hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
Molecular spin-switch for effective electron-hole separation at hybrid interfaces for application in photocatalysis

本研究において、我々の研究グループは、KTiO3,複数層から成るテトラフェニルポルフィン(Cr-TPP)、そして白金ナノ粒子の間における不可逆的な電子移動に関して新たな知見を見出した。それは、KTiO3内において、光励起により生成された電子とホールの内、電子はCr-TPPへ移動し、Cr-TPPから白金ナノ粒子へ不可逆的に移動したことであった。興味深いことに、上記の電子は移動中にホールと再結合は起こらず、KTiO3から発生した電子は白金ナノ粒子に全て移動した。上記の現象は、今回の研究によって新たに見出されたことである。
局在光散乱による局所領域におけるタンパク質凝集・結晶化の分析技術開発

シリカ標準微粒子を用いて、前年度に構築したエバネッセント光励起下における前方小角散乱光の瞬時計測システムの性能試験を行った。開発装置は、試料溶液セルを水平に設置した状態でガラスプリズム/液滴の全反射条件下で液滴界面に全反射エバネッセント光を発生させ、液滴サンプルからの低角度における前方動的光散乱(F-DLS)及び前方静的光散乱(F-SLS)をリアルタイムで計測するものである。シリカ標準粒子(NIST,サイズ0.5μm)を含む微小液滴に対して、全反射条件下でF-SLSの瞬時測定を行い測定データを解析した。F-SLSパターンは、既設の開発分析装置で計測したF-SLSパターンとは形状が異なっていた。コリメートレンズと光検出器の配置を微調整したところ、測定データに対して比較データによる補正が必要なことが分かった。これは、液滴形状(半球)による散乱光の拡散、及び散乱光検出器への光学系配置の相違によるものと考えられる。一方、全反射エバネッセント光励起下におけるF-DLSの測定では、シリカ微粒子のブラウン運動に伴う散乱強度の時間的揺らぎが観測され、F-DLSデータより得られた自己相関関数から、対象微粒子のサイズを評価した。その結果、当開発分析装置において全反射エバネッセント光励起下の散乱光測定では、F-SLSよりも、解析する上で特に補正を必要としない前方動的散乱光(F-DLS)の計測が適することが分かった。また、全反射エバネッセント光散乱を用いて、ハンギングドロップ蒸気拡散法によるタンパク質の凝集・結晶化を分析するための小型溶液セルを作製した。溶液セル内に液滴サンプルを封止して、開発分析システムで液滴からの前方動的散乱光をリアルタイムで計測することができる。なお、これまでに得られた研究成果を国内学会で発表した。標準微粒子サンプルを使用して、開発したエバネッセント光励起下の前方小角散乱光の瞬時計測システムの性能試験を行い、概ね設計通りの基本的性能を確認した。しかしながら、当研究の主な目的である、リゾチーム等の結晶化モデルタンパク質を対象にしたハンギングドロップ蒸気拡散法におけるタンパク質凝集・結晶化の分析は、未だ予備実験の段階である。リゾチーム等の結晶化モデルタンパク質を対象にしたハンギングドロップ蒸気拡散法におけるタンパク質凝集・結晶化の分析を本格的に実施する。エバネッセント光励起下における散乱光測定は、解析する上で特に補正を必要としない前方動的散乱光(F-DLS)の計測を行い、結晶化前のタンパク質凝集体のサイズや構造等の経時変化を分析する。得られた研究成果を学会や学術論文、及び研究展示会等で発表する。初年度は、エバネッセント光励起下における前方小角散乱光の瞬時計測システムを構築した。試料溶液セルを水平に置いた状態でガラスプリズム/水溶液の全反射条件下において、溶液界面付近にエバネッセント光を発生させ、溶液からの低角度の動的光散乱(DLS)、及び静的光散乱(SLS)を瞬時に計測できる装置を設計・製作した。ハンギングドロップ蒸気拡散法に対応した、小型のタンパク質結晶化溶液セルを作製し、全反射プリズムと結晶化溶液セルを組み合わせて、エバネッセント光励起下において極微量なタンパク質液滴からの前方小角散乱光を計測する。シリカ標準粒子の低濃度の液滴サンプルに対して、セットアップした分析装置の性能試験を行ったところ、全反射条件下において、狭い散乱角度での前方動的散乱光(F-DLS)の測定が可能であることを確認した。一方、測定した前方静的散乱光(F-SLS)パターンを既存開発の分析装置で測定した散乱光データと比較したところ、概ね散乱光パターンは類似していたが、高角度側の散乱角度で異なる特性を示した。これは、バルク溶液からの散乱光と局所的溶液界面からの光散乱特性との相違とも考えられるが、現段階では、むしろ小角散乱光の検出器への導入部配置に問題があると判定している。今後、所定の角度範囲でF-SLS瞬時計測が可能となるように、溶液セルの形状・構造とコリメートレンズの選択と配置などを改良する。これまでに得られた研究成果を国内学会で発表し、さらに応用物理学会論文誌にて誌上発表した。今年度の実施計画で主な目標であった、局在光励起下における微粒子を対象に分析装置の基本設計を行い、その基本的性能を確認した。しかしながら、極微量の試料液滴に対して、全反射エバネッセント光励起下において、正確な前方静的散乱光(F-SLS)パターンが未だ計測できていない。そのため、溶液セルの形状・構造と検出器への散乱光導入部についての改良が必要である。

これは、液滴形状(半球)による散乱光の拡散、及び散乱光検出器への光学系配置の相違によるものと考えられる。一方、全反射エバネッセント光励起下におけるF-DLSの測定では、シリカ微粒子のブラウン運動に伴う散乱強度の時間的揺らぎが観測され、F-DLSデータより得られた自己相関関数から、対象微粒子のサイズを評価した。その結果、当開発分析装置において全反射エバネッセント光励起下の散乱光測定では、F-SLSよりも、解析する上で特に補正を必要としない前方動的散乱光(F-DLS)の計測が適することが分かった。また、全反射エバネッセント光散乱を用いて、ハンギングドロップ蒸気拡散法によるタンパク質の凝集・結晶化を分析するための小型溶液セルを作製した。溶液セル内に液滴サンプルを封止して、開発分析システムで液滴からの前方動的散乱光をリアルタイムで計測することができる。なお、これまでに得られた研究成果を国内学会で発表した。標準微粒子サンプルを使用して、開発したエバネッセント光励起下の前方小角散乱光の瞬時計測システムの性能試験を行い、概ね設計通りの基本的性能を確認した。しかしながら、当研究の主な目的である、リゾチーム等の結晶化モデルタンパク質を対象にしたハンギングドロップ蒸気拡散法におけるタンパク質凝集・結晶化の分析は、未だ予備実験の段階である。現段階では、製作した計測システムでシリカ微粒子によるテストでは、未だ十分な性能が得られていないと評価しているため、前年度に引き続き、装置の改良、特に溶液セルの構造と計測・光学系の再設計を行う。次に、リゾチームなどの結晶化モデルタンパク質を対象に、改良した分析装置でハンギングドロップ蒸気拡散法におけるタンパク質凝集・結晶化の分析を行う。全反射エバネッセント光照射下におけるタンパク質液滴からの小角散乱光の瞬時測定を行い、結晶化前段階における凝集化の初期プロセスを追跡する。小角散乱光の瞬時測定から、形成されるタンパク質凝集体の構造やサイズ等の経時変化を解析する。また、得られた主要な研究成果を学会や学術論文、及び研究展示会等で発表する。リゾチーム等の結晶化モデルタンパク質を対象にしたハンギングドロップ蒸気拡散法におけるタンパク質凝集・結晶化の分析を本格的に実施する。エバネッセント光励起下における散乱光測定は、解析する上で特に補正を必要としない前方動的散乱光(F-DLS)の計測を行い、結晶化前のタンパク質凝集体のサイズや構造等の経時変化を分析する。得られた研究成果を学会や学術論文、及び研究展示会等で発表する。製作装置に使用した光学部品が予定額よりも安価であったこと、タンパク質原料の消費が予定よりも少なかったことで、消耗品費が抑えられた。また、研究分担者との研究打合せが別の機会で実施できたことにより、旅費の支出が抑えられた。さらにまた、投稿論文の掲載日程の関係により、論文掲載料の支出がH30年度となったことで、H29年度の該当支出が発生しなかった。そのため、次年度でタンパク質原料等のサンプル作製に必要な物品の購入、論文掲載料などに使用する。タンパク質原料の消費が予定よりも少なかったことで、溶液サンプル作製に必要な消耗品費が抑えられた。タンパク質原料等のサンプル作製に必要な物品の購入や実験補助に関わる謝金等に使用する。
甲虫ルシフェラーゼの人工進化によるルシフェリン-ルシフェラーゼ反応の理解と制御

コメツキムシ科のAgrypnus binodulusから単離したルシフェラーゼ・ホモログにsite-directed mutagenesisを施し、わずか1アミノ酸で発光活性を誘導する人工進化に成功した。この結果にもとづき、さらに発光活性の強いミュータントの作成を試み、約40倍の発光強度をもつ変異体を得たので、現在そのルシフェリン結合部位の構造をモデリング計算により解析している。また、ゲンジボタル(Luciola cruciata)から第2のルシフェラーゼを発見し、これをLcLuc2と名付けた。これによりホタル科が2種類のルシフェラーゼをもっていることが始めて明らかになった。また、この遺伝子は卵に特異的に発現していること(幼虫と成虫には発現してない)、成虫のルシフェラーゼ(黄色)とは異なる発光色(緑色)を持つことがわかった(Oba et al.,2010)。このことは、ルシフェラーゼ遺伝子の多様性と反応システムの共通原理を理解する上で重要な発見であると思われる。実際、LcLuc2はこれまでに知られているホタル科のルシフェラーゼと比べて59%のアミノ酸ホモロジーしかないにもかかわらず、基質結合部位と考えられているアミノ酸サイト(7カ所)が極めて高く保存されていた。このことは、ルシフェラーゼの高い発光効率には基質結合部位が厳密に規定されている必要があることを裏付ける。また、LcLuc2は既知のホタルルシフェラーゼと異なり、発光色がpHに依存しない特殊な性質を持っていることがわかった。初年度に計画したランダムミュータジェネシスの条件検討を行った。その結果、エラープローンPCRの際にマンガン濃度を低く抑えることで適度はエラー率(すなわち、遺伝子あたりアミノ酸数個の変異)を有する条件を設定することができた。ルシフェラーゼの起源は、脂肪酸CoA合成酵素であると考えられているので、実験には非発光性コメツキムシのサビキコリ(Agrypnus binodulus)のルシフェラーゼ・ホモログ遺伝子(AbLL)を材料とした。その研究過程で、AbLLに対し特定のアミノ酸変異が入ると発光活性が現れることが明らかとなり、ルシフェラーゼ人工進化への手がかりの第一歩が得られた(Oba et al., in press)。さらに、ショウジョウバエ(Drosophila melanogaster)のもっているルシフェラーゼ・ホモログ遺伝子(CG6178)に対して同じサイトへのアミノ酸変異を導入しても、同様の発光活性が現れた。これらの点突然変異体に対して適切な条件でのエラープローンPCRを行えば、より完全なルシフェラーゼの人工進化を達成することができるだろう。この点突然変異部位に関わるタンパク質の立体構造について、ホモロジーモデリング解析を行ったところ、導入された変異はルシフェリンと水分子を介して水素結合するサイトであることが分かった。すなわち、このサイトが変異することが脂肪酸CoA合成酵素からルシフェラーゼへ進化する際の鍵であることが考えられる。平成20年度までに、非発光性コメツキムシ(サビキコリAgrypnus binodulus)の持っているルシフェラーゼ・ホモログ遺伝子AbLL(Oba et al., 2008, Gene)に対して1アミノ酸置換(Leu345Ser)を導入したところ顕著な発光活性が現れた。そこで、平成21年度にはこのAbLL-Leu345Serに対しさらにアミノ酸変異を導入して発光活性を増強させることを試みた。ゲンジボタル(Luciocruciata)ルシフェラーゼとルシフェリル-AMP類縁体が結合した状態のエックス線結晶構造(Nakatsu et al., 2006)を詳細に調べたところ、このSer345に相当するアミノ酸残基は水1分子を介してルシフェリンのベンゾチアゾール環に含まれる窒素原子と水素結合を作っていることからルシフェリンとルシフェラーゼの結合に重要なアミノ酸であることが示唆された。さらに、このSer345に相当するアミノ酸の状態を調べたところ、隣接するThr343とThr344(ヒカリコメツキルシフェラーゼではSer343とThr344)との水素結合ネットワークを形成していることが示唆された。

そこで、AbLLのトリプルミュータント(AbLL-Cys343Ser, Gly344Thr, Leu345Ser)を作成した結果、非常に高い発光活性の上昇が認められた。このことは、ルシフェラーゼが脂肪酸CoA合成酵素から進化する過程で345番目アミノ酸がSerに変わることが重要であったこと、さらに345Serの-OH基をルシフェリンの方向に正しく向けるために水素結合ネットワークが関与していることを強く示唆する。本研究成果は国際誌に発表され、産經新聞の記事にも採り上げられた。コメツキムシ科のAgrypnus binodulusから単離したルシフェラーゼ・ホモログにsite-directed mutagenesisを施し、わずか1アミノ酸で発光活性を誘導する人工進化に成功した(Oba et al., 2010 : FEBS Letters)。この結果にもとづき、さらに発光活性の強いミュータントの作成を試み、約40倍の発光強度をもつ変異体を得たので、現在そのルシフェリン結合部位の構造をモデリング計算により解析している。また、ゲンジボタル(Luciola cruciata)から第2のルシフェラーゼを発見し、これをLcLuc2と名付けた。これによりホタル科が2種類のルシフェラーゼをもっていることが始めて明らかになった。また、この遺伝子は卵に特異的に発現していること(幼虫と成虫には発現してない)、成虫のルシフェラーゼ(黄色)とは異なる発光色(緑色)を持つことがわかった(Oba et al., 2010 : Biochemistry)。このことは、ルシフェラーゼ遺伝子の多様性と反応システムの共通原理を理解する上で重要な発見であると思われる。実際、LcLuc2はこれまでに知られているホタル科のルシフェラーゼと比べて59%のアミノ酸ホモロジーしかないにもかかわらず、基質結合部位と考えられているアミノ酸サイト(7カ所)が極めて高く保存されていた。このことは、ルシフェラーゼの高い発光効率には基質結合部位が厳密に規定されている必要があることを裏付ける。また、LcLuc2は既知のホタルルシフェラーゼと異なり、発光色がpHに依存しない特殊な性質を持っていることがわかった。
超新星における高エネルギー電子加速と電波光度曲線の研究

超新星爆発に伴う衝撃波による電子加速と被加速電子による光子放射を同時に計算するコードを球対称1次元の場合に拡張した。電子の加速過程はFokker-Planck方程式(FPE)で記述される。本研究ではこのFPEをそれに等価な連立確率微分方程式(SDE)に置き換えシミュレーションを行う全く新しい手法をとった。SDE法によれば、被加速粒子の断熱冷却は自動的に取り入れられる。またシンクロトロン放射はエネルギー損失項として取り入れた。放射される光子のエネルギーは、放射する電子のエネルギーで決まる単色として簡単化した。電波のみではなく高エネルギーガンマ線のエネルギー領域の光子放射までも同時に計算するためにparticle splitting法を更に改良した。電子は加速過程に連続的に注入し、超新星爆発後20年までシミュレーションを行なった。SN1987Aの電波観測から、電波の出現時期が波長に依存し、波長が短くなる程その出現が遅れること、また電波強度は爆発後の時間とともに略線形に増加することが解ってきている。本研究により、この二つの傾向を再現できることが示された。また電波だけでなくTeV領域のガンマ線放射強度も計算され、今後のガンマ線観測との比較により、超新星での電子加速現象のより詳細な解明に寄与できる目処がたった。すなわち、磁場強度、拡散係数をパラメータとして更にシミュレーション実験を行なうことによって、これらの物理量を推定できると期待される。またSDE法のメリットとして、電子の空間分布、従ってシンクロトロン放射強度の空間分布が計算されることが挙げられる。観測との比較からさらに新しい情報が引き出せると期待される。
環縮小ポルフィリノイドの創出と展開

[14]トリフィリン(2.1.1)(Trip)の白金2価錯体の合成に成功し、その安定性と酸化挙動について詳細に明らかにした。また[{Fe(CO)2(Cp)}2]とTripを反応させるとCpとTripによるサンドイッチ構造が得られることが分かった。この鉄錯体はFe(II)とFe(III)の間で可逆な酸化還元挙動を示した。ホウ素錯体の合成にも成功した。核置換トリフィリンである含硫黄トリフィリンの合成に成功し、その構造と反応性について詳細に検討した。高速分光法による励起状態ダイナミクスについて解明した。[14]トリフィリン(2.1.1)は14π芳香族性の環縮小ポルフィリン類縁体である。本萌芽研究では環状1価三座配位子としての環縮小ポリフィリンの化学を確立するために、次の3点を重点的に研究した。1各種金属錯体の合成と構造決定:これまでに報告したRe(I)[TriP(CO)3]、Mn(I)[TriP(CO)3]、Ru(II)[TriP(CO)2Cl]錯体はいずれも八面体型構造であった。今回あたらに合成したPt(II)錯体は平面4配位をとるが、容易に酸化されてオクタヘドラルのPt(IV)錯体となること、あるいは大気下で結晶を作製すると、2つのピロールのα位が酸素で架橋されることを見いだした。また鉄錯体ではペンタジエニルとトリフィリンとのサンドイッチ構造をとり、電気化学的に安定に鉄の2価と3価を可逆的に変化させることが可能であった。さらにホウ素錯体の合成にも成功した。2核置換トリフィリン(2.1.1)の合成法の確立と物性評価:ピロールの一つをチオフェンに置き換えた核置換トリフィリンの合成を試みた。しかし、硫黄原子が大きいために、14π系トリフィリンを安定に取り出すことが出来ず、メソ位に求核付加がおこる、あるいはプロトン化がおこることで安定化された形で単離されることをみいだした。3高速分光法による励起状態ダイナミクスの解明:βーアルキル置換トリフィリンとベンゾトリフィリンの蛍光スペクトルと時間分解蛍光スペクトルの測定により励起状態のダイナミクスにおける置換基効果を検討した。本研究の目的は、14π芳香族性を有する[14]トリフィリン(2.1.1)の化学を確立することであり、本年度は特に、(1)トリフィリンの白金及び鉄錯体の合成検討、(2)トリフィリンの3つのピロールのうちの1つがチオフェンに置換されたチアトリフィリンの合成と物性についての詳細な検討、につてい詳細に検討した。(1)では、トリフィリンのPt(II)錯体の合成に成功した。この錯体は2つのピロール窒素と塩素イオンを配位子とする平面4配位であるが、大気下では不安定で容易に八面体構造のPt(IV)錯体へと酸化されること、あるいは結晶化の過程で酸素原子がブリッジして安定構造をとることを、X線結晶構造、吸収スペクトルなどから明らかとした(Inorg. Chem. 2013, 52, 2688-2690)。また2価の鉄錯体はCpとトリフィリンによるサンドイッチ構造をとることを明らかとし、単離に成功した。(2)では、予想されたチアトリフィリンを単離することはできなかったが、その化学を詳細に検討した。その結果、硫黄原子が窒素原子より大きいことと、環内部の窒素のlone pairの反発から単離が難しいことを明らかにした。すなわち、メソ位にアルコキシ基が付加することで14π芳香環を崩して立体反発を回避すること、あるいは、酸によりピロール窒素をプロトン化することで環内部の水素結合が可能になり、lone pair同士の反発を回避して14π芳香属性を実現することを、結晶構造、酸と塩基滴定による吸収スペクトル変化などにより、見いだした(Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 3360-3363)。初年度は、[14]トリフィリン(2.1.1)の白金錯体の合成に成功し、その酸化挙動について詳細に明らかにした。柔軟な構造を有する環状1価の3座配位子としてユニークな性質を持っていることが明らかとなり、非常に多様な金属イオンに対して配位能力があること、また、構造的あるいは電気化学的に不安定なときに、柔軟に構造や電子状態を変化させて対応することができるなど、興味深い性質を有することがわかった。平面4配位の白金2価錯体が、酸化されてオクタヘドラル構造を取る白金4価錯体に変化することが可能な、珍しい配位子である。またチアトリフィリンについても、独特の反応性を明らかにした。

14πチアトリフィリンは立体的に不安定であるが、環の柔軟性を利用して立体障害を回避することが可能であり、その結果、興味深い反応性を示した。金属錯体に関しては、24年度に引き続き、鉄錯体の化学を中心に行う。フェロセンに代表されるサンドイッチ型錯体は、ポルフィリン全体を見渡してもあまり多くない。とくに、可逆的に鉄の酸化還元が行えるものやCpとのハーフフェロセン型錯体は報告例が少ない。そこでその構造や酸化還元挙動、触媒機能について詳細に検討する。さらに、ホウ素錯体や銀錯体などの合成も試み、トリフィリン金属錯体についての知見を深める。また、チオフェンにかわる複素環を含むトリフィリンの合成例はこれまでになく、その構造と性質に興味が持たれる。そこで、引き続き、様々な核置換トリフィリンを合成し、ポルフィリン、N混乱ポルフィリンなどのポルフィリン類縁体と比較し、その特徴を明らかにする。該当無し
三次元造形法による超多品種極少量生産に対応した補装具部品の革新的設計・生産技術

本研究では,近年生産技術としての応用が期待されている3次元積層造形技術を福祉機器部品の製造に適用するための,基礎的な設計手法を提案することを目的とした.積層造形で製作された造形物には,積層方向に依存した異方的な強度特性が存在することが知られており,安全利用の妨げとなっている.そこで,引張・曲げ強度試験により強度特性を系統的に把握し,さらに,既存の表面改質処理が強度特性を部分的に改善する効果を有することを確認した.また,これらの実験的に得られた知見が,実際の義手部品の強度予測に適用可能であることを確認できた.本研究では,近年生産技術としての活用が盛んになってきている3次元積層造形技術を活用し,ユーザ個人に適合した支援機器部品の製作を可能にする設計技術の構築を目指す.補装具に用いられるモジュール部品は,規格品の組み合わせで多様な身体状況への適合を可能にする.一方で,部品の品種点数の制約から,規格範囲外の適合は困難になる場合が多い.本研究では,このような問題を解決するために,所望の適合寸法の補装具部品を,3次元積層造形法でオンデマンド生産するための設計・生産手法を開発する.今年度は,1.オープンデータベースにおける福祉機器・用具に関する設計情報共有状況の定性的調査,2.ABS樹脂の熱溶解積層で製作した樹脂試験片の強度試験,3.能動義手の熱溶解積層法による試作,の3項目を実施した.福祉機器・用具の部品の3次元情報は,すでに3Dプリンタに関するいくつかのオープンデータベースコミュニティにて共有・利活用されている.しかし,それらの強度設計の信頼度はデータ提供者の技能等に依存しており,個人利用した際の安全性は担保されていない.キーワード検索により,共有されている義肢・車椅子に関する設計情報を抽出したところ,静的な荷重計算で強度設計が十分に達成できる部品に加え,繰り返し荷重が印加され一定レベルの強度解析を必要とする部品が多く共有・利活用されていることが分かった.熱溶解積層で製作したABS樹脂試験片の引張試験と有限要素法解析結果を比較したところ,造形の質によっては解析と実試験の結果に大きな不整合が生じる条件が存在することが分かった.一方で,データベースにおいて共有されている能動義手の一つを実際に出力・アセンブリし,専門職による機能検証を行ったところ,軽量物の把持などにおいて十分な機能を有する機構・構造が実現されていることが分かり,信頼性担保の重要性が示唆された.今年度は,前年度に実施した強度試験と部品試作で得られた知見を発展させ,以下のような成果を得られた.i) FDMで製作した試験片の造形条件と強度特性の系統的理解:低価格な3Dプリンタで最も多く採用されている熱溶解積層法(FDM)による造形物の強度特性を系統的に理解するために,造形条件と引張・曲げ試験結果の関係性を検討した.その結果,造形雰囲気温度の設定,積層方向,積層パス,アニール処理,溶剤浸漬処理,などが,試験片の強度特性に与える影響を定量的に把握できた.ii)義手パーツの強度試験と造形条件最適化:上記試験で得られた知見が,実際の部品形状に適用可能であることを確認した.FDMで造形することを前提に設計・公開されている能動義手のパーツを,JIS T9218-92に準じた試験法で評価した.その結果,積層方向や後処理などの造形条件とパーツ強度の間に,一貫した関係性を確認でき,造形条件の最適化で強度を改善できることを実証した.iii)義肢装具材料との比較:義肢装具分野におけるFDM造形物の位置づけを把握することを目的とし,その基本的な力学特性を一般的に使用されている義肢装具材料のプラスチックの特性と比較した.その結果,ナイロンストッキネットなどのラミネーションプラスチックと比較して,FDMで造形したABS試験片は,破断に至る応力は大きく変わらないものひずみが小さく,脆性的なふるまいを見せる点で大きく異なる特性を有していた.iv)部品構造の自動生成手法の構築:造形物の設計パラメータを簡易に変更して造形データを得られる自動生成手法を提案・構築した.食事動作のリハビリテーションに用いられる福祉用具を対象に,パラメータ間の干渉などを確認する機能を実装し,専門的な知識が無くても臨床現場で容易に形状をカスタマイズできるシステムを構築できた.本研究では,近年生産技術としての応用が期待されている3次元積層造形技術を福祉機器部品の製造に適用するための,基礎的な設計手法を提案することを目的とした.積層造形で製作された造形物には,積層方向に依存した異方的な強度特性が存在することが知られており,安全利用の妨げとなっている.そこで,引張・曲げ強度試験により強度特性を系統的に把握し,さらに,既存の表面改質処理が強度特性を部分的に改善する効果を有することを確認した.また,これらの実験的に得られた知見が,実際の義手部品の強度予測に適用可能であることを確認できた.今年度は,3次元積層造形法を用いた福祉機器・用具製作時における問題を,主に強度設計の観点から考察した.3次元積層造形法を用いて製作した部材の強度評価はこれまでにも様々な応用を志向して研究されてきたが,本分野における知見の蓄積は十分とは言えない.一方で,オープンコミュニティにおける福祉機器・用具部品や自助具の設計情報の共有や利活用はすでに始まっており,本研究の意義は大きい.全期間を通しての目標設定に対して,今年度は実際に共有されている福祉機器・用具部品に着目し,現況の把握・機能の検証を行った.さらに,ABS樹脂試験片の強度評価から,熱溶解積層法で造形された部材の強度解析において,計算結果との相違が無視できなくなる条件を抽出できた.

従って,抽出された条件を回避するような構造や造形パラメータを自動的に付与・算出できるアルゴリズムが求められる.これらの成果は,3次元積層造形法を用いた補装具部品の設計手法を構築する上で重要な知見であり,次年度の研究遂行に向けて必要十分な進捗であると考える.福祉工学次年度は,今年度に得られた知見にもとづき,3次元造形法を用いて福祉機器・用具部品を製作する際の部品構造の自動生成・強度評価手法を構築し,既存製品に用いられている選択・調整適合型の部品品種を3次元造形品で拡充できることを確認する.さらに,JISで制定されている補装具部品の強度評価試験を用いて,設計された強度が3次元造形法で達成されていることを検証し,提案手法の妥当性を確認する.手動車椅子及び下腿義足の完成用部品から,数種類の選択・調整適合型部品を選定し,それぞれの適合寸法を提案手法により可変させる.まず,部品形状の3次元測定から,基本となるCADデータを作成し,可変・固定領域を設定する.自動生成した部品構造の強度を,強度ー構造データベースに基づき評価し,適正な安全率を有することを確認する.最後に,造形した部品構造を用いて実際の部品強度評価試験を行うことで,安全率設計の妥当性を検証する.破損の有無を確認するだけでなく,試験中の応力測定などを組み合わせ,近似的な応力解析結果と一致していることを確認する.さらに,意図的に安全率を低く設定した部品構造を製作し,想定通り破損に至ることも確認し,提案手法の妥当性を多面的に実証する.本研究では,3次元造形法による試験部材の製作と,強度解析のための数値計算ソフトウェアの購入を予定していた.3次元積層造形に用いる消耗品の量が予想より少なく,購入予定のシミュレーションソフトの選定に想定以上の時間を要しため次年度使用額が生じた.実施した強度試験の分析が終了次第,適切な数値計算ソフトウェアの購入を進める.また,次年度は多様な材料を用いた3次元積層造形法による試作を予定しているため,併せて予算を執行していく.
ガラス伏スラグのガラス転移と物性変化に関する研究

2次の相転移であるガラス転移を冶金スラグのガラス化や結晶化に如何に利用できるか、またガラス転移点Tgを含むなるベく広い温度範囲で、粘度、膨張率、比熱等を測定し、ガラス転移に伴うスラグ物性値の変化挙動を解明し、逆に、測定の容易な低温度の測定値から高温度の値を外挿する方法を見出すことを目的として本研究を行った。しかし、結果的に低温度の測定から高温度の物性を推定する適切な方法は見出せなく、その点で本研究の目的の一部は未解決である。研究内容は1.粘度測定、2.Tg、Tcの結晶化への利用、3.分子動力学(MD)シミュレ-ションに大別できる。1.ボロシリケ-ト系、オキシナイトライド系フラックスについて、平行板粘度計(10^<10>10^6 poise)と回転粘度計(10^310^0 poise)を用いて広い粘度範囲(対応する温度範囲6001600°C)にわたり系の粘度を測定した。粘度の中間領域10^510^3 poiseは直接測定できなかったが、Fulchen関数で良好な内挿が可能であった。なお、TgとFulcher定数T。との間に相関関連は見出せなかった。2.Tg、Tcはガラスの結晶化熱処理温度に指針を与える。本研究ではセラミックスを接合したガラスソルダ-層の結晶化のため、ソルダ-のTg、Tcを測定して2段熱処理の条件を定めた。このようにして、MgOーおよびCaOーAl_2O_3ーSiO_2ーZrO_2ガラスソルダ-によりセラミックスの良好な接合(200MPa)を得た。3.Na_2ーSiO_2系について、粘度のMDシュミレ-ションを試み、定性的には粘度の温度、組成依存性を再現することができた。しかし、ネットワ-ク形成系の輸送的性頂を定量的に計算機実験で再現するには、少なくとも20000粒+系で10^5ステップ以上の計算が必要で、現状の計算機客量では客易に実行できない。融体を冷却してゆくと、粘度の高い物質では、結晶化することなく液体状態のまま凍結した、いわゆる、ガラスを形成する。この過程を適当な物性、例えばモル体積に注目して追跡すると、過冷液体からガラス状態に変化するとき、モル体積の温度依存性に折点を生じる。この温度をガラス転移点Tgと呼ぶ。この転移は構造的に連続であって、構造の緩和時間が結晶のそれと等しくなるという動力学的な転移として理解されている。このガラス転移について、粘度、膨張率、比熱等を測定してその本性を明らかとし、じきん冶金フラックスへ適用しようとするのが本研究の目的である。本年度は比熱、膨張率測定のための装置を作り、予備テストを行い、また、ガラス状態からメルト状態に至る広い粘度範囲(10^<10>10^1Pas)での測定をNa_2-B_2O_3-SiO_2系について、2種類の粘度系により実施した。さらに同じ系について、分子動力学的シミュレーションを行った。

ボロシリケートの粘度測定結果は、B_2O_3の粘度に及ぼす両性的挙動を与え、さらにSiO_2の富側組成において、メルトとガラスにおけるB_2O_3の挙動が逆転するという奇妙な振る舞が観察された。この現象はガラス転移と関連するように思われるが、走査熱量計DSCによるTgの測定からは直接的な相関は得られず、さらに比熱の精細な測定を必要とする。なお、比熱のDSCによる測定には、空試料、標準試料、被験試料の3回を独立な測定を組合せるため、揃った測定値を得るためには熟練が必要で、現在まだ充分なデータを得るに至っていない。計算機シミュレーションによる粘度の測定は、境界条件を連続化するためのレプリカセルの影響が大きく、高温における低粘度域にシミュレーションは可能であるが、粘度の高いガラス化温度での計算は通常の方法では不可能に近く、特別な工夫を要する。粘稠な液体を冷却すると結晶化することなく凍結し、いわゆるガラスを形成する。ガラス状態では、原子は並進の自由度を失っており結晶状態と同じ物性値の温度依存性を示すが、構造的には液体とほとんど同じである。過冷状態からガラス状態への変化をガラス転移といい、その温度をガラス転移点Tgと呼ぶ。この現象は原子の移動度に関係する動力学的現象で、その本質は必ずしも定量的に解明されていない。本研究ではTg近傍の物性、とくに粘度との相関を冶金スラグ、フラックスについて調べること、およびTgの知識を冶金へ応用することを試みる。本年度は走査型熱量計(DSC)を用いてTg、Tc(結晶化温度)を測定した。結晶化に伴う発熱は一般に大きく、Tcは明瞭に求められるが、Tgは直接的には明確に測定できなかった。そこで比熱Cpを測定し、Cpの不連続からTgを求めた。この方法で、試料の熱含量を標準試料と近似させることにより良好な結果が得られた。Tg、Tcの測定結果をもとに、SiO_2-Al _2O_3-MgC系ガラスの結晶化を試み、核発生剤の効果を評価した。Tgは核発生、Tcは結晶成長の熱処理温度についての目安を与えるので、上記の核発生剤の評価のほか、連鋳パウダ-のガラス化能、結晶化傾向についての予測を可能とする。Tgと粘度の相関を求めるため、ガラスの粘度をFiber-extension法で測定を試みたが、試料の調整が困難で、結局失敗した。針嵌入法の採用を検討している。高粘度融体に適用するため、トルク直接測定による外筒回転型の新型粘度計を開発した。この方法では粘度の絶対測定が可能であり、標準試料の得られない高温融体への適用に利点がある。分子動力学による計算機実験を溶融ガラスの粘性に適用した。温度依存性、組成依存性などに網目構造物質の特徴を定性的には良く再現することができた。過冷却液体が温度の低下と共にその粘度を増し,遂に並進の自由度を失うとガラス状態になるが,ガラスを再加熱して溶融させる過程ではガラスの生成条件や加熱速度などに依存して種々な経路を辿りうる.この履歴現象を上手に利用すると,ガラスセラミックスやソルダ-ガラスの結晶化などに有効な応用が可能である.本年度はガラスソルダ-としての利用を追究しているオキシナイトライド系についてガラス転移点,Tgと結晶化点,Tcを測定し,結晶化熱処理温度の決定に利用し,ソルダ-ガラスの結晶化を実際に観察した.この測定にはDSC(走査型熱量計)を用いたが,TgはDSCの直接測定では精度良く木まらず,比熱の測走から内挿して求めた。オキシナイトライド系では一般にN__ー含有量の増加と共にTgは上昇し,zro_2,P_2O_5等の核発生剤を加えても結晶化は困難になる傾向を示した。この原因は主として粘度の上昇にあると考えられるが,実測のデ-タはほとんとない.そこで,MgーおよびCaーAlーSiーOーN系についてガラスおよびメルト状態における粘度を測定した.ガラス状態の粘度は平行板粘度計,メルトの粘度は新しく開発したトルク直接測定回転粘度計でそれぞれ測定した.測定結果はガラス,メルト両状態においてN__ー
イオンビーム解析によるプラズマ照射環境下での水素同位体動的吸蔵量のその場計測

核融合プラズマの長時間保持のためにはプラズマ対向壁での粒子制御が鍵であり,適切な壁調整が重要である.特に水素同位体の装置の内壁及び構造材料での挙動を把握し,その動的挙動を予測することが極めて重要課題となっている。以上の課題を明らかにするために本研究では、ダイバータプラズマ模擬試験研究で開発された小型高密度直流プラズマ源とバンデグラフ加速器を用いたイオンビーム解析装置を結合した装置を用いて,これまで不可能であったプラズマ照射環境下および直後の水素リテンション量のその場計測を行い,(1)炭素材中の動的リテンション量の直接計測と水素原子のイオン粒子束依存性,(2)炭素材料中の重水素-軽水素置換のダイナミクスなど未解明であったプラズマ-壁相互作用現象の物理機構を明らかにした。等方性黒鉛に対して重水素プラズマを照射し、プラズマ照射中、照射停止後の重水素吸蔵量を測定し、動的吸蔵量を計測した。動的吸蔵量は、静的吸蔵量と同様に、試料温度が増加するにつれて減少し、入射イオン粒子束が増加すると増加した。また、試料温度の増加に対する静的吸蔵量と動的吸蔵量の増加割合は同程度であることを確認した。さらに、TMAP7シミュレーションを用いた計算を行った結果、プラズマ照射中、照射停止後共に試料表面では拡散律速状態となっており、動的吸蔵量の放出時間は主にイオンの飛程付近から試料表面方向への勾配で決まることが分かった。そのため、プラズマ照射停止後は重水素の深さ分布が変化して表面方向への勾配が緩やかになることにより、プラズマ照射停止後の放出の特性時間はプラズマ照射中よりも大きくなることが分かった。重水素吸蔵後の等方性黒鉛に対して軽水素プラズマを照射することにより、水素同位体置換効果を調べた。その結果、軽水素粒子束が大きいほど重水素吸蔵量はより大きく減少し、減少は指数的であることが確認された。そして、軽水素プラズマ照射後、重水素プラズマを再度照射すると、軽水素プラズマ照射前と比べて照射中の重水素吸蔵量が増加するという現象が観測された。動的吸蔵量のみが変化していることから、水素粒子束によって試料における重水素の拡散係数もしくは再結合係数が変化した可能性が考えられる。将来の核融合炉において、材料中のトリチウムを水素同位体プラズマを用いて除去する際にはより高粒子束でプラズマを照射することが効果的であると示唆される。環状磁場閉じ込め核融合において、装置の内壁及び構造材料での水素同位体挙動を把握してその動的挙動を予測することが重要である。そのため実機環境下を模擬可能なプラズマ照射装置とイオンビーム解析(NRA,RBS,ERD)装置が一体となった、その場計測が可能な新装置の開発を行った。プラズマ生成部とイオンビーム源・解析用半導体検出器の間で差動排気を行うことにより、プラズマ照射中でもイオンビーム源・解析用半導体検出器を高真空で動作させることが可能になり、プラズマ照射環境下でのターゲット試料のイオンビーム解析(NRA,RBS)を行うことに成功した。タングステンへ重水素プラズマを照射しながら核反応分析法(NRA)計測を行うことで、重水素の動的リテンション量を実験的に計測することが可能となった。装置に蓄積されたトリチウムの除去手段の一つとして考えられている水素同位体による置換反応に関する実験も実施した。等方性黒鉛(ETP-10: IBIDEN CO., LTD)に重水素プラズマを照射し重水素を吸蔵させた後、真空中に放置しその後水素、ヘリウムプラズマを照射し、吸蔵量の変化を計測した。水素プラズマ照射では照射と同時に急激に重水素吸蔵量が減少した。ヘリウムプラズマ照射においては、多少の重水素吸蔵量の減少は見られたものの、水素照射のように吸蔵量がほぼ0となることはなかった。本実験結果は、水素同位体置換の効果による重水素吸蔵量の減少を示唆している。ダイバータプラズマ模擬試験研究で開発された小型高密度直流プラズマ源とバンデグラフ加速器を用いたイオンビーム解析装置を結合した装置を開発し,これまで不可能であったプラズマ照射環境下および直後の水素リテンション量のその場計測を可能としたこと。また、炭素材料中の重水素-軽水素置換のダイナミクスを実験的に明らかにしたことなど、当初の予定通り順調に研究が推移していると判断した。(1)炭素材中の動的リテンション量のイオン粒子束依存性等方性黒鉛ならびにCFC (carbon fiber composite)材を重水素プラズマに照射し,照射中の重水素吸蔵量をNRAで調べる。この時直流放電電流によりプラズマ密度を制御し,入射重水素イオン粒子束を変化させ,さらに空冷ターゲットにより温度を一定に制御し、重水素イオン粒子束と重水素吸蔵量との関係を明らかにする。

(2)ヘリウム(ネオン)照射による壁コンディショニング模擬実験重水素プラズマを予照射後,ヘリウム(ネオン)プラズマを一定時間照射し,重水素吸蔵の変化を調べる。プラズマ照射量を変化させて同様の実験を行い,ヘリウム(ネオン)プラズマ照射による重水素リテンション変化を明らかにする。さらに金属ターゲットのバイアス電圧を変化させ,重水素吸蔵の変化のネオンイオンエネルギー依存性についても調べる。(3)ヘリウムバブル形成が金属材料中の重水素吸蔵特性に与える影響金属ターゲット(SUS316,タングステン)にヘリウムプラズマを予照射し,ナノサイズのヘリウムバブルを表面付近に形成する。その後重水素プラズマを照射し重水素吸蔵量を調べ,ヘリウムプラズマ未照射試料の重水素吸蔵量と比較し,ヘリウムバブル形成が重水素吸蔵に与える影響について明らかにする。また重水素プラズマ照射後にヘリウムプラズマを照射しヘリウムバブルを形成し,その後重水素吸蔵量の経時変化を計測し,ヘリウムバブルが重水素吸蔵の経時変化に与える影響も調べる。ヘリウム-水素プラズマの同時照射に関しての実験も試みる。直接経費物品費1,011,304円内訳(SSD半導体検出器、照射材料(炭素、タングステン)、LaB6陰極材料、真空保守部品)旅費200,000円人件費・謝金193,280円
人力ロボティクス―人力機械のロボット化のための基盤技術と展開

本研究では,ロボットシステムとしての多機能性と人力機械としての本質的安全性,健康増進/リハビリテーション機能,環境親和性を兼ね備えるシステムの設計論を構築することを目的とする.本年度は,昨年度に引き続きパーソナルモビリティへの適用と手術支援ロボットへの応用可能性の検討を継続するのに加え,新たに手動式産業機械への応用とロハス・モビリティへの応用可能性の検討を開始する計画であった.これに対する実績を以下に項目ごとに示す.まず手術支援ロボットへの応用可能性の検討に関しては,医療用受動式プローブ位置決め装置の基本設計をおこなった.また、これまで開発してきた機構及び回生クラッチを適応した脳神経外科用位置決めメカニズムの設計を行った.手動式産業機械への応用に関しては,新たに回生サーボクラッチと定荷重ばねを用いた1クラッチ関節駆動機構を開発した.またこれを2セット用いたパラレルロボットである2自由度位置決め機構を開発した.これにより人力駆動による平面内での2自由度位置決めを実現した.モビリティへの応用可能性の検討に関しては,人力ロボティクスを足漕ぎ式移動機構へ応用するための制御に用いるための入力動力の計測システムを構築した.また,人力ロボティクスを応用したモビリティのハードウェアを完成させた.回生エネルギ再利用型パワーアシスト駆動系の開発に関しては,基本的な技術開発を完了した.また手術支援ロボットへの応用可能性の検討に関しては,受動式プローブ位置決め装置の基本設計を完了し,また脳神経外科用位置決めメカニズムの要求仕様を検討し、設計作業を継続的に行っている.手動式勧業機械への応用に関しては,基本的な技術開発を完了した.モビリティへの応用可能性の検討に関しては,ロハス・モビリティのハードウェア開発を完了させ,制御手法の実装に着手している.以上の状況は,おおむね当初の計画通りである.現在までの進捗状況に記載の通り,今後の研究についても予定通りに進めてゆく.まず手術支援ロボットへの応用可能性の検討に関しては,受動式プローブ位置決め装置の開発と評価を完了する.また脳神経外科用位置決めメカニズムに関しては,H30年度に行った設計に基づきメカニズムを試作,評価を行う予定である.次に手動式産業機械への応用に関しては,更なる多自由度化と多機能化を目指す.モビリティへの応用に関しては,人力ロボティクスの基本的な制御手法の実装を進める.また,人が動力を与えるモビリティであることを前提とした運動生成手法を適用し,そのシステムの実証を進める.本研究では,ロボットシステムとしての多機能性と人力機械としての本質的安全性,健康増進/リハビリテーション機能,環境親和性を兼ね備えるシステムの設計論を構築することを目的とする.本年度は,回生サーボクラッチを用いた人力関節駆動系と,本質的安全性を損なわない回生エネルギ再利用型パワーアシスト駆動系を開発し,またこれらを人力パーソナルモビリティへ適用し評価する計画であった.これに対する実績を以下に項目ごとに示す.まず回生式人力関節駆動系の開発に関しては,これまでに開発した回生サーボクラッチを利用した人力関節駆動機構を開発し評価したところ,良好な制御性能を持つことを確認した.また回生エネルギ再利用型パワーアシスト駆動系に関しては,上記の人力関節駆動機構に回生電力を用いたアシストモータと無段変速機を搭載した改良機を開発し評価したところ,制御性能とエネルギ効率には改善の余地があるが,駆動時の負荷を低減することができることを確認した.人力パーソナルモビリティへの適用・およびロハスモビリティの人力ロボティクスの応用可能性の検討に関しては,2輪駆動型パーソナルモビリティ機構へ人力ロボティクスを適用し,回生ブレーキおよびモータを用いたシステムにより登場者のペダリングを制御する技術を開発した.手術支援ロボットへの応用可能性の検討については,パッシブ型位置決め関節機構のコンセプト確認と位置決め制御システムの試作と検証を行った.回生式人力関節駆動系の開発に関しては,基本的な技術開発を完了した.また回生エネルギ再利用型パワーアシスト駆動系に関しては,当初予定していた技術開発と評価を完了し,現在はさらなる性能向上の可能性を検討しているところである.人力パーソナルモビリティへの適用・およびロハスモビリティの人力ロボティクスの応用可能性の検討に関しては,パーソナルモビリティ試作機を製作し今後の制御システム構築への準備を整えた.手術支援ロボットへの応用可能性の検討に関しては,当初予定していたコンセプト検討を完了し,今後は制御性能向上を検討している.以上の状況は,おおむね当初の計画通りである.本研究では,ロボットシステムとしての多機能性と人力機械としての本質的安全性,健康増進/リハビリテーション機能,環境親和性を兼ね備えるシステムの設計論を構築することを目的とする.本年度は,昨年度に引き続きパーソナルモビリティへの適用と手術支援ロボットへの応用可能性の検討を継続するのに加え,新たに手動式産業機械への応用とロハス・モビリティへの応用可能性の検討を開始する計画であった.これに対する実績を以下に項目ごとに示す.まず手術支援ロボットへの応用可能性の検討に関しては,医療用受動式プローブ位置決め装置の基本設計をおこなった.また、これまで開発してきた機構及び回生クラッチを適応した脳神経外科用位置決めメカニズムの設計を行った.手動式産業機械への応用に関しては,新たに回生サーボクラッチと定荷重ばねを用いた1クラッチ関節駆動機構を開発した.またこれを2セット用いたパラレルロボットである2自由度位置決め機構を開発した.これにより人力駆動による平面内での2自由度位置決めを実現した.

モビリティへの応用可能性の検討に関しては,人力ロボティクスを足漕ぎ式移動機構へ応用するための制御に用いるための入力動力の計測システムを構築した.また,人力ロボティクスを応用したモビリティのハードウェアを完成させた.回生エネルギ再利用型パワーアシスト駆動系の開発に関しては,基本的な技術開発を完了した.また手術支援ロボットへの応用可能性の検討に関しては,受動式プローブ位置決め装置の基本設計を完了し,また脳神経外科用位置決めメカニズムの要求仕様を検討し、設計作業を継続的に行っている.手動式勧業機械への応用に関しては,基本的な技術開発を完了した.モビリティへの応用可能性の検討に関しては,ロハス・モビリティのハードウェア開発を完了させ,制御手法の実装に着手している.以上の状況は,おおむね当初の計画通りである.現在までの進捗状況に記載の通り,今後の研究についても予定通りに進めてゆく.まずパワーアシスト駆動系の開発,手動リフト等への応用に関しては,前者が完了しつつあることに鑑み,項目を発展的に統合して多自由度人力駆動ロボットの開発を行う.次にパーソナルモビリティ,ロハス・モビリティへの応用に関しては,製作したプラットフォームを用い,能動的かつ本質的に安全な運動の生成手法の検討や搭乗者の健康および環境親和性への評価の準備を進める.手術支援ロボットへの応用に関しては,これまでの検討結果に基づき,人力駆動型手術器具位置決め機構の開発を開始する.現在までの進捗状況に記載の通り,今後の研究についても予定通りに進めてゆく.まず手術支援ロボットへの応用可能性の検討に関しては,受動式プローブ位置決め装置の開発と評価を完了する.また脳神経外科用位置決めメカニズムに関しては,H30年度に行った設計に基づきメカニズムを試作,評価を行う予定である.次に手動式産業機械への応用に関しては,更なる多自由度化と多機能化を目指す.モビリティへの応用に関しては,人力ロボティクスの基本的な制御手法の実装を進める.また,人が動力を与えるモビリティであることを前提とした運動生成手法を適用し,そのシステムの実証を進める.購入予定であった減速機のキットが格安で入手できたため,次年度使用額が生じた.30年度に開発予定の試作機を高機能化することで使用する予定である.手術支援ロボットへの応用可能性の検討に関して,今年度は既存開発の機構を用いて検討を行ったため,部品加工費を節約することができた.H30年度予算をR元年度予算へ繰越し,新規機構の加工費に使用する予定である.
microRNAによる急性腎障害発症機序の解明と、早期診断バイオマーカーへの応用

心臓血管手術患者を対象に、周術期の急性腎障害(AKI: Acute Kidney Injury)発症の早期診断バイオマーカーの探索を目的に、血液中、尿中エクソソーム中のmicroRNA(miRNA)を網羅的に解析し、AKI発症の早期検出に特異度、感度何れも優れているmiRNAを検討した。また、統計解析で有意に変化があると判明したmiRNAのターゲットとなるタンパク質を同定する事で、AKI発症の新しい機序、及びmiRNAのAKI発症における役割を探求することを主眼において研究を行った。本年度は、心臓血管手術のうち、近年盛んである、胸部及び腹部ステントグラフト手術患者を対象として、術後急性腎不全を発症した患者の尿中microRNAの網羅的解析を行うことを目標に研究を進めた。具体的には、それらの手術をうけ、術後急性腎障害を発症した患者及び発症しなかった患者(もしくは正常健康人)の麻酔導入後の尿及び手術終了時の尿を超遠心し、エクソソームをペレット化し、、miRNAの分離・濃縮を行った。その後、バイオアナライザーを用いて、サンプルからmiRNA群が抽出されていることを確認後、small RNAのライブラリ作成(Ion total RNA-seq kitを用いたフラグメント化)し、cDNAに変換を行った。さらにエマルジョンPCR法を用いて、cDNAを増幅させ、シーケンシングに持ち込んだ。超遠心よりペレットを分離する際に、ペレットをlossしてしまいやすく、microRNAの抽出が困難な場合が存在していることが大きな原因と考えられる。去年度においては、多数の症例数を行うため、心臓血管手術の中でも症例数の多い胸部及び腰部ステント-グラフト挿入術を中心に、実験検体として周術期の尿を採取して、そこからエクソソームを超遠心にてペレット化し抽出することで、miRNAの分離、濃縮を行った。その後、バイオアナライザーを用いて定量測定し、small RNAのライブラリー作成後、cDNAに変換を行った。さらにエマルジョンPCRを用いて、cDNAを増幅させ、次世代シーケンサーにより、急性腎障害の起きた症例と起きなかった症例のmiRNAの変化の比較検討を行った。今年度においては、急性腎障害の起きた症例と起きなかった症例において、周術期に変化に違いのあったmiRNAを対象に、リアルタイムPCR法を用いたmiRNAの発現解析を行って、幾つかの候補に挙がったmiRNAの、より詳細な定量化を行った。去年度においては、エクソソームのペレット化に難渋した。今年度においては、市販されているエクソソームの抽出キットを使用し、去年度に比べて分離抽出の精度が向上した。今年度においては、より少ないmiRNA量で、実験が可能なmiRNAの発現をリアルタイムPCRで定量解析を行った。周術期の急性腎障害(AKI: Acute Kidney Injury)発症の早期診断バイオマーカーの探索を目的に、血液中、尿中エクソソーム中のmicroRNA(miRNA)を網羅的に解析し、AKI発症の早期検出に有用なmiRNAを検討した。また、そのmiRNAのターゲットとなるタンパク質を同定する事で、AKI発症の新しい機序、及びmiRNAのAKI発症における役割を探求することを主眼において研究を行った。最終年度として、周術期に急性腎障害を発症した患者としなかった患者のmiRNA発現の網羅的解析を行うことで、急性腎障害発症の予知マーカーを、パワー解析で設定した症例数まで症例を収集する事に主眼をおいて、実験を行った。また、急性腎障害のラットモデルの構築にも尽力した。具体的は、麻酔導入直後、(人工心肺中・離脱直後)・手術終了時・(8時間後)・24時間後で採血・採尿を行い、超遠心法及びエクソソーム単離キットを用いて、エクソソームの分離を行った。解析には、CLCバイオ社のGenomic Work Benchを使用した。現在、可能性のあるmicroRNAの統計解析を行っている。また、一方で研究手法が次世代シーケンサーを用いた研究手法で同じなため、共同研究を行った研究課題"次世代シーケンサーを用いた、チアノーゼ先天性心疾患における血球異常症の発症メカニズムに関与する赤血球中microRNAの網羅的解析"に関してh、共同演者として2017年度の日本麻酔科学会で報告し、最優秀演題を受賞した。現段階で有意なmicroRNAは認めていないが、サンプル抽出を継続していく予定である。また、ペレットロスに関しては、スイング式の超遠心が利用できないため、キットを用いた方法も検討していく。