Method Article

海綿骨の機械的性質を測定するためミリ スケール曲げテスト システム

DOI:

10.3791/56571

⸱

October 11th, 2017

 ,  ,  , 
1School of Engineering, Brown University

In This Article

Summary

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

特注の機械式試験装置を用いたサブミリ スケール繊維の 3 点曲げ試験を実行するためのプロトコルを提案します。デバイスは、10 N まで 20 µN に至る力を測定することができます、したがってさまざまな繊維のサイズに対応することができます。

Abstract

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

多くは生物学的構造 (LBBSs) を負荷、羽軸、スピキュールなど-小さい (< 1 mm) がない顕微鏡。これらの LBBSs の曲げ性状の測定は、その顕著な機械的機能の起源を理解するため重要です。

10-5から 10 の1 N と変位に至る 10-7 10-2メートルに至るまで強制的に測定できる特注機械式試験装置を用いた 3 点曲げ試験を行うためのプロトコルについて述べる。この機械の試験装置の主な利点は、異なる LBBSs の力と変位の容量を簡単に調整できることです。デバイスの動作原理は、原子間力顕微鏡のそれに似ています。すなわち、力は、片持ち梁の端に接続されている負荷のポイントによって、LBBS に適用されます。荷重点変位は光ファイバー光ファイバー変位センサーによる測定、測定された片持梁剛性を用いた力に変換します。デバイスの力の範囲は、異なる剛性のカンチレバーを使用して調整できます。

海綿Euplectella aspergillumの骨格要素の 3 点曲げ試験を実行することによって、デバイスの機能を説明します。骨格の要素-スピキュールとして知られている-、直径約 50 μ m シリカ繊維であります。≈1.3 mm スパン 3 点曲げ冶具上、スピキュールを取り付けテスト装置を調整するための手順について述べるし、曲げテストします。スピキュールと応用力の位置の変形にかかる力を測定します。

Introduction

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

負荷軸受シェルや骨などの生物学的構造 (LBBSs) のアーキテクチャを研究することによってエンジニアは強くてタフな1である新しい複合材料を開発しました。LBBSs および対応する生体の顕著な機械的性質の複雑な内部アーキテクチャ2に関連していることが示されています。ただし、LBBS アーキテクチャと機械的性質との関係は完全には理解されていません。LBBS の力学応答を測定は、そのアーキテクチャがその機械的性質を高める方法を理解することの第一歩です。

ただし、LBBS の力学的応答の測定に使用するテストの種類、その力学的機能と一貫性のあることが重要です。たとえば、羽は空力負荷をサポートする必要があります、ので羽梗の主な機能曲げ剛性3を提供することです。したがって、曲げ試験の力学的応答を測定するため一軸引張試験をお勧めします。実際には、多くの LBBSs、羽軸3など草茎4、およびスピキュール5,6,7,....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

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

1 です。 アセンブリと配置

  1. 選択が剛性が目的の実験に適した片持ち。LP をカンチレバー #4-40 ソケット ヘッド キャップ ネジ (SHCSs) を ( 図 3 を参照) に接続します。LP をアタッチ中片持梁腕をない塑性変形に注意してください
    2. 。

figure-protocol-1
図 3: カンチレバーを組み立てる手順を強制的にセンサーと測定その剛性。(A) 負荷ポイント (LP) は負荷ポイント チップ (LPT) 上向きに指される片持梁 (C) に接続されています。(B) カンチレバー LP サブアセンブリが CP として示される片持ちプレートに接続されているとします。片持ちプレートの凹部のポケットは、片持梁腕の下に表示されます。(C) 片持板がフレームの下側に接続されている、(B) に示すように板の....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

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

機械的テストの最も基本的な出力は、試料と、力が適用される場所で変位に加わる力の大きさです。3 点曲げ試験の場合目的は、LPT によって適用されるフォースのマグニチュードを取得、figure-results-1との lpt ポートの下に試験片の断面の変位、 figure-results-2 方向、 figure-results-3 。ただし、ここで説明したテストの機械装置、後処理手順をいくつか実行する必要がある手順 2、4 および 5 プロトコルの望まれたこれにから得られる出力データを変換するfigure-results-4-

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

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

プロトコルのいくつかの手順は、力と変位を正確に測定を確保するため特に重要です。いくつかの重要な手順はすべて 3 点曲げ試験に普遍的なこの機械のテスト装置に固有のものです。

LP ミラーがきれい、傷の検査プロトコルの手順 1.2とステップ 1.6プロトコルの「FODS ゲインを設定します。ゲインの手順 2、 4、および5プロトコルのために一定する LP ミラー反射率が重要です。この理由から、2 つの校正手順 (ステップ 2と4のプロトコル) は曲げ試験 (プロトコルの手順 5 ) の直前に実行してください。

1.9 の手順とプロトコルの3.7のステージは、アイソレーション テーブル上の表面に対し.......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

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

著者が明らかに何もありません。

Acknowledgements

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

この作業は [材料力学と構造プログラム、付与数 1562656]; 国立科学財団によって支えられました。機械エンジニア [Haythornthwaite 若手研究者賞] のアメリカの社会。

....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
TMC 36インチ x 48インチ アイソレーションテーブル 4インチ CleanTop ブレッドボードTMC63-563アイソレーションテーブル
ディフェンシャルスクリューアジャスターThorlabsDAS110ステージレベリングプレート用
1インチ トラベルマイクロメータヘッド 0.001インチ 目盛り付きThorlabs150-801MEステージレベリングプレート用
PTシリーズトランスレーションステージ用直角ブラケット、1/4インチ -20 取り付け穴ThorlabsPT102顕微鏡マウント用
1" ダブテール翻訳ステージ、1/4"-20 タップThorlabsDT25顕微鏡マウント用
1" 翻訳ステージ、1/4 "-170 調整ネジ付き 1/4"-20 タップThorlabsPT1B顕微鏡マウント用
12" 長さ、ダブテール光学レールEdmund Optics54-401用顕微鏡マウント
2.5インチ幅、ダブテールキャリアエドモンド光学54-404顕微鏡マウント用
0.5インチ幅、ダブテールキャリアエドモンド光学54-403顕微鏡マウント用
InfiniTube 取り付け Cクランプ ¼-20エドモンド光学57-788顕微鏡コンポーネント
標準 (インラインアタッチメントなし)、InfiniTubeエドモンド光学56-125顕微鏡コンポーネント
標準インラインアタッチメント (2X-10Xで最適化)、InfiniTubeエドモンド光学56-126顕微鏡部品
ミツトヨ/アクロビッド対物レンズアダプター (M26 から M27)エドモンドオプティクス53-787顕微鏡部品
5X インフィニティ アクロビッド顕微鏡対物レンズエドモンドオプティクス55-790顕微鏡部品
0.316 "IDの繊維光学アダプターSX-6Edmund Optics38-944顕微鏡の部品
¼" x 36", フレキシブル光ファイバーライトガイドEdmund Optics42-347顕微鏡部品
115V, MI-150 光ファイバーイルミネーター w/IR フィルターとホルダーEdmund Optics55-718顕微鏡部品
Allied Vision Manta G-223 2/3" カラーCMOSカメラEdmund Optics88-452
マンタ/グッピープロ/スティングレイ/パイク用エドモンド光学68-586コンポーネント
1/4 "トラベル単軸変換ステージThorlabsMS1SFODSマイクロメータ
アナログ反射率依存光ファイバー変位センサーPhiltecD20FODS
30V、3A DC電源AgilentU8001ADAQおよびFODS用電源
14ビット、48 kS / s低コスト多機能DAQナショナル機器USB-6009DAQ FODS 用
3 軸電動変換ステージThorlabsThorlabs T25 XYZ-E/M変換ステージ
T-Cube DC サーボモータコントローラThorlabsTDC001ステージ用モータコントローラ
T-Cube 電源ThorlabsTPS001モータコントローラ用電源
National Instruments LabVIEW (2013 SP1)National Instrumentsソフトウェアの実行に使用
National Instruments LabVIEW 画像入力ソフトウェア (2016)National Instrumentsソフトウェアの実行に使用
Nikon Eclipse Ci-POL 本体MVIMDA96000偏光顕微鏡
Nikon Pi Intermediate Tube with Analyzer SliderMVIMDB45305偏光顕微鏡
ニコン ダイヤ偏光子MVIMDN11920偏光顕微鏡
電源コード - 7'6"MVI79035偏光顕微鏡
ニコン P-Amh メカニカルステージMVIMDC45000偏光顕微鏡
ニコン Wwd アクロマートコンデンサーMVIMBL16100偏光顕微鏡
ニコン LV-NBD5BD-CH マニュアル クイント ノーズピース ESDMVIMBP60125偏光顕微鏡
ニコン C-TF 三眼鏡筒 FMVIMBB93100偏光顕微鏡
ニコン CFI 10X 接眼レンズ FN 22mm NCMVIMAK10110偏光顕微鏡
ニコン TU プラン 小麦粉 BD 10倍 対物レンズ MVIMUE42100偏光顕微鏡
ヴィーナス フラワーバスケット スポンジデニス ブランドN/Aスポンジのスケルトン
3.5Xヘッドバンドフリップアップ拡大鏡マクマスターカー1490T5針状切片
Øに使用される;1インチシリコンウェーハ、タイプP /<100>テッドペラ16011ロードポイントミラーに使用
低リントテーパーチップコットンスワブマクマスターカー71035T31LPミラーのクリーニングに使用
ラバーグリップ精密ナイフマクマスターカー35575A68針状片切片に使用
顕微鏡スライド、つや消し端、75 x 25 x 1mmテッドペラ260409針状
片化に使用クロテンブラシ、#00000、0.08mm W x 4.0mm LTed Pella11806針状体の取り扱いに使用
PELCO Pro高精度ピンセット、極細チップ、優れた仕上げテッドPella5367-5NM針状体の取り扱いに使用
デュアル軸リニアスケールマイクロメーターエドモンド光学58-608顕微鏡の校正に使用
FLEX-A-TOP FT-38 CASESDプラスチック容器FT-38-CAS針状の保存に使用
プラスチックバイアル ブルズアイレベルマクマスター・カー2147A11ステージのレベリングに使用
分析バランスメトラー・トレドMS105DU質量校正用重りに使用
顕微鏡部品電源 顕微鏡

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Wegst, U. G., Bai, H., Saiz, E., Tomsia, A. P., Ritchie, R. O. Bioinspired structural materials. Nat. Mater. 14 (1), 23-36 (2015).
  2. Meyers, M. A., McKittrick, J., Chen, P. Y. Structural biological materials: critical mechanics-materials connections. Science. 339 (6121), 773-779 (2013).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Marine Sponge SpiculesThree Point BendingFlexural Testing SystemMechanical PropertiesBiological StructuresForce DisplacementCantilever StiffnessFiber Optic SensorLoad Point TipSample Stage

Related Articles