Çok katmanlı Balık Ölçekler (Of Karakterizasyonu Atractosteus spatula) Nanoindentation, X-ray CT, FTIR ve SEM kullanma
10 Temmuz 2014
Bu kağıt mekansal ilişkili kimyasal, yapısal ve nanoindentation kullanarak Atractosteus spatula katmanlı ölçeği (A. spatula) mekanik özelliklerinin incelenmesi için kullanılan yöntemler sunar, Fourier dönüşümü kızılötesi (FTIR) spektroskopisi, taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve X- ışını tomografi (X-ışını BT) bilgisayarlı. Deney sonuçları, koruyucu, biyolojik malzemelerin tasarım ilkelerini araştırmak için kullanılmıştır.
Bu prosedürün genel amacı, x-ışını bilgisayarlı tomografi, dönüşüm kızılötesi spektroskopiniz için nano girinti ve enerji dağıtıcı X-ışını spektroskopisi ile birleştirilmiş taramalı elektron mikroskobu gerçekleştirerek çok katmanlı mineralize balık pullarının yapısını, kimyasını ve mekanik özelliklerini belirlemektir. Bu, önce yumuşak dokunun teraziden çıkarılması, terazilerin monte edilmesi ve bölümlere ayrılması ve ardından kademeli cilalama yapılması suretiyle analiz için ayrı ayrı terazilerin hazırlanmasıyla gerçekleştirilir. İkinci adım, yerel nano mekanik özellikleri belirlemek için ölçeğin enine kesiti boyunca bir elmas percovich ucu ile uzamsal olarak ilişkili nano girinti yapmaktır.
Daha sonra, iç ve dış balık pulu katmanları, ilgili katmanlardaki ana fonksiyonel grupları belirlemek için bir FTIR mikroskobu ile incelenir. Son adım, yerel kimyasal bileşimi balık pullarında yapılan nano girintilerle ilişkilendirmek ve farklı katmanlardaki ve kırılma yüzeylerindeki girintilerin görüntülerini yakalamak için taramalı elektron mikroskobu üzerindeki EDX dedektörünü kullanmaktır. Sonuç olarak, bu çeşitli deneysel teknikleri birleştirerek, mineralize balık pullarının doğal tasarım ilkeleri, yapı özellik ilişkilerinin anlaşılması yoluyla aydınlatılmaktadır.
Bu tekniğin, toplu istatistiksel nano girinti gibi diğer mevcut test yöntemlerine göre temel avantajı, kimyasal bileşim yapısı ile yerel mekanik özellikler arasında gerçekten doğrudan bir korelasyon sağlamasıdır. Bununla birlikte, ilgi alanlarında, bu yöntemi gerçekten yapısal biyomalzemelerdeki mekansal dağılımı ve kimyasal bileşim yapısını ve mekanik özelliklerini incelemek için uyguladık. Aynı zamanda çimento esaslı malzemeler, çok fazlı kompozitler ve mikrometre ve nanometre uzunluk ölçeğinde bu heterojenliği sergileyen her türlü heterojen malzeme dahil olmak üzere birçok uygulamaya sahiptir.
Bir balık pulu kısa ekseninin enine bir kesitini incelemek için, epoksiye monte ederken numuneyi doğru şekilde yönlendirmek için piyasada bulunan plastik bir numune tutucu kullanarak balık pulunu 32 milimetre çapında bir numune kalıbında tutun. Numune kalıpta tutulduktan sonra, numunenin üzerine kürlenmemiş bir epoksi dökün. Epoksinin üreticinin talimatlarına göre kürlenmesine izin verdikten sonra, monte edilmiş numuneyi, numunenin orta hattında elmas bıçaklı yüksek hassasiyetli bir kesme testeresi kullanarak bölümlere ayırın.
Numune nanoya yüklendikten ve dent enter'a girdikten sonra, numuneyi ilk girinti konumuna taşımak için yazılım kontrollerini kullanın, bu konumdan başlayarak istatistiksel olarak anlamlı bir veri kümesi elde etmek için 15 mikrometre aralıklarla dört paralel girinti sırası gerçekleştirin. Ardından nano girintiyi saniyede 0,1 milinewton maksimum beş milinewton yükleme ve boşaltma hızına, 30 saniyelik bir tam süreye ve her sıra için minimum beş mikrometrelik bir girinti aralığına ayarlayın. Parti tamamlandığında, nano girintinin yarısı, sırasıyla anoe tabakasından önce ve kemik tabakasından sonra epokside olması gereken ilk ve son girintide maksimum 100 milinewton yük ile referans girintileri oluşturur.
Nano girintiden sonra, daha fazla dehidrasyonu önlemek için numuneyi PBS çözeltisine geri yerleştirin. Numuneyi, en uzun boyut dedektöre paralel olacak şekilde sağlam bir şekilde monte edin. Tarayıcıyı kurduktan sonra, strafor ve paraform gibi x-ışınlarına karşı şeffaf olan malzemeler kullanarak monte edilmiş numuneyi tarayıcı aşamasına sabitleyin.
Numuneyi dönme merkezinde olacak şekilde konumlandırın. Tarama boyunca, tüm ölçeğin görüş alanında olmasına izin veren en yüksek çözünürlüğü seçin, bu durumda 7,5 mikrometredir. Veri toplamanın ardından, kesitsel görüntüler içeren bir veri seti oluşturmak için x-ışını projeksiyon görüntülerini yeniden oluşturun.
Ardından, son 3D gri tonlamalı görüntüyü elde etmek için yazılımı kullanın. Artefaktları strafor ve paraformdan çıkarmak için gri tonlama aralığını uygun bir seviyeye ayarlayın Cilalı numune üzerindeki nano girintilerin SEM veya taramalı elektron mikroskobu görüntülemesi için, numuneyi, girintili yüzey yukarı bakacak şekilde çift taraflı karbon bant kullanarak bir SEM saplamasına yapıştırın. Ardından, numuneyi SEM odasına yerleştirin ve odayı düşük vakum moduna pompalayın.
Çalışma mesafesini 3.0 ile 5.0 milimetre arasında ayarlayın. Yüksek voltajı etkinleştirin ve numune üzerindeki ilgili bölgelere gidin, bu durumda anoe ve kemik katmanlarında bulunan yapılardır. Daha sonra beş kilovolt ile 15 kilovolt arasında yüksek voltaj ve 3.9 nano amperlik daha düşük bir ışın akımında görüntüler elde edin.
Çözünürlüğü artırmak için, biyomineral içeriği ve yoğunluğundaki değişikliklerin tanımlanmasına yardımcı olmak için düşük vakumlu geri saçılmalı elektron BSE dedektörünü kullanarak 250 x ila 10.000 x büyütmelerde en az üç ilgi alanından görüntüler yakalayın. Bunu takiben, cilalı numune üzerinde, her bir girinti satırının sonunda referans işaretleriyle gösterilen bir nano girinti ızgarası içeren bir ilgi alanına gidin. Yüksek voltajın en az 15 kilovolt olduğundan emin olun.
Işın akımı en az 3.9 nano amperdir ve çalışma mesafesi 5.0 milimetreden fazladır. Ardından, EDX kullanılarak analiz edilecek bölgenin geri saçılan elektron görüntüsünü yakalayın. EDX analiz yazılımını kullanma.
Girinti çizgisi boyunca kimyasal analiz yapmak üzere alanların bulunmasına yardımcı olması için aynı görüntüyü yakalayın. Ardından, çizgi analizi tekniğini kullanarak, ilk girintiden başlayıp son girintide biten girintilerin ilgi çizgisi boyunca kimyasal analiz yapmak için bir çizgi konumlandırın. Kimyasal bileşim ve mekanik özellikler arasında doğrudan bir uzamsal korelasyon sağlamak için mevcut girinti sayısıyla aynı sayıyı kullanarak çizgi boyunca yerleştirilecek analiz noktalarının sayısını belirtin.
Çizginin konumlandırılması ve noktaların doğru bir şekilde belirtilmesi. Hat analizinin tamamlanmasının ardından EDX yazılımını kullanarak hat analizini başlatın. Numunenin cilalı yüzeyi üzerinde belirtilen çizgi boyunca elde edilen nokta spektrumlarından ölçülecek ilgili unsurları belirleyin.
İlgilenilen unsurlar belirlendikten sonra, brem samanı akciğer radyasyonu ve diğer etkileri hesaba katmak için bir arka plan kalibrasyonu yapın. Her noktadaki kimyasal bileşimi ölçmek için belirtilen çizgi boyunca her noktada kantitatif analiz elde etmek için yazılımın evrişim analizi seçeneğini seçin. Son olarak, kantitatif kimyasal analiz sonuçlarını, anoe katmanında nano girinti kullanılarak ölçülen mekanik özelliklerle uzamsal korelasyona yardımcı olmak için analiz edilen belirtilen çizginin görüntüsü ile birlikte kaydedin, nano girinti, ortalama 69.0 giga paskal modülü ve 3.3 giga Paskal sertlik hesapladı.
Nano sözleşme, kemik tabakası için ortalama 14.3 giga paskal modülü ve 0.5 giga paskal sertlik belirledi. Anoe ve kemik tabakası, kimyasal bileşimde ölçülebilir farklılıklar içerir. Kemik tabakasındaki karbon artışı, düşük mineralizasyona bağlanabilir, bu da karbon artışına ve BSE görüntü parlaklığında bir azalmaya neden olur, kemik ve ENE tabakalarının FTIR Spektrumları, dış gwe tabakasında hidroksiapatit imzaları ve iç kemik tabakasında kollajen imzaları gösterir.
X-ışını bilgisayarlı tomografi, pulların üst üste geldiği kemik tabakasını gwe tabakasının örtmediğini gösterir. Daha parlak gri gwe katmanları daha yoğun, daha sert ve daha sertken, daha koyu gri kemik katmanları daha az yoğun ve daha az serttir. Ging tabakası merkezinin yakınında açık çukurlar gözlenir, bu da düzensizliğini gösterir.
Kazınmış kırılma yüzeyinin daha düşük büyütmeli SEM görüntüsü, FTIR daha yüksek büyütmeli SEM ile ilişkili olan ging tabakası için katmanlı bir desende düzenlenmiş nanoyapıları ortaya çıkardı, kazınmış kırık yüzeyinin görüntüleri, ging tabakasında yönlendirilmiş nano çubuklar gösterirken, kemik tabakasında lif benzeri bir nanoyapı gözlendi Geliştirildikten sonra. Bu teknik, kimyasal bileşim yapısının ve mekanik özelliklerinin mekansal dağılımını incelemek ve ayrıca çok fazlı kompozit malzemelerdeki arayüzlere bakmak için biyomalzemeler ve kompozit malzemeler üzerinde ek araştırmaların yolunu açtı. Pekala, bu videoyu izledikten sonra, yapısal biyomalzemelerde kimyasal bileşimi yapı ve mekanik özelliklerle mekansal olarak ilişkilendirmek için numunelerin nasıl hazırlanacağını ve analizlerin nasıl yapılacağını iyi anlamış olmalısınız.
Bu teknikler aynı zamanda diğer heterojen çok fazlı malzeme türlerini incelemek için de uygulanabilir ve uyarlanabilir.
Genel Bakış
Bu çalışma, gelişmiş görüntüleme ve mekanik test teknikleri kullanarak çok katmanlı balık pullarının yapısını, kimyasını ve mekanik özelliklerini araştırmaktadır. Nanoindentasyon, FTIR spektroskopisi ve X-ışını bilgisayarlı tomografisi gibi yöntemler kullanarak, araştırma bu biyolojik malzemelerin tasarım ilkelerini açıklamaktadır.
Çalışmanın Temel Bileşenleri
Bilim Alanı
- Sinirbilim
- Biyomalzemeler
- Mekanik Özellikler
Arka Plan
- Balık pulları karmaşık çok katmanlı yapılar sergiler.
- Bu yapıların özelliklerini anlamak, biyomimetik malzeme tasarımına bilgi sağlayabilir.
- Mevcut yöntemler genellikle yapı ile özellikler arasındaki uzamsal korelasyonu eksiktir.
- Bu çalışma, gelişmiş teknikler kullanarak bu boşluğu doldurmayı amaçlamaktadır.
Çalışmanın Amacı
- Balık pullarının uzamsal olarak ilişkili özelliklerini analiz etmek.
- Kimyasal bileşim ile mekanik özellikler arasındaki ilişkiyi belirlemek.
- Yapısal biyomalzemeler hakkındaki anlayışı geliştirmek.
Kullanılan Yöntemler
- Yumuşak dokunun çıkarılması ve kesme ile balık pullarının hazırlanması.
- Yerel mekanik özelliklerin değerlendirilmesi için nanoindentasyon.
- Kimyasal bileşim analizi için FTIR mikroskopisi.
- Görüntüleme ve EDX analizi için taramalı elektron mikroskobu (SEM).
Ana Sonuçlar
- Mekanik özelliklerin kimyasal bileşimle başarılı korelasyonu.
- Farklı pul katmanlarındaki fonksiyonel grupların tanımlanması.
- Mineralize biyolojik malzemelerin tasarım ilkelerine ilişkin bilgiler.
- Kompozitler ve biyomalzemeler dahil olmak üzere çeşitli alanlarda potansiyel uygulamalar.
Sonuçlar
- Çalışma, biyomalzemeleri analiz etmek için kapsamlı bir yöntem sağlamaktadır.
- Bulgular, malzeme bilimi alanındaki gelecekteki araştırmalara bilgi verebilir.
- Metotoloji, diğer heterojen malzemelere de uygulanabilir.
Sıkça Sorulan Sorular
Executive Industry Relevance
Understanding structure-property relationships in heterogeneous biomaterials enables predictive confidence in biomimetic design and material de-risking. This approach supports early discovery by linking nanoscale mechanical behavior to chemical composition, informing target validation for protective material systems. The methodology provides translational value for R&D pipelines focused on multi-phase composites and bio-inspired material development.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of hierarchical structure-property relationships in mineralized biomaterials.
- Operational Value: Supports functional target validation through spatially correlated nanoindentation and chemical mapping.
- Predictive Value: Clarifies structure-function linkages to de-risk mechanistic hypotheses in biomaterial design.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Prepares validated biological systems for downstream correlative analysis of mechanics and chemistry.
- Operational Value: Standardizes specimen preparation for reproducible nanoindentation and imaging workflows.
- Assay Readiness: Facilitates quantitative output generation for screening heterogeneous material responses.
Translational & Preclinical Research
- Translational Continuity: Bridges discovery-scale characterization to preclinical evaluation of biomimetic prototypes.
- Predictive De-risking: Identifies failure initiation points via nanoscale property mapping in layered systems.
- Biomarker Alignment: Supports identification of structural signatures correlating with functional performance.
Pipeline & Workflow Integration
This method integrates into the discovery continuum from early target validation through lead identification by providing mechanistic insights into material performance.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing of structure-property relationships in protective biomaterials.
- Screening: Enables assay readiness through standardized, spatially resolved mechanical and chemical profiling.
- Analytics: Delivers quantitative nanoindentation modulus and hardness data correlated with FTIR and EDX chemical maps.
- Translational Research: Connects nanoscale characterization to preclinical assessment of biomimetic material candidates.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable platform for analyzing heterogeneous multi-scale materials across projects.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Predictive confidence through direct correlation of nanomechanical properties with chemical composition and structure.
- Operational Value: Standardization, reproducibility, and scalability of multi-modal characterization workflows.
- Strategic Value: Improved go/no-go decisions in biomaterial development by reducing late-stage performance uncertainty.
- Portfolio Impact: Risk-adjusted prioritization of material candidates based on validated structure-function relationships.
Implementation Considerations
- Expertise in biomaterials characterization, nanoindentation, and vibrational spectroscopy.
- Instrumentation including nanoindenter, FTIR microscope, SEM-EDX, and X-ray CT systems.
- Cross-team standardization of specimen preparation, polishing, and coordinate registration protocols.
- Adaptation considerations for varying mineralized or heterogeneous material systems.
- Practical limitations include sample accessibility for transverse sectioning and potential artifacts from epoxy infiltration.
