計画ではめっきに用いる添加剤効果に関する研究を行う予定であったが、添加剤と相互作用を引き起こすことが考えられる浴中の一価銅に研究対象を変更し、電流波形変化によって生成される一価銅濃度変化および、一価銅濃度とめっきによる銅の析出形状の関係を明確にした。申請書に記載したシミュレーション方法はモンテカルロシミュレーションを想定していたが、新たにマルチフィジックス解析を可能にするシミュレーションソフトCOMSOL Multiphysicsを用いた。
炎症シグナルTRAF6とその標的分子CCL20, SLPIが制御する腸炎の解明

本研究は、腸炎の新たな分子機構の解明を目的とし、炎症性腸疾患(IBD)の病態に重要な分子の生理機能を解析する。前年度では、抗生物質(アンピシリンとバンコマイシン)を投与したマウスの盲腸で、i)腸管上皮のエネルギー源となるグルタミン酸や酪酸の減少、ii)短鎖脂肪酸を産生するclostridialesの減少、iii)上皮細胞の増殖能低下、iv)盲腸内容物の増加、v)便潜血が認められた。本年度は、更に上皮細胞のアポトーシスが亢進していることが示された。この研究成果を英文原著論文として発表した。一方、TRAF6によって誘導される抗菌ペプチドSLPIの腸管での機能を解明するため、SLPI欠損マウスを用いて腸炎モデルを作製した。DSS投与による腸炎では、体重減少、病態スコア、炎症性サイトカインの産生、及びリンパ球の浸潤は、野生型マウスよりもSLPI欠損マウスで著しく亢進していた。また、TRAF6によって誘導されるケモカインCCL20の腸管での機能を解明するため、昨年度作製したCCL20ヘテロマウスを交配しホモ欠損マウスを樹立した。CCL20欠損マウスの脾臓、胸腺及び小腸パイエル板のリンパ球に大きな変化は認められなかったが、パイエル板のサイズの低下が認められた。DSS腸炎を誘導したところ、CCL20欠損マウスでは大腸粘膜構造の破壊、杯細胞の消失、粘膜下層や粘膜固有層への細胞浸潤が顕著であった。また、腸管組織におけるSLPIやCCL20の誘導機構をマウスモデルで明らかにするため、腸管特異的TRAF6欠損マウスの作製を試みた。そこで、Villin-CreマウスとTRAF6flox/floxマウスの交配を進めたが、Villin-Cre: TRAF6flox/floxマウスは産まれにくい事が明らかになった。現在交配を進めて個体数を増やしている。前年度は、抗生物質の投与によりマウス盲腸内の腸内細菌clostridiales、グルタミン酸及び酪酸が減少し細胞増殖が低下することが明らかになった。本年度は、上皮細胞のアポトーシス亢進を見出した。これらによって腸管内のバリア機能が低下し便潜血に至ったと考えられた。この研究成果を英文の原著論文として発表した。抗菌ペプチドSLPIの腸管組織における機能解析では、連携研究者の竹田潔博士より分与いただいたSLPI欠損マウスをC57BL/6系統に戻し交配した後、DSSを投与して腸炎を誘導したところ、体重減少、Disease Activity Indexスコアと炎症性サイトカイン(IL-6, TNFα, IFNγ)の上昇はSLPI欠損マウスで有意に亢進した。また、腸管組織の粘膜下層への炎症細胞と形質細胞の浸潤が顕著であることも明らかになった。一方、rSLPIによるIBDの病態改善効果を検討するため、大腸菌発現ベクターにマウスSLPI遺伝子をクローニングしタンパク質の産生を試みたところ、大腸菌の増殖が抑制されrSLPIは得られなかった。ケモカインCCL20の解析では、CCL20欠損マウスの主要臓器におけるリンパ球の解析を行ったところ、脾臓、胸腺及び小腸パイエル板のリンパ球には大きな変化は認められないものの、パイエル板の面積及び重量が有意に低下していた。CCL20欠損マウスにDSS腸炎を誘導したところ、著しい大腸粘膜構造の破壊、杯細胞の消失、粘膜下層や粘膜固有層への細胞浸潤が観察された。SLPI欠損マウス及びCCL20欠損マウスにおけるDSS腸炎は、野生型マウスに比べ、炎症性サイトカインの亢進を伴い増悪した。今後、腸管組織の恒常性に重要な制御性T細胞やTh17細胞、IgA産生B細胞の割合や局在を調べる。また、腸管内容物中の代謝産物等もGC-MSを用いて解析する。更に、メタゲノム解析により腸内細菌叢の変化を解析する。また、DSS腸炎モデルに加えトリニトロベンゼンスルホン酸(TNBS)による腸炎モデルも検討する。腸管組織におけるSLPI及びCCL20の誘導機構を個体レベルで明らかにするため、今後、腸管特異的TRAF6欠損マウスの個体数を増やし腸管におけるSLPI及びCCL20の発現レベルをリアルタイムPCR法、ウエスタンブロット法、免疫組織化学法によって解析する。また、DSSやTNBSによる腸炎を誘導したときの、SLPI及びCCL20の発現レベルも解析する。更に、CCL20の受容体であるCCR6の欠損マウスもCRISPR/Cas9システムを用いて作製する。CCR6欠損マウスについても同様に腸炎モデルの解析を行う。また、CCR6の発現が低下しているTRAF6欠損Th17細胞の腸管へのホーミングを調べるため、Rag2欠損マウスへのT細胞移入実験を行う。大腸菌発現ベクターによるマウスrSLPIの発現効率を改善するため、コンピテントセルの検討を行う。また、昆虫細胞発現ベクターにSLPI遺伝子を導入した系でもタンパク質発現を検討する。rSLPIが得られたら、SLPI欠損マウスや野生型マウスにDSSやTNBSを投与して誘導した腸炎に対して、rSLPIを胃管投与することで腸炎を改善できるか検証する。本研究は、炎症性腸疾患(IBD)の病態に重要な役割を果たすシグナル伝達分子TRAF6に着目し、そのT細胞および腸管上皮細胞での役割を明らかにすることを目的とする。

まず、T細胞内のTRAF6がTh17細胞の腸管への遊走能に与える影響を明らかにする。次に、腸上皮細胞株を用いた予備実験でTRAF6シグナル依存的に発現が誘導されたケモカインCCL20,抗菌ペプチドSLPIの発現を腸上皮特異的TRAF6欠損マウスを用いた動物実験で検証する。さらに、CCL20, SLPIの機能を遺伝子欠損マウスで検証する。T細胞でのTRAF6の役割を明らかにするため、T細胞特的TRAF6欠損マウスを用いて解析し、ケモカイン受容体であるCCR6の発現レベルがTh17細胞上で著しく低下していることを見出した。同様の結果をTRAF6欠損T細胞株でも確認した。さらに、レポーターアッセイによりCCR6プロモターがTRAF6シグナルによって活性化することも見出した。CCR6は腸管で強く発現するケモカインCCL20の受容体であることから、腸内でのT細胞局在に影響することが示唆される。次年度ではこれを明らかにする。また、腸上皮特異的TRAF6欠損マウスを作製するためのCreドライバーマウスを理研バイオリソースセンターより導入したが、Creの発現が腸管以外でも観察され、特異性に問題があることが明らかとなった。そこで、Jackson LaboratoryのVil1-Creマウスを導入し、TRAF6 floxマウスとの掛け合わせを行なった。また、SLPI欠損マウスを研究協力者より分与いただき、ノックアウトマウスの掛け合わせを進めた。さらに、CRISPR/Cas9システムを用いてCCL20欠損マウス、CCR6欠損マウスを独自に作製し、変異マウスを得ることができた。初年度では、以下の進捗があり、おおむね順調に進展していると判断した。CCR6は腸管で強く発現するケモカインCCL20の受容体であることから、腸内でのT細胞局在に影響することが示唆された。さらに、CRISPR/Cas9システムを用いてCCL20欠損マウス、CCR6欠損マウスを独自に作製し変異マウスを得ることができた。本研究は、腸炎の新たな分子機構の解明を目的とし、炎症性腸疾患(IBD)の病態に重要な分子の生理機能を解析する。前年度では、抗生物質(アンピシリンとバンコマイシン)を投与したマウスの盲腸で、i)腸管上皮のエネルギー源となるグルタミン酸や酪酸の減少、ii)短鎖脂肪酸を産生するclostridialesの減少、iii)上皮細胞の増殖能低下、iv)
学習者・エージェント融合型遠隔学習システムに関する研究

本研究は,ネットワークのもつ遠隔教育性・柔軟性を利用し,さらに教える側が自ら良質なコンテンツを豊富かつ対話的に提供できるようなインストラクションデザイン環境を実現する.提案するシステムは,対面型での学習の場での議論の活用,ネットワークを用いた場合での活用である.14年度3月に科学博物館で行う実践では、その有効性と反省点を踏まえて、CoBIT(Compact Battery-less Information Terminal)を用いた音声情報により、そのままでは子供達が比較的親しみにくい展示物に対して子供達の注意をより引きつけるとともに、展示物に関係するメインとなるテーマをPDA(Personal Digital Assistant)上にて、子供達がインタラクティブに操作できるアニメーションにて展示物の内容をより理解しやすい形で提供し、博物館における子供達の経験を高めるツールを提案する。本システムPi__bookはビジュアルと効果音を用いて館内のテーマとなっている複雑な科学的現象を子供達に理解しやすい形に可視化し、形式にとらわれない「楽しい理解」へと導くことを目的として設計されている。Pi__bookはPDAとCoBITの2つのデバイスを利用したツールであり、子供達にはこの2つのデバイスを貸し出し、館内を探索してもらう。PDAではMacromedia Flash Playerがあらかじめインストールされており、これを利用して子供達がインタラクティブに操作できるアニメーションを提供することができる。
反応拡散ダイナミクスを利用して情報処理を行う結合量子ドット集積デバイス

反応拡散系とは、反応現象と拡散現象が混在した非平衡状態の化学反応系のことである。自然界で見られる生き生きとしたダイナミクス---たとえば秩序やリズムの発生,いろいろな形や模様の成長,生命現象に現れる各種の自己組織化---などは反応拡散系が示す挙動の典型例である。秩序ある時空間パターンの自律生成という反応拡散系の性質を電子デバイス上で模倣して画像情報処理や自律分散制御を行うために、以下の提案と確認を行った。反応拡散系の構成要素は「非線形振動を発生する反応セル集合体」と「反応セル間に働く相互作用」である。これを電子回路で模倣するために、量子ドット集積構造を利用した単電子回路の非線形振動セルを用いることを提案した。すなわち量子ドットと基板との間にトンネル接合をつくり、その量子ドット回路に多重トンネル接合でバイアス電流を流す。クーロンブロッケードが成立する温度のもとで、量子ドット回路は単電子トンネル振動を生じて非線形振動セルとなる。そして、トンネル待ち時間による遅れを利用したキャパシタ結合により拡散に類似した振動セル間相互作用を発生させる。以上の構成による二次元の量子ドット反応拡散デバイスを設計し、その上に現れる電位の時空間パターンをシミュレーションで確認した。回路パラメータと初期条件に依存して様々なパターン、たとえば細胞性粘菌が描く螺旋パターンや細胞の分裂に類似した増殖パターンなどが見られた。これらのダイナミクスは、化学的な反応拡散系のダイナミクス、さらには生命現象の中に現れるダイナミクスに類似したところがある。らせんや分裂増殖などのパターンの成長は、動作途中に外から操作を受けることなくデバイス自身が作り出すものである。これは生命現象における自己組織化などの挙動に類似している。したがって、量子ドット反応拡散デバイスは生体機能を模した新しい情報処理デバイスへの応用が期待できる。反応拡散系とは、反応現象と拡散現象が混在した非平衡な化学反応系のことを言う。秩序ある時空間パターンの自律生成という反応拡散系の性質を利用して並列画像処理や自律分散制御を行うために、第一段階として以下の提案と確認を行った。反応拡散系の構成要素は、非線形振動によるリズムを発生する反応セルである。単電子回路で非線形振動セルをつくるために量子ドット構造を利用する。振動の非線形特性は回路パラメータによって異なる。利用できる製作プロセスのもとで、情報処理に必要な非線形特性が生じるように量子ドット構造を設計した。隣接する量子ドット非線形振動セルを結合して共鳴や引込みの現象を生じさせる。本来の反応拡散系では化学物質の拡散が結合の役割を演じている。一方、量子ドット反応拡散系では、拡散現象に類似した電子的な結合が必要になる。その方法としてドット間をキャパシタ結合することを考えた。キャパシタ直接結合で負の結合(抑制結合)が得られ、仲介振動子を介したキャパシタ間接結合で正の結合(協調結合)が得られる。なお反応拡散系の動作を得るためには結合に「遅れ要素」が必要となるが、これはトンネル待ち時間の効果によって自然に導入できる。以上のキャパシタ結合を量子ドット集積体上に実現するためのデバイス構造を設計した。計算機シミュレーションにより、反応拡散系としての非線形ダイナミクスが発現することを示した。反応拡散系とは、反応現象と拡散現象が混在した非平衡な化学反応系のことである。自然界で見られる生き生きとしたダイナミクス-

たとえば秩序やリズムの発生,いろいろな形や模様の成長,生命現象に現れる各種の自己組織化-などは反応拡散系が示す挙動の典型例である。秩序ある時空間パターンの自律生成という反応拡散系の性質を電子デバイス上で模倣して画像情報処理や自律分散制御を行うために、以下の提案と確認を行った。反応拡散系の構成要素は「非線形振動を発生する反応セル集合体」と「反応セル間に働く相互作用」である。これを電子回路で模倣するために、量子ドット集積構造を利用した単電子回路の非線形振動セルを用いることを提案した。すなわち量子ドットと基板との間にトンネル接合をつくり、その量子ドット回路に多重トンネル接合でバイアス電流を流す。クーロンブロッケードが成立する温度のもとで、量子ドット回路は単電子トンネル振動を生じて非線形振動セルとなる。そして、トンネル待ち時間による遅れを利用したキャパシタ結合により拡散に類似した振動セル間相互作用を発生させる。以上の構成による二次元の量子ドット反応拡散デバイスを設計し、その上に現れる電位の時空間パターンをシミュレーションで確認した。回路パラメータと初期条件に依存して様々なパターン、たとえば細胞性粘菌が描く螺旋パターンや細胞の分裂に類似した増殖パターンなどが見られた。これらのダイナミクスは、化学的な反応拡散系のダイナミクス、さらには生命現象の中に現れるダイナミクスに類似したところがある。らせんや分裂増殖などのパターンの成長は、動作途中に外から操作を受けることなくデバイス自身が作り出すものである。これは生命現象における自己組織化などの挙動に類似している。したがって、量子ドット反応拡散デバイスは生体機能を模した新しい情報処理デバイスへの応用が期待できる。
青色発色する金属複合体植物色素の構造解析

目的:本研究では、金属複合体を形成する植物花弁中の青色色素(ツユクサ、ヤグルマギク、サルビア)の構造を、X線結晶構造解析により原子レベルで明らかにする。最近、我々はヤグルマギク色素が分子量約9000Daの複合体であり、単独では赤いアントシアニンに鉄、マグネシウム、カルシウムの3種類の金属イオンとフラボンと呼ばれる有機物(ゴピグメント)が結合した構造をとることで青色を発色していることを示した(Structure of the blueconflower pigment, Shiono, M., Matsugaki, N., and Takeda, K.,Nature 436,791,2005)。ツユクサ,サルビアについて高分解能のX線結晶構造解析を試み、立体構造を明らかにするとともに、発色機構や安定性と構造との関連について共通性と特異性を見出す。成果:ツユクサ青色色素の超高分解能構造解析ツユクサ色素結晶の回折データ収集を、高エネルギー加速器研究機構放射光施設(フォトンファクトリー)で行った。波長0.7オングストロームを用い、分解能0.7オングストロームを越える超高分解能の回折データの収集に成功した。ツユクサ色素はこれまでマグネシウムイオン2個とアントシアニン、フラボンそれぞれ6分子で複合体をつくるとされていたが、色素の外側に更に2個のマグネシウムイオンが存在することが明らかになった。ツユクサは結晶化条件いより、monoclinic, trigonal, rhombohedralなど異なる結晶系で結晶化するが、外側の2個のマグネシウムイオンの配位の仕方がそれぞれ異なる。また、アントシアニン中のマロン酸が構造的に揺らいでいることが明らかになった。本研究では、金属複合体を形成する植物花弁中の青色色素(ツユクサ、ヤグルマギク、サルビア)の構造を、X線結晶構造解析により原子レベルで明らかにする。最近、我々はヤグルマギク色素が分子量約9000Daの複合体であり、単独では赤いアントシアニンに鉄、マグネシウム、カルシウムの3種類の金属イオンとフラボンと呼ばれる有機物(コピグメント)が結合した構造をとることで青色を発色していることを示した(Structure of the blue cornflowerpigment, Shiono, M., Matsugaki, N. and Takeda, K., Nature 436, 791, 2005)。ツユクサ、サルビアについて高分解能のX線結晶構造解析を試み、立体構造を明らかにするとともに、発色機構や安定性と構造との関連について共通性と特異性を見出す。1.ツユクサ青色色素の精製・結晶化に関して以下を行った○天然型ツユクサ色素の精製、結晶化○より高純度のアントシアニンを用いて再合成された色素複合体の精製、結晶化○色素複合体の核であるマグネシウムを他の金属原子(Ni、Cdなど)で置換した置換体の合成、精製、結晶化○生理条件に近い結晶化条件(弱酸性条件)化での結晶化(天然型)2.ツユクサ青色色素結晶のX線結晶構造解析ツユクサの色素結晶を高エネルギー加速器研究機構・放射光施設に持ち込み、1Åを超える高分解能でのX線回折データ収集を行った。天然型や再合成置換体を用いたX線結晶構造解析により、色素複合体中心の複核以外に金属占有サイトが存在することが明らかになった。金属占有サイトの構造の精密化を行い、ヤグルマ青色色素の構造との比較、発色機構や安定性と構造との関係などを中心に研究を進めている。
cDNAの大腸菌発現によるダニアレルゲン群の分子種構成の解析

ダニアレルギ-では、患者によるアレルギ-の原因となるアレルゲンが異なること、更に、個々のアレルゲン分子は、いずれも糖蛋白質であり、それぞれのエピト-ブは蛋白部分にあることが、私達の研究で明かとなっている。そこで、本研究では、多数のダニアレルギ-患者に対してアレルゲンとして機能する新規な抗原分子をコ-ドする遺伝子をクロ-ニングし、アレルゲン分子種の実態を解明しようとした。(1)クロ-ニングし全塩基配列を決定した新規ダニアレルゲン遺伝子を、発現ベクタ-に連結し、βーグルコシダ-ゼ融合蛋白質としてダニアレルゲンを発現させた。このアレルゲン遺伝子を3'ーおよび5'ー末端から欠損させると活性発現に必須な領域が2ヶ所存在した。そのうちのアミノ酸12残基をコ-ドする下流領域が喘息患者の特異1gEと強く反応した。この領域に点変異を導入すると、このエピト-プであるアミノ酸を中心にして、患者に依って認識する近傍アミノ酸が異なることがわかった。また、この領域を化学合成したペプチドにも、喘息患者の特異1gG、1gEとの強い反応性がみられたが、好塩基球からヒスタミン遊離能がみられないことにより、この合成エピト-プ含有ペプチドは1価であることがわかった。現在、多価にしてヒスタミン遊離能の確認と免疫原性について検討中である。(2)このアレルゲンの量産化のためには、インクリュジョンボディを形成するβーグルコシダ-ゼ融合蛋白質では、この精製に問題がある。そこで、可溶性融合蛋白質を生成するとされているグルタチオンSートランスフェラ-ゼ融合蛋白質として大腸菌でアレルゲンを発現させたが、同様に不溶性であった。しかし、この融合蛋白質を可溶化した後、トロンビンで水解してグルタチオンアフィニティカラムでアレルゲンを回収することに成功している。現在、可溶融合蛋白質を得る方法を検討中である。
計算科学に基づく新奇原子層物質複合系の物性解明と物質設計

本研究では、量子論に立脚した計算物質科学の手法を用いて、各種原子層物質ならびに原子層物質と異種物質とからなる複合系の基礎物性の解明を行い、そこで得られた知見を基盤として、各種産業応用に資する原子層物質とデバイス構造の探索をおこなった。本年度は、グラフェンの実デバイス応用において本質となる、グラフェンの微細加工技術基盤の構築のため、グラフェン端のエネルギー安定性と電子物性の端形状依存性の解明をおこなった。その結果、グラフェンはアームチェアと呼ばれる端形状をエネルギー的に選択的に好み、アームチェ形状に近い端形上の下ではそのエネルギー安定性はあまり端形状に依存しないことを明らかにした。一方、ジグザク型の端形状をを有する端はエネルギー的に不安定であり、ジグザグ形状を多く有する端では、エネルギー安定性が端の形状に強く依存することが明らかになった。また電界を印加することによりジグザグ型の端形状が安定化されることも明らかにし、電界による端形状制御の可能性をあきらかにした。六方晶窒化ホウ素(h-BN)中に埋め込まれたグラフェン断片の磁気的特性の解明をおこない、埋め込まれたグラフェン断片が、その形状、ヘテロ界面(線)を構成する原子種に依存して多様なスピン分極状態を取ることを明らかにした。さらに、グラフェンドメイン間の分極スピン相互作用がシングレット的に作用すること、その有効距離が概ね1nmであることを明らかにし、h-BNとグラフェンからなるヘテロ構造の応用可能性を提示した。2層グラフェンのデバイス応用について、我々は、片面に欠陥を有する2層グラフェンに着目し、その電子構造計算を行い、片面が完全な蜂の巣ネットワークを保持しているにもかかわらず、層間相互作用により2層グラフェンが半導体化することを明らかにし、半導体化グラフェン実現んの新たな方策を提示した。27年度が最終年度であるため、記入しない。本研究では量子論に基づく計算科学の手法を用いて、種々の原子層物質と種々の広義異種物質とから形成される複合構造体の基礎物性の解明を行い、そこで得られた知見を基に、原子層の関わる複合界面科学構築の糸口の提示と、原子層物質を用いた機能性デバイスの設計指針の提示をおこなうことを目的とする。初年度は、まず、電界下におけるナノグラフェンリボンの電子物性の解明をおこなった。グラフェンリボンに対して平行電界を印加すると、端形状に依存した得意な遮蔽現象が発現する。すなわち、ジグザグリボンでは端近傍において電界に対する過遮蔽現象が発現するのに対して、アームチェアリボンでは結合交代に起因する階段状の電界遮蔽がリボン中において見られることが明らかになった。さらに、横電界下においてリボンの外側にリボン端に平行に分布する自由電子状態が電界を強くすると低エネルギーシフトし電子注入が可能であることも明らかにした。つぎに、3つの5員環(アセペンタレン構造)から構築される、新奇2次元炭素シートの物質設計と物性解明を行った。その結果、この新規2次元炭素シートがエネルギー的に非常に安定であることを示し、さらに、端や欠陥を有さない完全位飽和したsp2炭素ネットワークにもかかわらず、スピン分極を示す可能性があることを示した。すなわち、全炭素原子からなる2次元の強磁性シートの可能性を提示した。最後に、欠陥を有するCNTのFET構造中における電荷蓄積機構の理論的解明を行った。ここでは、各種欠陥を有するCNTに対して電界印加によりキャリア注入を行い、キャリア注入に要するゲート電界と欠陥の種類、CNT配向の間の相関を調べた。その結果、CNT中の欠陥はCNTに対して内部電界を誘起し、外部電界と競合/強調することによりCNT配向に応じたキャリア注入に要するゲート電界のばらつぎが存在することを明らかにした。

2層グラフェンのデバイス応用について、我々は、片面に欠陥を有する2層グラフェンに着目し、その電子構造計算を行い、片面が完全な蜂の巣ネットワークを保持しているにもかかわらず、層間相互作用により2層グラフェンが半導体化することを明らかにし、半導体化グラフェン実現んの新たな方策を提示した。電界下におけるナノグラフェンリボンの電子物性に対する知見の蓄積、各種欠陥を有するsp2ネットワーク物質の基礎物性の解明を行った。その結果、複合構造形成によるこれら原子層物質の物性の変調を明らかにする。一方、カルコゲナイド系原子層物質複合構造に対する基礎的な知見も得られつつあり、当初計画に沿った研究の進展が得られている。27年度が最終年度であるため、記入しない。複合構造体の基礎物性解析の結果を基盤として、高次複合構造体、すなわち、デバイス構造を念頭に置いて、原子層物質/異種物質基板/外部電界、金属電極/原子層物質/絶縁体基板といった3要素以上からなる複合構造体に着目し、その基礎物性を第一原理計算によりおこない、デバイス設計指針の提示に必要な知見の蓄積を行う。その知見を統合することにより原子層新奇デバイスの設計指針の理論的提示を行う。さらに、種々の原子種を用いて、新規2次元原子層物質の物質設計を行う。特に、炭素に着目し、その蜂の巣ネットワーク構造へのトポロジカルな欠陥の導入により、磁性等の新たな物性発現が期待される原子層物質の物質設計を量子論に立脚した第一原理電子状態計算の手法を用いて行う。原子層物質の物質設計については、原子層物質のネガ版と看做すことが出来る、原子空孔からなる原子層状物質の物質設計も同時に行う。特に、半導体表面に構築されたダングリングボンドが、そのネットワーク形状に依存した特異な電子物性を発現させることに着目した物質設計をトポロジカル、第一原理的手法を相補的に用いて実施する。
離散的な平均曲率一定曲面のクラスの広がり

今年度の前半に、Tim Hoffmann氏と佐々木武氏と吉田正章氏の協力を得て、双曲空間内の離散的な平坦曲面の定義を与えた。その定義に関して、事前に定義された双曲空間内の離散的な平均曲率1を持つ曲面との正しい関係があることを確認した。そのために、Galvez氏とMartinez氏とMilan氏の変分を用いた。その離散的な平坦曲面のcausticの定義も与えて、そのcausticの性質を調べた。今年度の後半に、Fran Burstall氏とUdo Hertrich-Jeromin氏の協力を得て、リー球面幾何学のアプローで双曲空間内の平坦曲面を調べるために、曲面のクラスをOmega曲面のすべてに広げたほうが良いことがわかってきた。そうすると、接続の考え方が使え、またOmega曲面の集合の中から平坦曲面を選ぶために0位の保存量を用いた判定条件が得られた。平均曲率1の曲面を選ぶためにも、linearWeingarten surfaces of Bryanttypeを選ぶためにも、それぞれの対応している保存量による判定条件があることを証明した。さらに、接続と保存量の考え方を用いて、その曲面を離散化する方法が明確になった。その離散化が前に定義された離散的な平均曲率1曲面と整合性があるかを確かめた。また、神戸大学の院生の木ノ下祐輔氏の協力を得て、3次元Minkowski空間内の離散的な空間的平均曲率一定曲面の定義を見つけた。そして、ユークリッド空間内の離散的な平均曲率一定曲面について、1位の保存量によって定義されている離散的なガウス写像が、一般的には、離散的な調和写像にならないことを証明した。この研究により得られた結果は以下の通り。可積分系的な保存量に着目するアプローチにより離散的な平均曲率一定曲面が定義できた。これまでは、ambient空間によっては、そのような曲面は考えられなかったが、保存量を用いることで可能になった。この定義による、ambient空間はユークリッド空間でも球面空間でも双曲空間でも良い。そして、平均曲率Hは任意な実数の定数にとれる。この定義を採用してから、以下の結果を得た:1.離散的な平均曲率一定曲面のクラスより広い、多項式の保存量を持つ曲面のクラス(special surfaces)を定義した。3.離散的な平均曲率が一定の回転面の具体的な構成の仕方を発見した。4.離散的なspecialsurfaceのDarboux変換はまたspecial surfaceになる。そして、Darboux変換の方で保存量の多項式のorderは高々1しか増えない。6.法線ベクトルを持つ離散的なisothermic surfaceがあるとき、その法線ベクトルは自然な条件を持つ場合にorderが1か2の保存量が存在すると証明した。したがって、special surfaceになる。Order1の場合に離散的な平均曲率一定曲面になる。Ambient空間がpositive definiteではない場合にも、離散的な平均曲率一定曲面の定義と結果を調べた。特に、ambient空間がミンコーフスキ空間とド・ジッター空間の場合を調べた。これは研究中である。以上の結果は学術雑誌に投稿中である。本研究の目的は、離散的な曲面のクラスを広げることである。昨年度、Fran Burstall氏とUdo Hertrich Jeromin氏とSusana Santos氏との共同研究で題名「Discrete surfaces of constant mean curvature」なる論文の完成に至った。その仕事により保存量の有用性と使い方が解明された。その研究に依り、今年度は双曲空間内の離散的な平坦曲面の研究が発展した。1. Tim Hoffmann氏、佐々木武氏、吉田正章氏との共同研究として、可積分系の立場から、双曲空間内の平坦曲面の離散化を調べた。そのような曲面はisothermicではないが、fundamental quadrilateralのconcircularityを証明した。この立場で,平坦曲面だけではなく、linear Weingarten曲面も離散化できることを発見した。2.上の平坦曲面の離散化を考えながら、滑らか曲面の場合にも以下のようにできることが気がついた。Udo Hertrich-Jeromin氏とFran Burstall氏との共同研究として、Lie球面幾何学の立場から双曲空間内の平坦曲面を研究した。Weierstrass表現よりゆるい立場であるが、代わりにより広い曲面のクラスに当てはめることができる。以上の結果は学術雑誌に掲載が決定している。

さらに、接続と保存量の考え方を用いて、その曲面を離散化する方法が明確になった。その離散化が前に定義された離散的な平均曲率1曲面と整合性があるかを確かめた。また、神戸大学の院生の木ノ下祐輔氏の協力を得て、3次元Minkowski空間内の離散的な空間的平均曲率一定曲面の定義を見つけた。そして、ユークリッド空間内の離散的な平均曲率一定曲面について、1位の保存量によって定義されている離散的なガウス写像が、一般的には、離散的な調和写像にならないことを証明した。
安定な高周期14族元素集積二重結合化合物の合成と反応

前年度研究代表者はトリゲルマアレンR_2Ge=Ge=GeR_2(1,R_2=1,1,4,4-テトラキス(トリメチルシリル)ブタン-1,4-ジイル基)の二重結合が容易に解離を起こすことを見出している。これは中間に新規な二価化学種であるジゲルマビニリデンR_2Ge=Ge(2)が生成することを示唆しているが、直接的な捕捉生成物は得られていなかった。本年度はジゲルマビニリデン2の捕捉と2を利用した新規な不飽和化合物へと誘導を試みた。また、以前に研究代表者が合成した1,3-ジゲルマシラアレンR_2Ge=Si=GeR_2(3)の二重結合解離についても研究した。トリゲルマアレン1とトリエチルシランとの反応を行った。その結果、ジゲルマビニリデン2にトリエチルシランが2分子付加した生成物R2Ge(H)-GeH(SiEt_3)_2(4)が収率よく得られた。これは1の二重結合解離によるジゲルマビニリデン2の生成の直接的な証拠となる。また、ジアルキルシリレンR2Si:(5)との反応では2,3-ジゲルマシラアレンR_2Si=Ge=GeR_2(6)を生成することがNMRおよびマススペクトルから明らかになった。ジゲルマビニリデン2を利用して非対称型のトリメタラアレンへ誘導することに成功した。1,3-ジゲルマシラアレン3とジアルキルシリレン5との反応ではトリシラアレンR_2si=si=siR_2(7)が収率良く生成することが各種NMRから明らかになった。理論計算から3の二つの二重結合が同時に切断されるよりも、段階的に解離する経路のほうが有利であることが示された。これらの結果から1,3-ジゲルマシラアレン3もトリゲルマアレン1と同様に二重結合解離により1-シラゲルマビニリデンR_2Ge=Si(8)を生成することを見出した。高周期14族元素多重結合化学種は通常は容易に多量化を起こす不安定中間体である。これらの多重結合化学種を安定に合成するためには嵩高い置換基による立体保護が必要である。研究代表者は以前嵩高い置換基により安定化されたトリゲルマアレンR_2Ge=Ge=GeR_2(1,R_2=1,1,4,4-テトラキス(トリメチルシリル)ブタン-1,4-ジイル基)の合成に成功しているが、本年度はこれを利用して新規な不飽和化合物へ誘導することを試みた。トリゲルマアレン1への14族元素二価化学種の付加反応によるトリメチレンメタンのゲルマニウム類縁体合成の試みでは目的のトリメチレンメタン類縁体は得られなかったが、興味深い知見が得られた。トリゲルマアレン1と溶液中、安定なゲルミレンDis_2Ge:(2,Dis=ビス(トリメチルシリル)メチル基)との反応を行った。その結果、ゲルミレン2とR_2Ge:(3)が交換したトリゲルマアレンDis_2Ge=Ge=GeDis_2(4)を生成することが各種NMRおよび水による捕捉から明らかになった。この結果は1のGe=Ge二重結合の切断により、ジゲルマビニリデンR_2Ge=Ge(5)が生成することを示唆している。1が容易にGe=Ge二重結合の切断を起こす理由について理論計算により考察した。その結果、トリゲルマアレンの二重結合解離エネルギーは孤立Ge=Ge二重結合種(ジゲルメン)と同程度であり、嵩高いアルキル置換基を持つジゲルメンが容易に解離するのと同様にトリゲルマアレン1の場合も二重結合解離を起こしたと考えられる。トリゲルマアレン1は容易に二重結合が解離して新規なゲルマニウム二価化学種であるジゲルマビニリデンが生成することを見出した。

1,3-ジゲルマシラアレン3とジアルキルシリレン5との反応ではトリシラアレンR_2si=si=siR_2(7)が収率良く生成することが各種NMRから明らかになった。理論計算から3の二つの二重結合が同時に切断されるよりも、段階的に解離する経路のほうが有利であることが示された。これらの結果から1,3-ジゲルマシラアレン3もトリゲルマアレン1と同様に二重結合解離により1-シラゲルマビニリデンR_2Ge=Si(8)を生成することを見出した。
磁気軸受を用いたアクティブ形高速バランサーの開発に関する研究

各種産業用回転機械はますます小型化,軽量化が進む一方,高速化が進んできている.このような状況では振動防止のために剛性ロータのみならず弾性ロータのつりあわせを,今まで以上に精密に行うことが必要となってきた.従来のバランサは,剛体モードの振動を計測し,不つりあいを2面で同定し,つりあわせ修正を行う.これはダイナミックバランスと呼ばれ,工場内での製造過程で使われる.さらに出荷後,現地で振動が大きい場合にはフィードバランスによりつりあわせを行ってきた.一般にこのフィールドバランスは大規模となり,手間を要し,費用がかさむ.そこで,工場の製造過程においてもっと高速まで回転させ,弾性モードをも容易につりあわせることができる迅速処理のロータバランサが望まれる.本研究では上のような弾性ロータバランサの開発を目的とするものである.つりあわせの方法としては共振点付近でロータ自体を加振器をアクチュエータとして加振制御し,そのときのロータに加えた加振力の大きさと位相を較正し,不つりあいを同定することで,つりあわせを行う.この研究では加振力,位相をマニュアルで制御した実験と,さらにこれを自動的に行うように発展させたフィードフォワード加振システムを理論的,実験的に行った.各種産業用回転機械はますます小型化,軽量化が進む一方,高速化が進んできている.このような状況では振動防止のために剛性ロータのみならず弾性ロータのつりあわせを,今まで以上に精密に行うことが必要となってきた.従来のバランサは,剛体モードの振動を計測し,不つりあいを2面で同定し,つりあわせ修正を行う.これはダイナミックバランスと呼ばれ,工場内での製造過程で使われる.さらに出荷後,現地で振動が大きい場合にはフィードバランスによりつりあわせを行ってきた.一般にこのフィールドバランスは大規模となり,手間を要し,費用がかさむ.そこで,工場の製造過程においてもっと高速まで回転させ,弾性モードをも容易につりあわせることができる迅速処理のロータバランサが望まれる.本研究では上のような弾性ロータバランサの開発を目的とするものである.つりあわせの方法としては共振点付近でロータ自体を加振器をアクチュエータとして加振制御し,そのときのロータに加えた加振力の大きさと位相を較正し,不つりあいを同定することで,つりあわせを行う.この研究では加振力,位相をマニュアルで制御した実験と,さらにこれを自動的に行うように発展させたフィードフォワード加振システムを理論的,実験的に行った.
新型多価不飽和脂肪酸によるコレステロ-ル代謝の調節

1.新型多価不飽和脂肪酸(PUFA)の脂質代謝調節機能(1)Biota orientalis(中国産Biota)種子油中の5c、11c、14c、17c-20:4及び5c、11c、14c-20:3酸の効果:予め必須脂肪酸欠乏状態にしたラットに20:4酸を10日間経口投与し、通常の多価不飽和脂肪酸と比較検討した。組織脂質の脂質酸組成の変化からこの脂肪酸は必須脂肪酸としての機能を有し、かつ脂質、とくに血清および肝臓のトリグリセリド濃度低下効果に優れることを認めた。ついで、PUFAの総量を同じくした油脂[紅花油、アマニ油、Biota油(20:4 8.9%、20:3 4.4%含有)]を10%レベルで含む高コレステロ-ル(CHOL)食で24日間の飼育実験を行い、Biota油はラット血漿CHOL及び肝臓トリグリセリド(TG)濃度の上昇を有意に抑制した。ADPによる血小板凝集にも影響しなかった。両実験の結果から、Biota種子油はプロスタグランジン産生に影響することなしに優れた脂質代謝改善効果を有することが指摘された。(2)Pinus Koraiensis(韓国産松実)種子油中の5c、9c、12c-18:3酸の効果:上記と同様な条件下で松実油(18:3 17.7%含有)の効果を比較検討した。松実油のラット血漿CHOL濃度上昇抑制効果は中間的であったが、血漿及び肝臓TG濃度は低い傾向にあった。大動脈によるプロスタサイリン(PGI_2)の産生及びADP誘発血小板凝集の程度にも差はなかった。(3)5c、8c、11c、14c-19:4酸の代謝特性:19:4酸のラット単離肝臓灌流系における代謝効果をアラキドン酸と比較し、ケトン体産生、リポたん白質としての分泌の程度は高く、コレステロ-ル代謝にも特徴的影響を及ぼすことを認め、奇数酸の代謝特性の活用の可能性が示唆された。2.高速液体クロマトグラフィ-(HPLC)によるエイコサノイドの分析蛍光標識法[Prostaglandins、31:71(1986)]がラットにおいても代表的なエイコサノイドの分析に利用できることを確かめた。1.新型多価不飽和脂肪酸の脂質代謝調節能:中国産Biota orientalis種子から高速液体クロマトグラフィー(HPLC)を中心に特殊な二重結合配置を持つエイコサテトラエン酸(5C,11C,14C,17C-20:4)を高純度(96%)に調製し、予じめ無脂肪食で飼育し必須脂肪酸欠乏状態のラットに1日当り100mg、310日間経口投与し、種々の脂質パラメーターについてリノール酸、α-リノレン酸およびγ-リノレン酸と比較した。その結果、この新型脂肪酸は比較したいずれの脂肪酸より肝臓コレステロールおよびトリグリセリド濃度低下作用に優れ、血清脂質も低値を与える傾向にあることが認められた。しかし、動脈壁によるプロスタサイクリン、血小板によるトロンボキサンA_2産生に対する効果は他の脂肪酸と同等であった。

なお、これらエイコサノイドのHPLCによる測定の有用性についての基礎的成績が得られた。新型脂肪酸は組織脂質に取り込まれ不飽和化されたが、必須脂肪酸欠乏の改善効果はn-6系脂肪酸に匹敵した。2.灌流肝臓における新型多価不飽和脂肪酸の代謝:微生物によって産生された奇数炭素数多価不飽和脂肪酸(5C,8C,11C,14C-19:4)をラットの単離肝臓を用い灌流し、アラキドン酸(20:4)およびオレイン酸(18:1)と比較した。その結果、この奇数酸はケトン体への酸化速度はアラキドン酸より有意に高く、オレイン酸と同程度であったが、トリグリセリドとしての放出はアラキドン酸と同様に、オレイン酸より高かった。コレステロールの分泌もトリグリセリドの場合と類似した応答を示した。しかし、灌流後、肝臓コレステロール濃度は奇数酸で高い傾向にあった。19:4酸は肝臓において一部は長鎖不飽和化されたが、その程度はアラキドン酸の場合より著しいようであった。以上の結果は、非天然型多価不飽和脂肪酸の脂質代謝調節における特異的機能を示唆するものであり、系統的な研究の必要性を指摘した。1.新型多価不飽和脂肪酸(PUFA)の脂質代謝調節機能(1)Biota orientalis(中国産Biota)種子油中の5c、11c、14c、17cー20:4及び5c、11c、14cー20:3酸の効果:予め必須脂肪酸欠乏状態にしたラットに20:4酸を10日間経口投与し、通常の多価不飽和脂肪酸と比較検討した。組織脂質の脂肪酸組成の変化からこの脂肪酸は必須脂肪酸としての機能を有し、かつ脂質、とくに血清および肝臓のトリグリセリド濃度低下効果に優れることを認めた。ついで、PUFAの総量を同じくした油脂[紅花油、アマニ油、Biota油(20:4 8.9%、20:3 4.4%含有)]を10%レベルで含む高コレステロ-ル(CHOL)食で24日間の飼育実験を行い、Biota油はラット血漿CHOL及び肝臓トリグリセリド(TG)濃度の上昇を有意に抑制した。ADPによる血小板凝集にも影響しなかった。両実験の結果から、Biota種子油はプロスタグランジン産生に影響することなしに優れた脂質代謝改善効果を有することが指摘された。(2)Pinus koraiensis(韓国産松実)種子油中の5c、9c、12cー18:3酸の効果:上記と同様な条件下で松実油(18:3 17.7%含有)の効果を比較検討した。松実油のラット血漿CHOL濃度上昇抑制効果は中間的であったが、血漿及び肝臓TG濃度は低い傾向にあった。大動脈によるプロスタサイクリン(PGI_2)の産生及びADP誘発血小板凝集の程度にも差はなかった。(3)5c、8c、11c、14cー19:4酸の代謝特性:19:4酸のラット単離肝臓灌流系における代謝効果をアラキドン酸と比較し、ケトン体産生、リポたん白質としての分泌の程度は高く、コレステロ-ル代謝にも特徴的影響を及ぼすことを認め、奇数酸の代謝特性の活用の可能性が示唆された。2.高速液体クロマトグラフィ-(HPLC)によるエイコサノイドの分析蛍光標識法[Prostaglandins、31:71(1986)]がラットにおいても代表的なエイコサノイドの分析に利用できることを確かめた。
運動誘発性動脈血低酸素血症の防止策に関する研究

若年女性を対象に運動誘発性動脈血低酸素血症(EIAH)が高酸素ガスと高二酸化炭素ガスの吸入により軽減できるかを検討した.運動は自転車エルゴメータによる30秒間の全力スプリント運動と間欠的スプリント運動(全力運動10秒+休息120秒を3セット)とした。いずれの運動でも20%酸素吸入時に認められたEIAHが,30%酸素ガス,もしくは5%二酸化炭素を加えた20%酸素ガス吸入により軽減されたが,EIAHに対するこれらのガスの相加作用は認められなかった.若年女性を対象に運動誘発性動脈血低酸素血症(EIAH)が高酸素ガスと高二酸化炭素ガスの吸入により軽減できるかを検討した.運動は自転車エルゴメータによる30秒間の全力スプリント運動と間欠的スプリント運動(全力運動10秒+休息120秒を3セット)とした。いずれの運動でも20%酸素吸入時に認められたEIAHが,30%酸素ガス,もしくは5%二酸化炭素を加えた20%酸素ガス吸入により軽減されたが,EIAHに対するこれらのガスの相加作用は認められなかった.最近われわれは,女性では間欠的なスプリント運動や30秒間の一過性のスプリント運動により運動誘発性動脈血低酸素血症(EIAH)が惹起されることを報告している.一方,高酸素ガスの吸入は持続運動によるEIAHを改善することが知られているが,このような効果がスプリント運動でも適用されるかは不明である.そこで,本研究では,スプリント運動による女性のEIAHを高酸素ガス吸入により改善できるかどうかを検証した.被験者は健常な女子大学生9名(20.7±0.4歳)とした.運動は最大努力による30秒間のスプリント運動とした.運動負荷は各被験者の最大無酸素パワーを発生させる負荷の60%相当とした.実験は,常温常圧下で実施した.吸気酸素濃度は,20.9%の常酸素ガスと28%の高酸素ガスとし,被験者には実験条件をブラインドした.安静時,運動直後,および回復期に動脈血酸素飽和度(SpO_2),心拍数(HR),および血圧(BP)を測定した.SpO_2は運動終了後の30秒間は2秒毎に測定した.その結果,常酸素ガス吸入下では被験者9名中5名の者で運動直後のSp_O2が95%以下(軽度EIAH)となり,これ以下の状態が運動終了後も14秒にわたり持続された.一方,高酸素ガス吸入下では,同被験者のSpO_2が運動直後に正常値を示した.しかし,回復期にはSpO_2が漸減し4秒間ほど軽度EIAHの水準(SpO_2<95%)まで低下し,その後急速に回復した.被験者毎に求めた回復期におけるSpO_2の最低値は,常酸素下では90.8±1.5%と中等度のEIAH水準(SpO_2<92%)まで到達したのに対し,高酸素ガス吸入下では94.2±1.6%(p<0.05)と軽度のEIAHに留めることができた.このように吸入酸素濃度の条件により運動および回復期のSpO_2の動態に違いが認められたのに対し,生理応答は測定中一貫して同等であり,運動中の仕事量にも差は生じなかった.以上の所見より,28%の高酸素ガスの吸入はスプリント運動による女性のEIAHの一部を改善するが,運動および回復期の生理応答,さらに仕事量には影響しないことが示唆された今年度は,EIAHの抑制とともに運動パフォーマンスを改善するための方法論の確立をめざし,高濃度酸素ガスに低濃度二酸化炭素を添加した混合ガス吸入下におけるスプリント運動および回復期の生理応答を検討した.EIAHの発症経験がある女子大生(6名)では,20%酸素ガス(窒素バランス)吸入下での最大努力によるスプリント運動(30秒)により,運動直後の動脈血酸素飽和度が89%台まで低下したのに対し,30%酸素+5%二酸化炭素混合ガス(窒素バランス)と30%酸素ガス(窒素バランス)の吸入下での同運動では,運動直後の動脈血酸素飽和度が93%前後に留まった.ただし,30%酸素を単独配合したガスのみに安静値(98%)と統計学的な有意差が認められた.この結果は,EIAHの抑制には,高濃度酸素ガスよりも高濃度酸素ガスに二酸化炭素を添加した混合ガスの吸入が効果的である可能性を期待させる,また,20%酸素ガス吸入下での動脈血酸素飽和度は,運動後10秒前後で最低値(83%)を迎え,安静レベル(98%)までの回復には20秒程度を要したが,30%酸素を配合した2つのガス吸入下では最低値が90%台に留まり,安静レベルまでの回復は16秒前後にまで短縮された.このように,運動後の回復期における動脈血酸素飽和度の応答には高酸素ガスへの二酸化炭素の添加による差異は認められなかった.一方,運動中および回復期の心拍数,血圧,主観的運動強度といった生理応答の指標はいずれのガス吸入下でも同水準で推移し,運動時の総仕事量も同等だった.このことは仮説に反し,高濃度酸素ガスに二酸化炭素を添加した混合ガス吸入によっても運動パフォーマンスが改善しないことを示唆している.これらの結果には,今回の運動がスプリント運動であったことが影響した可能性が考えられる.今後は,用いる運動の種類を再検討する必要がある.20%酸素吸入下において30秒間の一過性スプリント運動により惹起される動脈血酸素飽和度(SpO2)の低下、すなわち運動誘発性動脈血低酸素血症(EIAH)は30%酸素ガス吸入により軽減される。5%二酸化炭素