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免疫細胞と黄体内細胞のクロストークによる黄体退行制御機構の解明とその人為的支配

ウシ黄体におけるアポトーシスの分子制御機構を、免疫細胞と黄体内細胞(黄体細胞および黄体由来血管内皮細胞)とのクロストークという視点から探求し、以下の知見を得た。1.ウシ黄体に由来する血管内皮細胞の細胞死にFas/Fas Lの機構を介して経路の存在することを明らかにするとともに、そのFas/Fas Lを介した血管内皮細胞の細胞死にTNFαならびにIFNγがFas mRNAを増加させることにより関与していることを示した。2.プロジェステロンが、ウシ黄体の構造的退行を誘起するサイトカインのFas遺伝子発現促進作用を抑制することによって、アポトーシス抑制因子として作用することを示した。3.ウシ黄体の退行にインターロイキン-1(IL-1)が、発情周期によってPGF2αとPGE2の合成量を調節することによって関与する可能性を示した。4.ウシ黄体退行に一酸化窒素が大きな役割を果たしていることを示した。5.本研究の主題の一つであるTNFαスーパーファミリーの黄体内における役割を総説としてまとめた。これは本研究に至るまでの成果と本研究による成果を依頼により総説としてまとめたものである。また、TNFαと一酸化窒素の黄体退行における役割を総説としてまとめた。また、黄体の退行には子宮由来のPGF2αとPGE2の役割が大きいことから、子宮内膜細胞のPGs合成にかかわる免疫細胞由来サイトカインの生理的役割について探求し以下の知見を得た。6.ウシ後大動脈よりTNFαを投与し、TNFαが発情周期の調節(黄体退行)と妊娠維持(黄体維持)の両方に役割を果たしていることを内分泌学的に示した。7.ウシ子宮内膜間質細胞において、TNFαはPLA2とCOX-2両方の合成を刺激することによりPGF2α合成促進作用を示し、インターフェロンτはその両酵素の合成を抑制することにより妊娠維持に役割を果たすことを示した。本年度は、ウシ黄体におけるアポトーシスの分子制御機構を検討する目的で、プロジェステロン、ならびに免疫細胞由来のTNFαおよびIFNγのアポトーシス制御への関与について検討した。さらに、局所調節因子としてリポキシゲナーゼ系化合物が黄体の機能に影響を及ぼすかどうかについても検討し、以下のような知見を得た。1.ウシ黄体に由来する血管内皮細胞の細胞死にFas/Fas Lの機構を介して経路の存在することを明らかにするとともに、そのFas/Fas Lを介した血管内皮細胞の細胞死にTNFαならびにIFNYがFas mRNAを増加させることにより関与していることを示唆した。2.プロジェステロンはFas mRNAに直接的な影響は及ぼさないが,ウシ黄体のFasを介したアポトーシスに対する防御因子として重要な役割を果たしている可能性を示唆した。4.ウシ黄体における内因性リポキシゲナーゼ(LOX)系化合物である12-,15-HETEが局所でLH非存在下および存在下のプロジェステロン合成に関与している可能性を示唆した。本年度は、ウシ卵胞ならびに黄体の退縮機構を細胞内シグナル伝達機構から検討するとともに、子宮内膜から合成されるPGF2α合成調節に関わるTNFαならびにインターフェロンτの役割についても検討し、以下のような知見を得た。1.ウシ卵胞にTNFαレセプターの存在を明らかにし、TNFαが卵胞発育ならびに卵胞閉鎖の両方に関与することを示唆した。2.生理活性のあるリコンビナント牛インターフェロンτ(blFNτ)を作成し、blFNτがウシ体外受精胚の発生に役割を果たすことを明らかにした。

3.ウシ生体内に後大動脈よりTNFαを投与し、TNFαが発情周期の調節(黄体退行)と妊娠維持(黄体維持)の両方に役割を果たしていることを内分泌学的に示めした。4.ウシ子宮内膜間質細胞において、TNFαはPLA2とCOX-2両方の合成を刺激することによりPGF2α合成促進作用を示し、インターフェロンτはその両酵素の合成を抑制することにより妊娠維持に役割を果たすことを示唆した。5.本研究の主題の一つであるTNFαスーパーファミリーの黄体内における役割を総説としてまとめた。これは本研究に至るまでの成果と本研究による成果を依頼により総説としてまとめたものである。本年度は、昨年度に引き続き、ウシ卵胞ならびに黄体の退縮機構を細胞内シグナル伝達機構から検討するとともに、子宮内膜から合成されるPGF2α合成調節に関わるTNFαならびにインターフェロンτの役割についても検討し、以下のような知見を得た。1.プロジェステロンが、ウシ黄体の構造的退行を誘起するサイトカインのFas遺伝子発現促進作用を抑制することによって、アポトーシス抑制因子として作用することを示唆した。2.ウシ黄体の退行にインターロイキン-1(IL-1)が、発情周期によってPGF2αとPGE2の合成量を調節することによって関与する可能性を示した。3.ウシ黄体退行に一酸化窒素が大きな役割を果たしていることを示した。5.ウシ卵胞にTNFαレセプターの存在することを明らかにするとともに、その濃度変化からTNFαが排卵と卵胞閉鎖の両面に作用する可能性を示した。6.妊娠期におけるウシ子宮の機能調節機構を知るためにインターフェロンτの測定系を確立した。7.本研究の主題の一つであるTNFαと一酸化窒素の黄体退行における役割を総説としてまとめた。
放射線治療がん患者のクロモグラニンAを用いた精神的ストレスの評価

目的心理アンケートから得られる主観的心理状態と唾液中クロモグラニンAの関係を明らかにし、CgAが担がん患者の精神的ストレスを反映する生化学的指標となり得るか否かを検討すること。1)予備実験健康ボランティアで以下の項目を検討した。(1)日内変動:4時間毎に一日連続測定したが、一定の日内変動のパターンは認めなかった。(2)精神的ストレス負荷時の唾液中クロモグラニンAの上昇:試験の前後に唾液を採取し、クロモグラニンAを測定したところ、試験前で精神的ストレスがかかっている時により高い値を示した。2)本実験唾液腺が放射線照射範囲内に含まれる症例と前立腺癌、内分泌系腫瘍を除外した症例を対象とした。特に乳房温存症例は連続55症例に対して、放射線治療前、治療期間半分経過時、治療終了日、終了後1ヶ月、終了後3ヶ月に唾液採取とSTAIアンケート調査を行った。3)結果STAIアンケートでは、放射線治療開始時点でもっとも精神的不安を感じており、放射線治療終了日にはもっとも不安が少ない傾向であった。唾液中クロモグラニンAは治療前がもっとも高値で、治療終了日がもっとも低値であった。しかし、個々の症例の経時的なSTAIスコアとクロモグラニンA値の変動は必ずしも一致しなかった。4)考察唾液中クロモグラニンAの濃度は個人によりそのベースの値が大きく異なり、他者との比較に用いるには不適切であり、あくまでも個人の変動を検討することが適切と考える。また、同一人物に対して同一条件で測定を行っても、口腔内が乾燥していて唾液量が少ない時には高値となりやすい。検体採取時の唾液量を均一にする工夫をすることで、より再現性と確実性の高い値となり、精神的ストレスの客観的指標となる可能性があると考えた。クロモグラニンAは近年、「精神的ストレスマーカー」として有用である可能性を示唆する先行研究が報告され始めている。がん患者は精神的にも身体的にもストレスを感じながら、加療を受ける場合が多く、低侵襲に採取できる精神的ストレスの指標となる生体物質を明らかにすることは、がん患者のQOL向上に役立っと考えられる。そこで、唾液中のクロモグラニンAが精神的ストレスの指標となり得るかを検証するために以下の検討を行っている。(1)検体の安定性を調べるために、唾液採取後、室温保存時間に長短によってクロモグラニンAの測定値の変動を測定したところ、12時間以内までは室温保存で安定な値を示した。室温保存時間が24時間を越えると測定値は低下する傾向であった。(2)健常ボランティアで唾液中クロモグラニンAの日内変動の有無を調べたところ、一定の日内変動は認められなかった。また、クロモグラニンA値に年齢と性別による一定の傾向は認められなかった。(3)健常ボランティアに対して、精神的ストレスのある状況(試験前)とストレスから開放された状況(試験終了後)で唾液中クロモグラニンA値を測定した。精神的ストレスのある状況下では唾液中クロモグラニンAは高値を示した。(4)院内倫理委員会の認証を得て、放射線治療中のがん患者にSTAIアンケート質問表への回答と唾液採取を依頼した。現在49名の患者に対して、書面上で同意を得て、データ収集を行っている。アンケート回答と唾液採取は初回放射線治療直前、治療開始後3週目、治療終了前、治療終了後1ヶ月、3ヶ月に依頼している。データ収集と併行してデータの解析を行っているところである。
熱帯果樹類の生殖機構における適応戦略の比較研究

熱帯果樹の生殖機構の適応戦略を明らかにするために、(1)花成誘導の周期性、(2)花器構造と受粉・受精機能、(3)不和合成とアポミクシス、および(4)結実機能、の4項目について調査研究を行った。1.花成誘導の周期性については、タイの気象条件、特に降雨量と季節性熱帯果樹の生長周期との関係を調べ、両者間には密接な関係を認めた。それに対して、インドネシアでは両者の関係は明らかではなかった。花成誘導の人為的制御は、土壌水分と成長調節物質との相互作用による制御が可能であることが現地で実証された。尚、タイにおいて塩素酸塩類の処理が特異的にロンガンの花成を誘導し、周年生産体系が実用化されている。2.東南アジアを原産とする主要な熱帯果樹について花器の発達過程や構造ならびに性状を詳しく調査し、受粉受精の仕組みと訪花昆虫の役割について考察し、他家受粉によって種子形成する花器構造や開花様式を示す樹種が多いことを明らかにした。3.不和合成については、ドリアン2品種での自家および他家受粉試験を実施し、花粉管の動向からは明確な自家不和合成は認められなかったが、さらに多くの品種での調査が必要とされた。一方、アポミクシスについては、マンゴスチンとランシウム(ラングサットおよびデユク)での種子形成と果実の発達との関係を調べ、マンゴスチンについては詳細な形態的調査によりアポミクシスの特徴を明らかにした。4.熱帯果樹の成育は雨季と乾季の交替によって明らかに土壌水分条件や日照条件によって左右されるので、いくつかの樹種について光合成速度と結実部位への光合成産物の分配について調査を行った。光合成速度は樹種によって異なったが、特に成長速度の遅いマンゴスチンで低いのが特徴的であった。1)花成誘導の周期性についてドリアン、マンゴー、マンゴスチン等を対象に、タイとインドネシアにおいて気象デー夕を収集して両者の関係の解析を行った。また、雨季と乾季の交代期のズレに人為的操作を加えることによって開花期の制御を行えばオフシーズン果実生産が可能であることを検証した。いっぽう、化学的に花成誘導を制御する方法が現地で種々検討されている実態を調査し、そのメカニズムについて考察を行った。最近、塩素酸カリ(あるいは塩素酸ナトリウム)処理によってロンガンの花成誘導することがタイで実用化されており、その実態を調査した。しかし、その作用機作は不明であり、解明が急がれる。2)結実機能と光合成との関係をみるために、タイの気象条件の異なる数カ所において光合成を測定し樹体の状態や葉の特性との関係を調査した。アグロフォレストリ型密植樹に比べて孤立樹で光合成速度は高く、乾季には昼間は殆ど光合成をしないが、午前中および夕刻には高い光合成を示した。なお、熱帯果樹数種について葉の気孔密度との関係を調査した。3)タイ東部および南部よりドリアンとマンゴスチンの花芽と花器の形態調査用のサンプルを採取して持ち帰った。また、現地において、雌雄異株性のサラッカでは雄株への訪花昆虫は多いが、雌株には訪花昆虫が少ないために、無種子果実が多くなることを観察した。なお、ドリアンの効率的な人工受粉の方法の必要性について考察した。4)マレーシアではマンゴーとマンゴスチンのアポミクシスと自家不和合性に関する情報を収集するとともに、アポミクシス調査用の果実試料を採取した。マレーシアには無種子のマンゴスチンの系統が見い出されており、そのアポミクシス性に関して今後調査の必要がある。

1)昨年に引き続き、ドリアン、ランブータン、マンゴスチン、及びマンゴーについて、タイ及びインドネシアにおいて気象条件、とくに雨季/乾季の交代期と花成誘導との関係を調査するとともに、オフシーズン生産のための人為的処理の効果について実地調査を行った。タイ東部のマンゴー園ではパクロブトラゾール処理によって連年安定的にオフシーズン(121月)生産に成功している。いっぽう、インドネシアのランブータン園では環状剥皮により花成誘導を行ってオフシーズン生産に成功している。なお、花成誘導後の生長促進のためにタイではチオ尿素を、インドネシアでは硝酸カリを用いているが、同様の効果が認められている。2)結実機能に関してインドネシア及びタイにおいてマンゴスチン、ドリアン及びマンゴー等について光合成速度の測定を行うとともに、光合成産物の分配に関する処理実験を行った。マンゴスチンはドリアン及びマンゴーと比較して明らかに光合成速度が低かったが、光合成の飽和点を明確にすることはできなかった。また、生長速度が大きく異なる実生樹と接木樹間でも光合成には明確な差異はなかった。3)花器構造と受粉・受精に関して、マンゴスチンについて開花期前後の胚珠組織の形態変化を調査し、開花期に胚のう内で細胞分裂が起こり、受精可能な状態に達するが、開花直後には仮種皮が発達し、胚のうが退化することを認めた。成熟種子について組織観察を行った結果では、単純な胚軸様形態を示す塊状胚軸がみられ、これが発芽する段階になって分化して多胚性を示すのではないかと推察された。4)不和合性に関しては、ドリアンについて自家受粉及び他家受粉を行い、受粉後5日まで経時的に花を採取して固定して持ち帰り、目下、受精の有無を組織学的に調査中である。熱帯果樹の生殖機構の適応戦略を明らかにするため、以下の4事項について調査研究を行った。(1)花成誘導の周期性について、マレーシア地区を中心に主要熱帯果樹の花成誘導と環境要因との関係を調査し、タイで認められた降雨量と季節性熱帯果樹の生長周期の関係が確かめられた。ただ、タイで行われているオフシーズンでの収穫のための栽培体系は確立されていなかった。(2)花器構造と受粉・受精機構について、ドリアンについて調査し、その花芽が枝梢より出現した後・花器の各器官が発達するまでに約2ヶ月を要することがわかった。開花は午後4時頃からおこり、約2時間かけて花弁が開き終わった。開花途中の時点では開葯おこらず、開葯は花が完全に開いた午後6時頃に起こった。また、雌蕊は雄蕊よりもかなり長く、自家受粉が出来にくい構造になっていた。(3)不和合性について、ドリアンで不和合性組合せ受粉について花粉管の挙動を調査した。花粉管自体は不和合性組合せでも受粉24時間後には花柱基部まで正常に伸長していた。ただ、結実率はかなり悪く、受精段階に問題があることがわかった。また、アポミクシスについてランサの種子を調査し、1つの種子が2から8のセグメントからなり、それぞれが発芽能力を持っていることがわかった。(4)結実機能に関して、マンゴスチンとドリアンについて果実と枝葉間での同化産物の分配特性を^<13>CO_2の施与試験によって調査した。光合成産物はマンゴスチンでは同化後24時間で速やかに果実へ分配され、とくにガク片と種子への分配が多く、これらの器官が強いシンク力となっていた。一方、ドリアンでは着生する花あるいは果実への分配はマンゴスチンと比べるとやや速度が遅く、48時間後になって検出出来るようになった。また、果実では果肉部に多くの^<13>
偏微分方程式とトモグラフィの超局所解析的・函数解析的・数値解析的研究

本研究は偏微分方程式とトモグラフィに関連した数学の問題の理論的研究と計算機を援用した実践研究を主題とした継続的なものであり,今期の科学研究費受領期間中においては,主として以下のような研究を行い,成果を得た.(1)冪型の非線型項を持つ非線型熱方程式に対する藤田型の爆発の臨界指数は,錐の開きを識別できたが,放物型や柱状などのさらに狭い領域に対しては,有界領域との区別さえできない.これに対し,対数型の非線型項を導入すると,これらが区別できることを期待して,その一般論を構築した.特に,log uと1/log uを補間した函数logg uのp冪とuの積の形の非線型項に対して,任意の領域においてpに対する爆発の臨界指数が確定することを示した.具体的な領域に対するこの新しい臨界指数の決定は将来の課題として残された.(2)平面2値画像の2方向投影データからの再構成は,ほとんどの場合に一意性が無く,得られる解の関係や,よい条件を持つ解の探索はあまり明らかにされていない.本研究では,スイッチング演算により解の集合に有向グラフの構造を与え,その諸性質を調べることで,この問題への新たな接近法を開発した.こうして導入されたスイッチンググラフについて,さまざまな連結性,特にハミルトン性など,多くの興味深い結果が得られた.また,多くの未解決予想も得られ,新しい研究分野を拓いた.(3)代数幾何符号を画像に組み込む方法を発展させ,自動修復画像やマスク,電子透かしへの応用等を与えた.(4)逆畳み込みはトモグラフィの反転公式と同様,代表的な非適切問題である.ある種の正則化計算を導入して逆畳み込みを計算することにより,焦点のずれた実写写真の焦点補正を行い,この手法の実用性を確認した.本研究は,適切な逆畳み込みのパラメータを自動検出するところまで進めてから発表予定である.本研究は偏微分方程式とトモグラフィに関連した数学の問題の理論的研究と計算機を援用した実践研究を主題とした継続的なものであり,今期の科学研究費受領期間中においては,主として以下のような研究を行い,成果を得た.(1)冪型の非線型項を持つ非線型熱方程式に対する藤田型の爆発の臨界指数は,錐の開きを識別できたが,放物型や柱状などのさらに狭い領域に対しては,有界領域との区別さえできない.これに対し,対数型の非線型項を導入すると,これらが区別できることを期待して,その一般論を構築した.特に,log uと1/log uを補間した函数logg uのp冪とuの積の形の非線型項に対して,任意の領域においてpに対する爆発の臨界指数が確定することを示した.具体的な領域に対するこの新しい臨界指数の決定は将来の課題として残された.(2)平面2値画像の2方向投影データからの再構成は,ほとんどの場合に一意性が無く,得られる解の関係や,よい条件を持つ解の探索はあまり明らかにされていない.本研究では,スイッチング演算により解の集合に有向グラフの構造を与え,その諸性質を調べることで,この問題への新たな接近法を開発した.こうして導入されたスイッチンググラフについて,さまざまな連結性,特にハミルトン性など,多くの興味深い結果が得られた.また,多くの未解決予想も得られ,新しい研究分野を拓いた.(3)代数幾何符号を画像に組み込む方法を発展させ,自動修復画像やマスク,電子透かしへの応用等を与えた.(4)逆畳み込みはトモグラフィの反転公式と同様,代表的な非適切問題である.ある種の正則化計算を導入して逆畳み込みを計算することにより,焦点のずれた実写写真の焦点補正を行い,この手法の実用性を確認した.本研究は,適切な逆畳み込みのパラメータを自動検出するところまで進めてから発表予定である.リードソロモン符号や鈴木素子氏が発見した最大曲線上の代数幾何符号をペリカーン-三浦による理論に基づき実装したものの画像への埋め込みを画像修復や電子透かしへ応用できる形にして発表した.特に,画像の下位2ビットに冗長ビットデータを埋め込むという新しい組み込み法を発見し,自動修復機能を持つ画像の概念を提供した.現在,更に長い符号を用いて実用的なプロトコルを開発中である.昨年発表したメンタルポーカーなどの暗号プロトコルに用いられた可換暗号系の改良版としてベクトル型エルガマル暗号を提案し,その安全性と実用性を論じたものを発表した.非線型熱方程式に対する新しい非線型項としてログ型のものを提案し,従来の冪型非線型項では区別できなかった漸近的半柱状領域の開きの違いを,ログ型の爆発臨界指数により識別する研究がほぼ完成し,近々論文として発表できる予定である,少量データトモグラフィの問題として,2方向投影データからの原画像再構成問題に,再構成像全体の成す集合の構造を調べると言う新しい研究方法を提案し,スイッチンググラフという新しい表現法を導入してグラフとの興味深い関係をいろいろ見出した.この成果は6月にニューヨークで行われる離散トモグラフィのシンポジウムで発表予定である.

シュワルツやコロンボがディストリビューションに対して行った積の理論を拡張し,佐藤超函数の空間における積の可能性を調べる研究を始め,成果を4月にフランスのアンティーユ・ギアナ大学で行われるシンポジウムで発表する予定である.少量データトモグラフィの問題として,2方向投影データからの原画像再構成問題に,再構成像全体の成す集合の構造を調べると言う新しい研究方法を提案し,スイッチンググラフという新しい表現法を導入してグラフとの興味深い関係をいろいろ見出し,この成果をニューヨークで行われた離散トモグラフィのシンポジウムで発表した.また詳細論文をお茶の水女子大学紀要に掲載した.代数幾何符号の画像への埋め込みと自動修復画像の研究では,512ビットの部分体エルミート符号の実装に成功し,扱える画像の幅を最も適切なものとし,また新たにJPEG画像への冗長ビットの埋め込み法を開発しSCIS2006で発表した.ログ型非線型項を持った熱方程式に対する爆発の臨界指数の研究は,実例の計算中で,これが終わり次第発表できる段階にある.退化する位相を持った振動積分に対する漸近第1項の冪の推定を,精度保証数値計算により行う研究を開始し,そのアイデアを北大の研究集会で発表した.次年度に論文としてまとめる予定である.正則解の接続に関しては,主部が定数係数の場合のシュレーディンガー方程式について,低階項が解析的なら,特異性伝播の手法を用いてコンパクト除外集合が除去可能となることを示せることが分かったので,次年度に論文として発表するべく準備中である.少量データトモグラフィの研究の続きとして,2方向投影データからの原画像再構成問題に,今年度新たに,再構成像のセルを置けない禁止領域を設定した場合に,再構成アルゴリズムと,解全体の成す集合のスイッチンググラフの構造を研究し,その成果をハンガリーにおける離散幾何学の国際会議DGCS2006において学生と共同で発表した.これは,先見的知識を利用した少量データトモグラフィの問題として応用上も興味深いであろう.この成果はシュプリンガー社のLNCSシリーズから会議録として出版されたが,証明の細部や実例を補った拡大版を大学の紀要からも出版した.この研究の続きとして,一般にスイッチンググラフがハミルトン閉路を持つことが最近証明でき,また与えられたグラフをスイッチンググラフに持つ最小図形のサイズに対する評価を与え,これを基礎に,小さなサイズのスイッチンググラフの計算機による数え挙げの研究に着手した.これらの成果は次年度に秋山仁先生とフバタル先生の還暦記念国際シンポジウムで発表予定である.ログ型非線型項を持った熱方程式に対する爆発の臨界指数の研究は,抽象的な臨界指数の完全な存在証明に成功し,大学の紀要に発表した.引続き,一般化放物型領域におけるログ型臨界指数の具体的な値の計算を行っている.電子署名に印鑑や署名のシンプルな画像データより成る可視マーカを組み込み,ビジュアルに署名の認証成功が確認できるようにする方法を考え出し,暗号と情報セキュリティシンポジウムSCIS2007で学生と共同発表した.二方向投影データからの再構成問題において,解の全体が成す集合にグラフ構造を入れたものをスイッチンググラフと名づけその特徴を研究してきたが本年度の成果はこのグラフがハミルトングラフとなることを発見したことである.本件急では,実際に自然に構成されたスイッチシググラフからハミルトン閉路を求めるアルゴリズムを開発し,多くの実験例を計算した。更に,ハミルトン性に基づいて、与えられたスイッチンググラフを持つような元図形のサイズを制限することに成功し,これによってスイッチンググラフを計算機により探索することの可能性を示すことができた.また実際に小さな位数について数え上げを完成した.
代謝関連アミノ酸の多次元キラルHPLC法構築と精神・神経疾患の早期診断法開発

精神・神経疾患は早期治療により大幅な症状改善が見込まれる一方、バイオマーカーの欠如により早期診断は極めて困難とされている。近年、精神・神経疾患へのD-アミノ酸酸化酵素(DAO)の関与が報告され、DAO活性評価による客観的診断法の開発が期待されている。特に、食事や生活環境など外的要因による含量変化が少ない非タンパク質構成代謝関連アミノ酸は鋭敏な活性評価指標として利用できる可能性が高い。本研究では、非タンパク質構成代謝関連アミノ酸の高選択的キラル分析を可能とする多次元HPLC分析法を開発し、疾患モデル動物及びヒト臨床検体を用いた尿中・血中含量解析により、精神・神経疾患の新規診断指標の探索を行う。
アコヤガイ貝殻の方解石結晶の欠陥を制御する有機物ナノファイバーの形成機構の解明

日本で真珠養殖に利用されるアコヤガイの貝殻は稜柱層と真珠層という二層の炭酸カルシウムと有機物から成る貝殻と蝶番部に靭帯と呼ばれる石灰化された構造を有している。靭帯は炭酸カルシウムと有機物がおおよそ同じ割合で入っており、炭酸カルシウムは直径が50-100 nm程度の非常に細長いナノファイバーの構造である。このナノファイバーを作るためには、炭酸カルシウムの結晶成長を制御する因子や枠組みを作る因子などが必要であると考えられている。これまで申請者の研究により、炭酸カルシウム結晶のナノファイバーには酸性のペプチドが含まれることが明らかとなった。また、枠組み成分を作るためにtissue inhibitor of metalloptoteinase (TIMP)とmatrix proteinase (MMP)の両者が必要であることを明らかにした。しかしながら、このTIMPとMMPがどのような成分に働くのか、そのターゲットは明らかになっておらず、また有機物と炭酸カルシウムナノファイバーの複合構造が蝶番に対しどのような役割を有するのか分かっていなかった。本研究の最終年度において、枠組みを構成する成分の構造と機能を明らかにし、炭酸カルシウムナノファイバーが非常に強度に対して強い構造であることを、X-ray diffractionおよびnanoindentationを用いて明らかにした。アコヤガイ貝殻稜柱層に含まれる有機物ナノファイバーと結晶の欠陥との関連を明らかにするために、アコヤガイの稜柱層より有機物ナノファイバーを抽出する方法の検討を行った。稜柱層のみを貝殻からニッパーを用いて単離し、これを次亜塩素酸ナトリウム液に浸けて一晩放置した。その結果、方解石の結晶のみを取り出すことに成功した。この方解石の内部に存在する有機物ナノファイバーはキチンを主成分としていることがIRによる解析から判明した。さらに、このキチンを主成分とする有機物ナノファイバーから変性剤と還元剤を用いて抽出を行い、可溶性成分との比較を行うことにより、特異的に存在するタンパク質を明らかにした。LC-MS/MSによる解析の結果、キチン分解酵素が有機物ナノファイバー特異的に含まれることを初めて明らかにした。キチン分解酵素はキチンを分解する働きがあるため、生体防御や消化などに利用されることは知られているが、このような生体鉱物の構造中に含まれることはこれまでほとんど知られていなかった。以上の結果から、キチンの有機物ナノファイバーの性状に関して、キチン分解酵素が何らかの役割を果たすことが示唆された。そこで申請者は、このキチン分解酵素の働きの詳細をさらに調べるため、キチン分解酵素の阻害剤をアコヤガイに注入し、貝殻稜柱層に与える影響をin vivoで解析することを開始している。さらに、キチンゲルを用いたin vitroの炭酸カルシウム結晶形成実験を行うことで、キチンファイバーと炭酸カルシウム結晶、キチン分解酵素の関係を明らかにする研究を続けて行っている。稜柱層の方解石結晶のみを取り出す方法を見出すことに成功し、内部のナノファイバーのみを抽出し、その成分の同定を行うところまで到達している。さらに機能解析を行うために、in vivoおよびin vitroの機能解析を行っており、これは当初の予定通りであると考えられる。日本で真珠養殖に利用されるアコヤガイは稜柱層と真珠層という二層の炭酸カルシウムと有機物から成る貝殻をもっている。この貝殻の外側の層は外敵からの防御のために、成長が早く、割れにくい構造になっている。これは炭酸カルシウムに含まれる有機物ナノファイバーの働きによるものを考えられているが、その構成成分や機能については不明なことが多い。そこで、本研究により構成成分の同定および有機物ナノファイバーが割れにくい炭酸カルシウムを作り出すメカニズムを解明することを目的としている。これまで申請者の研究により、有機物ナノファイバーにはキチンおよびキチンの分解酵素が含まれることが明らかとなった。キチン分解酵素処理を行ったキチンゲルを用いたin vitroの実験から、キチンファイバーがナノ化することが炭酸カルシウム結晶の欠陥を増幅することが明らかとなった。さらにキチン分解酵素の阻害剤であるアロサミジンをアコヤガイの生体に注射したところ、稜柱層内のカルサイト結晶内部の有機物ファイバーが太くなり、炭酸カルシウムの稜柱を覆う有機物の枠組みの構造も非常に乱れた様子が観察された。この結果から、キチン分解酵素の作用が稜柱層内のキチンナノファイバーの形成に重要な役割をあることが明らかとなった。これらの結果を踏まえて、さらに実際に阻害剤を加えた時の炭酸カルシウム結晶の硬度や靭性などの強度ががどうなったのか、また炭酸カルシウム結晶の内部の方位解析、元素分析などを進めて行きたいと考えている。in vivoでの実験であるキチン分解酵素の阻害剤を用いた実験を行い、実際に生体内でもキチン分解酵素が働き、稜柱層の形成に関与していることが明らかとなったため。

しかしながら、このTIMPとMMPがどのような成分に働くのか、そのターゲットは明らかになっておらず、また有機物と炭酸カルシウムナノファイバーの複合構造が蝶番に対しどのような役割を有するのか分かっていなかった。本研究の最終年度において、枠組みを構成する成分の構造と機能を明らかにし、炭酸カルシウムナノファイバーが非常に強度に対して強い構造であることを、X-ray diffractionおよびnanoindentationを用いて明らかにした。阻害剤を用いたin vivoでの研究を行うことで、キチン分解酵素の貝殻稜柱層内での役割を明確にしたいと考えている。さらに、in vitroでの炭酸カルシウム結晶形成実験を行い、キチンファイバーとキチン分解酵素の関係を、電子線、X線を用いた解析により評価する実験も同時に行っていく予定である。今後は、阻害剤を用いた作った貝殻の強度や方位の解析、繊維の細さと結晶の内部に取り込まれた不純物などの局在解析を進めていきたいと考えている。実験が順調に進み、また2016年度に他の予算も新たに取得することが可能であったことから、2017年度の予算と合わせて予算を執行した方が効率的に予算を運用できると考えたため、次年度での使用額が発生した。研究遂行に当たって、大学内の事務で年度末での予算の執行状況に混乱が生じていた。そのため、予算を適正に使用することが今年度は難しい部分を次年度に繰り越すことにした。次年度において、実験に必要な消耗品や学会発表などの旅費に使用する予定である。主には試薬消耗品などの購入に使用したいと計画している。
線量体積制約に基づき高精度・高速演算を実現する強度変調放射線治療計画法の開発

高精度・高速演算を実現する強度変調放射線治療(IMRT)計画法の開発を目的として,線量体積制約に基づく評価関数に対してacceptable(許容)の概念を新しく導入し,acceptableなIMRT計画逆問題を解決するための非線形ハイブリッド力学系を提案した.状態に応じて離散事象が発生する区分的微分方程式系に対して共通リアプノフ関数を定義し,最適解の漸近安定性を理論的に証明することに成功した.連続時間系に乗法的離散化を用いることで,実用的な演算速度を与える反復法も提案した.臨床例を模擬した数値実験を通して,与えられた線量体積制約を厳密に満たすIMRT計画を求めることが可能となった.強度変調放射線治療(IMRT)計画の問題は,照射ビーム係数に関する評価関数の最小化問題に帰着される.本研究代表者は,線量体積制約を満たす状況を表すacceptable (許容)の概念を新しく導入し,最適化の目標関数と結果の評価が異なる現状の課題を解消するアイデアを想起した.すなわち,線量体積制約を含む射影をベクトル場に持ち,acceptableな解への収束が理論的に保証された非線形微分方程式系(ハイブリッド力学系)を考案した.さらに,数値積分の離散化に乗法的算法を用いることで,演算速度を劇的に高速化できる可能性も見出した.すなわち,従来法と比較して,高精度なIMRT計画結果を高速に演算できる方法が達成可能であり,理論解析,数値解析,および実用化に向けた研究を行うことが本研究の目的である.平成27年度は,まず,想起した微分方程式系にみられる平衡点(理想的な治療計画結果に対応)の安定性を理論的に証明し,より柔軟な治療計画やill-posedな状況での性質を調べた.次に,微分方程式系の離散化による反復法を定式化し,演算速度の実用的な高速化が可能となる原理が得られた.さらに,線量体積制約だけでなく,等価均一線量も評価関数に加えた最適化問題の解法を考案し,数値実験により有用性を検証できた.これは当初の計画では想定していなかった成果であり,より精度の高い治療計画を実現できる可能性がある.学術論文が国際ジャーナルに採択され,得られた成果を国際会議で発表した.提案した微分方程式系にみられる平衡点の安定性証明と数値実験による検証,離散化による反復法の定式化などにより,演算速度の高速化への目処が得られ,計画通りに研究を進めることができた.一方,当初の計画で想定していなかった成果として,等価均一線量を評価関数に加えた最適化問題の解法を考案できたことに基づき,提案法より精度の高い治療計画を実現できる可能性が得られたことが挙げられる.以上,研究計画通りの結果が得られたことに加え,想定以上の成果が得られたことから判断した.強度変調放射線治療(IMRT)計画の問題は,照射ビーム係数に関する評価関数の最小化問題に帰着される.本研究代表者は,線量体積制約を満たす状況を表すacceptable (許容)の概念を新しく導入し,acceptableな解への収束が理論的に保証された非線形ハイブリッド力学系(連続時間と離散事象が混在した非線形動的力学系)を考案した.さらに,数値積分の離散化に乗法的算法を用いることで,演算速度を劇的に高速化できる可能性も見出した.すなわち,従来法と比較して,高精度なIMRT計画結果を高速に演算できる方法が達成可能であり,理論解析,数値解析,および実用化に向けた研究を行うことが本研究の目的である.平成28年度は,ハイブリッド力学系の離散化による反復法の研究を行った.提案法がacceptableな解に収束する原理は非線形微分方程式の性質に基づいているが,臨床応用での普及を目指す目的には演算の高速化が不可欠である.乗法的Euler法や乗法的Runge-Kutta法など,乗法的数値積分算法が効果的であることが数値実験により検証できた.解が正値を保ち,理想的な解との距離が反復により単調減少する性質を理論的に解析した.研究の達成により,既存のIMRT設備においてもソフトウェアの導入(交換)だけで高品質・高精度のIMRT計画結果を高速に得ることが可能となる.また,評価関数に等価均一線量を加えた力学系に対しても乗法的離散化法が有効であることが確認できた.さらに,適切な結果が得られる原理を解明し,解の振る舞いを非線形力学の観点から調べるため,理論的および数値的な解析を並行して実施した.得られた成果を国際会議等で発表した.提案したハイブリッド力学系の数値離散化法として乗法的算法が効果的であることが明らかとなり,臨床応用の場において実用的な高速演算を実現するための数値計算法が確立できた.研究計画通りの結果が得られたことから自己評価を判断した.強度変調放射線治療(IMRT)計画の問題は,照射ビーム係数に関する評価関数の最小化問題に帰着される.本研究代表者は,線量体積制約を満たす状況を表すacceptable (許容)の概念を新しく導入し,acceptableな解への収束が理論的に保証された非線形微分方程式系を考案した.さらに,数値積分の離散化に乗法的算法を用いることで,演算速度を劇的に高速化できる可能性も見出した.すなわち,従来法と比較して,高精度なIMRT計画結果を高速に演算できる方法が達成可能であり,理論解析,数値解析,および実用化に向けた研究を行うことが本研究の目的である.平成29年度は,IMRT計画の臨床設定を想定した数値実験を実施した.

ファントムに必要なCT画像と線量の設定値を公開されたデータベースから取得し,結果を評価するための解析プログラムを作成した.研究の達成により,既存のIMRT設備においてもソフトウェアの導入(交換)だけで高品質・高精度のIMRT計画結果を高速に得ることが可能となる.線量体積制約に基づくIMRT計画法を内外の研究者や医療関係者に報告し,評価関数の収束性,線量分布図,線量体積ヒストグラムに基づく性能に対して良好な評価を受けた.本研究課題によって,数値積分の離散化に乗法的算法を用いることで,実用的な演算時間で高精度なIMRT計画結果が得られる方法の開発に成功した.結果を国際ジャーナルや国際学会等で公表した.また,すべての線量体積制約がacceptableとは限らない困難な問題に対し,必ず満たすべき制約条件と可能な限り制約に近づけたい条件に分離して定式化した最適化問題を構成し,問題を解決できるアイデアを研究過程で想起した.今後,研究を発展させ,患者への治療効果をさらに高めると同時に副作用を軽減できる画期的な治療計画の開発に繋げたい.高精度・高速演算を実現する強度変調放射線治療(IMRT)計画法の開発を目的として,線量体積制約に基づく評価関数に対してacceptable(許容)の概念を新しく導入し,acceptableなIMRT計画逆問題を解決するための非線形ハイブリッド力学系を提案した.状態に応じて離散事象が発生する区分的微分方程式系に対して共通リアプノフ関数を定義し,最適解の漸近安定性を理論的に証明することに成功した.連続時間系に乗法的離散化を用いることで,実用的な演算速度を与える反復法も提案した.臨床例を模擬した数値実験を通して,与えられた線量体積制約を厳密に満たすIMRT計画を求めることが可能となった.研究実施計画に沿って研究を推進する.当初に考案した提案法よりも高精度の治療計画を実現できる可能性が得られたことから,評価関数に等価均一線量を加えた最適化問題の解法に対する理論的および数値的解析を実施することが課題であり,並行して研究を実施する.研究実施計画に沿って研究を推進する.具体的には,まず,IMRT計画の臨床設定を想定した数値実験を行う.次に,ファントムに必要なCT画像と線量の設定値をデータベースから取得し,結果を評価するための解析プログラムを作成する.最後に,線量体積制約に基づくIMRT計画法を内外の研究者や医療関係者に報告し,最適化法の収束性,線量分布図,線量体積ヒストグラムに基づき性能を評価する.医用工学協力研究者の国際会議(開催: 2月26日3月3日)発表に係る旅費と参加費の支出が年度内に間に合わなかったためである.医用画像機器工学分野実質的には平成27年度に使用しており,計画に何ら変更はない.
脊髄障害対麻痺者の体力評価基準の作成

脊髄障害対麻痺者の体力テストを標準化し、普遍的な体力評価法を策定することを目的としてデータの集積を行った。医療体育研究会会員の施設を中心に、測定マニュアル(2000年)にしたがって測定をすすめた。平成18年度から3年間に、16施設で全210名の測定を行った。このうち二分脊椎,疾患による脊髄障害を除き外傷性脊髄損傷に限定すると,全188名で、性別は男性175名、女性13名、年齢は20代以下34名、30代58名、40代39名、50代31名、60代以降26名、上位損傷群(Th6以上)52名、下位損傷群(Th7以下)134名、不明2名であった。全体分析の結果、正規分布した握力右・左、肩腕力押力・引力、車いす5分間走は平均値と標準偏差から、正規分布しなかった車いす20m走、リピートターンはパーセンタイル値から、それぞれ代表標準値として5段階区分の測定値が得られた。参考標準値として男女、年代、損傷高位群別にも算出した。また,年齢・身長・損傷高位・ADLと各測定項目の間、各測定項目間のすべてに有意な相関がみられ、すべての測定項目で有意な性差を認め、受傷前後のスポーツの有無で、いくつかの項目に有意差がみられたが、受傷からの年数、麻痺の程度と各測定値の間に有意な関係はなかった。一般健常者の体力標準値に比べ十分なデータ数ではないが、今回対麻痺車いす者の体力テストとしてひとつの標準値を提示することができた。対麻痺車いす者の標準体力テストとして、実際の脊損のリハビリテーション医療、車いす者の健康増進、車いすスポーツの中で広く利用されることを願う。脊髄障害対麻痩者の体力テストを標準化し、普遍的な体力評価法を策定することを目的としてデータの集積を行った。全国の関連施設にも呼びかけてプロジェクトチームを形成し、共通の測定方法で測定を行い、また今後の測定スケジュールも組みつつ進めた。初年度末現在、6施設にて合計61名の測定を行った。内訳は男性51名、女性10名、年齢1864歳(平均±標準偏差38.8±12.0中央値34)、残存髄節上位胸髄(Th16)12名、下位胸髄(Th712)35名、腰髄12名、不明2名、受傷からの年数049年(11.5±11.5、9)であった。測定結果は握力右24.563.2kg(44.8±10.9、45.6)、左22.260.3kg(43.6±10.3、45.1)、肩腕力押力6.5から64.5kg(37.3±13.1、40.0)、引力11.057.5kg(33.8±11.8、32.5=、車いす20m走5.81から13.54秒(7.90±1.56、7.34)、リピートターン519回(11.2±2.4、11)、車いす5分走240.0から734.9m(574.4±99.5、585.4)で、いずれも正規分布を示していた。男女の平均値を比較すると、T検定ですべてのテストで有意差を認めた。年齢、受傷年数、残存髄節と各測定値の間に相関はなかった。身長はすべての測定値と相関関係があり、体重は握力と相関関係があった。各測定値間のすべてに相関がみられた。受傷後のスポーツ歴との関係では、受傷前のスポーツの有無では車いす5分走のみに有意差がみられ、受傷後のスポーツの有無では、握力、車いす20m走、車いす5分走に有意差がみられたが、肩腕力とリピートターンにはみられなかった。今後早期に目標数の測定を行い、標準化を進めていきたい。医療体育研究会会員の施設を中心に、測定マニュアルにしたがって測定をすすめた。平成18年度から開始し、平成19年度末現在で、12施設で全150名(二分脊椎を含む)の測定を行った。内訳は男性136名、女性14名、年齢1574歳(平均±標準偏差40.7±12.3、中央値39)、残存髄節頸髄2名、上位胸髄(Th16)33名、下位胸髄(Th712)74名、腰髄34名、仙髄4名、不明2名、受傷からの年数050年(15.9±12.6、14)であった。測定結果は握力右15.073.0kg(40.8±12.4、39.0)、左4.565.0kg(41.8±10.9、43.9)、肩腕力押力6.568.0kg(37.0±13.3、37.0)、引力11.057.5kg(32.4±11.1、31.0)、車いす20m走5.5113.54秒(7.72±1.44、7.32)、リピートターン519回(11.1±2.3、11)、車いす5分間走240.0789.0m(583.0±97.6、593.4)で、車いす20m走、リピートターン以外は正規分布を示していた。

男女の平均値を比較すると、T検定ですべてのテストで有意差を認めた。男性の分析では年齢、身長と各測定値間、すべての測定値間に有意な相関がみられた。受傷からの年数、残存髄節、麻痺の程度と各測定値の間に有意な相関はなかった。スポーツ歴との関係では、受傷前後のスポーツの有無で、いくつかの項目に有意差がみられた。今後早期に目標数(200名)の測定を行い、標準化を進めていきたい。脊髄障害対麻痺者の体力テストを標準化し、普遍的な体力評価法を策定することを目的としてデータの集積を行った。医療体育研究会会員の施設を中心に、測定マニュアル(2000年)にしたがって測定をすすめた。平成18年度から3年間に、16施設で全210名の測定を行った。このうち二分脊椎,疾患による脊髄障害を除き外傷性脊髄損傷に限定すると,全188名で、性別は男性175名、女性13名、年齢は20代以下34名、30代58名、40代39名、50代31名、60代以降26名、上位損傷群(Th6以上)52名、下位損傷群(Th7以下)134名、不明2名であった。全体分析の結果、正規分布した握力右・左、肩腕力押力・引力、車いす5分間走は平均値と標準偏差から、正規分布しなかった車いす20m走、リピートターンはパーセンタイル値から、それぞれ代表標準値として5段階区分の測定値が得られた。参考標準値として男女、年代、損傷高位群別にも算出した。また,年齢・身長・損傷高位・ADLと各測定項目の間、各測定項目間のすべてに有意な相関がみられ、すべての測定項目で有意な性差を認め、受傷前後のスポーツの有無で、いくつかの項目に有意差がみられたが、受傷からの年数、麻痺の程度と各測定値の間に有意な関係はなかった。一般健常者の体力標準値に比べ十分なデータ数ではないが、今回対麻痺車いす者の体力テストとしてひとつの標準値を提示することができた。対麻痺車いす者の標準体力テストとして、実際の脊損のリハビリテーション医療、車いす者の健康増進、車いすスポーツの中で広く利用されることを願う。
試料延伸３次元電子顕微鏡法と計算科学の連携によるナノ複合材料力学物性の解明

高分子と無機物をハイブリッド化した複合材料(「ナノ複合材料」)は、軽量で高強度という特性を活かし、これまで金属・無機材料しか用いられなかった素材を次々と置き換えつつある。代表者は材料の内部構造をnmスケールで3次元可視化できる「3次元電子顕微鏡法(電子線トモグラフィー)」をナノ複合材料に適用し、その構造解析に成果を挙げてきた。本研究では、試料に引張り変形を加えながら同一視野の3次元像をひずみの関数として連続取得できる電子顕微鏡用「試料延伸トモグラフィーホルダー」を開発し、ナノ複合材料の延伸による3次元構造の変化を初めて3次元可視化することを目指す。さらに、このような動的過程における3次元構造観察結果を計算科学と連携させることで、ナノ複合材料の力学物性発現のメカニズムをナノスケールから解明に繋げてゆく。本研究最終年度である平成30年度は、初年度および第2年度に行った試料延伸トモグラフィーホルダーの開発と最適化を基礎に、ナノ複合材料の延伸過程の「その場」構造観察に取り組んだ。その結果、無機物ナノフィラーの凝集体が延伸によって変形し、高分子(ゴム)とナノフィラー界面でナノボイドが発生する様子(界面剥離)を直接観察することに成功した。また、ナノボイドが凝集体内部で発生する事例も観察され、これは界面剥離とは異なった応力集中メカニズムの存在を示唆する。さらに、ナノ複合材料における亀裂の進展の「その場」観察にも初めて成功し、亀裂先端での応力集中の様子を可視化する解析に取り組んでいる。ただし、このような「その場」観察において、電子線によるゴムへのダメージが予想以上に大きいことも判明した。研究の目的である、延伸下での3次元観察には、電子線ダメージを(照射量を絞ることで)低減することで対応し成功した。現在、計算との比較検討を行っているところである。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。研究代表者は材料の内部構造をnmスケールで3次元可視化できる「3次元電子顕微鏡法(電子線トモグラフィー)」をナノ複合材料に適用し、その構造解析に成果を挙げてきた。本研究では、試料に引っ張り変形を加えながら最大75度まで傾斜させ、同一視野の3次元像をひずみの関数として連続取得できる電子顕微鏡用「試料延伸トモグラフィーホルダー」を開発し、ナノ複合材料の延伸による3次元構造の変化を初めて3次元可視化することを目指す。さらに、このような動的過程における3次元構造観察結果を計算科学と連携させることで、ナノ複合材料の力学物性発現のメカニズムをナノスケールから解明し、軽量高強度なナノ複合材料における構造設計法の確立につなげてゆく。本研究初年度である平成28年度は、(i)試料延伸トモグラフィーホルダーの設計、(ii)同ホルダーの製作、さらに、(iii)試料延伸トモグラフィーホルダーへの高分子ナノ複合材料の固定法の検討、の3つの事項について検討を行った。項目(i)及び(ii)について、ホルダーの設計・作製と初期動作の確認を行い、電子顕微鏡(TEM)による2次元観察であれば、試料を約8倍まで延伸した状態で同一視野観察が可能であることを確認した。この際、試料延伸を司るホルダーの先端部分(リテーナー)の仕様を何度か変更した。(iii)については、高分子ナノ複合材料試料を超薄膜化(膜厚約100nm程度)にすると、接着剤などを特に使うことなく試料を最小3nmピッチで延伸できることも確認できた。初年度(平成28年度)の研究検討項目については、3項目を設定し、全ての項目について当初予定していた研究事項を達成した。具体的には、(i)試料延伸トモグラフィーホルダーの設計、(ii)同ホルダー製作、さらに、(iii)試料延伸トモグラフィーホルダーへの高分子ナノ複合材料の固定法の検討、である。項目(i)と(ii)については、ホルダーの設計・作製と初期動作の確認を行い、その過程で試料延伸に最も重要なホルダーの先端部分(リテーナー)の改良を行った。その結果、試料ホルダーの傾斜は75度まで可能であること、また、(2次元観察であれば)試料を8倍程度まで延伸ながら構造観察できることを確認した。さらに、この2次元観察の結果から、3次元観察において4倍程度の延伸が十分に可能であることも分かった。この成果は、研究開始段階で想定したホルダーの満たすべき要件、すなわち、最大傾斜角度75度、延伸2倍(ただし3次元観察)、に対して、実際に製作したホルダーが、前者については要求性能を満たし、後者については予定を大幅に超える性能を備えていることを示す。これは、試料の形状を実験を繰り返しながら変更し、それに応じたリテーナー部分の改良を施すことにより実現したものである。項目(iii)については、高分子ナノ複合材料試料を超薄膜化(膜厚約100nm程度)することで、当初予想していた接着剤による固定が必ずしも必要ないことが分かった。これは当初懸念していた試料のホルダーへの固定法に関して大きな進展であり、今後の研究を進めるにあたり、延伸に従って試料が滑る(あるいは脱落する)ことを心配する必要が無いことを意味する。今後は、いかに大面積の超薄切片試料を作製するかを検討することが重要となる。以上、初年度は十分な成果を出すことができ、研究全体は順調に進んでいる。

高分子と無機物をハイブリッド化した複合材料(「ナノ複合材料」)は、軽量で高強度という特性を活かし、これまで金属・無機材料しか用いられなかった素材を次々と置き換えつつある。研究代表者は材料の内部構造をnmスケールで3次元可視化できる「3次元電子顕微鏡法(電子線トモグラフィー)」をナノ複合材料に適用し、その構造解析に成果を挙げてきた。本研究では、試料に引張り変形を加えながら最大75度まで傾斜させ、同一視野の3次元像をひずみの関数として連続取得できる電子顕微鏡用「試料延伸トモグラフィーホルダー」を開発し、ナノ複合材料の延伸による3次元構造の変化を初めて3次元可視化することを目指す。さらに、このような動的過程における3次元構造観察結果を計算科学と連携させることで、ナノ複合材料の力学物性発現のメカニズムをナノスケールから解明し、軽量高強度なナノ複合材料における構造設計法の確立につなげてゆく。本研究2年度である平成29年度は、初年度に試作した試料延伸トモグラフィーホルダーを用いたナノ複合材料の初期延伸実験の結果を受け、試料の変形が純粋に一軸延伸と見なせるようになるために必要な試料の大きさについて検討を行った。その結果、試料延伸軸と垂直な方向の長さが(ホルダーの)ギャップの約8倍程度であれば、試料の中心付近は一軸延伸と見なせることが分かった。次に、試料延伸状態でのホルダー傾斜による電子線トモグラフィ観察の可能性についても検討を行い、開発した試料延伸トモグラフィーホルダーを用いて定量的な3次元像の取得が可能であることを確認した。さらに、計算科学(有限要素法、FEA)との連携については、延伸途中の2次元像を画像処理することで(試料の内部構造による)延伸度合いの不均一性の違いを明らかにする解析をスタートした。今年度は、初年度(平成28年度)の試料延伸トモグラフィーホルダーの試作・製作・高分子ナノ複合材料を用いた予備テストに引き続いて、(i)高分子ナノ複合材料の同視野トモグラフィー実験、および、(ii)有限要素法(FEA)と同視野延伸実験結果の連携による力学予想、について検討を行った。まず、(i)に関連して、ナノ複合材料の延伸の際、ホルダー側の機械的な延伸動作に対して試料の均一な延伸が行われなければならない。初年度の予備実験では、超薄切片試料の延伸軸方向の長さに対して、それに垂直方向の幅が狭く、延伸時に純粋な一軸延伸にはなっていなかった。そこで、(高分子ナノ複合材料ではなく)試料サイズを大きく取れる高分子キャスト膜を用い、ホルダーの機械的延伸に伴う試料の微視的変形を、試料表面に塗布した金ナノ粒子の移動を実測することで定量化し、純粋な一軸延伸が得られる試料の大きさを検討した。その結果、試料延伸軸方向とそれに垂直な方向の長さの比が1:8程度であれば、試料の中心付近は一軸延伸と見なせることが分かった。次に、本来の研究計画に従い、高分子ナノ複合材料の超薄切片試料を用意し、試料延伸状態でのホルダー傾斜による電子線トモグラフィー観察の可能性についても検討を行ったところ、本開発のホルダーを用いて定量的な3次元像の取得が可能であることを確認した。