Çok katmanlı Balık Ölçekler (Of Karakterizasyonu
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, nano indentasyon, Fourier dönüşümlü kızılötesi spektroskopisi ve enerji dağılımlı X-ışını spektroskopisi ile eşleştirilmiş taramalı elektron mikroskopi yöntemlerini kullanarak çok katmanlı mineralize balık pullarının yapısını, kimyasını ve mekanik özelliklerini belirlemektir. Bu işlem, öncelikle pullardaki yumuşak dokuların temizlenmesi, pulların montajı ve kesilmesi ve ardından aşamalı parlatma işlemlerinin yapılmasıyla pulların analiz için hazırlanmasıyla gerçekleştirilir. İkinci adım ise, lokal nanomekanik özellikleri belirlemek için elmas Berkovich uç kullanılarak pulun enine kesiti boyunca mekansal olarak ilişkili nano indentasyon işleminin uygulanmasıdır.
Ardından, ilgili katmanlardaki temel fonksiyonel grupları belirlemek amacıyla balık pulunun iç ve dış katmanları bir FTIR mikroskobu ile incelenir. Son adım ise, yerel kimyasal kompozisyonu balık pullarında oluşturulan nano girintilerle ilişkilendirmek ve farklı katmanlardaki girintilerin yanı sıra kırılma yüzeylerinin görüntülerini yakalamak için taramalı elektron mikroskobundaki EDX dedektörünü kullanmaktır. Nihayetinde, bu çeşitli deneysel tekniklerin birleştirilmesiyle, yapı-özellik ilişkilerinin anlaşılması yoluyla mineralize balık pullarının doğal tasarım ilkeleri aydınlatılır.
Bu tekniğin, toplu istatistiksel nano indentasyon gibi mevcut diğer test yöntemlerine göre temel avantajı, kimyasal bileşim yapısı ile yerel mekanik özellikler arasında gerçekten doğrudan bir korelasyon sağlamasıdır. Bununla birlikte, ilgilenilen bölgelerde bu yöntemi, yapısal biyomalzemelerdeki uzaysal dağılımı, kimyasal bileşim yapısını ve mekanik özellikleri incelemek için uyguladık. Ayrıca çimento bazlı malzemeler, çok fazlı kompozitler ve mikrometre ile nanometre uzunluk ölçeklerinde bu heterojenliği sergileyen her türlü heterojen malzeme dahil olmak üzere birçok uygulama alanı bulunmaktadır.
Bir balık pulunun kısa ekseninin transvers kesitini incelemek için, epoksiye gömme işlemi sırasında numunenin doğru yönlendirilmesini sağlamak amacıyla ticari olarak temin edilebilen plastik bir numune tutucu kullanarak, balık pulunu 32 milimetre çapındaki bir numune kalıbında tutun. Numune kalıba yerleştirildikten sonra, numunenin üzerine kürlenmemiş epoksi dökün. Epoksinin üretici talimatlarına göre kürlenmesine izin verdikten sonra, gömülmüş numuneyi elmas bıçaklı yüksek hassasiyetli bir kesme testeresi kullanarak numunenin orta hattından kesin.
Numune nano-indent cihaza yerleştirildikten sonra, örneği ilk indent konumuna taşımak için yazılım kontrollerini kullanın ve bu konumdan başlayarak istatistiksel olarak anlamlı bir veri seti elde etmek için aralarında 15 µm mesafe bulunan dört paralel indent sırası gerçekleştirin. Ardından, nano-indent cihazını 5 mN maksimum yüke, 0,1 mN/s yükleme ve boşaltma hızlarına, 30 s toplam süreye ve her sıra için 5 µm minimum indent aralığına ayarlayın. İşlem grubu tamamlandığında, nano-indent cihazı ile sırasıyla nano tabakadan önce ve kemik tabakadan sonraki epoksi kısmında yer alması gereken ilk ve son indent noktalarına 100 mN maksimum yükle referans indentler oluşturun.
Nano indentasyondan sonra, daha fazla dehidrasyonu önlemek için örneği tekrar PBS solüsyonuna yerleştirin. Örneği, en uzun boyutunun detektöre paralel olacak şekilde sabitçe monte edin. Tarayıcıyı kurduktan sonra, monte edilmiş örneği strafor ve paraform gibi x-ışınları için şeffaf olan malzemeler kullanarak tarayıcı tablasına sabitleyin.
Numuneyi, rotasyon merkezinde olacak şekilde konumlandırın. Tarama boyunca, tüm ölçeğin görüş alanında kalmasını sağlayan en yüksek çözünürlüğü seçin; bu durumda çözünürlük 7.5 micrometers değerindedir. Veri toplama işleminin ardından, kesit görüntülerini içeren bir veri seti oluşturmak için x-ışını projeksiyon görüntülerini yeniden yapılandırın.
Ardından, nihai 3D gri tonlamalı görüntüyü elde etmek için yazılımı kullanın. Strafor ve paraformdan kaynaklanan artefaktları gidermek için gri tonlama aralığını uygun bir seviyeye ayarlayın. Cilalanmış numunedeki nano indentlerin SEM veya taramalı elektron mikroskobu görüntülemesi için, indentli yüzeyi yukarı bakacak şekilde numuneyi çift taraflı karbon bant kullanarak bir SEM stub'ına sabitleyin. Daha sonra, numuneyi SEM haznesine yerleştirin ve hazneyi düşük vakum moduna getirin.
Çalışma mesafesini 3,0 ile 5,0 milimetre arasına ayarlayın. Yüksek voltajı etkinleştirin ve numune üzerindeki ilgi bölgelerine, ki bu durumda bunlar anoe ve kemik katmanlarında bulunan yapılardır, gidin. Ardından, beş kilovolt ile 15 kilovolt arası yüksek voltajda ve 3,9 nano amperlik daha düşük bir demet akımında görüntüler elde edin.
Çözünürlüğü artırmak için, biyomineral içeriğindeki ve yoğunluğundaki değişimlerin belirlenmesine yardımcı olması amacıyla düşük vakumlu geri saçılımlı elektron BSE detektörünü kullanarak, en az üç ilgi bölgesinden 250 x ile 10.000 x büyütmelerde görüntüler yakalayın. Bunu takiben, cilalanmış numune üzerinde, her girinti hattının sonunda fidüsiyal işaretlerle belirtilen bir nano sertlik ölçüm ızgarasını içeren bir ilgi bölgesine gidin. Yüksek voltajın en az 15 kilovolt olduğundan emin olun.
Demet akımı en az 3,9 nano ampere ve çalışma mesafesi 5,0 milimetrenin üzerine ayarlanır. Ardından, EDX kullanılarak analiz edilecek bölgenin geri saçılan elektron görüntüsü yakalanır. EDX analiz yazılımı kullanılarak.
Girintiler hattı boyunca kimyasal analiz yapılacak bölgelerin belirlenmesine yardımcı olmak için aynı görüntüyü yakalayın. Ardından, hat analiz tekniğini kullanarak, ilk girintiden başlayıp son girintide sona eren, ilgi duyulan girintiler hattı boyunca kimyasal analiz gerçekleştirmek üzere bir hat konumlandırın. Kimyasal bileşim ile mekanik özellikler arasında doğrudan bir uzamsal korelasyon sağlamak için, hat boyunca yerleştirilecek analiz noktalarının sayısını, mevcut girinti sayısı ile aynı olacak şekilde belirleyin.
Çizgi konumlandırıldığında ve noktalar doğru şekilde belirlendiğinde, çizgi analizini EDX yazılımını kullanarak başlatın ve çizgi analizinin tamamlanmasını bekleyin. Numunenin cilalanmış yüzeyi üzerindeki belirlenen çizgi boyunca elde edilen nokta spektrumlarından, miktarı belirlenecek olan ilgi çekici elementleri tanımlayın.
İlgilenilen elementler belirlendikten sonra, frenleme radyasyonu (bremsstrahlung) ve diğer etkileri hesaba katmak için bir arka plan kalibrasyonu gerçekleştirin. Belirlenen hat boyunca her bir noktadaki kimyasal bileşimi miktarlandırmak amacıyla, yazılımın dekonvolüsyon analizi seçeneğini kullanarak nicel analiz elde edin. Son olarak, nano-indentasyon ile anoe tabakasında ölçülen mekanik özelliklerle mekansal korelasyona yardımcı olması için, nicel kimyasal analiz sonuçlarını analiz edilen hattın görüntüsüyle birlikte kaydedin; nano-indentasyon ortalama 69.0 giga pascals modül ve 3.3 giga Pascals sertlik hesaplamıştır.
Nano indentasyon, kemik tabakası için ortalama 14,3 giga pascal modül ve 0,5 giga pascal sertlik belirlemiştir. Anoe ve kemik tabakası, kimyasal kompozisyonda ölçülebilir farklar içermektedir. Kemik tabakasındaki karbon artışı, karbon artışına ve BSE görüntü parlaklığında azalmaya neden olan düşük mineralizasyona bağlanabilir; kemik ve ENE tabakalarının FTIR Spektrumları, dış gwe tabakasında hidroksiapatit imzaları ve iç kemik tabakasında kolajen imzaları göstermektedir.
X-ışını bilgisayarlı tomografisi, gwe tabakasının pulların örtüştüğü kemik tabakasını kapsamadığını göstermektedir. Daha açık gri renkli gwe tabakaları daha yoğun, sert ve dirençliyken, daha koyu gri renkli kemik tabakaları daha düşük yoğunluklu ve daha az dirençlidir. Ging tabakası merkezinin yakınında, tabakanın heterojenliğini gösteren belirgin çukurlar gözlemlenmektedir.
Aşındırılmış kırılma yüzeyinin düşük büyütmeli SEM görüntüsü, ging tabakası için katmanlı bir düzende organize olmuş nanoyapıları ortaya çıkarmıştır ve bu durum FTIR ile ilişkilidir; aşındırılmış kırılma yüzeyinin yüksek büyütmeli SEM görüntüleri, ging tabakasında yönlenmiş nanotoçubuklar gösterirken, kemik tabakasında gelişiminden sonra lif benzeri bir nanoyapı gözlemlenmektedir. Bu teknik, biyomalzemeler ve kompozit malzemeler üzerinde kimyasal bileşim yapısının ve mekanik özelliklerin uzaysal dağılımını incelemek ve ayrıca çok fazlı kompozit malzemelerdeki ara yüzeylere bakmak için ek araştırmaların önünü açmıştır. Tamam, bu videoyu izledikten sonra, yapısal biyomalzemelerde kimyasal bileşimi yapı ve mekanik özelliklerle uzaysal olarak ilişkilendirmek için numunelerin nasıl hazırlanacağı ve analizlerin nasıl gerçekleştirileceği konusunda iyi bir anlayışa sahip olmanız gerekir.
Bu teknikler, diğer heterojen çok fazlı malzeme türlerinin incelenmesi için de uygulanabilir ve uyarlanabilirdir.
Genel Bakış
Bu çalışma, gelişmiş görüntüleme ve mekanik test teknikleri kullanarak çok katmanlı balık pullarının yapısını, kimyasını ve mekanik özelliklerini incelemektedir. Nanoindentasyon, FTIR spektroskopisi ve X-ışını bilgisayarlı tomografisi gibi yöntemlerden yararlanan araştırma, bu biyolojik malzemelerin tasarım ilkelerini aydınlatmaktadır.
Temel Çalışma Bileşenleri
Bilim Alanı
- Nörobilim
- Biyomalzemeler
- Mekanik Özellikler
Arkaplan
- Balık pulları karmaşık çok katmanlı yapılar sergiler.
- Bu yapıların özelliklerini anlamak, biyomimetik malzeme tasarımına bilgi sağlayabilir.
- Mevcut yöntemler genellikle yapı ve özellikler arasındaki mekansal korelasyondan yoksundur.
- Bu çalışma, gelişmiş teknikler kullanarak bu boşluğu doldurmayı amaçlamaktadır.
Çalışmanın Amacı
- Balık pullarının mekansal olarak ilişkili özelliklerini analiz etmek.
- Kimyasal bileşim ile mekanik özellikler arasındaki ilişkiyi belirlemek.
- Yapısal biyomalzemelerin anlaşılmasını geliştirmek.
Kullanılan Yöntemler
- Yumuşak dokuların uzaklaştırılması ve kesit alınmasıyla balık pullarının hazırlanması.
- Yerel mekanik özelliklerin değerlendirilmesi için nanoindentasyon.
- Kimyasal kompozisyon analizi için FTIR mikroskobisi.
- Görüntüleme ve EDX analizi için taramalı elektron mikroskobisi (SEM).
Temel Sonuçlar
- Mekanik özelliklerin kimyasal bileşimle başarılı şekilde ilişkilendirilmesi.
- Farklı ölçekteki katmanlarda fonksiyonel grupların tanımlanması.
- Mineralize biyolojik materyallerin tasarım ilkelerine dair içgörüler.
- Kompozitler ve biyomateryaller dahil olmak üzere çeşitli alanlarda potansiyel uygulamalar.
Sonuçlar
- Çalışma, biyomalzemelerin analizi için kapsamlı bir yöntem sunmaktadır.
- Bulgular, malzeme bilimi alanındaki gelecekteki araştırmalara ışık tutabilir.
- Metodoloji, diğer heterojen malzemelere de uygulanabilir.
Sıkça Sorulan Sorular
Sektörel Uygulama ve Önem
Heterojen biyomalzemelerdeki yapı-özellik ilişkilerinin anlaşılması, biyomimetik tasarımda öngörücü güven sağlar ve malzeme risklerini azaltır. Bu yaklaşım, nanoölçekli mekanik davranışı kimyasal kompozisyonla ilişkilendirerek koruyucu malzeme sistemleri için hedef doğrulama süreçlerini bilgilendirir ve erken keşif aşamalarını destekler. Söz konusu metodoloji, çok fazlı kompozitlere ve biyolojik ilhamlı malzeme geliştirmeye odaklanan Ar-Ge süreçleri için translasyonel değer sunar.
Biyofarma Ar-Ge'de Stratejik Uygulamalar
Erken Keşif ve Hedef Doğrulama
- Bilimsel Değer: Mineralize biyomalzemelerdeki hiyerarşik yapı-özellik ilişkilerinin sorgulanmasına olanak tanır.
- Operasyonel Değer: Mekansal olarak ilişkili nanoindentasyon ve kimyasal haritalama yoluyla fonksiyonel hedef doğrulamasını destekler.
- Öngörücü Değer: Biyomalzeme tasarımındaki mekanistik hipotezlerin riskini azaltmak için yapı-fonksiyon bağlantılarını netleştirir.
Tarama ve Assay Geliştirme
- Bilimsel Değer: Mekanik ve kimyanın aşağı akış korelatif analizleri için doğrulanmış biyolojik sistemler hazırlar.
- Operasyonel Değer: Tekrarlanabilir nanoindentasyon ve görüntüleme iş akışları için numune hazırlama sürecini standartlaştırır.
- Analiz Hazırlığı: Heterojen materyal yanıtlarının taranması için nicel çıktı üretimini kolaylaştırır.
Translasyonel ve Preklinik Araştırmalar
- Translasyonel Süreklilik: Keşif ölçeğindeki karakterizasyon ile biyomimetik prototiplerin preklinik değerlendirmesi arasında köprü kurar.
- Öngörülü Risk Azaltma: Katmanlı sistemlerdeki nanoölçekli özellik haritalama yoluyla hata başlangıç noktalarını belirler.
- Biyobelirteç Uyumu: Fonksiyonel performansla ilişkili yapısal imzaların tanımlanmasını destekler.
Boru Hattı ve İş Akışı Entegrasyonu
Bu yöntem, malzeme performansına ilişkin mekanistik bilgiler sağlayarak, erken hedef doğrulamadan öncü bileşik tanımlamaya kadar olan keşif sürekliliğine entegre olur.
- Keşif Biyolojisi: Koruyucu biyomalzemelerdeki yapı-özellik ilişkilerinin hipotez testlerini destekler.
- Tarama: Standartlaştırılmış, mekansal olarak çözümlenmiş mekanik ve kimyasal profilleme aracılığıyla analiz hazırlığını sağlar.
- Analitik: FTIR ve EDX kimyasal haritalarıyla ilişkilendirilmiş kantitatif nanoindentasyon modülü ve sertlik verileri sunar.
- Translasyonel Araştırma: Nanoscale karakterizasyonu, biyomimetik materyal adaylarının preklinik değerlendirmesiyle ilişkilendirir.
- Kurumsal Yeniden Kullanım: Projeler genelinde heterojen çok ölçekli malzemelerin analizi için yeniden kullanılabilir bir platform oluşturur.
Operasyonel ve Kurumsal Etki
- Bilimsel Değer: Nanomekanik özelliklerin kimyasal kompozisyon ve yapı ile doğrudan korelasyonu sayesinde öngörülebilirlik güveni.
- Operasyonel Değer: Çok modlu karakterizasyon iş akışlarının standardizasyonu, tekrarlanabilirliği ve ölçeklenebilirliği.
- Stratejik Değer: Geç aşama performans belirsizliğinin azaltılmasıyla biyomalzeme geliştirmede iyileştirilmiş devam/durdur kararları.
- Portföy Etkisi: Doğrulanmış yapı-fonksiyon ilişkilerine dayalı olarak malzeme adaylarının riske göre ayarlanmış önceliklendirmesi.
Uygulama Hususları
- Biyomalzeme karakterizasyonu, nanoindentasyon ve vibrasyonel spektroskopi konularında uzmanlık.
- Nanoindentör, FTIR mikroskobu, SEM-EDX ve X-ışını CT sistemlerini içeren enstrümantasyon.
- Numune hazırlama, parlatma ve koordinat kayıt protokollerinin ekipler arası standardizasyonu.
- Değişen mineralize veya heterojen malzeme sistemleri için adaptasyon hususları.
- Pratik sınırlamalar arasında, transvers kesit alma için numune erişilebilirliği ve epoksi infiltrasyonundan kaynaklanabilecek potansiyel artefaktlar yer almaktadır.
