测量海洋海绵针力学性能的毫米尺度弯曲试验系统
2017年10月11日
我们提出了一个协议, 执行三点弯曲试验的毫米规模纤维使用 custom-built 机械测试装置。该装置可以测量的力量范围从20µN 到 10 N, 因此可以容纳各种纤维大小。
本实验的总体目标是测量直径在 10 到 100 微米之间的纤维的弯曲行为。这种方法可以帮助回答有关生物结构机械行为的关键问题，例如海洋海绵针的强度和刚度特性。该技术的主要优点是可用于测量具有不同尺寸和弹性特性的各种材料的机械行为。
虽然这种方法可以深入了解针状体的机械行为，但它也可以应用于其他承重生物结构，例如植物茎和羽毛轴。首先，使用 4-40 号内六角螺钉将负载点连接到悬臂上。在连接负载点时，注意不要使悬臂发生塑性变形。
然后，将加载点尖端远离悬臂板的位置，并使用 6-32 号内六角螺钉将悬臂松散地连接到板上。接下来，将 1/8 英寸定位销插入悬臂和板，拧紧螺丝，然后取下定位销。逆时针转动传感器千分尺，尽可能多地缩回光纤位移传感器。
然后，使用 6-32 号内六角螺钉将悬臂板松散地连接到框架上，加载点尖端指向负 z 方向。再次插入 1/8 英寸定位销，这次穿过框架和悬臂板，拧紧螺丝，然后取下定位销。现在，将载物台放在载物台底板上，使调平板上的测微计头的尖端位于载物台底板上。
在隔离台上放置一个气泡水平仪，然后通过转动阀臂翼形螺钉来调整每个工作台支腿中的压力，使表面水平。将气泡水平仪移动到载物台调平板的顶部，并调整千分尺，使其也处于水平状态。记下千分尺的位置，然后从载物台底板上取下载物台。
用一把镊子抓住一个锚针的远端，然后拉动将其从骨骼中取出。将针状物放在干净的显微镜载玻片上。使用五元组零大小红色紫貂刷，将针状物靠在载玻片上。
通过将剃须刀片推向刷子两侧的针状物，垂直于滑动表面，切出四毫米的针状体。然后，丢弃远端和近端的针状切片，并保持从中点切割的 4 毫米切片。将针状切片转移到样品台。
将其放置在具有弯曲测试所需跨度的沟槽上，然后轻轻地将其沿 y 轴正方向推向沟槽脊，以确保针状物垂直于沟槽边缘。将载物台放在载物台底板上，使千分尺主轴的尖端位于载物台底板草皮中。如果需要，调整载物台调平板上的千分尺。
打开补充代码文件中的 Bending Test 程序，并使用用户界面中显示的文本框将 Step Size 设置为 2 微米，Maximum Displacement 设置为 0.5 mm，Low Voltage Stop 设置为 1.5 V，High Voltage Stop 设置为 4.6 V。使用用户界面中的文本框选择所需的图像、数据目录和输出文件名。然后，将用户界面中的保存图像开关设置为向下位置，然后单击 Voltage Difference 字样下方的绿色矩形按钮，使其亮起。
现在，运行 Bending Test 程序，并等待电机控制器和摄像头接口初始化。打开照明器，并调整亮度，以便可以看到加载点尖端。然后，顺时针转动光纤位移传感器千分尺，直到用户界面图中显示的输出电压约为 1.7 伏。
现在，使用 z 轴电机控制器上的电位计滑块沿正 z 方向移动载物台，直到它低于负载点尖端约 1 厘米，然后单击 Home 按钮设置 z 轴原点位置。使用 x 轴和 y 轴电机控制器上的电位计滑块，将加载点尖端定位在位于样品台上沿沟槽负 x 方向的薄钢带中心。然后，使用 z 轴电机控制器上的电位计滑块沿正 z 方向移动载物台，直到载物台位于显微镜的视野内。
单击标有 Begin Test 的按钮，并在出现提示时，分别为触摸灵敏度和触摸步长输入 0.003 伏和 0.001 毫米的值。单击 OK（确定），然后等待几分钟以完成校准步骤。打开并运行补充代码文件中的 Basic Data 程序，然后逆时针转动光纤位移传感器千分尺，直到用户界面图上显示的输出电压约为 3 伏。
然后，使用 x 轴电机控制器上的电位计滑块将负载点尖端定位在缝隙上方的沟槽边缘之间。此外，使用 z 轴电机控制器上的电位计滑块沿正 z 方向移动载物台，直到加载点尖端低于沟槽脊的顶面。最后，使用 y 轴电机控制器上的电位计滑块聚焦沟槽脊的前表面，使加载点尖端的整个宽度位于沟槽脊的边缘之间。
然后，通过单击停止 Basic Data 程序 Stop 停止 按钮。接下来，打开并运行 Center Load Point 程序，如补充代码文件中所示。使用 x 轴电机控制器移动载物台，直到加载点尖端几乎与右侧沟槽边缘接触。
然后，点击 查找边缘 按钮。出现提示时，使用 x 轴电机控制器移动载物台，直到加载点尖端几乎与左沟槽边缘接触。此时，再次单击 Find Edge（查找边缘）按钮，然后等待程序将加载点尖端定位在沟槽跨度的中间。
接下来，打开 Bending Test 程序。使用用户界面中的文本框，将 Step Size 设置为 2 微米，将 Maximum Displacement 设置为 0.5 毫米，将 Low Voltage Stop 设置为 1.5 V，将 High Voltage Stop 设置为 4.5 V。此外，使用用户界面中的文本框选择所需的图像和数据目录以及输出文件名。
将用户界面中的 Save Images 开关设置到向上位置，然后单击 Voltage Difference 字样下方的绿色矩形按钮，使其不亮起。然后，运行 Bending Test 程序，并等待 motor controller 和 camera 接口初始化。初始化后，使用电机控制器上的电位计滑块沿正 z 方向移动载物台，直到针状物位于显微镜的视野内。
然后，使用 y 轴电机控制器上的电位计滑块移动载物台，直到针尖位于负载点尖端下方。接下来，调整显微镜聚焦旋钮，使针状物在用户界面中聚焦。然后，逆时针转动光纤位移传感器千分尺，直到输出电压约为 1.8 伏。
设置完成后，单击 Begin Test（开始测试），然后等待弯曲测试完成并且载物台返回到 z 轴起始位置。针状体在 z 方向上的位移和载荷点尖端施加的力可以使用电压-位移插值文件、力校准文件和从三点弯曲测试中获得的弯曲测试文件来计算。电压-位移插值文件用于测量弯曲试验期间的悬臂位移。
为了估计悬臂的刚度，使用力校准，然后使用该校准将悬臂位移与载荷点尖端施加的力相关联。总之，这些可以用于创建力位移响应。这里显示的是来自成功的三点弯曲测试的三种不同的 E.aspergillum 锚针。
一旦掌握，就可以在大约 10 到 15 分钟内使用此设备进行弯曲测试。此过程最重要的方面是确保针筒正确安装在载物台上，并且其轴线垂直于沟槽边缘。三点弯曲测试为研究承重生物结构的研究人员提供了一种相对简单的方法，以深入了解其机械行为。
在弯曲测试之后，可以使用梁理论根据力位移数据计算针状体杨氏模量和断裂强度。
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概述
本文介绍了一种使用定制机械测试设备测量直径在10到100微米之间的纤维弯曲行为的协议。该设备能够测量20 µN到10 N的力，适用于各种纤维尺寸。
关键研究组成部分
科学领域
- 生物结构的机械测试
- 材料科学
- 生物力学
背景
- 该研究侧重于生物纤维的机械行为。
- 它强调了理解海绵尖钙质骨针强度和刚度的重要性。
- 该方法也可以应用于其他生物结构，如植物茎和羽毛。
- 定制机械测试设备提高了测量能力。
研究目的
- 测量小直径纤维的弯曲性能。
- 研究海绵尖钙质骨针的机械行为。
- 为各种生物结构提供适用的见解。
使用的方法
- 对纤维进行三点弯曲测试。
- 使用定制的机械测试设备。
- 测量20 µN到10 N范围内的力。
- 小心地附加载荷点以避免变形。
主要结果
- 成功测量了纤维的弯曲行为。
- 洞察了海绵尖钙质骨针的机械性质。
- 展示了该方法对各种材料的适用性。
- 为其他生物结构提供了潜在应用。
结论
- 该协议提供了一种可靠的测试纤维力学的方法。
- 研究结果有助于理解生物材料的性质。
- 该技术可以适应广泛的生物应用。
常见问题
Executive Industry Relevance
Quantitative flexural testing of sub-millimeter biological fibers enables precise mechanical characterization critical for early-stage biomaterials discovery and validation. This capability supports predictive confidence in the mechanical performance of novel load-bearing structures, informing both target selection and risk-adjusted advancement in biopharma R&D portfolios. The approach bridges a key measurement gap for small, non-microscopic biological constructs relevant to translational biomaterials research.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables direct measurement of strength and stiffness in candidate biomaterials.
- Supports mechanistic de-risking by quantifying load-bearing capacity of biological fibers.
- Facilitates hypothesis testing regarding structure-function relationships in novel biomaterials.
Screening & Assay Development
- Provides standardized, reproducible three-point bending assays for small-diameter fibers.
- Generates quantitative force-displacement data suitable for comparative screening.
- Allows adjustment of device parameters to accommodate diverse sample types and sizes.
Translational & Preclinical Research
- Enables alignment of mechanical properties with translational biomaterial requirements.
- Supports continuity from discovery through preclinical validation of load-bearing constructs.
- Reduces uncertainty in advancing candidates with defined mechanical performance profiles.
Pipeline & Workflow Integration
This flexural testing system fits within the discovery-to-preclinical continuum for biomaterials, supporting both early hypothesis testing and downstream validation of mechanical properties.
- Discovery Biology: Quantifies mechanical behavior to clarify structure-function hypotheses in candidate biomaterials.
- Screening: Delivers reproducible, quantitative outputs for cross-sample comparison and ranking.
- Analytics: Provides force-displacement curves and derived mechanical parameters for robust statistical analysis.
- Translational Research: Aligns mechanical testing outputs with preclinical performance benchmarks.
- Enterprise Reuse: Adaptable device design supports repeated use across diverse biological and synthetic fiber systems.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in biomaterial mechanical performance and target validation.
- Operational Value: Standardizes flexural testing for small-scale biological structures, improving reproducibility.
- Strategic Value: Informs go/no-go decisions by providing quantitative mechanical benchmarks early in development.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of biomaterial candidates based on validated mechanical properties.
Implementation Considerations
- Requires expertise in mechanical testing and calibration of micro-scale devices.
- Needs access to precision instrumentation, including displacement sensors and motorized stages.
- Demands rigorous cross-team standardization of sample preparation and test parameters.
- Adaptable to a range of biological and synthetic fiber systems with appropriate calibration.
- Careful sample mounting and alignment are critical to ensure valid, reproducible results.
