hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
最適化極短パルスを用いた凝縮相光化学ダイナミクスの実時間観測と制御

超高速レーザー分光を用いて凝縮相光化学ダイナミクスの研究を行った。今年度の主な研究成果を以下に列挙する。1.水和電子の電子吸収に共鳴させてラマンスペクトルを測定すると、電子周りの局所水和構造の振動スペクトルが測定できることをわれわれは初めて見いだし報告した。今年度はさらに、溶媒和水分子のOH伸縮振動とOH変角振動のラマン強度の励起波長依存性を調べ、この効果が溶媒和電子のs→p遷移にもとづく共鳴効果であることを明らかにした。また、偏光測定によって、溶媒和電子のp状態の非縮重性を示す初めてのデータを得た。2.緑蛍光タンパク(GFP)の発色団分子の溶液中の超高速緩和ダイナミクスを研究した。中性型、アニオン型の両方について蛍光ダイナミクスをフェムト秒時間分解測定したところ、いずれについても、数ピコ秒内で非単一指数関数的に減衰する蛍光時間挙動が観測された。これを、hula-twist型の異性化と分子内振動再分配による緩和モデルによって議論した。3.非同軸光パラメトリック増幅(NOPA)を用いた超高時間分解2色波長可変ポンプープローブ分光によって、分子内プロトン移動するジヒドロベンゾキノリン電子励起状態の振動コヒーレンス(核波束運動)の観測を行った。反応後の互変異性体からの発光にもとづく誘導放出信号に振動コヒーレンスが観測され、この反応がコヒーレンスを保ったまま進行することが明らかになった。4.われわれが開発した時間領域時間分解ラマン分光法(TR-ISRS分光)を用いて、1,1'-ビナフチルの電子励起状態における構造緩和の研究を行った。光励起後200psにラマン測定を時間領域で行い、電子脚起一重項状態の低波数(テラヘルツ)領域のラマンスペクトルを得た。結晶の低波数ラマンスペクトルとの比較から、光励起直後におこる構造変化を議論した。超高速分光を用いて凝縮相光化学ダイナミクスの研究を行った。1.共焦点顕微鏡と蛍光アップコンバージョン法を組み合わせた蛍光アップコンバージョン顕微鏡を開発し、サブミクロンの空間分解能とフェムト秒の時間分解能を蛍光測定において初めて実現した。これを用いて有機微結晶(ペリレン)のエキシトン緩和ダイナミクスを調べ、フリーエキシトンの超高速緩和過程を時間分解観測した。2.非同軸光パラメトリック増幅(NOPA)を用いた超高時間分解ポンプープローブ分光によって、光解離するジフェニルシクロプロペノン電子励起状態の核波束運動を観測した。電子基底状態の分子振動およびそれに対する理論計算をもとに、観測された核波束運動は、解離するCO基の動きと骨格の変形を含む運動であると結論した。反応座標に近い振動が観測されている可能性が高い。3.水和電子生成の溶媒和ダイナミクスを調べるため、フェムト秒時間分解共鳴ラマンスペクトルを測定した。また自己組織化分子のつくるナノ空間の特異性を調べるため、自己組織化パラジウム錯体に分子を内包させ、その蛍光を時間分解観測した。4.蛍光アップコンバージョン測定において、蛍光とゲート光を軸状に集光しかつ角度をつけて重ねることで、時間分解蛍光を時間-波長の2次元像として検出できるフェムト秒蛍光イメージング法を開発した。5.フェムト秒白色光を利用して、二光子吸収スペクトルをマルチチャンネル測定する非縮退二光子吸収測定法を開発した。これによりこれまで粗い波長点でしか測定できなか
評細な小地震解析による地殻内応力場の推定

以下に今年度の研究実績の概要をまとめる。1.複数のテストフィールドにおける応力場推定と応力蓄積過程のモデル化跡津川断層,新潟県中越地域,糸魚川一静岡構造線での応力場の取りまとめを行った。跡津川断層で見られた応力場の深さ変化は,断層深部におけるすべりを与えることで説明可能であることをモデル計算により示した。現在,論文としてまとめているところである。2.余震を用いた本震発生後の応力場推定2007年能登半島地震と2007年新潟県中越沖地震の余震のメカニズム解から推定された応力場は,本震時に特に大きなすべりが生じた領域の周辺で広域応力場と異なっていることを示した。さらに,本震発生後の震源域の応力場は,本震の断層モデルによる応力変化で概ね説明できることを示した。3.微小地震の応力降下量の空間分布米国パークフィールドで発生している微小地震の応力降下量は深いところで大きくなっていることを示した。さらに,震源距離100m程度での地震観測により,M-3を下回るような地震が発生していることを示し,その応力降下量は通常の地震と変わらないことを明らかにした。平成17年度では振幅値を用いた震源メカニズム解推定法の適用と応力テンソルインバージョン解析により、3つの領域において応力場の推定を行った。これらの研究を通して5kmスケールの応力場の不均質を抽出できることがわかり、内陸地震の応力蓄積過程のモデル化を行うための目処がたった。1.跡津川断層周辺における応力場地震発生層底部の限られた狭い範囲では横ずれ断層の応力場になっているが、それより浅い部分では逆断層の応力場になっていることを明らかにした。このような応力場の深さ変化が生じる原因として、脆性-塑性遷移領域より深い部分に局在化した非地震性のすべりが生じている可能性を指摘した。この結果は日本地震学会で発表した。ストッピングフェーズ解析に使用する目的で開始したボアホール観測点での高サンプリング観測では、データを蓄積し始めた。このデータ解析は次年度以降に持ち越される。2.2004年新潟県中越地震の震源域南部に存在する地震空白域における応力場推定された応力場は震源域と同じ逆断層の場であったが、六日町断層の南端において横ずれの応力場に変わるという興味深い結果を得た。この結果は地球惑星科学合同大会で発表し、また論文を現在Earth, Planets and Space誌に投稿中である。3.2005年福岡県西方沖地震周辺の応力場本震直後から活発化した博多湾周辺の地:震活動は、活断層とは認定されていない地質境界(石堂-海の中道断層)の周辺で発生したため、本震の影響により再活動した可能性が指摘された。しかし、主応力の方位は必ずしも石堂-海の中道断層を再活動させるのに適した角度ではなく、この断層には大きなせん断応力は作用していないことを明らかにした。この結果は地球惑星科学合同大会で発表し、論文はEarth, Planets and Space誌に掲載された。1.跡津川断層周辺における応力場推定応力テンソルインバージョン法を跡津川断層で推定してきた微小地震のメカニズム解に適用した。断層の走向や深さに沿って主応力方位に顕著な変化は見られないが、応力場は脆性-塑性遷移領域で逆断層から横ずれの場に大きく変化することを確認した。得られた情報を元に、跡津川断層における応力蓄積過程のモデル化を開始した。2.新潟県中越地震震源域長野盆地西縁断層帯周辺の応力場推定高精度に震源決定を行うことにより、地震活動と褶曲軸との対応関係が見え、褶曲軸において応力集中が生じている可能性を指摘した。微小地震のメカニズム解推定と応力テンソルインバージョンの適用は次年度へ持ち越しである。3.糸魚川-静岡構造線周辺における応力場推定糸静線南部域のメカニズム解を大量に決定し、糸静線南部セグメント周辺では逆断層タイプ、中央構造線周辺では横ずれタイプの地震がほとんどであることを示した。推定できたメカニズム解の個数は、気象庁がルーチン的に決めている個数の100倍を超えており、地殻内応力場の調査を行うために必要なデータが得られた。4.ボアホールデータ解析による微小地震の震源パラメータ推定地震波形の後続波群の情報を加味した微小地震の高精度震源パラメータ推定法を開発し、米国パークフィールドで発生している微小地震に適用した。推定された応力降下量には2オーダーのばらつきが見られるが、ほぼ同じ場所で発生した微小地震に注目すると、ばらつきは数倍以下であることを示した。この結果は、間接的ではあるが、微小地震の応力降下量の空間分布から、地殻強度や応力状態の空間分布を議論できる可能性を示唆している。今年度では、上記研究成果を、欧文誌2編、和文誌1編にまとめた。2.余震を用いた本震発生後の応力場推定2007年

能登半島地震と2007年新潟県中越沖地震の余震のメカニズム解から推定された応力場は,本震時に特に大きなすべりが生じた領域の周辺で広域応力場と異なっていることを示した。さらに,本震発生後の震源域の応力場は,本震の断層モデルによる応力変化で概ね説明できることを示した。3.微小地震の応力降下量の空間分布米国パークフィールドで発生している微小地震の応力降下量は深いところで大きくなっていることを示した。さらに,震源距離100m程度での地震観測により,M-3を下回るような地震が発生していることを示し,その応力降下量は通常の地震と変わらないことを明らかにした。
日中両国における「義・利」「公・私」思想の比較研究

本研究は、日中両国の商人の言動を比較考察することによって「義」「利」「公」「私」の概念を研究し、日本、中国をはじめとする各国の経営倫理の問題を考えることを目的としている。単に渋沢栄一と張謇という有名な実業家を考察の対象にするだけでは、日中両国における「義、利」「公、私」の全体像が見えにくい。また実業家の思想が当時の社会背景にもとづいて生まれた以上、その社会経済の実態をいっそう解明しなければならない。そのため、2006年度の研究成果を踏まえつつ、渋沢栄一と張謇と同時代の他の実業家の言動、また前近代日中両国の商人たちがどのように上述の概念をとらえていたのかについて研究を進めた。まず、別子銅山および広瀬歴史記念での実地調査と資料収集に行い、その考察を通して住友家の歴史および日本の産業近代化に果たす役目を解明した。そこから、住友の初代理事である広瀬宰平ならびにその後の歴代理事が「公利」、すなわち強い国益中心の観念を抱いたことが判明した。さらに中国と比較するために、中国の上海、北京において人物研究に関する実地調査を行った。張謇と同時代の実業家である周学煕、栄徳生は、強い地方観念の持ちながら、地元の産業、教育の振興に尽力したことを明らかにした。加えて、国家よりもむしろ地方の民生に着目する中国当時の地方自治の流れをもとらえることができた。一方、日中両国前近代商人の「義・利」「公・私」観念を考察するため、筆者はあらためて三井をはじめ、前近代日本の商人像を検討し、「公・私」にかかわる日本伝統商人の奉「公」思想を分析することができた。また中国の前近代商人像を解明するために中国の徽商に関する文献調査を行った時、地方誌などの資料から、強い宗族意識を持ちながら、「義」を果たすことによって地方公益に寄与する中国伝統商人の一側面が判明した。日中両国の実業家の思想を理解するにあたっては、彼らの生い立ち、生家の地理環境等を考察しなければならないが、諸先行研究は充分にこの作業を行っていなかった。そのため、筆者は渋沢栄一と張謇の生家への実地調査を行ってきた。渋沢栄一の生家は現在埼玉県深谷市にある。筆者は実際に現地に赴き、渋沢家先代の墓標を見たところ、渋沢栄一の先祖が勤勉な努力家であること、渋沢家の学問の源流が儒学にあることが判った。渋沢はこの学問の系統を引継ぎ、若い頃形成した学問観が彼の「実業」への捉え方につながっていることを確認した。一方、張謇の故郷は中国江蘇省常楽鎮である。筆者は現地を訪れ、張謇記念館、張謇が生前創立した「大生三廠」(現華潤大生紡績有限公司)を訪問した。これらの施設に所蔵されている張謇の手跡から、張謇の実業家としての精神が理解できた。また南通市にある張謇研究中心の専門家、地元の年配な方を対象に聞き取り調査を実施した。これによって、張謇の「実業」への捉え方および張謇の実業家像を明らかにすることができた。上述した渋沢栄一と張謇に関する現地での聞き取り調査および文献資料の調査によって、本研究課題である「日中両国の『義・利』『公・私』思想の比較研究』を歴史地理的文脈の中でとらえることができた。この成果は「『実業』とは何か一日中両国の実業家の観点を中心に」という論文で渋沢栄一と張謇の素養と「実業」との関係に配慮しながら展開した。

また中国の前近代商人像を解明するために中国の徽商に関する文献調査を行った時、地方誌などの資料から、強い宗族意識を持ちながら、「義」を果たすことによって地方公益に寄与する中国伝統商人の一側面が判明した。
震災ダメージフリー橋梁および耐震指標の開発に関する研究

本研究は,橋梁を対象に1)地域防災計画と整合した現実的な性能目標とはいかにあるべきか,2)ダメージフリー橋の建設はどのような条件で可能で,これに要する技術的用件は何か,ダメージフリー橋を建設するためには技術者が漠然と考えているように本当にかなりのコストアップを必要とするのか,3)橋梁の持つ耐震性レベルや耐震補強の緊急性を表すと同時に,耐震補強効果にも評価できる相対指標(耐震指標)をどのように定義すべきかを明らかにすると同時に,これらに対しても適切な提案を行うことを目的としたものである.本研究は,従来の惰性で漫然と続けられている「中小地震に対しては機能保持」,「大地震に対しては崩壊防止」という性能目標の殻を破り,性能設計の下でより現実的な性能目標を与えることにより耐震設計に日標と方向性を吹き込むことをねらったものである.平成20年度には,ダメージフリー橋の耐震指標を点数化し,現在の耐震基準で設計された橋梁や既往の地震で被災した橋梁の耐震指標を実際の構造諸元に基づいて評価し,相対軸の同定を図った.この際,エキスパンションジョイントのモデル化の検討も実施した.これにより,提案する評価手法が客観的に見て適当な評価軸になるように,耐震指標に考慮する項目の調整を図った.さらに,耐震指標を用いて,過去に耐震補強された橋梁の補強効果を表現し,これが妥当な客観指標となるかを検討し,必要な修正を加えた.本研究は,橋梁を対象に1)地域防災計画と整合した現実的な性能目標とはいかにあるべきか,2)ダメージフリー橋の建設はどのような条件で可能で,これに要する技術的用件は何か,ダメージフリー橋を建設するためには技術者が漠然と考えているように本当にかなりのコストアップを必要とするのか,3)橋梁の持つ耐震性レベルや耐震補強の緊急性を表すと同時に,耐震補強効果にも評価できる相対指標(耐震指標)をどのように定義すべきかを明らかにすると同時に,これらに対しても適切な提案を行うことを目的とするものである.地域防災計画を達成するために地震後に橋梁に求められる要件を整理し、地震防災担当者にヒアリングすべき項目をまとめた。調査のポイントは,地震後,何日の段階でどのような種類,車種,重量の車両演どのような走行条件の下で橋梁を走行することが求められているかに置いている。また、現状の耐震設計に基づいてダメージフリー橋を建設可能な条件を明らかにすることを目的として、よく採用される型式の橋梁を対称として、非線形動的解析によるシミュレーションにより大地震時の耐震性を検討した。この際、橋梁の耐震性に支配的影響を与える橋脚の終局変位が従来は繰り返し載荷実験結果に基づいて定められているが、振動台実験やハイブリッド載荷実験に基づく地震動入力の作用下ではもっと大きくできることに着目し、終局状態の再評価を行い、終局変位の推定式を開発した。これにより、より正確に荷重低減係数が評価可能となり、従来に比較して、10-30%程度荷重低減係数を大きくできることを明らかにした。この結果に基づいて、橋脚の曲げ耐力,せん断耐力,じん性率,基礎の降伏およびじん性率を取り入れた橋梁の耐震性指標の考え方を整理した。本研究は,橋梁を対象に1)地域防災計画と整合した現実的な性能目標とはいかにあるべきか,2)ダメージフリー橋の建設はどのような条件で可能で,これに要する技術的用件は何か,ダメージフリー橋を建設するためには技術者が漠然と考えているように本当にかなりのコストアップを必要とするのか,3)橋梁の持つ耐震性レベルや耐震補強の緊急性を表すと同時に,耐震補強効果にも評価できる相対指標(耐震指標)をどのように定義すべきかを明らかにすると同時に,これらに対しても適切な提案を行うことを目的としたものである.本研究は,従来の惰性で漫然と続けられている「中小地震に対しては機能保持」,「大地震に対しては崩壊防止」という性能目標の殻を破り,性能設計の下でより現実的な性能目標を与えることにより耐震設計に日標と方向性を吹き込むことをねらったものである.平成20年度には,ダメージフリー橋の耐震指標を点数化し,現在の耐震基準で設計された橋梁や既往の地震で被災した橋梁の耐震指標を実際の構造諸元に基づいて評価し,相対軸の同定を図った.この際,エキスパンションジョイントのモデル化の検討も実施した.これにより,提案する評価手法が客観的に見て適当な評価軸になるように,耐震指標に考慮する項目の調整を図った.さらに,耐震指標を用いて,過去に耐震補強された橋梁の補強効果を表現し,これが妥当な客観指標となるかを検討し,必要な修正を加えた.
ホットウォール金属イオン照射装置による原子内包フラーレンの量産技術

金属内包フラーレンの簡易的,かつ効率的な合成の実現を目指して,ホットウォール型合成装置の製作を行った.アルゴンおよび窒素でのプラズマ生成を確認した後,金属の中では比較的蒸気圧の高い亜鉛を用いて金属プラズマ生成実験を行った.炉の温度を400°C程度まで上昇させたとき亜鉛の蒸発温度となり,発光色は青く変化した.500°Cに達したあとアルゴンの供給を止めても放電は持続した.基板ステージの付着物の元素分析を行ったところ,亜鉛の確認ができ,イオンビーム化に成功したと考えられる.初期実験として,窒素内包フラーレンの合成を試み,窒素ーフラーレンの化合物の合成に成功した.亜鉛の合成は不純物が多く確認できなかった.本研究では,新規材料として期待されている金属内包フラーレンの量産用の合成法および装置開発を目的としている.プラズマチャンバー壁を加熱するホットウォール法で蒸発温度が高い金属の高密度プラズマを生成し,その金属イオンを低エネルギーのイオンビームとしてフラーレンに照射することで合成を行う.H26年度は,ホットウォールプラズマ装置の設計・製作および基礎実験としてイオンビームの生成・計測を行った.ホットウォールプラズマ装置は高周波導入部,ホットウォールプラズマ生成部,イオンビーム生成部に分かれており,基礎実験用に石英管を真空チャンバーとして用いた.プラズマ生成は磁場による支援があるものの,基本的には平行平板型プラズマのため1-10Pa程度の圧力が望ましい.それに対して,イオンビーム生成部は平均自由行程が数十cmになる10-2Pa台にする必要がある.これらの条件を実現するため,圧力差がつくような構造設計を行った.その結果,アルゴンおよび窒素プラズマ生成でこれらの条件を達成し,イオンビーム生成およびアインツェルレンズを用いたビーム集束効果も確認した.ビーム引き出し電極から取り出されているビーム電流は100μA以上であった.しかしながら,電極位置,電極間隔,ビーム引き出し穴径などの最適化が十分に行うことができず,プラズマ生成部から40cm程度離れた合成実験位置のイオンビーム電流は最大5μAであった.これまでの知見をベースに,今後金属イオンビームの生成に進むが,十分なビーム電流量を確保するために引き出し電極直後でビーム照射を可能とする装置構造が良好と考え,現在,装置の改造設計を行っている.金属内包フラーレンの簡易的,かつ効率的な合成の実現を目指して,ホットウォール型合成装置の設計・製作を行った.高温炉内に石英管またはアルミナ管を設置し,ロータリポンプを用いて真空排気を行う.プラズマ生成用のアルゴンガス等を導入し,13.56 MHzの高周波電源を用いて平行平板型プラズマを生成する.アルゴンおよび窒素ガスでのプラズマ生成を確認したあと,金属の中では比較的蒸気圧の高い亜鉛を用いて金属プラズマ生成実験を行った.石英管内に設置したタングステンボード上に亜鉛の線材を置き,高温炉を500°Cまで10分間で加熱した.300 °Cまで加熱したときにアルゴン10 sccmを導入し,プラズマを生成した.このときの高周波電力は20 Wとした.アルゴンガスを供給しているときは14 Paを示しており,300°C付近では赤みがかった色を示している.400°C程度まで上昇すると蒸発温度となり発光色は青く変化した.500°Cに達したあとアルゴンの供給を止めても放電は持続し,真空計は4 Paを示した.初期実験として,これまで合成例が報告されている窒素内包フラーレンの合成を試みた.厚さ約1μmのフラーレン薄膜を蒸着したシリコン基板をステージ上に設置し,そのステージに100 Vまでの電圧を印加することで窒素イオンを照射した.そのフラーレン薄膜を時間飛行型質量分析器で分析した結果,28(または14)ごとにピークが現れ,窒素が結合していることが分かった.次に,亜鉛プラズマを生成し,フラーレン基板にイオンを照射した.この結果については10条件で照射したにもかかわらず亜鉛内包や化合物の可能性のあるピークは見られなかった.真空環境の悪い条件でイオンビームを照射した場合,不純物が原因で所望の結果が得られないことが分かり,装置の高真空対応等が必要であることが明らかになった.金属内包フラーレンの簡易的,かつ効率的な合成の実現を目指して,ホットウォール型合成装置の製作を行った.アルゴンおよび窒素でのプラズマ生成を確認した後,金属の中では比較的蒸気圧の高い亜鉛を用いて金属プラズマ生成実験を行った.炉の温度を400°C程度まで上昇させたとき亜鉛の蒸発温度となり,発光色は青く変化した.500°Cに達したあとアルゴンの供給を止めても放電は持続した.基板ステージの付着物の元素分析を行ったところ,亜鉛の確認ができ,イオンビーム化に成功したと考えられる.初期実験として,窒素内包フラーレンの合成を試み,窒素ーフラーレンの化合物の合成に成功した.亜鉛の合成は不純物が多く確認できなかった.初年度の最初の研究項目であったホットウォールプラズマ装置の設計・製作に予想以上の時間を要し,さらに,異常放電やイオンビーム電流量が予想より低いという課題がでたため,現在計画に対してやや遅れていると考えている.この遅れを取り戻し,2年目の主たる研究項目である金属内包フラーレンの合成実験を速やかに進めるためにも,まず装置改造が必要と考え,現在,改造設計を進めている.しかしながら,当初懸念していた,平行平板型でのプラズマ生成において,プラズマ密度の低さからイオンビーム量が確保できるかという課題に関しては,ビーム引き出し電極付近で100μA以上の電流量が確保できていることが確認でき,今後の合成実験には十分と考えられる.

合成実験に関しては,第一段階として,シリコン基板上のフラーレン薄膜に窒素ビームを照射する実験を実施済みで,今後,時間飛行型質量分析装置を用いて材料分析を行う予定となっている.イオンビームH27年度の5月末を目処に,1年目に製作したホットウォールプラズマ装置のイオン照射量の向上および異常放電対策を目的として,装置の一部を改造する.1年目のイオンビーム生成実験では,窒素イオンビームの場合でもμAオーダーのビーム量しか引き出せなかった.この原因は,高温炉のサイズから生じた装置制約上の理由で,プラズマ生成部から40cm程度離れた合成実験位置までイオンビームを引き出さなければならず,ビームの引き出し電極や集束レンズの最適化が不十分であったためと考えられる.しかしながら,それらは本研究の目的である合成実験について本質的な問題では無いため,その最適化に要する時間を省くための検討を行った結果,プラズマ生成部付近でイオンビーム照射が可能になるように,現在,装置の改造設計を進めている.この装置改造の設計・製作を早急に終え,まず基礎実験として,フラーレン薄膜への窒素イオンビームおよび蒸発温度の低い亜鉛イオンビームの照射実験について,8月を目標に進めていく.その後,合成効率の向上を図るため,ビーム照射部にフラーレン炉を追加し,フラーレン蒸気中へのイオンビーム照射による気相合成法を試す.これらの実験において効率の良い合成法および実験条件を調査し,その方法を用いてより蒸発温度の高い材料(例えばマンガンや銀)に対して合成実験を行う.この際には1000度を超える温度設定になるため,新たに電極等にモリブデンやタンタルの高融点材料を用いる高温対策を行う予定である.初年度の3月時点で,現行装置による窒素内包フラーレンの合成実験までを終え,装置改造が必要と判断して実験を中断した.現在,装置改造設計に入っており,予算の一部を次年度に繰り越すことにした.次年度に合成装置の一部改造を計画しており,その費用の一部として使用を予定している.
複合型高活性アゾリウム塩の創製と不斉合成への応用

含窒素複素環式カルベン(以下、NHC)は隣接するヘテロ原子の立体電子効果により安定化された一重項アゾリウムカルベンであり、極性転換反応やRedox反応において特異な反応性を示す有機分子触媒である。本研究ではNHC触媒の高活性化や汎用性の拡張、従来とは異なる触媒機能や協同効果の発見を目指した。なかでも反応性、選択性ともに大きな課題を残しているイミダゾリウム塩の高度化させるために、機能性イミダゾリウム塩の設計と、それらを用いた触媒的不斉反応の開発研究を実施し、以下のような成果を得た。昨年度の検討によって、NHC触媒前駆体であるイミダゾリウム塩そのものがインドール類のFriedel-Crafts型共役付加反応において有用な有機分子触媒として機能することを見出した。しかしながら、本反応におけるイミダゾリウム塩の詳細な役割については不明であった。そこで、イミダゾリウムカチオンとインドールのカチオン-π相互作用が本反応の鍵であると考え、イミダゾリウムカチオンとインドールの分子間相互作用について、ab initio分子軌道法によって解析したところ、期待した通り二つの分子間には15 kcal/molを超える強い引力が働いており、イミダゾリウムの2位のC-Hがインドールの6員環と接触する構造が最も安定であることが明らかとなった。また、先に見出した本反応におけるイミダゾリウム塩の対アニオンに関する知見を踏まえ、本反応はイミダゾリウム塩によるカチオン-π相互作用およびルイス塩基的相互作用を利用したインドールの二重活性化機構により進行していることが示唆された。25年度が最終年度であるため、記入しない。含窒素複素環式カルベンは隣接するヘテロ原子の立体電子効果により安定化された一重項アゾリウムカルベンであり、極性転換反応やRedox反応において特異な反応性を示すルイス塩基触媒である。近年光学活性なトリアゾリウム塩を用いた触媒的不斉反応が多数見出されているが、光学活性なイミダゾリウム塩については、反応性、選択性ともに大きな課題を残している。そこで、本研究ではこれらの問題を解決すべく機能性イミダゾリウム塩の設計と、それらを用いた触媒的不斉反応の開発を目的とする。本年度の研究では二つの課題に取り組み、以下のような成果を得た。1)高活性イミダゾリウムカルベンの創製および触媒的ラクトン化反応への応用高活性なイミダゾリウムカルベンの創製において窒素原子上の置換基の選択が重要になると考え、これら前駆体として汎用されるIMesClのメシチル基を様々な芳香環に置換したイミダゾリウム塩を合成し、それらの反応性をホモエノラート等価体による触媒的ラクトン化反応において速度論的に評価した。その結果、リード化合物であるIMesClの反応速度に比べ、IEtClは約3倍程度反応速度の向上が認められ、さらに4位に電子求引基である臭素原子を導入したBEtClではさらに反応速度が向上することを見出した。2)アゾリウム塩によるインドール類のFriedel-Crafts型共役付加反応イミダゾリウムカルベンを用いたヘテロ原子の触媒的活性化を応用した共役付加反応を検討していた際、イミダゾリウム塩がインドール類のFriedel-Crafts型共役付加反応において有用な有機分子触媒として機能することを見出した。反応機構について検討したところ、本反応はインドールとイミダゾリウムのカチオン-π相互作用およびイミダゾリウム塩由来の塩化物イオンのルイス塩基的な活性化を契機とした共役付加反応であることが示唆された。高活性イミダゾリウムカルベンの創製および触媒的ラクトン化反応への応用研究では、触媒活性が大幅に向上したIEtClやBEtClなどを見出すことに成功した。また、これら知見を踏まえて、さらなる触媒活性の向上を目指した研究を行い、本触媒反応が4位の置換基の誘起効果に左右され、電子求引基によって加速されることも見出した。

これらの結果から、当初計画した高活性イミダゾリウムカルベン触媒の創製研究において大きく進展した。また、本研究の最終目標である反応性、選択性、操作性に優れた次世代有機分子触媒の創出を目指し、NHC触媒とキラルリン酸触媒からなる複合型アゾリウム塩を合成し、これら触媒が触媒的不斉ラクトン化反応について低いながらも不斉収率を与えることを見出した(15%ee)。さらに、イミダゾリウムカルベンの進化を目指し、これらを用いたヘテロ原子の触媒的活性化について検討したところ、触媒前駆体であるイミダゾリウム塩の新たな機能を見出すことに成功した。以上のことから、本研究はおおむね順調に進行している。1)複合型アゾリウム塩の創製と不斉触媒反応への応用(初年度継続内容)平成24年度の研究において見出した触媒的ラクトン化反応において高い反応性を示すイミダゾリウム塩の対アニオンに環状リン酸ジエステルを導入した複合型アゾリウム塩を合成し、触媒活性、エナンチオ選択性について精査する。特に塩基としてアルキルリチウムやグリニャール試薬などリン酸金属塩を系中で生成することで、これらのLewis酸としての応用も検討する。2)メントンを不斉源とするC2-対称性イミダゾリウム塩の創製と複合型アゾリウム塩への応用光学活性なアミノインダノールやアミンを不斉源とするキラルイミダゾリウム塩は報告されているが、反応性と選択性が反比例することやイミダゾール環の窒素原子に芳香環が置換していないため、カルベンの生成に強塩基を必要とするなどの問題がある。そこで、汎用されるイミダゾリウム塩であるIMesClと同等以上の触媒活性を有し、カルベンの生成に強塩基を必要としない光学活性なイミダゾリウム塩を創製する。具体的には、Hoveydaや富岡らによって報告されている隣接不斉基との立体反発を利用した不斉空間構築の概念を応用したC2-対称性イミダゾリウム塩合成し、ホモエノラート等価体の環化反応や申請者が見出したFriedel-Crafts型共役付加反応などを検討する。さらに単一触媒の検討に加え、前年度の複合型アゾリウム塩に関する知見を応用して、不斉リン酸触媒とC2-対称性イミダゾリウム塩の複合型アゾリウム塩へと展開する。複合触媒では、リン酸触媒のキラル因子とNHC触媒のキラル因子が相乗的に働く二重不斉誘導により、さらなる選択性の向上が期待できる。そこで、上記の反応に加え従来の光学活性なアゾリウム塩では不可能であったアルコール類の触媒的活性化に伴う不斉共役付加反応についても検討する。25年度が最終年度であるため、記入しない。
iPS細胞を原材料とするバイオミメティック骨再生剤の開発

iPS細胞が有する“無限の増殖能"および“骨基質の産生能"という性質に着目し,iPS細胞を骨補填材として用いる技術を着想した。マウス歯肉由来iPS細胞の胚様体を用い,骨芽細胞様のiPS細胞凝集体の作製を試みた結果,浮遊培養法を用いることで大きさや骨基質成分の含有量を制御可能であることを見出した。また,不活化した骨芽細胞様のマウス歯肉由来iPS細胞凝集体は,骨補填材として良好な特徴を示すことが動物実験で明らかとなった。補綴歯科治療において,顎堤吸収により失われた骨の欠損部を補うための骨補填材料の需要は高まる一方である。現在,臨床に使用されている骨補填材には,化学的に合成されたリン酸カルシウム材料あるいはウシ由来の脱蛋白質乾燥骨等がある。しかしながら,これらの生体材料は,自家骨に比べて骨再生能が劣る上,術後吸収による再生骨量の減少等の問題があり,治療の予後は必ずしも良好ではない。また,動物由来の生体材料には未知の感染性因子が存在する可能性が完全には否定できないため,これらに代わる新たな骨補填材料の開発が望まれている。本研究では,患者自身の細胞に由来する自家骨成分に近「バイオミメティック骨再生剤」の開発を目的としている。本年度は,マウス歯肉由来iPS細胞の胚様体(embryoid body)を,骨芽細胞分化誘導培地中で特定の振盪培養条件を与えることで,浮遊させたままカルシウムを豊富に含む骨芽細胞の凝集体を作製する技術を確立した。また,大量に増殖させたiPS細胞を浮遊培養することによって大量の胚様体を形成させ,さらに振盪培養しながら骨芽細胞へ分化誘導することで,胚様体のサイズを大きくし,かつ含まれる石灰化物(カルシウム)の量を増加させることが可能であることを見出した。さらに,この胚様体を不活化して得られた材料は,骨組織に近似した成分組成を有していることを,フーリエ変換赤外分光法(FT-IR解析)によって明らかにした。この不活化したiPS細胞の凝集体をラット頭蓋骨欠損部に填入した結果,組織切片観察から良好な骨再生効果を示している。本研究の目的は,培養iPS細胞を用いて自家骨成分に近い「バイオミメティック骨再生剤」の作製が可能か否かを検討することである。マウス歯肉由来iPS細胞の胚様体を,骨芽細胞分化誘導培地中で特定の振盪培養条件を与えることで,浮遊させたままカルシウムを豊富に含む骨芽細胞の凝集体を作製する技術を確立した。さらに,この胚様体を不活化して得られた材料は,骨組織に近似した成分組成を有していることを明らかにした。この不活化したiPS細胞の凝集体をラット頭蓋骨欠損部に填入した結果,組織切片観察から良好な骨再生効果を示した。また,術後10週間にわたり,いずれの組織切片においても腫瘍化を示す所見は認めなかった。本研究の結果,マウスiPS細胞を振盪培養下で骨芽細胞へ分化誘導することで,骨組織に近い成分を有する細胞凝集体を作製する技術が確立できた.また,これを不活化した材料は,骨補填材として有用である可能性が示唆された.iPS細胞が有する“無限の増殖能"および“骨基質の産生能"という性質に着目し,iPS細胞を骨補填材として用いる技術を着想した。研究計画通り、iPS細胞を浮遊培養で骨芽細胞へ分化誘導することにより、カルシウムを豊富に含む骨芽細胞の凝集体を作製する技術を確立できているため。この技術は独自性を有するとともに、今後このiPS細胞由来骨再生剤が、骨再生能を有している可能性を検討していくために必須である。再生歯学動物実験によりiPS細胞由来骨補填材の骨再生効果を検討する。骨欠損部の再生の評価にはラット頭蓋骨欠損を用いる。骨補填材を填入して,310週間後に組織を摘出し,骨再生を組織学的に評価する。立体的な骨形成および骨密度を,マイクロCTを用いて定量的に解析することで,垂直的な骨再生効果を評価する。

また,iPS細胞由来骨補填材による骨再生効果の作用機序を解明するために,この補填材に含まれる成分を解析していく。以上の結果をもとに,iPS細胞から骨組織を誘導するバイオエンジニアリングの基盤を築き上げるとともに,次世代の骨再生剤の開発の芽生えにつなげる。研究代表者が平成26年4月に東北大学に異動したため、研究環境を整えるのに時間がかかり、研究計画を遂行するために必要な試薬の発注・納期が少し遅れているため。今年度、iPS細胞を用いて試験管内で石灰化凝集体を作製する実験は計画通り順調に進んでいるため、この程度の使用額は次年度に要する予算と合わせて、動物実験や機構解析などを効率よく実験を進めるために必要であると考えている。
セントラルドグマへのマイクロ波加熱による進化への効果

生物の基本原理であるセントラルドグマの複製、転写、翻訳へのへのマイクロ波加熱効果を調べた。DNAの複製にウイルス複製様式のローリングサークル反応をモデルとした。翻訳に用いた蛋白質は蛍光蛋白質GFPを用いた。翻訳反応ために、大腸菌の無細胞翻訳系を用いた。DNA複製反応に、マイクロ波加熱による促進効果を確認した。その促進理由は、イオン成分のマイクロ波による選択加熱を示した。また誘電率測定、電磁界シミュレーションからもイオン成分の選択加熱を支持する結果を得た。GFPの翻訳反応は、RNAからの翻訳においてGFPの蛍光増加を確認した。本研究の目的は、セントラルドグマという生物の基本原理と、マイクロ波という電磁気学を掛け合わせ、生命の進化への電磁波による促進効果を明らかにすることである。本申請のセントラルドグマの複製、転写、逆転写、翻訳の家庭における電磁波の効果を明らかにすることで、地球誕生から最初の生命誕生までの6億年における生命進化に対する新たな知見を得ることが出来る。加えて、マイクロ波の進化への影響を明らかにするだけでなく、電磁場環境下の生物への考察や酵素反応の促進技術としての応用も期待できる。研究実施計画においてH26年は、マイクロ波装置の改良と転写や無細胞系の構築を予定した。H26年に高精度のサーモグラフィを購入させて頂き、マイクロ波を照射しながら光ファイバー温度計と同時に温度測定できる実験系を構築することができた。またマイクロ波加熱による反応促進の根拠を明らかにするための共同研究によって、無細胞系PUREfrexとローリングサークル型遺伝子増幅反応の誘電率の測定ならびに電界損失シミュレーションで大幅な進展があった。また反応系の構築は、例えば無細胞翻訳系であれば3種のタンパク質発現を予定していたがモデル反応など簡便な2種に絞るなど、実験系は極力シンプルにしてマイクロ波による促進メカニズム解明へのアプローチをセットで成果を出すよう方向転換をおこなった。H26年度の顕著な成果は、共同研究によって2015年電子情報通信学会信学技法に6ページの成果を発表できたことである。これら研究の過程で、マイクロ波加熱による結果の違いは反応成分の導電損失と誘電損失が大きく関わっていることが示唆されている。H27年は、セントラルドグマの各反応を調べることと、それらメカニズムに対しても電界損失の観点からマイクロ波加熱効果の解明を目指す。セントラルドグマの複製、転写、逆転写、翻訳の過程における電磁波の効果を明らかにすることで、地球誕生から最初の生命誕生までの6億年における生命進化に対する新たな知見を得ることができると期待した。加えて、マイクロ波の進化への影響を明らかにする以外にも、電磁場環境下の生物への考察や酵素反応促進技術への応用も期待できる。研究実施計画において、初年度に空洞共振器と半導体発振器を用いたマイクロ波装置の信頼性の向上を進めながら、無細胞翻訳系を構築し、その後セントラルドグマの反応をおこなう計画を立てた。サーモグラフィーを導入させて頂き、また共振器にマイクロ波加熱しながら反応容器表面温度を測定できるよう改造をおこなった。本反応系は、50μLの微量スケールであるため攪拌をおこなっていないが、サーモグラフィーによって反応温度の均一性を確認し、反応温度の信頼性を高めることができた。無細胞翻訳系は大腸菌翻訳系を採用し、発現タンパク質として蛍光蛋白質GFPを選択した。GFPの発現を蛍光プレートリーダ、蛍光スキャナで評価することができる。無細胞翻訳反応は、GFPのDNAから発現と、RNAから発現するパターンをおこなった。結果として、DNAから翻訳したパターンでは通常加熱と同じ蛍光量であったが、RNAから翻訳した場合通常加熱ではDNAからと同じ蛍光量であったが、マイクロ波加熱では3倍以上の蛍光量を確認することができた。また、この反応促進の原因は、反応組成の温度測定ならびに電磁界解析シミュレーションにより、バッファのイオン成分がマイクロ波により高効率に加熱されることにより通常加熱と同じ反応温度でありながら異なる反応場になった可能性を示唆した。当初、セントラルドグマの反応系の構築も注力する予定であったが、反応促進の結果のより高い信頼性を示すためにはメカニズムを示唆する結果の必要性をこれまでの学会等で感じた。これまでの我々の研究で、マイクロ波環境下においてRCA反応の成分の加熱されやすさが異なることが分かった。そこで、共同研究を依頼し、装置の電磁界シミュレーションと反応成分の誘電率測定をおこなうなど研究の方向転換をおこなった。一見、当初予定に対して遅延しているように見えるが、本来の研究の目的をより適切に達成するために着実に進展できていると認識している。マイクロ波化学H27年は、遺伝子増幅反応における電磁界シミュレーションで示されたマイクロ波化学加熱の成果を、IEICEへの論文投稿する。無細胞翻訳系PUREfrexによるタンパク質発現と発現タンパク質DANを用いて転写へのマイクロ波効果を調べ、論文投稿を目指す。

研究の推進にあたり、より高精度に温度測定可能なサーモグラフィに対して当初の計画より大幅に増額した投資をおこなわせて頂き、より信頼性があるデータを得ることができた。その一方、予算の2年目と1年目のバランスを考慮した結果として、次年度使用額が生じてしまった。H27ぶん科研費は論文投稿費用や論文校正費用に使用予定である。
高キュリー点を持つ巨大圧電トランスデューサ薄膜の創製と圧電ＭＥＭＳの性能限界打破

圧電性と耐熱性とのバランスがよいチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)を用いた圧電MEMS(微小電気機械システム)アクチュエータは,既に産業的な成功をおさめている。しかし,PZTの性能の向上化は限界に達しつつあり,デバイス性能もこれにより制限されている。本研究では,申請者の見出した「強誘電体単結晶薄膜のキュリー点変調技術」を用いて,極めて大きな圧電性能を有しているにもかかわらず,低キュリー点ゆえに実用性に乏しい強誘電体薄膜のキュリー点を引き上げる。これにより,巨大な圧電特性と高耐熱性とを両立する革新的な圧電薄膜をSi基板上に形成することを試みる。そして,超高性能圧電MEMSアクチュエータの実現可能性を実証する。
火星気象を特徴付ける大気主成分凝結と大気波動の相互作用の解明

本研究は、米国の火星探査機で実施された電波掩蔽観測による10年間の気温・気圧データを利用し、CO2凝結温度を下回る低温域を統計的に検出すると同時に大気波動の系統的な解析も行う。どのような性質を持つ大気波動がCO2凝結を引き起こすかを明らかにすると共に、逆にCO2凝結が大気波動の活動に与える影響も調べることで両者の相互作用を解明する。CO2凝結に関わる大気波動としては、傾圧不安定波(大規模波動)や大気重力波(小規模波動)等が挙げられる。
自動鉛直栄養塩モニタリング装置の試作に関する研究

本研究は海洋での生物生産や生物関連元素の循環に重要な役割を果たしている栄養塩類の長期間におけるモニタリングシステムの開発を目指したものである。従来の栄養塩類の測定は、試水を採水し船上あるいは陸上の実験室で自動比色分析装置を主に用いて測定されていた。我々が開発を試みたのは水深100mまでの耐圧性を持ち現場係留型の栄養塩測定装置で、今回は表層での生物生産に特に注目したため、硝酸イオンの分析を主体とし、同じ機構で他のリン酸などの栄養塩もモジュールを変更することで測定が可能なようにするよう設計した。本装置では電源はバッテリ-であり、1台のポンプを使って試水のサンプリングから試薬の注入および混合、硝酸イオンの場合はカドミカラムでの硝酸イオンの亜硝酸イオンへの還元、発色試薬の注入と混合、最後に比色用セルへの注入までを各ステップ調整可能なプログラムで制御する方式をとった。比色は1cmセルであるが、約0.1マイクロモルまでを検出することが出来る。また試薬は長時間(2-3週間)保持出来るように、安定なものを選び、また無菌パックに入れてポンプで反応部に送っている。1サイクルの測定時間は約5分であり、1時間に12回サンプリングすることが出来る。また得られたデータはデータロガーに蓄えられ、測器の回収後にパソコンへ転送することにより濃度計算を行う方式である。この装置はモデル海域でのテストで約1週間係留しうまく作動することが確認されている。本研究は海洋表層での時系列的な変動が特に重要であることが認識されながら、センサーの開発が遅れていたため、自動化例の乏しい栄養塩類のモニター手法を確立する事を目的としている。本年度は、栄養塩(硝酸、アンモニア、リン酸)の分析自動化の為の手法、およびこの手法を組み込んだモジュールの設計・開発に関する研究を行った。分析のソフトウエアーで重要なのは、使用する試薬および標準液の安定化でありさらには安定した光学系と反応を安定に進めるポンプシステムの組み合わせである。これらの点を東大・海洋研の小池及び小川で分担して検討を進め、全体のシステム化及び分析モジュールの試作・改良を海洋観測機器の開発で長年の経験を持つ、日油技研(株)の中村が分担した。海洋表層での栄養塩類の中で硝酸イオンの測定が現在最も必要とされているので、1-50マイクロモル範囲で測定可能な自動モニターの確立を当面の目標とした。硝酸イオンの場合は還元カラムを用いて、硝酸イオンを亜硝酸イオンに還元し、亜硝酸イオンとして比色する手法を採用したため手順が他の栄養塩に比べて複雑である。又既知濃度のスタンダードによる検量線や、定量ポンプを用いたシクエンスに技術的な問題があったが、現在、自動的に約2-3週間機能する硝酸イオンモニターのシステムがほぼ出来上り、予備的なフィールド実験が行われている。今後このシステムしての安定性や精度を実験室での検討とフィールド実験を繰り返すことで高める必要がある。本装置では電源はバッテリ-であり、1台のポンプを使って試水のサンプリングから試薬の注入および混合、硝酸イオンの場合はカドミカラムでの硝酸イオンの亜硝酸イオンヘの還元、発色試薬の注入と混合、最後に比色用セルヘの注入までを各ステップ調整可能なプログラムで制御する方式をとった。

比色は1cmセルであるが、約0.1マイクロモルまでを検出することが出来る。また試薬は長時間(2-3週間)保持出来るように、安定なものを選び、また無菌パックに入れてポンプで反応部に送っている。1サイクルの測定時間は約5分であり、1時間に12回サンプリングすることが出来る。また得られたデータはデータロガーに蓄えられ、測器の回収後にパソコンヘ転送することにより濃度計算を行う方式である。この装置はモデル海域でのテストで約1週間係留しうまく作動することが確認されている。
ハイブリッド人工胆管構築技術を基盤とした術後胆管狭窄予防

本研究は、胆管上皮細胞、血管内細胞、線維芽細胞などの細胞の分離培養技術を確立し、同細胞を3D培養することにより作製された管腔構造体を用いて、それ自体が組織修復や抗炎症機能を有する機能性ハイブリッド人工胆管を作製することを目的とする。東海大学との共同研究により、マウスの胆管上皮細胞の分離・培養技術を確立しており、前述のごとく、血管内皮細胞や胆管上皮細胞と組み合わせたハイブリッド人工胆管の作成に取り組んでいる。また、人工胆管の有用性を明らかにするため、大動物を用いたブタ胆管移植モデルを確立した。これは、ブタの胆管を切断した後に同部位に人工胆管を移植し、その生着や機能を評価するモデルである。ブタに移植する人工胆管として、佐賀大学との共同研究により、ブタ線維芽細胞を3D培養し、管腔構造体を作製することに成功した。同構造体をブタ胆管に移植し、その生着、機能を確認した。長崎大学病院における肝切除症例のうち、事前にインフォームド・コンセントを取得した患者の胆嚢、肝臓からの胆管上皮細胞分離を行った。ラットを用いて、胆管吻合狭窄モデルの確立に向けて実験を行った。生体吸収材料による人工胆管形成に最適な形状作成を行った。ヒト胆嚢、肝臓からの胆管上皮細胞分離培養手技の確立に時間を要している。ラットを用いた胆管吻合モデルの作成に時間を要している。生体吸収材料による人工胆管作成に最適形状の確立に時間を要している。本研究は、生体吸収材料により作製したチューブ構造上で、ヒトの胆管上皮細胞や血管内皮細胞等を培養し、それらのチューブを組み合わせることで、それ自体が組織修復や抗炎症機能を有する機能性ハイブリッド人工胆管を作製し、肝臓疾患や胆道疾患に対する胆管手術後に発生する胆管吻合部狭窄の予防を図るものである。長崎大学病院における肝切除例のうち、事前にインフォームド・コンセントを取得した患者の胆嚢・肝臓を用い、同組織からの胆管上皮細胞の分離培養手技の確立を目指し、実験を行った。またマウスの胆管上皮細胞の分離・培養を行っており、現在、同細胞と線維芽細胞による3D培養技術の確立を目指して培養条件の設定等を行っている。ヒト、マウス共に、胆管上皮細胞と血管内皮細胞をどのような比率で共培養するのか、また線維芽細胞とどのように組み合わせるのか、細胞数、培養条件の確立を目指し、実験を行っている。管腔様構造の構築に向けては、当初の計画通り、生体吸収材料を用いて、胆管の形態をシミュレーションしたチューブ構造物の作成を進めている。今後、同チューブを用いた3D培養へと進めていく予定である。またチューブ状の生体吸収材料を用いる方法に加えて、各種細胞をスカフォルドとして培養できるように条件設定を行っている。それらのスカフォルドを管腔構造となるように配置し灌流培養することによる3D構造構築の為の技術についても検討しているところである。胆管上皮細胞の分離・培養技術の確立に時間を要した他、次のステップとしての3D培養技術の確立に時間を要している。東海大学との共同研究により、マウスの胆管上皮細胞の分離・培養技術を確立しており、同細胞を用いた構造体の作成を図っている。また、管腔構造体の大動物への移植を目的とし、ブタ胆管移植モデルを確立した。ブタへの構造体移植を考え、佐賀大学との共同研究により、ブタ線維芽細胞を分離培養し、同細胞を3D培養することにより、管腔構造体を作製することに成功した。線維芽細胞を用いた管腔構造体のブタへの移植実験を行うと同時に、前述のごとく、血管内皮細胞や胆管上皮細胞と組み合わせたハイブリッド人工胆管の作成に取り組んでいる。ヒト、マウス、ブタ各々、線維芽細胞、胆管上皮細胞、血管内皮細胞をどのような比率で共培養するのか、細胞数、培養条件の確立を目指し、実験を行っている。ヒト胆管上皮細胞による管腔構造作成は困難であったが、佐賀大学との共同研究によりブタ線維芽細胞の培養技術を確立し、同細胞を用いた管腔構造体の作成に成功した。すでにブタ胆管移植モデルは確立しており、今後、ブタへの線維芽細胞管腔構造体の同種移植実験を行い、その有用性を明らかにできると考える。同時に、in vitroでの胆管上皮細胞と線維芽細胞の至適培養条件設定を行っており、線維芽細胞と胆管上皮細胞を組み合わせた管腔構造体作成の準備も進んでいる。

ブタに移植する人工胆管として、佐賀大学との共同研究により、ブタ線維芽細胞を3D培養し、管腔構造体を作製することに成功した。同構造体をブタ胆管に移植し、その生着、機能を確認した。チューブ用の人工胆管作成を目指すとともに、まずは重層シート状での胆管上皮細胞・血管内皮細胞・線維芽細胞培養手技を確立する。ヒト胆管上皮細胞のみではなく、ラット胆管上皮細胞による人工胆管の作成を図り、ラットでの実験系を確立する。胆管上皮細胞の分離培養技術は、確立されたので、胆管上皮細胞と線維芽細胞の両者による管腔構造の作成に向けて、実験を進める。ブタ胆管移植モデルへの移植実験を進め、組織評価、血清学的評価等を行う。また既に進めている線維芽細胞と胆管上皮細胞の3D培養技術を確立した後に、両細胞を組み合わせた管腔構造体を作製する。線維芽細胞構造体、胆管上皮細胞+線維芽細胞による構造体、各々の移植後の組織評価、血清学的評価を進める。計画よりも実験が遅れ、実験用動物の購入に予定ほど費用がかからなかったため。手技が確立しておらず、実際の人工胆管構築の為に使用する予算を使用するに至らなかった。当初の研究計画を変更したこともあり、進捗が遅れている。そのため、本年度余剰分を線維芽細胞と胆管上皮細胞を組み合わせた管腔構造体作成実験等に必要な試薬等の購入に充てる予定である。実験用動物の購入、生体吸収材料の購入、培養に要する薬剤、また情報交換、情報収集の為の旅費に使用する予定である。胆管上皮細胞の培養、そして3D構造構築手技が確立してきており、同実験に対する予算の使用を行う予定である。また成果発表の為の旅費への使用も行う予定である。
細径・広角な可変視野内視鏡の開発

軟性鏡先端でのプリズム回転機構と,広い視野移動範囲を得るためのプリズム形状を検討し,プロトタイプ機を製作し,以下の成果を得た。(1)回転機構には,圧電素子を利用した小型超音波モータを用いることとし,内径13mm,外径14mm,長さ25mmの中空モータを実現した。(2) 30度斜視鏡と視野を30度屈折させる特殊レンズを設計し,視野角70度の内視鏡を60度屈曲させ,自由に視野移動させることを実現した。今年度は,軟性鏡先端でのプリズム回転機構の検討と,広い視野移動範囲を得るためのプリズム形状・材料等の検討・プロトタイプ機の製作・評価を行った.具体的には以下の成果を得た.1)回転機構には,圧電素子を利用した小型超音波モータを用いることを検討し,試作機の設計を行った.4分割圧電素子に90゚ずつ位相をずらした振動を与えることにより回転を発生させる方法を選択し,直径15mm,長さ50mm程度の回転アクチュエータのプロトタイプ機の設計・製作を行った.2)光線追跡により内視鏡視野内での視野屈曲角度をシミュレーションし,効率的な視野移動が得られるようなプリズム形状を検討した.その結果,30度の斜視鏡に,入射光に対して常に30度光線を屈曲させるような特殊なレンズを組み合わせることにより,内視鏡の視野屈曲角を±60度屈曲させることに成功した.レンズは製作が容易なアクリルで製作し,画像解像度評価等を行った.解像度は内視鏡先端から50mmの位置に設置した等間隔縞模様の解像力チャートを撮影し、縞模様が線として認識できる最小の線の幅を解像力とした。結果としては画面中央において認識できた線幅は縦縞が0.63mm、横縞が0.63mmとなり,斜視鏡のみで撮影を行った場合よりも低い解像力となった。色収差評価では,得られた画像をRGBで分解し、赤色光と青色光の中心のずれを色収差と定義した。結果としては赤色光が青色光に対して0.17mm上方ヘシフトしていた。製作した内視鏡では十分な視野移動は実現したが,多少の画質の低下がみられた。しかしながら、精度良いレンズの再制作を行うことにより,これらは改善されることが期待されるため,本視野駆動方式を採用し,次年度改良を進めていくこととした.これまで設計した回転機構の細径化・軟性化のための機構の製作と評価を行った.昨年度設計した圧電素子を利用した超小型超音波モータによる回転機構の製作を行い,評価実験を行った.外形15mm,内径14mm,長さの25mmの円筒型ステータを製作し,たわみ振動によるステータ端面に形成される進行波を,ロータに伝える事によって,ロータの回転運動を実現する.モータが中空であるため,内部にレンズが搭載可能である.製作した結果,外径28mm,長軸長さ116mm,予圧600gf,印可電圧110Vp-pの際に固定保持力887gf,安定した角速度での回転速度14.1rpmを得た.しかし課題として,組み立て後のサイズが大きいこと,回転性能がロータとステータの接触面の状況に大きく左右されることが挙げられた.今後は,安定的にロータとステータの接触面を実現する機構設計,小型化のための改良が必要と考えられる.広角の視野移動を得るための内視鏡の製作として,斜視鏡先端に特殊レンズを取り付け回転させることで視野を±60度程度屈曲可能な内視鏡の改良を行った.昨年度から,さらに細径化をするために,対物レンズと特殊レンズを配置の変更,特殊レンズの曲面の再設計を検討し,10%程度の細径化を実現した.今後は2つの要素技術を融合し,内製でも駆動可能な可変視野の開発と実用化を進めていく.さらに,小型超音波モータは先端治療具と駆動機構にも応用可能であり.これによりNOTESやシングルポートサージェリーに代表されるような,狭い挿入部位から体内深部へ到達し治療を行う,新しい手術法の確立へ大きく寄与すると考えられる.