Name: Protokół projektowania inspirowanego biologią: próbnik naziemny oparty na szczękach jeżowców (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-04-24T14:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 10 s
Description: Poznaj projektowanie inspirowane biologią oparte na strukturze szczęk jeżowców do pobierania próbek osadów. Metoda obejmuje analizę inżynieryjną i druk 3D prototypu urządzenia.

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

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.

1. Nauka o materiałach biologicznych
<ol>
	<li>Nosić środki ochrony osobistej (tj. rękawice, okulary ochronne i fartuch laboratoryjny) i przestrzegać wszystkich obowiązujących procedur bezpieczeństwa dotyczących używania narzędzi presektoryjnych.</li>
	<li>Spłucz kleszcze i skalpel wodą destylowaną, aby użyć do sekcji.</li>
	<li>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.
	<ol>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>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.
	<ol>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Umieść plastikową rurkę z utwardzoną żywicą epoksydową w imadle. Powoli dokręcaj imadło, aż w plastikowej rurce powstanie szczelina. Oderwij resztki plastiku od powierzchni epoksydowej.
	<ol>
		<li>Za pomocą piły do cięcia przyciąć żywicę epoksydową wokół zęba do mniejszego bloku (1 cm3).</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Przygotuj czysty obszar do polerowania i ustaw płaskie stanowisko pracy z twardą plastikową deską. Napełnij butelkę ze spryskiwaczem wodą destylowaną.
	<ol>
		<li>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.</li>
		<li>Zmyj powierzchnię próbki nad zlewem i wytrzyj chusteczką wolną od cząstek. Usuń resztki papieru ściernego sprężonym powietrzem na 15 sekund.</li>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>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.
	<ol>
		<li>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.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>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.
	<ol>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Użyj oprogramowania do obrazowania, aby udoskonalić segmentację obrazu i uzyskać model siatki trójkątów dla struktury latarni Arystotelesa.
	<ol>
		<li>Załaduj i wyświetl podgląd danych obrazu latarni Arystotelesa ze skanu μ-CT. Dopasuj rozmiar woksela (9,06 μm) do wartości ze skanu mikro-CT.</li>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
		<li>Uprość powierzchnię modelu, zmniejszając liczbę powierzchni do < 18 000.</li>
		<li>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).</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. Projekt inspirowany biologią
<ol>
	<li>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.</li>
	<li>Zapisz części pliku STL na dysku flash i prześlij je do drukarki 3D do modelowania osadzania topionego (FDM).
	<ol>
		<li>Załaduj wkłady z tworzywa sztucznego akrylonitryl-butadien-styren (ABS) i podporowe wkłady z tworzywa sztucznego do odpowiednich szczelin drukarki 3D.</li>
		<li>Włóż podstawę modelarską do platformy Z i wyrównaj zaczepy ze szczelinami w metalowej tacy.</li>
		<li>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.</li>
		<li>Zwolnij podstawę modelarską z wypustek, gdy wszystkie części pliku zostaną wydrukowane i wysuń podstawę z drukarki 3D wzdłuż prowadnic tacy.</li>
		<li>Użyj metalowej szpatułki, aby podważyć wszystkie części z podstawy i metalowego pilnika, aby zetrzeć dodatkowy plastik przymocowany do części.</li>
		<li>Umieść wydrukowane części w podgrzewanej kąpieli podstawowej, aż plastikowy materiał nośny rozpuści się.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>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.</li>
</ol>
3. Eksploracja biologiczna
<ol>
	<li>Użyj pliku CAD dla zęba inspirowanego biologicznie, aby wykonać test analizy naprężeń modelowania metodą elementów skończonych (MES).
	<ol>
		<li>Otwórz plik (xx.sldprt), aby przeprowadzić dalszą analizę inżynierską. Nad zakładką "Produkty Office" wybrać przycisk "SolidWorks Simulation".</li>
		<li>Nad zakładką "Symulacja" należy wybrać przycisk "Doradca ds. badania", a następnie rozwijaną opcję "Nowe badanie".</li>
		<li>Wybierz typ testu symulacyjnego, który ma zostać przeprowadzony, wybierając opcję "Statyczny".</li>
		<li>Na liście Test statyczny kliknij prawym przyciskiem myszy na "Urządzenia" i wybierz "Stała geometria".</li>
		<li>Kliknij na wewnętrzne powierzchnie, aby dodać mocowania do otworów montażowych, w których będą znajdować się kołki.</li>
		<li>Na liście Test statyczny kliknij prawym przyciskiem myszy "Obciążenia zewnętrzne" i wybierz "Siła".</li>
		<li>Kliknij powierzchnie czołowe końcówki do szlifowania zębów, aby przyłożyć siłę 45 N do krawędzi.</li>
		<li>Na liście Test statyczny kliknij prawym przyciskiem myszy "Obciążenia zewnętrzne" i wybierz "Grawitacja".</li>
		<li>Wskaż "Górną płaszczyznę" dla siły grawitacji przyłożonej normalnie do płaszczyzny.</li>
		<li>Na liście Test statyczny kliknij prawym przyciskiem myszy "Siatka" i wybierz "Utwórz siatkę".</li>
		<li>Przesuń pasek skali dla "Gęstość siatki" maksymalnie w prawo dla "Drobna".</li>
		<li>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".</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Porównaj wyniki testów analizy naprężeń dla bioinspirowanego zęba z kilem i bez kilu.</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>

Nie mamy nic do ujawnienia.

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 ...

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.

<table><tbody><tr><td>BUEHLERMET II 8 PLN 600/P1200</td><td>Buehler</td><td>305308600102</td><td>Papier ścierny do polerowania</td></tr><tr><td>TRIDENT POLISH CLOTH 8" PSA</td><td>Buehler</td><td>407518</td><td>Ściereczka do polerowania dla 3 &#956; m zawieszenie</td></tr><tr><td>METADI SUPREME POLY SUSP,3MIC</td><td>Buehler</td><td>406631</td><td>Polskie zawieszenie (3&nbsp; &#956; m)</td></tr> <tr><td>MIKROŚCIERECZKA DO 8 CALOWYCH KÓŁ PSA</td><td>Buehler</td><td>407218</td><td>Polska ściereczka do zawieszenia 50 nm</td></tr><tr><td>ZAWIESZENIE MASTERPREP, 6 OZ</td> Polskie zawieszenie <td>Buehler</td><td>636377006</td><td>(50&nbsp; nm)</td></tr><tr><td>Skyscan 1076 Skaner mikro-CT</td><td>Sprzęt do skanowania mikro-CT</td><td>Bruker</td><td></td></tr><tr><td>Oprogramowanie Amira</td><td>FEI Visualization Sciences Group</td><td></td><td>Oprogramowanie do manipulacji 3D skanów Micro-CT</td></tr><tr><td>FEI Philips XL30</td><td>FEI Philips</td><td></td><td>ESEM sprzęt do charakteryzacji polerowanych przekrojów zębów</td></tr><tr><td>Oprogramowanie SolidWorks Design</td><td>Dassault Systems</td><td></td><td>Oprogramowanie do projektowania rysunków CAD inspirowanych biologicznie Oprogramowanie</td></tr><tr><td>SolidWorks Simulation</td><td>Dassault Systems</td><td></td><td>Oprogramowanie symulacyjne do testu warunków skrajnych rysunku CAD inspirowane biologicznie urządzenie</td></tr><tr><td>Wymiar 1200es</td> Drukarka 3D <td>Stratasys</td><td></td><td>do produkcji urządzenia inspirowanego biologią z rysunku CAD</td></tr><tr><td>Drukarka 3D</td> <td>ABSplus</td><td>Stratasys</td><td></td> plastik</tr></tbody></table>

protokół projektowania inspirowanego biologią: próbnik naziemny oparty na szczękach jeżowców

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

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.

Bioinspirowana konstrukcja urządzenia do pobierania próbek na wzór aparatury gnabowej Arystotelesa w dużej mierze zależy od jakości zastosowanych metod charakterystyki. Techniki nieinwazyjne, takie jak µ-CT, są pomocne w analizie całej aparatury oraz poszczególnych zębów w celu wprowadzenia ulepszeń specyficznych dla zastosowania w projekcie bioinspirowanym (Rycina 4). Jednocześnie mikrostrukturę zęba można badać za pomocą mikrografii elektronów wtórnych i elektronów wste...

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.

Protokół projektowania inspirowanego biologią: próbnik naziemny oparty na szczękach jeżowców

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

Celem niniejszego protokołu jest zbadanie naturalnej budowy aparatu gębowego jeżowca, tzw. latarni Arystotelesa, w celu opracowania prototypu do pobierania próbek osadów z wykorzystaniem analizy inżynieryjnej, aby przetestować zastosowanie cech biologicznych w projektach bioinspirowanych. Metoda ta może pomóc w odpowiedzi na kluczowe pytania w dziedzinie projektowania bioinspirowanego. W szczególności: dlaczego u jeżowców wyewoluowała struktura zęba z kilowaniem i w jaki sposób może ona być użyteczna podczas pobierania próbek osadów.Główną zaletą tej techniki jest to, że zapewnia ona ogólne ramy dla bioinspirowanych badań projektowych nad różnymi strukturami naturalnymi. Innymi takimi strukturami są ogony koników morskich, łuski ryby skrzynki oraz kolce ryby jeżowatej. Wnioski z tego wynikają z faktu, że ulepszenie to technicznie czyni z niej zastrzeżoną eksplorację powierzchni, ponieważ bieguny mineralne wyposażone w bio-sparowe próbniki osadów mogą efektywnie pobierać niewielkie próbki.Zazwyczaj osoby rozpoczynające pracę z tą metodą napotykają trudności, ponieważ cele każdego protokołu inspirowanego biologicznie różnią się w zależności od badanego typu struktury naturalnej. Po r

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

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Bioinżynieria

Mikroiniekcja jest powszechną techniką używaną do dostarczania konstruktów DNA, mRNA, oligonukleotydów antysensownych morfolino lub innych zabiegów do jaj, embrionułów i komórek różnych gatunków.

Wysokoprzepustowe mikroiniekcje zygot jeżowców

Ten artykuł przedstawia metody używane do badania przestrzennie skorelowanych właściwości chemicznych, strukturalnych i mechanicznych wielowarstwowej skali szpatułki Atractosteus (A. szpatułka) za pomocą nanowgłębienia, spektroskopii w podczerwieni z transformacją Fouriera (FTIR), skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM) i rentgenowskiej tomografii komputerowej (X-ray CT). Wyniki eksperymentów wykorzystano do zbadania zasad projektowania ochronnych materiałów biologicznych.

Charakterystyka wielowarstwowych łusek ryb (szpatułka Atractosteus) za pomocą nanoindentacji, rentgenowskiej tomografii komputerowej, FTIR i SEM

Analiza metodą elementów skończonych jest często używanym narzędziem do badania właściwości mechanicznych konstrukcji pod obciążeniem. Tutaj zastosujemy jego zastosowanie do modelowania biomechaniki szczęki danio pręgowanego.

Budowa modeli elementów skończonych w celu zbadania biomechaniki szczęk danio pręgowanego

Opisana jest platforma roboyczna, która będzie używana do badania wydajności hydrodynamicznej - sił i pól przepływu - pływającego kalifornijskiego lwa morskiego. Robot jest modelem płetwy przedniej zwierzęcia, która jest uruchamiana przez silniki, aby odtworzyć ruch jego ruchu napędowego ("klaśnięcia").

Platforma robotyczna do badania płetwy przedniej lwa morskiego z Kalifornii

Ten artykuł wideo szczegółowo opisuje prostą metodologię in vivo, która może być używana do systematycznego i efektywnego charakteryzowania składników złożonych szlaków sygnałowych i sieci regulacyjnych w wielu zarodkach bezkręgowców.

Siła prostoty: zarodki jeżowców jako modele rozwojowe in vivo do badania złożonych interakcji sieci sygnalizacyjnych między komórkami

Poniższy protokół opisuje metodologię: pobierania próbek mikroplastiku na powierzchni morza, separacji mikroplastiku i chemicznej identyfikacji cząstek. Protokół ten jest zgodny z zaleceniami dotyczącymi monitorowania mikrodrobin plastiku opublikowanymi przez Podgrupę Techniczną ds. Odpadów Morskich ds. Dyrektywy Ramowej w sprawie Strategii Morskiej.

Protokół pobierania próbek mikrodrobin plastiku z powierzchni morza i analizy próbek

W tym dwuczęściowym badaniu, biologiczny siłownik został opracowany przy użyciu wysoce elastycznych wsporników polidimetylosiloksanu (PDMS) i żywych komórek mięśniowych (kardiomiocytów) i scharakteryzowany. Aktywator biologiczny został połączony z podstawą wykonaną ze zmodyfikowanych materiałów PDMS w celu zbudowania samostabilizującego się, pływającego biorobota.

Siłownik oparty na komórkach mięśnia sercowego i samostabilizujący się biorobot - CZĘŚĆ 1

Pomiary oparte na obrazach są coraz bardziej praktyczną, nieinwazyjną metodą pobierania próbek środowiska morskiego. Przedstawiamy protokół z badania za pomocą kamery zrzutowej, które szacuje liczebność i rozmieszczenie przegrzebka morskiego (Placopecten magellanicus). Omówiliśmy, w jaki sposób protokół ten można uogólnić w celu zastosowania do innych makrobezkręgowców bentosowych.

Metody badań obrazowych makrobezkręgowców bentosowych i ich siedlisk na przykładzie badania przegrzebka atlantyckiego za pomocą kamery opadowej

Urządzenie przepływowe do wykorzystania metody biodepozycji do ilościowego określania filtracji i żerowania małży zostało zmodyfikowane do użytku na statku. Dwuwymiarowy stół przegubowy zbudowany wokół urządzenia izoluje aparaturę od ruchu łodzi, umożliwiając w ten sposób dokładne ilościowe określenie zmiennych filtracji małży w morskich zakładach akwakultury skorupiaków.

Projektowanie i stosowanie aparatury do ilościowego oznaczania zawiesiny małży zasilających morze

Rusztowanie inspirowane biologią jest wytwarzane techniką miękkiej fotolitografii przy użyciu mechanicznie wytrzymałych i elektrycznie przewodzących hydrożeli. Hydrożele z mikrowzorem zapewniają kierunkowe wyrównanie komórek kardiomiocytów, co skutkuje dostosowanym kierunkiem uruchamiania. Elastyczne mikroelektrody są również zintegrowane z rusztowaniem, aby zapewnić kontrolę elektryczną dla samoczynnie działającej tkanki serca.

Miękki robot inspirowany biologicznie z wbudowanymi mikroelektrodami

Ten protokół opisuje rozwój modułowego, kontrolowanego systemu mikrourządzeń, który może być stosowany do długoterminowej hodowli i monitorowania koralowców morskich.

Zintegrowany system mikrourządzeń do hodowli i monitorowania koralowców

Poznaj projektowanie inspirowane biologią oparte na strukturze szczęk jeżowców do pobierania próbek osadów. Metoda obejmuje analizę inżynieryjną i druk 3D prototypu urządzenia.

Protokół projektowania inspirowanego biologią: próbnik naziemny oparty na szczękach jeżowców

Przeglądaj więcej filmów