بروتوكول لتصميم Bioinspired: أخذ العينات الجوفية بناء على قنفذ البحر الفك المفترس

الهدف من هذا البروتوكول هو فحص التركيب الطبيعي لسان حال قنفذ البحر ، فانوس أرسطو ، لتطوير نموذج أولي لأخذ عينات الرواسب باستخدام التحليل الهندسي لاختبار تطبيق السمات البيولوجية في التصاميم المستوحاة من الحيوية. يمكن أن تساعد هذه الطريقة في الإجابة على الأسئلة الرئيسية في مجال التصميم المستوحى من الحيوية. على وجه التحديد لماذا تطورت بنية الأسنان المنحنية في قنافذ البحر وكيف يمكن أن تكون مفيدة لأخذ عينات من الرواسب.

الميزة الرئيسية لهذه التقنية هي أنها توفر إطارا عاما لتحقيقات التصميم المستوحاة من الحيوية لمختلف الهياكل الطبيعية. تشمل الهياكل الأخرى ذيل فرس البحر ، وشقائق سمك الصندوق ، وأشواك أسماك النيص. الآثار المترتبة على هذا تجعل التحسين تقنيا استفاضا سطحيا خاصا لأن الأعمدة المعدنية تتناسب مع أجهزة أخذ عينات الرواسب الحيوية يمكنها جمع عينات صغيرة بكفاءة.

بشكل عام ، سيكافح الأفراد الجدد في هذه الطريقة لأن أهداف كل بروتوكول مستوحى من الحيوية ستختلف اعتمادا على نوع الهيكل الطبيعي الذي يتم فحصه. بعد إذابة قنفذ البحر ، قم بإعداده للتشريح مع توجيه أطراف الأسنان لأعلى. وابدأ في قطع النسيج الضام حول محيط فانوس أرسطو.

ثم ارفع الفانوس بحذر واشطفه بالماء المقطر الجاري. استخدم الملقط لإزالة الأنسجة المتبقية من الخارج وافتح الفانوس بعناية لخلع الأسنان. بدلا من ذلك ، سوف يتفتت الفانوس المجفف الذي يتم شطفه مرة أخرى بالماء للسماح بالوصول بسهولة إلى الأسنان.

الآن ، التقط سنا واغمره بعناية في أنبوب من الإيبوكسي الطازج. ضع الجانب المقعر المنحني متجها لأعلى ولا تدع السن يلمس جدار الأنبوب. ثم اترك الإيبوكسي يعالج في درجة حرارة الغرفة لمدة 24 ساعة.

في اليوم التالي ، استخدم منشار التقسيم لإزالة الإيبوكسي حول السن حتى حوالي سنتيمتر مكعب واحد. بعد ذلك ، باستخدام قطعة من ورق الصنفرة الخشن رقم 125 أو أعلى وباستخدام ضغط خفيف ، افركي العينة في اتجاه واحد لمدة خمس دقائق. قم بالتغيير تدريجيا إلى أوراق صنفرة أدق وأدق ، حتى الرقم 2400.

لكل حبيبات ورق صنفرة ، تأكد من تدوير العينة 90 درجة. استخدم مجهرا حسب الحاجة للتحقق من أن الفرك دائما في نفس الاتجاه لكل حبيبات ورق صنفرة. بعد الصنفرة ، قم بترطيب قطعة قماش صغيرة بحجم نصف ميكرون من الألومنيوم في الماء.

ثم افركي العينة بحركة ذهابا وإيابا لمدة خمس دقائق. بعد التلميع ، استخدم المناديل الورقية الخالية من الجسيمات لتنظيف العينة ، ثم لفها في نفس الورق للتخزين. بعد ذلك ، قم بتمييز البنية المجهرية للسن باستخدام الفحص المجهري الإلكتروني الماسح.

بعد وضع طبقة الرش ، التقط 250 إلى 500 صورة مجهرية للعينة. بعد ذلك ، خذ فحوصات التصوير المقطعي المحوسب الدقيق لقنفذ البحر الوردي بالكامل وفانوس أرسطو الذي تم تشريحه حديثا. ضع العينات فوق منديل مبلل عندما تكون في غرفة التصوير.

بالنسبة للجسم ، قم بالمسح الضوئي بحجم فوكسل متناحي يبلغ 36 ميكرون عند 100 كيلو فولت ذروة و 100 مللي أمبير. بالنسبة للفانوس ، قم بالمسح الضوئي بحجم فوكسل متناحي يبلغ حوالي تسعة ميكرون عند ذروة 70 كيلو فولت و 141 مللي أمبير. استخدم مرشح ألومنيوم من نقطة واحدة صفر ملليمتر لكليهما.

باستخدام الأشعة المقطعية الدقيقة ونمذجة CAD ، تم إنتاج تصميم مستوحى من الحيوية بخمسة أسنان منحنية يبلغ ارتفاعها ستة سنتيمترات وقطرها ثمانية سنتيمترات للفانوس المغلق ، وهو أكبر بخمس مرات من فانوس أرسطو الطبيعي. لكل مكون من مكونات الفك المستوحى من الحيوية ، قم بإنتاج ملفات STL للطباعة ثلاثية الأبعاد. قم بإعداد الطابعة ثلاثية الأبعاد عن طريق تحميل بلاستيك أكريلونيتريل بوتادين ستايرين أولا ، ودعم خراطيش المواد البلاستيكية.

ثم أدخل قاعدة النمذجة على النظام الأساسي z عن طريق محاذاة علامات التبويب الموجودة على القاعدة أولا مع الفتحات الموجودة في الدرج. افتح الآن أجزاء ملف STL واتبع خطوات شاشة العرض لتوجيه وطباعة أجزاء الفانوس الفردية في نفس الوقت. يظهر هنا مثال على الطباعة ثلاثية الأبعاد لذراع مشتركة.

بعد طباعة الملفات، حرر قاعدة النمذجة من علامات التبويب وقم بإخراج القاعدة من الطابعة على طول موجهات الدرج. ثم استخدم ملعقة معدنية لنزع الأجزاء المطبوعة من القاعدة. بمجرد فصلها ، ضع الأجزاء المطبوعة في حمام قاعدة ساخن حتى تذوب المادة البلاستيكية الداعمة.

الآن ، اربط كل سن بذراع مشترك بقضيب ربط باستخدام حلقات الاحتفاظ الإلكترونية على كلا الجانبين وقم بتجميع فانوس أرسطو المستوحى من الحيوية. باستخدام ملف CAD للأسنان المستوحاة من الحيوية ، قم بإجراء اختبار تحليل إجهاد نمذجة العناصر المحدودة. أولا ، افتح الملف.

ابدأ دراسة جديدة. واختر إجراء اختبار ثابت بهندسة ثابتة. ثم انقر فوق الواجهات لإضافة تركيبات إلى فتحات التثبيت حيث ستذهب المسامير.

بعد ذلك ، اضبط قوة الأحمال الخارجية. انقر على وجوه طرف طحن الأسنان لتطبيق قوة 45 نيوتن على الحواف. الآن ، اضبط الجاذبية.

حدد في إعداد المستوى العلوي أنه يجب تطبيق قوة الجاذبية بشكل طبيعي على المستوى. بعد ذلك ، قم بإنشاء شبكة على سطح التصميم ، واضبط كثافة الشبكة على النعوم. الآن ، قم بإجراء الاختبار للمقارنة بين السن مع العارضة وبدونها.

سيظهر المقياس الملون المناطق ذات الإجهاد الأعلى. كان التصوير غير الجراحي لسن قنفذ البحر وفانوس أرسطو مفيدا في إنتاج تصميم مستوحى من الحيوية. أكد التحليل التفصيلي للبنية المجهرية للأسنان بواسطة SEM الأهمية الهيكلية للجزء الحجري المخصب بالمغنيسيوم في طرف طحن الأسنان.

ترتبط العناصر الأساسية للوحة والألياف معا بواسطة مصفوفة من العناصر الثانوية في أصعب منطقة حجرية في طرف طحن الأسنان. يتكون الجزء الحجري الأصعب الموضح باللون الرمادي الداكن من ما يصل إلى 40 في المائة من ذرات المغنيسيوم التي تحل محل ذرات الكالسيوم. وهكذا ، تم تصميم الفانوس المستوحى من الحيوية باستخدام برنامج CAD ، وطباعة ثلاثية الأبعاد وتجميعها.

الغرض النهائي من التصميم هو جمع الرمل. تم اختبار أهمية العارضة في التصميم باستخدام اختبارات الإجهاد المحوسبة على تصميم CAD. بالنسبة ل 45 نيوتن ، كان الحد الأقصى للضغط الذي عانى منه تصميم الأسنان المنقوبة أقل بحوالي 16 في المائة.

ومع ذلك ، فإن العارضة تضيف أربعة بالمائة فقط إلى كتلة التصميم. عند محاولة بروتوكول تصميم مستوحى من الحيوية ، من المهم أن تبدأ بمراقبة دقيقة للهيكل الطبيعي في شكله الحي ، أو من خلال استخدام طرق التوصيف غير الغازية ، مثل التصوير المقطعي المحوسب الصغير و SEM. باتباع الإجراء العام ، يمكن تنفيذ التصميمات المستوحاة من الهياكل الطبيعية الأخرى في تطبيقات مفيدة في مجموعة واسعة من المجالات الهندسية.

تعد خطوة الاستكشاف الحيوي النهائية القائمة على عمل البروفيسور مايكل بورتر ضرورية بشكل خاص لاستخدام طرق التحليل الهندسي لتحديد الميزة الميكانيكية لهيكل العارضة في سن قنفذ البحر.