Caractérisation des échelles de poissons multi-couches (

Le but global de cette procédure est de déterminer la structure, la chimie et les propriétés mécaniques des écailles de poisson minéralisées multicouches en réalisant une microtomographie à rayons X, une nano-indentation, une spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier et une microscopie électronique à balayage couplée à une spectroscopie de dispersion d'énergie de rayons X. Cela est réalisé en préparant d'abord les écailles individuelles pour l'analyse, en éliminant les tissus mous des écailles, puis en les montant, en les sectionnant et en effectuant un polissage progressif. La deuxième étape consiste à effectuer une nano-indentation spatialement corrélée le long de la coupe transversale de l'écaille à l'aide d'une pointe en diamant de type Berkovich afin de déterminer les propriétés nanomécaniques locales.

Ensuite, les couches interne et externe de l'écaille de poisson sont examinées au moyen d'un microscope IRM-ATR afin d'identifier les principaux groupes fonctionnels présents 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 réalisées dans les écailles de poisson et pour acquérir des images des empreintes dans les différentes couches ainsi que sur les surfaces de fracture. En définitive, la combinaison de ces différentes techniques expérimentales permet d'élucider les principes naturels de conception des écailles de poisson minéralisées, grâce à la compréhension des relations entre structure et propriétés.

L'avantage principal de cette technique par rapport à d'autres méthodes d'essai existantes, comme l'indentation nano statistique en volume, est qu'elle fournit réellement une corrélation directe entre la composition chimique, la structure et les propriétés mécaniques locales. Toutefois, dans des régions d'intérêt, nous avons appliqué cette méthode pour étudier précisément la distribution spatiale, la composition chimique, la structure et les propriétés mécaniques dans les biomatériaux structuraux. Elle possède également de nombreuses applications, notamment les matériaux à base de ciment, les composites multiphasés, et en fait tout type de matériau hétérogène présentant cette hétérogénéité à l'échelle micrométrique et nanométrique.

Pour examiner une coupe transversale de l'axe court d'une écaille de poisson, maintenez l'écaille dans un moule d'échantillon de 32 millimètres de diamètre, à l'aide d'un porte-échantillon en plastique disponible dans le commerce, afin de maintenir l'échantillon correctement orienté lors de l'encapsulation dans l'époxy. Une fois l'échantillon fixé dans le moule, versez une résine époxy non durcie sur l'échantillon. Après avoir laissé durcir l'époxy conformément aux instructions du fabricant, sectionnez l'échantillon monté à l'aide d'une scie de précision à lame diamantée, en coupant au niveau de la ligne médiane de l'échantillon.

Une fois l'échantillon chargé dans le nano et les empreintes positionnées, utilisez les commandes du logiciel pour déplacer l'échantillon à l'emplacement de la première empreinte, puis effectuez quatre rangées parallèles d'empreintes espacées de 15 micromètres pour obtenir un ensemble de données statistiquement significatif à partir de cet emplacement. Ensuite, réglez le nano-indenteur sur une charge maximale de cinq millinewtons, avec des vitesses de chargement et de déchargement de 0,1 millinewton par seconde, un temps de maintien de 30 secondes, et un espacement minimal entre les empreintes de cinq micromètres pour chaque rangée. Une fois le lot terminé, effectuez à moitié le nano-indenteur des empreintes de repère avec une charge maximale de 100 millinewtons au niveau de la première et de la dernière empreinte, qui doivent respectivement se situer dans l'époxy avant la couche anoée et après la couche osseuse.

Après la nano-indention, replacer l'échantillon dans la solution PBS afin d'éviter une déshydratation supplémentaire. Monter rigoureusement l'échantillon de manière à ce que sa plus grande dimension soit parallèle au détecteur. Après avoir configuré le scanner, fixer l'échantillon monté sur le plateau du scanner à l’aide de matériaux transparents aux rayons X, tels que le polystyrène expansé et le paraforme.

Positionnez l'échantillon de sorte qu'il se trouve au centre de rotation. Pendant tout le balayage, sélectionnez la résolution la plus élevée permettant à l'ensemble de l'échelle d'être dans le champ de vision, ce qui correspond ici à 7,5 micromètres. Après l'acquisition des données, reconstruisez les images de projection aux rayons X afin de créer un jeu de données contenant des images en coupe transversale.

Ensuite, utilisez le logiciel pour obtenir l'image finale en niveaux de gris en 3D. Ajustez la plage de niveaux de gris à un niveau approprié afin d'éliminer les artefacts provenant du polystyrène et du paraforme. Pour l'imagerie MEB ou microscopie électronique à balayage des empreintes nanométriques sur l'échantillon poli, fixez l'échantillon sur une capsule MEB à l'aide d'un ruban adhésif en carbone double face, la surface indentée étant orientée vers le haut. Ensuite, placez l'échantillon dans la chambre du MEB et faites passer la chambre en mode vide partiel.

Régler la distance de travail entre 3,0 et 5,0 millimètres. Activer la haute tension et naviguer vers les régions d'intérêt sur l'échantillon, qui correspondent dans ce cas aux structures présentes dans les couches d'anoe et d'os. Puis acquérir des images avec une haute tension comprise entre cinq et 15 kilovolts et un courant de faisceau plus faible de 3,9 nanoampères.

Pour améliorer la résolution, acquérez des images provenant d'au moins trois régions d'intérêt à des grossissements allant de 250 x à 10 000 x, en utilisant le détecteur d'électrons rétrodiffusés BSE en vide faible afin de faciliter l'identification des modifications de la teneur et de la densité en biomatériaux minéralisés. Ensuite, rendez-vous sur une région d'intérêt du spécimen poli qui comprend une grille de nano-indentation indiquée par des marques de repère situées à l'extrémité de chaque ligne d'empreintes. Assurez-vous que la tension haute tension est d'au moins 15 kilovolts.

Le courant du faisceau est d'au moins 3,9 nanoampères et la distance de travail est supérieure à 5,0 millimètres. Ensuite, capturer l'image des électrons rétrodiffusés de la région à analyser à l'aide de la technique EDX. À l'aide du logiciel d'analyse EDX.

Capturer la même image afin de faciliter l'identification des zones où réaliser une analyse chimique le long de la ligne des empreintes. Ensuite, à l’aide de la technique d’analyse linéaire, positionner une ligne pour effectuer l’analyse chimique le long de la ligne d’intérêt des empreintes, en commençant à la première empreinte et en terminant à la dernière. Spécifier le nombre de points d’analyse à placer le long de la ligne en utilisant le même nombre que celui des empreintes présentes, afin d’obtenir une corrélation spatiale directe entre la composition chimique et les propriétés mécaniques.

Lorsque la ligne est correctement positionnée et que les points sont spécifiés, lancez l'analyse de la ligne à l'aide du logiciel EDX. Après achèvement de l'analyse de la ligne, identifiez 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 une calibration du fond pour tenir compte du rayonnement de bremsstrahlung et d'autres effets. Sélectionnez l'option d'analyse de déconvolution du logiciel afin d'obtenir une analyse quantitative en chaque point le long de la ligne spécifiée, permettant ainsi de quantifier la composition chimique à chaque emplacement. Enfin, enregistrez les résultats de l'analyse chimique quantitative ainsi que l'image de la ligne spécifiée qui a été analysée, afin de faciliter la corrélation spatiale avec les propriétés mécaniques mesurées par nano-indentation dans la couche anoe ; la nano-indentation a donné un module moyen de 69,0 gigapascals et une dureté de 3,3 gigapascals.

L'essai de nano-indentation a déterminé un module moyen de 14,3 gigapascals et une dureté de 0,5 gigapascal pour la couche osseuse. La couche d'anoé et la couche osseuse présentent des différences quantifiables en 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 sur l'image en électrons rétrodiffusés (BSE). Les spectres FTIR des couches osseuse et ENE montrent des signatures d'hydroxyapatite dans la couche externe de gwe et des signatures de collagène dans la couche osseuse interne.

La tomographie computed tomographique à rayons X montre que la couche gwe ne recouvre pas la couche osseuse là où les écailles se superposent. Les couches gwe grises plus claires sont plus denses, plus dures et plus rigides, tandis que les couches osseuses grises plus foncées sont moins denses et moins rigides. Des alvéoles visibles près du centre de la couche ging sont observées, démontrant son hétérogénéité.

L’image MEB à plus faible grossissement de la surface de fracture gravée a révélé des nanostructures organisées selon un motif en couches pour la couche gingivale, ce qui correspond aux images MEB à plus fort grossissement montrant des nano-bâtonnets orientés dans la couche gingivale, tandis qu'une nanostructure de type 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 afin d’étudier la distribution spatiale de la composition chimique, de la structure et des propriétés mécaniques, ainsi que les interfaces dans les matériaux composites multiphasés. À présent, après avoir visionné cette vidéo, vous devriez bien comprendre comment préparer des échantillons et réaliser des analyses permettant de corréler spatialement la composition chimique, la structure et les propriétés mécaniques dans les biomatériaux structuraux.

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