Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Bioengineering
Click here for the English version

Bioengineering

En Millimeter skala bøjnings test System til måling af de mekaniske egenskaber af Marine svamp knoglesplinter

Published: October 11, 2017 doi: 10.3791/56571
Automatic Translation
1, 1, 1, 1
1School of Engineering, Brown University

Summary

Vi præsenterer en protokol til at udføre tre-punkts bøjning test på sub millimeter skala fibre ved hjælp af en specialbygget mekaniske test enhed. Enheden kan måle styrker spænder fra 20 µN op til 10 N og kan derfor rumme en bred vifte af fiber størrelser.

Abstract

Mange indlæse forsynet med biologiske strukturer (LBBSs) — som fjer rachises og knoglesplinter — er små (< 1 mm), men ikke mikroskopiske. Måling bøjnings opførsel af disse LBBSs er vigtigt for at forstå oprindelsen af deres bemærkelsesværdige mekaniske funktioner.

Vi beskriver en protokol for tre-punkts bøjning test bruger specialbyggede mekaniske test udstyr, der kan måle tvinger spænder fra 10-5 til 101 N og forskydninger spænder fra 10-7 til 10-2 m. Den primære fordel ved denne mekaniske test enhed er, at kraft og forskydning kapaciteten let kan justeres til forskellige LBBSs. Enhedens Funktionsprincip er ligner en atomic force microscope. Nemlig anvendes kraft på LBBS ved en belastning punkt, der er knyttet til slutningen af en cantilever. Belastning punkt forskydning er målt af en fiber optic forskydning sensor og omdannet til en kraft ved hjælp af målte cantilever stivhed. Enhedens kraft sortiment kan justeres ved hjælp af udkragninger af forskellige stiffnesses.

Enhedens funktioner er bevist ved at udføre tre-punkts bøjning test på de skeletale elementer af marine svampen Euplectella aspergillum. De skeletale elementer — kendt som knoglesplinter — er silica fibre, der er ca 50 µm i diameter. Vi beskriver procedurerne for kalibrering mekaniske prøvningsanordningen, montering af knoglesplinter på en tre-punkts bøjning armatur med en spændvidde, ≈1.3 mm, og udfører en bøjning test. Den kraft, spicule og dens fordrejning på placeringen af den anvendte kraft måles.

Introduction

Ved at studere arkitekturerne af bærende biologiske strukturer (LBBSs), som shell og knogler, har ingeniører udviklet nye kompositmaterialer, som er både stærk og sej 1. Det har vist sig at de bemærkelsesværdige mekaniske egenskaber af LBBSs og deres bio-inspirerede modparter er relateret til deres indviklede interne arkitekturer 2. Men relationer mellem LBBS arkitekturer og mekaniske egenskaber er ikke fuldt forstået. Måling af en LBBS mekanisk svar er det første skridt mod forståelse hvordan dens arkitektur forbedrer dens mekaniske egenskaber.

Det er imidlertid vigtigt, at typen test bruges til at måle en LBBS mekanisk svar er i overensstemmelse med dens mekaniske funktion. For eksempel da fjer skal understøtte aerodynamiske belastninger, er en fjer rachis primære funktion at give bøjnings stivhed 3. Derfor foretrækkes en bøjning test fremfor et enakset spænding test til at måle dens mekaniske svar. I virkeligheden, mange LBBSs — såsom fjer rachises 3, græs stammer 4og knoglesplinter 5,6,7,8— primært deformeres ved at bøje. Dette skyldes, at disse LBBSs er slank –dvs., deres længde er meget større end deres bredde eller dybde. Imidlertid udføre bøjning test af disse LBBSs udfordrende fordi de styrker og forskydninger, kan modstå før svigtende spænder fra 10-2 til 102 N og 10-4 til 10-3 m, henholdsvis 3 , 4 , 5 , 7 , 8. den enhed, der bruges til at udføre disse mekaniske test bør derfor have kraft og forskydning opløsninger af ≈10-5 N og ≈10-7 m (dvs. 0,1% af sensorens maksimale målelige kraft og forskydning), henholdsvis.

Kommercielt tilgængelige, store skala, mekanisk prøvning systemer typisk ikke kan måle kræfter og forskydninger med denne beslutning. Mens atomic force microscope-baserede 9,10 eller microelectromechanical systemer-baserede 11 test enheder har tilstrækkelig opløsning, den maksimale kraft (respektive forskydning) de kan måle er mindre end den maksimal kraft (respektive forskydning), LBBS kan modstå. Derfor, for at udføre bøjning tests af disse LBBSs, ingeniører og forskere skal stole på specialbyggede mekaniske test enheder 5,7,12,13. Den primære fordel ved disse specialbyggede enheder er, at de kan rumme store intervaller af styrker og forskydninger. Men, opførelse og drift af disse enheder er ikke godt dokumenteret i litteraturen.

En protokol, der er beskrevet for tre-punkts bøjning test bruger specialbyggede mekaniske test udstyr, der kan måle tvinger spænder fra 10-5 til 101 N og forskydninger spænder fra 10-7 til 10-2 m. Tekniske tegninger, herunder alle dimensioner af komponenter af den mekaniske test enhed leveres i det supplerende materiale. Den primære fordel ved denne mekaniske test enhed er, at kraft og forskydning intervaller let kan justeres så de passer til forskellige LBBSs. Enhedens Funktionsprincip er ligner en atomic force microscope 9. I denne enhed, modellen er placeret på tværs af en grøft, skåret i en rustfri plade (Se figur 1A-C). Span af renden er målt fra optiske micrographs skal 1278 ± 3 µm (gennemsnit ± standardafvigelse; n = 10). Skyttegrav kanter støtte modellen under en bøjning test (jf. figur 1 cog D). Denne prøve fase er knyttet til en tre-akse oversættelse fase og anbringes under en aluminium kile, Kilen er placeret midtvejs på tværs af den rende span (Se figur 1C). Ved at flytte fase den Equation 1 retning (Se figur 1A, og C), modellen er skubbet ind i Kilen forårsager modellen til at bøje.

Vi henviser til kile som belastning punkt tip (LPT) og del af den enhed, der indeholder kile som belastning (LP). LP er knyttet til slutningen af en cantilever, hvis deplacement er målt af en fiber optic forskydning sensor (FODS). FODS udsender infrarødt lys, hvilket afspejles af et spejl, beliggende på oversiden af LP (Se figur 1B) og modtaget af en optisk fiber i til FODS. En ≈5 mm firkantet stykke plade en poleret silicium anvendes som LP spejl og er fastgjort til LP med epoxy. FODS måler forskydninger ved at sammenligne intensiteten af den udsendte og reflekteret lys. Cantilever stivhed og forskydning er bruges til at beregne kraften, Equation 2 , erfarne af kile på grund af dens interaktion med modellen. Cantilever forskydning er også bruges til at beregne fordrivelse af modellens tværsnit under wedge, Equation 3 . Cantilever-baserede Kraftmålerne har været brugt i en række mikro - og makro-skala mekaniske test undersøgelser 10,11,12,13,14. Den specifikke design præsenteres her er tilpasset fra en mekanisk prøvningsanordningen anvendes til at udføre selvklæbende kontakt eksperimenter 14. Et lignende design har også været anvendt i et kommercielt tilgængelige mikro-tribometer 15,16.

Figure 1
Figur 1: oversigt over den specialbyggede mekaniske prøvningsanordningen. (A) A computer aided design rendering af enheden. Fase komponenter er markeret med grønt. Den kraft sensing halvfabrikata (cantilever, belastning punkt (LP)) er fremhævet med rødt. (B) en forstørret visning af (A). LP spejl er vist med blåt på oversiden af LP under til FODS og er mærket LPM. (C) det koordinatsystem, der bruges til at beskrive bevægelse af oversættelse fase. Ved udjævning the fase i trin 1.9 i protokollen, den Equation 1 retning er lavet til at falde sammen med vektor vinkelret på overfladen af LP spejl. (D) A skematisk af den tre-punkts bøjning konfiguration viser deformation af spicule og de målte forskydninger Equation 49 , og Equation 50 . Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Enhedens funktioner er bevist ved at udføre tre-punkts bøjning test på de skeletale elementer af marine svampen Euplectella aspergillum6,7. Denne svamp skelet er en forsamling af filamenter, kaldet knoglesplinter (Se figur 2A). Knoglesplinter er ≈50 µm tykt og består primært af silikater 6. Biosilica-baserede knoglesplinter findes i svampe tilhører klasserne Demospongiae, Homoscleromorpha og Hexactinellida. Svampe, såsom E. aspergillum, der tilhører klasse Hexactinellida er også kendt som "glas svampe." Mens knoglesplinter af glas svampe er sammensat primært af silica, har det vist sig at silica ofte indeholder en organisk grundsubstans, sammensat af enten kollagen 17,18 eller kitin 19,20 , 21. denne organiske matrix spiller en vigtig rolle i silica biomineralization 18,20. Desuden i nogle knoglesplinter fungerer den organiske matrix også som en skabelon for biomineralization af calcium 22. Ud over at blive fordelt inden for silica, kan den organiske matrix også danne forskellige lag, at partitionerer den spicule silica i koncentriske, cylindrisk lamellae 6,23. Det har vist sig at denne koncentrisk, gråt arkitektur kan påvirke knoglesplinter deformation adfærd 6,7,8,24,25,26 . Derfor knoglesplinter mekaniske egenskaber bestemmes af en kombination af deres kemi (dvs., den kemiske struktur af silica-protein komposit) og deres arkitektur 27. Både den kemiske struktur og arkitektur af glas svamp knoglesplinter er stadig under efterforskning 24,28,29.

De fleste af knoglesplinter i E. aspergillum er cementerede sammen til at danne en hård skelet bur. I bunden af skelettet er der imidlertid en TOT af meget længe (≈10 cm) knoglesplinter kendt som anker knoglesplinter (Se figur 2A). Vi beskriver protokol til tre-punkts bøjning test på små sektioner af anker knoglesplinter.

I trin 1 i protokollen beskrevne procedure for samling og justering af komponenterne i den specialbyggede mekaniske test enhed. Trin 2 og 4 i denne protokol giver instruktioner til generere kalibreringsdata bruges til at beregne styrker og forskydninger i bøjning test. De skridt til at forberede en del af en spicule og montere det til test Armaturet er beskrevet i trin 3. Procedure for udførelse af bøjning test på afsnittet spicule er beskrevet i trin 5. Endelig, i afsnittet Repræsentant resultater kalibrering oplysninger indhentet i trin 2 og 4 er bruges sammen med bøjning test oplysninger indhentet i trin 5 til at beregne Equation 2 og Equation 3 .

Figure 2
Figur 2: Procedure for skæring og inspicere E. aspergillum knoglesplinter. (A) et skelet af E. aspergillum. Fritstående anker knoglesplinter TOT er vist i bunden af skelettet. Skalalinjen er ~ 25 mm. (B) en enkelt anker spicule er holdt på plads på et objektglas med et #00000 rød Zobel pensel og sectioned ved hjælp af et barberblad. Skalalinjen er ~ 12 mm. (C) en del af en E. aspergillum spicule placeret på tværs af renden på prøve scenen. Skyttegrav kanter og grøft ridge er fremhævet i krikand og orange, henholdsvis. Spicule er skubbet mod renden højderyg til at sikre, at dens akse er vinkelret på renden kanter. (D) A Mikrograf af en spicule, der passerer inspektion fremgangsmåden i trin 3.4 i den protokol, som beskriver, hvordan at afgøre, om et spicule afsnit er beskadiget og skal kasseres. (E) A Mikrograf af en spicule, der indeholder mange revner og mangler store dele af silica lag, der ikke ville kontrolproceduren beskrevet i trin 3.4 i protokollen. Skalere barer = 250 µm (C), 100 µm (D) og 100 µm (E). Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. forsamlingen og justering

  1. Vælg en cantilever, hvis stivhed er passende for planlagte eksperimentet. Tillægge de cantilever med #4-40 sokkel cap skruer (SHCSs) (Se fig. 3 A) LP. Sørge for at ikke plastisk deformere cantilever arme mens vedhæfter LP.

Figure 3
figur 3: Procedure for montering af udlægget tvinge sensor og måling sin stivhed. (A) belastningen punkt (LP) er knyttet til cantilever (C), med belastning punkt spids (LPT) peger opad. (B) af udlægget og LP underenhed er knyttet til cantilever plade, betegnet som CP. Forsænket lommen på cantilever plade er vist under cantilever arme. (C) cantilever pladen er knyttet til undersiden af rammen, så siden af pladen vist i (B) vender den Equation 6 retning. FODS mikrometer er betegnet som FM. (D) wire krog og kalibrering vægte anvendes i trin 2 i protokollen er vist hængende fra hullet i LPT. venligst klik her for at se en større version af dette tal.

  1. gælder et par dråber af 2-propanol lint gratis vatrondel og tørre overfladen af LP spejl. Inspicere spejl for ridser og erstatte spejlet, hvis den er beskadiget.
  2. Løst tillægger cantilever cantilever pladen ved hjælp af #6-32 SHCSs på den side af pladen som indeholder forsænket lommen med LPT peger væk fra pladen (Se figur 3 B). Indsæt 1/8 " justering stifter gennem cantilever og plade, fastspænd skruerne, og fjern derefter justering stifter.
  3. Trække FODS så meget som muligt ved at dreje den FODS mikrometer mod uret (Se figur 3 C). Løst vedhæfte cantilever plade til rammen ved hjælp af #6-32 SHCSs med LPT peger i den Equation 4 retning (Se fig. 1 A). Indsæt 1/8 " justering stifter gennem ramme og cantilever pladen, fastspænd skruerne, og fjern derefter justering stifter (Se figur 3 C).
  4. Tur på magt levering og indstille spændingen til 12.00 V i konstant spænding mode ved hjælp af justering knob. Derefter tænde spænding output og bekræfte, at den nuværende draw vises på strømforsyningen ' s LCD skærm er ca 60-70 mA. Vent mindst en time for strømtræk at nå frem til steady state for at mindske spændingen måleusikkerheden.
  5. Åbne og køre den Basic_Data program (Se supplerende kode filer). Drej FODS mikrometer (Se figur 3 C og figur 4 A) med uret for at flytte til FODS mod LP spejl indtil udgangsspændingen vises på brugergrænseflade graf når en maksimumværdi.
    1. Juster gevinst på FODS ved at dreje sæt skruer på siden af FODS boliger således at spændingen output er 5.0 V. Drej FODS mikrometer uret til at trække FODS.
  6. Tænde mikroskopet illuminator og justere positionen mikroskop og fokusere ved hjælp af to manuelle oversættelse stadier, således at LPT er centreret i synsfeltet. Stoppe programmet Basic_Data ved at klikke på den ' stoppe ' knappen.
  7. Åbne motor controller bruger interface software. Brug skydekontrollen potentiometer på den Equation 5 -akse motor controller at flytte scenen til den maksimale tilladte rejse i den < img alt = "Ligning 6" src = "/ filer/ftp_ Upload/56571/56571eq6.jpg"/ > retning og sæt den udgangsstilling ved at klikke på den ' hjem ' knap i brugergrænsefladen.
    1. Brug potentiometeret mærket på den Equation 7-akse motor controller at flytte scenen til den maksimale tilladte rejser i den Equation 8 retning og sæt udgangspositionen. Luk bruger interface software.
  8. Sæde etape på etape bundplade (Se fig. 4 A), således at spidsen af mikrometer hoveder på udjævning plade resten i fase bundplade divots. Placer en vaterpas på tabellen isolation og justere trykket i hver af tabellen ' s ben ved at dreje ventilen arm fingerskruer, således at overfladen er niveau.
    1. Flytte vaterpasset til toppen af scenen nivellering plade og justere mikrometer, så det er også niveau. Bemærk mikrometer positioner og fjerne scenen fra scenen bundplade. Bemærk: Protokollen kan blive standset her.

Figure 4
figur 4: mekanisk prøvningsanordningen som samlet i trin 1.9 og 3.7 protokollens. (A) prøve fase (SS), er knyttet til oversættelse fase (TS), og er jævnet med jorden ved hjælp af mikrometer på scenen nivellering plade (SLP), som har taget plads på scenen bundpladen (SBP). Fase bundplade er knyttet til den optiske breadboard af tabellen isolation. Cantilever (C); cantilever plade (CP); og fiber optic forskydning sensor (FODS) komponere kraft sensing system. (B) belastningen, punkt (LP) er knyttet til cantilever og belastning punkt tip (LPT) er placeret over spicule på prøve scenen. Under en bøjning test, er fordrivelse af LP målt ved hjælp af til FODS. Den indledende afstanden mellem FODS og LP spejl styres af FODS mikrometer (FM) vist i (A). (C) en Mikrograf af spicule om på tværs af renden i stikprøven scenen, placeret under LPT. Skalalinjen = 250 µm (C). venligst klik her for at se en større version af dette tal.

2. cantilever stivhed måling

  1. køre Basic_Data program og drej FODS mikrometer med uret, indtil udgangsspændingen er ca 4 V. Stop programmet ved at klikke på den ' stoppe ' knappen.
  2. Måle massen af wire krog og kalibrering vægte ved hjælp af en Analysevægt.
  3. Åbne programmet Cantilever_Calibration (Se supplerende kode filer), og Indtast det ønskede filnavn for kraften calibration outputfil i tekstboksen i brugergrænsefladen.
  4. Køre programmet Cantilever_Calibration og klik på ' OK ' når bedt om at angive massen af den første kalibrering vægt. Afvente udgangsspændingen vises i brugergrænseflade grafen at stoppe oscillerende og klik på grønne ' spænding stabiliseret ' knap til at tage en spænding måling.
  5. Brug pincet til at hænge ledningen krog fra hullet i LPT så at krogen vender væk fra mikroskop mål (Se figur 3 D). Brug af pincet til fugtige vibrationer af cantilever forårsaget af tilsætning af krogen.
    1. Angive massen af krogen i gram i dialogboksen og klikke på ' OK '. Som i det forrige trin, vente for udgangsspænding til at stoppe oscillerende før du klikker på den ' spænding stabiliseret ' knappen.
  6. Brug pincet til at hænge den første vægt på wiren krog og gentage processen med at tage en spænding måling som beskrevet i det forrige trin. Gentag dette trin, indtil alle kalibrering vægte har været hængt eller udgangsspændingen er mindre end 1,8 V. På dette tidspunkt, klik ' annullere ' i dialogboksen for at afslutte programmet Cantilever_Calibration.
  7. Drej FODS mikrometer uret til at trække sig tilbage til FODS. Fjern forsigtigt krogen og vægte fra LPT.
    Bemærk: Tving kalibrering outputfilen er en tabulatorsepareret liste over den kraft, som kalibrering masserne, 100 FODS output spænding aflæsninger middelværdi og standardafvigelse af disse aflæsninger. Afsnittet Repræsentant resultater beskriver hvordan denne datafil er behandlet for at måle cantilever stivhed.

3. Prøvepræparation

  1. slid nitril handsker når du håndterer E. aspergillum svamp skeletter og gemme skeletter i plomberede containere, når de ikke bliver håndteret.
    Advarsel: Da knoglesplinter er sammensat primært af silikater, brudt spicule fragmenter er skarpe og kan blive integreret i huden, hvilket fører til irritation.
  2. Bruge et par pincet til at forstå et anker spicule af dets distale ende og træk til at fjerne det fra skelettet (Se figur 2 A). Placere spicule på et rent objektglas.
  3. Hold af spicule mod dias nær midtpunktet langs dens længde ved hjælp af en #00000 rød Zobel pensel. Skære en ≈ 4 mm sektion af spicule ved at presse et barberblad mod spicule på begge sider af børsten vinkelret på diaset overfladen (Se figur 2 B). Kassér den store distale og proksimale spicule sektioner og holde den ≈ 4 mm afdeling.
  4. Inspicere afsnittet 4-mm spicule ved hjælp af en polariseret lys mikroskop ved 10 x forstørrelse (Se figur 2 C-E). Kassere afsnittet spicule og vende tilbage til trin 3.2 hvis det mangler store regioner af silica lag (Se figur 2 E). Håndtere inspicerede spicule sektioner udelukkende ved hjælp af #00000 rød Zobel børste til at undgå at indføre nye skader til deres silica lag.
  5. Rense enhver spicule fragmenter eller andre partikler fra overfladen af prøven scenen med en pensel eller trykluft. Derefter anvende et par dråber af 2-propanol til lint gratis vatrondel og tørre prøve fase. Undgå kontakt med områder af fase belagt med ikke-reflekterende maling. Bemærk: Maling anvendes til at reducere antallet af spektakulære refleksioner i billeder taget under den bøjning test.
  6. Overføre afsnittet spicule på prøve scenen. Placer afsnittet spicule på tværs af skyttegrav med ønskede span til bøjning test og forsigtigt skubbe det den Equation 10 retning mod renden ridge. Sikre, at spicule er vinkelret på skyttegrav kanter (Se figur 2 C).
  7. Sæde etape på etape bundplade, således at spidsen af mikrometer spindler hvile i fase bundplade divots. Hvis det er nødvendigt, justere mikrometer på scenen nivellering plade til værdierne har noteret i trin 1.9 protokollens.

4. Spænding-forskydning Interpolation fil

  1. åbne programmet Bending_Test (Se supplerende kode filer). Angiv den ' trin størrelse ' til 2 µm, ' maksimale forskydning ' til 0,5 mm, ' lav spænding stop ' til 1,5 V, og ' højspænding stop ' til 4,6 V bruge tekstbokse vises i brugergrænsefladen.
    1. Vælg de ønskede billede og data mapper og output-fil navn ved hjælp af teksten i kasser i brugergrænsefladen. Angiv den ' gemme billeder ' skifte i brugergrænsefladen til positionen ned og klik på den grønne rektangulære knap nedenfor ordene ' spændingsforskel ' således at det bliver oplyst.
  2. Køre programmet Bending_Test og vente på de motor controller og kameraet grænseflader initialiseres.
  3. Tænde illuminator og justere lysstyrken, så LPT er synlige. Drej FODS mikrometer med uret indtil udgangsspændingen vises i brugergrænseflade Graf er ~1.7 V.
    1. Brug potentiometeret mærket på den Equation 5-akse motor controller at bevæge bordet den Equation 1 retning indtil Det er ~ 1 cm under LPT og sæt den Equation 5-akse udgangspositionen ved at klikke på den " hjem " knappen.
  4. Bruge skyderne potentiometer på den Equation 7- og Equation 11-akse motor controllere til at placere LPT over midten af de tynde stålbånd beliggende på stadiet prøve i den Equation 12 retning fra skyttegrav. Brug skydekontrollen potentiometer på den Equation 5-akse motor controller at bevæge bordet den Equation 1 retning indtil fase er inden for mikroskopet ' s synsfelt.
  5. Bruge skyderen potentiometer på den Equation 5-akse motor controller at bevæge bordet den Equation 1 retning mens Se output spænding graf i brugergrænsefladen. Bestemme den omtrentlige placering hvormed LPT kontakter scenen ' s overflade ved at kigge efter en ændring i spændingen med yderligere flytning af scenen. Trække fase ca 10 µm.
  6. Klik på knappen mærket " begynde testen ". Når du bliver bedt om det, indtaster værdier af 0,003 V og 0.001 mm for ' touch følsomhed ' og ' touch off skridt nummer ', henholdsvis. Vent til test at fuldføre.
    Bemærk: Efter dette punkt, Fjern ikke scenen fra scenen bundplade indtil bøjning testen er fuldført for at sikre nøjagtige forskydning målinger. Spænding-forskydning interpolation output-fil er en tabulatorsepareret liste over 100 FODS output spænding aflæsninger middelværdi og standardafvigelse af disse aflæsninger langs med den Equation 5- placering af akse scenen på hver fase forskydning tilvækst. Afsnittet Repræsentant resultater beskriver hvordan denne datafil bruges til at konvertere målte FODS output spænding til LP forskydninger.

5. Bøjning Test

  1. åbne og køre Basic_Data program og drej FODS mikrometer mod uret, indtil udgangsspændingen vises på brugergrænseflade Graf er ca 3 V. Brug skyderen potentiometer på den < img alt = "Ligning 7" src="//cloudfront.jove.com/files/ftp_upload/56571/56571eq7.jpg" / > -akse motor controller til at placere LPT mellem skyttegrav kanter over spicule (Se figur 4 C).
    1. Brug potentiometeret mærket på den Equation 5-akse motor controller at bevæge bordet den Equation 1 retning indtil LPT er under oversiden af renden ridge (Se figur 5 A). Endelig, bruge skyderen potentiometer på den Equation 11-akse motor controller at bringe den forreste overflade af renden ridge i fokus, så hele bredden af LP er mellem kanterne af det skyttegrav ridge. Stoppe programmet Basic_Data ved at klikke på den ' stoppe ' knappen.
  2. Åben og Kør programmet Center_LoadPoint (Se supplerende kode fil). Brug de Equation 7-akse motor controller flytte scenen, indtil LPT er næsten kontakt med den rigtige skyttegrav kant. Klik på den " finde kanten " knappen.
  3. Når du bliver bedt om det, bruge det Equation 7-akse motor controller flytte scenen, indtil LPT er næsten kontakt med den venstre skyttegrav kant. Klik på den " finde kanten " knappen. Vent til programmet til at placere LPT halvvejs på tværs af renden span (Se figur 5 B).
    Bemærk: Efter dette punkt er det vigtigt ikke at justere på Equation 7-akse motor controller som dette vil resultere i en forskydning af LPT.
  4. Åbne programmet Bending_Test. Indstillet på trin størrelse til 2 µm, maksimal forskydning til 0,5 mm, lav spænding stop til 1,5 V og højspænding stop til 4,5 V ved hjælp af tekstboksene i brugergrænsefladen.
    1. Vælg de ønskede billede og data mapper og output-fil navn ved hjælp af teksten i kasser i brugergrænsefladen. Angiv den ' gemme billeder ' skifte i brugergrænsefladen til op-position og klik på den grønne rektangulære knap nedenfor ord ' spændingsforskel ' så at det ikke er belyst.
  5. Køre programmet Bending_Test og vente på de motor controller og kameraet grænseflader initialiseres.
  6. Bevæge bordet den Equation 1 retning ved hjælp af skyderen potentiometer på den motor controller indtil spicule er inden for mikroskopet ' s synsfelt. Brug skydekontrollen potentiometer på den Equation 11 -akse motor controller at bevæge bordet, indtil spicule er under LPT.
    1. Justere mikroskop fokus knapper, så spicule er i fokus i brugeren grænseflade (Se figur 4 C). Drej FODS mikrometer mod uret, indtil udgangsspændingen er ca 1,8 V.
  7. Bruge skyderen potentiometer på z-aksen motor controller til at bevæge bordet den Equation 1 retning mens du ser output spænding graf i brugergrænsefladen. Bestemme den omtrentlige placering hvormed LPT kontakter spicule ved at lede efter en ændring i spændingen med yderligere flytning af scenen. Trække fase ca 50 µm.
  8. Klik " begynde at teste " og vente indtil bøjning testen er fuldført, og fase vender tilbage til den Equation 5-akse udgangspositionen.
    Bemærk: Fase vil bevæge sig i 2 µm-trin (som er foreskrevet i trin 5.4 i protokollen) den Equation 1 retning, bøjning på spicule (Se Figur 5 C) indtil en af flere stop betingelser er opfyldt. Stoppe betingelserne er: en) den maksimale fase forskydning af 0,5 mm er nået; b) spicule pauserne og programmet registrerer et stort fald i FODS output spænding; eller c) højspænding grænsen på 4,5 V er nået. For at stoppe tilstand (a), vil brugeren blive bedt om de ønsker at afslutte testen eller tilsidesætte den tidligere værdi. Når ' tilsidesætter ' er valgt, får brugeren mulighed for at enten tilvækst fase forskydning grænse eller vende retningen for fase forskydning trin for at fortsætte med indsamling af data som spicule er losset. Fase forskydning increment retning kan også ændres ved at klikke på det " vende lastning " knappen på ethvert tidspunkt under prøven. Bøjning test outputfil har samme struktur som spænding-forskydning interpolation outputfilen genereres i trin 4.6 i protokollen. Det er en tabulatorsepareret liste over 100 FODS output spænding aflæsninger middelværdi og standardafvigelse af disse aflæsninger langs med den Equation 5-fase aksepositionen på hvert stadium forskydning tilvækst. Afsnittet Repræsentant resultater beskriver, hvordan denne datafil bruges sammen med spænding-forskydning interpolation fil til at beregne de cantilever forskydninger og fase forskydninger under bøjning testen. Efterfølgende cantilever stivhed er brugt til at beregne den kraft, som LPT på spicule.
  9. Når testen er fuldført, drej FODS mikrometer mod uret, indtil FODS er mindst 5 mm fra LPT spejl. Derefter forsigtigt fjerne scenen fra scenen bundplade.

Figure 5
figur 5: Procedure for at tilpasse LPT med renden ' s midten af spændvidde og udfører en bøjning test. (A) den LPT er placeret under oversiden af renden ridge i slutningen af trin 5.1 i protokollen, men det endnu ikke er placeret på midten af span. (B) placering af LPT efter den centrering fremgangsmà ¥ den i trin 5.2 og 5.3 i protokollen er afsluttet. (C) en Mikrograf af en spicule, taget under den bøjning test. Forskydning af spicule tværsnit under LPT, Equation 14, markeres skematisk. Skalere barer = 250 µm (A-C). venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

De mest grundlæggende resultater af eventuelle mekaniske test er størrelsen af den kraft, modellen og forskydning på den placering, hvor kraften, der er anvendt. I tilfælde af en tre-punkts bøjning test, målet er at få størrelsen af den kraft, som LPT, Equation 13 , og fordrivelse af modellens tværsnit under LPT i den Equation 4 retning, Equation 14 . For mekanisk prøvningsanordningen beskrevet her, kan flere post-processing trin skal udføres for at omdanne den outputdata indhentet fra trin 2, 4 og 5 i protokollen til det ønskede Equation 13 - Equation 14 data. De datafiler, der er indhentet fra tre-punkts bøjning test er: 1) spænding-forskydning interpolation fil; 2) den gældende kalibrering fil; og 3) bøjning test-fil. Et resumé af de målte og afledte størrelser er vist i tabel 1.

Symbol Definition
Nh Antallet af spændinger værdier i spænding-forskydning interpolation output-fil
Vh Målte spænding værdier i trin 4 i protokollen
ΣVh Standardafvigelsen af VHansen
zsh Målt fase position i trin 4 i protokollen
Nc Antallet af force målinger i kraft kalibrering output-fil
Fc Kraft af kalibrering vægte i trin 2 i protokollen
Vc Målte spænding værdier i trin 2 i protokollen
ΣVc Standardafvigelsen af Vc
zlc Placeringen af LP i trin 2 i protokollen beregnet ved hjælp af Vh og Vc
wlc Forskydning af LP i trin 2 i protokollen er beregnet ud fra zlc
Nt Antallet af kraft og forskydning målinger i bøjning test output-fil
zst Placeringen af scenen i trin 5 i protokollen
wst Forskydning af fase i trin 5 i protokollen
Vt Målte spænding værdier i trin 5 i protokollen
ΣVt Standardafvigelsen af Vt
zlt Placeringen af LP i trin 5 i protokollen beregnet ved hjælp af Vh og Vt
wlt Forskydning af LP i trin 5 i protokollen er beregnet ud fra zlt
F Kraft af LP i trin 5 i protokollen er beregnet ud fra zlt
w0 Forskydning af den spicule tværsnit under LP i trin 5 i protokollen

Tabel 1: Oversigt over symboler, der anvendes for de mængder målt i trin 2, 4 og 5 i protokollen og beregnet i afsnittet repræsentant resultater.

Formålet med spænding-forskydning interpolation fil er skal vedrøre LPT forskydninger målt FODS output spændinger. Dette gøres ved stift kobling LPT til oversættelse fase, så der som scenen er flyttet den Equation 1 retning, ændring i den Equation 5 -fase aksepositionen er lig med LPT deplacement (trin 4 i protokollen). Spænding-forskydning interpolation fil indeholder en række punkter Equation 15 , hvor Equation 16 er gennemsnitlige FODS output spænding overtaget 100 målinger på en samplingfrekvens på 1000 Hz, Equation 17 er den tilhørende standardafvigelse af 100 spændingen målinger, Equation 18 er den Equation 5 -fase aksepositionen og Equation 19 er antallet af fase forskydning trin (Se figur 6 (B)).

Kraft kalibrering fil tillader cantilever stivhed skal måles, således at LP forskydninger kan bruges til at beregne størrelsen af den kraft, som LP. Tving kalibrering filen indeholder en række punkter Equation 20 , hvor Equation 21 er gennemsnitlige FODS output spænding overtaget 100 målinger på en samplingfrekvens på 1000 Hz, Equation 22 er den tilhørende standardafvigelse på 100 spænding målinger, Equation 23 er den kraft, der udøves af vægte på LPT, og Equation 24 er antallet af kalibrering vægte anvendes. Bemærk, at der er to flere point end der er kalibrering vægte fordi det første punkt er målt til nul anvendes kraft og det andet punkt for kraften udøvedes af wire krog alene.

Endelig, bøjning test-fil bruges til at beregne Equation 14 og Equation 13 . Det indeholder en række punkter Equation 25 , hvor Equation 26 er gennemsnitlige FODS output spænding overtaget 100 målinger på en samplingfrekvens på 1000 Hz, Equation 27 er den tilhørende standardafvigelse af 100 spænding målinger, Equation 28 er den Equation 5 -fase aksepositionen og Equation 29 er de numre, somr af fase forskydning trin under bøjning testen.

Første, den Equation 5 komponent af LPTS holdning under kraft kalibreringen, Equation 30 , er fundet ved hjælp af sæt Equation 31 at kortlægge Equation 21 værdier til Equation 32 værdier via lineær interpolation. Den Equation 5 komponent af LPT forskydning er givet ved Equation 33 , Equation 34 . Da LPT forskydninger er små i forhold til længden af udlægget, forholdet mellem Equation 23 og Equation 35 synes at være lineær. Derfor cantilever stivhed kan beregnes ved at montere en linje til den Equation 36 data og computing hældning, Equation 37 . Et repræsentativt sæt af punkter Equation 36 og dens tilsvarende monteret linje er vist i figur 6A. Stivhed af cantilever bøjning forsøgsdyrene var 90.6 ± 0,3 N/m.

Figure 6
Figur 6: repræsentative resultater af den tre-punkts bøjning test. (A) kraft og forskydning (grå) fremkomne data i trin 2 i protokol sammen med den lineære fit (blå) bruges til estimering af udlægget stivhed. (B) repræsentative eksempel på dataene i filen spænding-forskydning interpolation. For en målte FODS output spænding, Equation 51 , placeringen af scenen, Equation 52 , kan fås via lineær interpolation. Dette bruges til at måle cantilever forskydningen, Equation 50 , under bøjning prøve. (C) repræsentative kraft-forskydning svar af 3 forskellige E. aspergillum anker knoglesplinter fra vellykket tre-punkts bøjning tests. (D) A force-forskydning svar fra en mislykket tre-punkts bøjning test. Nonlinearity af kurven tyder på, at spicule ikke korrekt blev siddende på prøve scenen og gled eller omlagt efter første kontakt blev lavet med LPT. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Næste, den Equation 5 komponent af LPTS holdning under den bøjning test, Equation 38 , er fundet ved hjælp af sæt Equation 31 at kortlægge Equation 26 værdier til Equation 39 værdier via lineær interpolation. Den Equation 5 komponent af LPT forskydning under bøjning prøven er givet ved Equation 40 , Equation 41 . Den Equation 5 komponent i fase forskydning under bøjning prøven er givet ved Equation 42 .

Da LPT og spicule er i kontakt under helhed af bøjning testen, spicule deplacement, Equation 43 er givet ved

Equation 44(1)

og den kraft, som LPT, Equation 45 , er

Equation 46(2)

Det er vigtigt at bemærke, at siden sæt Equation 31 anvendes til at opnå både Equation 32 og Equation 39 værdier via interpolation, værdierne af de Equation 47 og Equation 26 skal være inden for rækkevidde Equation 16 . Dette sikres ved at indstille passende værdier for den begyndende spænding og højspænding stop værdier i trin 2, 4 og 5 i protokollen.

Figur 6 C viser kraft-forskydning kurver for tre repræsentative knoglesplinter. Til slank, lineær elastisk strukturer indlæst i tre-punkts bøjning, Equation 13 forventes at stige lineært med Equation 14 for små værdier af Equation 14 30. Nonlinearity af den Equation 13 - Equation 14 kurve til små Equation 14 (f.eks., se figur 6D) typisk tyder på, at spicule ikke kan blive siddende korrekt på prøve scenen. I dette tilfælde testen bør stoppes og spicule omplaceres på prøve scenen (trin 3.6 i protokollen).

For at sikre tilstrækkelig nøjagtighed af den Equation 13 og Equation 14 målinger, den samlede spænding ændring i løbet af bøjning testen, Equation 48 , skal være mindst 1 V. Hvis den samlede spænding ændring er mindre end 1 V, bør en mere kompatibel cantilever semetre.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Flere trin i protokollen er særlig vigtige for at sikre, at styrker og forskydninger måles nøjagtigt. Mens nogle af disse kritiske trin er universelle for alle tre-punkts bøjning test, er andre unikke for denne mekaniske test enhed.

Trin 1.2 i protokollen LP spejl er renses og inspiceres for ridser, og i trin 1,6 i protokollen er FODS gain indstillet. Det er vigtigt for gevinst og LP spejl reflektionsgrad at være konstant til trin 2, 4og 5 i protokollen. Af denne grund bør to kalibreringstrinnene (trin 2 og 4 i protokollen) udføres umiddelbart før bøjning prøven (trin 5 i protokollen).

I trin 1.9 og 3,7 i protokollen er scenen jævnet med jorden med hensyn til overfladen af tabellen isolation. Disse trin sikrer, at Equation 2 er komponenten i kraft vinkelret på den spicule længdeakse. For rammen af den mekaniske test enhed er fremstillet således at cantilever, LP spejl og overfladen af til FODS er alle parallelt med overfladen af tabellen isolation. Det betyder, at force sensor vil måle komponenten af kraft og forskydning normale isolation tabel overflade. Hvis toppen af scenen er misvisende af en vinkel Equation 53 med hensyn til overfladen af tabellen isolation, så den målte forskydning af LPT vil være Equation 55 , hvor Equation 54 er den faktiske forskydning i retning vinkelret på den spicule's længdeakse (Se figur 7). Da Equation 56 , dette resulterer i en over forudsigelse af anvendt styrker og den under forudsigelse af spicule forskydninger pr ligninger (1) og (2).

Figure 7
Figur 7: effekt af fase udjævning på fordrivelse målinger. (A) scenen er skrå i en vinkel, Equation 53 med hensyn til overfladen af tabellen isolation og bunden overfladen af cantilever. (B) forskydningen af LP i den lodrette retning, Equation 50 (Se figur 1 (D)), er målt af til FODS. Komponent af LP forskydning i retning vinkelret på den spicule akse er Equation 54 . Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

I trin 5.1- placeret5.3 af protokollen LPT er mid måde på tværs af den rende span. Forskydning af LPT med hensyn til midten af span vil resultere i overensstemmelse med modellen optræder stivere end det faktisk er 31,32. Det vil sige, bliver den spicule forskydning mindre end den, som vil blive målt, hvis den samme kraft blev anvendt på midten af span. Denne type forskydning kan undgås ved ikke at fjerne scenen fra scenen bundplade eller justere x-akse fase position efter proceduren centrering er komplet (trin 5.1-5.3 i protokollen).

En begrænsning af denne metode er at cantilever stivhed for at mindske kraft og forskydning målingerne relative måleusikkerheden, bør udvælges således at FODS output spændinger spænder over hele spektret af 1,8 til 4,5 V under bøjning test. Denne spændingsområde svarer imidlertid til et cantilever deplacement på ca ≈250 µm, hvilket er omtrent det samme som spicule forskydning lige før det mislykkes (Se figur 6 (C)). Det betyder, at cantilever og spicule har lignende stiffnesses. Mens dette ikke er problematisk for måling af elastisk svar og styrke egenskaber af knoglesplinter, udelukker det nøjagtig måling af knoglesplinter hårdheden egenskaber. Det er da for at sikre nøjagtig måling af sejhed egenskaber, en revne i spicule skal overføres på en kontrolleret måde 33. Typisk, dette er kun muligt hvis prøvningsanordningen er meget stivere end modellen 33. For at øge stivheden af prøvningsanordningen, kan en mere følsom forskydning sensor bruges i stedet for til FODS.

Mens bøjning forsøgsprotokollen er demonstreret på E. aspergillum knoglesplinter, kan mekanisk prøvningsanordningen bruges til at udføre tre-punkts bøjning tests på andre LBBSs og syntetiske materialer så godt. Denne mekaniske test enhed er mest passende til prøver hvis tværsnits diametre strækker sig fra 0,01 til 1 mm og for renden strækker sig lige fra 1 til 10 mm. For større diameter, bør prøven fase redesignet, således at modellen ikke kan rulle på tværs af scenen. Dette er ikke et problem for mindre fibre, ligesom knoglesplinter, fordi den fase overflade ruhed er nok til at forhindre modellen fra rullende. Radier i renden kanter og LPT bør også gøres større for at undgå at indføre lokale skader på de punkter, hvor modellen er understøttede 31,32. Endvidere scenen nivellering plade skal fastgøres til fase bundplade (Se figur 4A) med ¼"-20 socket cap skruer efter trin 3.7 i protokollen for at forhindre fase vippe hvis styrker overstiger ≈1 N.

For nøjagtig kraft og forskydning måling, skal af udlægget stivhed altid være meget mindre end rammens stivhed (≈107 N/m). Dette krav begrænser den maksimale kraft, der kan anvendes af denne enhed til ≈25 N. Det er derfor vigtigt at vurdere den maksimale kraft modellen kan modstå før du udfører en bøjning test til at afgøre, om denne enhed kan bruges til at udføre testen.

Dette arbejde giver protokollen, tekniske tegninger (Se supplerende fil 1) og software (Se supplerende kode filer) for reproduktion og bruger vores mekaniske test enhed. Dette vil forhåbentlig give en platform for præcist måle bøjnings adfærd af mange forskellige LBBSs. Disse målinger er en forudsætning for udviklingen af en dybere forståelse af forholdet mellem en LBBS arkitektur og dens mekaniske egenskaber.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ikke noget at oplyse.

Acknowledgments

Dette arbejde blev støttet af National Science Foundation [mekanik af materialer og strukturer Program, tildele nummeret 1562656]; og den amerikanske Society of Mechanical Engineers [Haythornthwaite Young Investigator Award].

Materials

Name Company Catalog Number Comments
TMC 36" x 48" isolation table with 4" CleanTop breadboard TMC 63-563 Isolation Table
Diffeential Screw Adjuster Thorlabs DAS110 For stage leveling plate
1" Travel Micrometer Head with 0.001" Graduations Thorlabs 150-801ME For stage leveling plate
Right-Angle Bracket for PT Series Translation Stages, 1/4"-20 Mounting Holes Thorlabs PT102 For microscope mount
1" Dovetail Translation Stage, 1/4"-20 Taps Thorlabs DT25 For microscope mount
1" Translation Stage with 1/4"-170 Adjustment Screw, 1/4"-20 Taps Thorlabs PT1B For microscope mount
12" Length, Dovetail Optical Rail Edmund Optics 54-401 For microscope mount
2.5" Width, Dovetail Carrier Edmund Optics 54-404 For microscope mount
0.5" Width, Dovetail Carrier Edmund Optics 54-403 For microscope mount
InfiniTube Mounting C-Clamp with ¼-20 Edmund Optics 57-788 Microscope component
Standard (with no In-Line Attachment), InfiniTube Edmund Optics 56-125 Microscope component
Standard In-Line Attachment (Optimized at 2X-10X), InfiniTube Edmund Optics 56-126 Microscope component
Mitutoyo/Achrovid Objective Adapter (M26 to M27) Edmund Optics 53-787 Microscope component
5X Infinity Achrovid Microscope Objective Edmund Optics 55-790 Microscope component
0.316" ID, Fiber Optic Adapter SX-6 Edmund Optics 38-944 Microscope component
¼" x 36", Flexible Fiber Optic Light Guide Edmund Optics 42-347 Microscope component
115V, MI-150 Fiber Optic Illuminator w/IR Filter and Holder Edmund Optics 55-718 Microscope component
Allied Vision Manta G-223 2/3" Color CMOS Camera Edmund Optics 88-452 Microscope component
Power Supply for Manta/ Guppy Pro/ Stingray/ Pike Edmund Optics 68-586 Microscope component
1/4" Travel Single Axis Translation Stage Thorlabs MS1S FODS micrometer
Analog Reflectance Dependent Fiber Optic Displacement Sensor Philtec D20 FODS
30V, 3A DC Power Supply Agilent U8001A Power supply for DAQ and FODS
14-Bit, 48 kS/s Low-Cost Multifunction DAQ National Instruments USB-6009 DAQ for FODS
Three Axis Motorized Translation Stage Thorlabs Thorlabs T25 XYZ-E/M Translation stage
T-Cube DC Servo Motor Controller Thorlabs TDC001 Motor controller for stage
T-Cube Power Supply Thorlabs TPS001 Power supply for motor controller
National Instruments LabVIEW (2013 SP1) National Instruments Used for running software
National Instruments LabVIEW Vision Acquisition Software (2016) National Instruments Used for running software
Nikon Eclipse Ci-POL Main Body MVI MDA96000 Polarized light microscope
Nikon Pi Intermediate Tube with Analyzer Slider MVI MDB45305 Polarized light microscope
Nikon Dia-Polarizer MVI MDN11920 Polarized light microscope
Power Cord - 7'6" MVI 79035 Polarized light microscope
Nikon P-Amh Mechanical Stage MVI MDC45000 Polarized light microscope
Nikon Lwd Achromat Condenser MVI MBL16100 Polarized light microscope
Nikon LV-NBD5BD-CH Manual Quint Nosepiece ESD MVI MBP60125 Polarized light microscope
Nikon C-TF Trinocular Tube F MVI MBB93100 Polarized light microscope
Nikon CFI 10X Eyepiece FN 22mm NC MVI MAK10110 Polarized light microscope
Nikon TU Plan Flour BD 10x Objective MVI MUE42100 Polarized light microscope
Venus Flower Basket Sponge Denis Brand N/A Sponge skeleton
3.5X Headband Flip-Up Magnifier McMaster Carr 1490T5 Used for spicule sectioning
Ø1" Silicon Wafer, Type P / <100> Ted Pella 16011 Used for load point mirror
Low Lint Tapered Tip Cotton Swab McMaster Carr 71035T31 Used for cleaning LP mirror
Rubber grip precision knife McMaster Carr 35575A68 Used for sectioning spicules
Microscope Slides, frosted end, 75 x 25 x 1mm Ted Pella 260409 Used for sectioning spicules
Sable Brushes, #00000, 0.08mm W x 4.0mm L Ted Pella 11806 Used for handling spicules
PELCO Pro High Precision Tweezers, extra fine tips, superior finish Ted Pella 5367-5NM Used for handling spicules
Dual Axis Linear Scale Micrometer Edmund Optics 58-608 Used for calibrating the microscopes
FLEX-A-TOP FT-38 CAS ESD Plastic Containers FT-38-CAS Used for storing spicules
Plastic Vial Bullseye Level McMaster Carr 2147A11 Used for leveling the stage
Analytical Balance Mettler Toledo MS105DU Used to mass calibration weights

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Wegst, U. G., Bai, H., Saiz, E., Tomsia, A. P., Ritchie, R. O. Bioinspired structural materials. Nat. Mater. 14 (1), 23-36 (2015).
  2. Meyers, M. A., McKittrick, J., Chen, P. Y. Structural biological materials: critical mechanics-materials connections. Science. 339 (6121), 773-779 (2013).
  3. Bodde, S. G., Meyers, M. A., McKittrick, J. Correlation of the mechanical and structural properties of cortical rachis keratin of rectrices of the Toco Toucan (Ramphastos toco). J. Mech. Behav. Biomed. Mater. 4 (5), 723-732 (2011).
  4. Gibson, L. J. The hierarchical structure and mechanics of plant materials. J. R. Soc. Interface. , (2012).
  5. Monn, M. A., Kesari, H. A new structure-property connection in the skeletal elements of the marine sponge Tethya aurantia that guards against buckling instability. Sci. Rep. 7, (2017).
  6. Monn, M. A., Weaver, J. C., Zhang, T., Aizenberg, J., Kesari, H. New functional insights into the internal architecture of the laminated anchor spicules of Euplectella aspergillum. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 112 (16), 4976-4981 (2015).
  7. Monn, M. A., Kesari, H. Enhanced bending failure strain in biological glass fibers due to internal lamellar architecture. J. Mech. Behav. Biomed. Mater. , In Press (2017).
  8. Levi, C., Barton, J. L., Guillemet, C., Bras, E., Lehuede, P. A remarkably strong natural glassy rod: the anchoring spicule of the Monorhaphis sponge. J. Mater. Sci. Letters. 8 (3), 337-339 (1989).
  9. Kesari, H., Doll, J. C., Pruitt, B. L., Cai, W., Lew, A. J. Role of surface roughness in hysteresis during adhesive elastic contact. Philos. Mag. Lett. 90 (12), 891-902 (2010).
  10. Croisier, F., et al. Mechanical testing of electrospun PCL fibers. Acta Biomater. 8 (1), 218-224 (2012).
  11. Haque, M. A., Saif, M. T. A review of MEMS-based microscale and nanoscale tensile and bending testing. Exp. Mech. 43 (3), 248-255 (2003).
  12. Gudlavalleti, S. Mechanical testing of solid materials at the micro-scale. , Doctoral dissertation, Massachusetts Institute of Technology (2002).
  13. Tohmyoh, H., Ishihara, M., Akanda, M. S., Yamaki, S., Watanabe, T., Iwabuchi, T. Accurate determination of the structural elasticity of human hair by a small-scale bending test. J. Biomech. 44 (16), 2833-2837 (2011).
  14. Waters, J. F. Contact mechanics of biologically-inspired interface geometries. , Doctoral dissertation, Brown University (2009).
  15. Dai, Z., Gorb, S. N., Schwarz, U. Roughness-dependent friction force of the tarsal claw system in the beetle Pachnoda marginata (Coleoptera, Scarabaeidae). J. Exp. Biol. 205 (16), 2479-2488 (2002).
  16. Tramacere, F., Kovalev, A., Kleinteich, T., Gorb, S. N., Mazzolai, B. Structure and mechanical properties of Octopus vulgaris suckers. J. R. Soc. Interface. 11 (91), (2014).
  17. Ehrlich, H., et al. Nanostructural organization of naturally occurring composites: Part I. Silica-Collagen-based biocomposites. J. Nanomater. 53, (2008).
  18. Ehrlich, H., et al. Mineralization of the meter-long biosilica structures of glass sponges is templated on hydroxylated collagen. Nat. Chem. 2, 1084-1088 (2010).
  19. Ehrlich, H., et al. First evidence of the presence of chitin in skeletons of marine sponges. Part II. Glass sponges (Hexactinellida: Porifera). J. Exp. Zoo. 308 (4), 473-483 (2007).
  20. Ehrlich, H. Chitin and collagen as universal and alternative templates in biomineralization. Int. Geol Rev. 52, 661-699 (2010).
  21. Ehrlich, H., et al. Supercontinuum generation in naturally occurring glass sponge spicules. Adv. Opt. Mater. 4 (10), 1608-1613 (2016).
  22. Ehrlich, H., et al. Calcite reinforced silica-silica joints in the biocomposite skeleton of deep-sea glass sponges. Adv. Funct. Mater. 21, 3473-3481 (2011).
  23. Werner, P., Blumtritt, H., Zlotnikov, I., Graff, A., Dauphin, Y., Fratzl, P. Electron microscope analyses of the bio-silica basal spicule from the Monorhaphis chuni sponge. J. Struct. Biol. 191 (2), 165-174 (2015).
  24. Kolednik, O., Predan, J., Fischer, F. D., Fratzl, P. Bioinspired Design Criteria for Damage-Resistant Materials with Periodically Varying Microstructure. Adv. Funct. Mater. 21 (19), 3634-3641 (2011).
  25. Weaver, J. C., et al. Unifying design strategies in demosponge and hexactinellid skeletal systems. J. Adhes. 86 (1), 72-95 (2010).
  26. Walter, S. L., Flinn, B. D., Mayer, G. Mechanisms of toughening of a natural rigid composite. Mater. Sci. Eng. C. 27 (3), 570-574 (2007).
  27. Ehrlich, H. Silica biomineralization in Sponges. Encyclopedia of Geobiology. , Springer Verlag. 796-808 (2011).
  28. Zlotnikov, I., Werner, P., Fratzl, P., Zolotoyabko, E. Eshelby Twist as a possible source of lattice rotation in a perfectly ordered protein/silica structure grown by a simple organism. Small. 11 (42), 5636-5641 (2015).
  29. Zlotnikov, I., et al. A perfectly periodic three-dimensional protein/silica mesoporous structure produced by an organism. Adv. Mater. 26 (11), 1682-1687 (2014).
  30. Gere, J. M., Timoshenko, S. P. Chapter 5: Stresses in Beams. Mechanics of materials. , 205-217 (1997).
  31. Baratta, F. I., Matthews, W. T., Quinn, G. D. Errors associated with flexure testing of brittle materials. , Army Lab Command Watertown MA Material Technology Lab. No. MTL-TR-87-35 (1987).
  32. Quinn, G. D., Sparenberg, B. T., Koshy, P., Ives, L. K., Jahanmir, S., Arola, D. D. Flexural strength of ceramic and glass rods. J. Test. Eval. 37 (3), 1-23 (2009).
  33. Tattersall, H. G., Tappin, G. The work of fracture and its measurement in metals, ceramics and other materials. J. Mater. Sci. 1 (3), 296-301 (1966).

Tags

Bioteknologi spørgsmålet 128 mekanisk karakterisering mekaniske egenskaber tre-punkts bøjning test cantilever force sensor fiber optic forskydning sensor strukturelle biologisk materiale biosilica fiber Euplectella aspergillum spicule
En Millimeter skala bøjnings test System til måling af de mekaniske egenskaber af Marine svamp knoglesplinter
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Monn, M. A., Ferreira, J., Yang, J., … More

Monn, M. A., Ferreira, J., Yang, J., Kesari, H. A Millimeter Scale Flexural Testing System for Measuring the Mechanical Properties of Marine Sponge Spicules. J. Vis. Exp. (128), e56571, doi:10.3791/56571 (2017).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter