Artículo de método

Un protocolo para la Bioinspirada Diseño: Planta Sampler Sobre la base de erizo de mar Tiburón

DOI:

10.3791/53554

⸱

24 de abril de 2016

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Materials Science and Engineering Program, University of California, San Diego, 2Department of Mechanical and Aerospace Engineering, University of California, San Diego, 3Integrative Oceanography Division, Center for Marine Biodiversity and Conservation, Scripps Institution of Oceanography, 4Marine Biology Research Division, Scripps Institution of Oceanography

En este artículo

Resumen

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Se describe un protocolo para el diseño bioinspirado para un dispositivo de muestreo basado en las mandíbulas de un erizo de mar. El proceso de bioinspiración incluye la observación de los erizos de mar, la caracterización de la boquilla, la impresión 3D de los dientes y su ensamblaje, y la bioexploración de la estructura dental.

Resumen

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El diseño bioinspirado es un campo emergente que se inspira en la naturaleza para desarrollar materiales y dispositivos de alto rendimiento. La boquilla de erizo de mar, conocida como la linterna de Aristóteles, es una fuente convincente de bioinspiración con una intrincada red de musculatura y dientes calcáreos que pueden raspar, cortar, masticar alimentos y perforar sustratos rocosos. Describimos el proceso de bioinspiración como la observación de animales, la caracterización de especímenes, la fabricación de dispositivos y la bioexploración de mecanismos. El último paso de la bioexploración permite una comprensión más profunda de la biología inicial. La arquitectura de diseño de la linterna de Aristóteles se analiza con microtomografía computarizada y los dientes individuales se examinan con microscopía electrónica de barrido para identificar la microestructura. Los diseños bioinspirados se fabrican con una impresora 3D, se ensamblan y se prueban para determinar el mecanismo de apertura y cierre de la linterna más eficiente. Los dientes del diseño de la linterna bioinspirada se bioexploran mediante el análisis de elementos finitos para explicar desde una perspectiva mecánica por qué evolucionaron las estructuras de dientes con quilla en los erizos de mar modernos que observamos. Este enfoque circular permite extraer nuevas conclusiones de la biología y la naturaleza.

Introducción

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Los campos de la biología, ciencia de los materiales biológicos, biomateriales, la bioingeniería y la bioquímica emplean las técnicas científicas de la premier y mentes en un intento de proporcionar una comprensión más profunda del mundo natural increíble. Esta investigación ha explicado muchas de las estructuras biológicas más sorprendentes y organismos; de la dureza intrínseca de 1,2 hueso humano al gran pico del tucán 3. Sin embargo, gran parte de este conocimiento es difícil emplear de una manera que puede proporcionar un beneficio a la sociedad. Como resultado, el campo tangencial de Bioinspiration emplea las lecciones aprendidas de la naturaleza de los materiales modernos con el fin de resolver problemas comunes. Los ejemplos incluyen superficies superhydrophobic inspirados en las hojas de loto 4-6, superficies adhesivas inspiradas en los pies de lagartijas e insectos 7,8, cerámicas duras inspirados en el nácar de oreja de mar 9-11 y cosechadoras de biopsia inspirados en la boquilla del erizo de mar, también sabern como la linterna de Aristóteles 12,13.

Los erizos de mar son animales invertebrados cubiertas de espinas cuyo hábitat más común consiste en los fondos rocosos en el fondo del océano. El cuerpo (denominada prueba) en la especie de erizo más grandes pueden ser más de 18 cm de diámetro; tamaño de la prueba en los erizos de mar de color rosa (Strongylocentrotus fragilis) examinados en este estudio puede llegar a medir 10 cm de diámetro. La linterna de Aristóteles se compone de cinco dientes de carbonato de calcio predominantemente soportados por estructuras piramidales compuestas de tejido mineralizado y dispuestas en una formación en forma de cúpula que encierran todos, pero los consejos de molienda distales de los dientes (Figura 1A).

La estructura del músculo de la mandíbula es capaz de mascar eficiente y raspar incluso contra las rocas del océano duros y corales. Cuando las mordazas abiertas, los dientes sobresalen hacia el exterior y cuando las mordazas de cierre, los dientes se retraen hacia el interior en un solo movimiento suave. Comparación entre primitive (arriba) y modernos (abajo) erizo de mar de dientes secciones transversales (Figura 1B) indica que un diente quilla evolucionó para fortalecer el diente cuando se muele contra sustratos duros. Cada diente individual tiene una curvatura ligeramente convexa y una morfología en forma de T en el plano transversal (perpendicular a la dirección de crecimiento), debido a la quilla longitudinalmente adjunto (Figura 1C, D).

Bioinspiration comienza con la observación de los fenómenos naturales interesantes, como el movimiento de masticación eficiente de la linterna de Aristóteles en la erizos de mar. Esta estructura natural cautivó inicialmente Aristóteles porque le recordaba de una linterna de cuerno con los paneles de cuerno quedan fuera. Más de dos mil años más tarde, Scarpa estaba fascinado por la complejidad de la linterna de Aristóteles que él y más tarde Trogu imitaba el movimiento de masticación natural usando sólo papel y bandas de goma (Figura 2A) 15,16. Del mismo modo, Jelinek se Bioinspirada por el chewing movimiento de la linterna de Aristóteles y el desarrollado una mejor cosechadora de biopsia que podría aislar de forma segura el tejido tumoral sin propagación de las células cancerosas (Figura 2 B, C) ​​12,13. En este caso, el diseño bioinspirado se utilizó para hacer un dispositivo biomédico que se ajustan a una necesidad específica de la aplicación deseada.

El protocolo de diseño descrito aquí se aplica a una muestra de sedimento Bioinspirada por erizos de mar. A través de la ciencia de materiales biológicos, la estructura natural de la linterna de Aristóteles se caracteriza. diseño Bioinspirada identifica las aplicaciones potenciales en los que los mecanismos naturales se puede mejorar mediante el uso de materiales modernos y técnicas de fabricación. El diseño final se vuelve a cabo a través del prisma de la prospección biológica para entender cómo la estructura del diente natural evolucionó (Figura 3). La última etapa de prospección biológica, propuesto por Porter 17,18, utiliza métodos de análisis de ingeniería al correoxplore y explicar los fenómenos biológicos. Todos los pasos importantes del proceso Bioinspiration se presentan como un ejemplo para el aprovechamiento de la tecnología, previamente aprobados por la naturaleza, que se puede utilizar para resolver problemas modernos. Nuestro protocolo, motivado por procedimientos Bioinspiration anteriores presentados para aplicaciones específicas por Arzt 7, está dirigido a biólogos, ingenieros y cualquier otra persona que se inspira en la naturaleza.

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Protocolo

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1. Materiales Biológicos Ciencia

  1. Use equipo de protección personal (es decir, guantes, gafas de seguridad y bata de laboratorio) y siga todos los procedimientos de seguridad aplicables para el uso de herramientas de disección.
  2. Enjuague el fórceps y el bisturí con agua destilada a utilizar para la disección.
  3. Descongelar un erizo de mar de color rosa congelada a temperatura ambiente durante 1 hora. Colocar una muestra descongelada en un recipiente de vidrio con espacio suficiente para poder maniobrar las herramientas de erizo y corte. Gire el erizo boca abajo para que las puntas de los dientes hacia arriba.
    1. Cortar el tejido conectivo que rodea el perímetro de la linterna de Aristóteles con el bisturí y con cuidado levante la linterna. Enjuague la linterna con un chorro de agua destilada. Tire las piezas de erizo sin usar en un recipiente de eliminación de residuos.
    2. Encienda la linterna de Aristóteles otra vez para que las puntas de los dientes boca abajo. Localizar el final plumula de cada diente (opuesta a la punta) hacia arriba y utilizar las pinzas para cuidarplenamente deslice hacia fuera los dientes individuales de la linterna.
  4. Preparar epoxi a la olla los dientes. Pesar 5 g de resina y añadir 1,15 g de endurecedor (por ejemplo, 100 partes de resina a 23 partes en peso de endurecedor) en una bandeja de plástico desechable de poca profundidad. Mezcle los contenidos juntos lentamente sin formar burbujas.
    Nota: No deje restos de epoxi mezclado en un recipiente con una exposición insuficiente a la atmósfera. El proceso de curado es exotérmica y puede encender artículos inflamables cercanos. Mantener ningún tipo epoxi mezclado sobrante en una campana extractora bien ventilada y lejos de objetos inflamables.
    1. Lubricar un tubo de 2,5 copita de plástico (22 mm de diámetro interior, 39 mm de longitud) usando vaselina aplicada con el dedo y limpie cualquier exceso con un pañuelo de papel. Llenar hasta la mitad el tubo con epoxi mezclado.
    2. Utilice las pinzas para recoger un diente y cuidadosamente sumergirlo en el epoxi con el lado cóncavo curvado hacia arriba. Deje secar epoxi a temperatura ambiente durante 24 horas.
      Nota: Evitar que la punta del diente a la deriva al tactola pared del tubo de plástico como las curas epoxi ya que esto hará que pulir la punta más difícil.
  5. Se coloca el tubo de plástico con epoxi curada en un tornillo de banco. Apretar el tornillo de banco lentamente hasta una fisura se hace en el tubo de plástico. Pelar plástico residual de la superficie epoxi.
    1. Utilice un seccionamiento para cortar el epoxi alrededor del diente abajo a un bloque más pequeño (1 cm 3).
  6. Preparar un área limpia para el pulido y configurar una estación de trabajo plana con una placa de plástico duro. Llenar una botella con atomizador con agua destilada.
    1. Comience con el papel de lija de grano más bajo disponible (por ejemplo, 120) y apretar una pequeña cantidad de agua de la botella de lavado en el papel de lija. Con una ligera presión, frotar la muestra en una dirección trasera y delantera (por ejemplo, de izquierda a derecha) durante 5 min.
    2. Lavar la superficie de la muestra sobre un fregadero y limpie con un paño libre de partículas. Retire cualquier papel de lija sobrante con aire comprimido durante 15 segundos.
    3. Utilice progresivamente mayor lija de grano (por ejemplo, 600 y 2.400) repetir los pasos del protocolo 1.6.1 y 1.6.2. Con una ligera presión, frotar la muestra en un ida y vuelta dirección perpendicular a la anterior etapa de pulido (por ejemplo, arriba-abajo, izquierda-derecha).
      Nota: Utilice un microscopio óptico de 20 aumentos para ver las marcas de arañazos perpendiculares se intersecan con cada nivel de arena (por ejemplo, 120, 600, 2400). Pasar a la siguiente más alta cuando se lija de grano marcas de arañazos desde el nivel de grano anterior desaparecen.
    4. Prepare una botella con atomizador con 3 micras de suspensión de pulido de diamantes en una solución 1: 1 de agua destilada. Utilice un paño para pulir suspensiones de diamante para repetir los pasos del protocolo 1.6.1 y 1.6.2.
    5. Preparar una botella con atomizador con 0,5-micras suspensión de alúmina de pulido en una solución 1: 1 agua destilada. Utilice una superficie de pulido microcloth repetir los pasos del protocolo 1.6.1 y 1.6.2.
      Nota: las marcas de arañazos finos de protocolo de los pasos 1.6.4 y 1.6.5 no será visibLe de 20 aumentos. Para estos pasos del protocolo, esmalte durante 5 minutos en un movimiento de vaivén para eliminar todos los arañazos anteriores.
    6. Limpiar la superficie pulida con el tejido libre de partículas y uso del agua destilada con aire comprimido para cuidado seco. Envolver con papel libre de partículas para mantener acabado de pulido espejo.
      Nota: secar todas las superficies de pulido boca abajo en grandes tejidos libres de partículas. Almacenar en una funda de plástico para evitar que las partículas de polvo que se asienta en la superficie entre los tiempos de pulido.
  7. Caracterizar el erizo de mar diente microestructura mediante microscopía electrónica de barrido (SEM). Utilice un dispositivo de recubrimiento por pulverización catódica de pulverización catódica de iridio con una corriente de deposición de 85 mA durante 10 s sobre la superficie del diente pulido para un espesor de revestimiento de ~ 20 nm.
    1. Obtener imágenes de micrografía en 250X - ampliación 4,000X utilizando un SEM.
      Nota: El uso 5 kV en el modo de barrido electrónico (SE) y 15 kV en el modo de electrones retrodispersados ​​(BSE). Utilice el modo de EEB para identificar fib calcitaERS intercalados con matriz policristalino enriquecido con Mg.
  8. Realizar la tomografía computarizada micro-(μ-TC) de todo un erizo de mar de color rosa y una linterna de Aristóteles recién disecados. Coloque cada muestra se descongela en el interior del contenedor de cámara cerrada con un paño humedecido para proporcionar un ambiente humidificado durante la exploración.
    1. Analiza todo el erizo y la linterna de Aristóteles por μ-TC con un tamaño de vóxel isotrópico de 36,00 micras y 9,06 micras, respectivamente. Aplicar un potencial eléctrico de 100 kVp y 70 kVp con corriente de 100 mA y 141 mA, para todo el erizo y la linterna de la Aristóteles, respectivamente, utilizando un filtro de aluminio 1,0 mm para ambos.
    2. Aplicar un algoritmo de corrección de endurecimiento del haz durante la reconstrucción de la imagen para dar cuenta de los artefactos endurecimiento del haz que resultan de la μ-TC fuente de rayos X que emiten rayos X de energías múltiples utilizando el protocolo del fabricante.
  9. Utilice el software de imágenes para refinar imasegmentación de GE y adquirir un modelo de malla de triángulos para la estructura de la linterna de Aristóteles.
    1. Cargar y vista previa de los datos de imagen de la linterna de Aristóteles de la exploración μ-TC. Que coincida con el tamaño de vóxel (9,06 m) para los valores de la exploración micro-CT.
    2. Utilice una función de representación del volumen de visualizar la linterna de Aristóteles en el espacio 3D. Ajustar el corte ortogonal 2D con el módulo de cuadro delimitador y ajustar el valor umbral / color con el módulo de representación volumétrica.
    3. Hacer segmentos de la máscara de la región de interés (por ejemplo, diente de erizo de mar) usando el editor de segmentación. Seleccionar XY, YZ y XZ aviones y la vista isométrica en 3D. Utilizar la varita mágica (flecha negro) para distinguir entre las estructuras simples (de los dientes frente a la pirámide) en la linterna de Aristóteles.
    4. Reconstruir la superficie del modelo a partir de los segmentos extraídos de la máscara. Seleccione el módulo de generación de superficies y aplicar. Anule la selección de la representación del volumen Configuración tener desaparecer la superficie superior visible. Añadir laVer la superficie del módulo para mostrar el resultado de superficie.
    5. Simplificar la superficie del modelo mediante la reducción del número de caras a <18.000.
    6. Editar malla de triángulos individual sobre la superficie del modelo, según sea necesario. Guardar el modelo como un archivo de estereolitografía (STL) para exportar a utilizar con el software de diseño (CAD) de modelado asistido por ordenador.

2. Diseño Bioinspirada

  1. Utilice la linterna de Aristóteles del análisis de micro-CT como una referencia para hacer un diseño bioinspirado con software de modelado CAD.
    Nota: El diseño bioinspirado tiene cinco dientes curvos con una altura de 6 cm de diámetro y 8 cm para la linterna cerrada. Se escala hasta ~ 5 veces desde el tamaño de la linterna de Aristóteles natural.
  2. Guardar las partes de archivos STL a una unidad flash y subir los archivos a un modelado por deposición fundida (FDM) impresora 3D.
    1. cartuchos de material de carga de estireno acrilonitrilo butadieno estireno (ABS) de plástico y de plástico de soporte en las ranuras correspondientes de la p 3DIMPRESORA.
    2. Inserte la base de modelado en la plataforma Z y alinee las lengüetas con las ranuras de la bandeja de metal.
    3. Abrir cada una de las partes de archivos STL y siga los pasos de la pantalla de visualización para imprimir todas las partes de la linterna al mismo tiempo.
      Nota: Linterna partes deben encajar dentro de la envolvente del edificio (25 x 25 x 30 cm 3) para la impresora 3D. Todos los cinco dientes están dispuestos en la base de modelado y se imprimen simultáneamente con la punta de los dientes hacia arriba. La tasa de acumulación es de 16 cm3 por hora y el tiempo total de construcción es de aproximadamente 8 horas.
    4. Liberar la base de modelado de las pestañas cuando se imprimen todas las partes del archivo y deslice la base de la impresora 3D a lo largo de las guías de la bandeja.
    5. Use una espátula de metal para hacer palanca todas las partes de la base y una lima de metal para desgastar a cualquier plástico extra fijado a las partes.
    6. Coloque las partes impresas en un baño de base se calienta hasta que se disuelva el material de soporte de plástico.
  3. Fijar cada diente a un brazo articulado con una link varilla y dos anillos E-retención a cada lado.
    Nota: Consulte la Figura 6 para el montaje de la linterna de Aristóteles bioinspirado.

3. prospección biológica

  1. Utilice el archivo de CAD para el diente bioinspirado hacer una prueba de análisis de esfuerzos de modelado de elementos finitos (FEM).
    1. Abra el archivo (xx.sldprt) para hacer un análisis más detallado de ingeniería. Por encima de la pestaña "Productos de oficina", seleccione el botón "SolidWorks Simulation".
    2. Por encima de la pestaña de "simulación", seleccione el botón de "Asesor de Estudio" y luego la opción desplegable "Nuevo Estudio".
    3. Seleccionar el tipo de prueba de simulación para ser ejecutado por la elección de "estática".
    4. En la lista de verificación estática, haga clic en "Accesorios" y seleccione "geometría fija".
    5. Haga clic en las caras internas de añadir accesorios a los agujeros de montaje, donde pasadores tope.
    6. En la lista de verificación estática, haga clic en "Cargas externas" y select "Fuerza".
    7. Haga clic en el rechinamiento de los dientes de punta se enfrenta a aplicar la fuerza de 45 N a los bordes.
    8. En la lista de verificación estática, haga clic en "Cargas externas" y seleccione "Gravity".
    9. Indicar "Top Plane" para la fuerza de la gravedad aplicada normal al plano.
    10. En la lista de verificación estática, haga clic en "malla" y seleccione "Crear malla".
    11. Mueva la barra de escala para la "densidad de la malla" todo el camino a la derecha de "Fine".
    12. En la lista de verificación estática, haga clic en "estático" y seleccione "Ejecutar" para ejecutar la prueba.
      Nota: La barra de color de escala para las áreas de mayor estrés y la "Fuerza Rendimiento".
  2. Comparación de los resultados de pruebas de análisis de estrés para el diente bioinspirado con y sin la quilla.

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Resultados

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Bioinspirada diseño del dispositivo de muestreo de la linterna de Aristóteles depende en gran medida de la calidad de los métodos de caracterización utilizados. Las técnicas no invasivas como μ-TC son útiles para el análisis de toda la linterna y los dientes individuales para aplicar mejoras específicas de aplicación para el diseño bioinspirado (Figura 4). Mientras tanto, la microestructura de los dientes puede ser explorado a través de electrones secundarios y micrograf...

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Discusión

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Los erizos de mar utilizan la linterna de Aristóteles (Figura 1 A) para una variedad de funciones (alimentación, aburrido, pivotantes, etc.). El registro fósil indica que la lámpara ha evolucionado en forma y función del tipo más primitivo cidaroid al tipo de camarodont modernas erizos de mar 14. Linternas Cidaroid han longitudinalmente ranurada dientes (Figura 1B, parte superior) y unión no separados músculo a su estructura piramidal. Esto limita su movimiento hacia...

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Divulgaciones

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No tenemos nada que revelar.

Agradecimientos

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Este trabajo cuenta con el apoyo de la Iniciativa de Investigación Multiuniversitaria a través de la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos (AFOSR-FA9550-15-1-0009) (M. B. F., S. E. N., J.-Y. J., J. M). La recolección de erizos de mar rosados fue apoyada por los Fondos de Barcos de la Universidad de California y el Servicio Nacional de Pesca Marina de los Estados Unidos (K.N.S., J.R.A.T). Los autores agradecen a las siguientes personas: Prof. Jerry Tustaniwskyj por sus útiles sugerencias durante el desarrollo del muestreador bioinspirado de la linterna de Aristóteles, Prof. Marc A. Meyers (UCSD, Departamento de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial, Programa de Ciencia e Ingeniería de Materiales), Prof. Robert L. Sah y Esther Cory (UCSD, Departamento de Bioingeniería), y Dra. Maya deVries (División de Investigación de Biología Marina, Instituto Scripps de Oceanografía). También agradecemos a los estudiantes de pregrado Sze Hei Siu, Jerry Ng e Iván Torres por pulir las secciones transversales de los dientes de erizo.

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Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
BUEHLERMET II 8 PLN 600/P1200Buehler305308600102 Papel abrasivo para pulir
TRIDENT POLISH CLOTH 8" PSABuehler407518Paño polaco para 3 μ m suspensión
METADI SUPREME POLY SUSP,3MICBuehler406631Suspensión polaca (3  μ m)
MICROPAÑO PARA RUEDA DE 8 PULGADAS PSA407218Tela polaca Buehler para suspensión de 50 nm
SUSPENSIÓN MASTERPREP, 6 OZ636377006Buehler(50  nm)
Skyscan 1076 micro-CT ScannerBrukerEquipo de escáner Micro-CT
AmiraFEI Visualization Sciences GroupSoftware para la manipulación 3D de micro-CT
FEI Philips XL30FEI PhilipsESEM equipo para la caracterización de secciones transversales de dientes pulidos
Software de diseño SolidWorks SistemasDassaultSoftware de diseño para el dispositivo bioinspirado de dibujo CAD
SolidWorks Software de simulaciónDassault SystemsSoftware de simulación para la prueba de esfuerzo del dispositivo bioinspirado de dibujo CAD
Dimension 1200esStratasyspara la fabricación de un dispositivo bioinspirado a partir de dibujos CAD
ABSplusPlástico de la impresora 3DStratasys
Suspensión polaca Software Impresora 3D

Referencias

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