Характеристика многослойных рыбьей чешуи ( Atractosteus шпатель) Использование Наноиндентирование, РКТ, Фурье-ИК и SEM

Общая цель этой процедуры заключается в определении структуры, химического состава и механических свойств многослойной минерализованной рыбьей чешуи путем проведения рентгеновской компьютерной томографии, наноиндентирования для трансформационной инфракрасной спектроскопии и сканирующей электронной микроскопии в сочетании с энергодисперсионной рентгеновской спектроскопией. Это достигается путем предварительной подготовки отдельных чешуек к анализу путем удаления мягких тканей из чешуек, монтажа и разрезания чешуек, а затем выполнения ступенчатой полировки. Второй шаг заключается в выполнении пространственно коррелированного наноиндентирования вдоль поперечного сечения шкалы с алмазным наконечником перковича для определения локальных наномеханических свойств.

Затем внутренний и внешний слои рыбьей чешуи исследуются с помощью ИК-Фурье микроскопа для выявления основных функциональных групп в соответствующих слоях. Последним шагом является использование детектора EDX на сканирующем электронном микроскопе для корреляции локального химического состава с наноуглублениями, сделанными в чешуе рыб, и для получения изображений углублений в различных слоях и поверхностях разрушения. В конечном счете, комбинируя эти различные экспериментальные методы, принципы естественного дизайна минерализованной рыбьей чешуи проясняются через понимание взаимосвязей между свойствами структуры.

Основное преимущество этой методики перед другими существующими методами испытаний, такими как объемное статистическое наноиндентирование, заключается в том, что она действительно обеспечивает прямую корреляцию между химическим составом, структурой и локальными механическими свойствами. Однако в интересующих нас областях мы применили этот метод для изучения пространственного распределения, химического состава, структуры и механических свойств конструкционных биоматериалов. Он также имеет множество применений, включая материалы на основе цемента, многофазные композиты и практически любой тип гетерогенного материала, который демонстрирует эту неоднородность в масштабе микрометров и нанометров.

Чтобы исследовать поперечное сечение короткой оси рыбьей чешуи, держите рыбью чешую в форме для образца диаметром 32 миллиметра, используя имеющийся в продаже пластиковый держатель для образцов, чтобы образец был правильно ориентирован при монтаже в эпоксидную смолу. После того, как образец будет удержан в форме, залейте образец неотвержденной эпоксидной смолой. После того, как эпоксидная смола затвердеет в соответствии с указаниями производителя, разрежьте установленный образец с помощью высокоточной отрезной пилы с алмазным диском по средней линии образца.

После того, как образец был загружен в вход nano и dent, используйте программное управление, чтобы переместить образец в место для первого отступа, выполните четыре параллельных ряда отступов на расстоянии 15 микрометров друг от друга, чтобы получить статистически значимый набор данных, начиная с этого места. Затем установите нано-контракт на максимальную нагрузку в пять миллиньютонов со скоростью загрузки и разгрузки 0,1 миллиньютона в секунду, общее время 30 секунд и минимальный интервал между отступами в пять микрометров для каждого ряда. Когда замес завершен, половина нано-контракта создает реперные углубления с максимальной нагрузкой 100 миллиньютонов на первом и последнем отступе, которые должны быть в эпоксидной смоле перед слоем аноэ и после костного слоя соответственно.

После наноиндентирования поместите образец обратно в раствор PBS, чтобы избежать дальнейшего обезвоживания. Жестко закрепите образец так, чтобы самый длинный размер был параллелен детектору. После настройки сканера закрепите установленный образец на столике сканера с помощью материалов, прозрачных для рентгеновских лучей, таких как пенополистирол и параформа.

Расположите образец так, чтобы он находился в центре вращения. На протяжении всего сканирования выбирайте самое высокое разрешение, позволяющее всей шкале находиться в поле зрения, которое в данном случае составляет 7,5 микрометров. После сбора данных реконструируйте изображения рентгеновской проекции, чтобы создать набор данных, содержащий изображения поперечного сечения.

Затем используйте программное обеспечение для получения окончательного 3D-изображения в оттенках серого. Отрегулируйте диапазон оттенков серого до соответствующего уровня, чтобы удалить артефакты из пенополистирола и параформы Для получения изображений наноотступов на полированном образце с помощью СЭМ или сканирующей электронной микроскопии прикрепите образец к заглушке СЭМ с помощью двусторонней углеродной ленты с углублением поверхностью вверх. Далее поместите образец в камеру СЭМ и перекачайте камеру в режим низкого вакуума.

Отрегулируйте рабочее расстояние в диапазоне от 3,0 до 5,0 миллиметров. Активируйте высокое напряжение и перейдите к интересующим областям на образце, которые в данном случае являются структурами, присутствующими в слоях аноэ и кости. Затем получите изображения при высоком напряжении от пяти до 15 киловольт и более низком токе луча 3,9 наноампера.

Чтобы улучшить разрешение, захватывайте изображения как минимум из трех областей интереса с увеличением от 250 x до 10 000 с помощью детектора BSE с низким вакуумом, чтобы помочь идентифицировать изменения в содержании и плотности биоминералов. После этого перейдите к интересующей вас области полированного образца, которая включает в себя нано-отступную сетку, обозначенную реперными знаками в конце каждой строки отступов. Следите за тем, чтобы высокое напряжение составляло не менее 15 киловольт.

Ток луча составляет не менее 3,9 наноампер, а рабочее расстояние больше 5,0 миллиметров. Затем с помощью EDX получите изображение обратно рассеянных электронов в анализируемой области. Использование программного обеспечения для анализа EDX.

Сделайте одно и то же изображение, чтобы помочь найти области для выполнения химического анализа вдоль линии углублений. Затем, используя технику анализа линий, расположите линию для выполнения химического анализа вдоль интересующей линии отступов, начиная с первого отступа и заканчивая последним отступом. Укажите количество точек анализа, которые должны быть размещены вдоль линии, используя то же число, что и количество отступов, чтобы обеспечить прямую пространственную корреляцию между химическим составом и механическими свойствами.

Когда линия расположена и точки указаны правильно. После завершения анализа линий начните анализ линий с помощью программного обеспечения EDX. Определите интересующие элементы, подлежащие количественному определению, по точечным спектрам, полученным вдоль указанной линии на полированной поверхности образца.

После того, как будут выявлены представляющие интерес элементы, выполните фоновую калибровку для учета излучения легких и других эффектов. Выберите опцию анализа деконволюции в программном обеспечении, чтобы получить количественный анализ в каждой точке вдоль указанной линии для количественной оценки химического состава в каждой точке. Наконец, сохранив результаты количественного химического анализа вместе с изображением указанной линии, которое было проанализировано для помощи в пространственной корреляции с механическими свойствами, измеренными с помощью наноиндентирования в слое аноэ, наноимплантат рассчитал средний модуль 69,0 гигапаскаль и твердость 3,3 гигапаскаля.

Наноимплантат определил средний модуль 14,3 гигапаскаль и твердость 0,5 гигапаскаль для костного слоя. Аноэ и костный слой содержат количественные различия в химическом составе. Всплеск углерода в костном слое может быть связан с низкой минерализацией, что приводит к увеличению углерода и снижению яркости изображения BSE, ИК-Фурье спектры слоев кости и ENE показывают сигнатуры гидроксиапатита во внешнем слое gwe и сигнатуры коллагена во внутреннем слое кости.

Рентгеновская компьютерная томография показывает, что слой gwe не покрывает костный слой там, где чешуйки перекрываются. Более яркие серые слои gwe плотнее, тверже и жестче, в то время как более темно-серые костные слои менее плотные и менее жесткие. Вблизи центра жилого слоя наблюдаются явные ямки, которые демонстрируют его неоднородность.

На СЭМ-изображении с меньшим увеличением поверхности травленого излома были обнаружены наноструктуры, организованные в слоистый узор для слоя гинга, что коррелирует с СЭМ большего увеличения ИК-Фурье, изображения поверхности протравленного излома показывают ориентированные наностержни в слое гинга, в то время как в костном слое наблюдается волокнистая наноструктура после ее развития. Этот метод проложил путь к дополнительным исследованиям биоматериалов и композитных материалов для изучения пространственного распределения химического состава, структуры и механических свойств, а также для изучения границ раздела в многофазных композитных материалах. Итак, после просмотра этого видео у вас должно быть хорошее понимание того, как готовить образцы и проводить анализы для пространственной корреляции химического состава со структурой и механическими свойствами в конструкционных биоматериалах.

Эти методы также применимы и адаптируемы для исследования других типов гетерогенных многофазных материалов.