hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
非磁性物質を用いた超高感度磁気センサーの開発

高分子バルクへテロ接合型有機太陽電池を用いて、10 K以下の温度で、光CELIVシグナルの磁場効果を調べた。遅延時間(td)を変え、磁場効果のtd依存性を詳細に調べた。その結果、td<0.08msでは、磁場が0.1T以下のときで正、0.2T以上で負、の磁場効果を観測した。td>8msでは、正の磁場効果のみを観測した。パルス光照射直後のパルス電流は磁場効果を示さなかった。td=800msでは、温度が1.8K、磁場が15Tのとき、80%という非常に大きな正の磁場効果を観測した。一連の実験結果を、磁場中の三重項ー一重項(一重項ー三重項)転換モデルに基づき解釈した。本研究においては、遅延時間を用いた磁場効果増強法により、弱磁場下で100%以上におよぶ磁場効果を示す、接合デバイスを探索・作成することを目的としている。今年度は、導電性高分子、ZnPc/C60バルクヘテロ接合に関して、申請書に書いたように、光CELIV法を用いて磁場効果の遅延時間依存性を調べた。その結果、磁場効果は遅延時間を増すにつれて増加するが、さらに増すと減少してしまうことを見出した。このことは、遅延時間依存性だけでは、目的を達成できないことを意味している。現状では磁場効果の大きさは10%程度にとどまっている。そこで、方針を転換して、接合界面の効果を利用した磁場効果増強を現在試みている。一連の研究成果は、現在取りまとめ中である。関連した技術として、変位電流法を用いた電荷注入障壁の決定法を開発した。一般に有機薄膜デバイスにおいては、光電子分光、逆光電子分光等、非常に高価な装置を用いて、電荷注入障壁が決定されているが、新規に開発された方法では、100万程度の汎用電気計測装置を用いるだけで済むので、非常にインパクトが大きいと考えている。この測定法を用いた、フタロシアニン薄膜の実験に関しては、銀電極に対して、電子注入障壁が1.8 eV、正孔注入障壁が0.4 eVという値が得を得た。また、MoO3/Ag電極は、フタロシアニンとオーミック接合を形成することも確認された。これらの成果は、Organic Electronics誌に受理されており、掲載される予定である。既に上に述べたように、本研究課題はCELIV法を用いて磁場効果を増強することを目的としてスタートしたが、この課題自体に関してはうまくいっていない。しかしながら、CELIV法と類似する「変位電流法を用いた電荷注入障壁決定法の開発」という、新たな展開により、研究は著しく進展した。この手法はまったく新しい実験手法であり、非常に多くの有機物を対象とした実験ができる。本研究においては、遅延時間を用いた磁場効果増強法により、弱磁場下で100%以上に及ぶ磁場効果を示す、接合デバイスを探索・作成することを目指している。今年度は当初予定では最終年度であったことから、導電性高分子・C60誘導体(P3HT:PCBM)からなる混合物に関する、磁場効果の遅延時間依存性に関する実験結果をまとめて、Dalton transaction誌で公表した。研究計画では、磁場効果は遅延時間が増すと増加するであろうと想定されたが、これは低温強磁場中のみで観測される現象で、弱磁場における磁場効果は、遅延時間を増すといったん増加するものの、更に増すと減少することがわかった。これにより、当初予定した実験手法では、申請書に記載した研究目的を達成できないことが明らかになった。そこで、方針を転換し、界面の特性を利用した磁場効果を観測するための新規実験手法の開拓を現在行っている。その中で特に有力な実験手法は、蓄積電荷測定法と命名した実験手法である。この実験手法は変位電流法の応用であり、蓄積電荷の印加電圧依存性を正確に求め、それから電荷注入障壁測定法を決定することができる。この実験手法は当初フタロシアニンに対して適用され、その後、ペンタセン、導電性高分子等にも適用された。有機半導体においては、電荷注入障壁の直接測定法が知られていないことから、この実験手法は今後さまざまな場面で応用されていくことと考えている。関連する報文は、Organic Electronics誌およびJournal of Physical Chemistry C誌で公表している。また現在、関連する研究成果も取りまとめ中である。この実験手法は、磁場効果の観測以外に種々の目的で利用可能と思われ、さまざまな観点から実験手法の精度を向上させる努力を行っている。「弱磁場領域で非常に大きな磁場効果を示す物質系を探索する」、という当初の目的は達成できていないが、代わりに、有機半導体/金属界面における、電荷注入障壁を直接決定する実験手法(=蓄積電荷測定法)の開発に成功した。有機半導体デバイスにおける、電荷注入障壁の直接決定法はこれまで知られていなかったことから、この開発は基礎・応用の両面で価値のあるものと考える。ちなみに、この実験手法は電気測定により界面の情報を得る実験手法であり、申請者は近い将来において、磁場効果の実験に利用することも考えている。本研究課題においては時間遅延を用いた磁場効果増強法により、弱磁場下で100%以上に及ぶ磁場効果を示す接合デバイスを探索・作製することを目指している。一昨年度は導電性高分子・C60誘導体(P3HT:PCBM)に関する磁場効果の遅延時間依存性を行った。研究計画では磁場効果は遅延時間が増すと磁場効果は一方的に増加すると想定していたが、弱磁場における磁場効果は遅延時間を増すといったんは増加するものの、更に増すと減少することが明らかになった。

この結果は一昨年度のDalton Transaction誌に報告した。そこでより大きな磁場効果を観測するために、方針を転換して、界面の特性を利用して磁場効果を観測することを目指している。このための実験手法として蓄積電荷測定法を開発した。この実験手法を、ペンタセン、亜鉛フタロシアニン、メタルフリーフタロシアニン、導電性高分子P3HTに適用して、金属と有機半導体の間に生じる電荷注入障壁の測定を行った。一連の成果は、学術論文としてJournal of Physical Chemistry C誌およびOrganic Electronics誌に研究論文として報告している。ちなみに、これらの一連の実験は、n型シリコンを熱酸化処理したウェーハー基板を用いて行っている。昨年度は、一連の実験と並行してより簡便に実験ができるように、基板改良を工学部微細加工センターの設備を用いて行った。新しく作製した基板は、ガラス基板の上に背面電極と絶縁膜を形成しており、背面電極に透明電極を用いた基板も作製している。この新しく作製した基板を用いた実験に関しては、現在進行中である。高分子バルクへテロ接合型有機太陽電池を用いて、10 K以下の温度で、光CELIVシグナルの磁場効果を調べた。遅延時間(td)を変え、磁場効果のtd依存性を詳細に調べた。その結果、td<0.08msでは、磁場が0.1T以下のときで正、0.2T以上で負、の磁場効果を観測した。td>8msでは、正の磁場効果のみを観測した。パルス光照射直後のパルス電流は磁場効果を示さなかった。td=800msでは、温度が1.8K、磁場が15Tのとき、80%という非常に大きな正の磁場効果を観測した。一連の実験結果を、磁場中の三重項ー一重項(一重項ー三重項)転換モデルに基づき解釈した。変位電流法を用いた電荷注入障壁決定法は、まったく新しい実験手法、解析手法であるため、実験手法を確立するためには多くのことを行う必要がある。種々の物質への適用、実験手法、解析手法の更なる開拓、磁場効果への応用も含めて、研究を展開してゆく。蓄積電荷測定法は、原理的には電子、正孔両方に関する電荷注入障壁を正確に求められる実験方法と考えている。しかしながら、現実には電荷注入障壁が非常に大きくなると求められなくなる問題があり、現在この点を改善すべく素子構造の改良、光照射の併用などを行っている。有機電子物性予算節約のため、旅費の大半を自費で補填したため次年度使用額が生じた。繰越が可能なので、次年度に消化するつもりである。いうまでもないことであるが、自費による補填をしてなければ、次年度使用額は生じず、大幅な赤字になっていたはずである。本研究計画に関連する主論文は既に公表済みであるが、関連した実験である蓄積電荷測定法に関しては、現在データを取りまとめている段階である。このため追加の実験(再現性のテスト)や学会参加、論文投稿など数ヶ月等の延長が必要である。この点に関して研究期間延長を申し込んだところ承認された。
iPS細胞作製を目的とした細胞内動態解析に基く効率的非ウイルス型遺伝子導入法開発

iPS細胞作製において、安全な繊維芽細胞への遺伝子導入法が重要である。効率的な遺伝子発現に向けた多機能性遺伝子デリバリーキャリアにおいては、プラスミドDNA複合体の粒子径縮小化、細胞取り込み、エンドソームからの脱出ならびに低細胞毒性が具備すべき機能である。リジンの分岐構造を有するリジンデンドリマーやリジンデンドリマーのリジン末端をアルギニンで修飾したアミノ酸デンドリマーがエンドソーム脱出能を有する効率的な遺伝子導入キャリアであることが報告されてきた。本研究では、昨年度までに開発した、アルギニン修飾リジンデンドリマーに膜透過能と核移行能を有するTATペプチドを結合させた遺伝子導入能に優れたTAT-PEGアミノ酸デンドリマー/プラスミドDNA/アミノ酸デンドリマー三元複合体を用いたマウス繊維芽細胞NIH3T3細胞への遺伝子導入機構の細胞内動態の解析を行った。rhodamine修飾pDNAを用い、細胞のエンドソーム膜をFITCで染色することで、細胞内局在の検証を行った結果、TAT-PEGアミノ酸デンドリマー三元複合体は、一部エンドソームに存在したが、細胞質内への移行が認められ、一部は核あるいは核膜への分布が認められた。一方、対照のアミノ酸デンドリマー三元複合体では、大部分がエンドソームに分布が認められた。また、プロトンポンプ阻害剤であるbafiromycin存在下、TAT-PEGアミノ酸デンドリマー三元複合体の遺伝子発現は有意に低下し、エンドソーム内においてpH応答的にpDNAを細胞質内へ移行させていることが示唆された。一方、遺伝子導入実験に用いた条件において細胞毒性を評価したところ、TAT-PEGアミノ酸デンドリマー三元複合体の細胞毒性はほとんど認められなかった。これらの知見は、安全な繊維芽細胞への非ウイルス性遺伝子導入キャリア開発において、有益な基礎的知見となることが期待される。効率的な遺伝子発現に向けた多機能性遺伝子デリバリーキャリアにおいては、プラスミドDNAの縮小化、細胞取り込み、エンドソームからの脱出ならびに低細胞毒性が具備すべき重要な課題である。アミノ酸であるリジンの分岐構造を有するリジンデンドマー、とりわけリジンデンドリマーのリジン末端をアルギニンで修飾したデンドリマーがこれまでエンドソーム脱出能を有する効率的な遺伝子導入キャリアであることが報告された。本研究では、アルギニン修飾リジンデンドリマーに膜透過能をと核移行能を有するTAT配列を結合させた新規遺伝子導入キャリア、TAT-PEG-アミノ酸デンドリマーを合成した。TAT-PEG-アミノ酸デンドリマーの分子量は、約7700であり、約20mVの正電荷を示したが、市販の遺伝子導入試薬であるLipofectamine2000やjetPEIに比べ、マウス繊維芽細胞株、NIH3T3に対して低細胞毒性であった。電荷比(+:-)1:1以上において、TAT-PEG-アミノ酸デンドリマーは完全にプラスミドDNAと複合体を形成し、ヌクレアーゼによる分解を完全に抑制した。しかしながら、遺伝子発現は十分高い値を示さなかった。適度な正電荷は細胞吸着・取り込みに重要な因子であると考えられる。そこで、TAT-PEG-アミノ酸デンドリマー/プラスミドDNA複合体をさらにアミノ酸デンドリマーと電荷比(-:+)1:5で三元複合体を形成させたした。TAT-PEG-アミノ酸デンドリマー/プラスミドDNA/アミノ酸デンドリマー三元複合体は、ミュータント配列のTAT-PEG-アミノ酸デンドリマー/プラスミドDNA/アミノ酸デンドリマー三元複合体ならびにプラスミドDNA/アミノ酸デンドリマー複合体に比べ、有意に高い遺伝子発現を示した。以上、遺伝子導入能に優れる新規多機能型遺伝子導入キャリアの開発に成功した。
精神科アウトリーチサービスに携わる支援者の包括的教育プログラムの開発と検証

精神科アウトリーチサービスでは、対象者の生活の場に出向くため、対象者の生活における地域や家族との関係性の理解を得るために支援者の姿勢や問診ではない対話が求められる。今回教育プログラムに家族療法の一治療法であるリフレクティング・プロセスを取り入れたプログラムを作成し検証した。対象者の目の前にして、専門職が見通し等ありのまま伝えることに対しては否定的な意見がある一方で、最初から専門職と対象者、対象者を支援するネットワークが協力して回復への道筋をつくることには経験がないだけに効果が期待できるという肯定的な意見も得た。本研究において作成した包括的教育プログラムは実践に活かせる可能性が高いと考えられた。本研究の研究対象である精神障害者への医療機関からの訪問支援は、2014年からわが国においてもアウトリーチサービスとして始動した。本研究においては、すでに明らかになされている諸外国の成果と課題などの実績と、モデル事業として試行的に実施されたわが国の精神科アウトリーチサービスの評価を踏まえつつ、より実践的な技術と知見として整理することを目的とする。そしてその結果を、今後のわが国の精神科医療と福祉サービスの基幹的な方法として定着させていくことを主要な課題としている。現在、制度化されたアウトリーチサービスが現在よりもより高度なサービスとして提供できるような実践モデルを多角的な検証するために、全国の先進事例への訪問調査を行っている。そこでの具体的な「支援者とのかかわり」を通して新たな地域医療連携型(仮称)のモデルの構築を目指している。そのため、精神科アウトリーチサービスの実践担当者からのヒアリングによって「かかわりの際の戸惑い」、「これまでの訪問支援の実践との違いから連携に伴って生じる悩み」などをデータとして分析対象としている。暫定的ではあるが、サービスの継続に関しては「多くの専門職が葛藤を抱えており、訪問看護を受け入れようとしない精神障害者、高齢者の介護保険サービスの利用との併用や、家族も未治療である精神障害者など、多数課題のサービス対応が必要であることが明らかになりつつある。特に、精神障害者の場合には、一般科受診への補助が得られにくい現状から、経済的な理由なども背景に受診を控えてしまい病状悪化を招き身体合併症を併発し亡くなられる方も多いという報告がある。本研究では、先行研究における専門職の教育体制について検討しているが、これらの現状を踏まえ、精神障害者を地域で支える場合の医療的な側面にも配慮した政策が必要であることが推定されるので、より多層的な専門技術の教育が必要であると考えられる。本研究の目的は、わが国の精神保健医療福祉分野における複数職種によるアウトリーチサービスを実施している機関や、これから開始しようとしている機関のサービス体制の均てん化に資するための方法を検討することである。障害者総合支援法施行3年後の見直し(平成27年12月)において、精神障害者への支援として、「住民に最も身近な基礎的自治体である市町村が中心となり、当事者を含め、医療と福祉の双方を含む様々な関係者が情報共有や連携体制を構築する場としての体制を構築すべきである。」とされている。そのため、今年度は諸外国(フィンランド)における精神科医療の対象者別の訪問支援チームと行政機関との連携形態や、支援者の配置、支援の実際とその評価等について支援体制の視察を行った。わが国と異なり、チームの支援機能と評価として特質すべきこととしては、チームの構成員が支援ごとの経験を語り合うということを通して、安心してケアに打ち込めるグループの機能が支援チームの強化につながっていると考えられた。これは、わが国のチーム医療では見られないケア体制である。フィンランドは日ごろからチームをサポートするためのスーパーバイズ機能が整備されている。本調査と先行調査において、わが国にも同様の機能が見られるがまだ少数の実施の状況である。その特徴としては、カンファレンスや事例検討会などで対象者のケア会議が実施されているが、支援者自身のサポートと支援技術のスキルアップに結び付いているとは言い難い。しかしながら、支援そのものは対象者と支援者との相互作用の関係性の構築がなされており、双方向のアセスメントが支援の強化につながっていると考えられた。日本はそれぞれの専門性を発揮することには長けているものの、一方で支援者の質の確保と意欲の継続についての条件づくりには課題が蓄積しており、チームの管理者がどのような役割を担うのかが課題である。当初初年度に行う予定であった、海外視察が遅れたこと、教育プログラムの作成および検討が遅れている状況である。本研究の目的は、新たに地域で効果的なアウトリーチサービス(以下、アウトリーチ)を実施していくための主としてスタッフ教育に重点を置いた包括的教育プログラムを開発することである。日本におけるアウトリーチでは、支援者の職種や経験は多様であり、国等が定めた地域サービスに従事するための一貫的な教育システムはない。そこで、先駆的に成果を示し、方法として多様な手法を定着実施しているフィンランドの数か所で調査を行った。特に、西ラップ地域で限定的に実践されている精神科急性期地域包括治療システム(「オープンダイアローグ(以下、OD)」では、危機にある「患者」の自宅に関係者とともに集まって対話することで、残遺精神症状の減少や未治療期間が短縮したとして注目されている。そのため、支援者がどのように教育を行っているかについて、精神科地域医療の維持定着の観点からインタビューを実施しプログラムの内容とスタッフ教育の効果的関係性を検討した。アウトリーチでは、対象者の生活の場に出向くため、対象者の生活における地域や家族との関係性の理解を得るために支援者の姿勢や問診ではない対話が求められる。

ODにおいては、家族療法の一治療法であるリフレクティング・プロセスの教育の充実が極めて有用に活用されていることからこれらを取り入れプログラムを作成しその一部実施し結果を検証した。対象者の目の前にして、専門職が見通し、アセスメントや計画をありのまま伝えることに対しては否定的な意見もあったが、一方で対象者の立場に立つと専門職の意思や認識が伝わることによって最初から専門職と対象者と関係者が協力して回復への道筋をつくることになることは経験がないだけに効果が期待できるという肯定的な意見も得られた。今回の結果を踏まえてより多数の地域精神科医療従事者への理解と支援技術の向上を通して回復の精度を高められるのではないかと考えられた。精神科アウトリーチサービスでは、対象者の生活の場に出向くため、対象者の生活における地域や家族との関係性の理解を得るために支援者の姿勢や問診ではない対話が求められる。今回教育プログラムに家族療法の一治療法であるリフレクティング・プロセスを取り入れたプログラムを作成し検証した。対象者の目の前にして、専門職が見通し等ありのまま伝えることに対しては否定的な意見がある一方で、最初から専門職と対象者、対象者を支援するネットワークが協力して回復への道筋をつくることには経験がないだけに効果が期待できるという肯定的な意見も得た。本研究において作成した包括的教育プログラムは実践に活かせる可能性が高いと考えられた。発達障害や感情障害を併発している事例など多数課題の訪問支援の需要は高まるばかりである。文献検討での限界もあることから、先進的な取り組みをしている諸外国へ訪問を調整中である。現在までのところ、本年度9月に予定を延期して事前準備をすすめている。合わせて先行的なサービス実施へのグループ・インタビューも今年度に行う予定である。今年度は先行研究および昨年度調査をおこなった海外調査を含め、教育プログラムの作成を行い、プレテストとして1施設での教育プログラムの実施と評価を行う予定である。精神看護今年度は多数課題への危機介入を実施しているフィンランドの訪問支援に調査を行う。支援者の専門技術を洗練化と実践や技術教育、専門職同士の分担などの視点で情報収集を行う。また、先駆的に訪問支援を実践しているチームへのグループ・インタビューを通してどのような専門的技術が効果的で、さらにそれらを補強するための教育システムを調査し、わが国の訪問活動チームの教育プログラムの内容を検討していく予定である。今年度はプログラムの開発と実施を行う。そのために、謝金や、交通費、テープおこしなどの費用が必要になる。昨年度訪問する予定であったイギリスへの訪問が調整できなかったため、本年度に繰り越すことになった。プログラムを今年度はさらにプログラムの開発を行うために1研究協力者・施設への謝金、2交通費、3テープおこし4研究の打ち合わせ5スーパーバイズへの謝金6文献収集・支援チームの調査などに使用する。
耐熱性インテリジェント構造材料の最適設計に関する基礎的研究

1.インテリジェント機能の発現法に関する研究耐熱性構造材料層に圧電セラミックス層が接着された2層複合平板に非定常熱負荷が作用した場合,構造材料層の変位を要望された状態に制御するために圧電層に印可すべき電位分布を決定する手段と,熱負荷が未知のとき圧電層に誘起された電位分布から未知の熱負荷を決定する手段を,理論解析と数値シミュレーションによって確立した.次に,この成果に基づき,1つの耐熱性構造材料層の上に2つの圧電セラミックス層が接着された3層複合平板において,中間の圧電層をセンサ,上の圧電層をアクチュエータに利用し,熱負荷に対して構造材料層の変位を適応的に制御するインテリジェント機能を発現する手段を理論解析と数値シミュレーションによって確立した.2.多層複合平板の最適設計に関する研究1つの耐熱性構造材料層と多くの圧電セラミックス層で構成された多層複合平板をモデルに,熱負荷によって惹起された構造材料層の熱弾性変位を直接制御する定常問題について,圧電セラミックス層の厚さを設計変数に近似最適設計を行った.最小化には準ニュートン法に基づいたニューラルネットワークを用い,応力に制約条件を設けて,印可電位差の最大値を最小化した.教師データの正規化範囲を[0,1]から[0.2,0.8]に狭くしたところ,学習効率と近似精度が大幅に向上し,妥当な設計結果が得られ,複合平板の最適設計法を確立できた.3.平面応力に基づく圧電セラミックス円板の近似解析に関する研究計算時間を短縮してセンサ機能の過渡的応答性を確保する為に,平面応力に基づく近似解析法を提案した.圧電セラミックス円板の近似解析を行い,厳密な三次元解と比較したところ,良好な精度の近似解を得ることができた.1.インテリジェント機能の発現法に関する研究耐熱性構造材料層に圧電セラミックス層が接着された2層複合平板に非定常熱負荷が作用した場合,構造材料層の変位を要望された状態に制御するために圧電層に印可すべき電位分布を決定する手段と,熱負荷が未知のとき圧電層に誘起された電位分布から未知の熱負荷を決定する手段を,理論解析と数値シミュレーションによって確立した.次に,この成果に基づき,1つの耐熱性構造材料層の上に2つの圧電セラミックス層が接着された3層複合平板において,中間の圧電層をセンサ,上の圧電層をアクチュエータに利用し,熱負荷に対して構造材料層の変位を適応的に制御するインテリジェント機能を発現する手段を理論解析と数値シミュレーションによって確立した.2.多層複合平板の最適設計に関する研究1つの耐熱性構造材料層と多くの圧電セラミックス層で構成された多層複合平板をモデルに,熱負荷によって惹起された構造材料層の熱弾性変位を直接制御する定常問題について,圧電セラミックス層の厚さを設計変数に近似最適設計を行った.最小化には準ニュートン法に基づいたニューラルネットワークを用い,応力に制約条件を設けて,印可電位差の最大値を最小化した.教師データの正規化範囲を[0,1]から[0.2,0.8]に狭くしたところ,学習効率と近似精度が大幅に向上し,妥当な設計結果が得られ,複合平板の最適設計法を確立できた.3.平面応力に基づく圧電セラミックス円板の近似解析に関する研究計算時間を短縮してセンサ機能の過渡的応答性を確保する為に,平面応力に基づく近似解析法を提案した.圧電セラミックス円板の近似解析を行い,厳密な三次元解と比較したところ,良好な精度の近似解を得ることができた.圧電セラミックス平板に未知の非定常熱負荷が作用した場合を対象に,時間変数に差分法を適用して,次の問題について三次元理論解析と数値シミュレーションを行った.(1)センサ機能:測定された非定常電位分布から未知の非定常熱負荷を決定した.(2)アクチュエータ機能:熱負荷による材料の変形を要望された変形状態に制御する非定常印可電位分布を決定した.(3)検証:(1)で決定した非定常熱負荷が作用した場合に測定された非定常電位分布が生じること,及び(2)で決定した非定常電位分布を印可したとき要望された変形状態になることを確認した.以上より,過渡的に応答する圧電セラミックスのセンサ機能とアクチュエータ機能を発現する手段が確立され,非定常熱負荷に応答するインテリジェント材料が実現可能であることが示された.これらの研究成果に基づき,耐熱性構造材料板と圧電セラミックス板で構成される二層複合平板において,構造材料に熱負荷が作用する場合を対象に(1)と同様の解析を行ったところ,圧電セラミックス板に生じる電位は加熱の初期段階では正であるが,時間が経過すると負に反転し,電位が零となる付近では逆問題の解が不安定になることが分かった.現在,解決に向けて研究を行っている.ところで,複合平板では数値計算に時間が掛り,過渡的応答性を確保する為には計算時間を短縮する必要性が示された.そこで,圧電セラミックス円板において,温度場と電気場は三次元で解析し,熱弾性場は平面応力で近似解析する新たな解法を提案した.

併せて,理論解析と数値計算を行い,近似解を厳密解と比較したところ,板厚と直径の比が0.5の場合でも誤差は1%程度であった.従って,多層複合平板において,せん断応力が小さいと考えられる中間の圧電セラミックス層にこの近似解析法を適用でき,計算時間の短縮が期待される.今年度は次の2つの課題について研究を行った.これらの研究で得られた新たな知見等は以下の通りである.1.耐熱性構造材料層と圧電セラミックス層で構成された複合平板の過渡的なセンサ機能の発現に関する研究二層複合平板の三次元非定常圧電熱弾性逆問題の数値シミュレーションにおいて,過渡状態のある時間で解が不安定になる問題点を解決するために,順問題の解析を行ってその原因を詳細に検討した.その結果,加熱初期段階からの時間経過に伴って,圧電セラミックス層の応力が圧縮から引張に反転し,これに起因して惹起された電位も正から負に反転することが示された.逆問題では入力データとして電位を与えているが,入力データにおいて電位の符号が反転する時間に少しでもずれが生じると,複合平板は物理的に不合理な応力状態に陥るために解が不安定になることが明らかになった.そこで,逆問題において,電位の符号が反転する時間を検出し,その付近で時間差分を大きく取るようにアルゴリズムを改善したところ,安定な解を得ることができた.これによって,複合平板モデルにおける過渡的なセンサ機能の発現が可能になった.2.平面応力に基づく近似解析に関する研究複合平板においてセンサ機能の過渡的応答性を確保する為には計算時間を大幅に短縮する必要性がある.そこで,昨年度の研究で提案した平面応力に基づく近似解析法を適用し,温度場と電気場は三次元状態の下で,応力自由境界の場合について圧電セラミックス円板の熱弾性問題を理論解析した.さらに,解析結果に基づいて数値計算も行い,得られた近似解を厳密な三次元解と比較し,近似解の精度について詳細に検討した.その結果,板厚が半径に等しい円板の時でも最大誤差は約5.9%程度であり,近似精度は良好であることが示された.今年度は次の2つの課題について研究を行った.これらの研究で得られた新たな知見等は以下の通りである.1.耐熱性構造材料層と圧電セラミックス層で構成された複合円板の過渡的なセンサ機能の発現に関する研究昨年度までの研究成果に基づき,今年度は,時間変数に関する差分法を適用して,構造材料層の自由表面に未知の非定常媒質加熱が作用した場合に,圧電セラミックス層の自由表面に惹起された非定常電位分布が測定されたものと仮定し,この電位分布から未知の媒質加熱を決定する非定常熱弾性逆問題に関する数値シミュレーションを行った.また,このとき二層複合平板に生じた非定常温度,弾性変位,応力及び電気変位も数値的に明らかにした.この研究成果により,二層複合円板モデルにおいて過渡的なセンサ機能の発現が可能となった.これまでの研究で,非定常熱負荷に対応するセンサ機能とアクチュエータ機能の発現法が確立されたので,来年度は当初の研究目的である複合円板のインテリジェント機能に関する研究を行う予定である.2.平面応力に基づく近似解析に関する研究昨年度までの研究成果に基づき,今年度は,圧電セラミックス円板の非定常熱弾性問題を温度場と電気場は三次元で,弾性場は平面応力で近似して解析した.得られた近似解を三次元解と数値的に比較したところ,近似誤差は非定常状態において最大となることが明らかになった,しかし,円板に生じた量の最大値に対する近似の最大誤差は依然として小さく,非定常状態においても近似解の有効性を確認できた.さらに,三次元解で導かれた軸応力とせん断応力は非定常状態で最大となり,その時間は近似誤差が最大となる時間とほぼ一致した.従って,近似解において軸応力とせん断応力を無視した為に,非定常状態で近似誤差が大きくなったものと考えられる.1.インテリジェント機能の発現に関する研究
合成開口レーダーによる山岳氷河の時空間的変動の検出と流動モデルの構築

採用2年目(平成27年度)において,国内学会・研究集会で4回の発表,国際学会ポスター発表を1回行った.研究成果は国際学会誌JGR-ESに投稿し1本の論文が受理された.本研究ではチベット高原北西部に位置する西クンルン山脈の山岳氷河の時間・空間的流動速度変化の検出を行い,特に非定常的な現象である氷河サージに焦点を当てて研究を行い,この地域のサージ型氷河の分布・特徴を明らかにした.流速プロファイルから経年的な変化に加え,それまで知られていなかった季節的な変動を捉えた.最終年度では以下の課題に取り組んだ.一つ目はサージ型氷河の流動速度の時間変化と解析データに基づく理論の構築である.西クンルン山脈では2000年頃から3つの氷河サージが進行中で,うち2つについて活動期における流動速度の時間発展の詳細なプロファイルを得ている.2007-2010年では経年的な加速,2013年以降では減速が見られる.加え各年には季節的な変動が存在し,『秋から冬』に極大のピークが現れている.これらの観測事実をもとに提唱されている氷河サージのメカニズムを比較・検証を行い,データと調和的な流動メカニズムの構築を試みた.二つ目はランドルフ氷河台帳に基づくアジア高山域氷河流動マップの作成である.氷河観測において基本的かつ重要なパラメータの一つは表面での流動速度である.氷河の流動は氷体の厚さ,地形,内部・底面での水文環境や温度構造によって決まり,氷河の質量収支のバランスと密接な関係がある.ランドルフ氷河台帳は最も信頼性の高い氷河台帳で,ほぼ全球の氷河の地理・幾何的情報が公開されている.この氷河台帳を基に,ALOS/PALSARとPALSAR-2のデータを基にアジア高山域における山岳氷河流動のベースマップを作成,空間・時間的な変化の有無を調べ,その要因の特定を試みた.27年度が最終年度であるため、記入しない。27年度が最終年度であるため、記入しない。採用初年度(平成26年度)において,国内学会口頭発表を1回,国際学会ポスター発表を2回行った.博士課程3年間の成果として2015年3月,北海道大学大学院理学院において理学博士の学位を取得した.その研究成果は現在(2015年3月)JGR-ESにおいて現在査読中である.本研究ではチベット高原北西部に位置する西クンルン山脈の山岳氷河の時間・空間的流動速度変化の検出を行い,特に非定常的な現象である氷河サージに焦点を当てて研究を行ってきた.氷河サージを引き起こす「サージ型氷河」は氷厚や末端位置の変化が必ずしも気候変動に対応せず,通常の氷河とは異なり地球温暖化などの気候変動の指標として相応しくないことが指摘されている.しかし観測の難しさから,いまだ未発見のサージ型氷河も存在する.また氷河サージの発生・流動メカニズムは観測の少なさから現在も未解決のままである.これまでの研究で1992年からの衛星SARデータと1972年からのLandsat光学画像を使用し,これまで知られていなかった西クンルン山脈におけるサージ型氷河の分布・特徴を明らかにした.また2000年代から継続中の氷河サージの流動変化のプロファイルから経年的な流動速度の変化に加え,それまで知られていなかった季節的な変動を捉えた.流動速度の季節的な変動は表面からの融解水の流入がサージによる流動のプロセスに寄与していることを示唆している.採用2年目(平成27年度)において,国内学会・研究集会で4回の発表,国際学会ポスター発表を1回行った.研究成果は国際学会誌JGR-ESに投稿し1本の論文が受理された.本研究ではチベット高原北西部に位置する西クンルン山脈の山岳氷河の時間・空間的流動速度変化の検出を行い,特に非定常的な現象である氷河サージに焦点を当てて研究を行い,この地域のサージ型氷河の分布・特徴を明らかにした.流速プロファイルから経年的な変化に加え,それまで知られていなかった季節的な変動を捉えた.最終年度では以下の課題に取り組んだ.一つ目はサージ型氷河の流動速度の時間変化と解析データに基づく理論の構築である.西クンルン山脈では2000年頃から3つの氷河サージが進行中で,うち2つについて活動期における流動速度の時間発展の詳細なプロファイルを得ている.2007-2010年では経年的な加速,2013年以降では減速が見られる.加え各年には季節的な変動が存在し,『秋から冬』に極大のピークが現れている.これらの観測事実をもとに提唱されている氷河サージのメカニズムを比較・検証を行い,データと調和的な流動メカニズムの構築を試みた.二つ目はランドルフ氷河台帳に基づくアジア高山域氷河流動マップの作成である.氷河観測において基本的かつ重要なパラメータの一つは表面での流動速度である.氷河の流動は氷体の厚さ,地形,内部・底面での水文環境や温度構造によって決まり,氷河の質量収支のバランスと密接な関係がある.ランドルフ氷河台帳は最も信頼性の高い氷河台帳で,ほぼ全球の氷河の地理・幾何的情報が公開されている.

この氷河台帳を基に,ALOS/PALSARとPALSAR-2のデータを基にアジア高山域における山岳氷河流動のベースマップを作成,空間・時間的な変化の有無を調べ,その要因の特定を試みた.博士課程3年間の研究成果として理学博士の学位を取得し,その研究内容を学術雑誌(現在査読中)へ投稿した.衛星搭載型合成開口レーダー(SAR)のデータに基づく,山岳氷河の時間・空間的流動速度の変化から,寒冷型の氷河サージのメカニズムへの新しい知見を得た.このタイプの氷河サージはスヴァルバードなど極域の環境での発生が報告されている.そのため表面融解水の流入が氷河流動へ寄与することはなく,氷厚増加による底面融解が氷河サージの発生ならび維持メカニズムと考えられてきた.しかし,本研究の結果から,サージが進行中の氷河において経年的な流速変化に加え,明瞭な季節変動を検出した.これは季節的な融解により表面からの水の供与が底面の流動へ影響をもたらしていることを示唆している.27年度が最終年度であるため、記入しない。今後の研究の推進方策は,継続的な観測,新たな知見に伴うモデルの構築,対象地域の拡大である.2014年から新しく運用が開始された衛星SARであるPALSAR2(JAXA)ならびSentinel-1(ESA)のデータを使用し,西クンルン山脈における氷河サージ流動の継続的な観測とそのメカニズムの解明を目指す.特に雪氷へ大きな浸透深度を持ち,長期間コヒーレンスが維持されるL-bandのPALSAR2データは流動速度の解析において重要となる.新しく得られた知見を基に,氷河サージの発生ならび維持メカニズムの解明を目指す.これまでは「氷体の流動」,「圧力融解」と「氷河表面・底面での境界条件」を考慮し,モデルの構築を目指してきた.しかしこれまでの研究結果から,それらの条件に加え「表面からの融解水の流入」と「流出経路の変化」の考慮が必要となった.そのためサージのメカニズムの解明のため,氷体・熱・水の要素を組み合わせたモデルの構築を試みる.チベット高原周辺域に存在する他の山岳氷河の流動の解析を行い,経年的な変化の有無と気候変動・地域的な要因の調査を行う.また可能であれば現地観測データ,衛星観測データの比較,検証から時間・空間的な物理プロセスの改善を目指す.27年度が最終年度であるため、記入しない。
革新的シリコン基板の創製を目指したシリコンクラスレートの結晶成長技術の確立

初年度に引き続き、Na-Sn融液を用いたNa-Siクラスレートの結晶成長条件の最適化を行った。その結果、500°Cの加熱で、約3 mm角サイズの粒状のType Iクラスレート単結晶が得られた。また、600°Cの加熱では、一辺が約3 mmの三角板状のType IIクラスレート単結晶が得られた。それぞれの単結晶の表面における結晶方位解析を行ったところ、TypeIの単結晶では{110}が、Type IIでは{111}のファセット面が観察された。また、650°Cの加熱ではクラスレートが生成せず、ダイヤモンド構造のSi結晶粉末が得られた。600°C以下の温度においても、長時間の過剰な加熱により、クラスレートがSiに分解することが明らかになり、本手法によるクラスレートの結晶成長においては適切な加熱条件の設定が重要であることが示された。また、Siクラスレートでは、内包元素とケージ元素の組み合わせによって多彩な物性を示すことが知られている。そこで、Na-Siクラスレートのケージを構成しているSiの一部をGaで置換したところ、Type IのNa8(Ga/Si)46クラスレートを合成することができた。単結晶を用いた結晶構造解析により、Ga原子はSiの6cサイトを優先的に占有することが明らかになった。また、Snをフラックスに用いることにより、Na8(Ga/Si)46クラスレートの結晶育成に成功し、最大で5 mm角サイズの単結晶を得ることができた。得られた単結晶を用いて電気的特性を測定したところ、Ga置換量の増加に伴い、電気抵抗値が増加する傾向が見られた。Na-Siクラスレートでは、元素置換により、電気的特性を幅広く制御できることが示された。29年度が最終年度であるため、記入しない。シリコン(Si)クラスレートとは、Si原子がカゴ状に結合した物質で、その特異な構造に起因した新しい特性の発現に期待が集まっている。特に、ナトリウム(Na)を内包したSiクラスレート(Na-Siクラスレート)はNaの濃度によって電気的特性が金属から半導体まで変化することが知られており、太陽電池材料や熱電変換材料など幅広い分野での応用が期待されている。しかし、本物質における従来の合成手法では微細粉末状の試料しか作製することができず、学術的研究および工業的応用のためにも、本物質の結晶育成技術が求められている。そこで本研究では、Siクラスレートの新しい結晶育成技術として金属フラックス法を確立することを目的とした。初年度は、Na-Sn融液をフラックスとして用いることで、Na-Siクラスレートの結晶成長を試みた。また、加熱温度や加熱時間など様々な合成条件のもとで試料を作製して、Na-Siクラスレートの生成条件を最適化するとともに、合成条件が試料の形態やクラスター構造などに及ぼす影響を明らかにすることを目的とした。400700°Cの温度範囲でNa-Siクラスレートの合成を試みた結果、Type IとType IIのNa-Siクラスレートの生成温度条件を明らかにした。また、Na-Snフラックスの組成比がNa-Siクラスレートの結晶成長に大きく影響することを明らかにし、本物質の最適な結晶成長条件を見出すことができた。また、得られた結果と各元素の状態図をもとに、本手法におけるSiクラスレートの結晶成長メカニズムを考察したところ、Na-SnフラックスからのNa蒸発とNa-Snフラックス中での徐冷凝固の二通りのメカニズムによって、Na-Siクラスレートの結晶が成長することが明らかになった。本年度は、様々な合成条件のもとで試料を作製して、Siクラスレートの生成条件を最適化するとともに、合成条件が試料の形態やクラスター構造などに及ぼす影響を明らかにすることを目的とした。当初の予定通り、合成条件によりType IとType IIの二通りのNa-Siクラスレートを作り分けることに成功し、それぞれの結晶成長条件を明らかにした。また、得られた結果と各元素の状態図から、本手法のメカニズムを明らかにすることができ、本研究はおおむね順調に進展していると思われる。

得られた単結晶を用いて電気的特性を測定したところ、Ga置換量の増加に伴い、電気抵抗値が増加する傾向が見られた。Na-Siクラスレートでは、元素置換により、電気的特性を幅広く制御できることが示された。本手法における結晶成長メカニズムが明らかになったため、単結晶育成装置を作製し、Na-Siクラスレート単結晶の大型化を試みる。また、本物質は内包元素とケージ元素の組み合わせによって多彩な物性を示すことが知られているため、元素置換によって新規Siクラスレートの創製を目指す。29年度が最終年度であるため、記入しない。
授業過程における規範の多元性に関する実証的研究

分析対象とした授業に関する限りでは、授業場面に即してのみ表明された規範意識は「学校文化」の再生産を志向するものであり、一方「よい授業」として表明された規範は授業者自身の裁量の余地が相対的に広いものであった。あえて卑近な表現に言い換えれば、授業者は「本人にその気がなければ志向しなくてもすむこと」を標榜し、「たとえその気がなくても志向せずにはおれないこと」は授業場面に即して語るにとどまった。しかし、「よい授業」に含まれる規範には「学校文化」の再生産に寄与するものが含まれており、授業中の臨機的判断の際にも「学校文化」は「よい授業」に優先されていた。つまり、授業者自身が標榜している諸規範は、授業者が志向している規範のすべてでないのみならず、最優先の規範でさえなかった。このように、授業過程において授業者が複数の規範(学校文化と各自が標榜する授業像、ないしは標榜された授業像に含まれる複数の規範)を同時並行的に志向していることから、授業者の特定の指示がそれに先行する授業者自身の指示と矛盾する事態が派生していた。このような場面において授業者は、意図しているといないとにかかわらず、生徒に対してみずからの権力を誇示していた。さらに、諸規範の同時並行的志向が具体的な教授行動(続行中の活動制止)として顕在化した直接のきっかけが、生徒が授業者の指示に機敏に反応しない、言い換えれば授業者の権力を必ずしも承認していないことであったと明らかになった。つまり、権力の誇示は規範の同時並行的志向から派生した事態であると同時に、授業者自身の権力の動揺から派生した事態という側面を有していた。大学近郊の公立中学校教諭一名の協力を得て、国語科の授業4回分を参観、録画した。また、録画を見ながら授業実施者本人に授業中の自らの言動についてコメントしてもらい、コメントの内容を録音した。このようにして得られた画像、音声データを文字化した。文字化された記録を検討した結果、現段階で得られた暫定的な知見は以下のとおりである。(1)教師が特定の授業規範(理想的授業の構成要素)に言及する頻度と、その規範を具現していると見なしうる実際の授業行動の出現頻度は必ずしも相関関係にあるとは言えない。例えば、言及頻度の低さに対して授業中の出現頻度が極端に高い授業規範に「生徒に学習規律を徹底すること」がある。(2)授業規範への言及が個々の教授行動に即してなされる際と一般的信条としてなされる際では、表明される規範の内容が異なる。時間割の遵守や学級集団の生活共同体化といった規範は、一般的信条としては言及されないが個々の教授行動に即しては頻繁に言及されている。(3)これらのことから、教師自身が気づいていると否とにかかわらず、学校教育の場においては今日もなお、規律化、時間割といった学校教育の普及期の規範、ならびに生活共同体という日本における学校教育定着期の規範が再生産されていることが示唆される。これらの知見は、今後、記録のいっそうの精査、研究協力者に対する聞き取り調査等を実施した後、平成10年度内に口頭発表ならびに雑誌論文として公表する予定である。
アネキシンXIの核内移行機構解明

我々は以前にアネキシンXIが正常繊維芽細胞(SR-3Y1)で主に核内に局在していることを示したが、いわゆる核移行シグナルを有しないアネキシンXIの核移行機構を解明するうえで、PCRテクニックを用いて各種の欠失変異アネキシンXIcDNAを作成し、哺乳類培養細胞(COS-7)にトランスフェクトし、その細胞内局在がどのように変化するかを間接蛍光抗体法により検討した。哺乳類培養細胞(COS-7)にて発現されたアネキシンXIは、主に核内に存在していたがN末端(アミノ残基3-196)の欠失変異アネキシンXIの局在は、細胞質であった。一方C末端(アミノ残基208-504)の欠失変異のそれは、核内であった。他の一連のN末端(アミノ残基3-61,61-115,115-197)の欠失変異では十分な核内移行は認められなかった。更にN末端に融合タンパクとしてアネキシンXIとともに発現させたベータガラクトシダーゼタンパクの細胞内局在を同様の方法で検討したところアネキシンXIの挙動と同一であった。以前に報告したようにアネキシンXIには、特徴的な4回繰り返されるプロリンリッチなモチーフがN末端に存在しており、いわゆる核移行シグナルを有しない核内存在タンパクの一つであるMuMAのC末端にやはり3回繰り返されるプロリンリッチなモチーフが存在することを考慮するとこのモチーフが核移行シグナルを有しないタンパクの核内局在に重要であることが示唆された。アネキシンXIの細胞内核移行は燐酸化により制御されていることがsrc癌遺伝子によってトランスフォームされたラット線維芽細胞(3R-3Y1)に於て示されており、確立された多くの培養細胞ではアネキシンXIは核内局在を示すにも関わらず、組織における細胞内局在は種によって異なることが報告され、アネキシンXIの細胞内局在はN末端配列認識を含んだ新しいメカニズムによって制御されている可能性を持っていると考えられる。
CMOSサブスレッショルド特性を利用したスマートセンサLSIの開拓

本研究は、近い将来に実現されるユビキタス情報環境社会に向けたスマートセンサLSIシステムの基盤回路技術の構築を目指したものである。LSIの基本構成要素であるMOSFETをサブスレッショルド領域で動作させることで極低消費電力で回路システムを構築し、新規LSIアーキテクチャの開発、そして応用システムの開拓を行った。以下に、本研究実績の概要を述べる。<要素回路技術の構築>MOSFETをサブスレッショルド領域で動作させ、アナログ・ディジタル集積回路を構築するための基本的な要素回路技術の検討を行った。基準電流を生成するリファレンス回路の検討を行い、出力電流100nA(消費電力1.1uW)のリファレンスを生成することが可能である見通しを得た。また、電源電圧を高効率で降圧するDC-DCコンバータの検討を行った。1.5Vの外部電源を82%の高効率で分圧可能である見通しを得た。サブスレッショルド領域で動作するディジタル回路の基礎検討として、加算器の検討を行った。CMOS型、およびNMOSの2通りの加算器を検討し、電力と速度の間にトレードオフの関係が存在することを明確化した。<CMOSセンサアプリケーション>CMOSセンサアプリケーションとして、遠赤外線センサへの応用、ならびに品質保証期限モニタセンサの検討を行った。遠赤外線センサについては、サブスレッショルド領域のMOSFETの温度敏感性を利用することで、既存のセンサデバイス(ボロメータ等)と同等の温度検出感度を実現可能である見通しを得た。この技術をまとめ、特許申請を行った。また、品質保証期限もモニタセンサについては、適応可能な製品・商品の拡大を目指し、活性化エネルギーの拡大を行った。ディジタル回路技術を応用することにより、広範囲の活性化エネルギーの模擬が可能となることを示した。試作LSIを測定し、解析どおりの結果を得ることができ、様々な製品・商品の品質保証が可能である見通しを得た。本研究では、来るべきユビキタス社会に向けたLSIシステムの基盤技術の確立を目指す。特に、MOSFETのサブスレッショルド領域動作を年頭においた回路設計手法の確立、新規LSIアーキテクチャの開発、そして応用システムの開拓を行う。以下に、本研究の概要を述べる。<電源回路>MOSFETのサブスレッショルド領域特性は、温度に対して敏感に変化する。従って、この動作領域を前提としたシステムを構築する場合には、安定動作を保証する為の基準電流回路等の各種リファレンス回路が必須となる。そこで、本研究では、温度に対して、また電源電圧の変化に対して、そのリファレンス変動率が小さな電源回路の開発を行った。シミュレーションにより、提案した電流源回路の動作を検証し、室温で電流値97.7nA、電力値1.1μWで動作することを確認した。また、その温度に対する変動率は-20100°Cで4%以内に抑えることができることを確認した。<CMOSセンサアプリケーション>MOSFETのサブスレッショルド電流の温度依存性は、「食品や医薬品等の劣化速度の温度依存性」と相似の関係にある。これを利用し、食品等の貯蔵・輸送・配達の過程における品質劣化を模擬・監視するセンサシステムをCMOSハードウェア上に構築することができる。そこで、本研究では、MOSFETのサブスレッショルド領域特性を有効に利用し、アナログ・ディジタル混載構成とすることにより広範囲の活性化エネルギーを設定できるCMOSセンサ回路を提案した。提案回路では、大きな活性化エネルギーに対応するため、リング発振器を用いて劣化を模擬するアナログ値をディジタル変換し、それを乗算器で累乗する回路構成とした。これにより、サブスレッショルド領域で動作させるアナログ回路だけでは上限のあった大きな活性化エネルギーに対応可能となった。
脳内深部の神経細胞内電位を多点で計測するナノエレクトロニクス

本研究では、既存の細胞内電極では実現不可能であった生体組織深部における細胞内電位計測を可能とする長さが100マイクロ以上のナノプローブ電極アレイデバイスを開発することを目的とした。ナノプローブ電極は、選択的vapor-liquid-solid(VLS)結晶成長によるシリコンマイクロプローブの先端部をナノスケールに先鋭化することで製作する。本研究では、提案するナノプローブ電極の機械的特性の解析、ナノプローブアレイの集積化プロセスの確立、製作したデバイスの電気的特性を評価すると共に、マウス筋細胞およびマウス大脳皮質を用いた電気生理実験をとおして提案するデバイスによる細胞内電位計測を実証した。脳の神経細胞やその他生体組織内深部の各種細胞の“細胞レベル"での計測を可能とするナノエレクトロニクス技術の開発研究として、次に示す実験項目について実施した。(1)ナノプローブ集積化プロセスの検討・評価(2)ナノプローブの電気的特性の評価脳の神経細胞やその他生体組織内部の各種細胞の"細胞レベル"での計測を可能とするナノエレクトロニクス技術の開発研究として、次に示す実験項目について実施した。(1)ナノプローブ集積化プロセスの検討・評価(2)ナノプローブの電気的特性評価(3)エレクトロニクス集積化デバイスの検討・評価(1)ナノプローブ集積化プロセスの検討・評価:生体組織への電極刺入の応用を考慮し、提案するナノプローブ電極の機械的特性(剛性)を氷解した。既存のナノ電極と比較して、提案する電極はマイクロプローブの先端部のみをナノスケールに先鋭化した点である。同一の先端直径(500 nm)、長さ(150 &#181;m)の場合、従来提案されている円柱形状のナノ電極と比べて約7,500倍の剛性を得ることができる事が有限要素法解析にて実証された[Kubota et al., Small, 2016]。(2)ナノプローブの電気的特性評価:昨年度のインピーダンス、入力出力電圧比特性評価に加えて、本年度は雑音特性を評価した。細胞信号の周波数である1 Hz10 kHzにおいて、5 mV√Hz15 nV√Hzの雑音特性を得た。入出力電圧比が37%85%より、本電極デバイスは約100 mVの細胞内電圧において十分な特性であることを実証した[Kubota et al., Small, 2016]。(3)エレクトロニクス集積化デバイスの検討・評価:高インピーダンス特性のナノ電極用のOn-chip生体信号増幅器の集積化を検討した。プローブとMOSFETの一体化は、これまでに実績のあるプローブ製作前のMOSFET集積化技術を用いた[A. Okugawa et al., IEEE Electron DeviceLetters, 2011]。製作したプローブチップデバイスは、本学5 μm-NMOS技術によるバッファアンプ回路(Source-follower)の集積化を実現している[H. Makino et al., IEEE MEMS, 2015, H. Makino 2016 in preparation]。脳の神経細胞やその他生体組織内部の各種細胞の"細胞レベル"での計測を可能とするナノエレクトロニクス技術の開発研究として、次に示す実験項目について実施した。(1)エレクトロニクス集積化デバイスの検討・評価(2)電気生理実験加えて、発展的実験項目として申請時に予定していなかった(3)細胞内DNA導入も実施した。現在までの進捗状況(2)電気生理実験:これまで、マウスの筋細胞を用いた生理実験を実施し、筋細胞を用いた細胞内電位(静止膜電位,ー数十mV)の計測を実証してきた[Kubota et al., Small 2016]。この実績を基に、in vivoマウス大脳皮質内の細胞内計測を実施した。先ず、直径、長さを含むナノプローブ形状の最適化を検討した。その後、In vivo多チャンネル細胞内計測に向けたナノプローブ電極アレイデバイスの再設計、製作を実施し、また実装技術も検討した。脳・神経科学、医療応用での貢献が期待できる、脳の神経細胞やその他生体組織内深部の各種細胞の“細胞レベル"での計測を可能とするナノエレクトロニクス技術を提案する。通常の神経計測は、10 μm以上の電極を細胞の“外"に配置し、100 μV以下の微小な電位を測定していた。一方で、500 nm以下の電極を実現することで、電極を細胞内に刺入でき、10 mV以上の電圧で細胞内の詳細な情報が読み取れる。これは、前段の細胞の情報の計測も可能とする。提案するデバイスは、組織深部の細胞内刺入を可能とする先端径10 nm50 nm、長さ数百μm以上のナノプローブアレイを基盤技術としたもので、このナノプローブに高感度な細胞電位計測用の集積回路を搭載させる。これまでに半導体エレクトロニクスを脳深部の神経細胞内に多点で刺入した例はなく、提案するデバイスは全く新しい細胞計測技術として脳・神経科学、医療分野での貢献が期待できる。研究目的を達成するため、平成29年度までに申請書で計画したナノ電極による細胞内からの電位計測を証明した。平成30年度は実験期間を延長し、これまでの実績を基に未だ困難とされている生体内(in vivo)における脳組織内の多チャンネル細胞内計測の研究へ展開させる。