hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
絶対変位センサの仕様向上に関する研究

変位・速度・加速度を同時検出できる絶対変位センサを提案し,これをボイスコイルモータ付き空圧式除振装置のフィードバックに適用できることを基盤研究(C)20560212で示した.この継続としての本研究では,変位センサの検出感度を数値で捉えるとともに,感度向上のために検定コイルの巻数を変更する試作を行った.この感度向上がフィードバック応用においても有意に機能することを示した.併せて,高周波数域に出現する機械共振の振動モードを特定し,これをチューニングマスダンパで抑制して周波数応答をクリーンにできることを振動子単体とともに,フィードバック応用においても示した.変位・速度・加速度の3信号を安定な閉ループ系から同時に取得できる絶対変位センサの研究開発を行っている。既に,原理確認は終了しており,フィードバックおよびフィードフォワードセンサとして活用できることを2自由度空圧式除振装置を使って実証している。H24年度の取り組みは,(1)振動センサとしてのスペック提示,(2)感度向上のために逆起電力検出感度を上げた試作センサの評価,および(3)高周波ダイナミクス抑制のために採用した微小マスダンパの効果確認,である。具体的に,上記(1)に関しては絶対変位センサ全体をスライダに搭載して,ケースごと加振する試験を通して,変位・速度・加速度の感度を算出した。その結果,市販のセンサと同等の感度を有することが示せた。次に,上記(2)については,前年度に鉛直方向用の振動センサを使って実証した結果を,水平方向用センサにも適用し,再現性の確認を行った。具体的には,検定コイル2倍巻きの振動センサを試作し,制御回路を用いてこれを絶対変位センサに改造して評価を行った。最後に,上記(3)では,実験モーダル解析を通して,振動子の高周波領域のモードを捉えた。その結果,150,240,そして480Hzの振動モードを明瞭に把握できた。この中で,フィードバック用の振動センサとして問題になると考えられる150および240Hzの高周波共振を,微小なマスダンパを装着させるという手法によって抑制した。つまり,振動検出帯域を平坦に成形できることを示した。絶対変位センサ単体での評価,および同センサの実加振試験を通して,帯域平坦化の効果を実証している。現在,さらに,帯域平坦化された絶対変位センサの出力をフィードバックするという応用時における効果を検証している。加速度・速度・変位の3信号を同時検出する絶対変位センサを,フィードバックあるいはフィードフォワードセンサとして活用させるための方策を研究した.具体的には,高周波域に出現する機械共振の抑制である.まず,レーザ変位計のビームを振動子の多数点に照射することによって,機械共振三つの振動モードを特定した.次に,機械共振の抑制を図るため,マスと粘弾性体とからなる微小なマス・ダンパを貼りつけることによって,1次および2次振動の抑制を図った.本来ならば,モーダル解析の結果を踏まえて,機械共振の発生が無い振動子を再設計すべきであるが,ここでは,センサとしての特性が変化しない程度のマスダンパを数カ所に貼り付けて機械共振を抑制している.この抑制が,振動子の平衡点まわりの強制加振試験だけではなく,ケース加振による振動検出においても同様であることを検証するため,絶対変位センサ全体を加振する装置を製作した.この実加振応答においても,振動検出出力に機械共振の影響が緩和されている様子を観測することができた.最後に,マス・ダンパによって振動子の機械共振を抑制した絶対変位センサの検出信号を使って,リニアモータにフィードバック制御をかけたときに性能を論じた.マス・ダンパの有無によるリニアモータの制振の様子から,振動子の機械共振を抑制した効果を示せた.絶対変位センサの原理提案以降,これを産業応用に持ち込むための課題を解決してきた.具体的に,設計法,ばらつきを吸収する調整法,そしてフィードバック制御に適用したときの問題点の明確化である.最終年度は,検出帯域を高域へひろげるときの課題にまとを絞った.産業応用に資することができる手法を提案できている.変位・速度・加速度を同時検出できる絶対変位センサを提案し,これをボイスコイルモータ付き空圧式除振装置のフィードバックに適用できることを基盤研究(C)20560212で示した.この継続としての本研究では,変位センサの検出感度を数値で捉えるとともに,感度向上のために検定コイルの巻数を変更する試作を行った.この感度向上がフィードバック応用においても有意に機能することを示した.併せて,高周波数域に出現する機械共振の振動モードを特定し,これをチューニングマスダンパで抑制して周波数応答をクリーンにできることを振動子単体とともに,フィードバック応用においても示した.H23年度の計画は,振動子構造の分析と,振動子の試作および治工具類の設計の2点であった.(1)提案する絶対変位センサを広帯域化するとき,高周波域での機械共振の出現が問題であった.購入したレーザ変位計を用いた実験モーダル解析によって,150,240,480Hzに振動子の柔軟変形による共振の存在を明らかにすることができた.対策のため,振動子に特性を変えない程度の質量付加を行なうことによって,240Hzの共振が抑えられることを実証した.つまり,絶対変位センサの高帯域化を実現する一つの方策を見出した意義がある.(2)絶対変位センサを高帯域かつ高感度とするには,センサに内蔵する変位検出器と検定コイルによる逆起電力を大きくすればよい.

理論解析から明らかになってはいるが,この実現は大学研究室の能力を越える.そこで,いままでの研究データおよび我々の最終目的を振動センサ・メーカに説明のうえ,試作の依頼を行なった.定常の流れにある製品とは異なるため,この仕様に関する打合せを行なったのち,発注をおこないH24年1月には,2種類の振動センサ各2台の納入を受けた.これらのセンサに施すアナログサーボ回路は研究室のオリジナルな回路である.同回路を手組で製作した後,合計4台の振動センサを絶対変位センサに生まれ変わらせたところまでは確認済みである.さらに,従来の絶対変位センサの周波数特性計測にあたっては,強制加振する方法を採用した.しかし,本来は同センサのケースごと加振する方法を採用せねばならない.これを実加振と称する.実加振のための治具を設計しかつ実用的に実加振に基づく周波数応答が取得できるところまで確認した.これによって,絶対変位センサの感度を変位V/m,速度V・s/m,そして加速度V・s2/mで評価する設備が整った.極めて弱い板ばねで支えられた振動子に,マスダンパを装着させるという手法を高周波ダイナミクス抑制のために採用した。振動センサの性能に悪影響を及ぼすことなく高周波領域に副振動低減に寄与するものなのか,ということに最大の懸念をもっていた。しかし,金属片と粘弾性体を組み合わせたマスダンパを振動子のモードを考慮して貼りつけ,そして評価用の計測を繰り返すことによって,確実に高周波副振動を抑制できることが検証できた。この手法によって,振動検出帯域を高周波側に拡大されるので,制振フィードバック用途への応用範囲が拡がる。絶対変位センサ単体での評価では,帯域平坦化は検証されているが,今後,同センサの振動信号をフィードバックで用いたときの効果を検証せねばならない。高帯域化を阻害する原因が振動子自身の機械共振にあるとの見込みが,レーザ変位計を用いた実験モーダル解析によって正しいと確認できた.さらに,いまのところ一つの手段に過ぎないが付加質量による機械共振モードの抑制に成功した.本助成によるレーザ変位計の購入の前に,いくつかの予備実験を実施している.この知見を踏まえてレーザ変位計を購入したため,容易に成果を得たと考えられる.次に,絶対変位センサを実加振する治工具の設計・製作であるが,2回の試作後に完了させることができた.1回目の試作品は,静圧軸受を絶対変位センサの下部に単純に貼りつけたものであったが,評価したい加振方向以外の成分が重畳するという不具合があった.この失敗を早く経験できたことが,設計変更をした2回目の試作品で,実加振に基づく周波数応答の修得ができた要因と考えている.微小なマスダンパを備えて高周波ダイナミクスが抑制された絶対変位センサをフィードバックに適用することを目指す。ダイナミクス抑制が同センサ単位の性能に留まることなく,すなわち観測用途としてだけでなくフィードバックの場合にも有益であることを実機検証する。鉛直用絶対変位センサを用いた予備実験では,同センサに重力補償用の機械的コイルばねが装着されている,という特殊事情によってマスダンパ装着の効果が,水平用絶対変位センサに比べて劣っている。
強相間電子系における光励起状態の位相緩和ダイナミクス

高い感度と高速応答性を両立する光スイッチング動作原理として、強相関電子系の光学応答が注目されはじめてすでに久しい。しかし、その機構は未だ解明されていない。本研究では、1:高い3次非線形光学特性を有する低次元強相関絶縁体において、光スイッチング動作の動的特性を決める位相緩和時間の詳細な測定(縮退4光波混合法)を行った。その結果から、強相関電子系における高速応答性が、通常の半導体とは異なる励起状態の散乱機構によって支配されていることを明らかにした。2:また、上記の研究を遂行する過程で、高効率かつ超高速な光誘起絶縁体金属転移を、二次元有機伝導体において見出した。この光誘起相転移は、光学特性のみならず、伝導、磁気特性をも同時に高速、高感度スイッチングできる動作原理として注目されている現象である。本研究では、この有機強相関物質における光誘起相転移に関しても、その高速応答性の起源を、中赤外ポンププローブ分光を用いて探索した。これらの結果から、光スイッチングの応答時間を特徴付ける緩和過程において、強相関電子系特有のスピン自由度の寄与した高速緩和や、光誘起相転移の巨視的性質を反映する臨界緩和など新たな現象を実験的に見出すことができた。これらの知見は、今後、多数の強相関電子系物質の光応答のダイナミクスの類型化に役立ち、さらに、高速スイッチング材料の設計指針を与えるものと期待できる。時間分解構造解析や時間分解光電子分光など、最新の新しい実験手法の導入によって、強相関電子系における光励起状態や光誘起相転移のダイナミクスの研究は、基礎、応用両面からますます発展が期待される。我々も、今後テラヘルツポンププローブ分光などの新たな手法によって、より詳細な描像をもとめていきたい。典型的な一次元モット絶縁体に対し、位相緩和時間の評価を簡便に行うために2パルス型縮退4光波混合の測定光学系を構築した。本研究において、対象となるモット絶縁体の多くは、可視光から中赤外光領域に共鳴吸収(反射)帯を有するため、この波長領域のフェムト秒波長可変光源が必要となる。そこで、本年度は、波長800nmのフェムト秒レーザー(既存)を励起源とする波長変換器(光パラメトリック増幅器;OPA)を作製し、可視中赤外での測定を可能とした。また、温度可変試料冷却装置(平成16年6月納入済)を用いて、位相緩和ダイナミクスの測定を10-300Kの広い温度領域で行えるようにする。大きさ、形状の制限された単結晶試料を用いて反射配置の測定を行う必要があるため、冷却装置に試料を装着したまま試料角度を変えられるように改造を施し、単結晶試料の温度依存性測定を可能にした。これらの装置を用いて、予備的測定を行い、強励起下において、位相緩和時間が弱励起の極限に比べ約一桁延びることを見出した。この現象は、五味、高橋らによって予測されているホロン-ダブロンクラスターの生成(Phys.Rev.B72,045129(2005))に対応するものと考えられる。さらに、強相関電子系物質の電子構造パラメータ(電子格子相互作用やトランスファーエネルギー)を効果的に変化させる方法として、圧力(静水圧)を印加する方法が知られているが、超高速時間分解分光に適用した例はない。圧力印加下における超高速時間分解分光法の可能性を検討し、低温、静水圧下でのフェムト秒分光の測定系の製作に着手した。前年度までに製作を完了した、2パルス型縮退

4光波混合の測定光学系と、温度可変試料冷却装置を用いて、一次元モット絶縁体[Ni(chxn)_2Br]Br_2における位相緩和ダイナミクスの測定を10-300Kの広い温度領域で行った。これまでに、強励起下(8μJ/cm^2)において、吸収スペクトルの線幅から予想される値よいも長寿命の位相緩和が現れることを明らかにしている。この現象は、五味、高橋らによって予測されているホロン-ダブロンクラスターの生成(Phys.Rev.B72,045129(2005))に対応するものと考えられるが、今年度は、さらに、その温度依存性において、特徴的な振る舞いを新たに見出した。4光波混合の信号の減衰は、全温度領域において1ps以下の超高速成分と数ピコ秒のやや遅い成分の足しあわせで再現できる。このとき、遅い成分の温度依存性は、光学型格子振動との相互作用によって説明できる。このことは、吸収スペクトルの線幅の温度依存性と完全に符合する。ところが、サブピコ秒の速い成分は、まったく異なる依存性を示し、光学フォノン以外との相互作用によって位相緩和が起きていることを示す。高速成分の温度依存性が磁化率の温度依存性とよい一致を示すことから、位相緩和が、スピン波励起であるマグノンの放出に関係していることが示唆される。さらに、強相関電子系物質の電子構造パラメータ(電子格子相互作用やトランスファーエネルギー)を効果的に変化させる方法として、圧力(静水圧)を印加する方法が知られているが、超高速時間分解分光に適用した例はない。圧力印加下かつ低温下における超高速時間分解分光法の試みとして、二次元有機導体((BEDT-TTF)_2X)の圧力印加下のダイナミクス測定に成功した。前年度までに、2パルス型縮退4光波混合によって、一次元モット絶縁体[Ni(chxn)_2Br]Br_2において光励起状態の位相緩和ダイナミクスを調べてきた。これまでに明らかになったことは、以下の2点である。i)強励起下では、弱励起の場合よりも顕著(約一桁)に遅い成分(6ps)が現れる。ii)遅い成分の温度依存性は、単純な光学フォノンとの相互作用では説明できない。本年度は、この遅い成分の温度依存性をさらに詳しく調べた。強励起下における温度変化は、a)最低温では観測されないものの、20-30Kで現れ、100K以下で高速化するサブピコ秒の高速成分と、b)100K以上で高速化する数psの成分に分けることができる。b)が、光学型格子振動との相互作用によって説明できるのに対し、a)は、磁化の温度変化とよく対応していることから、スピン自由度との関係が強く示唆される。さらに、b)に関しても、弱励起において観測される格子振動との相互作用と比較して、関与している格子振動のエネルギーは同一であるものの、結合の強さを表すパラメータは、一桁程度小さく、格子との相互作用の仕方は大きく異なっていることが示される。これらの結果は、以下のことを示す1)強励起によって形成されるホロンダブロンクラスターは、格子振動、マグノンのいずれによっても散乱を受ける、2)格子振動との相互作用においては、単独のホロンダブロン励起子よりも遥かに小さな散乱しか受けない。3)その結果、マグノン散乱による効果が観測されるようになる。また、前年度から開始した、二次元有機伝導体の研究においては、極めて弱い光においても、光誘起相転移が高効率(200分子/photon)に起こることを始めて明らかにした。(Iwai et al.Phys.Rev.Lett.98,97402(2007))。
巨大古代湖は最上川水系の魚類のレフュージアだったのか？

約600万年前から400万年前にかけて上・下流側に2つの巨大淡水湖があったとされる最上川水系周辺で、独自の進化を遂げた可能性のある魚類の集団解析を行い、古代湖が進化に及ぼした影響について考察した。調べた7種のうち、2種は固有の新規分類群と見られ、古代湖周辺で分化が進んだことが示唆された。別の3種では、最上川と近隣水系間、最上川の上・下流の集団間で異なる遺伝的構造が認められ、古代湖に流入する異なる河川水系間での地理的隔離の影響が示唆された。他の2種では特徴的な集団構造は認められなかった。比較対象とした相模川水系では、他水系からの移入個体の影響が大き過ぎて、明確な集団解析はできなかった。約600万年前から巨大淡水湖や広大な干潟が発達していたと推定される最上川水系と近隣水域において、独自の分化を遂げたと考えられる淡水魚類の調査・研究を継続している。本年度は、シナイモツゴ近似種、アブラハヤ、ジュズカケハゼ近似種、イワナを対象として研究を行った。宮城県シナイ沼で原記載されたシナイモツゴとは形態が異なり、遺伝的に大きく分化したシナイモツゴ近似種は、新たに最上川水系上流域周辺や秋田県南部の池沼にも分布することが判明し、これまでの結果をまとめた論文とともに、未記載種または亜種としての記載の準備を始めた。昨年度新潟県からも見つかったジュズカケハゼ鳥海山周辺固有種は独立した系統であることが確認された。過去に新潟県から記載されたコシノハゼGymnogobius nakamuraeと本種を比較検討した結果、同種であることが確認され(新版「日本産魚類検索ー全種の同定第三版」掲載)、これまでの結果をまとめた論文の準備を進めている。最上川水系の各支流でイワナ集団の遺伝的構造を解析した結果、調べたうちのほとんどの集団は在来集団と見なされたが、最上川上流側集団と下流側集団間で明確な遺伝的分化はなかった。一方、最上川下流側の1支流集団では、全個体が琵琶湖周辺河川の遺伝子型に置換しており、移植放流による人為的撹乱の影響が大きかった。最上川水系との比較のために、相模川水系と金目川水系で魚類相とアブラハヤの遺伝的集団構造の調査・解析を行った結果、確認された31種のうち11種は外来種・国内移入種であった。このように、両水系は人為的撹乱の影響が大きいので、保全生物学的観点から魚類相のデータをまとめた論文を準備中である。一方、相模川水系周辺のアブラハヤの遺伝的集団構造は明らかになりつつあり、最上川水系と比較解析できる可能性が出てきた。約600万年前から400万年前にかけて2つの巨大淡水湖が発達していたとされる最上川水系付近で、独自の進化を遂げたと考えられる淡水魚類集団の解析を行い、古代湖が進化に及ぼした影響について考察した。他の地域のハナカジカとは遠く離れた系統である山形産ハナカジカについて、未調査の最上川水系支流で集団解析を行った。その結果、どの支流集団も遺伝多様性がなく、最上川水系上・下流の2系統に分かれ、地史との関連性が示唆された。ニゴイ集団の解析を最上川水系と相模川水系で行った結果、最上川水系集団では特徴的な遺伝的構造はなかった。一方、相模川水系には2系統があったので、東北、関東、琵琶湖、広島産ニゴイと比較した結果、相模川水系の1系統は西日本からの移植に由来することがわかった。西日本には大陸と同種のコウライニゴイがいるとされているが、西日本産の種は明らかに中国、台湾のコウライニゴイとは別系統で、分類の見直しが必要であることが判明した。東北の太平洋側を模式産地とするシナイモツゴと形態的、遺伝的に分化したシナイモツゴ近似種は、秋田、山形、新潟の池沼にも分布することが判明し、日本海側に発達していた池沼で種分化が進んだ可能性が示唆され、新規分類群としての記載を検討している。ジュズカケハゼ種群のうち、山形から新潟に分布する種の遺伝的多様性を調べた結果、山形県北部と南部に遺伝的に異なる2系統が認められ、地史との関連性が示唆された。これらの結果をまとめ、魚類学専門誌に論文投稿中である。最上川水系各支流でイワナ集団を解析した結果、多くは在来集団と見なされたが、特徴的な遺伝的構造はなかった。最上川水系との比較のために、相模川水系と近隣の金目川水系でアブラハヤの遺伝的集団構造を調べた。その結果、両水系のアブラハヤの遺伝的集団構造が明らかになったが、放流された個体も混入している可能性が高いことが明らかとなった。

比較対象とした相模川水系では、他水系からの移入個体の影響が大き過ぎて、明確な集団解析はできなかった。近年の地質学的研究により、現在の山形県最上川水系周辺には琵琶湖に匹敵するくらい古い約600万年前から巨大淡水湖や広大な干潟が発達していたと推定されており、それらがレフュージアとして作用し、そこに逃げ込んだ多くの淡水生物が氷河期を経ても絶滅せずに独自の進化を遂げた可能性がある。本年度は、主としてコイ科シナイモツゴ近似種、ジュズカケハゼ近似種、カジカ大卵型を対象として、各種の分布調査と形態観察、DNAマーカーに基づく系統解析、集団遺伝学的解析を行った。その結果、最上川中・下流域付近の里山の池沼に分布するシナイモツゴ近似種は、模式産地である宮城県シナイ沼周辺のシナイモツゴとは頭の各部位の形態がやや異なること、ミトコンドリア遺伝子に基づく分子系統解析において大きく分化していることが確認され、東北地方太平洋側のシナイモツゴとは古くに分岐し、独自の進化を遂げていることが示唆された。なお今後、最上川流域にかつて存在していたとされる古代湖で種分化が進んだ可能性を検証するために、近県の水系に分布するシナイモツゴ種群の調査を計画している。鳥海山周辺の池沼から見つかったジュズカケハゼ近似種は、ミトコンドリア遺伝子に基づく分子系統解析により他のジュズカケハゼ種群とは大きく分化していることが明らかとなった。ただし、同種は新たに新潟県内からも確認された。したがって、同種は進化的に古くから山形・新潟周辺の池沼に分布し、独自の種分化を遂げている可能性が考えられた。一方、カジカ大卵型は、近県の各水系と最上川水系の集団は明らかに遺伝的に分化していた。さらに、最上川水系上流側と下流側の支流の地域集団間ではやや遺伝的分化が認められ、それぞれ上・下流側に存在したとされる二つの古代湖に流入する河川の上流域で進化した可能性が考えられた。主要な研究目的である最上川水系での絶滅に瀕している在来淡水魚類の調査・研究は着実に進展しており、学会発表を行い、3つの論文投稿の準備をしつつある。比較対照である相模川水系などの関東地方での調査・研究は、開発、外来種・国内移入種との競争により絶滅している種が多く、難航している。それでも、コイ科アブラハヤなどで調査・研究が進み、学会発表を実施し、論文の準備ができる段階まで進展した。最も主要な研究目的である最上川水系での絶滅に瀕している在来淡水魚類の調査・研究は予想よりも大きく進展したため、学会発表に加えて、二つの論文投稿を準備する段階に至っている。比較対照区である相模川水系を始めとする関東地方の水系での調査・研究は、在来淡水魚類の生息環境の悪化、外来種による食害や交雑の問題などにより絶滅しているものが多く、予想よりも難航した。それでも、コイ科ヒメハヤ属魚類などで調査・研究が進み、学会発表を行うまでに研究が進展した。最上川水系では、コイ科シナイモツゴ近似種、コシノハゼに関する論文投稿の準備を進める。また、比較対象である関東地方では絶滅した在来種が多いので、最上川水系と関東地方の水系で共通にサンプルが確保できるコイ科ニゴイ、アブラハヤを対象として分子系統解析、集団遺伝学的解析を進めることにする。これまでの研究を通して、水系の形成過程が魚類相形成に与える影響を総合的に考察する。最上川水系では、コイ科シナイモツゴ近似種、ジュズカケハゼ近似種について、分布調査と形態観察、分子系統解析、集団遺伝学的解析を継続してデータ補強を行い、最上川水系の在来種の魚類相や集団構造の形成過程に巨大な古代湖がどの程度影響したのかを検証する。
電子デバイスの沸騰冷却に関する熱力学的および伝熱学的研究

1.沸騰核の熱力学的一般安定性基準の導出:均一温度場における既存気泡核について,固体面,その表面に存在する幾何学的単一クボミ,これに捕獲された気泡,気泡と平衡している液相及び系の圧力調整用ガス層からなる熱力学的系の平衡安定性解析を行い,気泡界面曲率をρ,気泡体積をV,気泡内蒸気相モル数をnVとすると, (〓ρ/〓V)nV>0が,既存気泡核の厳密な熱力学的一般安定平衡条件であることを示した.2.高サブクール状態の経験に対し高安定かつ高活性クボミ形状の同定:上述の既存気泡核の一般安定平衡条件を基に,過熱状態→高サブクール状態(2040K)→再過熱状態における再活性化過熱度が小さい既存気泡核クボミ形状の同定を試みた.検討した多くのクボミ形状の中で最も気相捕獲能力に優れているリエントラント型クボミについて,まず高サブクール状態で気泡を安定に保持できるクボミ条件,さらにこの気泡の再活性化条件を解析的に示した.この解析により,濡れ性の高いフロン系冷媒では再活性化には1020K程度の過熱度を要することが示された.この事と,再活性化に関する本実験値及び既存実験値が上述の値とよく一致することから,高サブクール条件を経験した後の再活性化では顕著な温度超過が不可避的である可能性を示した.3.シリコン面上におけるフロン系冷媒の核沸騰特性および核沸騰機構に関する実験:2の結果により本年度はこの実験を延期し,沸騰核活性化に注目したフロン系冷媒の核沸騰熱伝達促進法について実験的に検討した.原理は,沸騰面近傍に干渉板により等温場を形成し核活性化を助成することであり,実験結果によれば,干渉板により若干の核沸騰熱伝達促進が実現されており,今後このパラメータ実験とシリコン面での沸騰実験を継続する予定である.1.沸騰核の熱力学的一般安定性基準の導出:均一温度場における既存気泡核について,固体面,その表面に存在する幾何学的単一クボミ,これに捕獲された気泡,気泡と平衡している液相及び系の圧力調整用ガス層からなる熱力学的系の平衡安定性解析を行い,気泡界面曲率をρ,気泡体積をV,気泡内蒸気相モル数をnVとすると, (〓ρ/〓V)nV>0が,既存気泡核の厳密な熱力学的一般安定平衡条件であることを示した.2.高サブクール状態の経験に対し高安定かつ高活性クボミ形状の同定:上述の既存気泡核の一般安定平衡条件を基に,過熱状態→高サブクール状態(2040K)→再過熱状態における再活性化過熱度が小さい既存気泡核クボミ形状の同定を試みた.検討した多くのクボミ形状の中で最も気相捕獲能力に優れているリエントラント型クボミについて,まず高サブクール状態で気泡を安定に保持できるクボミ条件,さらにこの気泡の再活性化条件を解析的に示した.この解析により,濡れ性の高いフロン系冷媒では再活性化には1020K程度の過熱度を要することが示された.この事と,再活性化に関する本実験値及び既存実験値が上述の値とよく一致することから,高サブクール条件を経験した後の再活性化では顕著な温度超過が不可避的である可能性を示した.3.シリコン面上におけるフロン系冷媒の核沸騰特性および核沸騰機構に関する実験:2の結果により本年度はこの実験を延期し,沸騰核活性化に注目したフロン系冷媒の核沸騰熱伝達促進法について実験的に検討した.原理は,沸騰面近傍に干渉板により等温場を形成し核活性化を助成することであり,実験結果によれば,干渉板により若干の核沸騰熱伝達促進が実現されており,今後このパラメータ実験とシリコン面での沸騰実験を継続する予定である.
磁性損失材料と誘電損失材料の複合化による広帯域電磁波吸収材料の開発

本研究では、磁性損失材料と誘電損失材料の複合化による広帯域電磁波吸収材料の開発を目的に、本年度は主に複合型吸収体の作製とその特性評価に重点を置き、吸収メカニズムの解明を目指すとともに材料設計の可能性を探った。また、従来とは逆に誘電損失材料中に磁性損失材料が分散する複合材料の作製も引き続き試みた。最後に全体の総括を行った。1.複合型吸収体の作製と特性評価Y型フェライトとSiCを組み合わせた複合型吸収体を作製し、マイクロ波吸収特性を評価した。適切な焼結条件とSiC添加量の制御により、従来よりも吸収量が大幅に向上し、吸収帯域も3.5-6.5GHzと広帯域化した。透磁率を低下させることなくSiC添加によって誘電率を増大できたことが広帯域化に寄与していると考えられる。2.マイクロ波吸収体の設計とその検証スピネルフェライトとフェロックスプラナ型フェライトの複合化によるマイクロ波吸収体の設計を試みた。実際に作製した試料と設計値との比較を行い、焼結の際の反応が大きく影響を与えることを明らかにした。3.新規複合材料作製法の検討錯体重合法を応用した新しい作製法により炭素/合金系複合材料を作製し、その特性を評価した。作製条件を最適化することで材料の微細組織が制御でき、磁気特性が大きく向上することを明らかにした。更に、マイクロ波吸収特性に及ぼす影響を検討した。4.総括一連のフェロックスプラナ型フェライトの固溶組成や基本的電磁気特性とその支配因子といった本質の解明を目指し、平衡状態図を作成し、電磁気特性の組成依存性を明らかにした。この知見を基に、作製条件の最適化とSiC添加量の最適化により、帯域幅、吸収量ともに従来より大きく向上した新規複合材料を開発した。また、従来とは逆に誘電損失材料中に磁性損失材料が分散する複合材料の作製も検討した。本研究では、磁性損失材料と誘電損失材料の複合化による広帯域電磁波吸収材料の開発を目的に、本年度は一連のフェロックスプラナ型フェライトの固溶組成や基本的電磁気特性とその支配因子といった本質の解明研究を重点的に行った。具体的には、BaO-CoO-Fe_2O_3三元系を用いてフェロックスプラナ型フェライトの平衡状態図を作成し、基礎的物性の組成依存性を解明することを試みた。また、従来とは逆に誘電損失材料中に磁性損失材料が分散する複合材料の作製も試みた。1.BaO-CoO-Fe_2O_3三元系平衡状態図の作成通常の固相反応法よりも反応性が高く化学平衡に容易に到達することが期待される錯体重合法を用い,種々の組成の試料を大気中1000°Cおよび1200°Cで焼成した。得られた試料に対して、粉末X線回折測定により生成相の同定を行い平衡状態図を作成した。1000°Cでは六方晶フェライトとしてはM型とY型のみが存在し、Y型は比較的広い単相領域を有していることが明らかとなった。1200°CではM型、Y型に加えU型、W型、Z型も生成し、Z型以外は固溶域を有していることが明らかとなった。2.電磁気特性の組成依存性合成した試料の飽和磁化、保磁力、透磁率等の磁気特性を試料振動型磁力計またはネットワークアナライザにより測定し、組成依存性について検討した。飽和磁化は大きな組成依存性は示さなかったものの、保持力と透磁率は比較的大きな組成依存性を示した。必ずしも定比組成で特性が極大値を示すわけではなかったが、M型定比組成で保持力が最大に、Y型定比組成では保持力が最小、透磁率が最大を示すことが明らかとなった。3.新規複合材料作製法の検討誘電損失材料としての炭素を選択し、そのマトリックス中に従来とは逆に磁性損失材料である磁性金属または化合物を分散させた新しい複合材料の作製を、錯体重合法を応用して試みた。

4.総括一連のフェロックスプラナ型フェライトの固溶組成や基本的電磁気特性とその支配因子といった本質の解明を目指し、平衡状態図を作成し、電磁気特性の組成依存性を明らかにした。この知見を基に、作製条件の最適化とSiC添加量の最適化により、帯域幅、吸収量ともに従来より大きく向上した新規複合材料を開発した。また、従来とは逆に誘電損失材料中に磁性損失材料が分散する複合材料の作製も検討した。
ピアノ演奏ではなくピアノ学習のための支援システム

近年ユーザ支援システムの開発が盛んであるが,支援の多くはユーザのミスを防いだり,技術や知識(記憶)の不足を補う役割が多く,ユーザ自身の技術向上のためのものではない.そのような状況に疑問を持ち,ユーザ自身が技術を身に着けるための支援を行う.従来のピアノ演奏支援でも同様に知識不足を支援するのみで,システムに依存した演奏になり,学習者自身の技術習得については十分とは言えない.そこで従来のピアノ演奏支援システムの支援機能を細分化し,それぞれの支援機能がピアノ初心者にどのような技術習得の効果をもたらすかを実験により確認し,技術を身に着けるためのピアノ学習支援システムを構築する.近年ユーザ支援システムの開発が盛んであるが,支援の多くはユーザのミスを防いだり,技術や知識(記憶)の不足を補う役割が多く,ユーザ自身の技術向上のためのものではない.そのような状況に疑問を持ち,ユーザ自身が技術を身に着けるための支援を行う.従来のピアノ演奏支援でも同様に知識不足を支援するのみで,システムに依存した演奏になり,学習者自身の技術習得については十分とは言えない.そこで従来のピアノ演奏支援システムの支援機能を細分化し,それぞれの支援機能がピアノ初心者にどのような技術習得の効果をもたらすかを実験により確認し,技術を身に着けるためのピアノ学習支援システムを構築する.
乳房超音波strain elastography自動化プログラムのエビデンス構築

前研究で作成した乳房超音波strain elastography自動化プログラムでは病変が存在する乳房の構造(脂肪、乳腺組織、人体組織の比率など)により、エラーが出ることが多かったため、一部、プログラムの修正をしたプログラムバージョンアップ作業をおこなった。昨年、ハードウェア(超音波装置、探触子の材質など)の革新的変化があり、本プログラムの肝である。Bモードピクセルデータの分解能、検出感度が大幅に向上したため、プログラムの大幅な修正も必要となった。次に、診断アルゴリズムの作成に入ったが、最終診断目標は、次の6パターンの診断補助アルゴリズムとすることを考案。1Bモード画像で悪性が疑われる病変に、より悪性確信度を上げさせる情報提供。2Bモード画像で悪性が疑われる病変に、良性の可能性が高いと考え直させる情報提供⇒提供情報の質により、MRI他のモダリティ検査か、生検による判定が必須となる。3Bモード画像で良悪性鑑別困難だが確かに存在する病変に、良悪性の方向性を提示⇒いずれにせよ、この場合は、MRIなどの他のモダリティ検査か、生検が必須となる。4Bモード画像で良性が疑われる病変に、悪性の可能性が高いと考え直させる情報提供⇒MRIなどの他のモダリティ検査か、生検が必須となる。5Bモード画像で良性が疑われるが確かに存在する病変に、良性確信度を上げさせる情報提供⇒生検不要となる。6Bモード画像で病変かどうか判断に迷う変化に、良悪性にかかわらず、病変と認識させる情報提示⇒4か5のパターンに移行する。複雑なアルゴリズムにとなるため、過去の画像データにあてはめ、診断アルゴリズムを組み立てている。昨年度のもう一つの課題であった、共同研究施設であるが、高性能なCPUを搭載する装置を保有する施設から、すでに賛同表明、参加希望があり、アルゴリズム作成後、臨床試験プロトコル作成予定である。当初考えていた診断手法では本プログラムの臨床応用には、不十分であることが判明。臨床現場で遭遇する様々な譲許を想定し、前述した6分類による診断アルゴリズムを考案し、煮詰めているところである。各状況(同じ病変でも診断過程の状況により判断が異なってくる可能性がある)に応じて、柔軟に方針を決めていけるものを想定している。さらに、最終確定診断において、病変のどの部位を生検すればよいのかまで踏み込むことになるかもしれない。なお、併用して進めていた臨床試験チームは段取りができており、アルゴリズム作成後、倫理申請予定である。研究途中で、アルゴリズムの微修正が必要となる可能性もあり、柔軟な臨床試験プロトコルが必要と考えている。前述した、6パターンの診断アルゴリズム1Bモード画像で悪性が疑われる病変に、より悪性確信度を上げさせる情報提供。4Bモード画像で良性が疑われる病変に、悪性の可能性が高いと考え直させる情報提供⇒MRIなどの他のモダリティ検査か、生検が必須となる、5Bモード画像で良性が疑われるが確かに存在する病変に、良性確信度を上げさせる情報提供⇒生検不要となる。の各代表的画像と本プログラムによる判断の仕方のマニュアルを作成中(かなり複雑で難渋している)。現時点では、まだ粗削りであるが、素案を5月日本超音波医学会総会のパネルディスカッションで病理の先生を交えて、ディスカッション予定であり、そこで得られた知見、合意をもとに仕上げる予定。本研究は、以前作成した乳房超音波strain elastography自動化プログラムためのエビデンス構築のための他施設共同研究を目的としている。現在、プロトコールの作成とともに、プログラムのバージョンアップを進めている。臨床実験チームが編成できておらず、臨床試験が始められていない。本研究は、以前作成した乳房超音波strain elastography自動化プログラムの有用性を検証し、エビデンス構築を目的としている。当初のプログラムでは対象により、エラーが出る頻度が多かったため、細かいバグを修正したプログラムバージョンアップ作業を行った。特に自己データ(研究者がアナログで設定した過去データ)から、開発したAIを用いた自動ROI設定部分が不安定であったため、最終的に「脂肪に対する硬さに比(Strain Ratio)」の制度に特化した改良を加え、精度向上が得られている。ただ、当初考えていた診断プロトコールでは、新プログラムの有用性を引き出すには不十分となってきたため、現在、他のファクターも加えた追加プロトコールを考案・作成中である。また、本研究の基礎臨床試験論文がアクセプトされたので、臨床試験グループを組織する予定であるが、改良した新しいプログラムは重く、高精度なCPUを必要とする。もちろん新しい装置には搭載可能であるが、現時点では搭載可能な機種が臨床現場には少ない状況である。そこでメーカー情報から、搭載可能装置を保有している施設を物色、選別中である。本アプリケーションを用いた診断プロトコールの精度を検証するための前向き臨床研究を経過していたが、かなりの時間がかかることが予想される。また、臨床研究指針の変更もあり、本研究では、試験期間の短縮を狙い、観察研究として、データを収集する方法も検討中である。これにあわせて研究デザインの修正も検討している。

基礎臨床試験の論文がやっとアクセプトされたところである。また、当初考えていた診断プロトコールでは不十分な部分もあり、追加プロトコールを考案している。診断プロトコール、臨床試験チーム編成ができていない上、臨床試験指針の変更もあったことから、最終研究プロトコールが作成できておらず、臨床試験が始められていない。前研究で作成した乳房超音波strain elastography自動化プログラムでは病変が存在する乳房の構造(脂肪、乳腺組織、人体組織の比率など)により、エラーが出ることが多かったため、一部、プログラムの修正をしたプログラムバージョンアップ作業をおこなった。昨年、ハードウェア(超音波装置、探触子の材質など)の革新的変化があり、本プログラムの肝である。Bモードピクセルデータの分解能、検出感度が大幅に向上したため、プログラムの大幅な修正も必要となった。次に、診断アルゴリズムの作成に入ったが、最終診断目標は、次の6パターンの診断補助アルゴリズムとすることを考案。1Bモード画像で悪性が疑われる病変に、より悪性確信度を上げさせる情報提供。2Bモード画像で悪性が疑われる病変に、良性の可能性が高いと考え直させる情報提供⇒提供情報の質により、MRI他のモダリティ検査か、生検による判定が必須となる。3Bモード画像で良悪性鑑別困難だが確かに存在する病変に、良悪性の方向性を提示⇒いずれにせよ、この場合は、MRIなどの他のモダリティ検査か、生検が必須となる。4Bモード画像で良性が疑われる病変に、悪性の可能性が高いと考え直させる情報提供⇒MRIなどの他のモダリティ検査か、生検が必須となる。5Bモード画像で良性が疑われるが確かに存在する病変に、良性確信度を上げさせる情報提供⇒生検不要となる。6Bモード画像で病変かどうか判断に迷う変化に、良悪性にかかわらず、病変と認識させる情報提示⇒4か5のパターンに移行する。複雑なアルゴリズムにとなるため、過去の画像データにあてはめ、診断アルゴリズムを組み立てている。昨年度のもう一つの課題であった、共同研究施設であるが、高性能なCPUを搭載する装置を保有する施設から、すでに賛同表明、参加希望があり、アルゴリズム作成後、臨床試験プロトコル作成予定である。当初考えていた診断手法では本プログラムの臨床応用には、不十分であることが判明。臨床現場で遭遇する様々な譲許を想定し、前述した6分類による診断アルゴリズムを考案し、煮詰めているところである。各状況(同じ病変でも診断過程の状況により判断が異なってくる可能性がある)に応じて、柔軟に方針を決めていけるものを想定している。さらに、最終確定診断において、病変のどの部位を生検すればよいのかまで踏み込むことになるかもしれない。なお、併用して進めていた臨床試験チームは段取りができており、アルゴリズム作成後、倫理申請予定である。
超臨界二酸化炭素で構造改変した熱硬化性樹脂由来活性炭による高性能キャパシタ作成

3種類の熱硬化性樹脂を前駆体にして、炭化・賦活条件を変えて活性炭を作製した。得られた活性炭の比表面積、細孔構造、表面化学構造を測定・解析し、水系および有機系電解液との親和性やキャパシタ性能との関係を考察することでEDLCの高容量化の実現を目指した。N2中600°Cで3時間炭化した粒径10umのフェノール樹脂、フラン樹脂、メラミン樹脂をKOH賦活及びCO2賦活して活性炭を作製した。KOH賦活はN2中で700900°C到達後30分間で行った。KOHと炭化物の質量比は4:1とした。賦活後、酸処理・水洗・乾燥を行い、活性炭試料を得た。CO2賦活はCO2中1000°C到達後30分間で行った。活性炭の比表面積・細孔径分布を窒素吸脱着測定で、結晶性はX線回折、組成および結合状態はCHNS,O分析及びX線光電子分光(XPS)、表面官能基量はBoehm滴定法でそれぞれ評価した。活性炭とアセチレンブラック(導電補助剤)とPTFE(バインダー)を質量比8:1:1 (全質量0.1 g程度)で混練し、錠剤成型機で、200um厚、直径14 mmに成型し、115°Cで24 h乾燥させた。電解液として6M KOH水溶液もしくは1M TEABF4/PC溶液を用いて、二極式セルを組み、定電流充放電試験を行った。KOH水溶液中ではKOH賦活によって活性炭の比表面積、酸性官能基量を増大させることで高容量となった。また、HNO3処理を行うことでも酸性官能基量が増大し、疎水性の改善と疑似容量による容量増大が確認された。特に、酸性官能基量の多いフラン樹脂ではHNO3処理によって容量が大幅に増大した。TEMABF4/PC溶液中では活性炭にKOH賦活後、CO2賦活を加えてメソ孔容積を増大させることや酸性官能基量を減らすことで高容量化を果たした。多様な熱硬化性樹脂由来微粒子に対して様々な賦活処理を施し、細孔構造・表面物性と電気二重層キャパシタ特性との関係を考察できた。表面官能基の定量は若干遅れているが、次のステップである細孔内表面への異種官能基導入の準備はできたと考えている。初年度に行った各種の熱硬化性樹脂由来炭化物粒子を用いた賦活による細孔構造・表面物性と電気二重層キャパシタ特性との関係は継続する。今後、表面官能基の定量を迅速に進め、次のステップである細孔内表面への異種官能基導入実験に着手する。変更は特にありません
カルパインによる胃粘膜防御及び腸管免疫の作用機序解析

常に異物に晒される胃腸の粘膜には複雑な防御システムが備わっている。胃腸特異的に発現する細胞内プロテアーゼ複合体G-カルパイン(カルパイン8とカルパイン9のヘテロ二量体)は、ストレス応答性の胃粘膜防御と、Th17細胞分化制御を介した腸管免疫に関与すると考えられるが、これらのメカニズムは不明である。本研究では、G-カルパインが粘液分泌細胞の移動・増殖の制御及び胃酸分泌の負の制御によって胃粘膜防御に働くことと、G-カルパイン活性と腸内細菌の腸管上皮接着との間に制御システムが存在する可能性を見出した。「内なる外」である消化管の防御システムは複雑かつ多様であり、その分子機序には未解明の点が多い。我々は、胃腸特異的に発現する細胞内プロテアーゼであるG-カルパイン(カルパイン8とカルパイン9のヘテロ二量体)が、ストレスに対して作動する胃粘膜防御と、腸管において、ヘルパーT細胞の一種であるTh17細胞の分化制御に関わることを見出した。本年度は、(1)G-カルパイン不全による胃粘膜損傷増悪のストレス依存性, (2)G-カルパインによる胃粘膜防御機構の検討、(3)G-カルパインによる腸管Th17細胞分化制御機構の解析を進めた。(1)については、NSAIDsの投与実験を行うための、投与量等の条件検討を進めているところである。(2)については、培養細胞レベルでG-カルパインノックダウン株が細胞増殖・移動能の遅延をもたらすというこれまでの知見に基づき、G-カルパインKOマウスを用いた個体レベルでの細胞増殖・移動能を調べるため、まずマウス個体へのBrdU投与条件の検討を進めた。(3)については、無菌マウスおよびSPFマウスを用いて、腸管におけるカルパイン8とカルパイン9の蛋白質発現量を比較したところ、両者に違いが見られなかったことから、腸内細菌によるカルパイン8と9の発現制御の可能性は低いことが明らかになった。我々は、胃腸特異的に発現する細胞内プロテアーゼであるG-カルパイン(カルパイン8とカルパイン9のプロテアーゼ複合体)が、ストレスに対して作動する胃粘膜防御に関与することを見出し、さらに、腸管においてはヘルパーT細胞の一種であるTh17細胞の分化制御に関わる可能性を見出した。本年度は、G-カルパインによる胃粘膜防御機構の検討と、G-カルパインによる腸管Th17細胞分化制御機構の解析を進めた。まず、前者について、培養細胞レベルでG-カルパインノックダウン株が細胞増殖・移動能の遅延をもたらすというこれまでの知見に基づき、マウスへBrdUを投与し、G-カルパインKOマウスを用いた個体レベルでの細胞増殖・移動能を調べたところ、野生型マウス及びG-カルパインノックアウトマウス(カルパイン8及び9遺伝子ノックアウトマウス、以下、DKOマウス)との間で差が見られなかった。後者については、これまでにDKOマウスにおいて野生型マウスよりも腸管Th17細胞数が減少していることを見出していた。今年度は、カルパイン8または9どちらか一方の遺伝子ノックアウトマウスでの腸管Th17細胞数を調べたが、DKOマウスと同様の結果が得られるとの予想に反し、個体間で結果にばらつきがみられた。胃粘膜防御機構解析では、培養細胞レベルで示唆されたことが個体レベルでは反映されず、G-カルパインが細胞増殖・移動制御を通じた胃粘膜防御に関与しないことが明確になった。他の可能性を探る必要が生じたものの、一点事実を明らかにできたことは前進である。一方、腸管免疫への関与についての解析では、その可能性がゆらぐ結果となった。得られた結果が実験手法のぶれによるものかどうか検討するところまで戻ることになってしまい、こちらは計画より遅れが生じてしまった。消化管の防御システムは複雑かつ多様であり、その分子機序には未解明の点が多い。我々は、胃腸特異的に発現する細胞内プロテアーゼであるG-カルパイン(カルパイン8とカルパイン9のヘテロ二量体)の生理機能として、ストレスに対して作動する胃粘膜防御への関与と、ヘルパーT細胞の一種であるTh17細胞の分化制御を通じた腸管免疫への関与を見出してきた。本研究はその分子機序の解明を大きな目標としている。本年度は、G-カルパインによる胃粘膜防御機構の検討を中心に以下2つの研究を進めた。一つ目は、カルパイン8と9がヘテロ二量体を形成する意義として、カルパイン8がプロテアーゼ活性サブユニット、カルパイン9がヘテロ二量体を安定化させるシャペロンとして機能することを明らかにした(Hata et al. JBC, 2016)。二つ目はG-カルパイン活性欠損マウス胃粘膜組織のマイクロアレイ解析を行うと共に、ヒトCAPN8及びCAPN9各遺伝子で見出されている一塩基多型(SNP)に着目し、これがG-カルパインの活性に及ぼす可能性について検討した。その結果、マイクロアレイ解析により、G-カルパイン活性欠損マウス胃における細胞接着や移動の制御因子の発現上昇と、胃酸分泌の制御因子の発現低下を見出した。また、一部SNPによってG-カルパインの活性が減弱または消失することを明らかにした。これらの結果から、G-カルパインが細胞の増殖・移動だけでなく、胃酸分泌の制御などにも関わること、そしてCAPN8とCAPN9のSNPに伴うプロテアーゼ機能の損失が、ストレス性胃疾患の発症リスクを反映することが示唆された。

まず、G-カルパインの活性はカルパイン8のみが担うこと、すなわち見かけは2種類のプロテアーゼの複合体だが実際は1種類の活性を示すプロテアーゼであることが示されたことは、今後G-カルパインの標的を探索する上で重要な知見であった。また、G-カルパインによる胃粘膜防御に、細胞増殖・移動が関わることが培養細胞レベルの解析で今までに示唆されていたが、本年度行ったマイクロアレイ解析によって、これを裏付ける結果が得られたこと、加えて胃酸分泌制御に関わる分子の発現変動も示され、新たな胃粘膜防御機構の存在が示唆された。腸管免疫に関する解析は進められなかったが、胃粘膜防御についての解析は予期しない結果を含め一定の進捗が見られたことから、おおむね順調に進展していると考えられる。我々は、カルパインと呼ばれるCa2+要求性細胞内プロテアーゼファミリーの胃腸特異的分子種であるカルパイン8(CAPN8)とカルパイン9(CAPN9)の生理機能解析を進めてきた。興味深いことに、これらはヘテロ二量体「G-カルパイン」を形成して粘液分泌細胞(胃粘膜上皮の表層粘液細胞及び腸管の杯細胞)に局在することと、CAPN8またはCAPN9一方を欠損させたマウスでは、アルコール溶液投与による胃粘膜の損傷が野生型マウスに比べ有意に増悪することから、G-カルパイン(CAPN8/9)が対アルコール胃粘膜防御に機能することを明らかにした。本年度は、この分子機構の解明を目指した研究を進めた。胃に何らかの負荷がかかり損傷が起こると再生・回復するが、G-カルパインが粘液分泌細胞に発現することから、まず、粘液産生・分泌を介して損傷を食い止めている可能性を検討した。野生型マウス、Capn8KOマウス、Capn9KOマウスについてアルコール投与前後の胃粘膜粘液分泌細胞の電顕観察を行ったところ、粘液顆粒の数に変化は見られず、粘液産生・分泌への関与は可能性が低いと考えられた。次に、粘膜の再生過程における上皮細胞の増殖・移動への関与を考え、培養細胞を用いて実験を行った。粘液分泌細胞由来の細胞株を用いたスクラッチアッセイを行うと、カルパイン阻害剤であるcalpeptin作用下で細胞移動の遅延が起こること、大腸ガン由来細胞株を用いたノックダウン実験を行ったところ、CAPN8、CAPN9いずれかをノックダウンすると細胞増殖の遅延が見られた。以上の結果から、G-カルパインが、粘液・重炭酸分泌制御ではなく、細胞の移動や接着の制御を通じて胃粘膜保護に作用する可能性を見出した。常に異物に晒される胃腸の粘膜には複雑な防御システムが備わっている。胃腸特異的に発現する細胞内プロテアーゼ複合体G-カルパイン(カルパイン8とカルパイン9のヘテロ二量体)は、ストレス応答性の胃粘膜防御と、Th17細胞分化制御を介した腸管免疫に関与すると考えられるが、これらのメカニズムは不明である。本研究では、G-カルパインが粘液分泌細胞の移動・増殖の制御及び胃酸分泌の負の制御によって胃粘膜防御に働くことと、G-カルパイン活性と腸内細菌の腸管上皮接着との間に制御システムが存在する可能性を見出した。本年度は、解析を進めるための条件検討実験が多くを占め、大きな成果を挙げるには至っていない。
軟骨芽細胞と骨芽細胞の分化に伴う細胞間及び細胞-基質間接着分子の動態に関する研究

本研究計画は、胎生期及び成長期のラットの軟骨と骨を研究対象とし、細胞外基質タンパクの軟骨細胞及び骨芽細胞の分化に与える影響について検討することを目的とした。軟骨の分化については、特に細胞の肥大化と基質の石灰化の過程におけるX型コラーゲンの動態を気管軟骨と脛骨の成長板軟骨との間で免疫組織学的に比較検討した。また骨については、胎生期の下顎で間葉細胞が集合し骨芽細胞へ分化する過程における細胞外基質タンパクの発現を免疫組織学的に検討した。出生直後から10週齢のWistar系ラットの気管軟骨と出生直後の脛骨の成長板軟骨を固定後パラフィンに包埋して、切片にX型コラーゲンに対する免疫染色を施した。また、胎生1219日齢のWistar系ラット胎児の頭部を固定後パラフィンに包埋し、連続切片に細胞外基質タンパクに対する免疫染色を施した。脛骨の成長板軟骨では、軟骨細胞の肥大化と軟骨基質の石灰化に伴い細胞周囲の基質にX型コラーゲンが発現したが、気管軟骨ではX型コラーゲンは認められなかった。また、胎生14日齢の胎児においては、将来の骨形成部位に相当する間葉細胞集合領域にテネイシンとフィブロネクチンが局在していた。胎生15日齢においては骨の未熟な基質が見られ、基質中にはI型コラーゲンとオステオネクチンの発現が認められた。また、胎生16日齢では骨基質が石灰化を示し、オステオポンチン、骨シアロタンパク質及びオステオカルシンの発現が認められた。脛骨の成長板軟骨とは異なり、気管軟骨における細胞の肥大化と基質の石灰化にはX型コラーゲンが関与しないことが示唆された。また、骨芽細胞の発生と分化に伴い、細胞外では時期特異的に特徴的な基質タンパクが発現され集積されることが示された。胎生期において、軟骨芽細胞と骨芽細胞は共通の幹細胞である間葉細胞から分化する。しかし、間葉細胞を軟骨芽系と骨芽系の分化方向に振り分ける要因は未だ不明である。本研究計画はラット胎児の下顎を材料として、間葉細胞の集合に伴って形成される細胞間及び細胞-基質間における接着やギャップ結合等の細胞間結合の動態を検索し、これらの因子が軟骨芽細胞と骨芽細胞への分化にどのように関与するのかについて検討することを目的としている。平成9年度は胎生12、13、14、15、16、17、18及び19日齢のWistar系ラット胎児の下顎を観察の対象として、主として骨形成過程に伴う細胞外基質タンパクの分布を免疫組織学的に検索した。胎児を固定後パラフィンに包理し、連続切片を作り隣接の切片にI型コラーゲン、フィブロネクチン、テネイシン及びオステオカルシンに対する抗体を用いた免疫染色を施した。また、他の隣接切片にアルシアン・ブルー染色とvon kossa染色を行い、プロテオグリカンの動態と石灰化の程度を検討した。胎生14日の胎児においては、将来の骨形成領域に相当する部位に間葉細胞の集合が見られたが、骨の基質は形成されていなかった。細胞集合の領域にはフィブロネクチンとテネイシンが局在していた。胎生15日においては骨の未熟な基質が見られ、I型コラーゲンとプロテオグリカンの存在が認められた。また、胎生16日では基質が石灰化を示し、17日ではオステオカルシンの免疫反応が見られた。以上のように骨芽細胞の分化過程において、細胞外基質の構成が動的に変化することが示唆された。