Ett protokoll för Bioinspired Design: En jord Sampler Baserat på Sea Urchin Jaws

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

Områdena biologi, biologiska materialvetenskap, biomaterial, bioteknik och biokemi använder premiären vetenskapliga tekniker och sinnen i ett försök att ge en djupare förståelse av den otroliga naturen. Denna forskning har förklarat många av de mest fantastiska biologiska strukturer och organismer; från den inneboende seghet humant ben 1,2 till stor näbb Toucan 3. Det är dock en stor del av denna kunskap svår att använda på ett sätt som kan ge en fördel för samhället. Som ett resultat, den tangentiella området bioinspiration använder erfarenheterna från naturen till moderna material för att lösa gemensamma problem. Som exempel kan nämnas superhydrofoba ytor inspirerade av lotusblad 4-6, självhäftande ytor inspirerade av fötter geckoödlor och insekter 7,8, tuffa keramik inspirerats av pärlemor av abalone 9-11 och biopsi skördare inspirerade av munstycket på sjöborre, även känna tilln som Aristoteles lykta 12,13.

Sjöborrar är ryggradslösa djur som omfattas med ryggar vars livsmiljö oftast består av klippiga sängar på havsbotten. Kroppen (kallas ett test) i de största urchin arter kan vara mer än 18 cm i diameter; provstorleken i rosa sjöborrar (Strongylocentrotus fragilis) undersöktes i denna studie kan växa till 10 cm i diameter. Den Aristotles lykta är sammansatt av fem övervägande kalciumkarbonat tänder som stöds av strukturer pyramid som består av mineraliserad vävnad och arrangerade i en kupolliknande formation som omsluter alla utom de distala slip spetsarna på tänderna (Figur 1A).

Muskelstrukturen av backarna är i stånd att effektivt tugga och skrapa även mot hårda hav stenar och koraller. När käftarna öppna, tänderna skjuter utåt och när backarna nära tänderna dras inåt i en enda jämn rörelse. Jämförelse mellan primitive (ovan) och moderna (nedan) sjöborre tand tvärsnitt (Figur 1B) indikerar att en keeled tand utvecklats för att stärka tanden vid slipning mot hårda underlag. Varje individuell tand har en något konvex krökning och en T-formad morfologi i tvärplanet (vinkelrätt mot tillväxtriktningen) på grund av den i längdriktningen fastsatt kölen (Figur 1C, D).

Bioinspiration börjar med observation av intressanta naturfenomen, som effektivt tugga rörelse Aristoteles lykta i sjöborrar. Denna naturliga struktur initialt fångade Aristoteles eftersom det påminde honom om en hornlykta med rutorna horn utelämnats. Mer än två årtusenden senare var Scarpa fascinerad av komplexiteten i Aristoteles lykta som han och senare Trogu härmade naturlig tuggrörelse med endast papper och gummiband (Figur 2A) 15,16. På liknande sätt var Jelinek Bioinspired av chugga rörelse av Aristoteles lykta och utvecklat en bättre biopsi skördare som säkert kunde isolera tumörvävnad utan att sprida cancerceller (Figur 2B, C) ​​12,13. I detta fall Bioinspired utformning utnyttjas för att göra en biomedicinsk anordning som passar ett särskilt behov av en önskad applikation.

Designen protokoll som beskrivs här gäller en sedimentprovtagare Bioinspired av sjöborrar. Genom biologiska materialvetenskap, är den naturliga strukturen hos Aristoteles lykta karakteriseras. Bioinspired konstruktion identifierar möjliga tillämpningar där de naturliga mekanismer kan förbättras genom användning av moderna material och tillverkningstekniker. Den slutliga utformningen är omprövas genom prismat av bioexploration att förstå hur den naturliga tandstrukturen utvecklats (Figur 3). Det sista bioexploration steg, som föreslagits av Porter 17,18, använder teknik analysmetoder som eXplore och förklara biologiska fenomen. Alla viktiga steg i bioinspiration processen presenteras som ett exempel för att utnyttja teknik, förväg godkänts av naturen, som kan användas för att lösa moderna problem. Vår protokoll, motiveras av tidigare bioinspiration procedurer som framförts för specifika tillämpningar av Arzt 7, är riktad till biologer, ingenjörer och alla andra som är inspirerad av naturen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Biologisk materialvetenskap

  1. Bär personlig skyddsutrustning (dvs, handskar, skyddsglasögon och labbrock) och följ alla gällande säkerhetsföreskrifter för att använda dissekera verktyg.
  2. Skölj av tången och skalpell med destillerat vatten som ska användas för dissekering.
  3. Tina en frusen rosa sjöborre vid RT under 1 timme. Placera en upptinad provet i en glasskål med tillräckligt med utrymme för att kunna manövrera Urchin och skärverktyg. Vänd sjöborre upp och ned så att tänderna tips uppåt.
    1. Skär bort bindväv runt omkretsen av Aristoteles lykta med skalpell och lyft försiktigt ut lyktan. Skölj lyktan bort med rinnande destillerat vatten. Kasta oanvända urchin delar på ett korrekt avfallsbehållare.
    2. Vrid Aristoteles lykta igen så spetsarna på tänderna nedåt. Lokalisera plumula slutet av varje tand (mittemot spetsen) uppåt och använda pincett för att ta handhelt glida ut enskilda tänder från lyktan.
  4. Förbered epoxi till potten tänderna. Väg upp 5 g harts och tillsätt 1,15 g härdare (t ex 100 delar harts till 23 delar härdare per vikt) i ett grunt engångsplastbricka. Blanda innehållet tillsammans långsamt utan att bilda bubblor.
    Obs: Lämna inte överbliven blandad epoxi i en behållare med otillräcklig exponering för atmosfären. Härdningsprocessen är exoterm och kan antända närliggande brandfarliga. Hålla någon överbliven blandade epoxi i ett väl ventilerat dragskåp bort från lättantändliga föremål.
    1. Smörj en 2,5 dram plaströr (22 mm innerdiameter, 39 mm längd) med användning av vaselin appliceras med ett finger och torka bort överflödigt med en vävnad. Fyll röret till hälften med blandad epoxi.
    2. Använd pincett för att plocka upp en tand och försiktigt dränka den i epoxi med den krökta konkava sida vänd uppåt. Låt epoxin härdning vid RT under 24 h.
      Obs: Förhindra tandspetsen glider röraplaströret vägg som epoxi härdar sedan blir det möjligt att putsa spetsen svårare.
  5. Placera plaströret med härdad epoxi i ett skruvstäd. Dra åt skruvstäd långsamt tills en spricka görs i plaströret. Skala bort resterande plast från epoxiytan.
    1. Använd en sektionering för att såga epoxi runt tanden ner till en mindre blocket (1 cm 3).
  6. Förbered en ren yta för polering och inrätta en platt arbetsstation med en hård plastskiva. Fyll en sprutflaska med destillerat vatten.
    1. Börja med lägsta slippapper tillgängliga (t.ex., 120) och pressa en liten mängd vatten från tvättflaskan på sandpapper. Med ett lätt tryck, gnugga provet i en fram och tillbaka riktning (t.ex. vänster-höger) under 5 minuter.
    2. Tvätta ytan av provet över ett handfat och torka av med en partikelfri vävnad. Ta bort eventuella överblivna sandpapper korn med tryckluft under 15 sekunder.
    3. Använd successivt högre slippapper (t.ex. 600 och 2400) för att upprepa protokoll steg 1.6.1 och 1.6.2. Med ett lätt tryck, gnugga provet i en fram och tillbaka vinkelrätt mot föregående polska steg (t.ex. upp och ner, vänster och höger).
      Obs: Använd ett ljusmikroskop vid 20X förstoring för att se vinkelräta repor korsar varje korn nivå (t.ex., 120, 600, 2400). Flytta till nästa högre sandpapper när skrapmärken från tidigare kornnivå försvinner.
    4. Förbereda en sprutflaska med tre-um diamantpolering suspension i en 1: 1 destillerat vatten-lösning. Använd en polsk trasa för diamantsuspension att upprepa protokoll steg 1.6.1 och 1.6.2.
    5. Förbereda en sprutflaska med 0,5-um aluminiumoxidpoler suspension i en 1: 1 destillerat vatten-lösning. Använda en microcloth poleryta för att upprepa protokollet steg 1.6.1 och 1.6.2.
      Obs: Fine skrapmärken från protokoll steg 1.6.4 och 1.6.5 kommer inte att vara visible vid 20X förstoring. För dessa protokollsteg, polska under 5 minuter i en fram och återgående rörelse för att ta bort alla tidigare repor.
    6. Rengöra den polerade ytan med destillerat vatten och användning partikelfritt vävnad med komprimerad luft för att noggrant torka. Wrap med partikelfritt vävnad för att upprätthålla högglanspolerad yta.
      Obs: Torka alla polering ytor nedåt på stora partikelfria vävnader. Förvara i en plasthylsa för att undvika dammpartiklar lösa på ytan mellan poler gånger.
  7. Karakterisera sjöborre tandmikro med svepelektronmikroskop (SEM). Använda en sputter beläggaren för att förstofta iridium med en avsättningsström av 85 mA under 10 sek på den polerade tandytan för en beläggningstjocklek på ~ 20 nm.
    1. Skaffa micrograph bilder på 250X - 4,000X förstoring med en SEM.
      Notera: Använd 5 kV i svepelektron (SE) läge och 15 kV i återspridda elektron (BSE) läge. Använda BSE-läge för att identifiera kalcit fibers varvat med Mg-berikade polykristallina grundmassan.
  8. Utför mikro datortomografi (μ-CT) skannar av en hel rosa sjöborre och en nyligen dissekeras Aristoteles lykta. Placera varje tinade provet inuti den slutna kammarbehållare med en fuktad vävnad för att ge en fuktig miljö vid skanning.
    1. Skanna hela sjöborre och Aristoteles lykta med μ-CT med en isotrop voxel storlek 36,00 um och 9,06 um, respektive. Applicera en elektrisk potential av 100 kVp och 70 kVp med ström på 100 mA och 141 mA, för hela sjöborre och Aristotles lykta, respektive, med användning av en 1,0 mm aluminiumfilter för båda.
    2. Applicera en balk härdningskorrektionsalgoritmen under bildrekonstruktion för att redogöra för balk härdning artefakter som blir resultatet av μ-CT röntgenkälla som avger röntgenstrålar flera energier som använder tillverkarens protokoll.
  9. Använd bildprogram att förfina IMAge segmentering och förvärva en triangel mesh modell för Aristoteles lykta struktur.
    1. Belastning och förhandsgranska Aristoteles lykta bilddata från μ-datortomografi. Matcha voxelstorleken (9,06 um) till värden från mikro datortomografi.
    2. Använd en volymrenderingsfunktion att visualisera Aristoteles lykta i 3D-rymden. Justera 2D ortogonala skiva med Markeringsram modulen och justera tröskelvärdet / färg med volym Rendering-modulen.
    3. Gör mask segment för regionen av intresse (t.ex. sjöborre tand) med segmente redaktör. Välj XY, YZ, och XZ plan och 3D isometrisk vy. Använd trollspö (svart pil) för att skilja mellan enkla strukturer (tand kontra pyramiden) i Aristoteles lykta.
    4. Rekonstruera modellytan från de extraherade masksegmenten. Välj Surface Generation modulen och tillämpa. Avmarkera volymåtergivning Inställningar för att ha synliga ovansida försvinner. TillsättYta Se modul för att visa ytan resultat.
    5. Förenkla modellen ytan genom att minska antalet ytor till <18.000.
    6. Redigera individuella triangel mesh på modellytan som behövs. Spara modellen som en stereolitografi (STL) fil för export använda med datorstödd konstruktion (CAD) modellering programvara.

2. Bioinspired Design

  1. Använd Aristoteles lykta från mikro-datortomografi som en referens för att göra en Bioinspired design med CAD-modellering programvara.
    Obs! Bioinspired design har fem böjda tänder med höjd 6 cm och diameter 8 cm för slutna lykta. Det skalas upp ~ 5x från storleken av den naturliga Aristoteles lykta.
  2. Spara STL-fil delar på ett flashminne och överföra filerna till en smält nedfall modellering (FDM) 3D-skrivare.
    1. Last akrylonitrilbutadienstyren (ABS) plast och stöd plastmaterial patroner i lämpliga slitsar 3D printer.
    2. Sätt modellering bas på Z-plattformen och anpassa flikarna med spåren på metallbrickan.
    3. Öppna varje STL-fil delar och följ anvisningarna bildskärm för att skriva ut alla lykta delar samtidigt.
      Obs: Lantern delar måste passa inom klimatskalet (25 x 25 x 30 cm 3) för 3D-skrivare. Alla fem tänder är anordnade på modellering basen och skrivas samtidigt med tandspetsen vänd uppåt. Build hastigheten är 16 cm 3 per timme och den totala byggtid är ungefär åtta timmar.
    4. Släpp modellering bas flikarna när alla fil delar skrivs ut och skjut basen ur 3D-skrivare längs styrskenorna.
    5. Använda en metallspatel för att bända alla delar utanför basen och en metall-fil för att bära ner någon extra plast fäst vid en strålkastare.
    6. Placera de tryckta delarna i ett uppvärmt bas bad tills stödplastmaterial upplöses.
  3. Fäst varje tand till en gemensam arm med en link stång och två E-låsringar på vardera sidan.
    Obs: Se Figur 6 för montering av Bioinspired Aristoteles lykta.

3. Bioexploration

  1. Använd CAD-filen för Bioinspired tand att göra en finita elementmodellering (FEM) spänningsanalys test.
    1. Öppna filen (xx.sldprt) att göra ytterligare teknisk analys. Ovanför fliken "Tillbehör", välj "Solidworks Simulation" -knappen.
    2. Ovanför "Simulation", välj den "studievägledare" -knappen och sedan rullgardins alternativet "Ny studie".
    3. Välj vilken typ av simuleringstest som ska köras genom att välja "Static".
    4. På den statiska provningen listan, högerklicka på "Fixtures" och välj "fast geometri".
    5. Klicka på de inre ytorna för att lägga fixturer till monteringshålen där stift kommer att gå.
    6. På den statiska provningen listan, högerklicka på "yttre laster" och Select "Force".
    7. Klicka på tandgnissling spetsen ansikten att tillämpa 45 N kraft på kanterna.
    8. På den statiska provningen listan, högerklicka på "yttre laster" och välj "Gravity".
    9. Indikera "Top Plane" för gravitationskraften som appliceras vinkelrätt mot planet.
    10. På den statiska provningen listan, högerklicka på "Mesh" och välj "Skapa Mesh".
    11. Flytta skala bar för "Mesh Density" hela vägen till höger för "Fine".
    12. På den statiska provningen listan, högerklicka på "Static" och välj "Kör" för att köra testet.
      Obs: Den färgade skala bar för områden av högsta stress och den "sträckgräns".
  2. Jämför spänningsanalys testresultat för Bioinspired tand med och utan köl.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Bioinspired utformningen av Aristoteles lykta provtagningsanordningen beror mycket på kvaliteten på karakterisering metoder som används. Icke-invasiva tekniker som μ-CT är användbara för att analysera hela lykta och enskilda tänder att tillämpa applikationsspecifika förbättringar för Bioinspired konstruktion (Figur 4). Samtidigt kan tandmikro undersökas via sekundär elektron och back-spridda elektronmikrofotografier av den polerade tvärsnitt av en enskild tand (Figur 5). Ju mörkare grå regionen är den hårdare sten del av tandgnissling spets och består av upp till 40 mol% magnesiumatomerna som ersätter kalciumatomer.

Analys av tandmikro med BSE-SEM (Figur 5) bekräftade den strukturella betydelsen av Mg-berikade sten del i tandgnissling spetsen. Platta och fiber primary element (kalcit monokristaller, ljusare grå i figur 5C) är förbundna med varandra medelst en matris av sekundära element (kalcit och magnesiumkarbonat polykristaller, mörkare grå i fig 5C), som utgör den hårdaste sten regionen av tandslipspetsen.

Den Bioinspired lykta har utformats med CAD-program, 3D-tryckt och monteras (figur 6) för uppsamling av sand på stranden (Figur 7). Stresstester analys användes för att beräkna von Mises stress två tand mönster, ett utan kölen (Figur 8A) och den andra med kölen (Figur 8B). En fast nät bestående av tetrae användes över geometri tanden. Den kraftvärde som valts (45 N) matchas mätningar från tester på stranden för att tränga in 1 cm djupt in hård sand med lykta tänder vinkelrätt mot ytan.

(Figurerna 7A, B). Mass ökningen är liten jämfört med minskningen i stress som kölen ger. Minskningen i spänning visar effektiviteten av denna Bioinspired design för koncentration av stressen inom det keeled regionen.

Figur 1
Figur 1. Sjöborre Aristoteles lykta och tand morfologi. (A) Närbild av den ventrala syn på en sjöborre (vänster) och Aristoteles lykta (höger) 13. (B) Tvärsnitt avspårförsedda tanden av en primitiv cidaroid sjöborre (överst) och den keeled tanden av en modern camarodont sjöborre (botten) 14. (C) En isolerad tand sedd från sidan med spetsen (botten) och indikerade köl (vänster) 20. (D) SEM-bild av en polerad tand tvärsnitt med den indikerade kölen (botten) 20. Bilder anpassas från angivna referenser för (A), (B), (C) och (D). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 2
Figur 2. Bioinspired designs baseras på Aristotles lykta. (A) Isometrisk vy av en ritning för en bion modell av Aristoteles lykta, vilken har 3D tryckta plast pkonst förbinds med gummiband (ej visade) för den anslutna muskulatur 16. (B, C) ​​Den Aristoteles lykta fungerade som en biologisk inspiration för en biopsi skördare 13. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 3
Figur 3. Fyra steg i bioinspiration processen. (Medurs från vänster) Den bioinspiration Processen börjar med att lära från naturen genom observation av den rosa sjöborre och Aristoteles lykta. (Överst) Analys av sjöborre och Aristoteles lykta struktur från μ-datortomografi (vänster). (Höger) Insamlade Resultaten används för att generera en Bioinspired konstruktion prototyp. (Botten) Tekniska analysmetoder har tillämpats för att undersöka biologiska phenomena och Bioinspired designen 17,18. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 4
Figur 4. Mikro datortomografi analys av Aristoteles lykta struktur. (A) från sidan av pyramidstrukturer som bidrar till att stödja tänderna. (B) sjöborre tänder stack ovanpå varandra och uppvisar fem gånger symmetri. (C) distala spetsen delarna avlägsnas för att visa de i längdriktningen bifogade köl strukturer för alla fem tänder. (D) En individuell tand och kölen (blå) med motsvarande pyramid (gul) visas och även anges i (C). Klickahär för att se en större version av denna siffra.

figur 5
Figur 5. Svepelektronmikroskopi (SEM) analys av den sjöborre tandmikrostruktur. (A) SEM-mikrograf av en polerad tand tvärsnitt med det svaga sten rand region och kölen (botten) anges. (B, C) ​​bakåtspridda elektron SEM mikrofotografier av de lila och orange lådor från (A) visar krökt platta och runda fiber kalcit primära element belägna ovanför en tätare Mg-berikad polykristallina matris (mörkare grå). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 6
Figur6. Monterade 3D ​​tryckt Bioinspired Aristoteles lykta delar. (A) E-låsringar och länkstänger används för att fästa 3D tryckt tand delar på tre gemensamma ståndpunkter. (B) monterade Bioinspired Aristoteles lykta med en tand bort. (C) Vy över kölen för enskilda tänder och omklädnings gemensamma ståndpunkter när lyktan är delvis (till vänster) och helt öppen (till höger). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 7
Figur 7. Bioinspired Aristoteles lykta utformning och användning på stranden. (A, B) Datorstödd bilder av Bioinspired Aristoteles lykta medan stängd och helt öppen, respektive. (C) 3D tryckt Bioinspired Aristoteles lykta samlas olika typer av sand på stranden. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 8
Figur 8. Bioinspired sjöborre tand spänningsanalys test. (A, B) Finit elementanalys visar den icke-keeled (A) kontra keeled (B) tand när kraft anbringas på tandkanterna. Den keeled tand konstruktion upplevt ~ 16% mindre stress på grund av tillsats av kölen. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Sjöborrar använda Aristoteles lykta (figur 1 A) för en mängd olika funktioner (matning, tråkig, svängbara, osv). Fossila fynd tyder på att lyktan har utvecklats i form och funktion från de mest primitiva cidaroid typ till camarodont typ av moderna sjöborrar 14. Cidaroid lyktor har i längdriktningen spårad tänder (Figur 1B, överst) och icke-separerade muskelfästet till dess pyramidstruktur. Detta begränsar deras rörelse upp och ned och berövar dem större skrapa effekt som genereras av rörelse i sidled, som observeras i modernare camarodont lyktor (figur 1B, nederst). Biologer har spekulerat att keeled tand (Figur 1C, D) utvecklats camarodonts att förstärka tanden under starka dragkrafter som alstras genom skrapning hårda substrat 18,20,23.

Den Bioinspired designen protokollet i detta arbete kombineratbiologi, biologiska materialvetenskap, Bioinspired design och bioexploration (figur 3) för att utveckla en Bioinspired enhet med en specifik funktion för provtagning sediment. Den μ-datortomografi av Aristoteles lykta (Figur 4) importerades som en STL-fil för referens eftersom den slutliga provtagaren designen inte efterlikna komplexa muskelfästet i den naturliga strukturen. Istället Bioinspired designen använde en enklare öppning och stängning mekanism med delar som kan tillverkas enkelt genom en 3D-skrivare för montering i Aristoteles lykta sampler. Totalt använde vi en cirkulär strategi för Bioinspired konstruktion eftersom bioexploration steg tillåts för nya slutsatser som kan dras av den naturliga biologi. Potentiella ändringar i Bioinspired design kan hantera olika applikationer förutom provtagning sediment. En begränsning med detta protokoll är att det är inriktat på en specifik tillämpning av den Bioinspired processen för en anordning baseradpå Aristoteles lykta. Däremot kan det protokoll som beskrivs här tillämpas på analys, utveckling och slutliga tillverkning av andra Bioinspired konstruktioner baserade på biologiska prover.

Den primära ansökan om detta församlade Bioinspired Aristoteles lykta sampler (figur 6) var för att samla lösa och packad sand (Figur 7). Framöver har NASA en plan för att föra tillbaka Martian prover till jorden med hjälp av en provretur rover efter en rad uppdrag under många år 29. Ett prov-retur rover utrustad med en Bioinspired Aristotles lykta sampler kan vara fördelaktigt för framtida uppdrag. En mindre sampler som liknar storleken på en naturlig Aristotles lykta kan också vara användbara för andra tillämpningar. Anisotropin av hårdhet i naturliga urchin tänder, medan intressant i sin egen rätt, inte införlivades i denna Bioinspired design.

Bioexploration av keeled kontra icke-keeled tänder bekräftade den viktiga strukturella syftet med kölen i naturliga sjöborrar (Figur 8). Den bioexploration Resultatet ger data som hjälper till att förklara varför moderna sjöborrar utvecklats köl strukturer. Vi erkänner att Porter 17,18 var först med att föreslå bioexploration steg tillämpas i detta arbete, vilket var nödvändigt för att använda teknik analysmetoder för att kvantifiera den mekaniska fördelen med kölen strukturen i sjöborre tand. Framtida Bioinspired konstruktion som förbinder naturlig observation, biologiska materialvetenskap, Bioinspired design och bioexploration kan vara till nytta för att införliva en djupare rotad förtrogenhet med naturlig konstruktionsprinciper.

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