表征多层鱼鳞（中 Atractosteus锅铲）基于纳米压痕技术，X射线CT，红外光谱和SEM
2014年7月10日
本文介绍了用于探测空间相关的化学，结构和Atractosteus抹刀的多层规模（A.刮刀 ），使用纳米压痕机械性能的方法中，傅里叶变换红外光谱（FTIR），扫描电子显微镜（SEM）和X-射线计算机断层摄影（X射线CT）。实验结果已被用于研究生物防护材料的设计原则。
该程序的总体目标是通过执行 X 射线计算机断层扫描、用于变换红外光谱的纳米压痕和扫描电子显微镜与能量色散 X 射线光谱相结合来确定多层矿化鱼鳞的结构、化学和机械特性。为此，首先从秤上去除软组织，安装并切片秤，然后进行逐步抛光，从而制备用于分析的单个秤。第二步是用金刚石 percovich 尖端沿刻度的横截面进行空间相关的纳米压痕，以确定局部纳米力学性能。
接下来，使用 FTIR 显微镜检查鱼鳞的内层和外层，以确定相应层中的主要官能团。最后一步是使用扫描电子显微镜上的 EDX 检测器，将局部化学成分与鱼鳞上的纳米压痕相关联，并捕获不同层和断裂表面压痕的图像。最终，通过结合这些不同的实验技术，通过对结构特性关系的理解，阐明了矿化鱼鳞的自然设计原则。
与其他现有测试方法（如体统计纳米压痕）相比，该技术的主要优点是它确实提供了化学成分结构和局部机械性能之间的直接关联。不过，在感兴趣的区域中，我们已经真正应用了这种方法来研究结构生物材料的空间分布、化学成分结构和机械性能。它还有许多应用，包括水泥基材料、多相复合材料，以及在微米和纳米长度尺度上表现出异质性的任何类型的非均质材料。
要检查鱼鳞短轴的横截面，请将鱼鳞固定在直径为 32 毫米的样品模具中，使用市售的塑料样品架，以便在镶嵌在环氧树脂中时保持样品方向正确。将样品固定在模具中后，将未固化的环氧树脂倒在样品上。根据制造商的说明让环氧树脂固化后，使用金刚石刀片高精度切割锯在样品的中线处切割镶嵌的样品。
将样品加载到 nano 和凹痕入口后，使用软件控件将样品移动到第一个压痕的位置，执行四行平行的压痕，间隔 15 微米，以获得从该位置开始的具有统计学意义的数据集。然后将纳压痕设置为最大负载为 5 毫牛顿，加载和卸载速率为每秒 0.1 毫牛顿，整个时间为 30 秒，每行的最小缩进间距为 5 微米。当批处理完成后，一半的纳米压痕会在第一个和最后一个压痕处产生最大载荷为 100 毫牛顿的基准压痕，该压痕应分别位于环氧树脂层之前和骨层之后。
纳米压痕后，将样品放回 PBS 溶液中，以避免进一步脱水。刚性安装样品，使最长尺寸与检测器平行。设置扫描仪后，使用对 X 射线透明的材料（如聚苯乙烯泡沫塑料和多开形结构）将安装的样品固定在扫描仪载物台上。
定位样本，使其位于旋转中心。在整个扫描过程中，选择允许整个刻度位于视野中的最高分辨率，在本例中为 7.5 微米。数据采集后，重建 X 射线投影图像以创建包含横截面图像的数据集。
然后使用该软件获取最终的 3D 灰度图像。将灰度范围调整到适当的水平，以去除聚苯乙烯泡沫塑料和多源异构体中的伪影 对于抛光样品上纳米压痕的 SEM 或扫描电子显微镜成像，使用双面碳带将样品固定在 SEM 存根上，凹陷表面朝上。接下来，将样品放入 SEM 腔室中，并将腔室泵入低真空模式。
将工作距离调整为 3.0 到 5.0 毫米之间。激活高压并导航到标本上感兴趣的区域，在本例中是 anoe 和骨层中存在的结构。然后获得 5 KB 到 15 KB 的高压和 3.9 纳安的较低光束电流的图像。
为了提高分辨率，使用低真空背散射电子 BSE 检测器以 250 x 到 10， 000 x 的放大倍率从至少三个感兴趣区域捕获图像，以帮助识别生物矿物质含量和密度的变化。在此之后，导航到抛光样品上的感兴趣区域，其中包括一个纳米压痕网格，由每行压痕末端的基准标记指示。确保高电压至少为 15 kV。
束流至少为 3.9 纳安，工作距离大于 5.0 毫米。然后使用 EDX 捕获要分析的区域的背散射电子图像。使用 EDX 分析软件。
捕获相同的图像以帮助定位区域，以便沿压痕线进行化学分析。接下来，使用线分析技术，定位一条线，以沿着从第一个缩进开始到最后一个缩进结束的压痕感兴趣线进行化学分析。使用与存在的凹痕数相同的数字指定要沿线放置的分析点数，以提供化学成分和机械性能之间的直接空间相关性。
当线被定位并且点被正确指定时。完成线分析后，使用 EDX 软件启动线分析。从样品抛光表面上沿指定线获得的点光谱中识别要量化的目标元素。
一旦确定了感兴趣的元素，就进行背景校准，以考虑 brèm straw lung radiation 和其他影响。选择软件的反卷积分析选项，对沿指定线的每个点进行定量分析，以量化每个点的化学成分。最后，保存定量化学分析结果以及分析的指定线的图像，以帮助与使用 anoe 层中的纳米压痕测量的机械性能进行空间关联，纳米压痕计算出的平均模量为 69.0 吉帕斯卡，硬度为 3.3 吉帕斯卡。
纳米契约确定了骨层的平均模量为 14.3 吉帕斯卡，硬度为 0.5 吉帕斯卡。anoe 和骨骼层包含化学成分的可量化差异。骨层中的碳尖峰可能归因于低矿化，导致碳增加和 BSE 图像亮度降低，骨和 ENE 层的 FTIR 光谱显示外 gwe 层的羟基磷灰石特征和内骨层的胶原蛋白特征。
X 射线计算机断层扫描显示 gwe 层未覆盖鳞屑重叠的骨层。较亮的灰色 gwe 层更致密、更硬、更硬，而较深的灰色骨骼层密度较低且刚度较低。观察到靠近 ging 层中心的透明凹坑，这表明其不均匀性。
蚀刻断裂表面的低倍率 SEM 图像揭示了以分层图案组织的纳米结构，这与 FTIR 高倍率 SEM 相关，蚀刻断裂表面的图像显示取向的纳米棒在ging层中，而在骨层中观察到纤维状纳米结构在其发展后。这项技术为生物材料和复合材料的进一步研究铺平了道路，以研究化学成分、结构和机械性能的空间分布，以及研究多相复合材料中的界面。好了，看完这个视频，你应该对如何制备样品和进行分析有一个很好的了解，以便在空间上将化学成分与结构生物材料的结构和机械性能相关联。
这些技术也适用于研究其他类型的异质多相材料。
概述
本研究使用先进的成像和机械测试技术来调查多层鱼鳞的结构、化学性质和机械性能。通过采用纳米压痕、傅里叶变换红外光谱和X光计算机断层扫描等方法，研究阐明了这些生物材料的设计原理。
关键研究组成部分
科学领域
- 神经科学
- 生物材料
- 机械性能
背景
- 鱼鳞表现出复杂的多层结构。
- 了解它们的性质可以为仿生材料设计提供信息。
- 现有的方法通常缺乏结构和性能之间的空间相关性。
- 本研究旨在使用先进技术来弥补这一差距。
研究目的
- 分析鱼鳞的空间相关性能。
- 确定化学组成与机械性能之间的关系。
- 加强对结构生物材料的理解。
使用的方法
- 通过去除软组织和切割来准备鱼鳞。
- 纳米压痕评估局部机械性能。
- 傅里叶变换红外显微镜用于化学成分分析。
- 扫描电子显微镜（SEM）用于成像和EDX分析。
主要结果
- 成功地将机械性能与化学成分相关联。
- 确定不同鳞片层中的功能团。
- 对矿化生物材料设计原理的洞察。
- 在复合材料和生物材料等多个领域的潜在应用。
结论
- 该研究提供了一种分析生物材料的全面方法。
- 研究结果可以为材料科学的未来研究提供信息。
- 该方法可以应用于其他异质材料。
常见问题
Executive Industry Relevance
Understanding structure-property relationships in heterogeneous biomaterials enables predictive confidence in biomimetic design and material de-risking. This approach supports early discovery by linking nanoscale mechanical behavior to chemical composition, informing target validation for protective material systems. The methodology provides translational value for R&D pipelines focused on multi-phase composites and bio-inspired material development.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of hierarchical structure-property relationships in mineralized biomaterials.
- Operational Value: Supports functional target validation through spatially correlated nanoindentation and chemical mapping.
- Predictive Value: Clarifies structure-function linkages to de-risk mechanistic hypotheses in biomaterial design.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Prepares validated biological systems for downstream correlative analysis of mechanics and chemistry.
- Operational Value: Standardizes specimen preparation for reproducible nanoindentation and imaging workflows.
- Assay Readiness: Facilitates quantitative output generation for screening heterogeneous material responses.
Translational & Preclinical Research
- Translational Continuity: Bridges discovery-scale characterization to preclinical evaluation of biomimetic prototypes.
- Predictive De-risking: Identifies failure initiation points via nanoscale property mapping in layered systems.
- Biomarker Alignment: Supports identification of structural signatures correlating with functional performance.
Pipeline & Workflow Integration
This method integrates into the discovery continuum from early target validation through lead identification by providing mechanistic insights into material performance.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing of structure-property relationships in protective biomaterials.
- Screening: Enables assay readiness through standardized, spatially resolved mechanical and chemical profiling.
- Analytics: Delivers quantitative nanoindentation modulus and hardness data correlated with FTIR and EDX chemical maps.
- Translational Research: Connects nanoscale characterization to preclinical assessment of biomimetic material candidates.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable platform for analyzing heterogeneous multi-scale materials across projects.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Predictive confidence through direct correlation of nanomechanical properties with chemical composition and structure.
- Operational Value: Standardization, reproducibility, and scalability of multi-modal characterization workflows.
- Strategic Value: Improved go/no-go decisions in biomaterial development by reducing late-stage performance uncertainty.
- Portfolio Impact: Risk-adjusted prioritization of material candidates based on validated structure-function relationships.
Implementation Considerations
- Expertise in biomaterials characterization, nanoindentation, and vibrational spectroscopy.
- Instrumentation including nanoindenter, FTIR microscope, SEM-EDX, and X-ray CT systems.
- Cross-team standardization of specimen preparation, polishing, and coordinate registration protocols.
- Adaptation considerations for varying mineralized or heterogeneous material systems.
- Practical limitations include sample accessibility for transverse sectioning and potential artifacts from epoxy infiltration.
