Name: Een protocol voor Bioinspired Design: Een Ground Sampler Op basis van Sea Urchin Jaws (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-04-24T14:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 10 s
Description: Leer een bio-geïnspireerd ontwerpprotocol voor sedimentbemonstering gebaseerd op de kaken van zee-egels. Deze methode combineert 3D-printen met engineering-analyse om natuurlijke structuren in technische toepassingen te vertalen.

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

Dit werk wordt ondersteund door Multi-University Research Initiative via het Air Force Office of Scientific Research van de Verenigde Staten (AFOSR-FA9550-15-1-0009) (M. B. F., S. E. N., J.-Y. J., J. M). Het verzamelen van roze zee-egels werd ondersteund door de University of California Ship Funds en de US National Marine Fisheries Service (K.N.S., J.R.A.T). De auteurs danken de volgende personen: Prof. Jerry Tustaniwskyj voor nuttige suggesties tijdens de ontwikkeling van de bio-inspired Aristotle's lantern sampler, Prof. Marc A. Meyers (UCSD, Dept. of Mechanical and Aerospace Engineering, Materials Science and Engineering Program), Prof. Robert L. Sah en Esther Cory (UCSD, Dept. of Bioengineering), en Dr. Maya deVries (Marine Biology Research Division, Scripps Institution of Oceanography). We danken ook de bachelorstudenten Sze Hei Siu, Jerry Ng en Ivan Torres voor het polijsten van de dwarsdoorsneden van de zee-egeltanden.

1. biologische Materials Science <ol><li> Draag persoonlijke beschermingsmiddelen (dat wil zeggen, handschoenen, een veiligheidsbril en laboratoriumjas) en volg alle van toepassing zijnde veiligheidsprocedures voor het gebruik van het ontleden van gereedschappen. </li><li> Spoel de tang en scalpel met gedestilleerd water om te gebruiken voor dissectie. </li><li> Ontdooi een bevroren roze zee-egel bij kamertemperatuur gedurende 1 uur. Plaats een ontdooide model in een glazen schaal met voldoende ruimte om te kunnen de egel en snijgereedschappen manoeuvreren. Draai het egel op zijn kop naar beneden, zodat de tanden tips naar boven. <ol><li> Knip het bindweefsel rond de omtrek van de lantaarn van Aristoteles met de scalpel en til de lantaarn. Spoel de lantaarn af met stromend gedestilleerd water. Gooi ongebruikte egel onderdelen op een juiste afvalcontainer. </li><li> Draai de Aristoteles lantaarn weer, zodat de punten van de tanden naar beneden. Zoek de plumula einde van elke tand (tegenover de tip) naar boven en gebruik de tang om de zorgvolledig schuift individuele tanden van de lantaarn. </li></ol></li><li> Bereid epoxy pot de tanden. Weeg 5 g hars en voeg 1,15 g verharder (bijvoorbeeld, 100 delen hars tot 23 delen verharder gewichtsdelen) in een ondiepe wegwerp plastic bakje. Meng de inhoud samen langzaam, zonder de vorming van bubbels. Opmerking: Laat overgebleven gemengde epoxy in een container met onvoldoende blootstelling aan de atmosfeer. De uitharding is exotherm en kan de omgeving van ontvlambare ontbranden. Houd alle overgebleven gemengd epoxy in een goed geventileerde zuurkast uit de buurt van brandbare voorwerpen. <ol><li> Smeer een 2,5 dram plastic buis (22 mm binnendiameter, 39 mm lengte) met behulp van vaseline aangebracht met een vinger en veeg het overtollige met een tissue. Vul de buis helft met gemengde epoxy. </li><li> Gebruik de tang op te halen een tand en zorgvuldig onderdompelen in de epoxy met de gebogen holle zijde naar boven. Laat de epoxy uitharding bij kamertemperatuur gedurende 24 uur. Let op: Voorkom dat de tand tip afglijden aan te rakende plastic buis muur als de epoxy kuren, omdat dit zal het polijsten van de tip moeilijker. </li></ol></li><li> Plaats de plastic buis met epoxy in een bankschroef. Draai de bankschroef langzaam tot een scheur wordt gemaakt in de plastic buis. Afpellen resterende plastic laag van de epoxy oppervlak. <ol><li> Gebruik een snijden zagen om de epoxy verminderen rond de tand een kleinere blok (1 cm3). </li></ol></li><li> Bereid een schone ruimte voor het polijsten en het opzetten van een vlakke werkplek met een hard plastic bord. Vul een spuitfles met gedestilleerd water. <ol><li> Begin met de laagste grit schuurpapier beschikbaar (bijvoorbeeld 120) en knijp een kleine hoeveelheid water uit de wasfles op het schuurpapier. Met lichte druk wrijven het monster in een heen en weer richting (bijvoorbeeld, links-rechts) gedurende 5 min. </li><li> Afwassen het oppervlak van het monster over een wastafel en veeg met een deeltje-vrij weefsel. Verwijder eventueel overgebleven schuurpapier korrel met samengeperste lucht gedurende 15 sec. </li><li> Gebruik steeds hogere grit schuurpapier (bv, 600 en 2400) te herhalen protocol stappen 1.6.1 en 1.6.2. Onder lichte druk, wrijf het monster in een heen en weer richting loodrecht op de vorige polijststap (bijvoorbeeld tot beneden, links-rechts). Opmerking: Gebruik een lichte microscoop bij 20x vergroting te zien loodrecht krassen kruisen met elkaar grit niveau (bijvoorbeeld 120, 600, 2400). Ga naar de volgende hogere schuurpapier wanneer krassen van het vorige grit level verdwijnen. </li><li> Bereid een spuitfles met 3 urn diamantslijpen suspensie in een 1: 1 gedestilleerd water oplossing. Gebruik een polish doek voor diamant schorsingen te herhalen protocol stappen 1.6.1 en 1.6.2. </li><li> Bereid een spuitfles met 0,5 urn alumina polijstsuspensie in een 1: 1 gedestilleerd water oplossing. Gebruik een microcloth polijsten oppervlak te herhalen protocol stappen 1.6.1 en 1.6.2. Opmerking: Fijn krassen van protocol stappen 1.6.4 en 1.6.5 zal niet visible bij 20X vergroting. Voor deze protocol stappen, polish gedurende 5 min in een heen en weer beweging om alle voorgaande krassen te verwijderen. </li><li> Reinig het gepolijste oppervlak met gedestilleerd water en gebruik partikelvrij weefsel perslucht zorgvuldig drogen. Wrap met deeltjes-vrij weefsel spiegel gepolijste afwerking te behouden. Opmerking: Droog alle oppervlakken polijsten gezicht naar beneden op grote deeltjes vrij weefsels. Opslaan in een plastic koker om stofdeeltjes de afwikkeling op het oppervlak tussen het polijsten keer voorkomen. </li></ol></li><li> Kenmerkend zijn voor de zee-egel tand microstructuur met behulp van scanning elektronenmicroscopie (SEM). Gebruik een sputter coater om iridium met een afzettingssnelheid stroom van 85 mA gedurende 10 seconden sputteren op het gepolijste tandoppervlak een laagdikte van ~ 20 nm. <ol><li> Verkrijgen micrografische afbeeldingen bij 250X - 4,000X vergroting met een SEM. Opmerking: Gebruik 5 kV in de mode scanning electron (SE) en 15 kV in de mode-back verstrooide elektronen (BSE). Gebruik BSE-modus om calciet fib identificereners afgewisseld met Mg-verrijkte polykristallijne matrix. </li></ol></li><li> Voer micro-computertomografie (μ-CT) scans van een heel roze zee-egel en een vers ontleed Aristoteles lantaarn. Plaats elk ontdooid monster in de gesloten kamer container met een vochtig weefsel om een ​​vochtige omgeving, terwijl het scannen te bieden. <ol><li> Scan de hele egel en Aristoteles lantaarn door μ-CT met een isotrope voxel grootte van 36.00 pm en 9,06 pm, respectievelijk. Breng een elektrische potentiaal van 100 kVp en 70 kVp met stroom van 100 mA en 141 mA, voor de gehele egel en Aristoteles lantaarn, respectievelijk met een 1,0 mm aluminium filter voor beide. </li><li> Breng een bundelverharding-algoritme beeldreconstructie tijdens rekenschap voor bundelverharding artefacten als gevolg van de μ-CT x-ray source emitting röntgenstralen meerdere energiebronnen gebruiken protocol van de fabrikant. </li></ol></li><li> Gebruik imaging software te verfijnen image segmentatie en het verwerven van een driehoek mesh model voor de Aristoteles lantaarn structuur. <ol><li> Load en een voorbeeld van Aristoteles lantaarn beeldgegevens van de μ-CT-scan. Overeenkomen met de voxel grootte (9,06 pm) om de waarden van de micro-CT scan. </li><li> Gebruik een volume rendering functie lantaarn van de Aristoteles in 3D-ruimte te visualiseren. Pas de orthogonale slice 2D met het selectiekader module en pas de drempelwaarde / kleur met de Volume Rendering-module. </li><li> Maak masker segmenten voor de regio van belang (bijvoorbeeld zee-egel tand) met behulp van de segmentatie editor. Selecteer XY, YZ en XZ vliegtuigen en de 3D-isometrische weergave. Gebruik de toverstaf (zwarte pijl) om onderscheid te maken tussen de eenvoudige structuren (tand vs. piramide) in de lantaarn van Aristoteles. </li><li> Reconstrueren model oppervlak van de uitgepakte masker segmenten. Selecteer de oppervlaktegeneratie module en toepassen. Schakel het Volume Rendering-instellingen om de zichtbare bovenzijde verdwijnen. Voeg deSurface View module aan de oppervlakte resultaat weer te geven. </li><li> Vereenvoudig het model oppervlak door het verminderen van het aantal gezichten &lt;18.000. </li><li> Bewerk individuele driehoek mazen van het model oppervlak als dat nodig is. Sla het model als een stereolithografie (STL) bestand voor de uitvoer te gebruiken met computerondersteund ontwerp (CAD) modelling software. </li></ol></li></ol> 2. Bioinspired Ontwerp <ol><li> Gebruik de Aristoteles lantaarn uit de micro-CT-scan als een verwijzing naar een bioinspired ontwerp met CAD modelling software. Opmerking: De bioinspired ontwerp heeft vijf gebogen tanden met een hoogte van 6 cm en een diameter van 8 cm voor de gesloten lantaarn. Het wordt opgeschaald ~ 5x van de grootte van de natuurlijke lantaarn van Aristoteles. </li><li> Sla het STL-bestand delen tot een flash drive en de bestanden te uploaden naar een Fused Deposition Modeling (FDM) 3D-printer. <ol><li> Load acrylonitril butadieen styreen (ABS) plastic ondersteuning of kunststof cartridges in de juiste sleuven van de 3D printer. </li><li> Steek de modellering te baseren op de Z-platform en lijn tabs met sleuven op de metalen lade. </li><li> Open elke STL bestandsdelen en volg het beeldscherm stappen om de lantaarn onderdelen tegelijkertijd drukken. Opmerking: Lantaarn onderdelen moeten passen binnen de gebouwschil (25 x 25 x 30 cm 3) voor de 3D-printer. Alle vijf tanden zijn aangebracht op het modelleren basis en tegelijkertijd afgedrukt met de tandkop naar boven. De opbouw bedraagt ​​16 cm 3 per uur en de totale bouwtijd bedraagt ​​ongeveer 8 uur. </li><li> Laat het modelleren voet van de tabs wanneer alle bestanden delen worden gedrukt en schuif de basis van de 3D-printer langs de lade geleiders. </li><li> Gebruik een metalen spatel om alle delen van de basis en een metalen bestand wrikken te slijten extra plastic aan de onderdelen. </li><li> Plaats de afgedrukte onderdelen in een verwarmde basis staan ​​totdat de drager kunststof oplost. </li></ol></li><li> Bevestig elke tand om een ​​gezamenlijke arm met een link staaf en twee E borgringen aan weerszijden. Opmerking: Zie Figuur 6 voor de assemblage van de lantaarn bioinspired Aristoteles. </li></ol> 3. Bioexploration <ol><li> Gebruik het CAD-bestand voor de bioinspired tand om een ​​eindige elementen modellering (FEM) stress-analyse test te doen. <ol><li> Open het bestand (xx.sldprt) om verdere technische analyse te doen. Boven de tab &quot;Office Products&quot;, selecteer de &quot;SolidWorks Simulation&quot; knop. </li><li> Boven de tab &quot;Simulation&quot;, selecteer de &quot;studieadviseur&quot; knop en dan de drop-down optie &#39;Nieuwe studie &quot;. </li><li> Selecteer het type simulatie-test moet worden uitgevoerd door te kiezen voor &quot;Static&quot;. </li><li> Op de statische test lijst, klik met de rechtermuisknop op &quot;Wedstrijden&quot; en selecteer &quot;Fixed Geometry&quot;. </li><li> Klik op de binnenste gezichten fixtures toe te voegen aan de montagegaten waar de pinnen zal gaan. </li><li> Op de statische test lijst, klik met de rechtermuisknop op de &quot;externe belastingen&quot; en Select &quot;Force&quot;. </li><li> Klik op de tand slijpen tip gezichten tot 45 N kracht op de randen. </li><li> Op de statische test lijst, klik met de rechtermuisknop op de &quot;externe belastingen&quot; en selecteer &quot;Gravity&quot;. </li><li> Geef &quot;Top Plane&quot; voor de zwaartekracht loodrecht op het vlak toegepast. </li><li> Op de statische test lijst, klik met de rechtermuisknop op &quot;Netwerk&quot; en selecteer &quot;Create Mesh&quot;. </li><li> Verplaats de schaal bar voor &quot;Mesh Density&quot; helemaal naar rechts voor &quot;Fijn&quot;. </li><li> Op de statische test lijst, klik met de rechtermuisknop op &quot;Static&quot; en selecteer &quot;Run&quot; om de test uit te voeren. Let op: De gekleurde schaal bar voor gebieden met de hoogste spanning en de &#39;Yield Strength &quot;. </li></ol></li><li> Vergelijk stress-analyse testresultaten voor de bioinspired tand met en zonder de kiel. </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>

We hebben niets te onthullen.

Zee-egels gebruik maken van de Aristoteles lantaarn (Figuur 1A) voor een verscheidenheid aan functies (voeding, saai, zwenken, etc.). Het fossiele verslag wijst erop dat de lantaarn in vorm en functie is voortgekomen uit de meest primitieve cidaroid type om de camarodont soort moderne zee-egels 14. Cidaroid lantaarns zijn langsrichting gegroefde tanden (Figuur 1B, boven) en niet-gescheiden spieraanhechting zijn piramidestructuur. Dit beperkt hun op en neer bewegen en...

Het gebied van biologie, biologische materialen wetenschap, biomaterialen, biotechnologie en biochemie gebruik van de première wetenschappelijke technieken en geesten in een poging om een ​​dieper begrip van de ongelooflijke natuurlijke wereld te bieden. Dit onderzoek heeft een groot aantal van de meest verbazingwekkende biologische structuren en organismen uitgelegd; van de intrinsieke taaiheid van menselijk bot 1,2 op de grote snavel van de toekan 3. Een groot deel van deze kennis is moeilijk te gebruiken op een manier die een voordeel kan bieden aan de samenleving. Als gevolg hiervan, de tangentiële gebied van bioinspiration maakt gebruik van de lessen die uit de natuur om moderne materialen om gemeenschappelijke problemen op te lossen. Voorbeelden hiervan zijn superhydrophobic oppervlakken geïnspireerd door lotusbloembladeren 4-6, lijm oppervlakken geïnspireerd op de voeten van gekko&#39;s en insecten 7,8, taai keramiek geïnspireerd door de parelmoer abalone 9-11 en biopsie harvesters geïnspireerd door het mondstuk van de zee-egel, ook wetenn als Aristoteles lantaarn 12,13. Zee-egels zijn ongewervelde dieren bedekt met stekels wiens leefgebied meestal bestaat uit de rotsachtige bedden op de oceaanbodem. Het lichaam (een zogenaamde test) in de grootste urchin soort kan meer dan 18 cm in doorsnede; -test formaat in roze zee-egels (Strongylocentrotus fragilis) in deze studie onderzocht kan groeien tot 10 cm diameter. De Aristoteles lantaarn bestaat uit vijf voornamelijk calciumcarbonaat tanden ondersteund door piramidestructuren uit gemineraliseerd weefsel en gerangschikt in een formatie koepelachtige alle omsluiten maar het slijpen distale uiteinden van de tanden (Figuur 1A). De spier structuur van de kaken in staat is om efficiënt kauwen en schrapen zelfs tegen harde oceaan rotsen en koralen. Wanneer de kaken open is, de tanden uitsteken naar buiten en wanneer de kaken in de buurt, de tanden te trekken naar binnen in één vloeiende beweging. Vergelijking tussen primitive (boven) en moderne (hieronder) zee-egel tand doorsneden (figuur 1B) geeft aan dat een keeled tand geëvolueerd om de tand te versterken bij het ​​slijpen tegen harde substraten. Elke individuele tand enigszins convexe kromming en een T-vormige morfologie in het horizontale vlak (loodrecht op de groeirichting) als gevolg van de in langsrichting vaste kiel (Figuur 1C, D). Bioinspiration begint met het observeren van interessante natuurlijke fenomenen, zoals de efficiënte kauwen beweging van de lantaarn van Aristoteles in de zee-egels. Deze natuurlijke structuur in eerste instantie in de ban van Aristoteles, omdat het hem deed denken aan een hoorn lantaarn met de ruiten van hoorn weggelaten. Meer dan twee millennia later, Scarpa was gefascineerd door de complexiteit van de lantaarn van Aristoteles dat hij en later Trogu nagebootst van de natuurlijke kauwen beweging met behulp van alleen papier en elastiekjes (Figuur 2A) 15,16. Evenzo Jelinek werd bioinspired de chouwen beweging van de lantaarn van Aristoteles en ontwikkelde een beter biopsie oogstmachine die veilig tumorweefsel zonder verspreiden kankercellen (figuur 2B, C) ​​12,13 kan isoleren. In dit geval werd bioinspired ontwerp gebruikt om een ​​biomedische inrichting die een specifieke behoefte aan een gewenste toepassing te passen. Het ontwerp-protocol hier beschreven is van toepassing op een sediment sampler bioinspired door zee-egels. Door middel van biologische materialen wetenschap, wordt de natuurlijke structuur van de lantaarn Aristoteles &#39;gekarakteriseerd. Bioinspired ontwerp identificeert potentiële toepassingen waar de natuurlijke mechanismen kan worden verbeterd door het gebruik van moderne materialen en fabricagetechnieken. Het uiteindelijke ontwerp is opnieuw onderzocht door het prisma van bioexploration te begrijpen hoe de natuurlijke tand structuur geëvolueerd (Figuur 3). De laatste bioexploration stap, door Porter 17,18 voorgesteld, maakt gebruik van technische analyse methoden om explore en uitleggen biologische verschijnselen. Alle belangrijke stappen van de werkwijze bioinspiration worden gepresenteerd als een voorbeeld voor het benutten technologie, vooraf goedgekeurde aard, die kan worden gebruikt voor het oplossen moderne problemen. Ons protocol, gemotiveerd door de vorige bioinspiration procedures gepresenteerd voor specifieke toepassingen door Arzt 7, is bedoeld voor biologen, ingenieurs en iedereen die is geïnspireerd door de natuur.

<table><tbody><tr><td>BUEHLERMET II 8 PLN 600/P1200</td><td>Buehler</td><td>305308600102</td><td>Schuurpapier voor polijsten</td></tr><tr><td>TRIDENT POLISH CLOTH 8" PSA</td><td>Buehler</td><td>407518</td><td>Polijstdoek voor 3 &#956;m suspensie</td></tr><tr><td>METADI SUPREME POLY SUSP,3MIC</td><td>Buehler</td><td>406631</td><td>Polijstschorsing (3&nbsp;&#956;m)</td></tr><tr><td>MICROCLOTH FOR 8 IN WHEEL PSA</td><td>Buehler</td><td>407218</td><td>Polijstdoek voor 50 nm suspensie</td></tr><tr><td>MASTERPREP SUSPENSION, 6 OZ</td><td>Buehler</td><td>636377006</td><td>Polijstschorsing (50&nbsp;nm)</td></tr><tr><td>Skyscan 1076 micro-CT Scanner</td><td>Bruker</td><td></td><td>Micro-CT scanner apparatuur</td></tr><tr><td>Amira software</td><td>FEI Visualization Sciences Group</td><td></td><td>Software voor 3D manipulatie van Micro-CT scans</td></tr><tr><td>FEI Philips XL30</td><td>FEI Philips</td><td></td><td>ESEM apparatuur voor karakterisering van gepolijste tanddoorsneden</td></tr><tr><td>SolidWorks Design software</td><td>Dassault Systems</td><td></td><td>Ontwerpsoftware voor CAD-tekening bioinspired apparaat</td></tr><tr><td>SolidWorks Simulation software</td><td>Dassault Systems</td><td></td><td>Simulatiesoftware voor stresstest van CAD-tekening bioinspired apparaat</td></tr><tr><td>Dimension 1200es</td><td>Stratasys</td><td></td><td>3D-printer voor fabricage van bioinspired apparaat uit CAD-tekening</td></tr><tr><td>ABSplus</td><td>Stratasys</td><td></td><td>3D-printer plastic</td></tr></tbody></table>

een protocol voor bioinspired design: een ground sampler op basis van sea urchin jaws

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

Bioinspired ontwerp is een opkomend veld dat inspiratie haalt uit de natuur om hoogwaardige materialen en apparaten te ontwikkelen. De mondstukken van zee-egels, bekend als de lantaarn van Aristoteles, zijn een boeiende bron van bio-inspiratie met een ingewikkeld netwerk van spieren en kalktanden die voedsel kunnen schrapen, snijden, kauwen en gaten boren in rotsachtige substraten. We beschrijven het bio-inspiratieproces als inclusief dierenobservatie, specimenkarakterisering, apparaatfabricage en mechanismebio-exploratie. De laatste stap van bio-exploratie maakt een dieper begrip van de initiële biologie mogelijk. De ontwerparchitectuur van de lantaarn van Aristoteles wordt geanalyseerd met micro-computed tomografie en individuele tanden worden onderzocht met rasterelektronenmicroscopie om de microstructuur te identificeren. Bioinspired ontwerpen worden gemaakt met een 3D-printer, geassembleerd en getest om het meest efficiënte opening- en sluitingsmechanisme van de lantaarn te bepalen. Tanden van het bioinspired lantaarn-ontwerp worden onderzocht via eindige elementenanalyse om vanuit een mechanisch perspectief te verklaren waarom kieltandenstructuren zijn geëvolueerd bij de moderne zee-egels die we hebben waargenomen. Deze circulaire aanpak maakt nieuwe conclusies mogelijk die getrokken kunnen worden uit biologie en natuur.

Bioinspired ontwerp van de Aristoteles lantaarn sampling apparaat hangt sterk af van de kwaliteit van de karakterisering methoden. Non-invasieve technieken zoals μ-CT zijn nuttig voor het analyseren van de gehele lantaarn en afzonderlijke snijkanten toepassingsspecifieke uitbreidingen gelden voor bioinspired vormgeving (figuur 4). Ondertussen kan de tand microstructuur worden onderzocht via secundaire elektronen en back-verstrooide elektronen microfoto van het gepolijste...

Er wordt een protocol voor bioinspired ontwerp beschreven voor een bemonsteringsapparaat gebaseerd op de kaken van een zee-egel. Het bioinspiration-proces omvat het observeren van de zee-egels, het karakteriseren van de mondstuk, 3D-printen van de tanden en hun samenstelling, en het bio-exploring van de tandstructuur.

Een protocol voor Bioinspired Design: Een Ground Sampler Op basis van Sea Urchin Jaws

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

Het doel van dit protocol is om de natuurlijke structuur van het mondapparaat van de zee-egel, de lantaarn van Aristoteles, te onderzoeken om een prototype voor sedimentbemonstering te ontwikkelen. Hierbij wordt engineering-analyse gebruikt om de toepassing van biologische kenmerken in bio-geïnspireerde ontwerpen te testen. Deze methode kan helpen bij het beantwoorden van kernvragen binnen het vakgebied van bio-geïnspireerd ontwerp. Specifiek waarom een gekielde tandstructuur is geëvolueerd bij zee-egels en hoe dit nuttig zou kunnen zijn voor sedimentbemonstering.Het belangrijkste voordeel van deze techniek is dat het een algemeen kader biedt voor bio-geïnspireerde ontwerpstudies van diverse natuurlijke structuren. Andere dergelijke structuren zijn onder meer de staart van het zeepaardje, de schubben van de kokervis en de stekels van de kogelvis. De implicaties hiervan maken deze verbetering technisch gezien een eigenzinnige oppervlakteverkenning, omdat minerale polen die zijn uitgerust met bio-spar sedimentmonstersnemers efficiënt kleine monsters kunnen verzamelen.Over het algemeen zullen personen die nieuw zijn met deze methode moeite hebben, omdat de doelstellingen voor elk bio-

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

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Bio-engineering

Microinjectie is een veelgebruikte techniek gebruikt om DNA constructen mRNA, morfolino antisense oligonucleotiden of andere behandelingen te leveren in eieren, embryo's en cellen van verschillende soorten.

High Throughput micro-injecties van Sea Urchin Zygotes

Dit document presenteert de voor sonderen ruimtelijk gecorreleerde chemische, structurele en mechanische eigenschappen van het meerlagige omvang van Atractosteus spatel (A. spatel) met nanoindentation methoden Fourier transformatie infrarood (FTIR) spectroscopie, scanning elektronen microscopie (SEM), en X- ray tomografie (X-ray CT). De experimentele resultaten zijn gebruikt om de ontwerpprincipes beschermende biologisch materiaal onderzocht.

Karakterisering van Multi-layered Fish Scales (<em&gt; Atractosteus spatel</em&gt;) Met behulp Nanoindentation, röntgen-CT, FTIR en SEM

Finite Element Analysis is een veelgebruikt hulpmiddel om de mechanische prestaties van structuren onder belasting te onderzoeken. Hier passen we het toe op het modelleren van de biomechanica van de bek van de zebravis.

Het bouwen van Finite Element modellen te onderzoeken zebravis Jaw biomechanica

Een robot platform wordt beschreven dat zal worden gebruikt om de hydrodynamische prestatie-krachten en flowfields-van het zwemmen Californische zeeleeuw bestuderen. De robot is een model van foreflipper van het dier dat wordt aangedreven door motoren om de beweging van de voortstuwende slag (de 'druiper') te repliceren.

Een Robotic Platform aan de Foreflipper van de Californische zeeleeuw Studie

Deze video artikel beschrijft een eenvoudige in vivo methodiek die gebruikt kunnen worden om systematisch en efficiënt te karakteriseren componenten van complexe signaalwegen en regulatorische netwerken in vele ongewervelde embryo's.

De kracht van eenvoud: Sea Urchin Embryo&#39;s als<em&gt; In Vivo</em&gt; Developmental Modellen voor het bestuderen van complexe Cell-to-cell signaling Network Interactions

De onderstaande protocol beschrijft de methode voor: microplastics bemonstering op het zeeoppervlak, scheiding van microplastic en chemische karakteristieken van de deeltjes. Dit protocol is in lijn met de aanbevelingen voor microplastics controle uitgegeven door de krm technische subgroep Marine Litter.

Protocol voor microplastics bemonstering op het zeeoppervlak en Sample Analysis

In deze tweedelige studie werd een biologische actuator ontwikkeld met behulp van zeer flexibele polydimethylsiloxaan (PDMS) cantilevers en levende spiercellen (cardiomyocyten) en gekenmerkt. De biologische actuator werd geïntegreerd met een basis gemaakt van gemodificeerde PDMS materialen om een ​​zelfstabiliserende, zwemmende biorobot te bouwen.

Cardiac Spier-Cell Based Actuator en Zelfstabiliserende Biorobot - DEEL 1

Beeld gebaseerde landmeten is een steeds meer praktische, niet-invasieve methode om te proeven van het mariene milieu. Wij presenteren het protocol van een daling van de camera enquête die schat van de overvloed en verdeling van de Atlantische zee mantel (Placopecten magellanicus). We bespreken hoe dit protocol kan worden gegeneraliseerd voor toepassing op andere benthische macroinvertebrates.

Methoden voor beeld-gebaseerde enquêtes van benthische Macroinvertebrates en hun leefgebied wordt geïllustreerd door de Drop Camera enquête voor de Atlantische zee mantel

Een doorstroom apparaat voor het gebruik van de biodeposition-methode te kwantificeren filtratie en voeding gedrag van tweekleppige weekdieren is bewerkt voor gebruik aan boord. Een tabel van de tweedimensionale gimbal gebouwd rond het apparaat isoleert het apparaat van de beweging van de boot, waardoor de nauwkeurige kwantificering van tweekleppige filtratie variabelen op offshore schelpdieren aquacultuurinstallaties.

Ontwerp en gebruik van een apparaat voor het kwantificeren van tweekleppige schorsing voeding op zee

Een bioinspired steiger wordt vervaardigd door een zachte fotolithografietechniek met mechanisch robuuste en elektrisch geleidende hydrogels. De micropatroon hydrogels bieden directionele cardiomyocyte cel uitlijning, wat resulteert in een op maat gemaakte richting van actuatie. Flexibele micro-elektroden zijn ook geïntegreerd in het schavot om elektrische controleerbaarheid voor een zelf-actulerend hartweefsel te brengen.

Bioinspired Soft Robot met ingebouwde micro-elektroden

Dit protocol beschrijft de ontwikkeling van een modulair bestuurbaar micro-device systeem dat kan worden toegepast voor het langdurig kweken en monitoren van zeekoralen.

Een geïntegreerd micro-apparaatsysteem voor koraalgroei en -monitoring

Leer een bio-geïnspireerd ontwerpprotocol voor sedimentbemonstering gebaseerd op de kaken van zee-egels. Deze methode combineert 3D-printen met engineering-analyse om natuurlijke structuren in technische toepassingen te vertalen.

Een protocol voor Bioinspired Design: Een Ground Sampler Op basis van Sea Urchin Jaws

Meer video's verkennen