Artykuł metodologiczny

Protokół projektowania inspirowanego biologią: próbnik naziemny oparty na szczękach jeżowców

DOI:

10.3791/53554

⸱

24 kwietnia 2016

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Materials Science and Engineering Program, University of California, San Diego, 2Department of Mechanical and Aerospace Engineering, University of California, San Diego, 3Integrative Oceanography Division, Center for Marine Biodiversity and Conservation, Scripps Institution of Oceanography, 4Marine Biology Research Division, Scripps Institution of Oceanography

W tym artykule

Podsumowanie

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

Protokół dla projektowania inspirowanego biologicznie jest opisany dla urządzenia do pobierania próbek opartego na szczękach jeżowca. Proces bioinspiracji obejmuje obserwację jeżowców, charakterystykę ustnika, drukowanie 3D zębów i ich montaż oraz bioeksplorację struktury zębów.

Streszczenie

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

Projektowanie inspirowane biologicznie to rozwijająca się dziedzina, która czerpie inspirację z natury, aby opracowywać wysokowydajne materiały i urządzenia. Ustnik jeżowca, znany jako latarnia Arystotelesa, jest fascynującym źródłem inspiracji biologicznej dzięki skomplikowanej sieci mięśni i wapiennych zębów, które mogą skrobać, ciąć, żuć jedzenie i wiercić w skalistych podłożach. Opisujemy proces bioinspiracji jako obejmujący obserwację zwierząt, charakterystykę próbek, wytwarzanie urządzeń i bioeksplorację mechanizmów. Ostatni etap bioeksploracji pozwala na głębsze zrozumienie początkowej biologii. Architektura projektowa latarni Arystotelesa jest analizowana za pomocą mikrotomografii komputerowej, a poszczególne zęby są badane za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej w celu zidentyfikowania mikrostruktury. Projekty inspirowane biologią są wytwarzane za pomocą drukarki 3D, montowane i testowane w celu określenia najbardziej wydajnego mechanizmu otwierania i zamykania latarni. Zęby z inspirowanej biologicznie latarni są badane biologicznie za pomocą analizy elementów skończonych, aby wyjaśnić z mechanicznego punktu widzenia, dlaczego stępione struktury zębów ewoluowały u współczesnych jeżowców, które zaobserwowaliśmy. To cyrkularne podejście pozwala na wyciąganie nowych wniosków z biologii i natury.

Wprowadzenie

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

Dziedziny biologii, materiałoznawstwa biologicznego, biomateriałów, bioinżynierii i biochemii wykorzystują najlepsze techniki naukowe i umysły, próbując zapewnić głębsze zrozumienie niesamowitego świata przyrody. Badania te wyjaśniły wiele z najbardziej niesamowitych struktur biologicznych i organizmów; Od wewnętrznej wytrzymałości ludzkiej kości1,2 do dużego dzioba tukana3. Jednak wiele z tej wiedzy jest trudnych do wykorzystania w sposób, który może przynieść korzyści społeczeństwu. W rezultacie, styczna dziedzina bioinspiracji wykorzystuje lekcje zdobyte w naturze do nowoczesnych materiałów w celu rozwiązywania typowych problemów. Przykładami są powierzchnie superhydrofobowe inspirowane liśćmi lotosu4-6, powierzchnie adhezyjne inspirowane stopami gekonów i owadów7,8, twarda ceramika inspirowana masą perłową uchowca9-11 oraz kombajny do biopsji inspirowane ustnikiem jeżowca, znanym również jako latarnia Arystotelesa12,13.

Jeżowce to zwierzęta bezkręgowe pokryte kolcami, których siedlisko najczęściej składa się ze skalistych dna na dnie oceanu. Ciało (zwane testem) u największych gatunków jeżowców może mieć ponad 18 cm średnicy; rozmiar testowy u różowych jeżowców (Strongylocentrotus fragilis) badanych w tym badaniu może wzrosnąć do 10 cm średnicy. Latarnia Arystotelesa składa się z pięciu zębów z przewagą węglanu wapnia, wspartych na strukturach piramidalnych złożonych ze zmineralizowanej tkanki i ułożonych w formację przypominającą kopułę, która obejmuje wszystkie oprócz dystalnych końcówek zgrzytających zębów (ryc. 1A).

Struktura mięśniowa szczęk jest zdolna do efektywnego żucia i skrobania nawet o twarde skały oceaniczne i koralowce. Kiedy szczęki się otwierają, zęby wystają na zewnątrz, a gdy szczęki się zamykają, zęby chowają się do wewnątrz jednym płynnym ruchem. Porównanie pierwotnych (powyżej) i współczesnych (poniżej) przekrojów zębów jeżowca (ryc. 1B) wskazuje, że ząb stępiony wyewoluował, aby wzmocnić ząb podczas szlifowania o twarde podłoża. Każdy pojedynczy ząb ma lekko wypukłą krzywiznę i morfologię w kształcie litery T w płaszczyźnie poprzecznej (normalnej do kierunku wzrostu) ze względu na podłużnie przymocowany kil (ryc. 1C, D).

Bioinspiracja zaczyna się od obserwacji interesujących zjawisk naturalnych, takich jak efektywny ruch żucia latarni Arystotelesa u jeżowców. Ta naturalna struktura początkowo urzekła Arystotelesa, ponieważ przypominała mu latarnię rogową z pominiętymi szybami rogu. Ponad dwa tysiące lat później Scarpa był zafascynowany złożonością latarni Arystotelesa, że on, a później Trogu naśladowali naturalny ruch żucia, używając tylko papieru i gumek recepturek (Ryc. 2A)15,16. Podobnie, Jelinek została zainspirowana ruchem żucia latarni Arystotelesa i opracowała lepszy kombajn do biopsji, który mógł bezpiecznie wyizolować tkankę nowotworową bez rozprzestrzeniania komórek rakowych (Figura 2B, C)12,13. W tym przypadku wykorzystano projekt inspirowany biologią do stworzenia urządzenia biomedycznego, które odpowiadało konkretnej potrzebie pożądanego zastosowania.

Opisany tutaj protokół projektowania odnosi się do próbnika osadów inspirowanego biologicznie przez jeżowce. Dzięki biomateriałoznawstwu scharakteryzowano naturalną strukturę latarni Arystotelesa. Projektowanie inspirowane biologią identyfikuje potencjalne zastosowania, w których naturalne mechanizmy mogą zostać wzmocnione dzięki zastosowaniu nowoczesnych materiałów i technik wytwarzania. Ostateczny projekt jest ponownie badany przez pryzmat bioeksploracji, aby zrozumieć, w jaki sposób ewoluowała naturalna struktura zęba (ryc. 3). Ostatni etap bioeksploracji, zaproponowany przez Portera17,18, wykorzystuje metody analizy inżynierskiej do badania i wyjaśniania zjawisk biologicznych. Wszystkie ważne etapy procesu bioinspiracji są przedstawione jako przykład wykorzystania technologii, wstępnie zatwierdzonej przez naturę, która może być wykorzystana do rozwiązywania współczesnych problemów. Nasz protokół, oparty na wcześniejszych procedurach bioinspiracji przedstawionych przez Arzt7 dla konkretnych zastosowań, jest przeznaczony dla biologów, inżynierów i wszystkich innych, których inspiruje natura.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

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

1. Nauka o materiałach biologicznych

  1. Nosić środki ochrony osobistej (tj. rękawice, okulary ochronne i fartuch laboratoryjny) i przestrzegać wszystkich obowiązujących procedur bezpieczeństwa dotyczących używania narzędzi presektoryjnych.
  2. Spłucz kleszcze i skalpel wodą destylowaną, aby użyć do sekcji.
  3. Rozmrozić zamrożonego różowego jeżowca w temperaturze pokojowej przez 1 godzinę. Umieść rozmrożoną próbkę w szklanym naczyniu z wystarczającą ilością miejsca, aby móc manewrować jeżowcem i narzędziami tnącymi. Odwróć jeżowca do góry nogami tak, aby końcówki zębów były skierowane do góry.
    1. Odetnij skalpelem tkankę łączną na obwodzie latarni Arystotelesa i ostrożnie wyjmij latarnię. Opłucz latarnię pod bieżącą wodą destylowaną. Wyrzuć nieużywane części jeżowca do odpowiedniego pojemnika na odpady.
    2. Ponownie obróć latarnię Arystotelesa tak, aby końce zębów były skierowane w dół. Umieść koniec śluzy każdego zęba (przeciwny do końcówki) skierowany do góry i użyj kleszczy, aby ostrożnie wysunąć poszczególne zęby z latarni.
  4. Przygotuj żywicę epoksydową do doniczki na zęby. Zważ 5 g żywicy i dodaj 1,15 g utwardzacza (np. 100 części żywicy na 23 części utwardzacza wagowo) do płytkiej jednorazowej plastikowej tacy. Powoli wymieszaj zawartość razem, nie tworząc bąbelków.
    Uwaga: Nie pozostawiaj resztek zmieszanej żywicy epoksydowej w pojemniku o niewystarczającej ekspozycji na atmosferę. Proces utwardzania jest egzotermiczny i może zapalić pobliskie materiały łatwopalne. Wszelkie resztki zmieszanej żywicy epoksydowej należy przechowywać w dobrze wentylowanym dygestoriach z dala od łatwopalnych przedmiotów.
    1. Nasmaruj plastikową rurkę o pojemności 2,5 dram (średnica wewnętrzna 22 mm, długość 39 mm) za pomocą wazeliny nałożonej palcem i zetrzyj nadmiar chusteczką. Napełnij rurkę do połowy mieszanką żywicy epoksydowej.
    2. Użyj kleszczy, aby podnieść ząb i ostrożnie zanurz go w żywicy epoksydowej zakrzywioną wklęsłą stroną skierowaną do góry. Pozwól żywicy epoksydowej utwardzić się w temperaturze pokojowej przez 24 godziny.
      Uwaga: Zapobiegaj dryfowaniu końcówki zęba i dotykaniu plastikowej ścianki rurki podczas utwardzania żywicy epoksydowej, ponieważ utrudni to polerowanie końcówki.
  5. Umieść plastikową rurkę z utwardzoną żywicą epoksydową w imadle. Powoli dokręcaj imadło, aż w plastikowej rurce powstanie szczelina. Oderwij resztki plastiku od powierzchni epoksydowej.
    1. Za pomocą piły do cięcia przyciąć żywicę epoksydową wokół zęba do mniejszego bloku (1 cm3).
  6. Przygotuj czysty obszar do polerowania i ustaw płaskie stanowisko pracy z twardą plastikową deską. Napełnij butelkę ze spryskiwaczem wodą destylowaną.
    1. Zacznij od papieru ściernego o najniższej dostępnej ziarnistości (np. 120) i wyciśnij niewielką ilość wody z butelki do mycia na papier ścierny. Używając lekkiego nacisku, pocieraj próbkę w jednym kierunku do przodu i do tyłu (np. lewo-prawo) przez 5 minut.
    2. Zmyj powierzchnię próbki nad zlewem i wytrzyj chusteczką wolną od cząstek. Usuń resztki papieru ściernego sprężonym powietrzem na 15 sekund.
    3. Użyj papieru ściernego o stopniowo wyższej ziarnistości (np. 600 i 2,400), aby powtórzyć kroki protokołu 1.6.1 i 1.6.2. Używając lekkiego nacisku, pocieraj próbkę w kierunku do przodu i do tyłu prostopadłym do poprzedniego kroku polerowania (np. góra-dół, lewo-prawo).
      Uwaga: Użyj mikroskopu świetlnego przy 20-krotnym powiększeniu, aby zobaczyć prostopadłe ślady zadrapań przecinające się z każdym poziomem ziarnistości (np. 120, 600, 2,400). Przejdź do następnego papieru ściernego o wyższej ziarnistości, gdy znikną ślady zadrapań z poprzedniego poziomu ziarnistości.
    4. Przygotuj butelkę ze spryskiwaczem z diamentową zawiesiną polerską 3 μm w roztworze wody destylowanej w proporcji 1:1. Użyj szmatki do polerowania zawiesin diamentowych, aby powtórzyć kroki protokołu 1.6.1 i 1.6.2.
    5. Przygotuj butelkę ze spryskiwaczem z 0,5 μm zawiesiną do polerowania tlenku glinu w roztworze wody destylowanej w proporcji 1:1. Użyj powierzchni polerskiej z mikrościereczką, aby powtórzyć kroki protokołu 1.6.1 i 1.6.2.
      Uwaga: Drobne rysy z kroków protokołu 1.6.4 i 1.6.5 nie będą widoczne przy 20-krotnym powiększeniu. W przypadku tych kroków protokołu poleruj przez 5 minut ruchem w przód iw tył, aby usunąć wszystkie poprzednie rysy.
    6. Oczyść wypolerowaną powierzchnię wodą destylowaną i dokładnie wysusz wolną od cząstek chusteczkę ze sprężonym powietrzem. Owiń chusteczką wolną od cząstek, aby zachować lustrzane wykończenie.
      Uwaga: Wysuszyć wszystkie powierzchnie polerskie stroną zadrukowaną do dołu na dużych tkankach wolnych od cząstek. Przechowywać w plastikowym rękawie, aby uniknąć osadzania się cząsteczek kurzu na powierzchni między czasami polerowania.
  7. Scharakteryzuj mikrostrukturę zębów jeżowca za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM). Za pomocą powlekarki napylającej napylać iryd prądem osadzania 85 mA przez 10 sekund na wypolerowaną powierzchnię zęba w celu uzyskania grubości powłoki ~20 nm.
    1. Uzyskuj obrazy mikrograficzne w powiększeniu 250x - 4,000X za pomocą SEM.
      Uwaga: Użyj 5 kV w trybie elektronów skaningowych (SE) i 15 kV w trybie elektronów wstecznie rozproszonych (BSE). Użyj trybu BSE, aby zidentyfikować włókna kalcytowe przeplatane matrycą polikrystaliczną wzbogaconą w Mg.
  8. Wykonaj skany mikrotomografii komputerowej (μ-CT) całego różowego jeżowca i świeżo wypreparowanej latarni Arystotelesa. Umieść każdą rozmrożoną próbkę w pojemniku z zamkniętą komorą z zwilżoną chusteczką, aby zapewnić nawilżone środowisko podczas skanowania.
    1. Zeskanuj całego jeżowca i latarnię Arystotelesa za pomocą μ-CT o izotropowym rozmiarze woksela odpowiednio 36,00 μm i 9,06 μm. Zastosuj potencjał elektryczny 100 kVp i 70 kVp z prądem 100 mA i 141 mA, odpowiednio dla całego jeżowca i latarni Arystotelesa, używając aluminiowego filtra 1,0 mm dla obu.
    2. Zastosuj algorytm korekcji utwardzania wiązki podczas rekonstrukcji obrazu, aby uwzględnić artefakty utwardzania wiązki, które wynikają z źródła promieniowania rentgenowskiego μ-CT emitującego promieniowanie rentgenowskie o wielu energiach przy użyciu protokołu producenta.
  9. Użyj oprogramowania do obrazowania, aby udoskonalić segmentację obrazu i uzyskać model siatki trójkątów dla struktury latarni Arystotelesa.
    1. Załaduj i wyświetl podgląd danych obrazu latarni Arystotelesa ze skanu μ-CT. Dopasuj rozmiar woksela (9,06 μm) do wartości ze skanu mikro-CT.
    2. Użyj funkcji renderowania objętości, aby zwizualizować latarnię Arystotelesa w przestrzeni 3D. Dostosuj przekrój ortogonalny 2D za pomocą modułu Bounding Framework (Pole ograniczenia) i dostosuj wartość/kolor progowy (Volume Rendering) modułu.
    3. Utwórz segmenty maski dla obszaru zainteresowania (np. ząb jeżowca) za pomocą edytora segmentacji. Wybierz płaszczyzny XY, YZ i XZ oraz widok izometryczny 3D. Użyj magicznej różdżki (czarnej strzałki), aby rozróżnić proste struktury (ząb kontra piramida) w latarni Arystotelesa.
    4. Zrekonstruuj powierzchnię modelu z wyodrębnionych segmentów maski. Wybierz moduł Generowanie powierzchni i zastosuj. Usuń zaznaczenie opcji Ustawienia renderowania objętościowego, aby widoczna górna powierzchnia zniknęła. Dodaj moduł Widok powierzchni, aby wyświetlić wynik powierzchni.
    5. Uprość powierzchnię modelu, zmniejszając liczbę powierzchni do < 18 000.
    6. W razie potrzeby edytuj pojedynczą siatkę trójkątów na powierzchni modelu. Zapisz model jako plik stereolitograficzny (STL) w celu wyeksportowania go do użycia w oprogramowaniu do modelowania wspomaganego komputerowo (CAD).

2. Projekt inspirowany biologią

  1. Użyj latarni Arystotelesa z mikrotomografii komputerowej jako odniesienia, aby stworzyć projekt inspirowany biologią za pomocą oprogramowania do modelowania CAD.
    Uwaga: Inspirowany biologią projekt ma pięć zakrzywionych zębów o wysokości 6 cm i średnicy 8 cm dla zamkniętej latarni. Jest on przeskalowany ~5x w stosunku do rozmiaru naturalnej latarni Arystotelesa.
  2. Zapisz części pliku STL na dysku flash i prześlij je do drukarki 3D do modelowania osadzania topionego (FDM).
    1. Załaduj wkłady z tworzywa sztucznego akrylonitryl-butadien-styren (ABS) i podporowe wkłady z tworzywa sztucznego do odpowiednich szczelin drukarki 3D.
    2. Włóż podstawę modelarską do platformy Z i wyrównaj zaczepy ze szczelinami w metalowej tacy.
    3. Otwórz każdą z części pliku STL i postępuj zgodnie z instrukcjami wyświetlanymi na ekranie wyświetlania, aby wydrukować wszystkie części latarni w tym samym czasie.
      Uwaga: Części latarni muszą mieścić się w przegrodzie zewnętrznej budynku (25 x 25 x 30 cm3) dla drukarki 3D. Wszystkie pięć zębów jest ułożonych na podstawie modelarskiej i wydrukowanych jednocześnie z końcówką zęba skierowaną do góry. Szybkość budowy wynosi 16cm3 na godzinę, a całkowity czas budowy to około 8 godzin.
    4. Zwolnij podstawę modelarską z wypustek, gdy wszystkie części pliku zostaną wydrukowane i wysuń podstawę z drukarki 3D wzdłuż prowadnic tacy.
    5. Użyj metalowej szpatułki, aby podważyć wszystkie części z podstawy i metalowego pilnika, aby zetrzeć dodatkowy plastik przymocowany do części.
    6. Umieść wydrukowane części w podgrzewanej kąpieli podstawowej, aż plastikowy materiał nośny rozpuści się.
  3. Przymocuj każdy ząb do ramienia przegubu za pomocą pręta łączącego i dwóch pierścieni ustalających E po obu stronach.
    Uwaga: Patrz rysunek 6, aby zapoznać się z montażem inspirowanej biologicznie latarni Arystotelesa.

3. Eksploracja biologiczna

  1. Użyj pliku CAD dla zęba inspirowanego biologicznie, aby wykonać test analizy naprężeń modelowania metodą elementów skończonych (MES).
    1. Otwórz plik (xx.sldprt), aby przeprowadzić dalszą analizę inżynierską. Nad zakładką "Produkty Office" wybrać przycisk "SolidWorks Simulation".
    2. Nad zakładką "Symulacja" należy wybrać przycisk "Doradca ds. badania", a następnie rozwijaną opcję "Nowe badanie".
    3. Wybierz typ testu symulacyjnego, który ma zostać przeprowadzony, wybierając opcję "Statyczny".
    4. Na liście Test statyczny kliknij prawym przyciskiem myszy na "Urządzenia" i wybierz "Stała geometria".
    5. Kliknij na wewnętrzne powierzchnie, aby dodać mocowania do otworów montażowych, w których będą znajdować się kołki.
    6. Na liście Test statyczny kliknij prawym przyciskiem myszy "Obciążenia zewnętrzne" i wybierz "Siła".
    7. Kliknij powierzchnie czołowe końcówki do szlifowania zębów, aby przyłożyć siłę 45 N do krawędzi.
    8. Na liście Test statyczny kliknij prawym przyciskiem myszy "Obciążenia zewnętrzne" i wybierz "Grawitacja".
    9. Wskaż "Górną płaszczyznę" dla siły grawitacji przyłożonej normalnie do płaszczyzny.
    10. Na liście Test statyczny kliknij prawym przyciskiem myszy "Siatka" i wybierz "Utwórz siatkę".
    11. Przesuń pasek skali dla "Gęstość siatki" maksymalnie w prawo dla "Drobna".
    12. Na liście Test statyczny kliknij prawym przyciskiem myszy "Statyczny" i wybierz "Uruchom", aby uruchomić test.
      Uwaga: Kolorowy pasek skali dla obszarów o największym naprężeniu i "Granicy plastyczności".
  2. Porównaj wyniki testów analizy naprężeń dla bioinspirowanego zęba z kilem i bez kilu.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

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

Bioinspirowany projekt urządzenia do pobierania próbek latarni Arystotelesa zależy w dużej mierze od jakości użytych metod charakteryzacji. Techniki nieinwazyjne, takie jak μ-CT, są pomocne w analizie całej latarni i pojedynczych zębów w celu zastosowania ulepszeń specyficznych dla aplikacji dla projektu inspirowanego biologią (ryc. 4). Tymczasem mikrostrukturę zęba można badać za pomocą wtórnych mikrofotografii elektronowych i elektronów wstecznie rozproszonych polerowan...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

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

Jeżowce używają latarni Arystotelesa (ryc. 1A) do różnych funkcji (karmienie, nuda, obracanie itp.). Zapis kopalny wskazuje, że latarnia ewoluowała pod względem kształtu i funkcji od najbardziej prymitywnego typu cydaroidalnego do typu kamarodonta współczesnych jeżowców14. Latarnie cydaroidalne mają podłużnie rowkowane zęby (ryc. 1B, u góry) i nieoddzielone mięśnie przyczepione do struktury piramidy. Ogranicza to ich ruch w górę i w dół oraz pozbawia je większej siły ...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

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

Nie mamy nic do ujawnienia.

Podziękowania

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

Ta praca jest wspierana przez Multi-University Research Initiative przez Biuro Badań Naukowych Sił Powietrznych Stanów Zjednoczonych (AFOSR-FA9550-15-1-0009) (M. B. F., S. E. N., J.-Y. J., J. M). Kolekcja różowych jeżowców została wsparta przez University of California Ship Funds oraz amerykańską Narodową Służbę Rybołówstwa Morskiego (K.N.S., J.R.A.T). Autorzy dziękują następującym osobom: prof. Jerry'emu Tustaniwskyjowi za pomocne sugestie podczas opracowywania inspirowanego biologicznie próbnika latarni Arystotelesa, prof. Marcowi A. Meyersowi (UCSD, Wydział Inżynierii Mechanicznej i Lotniczej, Program Materiałoznawstwa i Inżynierii), prof. Robertowi L. Sah i Esther Cory (UCSD, Wydział Bioinżynierii) oraz dr Mayi deVries (Wydział Badań Biologii Morskiej, Scripps Institution of Oceanography). Dziękujemy również studentom studiów licencjackich Sze Hei Siu, Jerry'emu Ng i Ivanowi Torresowi za polerowanie przekrojów zębów jeżowców.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
BUEHLERMET II 8 PLN 600/P1200Buehler305308600102Papier ścierny do polerowania
TRIDENT POLISH CLOTH 8" PSABuehler407518Ściereczka do polerowania dla 3 μ m zawieszenie
METADI SUPREME POLY SUSP,3MICBuehler406631Polskie zawieszenie (3  μ m)
MIKROŚCIERECZKA DO 8 CALOWYCH KÓŁ PSABuehler407218Polska ściereczka do zawieszenia 50 nm
ZAWIESZENIE MASTERPREP, 6 OZBuehler636377006(50  nm)
Skyscan 1076 Skaner mikro-CTSprzęt do skanowania mikro-CTBruker
Oprogramowanie AmiraFEI Visualization Sciences GroupOprogramowanie do manipulacji 3D skanów Micro-CT
FEI Philips XL30FEI PhilipsESEM sprzęt do charakteryzacji polerowanych przekrojów zębów
Oprogramowanie SolidWorks DesignDassault SystemsOprogramowanie do projektowania rysunków CAD inspirowanych biologicznie Oprogramowanie
SolidWorks SimulationDassault SystemsOprogramowanie symulacyjne do testu warunków skrajnych rysunku CAD inspirowane biologicznie urządzenie
Wymiar 1200esStratasysdo produkcji urządzenia inspirowanego biologią z rysunku CAD
Drukarka 3DABSplusStratasys
Polskie zawieszenie Drukarka 3D plastik

Bibliografia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Nalla, R. K., Kruzic, J. J., Ritchie, R. O. On the origin of the toughness of mineralized tissue: Microcracking or crack bridging? Bone. 34 (5), 790-798 (2004).
  2. Ritchie, R. O., Buehler, M. J., Hansma, P. Plasticity and toughness in bone. Physics Today. 62 (6), 41-47 (2009).
  3. Seki, Y., Schneider, M. S., Meyers, M. A. Structure and mechanical behavior of a toucan beak. Acta Mater. 53 (20), 5281-5296 (2005).
  4. Feng, L., et al. Super-hydrophobic surfaces: From natural to artificial. Adv. Mater. 14 (24), 1857-1860 (2002).
  5. Sun, T. L., Feng, L., Gao, X. F., Jiang, L. Bioinspired surfaces with special wettability. Acc. Chem. Res. 38 (8), 644-652 (2005).
  6. Feng, X. J., Jiang, L. Design and creation of superwetting/antiwetting surfaces. Adv. Mater. 18 (23), 3063-3078 (2006).
  7. Arzt, E. Biological and artificial attachment devices: Lessons for materials scientists from flies and geckos. Mat. Sci. Eng. C. 26 (8), 1245-1250 (2006).
  8. Geim, A. K., Dubonos, S. V., Grigorieva, I. V., Novoselov, K. S., Zhukov, A. A., Shapoval, S. Y. Microfabricated adhesive mimicking gecko foot-hair. Nat. Mater. 2 (7), 461-463 (2003).
  9. Munch, E., Launey, M. E., Alsem, D. H., Saiz, E., Tomsia, A. P., Ritchie, R. O. Tough, bio-inspired hybrid materials. Science. 322 (5907), 1516-1520 (2008).
  10. Launey, M. E., et al. Designing highly toughened hybrid composites through nature-inspired hierarchical complexity. Acta Mater. 57 (10), 2919-2932 (2009).
  11. Launey, M. E., Munch, E., Alsem, D. H., Saiz, E., Tomsia, A. P., Ritchie, R. O. A novel biomimetic approach to the design of high-performance ceramic-metal composites. J. R. Soc. Interface. 7 (46), 741-753 (2010).
  12. Jelinek, F., Smit, G., Breedveld, P. Bioinspired spring-loaded biopsy harvester-Experimental prototype design and feasibility tests. J. Med. Devices. 8 (1), 015002(2014).
  13. Jelinek, F., Goderie, J., van Rixel, A., Stam, D., Zenhorst, J., Breedveld, P. Bioinspired crown-cutter-The impact of tooth quantity and bevel type on tissue deformation, penetration forces, and tooth collapsibility. J. Med. Devices. 8 (4), 041009(2014).
  14. Reich, M., Smith, A. B. Origins and biomechanical evolution of teeth in echnoids and their relatives. Palaeontology. 52 (5), 1149-1168 (2009).
  15. Scarpa, G. Modelli di Bionica, Capire la Natura Sttraverso i Modelli. , Bologna, Italy. (1985).
  16. Trogu, P. Bionics and Design: Pure and Applied Research. Living Machines 2014: 3rd International Conference on Biomimetics and Biohybrid Systems, Barcelona, Spain, , (2014).
  17. 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).
  18. Porter, M. M. Bioinspired Design: Magnetic Freeze Casting. , University of California. San Diego. (2014).
  19. De Ridder, C., Lawrence, J. M. Food and feeding mechanisms: Echinoidea. Echinoderm Nutrition. , CRC Press. (1982).
  20. Killian, C. E., et al. Self-sharpening mechanism of the sea urchin tooth. Adv. Funct. Mater. 21 (4), 682-690 (2011).
  21. Kier, P. M. Evolutionary trends and their functional significance in the post-paleozoic echinoids. J. Paleo. 48 (3), 1-95 (1974).
  22. Wang, R. Z., Addadi, L., Weiner, S. Design strategies of sea urchin teeth: structure, composition and micromechanical relations to function. Phil. Trans. R. Soc. B: Biol. Sci. 352 (1352), 469-480 (1997).
  23. Ma, Y., et al. The grinding tip of the sea urchin tooth exhibits exquisite control over calcite crystal orientation and Mg distribution. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 106 (15), 6048-6053 (2009).
  24. Markel, K., Gorny, P., Abraham, K. Microstructure of sea urchin teeth. Fortschritte der Zoologie. 24 (2-3), 103-114 (1977).
  25. Andrietti, F., MD, C. arnevali C. andia, Wilkie, I. C., Lanzavecchia, G., Melone, G., Celentano, F. C. Mechanical analysis of the sea-urchin lantern: the overall system in Paracentrotus lividus. J. Zool., London. 220, 345-366 (1990).
  26. Ellers, O., Telford, M. Forces generated by the jaws of Clypeasteroids (Echinodermata: Echionoidea). J. Exp. Biol. 155, 585-603 (1991).
  27. Candia Carnevali, M. D., Wilkie, I. C., Lucca, E., Andrietti, F., Melone, G. The Aristotle's lantern of the sea-urchin Stylocidaris affinis (Echinoida, Cidaridae): functional morphology of the musculo-skeletal system. Zoomorphology. 113 (3), 173-189 (1993).
  28. Wilkie, I. C., Candia Carnevali, M. D., Andrietti, F. Mechanical properties of sea-urchin lantern muscles: a comparative investigation of intact muscle groups in Paracentrotus lividus (Lam) and Stylocidaris affinis (Phil) (Echinodermata, Echinoidea). J. Comp. Physiol. B. 168 (3), 204-212 (1998).
  29. Witze, A. NASA plans Mars sample-return rover. Nature. 509 (7500), 272(2014).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Latarnia Arystotelesamikrotomografia komputerowaskaningowa mikroskopia elektronowaanaliza element w sko czonychdruk 3Dpobieranie pr bek osad wmikrostruktura z bastruktura kila

Powiązane artykuły