Name: Um protocolo para Bioinspirada Projeto: Um Sampler terra Baseado em Sea Urchin Jaws (Vídeo) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-04-24T14:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 10 s
Description: Aprenda a desenvolver um amostrador de sedimentos bioinspirado na estrutura da lanterna de Aristóteles de ouriços-do-mar. Este método utiliza impressão 3D e análise de engenharia para criar dispositivos eficientes baseados em características biológicas naturais.

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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.

1. Biológica Ciência dos Materiais <ol><li> 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. </li><li> Enxaguar a pinça e bisturi com água destilada a ser usado para dissecção. </li><li> 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. <ol><li> 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. </li><li> 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. </li></ol></li><li> 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. <ol><li> 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. </li><li> 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. </li></ol></li><li> 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. <ol><li> Usar um corte serra para cortar o epóxi em torno do dente para baixo para um bloco mais pequeno (1 cm3). </li></ol></li><li> 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. <ol><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li></ol></li><li> 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. <ol><li> 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. </li></ol></li><li> 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. <ol><li> 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. </li><li> 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. </li></ol></li><li> Use software de imagem para refinar imasegmentação ge e adquirir um modelo de malha de triângulos para a estrutura lanterna do Aristóteles. <ol><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> Simplificar a superfície modelo, reduzindo o número de faces para &lt;18000. </li><li> 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. </li></ol></li></ol> 2. Bioinspirada projeto <ol><li> 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. </li><li> Salve as partes do arquivo STL para uma unidade flash e enviar os arquivos para uma modelagem por fusão e deposição (FDM) impressora 3D. <ol><li> cartuchos de material de estireno carga de acrilonitrila-butadieno (ABS) de plástico e de plástico suporte nas ranhuras apropriadas do 3D printer. </li><li> Insira a base de modelagem na plataforma Z e alinhe as guias com ranhuras na bandeja de metal. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> Coloque as peças impressas em um banho base aquecida até dissolver o material de suporte de plástico. </li></ol></li><li> 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. </li></ol> 3. Bioexploration <ol><li> Use o arquivo CAD para o dente bioinspirado para fazer um elemento de modelagem finitos (FEM) teste de análise de stress. <ol><li> Abra o arquivo (xx.sldprt) para fazer uma análise mais aprofundada de engenharia. Acima da guia &quot;Produtos de Escritório&quot;, selecione o botão &quot;SolidWorks Simulation&quot;. </li><li> Acima da aba &quot;Simulação&quot;, selecione o botão &quot;Study Advisor&quot; e, em seguida, a opção drop-down &quot;Estudo de Novo&quot;. </li><li> Selecione o tipo de teste de simulação para ser executado escolhendo &quot;Static&quot;. </li><li> Na lista Teste Estático, clique com o botão direito em &quot;Chaves&quot; e selecione &quot;geometria fixa&quot;. </li><li> Clique nas faces internas para adicionar acessórios para os furos de montagem, onde os pinos vão. </li><li> Na lista Teste Estático, clique com o botão direito em &quot;Cargas externas&quot; e select &quot;Force&quot;. </li><li> Clique no dente moagem ponta enfrenta a aplicar 45 N de força para as bordas. </li><li> Na lista Teste Estático, clique com o botão direito em &quot;Cargas externas&quot; e selecione &quot;Gravity&quot;. </li><li> Indicar &quot;Plano superior&quot; para a força da gravidade aplicada normal ao plano. </li><li> Na lista Teste Estático, clique com o botão direito em &quot;malha&quot; e selecione &quot;Criar malha&quot;. </li><li> Mover a barra de escala para &quot;densidade da malha&quot; todo o caminho para a direita para &quot;Fine&quot;. </li><li> Na lista Teste Estático, clique com o botão direito em &quot;Static&quot; e selecione &quot;Executar&quot; para executar o teste. Nota: A barra colorida escala para áreas de maior estresse e da &quot;Força Yield&quot;. </li></ol></li><li> Comparar os resultados dos testes de análise de tensão para o dente bioinspirado com e sem quilha. </li></ol>

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</ol>

Não temos nada a divulgar.

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...

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.

<table><tbody><tr><td>BUEHLERMET II 8 PLN 600/P1200</td><td>Buehler</td><td>305308600102</td><td>Papel abrasivo para polimento</td></tr><tr><td>TRIDENT POLISH CLOTH 8" PSA</td><td>Buehler</td><td>407518</td><td>Polish cloth for 3 &#956; m suspensão</td></tr><tr><td>METADI SUPREME POLY SUSP,3MIC</td><td>Buehler</td><td>406631</td><td>suspensão polonesa (3&nbsp; &#956; m)</td></tr> <tr><td>MICROCLOTH PARA 8 IN WHEEL PSA</td><td>Buehler</td><td>407218</td><td>Pano polonês para suspensão de 50 nm</td></tr><tr><td>SUSPENSÃO MASTERPREP, 6 OZ</td><td>Buehler</td><td>636377006</td><td>Suspensão polonesa (50&nbsp; nm)</td></tr><tr><td>Skyscan 1076 micro-CT Scanner</td><td>Bruker</td><td></td><td>Micro-CT equipamento Amira</td></tr><tr><td>software</td><td>FEI Visualization Sciences Group</td><td></td><td>Software para manipulação 3D de micro-CT</td></tr><tr><td>FEI Philips XL30</td><td>FEI Philips</td><td></td><td>ESEM equipamento para caracterização de seções transversais de dentes polidos</td></tr><tr><td>SolidWorks Software de design</td><td>Dassault Systems</td><td></td><td>Software de design para dispositivo bioinspirado de desenho CAD</td></tr><tr><td>Software de simulação SolidWorks</td> Software de simulação <td>Dassault Systems</td><td></td><td>Software de simulação para teste de estresse de dispositivo bioinspirado de desenho CAD</td></tr><tr><td>Dimension 1200es</td> Impressora 3D <td>Stratasys</td><td></td><td>para fabricação de dispositivo bioinspirado a partir de desenho CAD</td></tr><tr><td>ABSplus</td> Impressora 3D <td>Stratasys</td><td></td><td>de plástico</td></tr></tbody></table>

um protocolo para bioinspirada projeto: um sampler terra baseado em sea urchin jaws

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

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.

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...

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.

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

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

O objetivo deste protocolo é examinar a estrutura natural da peça bucal do ouriço-do-mar, a lanterna de Aristóteles, com o fim de desenvolver um protótipo de amostragem de sedimento utilizando análise de engenharia para testar a aplicação de características biológicas em projetos bioinspirados. Este método pode ajudar a responder perguntas fundamentais na área de projetos bioinspirados. Especificamente, por que uma estrutura dentária com gume evoluiu nos ouriços-do-mar e como ela poderia ser útil para a amostragem de sedimento.A principal vantagem dessa técnica é que ela fornece uma estrutura geral para investigações de design bioinspirado de diversas estruturas naturais. Outras estruturas desse tipo incluem a cauda do cavalo-marinho, as escamas do peixe-caixa e os espinhos do peixe-porco-espinho. As implicações dessa técnica tornam a exploração superficial uma atividade proprietária, pois os eletrodos minerais equipados com amostradores de sedimentos bio-spar podem coletar eficientemente pequenas amostras.Em geral, indivíduos novos neste método terão dificuldades porque os objetivos de cada protocolo bioinspirado variarão conforme o tipo de estrutura natural examinada. Após descongelar o ouriço-do-mar, posicione-o para dissecação com as pontas dos dentes voltadas para cima. Em seguida, comece a cortar o tecido conjuntivo ao redor da periferia da lanterna de Aristóteles.Em seguida, retire cuidadosamente o lanterno e enxágue-o com água destilada corrente. Use pinça para remover os tecidos remanescentes na parte externa e abra cuidadosamente o lanterno para extrair os dentes. Alternativamente, um lanterno seco que seja novamente enxaguado com água se desfaz facilmente, permitindo um acesso mais simples aos dentes.Agora, pegue um dente e mergulhe-o cuidadosamente em um tubo contendo epóxi recém-preparado. Posicione o lado côncavo curvado voltado para cima e evite que o dente toque na parede do tubo. Em seguida, deixe o epóxi curar à temperatura ambiente por 24 horas.No dia seguinte, utilize uma serra de corte para remover a resina epóxi ao redor do dente até obter aproximadamente um centímetro cúbico. Em seguida, com uma folha de lixa grossa número 125 ou superior e usando pressão leve, esfregue a amostra em um único sentido durante cinco minutos. Vá progressivamente trocando por lixas com granulação cada vez mais fina, até atingir a número 2400.Para cada granulação de lixa, certifique-se de girar a amostra em 90 graus. Utilize um microscópio conforme necessário para verificar se o polimento ocorre sempre na mesma direção para cada granulação de lixa. Após o lixamento, umedeça um pano microfibra com um polimento de alumina de meio mícron a 50 por cento em volume em água.Em seguida, esfregue a amostra em movimento de vai e vem durante cinco minutos. Após o polimento, utilize papel-toalha livre de partículas para limpar a amostra e, depois, enrole-a nesse mesmo papel para armazenamento. A seguir, caracterize a microestrutura do dente utilizando microscopia eletrônica de varredura.Após aplicar um revestimento por pulverização, obtenha imagens microscópicas de 250 a 500x da amostra. Em seguida, realize tomografias computadorizadas microscópicas do ouriço-do-mar rosa inteiro e da lanterna de Aristóteles recém-dissecada. Coloque as amostras sobre um tecido umedecido quando dentro da câmara de imagem.Para o corpo, realize a varredura com um tamanho de vóxel isotrópico de 36 mícrons a 100 quilovolts de pico e 100 miliampères. Para a lanterna, realize a varredura com um tamanho de vóxel isotrópico de cerca de nove mícrons a 70 quilovolts de pico e 141 miliampères. Utilize um filtro de alumínio de um ponto zero milímetro para ambos.Utilizando varreduras de micro-TC e modelagem CAD, um design bioinspirado foi produzido com cinco dentes curvos com uma altura de seis centímetros e um diâmetro de oito centímetros para a lanterna fechada, o que corresponde a cinco vezes o tamanho da lanterna natural de Aristóteles. Para cada componente da mandíbula bioinspirada, produza arquivos STL para impressão 3D. Prepare a impressora 3D carregando primeiro as cartuchas de plástico de acrilonitrila butadieno estireno e de material plástico de suporte.Em seguida, insira a base de modelagem na plataforma Z alinhando primeiro as abas da base com as ranhuras da bandeja. Agora abra as partes do arquivo STL e siga as etapas exibidas na tela para orientar e imprimir as peças individuais da lanterna simultaneamente. Aqui é mostrado um exemplo de impressão 3D de um braço articulado.Após imprimir os arquivos, solte a base de modelagem das abas e deslize a base para fora da impressora ao longo dos guias da bandeja. Em seguida, utilize uma espátula de metal para remover as peças impressas da base. Depois de desprendidas, coloque as peças impressas em um banho de base aquecido até que o material plástico de suporte se dissolva.Agora, prenda cada dente a um braço articulado com uma haste de ligação utilizando anéis retentores e em ambos os lados e monte o lanternão de Aristóteles inspirado na biologia. Utilizando o arquivo CAD para o dente inspirado na biologia, realize um teste de análise de tensão por modelagem por elementos finitos. Primeiro, abra o arquivo.Inicie um novo estudo. E escolha executar um teste estático com uma geometria fixa. Em seguida, clique nas interfaces para adicionar fixações nos furos de montagem onde serão colocados os pinos.Em seguida, defina a força das cargas externas. Clique nas faces da ponta de moagem do dente para aplicar uma força de 45 Newtons nas bordas. Agora, defina a gravidade.Indique na configuração do plano superior que a força gravitacional deve ser aplicada normalmente ao plano. Em seguida, crie uma malha na superfície de projeto e defina a densidade da malha como fina. Agora, execute o teste para comparar um dente com e sem a quilha.Uma escala colorida mostrará as áreas de maior tensão. A imagem não invasiva do dente do ouriço-do-mar e da lanterna de Aristóteles foi fundamental para produzir um design inspirado na biologia. A análise detalhada da microestrutura do dente por MEV confirmou a importância estrutural da parte pedregosa enriquecida com magnésio na ponta trituradora do dente.Os elementos primários de placa e fibra são conectados entre si por uma matriz de elementos secundários na região mais dura da ponta de moagem do dente. A porção mais dura da pedra, mostrada em cinza mais escuro, é composta por até 40 por cento de átomos de magnésio que substituem os átomos de cálcio. Assim, a lanterna inspirada na biologia foi projetada com software CAD, impressa em 3D e montada.O objetivo final do projeto é coletar areia. A importância da quilha no projeto foi testada utilizando testes computadorizados de tensão no desenho CAD. Para uma força aplicada de 45 newtons, a tensão máxima sofrida pelo design do dente com quilha foi cerca de 16 por cento menor.No entanto, a quilha acrescenta apenas quatro por cento à massa do projeto. Ao tentar um protocolo de projeto bioinspirado, é importante começar com uma observação cuidadosa da estrutura natural em sua forma viva ou por meio do uso de métodos de caracterização não invasivos, como micro-TC e MEV. Após o procedimento geral, projetos bioinspirados a partir de outras estruturas naturais podem ser implementados em aplicações úteis em uma ampla gama de áreas da engenharia.O passo final de bioexploração, com base no trabalho do Professor Michael Porter, é especialmente essencial para utilizar métodos de análise de engenharia na quantificação da vantagem mecânica da estrutura quilha no dente da ouriça-do-mar.

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Research

JoVE Journal

Bioengineering

Bioengenharia

A microinjecção é uma técnica comum usada para fornecer estruturas de ADN, ARNm, oligonucleidos morfolino anti-sentido ou outros tratamentos em ovos, embriões, e as células de várias espécies.

High Throughput microinjeções de ouriço do mar zigotos

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Caracterização de escamas de peixe multi-camadas (<em&gt; Atractosteus espátula</em&gt;) Usando Nanoindentação, X-ray CT, FTIR, e SEM

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O protocolo seguinte descreve a metodologia para: amostragem microplásticos à superfície do mar, a separação de identificação microplástico e química das partículas. Este protocolo está em linha com as recomendações para monitorização microplásticos publicados pelo MSFD Subgrupo Técnico sobre lixo marinho.

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Neste estudo de duas partes, um atuador biológico foi desenvolvido usando cantilevers de polidimetilsiloxano altamente flexíveis (PDMS) e células musculares vivas (cardiomiócitos) e caracterizados. O atuador biológico foi incorporado com uma base feita de materiais PDMS modificados para construir um biorobot de auto-estabilização e natação.

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Imagem com base em topografia é um método não-invasivo, cada vez mais prático para o ambiente marinho da amostra. Apresentamos o protocolo de uma pesquisa de câmera de gota que estima a abundância e distribuição do Vieira mar Atlântico (Placopecten magellanicus). Discutimos como este protocolo pode ser generalizado para aplicação a outros macroinvertebrados bentônicos.

Métodos para pesquisas com base em imagem de macroinvertebrados bentônicos e seu Habitat, exemplificado pela pesquisa câmera Drop para o Oceano Atlântico Vieira

Um dispositivo de passagem para usando o biodeposition método para quantificar o comportamento de filtragem e alimentação dos moluscos bivalves foi modificado para uso de bordo. Uma tabela bidimensional gimbal construída em torno do dispositivo isola o aparelho do movimento do barco, permitindo a quantificação precisa das variáveis de filtração bivalves em sites de aquicultura offshore marisco.

Concepção e utilização de aparelhagem para quantificar a suspensão bivalves alimentação no mar

Um andaime bioinspirado é fabricado por uma técnica de fotolitografia macia usando hidrogéis mecanicamente robustos e eletricamente condutores. Os hidrogéis micropadronizados fornecem alinhamento direcional das células cardiomiócitos, resultando em uma direção personalizada de atuação. Microeletrodos flexíveis também são integrados ao andaime para trazer controle elétrico para um tecido cardíaco auto-atuante.

Robô macio bioinspirado com microeletrodos incorporados

Este protocolo descreve o desenvolvimento de um sistema modular de microdispositivos controláveis que pode ser aplicado para o cultivo e monitoramento de corais marinhos a longo prazo.

Um sistema integrado de microdispositivos para crescimento e monitoramento de corais

Aprenda a desenvolver um amostrador de sedimentos bioinspirado na estrutura da lanterna de Aristóteles de ouriços-do-mar. Este método utiliza impressão 3D e análise de engenharia para criar dispositivos eficientes baseados em características biológicas naturais.

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

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