Artigo de método

Um protocolo para Bioinspirada Projeto: Um Sampler terra Baseado em Sea Urchin Jaws

DOI:

10.3791/53554

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24 de abril de 2016

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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

Neste artigo

Resumo

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Um protocolo para design bioinspirado é descrito para um dispositivo de amostragem baseado nas mandíbulas de um ouriço-do-mar. O processo de bioinspiração inclui a observação dos ouriços-do-mar, a caracterização do bocal, a impressão 3D dos dentes e sua montagem e a bioexploração da estrutura dentária.

Resumo

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O design bioinspirado é um campo emergente que se inspira na natureza para desenvolver materiais e dispositivos de alto desempenho. O bocal do ouriço-do-mar, conhecido como lanterna de Aristóteles, é uma fonte convincente de bioinspiração com uma intrincada rede de musculatura e dentes calcários que podem raspar, cortar, mastigar alimentos e fazer buracos em substratos rochosos. Descrevemos o processo de bioinspiração como incluindo observação de animais, caracterização de espécimes, fabricação de dispositivos e bioexploração de mecanismos. A última etapa da bioexploração permite uma compreensão mais profunda da biologia inicial. A arquitetura do projeto da lanterna de Aristóteles é analisada com microtomografia computadorizada e dentes individuais são examinados com microscopia eletrônica de varredura para identificar a microestrutura. Os designs bioinspirados são fabricados com uma impressora 3D, montados e testados para determinar o mecanismo de abertura e fechamento da lanterna mais eficiente. Os dentes do design da lanterna bioinspirada são bioexplorados por meio da análise de elementos finitos para explicar de uma perspectiva mecânica por que as estruturas dos dentes quilhados evoluíram nos ouriços-do-mar modernos que observamos. Essa abordagem circular permite que novas conclusões sejam tiradas da biologia e da natureza.

Introdução

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Os campos da biologia, ciência dos materiais biológicos, biomateriais, bioengenharia e bioquímica empregar as técnicas científicas de estréia e mentes em uma tentativa de fornecer uma compreensão mais profunda da incrível mundo natural. Esta pesquisa tem explicado muitas das estruturas biológicas mais surpreendentes e organismos; da resistência intrínseca do osso humano 1,2 ao grande bico do tucano 3. No entanto, grande parte desse conhecimento é difícil empregar de um modo que pode fornecer um benefício para a sociedade. Como resultado, o campo tangencial do Bioinspiration emprega as lições aprendidas com a natureza para materiais modernos, a fim de resolver problemas comuns. Exemplos incluem superfícies hidrofóbicas inspirados em folhas de lótus 4-6, superfícies adesivas inspirados pelos pés de lagartixas e insectos 7,8, cerâmica difíceis inspirados pelo nácar de abalone 9-11 e colheitadeiras biópsia inspirados pelo bocal do ouriço-do-mar, também conhecern como lanterna de Aristóteles 12,13.

ouriços-do-mar são animais invertebrados cobertas com espinhos cujo habitat mais comum consiste nas camas rochosos no fundo do oceano. O corpo (chamado de teste) em espécie a maior Urchin pode ser superior a 18 cm de diâmetro; tamanho de teste em ouriços do mar-de-rosa (Strongylocentrotus fragilis) examinou neste estudo pode crescer até 10 cm de diâmetro. Lanterna de Aristóteles é composto por cinco dentes de carbonato de cálcio predominantemente suportados por estruturas em pirâmide compostas de tecido mineralizado e arranjados em uma formação de cúpula como que encerram todos, mas as dicas de moagem distais dos dentes (Figura 1A).

A estrutura muscular dos maxilares é capaz de mastigação eficiente e raspagem mesmo contra rochas do oceano duros e corais. Quando as mandíbulas abertas, os dentes se projetam para fora e quando as maxilas de perto, os dentes retrair para dentro em um único movimento suave. Comparação entre primitive (acima) e modernos (abaixo) dente ouriço do mar secções transversais (Figura 1B) indica que um dente keeled evoluiu para fortalecer o dente quando moagem contra substratos rígidos. Cada dente indivíduo tem uma curvatura ligeiramente convexa e uma morfologia em forma de T no plano transversal (perpendicular à direcção do crescimento) devido à quilha longitudinal ligado (Figura 1C, D).

Bioinspiration começa com a observação de fenómenos naturais interessantes, como o movimento de mastigação eficiente da lanterna de Aristóteles em ouriços do mar. Esta estrutura natural inicialmente cativado Aristóteles porque o lembrava de uma lanterna de chifre com os painéis de chifre deixado de fora. Mais de dois milênios depois, Scarpa era fascinado pela complexidade da lanterna de Aristóteles que ele e mais tarde Trogu imitou o movimento de mastigação natural, usando apenas papel e faixas de borracha (Figura 2A) 15,16. Da mesma forma, Jelinek foi bioinspirado pelo chewing movimento da lanterna de Aristóteles e desenvolveu uma melhor harvester biópsia que pode isolar com segurança tecido tumoral sem espalhar as células cancerosas (Figura 2B, C) ​​12,13. Neste caso, de criação bioinspirado foi utilizada para fazer um dispositivo biomédico que se encaixam uma necessidade específica para uma aplicação desejada.

O protocolo projeto descrito aqui se aplica a um amostrador de sedimentos bioinspirado por ouriços do mar. Através da ciência de materiais biológicos, a estrutura natural da lanterna de Aristóteles é caracterizado. desenho Bioinspirada identifica potenciais aplicações em que os mecanismos naturais podem ser melhorados através do uso de materiais e técnicas modernas de fabricação. O desenho final é re-examinada pelo prisma da bioexploration para entender como a estrutura natural do dente evoluiu (Figura 3). O último passo bioexploration, proposto por Porter 17,18, usa métodos de análise de engenharia para eXplore e explicar fenômenos biológicos. Todos as etapas importantes do processo Bioinspiration são apresentados como um exemplo para o aproveitamento da tecnologia, pré-aprovada por natureza, que pode ser usado para a resolução de problemas modernos. Nosso protocolo, motivado por procedimentos Bioinspiration anteriores apresentados para aplicações específicas por Arzt 7, é voltado para biólogos, engenheiros e qualquer outra pessoa que é inspirado na natureza.

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Protocolo

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1. Biológica Ciência dos Materiais

  1. Use equipamento de proteção individual (ou seja, luvas, óculos de segurança e revestimento do laboratório) e seguir todos os procedimentos de segurança aplicáveis ​​para a utilização de ferramentas de dissecação.
  2. Enxaguar a pinça e bisturi com água destilada a ser usado para dissecção.
  3. Descongelar um ouriço-do-mar-de-rosa congelado à temperatura ambiente por 1 hora. Coloque uma amostra descongelados em um prato de vidro com espaço suficiente para ser capaz de manobrar as ferramentas de ouriço e corte. Vire o ouriço-do-cabeça para baixo para que as pontas dos dentes voltados para cima.
    1. Corte o tecido conjuntivo em torno do perímetro da lanterna de Aristóteles com o bisturi e com cuidado levante a lanterna. Lavar a lanterna fora com água corrente destilada. Descarte peças de ouriço não utilizados em um recipiente adequado de eliminação de resíduos.
    2. Vire a lanterna do Aristotle de novo assim que as pontas dos dentes face para baixo. Localizar o fim plúmula de cada dente (em frente à ponta) voltado para cima e usar a pinça para cuidartotalmente deslizar para fora dentes individuais da lanterna.
  4. Prepare epóxi para pot os dentes. Pesar 5 g de resina e adicionar 1,15 g de endurecedor (por exemplo, 100 partes de resina para 23 partes de endurecedor em peso) num tabuleiro de plástico descartável raso. Misturar o conteúdo juntos lentamente sem a formação de bolhas.
    Nota: Não deixe epoxy restante misturado em um recipiente com exposição insuficiente para a atmosfera. O processo de cura é exotérmica e pode incendiar materiais inflamáveis ​​nas proximidades. Manter qualquer epoxy restos misturados em um exaustor bem ventilado e longe de produtos inflamáveis.
    1. Lubrifique um tubo de 2,5 dram de plástico (diâmetro interno de 22 mm, 39 mm de comprimento) usando vaselina aplicada com um dedo e limpe o excesso com um lenço de papel. Encha até a metade do tubo com epóxi misto.
    2. Use a pinça para pegar um dente e cuidadosamente submergi-lo na epoxy com o lado côncavo curvo virado para cima. Deixe a cura epoxi à TA durante 24 h.
      Nota: Evitar a ponta do dente de drifting para tocara parede do tubo de plástico como as curas epóxi desde Isso fará com que o polimento a ponta mais difícil.
  5. Coloque o tubo de plástico com epóxi curado em um torno. Apertar o torno lentamente até uma fissura está feita no tubo de plástico. Descascar plástico residual da superfície de epóxi.
    1. Usar um corte serra para cortar o epóxi em torno do dente para baixo para um bloco mais pequeno (1 cm3).
  6. Prepare uma área limpa para polimento e configurar uma estação de trabalho plana com uma placa de plástico duro. Encha uma garrafa de esguicho com água destilada.
    1. Comece com o menor lixa disponível (por exemplo, 120) e apertar uma pequena quantidade de água a partir da garrafa de lavagem sobre a lixa. Usando uma leve pressão, esfregar a amostra em uma frente e para trás direção (por exemplo, esquerda-direita) durante 5 min.
    2. Lavar a superfície da amostra sobre uma pia e limpe com um pano livre de partículas. Remova qualquer lixa restante com ar comprimido por 15 s.
    3. Use progressivamente maior lixa (por exemplo, 600 e 2.400) para repetir protocolo passos 1.6.1 e 1.6.2. Usando uma leve pressão, esfregue a amostra em uma frente e para trás direção perpendicular à etapa polonês anterior (por exemplo, de cima para baixo, da esquerda para a direita).
      Nota: Use um microscópio de luz com ampliação de 20x para ver marcas de arranhões perpendiculares cruzam com cada nível grit (por exemplo, 120, 600, 2400). Mover para a próxima maior lixa quando marcas de arranhões a partir do nível grit anterior desaparecer.
    4. Prepare uma garrafa de esguicho com 3 mm de suspensão de polimento de diamantes em uma solução 1: água destilada 1. Use um pano polonês para suspensões de diamante para repetir protocolo passos 1.6.1 e 1.6.2.
    5. Prepara-se uma garrafa de esguicho com 0,5 mícrons suspensão de polimento de alumina numa solução 1: 1 de água destilada. Use uma superfície microcloth polimento para repetir protocolo passos 1.6.1 e 1.6.2.
      Nota: marcas de arranhões multa de protocolo passos 1.6.4 e 1.6.5 não será visible com ampliação de 20x. Para essas etapas protocolo, polimento por 5 min em um movimento de vaivém para remover todos os arranhões anteriores.
    6. Limpe a superfície polida com o tecido livre de partículas de água destilada e uso com ar comprimido para cuidadosamente seca. Enrole com o tecido livre de partículas para manter espelho acabamento polido.
      Nota: Seque todas as superfícies de polimento de bruços sobre grandes tecidos livres de partículas. Armazenar em uma luva plástica para evitar partículas de poeira que se estabelecem na superfície entre os tempos de polimento.
  7. Caracterizar a microscopia eletrônica de varredura ouriço do mar dente microestrutura utilizando (SEM). Usar um revestidor por crepitação de irídio por pulverização catódica com uma corrente de 85 mA a deposição durante 10 seg sobre a superfície do dente polido para uma espessura de revestimento de ~ 20 nm.
    1. Obter imagens de micrografia a 250X - 4,000X ampliação usando um SEM.
      Nota: O uso de 5 kV no modo de varrimento electrónico (SE) e 15 kV no modo de electrões dispersos-volta (BSE). Use o modo de BSE para identificar calcite lorotaERS intercaladas com matriz policristalino enriqueceram-Mg.
  8. Execute tomografia computadorizada-micro (μ-CT) scans de um ouriço-do-mar-de-rosa todo e um recém-dissecados lanterna de Aristóteles. Posicione cada amostra descongelado dentro do recipiente câmara fechada com um lenço umedecido para proporcionar um ambiente umidificado durante a digitalização.
    1. Digitalizar todo o ouriço e lanterna de Aristóteles por μ-CT com um tamanho voxel isotrópico de 36,00 mm e 9,06 mm, respectivamente. Aplicar um potencial elétrico de 100 kVp e 70 kVp com corrente de 100 mA e 141 mA, para todo o ouriço e lanterna de Aristóteles, respectivamente, utilizando um filtro de alumínio 1,0 mm para ambos.
    2. Aplicar um algoritmo de correção de endurecimento do feixe durante a reconstrução de imagem para explicar artefatos endurecimento do feixe que resultam da fonte de raios-x μ-CT emissor de raios-x de várias energias usando o protocolo do fabricante.
  9. Use software de imagem para refinar imasegmentação ge e adquirir um modelo de malha de triângulos para a estrutura lanterna do Aristóteles.
    1. De carga e pré-visualização de dados de imagem lanterna de Aristóteles da verificação μ-CT. Corresponder ao tamanho do voxel (9,06 mm) para os valores da verificação micro-CT.
    2. Use uma função de processamento de volume para visualizar lanterna de Aristóteles no espaço 3D. Ajustar a fatia ortogonal em 2D com o módulo de caixa delimitadora e ajustar o valor limite / cor com o módulo de Volume Rendering.
    3. Faça segmentos de máscara para a região de interesse (por exemplo, dente ouriço do mar) usando o editor de segmentação. Selecione XY, YZ e planos XZ e a visualização em 3D isométrico. Use a varinha mágica (seta preta) para distinguir entre estruturas simples (dente vs. pirâmide) na lanterna do Aristóteles.
    4. Reconstruir o modelo de superfície dos segmentos de máscara extraídos. Selecione o módulo de geração de superfícies e aplicar. Desmarque o volume Rendering Configurações de ter a superfície superior visível desaparecer. Adicione oVer módulo de superfície para exibir o resultado superfície.
    5. Simplificar a superfície modelo, reduzindo o número de faces para <18000.
    6. Edit Mesh triângulo indivíduo na superfície do modelo, conforme necessário. Salve o modelo como um arquivo de estereolitografia (STL) para exportar para usar com o software de design (CAD) de modelagem assistida por computador.

2. Bioinspirada projeto

  1. Use a lanterna do Aristotle da verificação micro-CT como referência para fazer um projeto bioinspirado com software de modelagem CAD.
    Nota: O design bioinspirado tem cinco dentes curvos com altura de 6 cm e diâmetro de 8 cm para a lanterna fechada. Ele está escalado para cima ~ 5x do tamanho da lanterna de Aristóteles natural.
  2. Salve as partes do arquivo STL para uma unidade flash e enviar os arquivos para uma modelagem por fusão e deposição (FDM) impressora 3D.
    1. cartuchos de material de estireno carga de acrilonitrila-butadieno (ABS) de plástico e de plástico suporte nas ranhuras apropriadas do 3D printer.
    2. Insira a base de modelagem na plataforma Z e alinhe as guias com ranhuras na bandeja de metal.
    3. Abra cada uma das partes do arquivo STL e siga os passos de tela de exibição para imprimir todas as partes lanterna ao mesmo tempo.
      Nota: partes da lanterna deve caber dentro do invólucro do edifício (25 x 25 x 30 cm3) para a impressora 3D. Todos os cinco dentes estão dispostos na base de modelação e impresso em simultâneo com a ponta do dente virado para cima. A taxa de construção é de 16 cm3 por hora eo tempo total de construção é de aproximadamente 8 horas.
    4. Solte a base de modelagem das abas quando todas as partes de arquivos são impressos e deslize a base para fora da impressora 3D ao longo das guias da bandeja.
    5. Use uma espátula de metal para erguer todas as partes fora da base e um arquivo de metal para desgastar qualquer plástico adicionais instalados nas peças.
    6. Coloque as peças impressas em um banho base aquecida até dissolver o material de suporte de plástico.
  3. Fixe cada dente a um braço de articulação com um lihaste NK e dois anéis de retenção E em ambos os lados.
    Nota: Consulte a Figura 6 para a montagem da lanterna do bioinspirado de Aristóteles.

3. Bioexploration

  1. Use o arquivo CAD para o dente bioinspirado para fazer um elemento de modelagem finitos (FEM) teste de análise de stress.
    1. Abra o arquivo (xx.sldprt) para fazer uma análise mais aprofundada de engenharia. Acima da guia "Produtos de Escritório", selecione o botão "SolidWorks Simulation".
    2. Acima da aba "Simulação", selecione o botão "Study Advisor" e, em seguida, a opção drop-down "Estudo de Novo".
    3. Selecione o tipo de teste de simulação para ser executado escolhendo "Static".
    4. Na lista Teste Estático, clique com o botão direito em "Chaves" e selecione "geometria fixa".
    5. Clique nas faces internas para adicionar acessórios para os furos de montagem, onde os pinos vão.
    6. Na lista Teste Estático, clique com o botão direito em "Cargas externas" e select "Force".
    7. Clique no dente moagem ponta enfrenta a aplicar 45 N de força para as bordas.
    8. Na lista Teste Estático, clique com o botão direito em "Cargas externas" e selecione "Gravity".
    9. Indicar "Plano superior" para a força da gravidade aplicada normal ao plano.
    10. Na lista Teste Estático, clique com o botão direito em "malha" e selecione "Criar malha".
    11. Mover a barra de escala para "densidade da malha" todo o caminho para a direita para "Fine".
    12. Na lista Teste Estático, clique com o botão direito em "Static" e selecione "Executar" para executar o teste.
      Nota: A barra colorida escala para áreas de maior estresse e da "Força Yield".
  2. Comparar os resultados dos testes de análise de tensão para o dente bioinspirado com e sem quilha.

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Resultados

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projeto bioinspirado do dispositivo de amostragem lanterna de Aristóteles depende muito da qualidade dos métodos de caracterização utilizados. Técnicas não invasivas como μ-CT são úteis para a análise de toda a lanterna e os dentes individuais para aplicar melhorias específicas de aplicativos para a concepção bioinspirado (Figura 4). Enquanto isso, a microestrutura do dente pode ser explorada através de electrões secundários e electrões micrografias back-dispersas da sec...

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Discussão

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Ouriços do mar usar a lanterna de Aristóteles (Figura 1A) para uma variedade de funções (alimentação, chato, girar, etc.). O registro fóssil indica que a lanterna tem evoluído de forma e função a partir do tipo cidaroid mais primitivo ao tipo camarodont das modernas ouriços do mar 14. Lanternas Cidaroid ter longitudinalmente sulcado dentes (Figura 1B, em cima) e apego não separados músculo a sua estrutura de pirâmide. Isto limita o seu movimento ascendente e descende...

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Divulgações

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Não temos nada a divulgar.

Agradecimentos

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Este trabalho é apoiado pela Multi-University Research Initiative através do Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea dos Estados Unidos (AFOSR-FA9550-15-1-0009) (M. B. F., S. E. N., J.-Y. J., J. M). A coleta de ouriços-do-mar rosa foi apoiada pelos Fundos de Navios da Universidade da Califórnia e pelo Serviço Nacional de Pesca Marinha dos EUA (K.N.S., J.R.A.T). Os autores agradecem às seguintes pessoas: Prof. Jerry Tustaniwskyj por sugestões úteis durante o desenvolvimento do amostrador de lanterna bioinspirado de Aristóteles, Prof. Marc A. Meyers (UCSD, Departamento de Engenharia Mecânica e Aeroespacial, Programa de Ciência e Engenharia de Materiais), Prof. Robert L. Sah e Esther Cory (UCSD, Departamento de Bioengenharia) e Dra. Maya deVries (Divisão de Pesquisa em Biologia Marinha, Scripps Institution of Oceanography). Também agradecemos aos alunos de graduação Sze Hei Siu, Jerry Ng e Ivan Torres por polir as seções transversais dos dentes do ouriço.

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
BUEHLERMET II 8 PLN 600/P1200Buehler305308600102Papel abrasivo para polimento
TRIDENT POLISH CLOTH 8" PSABuehler407518Polish cloth for 3 μ m suspensão
METADI SUPREME POLY SUSP,3MICBuehler406631suspensão polonesa (3  μ m)
MICROCLOTH PARA 8 IN WHEEL PSABuehler407218Pano polonês para suspensão de 50 nm
SUSPENSÃO MASTERPREP, 6 OZBuehler636377006Suspensão polonesa (50  nm)
Skyscan 1076 micro-CT ScannerBrukerMicro-CT equipamento Amira
softwareFEI Visualization Sciences GroupSoftware para manipulação 3D de micro-CT
FEI Philips XL30FEI PhilipsESEM equipamento para caracterização de seções transversais de dentes polidos
SolidWorks Software de designDassault SystemsSoftware de design para dispositivo bioinspirado de desenho CAD
Software de simulação SolidWorksDassault SystemsSoftware de simulação para teste de estresse de dispositivo bioinspirado de desenho CAD
Dimension 1200esStratasyspara fabricação de dispositivo bioinspirado a partir de desenho CAD
ABSplusStratasysde plástico
Software de simulação Impressora 3D Impressora 3D

Referências

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