hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
無極性有機分子の周りの水クラスターの構造とダイナミクス

無極性分子ベンゼンの周りの水の構造とダイナミクスをNMRで研究し、以下の事実を明らかにした。(1)芳香族分子のプロトタイプであるベンゼンの水和(疎水性水和)殻中の(重)水の回転相関時間τ_<2R>がバルクの値より大きく、水和殻の水は溶質ベンゼンに直接束縛され(配位し)ていないにもかかわらず、回転運動が抑制されていることが解明された。これは疎水性分子の壁で反発さ(嫌わ)れた水分子同士が水和殻中でより強い水素結合を形成する結果であった。(2)温度が低いほど疎水効果(水和殻中の水のτ_<2R>>バルクの水のτ_<2R>)は顕著である。この結果は水素結合ネットワークが温度の低下によって発達することによる。(3)ベンゼンの疎水性水和による溶媒分子の運動の低下は、水の回転相関時間の測定だけでなく、自己拡散係数(並進運動)の測定からも確認できた。溶媒側からだけでなく、溶質側からも疎水性水和を研究した。(4)水の構造が破壊される高温領域では、溶質ベンゼンの回転相関時間は、水よりも長く、流体力学的であるが、低温領域では疎水性水和殻の発達によりベンゼンの方が回転緩和が容易になることがわかった。(5)水が過冷却された低温(-18°C)では、新しい状態が出現し、その回転相関時間は水溶液の値より小さい。このとき溶媒の水の信号は消えるので、溶媒は固化し、ベンゼンのclathrate hydrateが生成したと考えられる。ゲスト分子ベンゼンはホスト(水)のケージの中で高速回転をしていることがわかった。界面活性剤イオンOctyltrimethylammoniumの炭素鎖の周りの水クラスターについても同様の実験を行った結果、(6)疎水性水和においては、σ電子系の脂肪族分子の場合でもπ電子系の芳香族分子の場合と同様に回転運動が抑制されていることが明らかとなった。
ナノチューブを直接合成したスピンデバイスの輸送特性

本研究では、カーボンナノチューブを強磁性電極から直接成長させた電界効果トランジスタ(FET)を作製し、電場、磁場による伝導度制御を目的とした。カーボンナノチューブデバイスへの効率的な電荷注入、スピン注入の最適構造を明らかにし、π電子系デバイスへの設計指針を提案することが最終目標である。平成21年度は、1.カーボンナノチューブFETの動作原理の理解、2.磁気特性をデザインした強磁性電極FETの作製と輸送特性の理解、3.効率的なカーボンナノチューブ成長の最適条件の探索を目的とした。その結果、以下の成果を得た。1.作製したFET特性を詳細に調べることで、電極からカーボンナノチューブへのキャリア注入障壁が理想的なショットキーバリアであることを明らかにした。さらに、この障壁高さは低電圧印加で急激に減少し、それが低電圧動作FETの起源であることを明らかにした。2.強磁性電極の磁気特性を精密に制御するために、これまで用いていたCo/Mo複合電極からCoのみの電極に変更し、Coのみの電極からカーボンナノチューブを成長してFETを作製した。融点の低いCoのみを電極として用いたが、合成温度の低下など条件の最適化を行う事で、これに成功した。その結果、2つの電極の形状磁気異方性が異なり、保磁力が独立に制御されたFETの作製に成功した。また、作製したFETは、これまでと同様に、高いデバイス特性を示した。3.カーボンなオンチューブの成長条件を変えることで、様々なモルフォロジーのカーボンナノチューブ成長に成功し目的・用途に合わせたカーボンナノチューブ合成技術を確立した。平成20年度は、1.直接合成によるカーボンナノチューブFET作製、2.作製したカーボンナノチューブFETにおいて、電場、磁場による伝導度制御を目指した。1.直接合成によるカーボンナノチューブFET作製では、Mo/Co薄膜を電極兼カーボンナノチューブ成長用触媒とし、アルコール触媒化学気相成長(ACCVD)法でカーボンナノチューブをデバイス内に直接合成した。これにより、直接合成法によるカーボンナノチューブFETの作製に成功した。2.作製したFETは両極性動作を示し、電界による伝導度制御に成功した。このデバイスの評価のために、様々なドレインソース電圧(V_<DS>)、ゲート電圧(V_G)に対するドレイン電流(I_D)の温度依存性から活性化エネルギー(E_a)を求めた。その結果から、簡単なデバイス作製方法にもかかわらずE_aは小さな値を示すことが明らかになり、直接合成により小さなキャリア注入障壁の実現に成功した。磁気輸送特性に関しては、電極の磁気特性が積極的に制御されていないデバイスにおいて、低温でのみ磁気抵抗効果が観測されている。現在、2つの電極の形状磁気異方性が異なるFETの作製に成功しており、次年度、積極的な磁気抵抗制御を行う予定である。
かさ高い置換基を用いたメタラシクロプロパベンゼン類の創製とその性質の解明

芳香環に縮環した三員環を有するシクロプロパベンゼン類は、その高い歪みに由来する特異な構造や反応性などについて興味が持たれ、これまで盛んに研究されている。既に申請者らは、独自に開発した立体保護基である2,4,6-トリス[ビス(トリメチルシリル)メチル]フェニル基(以下Tbt基と略)を活用し、ケイ素およびゲルマニウムのジアニオン種であるジリチオシランおよびジリチオゲルマンの発生に成功した。さらにこれらのジリチオメタランと1,2-ジブロモベンゼンとの反応により、縮環した三員環の頂点にケイ素およびゲルマニウム原子を有するシラシクロプロパベンゼンおよびゲルマシクロプロパベンゼンの合成に初めて成功し、それらの構造について報告している。本研究では、これらの研究をさらに高周期元素のスズの系に展開し、スズ原子を有するスタンナシクロプロパベンゼンの合成・単離を行い、炭素、ケイ素、ゲルマニウムの系と比較・検討を行うことにより、メタラシクロプロパベンゼンの構造や性質について系統的な知見を得ることを目的とする。ゲルマシクロプロパベンゼンTbt(Dip)GeC_6H_4(Dip=2,6-ジイソプロピルフェニル)と遷移金属カルボニル錯体[M(CO)_6](M=Cr, Mo, W)との反応を行ったところ、ゲルマニウム-炭素結合へのカルボニル基の挿入反応が進行し、カルベン錯体が生成することが明らかとなった。また、Tbt基を有するジブロモスタンナンTbt(Dip)SnBr2にリチウムナフタレニドを作用させたところ、ヨウ化メチルによる捕捉実験により、ジリチオスタンナンTbt(Dip)SnLi_2(1)の発生が確認された。しかしながら、1と1,2-ジブロモベンゼンとの反応においては、ケイ素やゲルマニウムの系とは異なり、目的のスタンナシクロプロパベンゼンの生成を確認することはできなかった。
磁性原子架橋および分子性架橋のナノ構造物性に関する理論的研究

第一原理計算を援用して、磁性原子架橋および分子性架橋のナノ物性を調査した。金属表面とSTM探針の間に保持される磁性原子架橋の安定性と磁性を調べた後、原子オーダーで再現良く磁性原子を保持できる磁性分子性架橋として、ポルフィリン金属錯体をテープ状につなげた構造をしたポルフィリン金属錯体テープを調査した。その結果、中心金属がSc, Ti, V, Cr, Mn, Feの場合は強磁性の伝導体に、Co、Ni、Cuの場合は、絶縁体になることを見出した。素のポルフィリン金属錯体分子において、メゾ炭素原子およびβ炭素原子付近の電荷密度が大きい分子軌道が、テープ状に繋がった場合にバンド幅の大きな状態を形成するためその分子軌道が、LUMO、HOMOの場合などにおいて、テープ状に連なったとき伝導体となる可能性が大きい。今回調べた範囲では、それらの軌道は中心金属原子のdxzもしくはdyz軌道が含まれることがわかり、それゆえ、伝導性が中心金属のd電子数に支配されることとなった。ポルフィリン金属錯体テープへの一酸化炭素(CO)吸着について、中心金属がFeの場合、CO分子軸をテープ分子面に対し垂直にしてFe原子へ安定に吸着することを見出した。CO吸着時には、Fe原子の磁気モーメントは消失し、テープポルフィリンは、絶縁体に転移する。Fe原子のdz2軌道とCO分子の5σ軌道が混成した結果、その反結合性軌道が非占有準位となり多数スピンの電子が一つ減る一方で、Fe原子のdxz、dyz軌道とCOのπ*軌道が混成した結果、その結合性軌道が占有されるため少数スピンの電子が一つ増え、その結果CO吸着によりFeの局在磁気モーメントが消失した。また、先の伝導バンドを形成するdxzおよびdyz軌道を含む分子軌道はCOのπ*軌道と強く混成し、フェルミレベルからはなれ、テープポルフィリンはCO吸着により絶縁体となることが分かった。磁性原子ポイントコンタクト(原子架橋)として本年度は、架橋のくびれ構造を考慮した原子配置で、Cu(111)面間をFe1原子でコンタクトする系を取り上げ、密度汎関数理論を基にした第一原理計算を援用して、この系の磁性および、スピン偏極量子化コンダクタンスを調べた。この系の磁性は、主にFeポイントコンタクト原子に局在化したスピンが支配的で、ストレス・フリーの状態から、架橋を引き伸していくと、徐々に磁気モーメントが増大する傾向がみられた。この傾向は、Homogeniousな原子構造をとる磁性原子架橋の場合と類似している。架橋圧縮に対しては、磁気モーメントは減少するが、特にこの系の特徴として徐々にその減少傾向は鈍化していくことが見出された。詳細に調べた結果、減少鈍化はFeポイントコンタクト原子に隣接するCu原子に誘起された磁気モーメントが起源であることが見出せた。Cu原子に誘起される磁気モーメントは、Feポイントコンタクト原子と同じ方向で、大きさは架橋圧縮操作に対してFeポイントコンタクト原子とは、逆に増加する。これにより系全体での磁気モーメントの減少は抑えられることがわかった。ストレスフリーの状態およびその周辺では架橋を通しての電流は、Feポイントコンタクト原子に局在するスピンとは逆向きにスピン偏極することが見出された。そこから架橋圧縮および引き伸しを行うと、一端スピン偏極は消失する。引き伸ばし方向に関しては、そこからさらに引き伸ばすと、電流はFeポイントコンタクト原子に局在するスピンとは同方向にスピン偏極し、スピン偏極度は増大して行く。特に架橋がブレークする寸前で、スピン偏極度は、100%に達することを見出した。これらの成果は、磁性原子架橋の機能デバイスとしての潜在的有用性を示すものと考えられる。

本年度は、分子性架橋としてポルフィリン金属錯体をリボン状につなげた、ポルフィリン金属錯体リボンをとりあげ、その電子物性、磁性、およびポルフィリン金属錯体リボンへの一酸化炭素分子や酸素分子等の分子吸着選択性、さらに電子物性および磁性状態の吸着分子依存性の研究に着手した。予備計算の結果、中心の金属元素によりポルフィリン金属錯体リボンは、伝導体であったり、絶縁体であったりと電子物性が変化することが分かった。さらに、上記一部の金属錯体において、一酸化炭素分子、および酸素分子の吸着エネルギーを調べたところ、吸着物が安定なもの不安定なものあることがわかった。今のところ、一酸化炭素分子と酸素分子かどちらかだけを選択的に吸着させるものは無かった。また吸着前に伝導体であったものが、一酸化炭素の吸着により、フェルミレベル近傍にエネルギーギャップが開き、絶縁体に変化するものや、吸着前に金属原子が持っていた磁気モーメントが、一酸化炭素の吸着により消失するものがあることが分かった。これらの知見は、ポルフィリン金属錯体リボンの分子センサー、化学スイッチ等の機能性材料としての利用可能性を示唆するものである。昨年度実施した分子性架橋としてポルフィリン金属錯体を平面状につなげた、ポルフィリン金属錯体テープの電子物性、磁性に関する予備計算結果を踏まえ、計算精度を上げて計算を行った。特に磁性に関しては、隣り合うポルフィリンユニット間の中心金属原子のスピン配置として反強磁性状態も考慮するためスーパーセルを倍に拡大して計算を実行した。その結果、Sc,Ti,V,Cr,Mn,Feを中心金属としてもつポルフィリン金属錯体テープは強磁性の伝導体に、Co、Ni、Cuを中心金属としてもつポルフィリン金属錯体テープは、非磁性の絶縁体になることを見出した。対応するユニットのポルフィリン金属錯体分子において、メゾ炭素原子およびβ炭素原子付近の電荷密度が大きい分子軌道が、テープ上に繋がった場合に幅の大きなバンドを形成するためその分子軌道が、LUMO、HOMOの場合、もしくは、エネルギーが近い場合、テープ状に連なったとき伝導体となる可能性がある。今回調べた範囲では、それらの軌道は中心金属原始のdxz軌道もしくはdyz軌道が含まれることがわかり、それゆえ、伝導性が中心金属のd電子数に支配されることとなった。一酸化炭素吸着の効果についても計算精度を上げ、中心金属がFeの場合、CO分子軸をテープ分子面に対し垂直にして安定に吸着することを見出した。吸着時には、中心金属の磁気モーメントは消失し、テープポルフィリンは、絶縁体に転移することを確認した。Fe原子のdz^2軌道とCO分子の5σ軌道が混成した結果、その反結合性軌道が非占有準位となり多数スピンの電子が一つ減る一方で、Fe原子のdxz、dyz軌道とCOのπ^*軌道が混成した結果、その結合性軌道が占有されるため少数スピンの電子が一つ増え、その結果CO吸着によりFeの局在磁気モーメントが消失した。また、先の伝導バンドを形成するdxzおよびdyz軌道を含む分子軌道はCOのπ^*軌道と強く混成し、フェルミレベルからはなれ、テープポルフィリンはCO吸着により絶縁体となることが分かった。
リンまたは硫黄原子団を活性化基とする芳香族新規求核置換反応の開拓とその応用

芳香族求核置換(S_NAr)反応は一般に起こり難い反応であり、厳しい条件下で反応を行うか、強い電子吸引基を活性化基として導入する必要がある。しかるに、先に申請者らは、エステル基がo-位アルコキシル基をS_NAr反応に対して強く活性化することを見い出した。このことから、ホスフィニル基(P(=O)R_2)、スルホニル基(S(=O)OR)などのリンまたは硫黄原子団も同様の反応の活性化基となり得ることが期待されるが、従来このような反応は全く知られていなかった。本研究では、これらの官能基を活性化基とするS_NAr反応について検討し以下の成果を得た。1.2-位にジフェニルホスフィニル基を配した1-メトキシナフタレンへのGrignard試薬、アルコキシド、リチウムアミドなどの炭素、酸素、および窒素求核試薬の反応を検討し、これらの試薬がいずれも温和な条件下で芳香族求核置換反応を起こすことを見い出した。生成物は、キシレン中、トリクロロシランで還元することにより、トリアリールホスフィン類に誘導できた。2.1.の方法により、近年注目されつつあるビナフチル型単座ホスフィン配位子である2^′-メトキシ-2-ジフェニルホスフィノ-1,1^′-ビナフチル(MOP)の簡便な合成法を確立した。3.t-ブチルスルホニル基も1.と同様の芳香族求核置換反応の良好な活性化基となることを見い出した。t-ブチルスホニル基は、o-位のメタル化を促進すること、また最近、ニッケル触媒存在下でLiA1H_4による還元、Grignard試薬による置換が容易に起こることが報告されており、本研究の反応を利用することによりアリールt-ブチルスルホンを出発物質とする多置換芳香族化合物の選択的な合成法が確率できるものと期待される。
新規シスタチン様転移関連遺伝子CMAPを分子標的とした肝転移機構の解明

背景:従来より癌部および非癌部組織における遺伝子上の違いに着目し、Differential display法等を用いて比較し、癌の発生や進展のパラメーターとなりえるかを検討してきた。今回、肝転移関連遺伝子CMAPをマウス肝高転移株よりDifferential display法により発見しクローニングした。対象と方法:(1)肝癌切除65例の癌部及び非癌部におけるCMAPのmRNA発現量をReal-time定量的PCR法にて測定した。CMAP発現と臨床病理学的因子及び予後との相関を検討した。(2)大腸癌切除79例の癌部及び非癌部におけるCMAPのmRNA発現量をReal-time定量的PCR法にて測定した。CMAP発現の高値群と低値群に分け、臨床病理学的因子と予後の比較を行った。(3)CMAPを発現していないヒト肝細胞癌株Hep G2にCMAP遺伝子を導入して、遺伝子導入株を作製し、親株と遺伝子導入株の遺伝子発現プロファイルの違いをDNAマイクロアレイを用いて包括的に解析した。結果:(1)癌部CMAP発現量の中央値で2群に分け比較した結果、高発現例で有意に(P<0.05)肝内転移陽性例が高頻度。予後の検討にても、有意に肝内再発率が高かった(P<0.05)。(2)大腸癌の癌部のCMAP発現量は平均0.062±0.074で、非癌部の0.043±0.037より有意に高く、肝転移例の癌部のCMAP発現量は非肝転移例より有意に高かった。CMAP高値と肝転移は有意に相関し、5年生存率も高値群にて有意に不良であった。(3)CMAPの遺伝子導入株にて高発現する(2倍以上)遺伝子261個と低発現する(1/2以下)遺伝子430個を同定した。発現亢進する遺伝子の中には、chemokine receptor, endothelin receptor, VE cadherin等が、減弱する遺伝子には、activin A receptor, thrombospondin等が含まれていた。まとめ:1.肝細胞癌例の検討にてCMAP高発現例では肝内転移陽性例が有意に高頻度であった。CMAP高発現は肝内再発に関する独立危険因子であった。2.大腸癌例においてもCMAP高発現例では肝転移が有意に高頻度であり、また、予後が有意に不良であった。3.CMAPの遺伝子導入株における遺伝子発現の変化をcDNAマイクロアレイ法により包括的に検索することで、肝転移を特異的に規定する分子機構の解明に繋がることが期待された。我々はマウス肝高転移株で高発現しているCMAP遺伝子を同定し、同株へのCMAP antisense DNAの誘導が実験的肝転移能を抑制することを報告した。

大腸癌肝転移症例でもCMAPが癌部で高発現していることも確認した。そこで、肝細胞癌(肝癌)でのCMAP発現を解析し、術後肝内再発予知マーカーとなり得るか否かを検討した。肝癌切除65例の癌部及び非癌部におけるCMAPのmRNA発現量をReal-time定量的PCR法にて測定した。発現量の補正には同時に測定したBeta-Actinを用いた。(検討1)CMAP発現と臨床病理学的因子(27因子)との相関を単変量・多変量解析にて検討した。(検討2)上記65例中、治癒切除で1年以上の詳細な経過観察が可能であった45例(他病死は除く)を対象に、CMAP発現と予後との相関を再発形式も含め検討した。その結果、(検討1)癌部CMAP発現量の中央値で2群に分け比較した。単変量解析では、CMAP高発現例で有意に(P<0.05)肝内転移陽生例が高頻度。非癌部CMAP高発現例では有意(P<0.05)にGOTが高値。多変量解析でもCMAP高発現は肝内転移に関する独立因子であった。(検討2)45例の術後経過観察期間中28例に再発を認めた。初回再発臓器は25例が肝内、3例が肝外(骨、肺)であった。単変量解析による無再発生存率の比較では、癌部CMAP高発現例に再発例が多く、再発形式別にみると、癌部CMAP高発現例は、有意に肝内再発率が高かった(P<0.05)。多変量解析の結果でも、癌部CMAP高発現はGOT高値と共に独立した肝内再発危険因子であった。以上より、肝癌におけるCMAP発現は肝内再発予知マーカーとなり得る。現在、CMAPを分子標的とした新しい肝転移再発制御法の開発のため、CMAP遺伝子が肝転移に関与するメカニズムを分子レベルで解明中である。当教室では従来より癌部および非癌部組織における遺伝子上の違いに着目し、消化器癌を対象にDifferential display法や最近ではDNAマイクロアレイ法を用いて比較検討し癌の発生や進展のパラメーターとなりえるかを検討してきた。今回、新規シスタチン様肝転移関連遺伝子CMAPをマウス肝高転移株よりDifferential display法により発見しクローニングした。また、同株へのCMAPantisense DNAの誘導が実験的肝転移能を抑制すること、更に、ヒトCMAPの発現が多数のヒト悪性腫瘍株で認められる事からヒト腫瘍の悪性度にも関連する可能を明らかにした。これらの基礎実験データをもとにヒト大腸癌(83例)、肝細胞癌(65例)にてCMAPのmRNA発現量をリアルタイム定量PCRにより測定したところ、大腸癌肝転移例の癌部のCMAP値は非肝転移例より有意に高かった(研究発表:Utsunomiya T, et al. Clin Cancer Res 8, 2002)。一方、肝細胞癌においてもCMAP高発現例で肝内転移陽性例が有意に高頻度であった。また、術後再発形式の検討でCMAP高発現例で有意に肝内再発率が高かった。多変量解析でもCMAP高発現は独立した肝内再発危険因子であった。
骨微小環境を標的とした骨転移メカニズムの解明と治療戦略開発への分子基盤

乳がん、前立腺がん、肺がんなどは高率に骨に転移し、患者の転帰を悪化させる。骨は骨転移ニッチと呼ばれる肥沃な環境の構築により、骨内でのがんの増大を左右する。本研究では骨転移ニッチに応答して乳がん細胞が発現を上昇させる遺伝子が骨転移の進展に寄与すること、また骨転移に高頻度に合併し、患者および医師に多大の苦痛と困難を与える骨痛に関して、骨転移ニッチの構成要素の一つである骨細胞が知覚神経を介して骨痛を制御すること、さらにがん細胞周囲の酸性環境が骨痛誘発に関与することを見出した。これらの知見はがん患者の管理を円滑に進め、QOLの維持向上をめざす上で重要な指針となる。平成26年度は、がんの骨転移に高頻度に合併し、がん患者のQOLと生命予後を著しく悪化させる骨痛誘発における骨細胞の役割について検討した。骨細胞は機械的負荷を感知するメカノセンサーとして骨改造を調節する細胞である。しかし骨細胞がそのほかの機能を有するかについては不明である。我々は骨細胞が形態的に神経細胞に類似し、神経と同様のネットワークを形成すること、また骨細胞が多数存在する皮質骨に痛覚神経が分布することに着目し、骨細胞が痛覚神経の興奮、そして骨痛の誘発過程において果たす役割について検討した。共焦点レーザー顕微鏡による観察から、骨において痛覚神経と骨細胞とが密接に連絡し合い、骨細胞と痛覚神経細胞との共培養により両者の間に機能的連携が存在することが確認された。痛覚神経細胞興奮の指標である細胞内イオン化カルシウム流入は酸刺激により上昇し、骨細胞との共培養でカルシウム流入は増強されたが、コネキシン43の活性阻害、あるいは遺伝子発現抑制により増強効果は消失した。ヒト多発性骨髄腫による骨痛モデルにおいて、コネキシン43阻害剤は骨痛を有意に抑制した。骨に存在する細胞の95%を占める骨細胞は隣在する痛覚神経と細胞間コミュニケーションを確立することにより神経細胞の興奮を増強し、骨痛を増悪することが示唆された。骨細胞と痛覚神経との細胞間コミュニケーションはがん患者の骨痛を管理する上で重要な治療ターゲットになると期待される。平成27年度は昨年度に引き続き1骨転移成立の分子メカニズム解明と2骨転移により誘導される骨痛メカニズムの解明を行った。1骨転移成立過程においては、骨微小環境とがん細胞との相互作用が重要であることが明らかとなっている。そこで転移がん細胞が作り出す酸性環境と、骨内の知覚神経との相互作用が骨転移に関与するとの仮説を立てそのメカニズムの解明を行った。マウス乳がん細胞4T1細胞を脛骨骨髄内に注入すると溶骨性の腫瘍増大が見られるとともに、骨内の腫瘍辺縁にカルシトニン遺伝子関連ペプチド陽性痛覚神経の増成が見られた。ラット後根神経節(DRG)から採取した初代培養知覚神経細胞を用いた解析により、腫瘍存在下においてHGF(hepatocyte growth factor)の発現が増加することを見出した。さらに乳がん細胞においてHGF受容体c-Metをノックダウンすると、骨内での腫瘍増大が抑制された。2骨転移に合併する骨痛のメカニズムを明らかにするために、骨転移がん細胞の影響によって知覚神経細胞で発現が上昇する遺伝子の検索を行った。骨転移能を有するヒト多発性骨髄腫細胞株JJN3をマウスに接種した後、知覚神経細胞体である後根神経節(DRG)からRNAを採取し、偽手術を施したマウスをコントロールとしてマイクロアレイ解析を行った。その結果、骨転移を有するマウスのDRGにおいて発現が上昇した遺伝子を複数クローニングした。以上の結果より、骨転移がん細胞は酸性環境の構築や液性因子を介して、骨に存在する知覚神経細胞において、HGFのような増殖因子の産生を高め、傍分泌的に腫瘍をさらに増大させ、同時に骨痛の発現にも関与していることが示唆された。平成27年度は、骨転移成立過程において骨内の痛覚神経が増生していること、また痛覚神経から分泌されるHGFが骨内での腫瘍増殖に関与していることを見出した。また、骨痛メカニズムに関しても、担がんマウスの後根神経節を用いたマイクロアレイ解析に成功し、複数の興味深い遺伝子のクローニングに成功している。したがって、研究計画は「おおむね順調に進展している」と判断した。平成28年度も平成27年度に引き続き骨転移成立、進展の分子メカニズム、ならびに骨転移に合併する骨痛のメカニズムの解明を進めた。ヒトMM細胞株JJN3を免疫不全マウスの脛骨骨髄内に接種すると、接種7日目ごろよりJJN3細胞は旺盛に増殖し、激しい骨破壊とマウスに骨痛を誘発した。JJN3細胞は細胞膜上に液胞性プロトンポンプを強く発現し、プロトンを細胞外に放出することにより骨内環境を酸性化した。プロトンポンプ阻害剤、バフィロマイシンA1、あるいはshRNAを用いたJJN3細胞の液胞性プロトンポンプのノックダウンによりJJN3細胞からのプロトン放出を低下させ骨内環境の酸性化を阻害し、JJN3の骨内での増大および骨破壊は減少した。これらの結果から、がん細胞の細胞外環境の酸性化の抑制によりがん細胞の骨内での増殖が阻害されることが明らかとなり、プロトンポンプ阻害剤が抗腫瘍効果を有することが示された。プロトンは発痛因子としても知られており、JJN3担がんマウスに見られる骨痛はJJN3細胞から放出されるプロトンが誘因の一つと推察される。

この考えに一致して、バフィロマシンA1によりJJN3細胞からのプロトン放出を阻害すると担がんマウスの骨痛は著明に緩和された。また知覚神経に発現する酸感受性受容体ASIC3(Acid-sensing ion channel 3)がJJN3細胞が放出するプロトンにより活性化され、ASIC3の選択的阻害剤APETx2投与により担がんマウスの骨痛が緩和することが示された。したがってがんの骨痛の抑制には破骨細胞とMM細胞の液胞性プロトンポンプの阻害が効果的であることが示唆された。乳がん、前立腺がん、肺がんなどは高率に骨に転移し、患者の転帰を悪化させる。骨は骨転移ニッチと呼ばれる肥沃な環境の構築により、骨内でのがんの増大を左右する。本研究では骨転移ニッチに応答して乳がん細胞が発現を上昇させる遺伝子が骨転移の進展に寄与すること、また骨転移に高頻度に合併し、患者および医師に多大の苦痛と困難を与える骨痛に関して、骨転移ニッチの構成要素の一つである骨細胞が知覚神経を介して骨痛を制御すること、さらにがん細胞周囲の酸性環境が骨痛誘発に関与することを見出した。これらの知見はがん患者の管理を円滑に進め、QOLの維持向上をめざす上で重要な指針となる。平成26年度は、まず癌性骨痛の誘発における骨細胞の役割と分子メカニズムを解明した。そして、コネキシン43阻害剤は骨痛を有意に抑制したことから、骨細胞と痛覚神経との細胞間コミュニケーションはがん患者の骨痛を管理するための治療標的となり得る可能性を示した。また、骨痛の誘発における酸性環境の役割を明らかにするために破骨細胞特異的Tcirg1ノックアウトマウスの作製を進めている。現在Tcirg1(flox/flox)マウスを作成することに成功し、マウスの個体数も増えている。したがって多角的な視点から行われている本研究はおおむね順調に進展していると評価した。平成28年度は、平成27年度までに明らかにしてきた骨転移の分子メカニズムと骨痛のメカニズムについて引き続き解析を進めていく。骨転移のメカニズムに関しては、骨内での腫瘍増殖における痛覚神経細胞由来HGFの役割について検討を進めていく。がん細胞におけるHGFシグナルの活性化や阻害が骨内での腫瘍増殖や骨からの二次転移におよぼす効果について検討し、HGFが骨転移ならびに骨痛の治療分子標的となり得るかについて明らかにする。また、がん細胞が知覚神経細胞においてHGFの発現を増加させるメカニズムについても検討する。骨痛のメカニズムに関しては、骨細胞との相互作用、転移がん細胞によって形成される酸性環境の役割について検討を行う。そのためのアプローチとして、初代培養DRG神経細胞を用いたマイクロアレイ解析を行い、酸性環境における発現変動遺伝子の同定とその役割の解明を行う予定である。さらに、酸感受性受容体Trpv1遺伝子欠損マウスの脛骨骨髄内に乳がん細胞を注入し腫瘍増大および肺への二次転移の有無を検討することにより、骨内での腫瘍増大におけるTrpv1を介した酸感受性シグナルの役割について検討を行う。また、インディアナ大学との共同研究により、骨細胞特異的に細胞間伝達分子、コネキシン43 (Cx43)遺伝子をノックアウトしたマウスを用いてマイクロアレイ解析ならびに生理学的行動解析を行い、骨痛における骨細胞の生物学的役割を明らかにしていく予定である。
溶接変形のアクティブインプロセス制御による工作精度向上へのアプローチ

船舶や海洋構造物などの大型溶接構造物に発生する残留応力や溶接変形が,構造物の強度や性能に種々の悪影響を及ぼすことは古くから周知の事実であるが,現在でも技術的に解決されているとは必ずしも言い切れない.したがって,溶接や熱加工によって発生する残留応力や溶接変形を評価し,さらには制御することが重要な技術課題となっており,種々の研究機関で活発な研究がなされている.溶接変形の評価についても最近の技術的な発展によってかなりの精度で予測が可能になりつつあるが,一方で,溶接後に機械加工などの後処理によって変形を矯正している場合が多い.しかし,生産プロセス全体の効率を考えると,溶接後に何らかの処理を加えることなしに溶接プロセス中に変形を制御してしまうのが好ましい.そこで,溶接による熱以外の熱的プロセスに注目し,溶接変形をリアルタイムで制御するという着想を持ち,本研究によって,種々の実験および数値解析を行うことによって新しい熱的プロセスを用いた溶接による変形制御法を具体的に提案し,その定量的効果を明らかにすることを目的とした.本年度の研究成果として,溶接トーチの直後に冷却ノズルを一定の距離を保ちながら追随されることにより,溶接変形を制御する「後行冷却法」を提案し,主に有限要素法による熱弾塑性数値シミュレーション解析により,溶接変形の低減メカニズムの検討や適正施工条件のパラメトリックサーベイなどの基礎的検討を行い,溶接変形の同定パラメータに関する有用な知見を得ることができた.さらに,材料特性の制御による溶接変形インプロセス低減法についても検討し,変形低減の観点から材料開発にフィードバックさせることができた.船舶や海洋構造物などの大型溶接構造物に発生する残留応力や溶接変形が,構造物の強度や性能に種々の悪影響を及ぼすことは古くから周知の事実であるが,現在でも技術的に解決されているとは必ずしも言い切れない.したがって,溶接や熱加工によって発生する残留応力や溶接変形を評価し,さらには制御することが重要な技術課題となっており,種々の研究機関で活発な研究がなされている.溶接変形の評価についても最近の技術的な発展によってかなりの精度で予測が可能になりつつあるが,一方で,溶接後に機械加工などの後処理によって変形を矯正している場合が多い.しかし,生産プロセス全体の効率を考えると,溶接後に何らかの処理を加えることなしに溶接プロセス中に変形を制御してしまうのが好ましい.そこで,溶接による熱以外の熱的プロセスに注目し,溶接変形をリアルタイムで制御するという着想を持ち,本研究によって,種々の実験および数値解析を行うことによって新しい熱的プロセスを用いた溶接による変形制御法を具体的に提案し,その定量的効果を明らかにすることを目的とした.初年度の研究成果として,溶接トーチの直後に冷却ノズルを一定の距離を保ちながら追随されることにより,溶接変形を制御する「後行冷却法」を提案し,主に有限要素法による熱弾塑性数値シミュレーション解析により,溶接変形の低減メカニズムの検討や適正施工条件のパラメトリックサーベイなどの基礎的検討を行い,来年度実施予定の実験パラメータに関する有用な知見を得ることができた.船舶や海洋構造物などの大型溶接構造物に発生する残留応力や溶接変形が,構造物の強度や性能に種々の悪影響を及ぼすことは古くから周知の事実であるが,現在でも技術的に解決されているとは必ずしも言い切れない.したがって,溶接や熱加工によって発生する残留応力や溶接変形を評価し,さらには制御することが重要な技術課題となっており,種々の研究機関で活発な研究がなされている.溶接変形の評価についても最近の技術的な発展によってかなりの精度で予測が可能になりつつあるが,一方で,溶接後に機械加工などの後処理によって変形を矯正している場合が多い.しかし,生産プロセス全体の効率を考えると,溶接後に何らかの処理を加えることなしに溶接プロセス中に変形を制御してしまうのが好ましい.そこで,溶接による熱以外の熱的プロセスに注目し,溶接変形をリアルタイムで制御するという着想を持ち,本研究によって,種々の実験および数値解析を行うことによって新しい熱的プロセスを用いた溶接による変形制御法を具体的に提案し,その定量的効果を明らかにすることを目的とした.本年度の研究成果として,溶接トーチの直後に冷却ノズルを一定の距離を保ちながら追随されることにより,溶接変形を制御する「後行冷却法」を提案し,主に有限要素法による熱弾塑性数値シミュレーション解析により,溶接変形の低減メカニズムの検討や適正施工条件のパラメトリックサーベイなどの基礎的検討を行い,溶接変形の同定パラメータに関する有用な知見を得ることができた.さらに,材料特性の制御による溶接変形インプロセス低減法についても検討し,変形低減の観点から材料開発にフィードバックさせることができた.
東海地方における外国人労働者の「逆転現象」～ブラジル人からフィリピン人へ

本研究の3年目となる2018年度は、日本国内の調査地(静岡県焼津市、静岡県浜松市浜北区、愛知県蒲郡市、三重県松阪市、岐阜県可児市)のうち焼津市と浜北区を中心に、フィリピン日系人の労働と生活に関する質的調査を継続しすると同時に研究成果の公表を進めた。特に、静岡県焼津市におけるフィリピン日系人の集住のありかたと生活および労働の課題については、地域住民および受入れ企業の協力を得てさらに研究を進めることができた。研究成果の公表を積極的に行った。2018年9月、日本都市社会学会年報掲載の査読付成果発表は以下のとおりである。焼津市におけるブラジルおよびフィリピン出身の日系人の競合/協力関係については、2019年2月、論集書籍『地方発外国人住民との地域づくりー多文化共生の現場からー』を分担執筆し成果を発表することができた。2018年12月の移民政策学会冬季大会においては、シンポジウム「さかなと外国人ー和食を支える日系人・技能実習生・留学生」を同学会と本科研の共催として行い、漁業および水産加工業の外国人労働者について研究代表者を含む3人の報告を得て議論を行った。また、本科研に関して2019年度に論文刊行1件、国際学会報告1件を予定しており、それに向けて準備を進めている。しかし、研究代表者の学務上および家庭の事情から、愛知県蒲郡市、三重県松阪市、岐阜県可児市での調査実施が困難となったため、助成期間を1年延長して2019年度においてこれら3都市での調査を実施することとした。主要調査地である静岡県焼津市および浜松市浜北区においては、日系人労働者の受入れ企業へのヒアリングや地域での学習支援活動などを通じた日系人家族の生活実態の把握を進めることができた。しかし、全体的な進捗状況には遅れがみられる。研究代表者が学内業務および家族の事情(主に子の養育)で非常に多忙となり、宿泊を伴う出張による調査活動が困難となった。当初、調査地を東海地方の4市1区(松阪市、蒲郡市、可児市、焼津市、浜松市浜北区)としていたが、上記の理由により勤務先の近隣地である焼津市での調査はできたものの、それ以外の都市での調査が滞っている。この点を2019年度にカバーしたい。2019年度は、昨年度実施予定であった都市間比較研究を進める。そのため、愛知県蒲郡市、三重県松阪市、岐阜県可児市において現地調査を進める予定である。いずれも自動車関連の工場でフィリピン日系人の雇用が多い。調査地である4市1区のなかで静岡県焼津市のみが水産加工業が基幹産業であり、他は自動車関連産業で外国人が働いている。このような産業特性の違いが、フィリピン日系人の来日ルート、集住のありかた、生活課題、子どもたちの学校への適応に影響を与えているか否かを明らかにしたい。同時に、特定技能や技能実習等、他の在留資格を持つ外国人労働者と日系人労働者との競合についても検討したい。2016年度は、外国人集住地区の地域課題に関わる文献調査および統計資料の収集を行い、調査地となる4都市(愛知県蒲郡市、岐阜県可児市、静岡県浜松市浜北区、静岡県焼津市)においてフィリピン人の集住とその課題に関わる予備調査を行った。各都市の国際交流協会や外国人支援を行う市民グループ等を訪問しヒアリングを行った結果、東海地方の工業都市におけるフィリピン人増加の背景には日系人の親族集団としての集住があることがわかった。フィリピン日系人の来住は2000年代から本格化したため、いまだ研究の蓄積は少なく未解明の部分が多い。かつてフィリピン人は結婚移民が多く、嫁ぎ先に住むため散在居住だったが、日系人はその属性のみで長期滞在する在留資格が得られるため集住ができる。日系2世から4世が来日し、大人は人材派遣会社に雇われて工場で働き、子どもは公立の小中学校に通っている。彼らは近居する親族同士で相互扶助ができるメリットがある一方、家庭内で日本語を使う必要がないため大人も子どもも日本語習得が遅れる等の課題が見えてきた。この点は1990年代に増加した在日ブラジル人の定住に関わる課題とよく似ている。その帰結は、大人が直面する労働問題、子どもが直面する高校進学問題に現れる。特に、学齢期の途中で来日する子どもたちが日本語を習得し学校へ適応するまでの経路は、彼らがどの場所で暮らすかにより左右される。外国人住民向けの支援体制は自治体によりばらつきがあり、この「地域格差」の解消が当面の課題であることが明らかになった。いずれの調査地においても日本の人材派遣会社がフィリピン日系人を雇用しており、各都市で日系人の親族集団が集住地を形成している。愛知県蒲郡市、岐阜県可児市、浜松市浜北区はいずれも自動車部品工場が多くの外国人労働者を雇用しており、従来より南米系外国人が多かったところ、2000年代なかばからフィリピン人が増加している。静岡県焼津市は水産加工工場が主な就労先で、同様の経緯でフィリピン人が増加していた。2016年の予備調査では、各都市での国際交流協会、外国人支援を行う市民グループ、複数の日系人のキーパーソン、人材派遣会社にヒアリングを行うことができた。今後も彼らとの連絡を取り続け、折々に訪問し状況の変化を追っていきたい。

本研究の2年目となる2017年度は、日本国内の調査地(静岡県焼津市、静岡県浜松市浜北区、愛知県蒲郡市、三重県松阪市、岐阜県可児市)のうち焼津市と浜北区を中心に、フィリピン日系人の労働と生活に関する質的・量的調査を行った。また、フィリピンのダバオおよびマニラ首都圏においても現地調査を行った。焼津市では大人の労働問題(労働災害、雇用契約の問題)の調査および、子どもたちの就学上の課題に関する調査と学習支援活動を継続した。浜松市ではフィリピン人団体と協力して、来日後の就労状況と転職活動に関する数量調査を行った。その結果、フィリピン日系人の来日後の求職・転職経路は家族・親族ネットワークによるものが大半であることがわかった。ダバオではフィリピン日系人(戦前の日本人移民の子孫)の代表団体である日系人会、マニラ首都圏では新日系人(2009年の改正国籍法施行により日本国籍を取得した子どもとその母親)の日本への送出を担う団体においてインタビューを行った。その後、上記のルートでフィリピン日系人を多数雇用してきた日本企業(食品加工等の製造業)を訪ね、日系人雇用の経緯と彼らの定着状況、子どもの教育的課題について経営者から話を聞いた。この一連の作業により、フィリピン日系人の送り出しから日本での第一着地点、その後の移動と家族の呼び寄せ(連鎖移動)、そして集住地の形成という「線」が見えてきた。これらの成果を2017年9月に日本都市社会学会大会において報告し、2018年度内に論文として出版予定である。国内の調査地である4市1区のうち、焼津市、浜松市浜北区については、質的および量的調査を進めることができた。その成果として、焼津市のフィリピン日系人の就労および生活状況について、学会報告を行った。特に、焼津市においては、本研究開始時からさらにフィリピン人が増えた(2015年末1177人→2017年末1503人)。焼津市内ではフィリピン人の互助団体や労働組合が設立されている。また公営住宅での居住も把握でき、フィリピン人コミュニティに関するさまざまな情報を得やすくなっている。浜松市においてもフィリピン人団体の協力が得られ、研究を進めやすい状態にある。今後も順調に研究を続けられる見込みである。蒲郡市、松阪市、可児市でもキーパーソンと接触することができ、今後も調査を進めることが可能である。本研究の3年目となる2018年度は、日本国内の調査地(静岡県焼津市、静岡県浜松市浜北区、愛知県蒲郡市、三重県松阪市、岐阜県可児市)のうち焼津市と浜北区を中心に、フィリピン日系人の労働と生活に関する質的調査を継続しすると同時に研究成果の公表を進めた。特に、静岡県焼津市におけるフィリピン日系人の集住のありかたと生活および労働の課題については、地域住民および受入れ企業の協力を得てさらに研究を進めることができた。研究成果の公表を積極的に行った。2018年9月、日本都市社会学会年報掲載の査読付成果発表は以下のとおりである。焼津市におけるブラジルおよびフィリピン出身の日系人の競合/協力関係については、2019年2月、論集書籍『地方発外国人住民との地域づくりー多文化共生の現場からー』を分担執筆し成果を発表することができた。2018年12月の移民政策学会冬季大会においては、シンポジウム「さかなと外国人ー和食を支える日系人・技能実習生・留学生」を同学会と本科研の共催として行い、漁業および水産加工業の外国人労働者について研究代表者を含む3人の報告を得て議論を行った。また、本科研に関して2019年度に論文刊行1件、国際学会報告1件を予定しており、それに向けて準備を進めている。
へき地のソーシャル・キャピタルを「8050」世帯の支援に活かす介入研究

対象のへき地地域は過疎化が進み、2016年の高齢化率は30.0%以上で一人一人が重要なマンパワーである。日常的または、活発な地域伝統行事での飲酒が頻繁にみられ、高齢な親と未就労の独身の子どもが同居している世帯(以下「8050」と表現)の生活・健康の問題は根深い課題がある。国の「8050」の生活困窮者自立支援制度との連携を強化や訪問支援等の取組を含めた手厚い支援は、へき地においてはマンパワー不足で対応困難が予測される。そのため、対象地域の「8050」を行政保健師と共に全戸訪問をし、その事例の分析検討を重ね、住民と行政と大学との協働でのSCを活かした地域共生社会の介入モデル開発が目的である。
光圧誘起キャピラリー波を利用した分子弾性応答解析

本研究では、気/液界面、液/液界面や単一微小液滴の界面張力、高分子集合体の弾性応答を非接触かつ高精度に計測することを目的として、レーザー光の放射圧により誘起したキャピラリー波(表面弾性波)を利用した新しい分子弾性応答解析手法を提案した。提案した手法は、レーザー干渉縞の放射圧により界面、表面にナノメートルオーダーの周期的な凹凸を誘起する。さらにビームを電気光学変調素子で干渉縞を掃引し表面弾性波を伝搬させると、界面エネルギーにより定まる変調周波数(伝搬速度)において共鳴振動により表面波が増強し、それをプローブレーザーの回折光強度から解析するという全く新しいアイデアに基づく手法である。しかし、研究期間において、残念ながら本手法の実験的検証までは至らなかった。これは、レーザー光の放射圧そのものについて未だに解明されていない現象があり、放射圧を利用した計測法の精度向上に大きな壁となっていることに因る。その一つとして、レーザー光が界面/表面で反射されて干渉することにより、測定光学系において極めて複雑な放射圧分布が生じる現象がある。極微弱な力の解析には、この複雑な放射圧分布が大きな影響を及ぼす。そこで本研究においては、まず、界面/表面近傍における新奇な放射圧の現象について解明を進め、従来のレーザーマニピュレーションにおける常識を打ち破る新しい知見を得るとともに、放射圧計測の応用技術にブレイクスルーをもたらす基礎的研究成果を得た。さらに、微小球の光共鳴現象を利用して微小球表面近傍の分子の反応プロセスを明らかにする試みとして、分子間エネルギー移動における共振器効果について発光ダイナミクス測定から詳細な解析を行うことにも成功した。本研究により、高分子微粒子やガラス微小球等に反応分子をドープするだけで、光反応プロセスの効率を大きく増強することが可能であるという新しい知見を得た。本研究では、気/液界面、液/液界面や単一微小液滴の界面張力、高分子集合体の弾性応答、さらに単一高分子鎖のメカニカルな特性を非接触かつ高精度に計測することを目的として、レーザー光の放射圧により誘起したキャピラリー波を利用した新しい分子弾性応答解析手法を開発する。本手法では、レーザー干渉縞の放射圧により気/液、液/液界面、高分子集合体表面にナノメートルオーダーの周期的な凹凸を誘起する。さらにビームを電気光学変調素子で干渉縞を掃引し表面弾性波を伝搬させると、界面エネルギーにより定まる変調周波数において共鳴振動により表面波が増強し、それをプローブレーザーの回折光強度から解析するという新しいアイデアに基づく手法である。液中微小液滴の場合は、強度変調した集光レーザービームの放射圧により液滴表面の一点を励振させると,球境界条件により表面弾性波が共鳴し、これをプローブ光散乱パターンから観測する。本年度は、レーザー干渉縞の放射圧により気/液、液/液界面、高分子集合体表面に誘起される凹凸について、表面・界面における屈折率変化、レーザーパワー、干渉縞間隔等をパラメータとして波動光学的に解析した。また、界面エネルギーや高分子配列層の弾性定数等から表面弾性波の共鳴条件について解析し、干渉縞を掃引するための電気光学変調素子に必要な周波数応答や干渉光学系に要求される諸条件等を見積もるとともに、熱的な効果まで組み込んだシミュレーション解析に基づいて分子弾性応答解析の感度・精度を検討した上で、光圧誘起表面弾性波解析システムを設計した。レーザー光をマイケルソン干渉計に導き、一方のアームに電気光学変調素子を挿入して周波数をシフトさせるとともにミラーを僅かに傾けて、出力ビームを試料の界面・表面で干渉させるとともに縞を高速掃引するシステムを設計に基づいて現在試作している。

本研究では、気/液界面、液/液界面や単一微小液滴の界面張力、高分子集合体の弾性応答、さらに単一高分子鎖のメカニカルな特性を非接触かつ高精度に計測することを目的として、レーザー光の放射圧により誘起したキャピラリー波を利用した新しい分子弾性応答解析手法を開発している。本年度に実施多研究は以下の通りである。1.分子集合体における光圧誘起表面弾性波の理論的解析昨年度に引き続き、レーザー干渉縞の放射圧により気/液、液/液界面、高分子集合体表面に誘起される凹凸について、表面・界面における屈折率変化、レーザーパワー、干渉縞間隔等をパラメータとして波動光学的に解析した。昨年度の研究結果から光圧誘起表面弾性波解析システムの開発には厳しい条件が要求されることが明らかになったが、これらを克服するための理論的解析を展開した。2.光圧誘起表面弾性波解析システムの性能評価昨年度試作した、半導体励起Nd:YAGレーザー、マイケルソン干渉計、電気光学変調素子を用いてレーザー干渉縞を高速掃引するシステムについて、既知試料の測定を行い、感度・精度を評価して理論的な予測と比較し考察した。3.光圧誘起表面弾性波解析による分子集合体の動的反応分析油/水界面における界面活性剤の動的な振る舞い、イオン濃度や温度に依存した界面状態の変化、界面に局在する分子の光異性化に伴う界面エネルギーの増減、高分子集合体の架橋反応の進行に伴う弾性応答の時間変化など、コロイド界面科学の分野で重要な研究課題となっている現象の解析を試みた。また、DNAが1本鎖から2本鎖へ状態遷移することに伴う弾性応答の変化を本システムによって解析し、再現性・感度をチェックしてDNAチップへの応用について検討した。本研究では、液/液界面や単一微小液滴の界面張力、単一高分子鎖のメカニカルな特性を非接触かつ高精度に計測することを目的として、レーザー光の放射圧により誘起したキャピラリー波を利用した新しい分子弾性応答解析手法を開発した。本手法では、レーザー干渉縞の放射圧により液/液界面、高分子集合体表面にナノオーダーの周期的な凹凸を誘起する。さらにビームを電気光学変調素子で干渉縞を掃引し表面弾性波を伝搬させると、界面エネルギーにより定まる変調周波数において共鳴振動により表面波が増強し、それをプローブの回折光強度から解析するという全く新しい手法である。液中微小液滴の場合は、強度変調した集光ビームの放射圧により液滴表面の一点を励振させると、球境界条件により表面弾性波が共鳴し、これをプローブ光散乱パターンから観測する。本年度は、狭帯域波長可変レーザーで微小球の散乱パターンをモニタしながら周波数を走査して共鳴条件を解析するシステムを構築した。また、レーザー集光スポットを走査しながら微粒子の運動を3次元ポジションセンサーで観測し、微粒子のメカニカルな応答を解析した。さらに、DNAが1本鎖から2本鎖への状態遷移に伴う弾性応答変化の解析について検討を深めた。微小球は高いQ値と微小なモード体積を実現する共振器として注目されており、微小球レーザーの研究が活発になされているが、微小であることからQスイッチやモードロック等の共振器の変調は困難とされてきた。本研究では、外部からのレーザー光圧で表面弾性波を制御して微小球共振器を変調しレニザー発振のコントロールを試みた。
陰的増分形釣合方程式に基づく大変形リゾーニング有限要素解析シミュレータの開発

四面体要素分割を用いて大変形問題を高精度に解析可能な新しい有限要素解析シミュレータを開発した.新たに提案した有限要素定式化であるF-barES-FEM-T4を組み込み,既存手法で問題となっている各種ロッキングや圧力振動などを抑制することに成功した.四面体要素を用いているが故,工業製品に現れる複雑な形状に対しても適用することができる.加えて,四面体要素の自動メッシュ生成と組み合わせることにより,ゴム材料などの解析に現れる厳しい大ひずみ問題に対しても適用することができる.種々の解析例を示すことにより,開発されたシミュレータの有用性を示した.提案した新しい定式化は,古典的な弾性体しか扱うことの出来なかった既存のselective S-FEMの定式化を拡張することにより任意の非線形材料モデルを扱うことが出来る様に改良されている.開発したシミュレータは,四面体1次要素あるいは三角形1次要素を用いた解析においてもロッキングと呼ばれる精度低下を引き起こさない.これは既存の標準的な定式化を用いた有限要素解析ソフトには無い優れた特徴である.メッシュリゾーニングにおいても,マッピング処理後の不釣合を最小限に留めるべく,提案したselective S-FEMの定式化に即したリゾーニング手順を提案し組み込んだ.様々な検証解析を実施し,最も低級な要素を用いた提案手法による解と,高級な要素を用いた既存の有限要素解析ソフトの解が良好な精度で一致することを確認した.材料モデルは弾性体だけでなく超弾性体や弾塑性体も組み込み,提案手法が任意の非線形材料モデルに適用できかつ精度も良好であることを具体的な解析を通じて示した.メッシュリゾーニングを用いて歪みが数千%にも及ぶ解析を実施し,固定メッシュでは到底解が得られない様な問題を提案手法で解くことが出来ることも示した.厳しい大変形を伴う解析ではメッシュリゾーニングが必須であり,その際は低級な要素でリメッシングせざるを得ないことが知られている.従って,提案手法により高精度な解が得られることは今後実用に耐えうる超大変形解析を実現する上で重要な成果である.任意形状物体に対する大変形メッシュリゾーニング解析を実現するため,四面体要素のみを用いてロッキングを回避することが出来る新たな平滑化有限要素法(Smoothed Finite Element Method: S-FEM)の提案と開発を行った.本研究課題において昨年,著者はdev/hydスプリットを行うselective S-FEMを提案・開発し,多くの現実的な超大変形問題において実用的な解析精度を持つことを示した.しかし,selective S-FEMには「1.材料モデルの制約」,「2.圧力振動」,「3.角部のロッキング」の計3つの大きな欠点が残されており,特に微圧縮性を示すゴム材料等の解析における圧力振動の問題は比較的重大な問題となることを本年の研究にて明らかにした.Selective S-FEMの3欠点を克服するため,2014年に他グループより提唱されたhat-enhanced edge-based S-FEM (hES-FEM)の開発とその精度検証を行った.そして,hES-FEMは3次元解析において圧力振動を抑制出来ないこと,比較的軽度の大変形で収束困難に陥ってしまうこと,未知数の数が約6倍に跳ね上がってしまうこと等の問題点を明らかにした.昨年度見出された新しい有限要素定式化であるF-bar法を援用した四面体辺ベース平滑化有限要素法(F-barES-FEM-T4)について研究および実装を行った.F-barES-FEM-T4は四面体要素を用いて要るにも関わらず一切のロッキングを起こさず,従来の四面体要素を遥かに凌ぐ高精度な解を与えることを明らかにした.具体的には,種々の陰的静解析の解析例を通じて「1.材料モデルの制約」,「2.圧力振動」,「3.角部のロッキング」全ての問題をF-barES-FEM-T4が解決していることを示した.これらの問題は四面体有限要素法(S-FEM-T4)の既存手法の中で最も高精度と考えられるSelective ES/NS-FEM-T4が有する問題点であり,本研究で提案されたF-barES-FEM-T4は四面体有限要素定式化の中で現状の世界最高精度を有していると言える.加えて,F-barES-FEM-T4の動的問題への適用を行った.モード解析および陽/陰解法による時間進展解析を行い,陰的静解析の場合と同様,F-barES-FEM-T4が従来法を凌ぐ高精度な解を与えることを明らかにした.特に動的解析の中でも動的陽解法は混合型変分原理ハイブリッド要素が適用出来ないため,四面体要素で高精度な解を得ることが困難な問題であることが知られている.S-FEMをベースとするF-barES-FEM-T4は純粋な変位型有限要素法であるため,動的陽解法への適用にも全く制限がなく,産業上の有用性が高いことを示した.また,メッシュリゾーニングについてもF-barES-FEM-T4にて実装を行った.他のS-FEM-T4と同様,F-barES-FEM-T4はメッシュリゾーニングとの親和性が良く,既存の四面体自動メッシュ生成と組み合わせることにより超大変形解析において有効であることを示した.四面体要素分割を用いて大変形問題を高精度に解析可能な新しい有限要素解析シミュレータを開発した.