hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
回転超流動ヘリウム3の流体力学-超低温におけるミニチュア初期宇宙-

超流動^3He表面上2次元電子の運動によって誘起される超流動^3Heの運動のうち、準粒子素励起の運動のみが電子抵抗の原因となる。この描像を確立し、超流動秩序パラメータの表面近傍の振る舞いと準粒子の運動に関する新しい知見を得た。超流動^3He薄膜の超流動転移において既存の理論では説明のできない転移温度の減少を発見した。超流動^4He表面下のイオンの運動が誘起する流れにおいて、層流から量子渦生成状態への明瞭な転移を始めて観測し、その臨界速度について新たな知見を得た。超流動^3Heの回転実験は、なお今後の課題である。超流動^3He、特にA相と呼ばれる相では流れと秩序パラメータの関係を記述する方程式が波動関数の位相だけではなく、テクスチャーと呼ばれる特有の空間構造に依存し、かつエネルギーギャップが消失する点がフェルミ面上に存在するために散逸の効果が重要となるなど、流体力学的な性質には複雑で多様な要素が存在する。この特異な液体における流体現象には、まだ多くの未知の現象があるが、わずかな研究がなされているに過ぎない。本研究は、これまで困難であった、超流動^3Heの流れを超低温領域で実現し、回転により制御されたテクスチャーのもとで流体力学的な性質を調べることで、超流動^3Heと素粒子論との対応について研究する。今年度は回転冷凍機を用いた量子渦に関する実験と、超流動ヘリウム3の表面近傍のテクスチャーについて実験結果の解析を行った。回転希釈冷凍機を用いた実験では、ヘリウム表面上2次元電子系の伝導度測定における回転効果を常流動ヘリウム3上でも測定し、従来、量子渦によるものであるという解釈がなされていたものが実は回転による液面の変位によるものであることを明らかにした。今後、量子渦からの効果を同定することが大きな課題である。また、素粒子論との対応の観点からは量子渦が存在する状況での表面波の実験が重要と考えられることから、その測定の準備も行う予定である。超流動ヘリウム3の表面テクスチャーの測定は200mKまでの超低温において、磁場を液面と平行に印加して行った。伝導度の詳しい解析からA相におけるエネルギーギャップのノード点の存在がまぎれのないものとして結論できることを明らかにした。B相の測定からは、磁場によって誘起された異方性が自由表面の存在による境界条件によって配向する現象をこれまでになく鮮明に観測することができ、理論との比較も厳密に行えることがわかった。超流動3He、特にA相と呼ばれる相では流れと秩序パラメータの関係を記述する方程式がテクスチャーと呼ばれる特有の空間構造に依存し、かつエネルギーギャップが消失する点がフェルミ面上に存在するために散逸の効果が重要となるなど、流体力学的な性質には複雑で多様な要素が存在する。本研究は、超流動3Heの流れを超低温領域で実現し、回転により制御されたテクスチャーのもとで流体力学的な性質を調べることで、超流動3Heと素粒子論との対応について研究することを目的とする。今年度は、ヘリウム表面電子のバンド間遷移にともなうダイナミクスに興味深い発見があり、こちらの研究の発展も図った今年度は回転冷凍機を用いた量子渦に関する実験と、超流動ヘリウム3薄膜という2次元的な空間の制約を加えることでテクスチャーを制御する実験を行った。回転希釈冷凍機を用いた実験では、液面上の2次元電子に対する量子渦の影響が小さいことが明らかになったので、液面下に蓄えたイオンの伝導特性を調べることに方針を切り替えて、測定の準備を行った。イオンを液体ヘリウム中で電界放出させるために、以前我々が開発したカーボンナノチューブを用いる方法を採用し、試料容器の製作を行い予備的な実験を行った。超流動ヘリウム3膜の流動特性を調べるために、これまで櫛形電極を用いて、電界駆動の方法を開発してきたが、この方法を磁場中で行えるような試料容器を作成し、冷凍機への取り付けを終了した。空間的に閉じ込められたナノスケール領域での流体力学は実用的な重要性もあり、近年急速に注目を集める研究テーマとなっている。超流動ヘリウム3という特異な性質を利用して独創的な研究の展開が大いに期待される。ヘリウム表面上2次元電子のミリ波励起における量子ダイナミクスの研究により、顕著なホットエレクトロン効果が見出され、非線形な振舞いなど今後の研究の展開が期待される。超流動^3He、特にA相と呼ばれる相では流れと秩序パラメータの関係を記述する方程式がテクスチャーと呼ばれる特有の空間構造に依存し、かつエネルギーギャップが消失する点がフェルミ面上に存在するために散逸の効果が重要となるなど、流体力学的な性質には複雑で多様な要素が存在する。

本研究は、超流動^3Heの流れを超低温領域で実現し、回転により制御されたテクスチャーのもとで流体力学的な性質を調べることで、超流動^3Heと素粒子論との対応について研究することを目的とした。今年度は3年間の研究計画の最終年度にあたる。超流動^3He表面上の電子結晶の伝導現象に関してこれまでに得られている実験結果を理解するために、定量的な理論解析を行った。その結果、磁場中B相のテクスチャーが表面に垂直に配向していることが明らかになった。この構造は表面近傍でのみ理論的に期待される構造であり、表面から離れるにしたがってテクスチャーは表面と平行になることが期待される。しかし、実験結果からはそのような空間構造に対応する結果は得られていない。この矛盾はテクスチャーの中を運動する準粒子が重力レンズ効果に対応する、曲がった空間の影響を受けているものと仮定すると説明がつく。この効果についての定量的な理論計算が必要である。^3He薄膜の超流動転移の詳細な測定が進行中で、これまでの理論的予想に反する転移温度の抑制が確認された。超流動^4He表面下のイオン移動度の速度依存性に、量子渦のない単連結空間から量子渦を伴う多重連結空間への巨視的なトンネル現象によると考えられる、不連続な転移を観測した。この現象は宇宙のスタートとも関連する興味深い現象である。
胎児発育不全妊婦のMRIによる胎盤、胎児の酸素濃度変動測定とタダラフィルの効果

胎児発育不全(fetal growth restriction:FGR)は、胎盤の虚血、低酸素を成因とし、胎児への持続的な低酸素暴露により発育が抑制されるが、胎盤、胎児の酸素濃度変動を直接測定する方法は確立していない。我々は、ホスホジエステラーゼ5阻害薬のタダラフィルがFGRに効果があることを見出した。本研究では、FGR妊婦を対象に、blood oxygen level dependent(BOLD)-MRIを応用し、胎盤、胎児の酸素濃度変動を直接測定できる方法を確立する。その後、タダラフィルのFGR治療法の確立のために、この測定方法でタダラフィルの効果の評価を行う。
小児リハビリ支援のためのウェアラブル行動・嚥下解析システムの開発とその医学的評価

本研究では、脳性麻痺や発達障害等を持つ子供のリハビリテーションの支援のため、活動状態や健康状態の定量評価を実現すべく、小児の動作・行動の特徴とリハ効果、また嚥下障害や痰詰まり等による呼吸障害発生の危険度を、簡便に解析可能なシステムの開発を行った。具体的には、姿勢変化や歩行速度、さらには動作の再現性を評価可能なウェアラブルシステムと、睡眠状態や呼吸障害による不安定性を解析可能なベッド内蔵型システムが開発され、良好な計測性能が確認された。また実際の小児や脊髄損傷患者における計測結果より、本システムは装具の効果等を含む療法効果や、健康状態の解析に非常に有用であることが確認された。本研究では、脳性麻痺や発達障害等を持つ子供のリハビリテーション(以下、リハ)において、活動状態や健康状態の定量評価を実現すべく、小児の動作・行動の特徴とリハ効果、また安全な生活に不可欠な嚥下障害発生の危険度を、簡便に解析可能なシステムの開発を目的としている。特に平成26年度は、小児リハ室における動作の問題点や、装具及びリハ効果抽出法の確立を目標とし、ウェアラブル活動計測システムの試作とリハ効果評価のための解析手法について検討を行った。まず計測システムについては、これまで成人を対象として開発を行ってきたウェアラブル姿勢・活動計測システム(Motoi, et al., Sensors & Materials, 24(6), 2012)について、小児の歩行動作判別やその特徴変化を検出できる解析法を新たに組み込んだ。これにより、小児リハで行われているボール遊び等を活用した療法(自由行動)中の活動データから、行動状態や歩行における療法効果を抽出可能となった。例えば、3歳ダウン症男児においては、歩行や立位の継続時間評価や、それに基づく遊びへの積極・継続・集中度が確認できることが判った。また歩行1周期毎の姿勢変化、歩行速度データから、装具装着による動作の安定性や、加速・減速運動の円滑さといった詳細な評価も可能であった。小児におけるリハでは、情緒・知的面の未成熟もあり、従来の動作解析装置や動画記録を用いて、特別な検査時間や環境を設けて行動・歩行状態を評価することは困難であった。本研究成果はこれら問題を解決できるものであり、定量的なデータに基づく評価法の実現という点でも、有意義なものである考えられる。なお、小児は成長段階にあるため、データに有意な変化がない場合に、療法効果がなかったのか、あるいは成長・調整段階であるためかといった臨床的検討に向けて、今後さらなる評価も必要である。本研究では、脳性麻痺や発達障害等を持つ子供のリハビリテーション(以下、リハ)において、活動状態や健康状態の定量評価を実現すべく、小児の動作・行動の特徴とリハ効果、また安全な生活に不可欠な嚥下障害や痰詰まり等による呼吸障害発生の危険度を、簡便に解析可能なシステムの開発を目的としている。特に平成27年度は、夜間を含む日常生活中において簡便に、負担なく呼吸状態をモニタリングし、その障害の危険性を検知する手法の確立を目標とし、計測・解析システムの試作を行うと共に、特に誤嚥や痰のつまりが頻回に起きる脊髄損傷患者を対象とし、システムを用いた計測・評価を行った。まず計測システムについては、小児が計測を気にすることなく、かつ夜間の睡眠時といった、見守りが困難な時間も含めた計測・解析を可能とすべく、寝床に設置可能なシート型圧力センサを用いた無負担型システムを試作した。解析方法については、これまでに検討を行ってきた循環器系疾患患者における呼吸安定性の知見を発展させ、呼吸状態の悪化を検出可能とした。これらシステムを用いて、成人脊髄損傷患者における長期的な呼吸状態の計測・評価を行った結果、本手法は排痰ケアの前後における呼吸状態の変化や、ケアの効果を判断する上で、非常に有用であることが確認された。本手法を小児リハ支援に適応することにより、医療施設における従来の嚥下検査等では発見することが困難であった、日常生活中の呼吸障害の発生を定量的に解析し、状態悪化への予兆の判断を支援することができると考えられる。なお、次年度においてはより若年者を対象とした計測をさらに実施するとともに、ウェアラブル行動モニターシステムも融合したネットワークシステムを開発し、その有効性評価を行っていく予定である。平成27年度研究計画においては、「誤嚥等を含む呼吸障害の危険性を抽出する手法の確立」を目標とし、研究開発を実施した。これに対し、シート型圧力センサを用いて、対象者に負担なく、睡眠中を含め長期に渡る呼吸データを取得し、呼吸障害の予兆やケアの効果を解析可能な完全無意識型の手法を新たに確立した。また成人脊髄損傷患者を対象とした実際の医療現場における計測・評価も実施した結果、排痰ケア前後における変化を定量的に検知可能であり、また痰のつまり等により徐々に状態が悪化していくことも追跡可能であることを実証した。これら知見については、学会発表等も行っており、特に呼吸障害を無意識・無拘束といった先進生体計測システムから明らかにする試みは先駆的であり、従来の医療施設における検査では発見できなかった症状・病態を確認することができ、当該分野の発展に寄与できる成果が得られている。またこれらデータの解析手法や生体信号処理回路に関する知見は、浴槽における心電図・呼吸計測システム等への応用も同時に進んでおり、研究成果のさらなる波及も期待される。しかしながら、小児における計測・評価はまだ不十分であり、様々な症状を持った小児においてデータを得て、さらなる評価や、解析法の改良を行っていく必要がある。

以上の観点から、本計画はおおむね順調に進んでいると判断される。一方小型マイクを装着するウェアラブル型システムについても、Wavelet変換を活用することにより、心音や呼吸音とは違う呼吸障害に伴う音声も確認可能であることも確認した。しかしながら、本手法を適応できる小児は限られており、前述の圧力センサ方式による手法と併せてネットワーク化・データ解析を行う手法の検討がさらに必要と考えられる。一方、システムの実用化を見据え、各センサユニットのさらなる小型化や、担当医師やリハスタッフにとって有意義なデータ提示方法の検討も必要とされる。本研究では、脳性麻痺や発達障害等を持つ子供のリハビリテーションにおいて、活動状態や健康状態の定量評価を実現すべく、小児の動作・行動の特徴とリハ効果、また安全な生活に不可欠な嚥下障害や痰詰まり等による呼吸障害発生の危険度を、簡便に解析可能なシステムの開発を目的としている。特に平成28年度は、これまで検討を行ってきた計測原理に基づき、実用に向けたプロトタイプネットワークシステムを開発し、実際の医療現場における計測を通じて、その有効性評価を実施した。具体的にはまず、活動計測については、これまでの脳性麻痺のみならず、事故にて脊髄損傷を負った子供における活動評価も想定し、姿勢変化の算出アルゴリズムの改良を行い、解析内容についても車椅子における動作分析も含んだ、より実用的な解析プログラムへと発展させた。また実際の現場における計測から、本システムはいつでもどこでも、リハビリの効果を把握でき、療法効果の確認を行う上で非常に有用であった。一方、呼吸状態についても、薄いフイルム型センサをベッドあるいは衣服内に装着することにより、日中あるいは夜間における誤嚥や痰のつまりによる呼吸の不安定性を早期に検知し、アラーム可能なプログラムを開発し、実際の現場における計測から、その有効性を確認した。さらに、これら計測・解析システムに加え、別途開発を行ってきた浴槽心電図計測システムを融合し、パラリンピックを目指す選手の健康管理への応用をも試みた。その結果、自宅において循環動態呼吸状態の異常がないか否か、トレーニングにおける疲労やストレスの影響などを解析する上で有効であった。以上の成果を今後さらに発展させ、医療分野への適応や新たな病態解析はもちろんのこと、さらにはパラリンピックを含む、障害者スポーツへの応用研究を推進していく予定である。本研究では、脳性麻痺や発達障害等を持つ子供のリハビリテーションの支援のため、活動状態や健康状態の定量評価を実現すべく、小児の動作・行動の特徴とリハ効果、また嚥下障害や痰詰まり等による呼吸障害発生の危険度を、簡便に解析可能なシステムの開発を行った。具体的には、姿勢変化や歩行速度、さらには動作の再現性を評価可能なウェアラブルシステムと、睡眠状態や呼吸障害による不安定性を解析可能なベッド内蔵型システムが開発され、良好な計測性能が確認された。また実際の小児や脊髄損傷患者における計測結果より、本システムは装具の効果等を含む療法効果や、健康状態の解析に非常に有用であることが確認された。平成26年度研究計画においては、「慣性センサユニットを用いた小児リハ室における動作問題点・装具効果抽出法の確立」という目標を設定していた。
微分方程式の対称性及び保存則の研究

研究代表者(渡辺)は以前より、非線形発展方程式の対称性、及び保存則の立場からの研究を計算機による数式処理システム(REDUCE)を用いて行ってきた。REDUCEの代数モードは柔軟性に欠け、処理速度も遅いのでプログラミングは主として記号処理モード(LISPモード)で行われた。今回分担者の協力によりこのようなプログラムを用いて、形式的線形化可能な発展方程式すなわち高次の対称性は許容するが自明でない保存則を持たない発展方程式に関して、いくつかの結果を得た。まず単独方程式について、発展方程式の階数が4で最高階に関して定数係数線形であれば、適当な従属変数の変換によって、定数係数線形方程式に帰着することを示した。次に連立方程式の場合を考察したが、今までのプログラムは単独方程式にしか適用できなかったので、それを連立方程式の場合にも使えるように改良した。これらのプログラムを用いて形式的線形化可能な3階の2元連立発展方程式の分類が、ある特別なクラスに限ってではあるが、ほとんど完成した。しかし分類で得られた方程式が実際に何らかの変換で線形化されるのかどうか、また自明でない保存則を持つ連立発展方程式の分類等の問題はこれからの課題として残された。以上の成果は1992年10月に京都大学数理解析研究所で行われた研究集会「非線形可積分系の現状と展望」において発表され、近日中に講究録として出版される予定である。また無限個の高次対称性を許容する5階の多項式型発展方程式で非正規型のものはすでに分類されていたが、それらの方程式に対してMiura型の変換を構成し、すべての方程式がソリトン理論でよく知らされた正規型の方程式に帰着することを示した。
ＲＮＡアプタマースイッチを利用した低オフターゲット効果ゲノム編集法の開発

本研究では、RNAアプタマーを応用したCRISPR/Cas9システムの高機能化を目指している。ゲノム編集に用いられるCRISPR/Cas9は20塩基という長い配列認識が可能であり、生物ゲノムのDNA配列を自在に改変することができる。正確なゲノム編集を行うためには、細胞の遺伝子修復機構の一つである相同性組換えを介した効率的な編集が必要となる。そこで、その手法としてGemininアプタマーの取得による細胞周期特異的なCRISPR/Cas9の活性化を行うことを目指した。Gemininは細胞周期のS/G2期に高発現しているため、Gemininアプタマー配列を有するCRISPRのguide RNA (gRNA)に対するアンチセンスRNAがGemininと結合し、gRNAから解離することでCas9を活性化する。大腸菌内においてGemininタンパク質を作製し、SELEX法を用いたアプタマーの取得を試みた。8サイクル後に配列の収束が確認されたが、シークエンスによる解析の結果、候補となる配列が取れていないことがわかった。そこで、すでに報告されているRNAアプタマーであるバクテリオファージMS2のカプシドタンパク質と結合するMS2アプタマーを利用し、細胞周期特異的な活性化を行うことにした。MS2アプタマーの配列をgRNAのテトラループ部位の配列を置換したgRNAを作製し、活性を評価したところ、Cas9の活性に影響がないことがわかった。今後はこのアプタマーに結合するMS2 coat protein(MCP)と蛍光タンパク質、さらにCdt1タンパク質由来のS期分解ドメインを融合した阻害タンパク質を作製し、G1期におけるCas9タンパク質の活性が阻害されるかを評価し、相同性組換え効率の向上が見られるかも評価していく。当初、Gemininに対するアプタマーを取得し、それをアンチセンスRNAとしてgRNAを不活化し、細胞周期のS/G2期において活性化を行う予定であったが、アプタマーがうまく取得できていなかった。また、細胞内のGemininを利用することによる細胞内Geminin濃度の低下による細胞への影響の懸念もあった。そこで、すでに報告されているMS2アプタマーの配列とそれに結合するMCP、更にCdt1由来のS期分解ドメインを利用した新たな系を構築した。これを用いても当初の目的と同様に細胞周期のS/G2期特異的なCas9の活性化が可能であると考えられる。本系を用いたゲノム編集による相同性組換えへの効果を迅速に評価し、時間的な猶予がある場合はランダム配列を減らしたRNAライブラリからのGemininアプタマーの再取得を試みる。ウエスタンブロットによってCdt1由来のS期分解ドメインによる阻害タンパク質量への効果があるかを評価する。細胞周期制御をノコダゾールなどの薬剤を用いて行い、切断活性が変化するかを評価する。作製したGFP発現レポーター細胞を利用し、GFPからBFPの色の変化から相同性組換えの効率を評価する。また、内因性のゲノム配列におけるゲノム編集も行い、非相同末端連結による変異導入に対する相同性組換えによる正確なゲノム編集の割合を算出し、既存の手法と比較する。

本系を用いたゲノム編集による相同性組換えへの効果を迅速に評価し、時間的な猶予がある場合はランダム配列を減らしたRNAライブラリからのGemininアプタマーの再取得を試みる。ウエスタンブロットによってCdt1由来のS期分解ドメインによる阻害タンパク質量への効果があるかを評価する。細胞周期制御をノコダゾールなどの薬剤を用いて行い、切断活性が変化するかを評価する。作製したGFP発現レポーター細胞を利用し、GFPからBFPの色の変化から相同性組換えの効率を評価する。また、内因性のゲノム配列におけるゲノム編集も行い、非相同末端連結による変異導入に対する相同性組換えによる正確なゲノム編集の割合を算出し、既存の手法と比較する。
海洋性珪藻新規ピレノイド因子の機能同定～海洋一次生産を担う葉緑体機能のモデル化～

海洋性珪藻Phaeodactylum tricornutumにおける新規ピレノイド局在タンパク質候補の一つについて、GFP融合タンパク質をP. tricornutumにおいて発現させた。GFPの局在をレーザー共焦点顕微鏡により観察したところ、葉緑体内に中空状にGFP蛍光が観察された。このことから、ピレノイド周辺に局在すると予測された。このタンパク質の海洋性中心目珪藻Thalassiosira pseudonanaにおけるホモログについても、GFP融合タンパク質を発現させることによって局在を観察した。その結果、葉緑体内にGFP蛍光が観察された。この因子の相同タンパク質は、珪藻やごく一部の藻類にしか保存されていない機能未知タンパク質であるが、ピレノイドの機能に関連する因子として興味深い因子である。本研究では、藻類で保存されているCGHR familyのうちの一つ(Pt43233)がP. tricornutumにおいてピレノイドに貫通するチラコイドルーメンに局在する炭酸脱水酵素(carbonic anhydrase: CA)であることが示さた。P. tricornutumにおける無機炭素濃縮機構(CO2-concentrating mechanism: CCM)は、これまでは葉緑体内に取り込まれた重炭酸イオンがピレノイドに局在するCAによりCO2へと変換され、ピレノイドに局在する炭酸固定酵素RubisCOへと供給されるというモデルが提唱されていたが、本研究の結果より重炭酸イオンはチラコイドルーメンに取り込まれ、ピレノイド貫通チラコイドに局在するPt43233によりCO2へと変換され、ピレノイドのRubisCOへと供給されているという緑藻Chlamydomonas reinhardtiiと同様のモデルが提唱され、収斂進化により獲得されたCCMであるが種を超え、そのモデルは共通している可能性が示唆された。また、架橋実験により、チラコイド膜上で重炭酸イオンを輸送するチャネルの候補についても得られている。これまでLCIBホモログとしていた因子を,他の生物との保存性の高い約100アミノ酸の領域をCys, Gly, His rich(CGHR) domainと名付け,その生化学的機能の同定を行った.海洋性羽状目珪藻Phaeodactylum tricornutumのCGHRfamilyタンパク質の一つであるPt43233を大腸菌で発現させ精製し,その酵素活性を測定することにより機能の同定を行った.また,珪藻内で発現させたPt43233:GFPタンパク質をGFP抗体を用いて免疫沈降を行い,酵素活性測定を行った結果,高い炭酸脱水酵素活性が得られ,CGHR familyは新規の炭酸脱水酵素であることが明らかとなった.また,P. tricornutumにおける新規ピレノイド局在タンパク質を探索するため,光クロスリンク実験を行い,ピレノイドに局在する炭酸固定酵素RubisCOと架橋するタンパク質の同定を行った.その結果,いくつかの候補因子が得られ,そのGFP融合タンパク質をP. tricornutumにおいて発現させることにより局在観察を行った.その結果,一つの機能未知因子がピレノイド周辺に局在することがわかった.現在この因子の機能同定のため,発現抑制体の作製を試みている.同様の光クロスリンク実験を海洋性中心目珪藻Thalassiosira pseudonanaにおいても行うため,架橋剤の取り込み条件の検討を行った.RubisCO抗体を用いた免疫沈降実験では,架橋により形成された超分子複合体が大きすぎるためか沈降されないという問題が生じたが,スクロース密度勾配遠心によりRubisCOを含む画分を分画する等条件検討が必要となった.密度勾配遠心後の画分から,RubisCOとともに検出された因子の中にピレノイド周辺に局在することが示唆される因子が得られた.ピレノイドの構造や機能の解明に繋がる因子であることが示唆され,今後の研究の進展が期待される.海洋性珪藻Phaeodactylum tricornutumにおける新規ピレノイド局在タンパク質候補の一つについて、GFP融合タンパク質をP. tricornutumにおいて発現させた。

また、架橋実験により、チラコイド膜上で重炭酸イオンを輸送するチャネルの候補についても得られている。P. tricornutumにおいては,新規のピレノイド関連因子が得られたので,その機能同定を中心に行う.海洋性中心目珪藻においても同様の実験を行い,ピレノイドの構造や機能について珪藻における普遍性について検討する.T. pseudonanaにおいては,すでにP. tricornutumにおいてピレノイドおよびその近傍への局在が明らかになっている因子について局在及び機能の同定を試みる.当初国際学会参加のための旅費を計上する予定であったが,参加登録が前年度であったため,旅費の支出額が大幅に減少した.これまでに羽状目珪藻P. tricornutumにおいて有力なピレノイド因子が得られているため,中心目珪藻においても同様の実験を進めるための試薬購入にあてる.
先天性心臓外科手術の全国的データベースの解析およびフィードバックシステムの構築

本邦における心臓血管外科手術の現状:2015年,2016年の日本心臓血管外科手術データベースの検討平田康隆,平原憲道,村上新,本村昇,宮田裕章,髙本眞一日本心臓血管外科学会雑誌2019年48巻1号p. 1-5概ね、予定通りに進捗している。また、リスク分析の論文についても現在ほぼ完成しており、提出前である。上記と同様。概ね、予定通りに進捗している。平成29年度はJCCVSDによって集積した日本全体のデータを用いることにより、平成26年度からすすめていた研究を引き続きすすめ、これらをまとめた。まず、欧州心臓胸部外科学会において、データベースを利用した「単心室に対する弁置換術の予後の検討」の発表を行った。また、1)JCCVSDデータベースの施設サイトビジットにより、データ入力、合併症入力の正確さを検討を行い、JCCVSDのデータ入力の正確さを示した。2)2013-2014年のJCCVSDデータ集計による日本全体の主な先天性心疾患手術の死亡率および合併症の検討を行い、本邦において行われている主な先天性心疾患手術の死亡率および合併症を示した。3)左心低形成症候群に対する両側肺動脈絞扼術と一期的ノーウッド手術の成績の比較検討を行い、本邦におけるそれぞれの手術選択の分布ならびに長期予後を示した。4)データベースによるダウン症候群に対する心臓手術の成績の検討を行い、二心室疾患における比較的良好な予後を示した。5)単心室に対する弁置換術の予後の検討を行い、単心室に対する弁置換術の比較的不良な予後を示した。以上の論文が査読付き学術誌にアクセプトされた。また、ベイズモデルを用いた日本における小児先天性心疾患手術のリスクモデルの作成のためのデータの解析を現在進めている。データベースを利用して、本邦における先天性心疾患手術の現状についての把握をすることができている。4編の査読付き学術誌への発表と1回の国際学会での発表を行った。論文発表1)JCCVSDデータベースの施設サイトビジットにより、データ入力、合併症入力の正確さを検討、2)2013-2014年のJCCVSDデータ集計による日本全体の主な先天性心疾患手術の死亡率および合併症の検討、3)左心低形成症候群に対する両側肺動脈絞扼術と一期的ノーウッド手術の成績の比較検討、4)データベースによるダウン症候群に対する心臓手術の成績の検討学会発表1)単心室に対する弁置換術の予後の検討本邦における心臓血管外科手術の現状:2015年,2016年の日本心臓血管外科手術データベースの検討平田康隆,平原憲道,村上新,本村昇,宮田裕章,髙本眞一日本心臓血管外科学会雑誌2019年48巻1号p. 1-5概ね、予定通りに進捗している。引き続き日本の先天性心疾患手術のデータを蓄積し、リスクモデルの作成にむけて研究を行う上記と同様。物品費が想定の費用以内であったため海外への旅費が予想よりやや低予算であったため。
抗体の交差反応性を利用する新しい医薬リード探索法の開発

交差反応性とはある抗原の免疫により得られた抗体が、別の抗原とも結合反応を示す現象である。ファーマコファーをモノクローナル抗体(MAb)の抗原認識部位に想定し、交差反応性を逆に利用してELISAへ応用することで、抗原と類似した構造を持つ新規化合物の探索が可能となると考えた。そこで本研究では標的化合物をmorphineとし、海洋生物よりmorphine様の反応性を示す新規化合物の探索を目的としてanti-morphine MAbの作製を行った。更に作製したanti-morphine MAbの交差反応性を利用したELISAを確立し、実際にmorphine様化合物の探索を行った。平成26年度は、平成24及び25年度に海洋無脊椎動物より発見した、anti-morphine MAb交差反応性を示すポリアセチレン系化合物について、抗原モルヒネおよび抗モルヒネ抗体に対する親和性メカニズムの解析を行った。まず、ポリアセチレン系化合物については、天然物であるため、その収量が低いことから、化学合成による供給を行った。市販の1,12-dodecanediolをPCC酸化し得られたジアルデヒド体を得た。このジアルデヒド体とPh3=CHCHOのWittig反応により1-al-2-en体を得た。このアルデヒド体とエチニルマグネシウムブロミドをGrignard反応し、炭素鎖20、分子両末端に"1-yn-4-en-3-ol"ユニットを有するビスアセチレンを合成した。この化合物をベースに酸化体"1-yn-4-en-3-one"、"1-yn-3-one"体の他、炭素鎖の異なる誘導体を合成した。また、出発原料にdodecanolを使用し、関連するモノアセチレン体も合成した。合成した11種のアセチレン系化合物について、anti-morphine MAb交差反応性を確認した結果、炭素数20、分子両末端に"1-yn-4-en-3-one"を有するポリアセチレンは、天然物である15,16-dihydropetrosynoneや3,28-diketopetrosynolと同等の交差反応性を示した。平成25年度の研究成果により、これらポリアセチレン系化合物はモルヒネ抗体ではなく、抗原であるモルヒネに親和性を示す事が推定されていたことから、この結合様式を、核磁気共鳴スペクトル(NMR)により解析した。10microMモルヒネのD2O溶液に2,5,10microMのadociacetylene Aのアセトン溶液を添加し、1H-NMRを測定した。その結果、モルヒネの窒素原子に結合するメチル基、メチン基、及び二重結合のプロトンに化学シフト値の変化が確認された。このことから、ポリアセチレン系化合物はモルヒネのC,D環部に直接結合することが示唆された。本研究成果は、上記ポリアセチレン化合物がモルヒネ中毒治療薬開発への可能を示唆するものである。天然物化学研究実績の概要で述べた通り、morphineに直接結合し抗原-抗体反応を阻害するビスアセチレン類と抗体であるanti-morphine MAbに作用し抗原-抗体反応を阻害する環状アルカロイド2種を見出した。ビスアセチレン類については,目的とする交差反応性を示す化合物ではなく、morphineに作用することから、新しいタイプのmorphine拮抗剤やモルヒネ中和剤としての利用も期待できる。更に、化学合成による原料供給も確立しており、予想外の展開が期待できる。また、アルカロイド2種については、まだ、MAbに抗原として認識されている直接の実験結果を得ておらず、平成26年度、オピオイド受容体に対する親和性試験を実施しなければならない。以上、平成25年度の達成度はほぼ満足できるものであった。研究実績の概要で述べた通り、抗体の交差反応性(抗原ー抗体反応)を利用することで、新しい機能を有する天然有機化合物の発見を可能とした。このことより、本手法の有効性が実証された。また、既に作製したanti-morphine MAbの抗原認識特性に問題があると判断し、新たに調製したmorphine-BSAコンジュゲートを用い抗体の再作製を行った。再作成ではmorphineとnaloxoneをスクリーニングに用いることで、より本研究目的に適応したMAbの調製が可能となった。従って、平成24年度の達成度はほぼ満足できるものであった。平成26年度は本スクリーニングにより発見したPapuamineおよびHaliclonadiamineについて、オピオイド受容体アゴニスト、アンタゴニスト活性を評価する。また、morphineに直接結合するビスアセチレン類については動物実験により、抗モルヒルヒ作用を検討すると共に、モルヒネ-ビスアセチレン結合様式を解明することで、モルヒネの検出試薬としての利用やモルヒネ中毒の治療薬としての開発に関する基礎的知見を収集する。平成24年度に本スクリーニングにより発見したPapuamineおよびHaliclonadiamineはELISAにおいてmorphineと競合することが示唆された。

従って、両化合物はオピオイド受容体においてもmorphineと競合し、アゴニスト、アンタゴニスト活性を有することが期待される。平成25年度はPapuamineおよびHaliclonadiamineのオピオイド受容体バインディングアッセイを行う。さらに、再作成したanti-morphine MAbを用いた化合物スクリーニングを行う。また、morphineに直接結合するポリアセチレン類については構造活性相関を検討すると共に専門誌への投稿を行う。年度末、当該年度所要額残高\44448を把握していたが、実験計画において必要とする経費に満たずなかったことから、次年度に繰り越した。繰り越し分は構造解析に使用するNMR用冷却溶媒費として使用する。平成25年度、研究遂行に新たな設備は必要としない。平成24年度と同様ELISA用試薬・器具、ターゲット化合物の抽出、分離、精製用試薬、構造解析に伴う試薬、NMR装置の冷媒である液体ヘリウム・窒素を必要とする。また、1次スクリーニングで有効性の確認された海洋生物採集のための沖縄、琉球諸島材料採集旅費および試料動物の運搬費を必要とする。また、最終年度実施予定であった、オピオイド受容体バインディングアッセイや薬理活性評価のための外部委託費を必要とする。
低温近接場分光法による単一半導体微粒子の光学的物性の研究

近年、低次元半導体の研究が盛んに行われている。しかし、特に半導体微粒子は、光のスポット径内に存在する微粒子の個数が一般的に多く、それらすべての情報が重畳してしまった信号しか得られず、こうした低次元物質を研究する上で常に問題となっている。そのような中で、近接場分光法は、これまで粒径分布によって観測不可能であった個々の微粒子の物性を直接調べることが可能な方法であると考え、研究を進めている。我々が注目しているZnOは、紫外領域にバンドギャップを持つ半導体で、1997年にレーザー励起下でのレーザー発振が観測された。この物質は、底辺が100nm程度のピラミッド状の形状になることがあり、レーザー発振との関連が指摘されている。この試料をフェムト秒パルスレーザーにより高密度のキャリアを生成し、そのダイナミクスをポンプ・ブローブ分光法やアップコンバージョン法により研究した。そして、レーザ発振に起因した光学利得の観測やホットキャリア状態の発光、band-gap renormalization等を観測した。また、CdSeの自己組織化した微粒子について、顕微分光法により観測した発光スペクトルより、単一の微粒子からの発光を観測することができた。我々が構築した近接場分光システムを用いて金微粒子や縞状金蒸着膜のAFM像とNSOM像を測定した。これらの試料を測定することにより、本装置がほぼ設計通りの性能を示すことを確認した。励起レーザーとして、cw Arイオンレーザー、He-Cdレーザー等が使用できるようになった。また、本装置は、容易に低温にしたり、その温度を制御できるように構築し、良好に動作することが確認された。
改良型コラーゲンビーズ法による抗血小板薬の薬効モニタリング法の確立

脳梗塞や心筋梗塞などの動脈血栓性疾患が増加しているが、それらの再発防止を目的として抗血小板療法や抗凝固療法が行われている.抗凝固療法に用いられるワーファリンはトロンボテストによるINRが治療のモニタリングに使用されているが、抗血小板療法では確立されたモニタリング法がない.一部では血小板凝集能によるモニタリングが試みられているが、血小板を分離する必要があるなど測定が煩雑で結果を得るまでに時間がかかるため広く行われるに至っていない.そこで、全血のままで血小板機能を評価する測定系を確立した(改良型コラーゲンビーズ法).血小板機能はコラーゲンをコーティングしたビーズを詰めたカラムを作成し、血小板停滞率を指標として評価した.すなわち、血液をシリンジポンプで改良型コラーゲンビーズ内を通過させ、出てきた血液の血小板数の減少率を、カラムを通過させない血液の血小板数に対する割合として算出した(血小板停滞率).本測定系を用いてin vitroで血小板機能の評価を行ったところ、ADP受容体阻害剤により抑制されたが、アセチルサリチル酸では抑制はわずかであった.この結果よりADPに依存した血小板活性化を評価する測定系として有用であると考えられた.そこで、ADP受容体阻害を主作用とする抗血小板薬、チクロピジンの薬効評価を試みた.チクロピジンを1週間連続投与し、その前後で血小板機能を評価したところ、チクロピジンの服用後に血小板停滞率は有意に減少していた.これらの結果から、改良型コラーゲンビーズ法は全血を用いて簡便に行える抗血小板薬のモニタリング法として応用可能と考えられた.脳梗塞や心筋梗塞などの動脈血栓性疾患が増加しているが、それらの再発防止を目的として抗血小板療法や抗凝固療法が行われている.抗凝固療法に用いられるワーファリンはトロンボテストによるINRが治療のモニタリングに使用されているが、抗血小板療法では確立されたモニタリング法がない.一部では血小板凝集能によるモニタリングが試みられているが、血小板を分離する必要があるなど測定が煩雑で結果を得るまでに時間がかかるため広く行われるに至っていない.そこで、全血のままで血小板機能を評価する測定系を確立した(改良型コラーゲンビーズ法).血小板機能はコラーゲンをコーティングしたビーズを詰めたカラムを作成し、血小板停滞率を指標として評価した.すなわち、血液をシリンジポンプで改良型コラーゲンビーズ内を通過させ、出てきた血液の血小板数の減少率を、カラムを通過させない血液の血小板数に対する割合として算出した(血小板停滞率).本測定系を用いてin vitroで血小板機能の評価を行ったところ、ADP受容体阻害剤により抑制されたが、アセチルサリチル酸では抑制はわずかであった.この結果よりADPに依存した血小板活性化を評価する測定系として有用であると考えられた.そこで、ADP受容体阻害を主作用とする抗血小板薬、チクロピジンの薬効評価を試みた.チクロピジンを1週間連続投与し、その前後で血小板機能を評価したところ、チクロピジンの服用後に血小板停滞率は有意に減少していた.これらの結果から、改良型コラーゲンビーズ法は全血を用いて簡便に行える抗血小板薬のモニタリング法として応用可能と考えられた.抗血小板薬として塩酸チクロピジンを用いて,改良型コラーゲンビーズ法で血小板機能を評価し、薬効モニタリングへの応用を検討した.血小板機能の評価は3回の採血により試みた.すなわち、抗血小板薬の服用前および7日間連続服用後に血液を採取し,更に,連続服用後2週間の休薬期間を設け,採血を行った.評価法としてコラーゲンがコーティングされたビーズを詰めたカラム(改良型コラーゲンビーズカラム)への血小板停滞率を用いた.すなわち,採血後の血小板機能を安定させるため,一定時間静置した後,血液を注射器に移して改良型コラーゲンビーズカラムに接続した.シリンジポンプを用いて注射器を押す事でカラム内を通過させ,出てきた血液を血球算定用のEDTA入り採血管に取った.通過させなかった血液もEDTA入り採血管に直接混合し、血球計数装置で両採血管中の血小板数を測定した.その結果から,次式により血小板停滞率を算出して,血小板機能を評価した.血小板停滞率(%)=(通過前の血小板数-通過後の血小板数)÷通過前の血小板数×100本測定系を用いると,塩酸チクロピジンを服用後に血小板停滞率は有意に減少し,抗血小板薬による血小板機能抑制を捉えることができた.また,休薬期間後の血小板凝集能は塩酸チクロピジン服薬前の血小板停滞率と差がなかったことから,本測定法で得られた血小板停滞率は,生体内での血小板機能の変化を反映していると思われた.これらのことから,本測定系を用いることで,抗血小板薬のモニタリングが可能と考えられた.抗血小板薬として塩酸チクロピジン・シロスタゾールを用いて改良型コラーゲンビーズ法で血小板機能を評価し、薬効モニタリングヘの応用を検討した.抗血小板薬を投与し、服薬前後で採血を行った.

血小板機能は改良型コラーゲンビーズカラム(コラーゲンでコーティングされたビーズを詰めたチューブ)への血小板停滞率を指標として評価した.すなわち、採血した血液を注射器に移し、シリンジポンプで血液を押し出してカラム内を通過させ、出てきた血液を血球算定用のEDTA採血管に集めた.通過させない血液もEDTA採血管に直接混合し、両採血管の血小板数を測定して血小板停滞率を算出した.本測定系を用いると、塩酸チクロピジンの服用後に血小板停滞率は有意に減少したが、服用前から血小板停滞率が低かった場合(30%以下)血小板停滞率に変化は見られなかった.この結果より、血小板停滞率が低い場合には塩酸チクロピジンの抑制作用が評価しづらい可能性が示唆された.しかし、血小板停滞率が低いということは、血小板機能が亢進していないことを意味し、このような患者に対して抗血小板薬を投与する必要性はないと考えられるため、抗血小板薬モニタリングの観点からは、問題はないと考えられた.一方、シロスタゾールの服用では血小板停滞率は服用前後で差が見られなかったことから、本測定法は抗血小板薬の万能なモニタリング法とはいえず、薬剤に応じてモニタリング法を選択する必要があると考えられた.従来、抗血小板薬のモニタリングとして光透過性の変化を利用した吸光度法が使用されていたが、血液から血小板を分離する必要があり、測定結果を得るまでに時間を要した.その点、本測定法は全血のまま行えるので迅速に測定結果を報告することができる.また、本研究成果を基にアイエスケー株式会杜から"プラビーズカラム・PAG"として本カラムが販売されている.
筋駆動系に対する共振概念と運動制御理論の確立

本研究では、人の筋骨格系のように剛性が可変な駆動系に対して共振概念とそれに基づく運動制御理論の構築を試みた。また、このような筋駆動系を実現するため、小型・軽量な可変剛性機構を提案した。この新たな共振概念に基づき、剛性を最適化しつつ学習的に運動を制御する方法を提案し、運動パターンを学習的に最適化する方法の基礎を提案しつつある。これらの制御法では、制御対象のパラメータや膨大な数値計算を用いないため、ロボットが環境に素早く適応することが可能である。平成22年度は、まず共振に基づいた高エネルギー効率運動制御法を、作業座標系の制御に拡張した。つまり、これまでは各関節に周期的な目標角度を設定していたのに対し、本作業座標系制御では手先の目標位置を設定する。よって、本制御法により多くのロボット作業のエネルギー効率を最大化できる。次に、本研究で想定している筋駆動系の高いバックドライバビリティを生かした運動制御法の提案を行った。この運動制御法では、従来の低バックドライバビリティのロボットでは困難であった物理的な衝突現象を含む運動制御を可能とする。制御系の大域的な安定性は数理的に解析し、提案制御法の有効性はシミュレーションにより確認した。また、本研究で重要な役割を果たす粘性や剛性を可変にできる新たな機構を提案した。本可変剛性機構は、これまで提案されてきた構造と比べて小型・軽量な要素を実現できるだけでなく、制作が容易である利点を持つ。新たに提案した可変粘性要素では、空気圧アクチュエータの構造を利用することで小型・軽量な機構を実現している。これら新たな機構により、今後の本研究では可変粘弾性機構を用いた多自由度のロボットを容易に、しかも小型・軽量に実現できる。さらに、共振を利用することで不整地を高エネルギー効率で移動できる新たな移動機構を提案しつつある。このように、平成22年度には本研究で重要な役割を果たす機械的要素の新たな構造や、基礎的な運動制御法の確立の一部を実現した。平成23年度には、二関節筋モデルの検討や可変剛性運動補助装具の提案・製作、筋の弾性を利用した運動学習による高エネルギー効率化の研究を行った。二関節筋モデルの検討においては、二関節筋を用いた方が多様な運動を省エネルギー化し易いことを理論・シミュレーションにより明確化した。この際、二関節筋の場合は剛性行列が非対角成分を持つため、その活用方法を明確にしたことが理論的貢献となった。可変剛性運動補助装具の研究では、平成22年度に提案した小型・軽量を実現する可変剛性機構を利用した省エネルギー膝関節装具を提案・制作した。本装具は、通常の電気モータではなく、筋のような弾性要素を持つ装具によって人間の運動を省エネルギーで補助できることを動力学解析や生体信号を用いて示した。この成果により、人間も筋の弾性を有効に利用することで運動を行なっていることが示唆されるため、今後は運動解析による生体運動理解への発展が考えられる。更に、筋のような弾性を有する多関節ロボットにおいて、跳躍運動のエネルギー効率を学習によって向上する方法を提案した。本方法では、これまでに提案してきた多関節構造体の共振概念を用いることで、低計算量かつ強い収束性を持つ学習が可能となった。運動学習の結果、跳躍時に重心周りの運動量が0で垂直に跳躍する省エネルギー跳躍運動が獲得できた。また、その跳躍運動では、筋の弾性を用いない場合に比べて、弾性を用いた場合は94%程度のアクチュエータトルクを削減できることが明らかとなった。本研究では、人の筋のように駆動力と弾性を同時に持つ駆動系を用いた多関節構造体に対し、エネルギー効率の観点から共振概念を導入し、高エネルギー効率運動制御を実現した。本高エネルギー効率運動制御を実現するためにまず、時間軸変換を用いた運動速度の最適化法を提案した。本方法では、幾つかの運動制御の結果に対して時間軸変換法を用いることで、最適な時間軸関数を得ることができる。本方法の利点は、制御対象のパラメータや複雑な数値計算が不要なことである。また、このような運動制御を実現するために、関節の剛性を可変にできる新たな機構を提案した。本可変剛性機構の利点は、使用する弾性要素が小型・軽量で良いこと、部品点数が少ないこと、製作が容易であること、剛性を調節できる範囲が広いこと、剛性を一定に保つためにエネルギーを必要としないことである。これらの利点から、本機構は弾性要素を用いた高エネルギー効率運動制御の実現可能性の向上に大きく貢献する。本共振概念によるエネルギー効率の最適化は、本可変剛性機構を用いて実験的に確認した。その結果、多関節ロボットの周期運動において90%以上の省エネルギー効果を確認した。提案可変剛性機構を用いた、人の運動を補助する膝関節用ロボット装具も実現しつつある。本装具は、通常のロボットスーツなどとは違い、機械的な剛性を可変にするためにアクチュエータを用いる。

よって、アクチュエータの減速機による強い摩擦が人の関節に直接影響しないため、本装具は人の運動を妨げにくい。また、共振概念を利用することで高エネルギー効率も実現可能である。また、人の筋肉と同様に駆動力が剛性に干渉する空気圧駆動系に対しても、エネルギー効率の観点から剛性を最適化する運動性制御法を確立しつつある。筋構造の特徴である二関節筋や弾性による運動の省エネルギー化を、理論・シミュレーション等により多角的に明確化しつつあり、応用面では装具開発・実験・評価について生体信号計測・評価を行うなど当初の計画以上に進展しているため。24年度が最終年度であるため、記入しない。今後は、当初の研究計画通り、生体運動計測・評価と成果の取りまとめを行う。生体の運動計測・評価では、人間が歩行や走行している時の運動データや生体信号を、これまで提案してきた共振の観点から解析する。このとき、人間に慣性や弾性を付加したときの人間の運動や生体信号の変化を解析し、共振との関連性を調べる。このとき、新しく発見しつつある可変剛性装具の運動補助効果を調べることによる人間の運動解析を行うことで、具体的な工学的応用を想定しながら人間の運動理解に貢献可能と考えている。得られた成果は、主に論文の形で国内外に発表する。
ヒト由来ケラチン蛋白質群を材料とした個人対応加工品の創製

藤井研究室で開発した毛髪からの効率的なタンパク質抽出方法(信大法;Biol.Pharm.Bull.,2002)を基盤技術として、抽出蛋白質のフィルムとファイバーの作製方法の開発を主なテーマとし、これに加え、羊毛への適用と損傷毛髪の分子診断といった研究を展開した。・フィルム:変成剤と組み合わせて簡便なフィルムを形成させるプレキャスト法とポストキャスト法を開発して、毛髪から、短時間でタンパク質溶液さらにフィルムへと状態変化させられることを明らかとした。この系に、アルカリホスファターゼの導入に成功し、併せて論文とした(Biol.Pharm.Bull.,2004)。また、フィルムが生分解性を有すことを調べた(高分子論文集、2003)。これらのフィルムは、機械的な物性には乏しいため、実用的な使用には不向きであった。そこで試行錯誤の末、柔軟性に優れ、透明性の高いフィルム作製に成功し、ソフト・ポストキャスト法と名付けた。この微細形態観察、性質分析と合わせて論文にまとめ投稿中である。・ファイバー:毛髪蛋白質自体を、元の髪のようなファイバーとすることは困難であるため、2つのアプローチをとった。ひとつは、既存の布に蛋白質を付加するコーティングファイバーであり、プレキャスト法を応用して綿布を材料として作製する方法を開発した(高分子論文集,2003)。次に、天然の高分子多糖の中で、ポリカチオンのキトサンとポリアニオンのジェラン水溶液を使用して形成されるポリイオンコンプレックス(PIC)ファイバーの系へ毛髪蛋白質の導入を試み、成功した。つまり、毛髪蛋白質入り天然PICファイバーの形成に成功しており、作製方法の確立、形態観察、機械的物性を現在検討している。・信大法の有用性を羊毛に適用した(高分子論文集、2003)。・ブリーチ処理による頭髪損傷の分子診断法への適用した(感性工学研究論文集,2004)。本科学研究費補助金のサポートにより、実用可能な物性を備えたフィルムとファイバーの作製手法の開発に結びつき、個人対応型の生体被覆材、医用材料、医薬品基材、高機能繊維、化粧品基材の創出へと発展してきている。毛髪の分子診断のモデル実験として、各種ブリーチ及びパーマ処理した毛髪モデルを調製した。その形態,明度/彩度,手触りによる官能試験,分子生理学的な分析を実施して比較検討した。本プロジェクトの目玉のひとつである信大法(毛髪からの新規蛋白質抽出法)での抽出速度と官能評価との間に強い相関性があることを見出している。今まで、経験に頼っていた官能評価を科学的に分析できる可能性が高いため、2002年の感性工学会の大会で発表するとともに、「感性工学研究論文集」に投稿中である。フィルムを応用面に利用するために、アルカリホスファターゼの導入を試みた。この酵素は、多くの組織・細胞に分布し、かつ、酵素抗体法などのマーカーに使用される汎用性の高い蛋白質として知られている。変性剤が入っている条件下で酵素活性が約12%保持した毛髪フィルムの作製に成功した。乾燥条件下では2週間以上の保存が可能で、溶液中においても72時間後に約25%が遊離することから除放性を有する材料となる可能性が示された。この結果をまとめ、2003年の高分子学会年次大会で発表予定である。

毛髪以外の硬ケラチン含有生体材料として爪を選択して、信大法及び藤井法(新規のフィルム作製法)を適用した。この結果、毛髪同様に効率のよい蛋白質抽出に加え簡便にフィルム作製が可能であることを見出している。ケラチン加工品の適用範囲を広げるために、繊維への毛髪蛋白質によるコーティング化を試みた。藤井法を応用して簡便にコーティングできる方法を開発した。低濃度では、糸の中に、高濃度では、糸と糸の間をケラチン繊維が架橋する様式で導入されていることを観察している。現在、投稿中である。以上、本年度は加工技術に重点をおいて研究を遂行した。これらの結果を踏まえて、次年度は生理機能を付随した応用製品の開発につなげていきたい。藤井研究室で開発した信大法(Biol.Pharm.Bull.,2002)で調製した毛髪蛋白質溶液を使用して、主にフィルムとファイバーの作製方法の開発を実施した。・フィルム:変成剤と組み合わせて簡便なフィルムを形成させるプレキャスト法とポストキャスト法を開発して、毛髪から、短時間でタンパク質溶液さらにフィルムへと状態変化させられることを明らかとした。この系に、アルカリホォスファターゼの導入に成功し、併せて論文とした(Biol.Pharm.Bull.,2004)。これらの方法で調製したフィルムは粗い表面をもち、機械的な物性には乏しいため、実用的な使用には不向きであった。そこで試行錯誤の末、柔軟性に優れ、透明性の高いフィルム作製に成功し、ソフト・ポストキャスト法と名付けた。この微細形態観察、性質分析が、現在ほぼ終わり論文として投稿準備中である。・ファイバー:毛髪蛋白質自体を、元の髪の毛のようなファイバーとすることは困難であるため、2つのアプローチをとった。ひとつは、既存の布に蛋白質を付加するコーティングファイバーであり、プレキャスト法を応用して綿布を材料として作製する方法を開発した。羊毛への信大法の適用結果と併せて論文とした(高分子論文集,2003)。次に、天然の高分子多糖の中で、ポリカチオンのキトサンとポリアニオンのジェラン水溶液を使用して形成されるポリイオンコンプレックス(PIC)ファイバーのシステムへ毛髪蛋白質の導入を試み、成功した。つまり、毛髪蛋白質入り天然PICファイバーの形成に成功しており、作製方法の確立、形態観察、機械的物性を現在検討している。・本科学研究費補助金のサポートにより、実用可能な物性を備えたフィルムとファイバーの作製手法の開発に結びつき、個人対応型の生体被覆材、医用材料、医薬品基材、高機能繊維、化粧品基材の創出へ展開している。