Name: バイオインスパイアードデザインのためのプロトコル：グランドサンプラーウニジョーズに基づいて、 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-04-24T14:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 10 s
Description: 学ぶバイオインスパイアードデザインの手法で、ウニの口器構造を応用した堆積物サンプリング装置の開発プロセスを理解できます。3Dプリントと有限要素解析を活用し、生物学的特徴を工学に応用する効率的な研究枠組みを示しています。

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

この作業は、米国空軍科学研究局(AFOSR-FA9550-15-1-0009)(M. B. F., S. E. N., J.-Y. J., J. M)を通じて、Multi-University Research Initiativeによって支援されています。ピンクウニの収集は、カリフォルニア大学船舶基金と米国国立海洋漁業局(K.N.S.、J.R.A.T.)の支援を受けました。著者は、バイオインスパイアードのアリストテレスランタンサンプラーの開発中に有益な提案をしてくれたJerry Tustaniwskyj教授、Marc A. Meyers教授(UCSD、機械航空宇宙工学科、材料科学および工学プログラム)、Robert L. Sah教授とEsther Cory教授(UCSD、生物工学科)、Maya deVries博士(スクリップス海洋研究所海洋生物学研究部門)に感謝します。また、ウニの歯の断面を研磨してくれた学部生のSze Hei Siu氏、Jerry Ng氏、Ivan Torres氏にも感謝します。

1.生物材料科学<ol><li>個人用保護具を着用する（ すなわち 、手袋、安全メガネと白衣）と解剖ツールを使用するため、該当するすべての安全手順に従ってください。 </li><li>鉗子を洗い流すと解剖のために使用するために蒸留水で外科用メス。 </li><li>室温で1時間凍結したピンクのウニを解凍します。ウニ​​と切削工具を操縦することができるように十分なスペースを持つガラス皿中で解凍した試料を置きます。歯の先端を上に向けるように逆さまにウニを回します。 <ol><li>メスでアリストテレスの提灯の周囲の結合組織を離れてカットし、慎重に提灯を持ち上げ。蒸留水を実行していると提灯を洗い流してください。適切な廃棄物処理容器に未使用のウニの部品を廃棄します。 </li><li>歯の先端が下向きになるよう何度も何度アリストテレスの提灯をオンにします。上を向いて（反対側の先端まで）各歯のplumula端を見つけて、世話をするために鉗子を使用完全にランタンから個々の歯を引き出します。 </li></ol></li><li>ポットに歯をエポキシ樹脂を準備します。樹脂の5グラムを計量し、硬化剤1.15グラムを追加浅い使い捨てプラスチックトレー（ 例えば、100部は23重量部硬化剤に樹脂）。気泡を形成することなく、ゆっくりと一緒に内容を混ぜます。 注：大気への露出不足の入った容器に残った混合エポキシ樹脂を放置しないでください。硬化プロセスは発熱性であり、近くの可燃物に火をつけることができます。離れた可燃性の項目からよく換気ドラフト内で残った混合エポキシを保管してください。 <ol><li>指で適用ワセリンを使用して、2.5ドラムのプラスチックチューブ（内径22mm、39ミリメートルの長さ）を注油し、組織と余分を拭き取ってください。混合エポキシを用いてチューブを途中で埋めます。 </li><li>歯をピックアップし、慎重に湾曲した凹面側を上に向けてエポキシでそれを沈めるために鉗子を使用してください。 24時間室温でエポキシ硬化をしてみましょう。 注：触れて漂流から歯先を防ぎますこの以来、エポキシ硬化などのプラスチックチューブの壁がより困難先端を研磨するようになります。 </li></ol></li><li>万力で硬化したエポキシでプラスチックチューブを置きます。亀裂は、プラスチックチューブで作られるまで、ゆっくりと万力を締めます。エポキシ表面から残留塑性を剥がします。 <ol><li>切片を使用してダウン小さいブロック（1 cm 3）での歯の周りにエポキシをカットしました。 </li></ol></li><li>研磨するためのきれいな部分を準備し、硬質プラスチック板で平らなワークステーションを設定します。蒸留水で噴霧ボトルを埋めます。 <ol><li>利用可能な最も低いグリットサンドペーパー（ 例えば、120）で開始し、サンドペーパーの上に洗浄ボトルから少量の水を絞ります。軽い圧力を使用して、5分のための1つの前後方向（ 例えば、左から右）にサンプルをこします。 </li><li>シンクの上に試料の表面を洗い流し、粒子を含まないティッシュで拭き取ってください。 15秒間圧縮空気で残っサンドペーパーグリットを削除します。 </li><li>プロトコルは1.6.1と1.6.2手順を繰り返すように漸進的に高いグリットサンドペーパー（ 例えば、600および2400）を使用します。光の圧力を使用して、後ろにあるサンプルをこする前後（ 例えば、上下、左右）前のポリッシュのステップに垂直な方向。 注：垂直なスクラッチマークは、各グリットレベル（ 例えば、120、600、2400）と交差見るために20Xの倍率で光学顕微鏡を使用してください。前のグリットレベルからスクラッチマークが消えたときに次の高いグリットのサンドペーパーに移動します。 </li><li> 1蒸留水液：1で3-μmのダイヤモンド研磨懸濁液を噴霧ボトルを準備します。プロトコルは1.6.1と1.6.2をステップ繰り返すようにダイヤモンド懸濁液用の磨き布を使用してください。 </li><li> 1蒸留水液：1で0.5μmのアルミナ研磨懸濁液を噴霧ボトルを準備します。プロトコルは1.6.1と1.6.2手順を繰り返すようにmicroclothの研磨面を使用してください。 注：プロトコルからファインスクラッチマークは1.6.4と1.6.5ステップvisibではありませんル20X倍率で。前後に移動中の5分間ポリッシュこれらのプロトコルステップについては、以前のすべての傷を削除します。 </li><li>蒸留水で研磨面を清掃し、慎重に乾燥に圧縮空気で粒子を含まない組織を使用しています。鏡面研磨仕上げを維持するために、粒子を含まないティッシュで包みます。 注：すべての研磨面が大きな粒子を含まない組織に伏せて乾かします。研磨時間との間の表面上に沈降ダスト粒子を回避するために、プラスチック製のスリーブに保管してください。 </li></ol></li><li>走査型電子顕微鏡（SEM）を用いて、ウニの歯の組織を特徴づけます。 〜20nmのコーティング厚さのために研磨歯の表面上に10秒間85ミリアンペアの堆積電流でイリジウムをスパッタするスパッタコーターを使用してください。 <ol><li> SEMを用いて4,000X倍率 - 250Xでの顕微鏡写真画像を得ます。 注意：使用走査電子（SE）モードでは5kVと後方散乱電子（BSE）モードで15 kVの。方解石嘘を識別するために、BSEモードを使用しますERSは、Mgに富む多結晶マトリックスが点在します。 </li></ol></li><li>マイクロコンピュータ断層撮影法（μ-CT）全体ピンクのウニと新鮮に解剖アリストテレスの提灯のスキャンを実行します。位置はそれぞれ走査しながら加湿環境を提供するために、湿った組織に閉じたチャンバ容器内の試料を解凍しました。 <ol><li>それぞれ、36.00ミクロンと9.06ミクロンの等方性ボクセルサイズでμ-CTによる全ウニやアリストテレスの提灯をスキャンします。両方のための1.0ミリメートルのアルミフィルターを使用して、それぞれ、全体ウニやアリストテレスの提灯のために、100ミリアンペアと141ミリアンペアの電流で100のkVp及び70のkVpの電位を適用します。 </li><li>製造業者のプロトコルを使用して、複数のエネルギーのX線を放射するμ-CT、X線源から生じるビーム硬化アーチファクトを考慮して画像再構成時にビームハードニング補正アルゴリズムを適用します。 </li></ol></li><li> IMAを絞り込むことイメージングソフトウェアを使用しますGEのセグメンテーションとアリストテレスの提灯構造のための三角形メッシュモデルを獲得します。 <ol><li>ロードおよびプレビューμ-CTスキャンからアリストテレスの提灯画像データ。マイクロCTスキャンからの値にボクセルサイズ（9.06μm）を一致させます。 </li><li> 3D空間におけるアリストテレスの提灯を視覚化するためにボリュームレンダリング機能を使用してください。バウンディングボックスモジュールを搭載した2D直交スライスを調整し、ボリュームレンダリングモジュールとしきい値/カラーを調整します。 </li><li>セグメンテーションエディタを使用して、関心領域（ 例えば、ウニの歯）のためのマスク・セグメントを作成します。 XY、YZ、及びXZ平面と3D等角図を選択します。アリストテレスの提灯に単純な構造（ピラミッド対歯）を区別するために魔法の杖（黒矢印）を使用します。 </li><li>抽出されたマスク・セグメントからモデル表面を再構築します。面生成モジュールを選択し、適用します。目に見える上面が消え持つように設定をボリュームレンダリングの選択を解除します。加えます表面結果を表示するために、表面表示モジュール。 </li><li> &lt;18000に面の数を減らすことにより、モデル表面を簡素化します。 </li><li>必要に応じて、モデル表面上の個々の三角形メッシュを編集します。コンピュータ支援設計（CAD）モデリングソフトウェアで使用するエクスポートするためのステレオリソグラフィ（STL）ファイルとしてモデルを保存します。 </li></ol></li></ol> 2.バイオインスパイアードデザイン<ol><li> CADモデリングソフトウェアとバイオインスパイアードなデザインを作るための基準として、マイクロCTスキャンからアリストテレスの提灯を使用してください。 注：バイオインスパイアードデザインは、高さ6センチメートル、直径閉じランタン8センチ5曲がった歯を持っています。それは自然なアリストテレスの提灯のサイズから〜5倍にスケールアップされます。 </li><li>フラッシュドライブにSTLファイルの一部を保存して、熱溶解積層法（FDM）3Dプリンタにファイルをアップロードします。 <ol><li>三次元pの適切なスロットにロードアクリロニトリルブタジエンスチレン（ABS）プラスチック支持プラスチック材料カートリッジrinter。 </li><li> Zプラットフォーム上でモデリングベースを挿入し、金属製のトレイにあるスロットにタブを合わせます。 </li><li> STLファイルの部分のそれぞれを開き、同時にすべてのランタンの一部を印刷するには、表示画面の手順に従ってください。 注：ランタンの部品は、建物の封筒（25×25×30 cm 3）で3Dプリンター用に収まらなければなりません。すべての5つの歯は、モデリングベース上に配置され、歯の先端を上に向けて同時に印刷されています。ビルド速度は時間あたり16 cm 3であり、総ビルド時間は約8時間です。 </li><li>すべてのファイル部分が印刷されている場合、タブからモデリングベースをリリースし、トレイガイドに沿って、3Dプリンタのうちベースをスライドさせます。 </li><li>部品に付着した余分なプラスチックを下に着用するベースと金属ファイルからすべての部品をてこのように金属へらを使用してください。 </li><li>サポートのプラスチック材料が溶解するまで加熱された基本浴に印刷されたパーツを配置します。 </li></ol></li><li> Liと関節アームに各歯を固定しますNKロッドとどちらかの側に2つのE-保持リング。 注：バイオインスパイアードアリストテレスの提灯の組み立てのために、図6を参照してください。 </li></ol> 3. Bioexploration <ol><li>有限要素モデリング（FEM）応力解析のテストを行うためにバイオインスパイアードの歯のためのCADファイルを使用してください。 <ol><li>さらにエンジニアリング解析を行うためのファイル（xx.sldprt）を開きます。 「オフィス製品」タブの上に、「SolidWorksのシミュレーション」ボタンを選択します。 </li><li> 「シミュレーション」タブ上では、「研究顧問」ボタンを押して、ドロップダウンオプション」の新研究」を選択します。 </li><li> 「静的」を選択することによって実行されるシミュレーションテストの種類を選択します。 </li><li>静的試験のリストで、「備品」を右クリックして「固定ジオメトリ」を選択します。 </li><li>ピンが行く取付穴に固定具を追加するために内面をクリックします。 </li><li>静的試験のリストで、「外部荷重」とセレク上で右クリックトン &quot;フォース&quot;。 </li><li>先端がエッジに45 Nの力を適用するために直面​​している研削歯をクリックします。 </li><li>静的試験のリストで、「外部荷重」を右クリックして「重力」を選択します。 </li><li>平面に垂直かかる重力の力のために、「上面」を示します。 </li><li>静的試験のリストに、「メッシュ」を右クリックして「メッシュを作成」を選択します。 </li><li> 「メッシュ密度」「ファイン」のための右のすべての方法のためのスケールバーを移動します。 </li><li>静的試験のリストで、「静的」を右クリックして、テストを実行するために、「ファイル名を指定して実行」を選択します。 注：最高のストレスと「降伏」の領域用着色スケールバーを。 </li></ol></li><li>キールととせずにバイオインスパイアードの歯のための応力解析テストの結果を比較してください。 </li></ol>

<ol><li>Nalla, R. K., Kruzic, J. J., Ritchie, R. O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((On+the+origin+of+the+toughness+of+mineralized+tissue%3A+Microcracking+or+crack+bridging%3F%5BTitle%5D)+AND+%22Bone%22%5BJournal%5D)">On the origin of the toughness of mineralized tissue: Microcracking or crack bridging?</a> Bone. 34 (5), 790-798 (2004).</li>
<li>Ritchie, R. O., Buehler, M. J., Hansma, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Plasticity+and+toughness+in+bone%5BTitle%5D)+AND+%22Physics+Today%22%5BJournal%5D)">Plasticity and toughness in bone.</a> Physics Today. 62 (6), 41-47 (2009).</li>
<li>Seki, Y., Schneider, M. S., Meyers, M. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Structure+and+mechanical+behavior+of+a+toucan+beak%5BTitle%5D)+AND+%22Acta+Mater%22%5BJournal%5D)">Structure and mechanical behavior of a toucan beak.</a> Acta Mater. 53 (20), 5281-5296 (2005).</li>
<li>Feng, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Super-hydrophobic+surfaces%3A+From+natural+to+artificial%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Mater%22%5BJournal%5D)">Super-hydrophobic surfaces: From natural to artificial.</a> Adv. Mater. 14 (24), 1857-1860 (2002).</li>
<li>Sun, T. L., Feng, L., Gao, X. F., Jiang, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Bioinspired+surfaces+with+special+wettability%5BTitle%5D)+AND+%22Acc.+Chem.+Res%22%5BJournal%5D)">Bioinspired surfaces with special wettability.</a> Acc. Chem. Res. 38 (8), 644-652 (2005).</li>
<li>Feng, X. J., Jiang, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Design+and+creation+of+superwetting%2Fantiwetting+surfaces%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Mater%22%5BJournal%5D)">Design and creation of superwetting/antiwetting surfaces.</a> Adv. Mater. 18 (23), 3063-3078 (2006).</li>
<li>Arzt, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Biological+and+artificial+attachment+devices%3A+Lessons+for+materials+scientists+from+flies+and+geckos%5BTitle%5D)+AND+%22Mat.+Sci.+Eng.+C%22%5BJournal%5D)">Biological and artificial attachment devices: Lessons for materials scientists from flies and geckos.</a> Mat. Sci. Eng. C. 26 (8), 1245-1250 (2006).</li>
<li>Geim, A. K., Dubonos, S. V., Grigorieva, I. V., Novoselov, K. S., Zhukov, A. A., Shapoval, S. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microfabricated+adhesive+mimicking+gecko+foot-hair%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Mater%22%5BJournal%5D)">Microfabricated adhesive mimicking gecko foot-hair.</a> Nat. Mater. 2 (7), 461-463 (2003).</li>
<li>Munch, E., Launey, M. E., Alsem, D. H., Saiz, E., Tomsia, A. P., Ritchie, R. O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Tough%2C+bio-inspired+hybrid+materials%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Tough, bio-inspired hybrid materials.</a> Science. 322 (5907), 1516-1520 (2008).</li>
<li>Launey, M. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Designing+highly+toughened+hybrid+composites+through+nature-inspired+hierarchical+complexity%5BTitle%5D)+AND+%22Acta+Mater%22%5BJournal%5D)">Designing highly toughened hybrid composites through nature-inspired hierarchical complexity.</a> Acta Mater. 57 (10), 2919-2932 (2009).</li>
<li>Launey, M. E., Munch, E., Alsem, D. H., Saiz, E., Tomsia, A. P., Ritchie, R. O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+novel+biomimetic+approach+to+the+design+of+high-performance+ceramic-metal+composites%5BTitle%5D)+AND+%22J.+R.+Soc.+Interface%22%5BJournal%5D)">A novel biomimetic approach to the design of high-performance ceramic-metal composites.</a> J. R. Soc. Interface. 7 (46), 741-753 (2010).</li>
<li>Jelinek, F., Smit, G., Breedveld, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Bioinspired+spring-loaded+biopsy+harvester-Experimental+prototype+design+and+feasibility+tests%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Med.+Devices%22%5BJournal%5D)">Bioinspired spring-loaded biopsy harvester-Experimental prototype design and feasibility tests.</a> J. Med. Devices. 8 (1), 015002(2014).</li>
<li>Jelinek, F., Goderie, J., van Rixel, A., Stam, D., Zenhorst, J., Breedveld, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Bioinspired+crown-cutter-The+impact+of+tooth+quantity+and+bevel+type+on+tissue+deformation%2C+penetration+forces%2C+and+tooth+collapsibility%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Med.+Devices%22%5BJournal%5D)">Bioinspired crown-cutter-The impact of tooth quantity and bevel type on tissue deformation, penetration forces, and tooth collapsibility.</a> J. Med. Devices. 8 (4), 041009(2014).</li>
<li>Reich, M., Smith, A. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Origins+and+biomechanical+evolution+of+teeth+in+echnoids+and+their+relatives%5BTitle%5D)+AND+%22Palaeontology%22%5BJournal%5D)">Origins and biomechanical evolution of teeth in echnoids and their relatives.</a> Palaeontology. 52 (5), 1149-1168 (2009).</li>
<li>Scarpa, G. Modelli di Bionica, Capire la Natura Sttraverso i Modelli. , Bologna, Italy. (1985).</li>
<li>Trogu, P. Bionics and Design: Pure and Applied Research. Living Machines 2014: 3rd International Conference on Biomimetics and Biohybrid Systems, Barcelona, Spain, , (2014).</li>
<li>Porter, M. M., Adriaens, D., Hatton, R. L., Meyers, M. A., McKittrick, J. M. Bioexploration: How engineering designs help elucidate the evolution of seahorse tails. SICB Annual Meeting, 2015 Jan 3-7, , Society for Integrative and Comparative Biology. West Palm Beach, FL. (2015).</li>
<li>Porter, M. M. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22Bioinspired+Design%3A+Magnetic+Freeze+Casting%22">Bioinspired Design: Magnetic Freeze Casting</a>. , University of California. San Diego. (2014).</li>
<li>De Ridder, C., Lawrence, J. M. Food and feeding mechanisms: Echinoidea. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aDe+Ridder%2C+C+%22Echinoderm+Nutrition%22">Echinoderm Nutrition</a>. , CRC Press. (1982).</li>
<li>Killian, C. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Self-sharpening+mechanism+of+the+sea+urchin+tooth%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Funct.+Mater%22%5BJournal%5D)">Self-sharpening mechanism of the sea urchin tooth.</a> Adv. Funct. Mater. 21 (4), 682-690 (2011).</li>
<li>Kier, P. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Evolutionary+trends+and+their+functional+significance+in+the+post-paleozoic+echinoids%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Paleo%22%5BJournal%5D)">Evolutionary trends and their functional significance in the post-paleozoic echinoids.</a> J. Paleo. 48 (3), 1-95 (1974).</li>
<li>Wang, R. Z., Addadi, L., Weiner, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Design+strategies+of+sea+urchin+teeth%3A+structure%2C+composition+and+micromechanical+relations+to+function%5BTitle%5D)+AND+%22Phil.+Trans.+R.+Soc.+B%3A+Biol.+Sci%22%5BJournal%5D)">Design strategies of sea urchin teeth: structure, composition and micromechanical relations to function.</a> Phil. Trans. R. Soc. B: Biol. Sci. 352 (1352), 469-480 (1997).</li>
<li>Ma, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+grinding+tip+of+the+sea+urchin+tooth+exhibits+exquisite+control+over+calcite+crystal+orientation+and+Mg+distribution%5BTitle%5D)+AND+%22Proc.+Natl.+Acad.+Sci.+U.S.A%22%5BJournal%5D)">The grinding tip of the sea urchin tooth exhibits exquisite control over calcite crystal orientation and Mg distribution.</a> Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 106 (15), 6048-6053 (2009).</li>
<li>Markel, K., Gorny, P., Abraham, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microstructure+of+sea+urchin+teeth%5BTitle%5D)+AND+%22Fortschritte+der+Zoologie%22%5BJournal%5D)">Microstructure of sea urchin teeth.</a> Fortschritte der Zoologie. 24 (2-3), 103-114 (1977).</li>
<li>Andrietti, F., MD, C. arnevali C. andia, Wilkie, I. C., Lanzavecchia, G., Melone, G., Celentano, F. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mechanical+analysis+of+the+sea-urchin+lantern%3A+the+overall+system+in+Paracentrotus+lividus%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Zool.%2C+London%22%5BJournal%5D)">Mechanical analysis of the sea-urchin lantern: the overall system in Paracentrotus lividus.</a> J. Zool., London. 220, 345-366 (1990).</li>
<li>Ellers, O., Telford, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Forces+generated+by+the+jaws+of+Clypeasteroids+%28Echinodermata%3A+Echionoidea%29%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Exp.+Biol%22%5BJournal%5D)">Forces generated by the jaws of Clypeasteroids (Echinodermata: Echionoidea).</a> J. Exp. Biol. 155, 585-603 (1991).</li>
<li>Candia Carnevali, M. D., Wilkie, I. C., Lucca, E., Andrietti, F., Melone, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+Aristotle%27s+lantern+of+the+sea-urchin+Stylocidaris+affinis+%28Echinoida%2C+Cidaridae%29%3A+functional+morphology+of+the+musculo-skeletal+system%5BTitle%5D)+AND+%22Zoomorphology%22%5BJournal%5D)">The Aristotle's lantern of the sea-urchin Stylocidaris affinis (Echinoida, Cidaridae): functional morphology of the musculo-skeletal system.</a> Zoomorphology. 113 (3), 173-189 (1993).</li>
<li>Wilkie, I. C., Candia Carnevali, M. D., Andrietti, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mechanical+properties+of+sea-urchin+lantern+muscles%3A+a+comparative+investigation+of+intact+muscle+groups+in+Paracentrotus+lividus+%28Lam%29+and+Stylocidaris+affinis+%28Phil%29+%28Echinodermata%2C+Echinoidea%29%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Comp.+Physiol.+B%22%5BJournal%5D)">Mechanical properties of sea-urchin lantern muscles: a comparative investigation of intact muscle groups in Paracentrotus lividus (Lam) and Stylocidaris affinis (Phil) (Echinodermata, Echinoidea).</a> J. Comp. Physiol. B. 168 (3), 204-212 (1998).</li>
<li>Witze, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((NASA+plans+Mars+sample-return+rover%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">NASA plans Mars sample-return rover.</a> Nature. 509 (7500), 272(2014).</li>
</ol>

開示するものは何もありません。

ウニは、様々な機能（旋回させる送り、退屈な、 など ）のためにアリストテレスの提灯（ 図1A）を使用します。化石記録は、提灯が最も原始cidaroidタイプから近代的なウニ14のcamarodont型に形状や機能に進化してきたことを示しています。 Cidaroid提灯は、縦方向の歯（ 図1B、上 ）とそのピラミッド構造に非分離筋アタッチメント溝付きました。これは彼らの上下移動を制限し、より近代的なcamarodontランタン（ 図1B、下 ）で観察された横方向の動き、によって生成された大きな掻き電力のそれらを奪います。生物学者はkeeled歯（ 図1C、D）は硬質基材18,20,23をこすることによって生成された強力な引張力の下で歯を補強するためにcamarodontsに進化していることを推測しています。 組み合わせたこの作品でバイオインスパイアード設計...

生物学、生物学、材料科学、生体材料、生体工学および生化学の分野では信じられないほどの自然界のより深い理解を提供するための試みで、初演の科学技術と心を採用しています。本研究では、最も驚くべき生物学的構造および生物の多くを説明しています。人間の骨1,2の本質的な靭性からオオハシ3の大きなくちばしに。しかし、この知識の多く​​は、社会に恩恵を与えることができるように採用することは困難です。その結果、bioinspirationの接線方向のフィールドは、一般的な問題を解決するために現代的な素材に自然から学んだ教訓を採用しています。例としては、蓮に触発された超疎水性表面も、ヤモリの足に触発4-6、接着面を残し、アワビ9-11とウニのマウスピースに触発生検ハーベスタの真珠層に触発7,8、タフなセラミックスを昆虫を含みます知っていますアリストテレスの提灯12,13としてのn。 ウニ​​は、その生息地、最も一般的に海の底に岩のベッドで構成されて棘で覆われた無脊椎動物です。最大のウニ種で（テストと呼ばれる）の体は直径18以上のcmであることができます。ピンクのウニ（Strongylocentrotusフラジリス ）でのテストの大きさは直径10cmに成長することができ、本研究で検討しました。アリストテレスの提灯は、ピラミッド構造鉱化組織で構成され、すべてが、歯（ 図1A）の遠位研削ヒントを囲むドーム状の形成に配置することによって支援される5つの主に炭酸カルシウムの歯で構成されています。 顎の筋肉の構造は、効率的な咀嚼することができ、さらにはハード海の岩やサンゴ擦ります。オープンジョーが、歯が外側に突出したときに顎近いとき、歯は、単一の滑らかな動きで内側に引っ込めます。 primitivとの比較E（上）と現代（下）ウニの歯の断面（ 図1B）は keeled歯は硬質基材に対して研削時に歯を強化するために進化したことを示しています。各個々の歯が原因で縦方向に取り付けられたキール（ 図1C、D）にわずかに凸状の湾曲と（成長方向に対して垂直な）横断面におけるT字形の形態を有しています。 Bioinspirationは、ウニにおけるアリストテレスの提灯の効率的な咀嚼運動として興味深い自然現象の観察から始まります。それは取り残さホーンのペインでホーンランタンの彼を思い出したので、この自然な構造は、最初はアリストテレスを魅了します。以上の2千年後に、スカルパは彼と後でTroguのみ紙やゴムバンド（ 図2A）15,16 を使用して、自然な咀嚼運動を模倣アリストテレスの提灯の複雑さに魅了されました。同様に、イェリネクはcでバイオインスパイアードされましたアリストテレスの提灯の動きを合わせぎりかつ安全に癌細胞（ 図2B、C）12,13 を拡散することなく、腫瘍組織を分離することができ、より良い生検ハーベスターを開発しました。この場合、バイオインスパイアード設計は、所望のアプリケーションの特定のニーズに合う生物医学装置を作るために利用されました。 ここで説明した設計プロトコルは、ウニによりバイオインスパイアード土砂サンプラーに適用されます。生物学的材料科学を通じ、アリストテレスの提灯の自然な構造が特徴としています。バイオインスパイアードのデザインは、自然のメカニズムは、現代的な素材と製造技術の使用により増強することができる潜在的なアプリケーションを識別します。最終的なデザインは、自然な歯の構造がどのように進化したかを理解するためにbioexplorationのプリズムを再検討します （ 図3）。ポーター17,18によって提案された最後のbioexplorationステップは、eまでエンジニアリング解析メソッドを使用していますxploreとは、生物学的現象を説明します。 bioinspirationプロセスのすべての重要なステップは、現代の課題を解決するために使用することができる性質によって事前承認された技術を、利用するための例として提示されます。私たちのプロトコルは、Arzt 7によって、特定の用途のために提示前のbioinspiration手順によって動機づけ、生物学者、エンジニア、自然に触発されて他の人を対象としています。

<table><tbody><tr><td>ビューラーメットII 8 PLN 600/P1200</td><td>ビューラー</td><td>305308600102</td><td>研磨用研磨紙</td></tr><tr><td>トライデント ポリッシュ布 8インチ PSA</td><td>ビューラー</td><td>407518</td><td>3 &#956 用ポリッシュ布;mサスペンション</td></tr><tr><td>METADI SUPREME POLY SUSP,3MIC</td><td>ビューラー</td><td>406631</td><td>ポーランド製サスペンション (3&nbsp;&#956;m)</td></tr><tr><td>8インチホイールPSA</td><td>ビューラー</td><td>407218</td><td>50nmサスペンション用ポーランド布</td></tr><tr><td>MASTERPREPサスペンション、6オン</td>ス<td>ビューラー</td><td>636377006</td><td>ポーランドサスペンション(50&nbsp;nm)</td></tr><tr><td>Skyscan 1076 micro-CTスキャナー</td><td>Bruker</td><td></td><td>Micro-CTスキャナー機器</td></tr><tr><td>Amira ソフトウェア</td><td>FEI Visualization Sciences Group</td><td></td><td>Micro-CTスキャンの3D操作用ソフトウェア</td></tr><tr><td>FEI Philips XL30</td><td>FEI Philips</td><td></td><td>ESEM 研磨された歯の断面の特性評価用</td></tr>機器 <tr><td>SolidWorksのデザインソフトウェア</td><td>Dassault Systems</td><td></td><td>CAD図面用設計ソフトウェア 生体模倣デバイス</td></tr><tr><td>用 SolidWorksシミュレーションソフトウェア</td><td>ダッソーシステム</td><td></td>ズ <td>CAD図面のストレステスト用シミュレーションソフトウェア 生体模倣デバイス</td></tr><tr><td>Dimension 1200es</td><td>Stratasys</td><td>CAD図面から生体模倣デバイスを製造するためのStratasys</td><td></td> 3Dプリンタ</tr><tr><td>ABSplus</td><td>Stratasys</td><td></td><td>3Dプリンタ プラスチック</td></tr></tbody></table>

バイオインスパイアードデザインのためのプロトコル：グランドサンプラーウニジョーズに基づいて、

A Protocol for Bioinspired Design: A Ground Sampler Based on Sea Urchin Jaws

生体模倣デザインは、自然からインスピレーションを得て高性能な材料やデバイスを開発する新しい分野です。アリストテレスのランタンとして知られるウニのマウスピースは、筋肉組織と石灰質の歯の複雑なネットワークにより、食べ物をこすったり、切ったり、噛んだり、岩石質の基質に穴を開けたりすることができる、魅力的なバイオインスピレーションの源です。バイオインスピレーションのプロセスには、動物の観察、標本の特性評価、デバイスの作製、メカニズムのバイオ探索が含まれます。バイオリサーチの最後のステップでは、初期の生物学をより深く理解することができます。アリストテレスのランタンの設計構造は、マイクロコンピューター断層撮影法で分析され、個々の歯は走査型電子顕微鏡で調べられ、微細構造が特定されます。バイオインスパイアードデザインは、3Dプリンターで製造され、組み立てられ、テストされて、最も効率的なランタンの開閉メカニズムを決定します。生体にインスパイアードされたランタンの設計から得られた歯は、有限要素解析によって生物探索され、観察された現代のウニでキール歯の構造が進化した理由を力学的な観点から説明しています。この循環型アプローチにより、生物学と自然から新たな結論を引き出すことができます。

アリストテレスの提灯サンプリング装置のバイオインスパイアードデザインが使用される特性評価手法の品質に大きく依存します。 μ-CTのような非侵襲的技術は、バイオインスパイアードデザイン（ 図4）のためのアプリケーション固有の機能強化を適用するために全体のランタンと個々の歯を分析するのに役立ちます。一方、歯の微細構造は、二次電子と個々の歯（ 図5）の研磨した断面の後方散乱電子顕微鏡写真を介して探索することができます。濃い灰色の領域は、歯研削先端の硬い石の一部であり、カルシウム原子を置き換える最大40モル％のマグネシウム原子から構成されています。 BSE-SEM（ 図5）と歯の微細構造の解析は、歯研削先端中のMgに富む石の部分の構造的な重要性を確認しました。プレートと繊維プリマRY要素（カルサイト単結晶、 図5Cの明るい灰...

ウニの顎に基づくサンプリング装置について、バイオインスパイアードデザインのプロトコルが説明されています。バイオインスピレーションプロセスには、ウニの観察、マウスピースの特性評価、歯とその組み立ての3Dプリント、歯の構造のバイオ探索が含まれます。

Bioinspired design is an emerging field that takes inspiration from nature to develop high-performance materials and devices. The sea urchin mouthpiece, ...

このプロトコルの目的は、ウニの口器である「アリストテレスのランタン」の天然構造を調査し、工学的解析を用いて堆積物サンプリングのプロトタイプを開発することで、生物学的特徴をバイオインスパイアードデザイン（生物模倣設計）に適用する検証を行うことです。この手法は、バイオインスパイアードデザイン分野における重要な疑問、具体的には、なぜウニにキール状の歯の構造が進化したのか、そしてそれが堆積物サンプリングにどのように有用であるかという問いに答えるのに役立ちます。この手法の主な利点は、さまざまな天然構造のバイオインスパイアード設計研究のための汎用的な枠組みを提供できることです。同様の構造には、タツノオトシゴの尾、ハコフグの鱗甲、およびフグの棘などが含まれます。技術的な意味において、これは表面探査の独自性を向上させることになります。なぜなら、鉱物ポールにバイオスパー堆積物サンプラーを装着することで、少量のサンプルを効率的に採取できるためです。一般的に、この手法に不慣れな方は、バイオインスパイア（生体模倣）プロトコルの目的が調査する天然構造の種類によって異なるため、苦労することがあります。ウニを解凍した後、歯の先端を上に向けて解剖の準備をしてください。そして、アリストテレスの灯籠の周囲にある結合組織を切り取り始めます。その後、ランタンを慎重に取り出し、流動蒸留水で洗浄します。ピンセットを使用して外側に残っている組織を除去し、ランタンを慎重に開いて歯を取り出します。あるいは、一度乾燥させたランタンを再び水で洗浄すると、構造が崩れるため、より容易に歯を取り出すことができます。次に、歯を取り出し、新しく調製したエポキシ樹脂が入ったチューブに注意深く浸します。湾曲した凹面側を上に向け、歯がチューブの壁面に触れないようにしてください。その後、室温で24時間エポキシ樹脂を硬化させます。翌日、セクショニングソーを用いて、歯の周囲のエポキシ樹脂を約1立方センチメートルまで除去します。次に、125番以上の粗いサンドペーパーを使用し、軽い圧力をかけながら、サンプルを5分間一方向に研磨します。その後、徐々に目の細かいサンドペーパーに変更し、2400番まで研磨を行います。各サンドペーパーの番手ごとに、サンプルを90度回転させてください。各番手での研磨が常に同じ方向に行われていることを確認するため、必要に応じて顕微鏡を使用してください。研磨後、マイクロファイバークロスを、水に溶解させた体積比50%の0.5 µmアルミナ研磨剤で湿らせます。次に、サンプルを5分間、往復運動で研磨します。研磨後、パーティクルフリーのティッシュペーパーを用いてサンプルを清掃し、保存のために同じペーパーで包みます。続いて、走査型電子顕微鏡を用いて歯の微細構造を評価します。スパッタコートを施した後、サンプルの250〜500倍の顕微鏡写真を作像します。次に、ピンクウニ全体と、解剖したばかりのアリストテレスの灯籠のマイクロCTスキャンを行います。イメージングチャンバー内では、サンプルを湿らせたティッシュの上に置いてください。体については、ピーク電圧100 kV、電流100 mAで、等方性ボクセルサイズ36 µmにてスキャンします。ランタンについては、ピーク電圧70 kV、電流141 mAで、等方性ボクセルサイズ約9 µmにてスキャンします。どちらにも1.0 mmのアルミニウムフィルタを使用します。マイクロCTスキャンとCADモデリングを用いて、高さ6 cm、直径8 cmの5本の湾曲した歯を持つ、天然のアリストテレスのランタンの5倍の大きさのバイオインスパイアード設計を製作しました。バイオインスパイアード顎の各コンポーネントについて、3Dプリンティング用のSTLファイルを作成します。まず、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン（ABS）樹脂とサポート材のカートリッジをロードして、3Dプリンターを準備します。次に、ベースのタブをトレイのスロットに合わせて、モデリングベースをzプラットフォームに取り付けます。続いて、STLファイルのパーツを開き、ディスプレイ画面の手順に従って、個々のランタンパーツの向きを調整し、同時にプリントします。ここでは、ジョイントアームを3Dプリントする例を示しています。ファイルの印刷後、モデリングベースをタブから外し、トレイガイドに沿ってプリンターからベースをスライドさせて取り出します。次に、金属製スパチュラを使用して、ベースから印刷物を剥がします。取り出した印刷物を、サポートプラスチック素材が溶解するまで加熱ベースバスに浸します。次に、e型リテーニングリングを両側に使用して、各歯をリンク棒でジョイントアームに固定し、生物模倣アリストテレスのランタンを組み立てます。生物模倣歯のCADファイルを用いて、有限要素法による応力解析試験を行います。まず、ファイルを開きます。新しいスタディを開始します。次に、固定ジオメトリによる静的解析を選択します。その後、インターフェースをクリックし、ピンを挿入する取付穴に固定拘束を追加します。次に、外荷重の大きさを設定します。歯の研削チップの面をクリックし、エッジに45 Newtonの力を加えます。次に、重力を設定します。上面の設定において、重力方向を平面に対して垂直に適用するように指定します。次に、設計表面にメッシュを作成し、メッシュ密度を「fine（細）」に設定します。これでテストを実行し、キールがある歯とない歯を比較します。カラースケールにより、最もストレスの高い領域が示されます。ウニの歯とアリストテレスの灯籠の非侵襲的イメージングは、バイオインスパイアード設計を実現する上で不可欠でした。SEMによる歯の微細構造の詳細な解析により、歯の研磨先端部におけるマグネシウム富化石的部分の構造的な重要性が確認されました。歯の研削チップの最も硬いストーン領域において、プレートおよびファイバーの一次要素は、二次要素のマトリックスによって互いに結合しています。濃い灰色で示されたより硬いストーン部分は、カルシウム原子を置換する最大40%のマグネシウム原子で構成されています。このようにして、生物模倣ランタンがCADソフトウェアで設計され、3Dプリントおよび組み立てられました。この設計の最終目的は、砂を採取することである。設計におけるキールの重要性は、CAD設計を用いたコンピュータ上のストレス解析によって検証された。45 Newtonの力が加わった際、キール付きの歯の設計で生じた最大ストレスは約16%低かった。しかしながら、キールが設計重量に加わる割合はわずか4%にすぎません。バイオインスパイアードな設計プロトコルを試みる際は、生体状態での自然構造を注意深く観察することや、マイクロCTやSEMなどの非侵襲的な特性評価手法を用いることが重要です。この一般的な手順に従えば、他の自然構造から得られたバイオインスパイアード設計を、幅広い工学分野の有用なアプリケーションに実装することができます。マイケル・ポーター教授の研究に基づいた最終的なバイオエクスプロレーション（生物学的探索）のステップは、工学的解析手法を用いてウニの歯におけるキール構造の機械的利点を定量化するために特に不可欠です。

a-protocol-for-bioinspired-design-ground-sampler-based-on-sea-urchin

Research

JoVE Journal

Bioengineering

バイオエンジニアリング（生体工学）

マイクロインジェクションは、卵、胚、および種々の種の細胞にDNA構築物、mRNAは、モルホリノアンチセンスオリゴヌクレオチドまたは他の治療法を送達するために使用される一般的な技術である。...

ウニ​​接合体のハイスループットマイクロインジェクション

本稿では、空間相関化学的、構造的、およびナノインデンテーションを用いAtractosteusへらの多層スケール（A.ヘラ ）の機械的特性をプロービングするために使用される方法を提示し、フーリエ変換赤外（FTIR）分光法、走査電子顕微鏡（SEM）およびX-線が断層撮影（X線CT）を計算しました。実験結果は、保護生物学的材料の設計原理を調査するために使用されてきた。...

多層魚の鱗の特性（<em&gt; Atractosteusヘラ</em&gt;）ナノインデンテーション、X線CT、FTIR、およびSEMを用いて

有限要素解析は、荷重がかかった構造物の機械的性能を調査するためによく使用されるツールです。ここでは、ゼブラフィッシュの顎の生体力学のモデリングにその使用を適用します。...

ゼブラフィッシュジョーバイオメカニクスを調査するために有限要素モデルの構築

ロボットプラットフォームは、流体力学的性能-力と水泳カリフォルニアアシカ-の流れ場を研究するために使用されることが記載されています。ロボットはその推進ストローク（ '拍手'）の動きを再現するために、モータにより作動される動物のforeflipperのモデルです。...

カリフォルニアアシカのForeflipperを研究するためのロボットプラットフォーム

このビデオの記事では、体系的かつ効率的に多くの無脊椎動物の胚では、複雑なシグナル伝達経路および制御ネットワークの構成要素を特徴付けるために使用することができるin vivoでの方法論に簡単な詳細を示します。...

シンプルの力：ウニ胚として<em&gt; in vivoで</em&gt;複雑な細胞間シグナル伝達ネットワークの相互作用を研究するための発達モデル

海面上microplasticsサンプリング、粒子のmicroplasticおよび化学的同定の分離：プロトコルは、以下のための方法論について説明します。このプロトコルは、海洋ごみにMSFD技術サブグループによって公開されmicroplastics監視のための勧告に沿ったものです。...

海面とサンプル分析にMicroplasticsサンプリングのためのプロトコル

この2部構成の研究では、非常に柔軟なポリジメチルシロキサン（PDMS）カンチレバーおよび生存筋細胞（心筋細胞）を用いて生物学的アクチュエータを開発し、特徴付けた。生物学的アクチュエータは、自己安定化したスイミングビオロボを構築するために、改変されたPDMS材料で作られた基材と組み合わされた。...

心筋細胞ベースのアクチュエータおよび自己安定化バイオロゴ - パート1

イメージ ベースの調査は、海洋環境をサンプルにますます実用的な非侵襲的方法です。豊かさを推定するドロップ カメラ調査のプロトコルや大西洋の海ホタテ (Placopecten magellanicus) の分布を紹介しています。我々...

底生動物とその生息地大西洋帆立て貝のドロップ カメラ調査による例示のイメージ調査法

船上用二枚貝の濾過ならびに摂食行動を定量化する biodeposition メソッドを使用するための流れを介してデバイスが変更されました。デバイスを中心に構築二次元ジンバル...

デザインと二枚貝のサスペンションが海で餌を定量化するための装置の使用

バイオインスパイアされた足場は、機械的に堅牢で導電性のヒドロゲルを使用した柔らかいフォトリソグラフィ技術によって製造されています。マイクロパターン化ヒドロゲルは、指向性心筋細胞細胞の位置合わせを提供し、調整された作動方向をもたらす。フレキシブルな微小電極も足場に統合され、自己作動性心臓組織の電気制御性をもたらします。...

生体にインスパイアされたマイクロ電極を用いたソフトロボット

このプロトコルは、海珊瑚の長期的な養殖とモニタリングに適用できるモジュール式の制御可能なマイクロデバイスシステムの開発について説明しています。...

サンゴの成長とモニタリングのための統合マイクロデバイスシステム

学ぶバイオインスパイアードデザインの手法で、ウニの口器構造を応用した堆積物サンプリング装置の開発プロセスを理解できます。3Dプリントと有限要素解析を活用し、生物学的特徴を工学に応用する効率的な研究枠組みを示しています。

バイオインスパイアードデザインのためのプロトコル：グランドサンプラーウニジョーズに基づいて、

さらに動画を探す