Los autores desean agradecer el apoyo financiero para este trabajo proporcionada por el Programa de Investigación del Ejército 6.1 EE.UU. ERDC Militar de Ingeniería Básica y el Centro para el Programa de ERDC de investigación dirigida. Los autores también quisiera dar las gracias al personal y las instalaciones del ERDC Geotécnico y de Concreto Rama y Materiales de Laboratorio Estructural para apoyar el trabajo experimental. Permiso de publicación fue otorgado por el Laboratorio de Director de Geotecnia y Estructuras.

1. Escala Pescado Preparación de la muestra Para este estudio, las escalas se obtuvieron del ingeniero del Ejército de EE.UU. de Investigación y Desarrollo del Centro (ERDC) Laboratorio Ambiental de la mitad de la longitud (29 ª columna de caudal) de una gar aproximadamente 600 mm de largo (A. espátula). Las escamas de los peces se obtuvieron de acuerdo con el Instituto de la Salud (NIH) pautas de cuidado de animales ERDC y Nacional. <ol><li> Materiales Anote la ubicación espacial de los peces de las escalas obtenidas para el estudio. Asegúrese de que se adhieran a la organización adecuada o pautas gubernamentales para la obtención de muestras biológicas tales como las pautas para el cuidado de los animales de los NIH. Almacenar las escalas en un medio adecuado tal como solución salina tamponada con fosfato para preservar la hidratación y mantener el contenido mineral una vez que se retiran de los peces. Evite el almacenamiento prolongado que puede resultar en la pérdida de minerales, lo que puede influir en los datos de nanoindentación. Use un cepillo de cerdas medianas y tweezers para eliminar cualquier tejido blando de las escamas duras. </li><li> Espécimen de montaje y de seccionado El examen de una sección transversal del eje corto de la escala de pescado (Figura 1) usando FTIR y nanoindentación requiere primero el montaje de la escala en un medio rígido, tal como un epoxi de dos partes que consiste en una resina y el endurecedor. Uso general RT epoxis de curado con bajas temperaturas de pico como el epoxi de propósito general comercial utilizado en este estudio que tenía un pico de temperatura de menos de 55 ° C. </li></ol><img alt="Figura 1" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51535/51535fig1highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51535/51535fig1.jpg" /> Imágenes Figura 1. Computarizada de rayos X de A. escala espátula que representa la sección transversal de eje corto examinado en este estudio de A. espátula usando nanoindentación y FTIR [A (anterior), P (posterior), D (dorsal), V (ventral)]. &lt;/ P&gt; <ol start="2"><li><ol><li> Mantenga la escala de peces en un molde de la muestra 32 mm de diámetro usando un soporte de muestras de plástico disponibles en el mercado. Esto mantiene la muestra orientada correctamente durante el montaje en el epoxi. </li><li> Una vez que la muestra se mantiene en el molde, verter la resina sin curar en la muestra y luego permitir que el epoxi se cure de acuerdo a las instrucciones del fabricante. </li><li> Después se cura la resina, la sección de la muestra montada utilizando una cuchilla de diamante de alta precisión de corte vio en la línea media de la muestra. </li><li> Someter a ultrasonidos en agua destilada durante 15 minutos para eliminar los residuos de la muestra. </li></ol></li><li> Pulido de nanoindentación y FTIR Para obtener una superficie lisa y plana para nanoindentación como se muestra en la Figura 2, el siguiente procedimiento de pulido y los parámetros se sugieren basado en discusiones con la fabricación y pulidor de muestras de ensayo. Sin embargo pueden necesitar ser ajustados para diferentes biomateriales basados ​​en las respuestas de los parámetrostales como las tasas de eliminación de material. Ultrasonidos de muestras en un baño de agua destilada entre pasos de pulido es de vital importancia para garantizar las partículas de un grueso pulido paso no se introducen en un paso más fino pulido posterior. </li></ol><img alt="Figura 2" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51535/51535fig2highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51535/51535fig2.jpg" /> Figura 2. Imagen de un pulido de eje corto sección transversal A. escala espátula montada en epoxi. <ol start="4"><li><ol><li> Esmalte de grueso con una almohadilla de 15 micras de SiC y el agua como un lubricante hasta que la muestra es plano utilizando la fuerza de la cabeza de pulido automático de 7 lbf y la velocidad de 200 revoluciones por minuto (rpm). </li><li> Sonicar la muestra en un baño de agua destilada durante 15 min. </li><li> Pulimento intermedio con una almohadilla de 6 micras de SiC usando lubricante agua a una velocidad de rodillo de 130 rpm y una fuerza de 7 lbf para5 min. </li><li> Someter a ultrasonidos la muestra en un baño de agua destilada durante 15 min. </li><li> Pula con un 1 m pad SiC usando lubricante de agua a una velocidad de rodillo de 130 rpm y una fuerza de 7 lbf durante 5 min. </li><li> Sonicar la muestra en un baño de agua destilada durante 15 min. </li><li> Pulido final con un 50 nm suspensión de sílice coloidal utilizando una almohadilla de pulido adecuado, como una alta densidad no tejidas, bajo la siesta poliuretano poroso que el fabricante sugiere para 50 suspensiones nm. Polaco a una velocidad de 130 rpm con una fuerza de 7 lbf durante 5 min. </li><li> Sonicar la muestra en un baño de agua destilada durante 15 min. </li></ol></li></ol> 2. Pruebas Nanoindentación <ol><li> Calibrar el sistema de nanoindentación antes de cada tanda de pruebas por la fabrica directrices. La calibración debe incluir la determinación de la función de área del sistema para la punta Berkovich y la rigidez del cuadro. Además, realizar una calibración de microscopio de penetrador en este pasopara asegurar los guiones se correlacionan con los lugares de microscopio elegidos. </li><li> Cargue la muestra en el nanoindentador y utilice los controles del microscopio óptico en el nanoindentador para traer la muestra en el foco. </li><li> Utilice los controles de software para mover la muestra a la ubicación para el primer guión. Idealmente, esto es aproximadamente 10 micras en el epoxi desde el borde de la capa de ganoine a lo largo de la línea central de la sección transversal de la escala. </li><li> Realizar 4 filas paralelas de guiones espaciados 15 micras, aparte de obtener un conjunto de datos estadísticamente significativos establecen a partir de esta ubicación. Ajuste el nanoindentador para una carga máxima de 5 mN tarifas, carga y descarga de 0,1 mN / seg, un tiempo de espera de 30 segundos, y un espaciado de sangría mínima de 5 m para cada fila. La fila de guiones debe ser configurado para funcionar ortogonal a la superficie ganoine, y un número suficiente de guiones de modo que pueda viajar a través de la sección transversal de la escala al recorrer aproximadamente 10 micras en el epoxY más allá de la capa ósea. </li><li> Cuando se completa el lote, tener la nanoindentador crear guiones fiduciales con una carga máxima de 100 mN en el primero y último guión, que debe estar en la epoxi antes de la capa de ganoine y después de la capa de hueso, respectivamente. Estos se correlacionan con los puntos inicial y final de cada fila de guiones. </li><li> Después de nanoindentación, coloque la muestra de nuevo en la solución de PBS para evitar una mayor deshidratación. </li><li> Utilice el software de nanoindentación para determinar el módulo y dureza basado en el método de Oliver-Pharr 13 si se observa una respuesta de material independiente del tiempo. De lo contrario es posible que el tiempo de espera que se extienda a superar la deformación observada desde la descarga demasiado rápido. </li></ol> 3. Espacialmente Resuelto ATR-FTIR Espectroscopia El uso de una diapositiva-en accesorio ATR unido a un microscopio FTIR es un método sugerido para recoger resuelto espacialmente transformada de Fourier infrarroja (FTIR) de la Layers en una muestra de escamas de pescado. El accesorio ATR permite la colección de espectros de alta calidad con muy pequeño (~ 10 m 2) resolución espacial, que no es alcanzable con cualquier otra técnica de FTIR. La misma muestra pulida (Figura 2) preparado para los experimentos de nanoindentación se utilizó en estos experimentos. <ol><li> Elija una muestra con una superficie y dimensiones apropiadas para el microscopio FTIR se utiliza para el análisis para asegurar espectros de alta calidad se obtiene a partir de ATR-FTIR spectromicroscopy. </li><li> Preparar el microscopio FTIR para recopilar datos. FTIR microespectroscopía requiere calibración de la señal de FTIR en las mismas condiciones de muestreo que se utilizará para la medición de la muestra. Típicamente, esto incluye enfriar el detector y dejando tiempo para que se estabilice, así como la recogida de todos los espectros de fondo y los espectros de la muestra en las mismas condiciones ambientales. Esto puede ser especialmente importante, porque el CO 2 y vapor de agua en el aire puede dafectar ramatically espectros FTIR. También es importante asegurarse de que la óptica del instrumento están alineados. </li><li> Recoger un espectro de fondo apropiado para restar la muestra en contra. Para estos experimentos, un pulido, portaobjetos de microscopio recubierto de oro fue utilizado como un fondo para FTIR spectromicroscopy. </li><li> El uso de un objetivo adecuado, se centran en la muestra y seleccionar un área de interés para el análisis. </li><li> Una vez que se encuentra un área de interés, coloque el accesorio ATR para el objetivo del microscopio FTIR, aumentar la muestra hasta que haga contacto íntimo con el elemento de reflexión interna ATR, y recoger un espectro de la muestra. </li><li> Después de recoger los espectros FTIR, realice el tratamiento de la información estándar necesaria requerida. </li></ol> 4. Rayos X Tomografía computarizada (TC) <ol><li> Obtener y preparar la escala como se discute en la Sección 1.1 </li><li> Configuración del escáner <ol><li> De calentamiento hasta la fuente de rayos X de acuerdo con las especificaciones del fabricante. </li><li> De rayos X Set voltaje y la corriente a 50 kV y 160 μA, respectivamente. </li><li> Establecer el tiempo de exposición a 1.450 ms. </li><li> Seleccionar un filtro de 1,0 mm de aluminio. </li><li> Antes de la carga de la muestra, hacer una corrección de campo plano cuando la fuente de rayos X está apagado (campo oscuro) y el (campo claro). </li></ol></li><li> Montaje y carga de muestras Escalas deben montarse de manera para que no se muevan o se mueven a lo largo de la longitud de la exploración. Estas muestras también deben ser montados usando materiales que son casi transparentes a los rayos X. Una combinación de espuma de poliestireno y Parafilm puede ser usado para asegurar la escala a la etapa de CT. <ol><li> Rígidamente montar la muestra de manera que la dimensión más larga es paralelo al detector. </li><li> Asegure la muestra montada en el escenario del escáner. </li><li> Coloque la muestra de modo que estará en el centro de rotación a lo largo de la exploración. </li><li> Seleccione la resolución más alta que permite que toda la escala para estar en el campo de visión (FOV), en este caso7.5 micras. </li></ol></li><li> Configuración de adquisición Realizar exploraciones en este estudio con un paso de rotación de 0,25 ° y un valor de un promedio de marco de 15. Si las resoluciones más bajas son aceptables, aumente el tamaño de paso y / o disminuir el bastidor con un promedio de reducir el tiempo de ciclo total. </li><li> Parámetros de reconstrucción Una vez que se obtiene un conjunto de datos, reconstruir las imágenes de proyección de rayos X para crear un conjunto de datos que contiene imágenes de cortes transversales. Seleccione la configuración predeterminada de software NRecon de SkyScan excepto por lo siguiente. <ol><li> Cambie el anillo de corrección de artefactos a 20. </li><li> Cambie la Corrección del haz de endurecimiento a 25%. </li><li> Ajuste el CS estática de giro para que el nivel de imagen de corte transversal. </li></ol></li><li> Procesamiento de imágenes Utilice el software de CTAN SkyScan para obtener la imagen en escala de grises 3D final. Ajuste el rango de escala de grises a un nivel adecuado para eliminar los artefactos de la espuma de poliestireno y Parafilm. </li></ol> Las muestras preparadas por el pulido para nanoindentación y micro-/nano-structure caracterización se examinaron mediante microscopía electrónica de barrido (SEM). Modo de bajo vacío se utilizó para minimizar la deshidratación de los especímenes y la necesidad de aplicación de recubrimientos conductores. Análisis químico Local se realizó sobre muestras pulidas en conjunto con SEM de imagen usando espectroscopia de rayos X de energía dispersiva (EDX). Análisis EDX se llevaron a cabo en la misma línea / rejilla que se analizó por nanoindentación con el fin de proporcionar correlaciones entre las propiedades químicas y mecánicas. Superficies recién fracturadas fueron también examinadas por SEM para proporcionar una mejor información sobre la morfología y la orientación de las estructuras biomineralizada presentes en las escamas de los peces. Para mejorar la resolución para la observación de la estructura a escala nanométrica en las superficies fracturadas, las muestras fueron recubiertas por pulverización catódica con oro (Au) y la imagen en el modo de alto vacío. La siguienteproporciona detalles adicionales sobre los procedimientos utilizados. <ol><li> SEM Imaging de superficies pulidas <ol><li> Coloque la muestra en la cámara de pulido SEM y de la bomba de cámara en modo de bajo vacío con presión de la cámara de 0,1 a 0,5 mbar. </li><li> Ajuste la distancia de trabajo de aproximadamente 5,0 mm. </li><li> Activar alto voltaje (HV) y vaya a la región de interés en la muestra que incluye la zona de transición entre ganoine y huesudos subcapas u otras áreas de interés. </li><li> Obtener imágenes a 15 HV kV y corriente de haz de aproximadamente 3.9 nA. </li><li> Enfoque la imagen y realizar todas las alineaciones y ajustes necesarios stigmation. </li><li> Captura imágenes de al menos tres regiones de interés en aumentos relevantes (normalmente 250X a 10.000 X) con el bajo de vacío de electrones retrodispersados ​​detector (EEB) para ayudar en la identificación de los cambios en el contenido biomineral y densidad (es decir, hueso denso vs hueso poroso ). </li></ol></li><li> SEM Imaging de superficies fracturadas <ol><li> Fije espécimen recién fracturado a un talón de 90 ° SEM utilizando cinta de doble cara de carbono con la superficie de la fractura hacia arriba. </li><li> Pulverización catódica abrigo con Au proporcionar un sub-nm de espesor de capa conductora sobre la superficie de fractura. </li><li> Coloque la muestra en la cámara de SEM y de la bomba en el modo de cámara de alto vacío. </li><li> Ajuste la distancia de trabajo de entre 3.0 y 5.0 mm. </li><li> Activar HV y vaya a las regiones de interés en la muestra. Principales áreas de interés en este caso eran la estructura presente en las capas ganoine y óseas. </li><li> Obtener imágenes de entre 5 kV y 15 kV de alta tensión y una corriente del haz inferior de 0,24 nA para mejorar la resolución. </li><li> Inicialmente centrarse muestra y realizar alineamientos preliminares. </li><li> Aumentar la ampliación a más de 5.000 X y el interruptor de la lente de emisión de campo normales en (UHR) lente de inmersión / ultra-alta resolución. </li><li> Realice UHR alineaciones y ajustes stigmation. </li><li> Captura de imágenes a partir de al menos tres regiones of interés a ampliaciones pertinentes (típicamente 5.000 a 250.000 X X) usando el detector de la lente a través de (TLD) operado en modo de electrones secundarios (SE). </li></ol></li><li> Análisis EDX de las superficies pulidas (realizado en conjunto con las imágenes SEM). Estos parámetros son dependientes de material y tendrá que ser ajustada de modo que el volumen de interacción EDX es similar en tamaño al volumen interacción nanoindentación como se comenta por Moser 14. <ol><li> Vaya a la región de interés en la probeta pulida que incluye rejilla nanoindentación indicada por las marcas de referencia al final de cada línea de guiones. </li><li> Asegúrese de HV es de al menos 15 kV, corriente del haz es de al menos 3,9 nA, y la distancia de trabajo es mayor que 5,0 mm. </li><li> Captura de imagen de la EEB en la región para ser analizados mediante EDX. </li><li> El uso de software de análisis de EDX, capturar la misma imagen para ayudar en la localización de las áreas para realizar análisis químicos a lo largo de la línea de guiones. </li><li> Usando el &quot;Análisis de la Línea&quot; técnica, poción de una línea para realizar análisis químicos a lo largo de la línea de interés de guiones comenzando en el primer guión y terminando en el último guión. </li><li> Especifique el número de puntos de análisis para ser colocado a lo largo de la línea. Lo mejor es usar el mismo número de puntos de análisis y guiones que están presentes para proporcionar una correlación espacial directa entre la composición química y las propiedades mecánicas. </li><li> Cuando la línea se coloca y puntos especificado correctamente, iniciar el análisis de la línea utilizando el software EDX. </li><li> Cuando se completa el análisis de la línea, identificar los elementos de interés para ser cuantificados a partir de los espectros punto obtenido a lo largo de la línea especificada en la superficie pulida de la muestra. </li><li> Una vez que se identifican los elementos de interés, realizar una calibración de fondo para tener en cuenta la radiación de Bremsstrahlung y otros efectos. </li><li> Elija la opción de análisis de deconvolución del software para obtener el análisis cuantitativo en cada punto a lo largo de la línea especificada en Quanficar la composición química en cada punto. </li><li> Guardar los resultados cuantitativos de análisis químico junto con la imagen de la línea especificada que se ha analizado para ayudar en la correlación espacial con las propiedades mecánicas medidas mediante nanoindentación. </li></ol></li></ol>

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Los autores no tienen nada que revelar.

Desde un punto de vista experimental, los investigadores tienen que recordar que cuando se trabaja con materiales naturales biológicos, tales como escamas de pescado mineralizadas, informar de la ubicación espacial de la escala en el pescado es crítica, ya que investigaciones anteriores han demostrado las propiedades mecánicas de las escamas de pescado mineralizadas son dependientes a donde las escalas se encuentran en los peces 4. Las propiedades mecánicas de los materiales biológicos mineralizadas también ha demostrado ser dependiente del estado de hidratación de las muestras 4. Esto limita la utilidad de esta técnica cuando se trata de comparar las muestras frescas que han sido hidratados adecuadamente con los resultados publicados en la literatura abierta, que utilizan muestras fosilizadas secos. Por lo tanto, tiempos de prueba prolongados deben evitarse para minimizar los efectos de la deshidratación sobre las propiedades mecánicas de una muestra durante nanoindentación. Se recomienda realizar estudios piloto específicas del material para asegurar la experienciatiempo de ejecución ción es lo suficientemente mínima para no cambiar el comportamiento mecánico del material. Nanoindentación celular mojado sería un método preferido para mantener un estado de hidratación constante del material si el equipo de prueba lo permite. El método de nanoindentación utilizado en este estudio, que calcula el módulo de elasticidad de la curva de descarga asume el material se comporta como un material isotrópico elástico lineal. La técnica se puede utilizar con una variedad de puntas penetrador. Sin embargo, se usó la punta Berkovich de tres lados con un medio ángulo de 65,35 ° en este estudio. Consejos alternativos tales como la esquina de cubo (media = 35,36 ° ángulo) son adecuados para el procedimiento presentado en este manuscrito, pero desde la punta de esquina de cubo es más agudo que las grietas de punta Berkovich se pueden generar en la muestra a gran parte de las cargas más bajas que con la punta Berkovich. El pulido es un paso esencial para obtener una superficie lisa y plana, con una superfi minimizadoe rugosidad para no afectar a los resultados de nanoindentación. Los pasos de pulido que se presentan en este manuscrito son un procedimiento sugerido que podría ser necesario modificar en función del tipo de pulidor que se utiliza. Sin embargo, el paso crítico para asegurar que los datos de nanoindentación precisa es que rugosidad de la superficie se reduce al mínimo, y para este material en particular se requiere un pulido final nm 50 para obtener una superficie lisa y plana en las profundidades de indentación se realiza la palpación. El espaciamiento de guiones también asegura que los datos de nanoindentación precisa que no está influenciado por la deformación del material que ocurre a partir de guiones anteriores. El manual del usuario nanoindentador para el equipo en este estudio sugiere que el espaciamiento de guión debe ser de al menos 20 a 30 veces la profundidad máxima de penetración de Berkovich penetradores 15. Para materiales alternativos, necesitará el espaciado de sangría requerida para ser determinado en base a la carga aplicada y la máxima profundidad de penetración como se discutió previamente en el abiertoliteratura 16,17. Además, se eligió el tiempo de espera para este material para superar cualquier fluencia observada para las diferentes fases de material sondadas permitiendo método de análisis de Oliver-Pharr del software de nanoindentador para ser utilizado. Sin embargo, como se comenta por Oyen 18 métodos de análisis alternativos para materiales biológicos cuando las respuestas materiales dependientes del tiempo no se pueden superar con tiempos de retención adecuados. Para lograr resultados de alta resolución a partir de X-Ray CT, varias configuraciones deben ser optimizados. Este documento describe un conjunto muy específico de los parámetros para el uso en una escala de peces con un tamaño único y espesor en capas. Con diferentes tamaños de la muestra, tendrá que ser ajustado para obtener un conjunto de datos de la más alta calidad de estos ajustes. El proceso de selección de cada parámetro debe estar claramente definido en el manual del usuario que viene con la máquina que se utiliza. Configuración de escaneado (tensión, corriente, la exposición, selección de filtro) y los ajustes de reconstrucción(artefactos de anillo, endurecimiento del haz) pueden necesitar ser modificado para acomodar una variedad de otros tamaños de la muestra y geometrías. Rayos X CT proporciona una imagen de la morfología escala toda la identificación de una capa ganoine que cubre una capa ósea de material sólo cuando las escalas no se solapan entre sí. Las imágenes CT de rayos X también identificó que la capa ganoine consistió de un grosor no uniforme a través de la escala, y los hoyos incluso expuestas que carecían de la capa de ganoine por completo. Curiosamente, los datos de nanoindentación espacialmente correlacionados con el análisis químico de SEM / EDX identificaron una transición discreta agudo entre las 2 capas en vez de una transición más gradual observado para las escamas de los peces mineralizadas de la P. senagalus (en Bruet et al. 2). Una combinación de nanoindentación, FTIR, EDX y SEM proporciona propiedades mecánicas, análisis químicos, y la información estructural para confirmarla capa externa como ganoine con la morfología y química similar al esmalte. Además, estas técnicas confirmaron la capa interior como una capa de material óseo. En conclusión, los métodos descritos en este estudio identificaron el procedimiento y los resultados correspondientes para examinar la escala de peces mineralizada de A. espátula de la estructura mayor a la composición química y la nanoestructura.

Los investigadores están estudiando los biomateriales estructurales y están tratando de dilucidar los principios de diseño, que ofrecen los biomateriales estructurales con propiedades mecánicas mejoradas, como mucho mayor tenacidad y resistencia en comparación con sus componentes individuales. Las investigaciones sobre los principios de diseño de escamas de pescado blindados para Pagrus major 7, Polypterus senagalus 2,6, Arapaima gigas 3, Cyprinus carpio 4 y Atractosteus espátula 1 han demostrado la necesidad de ampliar la aplicación de métodos experimentales existentes para estudiar las respuestas estructurales y las características microestructurales, ya que los procedimientos estándar detallados no están disponibles para estos tipos de materiales y experimentos. Entre las diferentes escalas de peces acorazados discutidos, A. espátula es un depredador históricamente ápice de la central de EE.UU. 8 y es una especie con altoly escalas mineralizadas. Los intercambios de especies de masa muscular para la masa de la piel para obtener un sistema de defensa depredador mejorada en comparación con los peces de tamaño comparable se mencionó anteriormente 9. De acuerdo a la página y Burr 10, A. espátula es la tercera más grande de peces de agua dulce en América del Norte con el esturión blanco (Acipenser transmontanus) y el esturión del Atlántico (Acipenser oxyrhynchus) siendo las especies más grandes. Las escalas de peces altamente mineralizados de A. sólo recientemente se están estudiando espátula. Thompson y McCune 11 sugerido que la morfología de las escalas GAR tiene una composición de tres capas que consiste en una capa ganoine exterior, una capa de hueso difusa, y la capa de hueso laminar. La investigación actual sobre el A. escalas espátula no han distinguido la capa de hueso en difusa o regiones hueso laminar, pero sólo ha estudiado la región del hueso como una única capa interna de 1,12. En este estudio, los procedimientos para, entigar la microestructura, nanoestructura, composición química, y la distribución espacial de las propiedades mecánicas de las escalas de A. espátula sobre la base de los resultados de la espectroscopia FTIR, SEM, X-ray CT, y las técnicas de nanoindentación se presentan.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="573">
	<colgroup>
		<col />
		<col />
		<col />
		<col />
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Epoxy resin</td>
			<td style="width:71px;">Buehler</td>
			<td style="width:119px;">701-501512</td>
			<td style="width:167px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Epoxy hardener</td>
			<td style="width:71px;">Buehler</td>
			<td style="width:119px;">703-501528</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Samplkups</td>
			<td style="width:71px;">Buheler</td>
			<td style="width:119px;">20-8180</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">SamplKlips I</td>
			<td style="width:71px;">Buehler</td>
			<td style="width:119px;">20-4100-100S</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">High precision cut-off saw</td>
			<td style="width:71px;">Buehler</td>
			<td style="width:119px;">Isomet</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">UltraMet 2002 sonic cleaner</td>
			<td style="width:71px;">Buehler</td>
			<td style="width:119px;">B2510R-MT</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Polisher</td>
			<td style="width:71px;">Buehler</td>
			<td style="width:119px;">49-1750-160</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">1200 grit (15-um) SiC paper</td>
			<td style="width:71px;">Struers</td>
			<td align="right" style="width:119px;">40400012</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">4000 grit (6-um) SiC paper</td>
			<td style="width:71px;">Struers</td>
			<td align="right" style="width:119px;">40400014</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">50-nm colloidal silica</td>
			<td style="width:71px;">Buehler</td>
			<td style="width:119px;">40-10075</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Chemomet polishing pad for 50-nm suspension</td>
			<td style="width:71px;">Buehler</td>
			<td style="width:119px;">40-7918</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Nanoindenter</td>
			<td style="width:71px;">MTS</td>
			<td style="width:119px;">G200</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">FTIR continuum microscope</td>
			<td style="width:71px;">Thermo Nicollet</td>
			<td align="right" style="width:119px;">6700</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">X-ray Computed Tomography</td>
			<td style="width:71px;">Skyscan</td>
			<td style="width:119px;">Skyscan 1173</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">SEM</td>
			<td style="width:71px;">FEI</td>
			<td style="width:119px;">NovaNanoSEM 630</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">EDX</td>
			<td style="width:71px;">Bruker</td>
			<td style="width:119px;">AXS Xflash detector 4010</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Sputter Coater</td>
			<td style="width:71px;">Denton</td>
			<td style="width:119px;">Desk II</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

characterization of multi-layered fish scales (atractosteus spatula) using nanoindentation, x-ray ct, ftir, and sem

La arquitectura jerárquica de los materiales biológicos de protección, tales como escalas mineralizadas de pescado, conchas de gasterópodos, cuerno de carnero, cuernos y caparazones de tortuga proporciona principios de diseño únicos con potencial para guiar el diseño de materiales y sistemas de protección en el futuro. La comprensión de las relaciones estructura-propiedades de estos sistemas de materiales en la microescala y nanoescala que el fallo se inicia es esencial. Actualmente, las técnicas experimentales, tales como nanoindentación, CT de rayos X, y SEM proporcionan a los investigadores una manera de correlacionar el comportamiento mecánico con microestructuras jerárquicas de estos sistemas de materiales 1-6. Sin embargo, un procedimiento estándar bien definido para la preparación de muestras de biomateriales mineralizadas no está disponible actualmente. En este estudio, los métodos para sondeo químico espacialmente correlacionados, estructural, y las propiedades mecánicas de la escala de varias capas de A. espátula mediante nanoindentación, FTIR, SEM, con bañoenergía dispersiva de rayos X (EDX) microanálisis, y CT de rayos X se presentan.

La Figura 3 representa los resultados promedio de espacialmente correlacionados-nanoinidentation / análisis SEM / EDX llevado a cabo a través del eje largo de aproximadamente 800 micras a corto sección transversal. En la capa ganoine aproximadamente 60 micras de espesor, el nanoindentador calcula un módulo promedio de 69,0 GPa y dureza de 3,3 GPa. El nanoindentador determinó un módulo promedio de 14,3 GPa y dureza de 0,5 GPa para la capa de hueso de aproximadamente 740 m de espesor. EDX determina de carbono, oxígeno, calcio, y fósforo, que se encuentran típicamente en escalas mineralizadas. Sin embargo, las capas ganoine y huesos contenían diferencias cuantificables en composiciones químicas. El pico de carbono observada en la capa de hueso se puede atribuir a que la región no ser tan altamente mineralizada, lo que resulta en un ligero incremento en el carbono que también causó la disminución observada en el brillo total de la imagen de la EEB. Específicamente, la capa ganoine &#39;; S Proporción de media concentración atómica de Ca: P de 1,71 pareció similar a la hidroxiapatita con una relación teórica de 1,67. Ca promedio del estrato hueso: P disminuyó a 1,51 lo que representa una disminución en la cantidad de mineralización de la capa ganoine. Los espectros de FTIR en la Figura 4 para la capa de hueso y la capa ganoine identificado los principales grupos funcionales como amida, carboxílico, fosfato, y carbonilo. Específicamente, FTIR confirmó la observación visual de las firmas de hidroxiapatita en las firmas (ganoine) capa exterior y de colágeno en la capa (hueso) interior. Picos de 3,500-3,000 cm -1 debido a NH estiramiento y flexión NH entre 1550 y 1500 cm -1 representan grupos amida en la capa de hueso. Los picos en la región de número de onda 1,470-1,365 cm -1 representan grupos alquilo amida sustituido. Además, un distintivo C = O se extiende en 1641 cm-1 se observó en la capa de hueso. Guisanteks de 3,000-2,500 cm -1 representan grupos carboxílicos. Espectros Tanto el hueso y ganoine capas &#39;producen un pico distintivo cerca 1,079.33 cm -1 indicativos de estiramiento fosfato. De rayos X las imágenes de CT en la Figura 5 que capta la capa de ganoine no cubre la capa de hueso donde las escamas se superponen entre sí. Las capas ganoine grises brillantes indican las fases más densas, más duras y más duras, mientras que las capas óseas grises más oscuros indican las fases menos densas y menos rígidas. Además, las imágenes CT de rayos X ayudó en la identificación de la falta de uniformidad en grosor de la capa ganoine. De hecho, los hoyos claros se observan cerca del centro de la capa de ganoine, que no cubren la capa de hueso en absoluto. La imagen SEM de la Figura 6A de la superficie de fractura grabado con H 3 PO 4 reveló nanoestructuras organizadas en un patrón de capas para la capa ganoine. Esta nanorod organizadoestructura corresponde a las firmas de hidroxiapatita obtenidos a partir de la FTIR para el área ganoine. La figura 6A representa un típico aumento menor SEM de una superficie de fractura identificando claramente la transición entre las capas ganoine y hueso con la línea discontinua. Figura 6B representa los más altos de aumento Imágenes SEM de la superficie de fractura después del grabado con H 3 PO 4. Después de grabado, nanovarillas orientadas en la capa exterior ganoine son claramente identificables, mientras que una nanoestructura de fibra como se observa en la capa de hueso. <img alt="Figura 3" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51535/51535fig3highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51535/51535fig3.jpg" /> Figura 3. Módulo y los datos de dureza de nanoindentación espacialmente correlacionados a la composición química de SEM / EDX. <p class="jove_content" fo:keep-together.within-page = &quot;always&quot;&gt; <img alt="Figura 4" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51535/51535fig4highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51535/51535fig4.jpg" /> Figura 4. Espectros FTIR obtenida de las capas exteriores (ganoine) e interior (ósea). <img alt="La figura 5" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51535/51535fig5highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51535/51535fig5.jpg" /> Figura 5. De rayos X que muestran imágenes de la TC picaduras en el exterior (ganoine) capa que cubre el (ósea) capa interna. <img alt="La figura 6" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51535/51535fig6highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51535/51535fig6.jpg" /> Figura 6. (A) de baja magnificación de la imagen SEM de la superficie típica de fractura, (B) las imágenes de mayor aumento de nanovarillas en el exterior (ganoine) y fibras en el interior (Bony) capas .. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51535/51535fig6highres.jpg" target="_blank">Por favor clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>

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Characterization Of Multi-layered Fish Scales Atractosteus spatula Using Nanoindentation, X-ray CT, FTIR, and SEM

Este trabajo presenta los métodos utilizados para el sondeo químico espacialmente correlacionados, estructural, y las propiedades mecánicas de la escala de varias capas de Atractosteus espátula (A. espátula) utilizando nanoindentación, transformada de Fourier (FTIR), microscopía electrónica de barrido (SEM), y X- ray tomografía computarizada (CT de rayos X). Los resultados experimentales se han utilizado para investigar los principios de diseño de materiales biológicos de protección.

Caracterización de las escalas de peces de múltiples capas-(<em&gt; Atractosteus espátula</em&gt;) Usando Nanoindentación, X-ray CT, FTIR y SEM

The hierarchical architecture of protective biological materials such as mineralized fish scales, gastropod shells, ram&#8217;s horn, antlers, and turtle ...

characterization-multi-layered-fish-scales-atractosteus-spatula-using

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Characterization Of Multi-layered Fish Scales (Atractosteus spatula) Using Nanoindentation, X-ray CT, FTIR, and SEM

15.1K vistas.  U.S. Army Engineer Research and Development Center.  Este trabajo presenta los métodos utilizados para el sondeo químico espacialmente correlacionados, estructural, y las propiedades mecánicas de la escala de varias capas de Atractosteus espátula (A. espátula) utilizando nanoindentación, transformada de Fourier (FTIR), microscopía electrónica de barrido (SEM), y X- ray tomografía computarizada (CT de rayos X). Los resultados experimentales se han utilizado para investigar los principios de diseño de mate...

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Bioluminescence Imaging for Assessment of Immune Responses Following Implantation of Engineered Heart Tissue (EHT)

Various techniques of cardiac tissue engineering have been pursued in the past decades including scaffolding strategies using either native or bioartificial scaffold materials, entrapment of cardiac myocytes in hydrogels such as fibrin or collagen and stacking of myocyte monolayers 1. These concepts aim at restoration of compromised cardiac function (e.g. after myocardial infarction) or as experimental models (e.g. predictive toxicology and substance screening or disease modelling). Precise monitoring of cell survival after implantation of engineered heart tissue (EHT) has now become possible using in-vivo bioluminescence imaging (BLI) techniques 2. Here we describe the generation of fibrin-based EHT from a transgenic rat strain with ubiquitous expression of firefly luciferase (ROSA/luciferase-LEW Tg; 3). Implantation is performed into the greater omentum of different rat strains to assess immune responses of the recipient organism following EHT implantation. Comparison of results generated by BLI and the Enzyme Linked Immuno Spot Technique (ELISPOT) confirm the usability of BLI for the assessment of immune responses.

Bioluminescence Imaging for Assessment of Immune Responses Following Implantation of Engineered Heart Tissue EHT

This video demonstrates the use of in vivo bioluminescence imaging to study immune responses after implantation of Engineered Heart Tissue (EHT) in rats.

Bioluminiscencia de imágenes para la evaluación de la respuesta inmune después de la implantación de tejido cardiaco de Ingeniería (EHT)

Various techniques of cardiac tissue engineering have been pursued in the past decades including scaffolding strategies using either native or ...

Investigación

Bioingeniería

Small and Wide Angle X-Ray Scattering Studies of Biological Macromolecules in Solution

In this paper, Small and Wide Angle X-ray Scattering (SWAXS) analysis of macromolecules is demonstrated through experimentation. SWAXS is a technique where X-rays are elastically scattered by an inhomogeneous sample in the nm-range at small angles (typically 0.1 - 5&deg;) and wide angles (typically &gt; 5&deg;). This technique provides information about the shape, size, and distribution of macromolecules, characteristic distances of partially ordered materials, pore sizes, and surface-to-volume ratio. Small Angle X-ray Scattering (SAXS) is capable of delivering structural information of macromolecules between 1 and 200 nm, whereas Wide Angle X-ray Scattering (WAXS) can resolve even smaller Bragg spacing of samples between 0.33 nm and 0.49 nm based on the specific system setup and detector. The spacing is determined from Bragg's law and is dependent on the wavelength and incident angle.
In a SWAXS experiment, the materials can be solid or liquid and may contain solid, liquid or gaseous domains (so-called particles) of the same or another material in any combination. SWAXS applications are very broad and include colloids of all types: metals, composites, cement, oil, polymers, plastics, proteins, foods, and pharmaceuticals. For solid samples, the thickness is limited to approximately 5 mm.
Usage of a lab-based SWAXS instrument is detailed in this paper. With the available software (e.g., GNOM-ATSAS 2.3 package by D. Svergun EMBL-Hamburg and EasySWAXS software) for the SWAXS system, an experiment can be conducted to determine certain parameters of interest for the given sample. One example of a biological macromolecule experiment is the analysis of 2 wt% lysozyme in a water-based aqueous buffer which can be chosen and prepared through numerous methods. The preparation of the sample follows the guidelines below in the Preparation of the Sample section. Through SWAXS experimentation, important structural parameters of lysozyme, e.g. the radius of gyration, can be analyzed.

The demonstration of the small and wide angle X-ray scattering (SWAXS) procedure has become instrumental in the study of biological macromolecules. Through the use of the instrumentation and procedures of specific angle methods and preparation, the experimental data from the SWAXS displays the atomic and nano-scale characterization of macromolecules.

Pequeñas y Wide Angle X-Ray Estudios de dispersión de macromoléculas biológicas en disolución

In this paper, Small and Wide Angle X-ray Scattering (SWAXS) analysis of macromolecules is demonstrated through experimentation. SWAXS is a technique ...

Biomechanical Characterization of Human Soft Tissues Using Indentation and Tensile Testing

Regenerative medicine aims to engineer materials to replace or restore damaged or diseased organs. The mechanical properties of such materials should mimic the human tissues they are aiming to replace; to provide the required anatomical shape, the materials must be able to sustain the mechanical forces they will experience when implanted at the defect site. Although the mechanical properties of tissue-engineered scaffolds are of great importance, many human tissues that undergo restoration with engineered materials have not been fully biomechanically characterized. Several compressive and tensile protocols are reported for evaluating materials, but with large variability it is difficult to compare results between studies. Further complicating the studies is the often destructive nature of mechanical testing. Whilst an understanding of tissue failure is important, it is also important to have knowledge of the elastic and viscoelastic properties under more physiological loading conditions.
This report aims to provide a minimally destructive protocol to evaluate the compressive and tensile properties of human soft tissues. As examples of this technique, the tensile testing of skin and the compressive testing of cartilage are described. These protocols can also be directly applied to synthetic materials to ensure that the mechanical properties are similar to the native tissue. Protocols to assess the mechanical properties of human native tissue will allow a benchmark by which to create suitable tissue-engineered substitutes.

Tissue biomechanics is important for maintaining cell shape and function and for determining phenotype. This report demonstrates non-destructive mechanical protocols for characterizing elastic and viscoelastic properties of human soft tissues, which can be directly applied to tissue-engineered substrates to allow a close matching of engineered materials to native tissue.

Caracterización biomecánica de los tejidos blandos humanos utilizando sangría y Ensayo de tracción

Regenerative medicine aims to engineer materials to replace or restore damaged or diseased organs. The mechanical properties of such materials should ...

Detection of Endotoxin in Nano-formulations Using Limulus Amoebocyte Lysate (LAL) Assays

When present in pharmaceutical products, a Gram-negative bacterial cell wall component endotoxin (often also called lipopolysaccharide) can cause inflammation, fever, hypo- or hypertension, and, in extreme cases, can lead to tissue and organ damage that may become fatal. The amounts of endotoxin in pharmaceutical products, therefore, are strictly regulated. Among the methods available for endotoxin detection and quantification, the Limulus Amoebocyte Lysate (LAL) assay is commonly used worldwide. While any pharmaceutical product can interfere with the LAL assay, nano-formulations represent a particular challenge due to their complexity. The purpose of this paper is to provide a practical guide to researchers inexperienced in estimating endotoxins in engineered nanomaterials and nanoparticle-formulated drugs. Herein, practical recommendations for performing three LAL formats including turbidity, chromogenic and gel-clot assays are discussed. These assays can be used to determine endotoxin contamination in nanotechnology-based drug products, vaccines, and adjuvants.

Detection of Endotoxin in Nano-formulations Using Limulus Amoebocyte Lysate LAL Assays

Detection of endotoxins in engineered nanomaterials represents one of the grand challenges in the field of nanomedicine. Here, we present a case study that describes the framework composed of three different LAL formats to estimate potential endotoxin contamination in nanoparticles.

Detección de endotoxinas en las formulaciones Nano mediante ensayos de Limulus Amoebocyte Lysate (LAL)

When present in pharmaceutical products, a Gram-negative bacterial cell wall component endotoxin (often also called lipopolysaccharide) can cause ...

Use of Micro X-ray Computed Tomography with Phosphotungstic Acid Preparation to Visualize Human Fibromuscular Tissue

Manual dissection and histological observation are common methods used to investigate human tissues. However, manual dissection can damage delicate structures&#160;while processing and histological observation provide limited information through cross-sectional imaging. Micro X-ray computed tomography (microCT) is an effective tool for obtaining three-dimensional information without damaging specimens. However, it shows limited efficiency in differentiating soft tissue parts. Use of contrast-enhancing agents, like phosphotungstic acid (PTA), can solve this problem by improving soft tissue contrast. We implemented microCT with PTA to investigate the human orbicularis retaining ligament (ORL), which is a delicate structure in the orbit area. In this method, harvested specimens are fixed in formalin, dehydrated in serial ethanol solutions, and stained with a PTA solution. After staining, microCT scanning, 3D reconstruction, and analysis are performed. Skin, ligaments, and muscles can be clearly visualized using this method. The specimen size and duration of staining are essential features of the method. The suitable specimen thickness was about 5&#8211;7 mm, above which the process was slowed, and the optimum duration was 5&#8211;7 days, below which an empty hole in the central area occasionally occurred. To maintain the location and direction of small pieces during cutting, sewing on the same region of each part is recommended. Furthermore, preliminary analyses of the anatomical structure are needed to correctly identify each piece. Parafilm can be used to prevent drying, but care should be taken to prevent specimen distortion. Our multidirectional observation showed that the ORL is composed of a multilayered meshwork of continuous plates, rather than thread-like fibers, as reported previously. These results suggest that microCT scanning with PTA is useful for examining specific compartments within complex structures of human tissue. It may be helpful in the analyses of cancer tissues, nerve tissues, and various organs, like the heart and liver.

Micro X-ray computed tomography is effective in obtaining three-dimensional information from undamaged human specimens but has limited success in observing soft tissues. The use of phosphotungstic acid contrast agent can resolve this issue. We implemented this contrast agent to examine human delicate fibromuscular tissues (the orbicularis retaining ligament).

Uso de tomografía computarizada de micro rayos X con preparación de ácido fosfotúrtico para visualizar el tejido fibromuscular humano

Manual dissection and histological observation are common methods used to investigate human tissues. However, manual dissection can damage delicate ...

Four-Dimensional CT Analysis Using Sequential 3D-3D Registration

Four-dimensional computed tomography (4DCT) provides a series of volume data and visualizes joint motions. However, numerical analysis of 4DCT data remains difficult because segmentation in all volumetric frames is time-consuming. We aimed to analyze joint kinematics using a sequential 3D-3D registration technique to provide the kinematics of the moving bone with respect to the fixed bone semiautomatically using 4DCT DICOM data and existing software. Surface data of the source bones are reconstructed from 3DCT. The trimmed surface data are respectively matched with surface data from the first frame in 4DCT. These trimmed surfaces are sequentially matched until the last frame. These processes provide positional information for target bones in all frames of the 4DCT. Once the coordinate systems of the target bones are decided, translation and rotation angles between any two bones can be calculated. This 4DCT analysis offers advantages in kinematic analyses of complex structures such as carpal or tarsal bones. However, fast or large-scale motions cannot be traced because of motion artifacts.

We analyzed joint kinematics from four-dimensional computed tomography data. The sequential 3D-3D registration method semiautomatically provides the kinematics of the moving bone with respect to the subject bone from four-dimensional computed tomography data.

Análisis de TC de cuatro dimensiones mediante el registro secuencial 3D-3D

Four-dimensional computed tomography (4DCT) provides a series of volume data and visualizes joint motions. However, numerical analysis of 4DCT data ...

3D Imaging of Soft-Tissue Samples using an X-ray Specific Staining Method and Nanoscopic Computed Tomography

We demonstrate a laboratory-based method combining X-ray microCT and nanoCT with a specific X-ray stain, which targets the cell cytoplasm. The described protocol is easy to apply, fast and suitable for larger soft-tissue samples. The presented methodology enables the characterization of crucial tissue structures in three dimensions and is demonstrated on a whole mouse kidney. The multiscale approach allows to image the entire mouse kidney and supports the selection of further volumes of interest, which are acquired with higher resolutions ranging into the nanometer range. Thereby, soft-tissue morphology with a similar detail level as the corresponding histological light microscopy images is reproduced. Deeper insights into the 3D configuration of tissue structures are achieved without impeding further investigations through histological methods.

A protocol for 3D visualization of microscopic tissue structures by using an X-ray specific staining method designed for X-ray computed tomography is presented.

Imágenes 3D de muestras de tejido blando utilizando un método de tinción específica de rayos X y tomografía computarizada nanoscópica

We demonstrate a laboratory-based method combining X-ray microCT and nanoCT with a specific X-ray stain, which targets the cell cytoplasm. The described ...

Patient-Specific Polyvinyl Alcohol Phantom Fabrication with Ultrasound and X-Ray Contrast for Brain Tumor Surgery Planning

Phantoms are essential tools for clinical training, surgical planning and the development of novel medical devices. However, it is challenging to create anatomically accurate head phantoms with realistic brain imaging properties because standard fabrication methods are not optimized to replicate any patient-specific anatomical detail and 3D printing materials are not optimized for imaging properties. In order to test and validate a novel navigation system for use during brain tumor surgery, an anatomically accurate phantom with realistic imaging and mechanical properties was required. Therefore, a phantom was developed using real patient data as input and 3D printing of molds to fabricate a patient-specific head phantom comprising the skull, brain and tumor with both ultrasound and X-ray contrast. The phantom also had mechanical properties that allowed the phantom tissue to be manipulated in a similar manner to how human brain tissue is handled during surgery. The phantom was successfully tested during a surgical simulation in a virtual operating room.
The phantom fabrication method uses commercially available materials and is easy to reproduce. The 3D printing files can be readily shared, and the technique can be adapted to encompass many different types of tumor.

This protocol describes the fabrication of a patient specific skull, brain and tumor phantom. It uses 3D printing to create molds, and polyvinyl alcohol (PVA-c) is used as the tissue mimicking material.

Fabricación fantasma de alcohol polivinílico específica del paciente con ultrasonido y contraste de rayos X para la planificación de la cirugía de tumor cerebral

Phantoms are essential tools for clinical training, surgical planning and the development of novel medical devices. However, it is challenging to create ...

Experimental and Data Analysis Workflow for Soft Matter Nanoindentation

Nanoindentation refers to a class of experimental techniques where a micrometric force probe is used to quantify the local mechanical properties of soft biomaterials and cells. This approach has gained a central role in the fields of mechanobiology, biomaterials design&#160;and tissue engineering, to obtain a proper mechanical characterization of soft materials with a resolution comparable to the size of single cells (&#956;m). The most popular strategy to acquire such experimental data is to employ an atomic force microscope (AFM); while this instrument offers an unprecedented resolution in force (down to pN) and space (sub-nm), its usability is often limited by its complexity that prevents routine measurements of integral indicators of mechanical properties, such as Young&#39;s Modulus (E). A new generation of nanoindenters, such as those based on optical fiber sensing technology, has recently gained popularity for its ease of integration while allowing to apply sub-nN forces with &#181;m spatial resolution, therefore being suitable to probe local mechanical properties of hydrogels and cells.
In this protocol, a step-by-step guide detailing the experimental procedure to acquire nanoindentation data on hydrogels and cells using a commercially available ferrule-top optical fiber sensing nanoindenter is presented. Whereas some steps are specific to the instrument used herein, the proposed protocol can be taken as a guide for other nanoindentation devices, granted some steps are adapted according to the manufacturer&#39;s guidelines. Further, a new open-source Python software equipped with a user-friendly graphical user interface for the analysis of nanoindentation data is presented, which allows for screening of incorrectly acquired curves, data filtering, computation of the contact point through different numerical procedures, the conventional computation of E, as well as a more advanced analysis particularly suited for single-cell nanoindentation data.

The protocol presents a complete workflow for soft material nanoindentation experiments, including hydrogels and cells. First, the experimental steps to acquire force spectroscopy data are detailed; then, the analysis of such data is detailed through a newly developed open-source Python software, which is free to download from GitHub.

Flujo de trabajo experimental y de análisis de datos para nanoindentación de materia blanda

Nanoindentation refers to a class of experimental techniques where a micrometric force probe is used to quantify the local mechanical properties of soft ...

Viscoelastic Characterization of Soft Tissue-Mimicking Gelatin Phantoms using Indentation and Magnetic Resonance Elastography

Characterization of biomechanical properties of soft biological tissues is important to understand the tissue mechanics and explore the biomechanics-related mechanisms of disease, injury, and development. The mechanical testing method is the most straightforward way for tissue characterization and is considered as verification for in vivo measurement. Among the many ex vivo mechanical testing techniques, the indentation test provides a reliable way, especially for samples that are small, hard to fix, and viscoelastic such as brain tissue. Magnetic resonance elastography (MRE) is a clinically used method to measure the biomechanical properties of soft tissues. Based on shear wave propagation in soft tissues recorded using MRE, viscoelastic properties of soft tissues can be estimated in vivo based on wave equation. Here, the viscoelastic properties of gelatin phantoms with two different concentrations were measured by MRE and indentation. The protocols of phantom fabrication, testing, and modulus estimation have been presented.

This article presents a demonstration and summary of protocols of making gelatin phantoms that mimic soft tissues, and the corresponding viscoelastic characterization using indentation and magnetic resonance elastography.