本文描述了一种受海胆颚部结构启发的采样装置的仿生设计协议。该仿生设计过程包括观察海胆、表征其口器结构、牙齿的3D打印及其组装，以及对牙齿结构的生物探索。
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本文内容
摘要
摘要
仿生设计是一个新兴领域，通过借鉴自然界来开发高性能材料和装置。海胆的口器，即亚里士多德提灯（Aristotle's lantern），是一种极具启发性的仿生来源，其具有复杂的肌肉网络和钙质牙齿结构，能够刮擦、切割食物、咀嚼并钻穿岩石基质。我们将仿生设计过程描述为包括动物观察、标本表征、装置制备和机制仿生探索四个步骤。最后一步的仿生探索有助于更深入地理解原始生物学结构。通过显微计算机断层扫描（micro-computed tomography）分析亚里士多德提灯的设计结构，并利用扫描电子显微镜（scanning electron microscopy）观察单个牙齿，以识别其微观结构。采用3D打印技术制备仿生设计模型，组装后进行测试，以确定提灯开合效率最高的机械机制。通过有限元分析对仿生提灯的牙齿结构进行仿生探索，从力学角度解释为何在我们所观察的现代海胆中演化出了具脊状结构的牙齿。这种循环式的研究方法使得我们能够从生物学和自然界中得出新的结论。
引言
生物学、生物材料科学、生物材料、生物工程和生物化学领域运用顶尖的科学技术与智慧，致力于更深入地理解奇妙的自然界。这些研究已揭示了许多令人惊叹的生物结构和生物体，从人类骨骼的内在强韧性1,2到巨嘴鸟的巨大喙部3。然而，这些知识中的大部分难以以造福社会的方式加以应用。因此，生物启发这一交叉领域应运而生，它将从自然界中获得的启示应用于现代材料，以解决普遍存在的问题。实例包括受荷叶启发的超疏水表面4-6、受壁虎和昆虫足部启发的粘附表面7,8、受鲍鱼珍珠层启发的高韧性陶瓷9-11，以及受海胆口器（亦称亚里士多德提灯）启发的活检采样装置12,13。
海胆是体表覆盖棘刺的无脊椎动物，通常栖息于海底的岩石基质上。在体型最大的海胆物种中，其壳体（称为“壳”）直径可超过18 cm；本研究中所观察的粉红海胆（Strongylocentrotus fragilis）壳体直径可达10 cm。亚里士多德提灯由五颗主要成分为碳酸钙的牙齿构成，这些牙齿由矿化组织构成的金字塔形结构支撑，并排列成穹顶状结构，仅露出牙齿远端的研磨尖端（图1A）。
下颌的肌肉结构能够高效地咀嚼和刮取，即使面对坚硬的海洋岩石和珊瑚也表现如此。当下颌张开时，牙齿向外突出；当下颌闭合时，牙齿则在一个平....
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方案
1. 生物材料科学
- 穿戴个人防护装备（i.e.，手套、护目镜和实验服），并遵守使用解剖工具的所有适用安全规程。
- 用蒸馏水冲洗镊子和手术刀，以备解剖使用。
- 在室温下解冻一只冷冻的粉红色海胆，持续1小时。将解冻后的标本置于一个空间充足的玻璃皿中，以便操作海胆及切割工具。将海胆倒置，使牙齿尖端朝上。
- 用手术刀切除亚里士多德提灯（Aristotle's lantern）周围一圈的结缔组织，并小心取出提灯结构。用流动的蒸馏水冲洗提灯。将未使用的海胆部分丢弃至适当的废弃物容器中。
- 再次翻转亚里士多德提灯，使牙齿尖端朝下。找到每颗牙齿的羽枝端（与尖端相对的一端）并朝上，使用镊子小心地将单个牙齿从提灯中滑出。
- 准备环氧树脂用于包埋牙齿。称取5 g树脂，加入1.15 g固化剂（e.g., 按重量计，100份树脂对应23份固化剂）至一个浅的一次性塑料托盘中。缓慢混合内容物，避免产生气泡。
注意：切勿将剩余的已混合环氧树脂留在暴露于空气不足的容器中。固化过程为放热反应，可能引燃附近易燃物。任何剩余的混合环氧树脂应置于通风良好的通风橱内，并远离易燃物品。- 用手指涂抹凡士林润滑一个2.5 dram的塑料管（内径22 mm，长度39 mm），并用纸巾擦去多余部分。将混合好的环氧树脂填充至塑料管一半高度。
- 用镊....
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结果
亚里士多德提灯采样装置的仿生设计在很大程度上依赖于所采用表征方法的质量。像微计算机断层扫描（µ-CT）这类非侵入性技术，有助于分析完整的提灯结构及单个牙齿，从而为仿生设计应用特定的优化措施（图4）。同时，可通过单个牙齿抛光横截面的二次电子和背散射电子显微图像来研究牙齿的微观结构（图5）。较暗的灰色区域是牙齿研磨尖端较硬的石质部分，其中最多可达40 mol %的镁原子取代了钙原子。
通过背散射扫描电子显微镜（BSE-SEM）对牙齿微结构的分析（图5）证实了牙齿研磨尖端富含镁的矿化部分在结构上的重要性。板状和纤维状的初级结构单元（方解石单晶，在图5C中呈较亮的灰色）由次级结构单元（方解石和碳酸镁多晶，在图5C中呈较暗的灰色）构成的基质相互连接，共同组成了牙齿研磨尖端最坚硬的矿化区域。
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讨论
海胆使用亚里士多德提灯（Aristotle's lantern）图1A）以执行多种功能（摄食、钻孔、旋转） 等等。化石记录表明，海胆的咀嚼器从最原始的拟刺海胆型演化为现代球海胆型，在形态和功能上均发生了变化。14. 奇径海胆目的 lantern 具有纵向凹槽的齿（图1B，顶部）以及其金字塔结构上未分离的肌肉附着方式。这限制了它们的上下运动，并使其丧失了由侧向运动产生的更强刮削能力，而这种能力在更为进化的楯齿型 lanterns（ lanterns）中可以观察到。图1B，底部）。生物学家推测，具龙骨状的牙齿（图1C，D在球海胆亚目（camarodonts）中演化出，用于在刮取坚硬基质所产生的强拉伸力下加固牙齿18,20,23.
本研究中的仿生设计流程结合了生物学、生物材料科学、仿生设计与生物探索（图3），以开发一种具有特定功能的仿生沉积物采样装置。亚里士多.......
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披露
我们没有需要披露的内容。
致谢
本研究工作由美国空军科学研究办公室多校联合研究计划（AFOSR-FA9550-15-1-0009）资助（M. B. F.、S. E. N.、J.-Y. J.、J. M）。粉红色海胆的采集工作由加利福尼亚大学船舶基金和美国国家海洋渔业局提供支持（K.N.S.、J.R.A.T）。作者谨向以下人士致谢：在仿生亚里士多德灯笼采样器开发过程中提供宝贵建议的Jerry Tustaniwskyj教授；加州大学圣地亚哥分校（UCSD）机械与航空航天工程系及材料科学与工程计划的Marc A. Meyers教授；加州大学圣地亚哥分校（UCSD）生物工程系的Robert L. Sah教授和Esther Cory；斯克里普斯海洋研究所海洋生物学研究部的Maya deVries博士。同时感谢本科生Sze Hei Siu、Jerry Ng和Ivan Torres在打磨海胆牙齿横截面工作中提供的帮助。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| BUEHLERMET II 8 PLN 600/P1200 | Buehler | 305308600102 | 抛光用砂纸 |
| TRIDENT POLISH CLOTH 8" PSA | Buehler | 407518 | 用于 3 μm 悬浮液的抛光布 |
| METADI SUPREME POLY SUSP,3MIC | Buehler | 406631 | 抛光悬浮液（3 μm） |
| MICROCLOTH FOR 8 IN WHEEL PSA | Buehler | 407218 | 用于 50 nm 悬浮液的抛光布 |
| MASTERPREP SUSPENSION, 6 OZ | Buehler | 636377006 | 抛光悬浮液（50 nm） |
| Skyscan 1076 micro-CT Scanner | Bruker | 显微CT扫描仪设备 | |
| Amira 软件 | FEI Visualization Sciences Group | 用于显微CT扫描图像三维处理的软件 | |
| FEI Philips XL30 | FEI Philips | 用于表征抛光牙齿横截面的环境扫描电子显微镜（ESEM）设备 | |
| SolidWorks 设计软件 | Dassault Systems | 用于绘制仿生装置CAD图纸的设计软件 | |
| SolidWorks Simulation 软件 | Dassault Systems | 用于对仿生装置CAD图纸进行应力测试的仿真软件 | |
| Dimension 1200es | Stratasys | 根据CAD图纸制造仿生装置的3D打印机 | |
| ABSplus | Stratasys | 3D打印用塑料材料 |
参考文献
- Nalla, R. K., Kruzic, J. J., Ritchie, R. O. On the origin of the toughness of mineralized tissue: Microcracking or crack bridging? Bone. 34 (5), 790-798 (2004).
- Ritchie, R. O., Buehler, M. J., Hansma, P. Plasticity and toughness in bone. Physics Today. 62 (6), 41-47 (2009....
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