Name: 测量海洋海绵针力学性能的毫米尺度弯曲试验系统 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-10-11T15:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 25 s
Description: 学习使用定制毫米尺度三点弯曲试验系统测量海洋海绵针等生物纤维的力学性能。该方法可精确测定直径10至100微米纤维的抗弯强度与刚度，为生物材料研究提供可靠数据。

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

playerTrialDesktop

本研究工作得到了美国国家科学基金会［材料与结构力学项目，资助号1562656］以及美国机械工程师学会［Haythornthwaite青年研究者奖］的支持。

<ol><li>Wegst, U. G., Bai, H., Saiz, E., Tomsia, A. P., Ritchie, R. O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Bioinspired+structural+materials%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Mater%22%5BJournal%5D)">Bioinspired structural materials.</a> Nat. Mater. 14 (1), 23-36 (2015).</li>
<li>Meyers, M. A., McKittrick, J., Chen, P. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Structural+biological+materials%3A+critical+mechanics-materials+connections%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Structural biological materials: critical mechanics-materials connections.</a> Science. 339 (6121), 773-779 (2013).</li>
<li>Bodde, S. G., Meyers, M. A., McKittrick, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Correlation+of+the+mechanical+and+structural+properties+of+cortical+rachis+keratin+of+rectrices+of+the+Toco+Toucan+%28Ramphastos+toco%29%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Mech.+Behav.+Biomed.+Mater%22%5BJournal%5D)">Correlation of the mechanical and structural properties of cortical rachis keratin of rectrices of the Toco Toucan (Ramphastos toco).</a> J. Mech. Behav. Biomed. Mater. 4 (5), 723-732 (2011).</li>
<li>Gibson, L. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+hierarchical+structure+and+mechanics+of+plant+materials%5BTitle%5D)+AND+%22J.+R.+Soc.+Interface%22%5BJournal%5D)">The hierarchical structure and mechanics of plant materials.</a> J. R. Soc. Interface. , (2012).</li>
<li>Monn, M. A., Kesari, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+new+structure-property+connection+in+the+skeletal+elements+of+the+marine+sponge+Tethya+aurantia+that+guards+against+buckling+instability%5BTitle%5D)+AND+%22Sci.+Rep%22%5BJournal%5D)">A new structure-property connection in the skeletal elements of the marine sponge Tethya aurantia that guards against buckling instability.</a> Sci. Rep. 7, (2017).</li>
<li>Monn, M. A., Weaver, J. C., Zhang, T., Aizenberg, J., Kesari, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((New+functional+insights+into+the+internal+architecture+of+the+laminated+anchor+spicules+of+Euplectella+aspergillum%5BTitle%5D)+AND+%22Proc.+Natl.+Acad.+Sci.+U.S.A%22%5BJournal%5D)">New functional insights into the internal architecture of the laminated anchor spicules of Euplectella aspergillum.</a> Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 112 (16), 4976-4981 (2015).</li>
<li>Monn, M. A., Kesari, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Enhanced+bending+failure+strain+in+biological+glass+fibers+due+to+internal+lamellar+architecture%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Mech.+Behav.+Biomed.+Mater%22%5BJournal%5D)">Enhanced bending failure strain in biological glass fibers due to internal lamellar architecture.</a> J. Mech. Behav. Biomed. Mater. , In Press (2017).</li>
<li>Levi, C., Barton, J. L., Guillemet, C., Bras, E., Lehuede, P. <a target="_blank" href="https://link.springer.com/article/10.1007%2FBF00725516">A remarkably strong natural glassy rod: the anchoring spicule of the Monorhaphis sponge.</a> J. Mater. Sci. Letters. 8 (3), 337-339 (1989).</li>
<li>Kesari, H., Doll, J. C., Pruitt, B. L., Cai, W., Lew, A. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Role+of+surface+roughness+in+hysteresis+during+adhesive+elastic+contact%5BTitle%5D)+AND+%22Philos.+Mag.+Lett%22%5BJournal%5D)">Role of surface roughness in hysteresis during adhesive elastic contact.</a> Philos. Mag. Lett. 90 (12), 891-902 (2010).</li>
<li>Croisier, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mechanical+testing+of+electrospun+PCL+fibers%5BTitle%5D)+AND+%22Acta+Biomater%22%5BJournal%5D)">Mechanical testing of electrospun PCL fibers.</a> Acta Biomater. 8 (1), 218-224 (2012).</li>
<li>Haque, M. A., Saif, M. T. <a target="_blank" href="https://link.springer.com/article/10.1007/BF02410523">A review of MEMS-based microscale and nanoscale tensile and bending testing.</a> Exp. Mech. 43 (3), 248-255 (2003).</li>
<li>Gudlavalleti, S. <a target="_blank" href="https://books.google.com/books/about/Mechanical_Testing_of_Solid_Materials_at.html?id=mfzytwAACAAJ">Mechanical testing of solid materials at the micro-scale</a>. , Doctoral dissertation, Massachusetts Institute of Technology (2002).</li>
<li>Tohmyoh, H., Ishihara, M., Akanda, M. S., Yamaki, S., Watanabe, T., Iwabuchi, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Accurate+determination+of+the+structural+elasticity+of+human+hair+by+a+small-scale+bending+test%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Biomech%22%5BJournal%5D)">Accurate determination of the structural elasticity of human hair by a small-scale bending test.</a> J. Biomech. 44 (16), 2833-2837 (2011).</li>
<li>Waters, J. F. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aWaters%2C+JF+%22Contact+mechanics+of+biologically-inspired+interface+geometries%22">Contact mechanics of biologically-inspired interface geometries</a>. , Doctoral dissertation, Brown University (2009).</li>
<li>Dai, Z., Gorb, S. N., Schwarz, U. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Roughness-dependent+friction+force+of+the+tarsal+claw+system+in+the+beetle+Pachnoda+marginata+%28Coleoptera%2C+Scarabaeidae%29%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Exp.+Biol%22%5BJournal%5D)">Roughness-dependent friction force of the tarsal claw system in the beetle Pachnoda marginata (Coleoptera, Scarabaeidae).</a> J. Exp. Biol. 205 (16), 2479-2488 (2002).</li>
<li>Tramacere, F., Kovalev, A., Kleinteich, T., Gorb, S. N., Mazzolai, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Structure+and+mechanical+properties+of+Octopus+vulgaris+suckers%5BTitle%5D)+AND+%22J.+R.+Soc.+Interface%22%5BJournal%5D)">Structure and mechanical properties of Octopus vulgaris suckers.</a> J. R. Soc. Interface. 11 (91), (2014).</li>
<li>Ehrlich, H., et al. <a target="_blank" href="https://www.hindawi.com/journals/jnm/2008/623838/">Nanostructural organization of naturally occurring composites: Part I. Silica-Collagen-based biocomposites.</a> J. Nanomater. 53, (2008).</li>
<li>Ehrlich, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.nature.com/nchem/journal/v2/n12/abs/nchem.899.html">Mineralization of the meter-long biosilica structures of glass sponges is templated on hydroxylated collagen.</a> Nat. Chem. 2, 1084-1088 (2010).</li>
<li>Ehrlich, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((First+evidence+of+the+presence+of+chitin+in+skeletons+of+marine+sponges.+Part+II.+Glass+sponges+%28Hexactinellida%3A+Porifera%29%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Exp.+Zoo%22%5BJournal%5D)">First evidence of the presence of chitin in skeletons of marine sponges. Part II. Glass sponges (Hexactinellida: Porifera).</a> J. Exp. Zoo. 308 (4), 473-483 (2007).</li>
<li>Ehrlich, H. <a target="_blank" href="https://www.researchgate.net/publication/249057286_Chitin_and_Collagen_as_Universal_and_Alternative_Templates_in_Biomineralization">Chitin and collagen as universal and alternative templates in biomineralization.</a> Int. Geol Rev. 52, 661-699 (2010).</li>
<li>Ehrlich, H., et al. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adom.201600454/abstract">Supercontinuum generation in naturally occurring glass sponge spicules.</a> Adv. Opt. Mater. 4 (10), 1608-1613 (2016).</li>
<li>Ehrlich, H., et al. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201100749/abstract">Calcite reinforced silica-silica joints in the biocomposite skeleton of deep-sea glass sponges.</a> Adv. Funct. Mater. 21, 3473-3481 (2011).</li>
<li>Werner, P., Blumtritt, H., Zlotnikov, I., Graff, A., Dauphin, Y., Fratzl, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electron+microscope+analyses+of+the+bio-silica+basal+spicule+from+the+Monorhaphis+chuni+sponge%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Struct.+Biol%22%5BJournal%5D)">Electron microscope analyses of the bio-silica basal spicule from the Monorhaphis chuni sponge.</a> J. Struct. Biol. 191 (2), 165-174 (2015).</li>
<li>Kolednik, O., Predan, J., Fischer, F. D., Fratzl, P. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201100443/full">Bioinspired Design Criteria for Damage-Resistant Materials with Periodically Varying Microstructure.</a> Adv. Funct. Mater. 21 (19), 3634-3641 (2011).</li>
<li>Weaver, J. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/00218460903417917">Unifying design strategies in demosponge and hexactinellid skeletal systems.</a> J. Adhes. 86 (1), 72-95 (2010).</li>
<li>Walter, S. L., Flinn, B. D., Mayer, G. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0928493106001512">Mechanisms of toughening of a natural rigid composite.</a> Mater. Sci. Eng. C. 27 (3), 570-574 (2007).</li>
<li>Ehrlich, H. Silica biomineralization in Sponges. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aEhrlich%2C+H+%22Encyclopedia+of+Geobiology%22">Encyclopedia of Geobiology</a>. , Springer Verlag. 796-808 (2011).</li>
<li>Zlotnikov, I., Werner, P., Fratzl, P., Zolotoyabko, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Eshelby+Twist+as+a+possible+source+of+lattice+rotation+in+a+perfectly+ordered+protein%2Fsilica+structure+grown+by+a+simple+organism%5BTitle%5D)+AND+%22Small%22%5BJournal%5D)">Eshelby Twist as a possible source of lattice rotation in a perfectly ordered protein/silica structure grown by a simple organism.</a> Small. 11 (42), 5636-5641 (2015).</li>
<li>Zlotnikov, I., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+perfectly+periodic+three-dimensional+protein%2Fsilica+mesoporous+structure+produced+by+an+organism%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Mater%22%5BJournal%5D)">A perfectly periodic three-dimensional protein/silica mesoporous structure produced by an organism.</a> Adv. Mater. 26 (11), 1682-1687 (2014).</li>
<li>Gere, J. M., Timoshenko, S. P. Chapter 5: Stresses in Beams. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aGere%2C+JM+%22Mechanics+of+materials%22">Mechanics of materials</a>. , 205-217 (1997).</li>
<li>Baratta, F. I., Matthews, W. T., Quinn, G. D. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aBaratta%2C+FI+%22Errors+associated+with+flexure+testing+of+brittle+materials%22">Errors associated with flexure testing of brittle materials</a>. , Army Lab Command Watertown MA Material Technology Lab. No. MTL-TR-87-35 (1987).</li>
<li>Quinn, G. D., Sparenberg, B. T., Koshy, P., Ives, L. K., Jahanmir, S., Arola, D. D. <a target="_blank" href="https://www.astm.org/DIGITAL_LIBRARY/JOURNALS/TESTEVAL/PAGES/JTE101649.htm">Flexural strength of ceramic and glass rods.</a> J. Test. Eval. 37 (3), 1-23 (2009).</li>
<li>Tattersall, H. G., Tappin, G. <a target="_blank" href="https://link.springer.com/article/10.1007/BF00550177">The work of fracture and its measurement in metals, ceramics and other materials.</a> J. Mater. Sci. 1 (3), 296-301 (1966).</li>
</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

该方案中有多个步骤对于确保力和位移的准确测量至关重要。其中一些关键步骤在所有三点弯曲测试中具有通用性，而另一些步骤则为此种力学测试装置所特有。
在方案的步骤 1.2中，需清洁LP镜片并检查是否有划痕；在方案的步骤 1.6中，需设置FODS增益。增益和LP镜片反射率在方案的步骤 2、步骤 4和步骤 5中必须保持恒定。因此，两次校准步骤（即方案的步骤 2和步骤 4）应在弯曲测试（方案的步骤 5）之前立即进行。
在方案的步骤 1.9和步骤 3.7中，需相对于隔振台表面调平载物台。这些步骤可确保<img alt="静力平衡图示；ΣFx=0，ΣFy=0 方程；受力分析示意图；力的平衡。" src="/f...

通过研究贝壳和骨骼等承重生物结构（LBBS）的构型，工程师们已开发出兼具高强度和高韧性的新型复合材料1。研究表明，LBBS及其仿生材料的优异力学性能与其复杂的内部构型密切相关2。然而，LBBS构型与力学性能之间的关系尚未完全阐明。测量LBBS的力学响应是理解其构型如何增强力学性能的第一步。
然而，用于测量LBBS力学响应的测试类型必须与其力学功能相一致。例如，由于羽毛必须承受空气动力学载荷，羽轴的主要功能是提供抗弯刚度 3因此，测量其力学响应时，弯曲试验比单轴拉伸试验更受青睐。事实上，许多轻质生物结构材料（LBBSs）——例如羽毛羽轴 3，草茎 4和骨针 5,6,7,8—主要通过弯曲变形。这是因为这些LBBSs较为细长—即，其长度远大于宽度或深度。然而，对这些LBBS进行弯曲测试具有挑战性，因为它们在失效前所能承受的力和位移范围为10-2 至 102 N 和 10-4 至 10-3 分别为 m 3,4,5,7,8因此，用于进行这些力学测试的设备应具有约10的力和位移分辨率-5 N 和 ≈10-7 m（即传感器可测最大力和位移的0.1%）
市面上可购得的大型机械测试系统通常无法以如此高的分辨率测量力和位移。虽然基于原子力显微镜9，10或基于微机电系统11的测试装置具有足够的分辨率，但它们所能测量的最大力（相应位移）小于LBBS所能承受的最大力（相应位移）。因此，为了对这些LBBS进行弯曲测试，工程师和科研人员必须依赖自行搭建的机械测试装置5，7，12，13。这些自行搭建装置的主要优势在于能够适应较宽范围的力和位移测量。然而，这些装置的构建与操作在现有文献中尚未得到充分记录。
本文描述了一种使用自行搭建的力学测试装置进行三点弯曲试验的实验方案，该装置可测量的力范围为 10-5 至 101 N，位移范围为 10-7 至 10-2 m。力学测试装置各部件的详细技术图纸（包含所有尺寸）已在补充材料中提供。该力学测试装置的主要优势在于，其力和位移的测量范围可根据不同的低尺度生物材料（LBBSs）灵活调节。该装置的工作原理类似于原子力显微镜9。实验中，将样品置于不锈钢板上切割出的沟槽上方（见图1A-C）。通过光学显微图像测得沟槽跨度为 1278 ± 3 µm（均值 ± 标准差；n = 10）。在弯曲试验过程中，沟槽的边缘用于支撑样品（见图1C 和 D）。该样品台固定在一个三轴平移台上，并定位在铝制楔形压头下方，使楔形压头位于沟槽跨度的中央位置（见图1C）。通过沿 <img alt="静力平衡方程 ΣFz=0；数学公式表示，物理概念" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq1.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="方程 1"> 方向移动平移台（见图1A 和 C），使样品与楔形压头接触并发生弯曲变形。
我们将楔形部分称为载荷点尖端（LPT），将包含楔形结构的装置部件称为载荷点（LP）。LP连接在悬臂梁的末端，其位移由光纤位移传感器（FODS）测量。FODS发射红外光，光线从位于LP上表面的镜面反射，并被FODS中的光学纤维接收（见图1B）。使用一块约5 mm见方的抛光硅片作为LP上的反射镜，并用环氧树脂将其固定在LP上。FODS通过比较发射光与反射光的强度来测量位移。利用悬臂梁的刚度和位移可计算出楔形结构因与样品相互作用而受到的力，<img alt="静力平衡图；ΣFx=0，ΣFy=0方程；自由体分析设置；力的平衡。" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="方程2">。悬臂梁的位移还用于计算楔形下方样品横截面的位移，<img alt="静力平衡方程，ΣFx=0，在带有力矢量和力矩的示意图中显示。" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq3.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="方程3">。基于悬臂梁的力传感器已被广泛应用于多种微观和宏观尺度的力学测试研究10,11,12,13,14。本文所展示的具体设计改编自一种用于进行黏附接触实验的力学测试装置14。类似的设计也已应用于一种 commercially available micro-tribometer15,16。
<img alt="显示用于力测量的悬臂、骨针和载物台的原子力显微镜装置示意图。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56571/56571fig1.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图1"> 
图1：自行搭建的力学测试装置概览。（A）该装置的计算机辅助设计渲染图。载物台组件以绿色标出。力传感子组件（悬臂、加载点（LP））以红色标出。（B）（A）的放大视图。加载点镜面（LP mirror）位于FODS下方加载点的上表面，以蓝色显示，并标记为LPM。（C）用于描述平移载物台运动的坐标系。通过执行方案第1.9步中的调平操作，使 <img alt="静力平衡方程 ΣFz=0；数学公式表示，物理学概念。" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq1.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="方程1"> 方向与加载点镜面表面的法向矢量重合。（D）三点弯曲构型的示意图，显示骨针的变形以及测得的位移 <img alt="静力平衡公式，\( w^{st} \)，用于重量系统分析的符号，物理学方程。" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq49.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="方程49"> 和 <img alt="静力平衡公式 w^lt 方程，科学图表中符号的展示。" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq50.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="方程50">。<a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56571/56571fig1large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
通过对中国台湾海域海绵 Euplectella aspergillum6,7. 的骨骼元件进行三点弯曲测试，展示了该装置的功能。这种海绵的骨骼由称为骨针的细丝组装而成（见图 2A）。骨针的直径约为 50 µm，主要由二氧化硅构成6。以生物硅为基础的骨针存在于属于寻常海绵纲（Demospongiae）、同骨海绵纲（Homoscleromorpha）和六放海绵纲（Hexactinellida）的海绵中。属于六放海绵纲的海绵，例如 E. aspergillum，也被称为“玻璃海绵”。尽管玻璃海绵的骨针主要由二氧化硅构成，但研究表明，其中的二氧化硅通常含有由胶原蛋白17,18 或壳聚糖19,20,21 组成的有机基质。该有机基质在二氧化硅的生物矿化过程中起着重要作用18,20。此外，在某些骨针中，有机基质还可作为钙盐生物矿化的模板22。除了分布在二氧化硅内部外，有机基质还可形成独立的层状结构，将骨针中的二氧化硅分割成同心圆柱形的层片6,23。研究表明，这种同心层状结构可影响骨针的变形行为6,7,8,24,25,26。因此，骨针的力学性能由其化学组成（即，二氧化硅-蛋白质复合材料的化学结构）和结构共同决定27。目前，玻璃海绵骨针的化学结构与结构特征仍在深入研究中24,28,29。
大多数骨针位于 E. aspergillum 通过胶结作用形成一个坚硬的骨骼笼状结构。然而，在骨骼基部有一簇非常长的（约10 cm）骨针，称为锚定骨针（见 图2A）。我们描述了对锚定骨针的小段进行三点弯曲测试的实验方案。
在步骤1中，描述了组装和校准自行搭建的力学测试装置各组件的操作流程。步骤2和步骤4提供了生成校准数据的操作说明，这些数据用于计算弯曲试验中的力和位移。步骤3描述了如何制备一段骨针样品并将其安装到测试夹具上。步骤5描述了对骨针样品进行弯曲试验的操作流程。最后，在代表性结果部分，结合步骤2和步骤4获得的校准数据以及步骤5获得的弯曲试验数据，用于计算 <img alt="静力平衡图示；ΣFx=0，ΣFy=0 方程；自由体分析设置；力的平衡。" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="方程2"> 和 <img alt="静力平衡方程 ΣFx=0，在图示中显示力矢量和力矩。" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq3.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="方程3">。
<img alt="海洋海绵骨针制备；显微镜设置；显微镜载玻片放置；结构分析。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56571/56571fig2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图 2"> 
图 2：E. aspergillum 骨针切片与检测的操作流程。（A）E. aspergillum 的骨架结构。骨架基部显示为一束独立直立的锚状骨针。比例尺约为 25 mm。（B）使用 #00000 号红毛画笔将单根锚状骨针固定在显微镜载玻片上，并用剃刀刀片进行切片。比例尺约为 12 mm。（C）将一段 E. aspergillum 骨针横置于样品台的沟槽上方。沟槽边缘和沟槽脊部分别以青绿色和橙色标出。推动骨针紧贴沟槽脊部，以确保其轴线与沟槽边缘垂直。（D）符合本实验方案中步骤 3.4所述检测标准的骨针显微图像，该步骤用于判断骨针切片是否受损并应被弃用。（E）含有大量裂纹且缺失大片二氧化硅层结构的骨针显微图像，此类样本将无法通过方案中步骤 3.4所述的检测标准。比例尺 = 250 µm（C），100 µm（D），以及 100 µm（E）。<a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56571/56571fig2large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>

<table><tbody><tr><td>TMC 36&quot; x 48&quot; 隔振台，配备 4&quot; CleanTop 面板</td><td>TMC</td><td>63-563</td><td>隔振台</td></tr><tr><td>差分螺钉调节器</td><td>Thorlabs</td><td>DAS110</td><td>用于载物台调平板</td></tr><tr><td>行程 1&quot;、刻度精度 0.001&quot; 的千分头</td><td>Thorlabs</td><td>150-801ME</td><td>用于载物台调平板</td></tr><tr><td>PT 系列平移台用直角支架，带 1/4&quot;-20 安装孔</td><td>Thorlabs</td><td>PT102</td><td>用于显微镜安装</td></tr><tr><td>行程 1&quot; 的燕尾式平移台，带 1/4&quot;-20 螺纹孔</td><td>Thorlabs</td><td>DT25</td><td>用于显微镜安装</td></tr><tr><td>行程 1&quot; 的平移台，带 1/4&quot;-170 调节螺钉和 1/4&quot;-20 螺纹孔</td><td>Thorlabs</td><td>PT1B</td><td>用于显微镜安装</td></tr><tr><td>长度 12&quot; 的燕尾型光学导轨</td><td>Edmund Optics</td><td>54-401</td><td>用于显微镜安装</td></tr><tr><td>宽度 2.5&quot; 的燕尾滑块</td><td>Edmund Optics</td><td>54-404</td><td>用于显微镜安装</td></tr><tr><td>宽度 0.5&quot; 的燕尾滑块</td><td>Edmund Optics</td><td>54-403</td><td>用于显微镜安装</td></tr><tr><td>InfiniTube 安装 C 型夹，带 &amp;frac14;-20 螺纹</td><td>Edmund Optics</td><td>57-788</td><td>显微镜组件</td></tr><tr><td>标准型（无直连附件）InfiniTube</td><td>Edmund Optics</td><td>56-125</td><td>显微镜组件</td></tr><tr><td>标准直连附件型（优化倍率为 2X–10X）InfiniTube</td><td>Edmund Optics</td><td>56-126</td><td>显微镜组件</td></tr><tr><td>Mitutoyo/Achrovid 物镜适配器（M26 转 M27）</td><td>Edmund Optics</td><td>53-787</td><td>显微镜组件</td></tr><tr><td>5X 无限远校正 Achrovid 显微物镜</td><td>Edmund Optics</td><td>55-790</td><td>显微镜组件</td></tr><tr><td>内径 0.316&quot; 的光纤适配器 SX-6</td><td>Edmund Optics</td><td>38-944</td><td>显微镜组件</td></tr><tr><td>&amp;frac14;&quot; x 36&quot; 柔性光纤导光管</td><td>Edmund Optics</td><td>42-347</td><td>显微镜组件</td></tr><tr><td>115V，MI-150 光纤光源，带红外滤光片和支架</td><td>Edmund Optics</td><td>55-718</td><td>显微镜组件</td></tr><tr><td>Allied Vision Manta G-223 2/3&quot; 彩色 CMOS 相机</td><td>Edmund Optics</td><td>88-452</td><td>显微镜组件</td></tr><tr><td>Manta/Guppy Pro/Stingray/Pike 相机电源</td><td>Edmund Optics</td><td>68-586</td><td>显微镜组件</td></tr><tr><td>行程 1/4&quot; 的单轴平移台</td><td>Thorlabs</td><td>MS1S</td><td>FODS 千分头</td></tr><tr><td>模拟反射式光纤位移传感器</td><td>Philtec</td><td>D20</td><td>FODS</td></tr><tr><td>30V，3A 直流电源</td><td>Agilent</td><td>U8001A</td><td>用于 DAQ 和 FODS 的电源</td></tr><tr><td>14 位、48 kS/s 低成本多功能数据采集设备（DAQ）</td><td>National Instruments</td><td>USB-6009</td><td>FODS 用 DAQ</td></tr><tr><td>三轴电动平移台</td><td>Thorlabs</td><td>Thorlabs T25 XYZ-E/M</td><td>平移台</td></tr><tr><td>T-Cube 直流伺服电机控制器</td><td>Thorlabs</td><td>TDC001</td><td>平移台电机控制器</td></tr><tr><td>T-Cube 电源</td><td>Thorlabs</td><td>TPS001</td><td>电机控制器电源</td></tr><tr><td>National Instruments LabVIEW（2013 SP1）</td><td>National Instruments</td><td></td><td>用于运行软件</td></tr><tr><td>National Instruments LabVIEW 视觉采集软件（2016）</td><td>National Instruments</td><td></td><td>用于运行软件</td></tr><tr><td>Nikon Eclipse Ci-POL 主机</td><td>MVI</td><td>MDA96000</td><td>偏光显微镜</td></tr><tr><td>带检偏器滑块的 Nikon Pi 中间镜筒</td><td>MVI</td><td>MDB45305</td><td>偏光显微镜</td></tr><tr><td>Nikon 透射式偏振片</td><td>MVI</td><td>MDN11920</td><td>偏光显微镜</td></tr><tr><td>电源线 - 7'6&quot;</td><td>MVI</td><td>79035</td><td>偏光显微镜</td></tr><tr><td>Nikon P-Amh 机械载物台</td><td>MVI</td><td>MDC45000</td><td>偏光显微镜</td></tr><tr><td>Nikon Lwd 消色差聚光镜</td><td>MVI</td><td>MBL16100</td><td>偏光显微镜</td></tr><tr><td>Nikon LV-NBD5BD-CH 手动五孔物镜转盘（防静电）</td><td>MVI</td><td>MBP60125</td><td>偏光显微镜</td></tr><tr><td>Nikon C-TF 三目镜筒 F 型</td><td>MVI</td><td>MBB93100</td><td>偏光显微镜</td></tr><tr><td>Nikon CFI 10X 目镜，视场数 22mm，NC</td><td>MVI</td><td>MAK10110</td><td>偏光显微镜</td></tr><tr><td>Nikon TU Plan Fluor BD 10x 物镜</td><td>MVI</td><td>MUE42100</td><td>偏光显微镜</td></tr><tr><td>维纳斯花篮海绵</td><td>Denis Brand</td><td>N/A</td><td>海绵骨针</td></tr><tr><td>3.5X 头戴式翻转放大镜</td><td>McMaster Carr</td><td>1490T5</td><td>用于骨针切片</td></tr><tr><td>&amp;Oslash;1&quot; 硅片，P 型 / &amp;lt;100&gt; 晶向</td><td>Ted Pella</td><td>16011</td><td>用于加载点反射镜</td></tr><tr><td>低尘絮锥形棉签</td><td>McMaster Carr</td><td>71035T31</td><td>用于清洁加载点反射镜</td></tr><tr><td>带橡胶握柄的精密刀具</td><td>McMaster Carr</td><td>35575A68</td><td>用于骨针切片</td></tr><tr><td>载玻片，磨砂端，75 x 25 x 1mm</td><td>Ted Pella</td><td>260409</td><td>用于骨针切片</td></tr><tr><td>貂毛画笔，#00000，宽度 0.08mm，长度 4.0mm</td><td>Ted Pella</td><td>11806</td><td>用于操作骨针</td></tr><tr><td>PELCO Pro 高精度镊子，超细尖端，精加工表面</td><td>Ted Pella</td><td>5367-5NM</td><td>用于操作骨针</td></tr><tr><td>双轴线性刻度千分尺</td><td>Edmund Optics</td><td>58-608</td><td>用于显微镜校准</td></tr><tr><td>FLEX-A-TOP FT-38 CAS</td><td>ESD Plastic Containers</td><td>FT-38-CAS</td><td>用于储存骨针</td></tr><tr><td>塑料小瓶式气泡水平仪</td><td>McMaster Carr</td><td>2147A11</td><td>用于载物台调平</td></tr><tr><td>分析天平</td><td>Mettler Toledo</td><td>MS105DU</td><td>用于质量校准砝码</td></tr></tbody></table>

一种用于测量海洋海绵骨针力学性能的毫米级弯曲测试系统

A Millimeter Scale Flexural Testing System for Measuring the Mechanical Properties of Marine Sponge Spicules

许多承重生物结构（LBBSs）——例如羽毛羽轴和骨针——尺寸微小（<1 mm），但并非微观结构。测量这些LBBSs的弯曲行为对于理解其卓越力学功能的起源具有重要意义。
我们描述了一种使用自行搭建的力学测试装置进行三点弯曲试验的方案，该装置可测量的力范围为10-5至101 N，位移范围为10-7至10-2 m。该力学测试装置的主要优势在于其力和位移的测量能力可根据不同的承重生物结构（LBBSs）轻松调节。该装置的工作原理类似于原子力显微镜，即通过连接在悬臂末端的加载点对LBBS施加力。加载点的位移由光纤位移传感器测量，并结合测得的悬臂刚度转换为作用力。通过使用不同刚度的悬臂，可调节该装置的测力范围。
通过在海洋海绵骨骼元件上进行三点弯曲测试，展示该装置的性能 Euplectella aspergillum骨骼结构元件（称为骨针）是直径约为50 µm的二氧化硅纤维 &#181;微米。我们描述了校准力学测试装置、将骨针安装到跨距约为1.3毫米的三点弯曲夹具上以及进行弯曲测试的操作步骤。 &#8776;1.3 mm 跨距，并进行弯曲测试。测量施加在骨针上的力及其在受力位置的挠度。

任何力学试验最基本的输出结果是施加在试样上的力的大小，以及力作用位置处的位移。对于三点弯曲试验而言，目标是获得线性致动器（LPT）施加的力的大小 <img alt="Static equilibrium, ΣFx=0, ΣFy=0, force diagram, educational physics concept, vector analysis" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq13.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Equation 13">，以及试样在 LPT 正下方横截面在 <img alt="Static equilibrium equations, ΣF=0, vector diagram." src="/files/ftp_upload/56571/56571eq4.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Equation 4"> 方向上的位移 <img alt...

我们介绍一种使用自制力学测试装置对亚毫米级纤维进行三点弯曲测试的方案。该装置可测量从20 µN到10 N范围内的力，因此能够适应多种纤维尺寸。

许多承重生物结构（LBBSs），如羽毛羽轴和骨针，尺寸较小（<1 mm），但并非微观结构。测量这些……

本实验的总体目标是测量直径在10至100微米之间的纤维的弯曲性能。该方法有助于回答有关生物结构力学行为的关键问题，例如海洋海绵骨针的强度和刚度特性。该技术的主要优势在于可用于测量多种不同尺寸和弹性特性的材料的力学行为。尽管该方法可用于研究骨针的力学行为，但也适用于其他承重的生物结构，例如植物茎秆和羽毛羽轴。首先，使用4-40内六角圆柱头螺钉将加载点固定到悬臂梁上。安装加载点时需小心，避免悬臂梁臂发生塑性变形。然后，将加载点尖端移离悬臂板，并使用6-32内六角圆柱头螺钉将悬臂板松散地固定在基板上。接着，将1/8英寸对准销插入悬臂板和基板中，拧紧螺钉，然后拔出对准销。通过逆时针旋转传感器微调旋钮，将光纤位移传感器尽可能回缩。然后，使用6-32内六角圆柱头螺钉将悬臂板松散地固定到支架上，使加载点的尖端朝向负z方向。再次插入1/8英寸对准销，此次穿过支架和悬臂板，拧紧螺钉，然后取下对准销。现在，将平台放置在平台底板上，使调平板上的千分尺头尖端嵌入平台底板的凹槽中。将水平仪放置在隔振台上，通过旋转各支腿阀门手拧螺钉来调节压力，使台面水平。将水平仪移至载物台调平板顶部，调节千分尺使其同样处于水平状态。记录千分尺的位置，然后将载物台从基板上取下。使用一对镊子夹住一个锚状骨针的远端，将其从骨骼中拔出。将骨针放置在干净的显微镜载玻片上。使用一把00000号红貂毛刷，将骨针固定在载玻片上。将刀片垂直于载玻片表面，在刷状结构两侧的骨针上推动，切取一段四毫米长的骨针。然后弃去远端和近端的骨针部分，保留从中间位置切下的四毫米骨针段。将该骨针段转移至样品台。将其放置在沟槽上方，确保弯曲测试所需的跨距，并轻轻沿正 y 方向推动，使其紧贴沟槽边缘，以保证骨针与沟槽边缘垂直。将样品台放置在基板上，使千分尺测微螺杆的尖端落入基板的凹槽内。如有需要，可调节样品台调平板上的千分尺。打开补充代码文件中的弯曲测试程序，使用用户界面中显示的文本框，将步长设置为2微米，最大位移设置为0.5毫米，低压停止值设置为1.5伏，高压停止值设置为4.6伏。使用用户界面中的文本框选择所需的图像和数据目录，以及输出文件名称。然后，将用户界面中的“保存图像”开关置于向下位置，并单击“电压差”文字下方的绿色矩形按钮，使其亮起。现在运行弯曲测试程序，并等待电机控制器和相机界面完成初始化。打开照明灯，并调节亮度，使载荷点尖端可见。然后顺时针旋转光纤位移传感器的千分尺，直到用户界面图形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，将载物台沿 z 轴正方向移动，直至其位于加载点尖端下方约一厘米处，然后单击“Home”按钮设置 z 轴的原点位置。使用 x 轴和 y 轴电机控制器上的电位计滑块，将加载点尖端对准样品载物台上沟槽负 x 方向一侧的薄钢条中心。接着，使用 z 轴电机控制器上的电位计滑块，将载物台

a-millimeter-scale-flexural-testing-system-for-measuring-mechanical

Research

科研

JoVE Journal

Bioengineering

生物工程

测量海洋海绵针力学性能的毫米尺度弯曲试验系统

讨论了一种方法，通过该方法 体内 刺激响应材料的力学行为随时间变化被监测。样品进行测试 离体 使用带有环境控制的微拉伸测试仪模拟生理环境。这项工作进一步促进了对 体内...

环境可控的微拉伸测试用于力学自适应聚合物纳米复合材料的研究 离体 表征

本文介绍了一种用于测量生物大分子持久长度或弯曲刚度的方法。该方法利用驱动蛋白驱动的微管滑动实验，通过实验手段测定单个微管的持久长度，并可适用于基于肌动蛋白的滑动实验。...

使用滑动实验测量生物大分子的弯曲刚度

本文介绍了一种新型拉伸平台，可用于研究单个细胞对复杂各向异性双轴机械变形的响应，并量化生物组织的力学特性。...

一种用于细胞与组织力学生物学研究的新型拉伸平台

本文介绍了利用纳米压痕、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、扫描电子显微镜（SEM）和X射线计算机断层扫描（X射线CT）来研究Atractosteus spatula（A.

使用纳米压痕、X射线CT、FTIR和扫描电镜对多层鱼鳞（Atractosteus spatula）的表征

聚合物及纤维增强聚合物复合材料在服役过程中的耐久性是其设计和基于状态的维护中的关键因素。我们提出了一种新颖且低成本的实验室测试平台，用于研究机械载荷与环境载荷共同作用的影响，该平台有助于设计出更高效且更安全的复合材料结构。...

用于聚合物及纤维增强聚合物复合材料在湿热力耦合刺激下耐久性研究的测试平台

我们介绍了一组用于表征大脑在微观、介观和宏观尺度下的黏弹性力学特性的技术。...

利用原子力显微镜、冲击压痕和流变仪表征脑组织的多尺度力学特性

刚度在千帕范围内的基底可用于研究细胞对生理相关微环境刚度的响应。仅使用宽场荧光显微镜，即可通过使用合适微球进行压痕实验来测定软硅胶的杨氏模量。...

使用宽场荧光显微镜测量用于力学生物学研究的软硅胶基底的刚度

本研究的目的是开发制备高强芳纶或超高摩尔质量聚乙烯基柔性单向复合材料层压板试样的标准化方案，以实现准确的力学性能测试，并描述对这些材料进行人工老化的实验方案。...

柔性单向复合材料层合板的切割工艺、拉伸试验与老化

本文介绍了一种采用湿法手工铺层/真空袋法制造纤维增强聚合物基复合材料层压板的工艺。...

通过不同制备工艺获得的玻璃纤维增强聚合物复合材料层合板的力学性能测量

本方案介绍了一种压缩测试装置的配置方法，该装置能够精确测量微结构在小应变区域内的力学性能，同时提供使用该装置进行压缩测试的系统性方法。所提出的装置可用于分析多种微结构以及聚合物基材料的力学行为。...

小应变下压缩应力-应变响应的测量

学习使用定制毫米尺度三点弯曲试验系统测量海洋海绵针等生物纤维的力学性能。该方法可精确测定直径10至100微米纤维的抗弯强度与刚度，为生物材料研究提供可靠数据。

一种用于测量海洋海绵骨针力学性能的毫米级弯曲测试系统

探索更多视频