بروتوكول لتصميم Bioinspired: أخذ العينات الجوفية بناء على قنفذ البحر الفك المفترس

1Materials Science and Engineering Program, University of California, San Diego, 2Department of Mechanical and Aerospace Engineering, University of California, San Diego, 3Integrative Oceanography Division, Center for Marine Biodiversity and Conservation, Scripps Institution of Oceanography, 4Marine Biology Research Division, Scripps Institution of Oceanography
Published 4/24/2016
0 Comments
  CITE THIS  SHARE 
Bioengineering

You must be subscribed to JoVE to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial:

Welcome!

Enter your email below to get your free 10 minute trial to JoVE!





By clicking "Submit," you agree to our policies.

 

Summary

Cite this Article

Copy Citation

Frank, M. B., Naleway, S. E., Wirth, T. S., Jung, J. Y., Cheung, C. L., Loera, F. B., et al. A Protocol for Bioinspired Design: A Ground Sampler Based on Sea Urchin Jaws. J. Vis. Exp. (110), e53554, doi:10.3791/53554 (2016).

Please note that all translations are automatically generated through Google Translate.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Introduction

علوم الأحياء، وعلوم المواد البيولوجية، الحيوية، الهندسة الحيوية والكيمياء الحيوية توظف التقنيات والعقول العلمية العرض الأول في محاولة لتوفير فهم أعمق للعالم الطبيعي لا يصدق. وقد أوضح هذا البحث العديد من الهياكل والكائنات البيولوجية المدهشة. من صلابة الجوهرية للعظام بشرية 1،2 إلى منقار كبير من الطوقان 3. ومع ذلك، فإن الكثير من هذه المعرفة من الصعب توظيف بطريقة يمكن أن توفر فائدة للمجتمع. ونتيجة لذلك، فإن المجال عرضية من الإلهام الأحيائي توظف الدروس المستفادة من الطبيعة إلى المواد الحديثة من أجل حل المشاكل المشتركة. ومن الأمثلة على ذلك الأسطح superhydrophobic مستوحاة من لوتس يترك 4-6 والسطوح لاصقة مستوحاة من أقدام ابن حزم رحمه الله والحشرات 7،8 والسيراميك صعبة مستوحاة من الصدف من أذن البحر 9-11 والحصادات الخزعة مستوحاة من لسان حال قنفذ البحر، أيضا علمن كما فانوس أرسطو 12،13.

قنافذ البحر والحيوانات اللافقارية مغطاة العمود الفقري الذي يتكون غالبا من أسرة الصخرية في قاع المحيط الموائل. الجسم (تسمى اختبار) في أكبر الأنواع قنفذ يمكن أن يكون أكثر من 18 سم في القطر. حجم اختبار في قنافذ البحر الوردي (Strongylocentrotus الهشة) فى هذه الدراسة يمكن أن تنمو إلى سم القطر 10. يتكون فانوس أرسطو من خمسة أسنان كربونات الكالسيوم التي يغلب عليها النشاط بدعم من هياكل الهرم يتكون من الأنسجة المعدنية ورتبت في تشكيل تشبه القبة التي إحاطة جميع ولكن نصائح طحن البعيدة للأسنان (الشكل 1A).

هيكل عضلات الفكين قادر على مضغ كفاءة وتجريف حتى ضد الصخور الصلبة المحيط والشعاب المرجانية. عندما فكي مفتوحة، والأسنان تبرز إلى الخارج وعندما فكي قريب، والأسنان يتراجع إلى الداخل في حركة سلسة واحدة. مقارنة بين primitivه (أعلاه) والحديثة (أدناه) البحر قنفذ الأسنان عبر أقسام (الشكل 1B) يشير إلى أن الأسنان منقلب تطورت لتعزيز الأسنان عند طحن ضد ركائز صلبة. كل سن الفرد لديه انحناء محدب قليلا والتشكل على شكل حرف T في الطائرة عرضية (العادية لاتجاه النمو) بسبب عارضة تعلق طوليا (الشكل 1C، D).

يبدأ الإلهام الأحيائي مع رصد الظواهر الطبيعية المثيرة للاهتمام، مثل حركة مضغ كفاءة فانوس أرسطو في قنافذ البحر. هذا الهيكل الطبيعي أسيرا في البداية أرسطو لأنه يذكره فانوس قرن مع الأجزاء من القرن يتغافل. بعد أكثر من ألفي سنة، وقد فتنت سكاربا من تعقيد فانوس أرسطو أنه في وقت لاحق Trogu تحاكي حركة مضغ الطبيعية باستخدام الورق فقط والأربطة المطاطية (الشكل 2A) 15،16. وبالمثل، كان bioinspired يلينيك التي جhewing حركة فانوس أرسطو وضعت حصادة خزعة أفضل يمكن أن عزل بأمان الأنسجة ورمي دون انتشار الخلايا السرطانية (الشكل 2B، C) 12،13. في هذه الحالة، تم استخدام تصميم bioinspired لجعل جهاز الطبية الحيوية التي تناسب حاجة معينة للحصول على التطبيق المطلوب.

بروتوكول تصميم الموصوفة هنا ينطبق على عينات الرواسب bioinspired من قنافذ البحر. من خلال مواد العلوم البيولوجية، ويتميز الهيكل الطبيعي للفانوس وأرسطو. تصميم Bioinspired يحدد التطبيقات المحتملة حيث يمكن تعزيز الآليات الطبيعية من خلال استخدام المواد الحديثة وتقنيات التصنيع. وإعادة النظر في التصميم النهائي من خلال منظور bioexploration لفهم كيفية بنية الأسنان الطبيعية تطورت (الشكل 3). وbioexploration الخطوة الأخيرة، التي اقترحها بورتر 17،18، يستخدم أساليب التحليل الهندسي على البريدإكسبلور وتفسير الظواهر البيولوجية. وتعرض الخطوات الهامة لعملية الإلهام الأحيائي كمثال لتسخير التكنولوجيا، على موافقة مسبقة من قبل الطبيعة، والتي يمكن استخدامها من أجل حل المشاكل الحديثة. بروتوكول لدينا، بدافع من الإجراءات الإلهام الأحيائي السابقة قدمت لتطبيقات محددة من قبل آرزت والتي تستهدف لعلماء الأحياء والمهندسين وغيرهم ممن مستوحاة من الطبيعة.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. البيولوجية علوم المواد

  1. ارتداء معدات الوقاية الشخصية (أي، والقفازات، ونظارات السلامة ومعطف المختبر) ومتابعة جميع إجراءات السلامة المعمول بها لاستخدام أدوات تشريح.
  2. شطف ملقط ومشرط مع الماء المقطر لاستخدامها في تشريح.
  3. ذوبان الجليد قنفذ البحر وردي المجمدة في RT لمدة 1 ساعة. ضع عينة إذابة في وعاء زجاجي مع مساحة كافية لتكون قادرة على المناورة قنفذ والقطع الأدوات. تحويل قنفذ رأسا على عقب بحيث تواجه النصائح الأسنان حتى.
    1. قطع النسيج الضام حول محيط فانوس أرسطو مع مشرط ورفع بعناية خارج فانوس. شطف فانوس قبالة مع تشغيل الماء المقطر. تجاهل أجزاء قنفذ غير المستخدمة في حاوية النفايات المناسبة.
    2. تحويل فانوس أرسطو تكرارا لذلك نصائح للأسنان وجهه. تحديد نهاية الزفائف من كل سن (مقابل الطرف) مواجهة واستخدام ملقط لرعايةالشريحة بشكل كامل أسنان الفردية من فانوس.
  4. إعداد الايبوكسي لوعاء للأسنان. تزن 5 غرام من الراتنج وإضافة 1.15 غرام من تصليب (على سبيل المثال، 100 جزء الراتنج إلى 23 أجزاء تصليب من حيث الوزن) في علبة من البلاستيك القابل للتصرف الضحلة. خلط محتويات معا ببطء دون تشكيل فقاعات.
    ملاحظة: لا تترك الايبوكسي مختلطة بقايا في وعاء مع التعرض الكافي في الغلاف الجوي. عملية المعالجة هي الطاردة للحرارة، ويمكن أن تشعل المواد القابلة للاشتعال القريبة. احتفظ بأي الايبوكسي مختلطة بقايا في غطاء الدخان جيد التهوية بعيدا عن المواد القابلة للاشتعال.
    1. تليين أنبوب 2.5 درهم من البلاستيك (22 ملم قطرها الداخلي 39 ملم طول) باستخدام الفازلين تطبيقها مع إصبع وتمحو أي فائض بمنديل ورقي. تملأ منتصف الطريق أنبوب مع الايبوكسي المختلطة.
    2. استخدام ملقط لالتقاط الأسنان ويغرق في الايبوكسي مع الجانب المقعر المنحني مواجها لها بعناية. السماح للعلاج الايبوكسي في RT لمدة 24 ساعة.
      ملاحظة: منع غيض الأسنان من الانجراف للمسجدار أنبوب بلاستيكي كما علاجات الايبوكسي لأن هذا سيجعل تلميع طرف أكثر صعوبة.
  5. وضع أنبوب من البلاستيك مع مادة لاصقة الشفاء في ملزمة. تشديد القبضة ببطء حتى يتم إجراء شق في أنبوب بلاستيكي. قشر بعيدا البلاستيك المتبقية من سطح الايبوكسي.
    1. استخدام شهد باجتزاء لقطع الايبوكسي حول الأسنان وصولا الى كتلة أصغر (1 سم 3).
  6. إعداد منطقة نظيفة لتلميع وانشاء محطة عمل مسطحة مع لوحة البلاستيك الصلب. ملء زجاجة بخ مع الماء المقطر.
    1. نبدأ مع أدنى الصنفرة حصى متوفرة (على سبيل المثال، 120) ويسجل كمية صغيرة من الماء من زجاجة غسل على الصنفرة. عن طريق الضغط الخفيف، وفرك العينة في واحدة الى الوراء وإيابا الاتجاه (على سبيل المثال، بين اليسار واليمين) لمدة 5 دقائق.
    2. يغسل سطح العينة أكثر من بالوعة وتمحو بمنديل خالية من الجسيمات. إزالة أي حصى ورق زجاج بقايا مع الهواء المضغوط لمدة 15 ثانية.
    3. استخدام أعلى تدريجيا الصنفرة حصى (على سبيل المثال، 600 و 2400) لتكرار بروتوكول الخطوات 1.6.1 و1.6.2. يستخدم الضغط الخفيف، فرك العينة في ذهابا وإيابا اتجاه عمودي على خطوة البولندية السابقة (على سبيل المثال، من أعلى إلى أسفل، اليسار واليمين).
      ملاحظة: استخدام المجهر ضوء في 20X التكبير لرؤية الخدوش عمودي تتقاطع مع كل مستوى حصى (على سبيل المثال، 120، 600، 2400). الانتقال الى المرحلة التالية أعلى الصنفرة حصى عندما تختفي علامات الصفر من مستوى حصى السابق.
    4. تحضير زجاجة بخ مع 3 ميكرون تعليق صقل الماس في 1: حل الماء المقطر 1. استخدم قطعة قماش البولندية للتعليق الماس لتكرار بروتوكول الخطوات 1.6.1 و1.6.2.
    5. تحضير زجاجة بخ مع 0.5 ميكرون تعليق الألومينا تلميع في 1: حل الماء المقطر 1. استخدام سطح microcloth تلميع لتكرار بروتوكول الخطوات 1.6.1 و1.6.2.
      ملاحظة: علامات خدش الجميلة من بروتوكول الخطوات 1.6.4 و1.6.5 لن تكون visibلو في 20X التكبير. لهذه الخطوات البروتوكول، البولندية لمدة 5 دقائق في ذهابا وإيابا الحركة لإزالة كافة الخدوش السابقة.
    6. تنظيف سطح مصقول مع الماء المقطر واستخدام الأنسجة الخالية من الجسيمات مع الهواء المضغوط لالجاف بعناية. التفاف مع الأنسجة الخالية من الجسيمات للحفاظ على مرآة المصقول.
      ملاحظة: قم بتجفيف جميع الأسطح تلميع وجهه على أنسجة كبيرة خالية من الجسيمات. تخزين في الغلاف البلاستيكي لتجنب جزيئات الغبار يستقر على السطح بين أوقات تلميع.
  7. تميز قنفذ البحر الأسنان المجهرية باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح (SEM). استخدام المغطى تفل لتفل الايريديوم مع ترسب تيار 85 أمبير لمدة 10 ثانية على سطح الأسنان مصقول لسمك الطلاء من ~ 20 نانومتر.
    1. الحصول على صور مجهرية في 250X - التكبير 4،000X باستخدام SEM.
      ملاحظة: استخدام 5 كيلو فولت في وضع المسح الإلكتروني (SE) و 15 كيلو فولت في وضع الإلكترون متناثرة الظهر (جنون البقر). استخدام وضع مرض جنون البقر لتحديد الكالسيت أكذوبةالمتطلبات البيئية تتخللها مصفوفة الكريستالات المخصب المغنيسيوم.
  8. أداء التصوير المقطعي المحسوبة الدقيقة (μ-CT) بمسح ردي كله قنفذ البحر وتشريح حديثا فانوس أرسطو. وضع كل عينة إذابة داخل الحاوية غرفة مغلقة بمنديل مبلل لتوفير بيئة ترطيب أثناء المسح الضوئي.
    1. مسح قنفذ كله وفانوس لأرسطو من قبل μ-CT مع حجم فوكسل الخواص من 36.00 ميكرون و 9.06 ميكرون، على التوالي. تطبيق الجهد الكهربائي من 100 KVP و 70 KVP مع تيار 100 مللي أمبير و 141 أمبير، لقنفذ كله وفانوس لأرسطو، على التوالي، وذلك باستخدام فلتر الألومنيوم 1.0 مم لكل منهما.
    2. تطبيق تصحيح خوارزمية شعاع تصلب أثناء إعادة بناء صورة لحساب التحف تصلب شعاع التي تنتج عن مصدر الأشعة السينية μ-CT انبعاث الأشعة السينية من طاقات متعددة باستخدام بروتوكول الشركة الصانعة.
  9. استخدام برامج التصوير لصقل معهد العالم العربيجنرال الكتريك تجزئة والحصول على نموذج شبكة مثلث لهيكل فانوس أرسطو.
    1. تحميل والمعاينة أرسطو بيانات الصورة فانوس من الفحص μ-CT. تتناسب مع حجم فوكسل (9.06 ميكرون) إلى القيم من الفحص الدقيقة CT.
    2. استخدام دالة حجم تقديم تصور فانوس أرسطو في الفضاء 3D. ضبط شريحة 2D متعامد مع وحدة المربع المحيط وضبط قيمة العتبة / اللون مع وحدة حجم التقديم.
    3. جعل شرائح قناع لمنطقة الفائدة (على سبيل المثال، قنفذ البحر الأسنان) باستخدام محرر تجزئة. اختر XY، YZ، والطائرات XZ وجهة نظر متساوي القياس 3D. استخدام عصا سحرية (السهم الأسود) للتمييز بين الهياكل البسيطة (الأسنان مقابل الهرم) في فانوس أرسطو.
    4. إعادة بناء سطح نموذج من شرائح قناع المستخرج. حدد وحدة الجيل السطحية وتطبيقها. إلغاء تحديد حجم التقديم إعدادات أن يكون السطح العلوي مرئية تختفي. أضف السطح مشاهدة حدة لعرض نتيجة السطح.
    5. تبسيط سطح النموذج عن طريق الحد من عدد من الوجوه إلى <18000.
    6. تعديل الفردية شبكة المثلث على سطح النموذج حسب الحاجة. حفظ نموذج كملف المجسمة (STL) للتصدير إلى استخدام مع تصميم البرمجيات (CAD) النمذجة بمساعدة الحاسوب.

2. تصميم Bioinspired

  1. استخدام فانوس أرسطو من الفحص الدقيقة CT كمرجع لجعل تصميم bioinspired مع برنامج CAD النمذجة.
    ملاحظة: تصميم bioinspired خمسة أسنان منحنية مع ارتفاع 6 سم وقطرها 8 سم للفانوس مغلقة. يتم تحجيم عنه ~ 5X من حجم فانوس أرسطو الطبيعية و.
  2. حفظ الأجزاء ملف المحكمة الخاصة بلبنان إلى محرك أقراص فلاش وتحميل الملفات إلى النمذجة ترسب تنصهر (FDM) طابعة 3D.
    1. الستايرين تحميل الأكريلونيتريل (ABS) البلاستيكية والدعم من البلاستيك خراطيش المواد في فتحات مناسبة لل3D صrinter.
    2. إدراج قاعدة النمذجة على منصة Z ومحاذاة علامات التبويب مع الفتحات الموجودة في علبة معدنية.
    3. فتح كل جزء من الأجزاء ملف المحكمة الخاصة بلبنان واتبع الخطوات شاشة لطباعة جميع أجزاء فانوس في نفس الوقت.
      ملاحظة: يجب أن أجزاء فانوس تدخل ضمن مغلف بناء (25 × 25 × 30 سم 3) للطابعة 3D. يتم ترتيب جميع الأسنان خمسة على قاعدة النماذج وطباعتها في وقت واحد مع طرف الأسنان مواجهة. معدل البناء هو 16 سم 3 في ساعة والزمن الكلي للبناء ما يقرب من 8 ساعات.
    4. الافراج عن قاعدة نماذج من علامات التبويب عندما يتم طباعة كافة أجزاء الملف وحرك قاعدة خارج الطابعة 3D على أدلة صينية.
    5. استخدام ملعقة معدنية لابعاد جميع أنحاء قبالة قاعدة وملف المعدنية على ارتداء أسفل أي من البلاستيك اضافية تعلق على أجزاء.
    6. وضع الأجزاء المطبوعة في حمام قاعدة ساخنة حتى يذوب الدعم المادي البلاستيك.
  3. ربط كل سن لأسلحة مشترك مع لىقضيب ناغورني كاراباخ واثنين من حلقات الاحتفاظ E على أي من الجانبين.
    ملاحظة: يرجى الرجوع إلى الشكل 6 لتجميع فانوس أرسطو bioinspired ل.

3. Bioexploration

  1. استخدام ملف كاد السن bioinspired للقيام النمذجة العناصر المحدودة (فيم) اختبار تحليل الإجهاد.
    1. فتح ملف (xx.sldprt) للقيام بالمزيد من التحليل الهندسي. فوق "المنتجات مكتب" علامة التبويب، حدد زر "سوليدووركس المحاكاة".
    2. فوق علامة التبويب "محاكاة"، حدد "مستشار دراسة" الزر ثم الخيار المنسدلة "دراسة جديدة".
    3. حدد نوع اختبار محاكاة ليتم تشغيلها عن طريق اختيار "ثابت".
    4. على قائمة اختبار ثابت، انقر بزر الماوس الأيمن على "مصباح" وحدد "الهندسة الثابتة".
    5. انقر على وجوه الداخلية لإضافة مواعيد المباريات إلى الثقوب المتزايدة حيث سيذهب الدبابيس.
    6. على قائمة اختبار ثابت، انقر بزر الماوس الأيمن على "الأحمال الخارجية" وSELECر "القوة".
    7. انقر على السن طحن غيض تواجه تطبيق 45 N قوة إلى الحواف.
    8. على قائمة اختبار ثابت، انقر بزر الماوس الأيمن على "الأحمال الخارجية" وحدد "الجاذبية".
    9. تشير "الأعلى طائرة" لقوة الجاذبية المطبقة الطبيعي أن الطائرة.
    10. على قائمة اختبار ثابت، انقر بزر الماوس الأيمن على "شبكة" وحدد "إنشاء شبكة".
    11. نقل شريط النطاق ل "كثافة شبكة" على طول الطريق إلى الحق ل "الجميلة".
    12. على قائمة اختبار ثابت، انقر بزر الماوس الأيمن على "ثابت" وحدد "تشغيل" لتشغيل الاختبار.
      ملاحظة: شريط مقياس اللون لمناطق أعلى الإجهاد و "القوة الإنتاجية".
  2. مقارنة الإجهاد نتائج اختبار تحليل للالأسنان bioinspired مع وبدون العارضة.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

تصميم Bioinspired من جهاز أخذ العينات فانوس أرسطو يعتمد بشكل كبير على نوعية أساليب توصيف المستخدمة. التقنيات غير الغازية مثل μ-CT هي مفيدة لتحليل فانوس كله، وأسنان الفردية لتطبيق تحسينات محددة تطبيق لتصميم bioinspired (الشكل 4). وفي الوقت نفسه، والمجهرية الأسنان يمكن أن يستكشف عبر الإلكترون الثانوي والمنتشرة الخلفية الميكروسكوب الالكتروني من المقطع العرضي مصقول من الأسنان الفردية (الشكل 5). المنطقة الرمادية الداكنة هي حجر الجزء الأصعب من طرف الأسنان طحن، ويتألف من ما يصل الى ذرات٪ المغنيسيوم 40 مول أن تحل محل ذرات الكالسيوم.

أكد تحليل المجهرية الأسنان مع مرض جنون البقر SEM (الشكل 5) أهمية الهيكلية للجزء حجر أثرى المغنيسيوم في طرف الأسنان طحن. لوحة والألياف الوجاهة ترتبط العناصر راي (بلورات الكالسيت، والرمادي أخف وزنا في الشكل 5C) معا عن طريق مصفوفة من العناصر الثانوية (الكالسيت وpolycrystals كربونات المغنيسيوم، أغمق الرمادية في الشكل 5C)، التي تشكل أصعب منطقة الحجر من طرف الأسنان طحن.

تم تصميم فانوس bioinspired مع برنامج CAD، 3D المطبوعة وتجميعها (الشكل 6) لجمع الرمال على الشاطئ (الشكل 7). استخدمت اختبارات تحليل الإجهاد لحساب الإجهاد فون ميزس من تصميمين الأسنان، واحدة من دون العارضة (الشكل 8A) والآخر مع العارضة (الشكل 8B). كان يعمل على شبكة صلبة تتكون من رباعيات الأسطح على هندسة الأسنان. قيمة قوة المختار (45 N) الملائمة قياسات من الاختبارات على الشاطئ لاختراق 1 سم في عمق الرمال الثابت مع الأسنان فانوس عمودي على السطح.

الآثار البيئية-together.within الصفحات = "1"> وبالمقارنة مع كتلة تصميم الأسنان منقلب (12.72 غرام) مع أن من تصميم الأسنان غير منقلب (12.26 غرام) للعثور على زيادة ~ 4٪ لعارضة المضافة. 45 قوة تطبيق N، والحد الأقصى من الضغط التي يعيشها تصميم الأسنان منقلب (10.6 ميجا باسكال) مقابل تصميم غير منقلب الأسنان (12.6 ميجا باسكال) كان ~ 16٪ أقل عن السن منقلب (أرقام 7A، B). الزيادة جماعية صغيرة مقارنة مع انخفاض في الضغط التي تقدمها العارضة. انخفاض الضغط يدل على فعالية هذا التصميم bioinspired لتركيز الضغط داخل المنطقة منقلب.

الشكل 1
الشكل 1. البحر قنفذ أرسطو فانوس والأسنان التشكل. (A) عن قرب من وجهة نظر البطني من قنفذ البحر (يسار) وفانوس لأرسطو (يمين) 13. (ب) المقاطع العرضية للالأسنان محززة من قنفذ البدائي cidaroid (أعلى) والأسنان منقلب من قنفذ camarodont الحديث (القاع) 14. (ج) والأسنان فحصهم من جانبها مع طرف (القاع)، وأشارت عارضة (الجانب الأيسر) 20. صورة (D) ووزارة شؤون المرأة من المقطع العرضي الأسنان مصقول مع عارضة المشار إليها (القاع) 20. الصور مقتبسة من المراجع المشار إليها ل(A)، (B)، (C) و (D). الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 2
تصاميم الشكل 2. Bioinspired على أساس فانوس أرسطو. (A) عرض متساوي القياس من رسم لنموذج الكترونية من فانوس وأرسطو، الذي لديه 3D المطبوعة ص البلاستيكفنون متصلة بواسطة الأربطة المطاطية (لا يظهر) لعضلات المرفق 16. (B، C) خدم فانوس وأرسطو باعتبارها مصدر إلهام البيولوجي لخزعة حصادة 13. يرجى النقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل (3)
الرقم 3. أربعة خطوات عملية الإلهام الأحيائي. (اتجاه عقارب الساعة من اليسار) عملية الإلهام الأحيائي يبدأ مع التعلم من الطبيعة من خلال مراقبة قنفذ البحر وردي وفانوس لأرسطو. (أعلى) تحليل قنفذ البحر وهيكل فانوس أرسطو من مسح μ-CT (يسار). وتستخدم النتائج (حق) التي يتم جمعها لتوليد نموذج تصميم bioinspired. طبقت (القاع) أساليب التحليل الهندسي لاستكشاف كايسي البيولوجيأية صور فوتوغرافية Omena وتصميم bioinspired 17،18. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل (4)
الشكل 4. الصغرى، ويحسب التحليل الطبقي هيكل فانوس أرسطو. عرض (A) جانب من الهياكل الهرمية التي تساعد على دعم الأسنان. الأسنان (ب) قنفذ البحر كومة فوق بعضها البعض، ويحمل التماثل خمسة أضعاف. تتم إزالة (C) أجزاء الطرف البعيد لإظهار الهياكل عارضة تعلق طوليا لجميع الأسنان خمسة. (D) وأظهر الأسنان الفردية والعارضة (الأزرق) مع الهرم (الصفراء) المقابلة، وأشار في (C) أيضا. يرجى النقرهنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 5
وأشارت الشكل 5. الضوئي المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) تحليل المجهرية قنفذ البحر الأسنان. (A) ووزارة شؤون المرأة مجهرية من المقطع العرضي الأسنان مصقول مع المنطقة باهتة شريط الحجر وعارضة (أسفل). (B، C) الميكروسكوب الأشعة المرتدة الإلكترون ووزارة شؤون المرأة من المربعات الأرجواني والبرتقالي من (A) تظهر لوحة المنحنية والعناصر الأولية الألياف الكالسيت مستديرة تقع فوق كثافة مصفوفة الكريستالات المخصب المغنيسيوم (اللون الرمادي الغامق). الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل (6)
الشكل6. 3D تجميعها المطبوعة bioinspired أجزاء فانوس أرسطو، وتستخدم (A) حلقات الاحتفاظ E وقضبان صلة لربط 3D المطبوعة أجزاء الأسنان في ثلاثة مواقف مشتركة. (ب) تجميعها فانوس bioinspired أرسطو مع أحد الأسنان إزالتها. (C) عرض من العارضة للأسنان الفردية وتغيير مواقف مشتركة عند فانوس هو جزئيا (يسار) ومفتوحة بالكامل (يمين). الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 7
الرقم 7. تصميم فانوس Bioinspired أرسطو واستخدام على الشاطئ. (A، B) بمساعدة الكمبيوتر صور تصميم فانوس أرسطو bioinspired بينما مغلقة ومفتوحة بالكامل، على التوالي. (C) و3D المطبوعة bioinspired فانوس أرسطو جمع أنواع مختلفة من الرمال على الشاطئ. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 8
الرقم 8. Bioinspired قنفذ البحر تحليل الإجهاد الأسنان الاختبار. (A، B) ويظهر تحليل العناصر المحدودة وغير منقلب (A) مقابل منقلب (ب) الأسنان عندما يتم تطبيق قوة على حواف الأسنان. تصميم الأسنان منقلب شهدت ~ 16٪ أقل من الضغط بسبب إضافة العارضة. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

قنافذ البحر تستخدم فانوس أرسطو (الشكل 1A) لمجموعة متنوعة من الوظائف (التغذية والحفر، والتمحور، وما إلى ذلك). سجل الحفريات يدل على أن فانوس تطورت في شكل وظيفة من نوع cidaroid الأكثر بدائية إلى نوع camarodont من قنافذ البحر الحديثة 14. الفوانيس Cidaroid ومحززة طوليا الأسنان (1B الشكل، أعلى) والتعلق غير مفصولة العضلات لهيكل هرمه. وهذا يحد تصل وأسفل الحركة ويسلب منهم من قوة كشط أكبر الناتجة عن الحركة الجانبية، الذي يحتفل به في أكثر الفوانيس camarodont الحديثة (الشكل 1B، أسفل). وتكهن علماء الأحياء أن الأسنان منقلب (الشكل 1C، D) تطورت في camarodonts لتعزيز السن تحت قوى الشد القوية الناتجة عن إلغاء ركائز صلبة 18،20،23.

بروتوكول تصميم bioinspired في هذا العمل جنبا إلى جنبعلم الأحياء، وعلوم المواد البيولوجية، تصميم bioinspired وbioexploration (الشكل 3) لتطوير جهاز bioinspired مع وظيفة محددة لالرواسب أخذ العينات. تم استيرادها الفحص μ-CT فانوس وأرسطو (الشكل 4) كملف المحكمة الخاصة بلبنان للإشارة فقط منذ تصميم العينات النهائي لم تحاكي المرفق عضلة معقدة في الهيكل الطبيعي. بدلا من ذلك تصميم bioinspired يعمل على أبسط افتتاح واختتام آلية مع الأجزاء التي يمكن تصنيعها بسهولة عن طريق طابعة 3D لتجميع العينات إلى فانوس أرسطو. عموما، استخدمنا منهج التعميم لتصميم bioinspired منذ الخطوة bioexploration يسمح للاستنتاجات جديدة التي يمكن استخلاصها من الأحياء الطبيعي. التعديلات المحتملة للتصميم bioinspired يمكن معالجة التطبيقات المختلفة بالإضافة إلى أخذ عينات الرواسب. وجود قيود على هذا البروتوكول هو أنها تركز على تطبيق واحد معين من عملية bioinspired لجهاز يعمل بنظامعلى فانوس وأرسطو. ومع ذلك، يمكن تطبيق بروتوكول المذكورة هنا لتحليل وتطوير وتصنيع النهائي للتصاميم bioinspired أخرى على أساس العينات البيولوجية.

الهدف الأساسي من هذه تجميعها bioinspired كان أرسطو فانوس العينات (الشكل 6) لجمع الرمال السائبة والمضغوطة (الشكل 7). واستشرافا للمستقبل، وكالة ناسا لديها خطة لجلب عينات من المريخ إلى الأرض باستخدام المسبار عينة عودة بعد سلسلة من البعثات على مدى سنوات عديدة (29). والمسبار عينة عودة تجهيزه مع العينات فانوس لأرسطو bioinspired قد يكون مفيدا للبعثات في المستقبل. قد تكون العينات الصغيرة التي تشبه حجم فانوس لأرسطو الطبيعي أيضا مفيدة لتطبيقات أخرى. تباين صلابة في الأسنان قنفذ الطبيعية، في حين مثيرة للاهتمام في حد ذاته، ولم تدرج في هذا التصميم bioinspired.

Bioexploration من كeeled مقابل أسنان غير منقلب أكد غرض الهيكلية الهامة من العارضة في قنافذ البحر الطبيعية (الشكل 8). تقدم نتيجة bioexploration البيانات التي تساعد في تفسير لماذا تطورت قنافذ البحر الحديثة هياكل عارضة. ونحن نعترف بأن بورتر 17،18 وكان أول من اقترح الخطوة bioexploration المطبقة في هذا العمل، الذي كان ضروريا لاستخدام أساليب التحليل الهندسي لتحديد ميزة الميكانيكية للبنية عارضة في السن قنفذ البحر. تصميم المستقبل bioinspired الذي يربط الملاحظة الطبيعية، وعلوم المواد البيولوجية، تصميم bioinspired وbioexploration يمكن أن تكون مفيدة لدمج معرفة الجذور أعمق مع مبادئ التصميم الطبيعي.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
BUEHLERMET II 8 PLN 600/P1200 Buehler 305308600102 Abrasive paper for polishing
TRIDENT POLISH CLOTH 8" PSA Buehler 407518 Polish cloth for 3 μm suspension
METADI SUPREME POLY SUSP,3MIC Buehler 406631 Polish suspension (3 μm)
MICROCLOTH FOR 8 IN WHEEL PSA Buehler 407218 Polish cloth for 50 nm suspension
MASTERPREP SUSPENSION, 6 OZ Buehler 636377006 Polish suspension (50 nm)
Skyscan 1076 micro-CT Scanner Bruker Micro-CT scanner equipment
Amira software FEI Visualization Sciences Group Software for 3D manipulation of Micro-CT scans
FEI Philips XL30 FEI Philips ESEM equipment for characterization of polished tooth cross-sections
SolidWorks Design software Dassault Systems Design software for CAD drawing bioinspired device
SolidWorks Simulation software Dassault Systems Simulation software for stress test of CAD drawing bioinspired device
Dimension 1200es Stratasys 3D printer for fabrication of bioinspired device from CAD drawing
ABSplus Stratasys 3D printer plastic

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Nalla, R. K., Kruzic, J. J., Ritchie, R. O. On the origin of the toughness of mineralized tissue: Microcracking or crack bridging? Bone. 34, (5), 790-798 (2004).
  2. Ritchie, R. O., Buehler, M. J., Hansma, P. Plasticity and toughness in bone. Physics Today. 62, (6), 41-47 (2009).
  3. Seki, Y., Schneider, M. S., Meyers, M. A. Structure and mechanical behavior of a toucan beak. Acta Mater. 53, (20), 5281-5296 (2005).
  4. Feng, L., et al. Super-hydrophobic surfaces: From natural to artificial. Adv. Mater. 14, (24), 1857-1860 (2002).
  5. Sun, T. L., Feng, L., Gao, X. F., Jiang, L. Bioinspired surfaces with special wettability. Acc. Chem. Res. 38, (8), 644-652 (2005).
  6. Feng, X. J., Jiang, L. Design and creation of superwetting/antiwetting surfaces. Adv. Mater. 18, (23), 3063-3078 (2006).
  7. Arzt, E. Biological and artificial attachment devices: Lessons for materials scientists from flies and geckos. Mat. Sci. Eng. C. 26, (8), 1245-1250 (2006).
  8. Geim, A. K., Dubonos, S. V., Grigorieva, I. V., Novoselov, K. S., Zhukov, A. A., Shapoval, S. Y. Microfabricated adhesive mimicking gecko foot-hair. Nat. Mater. 2, (7), 461-463 (2003).
  9. Munch, E., Launey, M. E., Alsem, D. H., Saiz, E., Tomsia, A. P., Ritchie, R. O. Tough, bio-inspired hybrid materials. Science. 322, (5907), 1516-1520 (2008).
  10. Launey, M. E., et al. Designing highly toughened hybrid composites through nature-inspired hierarchical complexity. Acta Mater. 57, (10), 2919-2932 (2009).
  11. Launey, M. E., Munch, E., Alsem, D. H., Saiz, E., Tomsia, A. P., Ritchie, R. O. A novel biomimetic approach to the design of high-performance ceramic-metal composites. J. R. Soc. Interface. 7, (46), 741-753 (2010).
  12. Jelinek, F., Smit, G., Breedveld, P. Bioinspired spring-loaded biopsy harvester-Experimental prototype design and feasibility tests. J. Med. Devices. 8, (1), 015002 (2014).
  13. Jelinek, F., Goderie, J., van Rixel, A., Stam, D., Zenhorst, J., Breedveld, P. Bioinspired crown-cutter-The impact of tooth quantity and bevel type on tissue deformation, penetration forces, and tooth collapsibility. J. Med. Devices. 8, (4), 041009 (2014).
  14. Reich, M., Smith, A. B. Origins and biomechanical evolution of teeth in echnoids and their relatives. Palaeontology. 52, (5), 1149-1168 (2009).
  15. Scarpa, G. Modelli di Bionica, Capire la Natura Sttraverso i Modelli. Bologna, Italy. (1985).
  16. Trogu, P. Bionics and Design: Pure and Applied Research. Living Machines 2014: 3rd International Conference on Biomimetics and Biohybrid Systems, Barcelona, Spain, (2014).
  17. Porter, M. M., Adriaens, D., Hatton, R. L., Meyers, M. A., McKittrick, J. M. Bioexploration: How engineering designs help elucidate the evolution of seahorse tails. SICB Annual Meeting, 2015 Jan 3-7, Society for Integrative and Comparative Biology. West Palm Beach, FL. (2015).
  18. Porter, M. M. Bioinspired Design: Magnetic Freeze Casting. University of California. San Diego. (2014).
  19. De Ridder, C., Lawrence, J. M. Food and feeding mechanisms: Echinoidea. Echinoderm Nutrition. CRC Press. (1982).
  20. Killian, C. E., et al. Self-sharpening mechanism of the sea urchin tooth. Adv. Funct. Mater. 21, (4), 682-690 (2011).
  21. Kier, P. M. Evolutionary trends and their functional significance in the post-paleozoic echinoids. J. Paleo. 48, (3), 1-95 (1974).
  22. Wang, R. Z., Addadi, L., Weiner, S. Design strategies of sea urchin teeth: structure, composition and micromechanical relations to function. Phil. Trans. R. Soc. B: Biol. Sci. 352, (1352), 469-480 (1997).
  23. Ma, Y., et al. The grinding tip of the sea urchin tooth exhibits exquisite control over calcite crystal orientation and Mg distribution. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 106, (15), 6048-6053 (2009).
  24. Markel, K., Gorny, P., Abraham, K. Microstructure of sea urchin teeth. Fortschritte der Zoologie. 24, (2-3), 103-114 (1977).
  25. Andrietti, F., MD, C. arnevali C. andia, Wilkie, I. C., Lanzavecchia, G., Melone, G., Celentano, F. C. Mechanical analysis of the sea-urchin lantern: the overall system in Paracentrotus lividus. J. Zool., London. 220, 345-366 (1990).
  26. Ellers, O., Telford, M. Forces generated by the jaws of Clypeasteroids (Echinodermata: Echionoidea). J. Exp. Biol. 155, 585-603 (1991).
  27. Candia Carnevali, M. D., Wilkie, I. C., Lucca, E., Andrietti, F., Melone, G. The Aristotle's lantern of the sea-urchin Stylocidaris affinis (Echinoida, Cidaridae): functional morphology of the musculo-skeletal system. Zoomorphology. 113, (3), 173-189 (1993).
  28. Wilkie, I. C., Candia Carnevali, M. D., Andrietti, F. Mechanical properties of sea-urchin lantern muscles: a comparative investigation of intact muscle groups in Paracentrotus lividus (Lam) and Stylocidaris affinis (Phil) (Echinodermata, Echinoidea). J. Comp. Physiol. B. 168, (3), 204-212 (1998).
  29. Witze, A. NASA plans Mars sample-return rover. Nature. 509, (7500), 272 (2014).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Video Stats