Summary
تعرض هذه الورقة الطرق المستخدمة لبحث الكيميائية المترابطة مكانيا والهيكلية، والخواص الميكانيكية للنطاق متعدد الطبقات من Atractosteus ملعقة (A. ملعقة) باستخدام nanoindentation، تحويل فورييه الأشعة تحت الحمراء (FTIR) الطيفي والمسح الضوئي المجهر الإلكتروني (SEM)، وX- أشعة التصوير المقطعي حسابها (الأشعة السينية CT). وقد استخدمت النتائج التجريبية للتحقيق مبادئ التصميم من المواد البيولوجية واقية.
Abstract
الهندسة المعمارية الهرمية المواد البيولوجية واقية مثل موازين المعادن الأسماك، وقذائف بطني الأرجل، قرن الكبش، وقرون، وقذائف السلاحف يوفر مبادئ تصميم فريدة من نوعها مع إمكانات لتوجيه تصميم مواد وأنظمة وقائية في المستقبل. فهم العلاقات هيكل الملكية لهذه الأنظمة المادية في microscale والنانو حيث يبدأ الفشل أمر ضروري. حاليا، تقنيات تجريبية مثل nanoindentation، الأشعة السينية المقطعية، وتوفر للباحثين ووزارة شؤون المرأة وسيلة لربط السلوك الميكانيكية المجهرية مع هذه الأنظمة الهرمية المواد 1-6. ومع ذلك، فإن الإجراء القياسي واضحة المعالم لإعداد عينة من المواد الحيوية المعادن غير متوفر حاليا. في هذه الدراسة، وأساليب لبحث الكيميائية المترابطة مكانيا والهيكلية، والخواص الميكانيكية للنطاق متعدد الطبقات من A. ملعقة باستخدام nanoindentation، FTIR، ووزارة شؤون المرأة، مع حماميتم عرض ergy والتشتت الأشعة السينية (EDX) التحليل الدقيق، والأشعة السينية CT.
Introduction
الباحثون يحققون الحيوية الهيكلية وتحاول إلقاء الضوء على مبادئ التصميم، والتي توفر الهيكلية الحيوية مع تحسين الخواص الميكانيكية مثل أعلى بكثير صلابة وقوة بالمقارنة مع ناخبيهم الفردية. التحقيقات على مبادئ التصميم من قشور الأسماك المدرعة لPagrus الرئيسية 7، Polypterus senagalus 2،6، gigas Arapaima 3، 4 سمك الشبوط، وAtractosteus ملعقة 1 وقد أثبتت الحاجة إلى التوسع في تطبيق الأساليب التجريبية القائمة على دراسة الردود الهيكلية والخصائص المجهرية، منذ إجراءات تفصيلية القياسية غير متوفرة لهذه الأنواع من المواد والتجارب.
بين مختلف قشور السمك مدرعة ناقش، A. ملعقة هو المفترس قمة تاريخيا من وسط الولايات المتحدة 8 و هو نوع مع ارتفاعلاي موازين المعادن. التبادلات الأنواع كتلة العضلات لكتلة الجلد للحصول على نظام الدفاع المفترس تحسين بالمقارنة مع الأسماك ذات الحجم المماثل المذكورة سابقا 9. وفقا لصفحة والأزيز 10، A. ملعقة هي ثالث أكبر أسماك المياه العذبة في أمريكا الشمالية مع سمك الحفش الأبيض (أسيبنسر ترانسمونتانوس) وسمك الحفش الاطلسي (أوكسيرينخوس أسيبنسر) كونها أكبر الأنواع. جداول الأسماك عالية من المعادن A. ومؤخرا فقط التي تجري دراستها الملعقة. اقترح طومسون وماكيون 11 أن مورفولوجية جداول غار يكون تكوين ثلاث طبقات تتألف من طبقة ganoine الخارجي، وطبقة العظام منتشر، وطبقة العظام رقائقي. الأبحاث الحالية على A. وقد جداول ملعقة لا تميز طبقة العظام منتشر في العظام أو المناطق رقائقي، ولكن درست فقط المنطقة العظام وطبقة واحدة 1،12 الداخلية.
في هذه الدراسة، إجراءات فيvestigating المجهرية، البنية النانوية، والتركيب الكيميائي، والتوزيع المكاني للخصائص الميكانيكية للجداول A. ملعقة بناء على نتائج التحليل الطيفي FTIR، يتم عرض SEM، أشعة CT، وتقنيات nanoindentation.
Protocol
1. مقياس سمك إعداد نموذج
لهذه الدراسة، تم الحصول عليها من المقاييس المهندس الجيش الأمريكي مركز البحوث والتنمية (ERDC) مختبر البيئة في منتصف طول (29 تشرين العمود الذيلية) من غار حوالي 600 مم طويل (A. ملعقة). تم الحصول على قشور السمك وفقا لمعهد ERDC والوطنية للصحة (NIH) المبادئ التوجيهية رعاية الحيوان.
- المواد
تسجيل الموقع المكاني على الأسماك من جداول التي تم الحصول عليها للدراسة. للتأكد من الالتزام بتنظيم المناسبة أو المبادئ التوجيهية الحكومية للحصول على العينات البيولوجية مثل المبادئ التوجيهية رعاية الحيوان المعاهد الوطنية للصحة. تخزين المقاييس في وسيلة كافية مثل الفوسفات مخزنة محلول ملحي للحفاظ على ترطيب والحفاظ على المحتوى المعدني مرة واحدة تتم إزالتها من الأسماك. تجنب التخزين لفترات طويلة يمكن أن يؤدي إلى فقدان المعدنية، والتي قد تؤثر على البيانات nanoindentation. استخدام فرشاة متوسطة ورweezers لإزالة أي نوع من الأنسجة الناعمة من جداول الثابت. - عينة تركيب وباجتزاء
دراسة مقطع عرضي من محور القصير مقياس السمكة (الشكل 1) باستخدام FTIR وnanoindentation يتطلب تركيب أول مقياس في وسط قاسية مثل الايبوكسي جزئين يتألف من الراتنج وتصليب. استخدام للأغراض العامة RT إيبوكسى مع انخفاض درجات الحرارة علاج الذروة مثل الايبوكسي التجارية للأغراض العامة المستخدمة في هذه الدراسة التي كان لها درجة حرارة ذروة أقل من 55 درجة مئوية.
الصور الرقم 1. CT الأشعة السينية من A. مقياس ملعقة يصور المقطع العرضي القصير محور بحثها في هذه الدراسة من أ. ملعقة باستخدام nanoindentation وFTIR [A (الأمامي)، P (الخلفي)، D (الظهرية)، والخامس (بطني)]. </ ع>
- عقد على نطاق والأسماك في قطر 32 ملم عينة العفن باستخدام المتاحة تجاريا حامل عينة من البلاستيك. هذا يحافظ على عينة موجهة بشكل صحيح في حين تصاعد في الايبوكسي.
- بمجرد عقد العينة في القالب، صب الايبوكسي غير مخمر على العينة ومن ثم السماح للالايبوكسي لعلاج وفقا لإرشادات الشركة المصنعة.
- بعد الشفاء من الايبوكسي، القسم العينة التي شنت باستخدام شفرة الماس عالية الدقة قطع التيار رأى في خط الوسط من العينة.
- يصوتن في الماء المقطر لمدة 15 دقيقة لإزالة أي حطام من العينة.
- تلميع لNanoindentation وFTIR
للحصول على سطح أملس شقة للnanoindentation كما هو مبين في الشكل 2، واقترح إجراء تلميع التالية والمعلمات بناء على مناقشات مع صناعة ملمع وعينات الاختبار. ولكن قد تحتاج المعلمات إلى تعديل لمواد حيوية مختلفة استنادا إلى الردودمثل معدلات إزالة المواد. Ultrasonication العينات في حمام من الماء المقطر بين الخطوات تلميع أمر حيوي لضمان جزيئات من خشونة تلميع خطوة لا يتم تقديمها في أدق تلميع خطوة لاحقة.
الشكل 2. صورة مصقول محور القصير المقطع العرضي A. مقياس ملعقة تقام في الايبوكسي.
- البولندية الخشنة مع وسادة 15 ميكرون كربيد والمياه ومواد التشحيم حتى تكون العينة الطائرة باستخدام القوة التلقائي تلميع رئيس 7 باوند وسرعة 200 ثورات لكل دقيقة (دورة في الدقيقة).
- يصوتن العينة في حمام من الماء المقطر لمدة 15 دقيقة.
- البولندية وسيطة مع وسادة 6 ميكرون كربيد باستخدام مواد التشحيم المياه بسرعة الصوانى من 130 دورة في الدقيقة وقوة من 7 باوند ل5 دقائق.
- يصوتن العينة في حمام من الماء المقطر لمدة 15 دقيقة.
- البولندية مع 1 ميكرومتر كربيد سادة باستخدام مواد التشحيم المياه بسرعة الصوانى من 130 دورة في الدقيقة وقوة من 7 باوند لمدة 5 دقائق.
- يصوتن العينة في حمام من الماء المقطر لمدة 15 دقيقة.
- البولندية النهائية مع 50 نانومتر تعليق السيليكا الغروية باستخدام وسادة تلميع المناسبة مثل عالية الكثافة، غير المنسوجة، وانخفاض قيلولة البولي يوريثين يسهل اختراقها والتي تقترح الشركة المصنعة لمدة 50 تعليق نانومتر. البولندية بسرعة 130 دورة في الدقيقة مع قوة من 7 باوند لمدة 5 دقائق.
- يصوتن العينة في حمام من الماء المقطر لمدة 15 دقيقة.
2. اختبار Nanoindentation
- معايرة نظام nanoindentation قبل كل دفعة من الاختبار في المصنوعات المبادئ التوجيهية. وينبغي أن تشمل معايرة وظيفة تحديد منطقة للنظام للمعلومات بركوفيتش والإطار صلابة. بالإضافة إلى ذلك، إجراء معايرة المجهر إلى إندينتر في هذه الخطوةلضمان المسافات البادئة ربط إلى مواقع المجهر الذي تم اختياره.
- تحميل العينة إلى nanoindenter واستخدام عناصر التحكم المجهر الضوئي على nanoindenter لجلب عينة في التركيز.
- استخدام الضوابط البرمجيات لنقل العينة إلى الموقع لالمسافة البادئة الأولى. من الناحية المثالية، وهذا هو ما يقرب من 10 ميكرومتر في الايبوكسي من على حافة طبقة ganoine على طول محور من المقطع العرضي للمقياس.
- أداء 4 صفوف متوازية من المسافات البادئة متباعدة 15 ميكرومتر وبصرف النظر للحصول على وضع بيانات ذات دلالة إحصائية بدءا من هذا الموقع. تعيين nanoindenter إلى الحمولة القصوى من 5 مليون والتحميل والتفريغ معدلات 0.1 مليون / ثانية، ووقت الانتظار من 30 ثانية، وتباعد المسافة البادئة الحد الأدنى من 5 ميكرون لكل صف. صف من المسافات البادئة يجب أن يكون الإعداد لتشغيل متعامد على سطح ganoine، وينبغي تحديد عدد كاف من المسافات البادئة للسفر عبر المقطع العرضي مقياس بينما يجتاز حوالي 10 ميكرون في يبوكذ الماضي طبقة عظمية.
- عند اكتمال الدفعة، لديها nanoindenter خلق المسافات البادئة إيمانية مع الحمولة القصوى من 100 مليون في المسافة البادئة الأولى والأخيرة، والتي يجب أن تكون في الايبوكسي قبل طبقة ganoine وبعد طبقة العظام، على التوالي. هذه ربط لبداية ونهاية نقاط لكل صف من المسافات البادئة.
- بعد nanoindentation، ضع العينة مرة أخرى في برنامج تلفزيوني حل لتجنب المزيد من الجفاف.
- استخدام البرنامج nanoindentation لتحديد معامل وصلابة على أساس أسلوب أوليفر-13 فار إذا لوحظ استجابة المواد مستقلة الوقت. وإلا قد تحتاج إلى وقت الانتظار إلى أن تمتد إلى التغلب على زحف وحظ من تفريغ بسرعة كبيرة جدا.
3. حل مكانيا ATR-FTIR الطيفي
استخدام شريحة على ATR الإكسسوارات المرفقة المجهر FTIR هي واحدة الأسلوب المقترح لجمع تحل مكانيا تحويل فورييه الأشعة تحت الحمراء (FTIR) أطياف لاyers في عينة مقياس الأسماك. ملحق ATR يسمح لمجموعة من جودة عالية مع أطياف صغيرة جدا (~ 10 ميكرون 2) القرار المكانية، وهو ما لا يمكن تحقيقه مع أي تقنية FTIR الأخرى. تم استخدام نفس العينة مصقول (الشكل 2) التي أعدت للتجارب nanoindentation في هذه التجارب.
- اختيار عينة مع السطح وأبعاد مناسبة لمجهر FTIR المستخدمة للتحليل لضمان الحصول على جودة عالية من أطياف ATR-FTIR spectromicroscopy.
- إعداد المجهر FTIR لجمع البيانات. FTIR microspectroscopy يتطلب معايرة إشارة FTIR تحت ظروف أخذ العينات نفس سيتم استخدامها لقياس العينة. عادة، وهذا يشمل التبريد كاشف ويتيح وقتا لذلك لتحقيق الاستقرار وكذلك جمع كل الأطياف وخلفية عينة الأطياف تحت نفس الظروف البيئية. يمكن أن يكون هذا أهمية خاصة، لأن CO 2 وبخار الماء في الهواء يمكن دتؤثر ramatically أطياف FTIR. من المهم أيضا لضمان البصريات الصك يتم محاذاة.
- جمع الطيف الخلفية المناسبة لطرح العينة ضد. لهذه التجارب، تم استخدام مصقول، المغلفة الذهب المجهر الشريحة كخلفية لFTIR spectromicroscopy.
- باستخدام الهدف المناسب، والتركيز على العينة وتحديد مساحة من الاهتمام للتحليل.
- مرة واحدة تم العثور على مساحة من الاهتمام، ونعلق الاكسسوار ATR إلى الهدف المجهر FTIR، ورفع عينة حتى أنه يجعل اتصال حميم مع عنصر التأمل الداخلي ATR، وجمع طائفة العينة.
- بعد جمع أطياف FTIR، تنفيذ ما يلزم من معالجة البيانات القياسية المطلوبة.
4. الأشعة السينية التصوير المقطعي (CT)
- الحصول على وإعداد نطاق وكما نوقش في القسم 1.1
- الإعداد الماسح الضوئي
- الاحماء مصدر الأشعة السينية وفقا لمواصفات الشركة المصنعة.
- الأشعة السينية مجموعة الجهد والتيار إلى 50 كيلو فولت أمبير و 160، على التوالي.
- تعيين وقت التعرض إلى 1،450 مللي ثانية.
- حدد مرشح الألومنيوم 1.0 ملم.
- قبل عينة التحميل وإجراء تصحيح الميدان مسطح عندما يكون مصدر الأشعة السينية هو خارج (الميداني الظلام) وعلى (مشرق الميدان).
- جبل وتحميل عينة
يجب أن يتم تنظيمها بطريقة المقاييس بحيث لا تحول أو التحرك في جميع أنحاء طول الفحص. ويجب أيضا أن يتم تنظيمها هذه العينات باستخدام المواد التي هي شفافة تقريبا للأشعة السينية. مزيج من الستايروفوم وParafilm يمكن استخدامها لتأمين نطاق إلى مرحلة CT.- جامد جبل العينة بحيث أطول البعد موازية للكاشف.
- تأمين العينة التي شنت على مرحلة الماسح الضوئي.
- ضع العينة بحيث تكون في وسط تناوب في جميع أنحاء المسح الضوئي.
- حدد أعلى القرار الذي يسمح للنطاق بالكامل لتكون في مجال الرؤية (فوف)، في هذه الحالة 7.5 ميكرون.
- إعدادات الاستحواذ
القيام بمسح في هذه الدراسة مع خطوة دوران 0.25 درجة وقيمة الإطار المتوسط عن 15 عاما. إذا قرارات أقل مقبولة، وزيادة حجم الخطوة و / أو تقليل الإطار المتوسط للحد من إجمالي وقت الفحص. - معلمات إعادة الإعمار
مرة واحدة يتم الحصول على مجموعة من البيانات، وإعادة بناء الصور الإسقاط الأشعة السينية لإنشاء مجموعة البيانات التي تحتوي على صور مقطعية. حدد الإعدادات الافتراضية البرمجيات NRecon Skyscan ما عدا ليلي.- تغيير تصحيح الدائري قطعة أثرية إلى 20.
- تغيير تصحيح شعاع تصلب إلى 25٪.
- ضبط CS ثابت دوران لجعل مستعرضة مستوى الصورة.
- معالجة الصور
استخدام البرمجيات CTAn Skyscan في الحصول على المباراة النهائية 3D صورة مقياس الرمادية. ضبط نطاق مقياس الرمادية إلى مستوى مناسب لإزالة القطع الأثرية من الستايروفوم وParafilm.
= "jove_title"> 5. SEM التصوير والتحليل EDX
تم فحص عينات من قبل لتلميع nanoindentation وmicro-/nano-structure توصيف إعدادها باستخدام المسح الضوئي المجهر الإلكتروني (SEM). وقد استخدمت وضع منخفض فراغ لتقليل الجفاف العينات والحاجة إلى تطبيق الطلاء موصل. تم إجراء التحليل الكيميائي المحلية على عينات مصقول بالتزامن مع SEM التصوير باستخدام الطاقة التشتت الطيفي بالأشعة السينية (EDX). وأجريت التحليلات EDX على نفس الخط / الشبكة التي تم تحليلها من قبل nanoindentation من أجل توفير الارتباطات بين الخواص الميكانيكية والكيميائية. تم فحص السطوح بكسر حديثا أيضا من قبل وزارة شؤون المرأة لتوفير معلومات أفضل عن التشكل والتوجه هياكل biomineralized موجودة في قشور السمك. لتحسين دقة مراقبة هيكل نانو النطاق على السطوح المتصدعة، والمغلفة عينات تفل مع الذهب (الاتحاد الافريقي) وتصويرها في وضع فراغ عالية. ما يلييوفر تفاصيل إضافية عن الإجراءات المستخدمة.
- التصوير SEM من السطوح مصقول
- وضع العينة في غرفة مصقول ووزارة شؤون المرأة وغرفة ضخ في وضع منخفض فراغ مع الضغط غرفة 0،1-0،5 م بار.
- ضبط المسافة العمل إلى ما يقرب من 5.0 مم.
- تفعيل الجهد العالي (HV) وانتقل إلى منطقة الفائدة على عينة تضم المنطقة الانتقالية بين ganoine وعظمي الطبقات الفرعية أو المناطق الأخرى ذات الاهتمام.
- الحصول على الصور في 15 كيلو فولت ذات الجهد العالي وشعاع الحالي ما يقرب من 3.9 غ.
- تركيز الصورة وتأدية جميع التحالفات اللازمة والتعديلات stigmation.
- التقاط الصور من ثلاثة على الأقل من المناطق ذات الاهتمام في تكبير ذات الصلة (عادة 250X إلى 10،000 X) باستخدام منخفضة فراغ المرتدة الإلكترون (BSE) كاشف للمساعدة في تحديد التغييرات في محتوى biomineral وكثافة (أي العظام كثيفة مقابل العظام المسامية ).
- SEM التصوير من السطوح مكسور
- يضعوا العينة بكسر طازجة للكعب 90 ° SEM باستخدام الوجهين الشريط الكربون مع سطح الكسر مواجهة.
- تفل معطف مع الاتحاد الافريقي لتوفير طبقة سميكة موصل نانومتر الفرعية على سطح الكسر.
- وضع العينة في غرفة ووزارة شؤون المرأة وغرفة ضخ في وضع فراغ عالية.
- ضبط المسافة بين العمل على 3.0 و 5.0 ملم.
- تفعيل HV وانتقل إلى مناطق الفائدة على العينة. وكانت المجالات الرئيسية للاهتمام في هذه الحالة الهيكل الحالي في ganoine وعظمي طبقات.
- الحصول على صور ما بين 5 كيلو فولت و 15 كيلو فولت ذات الجهد العالي وانخفاض شعاع الحالي 0.24 غ لتحسين القرار.
- في البداية التركيز العينات وإجراء التحالفات الأولية.
- زيادة التكبير لأكثر من 5،000 X والتحول من الطبيعي عدسة مجال الانبعاثات في الغمر / فائقة (UHR) عدسة القرار.
- أداء UHR التحالفات والتسويات stigmation.
- التقاط الصور من ثلاثة على الأقل من أقاليم سالفائدة و في تكبير ذات الصلة (عادة 5،000 إلى 250،000 X X) باستخدام كاشف من خلال عدسة (TLD) تعمل في الإلكترون الثانوية (SE) واسطة.
- تحليل EDX من السطوح المصقولة (يقوم بالتعاون مع SEM التصوير). هذه المعايير هي المواد التي تعتمد وسوف تحتاج إلى تعديل وبالتالي فإن حجم التفاعل EDX مشابه في الحجم لحجم التفاعل nanoindentation كما نوقش من قبل موزر 14.
- انتقل إلى منطقة الفائدة على عينة المصقول الذي يتضمن شبكة nanoindentation يتبين من علامات إيمانية في نهاية كل سطر من المسافات البادئة.
- ضمان HV هو لا يقل عن 15 كيلو فولت، وشعاع الحالي هو 3.9 على الأقل نا، والعمل عن بعد هو أكبر من 5.0 مم.
- التقاط صورة مرض جنون البقر من منطقة ليتم تحليلها باستخدام EDX.
- باستخدام برامج التحليل EDX، والتقاط نفس الصورة للمساعدة في تحديد مكان المناطق لإجراء تحليل كيميائي على طول خط المسافات البادئة.
- باستخدام "تحليل لاين" تقنية، صsition خط لإجراء تحليل كيميائي على طول خط الفائدة من المسافات البادئة بدءا من المسافة البادئة الأولى وتنتهي في المسافة البادئة الماضي.
- تحديد عدد من النقاط تحليل لتوضع على طول الخط. فمن الأفضل لاستخدام نفس العدد من النقاط وتحليل المسافات البادئة التي تكون موجودة لتوفير وجود علاقة مباشرة بين المكانية التركيب الكيميائي والخواص الميكانيكية.
- عندما يتم وضع خط ونقاط محددة بشكل صحيح، والشروع في تحليل الخط باستخدام برنامج EDX.
- عندما يتم الانتهاء من تحليل الخط، وتحديد العناصر التي تهم قياسها كميا من أطياف نقطة تم الحصول عليها على طول الخط المحدد على سطح مصقول من العينة.
- مرة واحدة يتم تحديد العناصر المثيرة للاهتمام، إجراء المعايرة الخلفية لحساب الإشعاع إشعاع انكباحي وغيرها من الآثار.
- اختيار الخيار تحليل deconvolution البرنامج على الحصول على التحليل الكمي على كل نقطة على طول الخط المحدد لتشيوانtify التركيب الكيميائي في كل نقطة.
- حفظ نتائج التحليل الكيميائي الكمي جنبا إلى جنب مع صورة خط المحدد الذي تم تحليلها للمساعدة في العلاقة المكانية مع الخواص الميكانيكية تقاس باستخدام nanoindentation.
Representative Results
الشكل 3 يصور متوسط نتائج المترابطة مكانيا nanoinidentation / SEM / EDX التحليلات التي أجريت عبر حوالي 800 ميكرون محور قصيرة طويلة عرضية المقطع العرضي. في ما يقرب من 60 ميكرون طبقة سميكة ganoine، وnanoindenter حساب متوسط معامل 69.0 برنامج العمل العالمي وصلابة من 3.3 جيغا. وnanoindenter تحديد متوسط معامل 14.3 برنامج العمل العالمي وصلابة من 0.5 جيغا لطبقة سميكة العظام حوالي 740 ميكرون.
EDX تحديد الكربون، والأكسجين، والكالسيوم، والفوسفور، والتي عادة ما تكون موجودة في موازين المعادن. ومع ذلك، تضمن ganoine والعظام طبقات الاختلافات قابلة للقياس الكمي في التراكيب الكيميائية. ويمكن أن يعزى الارتفاع الكربون لوحظ في طبقة العظم لتلك المنطقة لا يجري كما المعدنية للغاية، مما يؤدي الى زيادة طفيفة في الكربون التي تسببت أيضا في انخفاض الملحوظ في السطوع الكلي للصورة مرض جنون البقر. على وجه التحديد، وطبقة ganoine '، ق يعني نسبة تركيز ذرية كا: P من 1.71 ظهرت مشابهة لهيدروكسيباتيت مع نسبة 1.67 النظرية. متوسط كا طبقة العظم: انخفضت نسبة P إلى 1.51 وهو ما يمثل انخفاضا في كمية تمعدن من طبقة ganoine.
حددت FTIR الأطياف في الشكل (4) لطبقة العظم وطبقة ganoine المجموعات الوظيفية الرئيسية على النحو أميد، الكربوكسيلية والفوسفات، والكربونيل. على وجه التحديد، أكد FTIR الملاحظة البصرية التوقيعات هيدروكسيباتيت في الخارجي (ganoine) طبقة الكولاجين والتوقيعات في الداخلية (العظام) طبقة. تمثل القمم في 3،500-3،000 سم -1 بسبب NH التمدد والانحناء NH بين 1،550 و 1،500 سم -1 الجماعات أميد في طبقة العظم. قمم في المنطقة من عدد موجة 1،470-1،365 سم -1 تمثل أميد استبداله مجموعات ألكيل. بالإضافة إلى ذلك، C = O مميزة تمتد على 1،641 سم -1 وحظ على طبقة العظام. بازيلاتمثل كانساس من 3،000-2،500 الطول -1 الجماعات الكربوكسيلية. أنتجت أطياف كل من العظام وganoine طبقات 'ذروة مميزة بالقرب من 1،079.33 سم -1 مؤشرا تمتد الفوسفات.
صور الأشعة السينية CT في الشكل 5 يلتقط أن طبقة ganoine لا تغطي طبقة العظام حيث تتداخل جداول بعضها البعض. أكثر إشراقا طبقات ganoine الرمادية تشير أكثر كثافة، وأكثر صعوبة، وأشد مراحل في حين تشير قتامة طبقات العظام الرمادي مراحل أقل كثافة وأقل قاسية. بالإضافة إلى ذلك، فإن الأشعة السينية CT التصوير ساعد في تحديد عدم تماثله في ganoine سمك طبقة. في الواقع، لوحظ حفر واضحة على مقربة من وسط طبقة ganoine، والتي لا تغطي طبقة العظام على الإطلاق.
الصورة SEM في الشكل 6A من سطح الكسر محفورا مع H 3 PO 4 النانو كشفت المنظمة في نمط الطبقات لطبقة ganoine. هذه المنظمة nanorod- هيكل يرتبط التواقيع هيدروكسيباتيت الحصول عليها من FTIR للمنطقة ganoine.
الرقم 6A يصور نموذجية أقل التكبير SEM صورة مجهرية من سطح كسر تحديد واضح للانتقال بين ganoine والعظام طبقات مع خط متقطع. يصور الشكل 6B التكبير أعلى الصور SEM من سطح الكسر بعد الحفر مع H 3 PO 4. بعد الحفر، نانواعواد المنحى في طبقة ganoine الخارجي بشكل واضح للتحديد بينما لوحظ البنية النانوية الألياف مثل في طبقة العظم.
الرقم 3. معامل والبيانات صلابة من nanoindentation المترابطة مكانيا إلى التركيب الكيميائي ووزارة شؤون المرأة / EDX.
her.within صفحة = "دائما"> 
الشكل 4. FTIR الأطياف التي تم جمعها من الخارجي (ganoine) والداخلية (العظمية) طبقات.
الرقم 5. الأشعة السينية CT الصور تظهر على تأليب الخارجي (ganoine) طبقة تغطي الداخلية (العظمية) طبقة.
الشكل 6: (أ) منخفضة التكبير SEM صورة سطح الكسر النموذجية، (B) وصور التكبير أعلى من نانواعواد في الخارجي (ganoine) والألياف في الداخلية (ببنيويورك) طبقات .. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
Discussion
من وجهة النظر التجريبية للعرض، يحتاج الباحثون أن نتذكر أن عند العمل مع المواد البيولوجية التي تحدث بشكل طبيعي مثل حراشف السمك المعدنية، والإبلاغ الموقع المكاني للمقياس على الأسماك أمر بالغ الأهمية اذ اثبتت البحوث قبل الخواص الميكانيكية للحراشف السمك المعدنية تعتمد إلى حيث كانت تقع المقاييس على الأسماك 4.
وقد تبين أيضا الخواص الميكانيكية للمواد البيولوجية المعادن أن تعتمد على الدولة ترطيب للعينات 4. وهذا يحد من جدوى هذا الأسلوب عندما تحاول مقارنة عينات الطازجة التي تم رطب بشكل صحيح للنتائج التي نشرت في الأدبيات المفتوحة، والتي تستخدم العينات المتحجرة الجافة. وبالتالي، تحتاج مرات اختبار لفترات طويلة يجب تجنبها للحد من آثار الجفاف على الخواص الميكانيكية عينة خلال nanoindentation. ينصح المواد دراسات تجريبية محددة لضمان التجاربمنة وقت التشغيل هو الحد الأدنى لا يكفي لتغيير السلوك الميكانيكي للمادة. سوف nanoindentation الخلية الرطب يكون الأسلوب المفضل للحفاظ على ترطيب الدولة المستمر للمواد إذا يسمح معدات الاختبار عليه.
طريقة nanoindentation المستخدمة في هذه الدراسة، والتي يحسب معامل المرونة من منحنى التفريغ يفترض المواد يتصرف كمادة الخواص مرونة الخطية. تقنية يمكن استخدامها مع مجموعة متنوعة من النصائح إندينتر. ومع ذلك، تم استخدام غيض بركوفيتش ثلاثة جوانب مع نصف زاوية 65.35 درجة في هذه الدراسة. نصائح البديلة مثل الزاوية مكعب (نصف زاوية = 35.36 °) هي مناسبة لإجراء العملية الواردة في هذا المخطوط، ولكن منذ غيض الزاوية المكعب هو أكثر حدة من الشقوق طرف بركوفيتش يمكن أن تتولد في العينة في أقل بكثير من الأحمال مع غيض بركوفيتش.
تلميع هو خطوة أساسية للحصول على سطح أملس ومسطحة مع التقليل السطحيةه خشونة للن يؤثر على النتائج nanoindentation. الخطوات تلميع المقدمة في هذه المخطوطة هي الإجراء المقترح التي قد تحتاج إلى تعديل تبعا لنوع من الملمع المستخدمة. ومع ذلك، فإن خطوة حاسمة لضمان دقة البيانات nanoindentation هو أن خشونة السطح يتم التقليل، وهذه المواد خاصة كانت هناك حاجة إلى 50 نانومتر النهائي البولندية للحصول على سطح أملس شقة في أعماق المسافة البادئة يجري بحثها.
تباعد المسافات البادئة أيضا من يضمن دقة البيانات nanoindentation التي لا تتأثر تشوه المواد التي تحدث من المسافات البادئة السابقة. اقترح دليل المستخدم nanoindenter للمعدات في هذه الدراسة أن تباعد المسافة البادئة يجب أن تكون على الأقل 20-30X عمق الاختراق الحد الأقصى لبركوفيتش indenters 15. للمواد البديلة، سوف تحتاج تباعد المسافة البادئة المطلوبة يتم تحديدها على أساس تحميل تطبيق وأقصى عمق المسافة البادئة كما نوقش سابقا في العراءالأدب 16،17. بالإضافة إلى ذلك، تم اختيار الوقت لعقد هذه المواد للتغلب على أي زحف وحظ للمراحل مواد مختلفة وبحث السماح لأوليفر-فار طريقة تحليل البرنامج nanoindenter لاستخدامها. ومع ذلك، كما تمت مناقشته من قبل أوين 18 طرق التحليل البديلة المتاحة للمواد البيولوجية عندما لا يمكن التغلب على استجابات المواد التي تعتمد على الوقت مع أوقات الانتظار مناسبة.
لتحقيق نتائج عالية الدقة من الأشعة السينية CT، يجب أن يكون الأمثل العديد من الإعدادات. توضح هذه الورقة مجموعة محددة جدا من المعلمات للاستخدام على نطاق والأسماك مع حجم فريدة من نوعها وسمك الطبقات. مع اختلاف حجم العينة، وسوف تحتاج إلى تعديل للحصول على بيانات من أعلى مستويات الجودة هذه الإعدادات. ينبغي تحديد عملية اختيار كل معلمة بوضوح في دليل المستخدم الذي يأتي مع الجهاز قيد الاستخدام. إعدادات المسح الضوئي (الجهد، والحالية، والتعرض، واختيار مرشح) وإعدادات إعادة الإعمار(التحف حلقة، شعاع تصلب) قد تحتاج إلى تعديل لاستيعاب مجموعة متنوعة من أحجام العينات الأخرى وهندستها.
قدمت أشعة CT صورة من التشكل على نطاق كامل تحديد طبقة ganoine تغطي طبقة من المواد العظمية فقط حيث المقاييس لم تتداخل مع بعضها البعض. حددت CT التصوير بالأشعة السينية أيضا أن طبقة ganoine تتألف من سمك غير موحدة في جميع أنحاء نطاق واسع، وحفر حتى معارضها التي تفتقر إلى طبقة ganoine تماما.
ومن المثير للاهتمام، حدد البيانات المترابطة مكانيا nanoindentation إلى التحليل الكيميائي ووزارة شؤون المرأة / EDX انتقال منفصلة حادة بين 2 طبقات بدلا من المزيد من التحول التدريجي لاحظ قشور السمك المعدنية من P. senagalus (في Bruet وآخرون. 2).
مزيج من nanoindentation، شريطة FTIR، EDX، ووزارة شؤون المرأة الملكية الميكانيكية، والتحليل الكيميائي، والمعلومات الهيكلية لتأكيدالطبقة الخارجية كما ganoine مع مثل المينا التشكل والكيمياء. بالإضافة إلى ذلك، أكدت هذه التقنيات الطبقة الداخلية كطبقة عظمي من المواد.
في الختام، حدد الطرق الموضحة في هذه الدراسة إجراء المقابلة والنتائج لفحص الأسماك على نطاق والمعادن من A. ملعقة من بنية الأكبر وصولا الى تكوين البنية النانوية والمواد الكيميائية.
Disclosures
والكتاب ليس لديهم ما يكشف.
Acknowledgments
فإن الكتاب أود أن أنوه بالدعم المالي لهذا العمل التي قدمتها 6.1 برنامج البحوث الأساسية الجيش الأمريكي ERDC الهندسة العسكرية ومركز ERDC لبرنامج البحوث الموجهة. فإن الكتاب أود أيضا أن أشكر موظفي ومرافق ERDC الجيوتقنية وفرع الخرسانة والمواد الإنشائية مختبر لدعم العمل التجريبي. تم منح إذن لنشر من قبل مختبر مدير الجيوتقنية والهياكل.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Epoxy resin | Buehler | 701-501512 | |
| Epoxy hardener | Buehler | 703-501528 | |
| Samplkups | Buheler | 20-8180 | |
| SamplKlips I | Buehler | 20-4100-100S | |
| High precision cut-off saw | Buehler | Isomet | |
| UltraMet 2002 sonic cleaner | Buehler | B2510R-MT | |
| Polisher | Buehler | 49-1750-160 | |
| 1,200 grit (15 μm) SiC paper | Struers | 40400012 | |
| 4,000 grit (6 μm) SiC paper | Struers | 40400014 | |
| 50 nm colloidal silica | Buehler | 40-10075 | |
| Chemomet polishing pad for 50 nm suspension | Buehler | 40-7918 | |
| Nanoindenter | MTS | G200 | |
| FTIR continuum microscope | Thermo Nicollet | 6700 | |
| X-ray computed tomography | Skyscan | Skyscan 1173 | |
| SEM | FEI | NovaNanoSEM 630 | |
| EDX | Bruker | AXS Xflash detector 4010 | |
| Sputter coater | Denton | Desk II |
References
- Allison, P. G., et al. Mechanical properties and structure of the biological multilayered material system, Atractosteus spatula scales. Acta Biomater. 9, 5289-5296 (2013).
- Bruet, B. J. F., Song, J., Boyce, M. C., Ortiz, C. Materials design principles of ancient fish armour. Nat. Mater. 7, 748-756 (2008).
- Lin, Y. S., Wei, C. T., Olevsky, E. A., Meyers, M. A. Mechanical properties and the laminate structure of Arapaima gigas scales. J. Mech. Behav. Biomed. Mater. 4, 1145-1156 (2011).
- Marino Cugno Garrano, A., et al. On the mechanical behavior of scales from Cyprinus carpio. J. Mech. Behav. Biomed. Mater. 7, 17-29 (2012).
- Song, J., et al. Quantitative microstructural studies of the armor of the marine threespine stickleback (Gasterosteus aculeatus). J. Struct. Biol. 171, 318-331 (2010).
- Wang, L., Song, J., Ortiz, C., Boyce, M. C. Anisotropic design of a multilayered biological exoskeleton. J. Mater. Res. 24, 3477-3494 (2009).
- Ikoma, T., Kobayashi, H., Tanaka, J., Walsh, D., Mann, S. Microstructure, mechanical, and biomimeetic properties of fish scales from Pagrus major. 142, 327-333 (2003).
- O'Connell, M. T., Shepherd, T. D., O'Connell, A. M. U., Myers, R. A. Long-term declines in two apex predators, bull sharks (Carcharhinus leucas) and alligator gar (Atractosteus spatula), in Lake Pontchartrain, an Oligohaline estuary in southeastern Louisiana. Estuar. Coast. 30, 567-574 (2007).
- Long Jr, J. H., Hale, M. E., McHenry, M. J., Westneat, M. W. Functions of fish skin: flexural stiffness and steady swimming of longnose gar Lepisosteus osseus. J. Exp. Biol. 199, 2139-2151 (1996).
- Page, L. M., Burr, B. M. A field guide to freshwater fishes. The Peterson field guide series. , Houghton Mifflin Company. (1991).
- Thompson, K. S., McCune, A. R. Development of the scales in Lepisosteus as a model for scale formation in fossil fishes. J. Linn. Soc. Longdon, Zool. 82, 73-86 (1984).
- Yang, W., et al. Structure and fracture resistance of alligator gar (Atractosteus spatula) armored fish scales. Acta. Biomater. 9, 5876-5889 (2013).
- Moser, R. D., Allison, P. G., Chandler, M. Q. Characterization of Impact Damage in Ultra-High Performance Concrete Using Spatially Correlated Nanoindentation/SEM/EDX. J. Mater. Eng. Perf. 22, 1-7 (2013).
- Oliver, W. C., Pharr, G. M. An improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation experiments. J Mater Res. 7, 1564-1583 (1992).
- Agilent Technologies Nano Indenter G200 User's Guide. , Agilent Technologies Inc. Palo Alto. (2012).
- Ulm, F. J., et al. Statistical indentation techniques for hydrated nanocomposites: concrete, bone, and shale. J. Amer. Cer. Soc. 90, 2677-2692 (2007).
- Randall, N. X., Vandamme, M., Ulm, F. -J. Nanoindentation analysis as a two-dimensional tool for mapping the mechanical properties of complex surfaces. J. Mater. Res. 24, 679-690 (2009).
- Oyen, M. L. Nanoindentation of Biological and Biomimetic Materials. Exper. Tech. 37, 73-87 (2013).
