Charakterisierung von mehrschichtigen Fischschuppen ( Atractosteus Spachtel) Verwendung Nanoindentierung, Röntgen-CT-, FTIR-und SEM

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist es, die Struktur, Chemie und mechanischen Eigenschaften von mehrschichtigen mineralisierten Fischschuppen zu bestimmen, indem Röntgen-Computertomographie, Nanoindentation für Ihre Transformationsinfrarotspektroskopie und Rasterelektronenmikroskopie in Verbindung mit energiedispersiver Röntgenspektroskopie durchgeführt werden. Dies wird erreicht, indem zunächst die einzelnen Schuppen für die Analyse vorbereitet werden, indem das Weichgewebe von den Schuppen entfernt, die Schuppen montiert und geschnitten und dann schrittweise poliert wird. Der zweite Schritt besteht darin, eine räumlich korrelierte Nanoindentation entlang des Querschnitts der Skala mit einer Diamantpercovich-Spitze durchzuführen, um die lokalen nanomechanischen Eigenschaften zu bestimmen.

Anschließend werden die inneren und äußeren Fischschuppenschichten mit einem FTIR-Mikroskop untersucht, um die wichtigsten funktionellen Gruppen in den jeweiligen Schichten zu identifizieren. Der letzte Schritt besteht darin, mit dem EDX-Detektor am Rasterelektronenmikroskop die lokale chemische Zusammensetzung mit den Nanoeindrücken in den Fischschuppen zu korrelieren und Bilder der Vertiefungen in den verschiedenen Schichten und Bruchflächen aufzunehmen. Letztendlich werden durch die Kombination dieser verschiedenen experimentellen Techniken die natürlichen Konstruktionsprinzipien mineralisierter Fischschuppen durch ein Verständnis der Struktur-Eigenschaftsbeziehungen aufgeklärt.

Der Hauptvorteil dieser Technik gegenüber anderen bestehenden Testmethoden wie der statistischen Nanoindentation besteht darin, dass sie eine direkte Korrelation zwischen der Struktur der chemischen Zusammensetzung und den lokalen mechanischen Eigenschaften bietet. In interessanten Bereichen haben wir diese Methode jedoch wirklich angewendet, um die räumliche Verteilung, die chemische Zusammensetzung, die Struktur und die mechanischen Eigenschaften von strukturellen Biomaterialien zu untersuchen. Es hat auch viele Anwendungen, darunter zementbasierte Materialien, mehrphasige Verbundwerkstoffe und wirklich jede Art von heterogenem Material, das diese Heterogenität auf der Mikrometer- und Nanometerlängenskala aufweist.

Um einen Querschnitt einer kurzen Fischschuppen-Kurzachse zu untersuchen, halten Sie die Fischschuppe in eine Probenform mit einem Durchmesser von 32 Millimetern und verwenden Sie dabei einen handelsüblichen Kunststoff-Probenhalter, um die Probe beim Einstecken in das Epoxidharz korrekt ausgerichtet zu halten. Sobald die Probe in der Form gehalten wird, gießen Sie ein nicht ausgehärtetes Epoxidharz auf die Probe. Nachdem Sie das Epoxidharz gemäß den Anweisungen des Herstellers aushärten ließen, schneiden Sie die montierte Probe mit einer hochpräzisen Diamanttrennsäge an der Mittellinie der Probe.

Nachdem die Probe in den Nano- und Delleneingang geladen wurde, verwenden Sie die Softwaresteuerung, um die Probe an die Stelle für den ersten Einzug zu bewegen, führen Sie vier parallele Reihen von Eindrücken im Abstand von 15 Mikrometern durch, um einen statistisch signifikanten Datensatz zu erhalten, der an dieser Position beginnt. Stellen Sie dann die Nano-Bindung auf eine maximale Belastung von fünf Millinewton, eine Be- und Entladerate von 0,1 Millinewton pro Sekunde, eine ganze Zeit von 30 Sekunden und einen minimalen Eindruckabstand von fünf Mikrometern für jede Reihe ein. Wenn die Charge abgeschlossen ist, erzeugt die Hälfte der Nano-Vertiefung Referenzeindrücke mit einer maximalen Belastung von 100 Millinewton am ersten und letzten Eindruck, die sich im Epoxidharz vor der Anatomie-Schicht bzw. nach der Knochenschicht befinden sollten.

Legen Sie die Probe nach der Nanoindentation wieder in die PBS-Lösung, um eine weitere Austrocknung zu vermeiden. Montieren Sie die Probe starr, so dass die längste Abmessung parallel zum Detektor verläuft. Befestigen Sie nach dem Einrichten des Scanners die montierte Probe mit Materialien, die für Röntgenstrahlen transparent sind, wie z. B. Styropor und Paraform, auf dem Scannertisch.

Positionieren Sie die Probe so, dass sie sich im Mittelpunkt der Drehung befindet. Wählen Sie während des gesamten Scans die höchste Auflösung, die es ermöglicht, dass sich die gesamte Skala im Sichtfeld befindet, in diesem Fall 7,5 Mikrometer. Rekonstruieren Sie nach der Datenerfassung die Röntgenprojektionsbilder, um einen Datensatz mit Schnittbildern zu erstellen.

Verwenden Sie dann die Software, um das endgültige 3D-Graustufenbild zu erhalten. Stellen Sie den Graustufenbereich auf ein geeignetes Niveau ein, um die Artefakte aus dem Styropor und der Paraform zu entfernen. Für die REM- oder Rasterelektronenmikroskopie-Bildgebung von Nanoeinkerbungen auf der polierten Probe befestigen Sie die Probe mit doppelseitigem Kohleband mit der eingekerbten Oberfläche nach oben auf einem REM-Stummel. Legen Sie anschließend die Probe in die REM-Kammer und pumpen Sie die Kammer in den Niedrigvakuum-Modus.

Stellen Sie den Arbeitsabstand auf 3,0 bis 5,0 Millimeter ein. Aktivieren Sie die Hochspannung und navigieren Sie zu den interessierenden Bereichen auf der Probe, in diesem Fall die Strukturen in den Anie- und Knochenschichten. Dann erhalten Sie Bilder mit einer Hochspannung zwischen fünf Kilovolt und 15 Kilovolt und einem niedrigeren Strahlstrom von 3,9 Nanoampere.

Um die Auflösung zu verbessern, nehmen Sie Bilder von mindestens drei interessierenden Regionen bei 250-facher bis 10.000-facher Vergrößerung mit dem Niedervakuum-BSE-Detektor für rückgestreute Elektronen auf, um Änderungen des Gehalts und der Dichte von Biomineralien zu identifizieren. Navigieren Sie anschließend zu einem Bereich von Interesse auf der polierten Probe, der ein Nano-Einkerbungsgitter enthält, das durch Passermarken am Ende jeder Einkerbungslinie gekennzeichnet ist. Stellen Sie sicher, dass die Hochspannung mindestens 15 Kilovolt beträgt.

Der Strahlstrom beträgt mindestens 3,9 Nanoampere, der Arbeitsabstand beträgt mehr als 5,0 Millimeter. Nehmen Sie dann das rückgestreute Elektronenbild der zu analysierenden Region mit EDX auf. Verwendung von EDX-Analysesoftware.

Nehmen Sie dasselbe Bild auf, um Bereiche für die Durchführung chemischer Analysen entlang der Einzuglinie zu lokalisieren. Positionieren Sie anschließend mit der Linienanalysetechnik eine Linie, um eine chemische Analyse entlang der interessierenden Linie der Einzüge durchzuführen, die beim ersten Einzug beginnt und beim letzten Einzug endet. Geben Sie die Anzahl der Analysepunkte an, die entlang der Linie platziert werden sollen, indem Sie dieselbe Anzahl wie die Anzahl der vorhandenen Eindrücke verwenden, um eine direkte räumliche Korrelation zwischen der chemischen Zusammensetzung und den mechanischen Eigenschaften herzustellen.

Wenn die Linie positioniert und die Punkte korrekt angegeben sind. Starten Sie die Linienanalyse mit der EDX-Software nach Abschluss der Linienanalyse. Identifizieren Sie die zu quantifizierenden Elemente aus den Punktspektren, die entlang der angegebenen Linie auf der polierten Oberfläche der Probe erhalten wurden.

Sobald die interessierenden Elemente identifiziert sind, führen Sie eine Hintergrundkalibrierung durch, um die Strahlung der Lunge von Brem-Stroh und andere Effekte zu berücksichtigen. Wählen Sie die Option für die Dekonvolutionsanalyse der Software, um eine quantitative Analyse an jedem Punkt entlang der angegebenen Linie zu erhalten und die chemische Zusammensetzung an jedem Punkt zu quantifizieren. Speichern Sie schließlich die Ergebnisse der quantitativen chemischen Analyse zusammen mit dem Bild der angegebenen Linie, das analysiert wurde, um die räumliche Korrelation mit den mechanischen Eigenschaften zu unterstützen, die mittels Nanoindentation in der Anoe-Schicht gemessen wurden, berechnete die Nano-Bindung einen durchschnittlichen Modul von 69,0 Gigapascal und eine Härte von 3,3 Giga Pascal.

Der Nano-Indenture ermittelte für die Knochenschicht einen durchschnittlichen Modul von 14,3 Gigapascal und eine Härte von 0,5 Gigapascal. Die An- und Knochenschicht enthält quantifizierbare Unterschiede in der chemischen Zusammensetzung. Der Kohlenstoffspike in der Knochenschicht kann auf eine geringe Mineralisierung zurückgeführt werden, die zu einer Zunahme des Kohlenstoffgehalts und einer Abnahme der BSE-Bildhelligkeit führt, FTIR-Spektren der Knochen- und ENE-Schichten zeigen Hydroxylapatit-Signaturen in der äußeren gwe-Schicht und Kollagensignaturen in der inneren Knochenschicht.

Die Röntgen-Computertomographie zeigt, dass die GWE-Schicht die Knochenschicht, wo sich die Schuppen überlappen, nicht bedeckt. Die helleren grauen Gwe-Schichten sind dichter, härter und steifer, während die dunkleren grauen Knochenschichten weniger dicht und weniger steif sind. Es werden deutliche Vertiefungen in der Nähe der Mitte der Ging-Schicht beobachtet, die ihre Ungleichmäßigkeit demonstrieren.

Das REM-Bild der geätzten Frakturoberfläche mit niedrigerer Vergrößerung zeigte Nanostrukturen, die in einem Schichtmuster für die Ging-Schicht organisiert sind, das mit dem FTIR-REM mit höherer Vergrößerung korreliert, Bilder der geätzten Frakturoberfläche zeigen orientierte Nanostäbchen in der Ging-Schicht, während eine faserartige Nanostruktur in der Knochenschicht nach ihrer Entwicklung beobachtet wird. Diese Technik ebnete den Weg für weitere Forschungen zu Biomaterialien und Verbundwerkstoffen, um die räumliche Verteilung der chemischen Zusammensetzung, Struktur und mechanischen Eigenschaften zu untersuchen und auch Grenzflächen in mehrphasigen Verbundwerkstoffen zu untersuchen. In Ordnung, nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man Proben vorbereitet und Analysen durchführt, um die chemische Zusammensetzung mit der Struktur und den mechanischen Eigenschaften in strukturellen Biomaterialien räumlich zu korrelieren.

Diese Techniken sind auch für die Untersuchung anderer Arten von heterogenen Mehrphasenmaterialien anwendbar und anpassbar.