hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
命名規約、タイプ標本および分子系統に基づく日本産ヒノキ科樹木寄生菌類の再検討

樹木に病害を引き起こす病原菌は3800種を優に越え、これら菌種の正確な種名は命名規約の下、樹木病理学上の病害防除のみならず、植物検疫制度、生物多様性条約でさらに重要性を増している。分子系統による分類体系再編や命名規約の変更に伴い、菌種の所属再検討が世界的に行われているが、日本では研究が進んでいない。また、我が国では、分子系統解析や病原性、病害リスクを検討する上で必要な分離菌株が存在しない種が多く、これらの研究も滞っている。そこで本研究では、日本産ヒノキ科樹木の寄生菌Phyllosticta属菌に着目し、研究の滞っている所属および病原性の再検討を目的として、病害標本の再収集と分離菌株の確立を行った。ヒノキ科樹木に寄生する日本産広義Phyllosticta属菌のタイプ標本、1都3県で採集された15科28属241標本および針葉樹3科20属27種から得られたPhyllosticta属菌、53分離菌株を用いて再検討を行った。その結果、既知種2種および本属に転属すべきPhoma pilosporaおよびPho. thujopsidisに加え、日本新産種Phy. spinarum、Phy. thujaeおよびPhy. paracapitalensisを確認し、ヒノキ科に寄生する日本産Phyllosticta属菌の菌類相を明らかにした。さらに、Phy. thujaeおよびPho. pilosporaのEpitypeに相当する命名規約上有効となり得る標本と分離菌株も確立した。推定された系統関係から、ヒノキ科由来のPhyllosticta属菌は複数の宿主属を含む5系統に分かれ、同じ宿主属に対して複数の種が寄生することが明らかとなった。さらに、形態的特徴および生育適温の違いが必ずしも系統関係と一致せず、そのうち2つの系統群は種複合体からなることを本属菌で初めて明らかにした。我が国におけるヒノキ科樹木を含む植物寄生菌類は、公表されてから100年を経過している種も存在し、分類基準の変更による種の再検討が必要であるものの、ほとんど手つかずの状態である。加えて、正確な菌類相が把握できないばかりか、世界的に見ても重要な植物寄生菌が含まれるにもかかわらず、病害防除上、分類学上、植物検疫制度上での混乱を来している。特に、東北の災害復旧に向けた多様な樹種の苗木生産現場では、病害診断にも深刻な影響がでると想定される。世界的にも多くの病害報告のある日本産ヒノキ科樹木の寄生菌に着目し、研究の滞っている菌の所属および病原性の再検討を目的として、病害標本の再収集と分離菌株の確立を行っている。<本年度の研究目的>本年度は、ヒノキ科樹木病害リスト作製、タイプ標本の形態学的特徴による再検討、標本・文献情報に基づく現地調査及び病害標本採集・タイプ標本の選定・創設および病原菌の分離・同定の研究を進める事とする。<本年度の研究結果>これまでの文献による調査から少なくとも我が国のヒノキ科樹木13属38種上に169属181種の糸状菌が確認されていることが明らかとなった。特に、我が国ではヒノキ科樹木に特異的寄生し、病害を引き起こすとされている病原菌Phyllosticta(=Guignardia)属菌は、種の再検討が必要であることが文献上の調査から明らかであった。これらの結果から、アスナロおよびヒノキアスナロに寄生するPhyllosticta属菌2種について着目し、タイプ標本の形態的特徴について観察を行ったものの明瞭な区別をつけることができなかった。一方、1都2県にて標本採集を行い、281標本を得た。その内、ヒノキ科樹木17属から9属菌33分離菌株の確立を行った。本研究では、世界的にも多くの病害報告のある日本産ヒノキ科樹木の寄生菌に着目し、研究の滞っている菌の所属および病原性の再検討を目的として、病害標本の再収集と分離菌株の確立を行う。平成28年度の研究では、我が国におけるヒノキ科樹木の病害・寄生菌のリストを作製し、少なくとも我が国には13属28種のヒノキ科樹木に169属181種の寄生菌が存在することが明らかとなり、また、植物病原菌Phyllosticta属菌は所属再検討が必要であることが確認された。このヒノキ科樹木に寄生し、再検討が必要と判断されたPhyllosticta属菌に着目し、タイプ標本の所在確認、形態的特徴の観察を行うと共に、タイプ標本の採集情報を基にした病害標本の収集を行った。これらの標本からPhyllosticta属菌の分離菌株が確立されたことから、次年度の課題である分離菌株を用いた病原性の確認に向けた準備が整った。一方、これらの分離菌株の一部から全DNA抽出を行い分子系統による系統学的位置の把握を行い、既知種以外に新たな種が存在することが示唆された。これらの結果は日本菌学会大会にて公表を行った。ヒノキ科樹木の病害・寄生菌のリストは更に詳細なデータや更新が必要であるものの、おおむね我が国のヒノキ科樹木に寄生する菌類を把握することが可能となった。また、植物病原菌Phyllosticta属菌のタイプ標本の確認・観察に加え、それらの分離菌株も確立できたことから、本年度の課題についてはほぼ計画通りに研究を進め、目的を達成した。従って、本年度の研究はおおむね順調に進展している。

我が国におけるヒノキ科樹木寄生菌類は、1878年以降に記載が始まり、これらの文献調査から少なくともヒノキ科樹木13属38種上に169属181種の糸状菌が確認されていることを明らかにした。特にヒノキ科樹木に特異的に寄生し、病害を引き起こすPhyllosticta属菌は種の再検討が必要であることが文献調査で明らかとなった。ヒノキ科樹木に寄生するPhyllosticta属菌の病害について、種の再同定・再検討、病原性、生理的諸性質、系統学的な位置の把握を行うために、昨年度に引き続き病害標本の収集および分離菌株の確立を行うと共に、病害リスクの検討を行うために病原性の把握を行った。<本年度の研究目的>昨年度に引き続き、文献の調査、病害標本の収集および分離菌株の確立を行うと共に、それらの病原性の確認、分離菌株のDNA抽出、分子系統解析による系統関係の位置の把握を行った。加えて、海外で分離され、日本国内では未報告のPhyllosticta属菌2種の分離菌株を輸入し、比較検討を行った。<本年度の研究成果>これまでに、東京都、神奈川県、愛知県および青森県の1都3県7調査区で調査を行い、ヒノキ科樹木を中心として15科28属241標本を採集した。そのうち、ヒノキ科樹木を含む針葉樹3科20属27種から、Phyllosticta属菌の一種と同定された53分離菌株を確立した。これらのPhyllosticta属菌の形態的特徴、生理的諸性質および分子系統解析から、他属からPhyllosticta属菌へ転属すべき種があることが明らかとなる一方で、日本新産種となるPhyllosticta spinarum、P. thujae、P. paracapitalensisの3種を国内で初めて報告した。また、P. spinarumはアスナロ属にも病原性があることを明らかにし、病名の提案を準備している。本研究では我が国のヒノキ科樹木の寄生菌、特にPhyllosticta属菌に着目して、研究の滞っている寄生菌の所属再検討および病原性について検討することを目的として、寄生菌の形態的特徴、生理的諸性質および分子系統解析による系統学的な位置の把握、病原性の確認を行う。平成29年度では、昨年度に引き続き病害標本の収集および分離菌株の確立を行うと共に、これまで行われていないヒノキ科樹木寄生菌Phyllosticta属菌の病原性確認および分子系統解析による系統学的な位置の把握を行った。加えて、海外で報告のあるヒノキ科寄生菌Phyllosticta属菌2種を輸入し、我が国の既知種との比較検討を行った。これまでに、ヒノキ科樹木を含む針葉樹Phyllosticta属菌の一種と同定された53分離菌株を確立し、海外産の分離菌株および既知種を用いて研究を進めた。従来の形態学的特徴に加え、生理的諸性質、病原性および分子系統解析の結果から、Phyllosticta属菌は宿主属ごとに典型的な病斑を示す病原性のある1種が寄生することが報告されていたものの、ヒノキ科に寄生するPhyllosticta属菌は、ヒノキ科内の複数の属に渡って寄生することが確認され、従来の分類基準にはあてはまらないことが明らかとなった。一方で、転属処理が必要な種、日本新産種となるPhyllosticta属菌3種が確認され、ヒノキ科に寄生するPhyllosticta属菌としては、国内外で初めてP. spinarumの病原性を明らかにした。ヒノキ科樹木に寄生するPhyllosticta属菌の種の定義や転属処理の実務的な課題があるものの、我が国のヒノキ科樹木におけるPhyllosticta属菌の把握が可能となった。
心血管系組織におけるカルシトニン遺伝子関連ペプチドの発現ーー病態との関連

1.目的:カルシトニン遺伝子関連ペプチド(CGRP)の心血管系組織における発現と、局所の循環調節因子として作動する可能性について検討する。2.方法及び結果:(1)PCR法にてCGRPに特異的なエクソン5の塩基配列からプライマーを作製し、RT-PCR法によりCGRPに特異的なcDNAを作製し、アニーリング62°C、2分にて35サイクルのPCRを行い、このcDNAプローブを用いることによりラット脳、脊髄、肺、大動脈においてCGRP遺伝子の発現のあることを確認した。しかし、これらのうち脊髄を除き、CGRP遺伝子の発現はきわめてわずかであり、NorthemblotによるCGRPmRNAの発現は検出できなかった。ラット血管平滑筋細胞、内皮細胞においても同様にCGRPmRNAの発現は検出されなかった。(3)CGRPは10%血清刺激、上皮成長因子刺激下でのラット大動脈培養平滑筋細胞のDNA合成の増加を抑制した。(4)Wistarラット側脳室に投与したCGRPは血圧、心拍数を用量依存的に上昇させ、CGRPに対し受容体レベルでの拮抗作用を有するCGRP(8-37)はこの反応を抑制した。このCGRPの中枢性昇圧作用はα遮断薬、また6ーハイドロキシドパミンによるchemical sympathectomyにより有意に抑制された。CGRPの側脳室内投与は血中カテコールアミン濃度を有意に増加させた。3.結論:CGRPは中枢神経系のみならず心血管系にも発現しており、また血管平滑筋細胞の増殖抑制作用を有するが、その発現はきわめてわずかであり、局所の循環調技因子として作動する可能性はうすいと考えられた。しかし、CGRPは中枢性の昇圧作用を有し、これは中枢のCGRP受容体を介して末梢交感神経系活性を亢進させることによることが判明した。中枢神経系ではCGRPが発現していることから、CGRPは中枢性血圧調節に関与する可能性があると考えられた。
移動ロボットのための環境地図の自動生成に関する研究

本研究の目的は,1)環境地図を構成するのに必要な情報とその表現形式2)行動経験から作成される環境地図の構造3)環境地図の生成方法4)環境地図を用いたル-トプランニングを検討・考案することである.上記項目の1)と2)は,平成2年度に研究した.平成3年では,項目3)と4)について研究した.項目3)については,ワ-クステ-ション上の実世界を模擬した環境内を移動する仮想的なロボット(必要な特徴を抽出しうる十分な視覚機能をもつ)に,環境地図を生成する方法をインプリメントし,ロボットに環境地図を自動生成させることができた.項目4)については,ル-トプランニングとロボットの誘導方法を考えた.前者は,特徴のある地点間の相対な位置関係(方向など)に基づく探索で,後者は,シ-ンからつぎの行動(行動からつぎのシ-ン)の想起に基づく方法である.シミュレ-ションの結果,これらの方法の有効性が確認された.さらに,環境認識の方法についても検討した.従来の研究は視覚中心であったが,本研究では聴覚による認識を研究した.その結果,音源の定位,定位情報に基づく音源分離,移動音源の速度と経路の推定,の方法を考案した.本研究の目的は,1)環境地図を構成するのに必要な情報とその表現形式2)行動経験から作成される環境地図の構造3)環境地図の生成方法4)環境地図を用いたル-トプランニングを検討・考案することである.上記項目の1)と2)は,平成2年度に研究した.平成3年では,項目3)と4)について研究した.項目3)については,ワ-クステ-ション上の実世界を模擬した環境内を移動する仮想的なロボット(必要な特徴を抽出しうる十分な視覚機能をもつ)に,環境地図を生成する方法をインプリメントし,ロボットに環境地図を自動生成させることができた.項目4)については,ル-トプランニングとロボットの誘導方法を考えた.前者は,特徴のある地点間の相対な位置関係(方向など)に基づく探索で,後者は,シ-ンからつぎの行動(行動からつぎのシ-ン)の想起に基づく方法である.シミュレ-ションの結果,これらの方法の有効性が確認された.さらに,環境認識の方法についても検討した.従来の研究は視覚中心であったが,本研究では聴覚による認識を研究した.その結果,音源の定位,定位情報に基づく音源分離,移動音源の速度と経路の推定,の方法を考案した.人間での空間表現である認知地図に関する心理学での研究成果から次の点が明らかになった。空間情報として重要なものは,ランドマ-クのある地点とそこでの行動であり,ランドマ-クのある地点の相対的関係,包含関係といった情報は定性的なものである。そこで,移動ロボットは,ランドマ-クのある交差点とその交差点で分行動(直進,右折,左折)を,環境内の徘徊により得るとして,それら情報に基づいてロボットが環境地図を生成するものとした。生成される環境地図は,目標までの経路沿いに存在するランドマ-ク系列,出発点から見た目標地点の相対的な方向,および目標地点に到達するための行動,で構成される。この構造は,ある目標地点へ到達するために必要な行動が、ランドマ-クから想起されることを可能としている。このような環境地図を生成しかつ利用するために,移動ロボットに要求される移動様式について検討した。その結果,徘徊モ-ド,方向モ-ドおよび両者を組み合わせたモ-ドを考えた。さらに,部分的な情報のみの環境地図から,未体験の移動を可能とするための経路探索法も検討した。以上の,環境地図の生成と利用の方策の評価を行うため,購入したワ-クステ-ション(LUNA DTー100)内に,実世界地図(名古屋市の一部地域)を作成し,シミュレ-ションを行った。環境内に同一ランドマ-クが複数ある場合や,曲線的な道路がある場合など,今後検討すべき問題点はあるが,徘徊により環境内の大部分についての情報が得られ,部分的な情報による経路探索にも成功することができた。これらの成果は,現在ロボット学会誌に論文として投稿中である。本研究の目的は,1)環境地図を構成するのに必要な情報とその表現形式2)行動経験から作成される環境地図の構造3)環境地図の生成方法4)環境地図を用いたル-トプランニングを検討・考案することである.上記項目の1)と2)は,平成2年度に研究した.平成3年では,項目3)と4)について研究した.項目3)については,ワ-クステ-ション上の実吾界を模擬した環境内を移動する仮想的なロボット(必要な特徴を抽出しうる十分な視覚機能をもつ)に,環境地図を生成する方法をインプリメントし,ロボットに環境地図を自動生成させることができた.項目4)については,ル-トプランニングとロボットの誘導方法を考えた.前者は,特徴のある地点間の相対的な位置関係(方向など)に基づく探索で,後者は,シ-ンからつぎの行動(行動からつぎのシ-ン)の想起に基づく方法である.シミュレ-ションの結果,これらの方法の有効性が確認された.さらに,環境認識の方法についても検討した.従来の研究は視覚中心であったが,本研究では聴覚による認識を研究した.その結果,音源の定位,定位情報に基づく音源分離,移動音源の速度と経路の推定,の方法を考案した.
レプチンを用いた歯周組織再生療法の開発

間葉系幹細胞を実験的3壁性骨欠損に投与し、歯周組織再生過程におけるleptinの発現動態を免疫組織化学的に調べた結果、leptinは歯槽骨再生初期過程における骨芽細胞およびその周辺の間葉系幹細胞が分化したと考えられる細胞に強く発現していることが示された。マイクロアレイ解析によってleptin 500 ng/mlをヒト間葉系幹細胞に作用させるとSmad Ubiquitin Regulatory Factor 1(Smurf 1)の発現が約10分の1と有意に低下することが明らかとなった。レプチンによってSmurf1の発現が低下することが、ヒト間葉系幹細胞におけるレプチンの骨文化促進の一端をになっている可能性がある。レプチンは脂肪細胞から分泌され,主に視床下部に存在するレプチン受容体に結合し,摂食抑制に関与する肥満抑制ホルモンとして知られている.近年,その作用は摂食調節のみならず免疫系,血圧調節,骨代謝など広範囲に及ぶことが明らかとなっている.歯周組織は免疫系および骨代謝にも深く関与する組織であり,レプチンが歯周組織において重要な役割を担っている可能性がある。歯周靱帯およびヒト歯周靱帯細胞(HPLcells)におけるレプチンとレプチン受容体の発現様態を明らかにし,さらにin vivoにおける歯周靭帯の環境をin vitroで再現するため,メカニカルストレス環境下でレプチンがヒト歯周靱帯細胞の分化に及ぼす影響を検討し、以下の結果を得た。1RT-PCR法を用いて調べた結果、HPL cellsおよびヒト南周靱帯組織はレプチンとレプチン受容体のmRNAを発現していた。2免疫染色法によってHPL cellsおよびラット歯周靱帯においてレプチンおよびレプチン受容体の局在が確認された。3メカニカルストレス環境下のHPL cellsによるレプチンmRNA発現はメカニカルストレス非環境下にくらべて有意に増加していた.またレプチンはメカニカルストレス環境下のHPLcellsによる骨関連タンパク質(alkaline phosbhatase,osteocalcin,osteopontin,type l collagen)mRNAの発現を有意に促進させた。以上の結果から、歯周靭帯においてレプチンが発現しており,硬組織代謝に何らかの役割を担っている.また,レプチンの作用はHPL cellsに負荷されるメカニカルストレスの影響を受けることが示唆された。Leptin 500mg/mlをビーグル犬に作成した実験的3壁性骨欠損に投与したところコントロール群に比べて若干歯周組織の再生は認められたが、統計学的に有意差の認められる歯周組織再生は認められなかった。leptinの濃度の問題および生体におけるleptinの分解等が考えられる。しかし間葉系幹細胞を実験的3壁性骨欠損に投与し、歯周組織再生過程におけるleptinの発現動態を免疫組織化学的に調べた結果、leptinは歯槽骨再生初期過程における骨芽細胞およびその周辺の間葉系幹細胞が分化したと考えられる細胞に強く発現していることが示された。また、骨分化能を有すると考えられているヒト歯周靱帯線維芽細胞の培養上清をヒト間葉系幹細胞に8日間作用させるとleptinのmRNA発現が約8倍上昇することがマイクロアレイ解析およびreal time PCR解析によって示された。同様にマイクロアレイ解析によってleptin 500ng/mlをヒト間葉系幹細胞に作用させるとSmad Ubiquitin Regulatory Factor 1(Smurf 1)の発現が約10分の1と有意に低下することが明らかとなった。Smurf 1はBone Morphogenetic Proteinのシグナルを抑制することから、レプチンによってSmurf 1の発現が低下することが、ヒト間葉系幹細胞におけるレプチンの骨文化促進の一端をになっている可能性がある。
固体に近い液晶を利用した新しい機械要素の創出

申請者らはネマティック液晶を利用した新たな機械要素(マイクロアクチュエータ,発電デバイス)の提案および開発を行ってきた.一方,コレステリック液晶およびスメクティック液晶を工学的に応用すれば,これまでに提案してきた液晶機械要素の性能向上のみならず,新たな機械要素の創出につながることが強く期待できるが,それらの流動挙動と分子挙動については学術的未踏領域であることが現状である.そこで本課題では,コレステリック液晶およびスメクティック液晶の流動挙動および分子挙動の解明に向けて実験と数値解析の両面からアプローチし,最終的に,コレステリック液晶およびスメクティック液晶を利用した新機械要素の提案を行う.申請者らはネマティック液晶を利用した新たな機械要素(マイクロアクチュエータ,発電デバイス)の提案および開発を行ってきた.一方,コレステリック液晶およびスメクティック液晶を工学的に応用すれば,これまでに提案してきた液晶機械要素の性能向上のみならず,新たな機械要素の創出につながることが強く期待できるが,それらの流動挙動と分子挙動については学術的未踏領域であることが現状である.そこで本課題では,コレステリック液晶およびスメクティック液晶の流動挙動および分子挙動の解明に向けて実験と数値解析の両面からアプローチし,最終的に,コレステリック液晶およびスメクティック液晶を利用した新機械要素の提案を行う.
細胞毒性抑制型抗菌マテリアルの創出

当該研究課題では、細胞毒性を抑制し微弱な抗菌性を有する新規材料を創出することを目的とする。分散性および結晶性に優れるハイドロキシアパタイト(HAp)に銀イオンをドープしたAg-HApナノ粒子の合成、コーティング特性の検討、材料特性および生物学的評価を行った。融着防止法により分散性に優れた結晶性Ag-HApナノ粒子を得ることができた。また、高分子基材へのコーティング特性にも優れていた。大腸菌および緑膿菌に対する抗菌性が認められた。ヒト咽頭がん由来線維芽細胞を用いた接着性評価にて、培養床と同様の細胞接着性が認められた。以上より、細胞毒性を低減させたコーティング用抗菌ナノ粒子の創出を達成した。周辺組織への細胞毒性を最低限に抑え、長期に渡り微弱な抗菌効果を長期間に渡って発現する新規材料を創出することを目的とする。具体的には、感染防止の技術ポイントである1皮膚刺入部および2血管内留置部における細菌付着・増殖を抑制するナノ材料の創出を目指す。まずHApナノ粒子に抗菌活性を有する銀イオンをドープする。当該ナノ粒子より徐々に銀イオンを放出することで、急性細胞毒性の大きい銀化合物(例えば、硝酸銀や抗菌カテーテルに用いられるスルファジアジン銀など)に比較して、微弱な抗菌性を長期間に渡り維持させることにより、細胞毒性を制御した抗菌マテリアルが創出可能となる。平成25年度の課題は、1分散性に優れる銀イオンドープ・ハイドロキシアパタイト(Ag-HAp)ナノ粒子の合成、および2病原性微生物の接着性および増殖性の予備検討である。まず、分散性Ag-HApの合成を試みた。Ca10-xAgx(PO4)(OH)2のx=0.2となるようにAgNO3、Ca(NO3)2・4H2Oおよび(NH4)2HPO4を100 ̊Cにて混合・攪拌させた。さらに融着防止剤ありなしの条件で700 ̊C、2時間仮焼することにより凝集性およびバンズ軟性Ag-HApを得た。融着防止剤にポリアクリル酸を添加した場合には金属銀の析出が認められたが、カルシウム塩のみの場合に、結晶構造中にAgイオンがドープされていることを認めた。また分散性は融着防止剤ありにおいて向上がみられた。2病原性微生物の予備検討について、重大な院内感染の原因となる大腸菌や黄色ブドウ球菌、綠膿菌、アシネトバクターなどの病原性細菌を用いて、オリジナルHApナノ粒子(銀イオンをドープしていないナノ粒子)および高分子複合材料の抗菌性を検証する方法を確立した。まずHAPナノ粒子に抗菌活性を有する銀イオンをドープする(Ag-HAp)。平成26年度の課題は、1Ag-HApナノ粒子の合成および銀イオン徐放挙動の評価、および2病原性微生物の付着性および増殖性の検討を行った。【課題1】初年度において確立した合成法を用いてAg-HApを調製した。得られた粉末状のAg-HApを37°CにてPBS中に浸漬し、32週間(8ヶ月間)、Agイオンの溶出挙動を評価した。その結果、未焼成Ag-HApでは16週目で溶出率約50%で飽和した。一方、焼成Ag-HApでは4週目で約20%溶出し、その後徐々にAgイオンが溶出し続ける結果を得た。【課題2】未焼成(as prepared)Ag-HAp(Ag含有率1.5mol%)、融着防止剤無しAg-HAp(Ag含有率1.5mol%)および融着防止処理Ag-HApナノ粒子(0.5mol%)を大腸菌へ添加することにより、抗菌性評価を行った。その結果、いずれの材料においても90%以上の殺菌率が認められた。周辺組織への細胞毒性を最低限に抑え、長期に渡り微弱な抗菌性を長期間に渡って発現する新規材料を創出することを目的とする。まずHApナノ粒子に抗菌活性を有する銀イオンをドープする(Ag-HAp)。当該ナノ粒子より徐々に銀イオンを放出することで、急性細胞毒性の大きい銀化合物(例えば、硝酸銀や抗菌カテーテルに用いられるスルファジアジン銀など)に比較して、微弱な抗菌性を長期間に渡り維持させることにより、細胞毒性を抑制した抗菌マテリアルの創出が可能となる。平成27年度の課題は、1病原性微生物に対する抗菌性試験、2動物細胞の接着性試験を実施した。その結果、昨年度に実施した大腸菌同様、緑膿菌においても抗菌性が認められた。ヒト咽頭がん由来線維芽細胞(Hep-2)を用いて細胞接着性試験を実施した。その結果、Ag-HApコーティングシートの細胞接着数はノーマルHApコーティングシートと同じであり有意差は認められなかった。以上より、細胞毒性を抑制した抗菌ナノ材料の創出を達成した。

当該研究課題では、細胞毒性を抑制し微弱な抗菌性を有する新規材料を創出することを目的とする。分散性および結晶性に優れるハイドロキシアパタイト(HAp)に銀イオンをドープしたAg-HApナノ粒子の合成、コーティング特性の検討、材料特性および生物学的評価を行った。融着防止法により分散性に優れた結晶性Ag-HApナノ粒子を得ることができた。また、高分子基材へのコーティング特性にも優れていた。大腸菌および緑膿菌に対する抗菌性が認められた。ヒト咽頭がん由来線維芽細胞を用いた接着性評価にて、培養床と同様の細胞接着性が認められた。以上より、細胞毒性を低減させたコーティング用抗菌ナノ粒子の創出を達成した。当該プロジェクトの最大課題であったCaよりイオン半径の大きいAgをHApにドープしたナノ粒子を合成することに成功し、さらにAgイオンの溶出試験まで適応することができた。溶出試験32週までの結果、焼成したAg-HApではAgイオンの徐放挙動が認められ、長期に渡る弱い抗菌性の発現が期待できた。また、Ag-HAp粉末添加法による大腸菌を用いた抗菌性試験の結果、90%以上の抗菌効果が認められた。医用生体工学・生体材料学今後は、将来的に長期留置型カテーテル表面に当該Ag-HApをコーティングすることを念頭に、1高分子シートへの複合化法の検討、2複合シートからのAgイオン放出挙動の評価、3動物細胞の接着性・増殖性評価、および4マウス体内における炎症性の評価を行う。当該プロジェクトの最重要課題は、如何にしてCaイオンより大きいイオン半径を有するAgをHAp結晶構造中にドープするかであった。単純にHApへ銀イオンをドープし仮焼した場合、銀イオン半径がCaイオン半径より大きいため、銀イオンが結晶格子に収まらず結晶性増加により銀ナノ粒子が析出することが分かっている。この現象を回避する方法として仮焼温度および時間の制御が効果的であることを見出していたが、分散性の向上を図るために融着防止剤を添加したところ、金属Agが結晶外に析出する現象が認められた。この現象を防ぐため検討を重ねたところ、融着防止剤の組成を調整することでこの問題を克服できることが分かった。それによって、AgがHAp結晶中に留まったまま、結晶化・分散化する条件を見出すことができた。また、高分子複合材料の抗菌性を検証する方法の確立として、カテーテル感染起炎菌(表皮ブドウ球菌、黄色ブドウ球菌、カンジダ)および院内感染起炎菌(綠膿菌、アシネトバクター)を用いて、血清添加細胞培養培地での培養を顕微鏡下でモニターする予備的実験を実施した。概ね、菌の増殖を定量化する方法を確立した。さらに、高分子複合材料と動物細胞の接着に対して、上記の感染起炎菌の与える影響をモニタするため、マウス繊維芽細胞(McCoy)と正常ヒト臍帯静脈内皮細胞(HUVEC)の培養を行い、同様に顕微鏡下でモニターする予備的実験を実施した。上述した金属AgがHAp結晶外に析出することを抑制する反応条件を見出せたことにより、当該プロジェクトの最重要課題を克服することができた。第2年目は研究計画に従って、実験を遂行することになる。具体的には、Ag-HApナノ粒子の合成および銀イオン徐放挙動の評価、高分子基材へのAg-HAPナノ粒子の表面被覆制御、および病原性微生物の抗菌制御である。
ミトコンドリア、ゴルジ体に関連する応答ゾーン、連携ゾーン解析

1つのオルガネラの中には、異なる役割を担う場が存在し、本領域ではこれをオルガネラ・ゾーンと命名している。本研究では、「ミトコンドリアとゴルジ体の応答ゾーン」、「ミトコンドリアと小胞体、ゴルジ体の連携ゾーン」を中心に解析を行なった。1、ゴルジ体ストレス応答ゾーン:このゾーンには、ゴルジ体ストレス時に、過剰な分泌たんぱく質の蓄積を抑制するためのGOMEDゾーン、プロテオグリカン型糖鎖修飾を行うプロテオグリカン・ゾーン、ムチン経路を担うムチン・ゾーンなどが存在する。(1)GOMEDに関しては、GOMEDを誘導できる低分子化合物を発見し、この化合物の作用機序を明らかにすることにより、ゴルジ体膜で起こっているストレス応答現象を概ね理解することに成功した。(2)プロテオグリカン・ゾーンに関しては、これを制御するエンハンサーとしてPGSE-AとPGSE-Bを同定し、PGSE-Aに結合する転写因子の候補としてKLF familyの転写因子群を見出した。(3)ムチン・ゾーンに関しては、このゾーンを増強する標的遺伝子とエンハンサー配列MGSEを同定した。2、ミトコンドリア・小胞体(Mt-ER)連携ゾーン:出芽酵母またはHeLa細胞のミトコンドリア,小胞体膜上に,split-GFP分子を標的化させることで任意のオルガネラ間コンタクトサイトを可視化,定量化する実験系の構築に成功した。これを定量化し,遺伝学スクリーニングと組み合わせることで,ミトコンドリアー小胞体間連携ゾーン形成に重要な役割を果たす新規因子の同定に成功した。また、1既存のERMES複合体が会合と解離を繰り返すこと、2適切なミトコンドリア分裂が不必要なERMES複合体の会合を阻害することでコンタクトサイトの数を調節すること、3小胞体ストレスが、ミトコンドリアー小胞体間コンタクトサイトの数を顕著に増加させることを明らかにした。ゴルジ体のストレス応答ゾーン解析においては、イメージング(膜の形態変化の捕捉)、分子生物学的解析(ゾーン形成に関わる分子の同定とシグナル伝達機構の解明)、遺伝学的解析(ゾーン形成ができないマウスの作成)、転写レベルでの解析、数理解析などが順調に進行し、多方面からの解析による相乗的効果が現れ、実態解明が急速に進行した。Mt-ER連携ゾーン解析に関しても、split GFPを用いた可視化ツールの開発に成功した他、ゾーン構成因子の構造解析(ERMES複合体の構造)、遺伝学的解析(酵母の遺伝学)、細胞生物学的解析が進み、実態解明が急速に進行した。ゴルジストレス応答ゾーンやMt-ER連携ゾーンの解析に関しては、様々な手法を駆使して研究が進んでいる。研究代表者と分担者の間での共同研究も有機的に機能しており、現在の研究を引き続き進めることにより、応答ゾーン、連携ゾーンの実態解明に至るものと考えている。また、新たなオルガネラ間の連携も複数見出されており、これらの実態解明も行っていく予定である。1つのオルガネラの中には、異なる役割を担う場が存在し、本領域ではこれをオルガネラ・ゾーンと命名して解析している。本研究では、「ミトコンドリアとゴルジ体の応答ゾーン」、「ミトコンドリアと小胞体、ゴルジ体の連携ゾーン」を中心に解析を行ない、以下の知見を明らかにした。1、ゴルジ体ストレス応答ゾーン:このゾーンには、ゴルジ体ストレス時に、過剰な分泌たんぱく質の蓄積を抑制するためのGOMEDゾーン、プロテオグリカン型糖鎖修飾を行うプロテオグリカン・ゾーン、小胞体からゴルジ体へのコレステロール輸送を担うコレステロール・ゾーンなどが存在する。(1)GOMEDに関しては、この機構がトランスゴルジ膜の変形によってもたらされること、即ち、トランスゴルジ膜の形状が変化し、これが分泌タンパク質をラッピングし、分解に寄与することを明らかにした。また、一連のゴルジ体動態の観察、関連分子の同定、欠損マウスの作成を行った。(2)プロテオグリカン・ゾーンに関しては、これを制御するエンハンサー配列の同定に成功した。(3)コレステロール・ゾーンに関しては、コレステロールの輸送タンパク質であるOSBPの阻害剤やノックダウンによって、ゴルジ体の断片化やTFE3経路の活性化が生じることを見いだした。2、ミトコンドリア・小胞体(Mt-ER)連携ゾーン:出芽酵母におけるMt-ER連携ゾーン形成因子ERMES複合体の機能,構造解析を行った。また,ERMES構成因子をGFPとの融合タンパク質として発現させることで,出芽酵母におけるMt-ER連携ゾーンを可視化し,その動態を解析した。さらに、Split-GFP分子を様々なオルガネラ膜上に局在化させることで,オルガネラ間連携ゾーンを可視化する実験系を構築した。この実験系により,オルガネラ間の新たな連携ゾーンの存在が明らかとなった。ゴルジ体のストレス応答ゾーン解析においては、イメージング(膜の形態変化の捕捉)、分子生物学的解析(ゾーン形成に関わる分子の同定とシグナル伝達機構の解明)、遺伝学的解析(ゾーン形成ができないマウスの作成)、転写レベルでの解析、などが順調に進行し、多方面からの解析による相乗的効果が現れ、実態解明が急速に進行した。これらの成果は、原著論文9編、英文総説2編として発表に至っている他、次年度以降に向けて論文投稿も多く行われており、研究は順調に推移している。

1つのオルガネラの中には、異なる役割を担う場が存在し、本領域ではこれをオルガネラ・ゾーンと命名している。本研究では、「ミトコンドリアとゴルジ体の応答ゾーン」、「ミトコンドリアと小胞体、ゴルジ体の連携ゾーン」を中心に解析を行なった。1、ゴルジ体ストレス応答ゾーン:このゾーンには、ゴルジ体ストレス時に、過剰な分泌たんぱく質の蓄積を抑制するためのGOMEDゾーン、プロテオグリカン型糖鎖修飾を行うプロテオグリカン・ゾーン、ムチン経路を担うムチン・ゾーンなどが存在する。(1)GOMEDに関しては、GOMEDを誘導できる低分子化合物を発見し、この化合物の作用機序を明らかにすることにより、ゴルジ体膜で起こっているストレス応答現象を概ね理解することに成功した。(2)プロテオグリカン・ゾーンに関しては、これを制御するエンハンサーとしてPGSE-AとPGSE-Bを同定し、PGSE-Aに結合する転写因子の候補としてKLF familyの転写因子群を見出した。(3)ムチン・ゾーンに関しては、このゾーンを増強する標的遺伝子とエンハンサー配列MGSEを同定した。2、ミトコンドリア・小胞体(Mt-ER)連携ゾーン:出芽酵母またはHeLa細胞のミトコンドリア,小胞体膜上に,split-GFP分子を標的化させることで任意のオルガネラ間コンタクトサイトを可視化,定量化する実験系の構築に成功した。これを定量化し,遺伝学スクリーニングと組み合わせることで,ミトコンドリアー小胞体間連携ゾーン形成に重要な役割を果たす新規因子の同定に成功した。また、1既存のERMES複合体が会合と解離を繰り返すこと、2適切なミトコンドリア分裂が不必要なERMES複合体の会合を阻害することでコンタクトサイトの数を調節すること、3小胞体ストレスが、ミトコンドリアー小胞体間コンタクトサイトの数を顕著に増加させることを明らかにした。ゴルジ体のストレス応答ゾーン解析においては、イメージング(膜の形態変化の捕捉)、分子生物学的解析(ゾーン形成に関わる分子の同定とシグナル伝達機構の解明)、遺伝学的解析(ゾーン形成ができないマウスの作成)、転写レベルでの解析、数理解析などが順調に進行し、多方面からの解析による相乗的効果が現れ、実態解明が急速に進行した。Mt-ER連携ゾーン解析に関しても、split GFPを用いた可視化ツールの開発に成功した他、ゾーン構成因子の構造解析(ERMES複合体の構造)、遺伝学的解析(酵母の遺伝学)、細胞生物学的解析が進み、実態解明が急速に進行した。ゴルジストレス応答ゾーンやMt-ER連携ゾーンの解析に関しては、様々な手法を駆使して研究が進んでいる。これら多方面からの解析結果が有機的に連携していることから、現在の研究を引き続き進めることにより、応答ゾーン、連携ゾーンの実態解明に迫れるものと考えている。また、split GFPを用いた方法によって、新たなオルガネラ間の連携が見出されており、これらの実態解明にも行っていく予定である。研究代表者と分担者の間での共同研究も有機的に機能しており、現在の研究を引き続き進めることにより、応答ゾーン、連携ゾーンの実態解明に至るものと考えている。
金属間化合物の環境脆化の解明

鋳造後にHIP処理を施したTi-48mol%Al合金について,大気中の試験と超高真空下(10-7Pa)での引張試験を行ない、超高真空下での引張試験時の方が僅かではあるが延性が高くなることを確認した。超高真空下の試験時に試験片から大量の水素ガス(50リットルの試験室の内圧が一桁上昇)が放出されることを初めて明らかにし、Ti-Al金属間化合物の破壊への不純物水素の関与を実証した。これより、合金の延性には環境から侵入する水素と共に、試験前に材料中に内在する不純物水素の寄与も大きいことが示唆された。そこで、このTi-Al合金の不純物水素の低減を図るため超高真空下(10^<-6> Pa)での焼鈍を行なうことにした。焼鈍温度の決定は,昇温しながら試料から放出される水素ガス量を計測する昇温脱離試験を行い,ガス放出の最も盛んな480°Cとした。超高真空焼鈍を行なうと延性がやや向上するが、分析によれば合金はなお多量(700molppm)の水素を含有している。すなわちこれは超高真空焼鈍によっても、合金中の不純物水素量の低減が困難であることを示している。そしてこの超高真空焼鈍材からも、引張破断の瞬間にやはり多量の水素が破面から検出された。上記のTi-Al合金は水素との親和力の大きいTiを含む合金であるため水素量の低減が困難であるとの見地から、水素との親和力のより小さいと考えられるNi_3Al-B合金について検討を行なうこととした。その結果、真空溶解を行い超高真空焼鈍した合金の試験片は、アルゴン雰囲気溶解・アルゴン雰囲焼鈍材に比べ延性が高く、破断時の放出水素量も少ないことが分かった。これらの結果を踏まえ、合金の延性に及ぼす水素の内、環境から侵入する水素と不純物水素のいずれの寄与が大きいか等については、平成6年度に引き続き検討を行なう予定である。
骨格筋間質幹細胞群を接着剤として利用した筋腱骨複合体の再生治療研究

昨年度に続きマウス(C57BL/6)アキレス腱断裂モデルを作成し、骨格筋間質幹細胞シートペレットの有用性を検討した。前年度の結果から縫合モデルはモデルとして不十分と考えアキレス腱切離モデルを使用し検討した。アキレス腱切離モデルは足底筋腱(plantaris tendon)は温存し、その他の腱を切離するモデルとした。アキレス腱切離モデルの細胞移植群と細胞非移植群を移植後6週にて評価した(各6匹)。蛍光実態顕微鏡においてGFP陽性移植細胞は移植後6週ともに連続性を認めアキレス腱実質部は太く再生し、GFP陽性組織として着床していた。しかし細胞非移植群では連続性を認めるものの腱組織は細くなっていた。さらに新鮮凍結組織切片における免疫蛍光染色(抗CD31、N200)により、神経軸索数(N200陽性)、血管数(CD31陽性)は非移植群に比べ移植群で優位に高値であり昨年と同様の結果が得られた。さらに力学的強度を計測するため各群3匹の牽引破断強度を計測したが再生した腱の強度は両群とも十分ではなく、計測困難であり、もう少し成熟した腱の評価が必要であると考えられた。この結果、骨格筋間質幹細胞シートペレットが損傷腱周囲の血管や神経を活発に再生した結果、腱実質の再生に大きく関与したしたものと考えている。しかし破断実験では十分な結果が出ておらず移植後週令数を増やした追加実験が必要であると考える。今年度はアキレス腱切離モデルを使用して12週令の組織評価と破断自験を計画している。アキレス腱切離モデルとして安定したモデル作成が可能となった。そのため昨年よりは多くの結果を示すことができたが、破断実験を行う際に十分な再生した組織強度が得られていなかったためさらなる検討が必要となった。組織評価と破断強度評価を行う場合、処置後の週令数が違うことから多くの評価数が必要となった。未だ予定より遅れた実験スケジュールではあるが着実に成果は出ている。最終年度となる今年度はアキレス腱断裂モデルだけではなく、腱板不全断裂モデルを作成し、骨格筋間質幹細胞シートペレット移植の有効性を判断したい。移植した細胞が腱再生にとって生体内でどの程度貢献しているのかをGFP陽性細胞としてマクロスコピックに評価し、さらに、凍結組織切片を作成し蛍光顕微鏡を用いて免疫組織化学的検索を行う予定である。加えて、破断実験も行い、力学的強度の検討も予定している。今年度はマウス(C57BL/6)アキレス腱断裂モデルを作成し、骨格筋間質幹細胞シートペレットの有用性を検討した。2つのアキレス腱断裂モデル(切離縫合モデルと切離モデル)を作成(各8匹)し、GFP-TGマウスから抽出した骨格筋間質幹細胞シートペレット(1x105個)を移植した群と切離群のアキレス腱断裂部の修復状況を確認した。断裂縫合群モデルでは全ての例で縫合部が再断裂をきたしており、モデルとして不十分と考えた。したがって断裂修復モデルとしてはアキレス腱切離モデルにて評価することとした。アキレス腱切離モデルの細胞移植群と細胞非移植群を移植後4週と8週にて評価した(各2匹)。蛍光実態顕微鏡においてGFP陽性移植細胞は移植後4週、8週ともに連続性を認めアキレス腱実質部は太く再生し、GFP陽性組織として着床していた。さらに新鮮凍結組織切片における免疫蛍光染色(抗CD31、N200)により、神経軸索数(N200陽性)、血管数(CD31陽性)は非移植群に比べ移植群で優位に高値であった。これは骨格筋間質幹細胞シートペレットが損傷腱周囲の血管や神経を活発に再生した結果、腱実質の再生に大きく関与したしたものと考えている。したがって骨格筋間質幹細胞は腱損傷部をより良好に再建してくれる生物学的接着剤(bio-bond)として使用できる可能性が示唆された。今後はアキレス腱切離モデルを利用しサンプル数を増やし、腱の電子顕微鏡的構造や可能であれば破断強度も計測したいと考えている。当初、アキレス腱断裂モデルを切離縫合モデルで考えていたが、予備実験にて縫合モデルは全てのケースで再断裂をきたしていた。そこで縫合+関節ギプス固定も予備実験で行ったが十分な固定を得ることができず、再断裂にいたってしまった。そこでモデルを断裂モデル(足底筋腱のみ温存)としたことで安定したモデルを作成することができた。したがって評価するために十分耐えうるモデルを作成することに時間がかかってしまい、当初の予定より若干遅れている。

さらに新鮮凍結組織切片における免疫蛍光染色(抗CD31、N200)により、神経軸索数(N200陽性)、血管数(CD31陽性)は非移植群に比べ移植群で優位に高値であり昨年と同様の結果が得られた。さらに力学的強度を計測するため各群3匹の牽引破断強度を計測したが再生した腱の強度は両群とも十分ではなく、計測困難であり、もう少し成熟した腱の評価が必要であると考えられた。この結果、骨格筋間質幹細胞シートペレットが損傷腱周囲の血管や神経を活発に再生した結果、腱実質の再生に大きく関与したしたものと考えている。しかし破断実験では十分な結果が出ておらず移植後週令数を増やした追加実験が必要であると考える。今年度はアキレス腱切離モデルを使用して12週令の組織評価と破断自験を計画している。アキレス腱切離モデルとして安定したモデル作成が可能となった。そのため昨年よりは多くの結果を示すことができたが、破断実験を行う際に十分な再生した組織強度が得られていなかったためさらなる検討が必要となった。組織評価と破断強度評価を行う場合、処置後の週令数が違うことから多くの評価数が必要となった。未だ予定より遅れた実験スケジュールではあるが着実に成果は出ている。今年度は再度アキレス腱断裂モデルを作成し、骨格筋間質幹細胞シートペレット移植の有効性を判断したい。移植した細胞が腱再生にとって生体内でどの程度貢献しているのかをGFP陽性細胞としてマクロスコピックに評価し、さらに、凍結組織切片を作成し蛍光顕微鏡を用いて免疫組織化学的検索を行う予定である。また腱再生に十分な効果が期待できれば、当初予定していたマウス腱板断裂モデルについても検索する。最終年度となる今年度はアキレス腱断裂モデルだけではなく、腱板不全断裂モデルを作成し、骨格筋間質幹細胞シートペレット移植の有効性を判断したい。加えて、破断実験も行い、力学的強度の検討も予定している。使用マウスやラットさらに抗体の購入とサンプル切片作成のための外注を行う予定である。また動物飼育のための補助員も検討している。今年度は十分な時間を研究時間に当てることができず、研究結果を出すための十分な症例数の実験ができなかった。そこで今年度は研究助手を雇用し、全ての実験を遂行できるように計画する。
頻脈が心筋に及ぼす作用〜培養心筋細胞を用いた検討

新生児ラット及びニワトリ胚の培養心筋細胞に高頻度電気刺激を加える装置を開発した。電気刺激を加えながら37度5%CO_2のインキュベータ-下に、一週間以上に渡って細胞を維持することができた。電極による細胞の障害を防止するのにビタミンCが有効であった。ニワトリ胚の培養のメディウムにはコンアルブミンを添加すると細胞の維持が良かった。この装置によって、細胞は一分間に400回拍動を打たすことが可能であったが、その時の電圧は5V/cm以下と低い電圧で保つことができ、細胞の障害を抑えることができた。不全心筋ではcAMP活性系に異常が生じ、cAMP依存性リン酸化が生じにくい状況にある事が報告されている。頻拍時のアデニレートサイクラーゼの機能をみるためニワトリ胚の培養心筋細胞に毎分200回の高頻度電気刺激を一週間加えた。刺激後心筋の細胞内cAMP濃度を測定したところ無刺激の細胞と差はなかった。毎分の刺激頻度が低いために差がでなかった可能性も考え、更に高頻度刺激による実験を計画中である。頻拍時のギャップジャンクションの機能をみるため、培養心筋細胞のコネキシン43の発現をウェスタンブロット法で調べたところ、毎分200回で3時間拍動させた時より、毎分400回で3時間拍動させた時の方が発現が強かった。頻拍時の方がギャップジャンクションの機能が亢進している可能性があると考え、現在実際の機能をみるため実験を計画中である。
レーザ照射部の溶接ポロシティ制御によるその場局所マイクロポーラス金属の創成

低炭素社会では、金属の軽量化と高機能化が同時に必要で、ポーラス金属は期待される材料である。本研究では、レーザ照射された金属部に生じる空孔(溶接ポロシティ)を、その場局所に制御したマイクロポーラス金属を世界に先駆けて創成する為の基盤的な研究を実施する。この為、チタン、(ステンレス鋼を含む)鉄鋼、アルミニウム合金に対する種々のレーザ溶接条件における世界初の高輝度X線透過三次元観察に基づくポロシティ生成過程の明確化、相変態と大変形に対応できる流体解析粒子法によるポロシティの素なるキーホール生成機構の解明、レーザ照射部のポロシティ制御によるその場局所マイクロポーラス金属の創成を行う。炭素社会では、金属の軽量化と高機能化が同時に必要で、ポーラス金属は期待される材料である。本研究では、レーザ照射された金属部に生じる空孔(溶接ポロシティ)を、その場局所に、密度、サイズ及び形状まで高度に制御したマイクロポーラス金属を世界に先駆けて創成する為の基盤的な研究を実施した。本年度の研究内容は、種々のレーザ溶接条件おけるポロシティ生成条件の検討、高輝度X線透過三次元観察によるポロシティ生成過程の明確化および流体解析粒子法の解析に基づくポロシティ生成機構の解明に関する研究を実施した。種々のレーザ溶接条件におけるポロシティ生成条件の検討:レーザの照射時間とレーザパルス波形の組合せで、ポロシティの位置とサイズで制御可能性があることが明らかになった。高輝度X線透過三次元観察によるポロシティ生成過程の明確化:溶接欠陥ポロシティは、溶着金属中に生じる球状又はほぼ球状の空洞を意味し、溶融金属の移動によって生じる。主な溶融金属の移動は、溶融池の湯流れである。高密度光エネルギーが投入される一般的なレーザ溶接では、キーホール(溶融池の深い穴)を起点とする循環流が生じ、一方、溶接欠陥は一方的な流れに起因する可能性があるという新しい見解が得られた。流体解析粒子法の解析に基づくポロシティ生成機構の解明:レーザ光を、光速で、弾性散乱し、エネルギー授与を行う粒子として扱う全く新しい流体解析粒子法を世界で初めて試みた。キーホール内部では、レーザ光がキーホール底へ進むに伴い多重散乱を繰り返し、見かけ上、キーホール底にレーザを集光した効果が得られる現象(レーザ溶接特有のSelf-focusing現象)が数値的に解析できることがわかった。しかしながら、条件が限定的で、蒸発反力と表面張力との釣り合いについて新しい考え方が必要であることも判明した。本年度は、昨年度に得られた研究成果を踏まえ、ポロシティ制御によりその場局所に制御されたチタンのマイクロポーラス金属を創成し、創成したポーラス金属のX線CTによる微細構造解析を行い、機械的性質及び熱伝導性等の材料性能評価も実施した。ポロシティ制御によるその場局所マイクロポーラス金属の創成:レーザ適応制御は、人間に例えると、モニタ(目)の情報で、適応制御アルゴリズム(頭)で判断し、適切な指令をレーザ発振器(手)に与える自己完結型の制御である。溶融池からの熱放射と、キーホールの成長速度との対応づけを行い、所定の位置(キーホール底部)に高確率で空孔を生成できた。また、微細空孔を二次元的にワンパスで分布させる特定の加工条件の存在が示唆された。ポーラス金属の微細構造解析、材料性能評価及びデータベース構築:創成したポーラス金属に対し、内部構造をX線CTで測定した結果、チタンの空隙は球形であった。一方、X線観察しやすい対象として、先駆的にレーザ溶接を実施したアルミニウム合金では、球形だけでなく、ライン形状の空隙が得られ、異方性を材料に付加できる可能性が示唆された。平成25年度および平成26年度に得られた研究成果を踏まえ、鉄鋼材料に対して、チタン度と同様に、種々のレーザ溶接条件におけるポロシティ生成条件を検討し、ポロシティについて高輝度X線透過三次元観察による生成過程の明確化および流体解析粒子法に基づく生成機構の解明に取り組んだ。また、レーザ照射部のポロシティ制御によるその場局所マイクロポーラス金属の創成、その場局所ポーラス金属の微細構造解析及び材料性能評価を行った。特に本年度は、粒子法(数値計算手法)とX線その場観察(実験)を組み合わせて、ステンレス鋼とチタンの二種類の材料に対して、レーザ溶接時のキーホール(溶融池のレーザ照射部に形成される深い穴)形成機構時に最も重要な因子である蒸発量を定量的に評価できた。その結果、キーホール底のレーザによる加熱から,レーザ光の多重反射を含むキーホール壁面の加熱に移行することが明らかになった.その際、レーザ誘起プルーム等のレーザと物質の相互作用によって、キーホール底にレーザが集中すると、ポロシティの原因であるキーホールの不安定を引き起こす可能性が示唆され、ポロシティ形成機構に関する新しい考えが得られた。

粒子法とX線その場観察を用いたレーザ溶接時のキーホール形成機構解明に関して2本の査読付き論文への掲載が決定しており、予定通りに研究は進捗している。また、本研究成果で、社会人の博士号を1名輩出した。低炭素社会では、金属の軽量化と高機能化が同時に必要で、ポーラス金属は期待される材料である。本研究では、レーザ照射された金属部に生じる空孔(溶接ポロシティ)を制御したマイクロポーラス金属を世界に先駆けて創成する為の基盤的な研究を実施した。昨年度に引き続き、チタンのレーザスポット溶接時において溶融池からの熱放射光(溶融池直径を推定)をインプロセスモニタリングし、リアルタイムでレーザ照射時間を制御した。5 ms以下の照射時間では、キーホールの最大深さの位置にキーホール先端部と同様なサイズの空孔(溶接ポロシティ)を概ね制御して生成できることを実証した。本年度の対象材料であるアルミニウム合金のレーザ溶接では、溶融金属表面が凹む(アンダーフィル)が発生することがわかった。アンダーフィルの原因はスパッタの大量発生の場合が多く、本研究のこれまでの成果として、スパッタの発生が溶融池内部の溶融金属の流れと関係していることを査読付き論文にて報告している。そこで、溶融池サイズを変えて溶融金属の流れる方向を制御してスパッタ抑制を行うことにした。具体的には、キーホール(溶融池の穴)が形成されずアルミニウム合金が溶融するパワー密度でレーザを照射し、熱放射光をインプロセスモニタリングすることで、目的の溶融池直径のところまでレーザ照射時間を制御した。本制御によってアンダーフィルは大幅に改善できることが判明した。また、アンダーフィル抑制のレーザ照射時間制御の後、連続して適切な照射時間を管理することでポロシティ制御を行い、得られたポーラス金属の微細構造解析及び材料性能評価を行った。新しい知見として、シールドガスを通常使用するアルゴンから窒素に変えて検討した際に、キーホール口に吹きかける流量によっては、多量の空孔が生成することも明らかにできた。本研究では、レーザ照射された金属部に生じる空孔(溶接ポロシティ)を、その場局所に制御したマイクロポーラス金属を世界に先駆けて創成する為の基盤的な研究を実施する。この為、チタン、(ステンレス鋼を含む)鉄鋼、アルミニウム合金に対する種々のレーザ溶接条件における世界初の高輝度X線透過三次元観察に基づくポロシティ生成過程の明確化、相変態と大変形に対応できる流体解析粒子法によるポロシティの素なるキーホール生成機構の解明、レーザ照射部のポロシティ制御によるその場局所マイクロポーラス金属の創成を行う。昨年度に得られた研究成果を踏まえ、ポロシティ制御によりその場局所に制御されたチタンのマイクロポーラス金属を創成し、創成したポーラス金属のX線CTによる微細構造解析を行い、機械的性質及び熱伝導性等の材料性能評価についても実施した。よって、研究は予定通り進捗していると考える。提案時の研究計画の通り進めていく。特に、本研究でレーザ溶接に特化して開発した流体解析粒子法の解析結果から新しい考えが導き出さており、本流体解析粒子法の可能性についても見極めていく。28年度が最終年度であるため、記入しない。溶接・接合研究を進め、実験することで新しい事実が得られた。