hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
非光合成葉緑体の進化と機能多様性探索～比較ゲノムとプロテオームから

生物界には光合成能力を失ったにも関わらず、非光合成葉緑体を維持している生物が存在する。それらの非光合成葉緑体の機能変化と進化がどう起こったか明らかにするため、同属内で独立に光合成能力を失ったクリプト藻類クリプトモナス属3株及び光合成株1株の比較ゲノム解析を行った。さらにトランスクリプトーム/プロテオーム解析を行い葉緑体に供給されているタンパク質の推定も行った。結果として、非光合成株は独立に光合成を失っているにも関わらず、収斂的な進化の中で、それぞれの進化段階を反映するような状態であることなどが明らかになった。光合成能力を失った葉緑体(白色体)の機能と、それらが進化学的にどのような経緯を経て光合能が失われたのか明らかにすることを目的としている。材料として、葉緑体の起源となった二次共生体の核(ヌクレオモルフ)を保持していながら、光合成能力を維持している種と失っている種が混在するクリプト藻類を用い、葉緑体ゲノムとヌクレオモルフゲノムの比較解析、さらにトランスクリプトームとプロテオームをから白色体の機能推定を目指している。当初予定していた無色クリプト藻類は増殖速度が遅いことが判明したため、本種については少数細胞から抽出したDNA,およびcDNAを増幅し次世代シーケンサーを用いて塩基配列の解析を行った。また、本種は大量培養には向かないことから白色体単離は困難と判断し、解決策として新たに別な無色株を用意した。現在新たな株でもゲノム解析を行うと同時に、白色体単離のパイロット実験を続けている。さらに、比較対象とするための光合成クリプト藻類についても葉緑体とヌクレオモルフのゲノム配列を取得した。26年度の成果としては、独立して光合成能力を失った無色光合成クリプト藻類2株のトランスクリプトームと1株のゲノム配列、またそれらに近縁な光合成クリプト藻類1株のゲノムデータを取得した。今後は無色株残り1株についてゲノム配列の取得を行う予定である。現在は得られた塩基配列情報をアセンブリ後、まずは葉緑体ゲノムに焦点を絞り詳細なゲノム比較を行っている。光合成能力を失った葉緑体(白色体)の機能と、進化的な経緯を明らかにすることを目指している。材料として、葉緑体の起原となった二次共生体の痕跡的核(ヌクレオモルフ)を保持していながら、光合成能力を失った種と光合成を維持している種が混在しているクリプト藻類を用い、葉緑体ゲノムとヌクレオモルフゲノムの比較解析、およびトランスクリプトーム解析を行っている。H26年度に基礎となるDNAのデータを取得し、H27年度はそれらの比較解析を行った。当初の予定にはなかった新たな株を加え、非光合成2株、光合成性1株のデータを取得した。H27年度は主に葉緑体の比較ゲノムに焦点をあて解析を行い、光合成の生物から非光合成生物に至るまでの進化過程の一端を明らかにできた。現在それらの成果を投稿論文にまとめる作業を行っている。また、H27年度には本研究に関連して国際誌に第一著者として論文を発表した。最終年度はヌクレオモルフとトランスクリプトームに焦点を移し、解析を行っていく。当初の計画より株を増やしたため比較解析に予定より時間がかかった。しかしながら、そのおかげでより詳細な比較が可能となり、成果の面では当初計画よりも期待できる状況となっている。また、白色体の分離については困難を極めたため、当初のバックアッププランに従いトランスクリプトームをベースとした葉緑体遺伝子の探索を開始した。光合成を失った葉緑体(白色体)の機能と進化的な経緯を明らかにすることを目指し、比較ゲノム解析とトランスクリプトーム解析を行った。材料として、葉緑体の起源となった二次共生体の痕跡的核(ヌクレオモルフ)を保持していながら光合成能力を失った種と光合成を維持している種が混在しているクリプト生物を用い、葉緑体ゲノムとヌクレオモルフゲノムの比較解析、およびトランスクリプトーム解析を行った。葉緑体ゲノムは3種の完全長ゲノムを決定した。本研究以前に解読されたクリプト生物の葉緑体ゲノムと比較を行い、非光合成葉緑体ゲノムにおいて光合成能力を失ってから光合成関連遺伝子(e.g.,psb遺伝子ファミリー)が偽遺伝子化していく様子、完全に遺伝子が消失するまでの進化段階が明らかになった。また、遺伝子が消失していく過程でゲノムのリアレンジメントの頻度が上昇することが見出された。当初の予定にはなかった株を加えたことで、光合成機能消失の進化における様子をより詳細に把握することが出来た。研究成果は国内外学会で発表し、主要成果について現在論文として投稿準備中である。最終年度は主に、ヌクレオモルフゲノムとトランスクリプトーム解析を行った。ヌクレオモルフについては光合成種と非光合成種、各1種についてほぼ全長を決定した。さらにトランスクリプトーム・データから葉緑体に輸送されるタンパク質を推定し、本研究以前に明らかになっているクリプト生物の葉緑体タンパク質群と比較した。これらの成果についても現在投稿準備中である。

結果として、非光合成株は独立に光合成を失っているにも関わらず、収斂的な進化の中で、それぞれの進化段階を反映するような状態であることなどが明らかになった。予定通りゲノム解析が進んでいる。研究計画にはなかった無色株を追加したことにより、ゲノムデータについては計画よりも多くのデータを取得することが出来た。計画していた株は成長速度が遅かったため白色体の単離についてはまだ有効な方法を構築できていないが、新たな成長速度の速い株を用意できたためパイロット実験をすすめている。白色体単離も含め、スケジュール的に計画の遅延は生じていない。また、白色体単離が成功しなかったときのバックアップとしてトランスクリプトームを行う予定でいたが、これについてはH26年度に取得済みである。H28年度はヌクレオモルフゲノムの比較解析と、トランスクリプトームをベースとした核ゲノムから発現される葉緑体遺伝子の探索を行う。すでに複数の投稿論文にできるデータが揃っているため、論文執筆、及び学会などでの成果発表を積極的に行っていく。比較ゲノム、進化学、原生生物学H26年度に比較ゲノム解析に必要なデータは取得できた為、今後は計画通り比較解析を行う。H27年度は特に葉緑体ゲノムの比較に焦点を当てる。光合成を行う種と行わない種で、どのような遺伝子消失があったのか調査する。また独立に光合成能力を失った複数種のゲノムを解読した為、それらが同じ理由で光合成能力を失ったのかどうか、コードされる遺伝子とゲノムシンテニーを比較し葉緑体ゲノムの側面から明らかにする。白色体タンパク質の解析については、H26年度に培養株を確立することが出来たので、引き続き白色体単離の方策についてパイロット実験を行い、H27年度中にめどをつける。試薬の納期に遅延があったため。予定通り使用する。
脂肪滴近傍の物質輸送機構とその破綻

イノシトール燐脂質は、複雑に錯綜する細胞内の小胞輸送系を仕分ける上で大きな役割を担う。例えば初期エンドソームにはPI3P,ゴルジ装置にはPI4Pが局在し、それぞれのオルガネラの特異性に関わることが知られているが、それぞれの膜内の二次元的な分化は明らかでない。我々は膜脂質分布をナノレベルで解析し、サブオルガネラレベルの分化を明らかにすることを目的に研究を行っている。この目的に資するため、昨年度までに基本的な技法を確立した急速凍結・凍結割断レプリカ標識法(QF-FRL法)を幾つかの点で改良した。1)これまでに報告したPI(4,5)P2以外のイノシトール膜脂質を標識するプローブを開発した。PI3Pを含む複数のイノシトール膜脂質について、特異性、定量性などに優れたプローブを得ることができ、種々の細胞サンプルの解析に適用した。2)遺伝子機能との相関を系統的に解析するために、変異体の入手が容易な酵母細胞への適用を可能にした。急速凍結に加圧凍結法を用い、細胞壁を消化、除去することによって、良好な形態と標識を得た。PI3Pを含む複数の膜脂質についての解析を行った。3)細胞の前処理が不要であるQF-FRL法の特長を生かし、高度に分化した動物体内組織解析用に方法を改良した。小胞体、分泌顆粒、閉鎖結合、ギャップ結合などの発達したマウス膵外分泌細胞についての解析をほぼ終了し、投稿準備中である。これらの方法はイノシトール燐脂質を中心とする膜脂質の細胞内分布の解析を可能にし、細胞内ロジスティックスの分子機構の解明に大きく貢献すると考えられる。脂肪滴は、効率の良いエネルギー源である脂質エステルを貯蔵するオルガネラである。蓄積された脂質エステルの消化は細胞質のリパーゼで行われるが、オートファジーが関与する可能性も報告されている。それらに関わる脂肪滴、脂質エステル、脂肪滴関連蛋白質の輸送機構については不明の点が多い。今回の研究では脂肪滴分解とオートファジーの関連について検討した。野生型マウス胎児線維芽細胞(MEF)およびオートファジー不能細胞であるAtg5(-/-)MEFを400μMオレイン酸存在下で12時間培養した後、オレイン酸非存在下で7時間培養して脂肪滴減少の度合いを観察した。野生型MEFではオレイン酸非存在下の培養により、脂肪滴は急激に減少した。これに比較して、Atg5(-/-)MEFおよびRNAiによりAtg5 knockdownを行った野生型MEFでは、脂肪滴の分解が抑制されていた。また、野生型MEFでの脂肪滴減少は、リソソームを阻害しても抑制されなかったが、DEUP処理により抑制された。脂肪滴がリソソーム中に取り込まれる像は、いずれの時点でもほとんど観察されなかった。今回の結果は脂肪滴の分解にオートファジーが関与することを示すが、リソソーム阻害の結果や脂肪滴のリソソームへの取り込みが見られなかったことは、単純に脂肪滴がオートファゴソームに取り込まれ、処理されるのではないことを示唆する。オートファジーの抑制が、脂質代謝や脂肪滴に関連する蛋白質に影響を与え、脂肪滴分解を遅延させている可能性が考えられる。
熱帯雨林保全のための生物多様性インベントリーシステムの確立

マレーシア・サラワク州のランビルおよびクバ国立公園において植物相及び昆虫相の調査を行った。加藤(雅)は主としてシダ植物、堀田は単子葉植物、西田および永益が被子植物を担当して標本の採集および準備的な同定を行った。昆虫相の調査では、矢田がチョウ類、駒井が蛾類、友国が半翅類について、標本の採集と1992年以来の大量標本のチェックを行った。チョウでは、クバ・ランビル国立公園で採集を行い、科、属、種レベルのソーティング、アゲハ、シロチョウ科については種の同定を済ませ、一部で同定ラベルを添付した。蛾類の調査では、ランビル産の蛾類標本はほとんど三角紙つつみで保存され同定分類が困難であったため、まず、標本を軟化して昆虫針をさしラベルを付ける作業を約1,000個体について完了し、科レベルまでのソーティングを行うとともに標本作製マニュアルを作成した。半翅類の調査では、昼間は主としてビーティングとスウィービングを行い、夜間には灯火に飛来したものを採集し、約1,600個体の昆虫が得られた。そのうち半翅類は約40%で、残りの大半は甲虫類であった。ある種のアリと共生している特殊なマルカメムシ(未記載種である可能性が高い)を得た。1992年および1993年に採集された約12,000点のカメムシ類標本を科までソーティングした。ベトナム北部およびタイ北部でアリ相の調査を行った。ベトナム北部の低地林ではわずが2日間の採集で125種のアリが採集され、多様性の高さが示された。ベトナムとタイの山岳地帯では、従来熱帯低地型と考えらていたヒメサスライアリ属の亜熱帯山地個体群を発見し、本属の生物地理に重要な新知見を加えた。タイ中部では鳥と哺乳類のインベントリーを行い、ランビル・クバとの比較研究が可能となった。蛾類の調査では、ランビル産の蛾類標本はほとんど三角紙つつみで保存され同定分類が困難であったため、まず、標本を軟化して昆虫針をさしラベルを付ける作業を約1000個体について完了し、科レベルまでのソーティングを行うとともに標本作製マニュアルを作成した。半翅類の調査では、昼間は主としてビーティングとスウィーピングを行い、夜間には灯火に飛来したものを採集し、約1,600個体の昆虫が得られた。ベトナム北部の低地林ではわずか2日間の採集で125種のアリが採集され、多様性の高さが示された。

ベトナムとタイの山岳地帯では、従来熱帯低地型と考えられていたヒメサスライアリ属の亜熱帯山地個体群を発見し、本属の生物地理に重要な新知見を加えた。タイ中部では鳥と哺乳類のインベントリーを行い、ランビル・クバとの比較研究が可能となった。前年度に引き続き、マレーシアを中心に、周辺地域のフィリピン、タイ、ベトナム、サハリンなど、東アジア、東南アジアの植物相及び昆虫相の調査を行った。加藤(雅)は主としてシダ植物、堀田は単子葉植物、西田および永益が被子植物を担当して標本の採集および同定を行った。ランビルでは8ヘクタールの500種の樹木のインベントリーがほぼ終了した。昆虫相の調査では、矢田がチョウ類、駒井が蛾類、友国が半翅類について、標本のチェックを行った。鱗翅類ではサラワク産のソーテイングが終了し、周辺地域との比較を開始した。アリ相は山根が「南西諸島産有剣ハチ・アリ類探索図説」を出版し、東アジアと東南アジアの属レベルの検索図鑑を英語と各国の言語で準備中である。タイ中部では鳥と哺乳類のインベントリーが終了し、サイチョウや他の果実食動物の食べる果実のインベントリーの完成が近い状態である。前年度に引き続き、マレーシア、タイ、ベトナム、フィリピンなど東南アジアの植物相、昆虫相の調査を行った。加藤(雅)は主としてシダ植物、堀田は単子葉植物、西田および永益が被子植物を担当して標本の採集および同定を行い、とくにクバおよびランビル国立公園では植物相リストを完成した。昆虫相の調査では、矢田がチョウ類、駒井が蛾類、友国が半翅類について、標本の採集と1992年以来の大量標本のチェックを行った。チョウでは、クバおよびランビル国立公園で採集を行い、科、属、種レベルのソーティング、アゲハ、シロチョウ科については種の同定を済ませ、同定ラベルを添付した。蛾類の調査では、ランビル産の蛾類標本はほとんど三角紙つつみで保存され同定分類が困難であったため、まず、標本を軟化して昆虫針をさしラベルを付ける作業を約1000個体について完了し、科レベルまでのソーティングを行い、標本作製マニュアルを完成させた。半翅類の調査では、昼間は主としてビーティングとスウィーピングを行い、夜間には灯火に飛来したものを採集し、約1,600個体の昆虫(新種をふくむ)を得た。1992年および1993年に採集された約12,000点のカメムシ類標本を科までソーティングした。ベトナム北部およびタイ中北部でアリ相の調査を行い、リストと検索表を作成した。タイ中部では動物散布型被子植物と、鳥、哺乳類のインベントリー、ならびにどんな植物がどんな動物に散布されているかという生物間相互作用インベントリーをほぼ完成させた。
赤外線散乱トモグラフィーによる化合物半導体の成長履歴

光散乱は「光波により生じた電気双極子からの双極子放射」と考える事が出来る.したがって光の電場によって結晶内に電気分極が生ずることが必要である.このような視点からすると,赤外線のエネルギーは, 1eVあるいは,それ以下であるから,赤外線で分極する電子の束縛エネルギーも, 1eV程度以下でなければならない.このことは,赤外線散乱法によって半導体の電子的欠陥を研究することが出来ることを示唆している.次に,光散乱法を「光の回折」という視点から眺めてみたい.回折現象はsinθ/λで律せられるので,波長がX線の一万倍,あるいは,それ以上に長い赤外線の散乱ではX線小角散乱で観察される程度の大きさの欠陥が90度光散乱で観測可能となる.すなわち,赤外線散乱法は半導体内の格子欠陥,微小欠陥,クラスタリングなどで生ずる「密度ゆらぎ」と,不純物で装飾された転位線などを観察のに適している.一方, X線の吸収係数は原子番号にほぼ比例するので, GaAs, InPといった重い原子を含む化合物半導体結晶をX線で調べる為には,結晶を薄片化しなければならないが,赤外線は,これらの半導体を容易に透過するので,数センチといった大きな結晶でも薄片化することなく,その内部を観察することができる.結晶に含まれる欠陥には,転位線のように結晶の成長を本質的に左右するものと,成長条件の変動が導入されるものとがあるが,これらは,いずれも結晶成長状態を記した指標として用いる事が出来る.とくに,赤外線散乱トモグラフィーのように数センチの大きさの結晶を非破壊的に調べることが出来る場合には,欠陥相互の関係が明瞭になり結晶がどのように成長したかが明らかになる.換言すると,欠陥の種類とそれらの相互関係の観察から結晶がどのように成長したかが分り,結晶育成技術に非常に有効な情報が得られた.光散乱は「光波により生じた電気双極子からの双極子放射」と考える事が出来る.したがって光の電場によって結晶内に電気分極が生ずることが必要である.このような視点からすると,赤外線のエネルギーは, 1eVあるいは,それ以下であるから,赤外線で分極する電子の束縛エネルギーも, 1eV程度以下でなければならない.このことは,赤外線散乱法によって半導体の電子的欠陥を研究することが出来ることを示唆している.次に,光散乱法を「光の回折」という視点から眺めてみたい.回折現象はsinθ/λで律せられるので,波長がX線の一万倍,あるいは,それ以上に長い赤外線の散乱ではX線小角散乱で観察される程度の大きさの欠陥が90度光散乱で観測可能となる.すなわち,赤外線散乱法は半導体内の格子欠陥,微小欠陥,クラスタリングなどで生ずる「密度ゆらぎ」と,不純物で装飾された転位線などを観察のに適している.一方, X線の吸収係数は原子番号にほぼ比例するので, GaAs, InPといった重い原子を含む化合物半導体結晶をX線で調べる為には,結晶を薄片化しなければならないが,赤外線は,これらの半導体を容易に透過するので,数センチといった大きな結晶でも薄片化することなく,その内部を観察することができる.結晶に含まれる欠陥には,転位線のように結晶の成長を本質的に左右するものと,成長条件の変動が導入されるものとがあるが,これらは,いずれも結晶成長状態を記した指標として用いる事が出来る.とくに,赤外線散乱トモグラフィーのように数センチの大きさの結晶を非破壊的に調べることが出来る場合には,欠陥相互の関係が明瞭になり結晶がどのように成長したかが明らかになる.換言すると,欠陥の種類とそれらの相互関係の観察から結晶がどのように成長したかが分り,結晶育成技術に非常に有効な情報が得られた.光散乱は「光波により生じた電気双極子からの双極子放射」と考える事が出来る。したがって、光の電場によって結晶内に電気分極が生ずることが必要である。このような視点からすると、赤外線で分極する電子の束縛エネルギーは1eV程度以下でなければならない事になるが、このことは、赤外線散乱法によって半導体の電子的欠陥の研究が出来ることを示唆している。光散乱法を「光の回析」という視点から眺めると、回折現象はsinΘ/λで律せられるので、波長がX線の一万倍またはそれ以上に長い赤外線の散乱では、X線小角散乱で観察される欠陥の90度光散乱での観測が可能となる。すなわち、赤外線散乱法は半導体内の格子欠陥,微少欠陥,クラスタリングなどで生ずる「密度ゆらぎ」の検出に適した手段となる。一方、X線の吸収係数は原子番号にほぼ比例し、GaAs,InPといった重い原子を含む結晶では、結晶を薄片化しなければならない。しかし、赤外線はこれらの半導体を容易に透過し、数センチ角といった結晶も薄片化せずに、内部観察が可能となる。この原理に基づいて、散乱像と吸収像とを同時に、また、必要に応じて独立した機能での撮影が可能な装置を作った。散乱トモグラフィー用の光源としてYAGレーザーからの光線を集光せずに用いると、転位の空間的配置と結晶成長縞との関係を明確にとらえる事が可能となる。これより、結晶成長履歴と格子欠陥の関係が次第に明らかに成りつつある。しかし、【III】【V】族化合物半導体の屈折率は非常に高く、たとへば、GaAs結晶ではn=3.3である。

このため、結晶表面に荒れで非常に強い散乱光が生じ、欠陥からの微弱な信号を遮蔽してしまう。この欠点を克服するため結晶表面に反射防止膜をコートするべく準備をすすめている。今年度購入した特注の真空装置はこのコーティングのためである。
ヘリカル系プラズマにおける密度限界放射崩壊時のパワーバランスとその不可逆性

本研究課題は本年度で終了である。密度限界点でのプラズマの挙動に関する3年間の研究成果をまとめるとともに、得られた知見を考察し、今後の課題と取り組み方を整理した。これまで、核融合科学研究所の大型ヘリカル装置において放射崩壊を起こす領域に近いプラズマを対象として、加熱を止めたり、追加熱を加えたりすることにより、その放電の時間発展について特徴的な物理現象の時間スケールとそのヒステリシス特性を調べてきた。冷却時の蓄積エネルギーの変化率は放射損失の約2倍大きく、またその変化率はパワーが無い間隔に依存していること、間隔が短い場合は冷却と再加熱の課程は可逆的であるが、間隔の増大に伴って、ヒステリシスを示すようになり、最終的には放射崩壊し、元に戻らなくなることを実験において示した。また、放射崩壊近辺において、プラズマがダイバータを通して壁と接触している状態から、周辺プラズマの放射損失によって、高温プラズマがダイバータから離脱した、いわゆるデタッチプラズマが準静的(2秒程度)に維持されるという新しい運転領域の研究を進めた。これは従来、パワーバランスが不安定であり、過渡的にしか存在しないと考えられていたことを覆すもので、プラズマの強い自律性を示すものである。強い放射損失が回転する磁力線に沿った帯状構造に集中して起こることも本萌芽研究の過程で発見された。また、目本原子力研究所におけるJT-60Uにおける密度限界に関する実験と比較を行い、特に磁気シアが強い配位は周辺プラズマの閉じ込め特性が高密度で劣化しない共通性が見出された。高密度での良好な粒子閉じ込めを示すデタッチプラズマの高性能化および、磁気シアの効果の物理的意味を探ることが今後の課題として抽出された。核融合を目指した高温プラズマの閉じ込めにおいて、運転密度限界点がどのような機構によって決まるかを明らかにするために、放射崩壊時のパワーバランスの時間変化を研究対象として選択し、その不可逆性に注目した研究を開始した。現有設備として大型ヘリカル装置(LHD)およびそれに付帯する加熱・計測機器を用いて、LHDで加熱・生成されたプラズマの密度限界付近で観測される放射崩壊現象の整理を進めた。主たる観測としてFIR干渉計による密度とボロメータアレイによる放射損失パワーの時間変化についてその両者の関係が非線形になり後者が前者に比して1乗から3乗程度への依存性へ遷移するところと周辺温度の急激な温度減少が始まるところに比較的よい一致が見られることを見出した。また、これらの非線形発展が見られた状態へ追加熱あるいは加熱パワーを下げることを行い、その動的な応答を調べた。追加熱をした塩合、放射損失が減少する場合が観測され、過程が可逆である範囲が存在することが示唆されたが、その定量的な評価が今後の解析による。その他、ダイバータへの粒子束とトーラス内外の密度、放射損失パワーの非一様性の有無について解析を進めた。これら多様な計測器により同時観測された現象について複合的にその相関の妥当性を検証することに加えて、本研究ではその際のパワーバランスの熱的安定性および時間発展を1次元輸送コードによるシミュレーションと合わせて議論することが主たる作業となる。最終的には磁気面関数と一致しない空間非一様性を扱うことを目指すが、15年度は磁気面関数によって1次元化した輸送の時間発展を解析できるコード整備に着手した。これには京大で開発された1次元輸送コードTASKコードを骨子とし、複雑な3次元構造を扱う平衡解析を組み合わせる作業を進めた。核融合を目指した高温プラズマの磁場閉じ込めにおいて、運転密度限界がどのような因子によって決定され、どのような機構がその際の挙動を支配するかを明らかにするために、放射損失による熱平衡の破壊を対象とした時間変化に見られる可逆、非可逆性に注目した実験研究を進めた。具体的には3種の実験を遂行した.(1)大型ヘリカル装置(LHD)で中性粒子入射によって生成加熱されたプラズマに対して、加熱パワーを一時的に切り、その加熱パワーが無い状態の時間間隔を変え、冷却と再加熱過程を観察した。冷却時の蓄積エネルギーの変化率は放射損失の約2倍大きく、またその変化率はパワーが無い間隔に依存している。間隔が短い場合は冷却と再加熱の課程は可逆的であるが、間隔の増大に伴って、ヒステリシスを示すようになり、最終的には放射崩壊し、元に戻らなくなる。得られたデータを元に、入射パワーや放射損失以外の損失を見積もったパワーバランスの時間発展シミュレーションと合わせて、モデル化を検討した。(2)運転限界付近での劇的な変化の前に、高密度領域において閉じ込め特性が変化することがトロイダルプラズマ一般に見られている。この特性変化も放射崩壊に影響を及ぼす潜在的因子である。LHDにおいて高密度領域での準静的な状態において加熱パワー、磁場、密度の広い範囲での閉じ込め性能を比較した。エネルギー閉じ込め時間および熱輸送係数が広く認められているジャイロボーム的な温度に対して-3/2乗からある密度領域で-1/2乗の依存性へ変化することが明らかとなった。この内容はPlasma Physics and Controlled Fusion誌への論文掲載が決まった。(3)ヘリカル系とは対照的な磁場構造を持つトカマクとの比較に着手した。特に周辺部の磁場構造に着目し、磁気シアの影響を調べる実験を日本原子力研究所のJT-60Uにおいて実施した。

これまで、核融合科学研究所の大型ヘリカル装置において放射崩壊を起こす領域に近いプラズマを対象として、加熱を止めたり、追加熱を加えたりすることにより、その放電の時間発展について特徴的な物理現象の時間スケールとそのヒステリシス特性を調べてきた。冷却時の蓄積エネルギーの変化率は放射損失の約2倍大きく、またその変化率はパワーが無い間隔に依存していること、間隔が短い場合は冷却と再加熱の課程は可逆的であるが、間隔の増大に伴って、ヒステリシスを示すようになり、最終的には放射崩壊し、元に戻らなくなることを実験において示した。また、放射崩壊近辺において、プラズマがダイバータを通して壁と接触している状態から、周辺プラズマの放射損失によって、高温プラズマがダイバータから離脱した、いわゆるデタッチプラズマが準静的(2秒程度)に維持されるという新しい運転領域の研究を進めた。これは従来、パワーバランスが不安定であり、過渡的にしか存在しないと考えられていたことを覆すもので、プラズマの強い自律性を示すものである。強い放射損失が回転する磁力線に沿った帯状構造に集中して起こることも本萌芽研究の過程で発見された。また、目本原子力研究所におけるJT-60Uにおける密度限界に関する実験と比較を行い、特に磁気シアが強い配位は周辺プラズマの閉じ込め特性が高密度で劣化しない共通性が見出された。高密度での良好な粒子閉じ込めを示すデタッチプラズマの高性能化および、磁気シアの効果の物理的意味を探ることが今後の課題として抽出された。
衛星及び地上から観る大気エアロゾル(偏光データとスペクトル情報を用いて)

平成15年度の成果を以下にまとめる.1.衛星データを用いた大気エアロゾル特性の導出精度向上衛星搭載偏光センサーデータ(ADEOS/POLDER)を用いて,対流圏エアロゾル粒子特性導出に際し,偏光情報の有効利用と地表面反射光の変更を考慮する事により,陸域エアロゾル特性の導出制度を向上させた2.衛星データを用いた地表面反射偏光特性の考察陸域エアロゾル特性導出精度向上のため、POLDERセンサデータ、IGBP土地被服分類データ)を用いて、地表面反射偏光特性を考察、導出した。3.衛星データを用いた大気水蒸気量の導出衛星データ(ADEOS/POLDER, OCTS)を用いた海陸上空大気水蒸気量の導出4.大気エアロゾルの地上観測5.大気エアロゾルと大気汚染物質の関係環境省管轄の大気監視局データ(SPM他)の解析と表示システムの作成、並びに大気放射観測、衛星解析から得られたエアロゾル特性との相互参照から、明らかな相関関係のあることが判明した。新たに測定機器を導入し、PM2.5の計測を開始した(H16年3月15日)。平成14年度の成果は以下にまとめる.1.衛星データを用いた大気エアロゾル特性の導出精度向上衛星搭載偏光センサーデータ(ADEOS/POLDER)を用いて,対流圏エアロゾル粒子特性導出に際し,偏光情報の有効利用と地表面反射光の偏光を考慮する事により,陸域エアロゾル特性の導出精度を向上させた.2.衛星データを用いた雲特性の導出衛星搭載偏光センサーデータ(ADEOS/POLDER)を用いた雲特性(雲域識別,水雲・氷雲の判別,雲粒サイズ,雲の光学的厚さ,雲頂・雲低)の導出.3.衛星データを用いた大気水蒸気量の導出4.全球規模での各大気量の相互関係の考察大気エアロゾル粒子密度と雲特性(雲粒サイズ,雲の光学的厚さ,雲粒子密度,雲水量),大気水蒸気量の相関を全球規模で考察し.次の結論を得た.(1)エアロゾル粒子数と雲粒サイズは逆比例する.(2)エアロゾル粒子数と雲粒粒子数は比例する.(3)エアロゾル粒子数と雲の光学的厚さは比例する.(4)エアロゾル粒子数と雲水量,水蒸気量には相関は見られない.対流圏エアロゾルの雲核としての間接効果が定量的に実証された.5.大気エアロゾルの地上観測平成15年度の成果を以下にまとめる.1.衛星データを用いた大気エアロゾル特性の導出精度向上衛星搭載偏光センサーデータ(ADEOS/POLDER)を用いて,対流圏エアロゾル粒子特性導出に際し,偏光情報の有効利用と地表面反射光の変更を考慮する事により,陸域エアロゾル特性の導出制度を向上させた2.衛星データを用いた地表面反射偏光特性の考察陸域エアロゾル特性導出精度向上のため、POLDERセンサデータ、IGBP土地被服分類データ)を用いて、地表面反射偏光特性を考察、導出した。3.衛星データを用いた大気水蒸気量の導出4.大気エアロゾルの地上観測5.大気エアロゾルと大気汚染物質の関係環境省管轄の大気監視局データ(SPM他)の解析と表示システムの作成、並びに大気放射観測、衛星解析から得られたエアロゾル特性との相互参照から、明らかな相関関係のあることが判明した。
ゼオライト層状前駆体の層間修飾による多機能化と触媒への応用

ゼオライト層状前駆化合物の層間への有機金属化合物の導入による新規構造ゼオライトの合成とその固体触媒としての機能化を本研究の目標とした。層状ゼオライトの一種であるFER型ゼオライトにおいて、層間への種々のSi含有化合物の導入により、ゼオライト細孔径(層間距離)の原子数での精密制御および親疎水性の制御を可能にした。また、MWW型ゼオライトにおいて、層間のSnなどの金属化合物を支柱に立てることに成功し、層間に限定した触媒作用の発現を見出した。ゼオライト層状前駆化合物の層間に有機シラン化合物を導入することによる層間拡張ゼオライトの合成とその機能化を本研究計画において目指すが、平成21年度は、層間拡張処理条件の検討及び層間距離の制御を研究目的とした。MWW型層状前駆体を対象として、層間拡張処理における温度、時間、酸溶媒濃度、溶媒の種類等の条件を詳細に検討することで、層間に有機シラン化合物が導入されるプロセスおよびそのプロセスに影響を及ぼす因子を明確化することができた。前駆化合物の層間にある有機化合物テンプレートは酸により部分除去され、水分子が代わりに入り、入れ替わるように有機シラン化合物が導入され層間拡張が達成されることが分かった。この水分子は容易に他の分子と入れ替わり得ることから、テンプレートの部分除去後、水分子との交換反応により、機能性を有する分子を層間に組み込む手法の構築につながると期待される。または、層間の分子交換の連続によりより大きな分子の層間導入、さらに、層同士を反発させる作用を持つ分子を水との交換により導入することで層剥離を自在に行うことができ、層状化合物の形態に多様性をより多く持たせることが可能となる。高温条件での処理により、層間拡張と同時に有機テンプレートの完全除去に成功した。これにより、層間導入した分子の有機基を残すことができ、ゼオライトの疎水性の制御のみならず有機反応による種々の有機官能基を付与することが可能となる。さらにTiやSn等の触媒活性点となる金属の導入方法も見出したことで、触媒としての機能化も可能となる。FER型ゼオライトにおいて、これまでよりもSiの数が多い分子(23)の層間導入に成功し、従来よりも層間が大きく拡張したゼオライトの合成に成功した。これにより、原子数での層間距離を制御したゼオライト合成の可能性が見出され、分子の形状選択による精密な分子篩として応用できると期待される。ゼオライト層状前駆化合物の層間への有機金属化合物の導入による新規構造ゼオライトの合成とその機能化を本研究計画において目指すが、平成22年度は、前年度に引き続き、ゼオライトの層間距離の自在制御および新規構造ゼオライトの機能化を研究目的とした。FER型ゼオライトにおいて、層状前駆化合物の層間に導入するシラン化合物の分子数、導入条件を調整することで、ゼオライトの細孔径(層間距離)を原子レベルで精密に制御できることを見出した。この手法を用いることで、細孔内を通過できる分子の大きさ、形状の差をより原子レベルで認識できる分子篩能のゼオライトへの付与が可能になると期待される。また、層間に導入できる化合物の種類の幅を広げることにも成功しており、導入分子が持つ官能基の大きさ(炭化水素鎖の長さ)を変えることで、細孔径の大きさを原子レベルで変えることができ、さらに、親疎水性も変えることができる。これにより、分子の形状のみならず、分子の極性のような化学的な性質に基づく分子篩として機能させられることが期待される。また、MWW型層状前駆体を対象として、ゼオライト骨格内への各種金属元素の導入を検討し、Sn、Zrを導入することに成功し、これらの層間拡張にも成功し、これまでのヘテロ金属元素が持つ触媒機能とは異なる酸触媒または酸化触媒能を付与することができた。層間にのみ金属元素を選択的に導入する検討し、これまでにSn、Feを導入した層間拡張を達成し、他種金属元素の導入も可能になると思われる。骨格中の金属元素とは異なる金属元素を導入できることで、層間への特異的な反応場の構築だけでなく、ゼオライト骨格で反応した分子がさらに層間で連続的に異なる反応を起こせるような、二元機能を持つゼオライト触媒の合成へと応用できると考えられる。
顎口腔領域転移性腫瘍の転移形成過程の解析と治療に関する実験的研究

既に我々が確立した心腔内注射による乳癌の顎骨転移実験モデルを用いて乳癌の顎骨転移の形成過程・転移機構を明らかにするとともに転移腫瘍の顎骨内での浸潤増殖が破骨細胞性骨吸引に引き続いて起こることに着目し,強力な骨吸収阻害剤である新世代のビスフォスフォネートの投与による破骨細胞性骨吸収の抑制が,顎骨転移巣での癌の増殖を制御できるかどうかを検討した.エストロゲン非依存性ヒト乳癌細胞MDA-231を4週齢のBalb/C系雌ヌードマウスの左心室に心腔内注射することにより顎骨転移モデルを作製した.顎骨転移モデル作成後ビスフォスフォネート皮下注群,PBS投与群(control)の2群に分け4週目にマウスを屠殺しその効果を検討した.エックス線学的評価現有のSoftex X線装置(SRO-50)を用いて規格化した状態でエックス線撮影を行い骨吸収範囲を現有コンピューターに取り込み画像解析プログラムにて定量的に分析した。その結果,ビスフォスフォネート皮下注群はPBS投与群(control)と比較して有意に骨転移が抑制された。その程度は各個体間で四肢長管骨と顎骨とで相関が見られた。組織学的評価心腔内注射後,マウスを屠殺し,顎顔面骨をアルデヒド混合固定液にて固定後,脱灰後パラフィンに包埋し組織切片標本を作成し組織学的検討を行った。PBS投与群(control)では広範囲に顎骨が破壊され腫瘍が浸潤増殖し多くは皮質骨を破壊し顎骨外にまで浸潤増殖を示したが,ビスフォスフォネート皮下注群では転移巣の形成が抑制され転移形成を認めたものでもほとんどは皮質骨まで及ばず顎骨内に限局していた。以上より,本薬剤は顎口腔領域転移性腫瘍に対する補助療法としての有効性が示唆された.既に我々が確立した心腔内注射による乳癌の顎骨転移実験モデルを用いて乳癌の顎骨転移の形成過程・転移機構を明らかにするとともに転移腫瘍の顎骨内での浸潤増殖が破骨細胞性骨吸引に引き続いて起こることに着目し,強力な骨吸収阻害剤である新世代のビスフォスフォネートの投与による破骨細胞性骨吸収の抑制が,顎骨転移巣での癌の増殖を制御できるかどうかを検討した.エストロゲン非依存性ヒト乳癌細胞MDA-231を4週齢のBalb/C系雌ヌードマウスの左心室に心腔内注射することにより顎骨転移モデルを作製した.顎骨転移モデル作成後ビスフォスフォネート皮下注群,PBS投与群(control)の2群に分け4週目にマウスを屠殺しその効果を検討した.エックス線学的評価現有のSoftex X線装置(SRO-50)を用いて規格化した状態でエックス線撮影を行い骨吸収範囲を現有コンピューターに取り込み画像解析プログラムにて定量的に分析した。以上より,本薬剤は顎口腔領域転移性腫瘍に対する補助療法としての有効性が示唆された.
網膜濃度法による視色素の動態および分光特性に関する研究

平成元年度に設置したマックスウェル視光学系を用いて視色素の動態について測定した結果、理論値と著しい差異がみられたため、下記の改良を加え、さらに視色素の動態について検討した。1.前回設置した光学系では、固視光用光源が1点であり固視光が測定結果に影響することが疑われたため、固視光用光学系にビ-ムスプリッタ-を加えることにより4点視標による固視を可能とした。2.光学系別に遮光を完全にし、再び、検査光、参照光、および褪色光用中性ファルタ-ならびに光学楔のキャリブレ-ションを行った。3.さらに、検査光と参照光のカウント数の比を求め、これを計測値とし、コンピュ-タ画面上に表示するとともに、外部記憶装置に記憶可能とした。4.模擬眼を用いて上記の計測を行い、雑音の混入がほとんどなく精度の高い結果が得られることを確認した。6.正常者において上記の計測を行い、精度の高い結果の得られる検査光ならびに参照光の最低輝度を決定し、測定光が計測結果に影響しないようにし、明順応中ならびに明順応終了後の計測を可能とした。7.さらに、視物質の再生のメカニズムを検索する目的で、既存のマックスウェル視光学系を用い、心理物理学的方法により種々の条件下における暗順応曲線の計測を行った。8.視物質の再生曲線は暗順応曲線と同様に指数関数に類似していたが、両者はやや異なり、そのメカニズムは同一のものではないことが示唆された。今後、種々の条件下で計測を行い、視物質の分解ならびに再生のメカニズム、さらに波長特性などについて検索する予定である。網膜濃度測定を目的として光学系ならびに受光部を設置した。1.3系列のマックスウエル視光学系を設置し、それぞれ検査光用、参照光用および退色光用とし、光軸合わせを施行した。2.入射光の中心から4mmの位置で眼底からの反射光を測定できるよう受光部の光学系を設定した。受光部として浜松ホトニクス製光電子倍増管を設置し、雑音レベルを低下させるため冷却器を取り付け、光軸合わせにはレ-ザ-ポインタ-を使用した。3.さらに、受光部の光学系の取り外し可能な眼底観察用の光路を設置し、検査部位の観察を可能とした。4.検査光、参照光、退色光および受光部の光路に同期型チョッパ-を設置し、フォトダイオ-ドならびにオシロスコ-プを使用して4系路のチョッパ-の同期合わせを行った。5.光電子倍増管にはアンプ、ディスクリミネ-タ-およびカウンタ-を接続し、カウンタ-は同期型チョッパ-の信号によって制御可能とした。6.パ-ソナルコンピュ-タ-を使用し、カウンタ-の読み込み、デ-タの平均、異常値の検出、および記録用のプログラムを開発した。7.各光学系ともに光の漏出を防止するため遮光用カバ-を作製した。8.測定位置に模擬眼を設置することにより予備実験を行い、得られたデ-タの雑音が最小になるようにディスクリミネ-タ-のレベル合わせを施行した。9.フォトダイオ-ドを使用して、各経路における光学フィルタ-ならびに光学楔のキャリブレ-ションを行った。現在、正常眼における測定を試みている。2.光学系別に遮光を完全にし、再び、検査光、参照光、および褪色光用中性フィルタ-ならびに光学楔のキャリブレ-ションを行った。3.さらに、検査光と参照

光のカウント数の比を求め、これを計測値とし、コンピュ-タ画面上に表示するとともに、外部記憶装置に記憶可能とした。4.模擬眼を用いて上記の計測を行い、雑音の混入がほとんどなく精度の高い結果が得られることを確認した。6.正常者において上記の計測を行い、精度の高い結果の得られる検査光ならびに参照光の最低輝度を決定し、測定光が計測結果に影響しないようにし、明順応中ならびに明順応終了後の計測を可能とした。7.さらに、視物質の再生のメカニズムを検索する目的で、既存のマックスウェル視光学系を用い、心理物理学的方法により種々の条件下における暗順応曲線の計測を行った。8.視物質の再生曲線は暗順応曲線と同様に指数関数に類似していたが、両者はやや異なり、そのメカニズムは同一のものではないことが示唆された。今後、種々の条件下で計測を行い、視物質の分解ならびに再生のメカニズム、さらに波長特性などについて検索する予定である。
低原子価化学種を用いる新しい高分子合成反応の開拓と新機能材料の創出

本研究の目的はこれまで高分子合成で扱われたことのない低原子価14族及び15族化合物に着目し、それらの積極的に取り込むことにより、全く新しい高分子合成反応(「酸化環元共重合」)を開発することにある。1.環状のリガンドを持つゲルミレンとp-ベンゾキノン類を反応させたところ、主鎖にGe-Ge結合をもつ2:1交互共重合体を合成した。2.リチウム塩存在下、ビス(トリメチルシリルアミド)ゲルミレンとα、β-環状不飽和ケ村ンを反応させることにより主鎖にゲルマニウムエノラート構造を持つポリマー(ポリ(ゲルマニウムエノラート))の合成に成功した。3.環状3価リン化合物を開環性モノマーに、ムコン酸、ジアルデヒド、及び(メタ)アクリル酸無水物を閉環性モノマーに用いて開環閉環交互共重合を検討した。いずれの場合も、両モノマーの開環及び閉環が起こり、開環ユニットと閉環ユニットを交互に有する共重合体が得られた。4.ビス(トリメチルシリルアミド)スタニレンを開始剤に用いてラクトン類の重合を検討した。6、7員環のラクトンおよびラクチドに対しては重合触媒能を有しており、ポリエステルを与えた。一方、スタニレン触媒により4、5員環のラクトンの重合は起こらなかった。本研究で得られた新規ポリマーは従来法では合成できない特異な構造を持ち、興味ある物理的、化学的性質が期待される。今後、新しい機能性高分子材料としての機能評価を行う予定である。
UNESCO世界文化遺産地域の維持可能な開発における情報技術(ICT)の応用

ラオス国ルアンパバーンは1995年に世界文化遺産に指定され、文化遺産保護地域においては、人口の流入や観光業の発展などを見せている。それに伴って、世界遺産保護地域を核とした周辺地域を含めた持続可能な開発が強く求められる中、それを補完・促進する手法として、情報通信技術の導入が期待されている。ラオスでのUNESCO代表者,現地政府・研究者との協議を通じ、包括的な地域開発を進めるにあたり、情報管理・情報技術分野でのニーズが高いことに着目し、本研究は、ルアンパバーンで情報技術分野が維持可能な開発にどのように貢献できるかに焦点をおいた。初年度は、具体的には、ユネスコ文化局およびラオス政府La Masion du Patrimoineとの連携のもと、ルアンパバーンの世界文化遺産地域における情報管理・情報技術分野におけるニーズアセスメントを通じ、(1)直面する問題点提起、(2)ニーズにあった応用可能な情報技術に関する分析、(3)技術面、文化面、人材面を含めたフィージビリティー分析、を行なった。研究調査2年目には、UNESCO代表者,現地政府・研究者との協議を通じ、包括的な地域開発を進めるため、ルアンパバーンで情報技術分野が維持可能な形で情報技術を導入する際の利点、留意点について分析した。更には、世界文化遺産活動に関する情報管理・情報技術分野におけるニーズアセスメントの結果に基づき、(1)オープンソースを活用したデータベースシステムの構築、(2)関連機関を結ぶワイアレスネットワーク導入のフィージビリティー分析、(3)現地機関における人材育成をめざした研修活動、の3点に焦点を当てた。最終年度には、ルアンパバーンにおけるICTセンターの設置、運営に協力し、本研究活動の一環として構築された関連データベースの公開を行なった。研究プロジェクトの総まとめとして、12月に現地シンポジウムを開催し、現地ICTチームを中心としたデータベース構築の経験、ICTセンター評価、都市開発におけるGISの導入の可能性などを中心に、現地政府、大学、研究機関からの多数の参加者との議論を行なった。更には、本研究の実績を様々な国際会議(世界遺産地域開発会議・6月・ロシア、国際開発学会・11月・沖縄、国際電気学会・12月・ビエンチャン、国際教育比較学会・3月、ニューヨーク)で発表、本分野での研究野普及をめざし、国際的な研究者との意見交換を活発に行なった。国際教育科学文化機関(UNESCO)、ラオス現地政府、L文化遺産保存修復センターとの協力の基世界文化遺産地域における維持可能な開発手法に関して、ラオスのルアンパバーンを中心に調査を実施。ラオスでのUNESCO代表者,現地政府・研究者との協議を通じ、包括的な地域開発を進めるにあたり、情報管理・情報技術分野でのニーズが高いことに着目し、今年度は、ルアンパバーンで情報技術分野が維持可能な開発にどのように貢献できるかに焦点をおいた。

具体的には、ユネスコ文化局およびラオス政府La Masion du Patrimoineとの連携のもと、ルアンパバーンの世界文化遺産地域における情報管理・情報技術分野におけるニーズアセスメントを通じ、(1)直面する問題点提起、(2)ニーズにあった応用可能な情報技術に関する分析、(3)技術面、文化面、人材面を含めたフィージビリティー分析、を行なった。また、背景調査の一環として、発展途上国モンゴルの教育人材育成分野において、オープンソースを取り入れる際の利点・難点に関する調査を行なった。前年に続き、国際教育科学文化機関(UNESCO)、ラオス現地政府との協力のもと、世界文化遺産地域における情報技術導入に関して、ラオスのルアンパバーンを中心に調査および現地人材育成の研修を実施。現地では、UNESCO代表者,現地政府・研究者との協議を通じ、包括的な地域開発を進めるため、研究調査2年目にあたる今年度は、ルアンパバーンで情報技術分野が維持可能な形で情報技術を導入する際の利点、留意点について分析した。具体的には、ユネスコ文化局およびラオス政府La Masion du Patrimoineとの連携のもと、ルアンパバーンの世界文化遺産活動に関する情報管理・情報技術分野におけるニーズアセスメントの結果に基づき、下記の3点に焦点をあてた:(1)オープンソースを活用したデータベースシステムの構築、(2)関連機関を結ぶワイアレスネットワーク導入のフィージビリティー分析、(3)現地機関における人材育成をめざした研修活動。更には、ルアンパバーンにおけるICTセンターの設置、運営に協力し、本研究活動の一環として構築された関連データベースの公開を行なった。現在、利用を対象としたサーベイを実施しており、フィードバックの分析を行い、ICTセンターの効率的な運営に反映させる計画である。また、背景調査の一環として、発展途上国モンゴルの教育人材育成分野における情報技術の導入傾向について、モンゴル中央政府、地方政府、NGOおよび、関連大学を対象に現地調査を実施した。前年に続き、国際教育科学文化機関(UNESCO)、ラオス現地政府との協力のもと、世界文化遺産地域ルアンパバーンへの情報技術導入に関する調査および現地人材育成の研修を実施。現地では、UNESCO代表者,現地政府・研究者との重なる協議を通じ、包括的な地域開発を進めるため、現地で情報技術を持続可能な形で導入する際の利点、留意点分析に基づき、データベースの構築および改善、ICTセンターでの活動に参加した。具体的には、ラオス政府La Masion du Patrimoineとの連携のもと、ルアンパバーンの世界文化遺産活動に関する情報管理・情報技術分野におけるニーズアセスメントの結果に基づき、下記の3点に焦点をあてた:(1)オープンソースを活用したデータベースシステムの改善、(2)ICTセンター活動への技術的支援および評価、(3)現地機関における人材育成をめざした研修活動。研究プロジェクトの総まとめとして、12月に現地シンポジウムを開催し、現地ICTチームを中心としたデータベース構築の経験、ICTセンター評価、都市開発におけるGISの導入の可能性などを中心に、現地政府、大学、研究機関からの多数の参加者との議論を行なった。
フェムト秒レーザーによる医療用セラミックスの表面微細構造形成技術の開発

フェムト秒レーザーを適切な条件で照射することでイットリア安定化正方晶ジルコニア多結晶体(3Y-TZP)表面への周期的微細構造が形成できることを見出した(M. Kakehata et al., Proceedings of LAMP2015, A201 (2015))。3Y-TZPは機械的特性に優れインプラントや人工関節などの医療用部材に用いられており、本手法を応用することで親水性の制御や機能性材料膜の強固なコーティングなど医療用部材の性能向上が期待される。本研究では、医療用3Y-TZPへの周期構造形成条件の探索、形成機構の解明、構造形成された材料の特性評価などを行い、本手法のインプラントへの応用の可能性を探索することを目的とし研究を実施した。平成30年度は以下の結果を得た。1)周期構造の形成機構解明を目的として、波長の異なるフェムト秒レーザーにより形成された周期構造断面の透過電子顕微鏡による詳細な観察を行い、最表面付近の結晶性、結晶粒の状態、内部欠陥の状態に関するる新たな知見を得た。2)インプラント用部材の規格ISO13356に基づき、4点曲げ強度試験と繰り返し疲労試験を実施した。照射レーザー波長への強度の依存性を調べ、規格を満たす条件を明らかにした。本研究により従来報告がなかったa)ジルコニアセラミックス表面に形成される周期構造の各種条件(レーザー波長、パルス幅、フルエンス、照射回数)への依存性を明らかにし、またb)形成機構解明のために異なる偏光を有するダブルパルス照射実験や透過電子顕微鏡を用いた断面観察を行い新しい知見を得るとともに、c)ISO規格に基づいた機械強度試験や加速劣化試験を実施し、本手法の実用化への高い可能性を示すことができた。以上より、本研究の結果は学術的にも社会的にも意義が大きいと考えられる。フェムト秒レーザーを適切な条件で照射することでイットリア安定化正方晶ジルコニア多結晶体(3Y-TZP)表面に周期的微細構造を形成できる(M. Kakehata et al., Proceedings of LAMP2015, A201(2015) )。本研究では、医療用3Y-TZPへの周期構造形成条件の探索、形成機構の解明、構造形成された材料の特性評価などを行うことを目的とする。研究分担者及び連携研究者と協力し研究を進め、平成28年度は以下の結果が得られた。1.周期構造形成条件の系統的探索として(1)チタンサファイアレーザーを光源とし、照射条件と周期構造形成の関係を系統的に明らかにした。具体的にはパルス幅への依存性と、楕円偏光に対する依存性を明らかにした。(2)照射レーザーの波長依存性の測定:吸収が構造形成に果たす役割を解明することを目的とし、異なる波長のレーザーを照射した。イッテルビウムレーザーの基本波、二倍波、三倍波を用いた周期構造形成を行い波長依存性を明らかにした。2.構造形成された材料の特性評価として(1)表面形状を共焦点レーザー顕微鏡や走査型電子顕微鏡を用いて観測した。また走査型電子顕微鏡、走査型イオン顕微鏡、透過型電子顕微鏡を用いて観測した周期構造部分の断面について検討・考察した。(2)結晶相評価をX線回折測定により行い、単斜晶割合を評価した。3.平成29年度以降に計画していた以下の二つの項目にも着手した。(1)形成機構解明のためのダブルパルス照射実験(2)照射試験片の機械強度と長期安定性評価。平成28年度の研究計画と想定していた「周期構造形成条件の系統的探索」と「構造形成された材料の特性評価」を、ほぼ計画通り行うことができた。更に、平成29年度以降に計画していた「ダブルパルス照射実験」と「機械強度評価」に着手したことから、おおむね順調に進展していると判断される。具体的にはイッテルビウム系のフェムト秒レーザーの基本波、二倍波、三倍波を照射して周期構造形成を評価した。これまでのチタンサファイアレーザーの結果と合わせて波長依存性を明らかにすることができた。またパルス幅依存性、偏光依存性についての基礎特性を取得した。構造形成された材料の特性評価として、表面形状の評価を共焦点レーザー顕微鏡で行った。結晶層の評価をラマン顕微鏡とXRDを用いて行った。また走査型電子顕微鏡や走査型イオン顕微鏡,透過型電子顕微鏡による断面観測結果について検討を行った。形成機構の解明のために、同じ波長のダブルパルス照射実験に着手した。また応用において重要な機械強度評価としてISO規格の4点曲げ強度評価に着手した。フェムト秒レーザーを適切な条件で照射することでイットリア安定化正方晶ジルコニア多結晶体(3Y-TZP)表面への周期的微細構造が形成できることを見出した(M. Kakehata et al., Proceedings of LAMP2015, A201(2015) )。