hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
医薬品の薬効・毒性標的としてのトランスポーター・アダプターネットワーク

トランスポーターは、薬物分子の生体膜透過に重要な役割を果たす膜タンパク質である。これまで、トランスポーターと薬効や副作用との関係を直接証明した例は乏しい。本研究は、研究代表者が明らかにしたアダプター分子とトランスポーターとの複合体形成に着日し、トランスポーターによる薬物動態、薬効、毒性に及ぼす役割の解明を日的とした。主な研究成果として、トランスポーターOCTNの小腸、肝臓、腎臓、心臓における役割、小腸トランスポーターの薬物吸収に及ぼす役割、アダプターPDZK1による3つの小腸取り込みトランスポーターの制御を解明した。(i)薬物の消化管吸収、(ii)薬物投与による腎毒性、および(iii)がんの治療・診断におけるトランスポーター・アダプターネットワークの役割を解析し、それぞれ以下に示す知見を得た。(i)βラクタム抗生物質cephalexinおよびcefiximeの消化管吸収におけるトランスポーター(oligopeptide transporter, PEPT1)とアダプター(PDZK1およびRab8)の役割を、それぞれpdzk1およびrab8遺伝子欠損マウスを用いin vivoで明らかとした。詳細な解析の結果、PDZK1はPEPT1とcarnitine/organic cation transporter, OCTN2の、Rab8はPEPT1とsodium/glucose cotransporter, SGLT1の制御因子であり、それぞれのトランスポーター基質の消化管吸収に影響することが示された。このうちOCTN2とPDZK1の複合体については、ポリロタキサンと有機カチオンの高分子複合体を用いることにより、PDZK1がOCTN2どうしの分子間距離を形成している可能性を示した。(ii)OCTN2の遺伝子変異マウスを用いることにより腎毒性を示すβラクタム抗生物質cephaloridineの腎分泌にOCTN2が主要な役割を果たすことを示し、liver-typefatty acid binding protein(L-FABP)遺伝子導入マウスが、その腎毒性を鋭敏に検知するツールとして有用であることを証明した。(iii)種々のがん細胞にPEPT1が高発現することを示し、その基質を利用することによりin vivoでがんの診断が可能であることを示した。トランスポーターは医薬品の吸収、分布、代謝、排泄に関わる膜タンパク質であり、近年の研究代表者らの研究から細胞内ではアダプター分子と結合しネットワークを形成することが分かってきた。本年度はそのようなトランスポーターアダプターネットワークに含まれることが明らかとなっているトランスポーターoligopeptide transporter PEPT1/SLC15A1、carnitine/organic cation transporter(OCTN1,OCTN2)の生体内での役割を解明することで同ネットワークの薬効・毒性標的部位としての重要性を以下の観点から明らかとした。(i)PEPT1がβラクタムD-cephalexinのみならずL-cephalexinも輸送し、腫瘍細胞においてはPEPT1阻害効果を持つペプチド化合物が腫瘍増殖抑制効果を示す。(ii)octn1遺伝子欠損マウスを用いたメタボローム解析によりOCTN1は生体内で抗酸化物質エルゴチオネインを輸送することが明らかとなり、OCTN1によるエルゴチオネイン輸送は消化管における酸化ストレスや炎症反応の防御に働く。(iii)OCTN2は心臓の心筋細胞に機能的に発現し、心臓に対してQT延長作用を示す有機カチオン性薬物の臓器内から血液側へのくみ出しに働いている可能性がある。以上の知見は本研究の目的と照らし合わせた時、それぞれ以下の観点から今後の発展が期待される。(i)腫瘍細胞の増殖を抑制する新たな分子標的薬(抗悪性腫瘍薬)の標的分子としてPEPT1ネットワークが重要である可能性を示した。(ii)炎症性腸疾患等の消化管疾患治療の標的としてOCTN1ネットワークを介するエルゴチオネイン輸送が重要である可能性を示した。(iii)不整脈誘発等の心臓に対する副作用を回避する手段の一つとしてOCTN2ネットワークを介する排出輸送が重要である可能性を示した。以上より、本年度はトランスポーターアダプターネットワークの薬効・毒性標的部位としての重要性の一部を解明することができた。消化管刷子縁膜には、薬物を体内に取り込むトランスポーターOATPが発現し機能することが示唆されているが、そのアダプタータンパク質は従来不明であった。本研究では、OATP1Aの典型的基質であるestrone sulfate(E3S)の消化管吸収がPDZアダプターPDZK1の遺伝子欠損マウス(PDZKIKO)で低下していたことをきっかけに解析を進め、PDZK1がOATPIAと直接結合し、その刷子縁膜での発現に必須であることを見いだした。E3Sを野生型とPDZKI KOに経口投与したところ血漿中濃度推移に両者で違いはなかった一方、門脈中E3S濃度はPDZKIKOの方が低かった。この理由として、PDZKIKOではE3Sの消化管吸収と肝臓への取り込みの両方が低下したため、循環血中濃度に両マウスで違いが見られなかったと考えられた。

そこで、小腸刷子縁膜でのOATPIAの発現を検討したところ、野生型で見られたOATPIAの刷子縁膜での局在がPDZKIKOでほぼ消失していることが免疫染色から確認された。さらに刷子縁膜小胞を用いたwestern blotからも、PDZKlKOでOATPIAの発現低下が確認された。PDZKIとOATPIAの直接的結合は免疫沈降、yeasttwo-hybridで示された。以上の結果とこれまでの研究代表者の実績とを合わせて考えると、PDZK1は多くの取り込みトランスポーターのアダプターであることが示唆され、小腸トランスポーターがPDZK1を介して互いに連動して栄養物の吸収や異物の排出に働く可能性が示唆された。本年度はこの研究業績以外にも、トランスポーターOCTNIの小腸刷子縁膜での機能的発現、筋肉組織でのOCTN2の役割解明、血小板減少治療薬eltrombopagのOATPIB1を介した肝取り込みと体内動態制御を示すことができた。
人工蛋白質を用いたヒドロキシメチルシトシン検出法の開発と脱メチル化挙動の解明

DNAのメチル化は細胞の発生や分化、癌化や様々な疾患に、DNAの脱メチル化は細胞の分化状態のリセットに関与していることが知られている。DNAメチル化はその機構が詳細に解明されている一方、脱メチル化にはいくつかの機構が提唱されてはいるが完全には解明されていない。脱メチル化機構においてヒドロキシメチルシトシンは重要な中間体として注目されているが、その存在量は細胞によって異なり、かつ絶対量がメチルシトシンと比較して少ないため、その検出は難易度が高い。本研究はヒドロキシメチルシトシンの検出を目的として、ヒドロキシメチルシトシンを認識するタンパク質・ペプチドを作製し、DNAとの相互作用を検討した。DNAのメチル化は細胞の発生や分化、細胞の癌化や様々な疾患に、また、DNAの脱メチル化は細胞の分化状態のリセットに関与していることが知られている。脱メチル化機構において、ヒドロキシメチルシトシンは鍵となる重要な中間体として注目されているが、その存在量は細胞によって異なり、かつ絶対量がメチルシトシンと比較して少ないため、その検出は難易度が高い。上記を鑑み、本研究はヒドロキシメチルシトシンの検出およびヒドロキシメチルシトシンを経由する脱メチル化挙動の解明を目指して、ヒドロキシメチルシトシンを認識するタンパク質を作製し、これを用いてヒドロキシメチル化DNAの検出を行う。H27年度は、ヒドロキシメチル化DNAを作製するTETタンパク質に着目して、ヒドロキシメチルシトシンを認識する蛋白質の設計を行った。ヒドロキシメチルシトシンのヒドロキシメチル基はDNAのメジャーグルーブに位置している。いくつかのDNA-TET複合体の構造が報告されており(Xu et al., Cell, 2013, 155, 1545-1555.)、これらの知見を基にヒドロキシメチル化CpG配列の認識に必要な相互作用、および各相互作用間の効果的なネットワークを分子モデリング計算を用いて検討した。これまでの検討および種々の芳香族性アミノ酸残基や疎水性アミノ酸残基に関する検討の結果、側鎖アミノ酸残基としてチロシンが有効であることが示唆された。H27年度はヒドロキシメチル化DNAを認識する人工タンパク質・ペプチドの設計を行った。現在、得られた結果を分子設計にフィードバックして、人工タンパク質・ペプチドの再設計に取り組んでおり、おおむね当初の研究計画通りに進行していると考えている。上記を鑑み、本研究はヒドロキシメチルシトシンの検出およびヒドロキシメチルシトシンを経由する脱メチル化挙動の解明を目指して、ヒドロキシメチルシトシンを認識するタンパク質を作製し、これを用いてヒドロキシメチル化DNAの検出を行うことを目指す。前年度は、ヒドロキシメチル化DNAを作製するTETタンパク質に着目して、ヒドロキシメチル化CpG配列の認識に必要な相互作用、および各相互作用間の効果的なネットワークを分子モデリング計算を用いて検討し、ヒドロキシメチルシトシンを認識する蛋白質の設計を行った。H28年度は上記分子設計の結果を基にペプチドおよびタンパク質を作製した。具体的には標的DNAとのゲルシフト実験、およびゲノムDNAを用いた蛍光偏光測定を行い、得られた結果をフィードバックして水素結合等の複数の相互作用の設計を検討し、分子設計の最適化を行った。さらに、細胞内でのヒドロキシメチル化DNA観測の予備実験として蛍光ラベルを細胞内に導入し、共焦点レーザー顕微鏡(共同利用機器)を用いて条件検討を行っており、現在も進行中である。H28年度は、タンパク質およびペプチドとDNAとの相互作用解析を行い、得られた結果をフィードバックして分子設計の最適化を行った。さらに、翌年度の予備実験として細胞内に導入した蛍光ラベルの検出の条件検討にも取り組んでおり、おおむね当初の研究計画通りに進行していると考えている。前年度は分子設計の結果から作製したペプチドおよびタンパク質とヒドロキシメチルシトシンとの相互作用を検討し、疎水性アミノ酸残基側鎖のサイズと形状がヒドロキシメチルシトシンとの相互作用に影響を与えていることを見出した。H29年度は、前年度の結果をフィードバックして、人工蛋白質・ペプチドの分子設計を再検討し、人工蛋白質、ペプチドの機能向上を図った。

作製および取り扱いが容易なペプチドを用いてDNAとの相互作用を検討した結果、本研究のペプチドは、メチル化、ヒドロキシメチル化、非メチル化DNAを識別可能なことが明らかとなった。また、標的DNAとの化学反応による検出・観測を目指して、当該ペプチドをはじめとするプローブ分子とDNAとの化学反応についても検討を行っている。DNAのメチル化は細胞の発生や分化、癌化や様々な疾患に、DNAの脱メチル化は細胞の分化状態のリセットに関与していることが知られている。DNAメチル化はその機構が詳細に解明されている一方、脱メチル化にはいくつかの機構が提唱されてはいるが完全には解明されていない。脱メチル化機構においてヒドロキシメチルシトシンは重要な中間体として注目されているが、その存在量は細胞によって異なり、かつ絶対量がメチルシトシンと比較して少ないため、その検出は難易度が高い。本研究はヒドロキシメチルシトシンの検出を目的として、ヒドロキシメチルシトシンを認識するタンパク質・ペプチドを作製し、DNAとの相互作用を検討した。H27年度は主として、人工タンパク質・ペプチドの分子設計、特にヒドロキシメチル基を認識するアミノ酸残基の分子設計について検討したが、H28年度は本検討から得たアミノ酸残基を導入した人工タンパク質・ペプチドとDNAとの相互作用を検討する。具体的には、ゲルシフト実験や蛍光色素等のラベルを導入した人工タンパク質・ペプチドとDNAを用いた蛍光観察を行う。各実験から標的DNAとの相互作用を定量化し、評価する。併せて、NMR等の分光学測定から構造や相互作用に関する知見を得て分子設計にフィードバックし、人工タンパク質の機能向上を図る。昨年度までは主として、タンパク質・ペプチドとDNAとの相互作用について検討したが、H29年度は本検討から得たタンパク質・ペプチドに蛍光プローブを導入して、細胞内におけるDNAとの相互作用を共焦点レーザー顕微鏡を用いて検出・観測する。検出条件はH28年度から引き続いて検討・最適化し、標的に応じた複数のラベルの同時検出を可能とするため、細胞内の局所的な蛍光スペクトル測定およびスペクトル解析を行う。生体関連化学H27年度は主として分子設計の検討を行い新たな知見を得た。これを基に更に詳細な検討を進めるため、当該部分の研究実施計画を延長して次年度(H28年度)も引き続き設計と改良を行っていくこととした。H28年度は主として分子設計から得られたペプチドおよびタンパク質の構造や分光学的性質、DNAとの相互作用について検討を行った。得られた結果をもとにさらに詳細な検討を進めるため、当該部分の研究実施計画を延長して翌年度(H29年度)も引き続きペプチドおよびタンパク質の改良を行っていくこととした。H27年度の研究実施計画の一部を延長して次年度にも行うため、使用予定であった未使用金額分を次年度(H28年度)の当該実験に使用する。H28年度の研究実施計画の一部を延長して翌年度にも行うため、使用予定であった未使用金額分を翌年度(H29年度)の当該実験に使用する。
睡眠が食行動と身体活動へ及ぼす影響の検討

2年目の研究は、1年目の研究から、睡眠時間をより実生活条件に近づけて(睡眠不足条件5時間vs.対照睡眠条件8時間)、睡眠時間の短縮が食行動と食嗜好へ及ぼす影響を明らかにすることを目的として研究を実施した.対象者は、睡眠障害のない大学生24名(女性13名、男性11名)とした。1年目と同様の方法で、異なる2つの方法(睡眠不足:5時間睡眠、対照睡眠:8時間睡眠)による無作為クロスオーバー試験で実施した。1施行は連続した4日間で行い、睡眠は自宅で実施した。睡眠以外の生活行動はすべて自由生活とした。体重は1日目と4日目の8時に空腹状態で測定した。食事量と身体活動量は2日目と3日目の平均値を評価した。対象者はすべての食事内容を記録し、写真撮影を行うように指示された。睡眠時間はMTN-220を睡眠時に装着して評価した。主観的な食嗜好の評価にはFCI-Jを用いてCravingを評価した。【結果】睡眠不足条件と対照睡眠条件において、介入時の平均睡眠時間は有意な差が認められた(p<0.01)。群間における体重の変化量は有意な差が認められなかった。1日あたりのエネルギー摂取量(2150±473 vs. 2188±455 kcal)は群間に有意な差は認められなかった。食嗜好の変化は、全体で有意な差は認められなかったが、性別で分類すると女性には変化がなかったが、男性は夜間に脂っこいものの欲求が対照睡眠時と比較して有意に高くなっていた。本研究では、1日あたりのエネルギー摂取量には差が認められなかったものの、睡眠不足による夜間の食嗜好の変化および食事に対する欲求の変化が長期的に観察するとエネルギー摂取量の増加に影響する可能性が示唆された。これから、4日目の血液データの分析、官能検査の分析を行う予定である。報酬系に関わる血液データについても分析プロトコルが構築されたため、これから分析作業を進める予定である。介入研究を終え、最終年度に向けた分析を行うことができるため睡眠不足による食行動と身体活動による影響は2年間で概ね明確にすることができたが、血液データの分析、官能検査の分析を進めることで食事、身体活動との関連について検証を行う予定である。睡眠時間の短縮がエネルギー摂取量と身体活動量へ及ぼす影響を明らかにすることを目的として研究を実施した.対象者は、睡眠障害のない女子学生16名とした。異なる2つの方法(短時間睡眠日:4時間睡眠(26時)、対照日:7時間睡眠(236時))による無作為クロスオーバー試験で実施した。睡眠時間は自記式質問票により評価し、食欲は視覚的評価スケールにより起床後から就寝まで1時間おきに評価した。【結果】短時間睡眠日と対照日において、介入時の平均睡眠時間は有意な差が認められた(p<0.01)。短時間睡眠日において、歩数は夜間(182時)に有意に増加した(p<0.05)。3.0 METs以上の活動時間は夜間に有意に増加した。しかしながら、1日のエネルギー摂取量(2065±188 vs. 2022±296 kcal)による朝食のエネルギー摂取量、食欲の主観的評価では群間に有意な差は認められなかった。本研究では、短時間睡眠時に身体活動量が有意に増加したが、食事摂取量は群間に有意な差が認められなかった。血液項目について、レプチンには有意な差は認められなかったが、コルチゾールとインスリンが短時間睡眠日で有意に高い結果が得られた。今後、睡眠時間を変更して追検証していく予定である。当初の予定通り年度内に研究を実施し、いくつか成果報告を行うことができたため2年目の研究は、1年目の研究から、睡眠時間をより実生活条件に近づけて(睡眠不足条件5時間vs.対照睡眠条件8時間)、睡眠時間の短縮が食行動と食嗜好へ及ぼす影響を明らかにすることを目的として研究を実施した.対象者は、睡眠障害のない大学生24名(女性13名、男性11名)とした。

食嗜好の変化は、全体で有意な差は認められなかったが、性別で分類すると女性には変化がなかったが、男性は夜間に脂っこいものの欲求が対照睡眠時と比較して有意に高くなっていた。本研究では、1日あたりのエネルギー摂取量には差が認められなかったものの、睡眠不足による夜間の食嗜好の変化および食事に対する欲求の変化が長期的に観察するとエネルギー摂取量の増加に影響する可能性が示唆された。これから、4日目の血液データの分析、官能検査の分析を行う予定である。報酬系に関わる血液データについても分析プロトコルが構築されたため、これから分析作業を進める予定である。介入研究を終え、最終年度に向けた分析を行うことができるため1年目から研究を実施することができたが、グレリンとグルコースの分析ができなかったため、2年目の研究で血液項目の分析を進めていきたい。さらに、睡眠不足による食行動と身体活動の反応は性差があることが報告されているため、男性を対象に含めて研究を遂行していく予定である。睡眠不足による食行動と身体活動による影響は2年間で概ね明確にすることができたが、血液データの分析、官能検査の分析を進めることで食事、身体活動との関連について検証を行う予定である。分析を行うための試薬の購入の手続きが間に合わなかったため数万円の残額があったが、平成30年度早々購入する予定である。当該年度で実施した研究による残額が1,901円生じたが、2019年度の血液データ分析等の予算として使用する予定である。
アレイ導波路格子を用いた小型バイオ分光センサの開発

2年間の研究期間において,波長分解能の向上と小型化を同時に実現する高性能なアレイ導波路格子(AWG)を用いた小型分光センサを考案した。AWGの導波路中に設けた細溝に液体試料を滴下し,参照液体と液体試料の透過光強度特性を比較することによって,液体試料の濃度を推定する新しい小型分光センサの提案・開発を行った。得られた主要な成果を以下に記述する。1.アレイ導波路格子(AWG)を用いた小型バイオ分光センサの提案と試作試作したチャネル間隔0.4nm,チャネル数80,中心波長1544.4nmの小型AWGバイオ分光センサを用いた濃度測定実験において,酢酸ナトリウム水溶液の調整時の濃度と実験から求まる濃度の差が±0.25wt%になり,センサの有効性を確認した。2.小型AWGバイオ分光センサの精度向上の実現小型AWGバイオ分光センサの高感度化に向けて幅30μmの溝を5本作製した直線導波路の透過率特性を測定した。リアルタイム分光センシングには複数試料挿入溝が有効であることをビーム伝搬法に基づく数値計算と評価実験の両面から実証した。3.可視波長域AWG分光センサの実現測定候補の多い可視波長域の分光センシング実現に向けて可視AWGの設計の最適化を行い,世界で初めて可視AWGの試作・評価を行った。測定対象に合わせて波長帯域400nm,チャネル数8の可視AWGをはじめ,5種類の設計パラメータの素子を評価し,先端物質検出の技術基盤を構築した。4.試作した可視波長域AWG分光センサを用いた環境センシングチャネル間隔12.5nm,チャネル数8,中心波長800nmの可視光AWG小型分光センサの設計・試作を行い,環境試料であるクロロフィルa,bを透過率差1.4dBで識別することに成功した。さらに,極低濃度の液体試料検出に向けてパラボラ導波路を用いた試料挿入溝の提案・設計を行った。平成16年度に行った研究では以下の成果が得られた。1.小型アレイ導波路回折格子(AWG)バイオ分光センサの感度および精度向上の実現小型AWG分光センサの高感度化に向けてダイシング加工の最小幅の溝を5本作製した直線導波路を使用して透過率特性を測定した。1本の試料挿入溝の幅が微小である場合は回折損失が吸収損失・反射損失に比べて2倍程度に抑えられ、吸収特性を拡大して検出したい分光センシングには試料挿入溝の複数化が有効であることを数値計算と評価実験の両面から実証した。2.多波長チャネルを用いた多変量変数解析の光学的アルゴリズムの構築と実証液体試料の簡易挿入方法の検討を加え、データ高速処理用アレイ受光素子を使用して、複数スペクトル同時検出の実現可能性を検証した。1530nmから1560nmまでの波長範囲で、純水の透過率変化の実験値と数値計算の差は平均0.1dBであることを確認し、多変量変数解析のためのシステムおよびアルゴリズムを構築した。3.可視波長域AWGを用いた分光センサの実現測定試料が多い可視波長域の分光センシング用可視AWGの最適化設計を行い、世界で初めて可視波長域AWGの試作・評価を行った。生体物質などの測定対象に合わせて波長帯域幅400nm,チャネル数8の虹色スペクトルを有するAWGを始め5種類の素子を試作し、バイオ分野などの先端物質の検出のための技術基盤を構築した。4.試作AWGバイオ分光センサを用いたリアルタイム生体物質検出試料挿入溝に試料を挿入する操作の簡易化に向けてテスト導波路を試作した。

また、多波長チャネルの情報を同時に取得可能なAWG分光センサの利点を活用するために、吸収特性の異なるクロロフィルa, bに合わせて試料挿入溝を設計した可視AWGを用いて分光センシングを行い、吸光度1.0(光路長1nm)の変化に対して1.4dBの透過率が変化するセンサを実現した。アレイ導波路格子(AWG)の小型分光センサへの適用を提案し,試料挿入溝を作製して高精度な分光センシング手法の原理確認実験を行ってきた。この研究成果をふまえ,本年度に以下の研究を進めたので,得られた主な成果をまとめる。1.可視域小型バイオ分光センサの感度および精度向上の実現試料挿入溝において吸収による影響を拡大するために,透過光の光路長を長く,かつ回折損失を低減させることのできる複数本の試料挿入溝を作製し,高感度化を試みた。可視AWG小型分光センサの入力側スラブ導波路内に幅30μmのダイシング溝を5本形成し,吸光度1.0(光路長1mm)の変化に対し1.5dBの差で識別できる試料挿入溝を実現した。2.多波長チャネルを用いた多変量変数解析の光学的アルゴリズムの構築と実証可視AWG小型分光センサの入力導波路に基板レスバンドパスフィルタ(3.0mm X 0.5mm X 0.02mm)を挿入し,平面光波回路基板に一体化させ,Free Spectrum Rangeごとに生じる余分な次数のスペクトル成分を除去した。さらに,データ高速処理用イメージセンサ(画素数512×58pixels^2)を使用し,多波長チャネルの同時検出を実現した。3.可視域試作AWGバイオ分光センサを用いたリアルタイム環境センシング試作した可視域小型バイオ分光センサとアレイ受光デバイスを組み合わせた液体試料識別実験を行った。試料として環境指標の1つでもあるクロロフィルaとb溶液を選び,異なる吸収極大波長(663nm,645nm)における透過光強度が変化し,吸光度1.0(光路長1mm)に対し1.4dBの差で識別することに成功した。
生物的な動的集団秩序を形成する非生物自己駆動液滴系の研究

これまでの研究により、液滴系の生物的運動を駆動するメカニズムに影響を及ぼすいくつかの重要な因子を発見した。その中で重要なものの一つは気相の有機溶媒濃度である。そこで、気相中の有機溶媒濃度を制御できる装置を開発し、この有機溶媒濃度を通して液滴系の運動を制御できるようにした。この研究の結果、液滴系の運動をON/OFFできる条件を発見することができた。すなわち、気相が飽和状態にあるとき、液滴は運動を停止し、気相中の有機溶媒濃度を低下させると液滴は運動を開始する。しかし、詳細な実験によって一旦液滴が停止した後に再開した運動は、気相が飽和するまでに液滴が呈していた運動とは異なることが明らかになった。これは液滴の運動が気相中の有機溶媒濃度のみに影響されているのではなく、他の要因、例えば液相中の有機溶媒濃度などにも影響を受けていることを示唆している。現在、詳細な実験によってより繊細に液滴系を制御する条件を探索している。もう一つの成果は、本研究で明らかになった生物的液滴運動と同様の運動を示す系が少なくとももう一つあることを明らかにしたことである。この系は化学物質としても、液滴が存在する物理的な環境としても全く異なる系であり、このような系で同様の運動モードを見いだせたことは、本研究でターゲットとしている運動モードの普遍性を示唆しており、重要な知見であると考えられる。この成果はCollids Surf. A, 566, 141-147 (2019)に発表済みである。本研究では、液滴の制御システムの開発し、その利用によって液滴系の運動メカニズムを解明することを計画していた。これまでに気相中の有機溶媒濃度を制御することによって液滴系の運動を制御することに成功しており、ここまでは研究は予定通り進行していると言える。一方で、この制御方法では、液滴系の運動を完全に可逆的に制御できるわけではないことも明らかになってきている。その原因は未だ明らかではないが、気相のみならず液相中の有機溶媒濃度も液滴の運動に影響していることが一因であると考えている。この知見は液滴運動のメカニズムを考察する上で重要な知見であるが、液滴運動を制御するという観点での気相濃度制御に問題があることも示している。また、これまでの研究によって、当初予定していた化学物質系とは異なる化学物質系においても同様の駆動現象が見られることが明らかになった。これはこのような生物的液滴運動が、物質系によらず実現する、普遍的なものであることを示唆している。以上のような知見は液滴運動のメカニズム解明に利用できる重要なものであり、本研究の進展は概ね当初予定の通りであると考えている。本研究によって、気相中の有機溶媒濃度の制御による液滴運動の制御は、可能であるものの、すべての運動モードを自由に実現できるものではないことが明らかになった。よって今後は他の液滴制御方法の開発、例えば液相における有機溶媒濃度の制御なども検討し、より完全な液滴の運動制御を実現することを考えていく。液相中の有機溶媒濃度の制御は、気相中の有機溶媒濃度の制御と基本的には同様の考え方によって実現できる。ただし、実験装置はかなり異なるものが必要となるので、今後はそのような装置開発を行うことになる。さらに、本研究でターゲットとしている液滴運動の普遍性をより明白に示すため、いくつかこれまで利用していない化学物質系の利用も考える。このように、新たに開発する制御法およびこのような新規物質探索によって、液滴の駆動メカニズムのより詳細な解明を目指す。平成29年度には、自己駆動液滴系のメカニズム解明のための実験およびシミュレーション研究を行った。実験では、液滴を展開した状態の気液界面に外部からの空気を緩やかに吹き付ける実験により、液滴集団がこの空気によって清浄化された界面に引きつけられることを明らかにした。この結果は、液滴集団が界面張力によって駆動されていることを強く示唆している。また、液滴に含まれる色素の量によって、液滴の運動様式が異なることも明らかにした。この結果を説明するには未だ実験が足りないが、この新たに発見された不純物効果は、液滴の蒸気圧が運動に影響を与えていることを示唆している。これらの実験結果を踏まえて、液滴集団の振動的振る舞いを説明しうるモデルの一つとして、反応拡散モデルを提案した。このモデルでは、液滴から解け出した有機溶媒によって周囲の界面張力が低下し、それによる界面張力の勾配によって液滴が駆動される。また、液滴間に働くキャピラリー引力を、重ね合わせ近似のもとで定式化し、モデルに取り入れた。さらに、液滴間に短距離の斥力を仮定し、これら3種類の力のもとでの液滴運動を数値シミュレーションによって詳細に調べた。その結果、界面張力と溶解した有機溶媒濃度の関係に、シグモイド型の単純な関数を仮定したとき、界面張力が低濃度の有機溶媒に反応しない範囲が大きいほど、液滴またはそのクラスターに間欠的な運動が誘起され、クラスター全体が振動的運動を開始することが分かった。またシミュレーションによる実験の再現は速度相関関数によっても確認することができた。これらの結果から、液滴の間欠運動が、クラスターの振動的振る舞いと強く関係していることを明らかにすることができた。当初計画にある外部からの摂動を用いたクラスター振動のメカニズム解析には、実験的にある程度成功しており、今後の研究によってより詳細な情報を得ることができると期待している。

また、液滴粒子からの有機溶媒の溶出の重要性も、実験、シミュレーションの双方から明らかにすることができ、当初計画どおりに研究が進捗していると考えている。当初計画から遅れている研究は、液滴周囲の場の可視化であるが、これについても実験装置の構築はほぼ終了しており、予備実験を開始する段階にある。この実験が遅れている理由は、液滴粒子の非常に遅い運動に追随した微小な流動を追跡できる可視化粒子の選定が難しいことである。今後いくつかの可視化粒子を試験し、最適なものを選択した上で本実験を開始する予定である。一方で数値シミュレーションの方は計画よりも進捗しており、結果を投稿できる段階にある。以上を総合して、上記の進捗状況判断とした。これまでの研究により、液滴系の生物的運動を駆動するメカニズムに影響を及ぼすいくつかの重要な因子を発見した。その中で重要なものの一つは気相の有機溶媒濃度である。そこで、気相中の有機溶媒濃度を制御できる装置を開発し、この有機溶媒濃度を通して液滴系の運動を制御できるようにした。この研究の結果、液滴系の運動をON/OFFできる条件を発見することができた。すなわち、気相が飽和状態にあるとき、液滴は運動を停止し、気相中の有機溶媒濃度を低下させると液滴は運動を開始する。しかし、詳細な実験によって一旦液滴が停止した後に再開した運動は、気相が飽和するまでに液滴が呈していた運動とは異なることが明らかになった。これは液滴の運動が気相中の有機溶媒濃度のみに影響されているのではなく、他の要因、例えば液相中の有機溶媒濃度などにも影響を受けていることを示唆している。現在、詳細な実験によってより繊細に液滴系を制御する条件を探索している。もう一つの成果は、本研究で明らかになった生物的液滴運動と同様の運動を示す系が少なくとももう一つあることを明らかにしたことである。この系は化学物質としても、液滴が存在する物理的な環境としても全く異なる系であり、このような系で同様の運動モードを見いだせたことは、本研究でターゲットとしている運動モードの普遍性を示唆しており、重要な知見であると考えられる。この成果はCollids Surf. A, 566, 141-147 (2019)に発表済みである。本研究では、液滴の制御システムの開発し、その利用によって液滴系の運動メカニズムを解明することを計画していた。これまでに気相中の有機溶媒濃度を制御することによって液滴系の運動を制御することに成功しており、ここまでは研究は予定通り進行していると言える。一方で、この制御方法では、液滴系の運動を完全に可逆的に制御できるわけではないことも明らかになってきている。その原因は未だ明らかではないが、気相のみならず液相中の有機溶媒濃度も液滴の運動に影響していることが一因であると考えている。この知見は液滴運動のメカニズムを考察する上で重要な知見であるが、液滴運動を制御するという観点での気相濃度制御に問題があることも示している。また、これまでの研究によって、当初予定していた化学物質系とは異なる化学物質系においても同様の駆動現象が見られることが明らかになった。これはこのような生物的液滴運動が、物質系によらず実現する、普遍的なものであることを示唆している。
骨髄ニッチによる免疫担当細胞の維持機構

病原体の排除の中心となる免疫担当細胞は、生涯にわたり骨髄で造血幹細胞から産生され続けており、その産生は、ニッチ(niche)と呼ばれる特別な微小環境(場)によって支えられている。私たちは、以前、ニッチを構成する免疫担当細胞の産生の司令塔となる細胞(CAR細胞)を発見した。本研究では、転写因子Foxc1がCAR細胞特異的に発現し、免疫担当細胞を産生するニッチの形成と維持に必須であることを発見した。更に、造血幹細胞ニッチを構成する細胞の数が、造血幹細胞数と同様であるという定説と異なり、遥かに多いことを実証し、CAR細胞の重要性を異なる視点から確認した。骨髄は免疫四次元空間の形成の中枢臓器であり、すべての免疫担当細胞は、骨髄で造血幹細胞から産生され、その種類や数がニッチ(niche)と呼ばれる特別な微小環境(場)によって精緻に制御されているがその機構は明らかでない。私たちは、造血幹細胞の維持や免疫担当細胞の産生に必須であるケモカインCXCL12を高発現し突起を持った細網細胞(CAR細胞)を骨髄で同定し、CAR細胞が脂肪・骨芽細胞前駆細胞であり、造血幹細胞・前駆細胞に必須のニッチ細胞であることを証明した。そこで骨髄とCAR細胞に注目して、免疫担当細胞数の恒常性を維持する機構の解明を目的とした研究を行っている。CAR細胞のニッチとしての機能を維持・調節する分子機構を明らかにするため、私たちは、CAR細胞特異的に発現する遺伝子を検索し、フォークヘッドファミリーに属する転写因子で先天性水頭症の原因遺伝子として知られていたFoxc1がCAR細胞特異的に発現することを見出した。そこで、細胞種特異的遺伝子欠損マウスと脂肪前駆細胞株を用いた解析を行い、Foxc1は、CAR細胞において造血幹細胞と免疫担当細胞の前駆細胞の細胞数を維持するニッチとしての機能の形成と維持、脂肪細胞への分化の抑制に必須であることを明らかにした。これまで、他の組織にも存在する脂肪・骨芽細胞前駆細胞に対して、骨髄でCAR細胞の造血幹細胞・前駆細胞ニッチが形成・維持・調節される分子基盤は全く不明であった。したがって、この発見によって、脊椎動物ではじめて幹細胞・前駆細胞を調節する司令塔であるニッチの形成と維持の分子機構が明らかになった。更に、造血幹細胞と免疫担当細胞の前駆細胞の細胞数の制御においては、Foxc1の活性化や作用によるニッチ機能の調節が重要であることが示され、その分子機構の研究が大きく進展した。そこで、CAR細胞特異的遺伝子欠損マウスと成体で遺伝子欠損を誘導するマウス、脂肪細胞前駆細胞株を用いた解析を行い、Foxc1は、CAR細胞において造血幹細胞と免疫担当細胞の前駆細胞の細胞数を維持するニッチとしての機能の形成と維持、脂肪細胞への分化の抑制に必須であることを明らかにした。多くの組織に存在すると報告されている脂肪・骨芽細胞前駆細胞に対して、骨髄でCAR細胞の造血幹細胞・前駆細胞ニッチが形成・維持・調節される分子基盤は全く不明であった。したがって、この発見によって、脊椎動物ではじめて多能性幹細胞・前駆細胞を維持するニッチの形成と成体での維持の分子機構が明らかになった。これを基盤に、免疫担当細胞の前駆細胞の細胞数の制御における、Foxc1の活性化や作用機構を含めたニッチの調節機構の検討を進めた。CAR細胞のニッチとしての機能を維持・調節する分子機構を明らかにするために、私たちは、CAR細胞特異的に発現する遺伝子を検索し、フォークヘッドファミリーに属する転写因子で先天性水頭症の原因遺伝子として知られていたFoxc1がCAR細胞特異的に発現することを見出した。

CAR細胞特異的遺伝子欠損マウスと成体で遺伝子欠損を誘導するマウスで、造血幹細胞と免疫担当細胞の細胞数が著減しており、Foxc1は、CAR細胞において造血幹細胞と免疫担当細胞の細胞数を維持するニッチの構成と維持に必須であることを明らかにした。多くの組織に存在すると報告されている脂肪・骨芽細胞前駆細胞の中で、骨髄でCAR細胞によって造血幹細胞と免疫担当細胞前駆細胞ニッチが形成・維持・調節される分子機構が明らかになった。これを基盤に、免疫担当細胞の前駆細胞の細胞数の制御における、Foxc1の活性化や作用機構を含めたCAR細胞の免疫担当細胞数の調節機構の検討を進めた。造血幹細胞・前駆細胞ニッチの形成や維持に必須の転写因子は、存在自体不明であった。したがって、Foxc1がCAR細胞特異的に発現し、CAR細胞において、造血幹細胞と免疫担当細胞の前駆細胞のニッチとしての機能の形成と維持・調節、未分化状態の維持に必須であることを明らかにした発見は、脊椎動物ではじめて多能性幹細胞ニッチの形成と維持・調節の分子機構を明らかにし、造血幹細胞・前駆細胞ニッチに特化した細胞系列が存在することをはじめて分子レベルで実証したことになり、画期的である。この成果により、骨髄の微小環境ニッチによる免疫担当細胞の維持機構の解明に向けた研究が大きく進展した。骨髄は免疫四次元空間の形成の中枢臓器であり、すべての免疫担当細胞は、骨髄で造血幹細胞から産生され、その種類や数がニッチ(niche)と呼ばれる特別な微小環境(場)によって精緻に制御されているがその機構は明らかでない。私たちは、造血幹細胞の維持や免疫担当細胞の産生に必須であるケモカインCXCL12を高発現し突起を持った細網細胞(CAR細胞)を骨髄で同定し、CAR細胞が脂肪・骨芽細胞前駆細胞であり、造血幹細胞・前駆細胞に必須のニッチ細胞であることを証明した。そこで骨髄とCAR細胞に注目して、免疫担当細胞数の恒常性を維持する機構の解明を目的とした研究を行った。昨年度までに、私たちは、CAR細胞特異的に発現するフォークヘッドファミリーに属する転写因子Foxc1がCAR細胞特異的に発現することを見出し、Foxc1は、CAR細胞において造血幹細胞と免疫担当細胞の細胞数を維持するニッチの構成と維持に必須であることを明らかにした。一方、骨髄で、CAR細胞が造血幹細胞・前駆細胞のニッチを構成することが明らかになると、その細胞数が造血幹・前駆細胞より遥かに多いので、造血幹細胞ニッチが占有されており生着させるためには、内因性の細胞を除去する必要があるという従来の定説と整合しない問題が生じた。そこで、私たちは、内因性の造血幹細胞の数倍の造血幹細胞を、放射線照射など血液細胞を除去する処置を行わないマウスに経静脈的に移植し、解析したところ、大部分の造血幹細胞が生着し、その細胞数は移植していないマウスの2倍以上に増加した。しかし、自然免疫の主役である骨髄球系細胞前駆細胞の細胞数は増加しなかった。以上より、造血幹細胞のニッチは、骨髄球系細胞前駆細胞のニッチと異なり、内因性の細胞数よりも遥かに多いことが明らかとなった。この成果より、造血幹細胞と造血前駆細胞の細胞数の調節機構の相違が示された。
マッカイ対応と導来圏に関する研究

トーラス上のダイマー模型と呼ばれる2色グラフに付いて考察した.まず,両立的でないダイマー模型を特性多角形を変化させずに両立的にできることを示した.ダイマー模型へ有限群作用が与えられたとき,対応するトーリック多様体にも標準束への作用が自明になるような形で同じ群が作用することを示した.3次元アフィントーリック多様体とそこへの有限群作用(前述の条件を満たす)が与えられたとき,それらに対応する群作用つきダイマー模型が構成できるかどうかという問題を考察し,多くの場合に肯定的な結果を得た.有限群作用をもつダイマー模型について,植田一石氏,Nolla氏とともに考察した.特に,群作用をもつ格子凸多角形が与えられたとき,対応する群作用つきダイマー模型で両立的なものが構成できるか,という問題について考察した.そのような群作用つきの両立的ダイマー模型が得られれば,トーリック的でない3次元ゴレンシュタイン非商特異点とその非可換クレパント解消の例が得られることになり,重要な問題である.これまでの研究で,群作用を考えない場合には,与えられた凸多角形に対応する両立的ダイマー模型の構成法が得られていた:凸多角形を大きな格子三角形に埋め込み,そこから頂点を一つずつ取り除く(多角形の周及び内部にある格子点のうち,一つの頂点以外の全ての格子点の凸包を取る)という操作を繰り返すと,与えられた多角形を得ることができることに注意する.この操作に対応するダイマー模型の変形を見つけることで,六角形のダイマー模型から出発して与えられた凸多角形に対応する両立的ダイマー模型が構成できる.本年度の考察により,位数が2,3,または4の回転の生成する群の作用する場合には,同様の方法が有効であることがわかった.一方,鏡映を含む群の場合には,同様の操作は有効でないことが明らかになった.そこで,格子多角形に対応する両立的ダイマー模型の構成法を見直し,既知のものとは異なる直接的な構成法を見いだした.この方法を使うと,格子凸多角形への,鏡映を含む任意の有限群作用に対し,対応する群作用つきダイマー模型で両立的なものが構成できることがわかった.トーラス上のダイマー模型と呼ばれる2色グラフに付いて考察した.まず,両立的でないダイマー模型を特性多角形を変化させずに両立的にできることを示した.ダイマー模型へ有限群作用が与えられたとき,対応するトーリック多様体にも標準束への作用が自明になるような形で同じ群が作用することを示した.3次元アフィントーリック多様体とそこへの有限群作用(前述の条件を満たす)が与えられたとき,それらに対応する群作用つきダイマー模型が構成できるかどうかという問題を考察し,多くの場合に肯定的な結果を得た.トーラス上のダイマー模型は両立生と呼ばれる条件を満たすとき,3次元ゴレンシュタインアフィントーリック多様体の可換/非可換クレパント解消を定めるなど,よい性質を持っていることがわかっている.任意の凸格子多角形に対して,それを特性多角形とする両立的ダイマー模型が存在することがわかっている.両立的ダイマー模型は,非退化という性質を持つが,非退化だからといって両立的とは限らない.そこで,非退化なダイマー模型が与えられたとき,その特性多角形を保ったまま両立的にできるか,という問題を考察した.Beil氏および植田氏との共同研究において,非退化なダイマー模型からいくつかの辺をうまく取り去ることによって,特性多角形を変えずにダイマー模型を両立的にできる,ということを証明し,プレプリントとして発表した.非退化ダイマー模型は作りやすい一方,両立性というのは強い条件であり,この研究により両立的ダイマー模型の例が容易に作れることが期待される.また,両立的なダイマー模型の定める箙の道代数は,ネター的かつカラビ・ヤウ的であるという良い性質を持っているが,両立生を仮定しないとネター的とはかぎらない.本研究によって,両立的でないダイマー模型の道代数を両立的なダイマー模型の道代数と比べることができ,その性質を調べることができるものと期待している.群作用を持つダイマー模型については,3次元ゴレンシュタインアフィントーリック多様体への付随する作用について考察した.多角形への作用が位数2の群による裏返し作用の場合,多様体への作用のさせ方は必ずしも多角形への作用から決まらないこと,作用を指定するためにどのようなデータを考えればよいかがわかった.引き続き,有限群作用つきダイマー模型について,連携研究者,研究協力者とともに考察した.まずダイマー模型に作用する群と格子多角形に作用する群の分類に若干食い違いのあることに注意した.ダイマー模型に作用する群はいわゆる壁紙群というものであるが,多角形への作用は行列による作用であり,ダイマー模型への作用が異なっても多角形への作用は等しくなることがある.そのことに注意して,与えられた多角形とその上の群作用について,群作用つきダイマー模型の構成について考察した.これまでの研究で,位数が2,3,4の回転の群の場合,およびいくつかの二面体群に群作用つき両立的ダイマー模型が構成された.なお,二面体群については,抽象的には同型でも格子への作用が同型でない場合があるので注意を要する.格子多角形に群が作用しているとき,対応するゴレンシュタインアフィントーリック多様体のこれらの群作用による商特異点を考えることができる.群作用つき両立的ダイマー模型の構成により,この特異点の非可換

クレパント解消が構成されたことになる.一方,我々の構成では,群作用がダイマー模型のある面を固定する場合にしか非可換クレパント解消の存在が言えない.その条件を満たさない場合についても計算を行ってみると,クレパント解消を持つ場合があり,ダイマー模型から構成された代数が非可換クレパント解消になっているかどうかという問題,そうでなくても非可換クレパント解消を持つかどうかという問題が残っている.代数幾何学群作用を持つダイマー模型に関する研究が大きく進展した.証明の方針は想定したものとは異なるものになってきているが,ダイマー模型の新たな構成法なども見いだすことができ,いろいろなことが明らかになった.このような結果/進展は研究の目的に合致しており,概ね順調に進展していると判断する.本研究の中で,非退化なダイマー模型からいくつかの辺を取り除いて両立的にできる,という結果を得た.これは,両立的なダイマー模型の存在を示すための役に立ち,特に群作用を持つダイマー模型で両立的なものを作るために役立つと期待できる.また,群作用を持つダイマー模型についての考察も進めており,それまでにわかっていなかったことがいくつか明らかになった.このような結果は研究の目的に合致しており,概ね順調に進展していると判断する.群作用を持つ両立的ダイマー模型の構成について,残っている場合を解決するべく,Nolla氏,植田氏と研究打ち合わせを行う.また,ダイマー模型の両立化とその応用について,Beil氏,植田氏と研究打ち合わせを行う.また,ダイマー模型を用いた,ADHM構成の拡張について,植田氏と議論する.ダイマー模型の高次元化については,植田氏,Craw氏らとともに,模索を続ける.群作用を持つ多角形に対して,群作用を持つ両立的なダイマー模型が構成できるかどうか考え,群作用を持つダイマー模型に関する研究を進める.これはNolla氏と連絡を取りながら行う.両立的でないダイマー模型から定まる箙の道代数については,Beil氏,植田氏と打ち合わせながら研究する.また,ダイマー模型の高次元化については,植田氏,Craw氏,Quintero-Velez氏と協力しながら考察し,実験的な計算などを行う.日程の都合で,計画していた海外出張に行くことができなかった.海外出張(イギリス)を行う.Nolla氏,Beil氏,植田氏,Craw氏,Quintero-Velez氏ら各国の研究者と打ち合わせを行うため,旅費を用いる.また,幅広い分野の知識を用いるため,図書を購入する.実験的な計算などのため,必要なら計算機やソフトウェアを購入する.
ディスペンサと精密ステージを利用した能動制御微粒子整列

自己整列微粒子は機能デバイスや各種プロセスのマスクに適用できる多様性があるものの,微粒子を分散させた懸濁液から基板を引上げる従来の手法では限られた微粒子を狭い範囲にしか整列できてない.そこで,ディスペンサと精密ステージを組合せて基板上での懸濁液の濡れ広がりを制御し,多様な微粒子を大面積にマスクレスで整列するための方法を提案するとともに,樹脂を用いた反転転写による固定法と研磨工具への応用を検討した.自己整列微粒子は機能デバイスや各種プロセスのマスクに適用できる多様性があるものの,微粒子を分散させた懸濁液から基板を引上げる従来の手法では限られた微粒子を狭い範囲にしか整列できてない.そこで,ディスペンサと精密ステージを組合せて基板上での懸濁液の濡れ広がりを制御し,多様な微粒子を大面積にマスクレスで整列するための方法を提案するとともに,樹脂を用いた反転転写による固定法と研磨工具への応用を検討した.微粒子を分散させた懸濁液を基板上に塗布・乾燥させることで微粒子の自己整列構造を容易に製作することができる.本研究ではディスペンサと精密ステージを組合せて基板上に自由なパターンの自己整列構造を製作する技術の確立を目的とし,今年度は純水を用いた濡れ広がり制御の基礎実験とともに,微粒子パターニングの基礎実験を進めた.ディスペンサの吐出/停止に加え,吐出速度およびノズルと基板の間隔を調整することで濡れ広がり幅を一定に保つ手法を提案するとともに,内径100ミクロンのノズルで濡れ広がりの幅を2mm程度に安定して制御できることを示した.主題である能動制御の基礎を実現できた.次いで,微粒子を含めた懸濁液の塗布による自己整列実験を進めた.直径1ミクロンのシリカ微粒子を水に分散させた懸濁液を用い,まず基板の濡れ性が微粒子整列に強く影響するため親水および疎水基板の両方について検証を行った.親水性基板では広い面積に濡れ広がることから微粒子数が不足する傾向がある一方で,疎水性基板では逆に狭い範囲に微粒子が多層をなす構造が得られた.さらに,吐出と併せてステージの移動を制御することで離散的なドットパターンおよび直線パターンに沿った微粒子構造をマスクレスで製作した.直径2mmの微粒子構造の島が4mm間隔で並んだ構造と直線パターンに沿った構造を製作した.直線パターンの実験では直径1ミクロンの粒子が幅20ミクロンで単層・最密に整列した構造ができた.直線を密に並べることで大面積構造実現の可能性を明らかにした.微粒子自己整列構造の応用についても検討を行い,ガスセンサとしての可能性を明らかにした.特に金属酸化物微粒子を整列させたガスセンサは小型かつ高感度なセンサの可能性を秘めている.微粒子を分散させた懸濁液を基板上に塗布・乾燥させることで微粒子の自己整列構造を容易に製作することができる.本研究ではディスペンサと精密ステージを組合せて基板上に自由なパターンの自己整列構造を製作する技術の確立を目的とし,今年度は大面積化と複雑なパターン生成および微粒子固定法の検討を進めたまず,大面積化のために直線パターンを密に並べる方法を検討した,パターンの間隔が狭いと構造が途切れてしまい,逆に密になると多層化する部分が増すため,この間隔を適切に制御する必要がある.これは必ずしも容易ではなかったが,乾燥速度を遅くして微粒子の拡散を促した結果,1ミクロンのシリカ微粒子を数センチメートル角の範囲に整列できた次いでスパイラル状の運動を与えながら懸濁液を吐出・乾燥させ,自己整列させる方法を検討した.このような形状は回転に伴う流れを生み出すことができ,回転研磨工具に適切なものである.しかし,基板が親水性の場合,パターン幅が数mmまで大きくなるため,ジェット吐出による細線化も併せて検討した.この方法で自己整列構造を積層することで三次元的な構造も製作可能となるさらに,自己整列させた微粒子の固定方法として紫外線硬化樹脂を用いる方法を検討した.微粒子との親和性が異なる樹脂を選択することで,整列微粒子を樹脂に固定しながら微粒子そのものを転写したり,あるいは微粒子の形状のみを転写したりすることができるゼータ電位の影響解明を目指した整列メカニズムのモデル化についても検討を進めた整列構造のさらなる高精度化や,複雑なパターンの創成等が今後の課題として挙げられる微粒子を分散させた懸濁液を基板上に塗布・乾燥させることで微粒子の自己整列構造を容易に製作することができる.本研究ではディスペンサと精密ステージを組合せて基板上に自由なパターンの自己整列構造を製作する技術の確立を目的とし,今年度は大面積化と複雑なパターン生成および微粒子固定法の検討を進めた.特定パターンに沿って微粒子列を形成する制御プログラムを開発し,製作を行った.これまで蓄積してきたディップコーティングによる整列とは条件が異なるため,懸濁液濃度や吐出速度およびステージ動作速度などの適正化を行った.基板上での懸濁液の濡れ広がり現象も複雑であり,これをモデル化することで最終的な微粒子列幅の見積もり方法を検討した.最終的に,所望のパターンに沿った幅数mmの微粒子整列構造を得ることができるようになった.研磨工具への応用を意図し,直径1ミクロンのシリカ微粒子からなる多条のスパイラル構造をシリコン基板上に作成した.次いで,.整列微粒子を別基板に転写するための技術開発を行った.

光硬化性樹脂を始め,砥石の結合剤にも用いられるフェノール樹脂への転写条件を明らかにした.特徴は,厚みを持たせてゲル化させた樹脂に転写することで元の微粒子構造が多層であってもこれを反転し,微粒子高さを揃えられる点である.白色干渉計を用いて高さ評価を行ったところ,数mmの範囲で数ミクロンの高さ分布が見られた.さらに試作した研磨工具を用いてガラス板の加工実験を行った.回転工具基板と切れ刃面の間の平行度および回転精度が十分でなかったため,一様な研磨痕は見られなかったものの,個々の砥粒(微粒子)の擦過による研磨痕を観察することができた.延性モードに近い研磨痕もあり,工具としての一応の性能を評価することができた.