Article de méthode

Un protocole pour bioinspirée Conception: Rez-de-Sampler Basé sur Sea Urchin Jaws

DOI :

10.3791/53554

⸱

24 avril 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

Dans cet article

Résumé

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Un protocole de conception bioinspirée est décrit pour un dispositif d’échantillonnage basé sur les mâchoires d’un oursin. Le processus de bioinspiration comprend l’observation des oursins, la caractérisation de l’embout buccal, l’impression 3D des dents et de leur assemblage, et la bioexploration de la structure de la dent.

Résumé

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Le design bioinspiré est un domaine émergent qui s’inspire de la nature pour développer des matériaux et des dispositifs haute performance. L’embouchure de l’oursin, connue sous le nom de lanterne d’Aristote, est une source de bio-inspiration convaincante avec un réseau complexe de musculature et de dents calcaires qui peuvent gratter, couper, mâcher des aliments et percer des trous dans des substrats rocheux. Nous décrivons le processus de bioinspiration comme incluant l’observation des animaux, la caractérisation des échantillons, la fabrication du dispositif et la bioexploration du mécanisme. La dernière étape de la bioexploration permet une compréhension plus profonde de la biologie initiale. L’architecture de conception de la lanterne d’Aristote est analysée par micro-tomodensitométrie et les dents individuelles sont examinées par microscopie électronique à balayage pour identifier la microstructure. Les conceptions bioinspirées sont fabriquées à l’aide d’une imprimante 3D, assemblées et testées pour déterminer le mécanisme d’ouverture et de fermeture de la lanterne le plus efficace. Les dents de la lanterne bioinspirée sont bioexplorées via une analyse par éléments finis pour expliquer d’un point de vue mécanique pourquoi les structures dentaires carénées ont évolué chez les oursins modernes que nous avons observés. Cette approche circulaire permet de tirer de nouvelles conclusions de la biologie et de la nature.

Introduction

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Les domaines de la biologie, du matériel biologique science, biomatériaux, bioingénierie et biochimie emploient les techniques et les esprits scientifiques première dans une tentative de fournir une compréhension plus profonde du monde naturel incroyable. Cette recherche a expliqué de nombreuses structures et organismes biologiques les plus étonnants; de la ténacité intrinsèque de l' os humain 1,2 à grand bec du toucan 3. Cependant, une grande partie de cette connaissance est difficile à utiliser d'une manière qui peut fournir un avantage pour la société. En conséquence, le champ tangentielle de bioinspiration emploie les enseignements tirés de la nature des matériaux modernes afin de résoudre des problèmes communs. Des exemples comprennent des surfaces superhydrophobes inspirées par des feuilles de lotus 4-6, les surfaces adhésives inspirées par les pieds des geckos et des insectes 7,8, céramiques difficiles inspirées par la nacre de l' ormeau 9-11 et les pêcheurs de biopsie inspirés par le porte - parole de l'oursin, également connaîtren que la lanterne du Aristote 12,13.

Les oursins sont des animaux invertébrés couverts d'épines dont l'habitat se compose le plus souvent des lits rocheux sur le fond de l'océan. Le corps (appelé un test) dans les plus grandes espèces d'oursins peut être plus de 18 cm de diamètre; taille de test rose oursins (Strongylocentrotus fragilis) examiné dans cette étude peut atteindre 10 cm de diamètre. La lanterne de l'Aristote est composé de cinq dents de carbonate de calcium à prédominance pris en charge par des structures pyramidales composées de tissus minéralisés et disposés dans une formation en forme de dôme qui entourent tous , mais les conseils de broyage distales des dents (figure 1A).

La structure musculaire des mâchoires est capable de mâcher efficace et raclage même contre les rochers et les coraux de l'océan dur. Lorsque les mâchoires ouvertes, les dents font saillie vers l'extérieur et lorsque les mâchoires se referment, les dents se rétractent vers l'intérieur en un seul mouvement fluide. Comparaison entre primitive (ci - dessus) et (ci - dessous) oursin dents sections transversales modernes (figure 1B) indique qu'une dent carénées a évolué pour renforcer la dent lors du meulage contre des substrats durs. Chaque dent présente une courbure légèrement convexe et une morphologie dans le plan transversal (perpendiculaire à la direction de croissance) en forme de T en raison de la quille attaché longitudinalement (figure 1C, D).

Bioinspiration commence par l'observation des phénomènes naturels intéressants, tels que le mouvement de mastication efficace de la lanterne du Aristote dans les oursins. Cette structure naturelle d'abord captivé Aristote parce qu'elle lui rappelait une lanterne de corne avec les vitres de corne laissés. Plus de deux millénaires plus tard, Scarpa a été fasciné par la complexité de la lanterne de l'Aristote que lui et plus tard Trogu imitait le mouvement de mastication naturelle en utilisant uniquement du papier et des bandes de caoutchouc (Figure 2A) 15,16. De même, Jelinek a été bioinspirés par le ctaillants motion de la lanterne du Aristote et développé une meilleure récolte de biopsie qui pourrait isoler les tissus tumoraux en toute sécurité sans propagation des cellules cancéreuses (Figure 2B, C) ​​12,13. Dans ce cas, la conception bioinspirés a été utilisé pour réaliser un dispositif biomédical qui correspondent à un besoin spécifique pour une application souhaitée.

Le protocole de conception décrite ici est valable pour un échantillonneur de sédiments bioinspirés par les oursins. Grâce à des matériaux biologiques science, la structure naturelle de la lanterne de l'Aristote se caractérise. conception bioinspirée identifie les applications potentielles où les mécanismes naturels peuvent être améliorés grâce à l'utilisation de matériaux modernes et des techniques de fabrication. La conception finale est ré-examinée à travers le prisme de bioexploration pour comprendre comment la structure de la dent naturelle a évolué (Figure 3). La dernière étape de bioexploration, proposé par Porter 17,18, utilise des méthodes d'analyse de l' ingénierie à l' explore et expliquer les phénomènes biologiques. Toutes les étapes importantes du processus de bioinspiration sont présentés à titre d'exemple pour exploiter la technologie, approuvés au préalable par la nature, qui peut être utilisé pour résoudre des problèmes modernes. Notre protocole, motivé par des procédures de bioinspiration précédentes présentées pour des applications spécifiques par Arzt 7, est ciblé pour des biologistes, des ingénieurs et toute autre personne qui est inspiré par la nature.

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Protocole

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1. Biological Materials Science

  1. Porter un équipement de protection individuelle (gants, lunettes de protection et une blouse de laboratoire) et de suivre toutes les procédures de sécurité applicables à l' utilisation des outils de dissection.
  2. Rincez la pince et scalpel avec de l'eau distillée à utiliser pour la dissection.
  3. Décongeler un rose oursin de mer congelés à température ambiante pendant 1 h. Placez un spécimen décongelés dans un plat en verre avec un espace suffisant pour pouvoir manœuvrer les outils d'oursins et de coupe. Tournez l'oursin envers pour que les pointes de dents face vers le haut.
    1. Coupez le tissu conjonctif autour du périmètre de la lanterne de l'Aristote avec le scalpel et soulevez délicatement la lanterne. Rincer la lanterne hors de l'eau distillée courante. Jeter les pièces d'oursins inutilisés dans un récipient approprié d'élimination des déchets.
    2. Tournez la lanterne du Aristote encore de sorte que les pointes des dents face vers le bas. Repérez la fin de plumula de chaque dent (opposée à la pointe) vers le haut et utiliser les pinces pour les soinsentièrement glisser les dents individuelles de la lanterne.
  4. Préparer époxy pour pot les dents. Pèse 5 g de résine et ajouter 1,15 g de durcisseur (par exemple, 100 parties de résine pour 23 parties de durcisseur en poids) dans un plateau en plastique jetable peu profond. Mélanger le contenu ensemble lentement sans formation de bulles.
    Remarque: Ne laissez pas les restes époxy mélangé dans un récipient avec une exposition insuffisante à l'atmosphère. Le processus de durcissement est exothermique et peut enflammer les produits à proximité. Gardez tout époxy restant mélangé dans une hotte bien aéré, loin des objets inflammables.
    1. Graisser un tube de 2,5 dram en plastique (22 mm de diamètre intérieur, 39 mm de longueur) en utilisant de la vaseline appliquée avec un doigt et essuyer tout excès avec un tissu. Remplissez à moitié le tube avec le mélange époxy.
    2. Utilisez la pince pour ramasser une dent et soigneusement plonger dans l'époxy avec le côté courbe concave vers le haut. Laissez sécher époxy à la température ambiante pendant 24 heures.
      Remarque: Empêcher la pointe de la dent de dériver au toucherla paroi du tube en plastique comme les époxy cures depuis cela va rendre le polissage de la pointe plus difficile.
  5. Placer le tube en matière plastique époxy durcie dans un étau. Serrer l'étau lentement jusqu'à ce qu'une fente est réalisée dans le tube en matière plastique. Décollez plastique résiduel de la surface époxy.
    1. Utilisez un tronçonnage scie pour couper l'époxy autour de la dent vers le bas pour un bloc plus petit (1 cm 3).
  6. Préparer un endroit propre pour polir et mettre en place une station de travail à plat avec une planche en plastique dur. Remplir une bouteille d'injection avec de l'eau distillée.
    1. Commencez par le plus bas du papier de grain disponible (par exemple, 120) et presser une petite quantité d'eau de la bouteille de lavage sur le papier de verre. En utilisant la pression de la lumière, frotter l'échantillon dans une direction arrière et avant (par exemple, de gauche à droite) pendant 5 min.
    2. Laver la surface de l'échantillon sur un évier et essuyer avec un tissu exempt de particules. Retirez tout grain de papier de verre les restes avec de l'air comprimé pendant 15 sec.
    3. Utilisez progressivement le niveau du papier de grain (par exemple, 600 et 2400) pour répéter les étapes de protocole 1.6.1 et 1.6.2. En utilisant la pression de la lumière, frotter l'échantillon dans un avant et en arrière direction perpendiculaire à l'étape de polissage précédente (par exemple, de haut en bas, de gauche à droite).
      Remarque: Utilisez un microscope optique à un grossissement de 20x pour voir des rayures perpendiculaires se croisent à chaque niveau de grain (par exemple, 120, 600, 2400). Déplacer vers le prochain papier de verre grain plus élevé lorsque des rayures à partir du niveau de grain précédente disparaissent.
    4. Préparer une bouteille d'injection avec 3 pm polissage du diamant en suspension dans une solution 1: de l'eau distillée 1. Utilisez un chiffon pour polir les suspensions diamantées à répéter les étapes de protocole 1.6.1 et 1.6.2.
    5. Préparer une bouteille d'injection avec 0,5 um d'alumine de polissage suspension dans une solution 1: de l'eau distillée 1. Utilisez une surface microcloth de polissage à répéter les étapes de protocole 1.6.1 et 1.6.2.
      Remarque: les marques fines rayures de protocole étapes 1.6.4 et 1.6.5 ne sera pas Visible à un grossissement de 20x. Pour ces étapes de protocole, de polissage pendant 5 min dans un va et vient pour enlever toutes les rayures précédentes.
    6. Nettoyer la surface polie avec un tissu dépourvu de particules d'eau et l'utilisation distillée avec de l'air comprimé pour sécher soigneusement. Enveloppez avec un tissu exempt de particules pour maintenir finition polie miroir.
      Remarque: sec toutes les surfaces de polissage face vers le bas sur les tissus grands sans particules. Conserver dans un manchon en plastique pour éviter les particules de poussière de décantation à la surface entre les temps de polissage.
  7. Caractériser la microscopie électronique à balayage oursin dent microstructure utilisant (SEM). Utiliser une machine à enduire par pulvérisation pour pulvériser de l'iridium avec un courant de dépôt de 85 mA pendant 10 secondes sur la surface polie de la dent pour une épaisseur de revêtement de ~ 20 nm.
    1. Obtenir des images micrographiques à 250X - grossissement 4,000X utilisant un SEM.
      Remarque: L'utilisation de 5 kV en mode à balayage électronique (SE) et 15 kV en mode électrons rétrodiffusés (BSE). Utilisez le mode ESB pour identifier calcite fibteurs intercalés avec matrice polycristalline Mg enrichi.
  8. Effectuer micro-tomodensitométrie (μ-TDM) d'un ensemble rose oursin et une lanterne d'Aristote fraîchement disséqués. Placez chaque échantillon décongelé à l'intérieur du conteneur de chambre fermée avec un tissu humide pour fournir un environnement humidifié lors de la numérisation.
    1. Numériser l'ensemble oursin et la lanterne du Aristote par μ-CT avec une taille de voxel isotrope de 36.00 pm et 9,06 pm, respectivement. Appliquer un potentiel électrique de 100 kV et 70 kV avec un courant de 100 mA et 141 mA, pour l'ensemble de l'oursin et la lanterne du Aristote, respectivement, en utilisant un filtre d'aluminium de 1,0 mm pour les deux.
    2. Appliquer un algorithme de correction de durcissement du faisceau lors de la reconstruction d'image pour tenir compte des faisceaux d'artefacts de durcissement qui résultent de la source de rayons X μ-CT émettant des rayons X d'énergies multiples en utilisant le protocole du fabricant.
  9. Utilisez un logiciel d'imagerie pour affiner image la segmentation et l'acquisition d'un modèle de maillage triangulaire pour la structure de la lanterne de l'Aristote.
    1. Charger et aperçu des données d'image lanterne d'Aristote de l'analyse μ-CT. Faites correspondre la taille de voxel (9.06 pm) pour les valeurs de l'analyse micro-CT.
    2. Utilisez une fonction de rendu de volume pour visualiser la lanterne de l'Aristote dans l'espace 3D. Réglez la tranche orthogonale 2D avec le module Boîte englobante et ajuster la valeur de seuil / couleur avec le module Volume Rendering.
    3. Faire segments de masque pour la région d'intérêt (par exemple, l' oursin dent) en utilisant l'éditeur de segmentation. Sélectionnez XY, YZ et plans XZ et la vue 3D isométrique. Utilisez la baguette magique (flèche noire) pour distinguer entre les structures simples (dents vs pyramide) dans la lanterne du Aristote.
    4. Reconstruire la surface du modèle à partir des segments de masque extraits. Sélectionnez le module de génération de surface et appliquer. Décochez la Volume Rendering Paramètres d'avoir disparu de la surface supérieure visible. Ajouter leSurface module View pour afficher le résultat de la surface.
    5. Simplifier la surface du modèle en réduisant le nombre de faces à <18.000.
    6. Modifier individuelle maillage triangulaire sur la surface du modèle selon les besoins. Enregistrez le modèle comme un stéréolithographie (STL) fichier pour l'exportation à utiliser avec le logiciel de conception (CAO) la modélisation assistée par ordinateur.

2. bioinspirée Conception

  1. Utilisez la lanterne de l'Aristote de l'analyse micro-CT comme une référence pour faire une conception bioinspirés avec le logiciel de modélisation CAO.
    Remarque: La conception bioinspirés a cinq dents incurvées avec une hauteur de 6 cm de diamètre et 8 cm pour la lanterne fermée. Il est entartré ~ 5x de la taille de la lanterne du naturel Aristote.
  2. Enregistrez le fichier STL parties à un lecteur flash et télécharger les fichiers à une modélisation par dépôt fondu (FDM) de l'imprimante 3D.
    1. styrène Charge acrylonitrile-butadiène (ABS) en plastique et le support plastique des cartouches de matériau dans les fentes appropriées de la 3D pIMPRIMANTE.
    2. Insérez la base de modélisation sur la plate-forme de Z et aligner les onglets avec des fentes sur le plateau métallique.
    3. Ouvrez chacune des parties de fichiers STL et suivez les étapes de l'écran d'affichage pour imprimer toutes les parties de la lanterne dans le même temps.
      Remarque: Les pièces de lanterne doivent tenir dans l'enveloppe du bâtiment (25 x 25 x 30 cm 3) pour l'imprimante 3D. Les cinq dents sont disposées sur la base de la modélisation et imprimés en même temps que la pointe de la dent vers le haut. Le taux de construction est de 16 cm 3 par heure et le temps de construction totale est d' environ 8 heures.
    4. Relâchez la base de modélisation à partir des onglets lorsque toutes les parties de fichiers sont imprimés et faites glisser la base de l'imprimante 3D le long des guides du bac.
    5. Utilisez une spatule en métal pour soulever toutes les parties au large de la base et une lime en métal pour porter vers le bas tout en plastique supplémentaire sur les pièces.
    6. Placer les pièces imprimées dans un bain de base chauffée jusqu'à dissolution du matériau support en plastique.
  3. Fixer chaque dent à un bras articulé avec un litige de nk et deux bagues de retenue E-part et d'autre.
    Remarque: Se référer à la figure 6 pour l' assemblage de la lanterne du bioinspirés Aristote.

3. Bioexploration

  1. Utilisez le fichier CAO pour la dent bioinspirés pour faire une modélisation par éléments finis (FEM) test d'analyse du stress.
    1. Ouvrez le fichier (xx.sldprt) à faire une analyse plus approfondie de l'ingénierie. Au-dessus de l'onglet "Fournitures de bureau", sélectionnez le bouton "SolidWorks Simulation".
    2. Au-dessus de l'onglet "Simulation", sélectionnez le bouton "conseiller aux études», puis l'option déroulante "Nouvelle étude".
    3. Sélectionnez le type de test de simulation pour être exécuté en choisissant "statique".
    4. Sur la liste de test statique, cliquez-droit sur "Calendrier" et sélectionnez "géométrie fixe".
    5. Cliquez sur les faces internes pour ajouter luminaires aux trous de montage où les broches iront.
    6. Sur la liste de test statique, cliquez-droit sur "charges externes" et select "Force".
    7. Cliquez sur le grincement des dents pointe fait face à appliquer 45 N force sur les bords.
    8. Sur la liste de test statique, cliquez-droit sur "charges externes" et sélectionnez "Gravity".
    9. Indiquez "Top Plane" pour la force de gravité appliquée perpendiculairement au plan.
    10. Sur la liste de test statique, cliquez-droit sur "Mesh" et sélectionnez "Créer Mesh".
    11. Déplacez la barre d'échelle pour "Densité Mesh" tout le chemin vers la droite pour "Fine".
    12. Sur la liste de test statique, cliquez-droit sur "statique" et sélectionner "Exécuter" pour exécuter le test.
      Remarque: La barre d'échelle de couleur pour les zones de contrainte la plus élevée et le "rendement Force".
  2. Comparer les résultats des tests d'analyse de contraintes pour la dent bioinspirés avec et sans la quille.

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Résultats

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conception bioinspirée du dispositif lanterne d'échantillonnage de l'Aristote dépend fortement de la qualité des méthodes de caractérisation utilisées. Les techniques non-invasives comme μ-CT sont utiles pour l' analyse de l'ensemble de la lanterne et des dents individuelles à appliquer des améliorations spécifiques à l'application pour la conception bioinspirés (figure 4). Pendant ce temps, la microstructure de la dent peut être explorée par l' intermédiaire d' électron...

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Discussion

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Les oursins utilisent la lanterne du Aristote (figure 1A) pour une variété de fonctions (alimentation, ennuyeux, pivotants, etc.). Les archives fossiles indique que la lanterne a évolué dans la forme et la fonction du type de cidaroid le plus primitif du type d'oursins modernes 14 de camarodont. Lanternes Cidaroid ont rainurée longitudinalement dents (figure 1B, en haut) et l' attachement non séparé du muscle à sa structure pyramidale. Cela l...

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Déclarations de divulgation

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Nous n’avons rien à divulguer.

Remerciements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Ce travail est soutenu par l’Initiative de recherche multi-universitaire par l’intermédiaire de l’Air Force Office of Scientific Research des États-Unis (AFOSR-FA9550-15-1-0009) (M. B. F., S. E. N., J.-Y. J., J. M). La collecte d’oursins roses a été financée par les fonds de l’Université de Californie et le National Marine Fisheries Service des États-Unis (K.N.S., J.R.A.T). Les auteurs remercient les personnes suivantes : le professeur Jerry Tustaniwskyj pour leurs suggestions utiles lors de la mise au point de l’échantillonneur bioinspiré de la lanterne d’Aristote, le professeur Marc A. Meyers (UCSD, département de génie mécanique et aérospatial, programme de science et d’ingénierie des matériaux), les professeurs Robert L. Sah et Esther Cory (UCSD, département de bio-ingénierie), et le Dr Maya deVries (division de recherche en biologie marine, Scripps Institution of Oceanography). Nous remercions également les étudiants de premier cycle Sze Hei Siu, Jerry Ng et Ivan Torres pour le polissage des coupes transversales de dents d’oursin.

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
BUEHLERMET II 8 PLN 600/P1200Buehler305308600102Papier abrasif pour le polissage
TRIDENT POLISH CLOTH 8" PSABuehler407518Chiffon de polissage pour 3 μ ; m suspension
METADI SUPREME POLY SUSP,3MICBuehler406631suspension polonaise (3  ; μ ; m)
MICROTOILE POUR ROUE 8 IN PSABuehler407218Chiffon poli pour suspension 50 nm
SUSPENSION MASTERPREP, 6 OZBuehler636377006Suspension polonaise (50  ; nm)
Skyscan 1076 micro-CT ScannerBrukerÉquipement de scanner Micro-CT
Logiciel Amira FEIVisualization Sciences Group Logicielpour la manipulation 3D des scans Micro-CT
FEI Philips XL30FEI Équipement PhilipsESEM pour la caractérisation des sections de dents polies
Logiciel de conception SolidWorks LogicielDassault SystemsLogiciel de conception pour le dessin CAO Dispositif bio-inspiré
Logiciel de simulation SolidWorks LogicielDassault SystemsLogiciel de simulation pour le test de résistance du dessin CAO Dispositif bio-inspiré
Dimension 1200esStratasyspour la fabrication d’un dispositif bioinspiré à partir du dessin CAO
Imprimante 3DABSplusStratasys
de simulation Imprimante 3D plastique

Références

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