基于海胆大白鲨A接地采样:仿生为设计一个协议

摘要

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.

摘要

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.

引言

生物学领域，生物材料科学，生物材料，生物工程和生化聘请首映的科学技术和思想，试图提供令人难以置信的自然世界有更深的了解。这项研究解释了许多最惊人的生物结构和生物;从人骨^1,2的内在韧性大嘴巨嘴鸟^3。然而，大部分的这方面的知识，很难以一种方式，可以提供一个好处社会采用。其结果是，bioinspiration的切线野采用从自然学会了现代材料的经验教训，以解决共同问题。例子包括莲花启发超疏水表面留下^4-6，由壁虎的脚鼓舞粘接面和昆虫^7,8，由^9-11鲍鱼和海胆的喉舌启发活检收割机的珍珠层的启发强硬陶瓷，也知道n作为亚里士多德的灯笼^12,13。

海胆是长满刺的栖息地最常见的包括在海底的岩石床的无脊椎动物。人体中最大的海胆物种（称为测试）可以超过18厘米，直径;在这项研究考察了粉红色的海胆测试尺寸（ 海胆脆弱 ），可以长到直径10厘米。亚里士多德的灯笼是由由封闭所有，但牙齿（ 图1A）的远端粉碎提示矿化组织的组成和排列为半球状形成金字塔结构，支助了五个主要为碳酸钙的牙齿。

颌骨肌肉结构能够有效的咀嚼和拼抢甚至对硬盘的海洋岩石和珊瑚。当夹爪打开，牙齿向外突出并在爪闭合，牙齿在一个平滑的运动向内缩回。 primitiv的比较E（上）和现代（下）海胆牙齿横截面（ 图1B）表明一个龙骨状齿演变对硬磨底物时，强化牙齿。每个单独的齿具有由于纵向附龙骨（ 图1C，D） ​​的稍微凸起的曲率和在横向平面（垂直于生长方向）的T形的形态。

Bioinspiration始于有趣的自然现象，如亚里士多德在海胆灯笼高效率咀嚼运动的观察。这自然结构最初迷住亚里士多德，因为这让他想起喇叭灯笼与喇叭的窗格冷落。两千多年后，斯卡帕被亚里士多德的灯笼的复杂性，他后来Trogu模仿只使用纸和橡胶带（ 图^2A）15,16天然咀嚼运动迷住了。同样，耶利内克是由C仿生砍伐了亚里士多德的灯笼的运动，并制定了更好的活检收割机，可以安全地隔离肿瘤组织，不扩散的癌细胞（ 图^{2B，C）12,13。}在这种情况下，被利用仿生设计，使适合用于期望的应用的特定需要的生物医学装置。

这里描述的设计协议适用于海胆仿生沉积物取样。通过生物材料科学，亚里士多德的灯笼的自然结构的特点。仿生设计识别潜在的应用那里的自然机制，可以通过使用现代材料和制造技术的提高。通过bioexploration的棱镜的最终设计重新检查，以了解自然的牙齿结构如何演变 （ 图3）。最后一步bioexploration，波特提出的^17,18，采用工程分析方法到e智能与解释生物现象。所有bioinspiration过程中的重要步骤，表示为用于利用技术，预先核准的本质，可用于解决现代问题的一个例子。我们的协议，所提交由Arzt ⁷特定应用程序的早期bioinspiration程序的动机_，是针对生物学家，工程师和其他人谁是灵感来自于大自然。

研究方案

1.生物材料科学

1. 穿戴个人防护装备（ 如手套，防护眼镜和白大褂），并遵守所有适用的安全程序使用解剖工具。
2. 冲洗掉镊子并用蒸馏水手术刀用于清扫。
3. 解冻在RT冻结粉海胆1小时。放置在具有足够空间的玻璃盘一解冻样品，以便能够操纵海胆和切削工具。打开顽童倒挂使牙齿尖端朝上。
   1. 切掉周围的亚里士多德的灯笼用手术刀的周边结缔组织并小心了灯笼。冲洗灯笼了与运行的蒸馏水。在一个适当的废物处理容器丢弃不用的顽童部分。
   2. 打开亚里士多德的灯笼一遍所以齿的齿尖朝下。找到每个齿（相对于尖）的莲子结束朝上，然后使用镊子小心完全从灯笼滑出个别牙齿。
4. 准备环氧锅牙齿。称取g树脂，并添加1.15克固化剂（ 如 100份树脂至23重量份的固化剂）在浅一次性塑料托盘。慢慢地混合在一起的内容不会形成泡沫。
   注意:不要把吃剩的混合环氧树脂与曝光不足的气氛容器中。固化过程是放热的，可以点燃附近易燃物。保留所有剩余的环氧混合在一个通风良好的通风橱来自易燃物品离开。
   1. 润滑2.5 DRAM塑料管（内径22mm，38 mm长）使用，用手指加凡士林擦去多余用纸巾。填补中途管混合环氧树脂。
   2. 使用镊子拿起一颗牙齿，仔细与弧形凹面朝上环氧淹没它。让在RT环氧树脂固化24小时。
      注:从漂流到触摸防止齿尖塑料管壁，因为这环氧树脂固化会使抛光尖更加困难。
5. 将塑料管固定在台钳固化的环氧树脂。慢慢地拧紧台钳，直到裂缝在塑料管​​的。剥离远离环氧树脂表面残留的塑料。
   1. 用切片锯向下切环氧牙齿周围到一个较小的块（1 ^毫升 ）。
6. 准备一个干净的区域进行抛光，并成立了平工作站用硬塑料板。补喷瓶蒸馏水。
   1. 开始的最低砂纸（ 例如，120）和从洗涤瓶到砂纸挤的少量水。利用光压，擦5分钟一回来回方向（ 例如，左，右）的样品。
   2. 样品的表面洗掉在一个水槽和一个自由颗粒组织擦去。除去压缩空气任何剩余的砂纸砂粒，持续15秒。
   3. 使用逐渐提高砂纸（如 600 2400）重复步骤协议1.6.1和1.6.2。利用光的压力，擦垂直于前面的抛光步骤在后样品和前后方向（ 例如，上下，左右）。
      注:在放大20倍使用光学显微镜看到垂直划痕每个砂砾水平相交（ 例如，120，600 2400）。移动到下一个更高的砂纸时从先前砂砾水平划痕消失。
   4. 准备一个喷瓶，在一个1 3微米的钻石抛光悬挂系统:1蒸馏水的解决方案。使用金​​刚石悬浮液重复步骤协议1.6.1和1.6.2抛光布。
   5. 准备一个喷瓶，在1 0.5微米的氧化铝抛光悬挂系统:1蒸馏水的解决方案。使用microcloth抛光表面重复步骤协议1.6.1和1.6.2。
      注:细划痕从协议的步骤和1.6.4 1.6.5不会visib乐在20X的放大倍率。对于这些协议的步骤，抛光5分钟一个来回运动删除所有以前的划痕。
   6. 清洁用压缩空气仔细干燥蒸馏水和使用无颗粒组织的抛光表面。与无颗粒组织包裹，以保持镜面抛光光洁度。
      注:干所有抛光表面面朝下放在大无颗粒的组织。在一个塑料套筒储存，以避免沉降抛光时间之间的表面上的灰尘颗粒。
7. 表征利用海胆牙齿显微扫描电子显微镜（SEM）。使用溅射涂布机以溅射用85毫安，持续10秒的沉积电流铱到抛光的牙齿表面为20nm的〜涂层厚度。
   1. 在获取250X显微图像 - 用SEM 4,000×放大倍率。
      注意:使用5千伏的扫描电子（SE）模式，并在背散射电子（BSE）的模式15千伏。使用BSE模式，以确定方解石FIBERS穿插镁丰富的多晶基质。
8. 执行微型计算机断层扫描（μ-CT）整体粉红色海胆的扫描和新鲜解剖亚里士多德的灯笼。密闭腔容器内的各解冻样品与湿润的组织定位，以提供在扫描时的潮湿环境。
   1. 通过扫描μ-CT整个海胆和亚里士多德的灯笼与36.00微米和9.06微米的各向同性体素的大小，分别为。应用100 kVp的的电势和70 kVp的与百毫安和141毫安的电流，对整个海胆和亚里士多德的灯笼，分别使用这两个1.0mm的铝过滤器。
   2. 图像重建期间应用束硬化校正算法以考虑从μ-CT x射线源发射使用制造商的协议的多个能量的X射线导致射束硬化伪影。
9. 使用图像处理软件来完善IMAGE分割，并获得了亚里士多德的灯笼结构的三角形网格模型。
   1. 加载和预览从μ-CT扫描亚里士多德的灯笼图像数据。匹配体素尺寸（9.06微米），以从微CT扫描的值。
   2. 使用体绘制功能形象化亚里士多德在三维空间灯笼。调整的边界框模块二维正交切片，调整与体绘制模块阈值/颜色。
   3. 使面具片段使用分割编辑的感兴趣区域（ 例如，海胆齿）。选择XY，YZ，和XZ平面和三维立体图。使用魔棒（黑色箭头）在亚里士多德的灯笼结构简单（牙与金字塔）区别开来。
   4. 从提取的面具片段重建模型表面。选择曲面生成模块和应用。取消批量渲染设置有明显的顶面消失。添加表面观模块显示表面的结果。
   5. 通过减少面的数目为<18000简化模型表面。
   6. 根据需要修改模型表面上单个三角形网格。保存模型作为立体光刻（STL）文件导出带计算机辅助设计（CAD）建模软件的使用。

2.仿生设计

1. 从微观CT扫描使用亚里士多德的灯笼作为参考，可与CAD建模软件设计的仿生。
   注:仿生设计有五个弧形齿高6厘米，直径为8厘米为封闭的灯笼。它是从天然亚里士多德的灯笼规模扩大了5倍〜。
2. 保存STL文件的部分到闪存驱动器和文件上传到熔融沉积成型（FDM）的3D打印机。
   1. 装载丙烯腈 - 丁二烯 - 苯乙烯（ABS）塑料和支持塑料盒放入3D p的相应插槽rinter。
   2. 将z平台上的造型基础，并与金属托盘插槽对齐的标签。
   3. 打开每个STL文件部分，然后按照屏幕上显示的步骤，同时打印所有灯笼部件。
      注意:灯零件必须符合建筑物外壳（25×25×30 ^毫升 ）对所述三维打印机内。所有五个齿布置在建模底座和与齿尖朝上同时打印。构建速率是每小时16厘米^3，总建造时间是约8小时。
   4. 从释放的选项卡建模的基础时​​，打印的所有文件部分和底座出沿托盘导向的三维打印机中滑出。
   5. 用金属铲撬下基底和金属文件中的所有部件拖垮任何额外的塑料连接到的部分。
   6. 印刷部件放入温水洗澡基地直到支撑塑料材质溶解。
3. 拧紧每颗牙齿的联合的手臂里NK杆和两侧两架E-扣环。
   注:参见图6为仿生亚里士多德的灯笼组装。

3. Bioexploration

1. 使用CAD文件的仿生牙做了有限元模型（FEM）应力分析测试。
   1. 打开文件（xx.sldprt）做进一步的工程分析。上面的"产品展示厅"选项卡，选中"的SolidWorks Simulation"按钮。
   2. 上面的"模拟"选项卡中，选择"学习顾问"按钮，然后在下拉选项"新学"。
   3. 选择模拟试验的类型通过选择"静态"运行。
   4. 在静态测试列表，关于"灯具"单击鼠标右键，选择"固定几何"。
   5. 点击内面为灯具添加到安装孔，其中销会。
   6. 在静态测试列表，关于"外部载荷"和SELEC右击T"强制"。
   7. 点击牙齿磨尖面向应用45牛顿的力向四周扩散。
   8. 在静态测试列表，关于"外部载荷"单击鼠标右键，选择"万有引力"。
   9. 指示"顶面"为施加垂直于该平面的重力。
   10. 在静态测试列表，关于"网格"单击鼠标右键，选择"创建网格"。
   11. 对于移动"网格密度"一路为"精细"右侧的比例尺。
   12. 在静态测试列表，关于"静"，单击鼠标右键，选择"运行"来运行测试。
       注:最高压力和"屈服强度"的领域彩色比例尺。
2. 比较应力分析测试结果为具有和不具有龙骨的仿生齿。

结果

亚里士多德的灯笼采样装置的设计仿生很大程度上取决于所采用的表征方法的质量。像μ-CT非侵入性技术是用于分析整个灯和单独的齿申请应用特定的增强的仿生设计（ 图4）有帮助。同时，齿微结构可以通过二次电子和一个个人齿（ 图5）的抛光横截面的背散射电子显微照片加以探讨。较暗的灰色区域是磨齿尖的硬石部件和具有多达该取代钙原子...

讨论

海胆用亚里士多德的灯笼（ 图1A）的各种功能（进料，镗孔，旋转等 ）。化石记录表明，灯笼形状和功能已经发展从最原始的cidaroid类型到camarodont型现代海胆^14。 Cidaroid灯笼已经沿纵向开槽的齿（ 图1B，上图 ）和非分离肌肉附着到其金字塔结构。这限制了它们的上下运动和剥夺由横向运动，这在更现代camarodont灯笼（ 图1B，下图 ）观察到所产?...

材料

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