Caracterização de escamas de peixe multi-camadas ( Atractosteus espátula) Usando Nanoindentação, X-ray CT, FTIR, e SEM

O objetivo geral deste procedimento é determinar a estrutura, química e propriedades mecânicas de escamas de peixe mineralizadas de várias camadas, realizando tomografia computadorizada de raios-x, nano recuo para sua espectroscopia de infravermelho de transformação e microscopia eletrônica de varredura acoplada à espectroscopia de raios-X por dispersão de energia. Isso é feito primeiro preparando as balanças individuais para análise, removendo o tecido mole das balanças, montando e seccionando as escalas e, em seguida, realizando o polimento gradual. O segundo passo é realizar nano recuo espacialmente correlacionado ao longo da seção transversal da escala com uma ponta de diamante percovich para determinar as propriedades nanomecânicas locais.

Em seguida, as camadas interna e externa da escama de peixe são examinadas com um microscópio FTIR para identificar os principais grupos funcionais nas respectivas camadas. A etapa final é usar o detector EDX no microscópio eletrônico de varredura para correlacionar a composição química local com as nano reentrâncias feitas nas escamas de peixe e capturar imagens das reentrâncias nas diferentes camadas e superfícies de fratura. Em última análise, ao combinar essas várias técnicas experimentais, os princípios de design natural das escamas de peixe mineralizadas são elucidados por meio da compreensão das relações de propriedade da estrutura.

A principal vantagem desta técnica sobre outros métodos de teste existentes, como nano indentação estatística em massa, é que ela realmente fornece uma correlação direta entre a estrutura da composição química e as propriedades mecânicas locais. Em regiões de interesse, no entanto, aplicamos esse método realmente para estudar a distribuição espacial e a estrutura da composição química e as propriedades mecânicas em biomateriais estruturais. Ele também tem muitas aplicações, incluindo materiais à base de cimento, compósitos multifásicos e, na verdade, qualquer tipo de material heterogêneo que exiba essa heterogeneidade em escala de comprimento micrométrico e nanométrico

Para examinar uma seção transversal de um eixo curto de escama de peixe, segure a escama de peixe em um molde de amostra de 32 milímetros de diâmetro, usando um porta-amostra de plástico disponível comercialmente para manter a amostra orientada corretamente durante a montagem no epóxi. Uma vez que a amostra é mantida no molde, despeje um epóxi não curado na amostra. Depois de permitir que o epóxi cure de acordo com as instruções do fabricante, corte a amostra montada usando uma serra de corte de alta precisão com lâmina de diamante na linha média da amostra.

Uma vez que a amostra tenha sido carregada no nano e dent enter, use os controles do software para mover a amostra para o local para o primeiro recuo, execute quatro linhas paralelas de recuos espaçados de 15 micrômetros para obter um conjunto de dados estatisticamente significativo começando neste local. Em seguida, defina a nano escritura para uma carga máxima de cinco milinewtons taxas de carga e descarga de 0,1 milinewtons por segundo, um tempo total de 30 segundos e um espaçamento mínimo de recuo de cinco micrômetros para cada linha. Quando o lote é concluído, metade da nano escritura cria recuos fiduciais com uma carga máxima de 100 milinewtons no primeiro e no último travessão, que devem estar no epóxi antes da camada de anoe e depois da camada óssea, respectivamente.

Após a nano indentação, coloque a amostra de volta na solução de PBS para evitar mais desidratação. Monte rigidamente a amostra de modo que a dimensão mais longa fique paralela ao detector. Depois de configurar o scanner, prenda a amostra montada ao estágio do scanner usando materiais transparentes aos raios X, como isopor e paraforma.

Posicione a amostra de forma que ela fique no centro de rotação. Ao longo da varredura, selecione a resolução mais alta que permita que toda a escala esteja no campo de visão, que neste caso é de 7,5 micrômetros. Após a aquisição de dados, reconstrua as imagens de projeção de raios-x para criar um conjunto de dados contendo imagens transversais.

Em seguida, use o software para obter a imagem final em escala de cinza 3D. Ajuste a faixa da escala de cinza para um nível apropriado para remover os artefatos do isopor e paraforma Para SEM ou microscopia eletrônica de varredura de nano recuos na amostra polida, fixe a amostra em um toco de SEM usando fita de carbono dupla face com a superfície recuada voltada para cima. Em seguida, coloque a amostra na câmara SEM e bombeie a câmara para o modo de baixo vácuo.

Ajuste a distância de trabalho entre 3,0 e 5,0 milímetros. Ative a alta tensão e navegue até as regiões de interesse no espécime, que neste caso são as estruturas presentes nas camadas de anoe e osso. Em seguida, obtenha imagens entre cinco quilovolts e 15 quilovolts de alta tensão e uma corrente de feixe mais baixa de 3,9 nano amperes.

Para melhorar a resolução, capture imagens de pelo menos três regiões de interesse em ampliações de 250 x a 10.000 x usando o detector BSE de elétrons espalhados de baixo vácuo para auxiliar na identificação de mudanças no conteúdo e densidade de biominerais. Em seguida, navegue até uma região de interesse na amostra polida que inclui uma grade de nano recuo indicada por marcas fiduciais no final de cada linha de recuos. Certifique-se de que o alto voltage é de pelo menos 15 quilovolts.

A corrente do feixe é de pelo menos 3,9 nano amperes e a distância de trabalho é maior que 5,0 milímetros. Em seguida, capture a imagem de elétrons espalhados de volta da região a ser analisada usando EDX. Usando o software de análise EDX.

Capture a mesma imagem para ajudar na localização de áreas para realizar análises químicas ao longo da linha de recuos. Em seguida, usando a técnica de análise de linha, posicione uma linha para realizar a análise química ao longo da linha de interesse dos recuos começando no primeiro recuo e terminando no último recuo. Especifique o número de pontos de análise a serem colocados ao longo da linha usando o mesmo número que o número de recuos presentes para fornecer uma correlação espacial direta entre a composição química e as propriedades mecânicas.

Quando a linha é posicionada e os pontos são especificados corretamente. Inicie a análise de linha usando o software EDX após a conclusão da análise de linha. Identificar os elementos de interesse a quantificar a partir dos espectros pontuais obtidos ao longo da linha especificada na superfície polida do provete.

Uma vez identificados os elementos de interesse, execute uma calibração de fundo para levar em conta a radiação pulmonar da palha brem e outros efeitos. Escolha a opção de análise de deconvolução do software para obter análise quantitativa em cada ponto ao longo da linha especificada para quantificar a composição química em cada ponto. Finalmente, salve os resultados da análise química quantitativa junto com a imagem da linha especificada que foi analisada para auxiliar na correlação espacial com as propriedades mecânicas medidas usando nano indentação na camada anoe, a nano indentação calculou um módulo médio de 69,0 giga pascals e dureza de 3,3 giga Pascals.

A nano escritura determinou um módulo médio de 14,3 giga pascals e dureza de 0,5 giga pascals para a camada óssea. O anoe e a camada óssea contêm diferenças quantificáveis na composição química. O pico de carbono na camada óssea pode ser atribuído à baixa mineralização, o que resulta em um aumento de carbono e uma diminuição no brilho da imagem BSE, os espectros FTIR das camadas óssea e ENE mostram assinaturas de hidroxiapatita na camada externa de gwe e assinaturas de colágeno na camada óssea interna.

tomografia computadorizada de raios-X mostra que a camada gwe não cobre a camada óssea onde as escamas se sobrepõem. As camadas de gwe cinza mais brilhante são mais densas, mais duras e mais rígidas, enquanto as camadas de osso cinza mais escuro são menos densas e menos rígidas. Observam-se poços claros próximos ao centro da camada de gesso, o que demonstra sua não uniformidade.

A imagem SEM de menor ampliação da superfície de fratura gravada revelou nanoestruturas organizadas em um padrão em camadas para a camada de ging, que se correlaciona com o SEM de maior ampliação FTIR, as imagens da superfície de fratura gravada mostram nano hastes orientadas na camada de ging, enquanto uma nanoestrutura semelhante a uma fibra é observada na camada óssea Após seu desenvolvimento. Essa técnica abriu caminho para pesquisas adicionais sobre biomateriais e materiais compósitos para estudar a distribuição espacial da estrutura da composição química e propriedades mecânicas, e também observar as interfaces em materiais compósitos multifásicos. Tudo bem, depois de assistir a este vídeo, você deve ter uma boa compreensão de como preparar amostras e realizar análises para correlacionar espacialmente a composição química com a estrutura e as propriedades mecânicas em biomateriais estruturais.

Essas técnicas também são aplicáveis e adaptáveis para estudar outros tipos de materiais multifásicos heterogêneos.