אפיון של קשקשים דגים שכבתיים Multi-( מרית Atractosteus) באמצעות Nanoindentation, רנטגן CT, FTIR, וSEM

המטרה הכוללת של הליך זה היא לקבוע את המבנה, הכימיה והתכונות המכניות של קשקשי דגים מינרליים רב-שכבתיים על ידי ביצוע טומוגרפיה ממוחשבת של קרני רנטגן, כניסה ננו לספקטרוסקופיה אינפרא אדום טרנספורמציה ומיקרוסקופ אלקטרונים סורק יחד עם ספקטרוסקופיה של קרני רנטגן מפזרות אנרגיה. זה מושג על ידי הכנת המאזניים הבודדים לניתוח על ידי הסרת הרקמה הרכה מהקשקשים, הרכבה וחתך של המאזניים, ולאחר מכן ביצוע ליטוש בשלבים. השלב השני הוא לבצע כניסת ננו בקורלציה מרחבית לאורך חתך הסולם עם קצה פרקוביץ' יהלום כדי לקבוע את התכונות הננו-מכניות המקומיות.

לאחר מכן, שכבות קשקשי הדגים הפנימיות והחיצוניות נבדקות במיקרוסקופ FTIR כדי לזהות את הקבוצות הפונקציונליות העיקריות בשכבות המתאימות. השלב האחרון הוא להשתמש בגלאי EDX במיקרוסקופ האלקטרונים הסורק כדי לתאם את ההרכב הכימי המקומי לחריצי הננו שנוצרו בקשקשי הדגים וללכוד תמונות של השקעים בשכבות ובמשטחי השבר השונים. בסופו של דבר, על ידי שילוב טכניקות ניסיוניות שונות אלה, עקרונות העיצוב הטבעי של קשקשי דגים מינרליים מובהרים באמצעות הבנה של יחסי תכונות המבנה.

היתרון העיקרי של טכניקה זו על פני שיטות בדיקה קיימות אחרות כמו כניסת ננו סטטיסטית בתפזורת, הוא שהיא באמת מספקת מתאם ישיר בין מבנה ההרכב הכימי לתכונות מכניות מקומיות. עם זאת, באזורים מעניינים, יישמנו את השיטה הזו כדי לחקור את ההתפלגות המרחבית ואת מבנה ההרכב הכימי והתכונות המכניות בביו-חומרים מבניים. יש לו גם יישומים רבים כולל חומרים מבוססי מלט, חומרים מרוכבים רב-פאזיים, ולמעשה כל סוג של חומר הטרוגני המציג את ההטרוגניות הזו בקנה מידה של אורך מיקרומטר וננומטר.

כדי לבחון חתך רוחבי של ציר קצר של קשקש דגים, החזק את קשקש הדג בתבנית דגימה בקוטר 32 מילימטר, באמצעות מחזיק דגימת פלסטיק זמין מסחרית כדי לשמור על הדגימה מכוונת נכון בזמן ההרכבה באפוקסי. לאחר שהדגימה מוחזקת בתבנית, שפכו אפוקסי לא נרפא על הדגימה. לאחר מתן אפשרות לאפוקסי להתרפא בהתאם להוראות היצרן, חתכו את הדגימה המותקנת באמצעות מסור חיתוך בעל להב יהלום דיוק גבוה בקו האמצע של הדגימה.

לאחר שהדגימה נטענה לתוך הננו ונכנס לשקע, השתמש בפקדי התוכנה כדי להעביר את הדגימה למיקום עבור הכניסה הראשונה, בצע ארבע שורות מקבילות של כניסות במרווחים של 15 מיקרומטר זו מזו כדי לקבל מערך נתונים מובהק סטטיסטית החל ממיקום זה. לאחר מכן הגדר את שקע הננו לעומס מקסימלי של חמישה מילי-ניוטון קצבי טעינה ופריקה של 0.1 מילי-ניוטון לשנייה, זמן שלם של 30 שניות, ומרווח כניסה מינימלי של חמישה מיקרומטר לכל שורה. לאחר השלמת האצווה, מחצית משקיעת הננו יוצרת שקעים נאמנים עם עומס מרבי של 100 מילי-ניוטון בכניסה הראשונה והאחרונה, שאמורים להיות באפוקסי לפני שכבת האנואה ואחרי שכבת העצם בהתאמה.

לאחר הזחת ננו, הנח את הדגימה בחזרה בתמיסת PBS כדי למנוע התייבשות נוספת. התקן את הדגימה בצורה נוקשה כך שהממד הארוך ביותר יהיה מקביל לגלאי. לאחר הגדרת הסורק, אבטח את הדגימה המותקנת לסורק tagבאמצעות חומרים שקופים לצילומי רנטגן כגון קלקר ופרפורם.

מקם את המדגם כך שיהיה במרכז הסיבוב. לאורך הסריקה בחרו ברזולוציה הגבוהה ביותר המאפשרת לכל הסולם להיות בשדה הראייה, שבמקרה זה הוא 7.5 מיקרומטר. לאחר רכישת הנתונים, שחזר את תמונות הקרנת הרנטגן כדי ליצור מערך נתונים המכיל תמונות חתך.

לאחר מכן השתמש בתוכנה כדי לקבל את התמונה הסופית בגווני אפור תלת מימדיים. התאם את טווח הסקאלה האפורה לרמה מתאימה כדי להסיר את החפצים מהקלקר והפרפורם עבור SEM או הדמיית מיקרוסקופ אלקטרונים סורק של כניסות ננו על הדגימה המלוטשת, הצמד את הדגימה לבדל SEM באמצעות סרט פחמן דו צדדי כשהמשטח השקוע פונה כלפי מעלה. לאחר מכן, הכנס את הדגימה לתא ה- SEM ושאב את החדר למצב ואקום נמוך.

התאם את מרחק העבודה בין 3.0 ל -5.0 מילימטרים. הפעל את המתח הגבוה ונווט לאזורי העניין בדגימה, שבמקרה זה הם המבנים הקיימים בשכבות האנואה והעצם. לאחר מכן השג תמונות במתח גבוה של בין חמישה קילו-וולט ל-15 קילו-וולט וזרם אלומה נמוך יותר של 3.9 ננו אמפר.

כדי לשפר את הרזולוציה, צלם תמונות משלושה אזורי עניין לפחות בהגדלות של 250 x עד 10,000 x באמצעות גלאי BSE אלקטרונים מפוזר בוואקום נמוך כדי לסייע בזיהוי שינויים בתכולת הביו-מינרלים והצפיפות. לאחר מכן, נווט לאזור מעניין בדגימה המלוטשת הכולל רשת הזחה ננו המסומנת על ידי סימני נאמנות בסוף כל שורת כניסות. ודא כי כרך גבוהtage הוא לפחות 15 קילו-וולט.

זרם האלומה הוא לפחות 3.9 ננו אמפר, ומרחק העבודה גדול מ -5.0 מילימטרים. לאחר מכן צלם את תמונת האלקטרונים המפוזרת האחורית של האזור שיש לנתח באמצעות EDX. שימוש בתוכנת ניתוח EDX.

צלם את אותה תמונה כדי לסייע באיתור אזורים לביצוע ניתוח כימי לאורך קו הכניסות. לאחר מכן, באמצעות טכניקת ניתוח הקו, מקם קו לביצוע ניתוח כימי לאורך קו העניין של כניסות החל מהכניסה הראשונה ומסתיים בכניסה האחרונה. ציין את מספר נקודות הניתוח שיש למקם לאורך הקו תוך שימוש במספר זהה למספר הכניסות הקיימות כדי לספק מתאם מרחבי ישיר בין ההרכב הכימי לתכונות המכניות.

כאשר הקו ממוקם והנקודות מצוינות כהלכה. התחל את ניתוח הקו באמצעות תוכנת EDX לאחר השלמת ניתוח הקו. זהה אלמנטים מעניינים שיש לכמת מהספקטרום הנקודתי המתקבל לאורך הקו שצוין על המשטח המלוטש של הדגימה.

לאחר זיהוי אלמנטים מעניינים, בצע כיול רקע כדי לקחת בחשבון קרינת ריאות קש ברם והשפעות אחרות. בחר באפשרות ניתוח הדה-קונבולוציה של התוכנה כדי לקבל ניתוח כמותי על כל נקודה לאורך הקו שצוין כדי לכמת את ההרכב הכימי בכל נקודה. לבסוף, שמור את תוצאות הניתוח הכימי הכמותי יחד עם התמונה של הקו שצוין שנותח כדי לסייע במתאם מרחבי עם תכונות מכניות שנמדדו באמצעות כניסת ננו בשכבת האנו, תותבת הננו חישבה מודול ממוצע של 69.0 ג'יגה פסקל וקשיות של 3.3 ג'יגה פסקל.

תותבת הננו קבעה מודול ממוצע של 14.3 ג'יגה פסקל וקשיות של 0.5 ג'יגה פסקל לשכבת העצם. שכבת האנואה והעצם מכילה הבדלים הניתנים לכימות בהרכב הכימי. ניתן לייחס את עליית הפחמן בשכבת העצם למינרליזציה נמוכה, מה שמביא לעלייה בפחמן ולירידה בבהירות התמונה של BSE, ספקטרום FTIR של העצם ושכבות ENE מראים חתימות הידרוקסיאפטיט בשכבת ה-gwe החיצונית וחתימות קולגן בשכבת העצם הפנימית.

טומוגרפיה ממוחשבת של רנטגן מראה ששכבת ה-gwe אינה מכסה את שכבת העצם שבה הקשקשים חופפים. שכבות הגווה האפורות הבהירות יותר צפופות יותר, קשות ונוקשות יותר בעוד ששכבות העצם האפורות הכהות פחות צפופות ופחות נוקשות. נצפים בורות ברורים ליד מרכז שכבת הגינג, המדגימים את חוסר אחידותו.

תמונת ה-SEM בהגדלה נמוכה יותר של משטח השבר החרוט חשפה ננו-מבנים המאורגנים בתבנית שכבתית לשכבת ה-ging, המתואמת ל-SEM בהגדלה גבוהה יותר של FTIR, תמונות של משטח השבר החרוט מראות מוטות ננו מכוונים בשכבת ה-ging בעוד שסיב דמוי ננו-מבנה נצפה בשכבת העצם לאחר התפתחותו. טכניקה זו סללה את הדרך למחקר נוסף על ביו-חומרים וחומרים מרוכבים כדי לחקור את ההתפלגות המרחבית של מבנה ההרכב הכימי והתכונות המכניות, וגם להסתכל על ממשקים בחומרים מרוכבים רב-פאזיים. בסדר, לאחר צפייה בסרטון זה, אתה אמור להיות בעל הבנה טובה כיצד להכין דגימות ולבצע ניתוחים כדי לתאם מרחבית הרכב כימי עם מבנה ותכונות מכניות בביו-חומרים מבניים.

טכניקות אלו ישימות וניתנות להתאמה גם לחקר סוגים אחרים של חומרים רב-פאזיים הטרוגניים.