Ein Protokoll für Bioinspirierte Entwurf: Ein Boden Sampler Basierend auf Seeigel Jaws

Zusammenfassung

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.

Zusammenfassung

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.

Einleitung

Die Felder der Biologie, biologische Materialwissenschaften, Biomaterialien, Biotechnik und Biochemie beschäftigen die Premiere wissenschaftlichen Techniken und Köpfe in einem Versuch, ein tieferes Verständnis für die unglaubliche Natur zu bieten. Diese Forschung hat viele der erstaunlichsten biologischen Strukturen und Organismen erklärt; von der intrinsischen Zähigkeit des menschlichen Knochens ^1,2 der großen Schnabel des Tukan ^3. Jedoch viel dieses Wissens ist schwierig, in einer Weise zu verwenden, die einen Nutzen für die Gesellschaft liefern kann. Als Ergebnis setzt der tangentiale Bereich der Bioinspiration die Lehren aus der Natur zu modernen Materialien, um gemeinsame Probleme zu lösen gelernt. Beispiele dafür sind superhydrophoben von Lotus inspirierte Oberflächen Blätter ^4-6, Klebeflächen durch die Füße von Geckos inspiriert und Insekten ^7,8, zähen Keramik durch die Perlmutter von Abalone inspiriert ^9-11 und Biopsie durch das Mundstück des Seeigels inspiriert Harvester, auch kenntn als Aristoteles 'Laterne ^12,13.

Seeigel sind wirbellose Tiere mit Stacheln bedeckt, deren Lebensraum am häufigsten aus den felsigen Betten auf dem Meeresboden. Der Körper in der größten Seeigel-Arten (ein Test genannt) mehr als 18 cm im Durchmesser; Testgröße in rosa Seeigel (Strongylocentrotus fragilis) in dieser Studie untersuchten kann bis zu 10 cm Durchmesser wachsen. Die Laterne des Aristoteles besteht aus fünf überwiegend Zähne Calciumcarbonat durch Pyramidenstrukturen unterstützt mineralisiertem Gewebe und angeordnet in einer kuppelartigen Formation , bestehend aus , die alle , aber die distalen Schleif Spitzen der Zähne (Abbildung 1A) umschließen.

Die Muskelstruktur der Backen ist in der Lage effiziente Kauen und Kratzen auch gegen harte Ozean Felsen und Korallen. Wenn die Backen geöffnet ragen die Zähne nach außen, und wenn die Backen zu schließen, ziehen sich die Zähne nach innen in einer einzigen fließenden Bewegung. Vergleich zwischen primitive ( siehe oben) und modern (unten) Seeigel Zahn Querschnitte (Abbildung 1B) zeigt an, dass ein keeled Zahn entwickelte sich um den Zahn zu stärken , wenn sie gegen harte Substrate Schleifen. Jeder einzelne Zahn hat eine leicht konvexe Krümmung und einen T-förmigen Morphologie in der Querebene (normal zur Wachstumsrichtung) aufgrund der in Längsrichtung angebracht Kiel (1C, D).

Bioinspiration beginnt mit der Beobachtung von interessanten Naturphänomene, wie die effiziente Kaubewegung des Aristoteles Laterne in Seeigel. Diese natürliche Struktur Aristoteles zunächst gefesselt, weil sie ihn an ein Horn Laterne erinnert mit den Scheiben Horn weggelassen. Mehr als zwei Jahrtausende später wurde Scarpa durch die Komplexität der Laterne des Aristoteles fasziniert , dass er und später Trogu die natürliche Kaubewegung nur mit Papier und Gummibänder (2A) ^15,16 nachgeahmt. In ähnlicher Weise wurde Jelinek von der c BioinspirierteBewegung der Laterne des Aristoteles zu behauen und entwickelte eine bessere Biopsie Mähdrescher , die sicher Tumorgewebe ohne Verbreitung von Krebszellen (2B, C) ^​​12,13 isolieren konnte. In diesem Fall wurde bioinspirierter Design einer biomedizinischen Vorrichtung, um verwendet, die einen bestimmten Bedarf für eine gewünschte Anwendung passen.

Das Design hier beschriebene Protokoll gilt für ein Sedimentproben Bioinspirierte von Seeigel. Durch die biologische Wissenschaft Materialien wird die natürliche Struktur des Aristoteles Laterne aus. Bioinspirierte Design identifiziert potenzielle Anwendungen, bei denen die natürlichen Mechanismen können durch den Einsatz von modernen Materialien und Herstellungstechniken verbessert werden. Das endgültige Design wird durch das Prisma der bioexploration erneut untersucht, um zu verstehen, wie die natürliche Zahnstruktur entwickelt (Abbildung 3). Der letzte Schritt bioexploration, vorgeschlagen von Porter ^17,18 nutzt Methoden technische Analyse bis explore und biologische Phänomene zu erklären. Alle wichtigen Schritte des Bioinspiration Verfahren werden als Beispiel dargestellt für die Nutzbarmachung Technologie, vorge genehmigt durch die Natur, die für die Lösung modernen Probleme verwendet werden können. Unser Protokoll, motiviert durch vorherige Bioinspiration Verfahren vorgestellt für spezifische Anwendungen von Arzt ⁷ wird gezielt für Biologen, Ingenieure und alle anderen , die von der Natur inspiriert ist.

Protokoll

1. Biologische Materialwissenschaften

1. Persönliche Schutzausrüstung tragen (Handschuhe, Schutzbrille und Labormantel) und befolgen Sie alle geltenden Sicherheitsverfahren für die Verwendung von Sezieren Tools.
2. Spülen Sie die Zange ab und Skalpell mit destilliertem Wasser für die Präparation zu verwenden.
3. einen gefrorenen Rosa Seeigel bei RT für 1 Stunde auftauen. Legen Sie ein taute Probe in eine Glasschale mit ausreichend Platz, um der Lage sein, die Seeigel und Schneidwerkzeuge zu manövrieren. Drehen Sie den Bengel den Kopf, so dass die Zahnspitzen nach oben zeigen.
   1. Schneiden Sie das Bindegewebe um den Umfang des Aristoteles 'Laterne mit dem Skalpell entfernt und sorgfältig die Laterne herausheben. Spülen Sie die Laterne weg mit destilliertem Wasser läuft. Nicht verwendete Bengel Teile in einem geeigneten Abfallbehälter geben.
   2. Schalten Sie den Aristoteles Laterne wieder über, so dass die Spitzen der Zähne Gesicht nach unten. Suchen Sie den plumula Ende jedes Zahns (gegenüber der Spitze) nach oben und die Zange verwenden, um Pflegevollständig herausrutschen einzelne Zähne von der Laterne.
4. Bereiten Sie Epoxy die Zähne Topf. Man wiegt 5 g Harz und fügen 1,15 g Härter (zB Harz 100 Teile bis 23 Teile Härter nach Gewicht) in einem flachen Einweg - Plastikschale. Mischen Sie Inhalte zusammen langsam, ohne Blasen zu bilden.
   Hinweis: Nicht Überbleibsel gemischte Epoxid in einem Behälter mit unzureichender Belichtung in die Atmosphäre abgegeben. Der Härtungsprozess ist exotherm und in der Nähe entflammbare Stoffe entzünden können. Halten Sie alle übrig gebliebenen gemischt Epoxy in einem gut belüfteten Abzugshaube weg von brennbaren Gegenständen.
   1. Schmieren Sie mit einem 2,5-Dram Kunststoffrohr (22 mm Innendurchmesser, 39 mm Länge) mit einem Finger aufgebracht Vaseline mit und wischen Sie überschüssiges mit einem Gewebe. Füllen Sie das Rohr zur Hälfte mit gemischten Epoxid auf.
   2. Verwenden Sie die Zange einen Zahn zu holen und ihn vorsichtig mit der gekrümmten konkaven Seite nach oben in das Epoxid versenken. Lassen Sie die Epoxyhärtung bei RT für 24 Stunden.
      Hinweis: Verhindern, dass die Zahnspitze des Abgleitens zu berührender Kunststoffrohrwand wie die Epoxy härtet da dies die Spitze erschweren Polieren.
5. Legen Sie das Kunststoffrohr mit gehärteten Epoxid in einem Schraubstock. Ziehen Sie den Schraubstock langsam, bis ein Riss in das Kunststoffrohr hergestellt ist. Rest Kunststoff aus der Epoxy-Oberfläche abzulösen.
   1. Verwenden Sie mit schneidender Zahn das Epoxidharz um nach unten auf einen kleineren Block (1 cm ³⁾ zu schneiden sah.
6. Bereiten Sie einen sauberen Bereich zum Polieren und einen einheitlichen Arbeitsstation mit einem harten Kunststoff-Brett. Füllen Sie eine Sprühflasche mit destilliertem Wasser.
   1. Beginnen Sie mit der niedrigsten Schleifpapier erhältlich (zB 120) und drücken Sie eine kleine Menge Wasser aus der Waschflasche auf dem Sandpapier. Mit leichtem Druck, reiben Sie die Probe in einer Rückwärts- und Vorwärtsrichtung (zB links-rechts) für 5 min.
   2. Waschen Sie die Oberfläche der Probe über ein Waschbecken ab und wischen Sie mit einem partikelfreien Gewebe ab. Entfernen Sie alle übrig gebliebenen Schmirgelpapier Körnung mit Druckluft für 15 Sekunden.
   3. Verwenden Sie immer höheren Schleifpapier (zB 600 und 2400) zu wiederholen Protokoll 1.6.1 und 1.6.2 Schritte. Mit leichtem Druck, reiben Richtung die Probe in einem hin und her senkrecht zur vorherigen Polierschritt (zB bis-unten, links-rechts).
      Hinweis: Verwenden Sie bei 20 - facher Vergrößerung eines Lichtmikroskops senkrecht Kratzspuren mit jeder Körnung Ebene (zB 120, 600, 2400) schneiden zu sehen. Bewegen Sie in die nächst höhere Schleifpapier, wenn Kratzspuren von der vorherigen Körnung Ebene verschwinden.
   4. Bereiten Sie eine Sprühflasche mit 3 um Diamantpolieren Suspension in einem 1: 1 destilliertes Wasser Lösung. Verwenden Sie ein Poliertuch für Diamantsuspensionen zu wiederholen Protokoll 1.6.1 und 1.6.2 Schritte.
   5. Bereiten Sie eine Spritzflasche mit 0,5 um Aluminiumoxid Poliersuspension in einem 1: 1 destilliertes Wasser Lösung. Verwenden Sie eine microcloth Polierfläche zu wiederholen Protokoll 1.6.1 und 1.6.2 Schritte.
      Hinweis: Feine Kratzer von Protokoll 1.6.4 Schritte und 1.6.5 wird nicht Visible bei 20-facher Vergrößerung. Für diese Protokollschritte, Politur für 5 Minuten in einer Vorwärts- und Rückwärtsbewegung alle vorherigen Kratzer zu entfernen.
   6. Reinigen Sie die polierte Oberfläche mit destilliertem Wasser und Verwendung partikelfreies Gewebe mit Druckluft sorgfältig trocken. Wickeln Sie mit partikelfreiem Gewebe zu hochglänzend halten.
      Hinweis: Trocknen Sie alle Polieren von Oberflächen Gesicht nach unten auf große partikelfreie Gewebe. Speichern in einer Kunststoffhülse, um Staubteilchen Absetzen auf der Oberfläche zwischen Polierzeiten vermeiden.
7. Charakterisieren Sie die Seeigel Zahn Mikrostruktur mittels Rasterelektronenmikroskopie (SEM). Verwenden eines Sputter-Beschichtungsvorrichtung für 10 sec auf die polierte Zahnoberfläche für eine Beschichtungsdicke von ~ 20 nm Iridium mit einer Abscheidungsstrom von 85 mA zu sputtern.
   1. Erhalten mikroskopische Aufnahme Bilder bei 250X - 4,000X Vergrößerung eine REM.
      Anmerkung: Mit 5 kV in der rasterelektronen (SE) Modus und 15 kV in dem rückgestreuten Elektronen (BSE) Modus. Verwenden BSE-Modus Calcit fib zu identifiziereners mit Mg angereicherten polykristalline Matrix eingestreut.
8. Führen Sie Mikro-Computertomographie (μ-CT) eines ganzen rosa Seeigel und ein frisch Aristoteles Laterne seziert. Positionieren Sie jedes aufgetaute Probe innerhalb des geschlossenen Kammerbehälter mit einem angefeuchteten Gewebe eine feuchte Umgebung während des Scanvorgangs zur Verfügung zu stellen.
   1. Scannen Sie den ganzen Bengel und der Aristoteles Laterne von μ-CT mit einer isotropen Voxelgröße von 36,00 & mgr; m und 9,06 & mgr; m auf. Tragen Sie ein elektrisches Potential von 100 kV und 70 kV mit einem Strom von 100 mA und 141 mA, für die ganze Bengel und der Aristoteles Laterne jeweils ein 1,0 mm Aluminiumfilter für beide verwenden.
   2. Gelten bei der Bildrekonstruktion eine Strahlhärtungs-Korrekturalgorithmus zu berücksichtigen Strahlaufhärtung Artefakte, die von dem μ-CT-Röntgenquelle führen Emittieren von Röntgenstrahlen von mehreren Energien Protokoll des Herstellers verwendet wird.
9. Verwenden Sie Imaging-Software zu verfeinern image Segmentierung und erwerben ein Dreiecksnetz Modell für die Laterne Struktur des Aristoteles.
   1. Laden und Vorschau Aristoteles 'Laterne Bilddaten aus dem μ-CT-Scan. Passen Sie die Voxelgröße (9,06 & mgr; m) zu den Werten aus der Mikro-CT-Scan.
   2. Verwenden Sie Funktion ein Volume-Rendering des Aristoteles Laterne im 3D-Raum zu visualisieren. Stellen Sie die 2D-orthogonalen Scheibe mit der Bounding-Box-Modul und stellen Sie den Grenzwert / Farbe mit dem Volume-Rendering-Modul.
   3. Machen Maskensegmente für die Region von Interesse (zB Seeigel Zahn) mit der Segmentierung Editor. Wählen Sie XY, YZ und XZ-Ebene und die 3D-isometrischen Ansicht. Verwenden Sie den Zauberstab (schwarzer Pfeil) zwischen einfachen Strukturen (Zahn vs. Pyramide) in der aristotelischen Laterne zu unterscheiden.
   4. Rekonstruieren der Modelloberfläche aus den extrahierten Maskensegmente. Wählen Sie die Oberflächenerzeugungsmodul und anzuwenden. Deaktivieren Sie die Lautstärke-Einstellungen Rendern die sichtbare Oberfläche verschwinden zu lassen. Ergänzen Sie dieOberflächen-View-Modul die Oberfläche Ergebnis anzuzeigen.
   5. Vereinfachung der Modelloberfläche durch die Anzahl von Flächen auf <18.000 zu reduzieren.
   6. Bearbeiten einzelner Dreiecksnetz auf der Modelloberfläche nach Bedarf. Speichern Sie das Modell als Stereolithografie (STL-Datei) für den Export mit computergestützte Konstruktion (CAD) Modellierungssoftware zu verwenden.

2. Bioinspirierte Entwurf

1. Verwenden Sie die Aristoteles Laterne aus der Mikro-CT-Scan als Referenz ein bioinspirierter Design mit CAD-Modellierungs-Software zu machen.
   Hinweis: Die bioinspirierter Design hat fünf gekrümmte Zähne mit einer Höhe von 6 cm und 8 cm Durchmesser für die geschlossene Laterne. Es ist ~ 5x von der Größe der natürlichen Aristoteles Laterne skaliert.
2. Speichern Sie die STL-Datei Teile zu einem Flash-Laufwerk und laden Sie die Dateien auf einem Fused Deposition Modelling (FDM) 3D-Drucker.
   1. Last Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) Kunststoff und Unterstützung Kunststoff-Patronen in die entsprechenden Schlitze des 3D-pRINTER.
   2. Legen Sie die Modellierung Basis auf der Z-Plattform und auszurichten Registerkarten mit Schlitzen an der Metallschale.
   3. Öffnen Sie jede der STL-Datei Teile und folgen Sie den Bildschirm Schritte alle Laterne Teile gleichzeitig zu drucken.
      Hinweis: Laterne Teile müssen im Rahmen der Gebäudehülle (25 x 25 x 30 cm ³⁾ für den 3D - Drucker. Alle fünf Zähne sind auf der Modellierung Basis angeordnet und gleichzeitig mit der Zahnspitze nach oben gedruckt. Die Build - Rate beträgt 16 cm ³ pro Stunde und die gesamte Aufbauzeit beträgt ca. 8 Stunden.
   4. Lassen Sie die Modellierung Base aus den Registerkarten, wenn alle Dateiteile gedruckt werden, und schieben Sie die Basis aus dem 3D-Drucker an den Fachführungen.
   5. Verwenden Sie eine Metallspachtel alle Teile aus der Basis zu hebeln und einem Metall-Datei keine zusätzlichen Kunststoff an den Teilen befestigt zu zermürben.
   6. Legen Sie die bedruckten Teile in eine beheizte Basis Bad, bis die Unterstützung Kunststoff löst sich auf.
3. Befestigen Sie jeden Zahn an einem Gelenkarm mit einem link Stange und zwei E-Halteringen auf beiden Seiten.
   Hinweis: Siehe 6 für die Montage des bioinspirierter Aristoteles 'Laterne auf Figur.

3. Bioexploration

1. Verwenden Sie die CAD-Datei für den bioinspirierter Zahn eine Finite-Elemente-Modellierung (FEM) Spannungsanalyse-Test zu tun.
   1. Öffnen Sie die Datei (xx.sldprt) weitere technische Analyse zu tun. Oberhalb des "Office Products", wählen Sie die "Solidworks Simulation" klicken.
   2. Oberhalb der "Simulation", wählen Sie die "Study Advisor" Taste und dann die Dropdown-Option "Neue Studie".
   3. Wählen Sie die Art von Simulationstests ausgeführt werden durch "Static" wählen.
   4. Auf die statische Prüfung Liste mit der rechten Maustaste auf "Leuchten" und wählen Sie "Fixed Geometrie".
   5. Klicken Sie auf den Innenseiten Befestigungen zu den Befestigungslöchern hinzuzufügen, wo Stifte gehen.
   6. Auf die statische Prüfung Liste mit der rechten Maustaste auf "Externe Lasten" und select "Kraft".
   7. Klicken Sie auf den Zahnschleifspitze Flächen 45 N Kraft auf die Kanten anzuwenden.
   8. Auf die statische Prüfung Liste mit der rechten Maustaste auf "Externe Lasten" und wählen Sie "Gravity".
   9. Geben Sie "Top Plane" für die Schwerkraft auf die Ebene angewendet normal.
   10. Auf die statische Prüfung Liste mit der rechten Maustaste auf "Mesh" und wählen Sie "Netz erstellen".
   11. Bewegen Sie den Maßstab für "Netzdichte" den ganzen Weg nach rechts für "Fine".
   12. Auf die statische Prüfung Liste mit der rechten Maustaste auf "Static" und wählen Sie "Ausführen", um den Test auszuführen.
       Hinweis: Die Farbskala bar für Bereiche mit dem höchsten Beanspruchung und dem "Yield Strength".
2. Vergleichen Spannungsanalyse Testergebnisse für die bioinspirierter Zahn mit und ohne Kiel.

Ergebnisse

Bioinspirierte Design der Laterne Probenahmevorrichtung des Aristoteles hängt stark von der Qualität der Charakterisierungsmethoden eingesetzt. Nicht-invasive Techniken wie μ-CT sind hilfreich für die ganze Laterne und einzelne Zähne Analyse anwendungsspezifische Erweiterungen für die biologisch inspirierte Design (Abbildung 4) anzuwenden. Unterdessen kann der Zahn Mikrostruktur über Sekundärelektronen untersucht werden , und Rückstreuelektronenmikroskopische Au...

Diskussion

Seeigel benutzen die aristotelische Laterne (Abbildung 1A) für eine Vielzahl von Funktionen (Fütterung, langweilig, Schwenken, etc.). Der Fossilienbestand zeigt , dass die Laterne in Form und Funktion von den primitivsten cidaroid Typ der camarodont Art der modernen Seeigel ¹⁴ entwickelt hat. Cidaroid Laternen haben längsgeriffelte Zähne (1B, oben) und nicht getrennten Muskelansatz an seiner Pyramidenstruktur. Dies begrenzt ihre Auf- und Abbewegung und beraubt si...

Materialien

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