פרוטוקול עיצוב Bioinspired: סמפלר קרקע בהתבסס על הים Urchin מלתעות

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

בתחומי ביולוגיה, מדע חומרים ביולוגיים, חומרים ביולוגיים, Bioengineering וביוכימיה להעסיק בטכניקות מדעיות הבכורה ומוחה בניסיון לספק הבנה עמוקה יותר של העולם הטבעי המדהים. מחקר זה הסביר רב של מבנים ביולוגיים הכי המדהימים ואורגניזמים; מן הקשיחות הפנימית של עצמות אדם 1,2 אל המקור הגדול של טוקאן 3. עם זאת, הרבה של הידע הזה קשה להעסיק באופן שיכול לספק תועלת לחברה. כתוצאה מכך, בתחום המשיק של bioinspiration מעסיק את הלקחים מן הטבע לחומרים מודרניים כדי לפתור בעיות נפוצות. דוגמאות כוללות משטחים הידרופובי בהשראת לוטוס משאיר 4-6, משטחים דבקים בהשראת הרגליים של שממיות וחרקי 7,8, קרמיקה קשוחה בהשראת הצדף של אוזן ים 9-11 מוסקי ביופסיה בהשראת שופרו של קיפוד הים, גם לָדַעַתn כמו פנס של אריסטו 12,13.

קיפודי ים הם בעלי חיים חסרי חוליות מכוסות קוצי גידול אשר לרוב מורכב המיטות הקשות על קרקעית האוקיינוס. הגוף (שנקרא מבחן) של מינים קיפוד הגדול יכול להיות יותר מ 18 ס"מ קוטר; גודל מבחן קיפודי ים ורוד (Strongylocentrotus fragilis) שנבדקו במחקר זה יכול לגדול עד 10 ס"מ קוטר. הפנס של אריסטו מורכב מחמישה השיניים סידן פחמתי ברובה נתמך על ידי מבנים הפירמידה מורכבת רקמות mineralized וסידר לתוך במערך דמוי כיפה התוחמים את כל אבל קצות שחיקה הדיסטלי של השיניים (איור 1 א).

מבנה השריר של הלסתות מסוגל ללעוס יעיל מגרד אפילו נגד אבני אוקיינוס ​​קשות ואלמוגים. כשהמלתעות פתוחות, מזדקרות השיניים החוצה וכאשר הלסתות קרובות, השיניים לחזור פנימה בתנועה חלקה אחת. השוואה בין primitivדואר (לעיל) ומודרניים (להלן) שן קיפוד ים חתכים (האיור 1B) עולים כי שן התמוטט התפתח לחזק את השן כאשר מתחכך מצעים קשים. לכל שן בודד עקמומיות קמורה מעט מורפולוגיה דמוית T במישור הרוחבי (הרגיל לכיוון הצמיחה) בשל השדרית המצורפת אורכים (איור 1 ג ', ד').

Bioinspiration מתחיל עם תצפית של תופעות טבע מעניינות, כגון תנועת הלעיסה היעילה של הפנס של אריסטו קיפודי ים. מבנה זה טבעי בתחילה שבי אריסטו כי זה הזכיר לו פנס צופר עם השמשות צופרות נשארות בחוץ. יותר מאלפיים שנה מאוחר יותר, Scarpa הוקסם המורכבות של הפנס של אריסטו שהוא ובהמשך Trogu חיקה תנועת לעיסה הטבעית באמצעות נייר בלבד גומיות (איור 2 א) 15,16. באופן דומה, ילינק היה bioinspired ידי גפִּסוּל תנועת פנסו של אריסטו ופתח מקצרת ביופסיה טובה שיכולים לבודדת רקמת tumorous בבטחה בלי להפיץ תאים סרטניים (התרשים 2B, C) ​​12,13. במקרה זה, עיצוב bioinspired נוצל כדי להפוך התקן ביו שמתאים צורך ספציפי עבור יישום רצוי.

פרוטוקול העיצוב המתואר כאן חל על סמפלר משקע bioinspired ידי קיפודי ים. באמצעות מדע חומרים ביולוגיים, את המבנה הטבעי של הפנס של אריסטו מאופיין. עיצוב Bioinspired מזהה יישומים פוטנציאליים שבהם מנגנונים טבעיים ניתן לשפר באמצעות שימוש בחומרים מודרניים ושיטות ייצור. העיצוב הסופי הוא בחינה מחודשת דרך הפריזמה של bioexploration להבין כיצד מבנה השן הטבעית התפתח (איור 3). צעד bioexploration האחרון, המוצע על ידי פורטר 17,18, משתמש בשיטות ניתוח הנדסי לדוארXPLORE ולהסביר תופעות ביולוגיות. כל הצעדים החשובים של תהליך bioinspiration מוצגים כדוגמה רתימת הטכנולוגיה, שאושרו מראש על ידי הטבע, אשר ניתן להשתמש בהם לפתרון בעיות מודרניות. הפרוטוקול שלנו, מונע על ידי נהלי bioinspiration הקודמים הציגו עבור יישומים ספציפיים על ידי ארצט 7, הוא ממוקד עבור ביולוגים, מהנדס וכל מי היא בהשראת הטבע.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. ביולוגית חומרי מדע

  1. ללבוש ציוד מגן אישי (כלומר, כפפות, משקפי מגן וחלוק מעבדה) ולעקוב אחר כל נהלי הבטיחות חלו על שימוש בכלים לנתח.
  2. לשטוף מלקחי אזמל עם מים מזוקקים להשתמש לנתיחה.
  3. להפשיר וקיפוד ים ורוד קפוא ב RT עבור שעה 1. מניח דגימה מופשרת בצלחת זכוכית עם מספיק מקום כדי להיות מסוגל לתמרן את כלי קיפוד וחיתוך. סובב את הקיפוד במהופך כך טיפי שיניים עם פנים כלפי מעלה.
    1. לחתוך את רקמת החיבור מסביב פנסו של אריסטו עם אזמל בזהירות להרים את הפנס. שוטפים את הפנס מעל עם מים זורמים מזוקקים. בטל חלקי קיפוד בשימוש במכל סילוק פסולת ראוי.
    2. סובב את הפנס של אריסטו ושוב כך קצות השיניים עם הפנים כלפי מטה. אתר את סוף plumula של כל שן (מול אל הקצה) פונה כלפי מעלה להשתמש במלקחיים כדי לטפלמלא להחליק החוצה שיניים בודדות מן המנורה.
  4. כן אפוקסי סיר השיניים. לשקול 5 גרם של שרף ולהוסיף 1.15 גרם של מקשה (למשל, 100 חלקים שרפו 23 חלקים hardener לפי משקל) מגש פלסטיק חד פעמי רדוד. מערבבי תוכן יחד לאט בלי ליצור בועות.
    הערה: אל תשאיר אפוקסי מעורב שאריות במיכל עם חשיפה מספקת לאווירה. תהליך הריפוי פולט חום יכול להצית חומרים דליקים סמוכים. אל תכניסו אפוקסי שאריות מעורב במנדף מאוורר היטב הרחק פריטים דליקים.
    1. סוך צינור פלסטיק 2.5 DRAM (22 מ"מ קוטר פנימי, 39 מ"מ אורך) באמצעות וזלין מוחל עם אצבע ולנגב עודף כלשהו עם רקמה. מלאו את חצי צינור עם אפוקסי מעורב.
    2. השתמש במלקחיים כדי להרים שן ובזהירות להשקיע אותה אפוקסי עם הצד הקעור המעוקל כלפי מעלה. תנו לרפא אפוקסי ב RT למשך 24 שעות.
      הערה: מנע את קצה השן נסחף לגעתקיר צינור הפלסטיק כמו מרפא אפוקסי מאז זה יגרום ליטוש הקצה קשה יותר.
  5. מניח את צינור הפלסטיק עם אפוקסי נרפא במלחציים. הדק את המלחציים לאט עד סדק נעשה בצינור הפלסטיק. לקלף פלסטיק שיורית מפני השטח אפוקסי.
    1. השתמש חתך ראה לחתוך אפוקסי סביב השן עד גוש קטן (1 ס"מ 3).
  6. הכן באזור נקי לליטוש להקים תחנת עבודה שטוחה עם לוח פלסטיק קשיח. מלאו בקבוק להשפריץ עם מים מזוקקים.
    1. התחל עם נייר הזכוכית חצץ הנמוך ביותר הזמינה (למשל, 120) וסוחט כמות קטנה של מים מהבקבוק לשטוף על נייר הזכוכית. באמצעות לחץ קל, לשפשף המדגם בגב אחד ושוב כיוון (למשל, שמאל וימין) במשך 5 דקות.
    2. לשטוף את פני השטח של המדגם מעל כיור ולנגב עם טישו חלקיק חופשי. הסר חצץ נייר זכוכית שאריות עם אוויר דחוס במשך 15 שניות.
    3. השתמש בהדרגה נייר זכוכית חצץ גבוה (למשל, 600 ו- 2,400) לחזור פרוטוקול צעדים 1.6.1 1.6.2. באמצעות לחץ קל, לשפשף את המדגם הלוך ושוב בכיוון ניצבת הצעד הפולני הקודם (למשל, למעלה למטה, משמאל לימין).
      הערה: שימוש במיקרוסקופ אור בהגדלה 20X לראות שריטות בניצב מצטלבים עם כל רמה חצץ (למשל, 120, 600, 2,400). עבור אל נייר הזכוכית חצץ הבאה גבוהה כאשר סריטות המרמה חצצה הקודמת להיעלם.
    4. הכינו בקבוק להשפריץ עם ההשעיה ליטוש יהלומים 3-מיקרומטר 1: פתרון מים מזוקקים 1. השתמשו במטלית פולנית עבור השעיות יהלום לחזור פרוטוקול צעדים 1.6.1 1.6.2.
    5. הכינו בקבוק להשפריץ עם ההשעיה ליטוש אלומינה 0.5 מיקרומטר ביחס של 1: פתרון מים מזוקקים 1. השתמש משטח ליטוש microcloth לחזור פרוטוקול צעדים 1.6.1 1.6.2.
      הערה: סריטות פיין מ פרוטוקול שלבי 1.6.4 ו 1.6.5 לא תהיה visible בהגדלה 20X. לקבלת שלבי פרוטוקול אלה, פולנים במשך 5 דקות בתוך קדימה ואחורה בתנועה כדי להסיר את כל השריטות הקודמות.
    6. נקה את המשטח המלוטש עם רקמת חלקיקים ללא מים ושימוש מזוקקים עם אוויר דחוס כדי יבש בזהירות. עוטפים עם רקמת חלקיק חופשי לשמור לסיים את המראה המלוטש.
      הערה: יבש של המשטחים מכל סוגי הליטוש עם הפנים כלפי מטה על רקמות חלקיק גדולות ללא תשלום. אחסן בתוך שרוול פלסטיק כדי למנוע חלקיקי אבק יישוב על פני השטח בין זמני ליטוש.
  7. לאפיין את מיקרו שן הים קיפוד באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM). השתמש coater גמגום לקרטע אירידיום עם זרם בתצהיר של 85 מילי-אמפר עבור 10 שניות על גבי משטח השן מלוטש עבור עובי הציפוי של ~ 20 ננומטר.
    1. להשיג תמונות מיקרוסקופ ב 250X - הגדלה 4,000X באמצעות SEM.
      הערה: השתמש 5 kV ב אלקטרונים סורקים במצב (SE) ו -15 קילו ב אלקטרון גב מפוזר (BSE) במצב. השתמש במצב BSE לזהות לבלף קלציטERS וביניהם מטריצה ​​רב-גבישי מועשר Mg.
  8. בצע טומוגרפיה מיקרו ממוחשבת (μ-CT) סריקות של קיפוד ים ורוד כולו פנס של אריסטו גזור טרי. מקם מדגם מופשר בתוך המכל בתא סגור עם רקמת לחלח לספק סביבה humidified בזמן הסריקה.
    1. סרוק את קיפוד כולו ואת הפנס של אריסטו ידי μ-CT עם גודל voxel איזוטרופיים של 36.00 מיקרומטר ו 9.06 מיקרומטר, בהתאמה. החל הפוטנציאל החשמלי של 100 KVP ו -70 KVP עם הנוכחי של 100 מילי-אמפר ו 141 mA, עבור קיפוד כולו ואת הפנס של אריסטו, בהתאמה, באמצעות מסנן אלומיניום 1.0 מ"מ עבור שניהם.
    2. החל אלגוריתם תיקון קרן התקשות במהלך שחזור תמונה לתת דין וחשבון על חפצי התקשות קרן שנובעים ממקור μ-CT רנטגן פולט צילומי רנטגן של אנרגיות מרובות באמצעות הפרוטוקול של היצרן.
  9. השתמש בתוכנת ההדמיה כדי לחדד IMAge פילוח ולרכוש מודל רשת משולש למבנה הפנס של אריסטו.
    1. טען ותצוגה מקדימה נתוני תמונת הפנס של אריסטו מן סריקת μ-CT. התאימו את גודל voxel (9.06 מיקרומטר) לערכים מן הסריקה מיקרו-CT.
    2. השתמש בפונקצית טיוח נפח לדמיין את פנס אריסטו בחלל 3D. התאם את פרוסת מאונך 2D עם מודול התיבה התוחמת ולהתאים את ערך סף / צבע עם מודול טיוח נפח.
    3. הפוך מגזרי מסכה לאזור של עניין (למשל, שן ים קיפוד) באמצעות עורך הפילוח. בחר XY, YZ, XZ ומטוסים ונוף איזומטרי 3D. השתמש שרביט קסמים (חץ שחור) כדי להבחין בין מבנים פשוטים (שן לעומת הפירמידה) ב הפנס של אריסטו.
    4. משחזר את שטח מודל מתחומי מסכת החילוץ. בחר את מודול דור Surface וליישם. הסר את הסימון ליד נפח טיוח הגדרות כדי לקבל את המשטח העליון הגלוי להיעלם. מוסיפים אתמודול צפה Surface להצגת תוצאת השטח.
    5. פשט את שטח המודל על ידי הקטנת מספר הפרצופים כדי <18,000.
    6. עריכת רשת משולשת פרט על פני שטח המודל לפי צורך. שמור את המודל כקובץ stereolithography (STL) לייצוא לשימוש עם תוכנת מידול בעזרת מחשב עיצוב (CAD).

2. עיצוב Bioinspired

  1. השתמש בפנס של אריסטו מן הסריקה מיקרו-CT כהתייחסות לעשות עיצוב bioinspired עם תוכנת מודלים CAD.
    הערה: עיצוב bioinspired יש חמש שיניים מעוקלות עם גובה 6 סנטימטרי קוטר 8 סנטימטר עבור הפנס הסגור. זה ישתנה עד ~ 5x מגודל פנסו של אריסטו הטבעי.
  2. שמור את חלקי קובץ STL בכונן בזק ולהעלות את קבצי דוגמנות בתצהיר התמזג (FDM) מדפסת 3D.
    1. גומי סינתטי ניטריל טען (ABS) מחסניות חומר פלסטי ותמיכה פלסטיק לחריצים המתאימים של p 3Drinter.
    2. הכנס את בסיס מודלים בפלטפורמת Z וליישר כרטיסיות עם חריצים על מגש מתכת.
    3. פתח כל אחד מהחלקים קובץ STL ופעל בהתאם לשלבים מסך התצוגה כדי להדפיס את כל חלקי הפנס בעת ובעונה אחת.
      הערה: חלקי Lantern חייבים להתאים מעטפת הבניין (25 x 25 x 30 סנטימטרים 3) עבור מדפסת 3D. כל חמש השיניים מסודרות על בסיס המודלים מודפסות בו זמנית עם קצה השן פונה כלפי מעלה. שיעור לבנות הוא 16 ס"מ 3 לשעה הזמן לבנות הכולל הוא כ 8 שעות.
    4. שחרר את בסיס המודלים מלשוניות כשכל חלקי הקובץ מודפסים וחלק את הבסיס מתוך מדפסת 3D במקביל למובילי המגש.
    5. השתמש מרית מתכת לחטט בכל החלקים מהבסיס וקובץ מתכת להתיש כל פלסטיק נוסף מצורף החלקים.
    6. מניח את החלקים המודפסים לתוך אמבט בסיס מחומם עד להמסת חומר פלסטי תמיכה.
  3. הדקו כל שן לזרוע משותף עם liמוט nk ושתי טבעות שמירה-E צידיו.
    הערה: עיין איור 6 להרכבת פנסו של אריסטו bioinspired.

3. Bioexploration

  1. השתמש קובץ CAD עבור שן bioinspired לעשות דוגמנות אלמנטים סופית מבחן ניתוח מתח (פאם).
    1. פתח את הקובץ (xx.sldprt) לעשות ניתוח הנדסי נוסף. מעל הלשונית "מוצרי Office", בחר בלחצן "SolidWorks סימולציה".
    2. מעל הלשונית "סימולציה", בחר בלחצן "יועץ לימודים" ולאחר מכן את האפשרות הנפתחת "מחקר חדש".
    3. בחר את סוג מבחן סימולציה שיופעל על ידי בחירת "סטטי".
    4. ברשימת הבדיקה סטטי, לחץ לחיצה ימנית על "גופים" ובחר "גיאומטריה קבועה".
    5. הקש על פניהם הפנימיים להוסיף גופים כדי ההרכבה החורה איפה סיכות תלכנה.
    6. ברשימת הבדיקה סטטי, לחץ לחיצה ימנית על "המון חיצוניים" אין תמיכה בבחירהt "חיל".
    7. לחץ על השן שחיקה טיפ פונה ליישם 45 N כוח אל הקצוות.
    8. ברשימת הבדיקה סטטי, לחץ לחיצה ימנית על "המון חיצוני" ובחר "Gravity".
    9. ציין "Plane למעלה" לכוח הכבידה להחיל נורמלי המטוס.
    10. ברשימת הבדיקה סטטי, לחץ לחיצה ימנית על "Mesh" ובחר "צור Mesh".
    11. הזז את סרגל קנה המידה עבור "צפיפות Mesh" כל הדרך ימינה עבור "פיין".
    12. ברשימת הבדיקה סטטי, לחץ לחיצה ימנית על "סטטי" ובחר "הפעל" כדי להפעיל את הבדיקה.
      הערה: סרגל הסולם בצבע עבור תחומי הלחץ הגבוה ביותר ואת "כוח התשואה".
  2. השוואת תוצאות בדיקת ניתוח מתח עבור שן bioinspired עם ובלי השדרית.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

עיצוב Bioinspired של מכשיר דגימת פנס של אריסטו תלוי במידה רבה על איכות שיטות האפיון בשימוש. טכניקות לא פולשני כמו μ-CT מועילות לניתוח הפנס כולו ושיני פרט ליישם שיפורים ספציפיים ליישום על עיצוב bioinspired (איור 4). בינתיים, מיקרו השן יכול להיחקר באמצעות אלקטרונים משניים micrographs אלקטרונים הלוך-הפזורים של חתך מלוטש של שן בודדת (איור 5). האזור האפור הכהה הוא חלק האבן הקשה של הקצה שחיקה השן המורכב של עד 40 אטומי mol% מגנזיום שמחליפים אטומים סידן.

ניתוח מיקרו השן עם BSE-SEM (איור 5) אישר את חשיבות מבנית של חלק אבן Mg-המועשר קצה שחיקה השן. פרימת פלייט וסיבים אלמנטים ר"י (monocrystals קלציט, אפור בהיר באיור 5C) מחוברים יחדיו על ידי מטריצה ​​של אלמנטים משני (קלציט polycrystals קרבונט מגנזיום, אפור כהה באיור 5C), שמרכיבים באזור אבן הקשה ביותר של קצה שחיקה השן.

פנס bioinspired נועד עם תוכנות CAD, מודפס 3D והתכנס (איור 6) לאיסוף החול בחוף הים (איור 7). מתח בדיקות ניתוח שימשו לחישוב הלחץ פון מיזס של שני עיצובים השן, אחד בלי (איור 8 א) השדרית והשני עם השדרית (איור 8B). רשת מוצקה המורכבת tetrahedrons הועסקה על הגיאומטריה של השן. שווי הכח שנבחר (45 N) מתאים מדידות מבדיקות בחוף לחדור 1 סנטימטר עמוק לתוך חול קשה שיני פנס בניצב לפני השטח.

יפ-together.within-page = "1"> המסה של עיצוב השן התמוטט (12.72 גרם) הושווה לזה של עיצוב השן הלא התמוטט (12.26 גרם) למצוא עלייה ~ 4% עבור השדרית הוסיף. במשך 45 N מיושם כוח, הלחץ המרבי שחווים עיצוב השן התמוטט (10.6 מגפ"ס) מול עיצוב השן הלא התמוטט (12.6 מגפ"ס) היה ~ 16% פחות עבור שן התמוטט (איורים 7 א ', ב'). גידול המסה קטן לעומת הירידה להדגיש כי השדרית מספקת. ירידת המתח מדגימה את האפקטיביות של עיצוב bioinspired זה ריכוז של מתח בתוך האזור התמוטט.

איור 1
באיור 1. מורפולוגיה פנס השן של ים קיפודי אריסטו. (א) תקריב של נוף הגחון של קיפוד ים (משמאל) ואת הפנס של אריסטו (מימין) 13. (ב) על סמך חתכים שלשן מחורץ של קיפוד cidaroid פרימיטיבי (למעלה) ואת שן התמוטט של קיפוד camarodont המודרנית (למטה) 14. (C) שן מבודד לראות מהצד שלה עם הקצה (למטה) ואת שדרית מצוינת (צד שמאל) 20. (ד) תמונת SEM של שן חתך מלוטש עם השדרית המצוינת (למטה) 20. תמונות עיבוד אזכור מותווה (א), (ב), (ג) ו- (ד). נא ללחוץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 2
איור 2. Bioinspired עיצובים המבוססים על הפנס של אריסטו. (א) להציג איזומטרי של ציור מודל ביונית פנסו של אריסטו, אשר יש p פלסטיק מודפס 3Dאמנויות המחוברים באמצעות גומיות (מוצג לא) עבור מערכת השרירים המחוברים 16. (B, C) ​​הפנס של אריסטו שמש השראה ביולוגית מקצרה ביופסית 13. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 3
איור 3. ארבעה שלבים של תהליך bioinspiration. (עם כיוון השעון משמאל) תהליך bioinspiration מתחיל עם ולימוד מהטבע באמצעות תצפית של קיפוד ים ורוד ואת הפנס של אריסטו. (למעלה) ניתוח של קיפוד הים ומבנה הפנס של אריסטו מסריקות μ-CT (משמאל). (מימין) תוצאות Collected משמשים ליצירת אבטיפוס עיצוב bioinspired. (למטה) שיטות ניתוח הנדסה יושמו לחקור phen ביולוגיOmena ואת העיצוב bioinspired 17,18. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 4
איור 4. Micro-מחושבים ניתוח טומוגרפיה של מבנה הפנס של אריסטו. (א) צד לנוכח מבני הפירמידה המסייעים לתמוך השיניים. (ב) השיניים של קיפודי הים מחסנית על גבי אחד את השני ולהציג סימטריה פי חמישה. (ג) חלקי קצה דיסטלי יוסרו להראות מבני השדרית המצורפים אורכים עבור כל חמש השיניים. (ד) שן שדרית פרט (כחול) עם מקביל פירמידה (צהובה) מוצגות וגם מצוינת (C). אנא לחץכאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 5
איור 5. במיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM) ניתוח מיקרו השן קיפוד ים. (א) SEM מיקרוסקופ של חתך שיניים מלוטשים עם האזור אבן פס קלוש השדרית (למטה) המצוין. (B, C) ​​micrographs אלקטרוני SEM backscattered של התיבות הסגולות וכתומות מ- (A) להראות צלחת מעוקל אלמנטים ראשוניים קלציט סיבים עגולים ממוקמים מעל מטריצה ​​רבה-גבישי Mg מועשר צפופה (אפור כהה). נא ללחוץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של נתון זה.

איור 6
דמות6. 3D מורכבים מודפסים bioinspired חלקי הפנס של אריסטו. (א) טבעות שמירה-E ומוטות קישור משמשים להדק את חלקי השן מודפס 3D בשלוש עמדות משותפות. (ב) Assembled הפנס של bioinspired אריסטו עם שן אחת שהוסר. (ג) צפה מן השדרית לשיני פרט לבין עמדות משותפות השינוי כאשר הפנס הוא חלקי (משמאל) פתוח לחלוטין (מימין). נא ללחוץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 7
איור 7. עיצוב הפנס של Bioinspired אריסטו ושימוש בחוף הים. (A, B) תמונות תכנון בעזרת מחשב של פנס bioinspired של אריסטו בעוד סגור פתוח, בהתאמה. (Cאת 3D) מודפס bioinspired הפנס של אריסטו שנאסף סוגים שונים של חול על שפת הים. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

הספרה 8
איור 8. ניתוח הים קיפוד שן מתח Bioinspired הבדיקה. (A, B) ניתוח אלמנטים סופיים מראה את הלא התמוטט (א) לעומת התמוטט (B) שן כאשר כוח מוחל בקצוות השן. עיצוב השן התמוטט חווה ~ 16% פחות מתחים בשל תוספת של השדרית. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

קיפודי ים להשתמש בפנס של אריסטו (איור 1 א) עבור מגוון רחב של פונקציות (האכלה, משעממות, סיבוב, וכו '). המאובנים עולים כי הפנס התפתח צורה ותפקוד מן הסוג cidaroid הפרימיטיבי ביותר לסוג camarodont של קיפודי ים מודרניים 14. פנסים Cidaroid יש מחורץ longitudinally שיניים (איור 1 ב ', למעלה) מצורף שרירים שאינם מופרדים למבנה הפירמידה שלו. זה מגביל את שלהם ולמטה תנועה הגוזלת מהם את כוח הגירוד הגדול שנוצר על ידי תנועה לרוחב, אשר נצפתה פנסי camarodont המודרניים יותר (איור 1 ב ', למטה). ביולוגים מעריכים כי השן התמוטטה (איור 1 ג ', ד') התפתחה camarodonts לחזק את השן תחת כוחות המתיחה החזקים שנוצרו על ידי גירוד מצעים קשים 18,20,23.

פרוטוקול עיצוב bioinspired בעבודה זו בשילובביולוגיה, מדעי חומרים ביולוגיים, עיצוב bioinspired ו bioexploration (איור 3) לפתח מכשיר bioinspired עם פונקציה מסוימת עבור משקעי דגימה. סריקת μ-CT פנסו של אריסטו (איור 4) יובאה כקובץ STL לעיון בלבד מאז עיצוב סמפלר הסופי לא לחקות את הקובץ מצורף שריר מורכב במבנה הטבעי. במקום עיצוב bioinspired מועסק מנגנון סגירה לפתיחה פשוט עם חלקים שיכולים להיות מיוצרים בקלות על ידי מדפסת 3D להרכבה לתוך סמפלר הפנס של אריסטו. בסך הכל, השתמשנו בגישה חוזרת עיצוב bioinspired מאז צעד bioexploration מותר מסקנות חדשות להיגרר מהביולוגיה הטבעית. שינויים אפשריים של עיצוב bioinspired יכולים לתת מענה ליישומים שונים מלבד דגימה משקעת. הגבלה של פרוטוקול זה היא בכך שהוא מתמקד יישום ספציפי אחד של תהליך bioinspired עבור מכשיר המבוססעל הפנס של אריסטו. עם זאת, הפרוטוקול המתואר כאן יכול להיות מיושם על ניתוח, פיתוח ייצור אולטימטיבי של עיצובי bioinspired אחרים המבוססים על דגימות ביולוגיות.

היישום העיקרי לכך התאסף bioinspired סמפלר הפנס של אריסטו (איור 6) היה לאיסוף חול רופף דחוס (איור 7). יש במבט קדימה, סוכנות מתכננת להחזיר דגימות ממאדים לכדור הארץ באמצעות רובר מדגם תשואה לאחר רצף של משימות לאורך שנים רבות 29. רובר מדגם תשואה לבוש עם סמפלר הפנס של bioinspired אריסטו עשוי להיות מועיל למשימות עתידיות. סמפלר קטן דומה בגודל של הפנס של טבעי אריסטו יכול להיות גם שימושי עבור יישומים אחרים. אנאיזוטרופיה של קשיות בשיני קיפוד טבעיות, בעוד מעניין בזכות עצמו, לא התאגדה עיצוב bioinspired זה.

Bioexploration של keeled לעומת שיניים הלא התמוטט אשר לצורך המבני החשוב של השדרית ב קיפודי ים טבעיים (איור 8). תוצאת bioexploration מספקת נתונים שעוזרים להסביר מדוע קיפודי הים מודרניים התפתחו מבני שדרית. אנחנו מכירים בכך פורטר 17,18 היה הראשון להציע את צעד bioexploration הוחל בעבודה זו, אשר הייתה חיונית עבור בשיטות ניתוח הנדסי לכמת את היתרון המכאני של מבנה שדרית שן קיפוד הים. עיצוב bioinspired העתיד שמחבר תצפית טבעי, מדע חומרים ביולוגיים, עיצוב bioinspired ו bioexploration יכול להיות מועיל עבור שילוב היכרות ששורשיו עמוקים עם עקרונות תכנון טבעי.

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