Summary
Dieses Papier zeigt die zum Sondieren räumlich korrelierten chemischen, strukturellen und mechanischen Eigenschaften des Mehrschicht Maßstab Atractosteus Spatel (A. Spatel) mit Nanoindentierung Methoden, Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FTIR), Rasterelektronenmikroskopie (SEM) und Röntgen Strahl-Computertomographie (Röntgen-CT). Die experimentellen Ergebnisse wurden verwendet, um die Konstruktionsprinzipien der Schutz biologischen Materialien zu untersuchen.
Abstract
Die hierarchische Architektur des Schutz biologischen Materialien wie mineralisierten Fischschuppen, Schneckenschalen, Widderhorn, Geweih und Schildkrötenpanzer bietet einzigartige Design-Prinzipien mit Potentialen zur Führung der Gestaltung der Schutz Materialien und Systeme in der Zukunft. Das Verständnis der Struktur-Eigenschafts-Beziehungen für diese Materialsysteme auf der Mikronanobereich und bei denen ein Versagen initiiert ist unerlässlich. Derzeit experimentellen Techniken wie Nanoindentierung, Röntgen-CT und SEM den Forschern ein Weg, um das mechanische Verhalten mit hierarchischen Mikrostrukturen dieser Materialsysteme 1-6 korrelieren. Allerdings ist eine gut definierte Standardverfahren für die Probenvorbereitung von mineralisierten Biomaterialien derzeit nicht verfügbar. In dieser Studie wurden die Verfahren zur Untersuchung räumlich korrelierten chemischen, strukturellen und mechanischen Eigenschaften des Mehrschicht Skala von A. Spachtel mit Nanoindentierung, FTIR, SEM, mit enEnergie-dispersive Röntgen-(EDX)-Mikroanalyse und Röntgen-CT dargestellt.
Introduction
Forscher untersuchen Struktur Biomaterialien und versuchen, die Design-Prinzipien, die Struktur Biomaterialien mit verbesserten mechanischen Eigenschaften, wie viel höhere Zähigkeit und Festigkeit im Vergleich zu ihren einzelnen Bestandteilen bereitzustellen aufzuklären. Die Untersuchungen an den Design-Prinzipien von gepanzerten Fischschuppen für Pagrus Haupt 7, Polypterus senagalus 2,6, Arapaima gigas 3, Cyprinus Carpio 4 und Atractosteus Spatel 1 haben die Notwendigkeit, die Anwendung der bestehenden experimentellen Methoden erweitern, um die Strukturantworten Studie zeigte, und mikrostrukturellen Eigenschaften, da detaillierte Standardverfahren sind für diese Arten von Materialien und Experimente zur Verfügung.
Unter den verschiedenen Panzerfischschuppen diskutiert, A. Spatel ist eine historisch Raub Spitze des zentralen US-8 und ist eine Art mit hoherly mineralisierten Skalen. Die Art Austausch Muskelmasse für die Haut, eine verbesserte Massenraubabwehrsystem im Vergleich zu den Fischen vergleichbarer Größe zuvor erwähnten 9 erhalten. Laut Seite 10 und Burr, A. Spachtel ist die drittgrößte Süßwasserfische in Nordamerika mit dem weißen Stör (Acipenser transmontanus) und Atlantic Stör (Acipenser oxyrhynchus) größer Arten. Die hoch-mineralisierten Fischschuppen von A. Spachtel sind erst vor kurzem untersucht. Thompson und McCune 11 vorgeschlagen, dass die Morphologie der gar Skalen haben einen dreischichtigen Aufbau, bestehend aus einer ganoine äußere Schicht, eine diffuse Knochenschicht und Lamellenknochenschicht. Die aktuelle Forschung auf dem A. Spachtel Skalen haben nicht unterschieden die Knochenschicht in diffuse oder Lamellenknochen Regionen, sondern hat gerade die Knochenbereich studierte als eine einzige innere Schicht 1,12.
In dieser Studie, die Verfahren für die investigating die Mikrostruktur, Nanostruktur, die chemische Zusammensetzung und die räumliche Verteilung der mechanischen Eigenschaften der Waage A. Spatel auf Ergebnisse der FTIR-Spektroskopie, REM, Röntgen-CT und Nanoindentierung Techniken vorgestellt.
Protocol
1. Fish Scale Probenvorbereitung
Für diese Studie wurden Skalen von der US Army Engineer Forschungs-und Entwicklungszentrum (ERDC) Umweltlabor auf halber Länge (29. Schwanz Spalte) von einem etwa 600 mm lang gar (A. Spachtel) erhalten. Die Fischschuppen wurden nach dem ERDC und National Institute of Health (NIH) der Tierpflege-Richtlinien erhalten.
- Materialien
Notieren Sie sich die räumliche Lage an der Fische der für die Studie gewonnen Skalen. Achten Sie darauf, auf die entsprechende Organisation oder staatliche Richtlinien zur Gewinnung von biologischen Proben, wie z. B. die Tierpflege NIH-Richtlinien einzuhalten. Speichern die Waage in einem adäquaten Medium, wie zB Phosphat-gepufferte Kochsalzlösung, um die Hydrierung zu bewahren und Mineralgehalt, wenn sie aus dem Fisch entfernt werden. Vermeiden Sie längeren Lagerung, die in Mineralverlust führen kann, die die Nanoindentierung Daten beeinflussen können. Verwenden Sie eine mittlere Borstenbürste und tweezers jede Weichgewebe von den harten Schuppen zu entfernen. - Specimen Montage und Sectioning
Prüfung einen Querschnitt der kurzen Achse des Fischschuppen (Fig. 1) unter Verwendung von FTIR und Nanoindentierung erfordert die Montage der ersten Skala in einem starren Medium, wie einem Zweikomponenten-Epoxidharz, bestehend aus einem Harz und Härter. Verwenden Allzweck RT Härtung Epoxide mit niedrigen Spitzentemperaturen, wie das Handelszweck-Epoxidharz in dieser Studie, die eine Spitzentemperatur von weniger als 55 ° C verwendet hatten
Fig. 1 ist. Röntgen-CT-Bilder der A. Spachtel Skala, das den in dieser Studie untersucht von A. Kurzachsenquerschnitt Spatel mit Nanoindentierung und FTIR [A (anterior), P (posterior), D (dorsalen), V (ventralen)]. </ P>
- Halten Sie die Fischschuppen in einem 32 mm Durchmesser Proben Form unter Verwendung eines handelsüblichen Kunststoff-Probenhalter. Dies hält die Probe korrekt ausgerichtet, während die Montage im Epoxid.
- Sobald die Probe in der Form gehalten, gießen Sie die nicht ausgehärteten Epoxy auf die Probe und lassen Sie das Epoxid gemäß den Anweisungen des Herstellers, um zu heilen.
- Nachdem das Epoxidharz ausgehärtet ist, der Abschnitt montiert Probe unter Verwendung einer Diamantklinge mit hoher Präzision Trennsäge an der Mittellinie der Probe.
- Ultraschallbad in destilliertem Wasser für 15 min bis alle Fremdkörper aus der Probe zu entfernen.
- Polieren für Nanoindentation-und FTIR-
Um eine glatte, ebene Oberfläche für Nanoindentierung erhalten, wie in Abbildung 2 dargestellt, sind die folgenden Polierverfahren und Parameter auf Basis von Gesprächen mit der Polier Herstellung und Testproben vorgeschlagen. Allerdings müssen die Parameter für die verschiedenen Biomaterialien auf der Basis Reaktionen eingestellt werdenwie Abtragsraten. Beschallen von Proben in einem Bad aus destilliertem Wasser zwischen Polierschritte ist wichtig, um Teilchen aus einem gröberen Polierschritt sicherzustellen, werden nicht in einem nachfolgenden feineren Polierschritt eingeführt.
Abbildung 2. Bild einer polierten Kurzachsenquerschnitt A. Spachtel Skala in Epoxidharz montiert.
- Grobpolitur mit einer 15 um SiC-Pad und Wasser als Schmiermittel, bis die Probe ist eben mit der automatischen Polierkopf Kraft von 7 lbf und Geschwindigkeit von 200 Umdrehungen pro Minute (rpm).
- Beschallen der Probe in ein Bad aus destilliertem Wasser 15 min.
- Zwischenlack mit einen 6 um SiC-Pad mit Wasser Schmiermittel bei einer Plattengeschwindigkeit von 130 Umdrehungen pro Minute und eine Kraft von 7 lbf für5 min.
- Beschallen Probe in ein Bad aus destilliertem Wasser 15 min.
- Polnisch mit einem 1 um SiC-Pad mit Wasser Schmiermittel bei einer Plattengeschwindigkeit von 130 Umdrehungen pro Minute und einer Kraft von 7 lbf für 5 min.
- Beschallen der Probe in ein Bad aus destilliertem Wasser 15 min.
- Feinschliff mit einer 50 nm kolloidalen Kieselsäuresuspension mit einem geeigneten Polierkissen wie etwa ein hochdichtes, nicht-gewebten, Tiefschlaf porösem Polyurethan, die ein Hersteller schlägt vor, für die 50 nm-Suspensionen. Politur mit einer Geschwindigkeit von 130 UpM mit einer Kraft von 7 lbf für 5 min.
- Beschallen der Probe in ein Bad aus destilliertem Wasser 15 min.
2. Nanoindentation Testing
- Kalibrieren Sie den Nanoindentierung System vor jeder Partie der Prüfung nach den Richtlinien produziert. Die Kalibrierung sollte das Bestimmen Bereich die Funktion des Systems für die Berkovich Spitze und Rahmensteifigkeit. Zusätzlich führen eine Mikroskop-to-Inden Kalibrierung bei diesem Schrittum zu gewährleisten, die Gedankenstriche korrelieren mit den gewählten Mikroskop Standorten.
- Legen Sie die Probe in die Nanoindenters und die Verwendung der optischen Mikroskop Steuerelemente auf der Nanoindenters, um die Probe zu fokussieren.
- Verwenden Sie die Software steuert, um die Probe zu dem Ort für den ersten Gedankenstrich zu bewegen. Im Idealfall ist dies ungefähr 10 &mgr; m im Epoxyharz vom Rand des ganoine Schicht entlang der Mittellinie des Querschnitts der Waage.
- Führen Sie vier parallele Reihen von Gedankenstrichen im Abstand von 15 um voneinander zu erhalten, beginnend an diesem Standort eine statistisch signifikante Daten eingestellt. Stellen Sie die Nanoindentor zu einer maximalen Belastung von 5 mN, Be-und Entladen Raten von 0,1 mN / sec, einer Haltezeit von 30 Sekunden und eine Mindestgedankenstrich Abstand von 5 um für jede Zeile. Die Reihe von Gedankenstrichen sollte Setup orthogonal zur ganoine Oberfläche zu laufen, und sollte eine ausreichende Anzahl von Gedankenstrichs, über Querschnitt der Waage zu reisen, während sie über etwa 10 um in das Epoxidy Vergangenheit knöchernen Schicht.
- Wenn die Charge beendet ist, haben die Nanoindentor erstellen Bezugsgedankenstrich mit einer maximalen Last von 100 mN bei der ersten und letzten Gedankenstrich, der in der Epoxy vor dem ganoine Schicht und nach der Knochenschicht bzw. sein sollte. Diese korrelieren mit den Start-und Endpunkt für jede Zeile der Gedankenstrich.
- Nach Nanoindentierung, legen Sie die Probe wieder in der PBS-Lösung zur weiteren Austrocknung zu vermeiden.
- Verwenden Sie die Nanoindentierung Software, um den Modul und die Härte auf der Basis der Oliver-Pharr Methode 13 bestimmen, ob ein zeitunabhängiges Material Reaktion beobachtet wird. Andernfalls wird die Haltezeit muss verlängert werden, um die zu schnell Entladen beobachtet Kriechen überwunden werden.
3. Ortsaufgelöste ATR-FTIR-Spektroskopie
Die Verwendung eines Aufschiebe-ATR-Zubehör auf einem FTIR-Mikroskop angebracht ist eine vorgeschlagene Methode zur ortsaufgelösten Fourier Transformations sammeln Infrarot (FTIR)-Spektren des laAnwälten in einem Fisch-Skala Probe. Die ATR-Zubehör ermöglicht die Sammlung von hoher Qualität Spektren mit sehr kleinen (~ 10 um 2) räumliche Auflösung, die nicht erreichbar ist, mit einem anderen FTIR-Technik. Das gleiche polierten Probe Nanoindentierung Experimente hergestellt (Fig. 2) wurde in diesen Experimenten verwendet.
- Wählen Sie eine Probe mit einer Oberfläche und Abmessungen für die FTIR-Mikroskop ist für die Analyse verwendet angebracht, sorgen für hohe Qualität Spektren von ATR-FTIR Spektromikroskopie erhalten.
- Bereiten Sie die FTIR-Mikroskop, um Daten zu sammeln. FTIR-Mikrospektroskopie erfordert Kalibrierung des FTIR-Signal unter den gleichen Bedingungen genommen werden, wie es für die Messung der Probe verwendet werden. Typischerweise umfaßt dieser Kühl dem Detektor und damit Zeit für sie zu stabilisieren sowie die Sammlung aller Grundspektren und der Probenspektren unter denselben Umgebungsbedingungen. Dies kann besonders wichtig, weil CO 2 und Wasserdampf in der Luft sein, oder dramatically beeinflussen FTIR-Spektren. Es ist auch wichtig, um sicherzustellen, daß der Optik des Instruments ausgerichtet sind.
- Sammeln Sie eine entsprechende Hintergrundspektrum, um die Probe gegen subtrahieren. Für diese Experimente wurde eine polierte, Gold beschichtete Mikroskop-Objektträger als Hintergrund für FTIR Spektromikroskopie verwendet.
- Mit Hilfe eines geeigneten Ziel, den Schwerpunkt auf die Probe und wählen Sie einen Bereich von Interesse für die Analyse.
- Sobald ein Gebiet von Interesse gefunden, schließen Sie das Zubehör für die ATR-FTIR Mikroskop-Objektiv, heben Sie die Probe, bis er engen Kontakt mit der ATR internen Reflexionselement macht, und sammeln ein Probenspektrum.
- Nach dem Sammeln der FTIR-Spektren, führen die notwendige Standard-Datenverarbeitung erforderlich.
4. Röntgen-Computertomographie (CT)
- Erhalten und bereiten Skala, wie in Abschnitt 1.1 diskutiert
- Scanner-Setup
- Aufwärmen der Röntgenquelle gemäß Herstellerangaben.
- Set Röntgen Spannung und Strom auf 50 kV und 160 &mgr; A sind.
- Stellen Sie die Belichtungszeit auf 1450 ms.
- Wählen Sie ein 1,0 mm Aluminiumfilter.
- Vor dem Laden Probe, machen Sie eine Flat-Field-Korrektur, wenn die Röntgenquelle ausgeschaltet ist (Dunkelfeld) und (Hellfeld).
- Berg-und Last Specimen
Waagen müssen so montiert werden, dass sie nicht verrutschen oder bewegen über die gesamte Länge des Scans. Diese Proben werden auch unter Verwendung von Materialien, die fast transparent für Röntgenstrahlen sind, montiert werden. Eine Kombination aus Styropor und Parafilm verwendet werden, um den Maßstab auf dem CT-Bühne zu sichern.- Starr montieren Probe, so dass die längste Abmessung parallel zu dem Detektor ist.
- Sichern Sie die Probe montiert an den Scanner Bühne.
- Positionieren der Probe, so dass es in der Mitte der Drehung während des Zyklus sein.
- Wählen Sie die höchste Auflösung, die die gesamte Skala im Sichtfeld (FOV) ermöglicht werden, in diesem Fall7,5 um.
- Acquisition Einstellungen
Führen Sie Scans in dieser Studie mit einem Drehschritt von 0,25 ° und einer Bildmittelungswert von 15. Wenn niedrigeren Auflösungen sind akzeptabel, erhöhen Sie die Schrittgröße und / oder verringern Sie den Rahmen mit durchschnittlich um die Gesamtzykluszeit zu reduzieren. - Wiederaufbau Parameter
Nachdem ein Datensatz erhalten wird, rekonstruiert die Röntgenprojektionsbilder, um einen Datensatz mit Querschnittsbildern zu erzeugen. Wählen Skyscan der NRecon Software Standardeinstellungen mit Ausnahme der folgenden.- Ändern Sie den Ring Artefakt-Korrektur bis 20.
- Ändern Sie den Strahlaufhärtungskorrektur zu 25%.
- Passen Sie die CS Static Rotation um Querschnittsbild Ebene.
- Bildverarbeitung
Verwenden Skyscan der CTAN-Software, um das endgültige Bild 3D Grau erhalten. Stellen Sie die Graustufenbereich auf ein angemessenes Niveau, um die Artefakte aus dem Styropor und Parafilm zu entfernen.
Proben durch Polieren für Nanoindentierung und micro-/nano-structure Charakterisierung hergestellt wurden unter Verwendung von Rasterelektronenmikroskopie (SEM) untersucht. Niedervakuum-Modus wurde zur Dehydratisierung von Proben und die Notwendigkeit für den Einsatz von leitfähigen Beschichtungen zu minimieren. Lokale chemische Analyse wurde an polierten Proben in Verbindung mit SEM-Bildgebung mittels energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX) durchgeführt. EDX-Analysen wurden in der gleichen Zeile / Raster, das durch Nanoindentierung, um Korrelationen zwischen den chemischen und mechanischen Eigenschaften untersucht wurde durchgeführt. Frisch Bruchflächen wurden auch von SEM untersucht, um bessere Informationen über die Morphologie und Orientierung der biomineralisierten in den Fischschuppen gegenwärtigen Strukturen zu schaffen. Um die Auflösung für die Beobachtung der Nano-Struktur auf Bruchflächen zu verbessern, wurden die Proben mit Sputter-Gold (Au) beschichtet und in Hochvakuum-Modus abgebildet. Die folgendebietet zusätzliche Informationen zu den verwendeten Verfahren.
- SEM-Imaging von polierten Oberflächen
- Zeigen poliert Probe in SEM Kammer und Pumpenkammer in Niedervakuum-Modus mit Kammerdruck von 0,1 bis 0,5 mbar.
- Passen Arbeitsabstand auf ca. 5,0 mm.
- Aktivieren Hochspannung (HV) und navigieren Sie zu Region von Interesse auf Probe, die die Übergangszone zwischen ganoine und knöchernen Unterschichten oder andere Bereiche von Interesse sind.
- Erhalten Sie Bilder mit 15-kV-Hochspannungs-und Strahlstrom von etwa 3,9 nA.
- Fokus Bild und führen Sie alle notwendigen Ausrichtungen und Stigma Anpassungen.
- Machen Sie Bilder aus mindestens drei Regionen von Interesse an relevanten Vergrößerungen (typischerweise 250X zu 10.000 X) mit der Niedervakuum zurückgestreute Elektronen (BSE)-Detektor, um die Identifizierung von Veränderungen in Biomineral Gehalt und Dichte (dh dichten Knochen vs porösen Knochen helfen ).
- SEM-Imaging von Bruchflächen
- Bringen Sie frisch gebrochenen Probe in einem 90 ° SEM Stub mit doppelseitigem Kohlenstoffband mit der Bruchfläche nach oben zeigt.
- Sputter-Mantel mit Au, eine sub-nm dicke leitfähige Schicht auf der Bruchfläche bieten.
- Zeigen Probe in SEM Kammer und Pumpenkammer in Hochvakuum-Modus.
- Passen Arbeitsabstand zwischen 3,0 und 5,0 mm.
- Aktivieren HV und navigieren Sie zu interessierenden Bereiche auf der Probe. Primäre Bereiche von Interesse waren in diesem Fall die derzeitige Struktur in den ganoine-und Knochenschichten.
- Erhalten Sie Bilder zwischen 5 kV und 15 kV HV und einer niedrigeren Strahlstrom von 0,24 nA, um die Auflösung zu verbessern.
- Probe zunächst konzentrieren und führen vorläufigen Ausrichtungen.
- Vergrößerung erhöhen, um mehr als 5.000 X und Switch von normalen Feldemissions Linse in Tauch-/ ultra-hochauflösenden (UHR) Objektiv.
- Führen UHR Ausrichtungen und Stigma Anpassungen.
- Machen Sie Bilder aus mindestens drei Regionen of Interesse an relevanten Vergrößerungen (in der Regel 5.000 bis 250.000 X X) mit der durch die Linse Detektor (TLD) in Sekundärelektronen (SE)-Modus betrieben.
- Die EDX-Analyse der polierten Oberflächen (in Verbindung mit SEM-Bildgebung durchgeführt wird). Diese Parameter sind materialabhängig und müssen so eingestellt werden, der EDX-Wechselwirkungsvolumen ist in der Größe auf die Nanoindentierung Wechselwirkungsvolumen durch Moser 14 diskutiert.
- Navigieren Sie zum Bereich von Interesse auf polierten Probe, die von Markierungszeichen am Ende jeder Zeile der Gedankenstrich angegeben Nanoindentierung Gitter enthält.
- Sicherzustellen HV mindestens 15 kV, Strahlstrom ist mindestens 3,9 nA, und der Arbeitsabstand größer als 5,0 mm ist.
- Erfassen BSE Bild der Region mit EDX analysiert werden.
- Mit EDX-Analyse-Software, erfassen das gleiche Bild, um bei der Suche nach Bereichen der chemischen Analyse auf der Linie der Gedankenstrich durchführen zu helfen.
- Mit der "Linie Analysis"-Technik, poabgehoben und eine Linie der chemischen Analyse auf der Linie der Interessen der Gedankenstrich ab dem ersten Gedankenstrich und endend bei dem letzten Gedankenstrich durchzuführen.
- Geben Sie die Anzahl von Analysepunkten entlang der Linie platziert werden. Es ist am besten, um die gleiche Anzahl von Analysepunkte und Gedankenstriche, die vorhanden, um einen direkten räumlichen Zusammenhang zwischen der chemischen Zusammensetzung und mechanischen Eigenschaften sind zu verwenden.
- Wenn die Zeile positioniert und die Punkte richtig angegeben, initiieren die Online-Analyse mit EDX-Software.
- Wenn die Online-Analyse abgeschlossen ist, identifizieren Elemente von Interesse, von dem Punkt Spektren entlang der angegebenen Zeile auf der polierten Oberfläche der Probe erhalten quantifiziert werden.
- Sobald Elemente von Interesse identifiziert werden, führen Sie eine Hintergrundkalibrierung für Bremsstrahlung und andere Effekte zu berücksichtigen.
- Wählen Sie Dekonvolutionsanalyse Option der Software, um quantitative Analysen zu jedem Punkt entlang der angegebenen Zeile zu quantifizieren zu erhaltentifizieren die chemische Zusammensetzung an jedem Punkt.
- Sparen quantitativen chemischen Analyse-Ergebnisse zusammen mit dem Bild der angegebenen Zeile, die analysiert wurde, um in der räumlichen Korrelation mit mechanischen Eigenschaften gemessen mit Nanoindentierung unterstützen.
Representative Results
Abbildung 3 zeigt die durchschnittlichen Ergebnisse von räumlich korreliert nanoinidentation / SEM / EDX-Analysen über die etwa 800 um lang Kurzachsenquerschnitt durchgeführt. In der etwa 60 um dick ganoine Schicht, der Nanoindentor berechnet eine durchschnittliche E-Modul von 69,0 GPa und Härte von 3,3 GPa. Die Nanoindenters bestimmt eine durchschnittliche Modul von 14,3 GPa und Härte von 0,5 GPa für die rund 740 um dicken Knochenschicht.
EDX bestimmt Kohlenstoff, Sauerstoff, Calcium und Phosphor, die in der Regel in mineralisierten Skalen gefunden werden. Allerdings enthielten die ganoine und Knochenschichten quantifizierbare Unterschiede in der chemischen Zusammensetzung. Die beobachtete C-Spitze in der Knochenschicht auf, dass nicht in der Region als hoch mineralisiert, was zu einem leichten Anstieg der Kohlenstoff, der verursachte auch die beobachtete Abnahme der Gesamthelligkeit des BSE-Bild ergibt zugeschrieben werden. Insbesondere die ganoine Schicht ', S bedeuten Atomkonzentrationsverhältnis von Ca: P von 1,71 erschien ähnlich Hydroxylapatit mit einem theoretischen Verhältnis von 1,67. Durchschnittliche Ca des Knochenschicht: P-Verhältnis sank auf 1,51, was einem Rückgang in Höhe von Mineralisierung aus der ganoine Schicht.
FTIR-Spektren in Abbildung 4 für die Knochenschicht und ganoine Schicht wurden die wichtigsten funktionellen Gruppen wie Amid-, Carboxyl-, Phosphat-und Carbonyl. Insbesondere bestätigt FTIR die visuelle Beobachtung von Hydroxylapatit-Signaturen in den äußeren (ganoine)-Schicht und Kollagen Unterschriften in der Innen (Knochen-) Schicht. Spitzen bei 3,500-3,000 cm -1 durch NH-Streck und NH Biege zwischen 1.550 und 1.500 cm -1 darstellen Amid-Gruppen in der Knochenschicht. Peaks im Bereich der Wellenzahl 1,470-1,365 cm -1 repräsentieren Amid substituierte Alkylgruppen. Zusätzlich wurde eine ausgeprägte C = O-Streckschwingung bei 1.641 cm -1 auf der Knochenschicht beobachtet. Erbseks von 3,000-2,500 cm -1 darstellen Carbonsäuregruppen. Sowohl die Knochen und ganoine Schichten 'Spektren erzeugt einen unverwechselbaren Höhepunkt in der Nähe von 1,079.33 cm -1 bezeichnend für Stretching Phosphat.
Röntgen-CT-Bilder in Abbildung 5 erfasst, dass die ganoine Schicht nicht die Knochenschicht, wo die Schuppen überlappen zu decken. Die helleren grau ganoine Schichten zeigen, dichter, härter und steifer Phasen während dunklere Grau Knochenschichten zeigen, weniger dicht und weniger steif Phasen. Zusätzlich kann die Röntgen-CT-Bildern bei der Ermittlung der Ungleichförmigkeit ganoine Schichtdicke unterstützt. In der Tat sind klar Gruben beobachtet nahe dem Zentrum des ganoine Schicht, die die Knochenschicht nicht decken überhaupt.
Das REM-Bild in Fig. 6A der Bruchfläche mit H 3 PO 4 weggeätzt ergab Nanostrukturen in einer Schichtmuster für die ganoine Schicht organisiert. Diese Nanostäbchen organisiertStruktur korreliert mit dem Hydroxyapatit Signaturen aus dem FTIR zur ganoine Bereich erhalten.
Fig. 6A zeigt eine typische geringere Vergrößerung REM-Aufnahme einer Bruchfläche eindeutig identifiziert, den Übergang zwischen den ganoine und Knochenschichten mit der gestrichelten Linie. 6B stellt die höhere Vergrößerung REM-Aufnahmen der Bruchfläche nach dem Ätzen mit H 3 PO 4. Nach dem Ätzen orientierten Nanostäbchen in der äußeren Schicht ganoine eindeutig identifizierbar sind, während eine faserartige Nanostruktur im Knochenschicht beobachtet.
Abbildung 3. Modul und Härte Daten aus Nanoindentierung räumlich SEM / EDX chemische Zusammensetzung korreliert.
Abbildung 4. FTIR-Spektren von der Außen (ganoine) und inneren (knöcherne)-Schichten gesammelt.
5. Röntgen-CT-Bilder, die Lochfraß auf der äußeren (ganoine) Schicht, die die innere (knöchernen) Schicht.
6. (A) Nieder Vergrößerung SEM-Bild von typischen Bruchfläche, (B) Bilder mit höherer Vergrößerung des Nanostäbchen in der äußeren (ganoine) und Fasern in der inneren (bony)-Schichten .. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Discussion
Aus experimenteller Sicht, müssen die Forscher zu bedenken, dass bei der Arbeit mit natürlich vorkommenden biologischen Materialien wie mineralisierten Fischschuppen, die Berichterstattung über die räumliche Lage der Skala auf dem Fisch ist kritisch, da Forschung hat vor mechanischen Eigenschaften der mineralisierten Fischschuppen gezeigt sind abhängig wo die Skalen auf den Fisch 4 angeordnet.
Mechanische Eigenschaften von mineralisierten biologischen Materialien wurde auch gezeigt, abhängig von der Hydratisierung der Proben 4 sein. Dies schränkt den Nutzen dieser Technik, wenn sie versuchen, um frische Proben, die ordnungsgemäß veröffentlicht Ergebnisse in der offenen Literatur, die versteinerten trockenen Proben verwenden hydratisiert haben vergleichen. Daher müssen längere Testzeiten zu vermeiden, um die Effekte der Entwässerung auf einer Probe während der mechanischen Eigenschaften Nanoindentierung minimieren. Materialspezifische Pilotstudien werden empfohlen, um die Erfahrung zu gewährleistenment Laufzeit minimal ist genug, um das mechanische Verhalten des Materials nicht ändern. Nasszelle Nanoindentierung würde eine bevorzugte Methode, um eine konstante Hydratation Zustand des Materials zu halten, wenn das Testgerät ermöglicht es.
Die Nano-Eindruckverfahren in dieser Studie verwendet, die den E-Modul aus der Entlastungskurve berechnet, geht das Material verhält sich wie ein linear elastisches isotropes Material. Das Verfahren kann mit einer Vielzahl von Spitzen der Verzahnungen verwendet werden. Jedoch wurde die dreiseitige Berkovich-Spitze mit einem Halbwinkel von 65,35 ° in dieser Studie verwendet. Alternative Tipps, wie die Würfelecken (Halbwinkel = 35,36 °) sind für die in diesem Manuskript vorgestellte Verfahren, aber da die Würfelecken Spitze spitzer ist als die Spitze Berkovich Risse in der Probe bei viel geringeren Belastungen als mit erzeugt werden Berkovich die Spitze.
Polieren ist ein wesentlicher Schritt, um eine glatte und ebene Oberfläche mit einer minimierten surfac erhaltenE Rauheit nicht auf die Nanoindentierung Ergebnisse. Die Polierschritte in diesem Manuskript präsentiert eine vorgeschlagene Verfahren, die eventuell, je nach der Art der verwendeten Polier geändert werden. Allerdings ist der entscheidende Schritt, um genaue Daten zu gewährleisten, dass Nanoindentierung Oberflächenrauhigkeit minimiert wird, und aus diesem speziellen Material eine 50 nm letzten Schliff war erforderlich, um eine glatte, ebene Oberfläche an den Eindringtiefen, die geprüft wird erhalten.
Der Abstand der Gedankenstrich sorgt auch für präzise Nanoindentierung Daten, die nicht durch die Materialverformung von früheren Gedankenstrich auftretenden beeinflusst wird. Die Nanoindentor Bedienungsanleitung für das Gerät in dieser Studie vorgeschlagen, dass Gedankenstrich Abstand sollte mindestens 20-30x die maximale Eindringtiefe Berkovich Eindringkörpern 15 sein. Alternative Werkstoffe wird das erforderliche Einzugsabstand benötigen, um auf der Basis der aufgebrachten Last und die maximale Eindringtiefe bestimmt, wie zuvor in der offenen diskutiertLiteratur 16,17. Zusätzlich wurde die Haltezeit für dieses Material entschieden, keine für die verschiedenen Materialphasen untersucht unter Berücksichtigung der Nanoindentor Software Oliver-Pharr Analysemethode verwendet werden beobachtet Kriechen überwinden. Wie jedoch von Oyen 18 diskutiert alternative Analyseverfahren für biologische Materialien, wenn zeitabhängige Material-Antworten können mit geeigneten Haltezeiten überwunden werden, zur Verfügung.
Um hochauflösende Ergebnisse von Röntgen-CT zu erreichen, müssen einige Einstellungen optimiert werden. Dieses Papier umreißt eine Reihe von sehr spezifischen Parameter für die Verwendung auf einem Fischschuppen mit einer einzigartigen Größe und Schichtdicke. Mit unterschiedlichen Stichprobengrößen, werden diese Einstellungen müssen angepasst werden, um eine Datenmenge von höchster Qualität zu erhalten. Der Prozess der Auswahl der einzelnen Parameter sollte in der Bedienungsanleitung, die mit der Maschine, die verwendet wird, stammt eindeutig definiert werden. Scan-Einstellungen (Spannung, Strom, Belichtung, Filterauswahl) und die Rekonstruktion Einstellungen(Ringartefakte, Strahlverfestigung) müssen möglicherweise modifiziert werden, um eine Vielzahl von anderen Probengrößen und Geometrien anzupassen.
Röntgen-CT ein Bild des gesamten angelegten Morphologie Identifizieren eines ganoine Schicht, die eine Knochenmaterialschicht nur, wenn die Waage nicht überlappen. Die Röntgen-CT-Bildern identifiziert, dass das ganoine Schicht bestand aus einer nicht gleichförmigen Dicke über der Skala, und selbst wies Vertiefungen, die die ganoine Schicht fehlte gänzlich.
Interessanterweise sind die Nanoindentierung Daten räumlich an die SEM / EDX chemische Analyse korreliert identifiziert eine scharfe diskreten Übergang zwischen den zwei Schichten statt einer von den mineralisierten Fischschuppen des P. beobachtet allmählicher Übergang senagalus (in Bruet et al. 2).
Eine Kombination von Nanoindentierung, FTIR, EDX und SEM vorgesehen mechanische Eigenschaft, chemische Analyse und Strukturinformationen, um zu bestätigendie äußere Schicht als ganoine mit Emaille-ähnliche Morphologie und Chemie. Darüber hinaus bestätigt diese Techniken die innere Schicht als Knochenmaterialschicht.
Abschließend werden die in dieser Studie beschriebenen Methoden identifiziert das Verfahren und die entsprechenden Ergebnisse, um die mineralisierte Fisch Skala von A. prüfen Spachtel aus der Volumenstruktur auf der Nanostruktur und die chemische Zusammensetzung.
Disclosures
Die Autoren haben nichts zu offenbaren.
Acknowledgments
Die Autoren möchten die finanzielle Unterstützung für diese Arbeit von der US Army Military ERDC Technik 6.1 Grund Research Program und dem Zentrum für ERDC Directed Research-Programm bereitgestellt bestätigen. Die Autoren möchten auch für die Unterstützung der experimentellen Arbeit danken dem Personal und die Einrichtungen des ERDC Geotechnische und Struktur Laboratory Beton-und Zweig Materialien. Veröffentlichungserlaubnis wurde von der Direktorin, Geotechnik & Structures Laboratory gewährt.
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 |
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