hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
頭部オーガナイザー形成と頭部形成機構の解析系の開発および分子発生学的解析

平成12年度に取り鎮んだマウスオーガナイザー領域を用いち微量組織片移植術によるアッセイ法の開発に関する研究は、これと全く同様の手法による結果が海外のグループによって報告がなされたため研究計画自体を大幅に変更した。本年度はアデノウイルスベクターを用いた遺伝子導入法により頭部形成機構に関与する遺伝子の影響を形態学的手法を用いて解析した。まずアデノウイルスペクターを用いた遺伝子導入法がマウス発生のどの時期から適用できるのかを調べるために、CAGprormoterにLacZを組み込んだアデノウイルス(Adex-LacZ)を用いて・前原腸陥入期・原腸陥入初期・後期・神経板期初期・35体節期に感染させて24時間全胚培養した後βgal染色を行なったところ、原腸陥入初期以降の胚でβgal陽性細胞が胚体内胚葉領域に確認できた。さらに前原腸陥入期感染胚を48時間全胚培養した後の神経板期でβgal染色を行なったところ、βgal陽性細胞が胚体内胚葉領域に確認できた。次いで外胚葉、内胚葉などの胚葉特異的に遺伝子導入が可能かどうか検討するためにAdex-LacZを原腸陥入後期に各胚葉特異的に感染させて24時間全胚培養した後βgal染色を行なった結果、胚体内胚葉特異的にβgal陽性細胞が確認できた。以上から、CAGpromoterを有するアデノウイルスベクターを用いた遺伝子導入法は前原腸陥入期以降のマウス胚で適用できる一方、神経板期以前では外来遺伝子を発現させられないという適用限界も明らかとなった。同ベクターは神経板期以降の胚体内胚葉特異的な遺伝子導入に有用であることから両生類で後方化をおこす遺伝子E2Fファミリーをアデノウイルスベクターを用いて前原腸陥入期に感染させ遺伝子導入したところ、頭部を欠失した胚が観察された・頭部オーガナイザー形成に対するE2Fファミリーの影響に関する解析は今後の課題である。頭部の形成は、内部細胞塊の一部から原始内胚葉と呼ばれる細胞が分化することから始まり、この原始内胚葉から生じる臓側内胚葉の一部、遠位部が頭側へと移動しつつ、頭部形成に必要な前方化シグナルを外胚葉上皮に与え、頭部および心臓などの前方構造物を誘導する一方、原腸陥入によって生じた中内胚葉が胚体を覆い、前方部の上皮と相互作用しつつ頭部構造を形成していくと考えられている。本研究では、レチノイン酸によって原始内胚葉に分化する胚性腫瘍F9細胞の分化誘導系と鶏胚への細胞移植法を組み合わせたアッセイ法を確立し、原始内胚葉が実際に頭部構造の誘導に直接関与するかどうかについて検討を試みた。レチノイン酸によって原始内胚葉へと分化誘導されたF9細胞を鶏卵へ移植したところ、拍動する心臓および頭部様構造物が形成されたものの、尾部の形成が阻害された。また、平成12年4月から7月半ばまでの3カ月余りをかけてオーストラリアChildrens Medical Research Institute (CMRI)のPatcick Tam博士とLim-1,Otx2などの頭部形成に密接に関わる遺伝子のノックアウトマウスを用いた解析の共同研究を行い、微量組織片の移植による直接的な哺乳類の頭部誘導機構の研究方法の手技を習得した。現在はマウスオーガナイザー領域を用いた微量組織片移植術によるアッセイ法の開発に取り組むと同時に、アデノウイルスベクターを用いた遺伝子導入法により頭部形成機構に関与する遺伝子の影響を形態学的手法を用いて解析している。なお、これらの結果の一部については平成12年度阿蘇シンポジウムにて発表した。
先天色覚異常の脳内色表象に関する研究：遺伝子解析と脳機能イメージングの統合

日本に300万人いるとされる先天赤緑色覚異常は、一部の色弁別が難しく、日常生活で様々な不利益を被っている。近年、これを防ぐために配色を工夫するカラーユニバーサルデザイン(CUD)の機運が高まっている。本研究の目的は、先天赤緑色覚異常の脳過程を、遺伝子解析と脳機能イメージングで明らかにすることである。色覚異常の脳内過程が解明され、色覚の多様性に関する理解が深まれば、CUDをより一層高めることができる。本研究には、現在のCUDの土台となっているBrettelらの2色覚モデルの脳科学による検証という側面もある。このモデルでは、先天赤緑色覚異常者は赤と緑を感じることができないと仮定しているが、これに反して、異常者でも赤と緑を感じていることを示す心理学的な証拠が多々ある。脳科学的な視点からこれを検証し、CUDへの提言を行うのも本研究の重要な目的の一つである。本年度は、これまでの40名に加えて、20名の先天赤緑色覚異常者に対して臨床的色覚検査と脳イメージング実験を実施し、目標のサンプル数のデータを取得した。現在、これまでの心理測定、遺伝子解析、脳イメージング対応関係について、統計的な分析を進めた。平成29年度が最終年度であるため、記入しない。本年度は、まず、30名の先天赤緑色覚異常者に対して臨床的色覚検査、色の見えに関する心理実験、および遺伝子解析を実施した。現在、3者の結果を相互に比較する分析を行っている。この比較によって、色覚の多様性を色の弁別とアピアランスの両面から論じ、かつ、その色覚遺伝子との関係を明らかにすることができる。さらに、うち18名については、脳の機能的・解剖的神経結合に関するMRI撮像と色覚を司る脳領域を同定するfMRI実験を行った。現在、様々な画像解析を行って、色覚の多様性の神経基盤を調べている。先天色覚異常の被験者が現在予定数の半分に留まっている点で計画は遅れているが、全員について遺伝子検査は終了し、心理実験は予定以上に進んでいる。また、MRI実験はほぼ予定通り進んでいる。本年度は、前年度の30名に加えて、10名の先天赤緑色覚異常者に対して臨床的色覚検査と遺伝子解析を実施した。その後、脳実験に先駆けて、2色覚モデルを検証する心理実験を行った。具体的には、LまたはM錐体のいずれのみをもつ2色覚者を遺伝子解析に基づき10名選出し、その色の見えを、臨床的色覚検査、質問紙調査、色名応答課題、および自然画像刺激に対する色の自然さの評価課題を行った。その結果、色の見えは保有する錐体が同じでも多様でありこと、全2色覚者が赤と緑を区別して呼称するなど減食モデルでは説明できない赤ー緑軸の残存が示唆された。遺伝子解析、色覚検査と心理実験が完了した先天色覚異常者が現在40名で予定数にあと20名不足している。また、本年度、被験者の色の見えが予想以上に多様であったため、それを確認する心理実験を優先的に行った影響で、MRI実験と解析が予定より遅れた。

脳科学的な視点からこれを検証し、CUDへの提言を行うのも本研究の重要な目的の一つである。本年度は、これまでの40名に加えて、20名の先天赤緑色覚異常者に対して臨床的色覚検査と脳イメージング実験を実施し、目標のサンプル数のデータを取得した。現在、これまでの心理測定、遺伝子解析、脳イメージング対応関係について、統計的な分析を進めた。1)新たな被験者(20名程度)を5月末までに集め、色覚検査と遺伝子解析を実施する(7月末)。2)MRI実験未実施の前年度被験者12名と新たな被験者について、前年度と同種のMRI実験を行う(8月末)。3)統制群として正常色覚者についても同種のMRI実験を行う(9月末)。4)MRIデータの解析を行い、先天色覚異常と正常色覚の神経結合を比較する(9月)。加えて、脳内色表象に関するfMRI実験を平行して行う。1)新たな被験者を10名以上集め、色覚検査と遺伝子解析を実施する(7月末)。2)先天色覚異常および統制群のMRI実験(未実施約半数)を行う(9月末)3)MRIの解析を行い、先天色覚異常と正常色覚の神経結合を比較する(9月末)。4)加えて、脳内色表象の実験を並行して行う。平成29年度が最終年度であるため、記入しない。
心血管病の発症進展を強力に抑制するAM受容体の新たな分子調節機構の解明と治療応用

強力な降圧ペプチド、アドレノメデュリン(AM)刺激後のヒト1型AM受容体(AM1受容体)の細胞内輸送における非網膜型G蛋白共役型受容体(GPCR)キナーゼ(GRK)とβ-アレスチンの新しい作用の分子基盤と分子メカニズムを明らかにした。プロテインキナーゼ(PKC)がAM非刺激下にヒトAM1受容体の細胞内移行(異種脱感作)を惹起する分子メカニズムも明らかにした(責任領域も同定)。さらに、ヒトAM1受容体の安定発現株を独自に作製してAM刺激後のAM1受容体の脱感作・再感作機構を明らかにし、その再感作を促進する効率的な手段の1つを確立した。非網膜型G蛋白共役型キナーゼ(GRK)のうち、GRK4とGRK5のみがAMの非刺激下に1型アドレノメデュリン(AM1)受容体の細胞膜への輸送をそれぞれ55%と30%に低下させた。GRK/各V5-CLRの導入比を10%に減量しても、GRK4とGRK5による抑制効果は維持された(それぞれ75%、35%)これに応じて、AMの結合性と反応性も著明に低下した。この現象は、AM1受容体の母体であるGPCRのカルシトニン受容体様受容体(CLR)の細胞内C末端領域(C-tail)を完全に欠失させた時とβ2-アドレナリン受容体(β2-AR)に置換した時に消失した。CLRのC-tailの系統的な欠失体の検討から、Ser-Phe-Ser-Asn-Ser配列が責任領域であることが判明した。CLRをβ-アレスチン1もしくはβ-アレスチン2と共発現させると、AM1受容体の細胞膜発現とAMの結合性・反応性は変わらなかったが、AM(100nM)による細胞内移行(1時間後)は、それぞれ40%と50%に低下した。予期せぬことに、それぞれのドミナントネガティブ(DN)変異体も、CLRの細胞内移行を85%と70%に低下させた。一方、CLRのC-tailをβ2-ARに置換したCLR-β2-ARをβ-アレスチン1もしくはβ-アレスチン2と共発現させると、AM(100nM)による細胞内移行は、それぞれ140%と170%に増加した。それぞれのDN変異体は、CLR-β2-ARの細胞内移行を75%と60%に低下させた。これらのβ-アレスチンによるCLR-β2-ARの細胞内移行の促進およびDN変異体による抑制効果は、野生型のβ2-ARで得られた所見と合致していた(既報通り)。当初の予想通り、GRKとβ-アレスチン新知見(上述)の機序解明には時間を要している。これらの細胞内分子のドミナントネガティブ(DN)変異体やブロッキング抗体、siRNAの各対象領域を変えて検討を重ねる。培養心血管細胞の遺伝子導入実験では、その導入効率をより高める工夫をする(最適な遺伝子導入装置などを使用)。アドレノメデュリン(AM)は、強力な降圧ペプチドであり、多彩な臓器保護作用を惹起する。受容体活性調節蛋白2(RAMP2)は、カルシトニン受容体様受容体(CLR)を小胞体から細胞膜に輸送させ、1型AM受容体(CLR/RAMP2複合体)を形成する。CLRをRAMP2の安定発現株に共発現させて、AMの非刺激下に、プロテインキナーゼ(PKC)アクチベーターのPMA(2μM)を1時間添加すると、1型AM受容体の約30%が細胞内移行した。この細胞内移行は、CLRの細胞内C末端領域を完全に欠失させても全く解除されなかった。CLRの細胞内ループのリン酸化部位の変異体4種のうち、Thr175Ala以外は、部分的に有意に細胞内移行が減少した(3種の変異体の間に有意差はなかった)。PMAを加える前のThr175Alaの細胞膜発現は、他の3種と同等であった。Thr175Ala以外の3種の変異体は、PMAによる細胞内移行後に、AMで刺激すると、cAMP反応は有意に低下した。一方、CLRを共発現させて、100μMの8-Br-cAMP(cAMPアナログ)を1時間添加しても、AM非刺激下の細胞内移行は全く見られなかった(5種のCLR変異体も同様)。今後、AMの創薬に向けて、PKCを活性化できる他のG蛋白共役型受容体(GPCR)が、各々のリガンド刺激後に1型AM受容体を細胞内移行させ、異種脱感作を惹起するのか明らかにする必要がある。その他2つの新知見(非網膜型GPCRキナーゼ4(GRK4)とGRK5による1型AM受容体の細胞膜への輸送の抑制作用およびβ-アレスチン-1とβ-アレスチン-2による1型AM受容体の細胞内移行の抑制作用)に関しては、それらの機序の解明に向けて多方面からアプローチしている。3種の重要なシグナル分子(2つのG蛋白共役型キナーゼ(GRK)、2つのβ-アレスチン、プロテインキナーゼ(PKC))の細胞内分子調節機構の新知見(3つ)のメカニズムの解明に時間を要している。これからのシグナル分子に既知・未知の蛋白が作用していると想定しているが、protein-protein interactionの同定法に問題があると思われる。現在、多角的なアプローチにより検討を重ねている。一般に、培養心血管細胞の遺伝子導入は難しいが、標的遺伝子の導入効率が予想以上に上がらず苦慮している。

本研究の成否のカギを握るため、各種条件検討を行っている。アドレノメデュリン(AM)は、強力な降圧ペプチドであり、多彩な臓器保護作用(抗炎症作用、抗酸化ストレス作用など)を惹起する。AM受容体はカルシトニン受容体様受容体(CLR)と受容体活性調節蛋白2(RAMP2)からなる。RAMP2は、CLRの細胞膜発現とリガンドの特異性を規定する。一般に、多くの受容体は、特異的なリガンドが作用すると細胞内移行を惹起する(脱感作の1つ)。これは、受容体の再感作のために不可欠な現象である。我々は、AM受容体の安定発現株を独自に作製して、クラスリンを経由して細胞内移行したAM受容体が、細胞膜に再分布(再感作)せずにライソゾームに集積することを明らかにした(共焦点顕微鏡とフローサイトメトリーを使用)。CLRの細胞内C末端領域を欠失させると、細胞内移行後に再分布する(ライソゾーム集積を回避する)ことを見出した。この現象は、細胞膜再分布の経路を阻害する2つの薬剤(Monensin 25μM、Bafilomycin A1 200 nM)の前処置により完全に抑制された。AM受容体をライソゾームに集積させる責任領域をより詳細に特定し、その責任領域をより効率的にブロックする手段の確立を試みた。その他2つの新知見(非網膜型GPCRキナーゼ4(GRK4)とGRK5による1型AM受容体の細胞膜への輸送の抑制作用およびβ-アレスチン-1とβ-アレスチン-2による1型AM受容体の細胞内移行の抑制作用)に関しては、それらの機序の解明に向けて多方面からアプローチを試みたが、研究期間内に全解明に至らなかった。現在も、引き続き精力的に検討を重ねている。強力な降圧ペプチド、アドレノメデュリン(AM)刺激後のヒト1型AM受容体(AM1受容体)の細胞内輸送における非網膜型G蛋白共役型受容体(GPCR)キナーゼ(GRK)とβ-アレスチンの新しい作用の分子基盤と分子メカニズムを明らかにした。プロテインキナーゼ(PKC)がAM非刺激下にヒトAM1受容体の細胞内移行(異種脱感作)を惹起する分子メカニズムも明らかにした(責任領域も同定)。さらに、ヒトAM1受容体の安定発現株を独自に作製してAM刺激後のAM1受容体の脱感作・再感作機構を明らかにし、その再感作を促進する効率的な手段の1つを確立した。GRKとβ-アレスチンの新作用の機序解明と遺伝子改変マウスを用いた検討を始める。GRKとβ-アレスチンの新作用解除法の開発と治療応用解析を目指す。さらに、独自の再感作促進法によるAM受容体の治療応用を目指す。昨年度と同様に、3種の重要なシグナル分子の新知見のメカニズム解明を試みる。GRKとβ-アレスチンの遺伝子改変マウスを用いた検討も進める。最終的に、GRKとβ-アレスチンの新規作用を解除する特異的な方法の開発と治療応用を目指す。一方、AMの創薬に向けて、PKCを活性化できる他のG蛋白共役型受容体が、それぞれの特異的なリガンド刺激後に1型AM受容体を細胞内移行させ、異種脱感作を惹起するのか明らかにする。循環器内科学研究の一部(細胞内分子の新たな作用の機序解明)の進行が遅れたため、その対策を講じるため、次年度使用額が生じた。研究の一部(3種のシグナル分子の新規作用のメカニズム解明)の進行が遅れ、その対策を講じるため、次年度使用額が生じた。研究推進のため、生じた次年度使用額を消耗品に充てる予定である。研究推進のため、生じた次年度使用額を消耗品と人件費に充てる予定である。
翻訳効率が高いメッセンジャーRNAの構造に関する研究

大腸菌菌体内においてブタのアデニレートキナーゼ(ADK)を発現させる実験で、DNA上で翻訳開始部位にATGを2個連続させることによって、ADKの合成量が34倍に増加することを明らかにした。さらに、Northernhybridizationの結果から、2AUGのADKmRNAは、1AUGのADKmRNAに比べて安定であることが示され、翻訳開始効率の差によってポリソーム形成状況が変化したことが示唆された。そこで、T7RNApolymeraseを用いてADKのmRNAを作製し、E.coliS30の系で翻訳させるinvitroの実験を行った。mRNA量に依存した蛋白質合成量(ADK合成量)の変化を、^<35>S標識メチオニンのADKへの取込量を測定することによって比較した。その結果、AUGを連続させることによってADK合成量が約2倍に増加することが示された。これらの実験から、大腸菌の系において、連続する開始コドンAUGがmRNAの翻訳効率を上昇させることを明らかにした。一方、真核細胞の系において連続AUGコドンの効果を調べるため、ヤギのプレーα-ラクトアルブミン(プレα-LA)のmRNAを作製し、小麦胚芽の系でinvitroの翻訳実験を行った。既に、AUGが1個の場合よりも2個連続しているほうがmRNAへのリボソームの結合効率が上昇すること、その結果としてプレーα-LAの合成量が約2倍に増加することを見い出していた。そこで、5^1非翻訳領域(5^1-UTR)を変えたときに、連続AUGの効果がどのように変化するかを調べる実験を行った。その結果、連続AUGコドンの効果は、5^1-UTRが9塩基と短いmRNAでは顕著に示されたが、5^1-UTRの長さを36塩基まで伸ばすと比較的小さくなることがわかった。
多孔質内のカオス域非定常高速熱流動現象の研究

従来の多孔質内の現象は,理論的には主に局所体積平均を応用した基礎式を用いて定式化されている.しかしながら,この局所体積平均の操作を高速熱流動現象に適用するとき,多孔質の微視構造体はコントロールボリューム内で熱的に均一であると取り扱われることになり,極めて早い熱変化に対しては,微視構造そのものの内部非定常温度の不均一性,あるいは微視構造体の熱容量もその表面近傍が効き,変化の時定数に関連して有効熱容量が問題になる.近年,微視的にもより高速の非定常変化が実用に供されるとき,その理論基盤を明らかにしておく必要がある.多孔質としての取り扱いを要しながら,かつ従来よりもはるかに高速な微視構造体の非定常変化の取り扱いが必要なこと,しかもそれは微視構造スケールでの流体のカオス乱流挙動とも密接に関連している.すなわち,多孔質内の乱流においては,構造体を迂回する構造体スケールの渦(擬似渦)と構造体間の間隙スケールの渦(空隙渦)が,流動特性(速度の二乗に比例するForchheimer抵抗)および熱分散(見かけの熱伝導率の上昇)を基本的に支配する.本研究では,Helc-Shawセル内に柱群を設置することにより多孔質を模擬し,実験および数値解析を行い,主として微視的観点から,(1)固体内温度場,特に有効熱容量概念における高速温度変化の浸透スケールの把握,(2)高速熱流動現象における多孔質内温度および速度変動の計測,(3)多孔質内支配方程式の微視的観点(局所体積平均の時間依存性の観点)からの再検討および再構築を行う.以上により多孔質内のカオス域非定常高速熱流動現象のモデリングを行ったものである.従来のエネルギー式においては,微視構造体の熱容量が一様に関与するとするものであるが,本研究においてはこの定式化が不適当な場合があることを説明している.なおこの新しい概念は,多孔質内の流体と固体に温度差が存在するとした取り扱いでも同様に適用される.従来の多孔質内の現象は,理論的には主に局所体積平均を応用した基礎式を用いて定式化されている.しかしながら,この局所体積平均の操作を高速熱流動現象に適用するとき,多孔質の微視構造体はコントロールボリューム内で熱的に均一であると取り扱われることになり,極めて早い熱変化に対しては,微視構造そのものの内部非定常温度の不均一性,あるいは微視構造体の熱容量もその表面近傍が効き,変化の時定数に関連して有効熱容量が問題になる.近年,微視的にもより高速の非定常変化が実用に供されるとき,その理論基盤を明らかにしておく必要がある.多孔質としての取り扱いを要しながら,かつ従来よりもはるかに高速な微視構造体の非定常変化の取り扱いが必要なこと,しかもそれは微視構造スケールでの流体のカオス乱流挙動とも密接に関連している.すなわち,多孔質内の乱流においては,構造体を迂回する構造体スケールの渦(擬似渦)と構造体間の間隙スケールの渦(空隙渦)が,流動特性(速度の二乗に比例するForchheimer抵抗)および熱分散(見かけの熱伝導率の上昇)を基本的に支配する.本研究では,Helc-Shawセル内に柱群を設置することにより多孔質を模擬し,実験および数値解析を行い,主として微視的観点から,(1)固体内温度場,特に有効熱容量概念における高速温度変化の浸透スケールの把握,(2)高速熱流動現象における多孔質内温度および速度変動の計測,(3)多孔質内支配方程式の微視的観点(局所体積平均の時間依存性の観点)からの再検討および再構築を行う.以上により多孔質内のカオス域非定常高速熱流動現象のモデリングを行ったものである.従来のエネルギー式においては,微視構造体の熱容量が一様に関与するとするものであるが,本研究においてはこの定式化が不適当な場合があることを説明している.なおこの新しい概念は,多孔質内の流体と固体に温度差が存在するとした取り扱いでも同様に適用される.多孔質内の層流は,レイノルズ数の増加とともに内部流の時間的揺動,カオス挙動を経て,乱流へと遷移する.本研究においては,多孔質内部構造のモデルとして狭い隙間を有するダクト内に管群を配置した(Hele-Shaw管群)多孔質モデルを取り扱うことによって内部流動状況の可視化ならびに局所速度場温度場の測定を行い,カオスと乱流への遷移および輸送性質の関連等,多孔質内におけるカオス乱流のモデルの実験的数値シミュレーション的検討を行った.ミクロスケールでのカオス挙動の実験的検討を行うとともに,数値解析においては,流動場と固体内温度場を連成した数値解析を行い,固体熱伝導の影響を組み込んだ数値解析を行った.多孔質内の流れは,レイノルズ数が極めて小さいとき,直管内のレイノルズの実験と同様に,流脈は時間的に変化せず,多孔質内の流路に沿って揺動することなく流れる.レイノルズ数の増大が時間的揺動を生じること、多孔質内のカオス乱流は,基本的に粒子径(多孔質代表寸法)スケールの渦(擬似渦)と空隙スケールの渦(空隙渦)に支配される.実験,数値シミュレーションにおいて圧力損失,可視化の観察,局所速度場,温度場の時系列からのパワー'スペクトル密度分布,最大リァプノフ指数を求め,.以下の検討を行った.・Forchheimer流動抵抗は空隙スケールの流動の不安定に基づくことを数値シミュレーシヨンにおいても示した.

・多孔質内における乱流過程において流れの不安定性はまず擬似渦が支配的になる領域があり,次に擬似渦と空隙渦が支配的となる領域がある.高レイノルズ数での空隙内熱流動場を固体内熱伝導と連成して解き,高周波数での変動の解析を行った.・多孔質内における実験的カオス挙動および乱流への遷移を数値シミュレーションにおいても確認した.従来の多孔質内の現象は,理論的には主に局所体積平均を応用した基礎式を用いて定式化されている.しかしながら,この局所体積平均の操作を高速熱流動現象に適用するとき,多孔質の微視構造体はコントロールボリューム内で熱的に均一であると取り扱われることになり,極めて早い熱変化に対しては,微視構造そのものの内部非定常温度の不均一性,あるいは微視構造体の熱容量もその表面近傍が効き,変化の時定数に関連して有効熱容量が問題になる.近年,微視的にもより高速の非定常変化が実用に供されるとき,その理論基盤を明らかにしておく必要がある.多孔質としての取り扱いを要しながら,かつ従来よりもはるかに高速な微視構造体の非定常変化の取り扱いが必要なこと,しかもそれは微視構造スケールでの流体のカオス乱流挙動とも密接に関連している.すなわち多孔質内の乱流においては,構造体を迂回する構造体スケールの渦(擬似渦)と構造体間の間隙スケール(空隙渦)が,流動特性および熱分散を基本的に支配する.本研究は,Hele-Shawセル内に柱群を設置する.ことにより多孔質を模擬し,実験および数値解析を行い,主として微視的観点から,1)固体内温度場,特に有効熱容量概念における高速温度変化の浸透スケールの把握,2)高速熱流動現象における多孔質内温度および速度変動の計測,3)多孔質内支配方程式の微視的観点(局所体積平均の時間依存性の観点)からの再検討および再構築を行う.以上により多孔質内のカオス域非定常高速熱流動現象のモデリングを行った.従来のエネルギー式においては,微視構造体の熱容量が一様に関与するとするものであるが,本研究においてはこの定式化が不適当な場合があることを説明している。なおこの新しい概念は,多孔質内の流体と固体に温度差が存在するとした取り扱いでも同様に適用される。
膀胱求心路におけるSleeping C-fiberの活性化と痛覚鋭敏化の関係解明

膀胱炎は頻尿と下腹部痛が症状として良く知られている。我々はこれまで酢酸やホルマリンといった化学刺激によるモデルを用いて急性膀胱炎モデルを作製し、麻酔した動物では頻尿を指標にその実験を行ってきた。今回は急性炎症に伴って上昇するサイトカインの一つインターロイキン1β(ILIβ)が膀胱知覚に及ぼす影響について検討し、より臨床に近いモデルの作製を検討した。膀胱内圧を測定しその内液中にILIβを投与すると膀胱収縮の頻度が40-80%上昇した。この時最大収縮圧は10-40%の上昇を認めた。正常では第五腰髄後根線維から記録される放電は膀胱の収縮に伴い増大するが、ILIβを膀胱内腔投与すると放電は次第に増加し、収縮に係わらず高頻度で持続的になった。第五腰髄後根神経節より取り出し膀胱知覚ニューロンを単離して、細胞内Ca^<++>指示薬のFura2を取り込ませてILIβによる影響を検討した。ILIβ(1-2ug/ml)は投与後5分以内に細胞内Ca^<++>量を上昇させた。最大値は投与前の180-220%となり、投与15-35分後に回復した。これは細胞内Ca^<++>の移動を抑制するライアノジンによって、約70%抑制された。また、ウレタン麻酔したラットで、尿道より膀胱内細いカテーテルを挿入し膀胱を開放状態とし、膀胱内をILIβ(0.1-0.5ug/ml)で2時間潅流し、その時におこる脊髄2次・3次細胞でのc-fosの発現を免疫組識化学法を用いて検討した。c-fosの発現は第五腰髄に限局し、脊髄後角表層のLaminae I-III層と、中間層側索よりのLaminae V-VII層に限局して分布した。このc-fosは脊髄髄腔内にタヒキキニン受容体の一つNKI受容体の拮抗剤CP96345(0.5-5ug)で80%抑制された。従って、ILIβは膀胱粘膜の神経終末に作用し、その興奮はサブスタンスPを含む神経伝達物質を脊髄で放出している事が明らかとなった。
紫外線被曝が皮膚、肝臓、脂肪組織における脂質代謝に与える影響のリピドミクス解析

我々は、「紫外線被曝が、臓器間ネットワークを介して各臓器にどのような影響を与え、メタボリックシンドロームに関わっているのか」という学術的「問い」に対して、皮膚への紫外線被曝が肝臓や脂肪組織のホルモン、サイトカインなどのタンパク質、アミノ酸代謝に影響を与えることを明らかにしてきた。本研究では、「紫外線の皮膚への被曝が皮膚、肝臓、脂肪組織における脂質代謝にどのような影響を与えるのかをリピドミクスを用いて明らかにし、またその変動のメカニズムを解明」することを目的とした。
相転移予混合気充填法とレーザー点火による気体力学的上限パルスデトネーション作動

既存燃焼サイクルで「最高の理論熱効率」と「高速燃焼による燃焼器の小型化」を実現するデトネーションエンジンの実現に向けて、デトネーション波の連続的な生成による高出力化と高い熱負荷の低減を同時に実現する必要がある。本研究は、燃焼器全長で決定する気体力学的上限周波数(すなわち,短い燃焼器での高周波数)でのパルスデトネーションサイクル(PDC)を低熱負荷で実現することを目的とする。具体的には、(1)レーザー点火によるデトネーション遷移時間・距離の最小化、(2)液体燃料気液相転移現象を利用したパージ物質レスの理想的なPDCの実現である。目的(1)に対して、エネルギー可変レーザー点火装置の構築を完了し、点火エネルギーを0200mJの間で変化させられることを実験的に確認した。さらに、10mm×10mmの正方形断面の燃焼器を用いてエチレン-酸素量論静止予混合気での着火実験を実施した。その結果、レーザー集光点(点火位置)の変化により、デトネーション波に遷移するまでの距離・時間が変化することが確認された。壁面付近での点火に比べ、中心付近での点火では、レーザーブレイクダウン時に発生した衝撃波と燃焼波との干渉が多く発生することで火炎加速が促進されたと考えられる。2019年度には、多点同時点火が可能な燃焼器を新たに製作し、デトネーション遷移過程の短縮に効果的なレーザー点火方法を目指す。目的(2)に対して、全長40mmの小型燃焼器を用いて1916ヘルツの安定したPDCを実証した。また、エチレンを液化噴霧することに成功し、液体燃料を用いたPDCにも成功した。本結果から、更なる高周波数作動化には、自着火機構の解明と高応答燃料インジェクタの開発が必須であることを示した。2019年度には、液体燃料の潜熱を用いた低温予混合気による既燃ガス掃気法を実験的に確認するとともに、PDCに適したインジェクタの開発に着手する。目的(1)に対して、レーザー点火によるデトネーション遷移過程の短縮化を確認した。従来のスパークプラグでの点火では壁面付近での点火に制限されていた。本研究では、レーザー集光点を変化させ、壁面付近と中心付近での点火の2条件で可視化実験を実施した。その結果、狭い燃焼器内では、中心付近の点火の方がより衝撃波-燃焼波干渉が促進され、点火直後の火炎加速が早いことが確認された。目的(2)に対して、液体燃料によるPDCを実証した。燃料であるエチレンを-20°C程度まで冷却することで高圧・高密度の液体燃料を噴霧することに成功した。液体エチレンを用いたPDC作動を実証し、高密度混合気による高推力密度化が可能であることを示した。以上2つの点から、順調に進展していると評価した。目的(1)に対して、多点同時点火によりデトネーション遷移過程を最短化する手法を模索する。既に、2点同時点火用の光学系の設計を開始しており、衝撃波-燃焼波の干渉現象を利用した新しいデトネーション遷移過程の短縮に関する基礎実験を実施する。目的(2)に対して、可視化実験による自着火機構の解明および液体燃料の有効性実証に取り組む。さらに、デトネーションエンジンに適した燃料インジェクタ形状の探求を3Dプリンタ技術を活用し進める。本研究では,デトネーション波を間欠的に生成するパルスデトネーションサイクル(PDC)に着目し,相転移を用いた低温爆発性混合気充填法の確立とレーザー点火技術によるデトネーション遷移過程の最短化を組み合わせることで気体力学的上限周波数で作動するPDC(燃焼器全長120 mmで1500 Hz)を実証することを目的とする.本年度は主に2つの研究を実施した.1.燃焼器内部流動の理解とモデル化本研究の独自手法である準バルブレスPDC(特願2015-251952)における燃焼器内部流動をシュリーレン光学観測および自発光観測によって可視化した.その結果,PDCにおける全過程(爆発性混合気の充填、点火・デトネーション波への遷移(DDT)、高圧既燃ガスの排出、酸素による既燃ガスの掃気)をx-t線図(一次元的な流動)として表現することに成功した.この成果により,気体力学的上限PDCへの課題として,DDT短縮および掃気用酸素層の排除が必須であることが明らかになった.また,最高繰り返し周波数として,燃焼器全長40 mmで1916 HzのPDC作動を達成した.2.火花点火の特性評価とレーザー点火装置の導入上記一つ目の課題であるDDT短縮に対して,レーザー点火装置を導入した.レーザー点火の有効性を確認するため,まず従来の点火手法である火花点火がDDT過程に及ぼす影響を調査した.その結果,エチレンー酸素混合気におけるDDT時間が0.1ミリ秒以下であるのに対して,火花点火におけるエネルギー投入時間は1ミリ秒程度と大きいことが示された.本年度は,導入したレーザー点火装置(エネルギー投入時間0.00001ミリ秒、最大投入エネルギー200 mJ)による点火,DDT可視化実験を実施し,火花点火におけるDDT過程との差異を調査し,レーザー点火の有効性(高密度エネルギー,高圧環境下での点火)を明らかにする.本研究の最終目標である気体力学的上限PDC(焼器全長120 mmでの1500 Hz)に対して,本年度,40 mm燃焼器による1916 Hzを達成した.この作動周波数は,燃焼器全長で決定する気体力学的上限周波数に対しておおよそ75%であった.

上限周波数に近づけるためには,レーザー点火によるDDT短縮と低温爆発性混合気による自着火抑制が必要であり,本研究の今後の課題である.しかしながら,ピエゾインジェクタによる高速燃料噴霧および従来の火花点火による1916ヘルツの達成は,当初の計画以上の進展である.上記課題を克服することで,20 kHz以上(超音波)でのPDCが可能であることが示唆され,空気中強力超音波としてのPDCの新しい工学応用も期待される.PDCや回転デトネーションサイクル(RDC)とは異なる全く新しいデトネーションサイクルとして反射往復型デトネーションサイクル(RSDC)を提案した(特願2017-232418).RSDCは,デトネーション波が扇形2次元燃焼器内の壁面で反射を繰り返しながら伝播を維持する.これまでに,可視化実験にて一定速度(超音速)で往復伝播する燃焼波を確認している(Proceedings of The Combustion Instituteにアクセプト済み).RSDCは,反射衝撃波後方の高圧状態と燃焼によってデトネーション波伝播を維持していると考えられ,薄い平板形状の燃焼器内でもデトネーション波を維持できる.今後,その伝播メカニズムや推進性能を評価する予定である.以上の2点から,当初の計画以上にしていると評価した.既存燃焼サイクルで「最高の理論熱効率」と「高速燃焼による燃焼器の小型化」を実現するデトネーションエンジンの実現に向けて、デトネーション波の連続的な生成による高出力化と高い熱負荷の低減を同時に実現する必要がある。本研究は、燃焼器全長で決定する気体力学的上限周波数(すなわち,短い燃焼器での高周波数)でのパルスデトネーションサイクル(PDC)を低熱負荷で実現することを目的とする。具体的には、(1)レーザー点火によるデトネーション遷移時間・距離の最小化、(2)液体燃料気液相転移現象を利用したパージ物質レスの理想的なPDCの実現である。目的(1)に対して、エネルギー可変レーザー点火装置の構築を完了し、点火エネルギーを0200mJの間で変化させられることを実験的に確認した。さらに、10mm×10mmの正方形断面の燃焼器を用いてエチレン-酸素量論静止予混合気での着火実験を実施した。その結果、レーザー集光点(点火位置)の変化により、デトネーション波に遷移するまでの距離・時間が変化することが確認された。壁面付近での点火に比べ、中心付近での点火では、レーザーブレイクダウン時に発生した衝撃波と燃焼波との干渉が多く発生することで火炎加速が促進されたと考えられる。2019年度には、多点同時点火が可能な燃焼器を新たに製作し、デトネーション遷移過程の短縮に効果的なレーザー点火方法を目指す。目的(2)に対して、全長40mmの小型燃焼器を用いて1916ヘルツの安定したPDCを実証した。また、エチレンを液化噴霧することに成功し、液体燃料を用いたPDCにも成功した。本結果から、更なる高周波数作動化には、自着火機構の解明と高応答燃料インジェクタの開発が必須であることを示した。2019年度には、液体燃料の潜熱を用いた低温予混合気による既燃ガス掃気法を実験的に確認するとともに、PDCに適したインジェクタの開発に着手する。目的(1)に対して、レーザー点火によるデトネーション遷移過程の短縮化を確認した。従来のスパークプラグでの点火では壁面付近での点火に制限されていた。
コンビナート災害に端を発する大都市複合災害の包括的シナリオ策定と総合防災減災戦略

本研究の目的は、コンビナートクライシスを打破するための現状分析,包括的シナリオ想定とそれに基づく被害想定,リスク/クライシスマネジメント手法の構築を行い,産官公学連携による総合防災減災戦略の社会実装を目的として以下の成果の創出を目指すことである。平成30年度は、1具体的な被害想定,リスク/クライシスマネジメントの実施に必要なフレームワーク構築および2具体的なリスクアセスメント手法とその課題整理を行った。1において構築したフレームワークは、対象とするシステムを取り囲む環境変動を起点(ガイドワード)とし、それらがどのような経路で対象システムへ影響を及ぼすのかをリスクシナリオとして大枠で洗い出す手法である(YNU-HAZID手法)。2では、既存のフィジカルリスクアセスメント手法(QRA, HAZOP, FMEA, HAZID, What-if手法など)を概観し、それら手法が得意(もしくは不得手)とするリスクシナリオ分野、リスク定量性やその定量分析精度に関して、各種リスク基準と照らし合わせて整理した。この整理をベースにリスクアセスメントを進めれば、例えば本来その手法が不得手とするシナリオを詳細分析するなど、分析の重心が偏在することを防ぎ、意思決定に貢献するリスクアセスメント結果を提供できると考える。次年度以降は、これら手法を用いて具体的なコンビナート地区に対するアセスメントを実施する予定であり、その過程で抽出した課題をフィードバックさせることで本フレームワークを更新・拡張させる。横浜国立大学リスク共生社会創造センターが策定した先端科学技術に関する社会総合リスクアセスメントガイドラインに基づき、コンビナート地区において望まれるフィジカルリスクアセスメントに関するフレームワーク像の構築を行った。続いて、既存のフィジカルリスクアセスメント手法(QRA, HAZOP, FMEA, HAZID, What-if手法など)を概観し、その特徴に基づいて上記フレームワーク像へ組み込むことで、フレームワークを具体化させた。作成した暫定フレームワークを先行的に取り組んでいた水素ステーションのリスクアセスメント(コンビナートよりも小スケールのインフラ設備として)に適用したところ、本フレームワークは水素ステーションで議論すべき広範なリスクシナリオをカバーし、それぞれのリスクシナリオについて十分なリスク情報を提供できる可能性を示すことができた。翌年度は、これをブラッシュアップすると共に、コンビナート地区におけるリスクアセスメントに展開する。京浜川崎地区に存在するコンビナートを題材に、リスクアセスメントフレームワークを適用し、具体的なアセスメントを行い、災害シナリオの抽出、被害想定を行う。その結果を基に必要となるクライシスマネジメントに対する必要要件を整理する。具体的には、大規模地震や洪水・高潮に関するハザードマップと、危険物貯蔵所や高圧ガス貯蔵所の位置とをマッピングするなどして、高リスク箇所を洗い出す。その上で、火災爆発に関する影響度シミュレーションを実施することで、地震・津波の被害箇所からさらに被害が拡大するシナリオの描像とその被害想定を行う。被害想定を基に、住民避難等の危機対応策について、いくつかの対応オプションをプランニングし、それぞれの効果を検討する。ここでは人工環境シミュレーションを用いて、GIS(地理情報システム)データを活用した人工環境モデル上で、避難経路や住民の避難時の行動について検討する予定である。上記検討結果と横浜国立大学リスク共生社会創造センターが策定した先端科学技術に関する社会総合リスクアセスメントガイドラインを参考に、都市隣接型コンビナート地区のあるべき防災・減災戦略について考察する。

その結果を基に必要となるクライシスマネジメントに対する必要要件を整理する。具体的には、大規模地震や洪水・高潮に関するハザードマップと、危険物貯蔵所や高圧ガス貯蔵所の位置とをマッピングするなどして、高リスク箇所を洗い出す。その上で、火災爆発に関する影響度シミュレーションを実施することで、地震・津波の被害箇所からさらに被害が拡大するシナリオの描像とその被害想定を行う。被害想定を基に、住民避難等の危機対応策について、いくつかの対応オプションをプランニングし、それぞれの効果を検討する。ここでは人工環境シミュレーションを用いて、GIS(地理情報システム)データを活用した人工環境モデル上で、避難経路や住民の避難時の行動について検討する予定である。上記検討結果と横浜国立大学リスク共生社会創造センターが策定した先端科学技術に関する社会総合リスクアセスメントガイドラインを参考に、都市隣接型コンビナート地区のあるべき防災・減災戦略について考察する。数値計算に入力する基礎情報の収集に時間を要し,計算結果の検証に遅れが生じたため次年度使用額が生じたが,研究は順調に進捗しており,今後の研究計画に変更はない。
不飽和リゾフォスファチジン酸による動脈硬化発症の分子機構と治療法確立に関する研究

動脈硬化発症機構は未だ不明な点が多く、本研究は不飽和リゾフォスファチジン酸(LPA)の動脈硬化発症因子としての意義を検討し、動脈硬化発症の分子機構の解明および治療法の確立を目的とする。1、不飽和LPA特異的受容体のクローニング:(1)不飽和LPA刺激で活性化されるERKおよびp38MAPKを機能の指標とした発現クローニング、(2)放射性標識した不飽和LPAをリガンドとした受容体結合実験によるクローニングを行っており、現在スクリーニングの最終段階に入っている。2、動脈硬化増悪因子の同定:われわれが確立した分化型血管平滑筋細胞の初代培養系を用いて、EGFファミリーの増殖因子であるepiregulinが不飽和LPA刺激により血管平滑筋細胞より分泌され、さらに脱分化因子としてautocrine/paracrineに作用し動脈硬化症進展(増悪)に主要な役割を担っている事を明らかとした(Circulation.2003 18;108:2524-9.)。3、不飽和LPAによる動脈硬化発症モデルラットの解析:不飽和LPAによるin vivo血管内膜肥厚モデルを用いて、血管リモデリング発症には、ERKおよびp38MAPKの活性化による血管平滑筋細胞の形質転換(分化→脱分化)が必須である事をin vivoで明らかとした(Circulation.2003 108:1746-52.)。3、動脈硬化発症の細胞内情報伝達機構の解明:増殖因子の一つであるIGFが、分化型血管平滑筋ではチロシンホスファターゼであるSHP-2を活性化させる事により、Rasおよびその下流に位置し、血管平滑筋細胞の形質転換(分化→脱分化)に必須であるERK/p38MAPK系の活性化を遮断させる事を明らかとした(J.Biol.Chem.2004 279:40807-40818.)。この事により血管平滑筋細胞の強力な脱分化因子である不飽和LPA刺激に対しても、SHP-2の活性化が脱分化シグナルを遮断する情報伝達経路、すなわち動脈硬化発症を抑制するシグナル伝達機構として主要な役割を担っている可能性が示唆された。4、動脈硬化発症モデルマウスの作製:脂質合成に関与する酵素を過剰発現させる事で、脂質合成機能の異常をきたす事が予想されるトランスジェニックマウスを作製した。動脈硬化発症機構は未だ不明な点が多く、本研究は不飽和リゾフォスファチジン酸(LPA)の動脈硬化発症因子としての役割の追求と不飽和LPA特異的レセプターの検索により、動脈硬化発症の分子機構と予防・治療法の確立を目的とする。本年度は以下の実験を行った。1)新規不飽和LPA受容体のクローニング:不飽和LPA受容体刺激で活性化されるERKおよびp38MAPK系の情報伝達機構を機能の指標とした発現クローニングを行っており、現在スクリーニングの最終段階に入っている。2)動脈硬化増悪因子の同定:われわれが確立した分化型血管平滑筋細胞の初代培養系を用いて、EGFファミリーの増殖因子の一つであるepiregulinが不飽和LPA刺激により血管平滑筋細胞より分泌され、さらに脱分化因子としてautocrine/

paracrineに作用し動脈硬化症進展(増悪)に主要な役割を担っている事を明らかとした(Circulation.2003 18;108:2524-9.)。3)不飽和LPAによる動脈硬化発症モデルラットの解析:不飽和LPAによるin vivoの血管内膜肥厚モデルを用いて、血管リモデリング発症の情報伝達機構を詳細に検討した結果、ERKおよびp38MAPKの活性化が血管平滑筋細胞の形質転換(分化→脱分化)に必須である事をin vivoで初めて明らかとした(Circulation.2003 108:1746-52.)。4)動脈硬化発症モデルマウスの作製:ERKおよびp38MAPK系の情報伝達機構の異常、また、脂質合成機能の異常をきたすモデルマウスを発生工学的手法を用いて作製中である。動脈硬化発症機構は未だ不明な点が多く、本研究は不飽和リゾフォスファチジン酸(LPA)の動脈硬化発症因子としての役割の追求と不飽和LPA特異的レセプターの検索により、動脈硬化発症の分子機構と予防・治療法の確立を目的とする。本年度は以下の実験を行った。1、新規不飽和LPA受容体のクローニング:不飽和LPA受容体刺激で活性化されるEPKおよびp38MAPK系の情報伝達機構を機能の指標とした発現クローニング、また放射性標識したリガンドを用い受容体との結合性を指標としたクローニングを行っており、現在スクリーニングの最終段階に入っている。2、動脈硬化発症の細胞内情報伝達機構の解明:われわれが確立した分化型血管平滑筋細胞の初代培養系を用いて、本年は増殖因子の一つであるIGFが、分化型血管平滑筋ではチロシンホスファターゼであるSHP-2を活性化させる事により、Rasおよびその下流に位置し、血管平滑筋細胞の形質転換(分化→脱分化)に必須であるERK/p38MAPK系の活性化を遮断させる事を明らかとした(J.Biol.Chem.2004 279:40807-40818.)。この事は、血管平滑筋細胞の強力な脱分化因子である不飽和LPA刺激に対しても、SHP-2の活性化が脱分化シグナルを遮断する情報伝達経路、すなわち動脈硬化発症を抑制するシグナル伝達機構として主要な役割を担っている可能性が示唆された。3、動脈硬化発症モデルマウスの作製:現在ERKおよびp38MAPK系とSHP-2遺伝子異常(恒常的活性型および不活性型)などのシグナル伝達異常による動脈硬化発症モデルマウスを発生工学的手法を用いて作製中であり、本年は脂質合成に関与する酵素を過剰発現させる事で、脂質合成機能の異常をきたす事が強く予想されるトランスジェニックマウスを作製した。
In-situ複合計測によるリチウム/酸素の移動・反応の統合的解明と電池高性能化

リチウム空気電池の高性能化については,放電または充電の反応が進行するとき、どのような物質がどのような形態で多孔質の電極内で析出または溶出するかという電池内部の核心的な現象の解明が必要不可欠である.そこで本年度は複合構造を有した多孔質電極内で放電によって生じる反応生成物の析出現象の可視化解析を行った.また,酸素濃度に対する放電性能や析出形態の変化を観察し,析出物の同定を進めるため,大気中の酸素を利用するだけでなく,純酸素ガスを供給した実験系を構築した.実験では,従来はビーカーセル用に特化したラミネートタイプの複合負極を用いていたため,実験条件や放電特性が安定せず,放電時の析出現象を安定して再現することが困難であった.このため,長時間の放電実験に耐えられる樹脂製容器タイプの複合負極を開発し,100h以上にわたる安定した放電を実現できる実験系を構築した.改良した負極と共に正極にカーボンペーパーを用いた実験の結果,長時間にわたって放電特性に顕著な変化が見られないにも関わらず,放電後に電極表面をSEM観察したところ,炭素繊維上には多量のフレーク状の反応析出物が生じていることが分かった.また,一連の析出現象のメカニズムを調べるため,酸素濃度をパラメータとした実験が可能な,ガス循環供給式の実験系の構築を進めた.長時間にわたる放電によって,電解液の蒸発が生じることから,酸素分圧と湿度を制御しながら,安定した放電試験が可能なシステム設計を進めた.実験系の改良を進めることで,従来は困難であった,長時間放電に伴う析出現象の可視化に成功した.さらに酸素分圧をパラメータとした実験についても準備,検討を進めており,概ね順調に進展している.本年度の研究から,長時間にわたる放電によって,正極表面には多量の反応析出物が生じることが明らかとなった.しかし電極深部における析出物の量,析出物の成分,さらに酸素分圧に対する析出形態の変化などは明らかではない.このため,X線CTを用いたin-situ可視化計測を行うことで,析出現象が電池の放電特性(電流密度)におよぼす影響を明らかにする予定である.リチウム空気電池の高性能化については,放電または充電の反応が進行するとき、どのような物質がどのような形態で多孔質の電極内で析出または溶出するかという電池内部の核心的な現象の解明が必要不可欠であり,本年度は放電に伴う生成物,および酸素輸送現象に着目した実験と数値シミュレーションを実施した.低エネルギーX線CTで可視化が可能なリチウム空気電池セルを設計し,可視化実験を行った.高電流密度で放電させた際の正極近傍を可視化した結果,棒状の析出物が生成される様子を捉えることに成功した.また,XRD計測の結果から,析出物はLi2O2である可能性が示唆された.さらに正極上部には放電反応により伴って気体が生成されており,四重極型微量ガス分析器による分析の結果,水素が発生していることが分かった.これは想定されるリチウム空気電池の放電反応とは異なり,電解液中の酸素が不足しているため,水の電気分解によって水素が発生していることが明らかになった.これらの結果から,高電流密度になると電極内部での酸素供給に差異が生じ,Li2O2が生成される通常の放電反応とH2の気泡を生成する水の電気分解が共存した状態になっていることが示唆された.一方,格子ボルツマン法を用いた数値シミュレーションを実施し,リチウム空気電池の出力性能が酸素輸送に強く支配されていることを示した.また,電解液フロー型電池を想定し,飽和濃度まで酸素を溶存させた電解液を多孔質電極に流した時,実用化に必要な出力を得るための流量値を明確にした.当初の計画に示したように,リチウム空気電池の正極多孔質構造中に生成される放電生成物の可視化,および生成物の成分同定に成功した.さらに次年度以降に想定している低エネルギーX線とin-situXRDの複合計測に向けた知見も得られ,可視化セルの設計に向けた準備を進めている.また,数値解析においては,酸素輸送が電池性能の及ぼす影響について,当初の想定以上の知見を得ることができた.リチウム空気電池の高性能化については,放電または充電の反応が進行するとき、どのような物質がどのような形態で多孔質の電極内で析出または溶出するかという電池内部の核心的な現象の解明が必要不可欠である.そこで本年度は放電時の酸素輸送現象に着目した実験を実施した.リチウム空気電池の正極の反応は,多孔質内に酸素が溶解・拡散することで起こるが,酸素の拡散速度が遅いために反応が気液界面近傍に集中し,濃度過電圧を生じてしまう.一連の酸素輸送現象解明するため,微細ファイバを用いた光誘起燐光法により,放電時における正極多孔質内の酸素濃度を計測した.実験においては,直径110 μmの微細ファイバの一端に白金ポルフィリン錯体(PtTFPP)を混入した塗料を塗布し,他方から励起光(405 nm)の照射と燐光(650 nm)強度の計測ができる光学系を構築した.燐光強度は酸素濃度に依存して変化することから,微細ファイバ先端近傍の酸素濃度の計測が可能である.実験の結果,厚み340 μmの正極多孔質内における酸素濃度分布の空間的・時間的な変化を明瞭に捉えることに成功した.電流密度が非常に小さい条件(0.10 mA/cm2)において,正極多孔質内の酸素濃度が大幅に低下し,放電に対して十分な酸素供給が実現できていないことを示唆する結果が得られた.

従来は計測できなかった,リチウム空気電池正極多孔質内の電解液中の酸素濃度をその場(in-situ)で計測することに成功した.実験の結果,リチウム空気電池の電流密度が大きくできない要因として,正極多孔質内における酸素輸送が要因であることが明らかとなった.さらに別途これまでの検討の結果から,気相界面近傍の電極構造を制御することで,酸素輸送効率が大幅に向上することが示唆されており,電池の高出力化に向けた設計指針を有している.リチウム空気電池の高性能化については,放電または充電の反応が進行するとき、どのような物質がどのような形態で多孔質の電極内で析出または溶出するかという電池内部の核心的な現象の解明が必要不可欠である.そこで本年度は放電時の正極内の酸素輸送現象に着目し,電池性能の向上を目指した実験を実施した.これまでの実験ではミクロスケールの空隙を有するカーボンペーパーを用いていたが,本年度は反応面積を増大できるよう,ナノカーボン材料を用いた正極を製作し,電極構造が放電特性と反応生成物の析出におよぼす影響について調べた.実験では,比表面積の大きいカーボンブラック,及びCVD法で合成された高結晶性カーボンナノチューブVGCFを用い,それぞれをバインダーのPTFEと混合させることで高比表面積をもつナノ構造電極を作成した.実験の結果,従来のカーボンペーパー正極と比べて,ナノ構造正極では放電特性が向上することが分かった.しかし電極内に生じた放電析出物の分布を調べたところ,析出物が電極表面に偏在しており,電極深部まで酸素が到達していないため,高比表面積の電極構造が有効に活用できていないことが明らかになった.そこでカーボンペーパー上にカーボンブラックを塗布した,複合的な構造を有する正極を作製したところ,高電流密度条件において,カーボンブラックのみで作製したナノ構造電極よりも高い性能を示すことが明らかになった.これはカーボンブラックにミクロスケールのクラックが存在しており,ミクロ・ナノスケールの空隙が混在した多孔質構造が形成されている結果,電極の深部まで酸素が効率良く供給されたためであると考えられる.従来のリチウム空気電池では,空隙率と比表面積の均質な電極構造が用いられてきたが,本年度の研究では電極表面と内部で空隙率と比表面積が異なる複合構造を有した正極を作製し,濃度過電圧を抑制できる結果が得られている.これは以前に実施した正極内酸素濃度のその場(in-situ)計測の結果とも合致しており,今後の電池の高出力化に向けた指針を得ることができた.リチウム空気電池の高性能化については,放電または充電の反応が進行するとき、どのような物質がどのような形態で多孔質の電極内で析出または溶出するかという電池内部の核心的な現象の解明が必要不可欠である.そこで本年度は複合構造を有した多孔質電極内で放電によって生じる反応生成物の析出現象の可視化解析を行った.また,酸素濃度に対する放電性能や析出形態の変化を観察し,析出物の同定を進めるため,大気中の酸素を利用するだけでなく,純酸素ガスを供給した実験系を構築した.実験では,従来はビーカーセル用に特化したラミネートタイプの複合負極を用いていたため,実験条件や放電特性が安定せず,放電時の析出現象を安定して再現することが困難であった.