Denna uppsats presenterar de metoder som används för att sondera rumsligt korrelerade kemiska, strukturella och mekaniska egenskaper hos den flerskiktade skala Atractosteus spatel (A. spatel) använder nanoindentation, Fouriertransform infraröd (FTIR) spektroskopi, svepelektronmikroskop (SEM), och X- ray datortomografi (röntgen-CT). De experimentella resultaten har använts för att undersöka de konstruktionsprinciper för skyddande biologiska material.
Den hierarkiska strukturen för skyddande biologiska material såsom mineraliserade fiskfjäll, snäckor, snäckor, bockhorn, horn och sköldpaddsskal ger unika designprinciper med potential för att styra utformningen av skyddsmaterial och system i framtiden. Förstå struktur och egenskaper för dessa materialsystem på mikroskala och nanoskala där fel initierar är viktigt. För närvarande, experimentella tekniker såsom nanoindentation, röntgen CT, och SEM ger forskare med ett sätt att korrelera det mekaniska beteendet med hierarkiska mikrostrukturer i dessa materialsystem 1-6. Dock finns för närvarande inte en väldefinierad standardförfarande för extraktion av mineraliserade biomaterial. I denna studie, metoder för sondering rumsligt korrelerade kemiska, strukturella och mekaniska egenskaper hos den flerskiktade skala A. spatel använder nanoindentation, FTIR, SEM, med enenergi-röntgen (EDX) mikroanalys, och röntgen CT presenteras.
Forskare undersöker strukturella biomaterial och försöker belysa de konstruktionsprinciper, som ger strukturella biomaterial med förbättrade mekaniska egenskaper såsom mycket högre seghet och styrka jämfört med sina enskilda beståndsdelar. Undersökningarna om konstruktionsprinciper för pansarfiskfjäll för Pagrus större 7, Polypterus senagalus 2,6, Arapaima gigas 3, Cyprinus carpio 4, och Atractosteus spatel 1 har visat på behovet att utvidga tillämpningen av befintliga experimentella metoder för att studera de strukturella svar och mikrostrukturella egenskaper, eftersom detaljerade standardförfaranden är inte tillgängliga för dessa typer av material och experiment.
Bland de olika bepansrade fiskfjäll som diskuteras, A. spatel är ett historiskt apex rovdjur i centrala US 8 och är en art med högly mineraliserade skalor. Börserna arter muskelmassa för huden massa för att få en förbättrad rovdjur försvarssystem jämfört med fiskar av jämförbar storlek som tidigare 9 nämnts. Enligt Page och Burr 10, A. spatel är den tredje största sötvattensfisk i Nordamerika med den vita stören (Acipenser transmontanus) och atlantisk stör (Acipenser oxyrhynchus) är större arter. De högt mineraliserade fiskfjäll av A. spatel är först nyligen som studeras. Thompson och McCune 11 föreslog att morfologin hos plaggen skalor har en tre-skiktskomposition bestående av en ganoine yttre skikt, ett diffust ben skikt och lamellärt ben skiktet. Aktuell forskning om A. spatel skalor har inte särskiljas benet lagret i diffusa eller lamellära ben regioner, men har bara studerat benet regionen som enda inre skikt 1,12.
I denna studie, de förfaranden som ivestigating mikrostrukturen, nanostruktur, kemisk sammansättning, och spatiala fördelningarna av de mekaniska egenskaperna hos skalorna i A. spatel baserat på resultat från FTIR spektroskopi, SEM, röntgen CT, och nanoindentation tekniker presenteras.
Ur en experimentell synvinkel, forskare måste komma ihåg att när man arbetar med naturligt förekommande biologiskt material som mineraliserade fiskfjäll, rapporterar den rumsliga placeringen av skalan på fisken är kritisk eftersom tidigare forskning har visat mekaniska egenskaper hos mineraliserade fiskfjäll är beroende till där vågen var belägna på fisken 4.
Mekaniska egenskaper för mineraliserade biologiska material har också visat sig vara beroende av den hydratiseringstillstånd av proverna 4. Detta begränsar användbarheten av denna teknik när man försöker jämföra nya prover som har tillräckligt mycket vätska till publicerade resultat i den öppna litteraturen, som använder torra fossiliserade prover. Därför förlängda testtider måste undvikas för att minimera effekterna av uttorkning på ett prov har mekaniska egenskaper under nanoindentation. Material specifika pilotstudier rekommenderas för att säkra den erfarenhetling runtime är minimal nog att inte ändra det mekaniska uppträdandet hos materialet. Våt cell nanoindentation skulle vara en metod som föredras för att hålla en konstant hydratiseringstillstånd av materialet om testutrustning tillåter det.
Den nanoindentation metod som används i denna studie, som beräknas elasticitetsmodulen från kurvan avlastningsförutsätter att materialet uppför sig som en linjär elastisk isotropt material. Tekniken kan användas med ett stort urval av indenter tips. Emellertid var den tre-sidig Berkovich spets med en halv vinkel av 65,35 ° användes i denna studie. Alternativa tips såsom kubens hörn (halv vinkel = 35,36 °) är lämplig för det förfarande som presenteras i detta manuskript, men eftersom kuben hörn spets är mer akut än Berkovich tip sprickor kan alstras i provet vid mycket lägre belastningar än med den Berkovich dricks.
Polering är ett väsentligt steg för att erhålla en jämn och plan yta med en minimerad surface råhet att inte påverka nanoindentation resultat. Polersteg som presenteras i detta manuskript är ett förslag på förfarande som kan behöva ändras beroende på vilken typ av poler som används. Dock är det kritiska steget för att säkerställa korrekt nanoindentation data som ytjämnhet minimeras, och för detta material en 50 nm sista touchen krävdes för att få en jämn plan yta på indrag djup som sonderas.
Avståndet mellan strecksatser säkerställer också korrekt nanoindentation uppgifter som inte påverkas av den material deformation uppstår från föregående strecksatserna. Den nanoindenter bruksanvisningen för utrustningen i denna studie föreslog att strecksatsen avståndet bör vara minst 20-30x det maximala penetrationsdjupet för Berkovich indentorer 15. För alternativa material, kommer den erforderliga indrag behöver bestämmas på grundval av den pålagda lasten och maximal indrag djup såsom diskuterats tidigare i det öppnalitteratur 16,17. Dessutom var hålltiden för detta material valt att övervinna alla kryp observerats för de olika materialfaser sonde gör det möjligt att nanoindenter programvara Oliver-Pharr analysmetod som skall användas. Men som diskuterats av Oyen 18 alternativa analysmetoder finns tillgängliga för biologiskt material när tidsberoende materialsvar inte kan övervinnas med lämpliga väntetider.
För att uppnå hög upplösning resultat från röntgen CT måste flera inställningar optimeras. Detta dokument beskriver en mycket specifik uppsättning parametrar för användning på en fisk skala med en unik storlek och lager tjocklek. Med varierande urvalsstorlekar, kommer dessa inställningar behöva justeras för att få en datauppsättning av högsta kvalitet. Processen att välja varje parameter bör definieras tydligt i bruksanvisningen som följer med maskinen används. Skanningsinställningar (spänning, ström, exponering, urval filter) och återuppbyggnads inställningar(ring artefakter, beam härdning) kan behöva ändras för att rymma en mängd andra urvalsstorlekar och geometrier.
Röntgen-CT gav en bild av hela skala morfologi identifierar en ganoine skikt som täcker en benig skikt av material endast när vågen inte överlappar varandra. Den röntgen-CT bildspråk identifierade också att ganoine skiktet bestod av en icke-enhetlig tjocklek över hela skalan, och även uppvisade gropar som saknade ganoine skiktet helt och hållet.
Intressant, nanoindentation uppgifter rumsligt korrelerade till SEM / EDX kemisk analys identifierat en skarp diskret övergång mellan 2 lager i stället för en mer gradvis övergång observeras för de mineraliserade fiskfjäll av P. senagalus (i Bruet et al. 2).
En kombination av nanoindentation, FTIR, EDX, och SEM förutsatt mekaniska egenskaper, kemisk analys och strukturell information för att bekräftadet yttre skiktet som ganoine med emalj-liknande morfologi och kemi. Dessutom bekräftades dessa tekniker det inre skiktet som en benig materialskikt.
Sammanfattningsvis, de metoder som beskrivs i denna studie identifierat förfarande och motsvarande resultat för att undersöka den mineraliserade fisk skala A. spatel från bulkstruktur ned till nanostruktur och kemiska sammansättning.
The authors have nothing to disclose.
Författarna vill tacka för det ekonomiska stödet till detta arbete ges av den amerikanska armén ERDC Military Engineering 6.1 Basic Research Program och ERDC Center for Directed Research Program. Författarna vill också tacka personalen och anläggningar i ERDC geotekniska och struktur Laboratory Betong och Materials gren för att stödja det experimentella arbetet. Tillstånd att publicera beviljades av direktören, Geotekniska & Structures Laboratory.
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 | |
1200 grit (15-um) SiC paper | Struers | 40400012 | |
4000 grit (6-um) 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 |