Caractérisation des échelles de poissons multi-couches ( Atractosteus spatule) En utilisant Nanoindentation, CT à rayons X, FTIR, et SEM

L’objectif général de cette procédure est de déterminer la structure, la chimie et les propriétés mécaniques d’écailles de poisson minéralisées multicouches en effectuant une tomographie par rayons X, une nano-indentation pour votre spectroscopie infrarouge transformée et une microscopie électronique à balayage couplée à une spectroscopie à rayons X à dispersion d’énergie. Pour ce faire, il suffit de préparer d’abord les écailles individuelles pour l’analyse en retirant les tissus mous des écailles, en montant et en sectionnant les écailles, puis en effectuant un polissage par étapes. La deuxième étape consiste à effectuer une nano-indentation spatialement corrélée le long de la section transversale de l’échelle avec une pointe de percovich en diamant pour déterminer les propriétés nanomécaniques locales.

Ensuite, les couches internes et externes d’écailles de poisson sont examinées à l’aide d’un microscope FTIR afin d’identifier les principaux groupes fonctionnels dans les couches respectives. La dernière étape consiste à utiliser le détecteur EDX du microscope électronique à balayage pour corréler la composition chimique locale aux nano-indentations faites dans les écailles de poisson et pour capturer des images des empreintes dans les différentes couches et surfaces de fracture. En fin de compte, en combinant ces diverses techniques expérimentales, les principes de conception naturelle des écailles de poisson minéralisées sont élucidés grâce à une compréhension des relations entre les propriétés de la structure.

Le principal avantage de cette technique par rapport à d’autres méthodes de test existantes, comme la nano-indentation statistique en vrac, est qu’elle fournit réellement une corrélation directe entre la structure de la composition chimique et les propriétés mécaniques locales. Dans les régions d’intérêt, cependant, nous avons appliqué cette méthode pour étudier la distribution spatiale, la structure de la composition chimique et les propriétés mécaniques des biomatériaux structurels. Il a également de nombreuses applications, y compris les matériaux à base de ciment, les composites multiphasiques et vraiment tout type de matériau hétérogène qui présente cette hétérogénéité à l’échelle de longueur micrométrique et nanométrique.

Pour examiner une section transversale d’un axe court d’écailles de poisson, tenez l’écaille de poisson dans un moule à échantillon de 32 millimètres de diamètre, à l’aide d’un porte-échantillon en plastique disponible dans le commerce pour maintenir l’échantillon correctement orienté lors du montage dans l’époxy. Une fois l’échantillon maintenu dans le moule, versez un époxy non durci sur l’échantillon. Après avoir laissé l’époxy durcir selon les instructions du fabricant, sectionnez l’échantillon monté à l’aide d’une scie à tronçonner haute précision à lame diamantée au milieu de l’échantillon.

Une fois que l’échantillon a été chargé dans le nano et que la bosse est entrée, utilisez les commandes du logiciel pour déplacer l’échantillon à l’emplacement de la première indentation, effectuez quatre rangées parallèles d’empreintes espacées de 15 micromètres pour obtenir un ensemble de données statistiquement significatif à partir de cet emplacement. Réglez ensuite l’engagin nano sur une charge maximale de cinq millinewtons, des taux de chargement et de déchargement de 0,1 millinewtons par seconde, une durée totale de 30 secondes et un espacement minimal de cinq micromètres pour chaque rangée. Lorsque le lot est terminé, la moitié de la nano-engagière crée des indentations repères avec une charge maximale de 100 millinewtons au premier et au dernier indentation, qui doivent être respectivement dans l’époxy avant la couche d’anoe et après la couche d’os.

Après la nano-indentation, replacez l’échantillon dans la solution PBS pour éviter une déshydratation supplémentaire. Montez l’échantillon de manière rigide de manière à ce que la dimension la plus longue soit parallèle au détecteur. Après avoir installé le scanner, fixez l’échantillon monté à la platine du scanner à l’aide de matériaux transparents aux rayons X, tels que le polystyrène et le paraforme.

Positionnez l’échantillon de manière à ce qu’il soit au centre de rotation. Tout au long du balayage, sélectionnez la résolution la plus élevée qui permet à l’ensemble de l’échelle d’être dans le champ de vision, qui dans ce cas est de 7,5 micromètres. Après l’acquisition des données, reconstruisez les images de projection de rayons X pour créer un ensemble de données contenant des images en coupe transversale.

Utilisez ensuite le logiciel pour obtenir l’image finale en 3D en niveaux de gris. Ajustez la plage d’échelle de gris à un niveau approprié pour éliminer les artefacts de la mousse de polystyrène et de la paraforme Pour l’imagerie MEB ou microscopie électronique à balayage des nano-empreintes sur l’échantillon poli, fixez l’échantillon à un talon MEB à l’aide d’un ruban de carbone double face avec la surface en retrait vers le haut. Ensuite, placez l’échantillon dans la chambre MEB et pompez la chambre en mode vide faible.

Ajustez la distance de travail entre 3,0 et 5,0 millimètres. Activez la haute tension et naviguez vers les régions d’intérêt sur l’échantillon, qui dans ce cas sont les structures présentes dans les couches anoe et osseuse. Obtenez ensuite des images à une haute tension comprise entre cinq kilovolts et 15 kilovolts et un courant de faisceau inférieur de 3,9 nanoampères.

Pour améliorer la résolution, capturez des images d’au moins trois régions d’intérêt à des grossissements de 250 x à 10 000 x à l’aide du détecteur d’ESB d’électrons rétrodiffusés à faible vide pour aider à identifier les changements dans la teneur en biominéraux et la densité. Ensuite, naviguez jusqu’à une région d’intérêt sur l’échantillon poli qui comprend une grille de nano-indentation indiquée par des marques de repère à la fin de chaque ligne d’indentation. Assurez-vous que la haute tension est d’au moins 15 kilovolts.

Le courant de faisceau est d’au moins 3,9 nanoampères et la distance de travail est supérieure à 5,0 millimètres. Capturez ensuite l’image électronique rétrodiffusée de la région à analyser à l’aide d’EDX. À l’aide du logiciel d’analyse EDX.

Capturez la même image pour aider à localiser les zones à effectuer une analyse chimique le long de la ligne des retraits. Ensuite, à l’aide de la technique d’analyse linéaire, positionnez une ligne pour effectuer une analyse chimique le long de la ligne d’intérêt des retraits commençant au premier retrait et se terminant au dernier retrait. Spécifiez le nombre de points d’analyse à placer le long de la ligne en utilisant le même nombre que le nombre d’empreintes présentes pour fournir une corrélation spatiale directe entre la composition chimique et les propriétés mécaniques.

Lorsque la ligne est positionnée et que les points sont correctement spécifiés. Lancez l’analyse de la ligne à l’aide du logiciel EDX une fois l’analyse de la ligne terminée. Identifier les éléments d’intérêt à quantifier à partir des spectres ponctuels obtenus le long de la ligne spécifiée sur la surface polie de l’échantillon.

Une fois les éléments d’intérêt identifiés, effectuez un étalonnage de fond pour tenir compte du rayonnement pulmonaire de la paille de brem et d’autres effets. Choisissez l’option d’analyse par déconvolution du logiciel pour obtenir une analyse quantitative sur chaque point le long de la ligne spécifiée afin de quantifier la composition chimique en chaque point. Enfin, si l’on conserve les résultats de l’analyse chimique quantitative ainsi que l’image de la ligne spécifiée qui a été analysée pour aider à la corrélation spatiale avec les propriétés mécaniques mesurées à l’aide de la nano-indentation dans la couche anoe, la nano-indentation a calculé un module moyen de 69,0 giga pascals et une dureté de 3,3 giga pascals.

L’engagisme nano a déterminé un module moyen de 14,3 giga pascals et une dureté de 0,5 giga pascals pour la couche osseuse. La couche anoe et osseuse contient des différences quantifiables de composition chimique. Le pic de carbone dans la couche osseuse peut être attribué à une faible minéralisation, ce qui entraîne une augmentation du carbone et une diminution de la luminosité de l’image ESB, Les spectres FTIR de l’os et des couches ENE montrent des signatures d’hydroxyapatite dans la couche externe de gwe et des signatures de collagène dans la couche osseuse interne.

tomodensitométrie à rayons X montre que la couche gwe ne recouvre pas la couche osseuse où les écailles se chevauchent. Les couches gwe gris plus clair sont plus denses, plus dures et plus rigides tandis que les couches osseuses gris plus foncé sont moins denses et moins rigides. Des fosses claires près du centre de la couche de gingage sont observées, ce qui démontre sa non-uniformité.

L’image MEB à faible grossissement de la surface de fracture gravée a révélé des nanostructures organisées en couches pour la couche de ging, qui correspond au SEM à amplification plus élevée FTIR, les images de la surface de fracture gravée montrent des nano tiges orientées dans la couche de gingage tandis qu’une nanostructure semblable à une fibre est observée dans la couche osseuse après son développement. Cette technique a ouvert la voie à des recherches supplémentaires sur les biomatériaux et les matériaux composites pour étudier la distribution spatiale de la structure de la composition chimique et des propriétés mécaniques, ainsi que pour examiner les interfaces dans les matériaux composites multiphasiques. Après avoir regardé cette vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension de la façon de préparer des échantillons et d’effectuer des analyses pour corréler spatialement la composition chimique avec la structure et les propriétés mécaniques des biomatériaux structurels.

Ces techniques sont également applicables et adaptables pour l’étude d’autres types de matériaux multiphasiques hétérogènes.