Un protocole pour bioinspirée Conception: Rez-de-Sampler Basé sur Sea Urchin Jaws

Résumé

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.

Résumé

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

Les domaines de la biologie, du matériel biologique science, biomatériaux, bioingénierie et biochimie emploient les techniques et les esprits scientifiques première dans une tentative de fournir une compréhension plus profonde du monde naturel incroyable. Cette recherche a expliqué de nombreuses structures et organismes biologiques les plus étonnants; de la ténacité intrinsèque de l' os humain ^1,2 à grand bec du toucan ^3. Cependant, une grande partie de cette connaissance est difficile à utiliser d'une manière qui peut fournir un avantage pour la société. En conséquence, le champ tangentielle de bioinspiration emploie les enseignements tirés de la nature des matériaux modernes afin de résoudre des problèmes communs. Des exemples comprennent des surfaces superhydrophobes inspirées par des feuilles de lotus ^4-6, les surfaces adhésives inspirées par les pieds des geckos et des insectes ^7,8, céramiques difficiles inspirées par la nacre de l' ormeau ^9-11 et les pêcheurs de biopsie inspirés par le porte - parole de l'oursin, également connaîtren que la lanterne du Aristote ^12,13.

Les oursins sont des animaux invertébrés couverts d'épines dont l'habitat se compose le plus souvent des lits rocheux sur le fond de l'océan. Le corps (appelé un test) dans les plus grandes espèces d'oursins peut être plus de 18 cm de diamètre; taille de test rose oursins (Strongylocentrotus fragilis) examiné dans cette étude peut atteindre 10 cm de diamètre. La lanterne de l'Aristote est composé de cinq dents de carbonate de calcium à prédominance pris en charge par des structures pyramidales composées de tissus minéralisés et disposés dans une formation en forme de dôme qui entourent tous , mais les conseils de broyage distales des dents (figure 1A).

La structure musculaire des mâchoires est capable de mâcher efficace et raclage même contre les rochers et les coraux de l'océan dur. Lorsque les mâchoires ouvertes, les dents font saillie vers l'extérieur et lorsque les mâchoires se referment, les dents se rétractent vers l'intérieur en un seul mouvement fluide. Comparaison entre primitive (ci - dessus) et (ci - dessous) oursin dents sections transversales modernes (figure 1B) indique qu'une dent carénées a évolué pour renforcer la dent lors du meulage contre des substrats durs. Chaque dent présente une courbure légèrement convexe et une morphologie dans le plan transversal (perpendiculaire à la direction de croissance) en forme de T en raison de la quille attaché longitudinalement (figure 1C, D).

Bioinspiration commence par l'observation des phénomènes naturels intéressants, tels que le mouvement de mastication efficace de la lanterne du Aristote dans les oursins. Cette structure naturelle d'abord captivé Aristote parce qu'elle lui rappelait une lanterne de corne avec les vitres de corne laissés. Plus de deux millénaires plus tard, Scarpa a été fasciné par la complexité de la lanterne de l'Aristote que lui et plus tard Trogu imitait le mouvement de mastication naturelle en utilisant uniquement du papier et des bandes de caoutchouc (Figure 2A) ^15,16. De même, Jelinek a été bioinspirés par le ctaillants motion de la lanterne du Aristote et développé une meilleure récolte de biopsie qui pourrait isoler les tissus tumoraux en toute sécurité sans propagation des cellules cancéreuses (Figure 2B, C) ^​​12,13. Dans ce cas, la conception bioinspirés a été utilisé pour réaliser un dispositif biomédical qui correspondent à un besoin spécifique pour une application souhaitée.

Le protocole de conception décrite ici est valable pour un échantillonneur de sédiments bioinspirés par les oursins. Grâce à des matériaux biologiques science, la structure naturelle de la lanterne de l'Aristote se caractérise. conception bioinspirée identifie les applications potentielles où les mécanismes naturels peuvent être améliorés grâce à l'utilisation de matériaux modernes et des techniques de fabrication. La conception finale est ré-examinée à travers le prisme de bioexploration pour comprendre comment la structure de la dent naturelle a évolué (Figure 3). La dernière étape de bioexploration, proposé par Porter ^17,18, utilise des méthodes d'analyse de l' ingénierie à l' explore et expliquer les phénomènes biologiques. Toutes les étapes importantes du processus de bioinspiration sont présentés à titre d'exemple pour exploiter la technologie, approuvés au préalable par la nature, qui peut être utilisé pour résoudre des problèmes modernes. Notre protocole, motivé par des procédures de bioinspiration précédentes présentées pour des applications spécifiques par Arzt _^7, est ciblé pour des biologistes, des ingénieurs et toute autre personne qui est inspiré par la nature.

Protocole

1. Biological Materials Science

1. Porter un équipement de protection individuelle (gants, lunettes de protection et une blouse de laboratoire) et de suivre toutes les procédures de sécurité applicables à l' utilisation des outils de dissection.
2. Rincez la pince et scalpel avec de l'eau distillée à utiliser pour la dissection.
3. Décongeler un rose oursin de mer congelés à température ambiante pendant 1 h. Placez un spécimen décongelés dans un plat en verre avec un espace suffisant pour pouvoir manœuvrer les outils d'oursins et de coupe. Tournez l'oursin envers pour que les pointes de dents face vers le haut.
   1. Coupez le tissu conjonctif autour du périmètre de la lanterne de l'Aristote avec le scalpel et soulevez délicatement la lanterne. Rincer la lanterne hors de l'eau distillée courante. Jeter les pièces d'oursins inutilisés dans un récipient approprié d'élimination des déchets.
   2. Tournez la lanterne du Aristote encore de sorte que les pointes des dents face vers le bas. Repérez la fin de plumula de chaque dent (opposée à la pointe) vers le haut et utiliser les pinces pour les soinsentièrement glisser les dents individuelles de la lanterne.
4. Préparer époxy pour pot les dents. Pèse 5 g de résine et ajouter 1,15 g de durcisseur (par exemple, 100 parties de résine pour 23 parties de durcisseur en poids) dans un plateau en plastique jetable peu profond. Mélanger le contenu ensemble lentement sans formation de bulles.
   Remarque: Ne laissez pas les restes époxy mélangé dans un récipient avec une exposition insuffisante à l'atmosphère. Le processus de durcissement est exothermique et peut enflammer les produits à proximité. Gardez tout époxy restant mélangé dans une hotte bien aéré, loin des objets inflammables.
   1. Graisser un tube de 2,5 dram en plastique (22 mm de diamètre intérieur, 39 mm de longueur) en utilisant de la vaseline appliquée avec un doigt et essuyer tout excès avec un tissu. Remplissez à moitié le tube avec le mélange époxy.
   2. Utilisez la pince pour ramasser une dent et soigneusement plonger dans l'époxy avec le côté courbe concave vers le haut. Laissez sécher époxy à la température ambiante pendant 24 heures.
      Remarque: Empêcher la pointe de la dent de dériver au toucherla paroi du tube en plastique comme les époxy cures depuis cela va rendre le polissage de la pointe plus difficile.
5. Placer le tube en matière plastique époxy durcie dans un étau. Serrer l'étau lentement jusqu'à ce qu'une fente est réalisée dans le tube en matière plastique. Décollez plastique résiduel de la surface époxy.
   1. Utilisez un tronçonnage scie pour couper l'époxy autour de la dent vers le bas pour un bloc plus petit (1 cm ^3).
6. Préparer un endroit propre pour polir et mettre en place une station de travail à plat avec une planche en plastique dur. Remplir une bouteille d'injection avec de l'eau distillée.
   1. Commencez par le plus bas du papier de grain disponible (par exemple, 120) et presser une petite quantité d'eau de la bouteille de lavage sur le papier de verre. En utilisant la pression de la lumière, frotter l'échantillon dans une direction arrière et avant (par exemple, de gauche à droite) pendant 5 min.
   2. Laver la surface de l'échantillon sur un évier et essuyer avec un tissu exempt de particules. Retirez tout grain de papier de verre les restes avec de l'air comprimé pendant 15 sec.
   3. Utilisez progressivement le niveau du papier de grain (par exemple, 600 et 2400) pour répéter les étapes de protocole 1.6.1 et 1.6.2. En utilisant la pression de la lumière, frotter l'échantillon dans un avant et en arrière direction perpendiculaire à l'étape de polissage précédente (par exemple, de haut en bas, de gauche à droite).
      Remarque: Utilisez un microscope optique à un grossissement de 20x pour voir des rayures perpendiculaires se croisent à chaque niveau de grain (par exemple, 120, 600, 2400). Déplacer vers le prochain papier de verre grain plus élevé lorsque des rayures à partir du niveau de grain précédente disparaissent.
   4. Préparer une bouteille d'injection avec 3 pm polissage du diamant en suspension dans une solution 1: de l'eau distillée 1. Utilisez un chiffon pour polir les suspensions diamantées à répéter les étapes de protocole 1.6.1 et 1.6.2.
   5. Préparer une bouteille d'injection avec 0,5 um d'alumine de polissage suspension dans une solution 1: de l'eau distillée 1. Utilisez une surface microcloth de polissage à répéter les étapes de protocole 1.6.1 et 1.6.2.
      Remarque: les marques fines rayures de protocole étapes 1.6.4 et 1.6.5 ne sera pas Visible à un grossissement de 20x. Pour ces étapes de protocole, de polissage pendant 5 min dans un va et vient pour enlever toutes les rayures précédentes.
   6. Nettoyer la surface polie avec un tissu dépourvu de particules d'eau et l'utilisation distillée avec de l'air comprimé pour sécher soigneusement. Enveloppez avec un tissu exempt de particules pour maintenir finition polie miroir.
      Remarque: sec toutes les surfaces de polissage face vers le bas sur les tissus grands sans particules. Conserver dans un manchon en plastique pour éviter les particules de poussière de décantation à la surface entre les temps de polissage.
7. Caractériser la microscopie électronique à balayage oursin dent microstructure utilisant (SEM). Utiliser une machine à enduire par pulvérisation pour pulvériser de l'iridium avec un courant de dépôt de 85 mA pendant 10 secondes sur la surface polie de la dent pour une épaisseur de revêtement de ~ 20 nm.
   1. Obtenir des images micrographiques à 250X - grossissement 4,000X utilisant un SEM.
      Remarque: L'utilisation de 5 kV en mode à balayage électronique (SE) et 15 kV en mode électrons rétrodiffusés (BSE). Utilisez le mode ESB pour identifier calcite fibteurs intercalés avec matrice polycristalline Mg enrichi.
8. Effectuer micro-tomodensitométrie (μ-TDM) d'un ensemble rose oursin et une lanterne d'Aristote fraîchement disséqués. Placez chaque échantillon décongelé à l'intérieur du conteneur de chambre fermée avec un tissu humide pour fournir un environnement humidifié lors de la numérisation.
   1. Numériser l'ensemble oursin et la lanterne du Aristote par μ-CT avec une taille de voxel isotrope de 36.00 pm et 9,06 pm, respectivement. Appliquer un potentiel électrique de 100 kV et 70 kV avec un courant de 100 mA et 141 mA, pour l'ensemble de l'oursin et la lanterne du Aristote, respectivement, en utilisant un filtre d'aluminium de 1,0 mm pour les deux.
   2. Appliquer un algorithme de correction de durcissement du faisceau lors de la reconstruction d'image pour tenir compte des faisceaux d'artefacts de durcissement qui résultent de la source de rayons X μ-CT émettant des rayons X d'énergies multiples en utilisant le protocole du fabricant.
9. Utilisez un logiciel d'imagerie pour affiner image la segmentation et l'acquisition d'un modèle de maillage triangulaire pour la structure de la lanterne de l'Aristote.
   1. Charger et aperçu des données d'image lanterne d'Aristote de l'analyse μ-CT. Faites correspondre la taille de voxel (9.06 pm) pour les valeurs de l'analyse micro-CT.
   2. Utilisez une fonction de rendu de volume pour visualiser la lanterne de l'Aristote dans l'espace 3D. Réglez la tranche orthogonale 2D avec le module Boîte englobante et ajuster la valeur de seuil / couleur avec le module Volume Rendering.
   3. Faire segments de masque pour la région d'intérêt (par exemple, l' oursin dent) en utilisant l'éditeur de segmentation. Sélectionnez XY, YZ et plans XZ et la vue 3D isométrique. Utilisez la baguette magique (flèche noire) pour distinguer entre les structures simples (dents vs pyramide) dans la lanterne du Aristote.
   4. Reconstruire la surface du modèle à partir des segments de masque extraits. Sélectionnez le module de génération de surface et appliquer. Décochez la Volume Rendering Paramètres d'avoir disparu de la surface supérieure visible. Ajouter leSurface module View pour afficher le résultat de la surface.
   5. Simplifier la surface du modèle en réduisant le nombre de faces à <18.000.
   6. Modifier individuelle maillage triangulaire sur la surface du modèle selon les besoins. Enregistrez le modèle comme un stéréolithographie (STL) fichier pour l'exportation à utiliser avec le logiciel de conception (CAO) la modélisation assistée par ordinateur.

2. bioinspirée Conception

1. Utilisez la lanterne de l'Aristote de l'analyse micro-CT comme une référence pour faire une conception bioinspirés avec le logiciel de modélisation CAO.
   Remarque: La conception bioinspirés a cinq dents incurvées avec une hauteur de 6 cm de diamètre et 8 cm pour la lanterne fermée. Il est entartré ~ 5x de la taille de la lanterne du naturel Aristote.
2. Enregistrez le fichier STL parties à un lecteur flash et télécharger les fichiers à une modélisation par dépôt fondu (FDM) de l'imprimante 3D.
   1. styrène Charge acrylonitrile-butadiène (ABS) en plastique et le support plastique des cartouches de matériau dans les fentes appropriées de la 3D pIMPRIMANTE.
   2. Insérez la base de modélisation sur la plate-forme de Z et aligner les onglets avec des fentes sur le plateau métallique.
   3. Ouvrez chacune des parties de fichiers STL et suivez les étapes de l'écran d'affichage pour imprimer toutes les parties de la lanterne dans le même temps.
      Remarque: Les pièces de lanterne doivent tenir dans l'enveloppe du bâtiment (25 x 25 x 30 cm ³⁾ pour l'imprimante 3D. Les cinq dents sont disposées sur la base de la modélisation et imprimés en même temps que la pointe de la dent vers le haut. Le taux de construction est de 16 cm ³ par heure et le temps de construction totale est d' environ 8 heures.
   4. Relâchez la base de modélisation à partir des onglets lorsque toutes les parties de fichiers sont imprimés et faites glisser la base de l'imprimante 3D le long des guides du bac.
   5. Utilisez une spatule en métal pour soulever toutes les parties au large de la base et une lime en métal pour porter vers le bas tout en plastique supplémentaire sur les pièces.
   6. Placer les pièces imprimées dans un bain de base chauffée jusqu'à dissolution du matériau support en plastique.
3. Fixer chaque dent à un bras articulé avec un litige de nk et deux bagues de retenue E-part et d'autre.
   Remarque: Se référer à la figure 6 pour l' assemblage de la lanterne du bioinspirés Aristote.

3. Bioexploration

1. Utilisez le fichier CAO pour la dent bioinspirés pour faire une modélisation par éléments finis (FEM) test d'analyse du stress.
   1. Ouvrez le fichier (xx.sldprt) à faire une analyse plus approfondie de l'ingénierie. Au-dessus de l'onglet "Fournitures de bureau", sélectionnez le bouton "SolidWorks Simulation".
   2. Au-dessus de l'onglet "Simulation", sélectionnez le bouton "conseiller aux études», puis l'option déroulante "Nouvelle étude".
   3. Sélectionnez le type de test de simulation pour être exécuté en choisissant "statique".
   4. Sur la liste de test statique, cliquez-droit sur "Calendrier" et sélectionnez "géométrie fixe".
   5. Cliquez sur les faces internes pour ajouter luminaires aux trous de montage où les broches iront.
   6. Sur la liste de test statique, cliquez-droit sur "charges externes" et select "Force".
   7. Cliquez sur le grincement des dents pointe fait face à appliquer 45 N force sur les bords.
   8. Sur la liste de test statique, cliquez-droit sur "charges externes" et sélectionnez "Gravity".
   9. Indiquez "Top Plane" pour la force de gravité appliquée perpendiculairement au plan.
   10. Sur la liste de test statique, cliquez-droit sur "Mesh" et sélectionnez "Créer Mesh".
   11. Déplacez la barre d'échelle pour "Densité Mesh" tout le chemin vers la droite pour "Fine".
   12. Sur la liste de test statique, cliquez-droit sur "statique" et sélectionner "Exécuter" pour exécuter le test.
       Remarque: La barre d'échelle de couleur pour les zones de contrainte la plus élevée et le "rendement Force".
2. Comparer les résultats des tests d'analyse de contraintes pour la dent bioinspirés avec et sans la quille.

Résultats

conception bioinspirée du dispositif lanterne d'échantillonnage de l'Aristote dépend fortement de la qualité des méthodes de caractérisation utilisées. Les techniques non-invasives comme μ-CT sont utiles pour l' analyse de l'ensemble de la lanterne et des dents individuelles à appliquer des améliorations spécifiques à l'application pour la conception bioinspirés (figure 4). Pendant ce temps, la microstructure de la dent peut être explor?...

Discussion

Les oursins utilisent la lanterne du Aristote (figure 1A) pour une variété de fonctions (alimentation, ennuyeux, pivotants, etc.). Les archives fossiles indique que la lanterne a évolué dans la forme et la fonction du type de cidaroid le plus primitif du type d'oursins modernes ¹⁴ de camarodont. Lanternes Cidaroid ont rainurée longitudinalement dents (figure 1B, en haut) et l' attachement non séparé du muscle à sa structure pyramidale...

matériels

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