밀리미터 규모 굴곡 테스트 시스템 해양 스폰지 Spicules의 기계적 특성을 측정 하기 위한
October 11th, 2017
우리는 주문 품 기계 테스트 장치를 사용 하 여 하위 밀리미터 규모 섬유에 3 포인트 벤딩 테스트를 수행 하기 위한 프로토콜을 제시. 소자 최대 10 N 20 µN에서 배열 하는 힘을 측정할 수 있으며 따라서 다양 한 섬유 크기를 수용할 수 있습니다.
이 실험의 전반적인 목표는 직경이 10에서 100마이크로미터 사이인 섬유의 굴곡 거동을 측정하는 것입니다. 이 방법은 해양 스폰지 스피큘의 강도 및 강성 특성과 같은 생물학적 구조의 기계적 거동에 대한 주요 질문에 답하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이 기술의 주요 장점은 크기와 탄성 특성이 다른 다양한 재료의 기계적 거동을 측정하는 데 사용할 수 있다는 것입니다.
이 방법은 스피큘의 기계적 거동에 대한 통찰력을 제공할 수 있지만 식물 줄기 및 깃털 라키세와 같은 다른 하중을 견디는 생물학적 구조에도 적용할 수 있습니다. 시작하려면 번호 4-40 소켓 헤드 캡 나사를 사용하여 로드 포인트를 캔틸레버에 부착합니다. 로드 포인트를 부착하는 동안 캔틸레버 암이 소성으로 변형되지 않도록 주의하십시오.
그런 다음 로드 포인트 팁을 캔틸레버 플레이트에서 멀리 놓고 번호 6-32 소켓 헤드 캡 나사를 사용하여 캔틸레버를 플레이트에 느슨하게 부착합니다. 그런 다음 캔틸레버와 플레이트를 통해 1/8인치 정렬 핀을 삽입하고 나사를 조인 다음 정렬 핀을 제거합니다. 센서 마이크로미터를 시계 반대 방향으로 돌려 광섬유 변위 센서를 최대한 집어넣습니다.
그런 다음 로드 포인트 팁이 음의 z 방향을 가리키는 6-32 소켓 헤드 캡 나사를 사용하여 캔틸레버 플레이트를 프레임에 느슨하게 부착합니다. 다시 1/8인치 정렬 핀을 이번에는 프레임과 캔틸레버 플레이트를 통해 삽입하고 나사를 조인 다음 정렬 핀을 제거합니다. 이제 스테이지 베이스 플레이트에 스테이지를 장착하여 레벨링 플레이트의 마이크로미터 헤드 끝이 스테이지 베이스 플레이트 디봇에 놓이도록 합니다.
격리 테이블에 기포 수준을 놓고 표면이 수평이 되도록 밸브 암 나비 나사를 돌려 테이블 각 다리의 압력을 조정합니다. 거품 수준을 스테이지 레벨링 플레이트의 상단으로 이동하고 마이크로미터도 수평이 되도록 조정합니다. 마이크로미터 위치를 확인하고 s를 제거합니다.tage 베이스 플레이트에서.
핀셋을 사용하여 하나의 앵커 스피큘의 말단 끝을 잡고 당겨 골격에서 제거합니다. 깨끗한 현미경 슬라이드에 스피큘을 놓습니다. 퀸튜플 제로 사이즈 레드 세이블 브러시를 사용하여 스피큘을 슬라이드에 대고 잡습니다.
슬라이드 표면에 수직인 브러시 양쪽의 스피큘에 면도날을 밀어 스피큘의 4mm 부분을 자릅니다. 그런 다음 원위 및 근위 spicule 섹션을 버리고 중간 지점에서 4mm 섹션을 절단한 상태로 유지합니다. spicule 섹션을 s로 옮깁니다.amp르 스테이지.
굽힘 테스트를 위해 원하는 스팬으로 트렌치를 가로질러 배치하고 트렌치 융기에 대해 양의 y 방향으로 부드럽게 밀어 스피큘이 트렌치 가장자리에 수직이 되도록 합니다. 스테이지 베이스 플레이트에 스테이지를 장착하여 마이크로미터 스핀들의 팁이 스테이지 베이스 플레이트 디봇에 놓이도록 합니다. 필요한 경우 s의 마이크로미터를 조정하십시오.tage 레벨링 플레이트.
추가 코드 파일에 있는 굽힘 테스트 프로그램을 열고 사용자 인터페이스에 표시된 텍스트 상자를 사용하여 단계 크기를 2마이크로미터로, 최대 변위를 0.5mm로, 저전압 정지를 1.5볼트로, 고전압 정지를 4.6볼트로 설정합니다. 원하는 이미지, 데이터 디렉토리 및 출력 파일 이름을 사용자 인터페이스의 텍스트 상자를 사용하여 선택합니다. 그런 다음 사용자 인터페이스의 이미지 저장 스위치를 아래쪽 위치로 설정하고 Voltage Difference라는 단어 아래에 있는 녹색 직사각형 버튼을 클릭하여 조명을 켭니다.
이제 굽힘 테스트 프로그램을 실행하고 모터 컨트롤러와 카메라 인터페이스가 초기화될 때까지 기다립니다. 조명기를 켜고 부하 지점 팁이 보이도록 밝기를 조정합니다. 그런 다음 사용자 인터페이스 그래프에 표시된 출력 전압이 약 1.7볼트가 될 때까지 광섬유 변위 센서를 마이크로미터 시계 방향으로 돌립니다.
이제 z축 모터 컨트롤러의 전위차계 슬라이더를 사용하여 로드 포인트 팁에서 약 1cm 아래에 있을 때까지 스테이지를 양의 z 방향으로 이동하고 홈 버튼을 클릭하여 z축 홈 위치를 설정합니다. x축 및 y축 모터 컨트롤러의 전위차계 슬라이더를 사용하여 트렌치에서 음의 x 방향으로 샘플 스테이지에 위치한 얇은 강철 스트립의 중심 위에 하중 지점 팁을 배치합니다. 그런 다음 z축 모터 컨트롤러의 전위차계 슬라이더를 사용하여 스테이지가 현미경의 시야 내에 있을 때까지 스테이지를 양의 z 방향으로 이동합니다.
테스트 시작이라고 표시된 단추를 클릭하고 메시지가 표시되면 터치 감도 및 터치 오프 단계 크기에 대해 각각 0.003V 및 0.001mm 값을 입력합니다. 확인을 클릭하고 보정 단계가 완료될 때까지 몇 분 정도 기다립니다. 추가 코드 파일에 있는 기본 데이터 프로그램을 열고 실행하고 사용자 인터페이스 그래프에 표시된 출력 전압이 약 3볼트가 될 때까지 광섬유 변위 센서를 마이크로미터 시계 반대 방향으로 돌립니다.
그런 다음 x축 모터 컨트롤러의 전위차계 슬라이더를 사용하여 스피큘 위의 트렌치 가장자리 사이에 하중 포인트 팁을 배치합니다. 또한 z축 모터 컨트롤러의 전위차계 슬라이더를 사용하여 로드포인트 팁이 트렌치 능선의 상단 표면 아래에 있을 때까지 스테이지를 양의 z 방향으로 이동합니다. 마지막으로, y축 모터 컨트롤러의 전위차계 슬라이더를 사용하여 하중점 팁의 전체 너비가 트렌치 융기의 가장자리 사이에 있도록 트렌치 융기의 전면에 초점을 맞춥니다.
그런 다음 중지 버튼을 클릭하여 기본 데이터 프로그램을 중지합니다. 그런 다음 추가 코드 파일에 있는 대로 Center Load Point 프로그램을 열고 실행합니다. x축 모터 컨트롤러를 사용하여 로드 포인트 팁이 오른쪽 트렌치 가장자리와 거의 접촉할 때까지 스테이지를 이동합니다.
그런 다음 엣지 찾기 버튼을 클릭합니다. 메시지가 표시되면 x축 모터 컨트롤러를 사용하여 부하 지점 팁이 왼쪽 트렌치 가장자리와 거의 접촉할 때까지 스테이지를 이동합니다. 이 시점에서 에지 찾기 버튼을 다시 클릭하고 프로그램이 트렌치 스팬을 가로질러 중간에 하중 포인트 팁을 배치할 때까지 기다립니다.
그런 다음 굽힘 테스트 프로그램을 엽니다. 사용자 인터페이스의 텍스트 상자를 사용하여 단계 크기를 2마이크로미터로, 최대 변위를 0.5mm로, 저전압 정지를 1.5볼트로, 고전압 정지를 4.5볼트로 설정합니다. 또한 사용자 인터페이스의 텍스트 상자를 사용하여 원하는 이미지 및 데이터 디렉터리와 출력 파일 이름을 선택합니다.
사용자 인터페이스에서 이미지 저장 스위치를 위쪽 위치로 설정하고 Voltage Difference 단어 아래에 있는 녹색 사각형 버튼을 클릭하여 조명이 켜지지 않도록 합니다. 그런 다음 굽힘 테스트 프로그램을 실행하고 모터 컨트롤러와 카메라 인터페이스가 초기화될 때까지 기다립니다. 초기화되면 스피큘이 현미경의 시야 내에 올 때까지 모터 컨트롤러의 전위차계 슬라이더를 사용하여 스테이지를 양의 z 방향으로 이동합니다.
그런 다음 y축 모터 컨트롤러의 전위차계 슬라이더를 사용하여 스피큘이 부하 포인트 팁 아래에 있을 때까지 스테이지를 이동합니다. 다음으로, 사용자 인터페이스에서 스피큘에 초점이 맞춰지도록 현미경 초점 노브를 조정합니다. 그런 다음 출력 전압이 약 1.8볼트가 될 때까지 광섬유 변위 센서 마이크로미터를 시계 반대 방향으로 돌립니다.
설정이 완료되면 테스트 시작을 클릭하고 굽힘 테스트가 완료되고 스테이지가 z축 홈 위치로 돌아갈 때까지 기다립니다. z 방향의 스피큘 변위와 하중 포인트 팁에 의해 가해지는 힘은 전압 변위 보간 파일, 힘 교정 파일 및 3점 굽힘 테스트에서 얻은 굽힘 테스트 파일을 사용하여 계산할 수 있습니다. 전압 변위 보간 파일은 굽힘 테스트 중 캔틸레버 변위를 측정하는 데 사용됩니다.
캔틸레버의 강성을 추정하기 위해 힘 보정이 사용되며, 이는 캔틸레버 변위를 로드 포인트 팁에 의해 가해지는 힘과 관련시키는 데 사용됩니다. 이를 종합하면 힘 변위 응답을 생성하는 데 사용할 수 있습니다. 여기에 표시된 것은 성공적인 3점 굽힘 테스트에서 얻은 세 가지 다른 E.aspergillum 앵커 스피큘입니다.
마스터하면 약 10-15분 안에 이 장치로 굽힘 테스트를 수행할 수 있습니다. 이 절차의 가장 중요한 측면은 스피큘이 스테이지에 제대로 안착되고 축이 트렌치 가장자리에 수직이 되도록 하는 것입니다. 3점 굽힘 테스트는 하중을 견디는 생물학적 구조를 연구하는 연구자가 기계적 거동에 대한 통찰력을 얻을 수 있는 비교적 간단한 방법을 제공합니다.
굽힘 테스트 후 빔 이론을 사용하여 힘 변위 데이터에서 스피큘 Young의 계수 및 파괴 강도를 계산할 수 있습니다.
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개요
이 기사는 직경이 10~100 마이크로미터인 섬유의 굴곡 거동을 측정하기 위한 프로토콜을 제시합니다. 이 장치는 20 µN에서 10 N까지의 힘을 측정할 수 있어 다양한 섬유 크기에 적합합니다.
주요 연구 구성 요소
과학 분야
- 생물학적 구조물의 기계적 테스트
- 재료 과학
- 생체역학
배경
- 연구는 생물학적 섬유의 기계적 거동에 중점을 둡니다.
- 바다 스폰지 스피큘의 강도와 강성을 이해하는 중요성을 강조합니다.
- 이 방법은 식물 줄기와 깃털과 같은 다른 생물학적 구조에도 적용할 수 있습니다.
- 맞춤형 기계적 테스트 장치는 측정 능력을 향상시킵니다.
연구 목적
- 작은 직경의 섬유의 굴곡 특성을 측정합니다.
- 바다 스폰지 스피큘의 기계적 거동을 조사합니다.
- 다양한 생물학적 구조에 적용할 수 있는 통찰력을 제공합니다.
사용된 방법
- 섬유의 3점 굴곡 테스트.
- 맞춤형 기계적 테스트 장치의 사용.
- 20 µN에서 10 N까지의 힘 측정.
- 변형을 피하기 위해 하중 지점을 조심스럽게 부착합니다.
주요 결과
- 섬유의 굴곡 거동 측정 성공.
- 바다 스폰지 스피큘의 기계적 특성에 대한 통찰력.
- 다양한 재료에 대한 방법의 다양성 시연.
- 다른 생물학적 구조에 대한 잠재적 응용 가능성.
결론
- 이 프로토콜은 섬유 역학 테스트를 위한 신뢰할 수 있는 방법을 제공합니다.
- 연구 결과는 생물학적 재료 특성을 이해하는 데 기여합니다.
- 이 기술은 광범위한 생물학적 응용 분야에 적용할 수 있습니다.
자주 묻는 질문
Executive Industry Relevance
Quantitative flexural testing of sub-millimeter biological fibers enables precise mechanical characterization critical for early-stage biomaterials discovery and validation. This capability supports predictive confidence in the mechanical performance of novel load-bearing structures, informing both target selection and risk-adjusted advancement in biopharma R&D portfolios. The approach bridges a key measurement gap for small, non-microscopic biological constructs relevant to translational biomaterials research.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables direct measurement of strength and stiffness in candidate biomaterials.
- Supports mechanistic de-risking by quantifying load-bearing capacity of biological fibers.
- Facilitates hypothesis testing regarding structure-function relationships in novel biomaterials.
Screening & Assay Development
- Provides standardized, reproducible three-point bending assays for small-diameter fibers.
- Generates quantitative force-displacement data suitable for comparative screening.
- Allows adjustment of device parameters to accommodate diverse sample types and sizes.
Translational & Preclinical Research
- Enables alignment of mechanical properties with translational biomaterial requirements.
- Supports continuity from discovery through preclinical validation of load-bearing constructs.
- Reduces uncertainty in advancing candidates with defined mechanical performance profiles.
Pipeline & Workflow Integration
This flexural testing system fits within the discovery-to-preclinical continuum for biomaterials, supporting both early hypothesis testing and downstream validation of mechanical properties.
- Discovery Biology: Quantifies mechanical behavior to clarify structure-function hypotheses in candidate biomaterials.
- Screening: Delivers reproducible, quantitative outputs for cross-sample comparison and ranking.
- Analytics: Provides force-displacement curves and derived mechanical parameters for robust statistical analysis.
- Translational Research: Aligns mechanical testing outputs with preclinical performance benchmarks.
- Enterprise Reuse: Adaptable device design supports repeated use across diverse biological and synthetic fiber systems.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in biomaterial mechanical performance and target validation.
- Operational Value: Standardizes flexural testing for small-scale biological structures, improving reproducibility.
- Strategic Value: Informs go/no-go decisions by providing quantitative mechanical benchmarks early in development.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of biomaterial candidates based on validated mechanical properties.
Implementation Considerations
- Requires expertise in mechanical testing and calibration of micro-scale devices.
- Needs access to precision instrumentation, including displacement sensors and motorized stages.
- Demands rigorous cross-team standardization of sample preparation and test parameters.
- Adaptable to a range of biological and synthetic fiber systems with appropriate calibration.
- Careful sample mounting and alignment are critical to ensure valid, reproducible results.
