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 böjhållfasthet testsystem för att mäta de mekaniska egenskaperna hos marina svampen benbalkar

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

Summary

Vi presenterar ett protokoll för att utföra tre-punkt böjande tester på sub millimeter skala fibrer med hjälp av en specialbyggd mekaniska provanordningen. Enheten kan mäta krafter alltifrån 20 µN upp till 10 N och rymmer därför en mängd fiber storlekar.

Abstract

Många laddar med biologiska strukturer (LBBSs) — såsom fjäder rachises och benbalkar — är små (< 1 mm) men inte mikroskopiska. Mäta dessa LBBSs böj beteende är viktigt för att förstå ursprunget till deras anmärkningsvärda mekaniska funktioner.

Vi beskriver ett protokoll för utföra trepunkts böjande tester med hjälp av en specialbyggd mekaniska tester enhet som kan mäta tvingar allt från 10-5 till 101 N och förskjutningar som sträcker sig från 10-7 till 10-2 m. Den främsta fördelen med denna mekaniska provanordningen är att den kraft och deplacement kapaciteten kan enkelt justeras för olika LBBSs. Enhetens funktionsprincip är liknande till det av en atomic force mikroskopet. Nämligen, anbringas till LBBS av en Last punkt som är kopplad till slutet av en fribärande. Last punkt förskjutningen mäts av en fiber optic deplacement sensor och omvandlas till en kraft som med hjälp av uppmätta fribärande styvheten. Enhetens kraft utbud kan justeras med hjälp av utliggare av olika stiffnesses.

Enhetens kapacitet demonstreras genom att utföra tre-punkt böjande tester på skelettet elementen i den marina svampen Euplectella aspergillum. De skeletala element — kallas benbalkar — är kiseldioxid fibrer som är cirka 50 µm i diameter. Vi beskriva förfarandena för att kalibrera mekaniska provanordningen, montering av benbalkar på en tre-punkt böjande fixtur med en ≈1.3 mm spännvidd och utför en böjning testa. Kraft som appliceras till spikul och dess böjning på platsen för den tillämpliga kraften mäts.

Introduction

Genom att studera arkitekturerna av bärande biologiska strukturer (LBBSs), såsom skal och ben, har ingenjörer utvecklat nya kompositmaterial som är både stark och tuff 1. Det har visats att de anmärkningsvärda mekaniska egenskaperna hos LBBSs och deras motsvarigheter i bio-inspirerade är relaterade till deras intrikata inre arkitekturer 2. Relationerna mellan LBBS arkitekturer och mekaniska egenskaper är dock inte helt klarlagda. Mäta en LBBS mekanisk svar är det första steget mot förståelse hur dess arkitektur förbättrar dess mekaniska egenskaper.

Det är dock viktigt att typ av test som används för att mäta en LBBS mekanisk svar är förenlig med dess mekaniska funktion. Till exempel eftersom fjädrar måste stödja aerodynamiska laster, är en fjäder rachis primära funktion att ge böj styvhet 3. En böjande test är därför Rekommenderad ett enaxligt spänning test för att mäta dess mekaniska svar. I själva verket många LBBSs — såsom fjäder rachises 3, gräs härrör 4och benbalkar 5,6,7,8— främst deformeras genom att böja. Detta beror på att dessa LBBSs är smala —dvsderas längd är mycket större än deras bredd eller djup. Dock utföra böjande tester på dessa LBBSs är en utmaning eftersom de krafter och förskjutningar som de tål innan sträcker sig från 10-2 till 102 N och 10-4 till 10-3 m, respektive 3 , 4 , 5 , 7 , 8. Följaktligen enheten används för att utföra dessa mekaniska tester bör ha kraft och deplacement resolutioner ≈10-5 N och ≈10-7 m (dvs. 0,1% av sensorns maximala mätbara kraft och förskjutning), respektive.

Kommersiellt tillgängliga, storskalig, mekaniska test system vanligtvis inte kan mäta krafter och förskjutningar med denna resolution. Medan atomic force Mikroskop-baserade 9,10 eller mikroelektromekaniska system-baserade 11 testning enheter har tillräcklig upplösning, den högsta kraft (respektive förskjutning) som de kan mäta är mindre än den maximal kraft (respektive förskjutning) som LBBS tål. Därför, för att utföra böjande tester på dessa LBBSs, ingenjörer och forskare måste lita på specialbyggda mekanisk provning enheter 5,7,12,13. Den främsta fördelen med dessa specialbyggda enheter är att de rymmer stort spänner av krafter och förskjutningar. Emellertid, byggande och drift av dessa enheter är inte väldokumenterad i litteraturen.

Ett protokoll är beskrev trepunkts böjande tester med hjälp av en specialbyggd mekaniska tester enhet som kan mäta styrkor alltifrån 10-5 till 101 N och förskjutningar som sträcker sig från 10-7 till 10-2 m. Tekniska ritningar, inklusive alla dimensioner, komponenter i mekaniska provanordningen finns i det kompletterande materialet. Den främsta fördelen med denna mekaniska provanordningen är att kraft och deplacement spänner kan enkelt justeras för att passa olika LBBSs. Enhetens funktionsprincip är liknande till det av en atomic force Mikroskop 9. I denna enhet, ett provexemplar placeras över ett dike som skär i en rostfri plåt (se figur 1A-C). Loppet av diket mäts från optiska micrographs vara 1278 ± 3 µm (medelvärde ± standardavvikelse; n = 10). Diket kanterna stöder preparatet under ett böjande test (se figur 1 coch D). Detta prov skede är kopplad till en tre-axeln översättning scenen och placerad under en aluminium kil så att kilen ligger halvvägs över dikets span (se figur 1C). Genom att flytta scenen i den Equation 1 riktning (se figur 1A, och C), preparatet är införd i kilen orsakar preparatet att böja.

Vi hänvisar till kilen som Last punkt spetsen (LPT) och komponenten för den enhet som innehåller kilen som belastning (LP). LP är fäst vid slutet av en fribärande vars förskjutning mäts av en fiber optic deplacement sensor (FODS). FODS avger infrarött ljus, vilket återspeglas av en spegel som ligger på ovansidan av LP (se figur 1B) och tas emot av en optisk fiber i FODS. En ≈5 mm fyrkantig bit av en polerad kisel wafer används som LP spegeln och fästs på LP med epoxi. FODS mäter förskjutningar genom att jämföra stödnivåerna utsända och reflekterade ljuset. Den fribärande stelhet och deplacement används för att beräkna kraften, Equation 2 , erfarna vid kilen på grund av dess interaktion med preparatet. Fribärande förskjutningen används också för att beräkna förskjutningen av preparatets tvärsnitt under kilen, Equation 3 . Cantilever-baserade kraftgivare har använts i ett antal mikro - och makronivå mekanisk provning studier 10,11,12,13,14. Den specifika utformningen som presenteras här är anpassade från en mekanisk provning anordning som används för att utföra självhäftande kontakta experiment 14. En liknande design har också använts i ett kommersiellt tillgängliga mikro-tribometer 15,16.

Figure 1
Figur 1: översikt över specialbyggda mekaniska provanordningen. (A) A datorstödd design rendering av enheten. De scenen komponenterna är markerade i grönt. Den kraft som avkänning detaljsammansättning (cantilever, Last punkt (LP)) är markerat i rött. (B), en förstorad vy av (A). LP spegeln visas i blått på ovansidan av LP under FODS och är märkt LPM. (C) det koordinatsystem som används för att beskriva rörelsen hos översättning scenen. Genom utjämning the scenen i steg 1,9 i protokollet, de Equation 1 riktning görs att sammanfalla med vektorn som är normal till ytan av LP spegeln. (D) ett schematiskt trepunkts böjande konfigurationen visar deformationen av spikul och de uppmätta förskjutningarna Equation 49 , och Equation 50 . Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Enhetens kapacitet demonstreras genom att utföra tre-punkt böjande tester på skelettet elementen i den marina svampen Euplectella aspergillum6,7. Denna svamp skelett är en församling av filament, kallas benbalkar (se figur 2A). Benbalkar är ≈50 µm tjock och består främst av kvarts 6. Biosilica-baserade benbalkar finns i svampar som hör till klasserna Demospongiae, Homoscleromorpha och Hexactinellida. Svampar, såsom E. aspergillum, som tillhör klassen Hexactinellida är även känd som ”glas svampar”. Medan benbalkar av glas svampar består främst av kvarts, har det visats att kiseldioxid ofta innehåller en organisk matris som består av antingen kollagen 17,18 eller Chitinen 19,20 , 21. detta organisk matris spelar en viktig roll i kiseldioxid biomineralization 18,20. Dessutom i vissa benbalkar fungerar organiska matrisen också som en mall för biomineralization av kalcium 22. Förutom att distribueras inom kiseldioxid, kan organiska matrisen också bilda distinkta lager att partitionerar den spikul kiseldioxid i koncentriska, cylindriska lamellerna 6,23. Det har visats att denna koncentriska, lamellär arkitektur kan påverka den benbalkar deformation beteende 6,7,8,24,25,26 . Följaktligen den benbalkar mekaniska egenskaper bestäms av en kombination av deras kemi (dvs., den kemiska strukturen av kiseldioxid-protein sammansatt) och deras arkitektur 27. Både kemiska struktur och arkitektur av glas svamp benbalkar är fortfarande under utredning 24,28,29.

De flesta av benbalkar i E. aspergillum är cementerade tillsammans att bilda en hård skelett bur. Det finns dock vid basen av skelettet en tofs av mycket länge (≈10 cm) benbalkar kallas de ankare benbalkar (se figur 2A). Vi beskriver protokollet för att utföra tre-punkt böjande tester på små delar av de ankare benbalkar.

I steg 1 i protokollet beskrivs förfarandet för montering och justering av delarna av specialbyggda mekaniska provanordningen. Steg 2 och 4 i protokollet ger anvisningar för generera kalibreringsdata som används för att beräkna krafter och förskjutningar i böjande testet. Åtgärder för att förbereda en del av en spikul och montera den till provningsfixturen beskrivs i steg 3. Proceduren för provningens bockning på avsnittet spikul beskrivs i steg 5. Slutligen, i avsnittet Representativa resultat kalibreringsdata erhålls i steg 2 och 4 används tillsammans med den böjande testdata som erhölls i steg 5 för att beräkna Equation 2 och Equation 3 .

Figure 2
Figur 2: Förfarande för snittning och inspektera E. aspergillum benbalkar. (A) skelettet av E. aspergillum. Tofs av fristående ankare benbalkar visas vid basen av skelettet. Skalstapeln är ~ 25 mm. (B) en enda ankare spikul hålls på plats på ett objektglas med en #00000 röd sobel borste och sektioneras med ett rakblad. Skalstapeln är ~ 12 mm. (C) en del av ett E. aspergillum spikul placeras över diket på prov scenen. Diket kanterna och diket ridge är markerade i kricka och orange, respektive. Spikul trycks mot diket åsen så att dess axel är vinkelrät mot diket kanterna. (D) ett Mikrograf av en spikul som passerar det inspektionsförfarande som beskrivs i steg 3,4 i protokollet, som beskriver hur du avgör om ett spikul avsnitt är skadad och ska kasseras. (E) A Mikrograf av en spikul som innehåller många sprickor och saknade stora delar av kiseldioxid lager som skulle misslyckas inspektion proceduren i steg 3,4 i protokollet. Skala barer = 250 µm (C), 100 µm (D) och 100 µm (E). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. montering och justering

  1. Välj en fribärande vars stelhet är lämpligt för det avsedda experimentet. Fäst LP av uthänget använder #4-40 socket cap skruv (SHCSs) (se figur 3 A). Var noga med att inte plastiskt deformera fribärande armarna samtidigt fästa LP.

Figure 3
figur 3: förfarande för montering av uthänget force sensor och mätning dess styvhet. (A), lasten punkt (LP) är kopplad till fribärande (C), med Last punkt spetsen (LPT) pekade uppåt. (B), av uthänget och LP detaljsammansättning bifogas fribärande plattan, betecknas som CP. Infällda fickan på fribärande plåten visas under fribärande armarna. (C), fribärande plåten fästas på undersidan av ramen så att sidan av plattan visas i (B) vänd mot den Equation 6 riktningen. De FODS Mikrometern betecknas som FM. (D), tråd kroken och kalibrering vikter används i steg 2 i protokollet visas hängande från hålet i LPT. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

  1. Applicera några droppar av 2-propanol ludd gratis bomullspinne och torka av LP spegeln. Inspektera spegeln för repor och ersätta spegeln om den är skadad.
  2. Fäst löst cantilever cantilever plattan med #6-32 SHCSs på den sida av plattan som innehåller infällda fickan med LPT pekar bort från plattan (se figur 3 B). Infoga den 1/8 " justering pins genom fribärande och plattan, dra åt skruvarna och ta bort justering stiften.
  3. Dra tillbaka FODS så mycket som möjligt genom att vrida de FODS mikrometer moturs (se figur 3 C). Löst fästa fribärande plattan till ramen med #6-32 SHCSs med LPT pekar i den Equation 4 riktningen (se figur 1). Infoga den 1/8 " justering pins genom ramen och fribärande plattan, dra åt skruvarna och ta bort justering stiften (se figur 3 C).
  4. Slå på strömmen supply och spänningen till 12.00 V i konstant spänning läge med justerskruven. Sedan slå på Spänningsutgång och bekräfta att den aktuella dragningen visas på strömförsörjningen ' s LCD skärm är ungefär 60-70 mA. Vänta minst en timme för den aktuella dragningen att nå steady-state för att minska spänning mätosäkerheten.
  5. Öppna och köra den Basic_Data programmet (se kompletterande koden filer). Vrid den FODS Mikrometern (se figur 3 C och figur 4 A) medurs för att flytta FODS mot LP spegel tills utspänningen visas i användargränssnitt grafen når ett högsta värde.
    1. Justera förstärkningen av FODS genom att vrida uppsättningen skruvar på sidan av FODS bostäder så att spänningen utdata är 5,0 V. tur de FODS Mikrometern motsols för att dra tillbaka FODS.
  6. Slå på mikroskopet Upplysaren och justera Mikroskop position och fokusera med de två manuella översättningen arrangerar så att LPT är centrerad i synfältet. Stoppa programmet Basic_Data genom att klicka på den ' stoppa ' knappen.
  7. Öppna programvaran MoCo användargränssnitt. Använd skjutreglaget potentiometer på den Equation 5 -axeln MoCo att flytta scenen till den maximalt tillåtna resan i den < img alt = ”ekvation 6” src = ”/ filer/ftp_ upload/56571/56571eq6.jpg ”/ > riktning och uppsättning utgångsläget genom att klicka på den ' hem ' knappen i användargränssnittet.
    1. Använda potentiometern reglaget på den Equation 7-axel MoCo att flytta scenen till den maximalt tillåtna resan i den Equation 8 riktning och uppsättning utgångsläget. Stänga interface användarmjukvaran.
  8. Placerar scenen på scenen bottenplattan (se figur 4) så att tips av mikrometer huvuden på utjämningen plattan vilar i de scenen bottenplattan divots. Placera ett vattenpass på tabellen isolering och justera trycket i varje tabellen ' s ben genom att vrida ventilen arm tumskruvar så att ytan är nivå.
    1. Flytta vattenpasset till toppen av scenen utjämning plattan och justera mikrometrar så att det också är nivån. Observera mikrometer positioner och avlägsna scenen från scenen bottenplattan. Obs: Protokollet kan pausas här.

Figure 4
figur 4: mekaniska provanordningen som monteras i steg 1,9 och 3.7 i protokollet. (A), prov scenen (SS), bifogas översättning scenen (TS) och är planat använder mikrometrar på scenen utjämning plattan (SLP), som sitter på scenen bottenplattan (SBP). Skede bottenplattan fästas till den optiska bakbord i tabellen isolering. Fribärande (C). fribärande plåt (KP); och fiber optic deplacement sensor (FODS) komponera den kraft som avkänner systemet. (B), lasten punkt (LP) är kopplad till fribärande och Last punkt spetsen (LPT) är placerad över spikul på prov scenen. Under ett böjande test mäts förskjutningen av LP med hjälp av FODS. Inledande avståndet mellan FODS och LP spegeln styrs av de FODS mikrometer (FM) visas i (A). (C) en Mikrograf av den spikul om över diket i provet scenen, placerad under LPT. Skalstapeln = 250 µm (C). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

2. fribärande stelhet mätning

  1. kör Basic_Data programmet och tur i FODS mikrometer medurs tills utspänningen är cirka 4 V. Stop programmet genom att klicka på den ' stoppa ' knappen.
  2. Mäta massan av tråd krok och kalibrering vikter med en Analysvåg.
  3. Öppna programmet Cantilever_Calibration (se kompletterande koden filer) och ange önskat filnamn för force calibrering utdatafilen i textrutan i användargränssnittet.
  4. Kör programmet Cantilever_Calibration och klicka på ' OK ' När du uppmanas att ange massan av den första vikten för kalibrering. Vänta på den tillverkade spänningen visas i figuren användargränssnittet att stoppa pendlande och klicka på gröna ' stabiliserad spänning ' knappen för att ta en spänningsmätning.
  5. Använd pincett att hänga kabeln krok från hålet i LPT så att kroken är vänd bort från Mikroskop målet (se figur 3 D). Använda pincetten i fuktigt vibrationen av uthänget orsakas genom tillsats av kroken.
    1. Ange massan av kroken i gram i dialogrutan och klicka på ' OK '. Liksom i föregående steg, vänta på utspänningen att stoppa pendlande innan du klickar på den ' stabiliserad spänning ' knappen.
  6. Använda pincett för att hänga den första vikten på linan krok och upprepa processen att ta en spänningsmätning som beskrivs i föregående steg. Upprepa detta steg tills alla kalibrering vikterna har hängt eller den tillverkade spänningen är mindre än 1,8 V. Vid denna punkt, klicka ' avbryta ' i dialogrutan om du vill avsluta programmet Cantilever_Calibration.
  7. Slå de FODS Mikrometern motsols för att dra tillbaka FODS. Ta försiktigt bort de krok och vikter från LPT.
    Obs: Kraft kalibrering utdatafilen är en tabbavgränsad lista av den kraft som kalibrering massorna, medelvärdet av 100 FODS utgång spänning avläsningar och standardavvikelsen för de avläsningarna. I Representativa resultat beskrivs hur denna datafil bearbetas för att mäta fribärande styvheten.

3. Prov förberedelse

  1. slitage nitril handskar vid hantering av E. aspergillum svamp skelett och lagra skelett i förseglade behållare när de inte hanteras.
    Varning: Eftersom benbalkar består främst av kvarts, trasiga spikul fragment är vassa och kan bli inbäddad i huden, vilket leder till retning.
  2. Använder ett par pincett för att förstå ett ankare spikul vid dess distala änden och dra bort det från skelettet (se figur 2 A). Placera spikul på ett rent objektglas.
  3. Håll spikul mot bilden nära mittpunkten längs dess längd med en #00000 röd sobel borste. Skär ett ≈ 4 mm avsnitt i spikul genom att trycka ett rakblad mot spikul på vardera sidan av borsten vinkelrätt till bild ytan (se figur 2 B). Kassera avsnitten stora distala och proximala spikul och hålla den ≈ avsnitt 4 mm.
  4. Inspektera i 4 mm spikul avsnittet använda ett polariserat ljusmikroskop vid 10 x förstoring (se figur 2 C-E). Ta bort avsnittet spikul och återgå till steg 3.2 om det saknas stora regioner av kiseldioxid lager (se figur 2 E). Hantera inspekterade spikul sektioner uteslutande med #00000 röd sobel borsten för att undvika att införa någon ny skada till sin kiseldioxid lager.
  5. Rengör spikul fragment eller andra partiklar från ytan av provet scenen med en borste eller tryckluft. Sedan applicera några droppar av 2-propanol ludd gratis bomullspinne och torka prov scenen. Undvik kontakt med områden av scenen belagd med icke-reflekterande färg. Obs: Färgen används för att minska antalet speglande reflektioner i bilder tagna under det böjande test
  6. Överföra avsnittet spikul på prov-scenen. Placera avsnittet spikul över diket med önskad spannet för bockning test och tryck den försiktigt den Equation 10 riktningen mot diket åsen. Se till att spikul är vinkelrät mot diket kanterna (se figur 2 C).
  7. Placerar scenen på scenen bottenplattan så att spetsarna på Mikrometern spindlarna vila i de scenen bottenplattan divots. Justera vid behov mikrometrar på scenen utjämning plattan till de värden som antecknade i steg 1,9 protokollet.

4. Spänning-deplacement Interpolation fil

  1. Öppna programmet Bending_Test (se kompletterande koden filer). Ange den ' steg storlek ' till 2 µm, ' maximala förskjutningen ' till 0,5 mm, ' låg spänning stop ' till 1,5 V, och ' högspänning stop ' 4.6 V använda textrutorna visas i användargränssnittet.
    1. Välj önskad bild och data kataloger och utdatafilen namnet med texten lådor i användargränssnittet. Ange den ' Spara bilder ' växla i användargränssnittet till nedfällt och klicka på knappen grön rektangulär under orden ' spänningsskillnad ' så att det blir upplyst.
  2. Kör programmet Bending_Test och vänta för de motor controller och kamera gränssnitt initieras.
  3. Slå på belysningen och justera ljusstyrkan så att LPT är synlig. Vrid den FODS Mikrometern medurs tills utgångsspänningen visas i figuren användargränssnittet är ~1.7 V.
    1. Använda potentiometern reglaget på den Equation 5-axis MoCo att flytta scenen den Equation 1 riktningen tills Det är ~ 1 cm under LPT och set i Equation 5-axel hem position genom att klicka på den " hem " knappen.
  4. Använd potentiometer reglagen på den Equation 7- och Equation 11-axel MoCo´s att placera LPT mitt över den tunna stål remsan ligger på prov scenen i den Equation 12 riktningen från diket. Använd skjutreglaget potentiometer på den Equation 5-axis MoCo att flytta scenen den Equation 1 riktningen tills scenen är inom Mikroskop ' s synfält.
  5. Använd skjutreglaget potentiometer på den Equation 5-axel MoCo att flytta scenen den Equation 1 riktningen medan Titta på grafen output spänning i användargränssnittet. Bestämma den ungefärliga platsen där LPT kontakter scenen ' s yta av letar efter en förändring i spänning med ytterligare förflyttning av scenen. Återkalla den etapp ca 10 µm.
  6. Klicka på knappen märkt " Begin Test ". När du uppmanas ange värden av 0,003 V och 0,001 mm för ' touch känslighet ' och ' tryck bort stegstorlek ' respektive. Vänta på testet för att slutföra.
    Obs: Efter denna punkt ta inte scenen från scenen bottenplattan tills böjande testet är klar för att säkerställa korrekt deplacement mätningar. Spänning-deplacement interpolation utdatafilen är en tabbavgränsad lista över medelvärdet av 100 FODS utgång spänning avläsningar och standardavvikelsen för de avläsningarna längs med den Equation 5- Axis scenen position vid varje skede deplacement increment. I Representativa resultat beskrivs hur den här datafilen används för att konvertera uppmätta FODS utspänningar till LP förskjutningar.

5. Bockning Test

  1. öppen och springa den Basic_Data program och vrid den FODS Mikrometern moturs tills utspänningen visas i användargränssnitt grafen är cirka 3 V. Använd skjutreglaget potentiometer på den < img Alt = ”ekvation 7” src="//cloudfront.jove.com/files/ftp_upload/56571/56571eq7.jpg” / > -axel MoCo att placera LPT mellan dike kanterna ovan spikul (se figur 4 C).
    1. Använda potentiometern reglaget på den Equation 5-axis MoCo att flytta scenen den Equation 1 riktningen tills LPT understiger den övre ytan av diket åsen (se figur 5 A). Slutligen, Använd reglaget potentiometer på den Equation 11-axel MoCo att föra den främre ytan av diket åsen i fokus så att hela bredden på LP är mellan kanterna på den diket ridge. Stoppa programmet Basic_Data genom att klicka på den ' stoppa ' knappen.
  2. Öppna och köra programmet Center_LoadPoint (se kompletterande Code file). Användning av Equation 7-axel MoCo att flytta scenen tills LPT är nästan i kontakt med rätt diket kanten. Klicka på den " hitta kanten " knappen.
  3. När du uppmanas använda den Equation 7-axel MoCo att flytta scenen tills LPT är nästan i kontakt med den vänstra dike kanten. Klicka på den " hitta kanten " knappen. Vänta tills programmet att placera den LPT halvvägs över diket spannet (se figur 5 B).
    Obs: Efter denna punkt är det viktigt att inte justera den Equation 7-axel MoCo eftersom detta kommer att resultera i en feljustering av LPT.
  4. Öppna programmet Bending_Test. Ställa in storleken steg till 2 µm, maximala förskjutningen till 0,5 mm, låg spänning stopp till 1,5 V och högspänning stopp till 4,5 V använda textrutorna i användargränssnittet.
    1. Välj önskad bild och data kataloger och utdatafilen namnet med texten lådor i användargränssnittet. Ange den ' Spara bilder ' växla i användargränssnittet till uppfällt läge och klicka på knappen grön rektangulär under ord ' spänningsskillnad ' så att det inte är upplyst.
  5. Kör programmet Bending_Test och vänta för de motor controller och kamera gränssnitt initieras.
  6. Flytta stadiet den Equation 1 riktning med skjutreglaget potentiometer på motor handkontrollen tills spikul är inom Mikroskop ' s synfält. Använd skjutreglaget potentiometer på den Equation 11 -axeln MoCo att flytta scenen tills spikul är under LPT.
    1. Justera Mikroskop fokus vreden så att spikul är i fokus i användarens gränssnitt (se figur 4 C). Vrid den FODS Mikrometern moturs tills utspänningen är cirka 1,8 V.
  7. Använd skjutreglaget potentiometer på z-axeln motor controller för att flytta scenen i den Equation 1 riktningen medan du tittar på output voltage grafen i användargränssnittet. Bestämma den ungefärliga platsen där LPT kontakter spikul av letar efter en förändring i spänning med ytterligare förflyttning av scenen. Återkalla den scenen cirka 50 µm.
  8. Klicka " Begin Test " och vänta tills böjande testet är klart och scenen återgår till den Equation 5-hem Axelposition.
    Obs: Scenen flyttas i steg om 2 µm (som är föreskriven i steg 5,4 av protokollet) i den Equation 1 riktningen, böjning av spikul (se Figur 5 C) tills ett av flera stopp villkor uppfylls. Stoppa villkoren är: en) maximal scenen förskjutningen av 0,5 mm nås; (b) de spikul rasterna och programmet upptäcker en stor droppe i FODS utspänningen; eller c) hög spänning gränsen 4.5 V nås. För att stoppa skick (a), uppmanas användaren om de vill avsluta testet eller åsidosätta tidigare värde. När ' åsidosätta ' är valt, kommer användaren ha möjlighet att antingen öka gränsen för förskjutning på scenen eller vända riktning steget scenen förskjutning för att kunna fortsätta att samla in uppgifter som spikul är oladdat. Skede deplacement increment riktning kan också ändras genom att klicka på den " omvänd laddar " knappen när som helst under provningen. Böjande test utdatafilen har samma struktur som spänning-deplacement interpolation utdatafilen genereras i steg 4,6 i protokollet. Är det en tabbavgränsad lista över medelvärdet av 100 FODS utgång spänning avläsningar och standardavvikelsen för de avläsningarna längs med den Equation 5-axelpositionen scenen i varje skede deplacement increment. I Representativa resultat beskrivs hur den här datafilen används tillsammans med spänning-deplacement interpolation filen för att beräkna den fribärande förskjutningar och scenen förskjutningar under böjande testet. Därefter, fribärande styvheten används för att beräkna den kraft som LPT på spikul.
  9. Efter att testet är komplett, vrid den FODS Mikrometern moturs tills FODS är minst 5 mm från LPT spegeln. Sedan, ta försiktigt bort scenen från scenen bottenplattan.

Figure 5
figur 5: förfarandet för att justera LPT med diket ' s mitten av span och utför en böjande test. (A) The LPT är placerad nedanför den övre ytan av diket åsen i slutet av steg 5.1 i protokollet, men det ännu inte är placerad i mitten av spannet. (B), positionen för LPT efter den centrering förfarande som beskrivs i steg 5.2 och 5.3 i protokollet är slutförda. (C) en Mikrograf av en spikul som görs under det böjande testet. Förskjutningen av spikul tvärsnitt under LPT, Equation 14, markeras schematiskt. Skala barer = 250 µm (A-C). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Mest grundläggande utgångarna av några mekaniska test är omfattningen av den kraft som anbringas på preparatet och förskjutningen på den plats där kraften appliceras. När det gäller ett trepunkts böjande test, målet är att få omfattningen av den kraft som LPT, Equation 13 , och förskjutningen av preparatets tvärsnitt under LPT i den Equation 4 riktning, Equation 14 . Dock för mekaniska provanordningen beskrivs här, flera efterbehandling steg måste utföras för att omvandla utdata från steg 2, 4 och 5 i protokollet till detta önskas Equation 13 - Equation 14 data. De datafiler som erhållits från trepunkts böjande testet är: 1) spänning-deplacement interpolation filen; (2) kraft kalibrering filen; och 3) den böjande testfilen. En sammanfattning av de uppmätta och härledda kvantiteterna visas i tabell 1.

Symbol Definition
Nh Antalet spänning värden i utdatafilen spänning-deplacement interpolation
Vh Mätspänning värden i steg 4 i protokollet
ΣVh Standardavvikelsen för Vh
zsh Mätt scenen position i steg 4 i protokollet
Nc Antal kraft mätningar i utdatafilen kraft kalibrering
Fc Kraft som kalibrering vikter i steg 2 i protokollet
Vc Mätspänning värden i steg 2 i protokollet
ΣVc Standardavvikelsen för Vc
zlc Ställning av LP i steg 2 i protokollen som beräknats med hjälp av Vh och Vc
wlc Förskjutning av LP i steg 2 i protokollen som beräknats från zlc
Nt Kraft- och förskjutningsanordningar mätningar i test böjande utdatafilen
zst Placeringen av scenen i steg 5 i protokollet
wst Förskjutning av scenen i steg 5 i protokollet
Vt Mätspänning värden i steg 5 i protokollet
ΣVt Standardavvikelsen för Vt
zlt Ställning av LP i steg 5 i protokollet beräknats med hjälp av Vh och Vt
wlt Förskjutning av LP i steg 5 i protokollet har beräknats utifrån zlt
F Kraft som LP i steg 5 i protokollet har beräknats utifrån zlt
w0 Förskjutningen av den spikul tvärsnitt enligt LP i steg 5 i protokollet

Tabell 1: Sammanfattning av symboler som används för kvantiteter mätt i steg 2, 4 och 5 i protokollet och beräknas i avsnittet representativt resultat.

Syftet med spänning-deplacement interpolation filen är att relatera uppmätta FODS utspänningar till LPT förskjutningar. Detta görs genom strikt koppling LPT till översättning scenen så det som scenen flyttas den Equation 1 riktning, förändringen i den Equation 5 -axelpositionen scenen är lika till LPT förskjutningen (steg 4 i protokollet). Spänning-deplacement interpolation filen innehåller en uppsättning punkter Equation 15 , där Equation 16 är Genomsnittligt FODS utspänning tagit över 100 mätningar vid en samplingsfrekvens på 1000 Hz, Equation 17 är associerade standardavvikelsen för 100 spänningen mätningar, Equation 18 är den Equation 5 -axelpositionen scenen och Equation 19 är numret etappen deplacement steg (se figur 6 B).

Filen kraft kalibrering tillåter fribärande stelhet värderas så att LP förskjutningar kan användas för att beräkna omfattningen av den kraft som LP. Kraft kalibrering filen innehåller en uppsättning punkter Equation 20 , där Equation 21 är Genomsnittligt FODS utspänning tagit över 100 mätningar vid en samplingsfrekvens på 1000 Hz, Equation 22 är den associera standardavvikelsen av 100 spänningsmätningar, Equation 23 är den kraft som utövas av vikter på LPT-, och Equation 24 är antalet kalibrering vikter används. Observera att det finns två fler punkter än det finns kalibrering vikter eftersom den första punkten mäts för noll tillämpas kraft och den andra punkten för kraften som utövas av tråd kroken ensam.

Slutligen, böjande testfilen används för att beräkna Equation 14 och Equation 13 . Den innehåller en uppsättning punkter Equation 25 , där Equation 26 är Genomsnittligt FODS utspänning tagit över 100 mätningar vid en samplingsfrekvens på 1000 Hz, Equation 27 är associerade standardavvikelsen för de 100 spänningsmätningar, Equation 28 är den Equation 5 -axelpositionen scenen och Equation 29 är antar av scenen deplacement steg under böjande testet.

Första, den Equation 5 komponent av den LPT ställning under kraft kalibreringen, Equation 30 , hittas med hjälp av uppsättningen Equation 31 att mappa Equation 21 värden till Equation 32 värden via linjär interpolation. Den Equation 5 komponent i LPT förskjutningen ges av Equation 33 , Equation 34 . Eftersom de LPT förskjutningarna är små jämfört med längden av uthänget, förhållandet mellan Equation 23 och Equation 35 verkar vara linjär. Därför, fribärande styvheten kan beräknas genom att montera en linje till den Equation 36 data och computing sluttningen, Equation 37 . En representativ uppsättning punkter Equation 36 och dess motsvarande monterade rad visas i figur 6A. Styvheten av uthänget används i böjande experimenten var 90,6 ± 0,3 N/m.

Figure 6
Figur 6: representativa resultat av det tre-punkt böjande test (A) kraft och deplacement data (grå) erhölls i steg 2 i protokollet tillsammans med linjär passformen (blå) används för uppskattning av uthänget styvhet. (B) representativa exempel på de uppgifter som finns inom spänning-deplacement interpolation utdatafilen. För en uppmätt FODS utspänning, Equation 51 , placeringen av scenen, Equation 52 , kan erhållas via linjär interpolation. Detta används för att mäta den fribärande förskjutningen, Equation 50 , under böjning testa. (C) representativ kraft-deplacement svar av 3 olika E. aspergillum ankare benbalkar från framgångsrika trepunkts böjande tester. (D) ett kraft-deplacement svar från ett misslyckat trepunkts böjande test. Olinjäritet av kurvan tyder på att spikul var inte ordentligt sittande på prov scenen och gled eller ny inriktning efter första kontakten gjordes med LPT. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Nästa, den Equation 5 komponent av den LPT ställning under det böjande testet, Equation 38 , hittas med hjälp av uppsättningen Equation 31 att mappa Equation 26 värden till Equation 39 värden via linjär interpolation. Den Equation 5 komponent i LPT förskjutningen under böjande provet ges av Equation 40 , Equation 41 . Den Equation 5 komponent i scenen förskjutningen under böjande provet ges av Equation 42 .

Eftersom LPT och spikul i kontakt under hela böjande testets spikul förskjutningen, Equation 43 ges av

Equation 44(1)

och den kraft som LPT, Equation 45 , är

Equation 46(2)

Det är viktigt att notera att sedan uppsättningen Equation 31 används för att erhålla både Equation 32 och Equation 39 värden via interpolation, värden för den Equation 47 och Equation 26 måste vara inom spänna av Equation 16 . Detta säkerställs genom att ange lämpliga värden för start spänningen och högspänning stop i steg 2, 4 och 5 i protokollet.

Figur 6 C visar kraft-deplacement kurvor för tre representativa benbalkar. För slanka, linjära elastiska strukturer som lastat i tre-punkt böjning, Equation 13 förväntas öka linjärt med Equation 14 för små värden på Equation 14 30. Olinjäritet av den Equation 13 - Equation 14 kurva för små Equation 14 (t.ex., se figur 6D) vanligtvis tyder på att spikul inte kan sitta korrekt på prov scenen. I detta fall provet avbrytas och spikul flyttas på prov scenen (steg 3.6 i protokollet).

För att säkerställa tillräcklig noggrannhet av den Equation 13 och Equation 14 mätningar, den totala spänning förändringen under loppet av det böjande testet, Equation 48 , bör vara minst 1 V. Om den totala spänning förändringen är mindre än 1 V, bör en mer kompatibel fribärande sevalda.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Flera steg i protokollet är särskilt viktiga för att säkerställa att krafter och förskjutningar mäts noggrant. Vissa av dessa kritiska steg är universella för alla tre-punkt böjande tester, är andra unika för denna mekaniska provanordningen.

I steg 1.2 i protokollet LP spegeln är och inspekteras för repor, och steg 1,6 i protokollet är FODS känsligheten inställd. Det är viktigt för förstärkningen och LP spegel reflektansen vara konstant för steg 2, 4och 5 i protokollet. Därför bör två kalibreringsstegen (steg 2 och 4 i protokollet) utföras omedelbart före bockning provet (steg 5 i protokollet).

I steg 1,9 och 3.7 i protokollet är scenen planat med avseende på ytan av tabellen isolering. Dessa åtgärder säkerställa att Equation 2 är komponenten i kraft vinkelrätt mot den spikul längdaxel. Ramen för mekaniska provanordningen tillverkas så att den fribärande, LP spegel och ytan av FODS är alla parallellt med ytan av tabellen isolering. Detta innebär att kraft sensorn mäter komponenten av kraft och förskjutning normalt att isolering bordsytan. Om toppen av scenen är feljusterade genom en vinkel Equation 53 med avseende på ytbehandla av tabellen isolering, då uppmätta förskjutningen av LPT blir Equation 55 , där Equation 54 är den faktiska förskjutningen i riktning vinkelrätt mot den spikuls längsgående axel (se figur 7). Eftersom Equation 56 , detta resulterar i en över Prediktion av tillämpad krafter och under förutsägelse av spikul förskjutningar per ekvationer (1) och (2).

Figure 7
Figur 7: effekten av scenen utjämning på deplacement mätningar. (A), scenen är lutad i en vinkel, Equation 53 , med avseende på ytan av tabellen isolering och bottenytan av uthänget. (B) förskjutningen av LP i vertikal riktning, Equation 50 (se figur 1 D), mäts genom FODS. Komponenten i LP förskjutningen i riktning vinkelrät mot den spikul är Equation 54 . Klicka här för att se en större version av denna siffra.

I steg 5.1- placerad5.3 av protokollet LPT är mitten av vägen över dikets span. Snedställning av LPT med avseende på mitten av spannet kommer att resultera i preparatet som förekommer styvare än den faktiskt är 31,32. Det vill säga blir den spikul förskjutning mindre än den som skulle mätas om samma kraft tillämpades på mitten av spannet. Denna typ av snedställning kan undvikas genom att inte ta bort scenen från scenen bottenplattan eller justera x-axel skede ställning efter centrering förfarandet är komplett (steg 5.1-5.3 i protokollet).

En begränsning med denna metod är att för att minska den relativa mätosäkerheten av kraft- och förskjutningsanordningar mätningar, fribärande styvheten bör väljas så att de FODS utspänningar spänner full över 1,8 till 4,5 V under böjning test. Dock motsvarar detta spänningsområde en fribärande förskjutning av ungefärligt ≈250 µm, vilket är ungefär samma som spikul förskjutningen precis innan det misslyckas (se figur 6 (C)). Detta innebär att fribärande och spikul har liknande stiffnesses. Medan detta inte är problematiska för att mäta elastisk svar och hållfasthet av benbalkar, utesluter det korrekt mätning av den benbalkar seghet boenden. Detta beror på att för att säkerställa korrekt mätning av seghet boenden, en spricka i spikul måste propagera i ett kontrollerat sätt 33. Vanligtvis, detta är endast möjligt om provanordningen är mycket styvare än de specimen 33. För att öka styvheten i provanordningen, kan en känsligare deplacement-sensor användas i stället för FODS.

Medan bockning testprotokollet demonstreras på E. aspergillum benbalkar, kan mekaniska provanordningen användas för att utföra trepunkts böjande tester på andra LBBSs och syntetiska material samt. Denna mekaniska provanordningen är lämpligast för exemplar vars tvärsnittsdata diametrar från 0,01 till 1 mm och för diket spänner allt från 1 till 10 mm. För större diametrar, bör provet scenen omformas så att preparatet inte kan rulla över scenen. Detta är inte en fråga för mindre fibrer, som benbalkar, eftersom ojämnheter på scenens yta är tillräckligt för att förhindra preparatet från rullande. Radierna av diket kanterna och LPT bör också göras större för att undvika att införa lokala skador vid de punkter där förlagan är stöds 31,32. Dessutom scenen utjämning plattan ska fästas på scenen bottenplattan (se figur 4A) med ¼ ”-20 socket cap skruv efter steg 3,7 i protokollet mot tippning etapp om krafter överskrider ≈1 N.

För korrekt kraft och deplacement mätning bör Uthängets stelhet alltid mycket mindre än ramens styvhet (≈107 N/m). Detta krav begränsar den maximala kraft som kan användas av den här enheten till ≈25 N. Därför är det viktigt att uppskatta den högsta kraft som ett provexemplar tål innan du utför ett böjande test för att avgöra om denna enhet kan användas för att utföra testet.

Detta arbete ger protokoll, tekniska ritningar (se kompletterande fil 1) och programvara (se kompletterande koden filer) för återgivning och använda vår mekaniska provanordningen. Detta kommer förhoppningsvis ge en plattform för att exakt mäta böjhållfasthet beteendet hos många olika LBBSs. Dessa mätningar är en förutsättning för att utveckla en djupare förståelse i förhållandet mellan en LBBS arkitektur och dess mekaniska egenskaper.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Författarna har något att avslöja.

Acknowledgments

Detta arbete stöds av National Science Foundation [materialmekanik och strukturer Program, tilldela 1562656]; och American 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

Bioteknik fråga 128 mekaniska karakterisering mekaniska egenskaper trepunkts bockning fribärande kraftsensor strukturella biologiskt material fiber optic deplacement sensor test biosilica fiber Euplectella aspergillum spikul
En Millimeter skala böjhållfasthet testsystem för att mäta de mekaniska egenskaperna hos marina svampen benbalkar
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