JoVE Logo
Authors
Contact Us

Sign In

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • النتائج
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

A protocol for bioinspired design is described for a sampling device based on the jaws of a sea urchin. The bioinspiration process includes observing the sea urchins, characterizing the mouthpiece, 3D printing of the teeth and their assembly, and bioexploring the tooth structure.

Abstract

Bioinspired design is an emerging field that takes inspiration from nature to develop high-performance materials and devices. The sea urchin mouthpiece, known as the Aristotle's lantern, is a compelling source of bioinspiration with an intricate network of musculature and calcareous teeth that can scrape, cut, chew food and bore holes into rocky substrates. We describe the bioinspiration process as including animal observation, specimen characterization, device fabrication and mechanism bioexploration. The last step of bioexploration allows for a deeper understanding of the initial biology. The design architecture of the Aristotle's lantern is analyzed with micro-computed tomography and individual teeth are examined with scanning electron microscopy to identify the microstructure. Bioinspired designs are fabricated with a 3D printer, assembled and tested to determine the most efficient lantern opening and closing mechanism. Teeth from the bioinspired lantern design are bioexplored via finite element analysis to explain from a mechanical perspective why keeled tooth structures evolved in the modern sea urchins we observed. This circular approach allows for new conclusions to be drawn from biology and nature.

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 7، والتي تستهدف لعلماء الأحياء والمهندسين وغيرهم ممن مستوحاة من الطبيعة.

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.

النتائج

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، والمجهر...

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 طولي?...

Disclosures

We have nothing to disclose.

Acknowledgements

This work is supported by Multi-University Research Initiative through the Air Force Office of Scientific Research of the United States (AFOSR-FA9550-15-1-0009) (M. B. F., S. E. N., J.-Y. J., J. M). Collection of pink sea urchins was supported by the University of California Ship Funds and the US National Marine Fisheries Service (K.N.S., J.R.A.T). The authors acknowledge the following people: Prof. Jerry Tustaniwskyj for helpful suggestions during development of the bioinspired Aristotle's lantern sampler, Prof. Marc A. Meyers (UCSD, Dept. of Mechanical and Aerospace Engineering, Materials Science and Engineering Program), Prof. Robert L. Sah and Esther Cory (UCSD, Dept. of Bioengineering), and Dr. Maya deVries (Marine Biology Research Division, Scripps Institution of Oceanography). We also thank undergraduate students Sze Hei Siu, Jerry Ng and Ivan Torres for polishing urchin teeth cross-sections.

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
BUEHLERMET II 8 PLN 600/P1200Buehler305308600102Abrasive paper for polishing
TRIDENT POLISH CLOTH 8" PSABuehler407518Polish cloth for 3 μm suspension
METADI SUPREME POLY SUSP,3MICBuehler406631Polish suspension (3 μm)
MICROCLOTH FOR 8 IN WHEEL PSABuehler407218Polish cloth for 50 nm suspension
MASTERPREP SUSPENSION, 6 OZBuehler636377006Polish suspension (50 nm)
Skyscan 1076 micro-CT ScannerBrukerMicro-CT scanner equipment
Amira softwareFEI Visualization Sciences GroupSoftware for 3D manipulation of Micro-CT scans
FEI Philips XL30FEI PhilipsESEM equipment for characterization of polished tooth cross-sections
SolidWorks Design softwareDassault SystemsDesign software for CAD drawing bioinspired device
SolidWorks Simulation softwareDassault SystemsSimulation software for stress test of CAD drawing bioinspired device
Dimension 1200esStratasys3D printer for fabrication of bioinspired device from CAD drawing
ABSplusStratasys3D printer plastic

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. , (1985).
  16. Trogu, P. Bionics and Design: Pure and Applied Research. , (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. , (2015).
  18. Porter, M. M. . Bioinspired Design: Magnetic Freeze Casting. , (2014).
  19. De Ridder, C., Lawrence, J. M. Food and feeding mechanisms: Echinoidea. Echinoderm Nutrition. , (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. a. r. n. e. v. a. l. i. . C. a. n. d. i. a., 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).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

110 3D

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved