hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
膜を越えたタンパク質の動きを制御するシステム

タンパク質が細胞の特定の場所に配置され細胞を形づくる際の、膜を越えた分泌輸送、膜組み込み、局在化、構造形成、分解過程などを司る細胞機構の実体解明を目的とし、膜透過モーターSecAや膜透過チャネル(トランスロコン)SecYEGの構造・機能と制御、膜プロテアーゼによる膜蛋白質品質分解やシグナル伝達制御、ジスルフィド結合導入装置の反応機構と構造解析などの解明を行った。具体的には、高度好熱菌SecAの構造決定、SecAによる膜透過駆動におけるATPのエネルギー変換機構の提唱、SecAとSecYが複数の様式で相互作用することの発見, SecY-SecG, SecY-SecEの近接部位の決定、トランスロコン機能単位の解析、膜タンパク質形成におけるトランスロコンの役割の解析、SecMの翻訳伸長アレスト配列の同定とリボソームトンネルとの相互作用の発見、翻訳伸長アレストをもちいる新たなSecAの機能発現制御機構の発見、FtsH、HtpX並びに関連因子によるによる膜蛋白質分解による品質管理システムの解析、膜内切断プロテアーゼRsePおよびGlpGの反応機構とRsePによるストレス応答制御機構の解明、DsbA-DsbB-ユビキノンシステムの構造決定とジスルフィド結合の創成機構の解明などにおいて多くの新たな知識を得た。1.SecYEG複合体とSecAの分子構築と機能。膜透過機能が昂進したSecY変異を見出し、SecAとの相互作用の変化を解析した。また、SecYのC末端領域がSecA依存的な膜透過反応の開始に重要な役割を持つことを示した。高度好熱菌SecA, SecYEの過剰発現と大量精製系を確立し、構造解析のための準備を整えた。SecAの発現制御にかかわるSecM (Secretion Monitor)を同定し、新生SecMポリペプチドがリボソームの内部でexittunnelの成分と相互作用すること、およびこの相互作用が合成途上分子の膜透過状態による制御を受けることを発見した。これにより細胞の分泌活性の変動に応じたSecAの翻訳制御機構を解明した。2.膜タンパク質の品質管理機構。FtsHによるタンパク質逆輸送を伴う分解が、基質膜タンパク質のN末端側、C末端側の何れからも進行しうること、FtsHのタンパク質分解活性がプロトン駆動力によって促進されることを見出した。FtsHの亜鉛配位に関わる第三の残基を同定した。また、膜近傍における制御された切断反応(Regulated Intramembrane Proteolysis)を司る新たな膜結合プロテアーゼYaeLを同定し、YaeLがσE表層ストレス応答経路を、anti-σE (RseA)の2段階目の切断を促すことによって活性化することを発見した。また、大腸菌の表層ストレス応答系が細胞質膜の内在性膜タンパク質の異常に応答することを見いだし、膜結合型亜鉛メタルプロテアーゼHtpXがCpxストレス応答経路による発現制御を受けることを見いだした。3.Dsbシステムの解析。DsbBの活性に必要な2組のシステインペアーのレドックスポテンシャルとキノン分子の効果を測定しレドックスポテンシャルの逆転現象を見出した。大腸菌のSecEYG複合体における、Secy-SecE,SecY-SecG各結合部位を部位特異的クロスリンク実験により残基レベルで同定した。SecYの膜貫通領域の変異解析を行い、機能に重要な膜貫通領域を複数同定した。プロトン駆動力が膜透過の初期過程を促進することを見出した。SecYEGのポリペプチド透過チャネルをよりオープン状態に遷移させるSecEの変異を見出しその機構を解析した。SecEの変異で優性欠損を示すものを分離し、その解析からSecYEG複合体は2ユニット以上が一つの機能単位となることを示唆した。高度好熱菌のSecYE複合体においても、膜において機能状態の複合体は2ユニット以上が集合したものであることを蛍光エネルギー転移実験によって示した。高度好熱菌SecAの立体構造決定をすすめ、同じくSecYE複合体の結晶化に成功した。2.膜タンパク質の品質管理・分解制御機構。膜に組み込まれた状態のFtsHによる、膜に組み込まれた状態の膜タンパク質基質の分解をアッセイする実験系を開発し、精製したFtsHと基質タンパク質のみによって、いわゆる逆輸送を伴う、ATPに依存した基質分解が起こり得ることを示した。

YaeLはアンチシグマE因子である膜タンパク質RseAのDegSに引き続く2段階目の切断を司り、表層ストレス応答を可能にすることを発見したが、さらにYaeLのPDZドメインとRseAのグルタミンに富むペリプラズム領域がDegSによる一段階目の切断がない時にYaeLの切断を抑制していることを見出した。3.Dsbシステムの解析。ジスルフィド結合導入経路においてDsbBに結合して酸化力の源として機能しているユビキノンが、DsbA再酸化反応中に本来の400nmの弱い可視呼吸から500nmの強い可視呼吸へ遷移することを見出し、この特異な電子状態をもつ"活性化"状態のユビキノンが、DsbBと共役して一連の酸化反応を駆動することを提唱した。1.SecYEG複合体とSecAの分子構築と機能。蛋白質膜透過チャネル(トランスロコン)の中心的成分であるSecYの膜貫通領域(TM)の役割に関して、TM3とTM4の重要性を示した。分泌蛋白質DsbAは他の分泌蛋白質と異なり、シグナル認識粒子(SRP)によってトランスロコンにターゲットされること、SecYの機能依存性も他の分泌蛋白質とは異なることから、SecYトランスロコンは基質の導入路によってことなる経路を提供していることを示唆した。高度好熱菌のSecYE複合体の結晶化条件の検討を進めた。SecMの持っarrest sequence(翻訳停止配列)による翻訳の一時停止が、下流のsecA遺伝子の通常の十分な発現と、膜透過阻害に対応するためのSecAの発現上昇制御の両者に必要であることを示した。2.膜タンパク質の品質管理・分解制御機構。膜プロテアーゼFtsHがHflKCと細胞内で巨大な複合体(ホロ酵素)を作っていることを示した。また、同じく膜プロテアーゼであるRseP(YaeL)がアンチシグマE因子である膜タンパク質RseAのDegSに引き続く2段階目の切断を司り、表層ストレス応答を可能にするが、そのプロテアーゼ活性を生化学的に示し、RseA以外のTM配列を切断しうること、効率の良い切断にはTM配列中のhelix-braking残基が重要であることをin vivo、in vitroの解析から示した。ジスルフィド結合導入経路においてDsbBに結合して酸化力の源として機能しているユビキノン、メナキノンが、DsbA再酸化反応中にそれぞれ特徴的な可視吸収を示す電子状態に遷移することを見出し、その反応機構を詳細に解析した。1.高度好熱菌SecAの立体構造を決定し、新たな2量体構造を明らかにした。SecAに存在する長いαらせんがATPase機能を機械的な動きに転換する役割をもつとの膜透過駆動分子機構を提唱し、SecAが二つの異なる様式でSecYEGに結合することを示した。分泌蛋白質DsbAはシグナル認識粒子によってトランスロコンにターゲットされ、そのSecY機能依存性が他の分泌蛋白質とは異なることを示した。SecYのある種の変異は細胞表層ストレス応答を誘導し、膜タンパク質の正しい構造形成を損うことから、SecYは腹タンパク質の膜挿入以降の構造形成過程においても機能することを示した。
核内情報ネットワークの特異的制御分子に関する研究

本研究課題では、核内受容体機能を特異的に制御する分子を創製することによって、核内情報伝達ネットワークの解明を目的とし、これらが関与する疾患の新たな治療薬開発の基盤とするものである。本年度は以下の項目について検討した。1)カルボラン含有ビタミンD受容体アゴニストの創製:これまで知られているビタミンD誘導体のほとんどは内因性リガンドの持つseco-ステロイド骨格への部分修飾体である。本研究では、ビタミンDのCD環をカルボランに代替し、側鎖に窒素原子をもつ化合物を設計、合成した。HL-60細胞の分化誘導活性において、天然のビタミンDに匹敵する化合物を見いだした。窒素原子上の置換基をかさ高くすると活性は消失した。非seco-ステロイド型もしくは含窒素ビタミンDの報告は少なく、本研究の成果は、更なる構造最適化により、ユニークな活性プロファィルを持つビタミンD誘導体の創製が可能であることを示している。2)非環式Riccardin C誘導体の創製:天然由来のRiccardin Cは、核内受容体LXRαに特異的アゴニスト活性を有している。Riccardin Cは4つの芳香環を持つ環状化合物であるが、その立体構造をミミックする非環式化合物を設計、合成した。その結果、やや弱いながらもLXRα選択的な活性を有する新規化合物を得た。3)細胞内情報伝達ネットワーク解析のための蛍光プローブ開発:クマリンを蛍光団として、その3位と6位に種々の置換基を持つ化合物ライブラリーを構築した。これらの化合物の蛍光特性を検討した結果、3位にフェニルトリアゾール環および6位のフェニル基に電子吸引性基を持つ化合物に強い蛍光が認められた。この置換基効果は独立した性質であるので、本骨格を用いることにより、2つの測定対象を同時に検出できるAND型蛍光センサーへの応用が可能である。本年度は以下の項目について検討し、新規化合物を得た。1)バーチャルスクリーニングにより提示されたリガンド候補化合物をリードとして構造展開することにより、ヒト白血病細胞HL-60の分化誘導試験において、合成レチノイドAm80の作用を強力に抑制するレチノイドアンタゴニストを見いだした。本化合物は、レチノイドの2種類の核内受容体(各3種のサブタイプ、計6受容体)を用いた転写活性化試験により、RARαサブタイプ選択的なアンタゴニストであることがわかった。2)甲状腺ホルモン(チロキシン)の核内受容体TRのアンタゴニストとして、天然リガンドが持つジフェニルエーテル骨格をジフェニルアミンに変えた化合物を設計した。極性基としてチアゾリジンジオン環を持つ化合物で、ジフェニルアミン骨格の窒素原子上にかさ高いアルキル基を持つ化合物にTRαおよびβアンタゴニスト活性を見いだした。3)細胞内情報伝達ネットワーク解析のための蛍光プローブ開発を目的に、環境に応じて蛍光特性の変化する化合物の創製を行った。単一の出発物質から多数の化合物を効率良く合成していくコンビナトリアル合成によって構築される化合物ライブラリーが有用であると考え、クマリンを蛍光団として、種々のボロン酸誘導体とSuzuki-Miyauraカップリング反応を行うことにより、クマリンライブラリーを構築した。本ライブラリーから、一酸化窒素等の分子種を検出することが可能な蛍光センサーや、溶媒の極性の変化を鋭敏に検出する蛍光物質を得ることに成功した。
表面カチオン化ポリ（Ｎービニルアミド）ゲルを利用した新規薬物徐放制御材料の創製

表面のみを選択的にカチオン化することが可能なポリ(N-ビニルアミド)等を用いて、新規薬物徐放制御材料の創製を行った。まずゲル網目の中に第二成分の高分子鎖を導入する相互侵入網目構造を適用して、「表面ポリイオンコンプレックスゲル」(sPIC)ゲルを調製した。ポリビニルホスホン酸を用いた場合の徐放挙動を明らかとし、またポリエチレングリコール鎖を導入すると高強度を付与可能なことが分かった。カチオン化ポリマーとしてキトサンを用いたゲルが電荷による薬物取込が可能であることを見出した。本研究の目的は、N-ビニルアミド等のカチオン化可能な化学構造の特徴を活かして、ノニオン性ヒドロゲルをカチオン化する手法を利用し、新規インテリジェントゲルを調製することであった。平成25年度では、これまでに調製した表面ポリイオンコンプレックスゲル(sPICゲル)のうち、アクリル酸に変えてビニルホスホン酸を用いてゲルを調製し、そのpH応答性を詳細に調べた。モノマーであるビニルホスホン酸は2段階のプロトン放出挙動を示すが、ポリマー化するとなだらかな1段階の放出挙動を示すことが明らかとなり、緩やかな応答を特徴とする新しいsPICゲルが調製可能であることが分かった。また、薬物モデルとして1,3ーベンゼンジスルホン酸二ナトリウムを用いたところ、電荷や高分子網目だけでなく、薬物同士のスタッキングや溶解性も放出挙動に影響を及ぼしていることが分かった。さらにこれと関連して、別のインテリジェント材料を分子設計した。N-ビニルアセトアミドゲルと相互作用すると考えられる種々の有機溶媒を用いて、その力学的強度が変化することが分かった。特にポリエチレングリコール400を有機溶媒に用いると、その末端のヒドロキシル基は、Nービニルアセトアミドゲルのアミド基と水素結合している様子が赤外吸収スペクトルにより確認でき、膨潤度は大きく収縮し、良く伸びて破断しにくいゲルが調製できた。また、カチオン化可能な高分子としてキトサンを用いたゲル材料を調製し、薬物担持に架橋構造が影響することを示した。本研究の目的は、N-ビニルアセトアミドおよびN-ビニルホルムアミドの化学構造の特徴を活かして、ノニオン性ヒドロゲル表面のみを選択的にカチオン化する手法を利用し、新規インテリジェントゲルを体系化することであった。当該年度では、これまでに調製した表面ポリイオンコンプレックスゲル(sPICゲル)を利用して、種々の薬物の徐放を行なった。例えば、放出挙動の異なるデキストラン硫酸(分子量9000程度)とアルーラレッドを同時に担持して、その放出挙動を調べたところ、酸性条件下および中性条件下において、それぞれ放出量が異なり、外部条件によって異なる薬物を放出制御可能であることが分かった。これをpH2とpH7で単独放出させただけでなく、交互にpH条件を変化させることにより放出された化合物をUVおよびGPCにより分析を行ない、放出挙動を詳細に調べた。また実用薬剤への応用を目指して、種々の薬物モデルについても検討を行なった。ここではインシュリン、アルブミン、リゾチームを薬物モデルに用いてsPICゲルからの放出を試みたが、現段階ではその放出を制御しきれていない。おそらく、高分子量体の電荷を有する化合物という構造が、これまでの低分子量化合物、中性の高分子量化合物、という条件と異なるためと考えている。また関連して別のインテリジェント材料を分子設計した。つまり、表面選択的に薬物を担持して徐放可能である素材を設計した結果、親水性置換基を導入したブロック共重合体を利用することにより、徐放が確認された。本研究の目的は、N-ビニルアセトアミドおよびN-ビニルホルムアミドの化学構造の特徴を活かして、ノニオン性ヒドロゲル表面のみを選択的にカチオン化する手法を利用し、新規インテリジェントゲルを体系化することである。当初の提案通り、表面ポリイオンコンプレックス(sPIC)ゲルを利用して、種々の薬物放出を行ない、放出制御可能なものとそうでないものとを区別する新しい有用な知見が得られ、実用的な条件を整理しつつある。つまり、電荷を有する薬物モデルは低分子化合物であることが好ましいこと、また高分子量化合物を薬物モデルとして用いるには電荷を有しないものが好ましいことが分かった。さらに分析手法としてGPCを適用することにより考察が簡便となった。表面を利用する薬物放出材料に関連して、新しく親水性置換基を導入したブロック共重合体を分子設計し、これを薬物放出材料に応用することができた。以上の理由から、達成度としておおむね計画通りに進行していると自己評価した。N-ビニルアセトアミドおよびN-ビニルホルムアミドゲルの相互侵入網目の相手として、種々の化合物を検討する。特に、これまでに調製することができたアクリル酸に加えて、ビニルホスホン酸を用いたsPICゲルについてpH応答性を調べ、その放出挙動の特徴を調べる。また、種々の化合物を薬物モデルとして応用可能かどうかについて調べてゆく。さらに、N-ビニルアミドゲルをインテリジェントゲル化するための分子設計を引き続き行い、必要な実験を取り入れてゆく。

ゲルの合成と構造解析およびその物性評価と徐放実験には、有機合成関連器具が必要である。また、実験において化学合成と徐放実験用の試薬代、ガラス器具代が必要である。また、情報や資料収集のため講演会・研究会等に参加する旅費、日本化学会・高分子学会・バイオマテリアル学会において研究成果を発表するための国内旅費が必要である。さらに国際学会で最先端の情報収集及び研究発表を行なうために、外国旅費を必要とする。また、研究補助、資料提供・閲覧、外国語論文校閲、印刷費、通信費をそれぞれ必要とする。
高性能自動車排ガス浄化触媒用希土類系酸化物の開発

本研究では、自動車排ガス浄化用触媒に必要な、高温耐久性と高い触媒活性を兼ね備えた希土類系酸化物、とりわけ助触媒として必要不可欠な酸化セリウム-酸化ジルコニウム複合酸化物の開発を目指した。その手法として、逆ミセル法によるナノサイズ超微粒子の合成法や、シュウ酸塩の不活性ガス中での熱分解を利用する合成法、及びヒドラジンによる還元熟成を応用する新しい合成法を開発した。さらに化学気相輸送法を応用した新しい表面改質プロセスを行うことで、酸素放出特性が著しく向上することを見いだした。具体的な成果としては、酸化セリウム-一酸化ジルコニウム複合酸化物超微粒子を逆ミセル法によって合成し、これらをγ-アルミナ上に担持した触媒の活性および耐熱性が、通常用いられる共沈法により調製した触媒より高いことを見いだし、逆ミセル法を触媒調製に応用することで、優れた耐熱性を備えた微粒子担持触媒を調製できること、ならびに超微粒子の触媒への応用が可能であることを明らかにした。また、セリウムとジルコニウムの複合シュウ酸塩微粒子を、アルゴンや窒素などの非酸化性ガス中で熱分解する新しい合成法により酸化セリウム-酸化ジルコニウム系複合酸化物を合成し、その酸化還元特性、とりわけ還元の際に放出される酸素量について詳細に検討した。その結果、シュウ酸塩の熱分解を経て得られた酸化セリウム-酸化ジルコニウム系複合酸化物は、従来優れた酸素放出特性を示すといわれていた、酸化物の水素還元を経由する合成法に比べ、実に1.5倍もの酸素を放出することを明らかにした。さらに、得られた複合酸化物の表面を、化学気相輸送法を応用した全く新しいプロセスにより改質したところ、酸素放出温度が著しく低下し、また、高温で繰り返し使用した後でもその特性を保持することが明らかとなった。このほかにも、沈殿剤としてシュウ酸の代わりにヒドラジン1水和物を用い、複合水酸化物の合成と熟成・還元を同時に行う新しい合成法により得られた酸化セリウム-酸化ジルコニウム系複合酸化物についても、表面改質を行うことでその酸素放出特性が向上すること、ならびに耐熱性、耐久性が向上することを見いだした。平成10年度は、自動車排ガス浄化用触媒の助触媒に必要な、高温耐久性と高い触媒活性を兼ね備えた酸化セリウム一酸化ジルコニウム複合酸化物超黴粒子の作製条件の開発を目指し、ナノサイズ超微粒子合成に有効な逆ミセル法や、シュウ酸塩の不活性ガス中での熱分解を経由する新しい合成法を適用し研究を行った。CeO_2及びCe_<0.2>Zr_<0.8>O_2複合酸化物超徴粒子を逆ミセル法によって合成し、これらの超徴粒子をγ-アルミナ上に担持した触媒の活性および耐熱性を、モデル反応である一酸化炭素の酸化活性を指標として評価したところ、逆ミセル法によって調製した触媒は、空気中、1000°C、5時間の耐熱試験後においても、通常用いられる共沈法により調製した触媒より高活性を維持することを明らかにした。この結果、逆ミセル法を触媒調製に応用することで、優れた耐熱性を備えた微粒子担持触媒を調製できることを明らかし、超徴粒子の触媒への応用が可能であることを明らかにした。

また、CeO_2-ZrO_2複合酸化物のすぐれた酸化還元特性に着目し、セリウムとジルコニウムの複合シュウ酸塩微粒子を合成し、これをアルゴンや窒素等の非酸化性ガス中での熱分解過程を経由する新しい合成法により、酸化セリウム一酸化ジルコニウム系複合酸化物を合成し、その酸化還元特性、とりわけ還元の際に放出される酸素量について詳細に検討した。その結果、シュウ酸塩の熱分解を経て得られた酸化セリウム-酸化ジルコニウム系複合酸化物は、従来優れた酸素放出特性を示すといわれていた、酸化物の水素還元を経由する合成法に比べ、実に1.5倍もの酸素を放出することを明らかにした。さらに、シュウ酸塩の熱分解を経由する新しい合成法で得られた複合酸化物の比表面積が、水素還元を経由して得られた試料の約1/4しかなかったことから、従来比表面積を大きくすることが最も重要と言われていた酸素放出特性が、実は比表面積には依存せず、生成する固溶体の構造、ならびにその構造を生成する合成過程に大きく依存することを明らかにした。本研究では、自動車排ガス浄化用触媒に必要な、高温耐久性と高い触媒活性を兼ね備えた希土類系酸化物、とりわけ助触媒として必要不可欠な酸化セリウム一酸化ジルコニウム複合酸化物の開発を目指した。その手法として、逆ミセル法によるナノサイズ超微粒子の合成法や、シュウ酸塩の不活性ガス中での熱分解を利用する合成法、及びヒドラジンによる還元熟成を応用する新しい合成法を開発した。さらに化学気相輸送法を応用した新しい表面改質プロセスを行うことで、酸素放出特性が著しく向上することを見いだした。具体的な成果としては、酸化セリウム一酸化ジルコニウム複合酸化物超微粒子を逆ミセル法によって合成し、これらをγ-アルミナ上に担持した触媒の活性および耐熱性が、通常用いられている共沈法により調製した触媒より高いことを見いだし、逆ミセル法を触媒調製に応用することで、優れた耐熱性を備えた微粒子坦持触媒を調製できること、ならびに超微粒子の触媒への応用が可能であることを明らかにした。また、セリウムとジルコニウムの複合シュウ酸塩微粒子を、アルゴンや窒素などの非酸化性ガス中で熱分解する新しい合成法により酸化セリウム一酸化ジルコニウム系複合酸化物を合成し、その酸化還元特性、とりわけ還元の際に放出される酸素量について詳細に検討した。その結果、シュウ塩酸の熱分解を経て得られた酸化セリウム一酸化ジルコニウム系複合酸化物は、従来優れた酸素放出特性を示すといわれていた、酸化物の水素還元を経由する合成法に比べ、実に1.5倍もの酸素を放出することを明らかにした。さらに、得られた複合酸化物の表面を、化学気相輸送法を応用した全く新しいプロセスにより改質したところ、酸素放出温度が著しく低下し、また、高温で繰り返し使用した後でもその特性を保持することが明らかとなった。このほかにも、沈殿剤としてシュウ酸の代わりにヒドラシン1水和物を用い、複合水酸化物の合成と熱成・還元を同時に行う新しい合成法により得られた酸化セリウム一酸化ジルコニウム系複合酸化物についても、表面改質を行うことでその酸素放出特性が向上すること、ならびに耐熱性、耐久性が向上することを見いだした。
磁性コロイド溶液の表面形態形成と無動誘起相転移

本研究計画では、強磁性微粒子を媒体に懸濁させたコロイド溶鹸に発生する界面不安定現象の発生機構と重力の役割の解明、さらには、微小重力条件における界面不安定現象の発生および申請者らが初めて見いだした重力条件の変化により無重力誘起相転移現象を研究することを目的とした。具体的には、フエライト微粒子をケロシン媒体に懸濁させた磁性コロイド溶液に永久磁石を近づけると突起スパイクが発生する。この突起発生現象を磁場強さ、磁性流体界面およびスパイク発生の界面状況を磁性コロイド溶液上部に空気、水などを配置することにより変化させた。さらに、重力条件を変化させるための微小重力実験としては、以前に実施した土岐の落下塔を使用した微小重力実験の実験結果と比較した。この結果、界面張力の変化により、スパイク形態は著しく変化し、極細スパイクの形成が可能であること、逆に、無重力条件では、磁場強度の増大により、巨大スパイクの発生が可能であることなどが判明した。これらについては工業的な応用も考えられて、フランス研究者との議論を開始している。一方、スパイク配列自体は、同一条件でも配列形態に差異が見られることがあることが判明した。このことは、強磁性物質に固有のヒステリシス現象というよりは、スパイクを考慮した自由エネルギー局面が多重近接構造をとっているためと推定された。さらに、このスパイク形態はスパイク発生の臨界磁場以上の有効磁場面積にも依存し、従来の二次元平面系の解析が不十分で、少数有限系の解析が必要であることが判明し、現在、これらの点を考慮した電磁流体解析を検討中である。今後、この現象の応用および新たな磁性コロイド溶液の創製へ向けて検討を進める。
時間分解分光法を用いたマイクロ波加熱による反応促進機構の解明

マイクロ波を照射しながら,ナノ秒の時間分解能で蛍光寿命を測定できる装置を組上げた。この装置を用いて,双極子モーメントの異なる蛍光プローブ分子の蛍光寿命の変化に及ぼすマイクロ波の影響を測定した。溶媒にはグリセロールを用いた。マイクロ波が作る電場により,溶媒分子や蛍光プローブ分子の運動に変化が現れるか検討した。マイクロ波の出力は,20Wから100Wの範囲で行なった。マイクロ波照射により,蛍光寿命は短くなった。このことは,マイクロ波の電場により溶媒分子や蛍光プローブ分子の回転運動が加速されたことを意味すると解釈できる。また,安息香酸のエステル化反応の反応速度の温度依存性について,マイクロ波過熱と通常過熱で実験を行なった。得られた結果を遷移状態モデルにより解析した。その結果,活性化自由エネルギーはマイクロ波過熱と通常過熱で違いはなかった。しかし,活性化エントロピーが異なった。ヨウ素イオンの光イオン化により水和電子を生成し、水和電子の反応に及ぼすマイクロ波の影響を調べた。室温における水和電子の寿命は約5マイクロ秒であった。温度40,50および60°Cにおける反応速度の変化を,通常加熱およびマイクロ波加熱の場合について検討した。水和電子の減衰は,主に630nmの吸光度変化により追跡した。マイクロ波の強度は約50ワットから300ワットの範囲で行なった。水和電子の減衰は高い温度では速くなったが,本実験範囲では水和電子の減衰に及ぼすマイクロ波の影響は検出されなかった。つまり,通常加熱とマイクロ波加熱における水和電子の減衰は,温度が決まれば両者について実験誤差内で同一であった。水和電子の減衰反応は拡散律速反応に近く,活性化障壁が低いことがマイクロ波の影響が観測されない要因の一つと考えられる。また,逆相ミセル内で水和電子の生成を行ない,反応におよぼすマイクロ波の影響を検討した。しかしながら,この反応系ではレーザー照射による熱レンズ効果のため,正確な反応動力学を測定で駅なかった。マイクロ波による極性分子の回転を観測するために,時間分解蛍光異方性の測定を行なう準備を行なった。マイクロ波が作る電場により分子が回転するならば,蛍光異方性に変化が現れることが考えら得る。ピレン分子およびピレンブチル酸を用いた予備的な実験を行った。
ホモ粒界の電子構造制御と相関のあるパーコレーション-超伝導体のナノ組織制御と輸送特性の根本的改質-

1.試料作成及び微細組織の観察:多結晶状態のBi2223膜の配向化等を調べるため、配向銀基板やMgO基板、SrTiO_3基板上への薄膜の形成を行った。結晶方位解析装置(EBSP)により結晶方位解析を行い、SEM,EPMAによる粒界構造の解析と元素分析、構造的には対応粒界、粒界転位を調べ、(001)配向した厚さ1μm程度のBi2223薄膜の作製方法を確立した。2.臨界電流密度測定と解析:微小領域の電流-電圧特性、Y123薄膜にっいて磁界の角度依存性および歪み依存性をBi2223テープについては温度依存性を精密に測定し、その結果をワイブル解析した。77Kにおいて臨界電流密度は1MA/m^2となる高性能なBi2223薄膜が得られた。4.理論計算とその検証および多結晶材における輸送特性改良の指針の提案:Weak Link Pathモデルによる理論計算により、鋭いJ-E特性が得られる条件を理論的に究明し、そのような理論的構造を如何に実現するかを検討し、粒界弱結合で律速されるBi2223薄膜の輸送特性を最適化するための微視構造のモデルを提案した。5.Bi2223テープ線材の機械的性質及びその臨界電流に及ぼす影響:Bi2223テープ線材の応力歪み曲線を熱残留応力を考慮した複合則により解析し、超伝導層に加わる正確な応力を導出する方法を確立した。それにより応力がゼロから60MPaの範囲では臨界電流は可逆的に減少することが明らかとなった。その原因はホモ粒界のSNS接合的性質に原因することが究明された。1.試料作成および微細組織の観察:多結晶状態のBi2223,Nd123,Y123膜の配向化等を調べるため、配向銀基板やMgO基板、SiTiO3基板上への薄膜の形成を行った。さらに粒界の電子状態を変え、超電導特性を改良するため、酸素分圧を制御した状態で選択的に粒界表面への系統的な化学種の蒸着と熱処理を行った。結晶方位解析装置(EPSP)および極点図により結晶方位解析を行い、SEM, AFMによる粒界構造の解析と元素分布の分析、構造的には対応粒界、粒界転位、転位芯構造を調べた。2.臨界電流密度測定と解析:微小領域の電流・電圧特性を測定し、J-E特性をワイブル解析しパラメータを決定した。とくに測定ではY123薄膜について磁界の角度依存性を、BI2223テープについては温度依存性を精密に測定した。Weak link pathモデルによる最適パーコレションパスの探索を行い、J-E特性を導出し実測値と比較した。とくに相関として(a)電流集中を模擬、(b)non-SCリンクのクラスター化、(c)non-SCリンクの離散化等の条件を取り入れたときのパーコレーションパスを考察した。1.配向性を制御させ、粒界を化学修飾した超伝導膜の作成:前年度に引き続き結晶成長を実施するが、とくにd波超伝導性は対破壊の方向依存性に影響することが予測されるので、方位の定まった結晶粒界で電子構造を調べるためSrTiO_3双結晶を用いた試料作成をゾル・ゲル法およびPLD法で行ってきた。その結果の一部は以下のとおりである。CSD(Chemical Solution Deposition)法によるBi2223薄膜の作製を行ってきた。大まかな作製手順は、「1.塗布溶液の調製→2.基板への塗布→3.仮焼→4.本焼」となっている。各工程について具体的に述べる。

(1)原料となるBi, Pb, Sr, Ca, Cuの酢酸塩を、元素の比がこの順に1.6:0.4:1.6:2.0:2.8となるように秤量し、酢酸ベースの溶液に溶解させた後80°Cで還流して反応させ、濃縮した後に界面活性剤を加えて塗布溶液とする。(2)基板として、表面が平坦でかつ熱処理中に酸化物と反応しないMgOの上にAgを蒸着したものを用い、スピンコート法により塗布する。(3)大気中700°Cで1時間保持し、仮焼膜を作製する。塗布及び仮焼を繰り返して適当な厚さの膜を焼成する。(4)大気中840°Cで100時間保持し、超電導酸化物Bi2223を得る。ここで熱処理中の元素の飛散(特にPbとBi)を防ぐため、Agで作製Lたケースの中で本焼を行う。結果として、Bi2223の体積分率が90%以上のc軸配向した膜が得られた。膜厚はおよそ1μm程度である。表面のSEM写真から板状2223相と針(棒)状Ca_2CuOの2相から成ることがわかった。2.臨界電流密度測定:統計分布をとるため、一つの試料中の微小領域の電流・電圧特性を多数測定するためリソグラフィーでパターンニングした試料でJ-E特性を現有装置で実施することを計画し、現在までに装置の組立てを完了した。3.理論計算とその検証および多結晶材における輸送特性改良の指針の提案:Weak Link pathモデルによる理論計算により、鋭いJ-E特性が得られる条件を理論的に究明し、そのような理論的構造を如何に実現するかを検討する。前年度で粒界の電子構造制御が可能になるので、知見をもとにパーコレーションパスの変更を実験的に確認する。さらに結晶粒界の電子構造の制御により巨視的な輸送特性の改良がどのように可能かその指針を提案する。その成果をまとめた論文がPhys. Revに最近発表されることになった。
細粒度電源管理に基づくハードウェア／ソフトウェア協調低消費電力設計技術

本研究では、組込み向けプロセッサの1種であるVLIW型プロセッサを対象とし、近年問題視されているリーク電力をHW/SW協調設計により大幅に削減する。VLIW型プロセッサは、単一命令で複数の演算器を同時に実行するSIMD型アーキテクチャであり、高性能・低消費電力が実現できる。また、リーク電力を削減するためには不要な演算器の電源を動的に切るパワーゲーティングと呼ばれる回路技術が有効である。そこで本研究では、パワーゲーティングを効率的に適用する消費電力最小スケジューリング手法、ならびに演算器構成最適化手法を確立した。評価実験より、提案手法の有効性を確認した。そこで本研究では、パワーゲーティングを効率的に適用する消費電力最小命令スケジューリング手法、ならびに同程度の性能でよりリーク電力を削減するための演算器構成最適化手法を確立させることを目標とする。平成24年度は、平成23年度に開発した消費電力最小命令スケジューリング手法をより実用的な規模のアプリケーションにも適用できるよう発見的手法に基づく手法を開発した。具体的に、大規模な問題に対しても実用的な時間で解を得ることが出来るSA法に基づく命令スケジューリング手法を開発した。提案したSA法に基づく命令スケジューリング手法に関しては、最適解とほぼ同じ解を数十秒程度で得られることが確認できた。また、演算器構成最適化に関しては、解空間が膨大である命令割り当て問題に焦点を当て、GA法に基づく手法を開発した。その際、従来からの課題であったパワーゲーティングを用いない演算器構成最適化について実用的な手法をまずは開発した。提案手法では、1つの演算器構成を遺伝子としてGA法を適用した。提案したGA法に基づく演算器構成最適化に関しては、網羅的な探索手法と比較してほぼ同じ結果が10倍程度高速に得ることができた。さらに、平成24年度は電力推定手法に関してさまざまな視点から研究を行った。平成25年度は最終年度であり、これまでの研究成果をまとめることに集中した。特に、平成24年度に開発したGA法に基づく演算器構成最適化手法のパラメタチューニングやさまざまな条件下における評価を行い、その有効性を確認した。そして、その成果は学術論文誌に投稿し採択された。また、平成24年度に着想した、パワーゲーティングを考慮した電力推定の新手法の高精度化を行い、その有効性を確認した。特に、従来のSA法に基づく評価手法の場合は数十秒の計算が必要だったのに対し、提案手法では1秒以下という非常に短い時間で解を得ることが出来た。これらの成果は国際会議で発表した。平成23年度は、単純なVLIW型プロセッサモデルに対して、消費電力最小命令スケジューリング手法の開発、並びに演算器構成最適化手法の開発を行った。消費電力最小命令スケジューリング手法に関しては、問題を数理計画問題として定式化することで、最適解が得られる手法を開発した。しかし、消費電力最小命令スケジューリング問題を実用的な時間で解くことは不可能であることが知られており、大規模な問題の求解は非常に困難であることが確認された。また、平成24年度から行う予定であった演算器構成最適化に関しては、共同研究者から提供されたツールを評価する機会に恵まれ、その基礎研究を開始することが出来た。

具体的に、VLIW型プロセッサの評価ツールを用い、演算器数やメモリサイズを最適化する分枝限定法に基づく手法を開発した。この成果を元に、低消費電力化に向けた演算器構成最適化に発展される予定である。平成24年度の目標は、発見的手法に基づく命令スケジューリング手法の確立と演算器構成最適化手法の確立であったが、当初の計画以上に進展していると言える。まず、発見的手法に基づく命令スケジューリング手法の確立に関しては、SA法に基づく手法を開発し、研究発表を行った。また、演算器構成最適化手法については、GA法に基づく手法を開発し、学術論文誌に投稿予定である。このように、当初の目的については達成できている。それと同時に、パワーゲーティングを考慮した命令スケジューリングを行わずに電力を推定する手法も開発し、研究会で報告した。このように当初の計画以上に進展し、着実に成果が得られている。平成23年度の目標は、単純なVLIW型プロセッサモデルに対する命令スケジューリングの確立であったが、当初の目標通り研究が進んでおり予定していた成果を得ることができた。よって研究はおおむね順調に進展していると言える。また、平成24年度から行う予定であった演算器構成最適化に関しても、その基礎研究を並行して行うことができた。平成25年度は、平成24年度に得られた成果をさらに発展させる予定である。まず、演算器構成最適化に関して、パワーゲーティングを考慮した手法に拡張させる予定である。パワーゲーティングを考慮しない命令スケジューリング手法とパワーゲーティングを考慮する命令スケジューリング手法ではその目的関数や制約が異なる。そのため、アルゴリズムの改良が必要である。また、平成24年度にパワーゲーティングを考慮した命令スケジューリングを行わずに電力を推定する手法を開発した。この手法は非常に斬新で新しい試みであるため、平成25年度も引き続きその高精度化について研究を行う。平成24年度は、平成23年度に得られた成果を有機的に発展される予定である。まず、命令スケジューリング手法に関しては、大規模な問題に対しても実用的な時間で解を得ることが出来る発見的手法に基づく命令スケジューリング手法を確立させる予定である。具体的に、Simulated Annealing法に基づく命令スケジューリング手法を開発する予定である。また、演算器構成最適化に関しては、開発された命令スケジューリング手法をアーキテクチャの評価に使用することで、単純なモデルに対して最適な演算器構成を得るアルゴリズムを開発する予定である。平成24年度は、年度末に成果発表を行う予定であったが、実験結果の検証に時間がかかったため成果発表を見送った。そのため、平成25年度は、書籍などの購入の他、主に成果発表に研究費を使用する予定である。
硝酸塩誘導型チトクロムPー450の機能解明と遺伝子のクロ-ニング

1.不完全菌<Fusarium>___ー<oxysporum>___ーに、真核生物として初めて脱窒能が見出されたが、この脱窒系における重要なステップに関よる酵素,亜硝酸塩還元酵素活性を無細胞系で再構成することに成功した。活性を含む菌体抽出液より各成分を精製あるいは部分精製し、NADHーフェナジンメトサルフェ-ト(PMS)系を電子供与体とした再構成実験により各成分の機能を調べた。その結果、非分画抽出液中に検出される脱窒活性、すなわち亜硝酸塩から亜酸化窒素(N_2O)を生成する活性は、中間体として一酸化窒素(NO)を形成していることが確認された。さらに前半の亜硝酸塩還元酵素(NiR)と後半の一酸化窒素還元酵素(NOR)の両活性の分離に成功した。硝酸塩誘導型チトクロムPー450(Pー450dNIR)は後半のNOR活性に関与することが示された。このように、ユニ-クなカビの脱窒系が分子レベルで明らかにされつつあり、近い将来にその全体像が解明されであろう。2.Pー450dNIRの抗体を用い、mRNAからcDNAを取得することに成功した。その塩基配列から予想されるアミノ酸一次配列は、P450として極めてユニ-クな特徴を示した。他のP450との相同性の比較から、Pー450dNIRは真核生物より原核生物(細菌)のP450に近く、進化の系統樹においても例外的に細菌のグル-プに分類された。さらに真核生物にみられるN末付近の疎水領域やプロの配列も存在せず、予想通り本P450が真核生物として初めての可溶性P450であることが示された。これらの性質やその機能はP450として前例が無く、構造.機能.進化などの諸点において極めて興味深い課題を示した。本Pー450はこの分野で大いに注目されつつある。
社会保障制度の倫理学的究明-ローカルな正義と世代間の公平とを軸として

本研究は、英語圏の倫理学・社会哲学の領域で活発に論議されてきた「社会正義論」を、わが国の医療・福祉・年金制度などの「社会保障の構造改革」の指針として活用する方途を探るとともに、社会保障を支える《連帯・互助》の理念を社会倫理学の観点からより原理的に解明することをねらいとするものであった。初年度は、国立社会保障・人口問題研究所の共同プロジェクト「社会保障の費用負担と世代間の公平性に関する研究」に参加した。さらに同研究所主催による第3回厚生政策セミナー「福祉国家の経済と倫理」が開かれ(1999年3月8日)、研究代表者はコメントを担当した。また雑誌『世界』第659号が特集した「破綻回避のための年金改革論-社会保障の総合構想を」の巻頭論文を執筆し、本研究の基本路線を定めようと試みた。第2年度は、上述のセミナーにおけるコメントを機関紙『季刊・社会保障研究』に寄稿する作業から取りかかった。次いで、「自己決定権」と「内発的義務」の両者が社会保障制度の基底をなすものであることを裏づける論文を執筆した。最終年度は、本研究のまとめをかねて日本哲学会の2001年度大会でのシンポジウム「正義と公共性」での報告原稿に取り組んだ。そこでは「ローカルな正義」を構想するJ・エルスターと「介護の町内化」(介護関係ではなく介護力だけの社会化を肯定する)を提唱する三次春樹とを対質させておいた。以上が研究成果の概要である。本研究は、英語圏の倫理学・社会哲学の領域で活発に論議されてきた「社会正義論」を、わが国の医療・福祉・年金制度などの「社会保障の構造改革」の指針として活用する方途を探るとともに、社会保障を支える《連帯・互助》の理念を社会倫理学の観点からより原理的に解明することをねらいとする。本年度は国立社会保障・人口問題研究所が平成8年度から開始し、研究代表者もメンバーに加わった共同プロジェクト「社会保障の費用負担と世代間の公平性に関する研究」(主査・貝塚啓明、他に幹事・委員全13名)の最終年度にあたり、数次にわたる研究報告・討議がなされた。さらにそのまとめと社会的関心の喚起をねらって同研究所主催による第3回厚生政策セミナー「福祉国家の経済と倫理」が開かれ(1999年3月8日、国連大学国際会議場)、研究代表者は三人の基調講演(アマルティア・セン、アグナー・サンドモ、鈴村興太郎)に対するコメンテータを務めた。そこでは個人の自律と社会保障の両立、それを支える倫理学、世代間の公平、効率と正義・・・・・・といった論点が、世界的な視野で討論された。研究代表者は、このセミナーに先立って、総合雑誌『世界』第659号が特集した「破綻回避のための年金改革論--社会保障の総合構想を」に一文を寄稿し、そもそも「社会保障」とは何か、年金改革論議で急浮上してきた「世代間連帯」とは何かを再考する素材を提供しておいた。なお今年度の補助金で購入した設備備品・消耗品は、じゅうぶんに活用し、次年度の研究の礎石となっている。本年度は、国立社会保障・人口問題研究所主催の第3回厚生政策セミナー「福祉国家の経済と倫理」(1999年3月8日、国連大学国際会議場)にコメソテータとして参加した研究代表者の発言を整理し、同研究所の概関誌『季刊・社会保障研究』に寄稿する作業から研究を開始した。そこでは個人の自律と社会保障の両立、それを支える倫理学、世代間の公平、効率と正義......といった論点が、考究された。

なお本セミナーは、同研究所が平成8年度から開始し、研究代表者もメンバーに加わった共同プロジェクト「社会保障の費用負担と世代間の公平性に関する研究」(主査・貝塚啓明、他に幹事・委員全13名)のまとめと社会的関心の喚起をねらって開催されたものである。次いで研究代表者は、本年度が「国際高齢者年」に当たることに注目し、その基本プログラムである「高齢者のための国連原則」を基軸に日本の社会保障制度を再点検する作業の必要性を訴え、その手がかりとして「自己決定権」と「内発的義務」の相互連携の方途を探る論文を、雑誌『思想』第908号が特集した「生命圏の政治学ー生命・身体・社会圏」に寄せた。なお今年度の補助金で購入した設備備品・消耗品は、じゅうぶんに活用し、次年度の研究の礎石となっている。本研究は、英語圏の倫理学・社会哲学の領域で活発に論議されてきた「社会正義論」を、わが国の医療・福祉・年金制度などの「社会保障の構造改革」の指針として活用する方途を探るとともに、社会保障を支える《連帯・互助》の理念を社会倫理学の観点からより原理的に解明することをねらいとする。最終年度にあたる本年度は、前年度末に刊行した共編著『応用倫理学の転換-二正面作戦のためのガイドライン』(ナカニシヤ出版)に対する複数の書評に応じながら、現代倫理学の隘路と突破口を解明する作業から取りかかった。またこれと並行して、現代の倫理学が負っている「特別な困難」と「不幸な事情」を描き出そうとした清水幾太郎の名著『倫理学ノート』を復刊し、解説を寄せた。「世代間の公平性」を一つの争点とする環境倫理学に関して、公文書における「環境倫理」の登場と消滅の経緯をたどる論文と、経済学者アマルティア・センの仕事が環境倫理学に与える示唆を明らかにする論文とを執筆した。なお本年度いっぱいをかけて共訳を仕上げたJ・ローマの『分配的正義の諸理論』が近々木鐸社より刊行される運びとなっている。本研究のまとめをかねて取り組んだのが、日本哲学会の2001年度大会でのシンポジウム「正義と公共性」での報告原稿である。そこでは「ローカルな正義」を構想するJ・エルスターと「介護の町内化」(介護関係ではなく介護力だけの社会化を肯定する)を提唱する三次春樹とを対質させておいた。詳しい研究実績に関しては、研究成果報告書に譲りたい。
膝深屈曲動作の動力学に関する基礎研究

「深屈曲動作を解析する計算モデルの構築」について,計画通り,従来の下肢二次元モデルによって求めた筋力を三次元膝モデルに入力する方式を改良した.ふたつのモデルを統合して,外力と矢状面上での関節角度という測定可能な値を入力値として,膝関節運動,接触状態のほか,筋力も出力値として算出できるモデルを作成した.その結果,これまで実現できなかった膝深屈曲動作を詳細な三次元モデルによって再現することができた.しかし,生体膝の重要な運動である脛骨の回旋を再現するためには,ハムストリングス筋力を恣意的に設定しなければならなかった.すなわち,付随的な運動である脛骨の回旋を入力値として用意しなければ膝運動を再現できないというジレンマに行き当たった.この方法では,実際に運動を測定できる,特定の患者に適用された特定の人工膝関節に対する解析は可能であるが,回旋可動性が不明な新型人工膝関節に適用することは難しいと考えられた.ハムストリングスの筋力をどのように配分するかという「筋冗長性問題」の解決が,正確なシミュレーションのために必要不可欠であることが,研究遂行の過程で明らかになった.シミュレータ試験については,筋力駆動型のシミュレータを作成し,また新型人工膝関節の模型についても表面の加工や潤滑を工夫することで摩擦力を低減しつつあるが,依然として生体膝関節や人工関節置換膝のきわめて小さい摩擦係数とは比較できず,正確な関節運動を再現できていない.現在は,自由曲面の接触に転がり摩擦を適用できる方法を模索しており,継続検討が必要な課題として残っている.(1)「大腿下腿接触力に関する検討」については,予定していた「正座姿勢」「ひざまずき姿勢」「そんきょ姿勢」のうち「そんきょ姿勢」において結果を得た.想定したとおり,被験者の身体パラメータのほかに関節角度を変数に設定することで,推定誤差が平均値で37%,最大値で54%低減した.最も身体運動の自由度が高いそんきょ姿勢で望ましい結果を得られたことから,正座とひざまずき姿勢においても同様の結果が期待できるほか,床反力の作用点位置も同じ方法で推定できる可能性が確認できた.(2)「深屈曲動作を解析する計算モデルの構築(基礎モデル構築)」については,三次元モデルによって膝深屈曲時の大腿膝蓋関節の解析に成功した.このことにより,従来の三次元モデルで深屈曲動作を再現できなかった原因をある程度まで特定することができた.大腿膝蓋関節の解析においては,脛骨の前方移動や軸回旋によって接触面のリフトオフも再現することができたほか,膝蓋骨コンポーネントや膝蓋腱がPS型人工膝関節のポスト部と接触する可能性についても指摘することができた.一方,本テーマで主要な問題となる大腿脛骨関節の解析については,従来は筋力算出のために用いてきた下肢二次元モデルとの統合を目指し,膝関節まわりのモーメントを釣り合わせるよう筋力を暫時変化させて解を得るモデルを作成中であるが,現状は限定的な動作でしか結果を得られていない.また,深屈曲位における結果も現状では得られていない.(3)シミュレータ実験については未実施であるが,研究計画どおりである.平成28年度の計画のうち,「大腿下腿接触力に関する検討」については,達成目標の半分程度の結果が出ている段階である.本年度中に方法論を確立できたため,対象とする身体姿勢を拡張して測定実験を行うことで,計画通り,平成29年度中には片を付けられるペースで進展している.「計算モデルの構築」については,大腿脛骨間の計算モデルが確立できていない状態であるが,当初計画から2年がかりでの完成を目指していたものである.大腿膝蓋関節で深屈曲動作の解析ができたことも考え併せて,現在までのところはおおむね順調に進展しているといえる.(1)「大腿下腿接触力に関する検討」については,予定していた「ひざまずき姿勢」「正座姿勢」で結果を収集し終え,すでに実施した「そんきょ姿勢」と同じく身体姿勢を説明変数に導入することで推定精度を向上することができた.ただし,被験者がすべて健常男子であり,体格に関するパラメータがどの程度有用かについては議論の余地が残されている.(2)「深屈曲動作を解析する計算モデルの構築(基礎モデル構築)」については,大腿脛骨と大腿膝蓋の二関節を含む総合的な膝モデルを完成させた.また,外力(床反力)と膝屈曲角度を入力することで,膝周りの筋力を結果として出力することも一部成功している.ただし,拮抗筋や二関節筋が絡むと不静定問題になって仮定が必要になる問題,および屈曲以外の角度を出力値としているために内外測に分かれている大腿広筋やハムストリングスの筋力配分にも仮定が必要な問題が未解決である.また,(1)で検討した大腿下腿接触力を導入することで,急激に関節接触力が小さくなることを確認し,膝深屈曲における関節面の亜脱臼を示しているものと考えられた.また,アライメントや生体組織の物性値パラメータについても検討しており,日常生活動作を対象にする準備を進めている.(3)シミュレータ試験については,従来型の受動型シミュレータを製作し,結果をシミュレーションと比較できた.ただし,三次元造型機で成形した膝関節では摩擦が過大であり,結果が妥当であるかは疑問である.予定通り,大腿下腿接触力に関する検討とモデル化を終え,大腿脛骨と大腿膝蓋を含めて筋力を出力値とする総合的三次元膝モデルが稼働し,関節シミュレータを作成した(ただし,従来型の受動式).

「深屈曲動作を解析する計算モデルの構築」について,計画通り,従来の下肢二次元モデルによって求めた筋力を三次元膝モデルに入力する方式を改良した.ふたつのモデルを統合して,外力と矢状面上での関節角度という測定可能な値を入力値として,膝関節運動,接触状態のほか,筋力も出力値として算出できるモデルを作成した.その結果,これまで実現できなかった膝深屈曲動作を詳細な三次元モデルによって再現することができた.しかし,生体膝の重要な運動である脛骨の回旋を再現するためには,ハムストリングス筋力を恣意的に設定しなければならなかった.すなわち,付随的な運動である脛骨の回旋を入力値として用意しなければ膝運動を再現できないというジレンマに行き当たった.この方法では,実際に運動を測定できる,特定の患者に適用された特定の人工膝関節に対する解析は可能であるが,回旋可動性が不明な新型人工膝関節に適用することは難しいと考えられた.ハムストリングスの筋力をどのように配分するかという「筋冗長性問題」の解決が,正確なシミュレーションのために必要不可欠であることが,研究遂行の過程で明らかになった.シミュレータ試験については,筋力駆動型のシミュレータを作成し,また新型人工膝関節の模型についても表面の加工や潤滑を工夫することで摩擦力を低減しつつあるが,依然として生体膝関節や人工関節置換膝のきわめて小さい摩擦係数とは比較できず,正確な関節運動を再現できていない.現在は,自由曲面の接触に転がり摩擦を適用できる方法を模索しており,継続検討が必要な課題として残っている.(1)大腿下腿接触力については,正座姿勢とひざまずき姿勢を対象とし,そんきょ姿勢と同様の方法で推定式を見出す.また,ひざまずき姿勢における足部・膝部にかかる床反力の大きさや,正座姿勢における床反力作用点位置についても同様の方法で推定式を導出する予定である.これにより,三次元モデル解析の入力値には,特殊な場合を除いて外力の入力が不要になることが期待できる.(2)膝関節の三次元モデル解析については,2つの道筋から問題解決を試みる.すなわち,「下肢二次元モデルとの統合を目指した,筋力算出型三次元モデルの構築」と,「膝深屈曲に特有な現象のモデル化」である.前者については,従来は大腿脛骨関節の計算において,膝屈曲角度と筋力を入力値とするために屈伸方向の余剰モーメントを無視してきた.一方,平成28年度に実施した大腿膝蓋関節の計算では余剰モーメントを小さくするよう角度を変更しながら解を収束させたことから,大腿脛骨でも同様に,角度ではなく筋力を調整するモデルによって解を収束させられると考えられる.後者は,大腿脛骨を浮き上がらせる軟組織の内力が主たる問題点であることが明らかになりつつある.圧縮ばねによってモデル化すれば現用モデルの靭帯と似た取り扱いができるため,(1)の実験とあわせて付着部位置やばね定数を同定する計画である.(3)シミュレータ実験による妥当性の検証については,能動的な膝運動シミュレータの姿勢制御が未完成であり,使用できるか不透明な状態であるため,深屈曲に対応した受動式シミュレータの製作に取りかかる.(1)大腿下腿接触力については,これまでに得られた知見を三次元モデル解析に使用する.(2)膝関節の三次元モデル解析においては,現実的な日常生活動作を対象にした解析を実施する.(3)シミュレータ試験においては,関節面の摩擦力を低減し,能動型のシミュレータを製作する.シミュレータの使用準備をする予定だったところ,計画が繰り下がったため.