JoVE Logo
Authors
Contact Us

Sign In

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

In This Article

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

Summary

אנו מציגים פרוטוקול לביצוע בדיקות כיפוף 3 נקודות על מילימטר סולם סיבים באמצעות בדיקה מכנית לפי הזמנה. המכשיר יכול למדוד כוחות שנעו בין µN 20 עד 10 N, ולכן יכול להכיל מגוון של גדלי סיבים.

Abstract

רבים לטעון הנושאת מבנים ביולוגיים (LBBSs) – כמו נוצה rachises ו spicules — הם קטנים (< 1 מ מ) אבל לא מיקרוסקופיים. מדידת ההתנהגות flexural של אלה LBBSs חשוב להבין את מקורותיה של הפונקציות מכנית יוצאת דופן שלהם.

אנו מתארים פרוטוקול עבור ביצוע בדיקות כיפוף השלשה באמצעות התקן שהותקן הבדיקה מכני שיכול למדוד כוחות ועד 10-5 101 N ו displacements ועד 10-7 10-2 מ'. היתרון העיקרי של מכשיר הבדיקה מכני זה היא כי ניתן להתאים בקלות היכולות כוח ותזוזה עבור LBBSs שונים. עקרונות הפעולה של המכשיר דומה לזה של מיקרוסקופ כוח אטומי. כלומר, כוח חל את LBBS על-ידי נקודת טעינה מצורפת לסוף זיז. העקירה נקודת טעינה נמדד על ידי חיישן תזוזה סיב אופטי סיבים, שהוסב כוח באמצעות הקשיחות זיז נמדד. ניתן לכוונן טווח כוח של המכשיר באמצעות cantilevers של stiffnesses שונים.

יכולות ההתקן מודגמות על-ידי ביצוע בדיקות כיפוף 3 נקודות על רכיבי השלד של הספוג הימי Euplectella aspergillum. רכיבי השלד – המכונה spicules — הם בסיבים סיליקה כ 50 מיקרומטר בקוטר. אנו מתארים את נהלי לכייל את המכשיר בדיקה מכאנית, הרכבה של spicules על מתקן כיפוף 3 נקודות עם טווח מ מ ≈1.3 ובדוק ביצוע כיפוף. הכוח להחיל את spicule והטיה שלה במיקום של הכוח יישומית נמדדים.

Introduction

על ידי לימוד של הארכיטקטורות של הנשיאה מבנים ביולוגיים (LBBSs), כגון shell ועצם, פיתחו מהנדסי חומרים מרוכבים חדשים חזק וקשוח 1. הוכח, כי התכונות המכאניות מדהים של LBBSs ושל עמיתיהם בהשראה ביו קשורים שלהם ארכיטקטורות מורכבות פנימית 2. עם זאת, קשרי הגומלין בין ארכיטקטורות LBBS תכונות מכניות הם לא מובן במלואו. מדידת תגובת מכני של LBBS הוא הצעד הראשון לקראת הבנת איך הארכיטקטורה משפר תכונות מכאניות שלה.

עם זאת, חשוב כי סוג המבחן המשמש למדידת התגובה מכני של LBBS הוא עקבי עם תפקידה מכני. לדוגמה, מאז נוצות חייב לתמוך המון אווירודינמי, התפקיד העיקרי של rachis נוצות נועד לספק קשיחות flexural 3. לכן, בדיקת כיפוף הוא מועדף במבחן המתח uniaxial למדידת תגובתה מכני. למעשה, LBBSs רבים – כגון נוצה rachises 3, דשא נובעת 4ו-7,6, 5,spicules8— עיקום בעיקר על ידי כיפוף. זאת משום LBBSs אלו הן —כלומר, אורכם גדול בהרבה רוחב או עומק שלהם. עם זאת, ביצוע בדיקות כיפוף על LBBSs אלה הוא מאתגר כי הכוחות ואת displacements זה שהם יכולים לעמוד לפני שההפעלה נכשלת בטווח שבין 10-2 102 N ו- 10-4 עד 10-3 מ', בהתאמה 3 , 4 , 5 , 7 , 8. כתוצאה מכך, המכשיר המשמש לביצוע בדיקות מכניות אלו צריך החלטות כוח ותזוזה של ≈10-5 N ו- m-7 ≈10 (קרי, 0.1% מקסימום כוח measureable ותזוזה של החיישן), בהתאמה.

מידה זמינים מסחרית, גדול, בבדיקת מערכות מכניות בדרך כלל לא יכול למדוד כוחות, displacements עם החלטה זו. בעוד כוח אטומי מבוסס-מיקרוסקופ 9,10 או microelectromechanical מבוססי מערכות 11 התקנים הבדיקה יש פתרון הולם, הכוח המרבי (תזוזה בהתאמה) הם יכולים למדוד הוא קטן יותר מקסימום כוח (תזוזה בהתאמה) כי LBBS יכול לעמוד. לכן, כדי לבצע בדיקות כיפוף על אלה LBBSs, מהנדסים ומדענים חייבת להסתמך על לפי הזמנה מכני בדיקות מכשירים 5,7,12,13. היתרון העיקרי של התקנים לפי הזמנה אלה היא כי הם יכולים להכיל טווחים גדולים של כוחות, displacements. עם זאת, הקמה ותפעול של התקנים אלה לא מתועדת בספרות.

פרוטוקול מתואר עבור ביצוע בדיקות כיפוף השלשה באמצעות התקן שהותקן הבדיקה מכני שיכול למדוד כוחות ועד 10-5 101 N ו displacements ועד 10-7 10-2 מ'. שרטוטים טכניים, כולל כל הממדים, המרכיבים של המכשיר בדיקה מכאנית הינם מסופקים בכל החומר משלים. היתרון העיקרי של מכשיר הבדיקה מכני זה היא כי ניתן להתאים בקלות טווחי כוח ותזוזה שיתאימו LBBSs שונים. עקרונות הפעולה של המכשיר דומה לזה של מיקרוסקופ כוח אטומי 9. במכשיר הזה, הדגימה מושם על פני תעלה לחתוך לתוך צלחת נירוסטה (ראה איור 1A-C). אורך של התעלה נמדד אופטית micrographs להיות 1278 ± 3 מיקרומטר (זאת אומרת ± סטיית התקן; n = 10). קצות התעלה תומכים הדגימה במהלך בדיקת כיפוף (ראה איור 1Cו- D). בשלב זה מדגם זה מצורף לשלב שלושה צירים תרגום וממוקמים מתחת לתבנית אלומיניום כך בתבנית הינו ממוקם באמצע הדרך לאורך טווח של התעלה (ראה איור 1C). על-ידי הזזת את הבמה figure-introduction-3561 כיוון (ראה איור 1Aו- C), הדגימה נדחף לתוך בתבנית גורם הדגימה לכופף.

אנו מכנים התבנית הקצה נקודת טעינה (LPT), המרכיב של ההתקן המכיל את התבנית כנקודת עומס (LP). אריך הנגן מצורפת לסוף זיז הזחה אשר נמדד על ידי חיישן תזוזה סיב אופטי סיבים (FODS). FODS פולט אור אינפרא אדום, אשר משתקף מתוך מראה ממוקם על המשטח העליון של אריך הנגן (ראה איור 1B) וקיבלה סיב אופטי ב- FODS. ≈5 מ מ מרובע פיסת הסיליקון מלוטש רקיק משמשת כמראה LP ו למוט אריך הנגן באמצעות אפוקסי. FODS מודד displacements על-ידי השוואת עוצמות האור הנפלט ושיקפה. הנוקשות זיז ותזוזה משמשים לחישוב הכוח, figure-introduction-4302 , שחווים התבנית בגלל ביחסיו עם הדגימה. העקירה זיז משמש גם כדי לחשב העקירה של חתך הרוחב של הדגימה מתחת התבנית, figure-introduction-4484 . כח המבוססת על זיז חיישנים השתמשו במספר של מיקרו, מאקרו-סרגל מכני בדיקות מחקרים 10,11,12,13,14. העיצוב ספציפי המוצג כאן הוא ממאמרו של מכשיר הבדיקה מכני המשמש לביצוע ניסויים קשר דבק 14. עיצוב דומה שימש גם ב- 15,זמינים מסחרית מיקרו-tribometer16.

figure-introduction-5109
איור 1: סקירה של המכשיר בדיקה מכניים לפי הזמנה- (א) א באמצעות מחשב עיבוד העיצוב של המכשיר. הרכיבים הבמה מסומנים בירוק. הכוח חישה הרכבת המשנה של הירוק (זיז, נקודת טעינה (LP)) מסומן באדום. (B) A מוגדל תצוגה של (). המראה LP מוצג בצבע כחול על המשטח העליון של אריך הנגן מתחת FODS, הנקרא LPM. (ג) מערכת הקואורדינטות המשמש לתיאור התנועה של השלב תרגום. עקב החלקת the שלב שלב 1.9 של הפרוטוקול, figure-introduction-5664 כיוון נעשית בקנה אחד עם וקטור נורמלי על פני השטח של השיקוף LP. (ד) A תרשים סכמטי של תצורת כיפוף השלשה מציג להרכב את spicule, את displacements נמדד figure-introduction-5894 , ו figure-introduction-5972 . אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

יכולות ההתקן מודגמות על-ידי ביצוע בדיקות כיפוף 3 נקודות על רכיבי השלד של הספוג הימי Euplectella aspergillum6,7. השלד של ספוג זה הוא הרכבה של חוטים, שנקרא spicules (ראה איור 2א). Spicules ≈50 מיקרומטר עבה, מורכבים בעיקר סיליקה 6. Spicules מבוססי Biosilica מצויים ספוגים השייכים המעמדות Demospongiae, Homoscleromorpha ו- Hexactinellida. ספוגים, כגון אי aspergillum, השייכים למחלקה Hexactinellida ידועים גם בשם "זכוכית ספוגים." ואילו spicules של זכוכית ספוגים מורכבים בעיקר סיליקה, הוכח כי סיליקה מכיל לעיתים קרובות של מטריקס אורגני מורכב או קולגן 17,18 או כיטין 19,20 , 21. מטריקס אורגני זה ממלא תפקיד חשוב ב סיליקה ביומינרליזציה 18,20. יתר על כן, בעוד כמה spicules מטריקס אורגני משמש גם תבנית עבור ביומינרליזציה של סידן 22. בנוסף הוא מופץ בתוך סיליקה, מטריקס אורגני יכול גם טופס שכבות נפרדות למחיצות סיליקה של spicule לתוך קונצנטריים, גליליים lamellae 6,23. הוכח כי ארכיטקטורה זו קונצנטריים, מחליפי יכול להשפיע על spicules' דפורמציה התנהגות 6,7,8,24,25,26 . כתוצאה מכך, תכונות מכניות של spicules נקבעים על-ידי שילוב של הכימיה שלהם (כלומר., המבנה הכימי של החומר המרוכב סיליקה-חלבון) ו שלהם אדריכלות 27. מבנה כימי והן הארכיטקטורה של זכוכית ספוג spicules הם עדיין תחת חקירה 24,28,29.

רוב spicules ב aspergillum אי ביצרו יחד כדי ליצור כלוב השלד נוקשה. עם זאת, בבסיס של השלד יש ציצה של רב spicules (≈10 ס מ) המכונה של spicules עוגן (ראה איור 2א). אנו מתארים הפרוטוקול עבור ביצוע בדיקות כיפוף 3 נקודות על מקטעים קטנים של spicules העוגן.

שלב 1 של הפרוטוקול, מתואר ההליך עבור בניית ויישור המרכיבים של המכשיר בדיקה מכניים לפי הזמנה. שלבים 2 ו- 4 של הפרוטוקול לספק הוראות עבור נתוני כיול ביצירת המשמשת לחישוב displacements במבחן כיפוף וכוחות. הצעדים שננקטו כדי להכין קטע spicule, הר זה כדי הנורה מבחן מתוארים בשלב 3. ההליך לביצוע הבדיקה כיפוף בחלק spicule מתואר בשלב 5. לבסוף, במקטע תוצאות נציג נתוני הכיול שהתקבל ב שלבים 2 ו- 4 משמשים יחד עם הנתונים בדיקת כיפוף שהושג בשלב 5 לחישוב figure-introduction-9136 , figure-introduction-9204 .

figure-introduction-9339
איור 2: נוהל חלוקתה, בדיקת aspergillum א spicules. (א) השלד של אי aspergillum. ציצת שעמד חופשי עוגן spicules מוצג בבסיס של השלד. סרגל קנה מידה היא ~ 25 מ מ. (B) ש-spicule עוגן יחיד מתקיים במקום בשקופית מיקרוסקופ בעזרת מברשת סייבל #00000 אדום, למחלקה באמצעות סכין גילוח. סרגל קנה מידה היא ~ 12 מ מ. (ג) קטע spicule aspergillum אי ממוקמים לאורך התעלה על הבמה הדגימה. חפירות קצוות של הרכס תעלה מסומנים בצבעי טורקיז וכתום, בהתאמה. Spicule הוא דחף מול הרכס תעלה כדי להבטיח הציר בניצב הקצוות תעלה. (ד) A micrograph של spicule מעביר את הליך הבדיקה שמתואר שלב 3.4 של הפרוטוקול, המתאר כיצד לקבוע אם מקטע spicule פגום ולא צריכים להיות מושלך. Micrograph (אי) A של spicule המכיל הרבה שברים, חסרים חלקים גדולים של שכבות סיליקה היה נכשל ההליך ביקורת המתוארים שלב 3.4 של הפרוטוקול. גודל ברים = 250 מיקרומטר (C), 100 מיקרומטר (D) ו- 100 מיקרומטר (E). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Protocol

1. הרכבה ויישור

  1. בחר זיז נוקשות אשר מתאים הניסוי המיועד. לצרף את LP הזיז באמצעות #4-40 שקע בראש כיפה הברגים (SHCSs) (ראה איור 3 א). . שמור על עצמך לא plastically לעוות את הזרועות זיז תוך הצמדת אריך הנגן.

figure-protocol-356
איור 3: נוהל בהרכבת הזיז לכפות חיישן ומדידת הנוקשות שלו. (א) העומס פוינט (LP) מחובר שלוחה (ג), עם קצה נקודת טעינה (LPT) מצביעים כלפי מעלה. (B) שלוחה ו- LP הרכבת המשנה של הירוק מחוברת לבסיס זיז, מסומן בתור CP. הכיס שקוע של צלחת זיז מוצג מתחת לזרועות זיז. (ג) הצלחת זיז מחוברת בצד התחתון של המסגרת כך פונה לצד צלחת שמוצג (B) figure-protocol-853 כיוון. מיקרומטר FODS זה מסומן בתור FM. (D) הקרס תיל, משקולות כיול בשימוש שלב 2 של הפרוטוקול מוצגים תלויה על החור LPT. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

  1. חלים כמה טיפות 2-פרופנול ספוגית כותנה ללא מוך ונגב את פני השטח של המראה LP. בדוק במראה שרוט ולהחליף את המראה אם זה פגום.
  2. לצרף באופן רופף הזיז הצלחת זיז באמצעות SHCSs #6-32 בצד הצלחת המכיל את הכיס שקועים עם LPT המצביעים בכיוונים הצלחת (ראה איור 3 ב). הוסף 1/8 " יישור סיכות דרך זיז צלחת, הדק את הברגים ולאחר מכן הסר את הסיכות יישור.
  3. . משכי את FODS ככל האפשר על-ידי הפעלת את FODS מיקרומטר נגד כיוון השעון (ראה איור 3 ג'). ברפיון לצרף את הצלחת זיז המסגרת באמצעות הצבעה LPT ב #6-32 SHCSs figure-protocol-1847 כיוון (ראה איור 1 א'). הוסף 1/8 " סיכות יישור באמצעות לוח מהמסגרת ואת זיז, הדק את הברגים ולאחר מכן הסר את הסיכות יישור (ראה איור 3 ג').
  4. להפעיל הכוח לספק ולהגדיר את המתח של 12.00 V במצב מתח קבוע באמצעות הידית ההתאמה. ואז להפעיל את הפלט מתח, אישור כי ההגרלה הנוכחית מוצגת הזרם ' s LCD מסך הוא בערך 60-70 mA. לחכות לפחות שעה אחת עבור ההגרלה הנוכחית להגיע מצב יציב כדי לצמצם אי ודאות המדידה מתח.
  5. לפתוח ולהפעיל התוכנית Basic_Data (ראה קובצי קוד משלים). סובב בכיוון השעון להזיז FODS כלפי אריך הנגן מראה עד מתח המוצג בגרף ממשק המשתמש מגיע ערך מרבי של מיקרומטר FODS (ראה איור 3 C ו- איור 4 א).
    1. התאם הרווח של FODS על-ידי הפעלת ערכת ברגים בצד הדיור FODS כך המתח הפלט 5.0 נ' להפוך מיקרומטר FODS נגד כיוון השעון כדי לבטל את FODS.
  6. להפעיל המאיר מיקרוסקופ, להתאים את מיקום מיקרוסקופ ולהתמקד באמצעות שני השלבים תרגום ידנית כך LPT ממורכזת בתוך שדה הראייה. לעצור את התוכנית Basic_Data על-ידי לחיצה ' להפסיק ' כפתור.
  7. פתח את התוכנה ממשק המשתמש בקר מנוע. השתמש במחוון נגד משתנה figure-protocol-3158 -ציר בקר מנוע כדי לעבור את השלב הנסיעה המותר המקסימלי ב < img alt = "משוואת 6" src = "/ קבצים/ftp_ upload/56571/56571eq6.jpg"/ > כיוון ולהגדיר מיקום הבית על ידי לחיצה ' בבית ' לחצן בממשק המשתמש.
    1. שימוש נגד משתנה המחוון ב figure-protocol-3497-ציר בקר מנוע כדי לעבור את השלב הנסיעה המותר המקסימלי ב figure-protocol-3620 כיוון ולהגדיר המיקום בבית. סגור את תוכנת ממשק משתמש-
  8. מושב הבמה על הבמה בסיס הצלחת (ראה איור 4 א) כך הטיפים של ראשי מיקרומטר על החלקת המשאבים צלחת השאר את החורים צלחת הבסיס של הבמה. מקום ברמה בועה על השולחן בידוד ולהתאים את הלחץ בכל הטבלה ' s רגליים על-ידי הפעלת את השסתום לחמש את האגודל ברגים כך השטח הוא רמה.
    1. לעבור את רמת בועה העליון של השלב החלקה צלחת ולהתאים את מיקרומטר כך זה גם ברמה. הערה את העמדות מיקרומטר ולהסיר את הבמה צלחת הבסיס הבמה. הערה: הפרוטוקול אפשר לעצור כאן.

figure-protocol-4327
איור 4: המכשיר בדיקה מכנית כמו התאספו צעדים 1.9 ו- 3.7 של הפרוטוקול. (א) הבמה מדגם (הה), מחובר אל הבמה תרגום (TS), הוא בר-החלקה באמצעות מיקרומטר על הבמה החלקה צלחת (SLP), אשר יושבים על צלחת הבסיס הבמה (SBP). צלחת הבסיס הבמה מחוברת בממרח אופטי של הטבלה בידוד. שלוחה (ג); זיז צלחת (CP); חיישן תזוזה סיב אופטי סיבים (FODS) להלחין את כוח חישה מערכת. הנקודה (B) העומס (LP) קשורה על הזיז, טען נקודת קצה (LPT) יונח מעל spicule על הבמה הדגימה. במהלך בדיקת כיפוף, המנוע של אריך הנגן נמדד באמצעות את FODS. המרחק הראשונית בין FODS את המראה LP נשלטת על ידי מיקרומטר FODS (FM) המוצגים באותיות (A). (ג) A micrograph של spicule הנחת לרוחב התעלה בשלב הדגימה, ממוקם מתחת LPT. סרגל קנה מידה = 250 מיקרומטר (C). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

2. זיז נוקשות מדידה

  1. להפעיל התוכנית Basic_Data ולסובב מיקרומטר FODS בכיוון השעון עד המתח הוא כ 4 וי את התוכנית על-ידי לחיצה ' להפסיק ' כפתור.
  2. מודדת את המסה של תיל הוק וכיול משקולות באמצעות איזון האנליטי.
  3. פתח את התוכנית Cantilever_Calibration (ראה קובצי קוד משלים) והזן את שם הקובץ הרצויה עבור חיל קאלירטט קובץ הפלט בתיבת הטקסט בממשק המשתמש של.
  4. להפעיל את התוכנית Cantilever_Calibration ולחץ על ' אישור ' כאשר תתבקש להזין את המסה של המשקל הכיול הראשון. לחכות מתח המוצגים בגרף ממשק משתמש כדי לעצור נדנוד לחץ הירוק ' מתח מיוצב ' לחצן כדי לקחת מידה מתח.
  5. שימוש פינצטה כדי לתלות את החוט וו מן החור LPT כך הקרס פונה מן המטרה מיקרוסקופ (ראה איור 3 ד'). להשתמש את הפינצטה לח את הרטט הזיז הנגרמת על ידי התוספת של הקרס.
    1. להזין את המסה של הקרס גרמים. בתיבת הדו-שיח ולחץ על ' אישור '. כמו השלב הקודם, לחכות מתח להפסיק נדנוד לפני לחיצה ' מתח מיוצב ' כפתור.
  6. שימוש פינצטה לתלות את המשקל הראשון על החבל וו וחזור על התהליך של לקיחת מידה מתח כפי שמתואר בשלב הקודם. חזור על שלב זה עד כל משקולות כיול נתלו או מתח הפלט הוא פחות מ 1.8 V. בשלב זה, לחץ על ' בטל ' בתיבת הדו-שיח כדי לצאת מהתוכנית Cantilever_Calibration.
  7. סובב את מיקרומטר FODS כנגד כיוון השעון כדי לבטל את FODS. בזהירות הסר את הקרס ואת משקולות LPT.
    הערה: הקובץ פלט כיול כוח היא רשימה מופרד בטאבים של הכוח המיושם על ידי ההמונים כיול, הממוצע של 100 FODS פלט מתח קריאות, סטיית התקן של הקריאות. הסעיף נציג תוצאות מתאר כיצד קובץ נתונים זה מעובד כדי למדוד את הקשיחות זיז.

3. הכנה הדגימה

  1. nitrile ללבוש כפפות בעת טיפול את אי aspergillum ספוג שלדים ולאחסן השלדים במיכלים אטומים, כאשר הם לא מטופלות.
    התראה: מאז spicules מורכבים בעיקר סיליקה, רסיסים שבורים spicule חדות, יכול להיות מוטבע בעור, שמוביל גירוי.
  2. השתמש זוג מלקחיים לתפוס את אחד spicule עוגן על ידי הדיסטלי שלו למשוך מן השלד (ראה איור 2 א). מניחים את spicule בשקופית מיקרוסקופ נקי.
  3. החזק את spicule נגד השקופית ליד נקודת האמצע לאורכו בעזרת מברשת סייבל #00000 אדום. לחתוך ≈ בסעיף 4 מ מ spicule על ידי דחיפת סכין גילוח נגד spicule מכל צד של המברשת בניצב לשקופית לפני השטח (ראה איור 2 B). ביטול הסעיפים spicule הפרוקסימלית ו דיסטלי גדול ולשמור ≈ סעיף 4 מ מ.
  4. לבחון את סעיף 4-מ מ spicule באמצעות מיקרוסקופ אור מקוטב בהגדלה 10 x (ראה איור 2 C-E). לבטל את הסעיף spicule ולחזור לשלב 3.2 אם חסרה אזורים גדולים של שכבות סיליקה (ראה איור 2 E). להתמודד עם מקטעים spicule שנבדק באופן בלעדי באמצעות המברשת סייבל #00000 אדום כדי להימנע מהחדרה נזק חדש לשכבות סיליקה שלהם.
  5. לנקות כל שברי spicule או חלקיקים אחרים מפני השטח של השלב מדגם עם מברשת או באוויר דחוס. ואז חלים כמה טיפות 2-פרופנול ספוגית כותנה ללא מוך ונגב את הבמה מדגם. להימנע ממגע עם האזורים של השלב מצופים צבע נטול השתקפות. הערה: הצבע משמש כדי להפחית את מספר סימונים השתקפות של תמונות שצולמו במהלך בדיקה כיפוף
  6. להעביר את המקטע spicule לבמה מדגם. למקם את המקטע spicule על פני התעלה עם אורך הרצוי עבור הבדיקה כיפוף ולהדוף אותה בעדינות figure-protocol-8761 כיוון מול הרכס תעלה. להבטיח spicule בניצב הקצוות תעלה (ראה איור 2 ג).
  7. מושב הבמה על צלחת הבסיס הבמה כך קצות הצירים מיקרומטר לנוח את החורים צלחת הבסיס של הבמה. במידת הצורך, התאם את מיקרומטר על הבמה החלקה צלחת לערכים ציין שלב 1.9 של הפרוטוקול.

4. קובץ סטטי במתח אינטרפולציה

  1. פתח את התוכנית Bending_Test (ראה קובצי קוד משלים). להגדיר ' צעד בגודל ' 2 מיקרומטר, ' ההזחה המרבית ' ל 0.5 מ מ, ' מתח נמוך להפסיק ' של 1.5 V, ו ' מתח גבוה עצירה ' כדי 4.6 V שימוש בתיבות הטקסט המוצגים בממשק המשתמש. שם
    1. לבחור את הספריות הרצוי של תמונה ונתונים בקובץ הפלט באמצעות הטקסט בתיבות בממשק המשתמש. להגדיר ' לשמור תמונות ' לעבור בממשק המשתמש כלפי מטה ולחץ על לחצן מלבני ירוק מתחת המילים ' מתח ההבדל ' כך זה הופך להיות מואר.
  2. להפעיל את התוכנית Bending_Test ולחכות הממשקים בקר ומצלמה מנוע לאתחל.
  3. להפעיל את אלומת האור וכוונן את הבהירות כך שגלוי LPT. סובבו את מיקרומטר FODS עם כיוון השעון עד מתח פלט המוצגים בגרף ממשק המשתמש הוא ~1.7 נ'
    1. שימוש נגד משתנה המחוון ב figure-protocol-10033-ציר בקר מנוע לעבור את השלב figure-protocol-10128 לכיוון עד הוא ~ 1 ס מ מתחת LPT ואת ערכת figure-protocol-10236-מיקום הציר הביתה על-ידי לחיצה " בבית " לחצן.
  4. להשתמש במחווני נגד משתנה figure-protocol-10403- ו figure-protocol-10474-ציר בקרי מנוע כדי למקם את LPT מעל למרכז רצועת פלדה דקים ממוקם על השלב מדגם figure-protocol-10619 כיוון לתעלה. השתמש במחוון נגד משתנה figure-protocol-10725-ציר בקר מנוע לעבור את השלב figure-protocol-10820 לכיוון עד השלב בתוך המיקרוסקופ ' s שדה ראייה.
  5. השתמש במחוון נגד משתנה על figure-protocol-10974-ציר בקר מנוע לעבור את השלב figure-protocol-11069 כיוון תוך כדי צופה על הגרף מתח פלט בממשק המשתמש. לקבוע את המיקום המשוער שבו LPT אנשי קשר על הבמה ' s השטח על ידי מחפש שינוי מתח עם תנועה נוספת של הבמה. . משכי את הבמה כ 10 מיקרומטר.
  6. לחץ על הלחצן הנקרא " להתחיל מבחן ". כאשר תתבקש, הזן ערכי 0.003 V ו- 0.001 מ מ עבור ' לגעת רגישות ' ו ' לגעת את גודל הצעד ', בהתאמה. לחכות הבדיקה כדי להשלים את.
    הערה: לאחר הנקודה הזו תסיר את הבמה צלחת הבסיס הבמה עד הבדיקה כיפוף תושלם על מנת להבטיח מדידות העתק מדויק. קובץ הפלט אינטרפולציה סטטי במתח היא רשימת מופרד בטאבים הממוצע של 100 FODS פלט מתח קריאות ואת סטיית התקן של קריאות יחד עם figure-protocol-11751- מיקום הבמה הציר בשעה קבועה הזחה בכל שלב. הסעיף נציג תוצאות מתאר איך קובץ נתונים זה משמש להמרת מתח פלט FODS נמדד LP displacements-

5. כיפוף מבחן

  1. לפתוח ולהפעיל Basic_Data תוכנית ולהפוך את מיקרומטר FODS נגד כיוון השעון עד מתח הפלט המוצג בגרף ממשק המשתמש הוא כ 3 נ' השתמש במחוון נגד משתנה על < img alt = "משוואת 7" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq7.jpg" / > -ציר בקר מנוע כדי למקם את LPT בין קצות התעלה מעל spicule (ראה איור 4 ג).
    1. שימוש נגד משתנה המחוון ב figure-protocol-12422-ציר בקר מנוע לעבור את השלב figure-protocol-12517 לכיוון עד LPT זה מתחת לפני השטח העליון של הרכס תעלה (ראה איור 5 א). לבסוף, השתמש במחוון נגד משתנה figure-protocol-12731-ציר בקר מנוע להביא המשטח הקדמי של הרכס תעלה אל המוקד כך הרוחב המלא של אריך הנגן הוא בין הקצוות של חפירות הרכס. לעצור את התוכנית Basic_Data על-ידי לחיצה ' להפסיק ' כפתור.
  2. לפתוח ולהפעיל התוכנית Center_LoadPoint (ראה קובץ קוד משלים). השתמש figure-protocol-13102-ציר בקר מנוע כדי להזיז את הבמה עד LPT כמעט קשר עם הקצה תעלה הנכון. לחץ " למצוא קצה " כפתור.
  3. כאשר תתבקש לעשות זאת, השתמש figure-protocol-13308-ציר בקר מנוע כדי לעבור את השלב עד LPT כמעט קשר עם הקצה השמאלי תעלה. לחץ " למצוא קצה " לחצן. חכו לתוכנית למקם את LPT באמצע הדרך לאורך טווח תעלה (ראה איור 5 ב).
    הערה: לאחר הנקודה הזו, חשוב לא להתאים figure-protocol-13636-ציר בקר מנוע כזה יביא אי-התאמות של LPT.
  4. פתח את התוכנית Bending_Test. קבע את גודל צעד 2 מיקרומטר, ההזחה המרבית 0.5 מ מ, מתח נמוך להפסיק את 1.5 V של מתח גבוה להפסיק את 4.5 V שימוש בתיבות הטקסט בממשק המשתמש של. שם
    1. לבחור את הספריות הרצוי של תמונה ונתונים בקובץ הפלט באמצעות הטקסט בתיבות בממשק המשתמש. להגדיר ' לשמור תמונות ' בממשק המשתמש לעבור לתנוחה למעלה ולחץ על לחצן מלבני ירוק מתחת מילים ' מתח ההבדל ' כך לא מואר-
  5. להפעיל את התוכנית Bending_Test ולחכות הממשקים בקר ומצלמה מנוע לאתחל.
  6. לעבור על הבמה figure-protocol-14319 כיוון באמצעות המחוון נגד משתנה של בקר מנוע עד spicule זה בתוך המיקרוסקופ ' s שדה ראייה. השתמש במחוון נגד משתנה figure-protocol-14519 -ציר בקר מנוע כדי להזיז את הבמה עד spicule תחת LPT.
    1. להתאים ידיות המוקד על המיקרוסקופ כך spicule נמצא בפוקוס של המשתמש בממשק (ראה איור 4 C). סובבו את מיקרומטר FODS נגד כיוון השעון עד מתח הפלט הוא כ 1.8 נ'
  7. השתמש במחוון נגד משתנה בבקר מנוע ציר z כדי לעבור את השלב figure-protocol-14945 כיוון תוך כדי צפייה על הגרף מתח פלט בממשק המשתמש. לקבוע את המיקום המשוער שבו LPT קשר את spicule על ידי מחפש שינוי מתח עם תנועה נוספת של הבמה. . משכי את הבמה כ 50 מיקרומטר.
  8. לחץ " להתחיל לבדוק " ולחכות עד השלמת הבדיקה כיפוף ומחזירה הבמה figure-protocol-15266-מיקום בית הציר.
    הערה: הבמה ינוע במרווחים של 2 מיקרומטר (כפי הוא רשם שלב 5.4 לפרוטוקול) figure-protocol-15445 כיוון, כיפוף של spicule (לראות איור 5 C) עד אחד מהתנאים עצירה במספר. התנאים עצירה:) הגיע העקירה הבמה המרבי של 0.5 מ מ; b) של מעברי spicule ואת התוכנית מזהה טיפה גדול במתח FODS; או c) מתח גבוה של 4.5 V המגבלה. שעצרת תנאי (א), המשתמש תתבקש אם הם רוצים לסיים את המבחן או לעקוף את הערך הקודם. כאשר ' עקיפה ' היא נבחרה, המשתמש יקבלו את ההזדמנות כדי להגדיל את המגבלה הזחה הבמה או להפוך את הכיוון של השלב הזחה הבמה כדי להמשיך באיסוף נתונים כפי spicule מתבטלת. שלב תזוזה קבועה לכיוון גם ניתן לשינוי על-ידי לחיצה " לבטל טעינה " לחצן בשלב כלשהו במהלך הבדיקה. קובץ הפלט בדיקת כיפוף יש באותו המבנה כמו קובץ הפלט אינטרפולציה סטטי במתח שנוצר צעד 4.6 של הפרוטוקול. כלומר, זו רשימה מופרד בטאבים של הממוצע של 100 FODS פלט מתח קריאות, סטיית התקן של קריאות יחד עם figure-protocol-16339-מיקום הבמה הציר בכל שלב תזוזה קבועה. המקטע נציג תוצאות מתאר איך קובץ נתונים זה משמש יחד עם הקובץ אינטרפולציה סטטי במתח לחשב את זיז displacements ואת הבמה displacements במהלך הבחינה כיפוף. לאחר מכן, הקשיחות זיז משמש לחישוב הכוח שהחיל את LPT על spicule.
  9. לאחר הבדיקה הושלמה, סובבו את מיקרומטר FODS נגד כיוון השעון עד FODS זה לפחות 5 מ מ המראה LPT. לאחר מכן, הסר בזהירות את הבמה מהצלחת הבסיס הבמה.

figure-protocol-16897
איור 5: נוהל יישור של LPT עם התעלה ' s אמצע טווח ו ביצוע של בדיקה כיפוף LPT (A) ממוקם מתחת לפני השטח העליון של הרכס תעלה בסוף שלב 5.1 של הפרוטוקול, אך זה אינו עדיין ממוקם ב אמצע טווח. (B) המיקום של LPT לאחר מרכוז ההליך המתואר בין השלבים 5.2 5.3 של הפרוטוקול יושלמו. (ג) A micrograph של spicule שצולמו במהלך הבדיקה כיפוף. העקירה של חתך הרוחב spicule מתחת LPT, figure-protocol-17468, מסומן סכמטי. גודל ברים = 250 מיקרומטר (A-C). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

תוצאות

התוצרים הבסיסיות ביותר של כל מבחן מכני הם בסדר הגודל של הכוח שהוחלה על הדגימה ועל העקירה במיקום שבו הכוח מוחל. במקרה של בדיקת כיפוף השלשה, המטרה היא להשיג את סדר הגודל של הכוח שהחיל את LPT, figure-results-248 , ותזוזה של חתך הרוחב של הדגימה מתחת LPT ב

Discussion

מספר שלבים של הפרוטוקול חשובים במיוחד להבטחת displacements וכוחות נמדדים באופן מדויק. בעוד חלק השלבים הקריטיים אוניברסלית כל הבדיקות כיפוף השלשה, אחרים הם ייחודיים להתקן זה בדיקות מכניות.

שלב 1.2 של פרוטוקול המראה LP הוא ניקה ולא בדק עבור שריטות, וכן שלב 1.6 של הפרו?...

Disclosures

המחברים אין לחשוף.

Acknowledgements

עבודה זו נתמכה על ידי קרן המדע הלאומית [מכניקה של חומרים, מבנים תוכנית, להעניק מספר 1562656]; האגודה האמריקנית של מהנדסי מכונות [פרס החוקר הצעיר Haythornthwaite].

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
TMC 36" x 48" isolation table with 4" CleanTop breadboardTMC63-563Isolation Table
Diffeential Screw AdjusterThorlabsDAS110For stage leveling plate
1" Travel Micrometer Head with 0.001" GraduationsThorlabs150-801MEFor stage leveling plate
Right-Angle Bracket for PT Series Translation Stages, 1/4"-20 Mounting HolesThorlabsPT102For microscope mount
1" Dovetail Translation Stage, 1/4"-20 TapsThorlabsDT25For microscope mount
1" Translation Stage with 1/4"-170 Adjustment Screw, 1/4"-20 TapsThorlabsPT1BFor microscope mount
12" Length, Dovetail Optical RailEdmund Optics54-401For microscope mount
2.5" Width, Dovetail CarrierEdmund Optics54-404For microscope mount
0.5" Width, Dovetail CarrierEdmund Optics54-403For microscope mount
InfiniTube Mounting C-Clamp with ¼-20Edmund Optics57-788Microscope component
Standard (with no In-Line Attachment), InfiniTubeEdmund Optics56-125Microscope component
Standard In-Line Attachment (Optimized at 2X-10X), InfiniTubeEdmund Optics56-126Microscope component
Mitutoyo/Achrovid Objective Adapter (M26 to M27)Edmund Optics53-787Microscope component
5X Infinity Achrovid Microscope ObjectiveEdmund Optics55-790Microscope component
0.316" ID, Fiber Optic Adapter SX-6Edmund Optics38-944Microscope component
¼" x 36", Flexible Fiber Optic Light GuideEdmund Optics42-347Microscope component
115V, MI-150 Fiber Optic Illuminator w/IR Filter and HolderEdmund Optics55-718Microscope component
Allied Vision Manta G-223 2/3" Color CMOS CameraEdmund Optics88-452Microscope component
Power Supply for Manta/ Guppy Pro/ Stingray/ PikeEdmund Optics68-586Microscope component
1/4" Travel Single Axis Translation StageThorlabsMS1SFODS micrometer
Analog Reflectance Dependent Fiber Optic Displacement SensorPhiltecD20FODS
30V, 3A DC Power SupplyAgilentU8001APower supply for DAQ and FODS
14-Bit, 48 kS/s Low-Cost Multifunction DAQNational InstrumentsUSB-6009DAQ for FODS
Three Axis Motorized Translation StageThorlabsThorlabs T25 XYZ-E/MTranslation stage
T-Cube DC Servo Motor ControllerThorlabsTDC001Motor controller for stage
T-Cube Power SupplyThorlabsTPS001Power supply for motor controller
National Instruments LabVIEW (2013 SP1)National InstrumentsUsed for running software
National Instruments LabVIEW Vision Acquisition Software (2016)National InstrumentsUsed for running software
Nikon Eclipse Ci-POL Main BodyMVIMDA96000Polarized light microscope
Nikon Pi Intermediate Tube with Analyzer SliderMVIMDB45305Polarized light microscope
Nikon Dia-PolarizerMVIMDN11920Polarized light microscope
Power Cord - 7'6"MVI79035Polarized light microscope
Nikon P-Amh Mechanical StageMVIMDC45000Polarized light microscope
Nikon Lwd Achromat CondenserMVIMBL16100Polarized light microscope
Nikon LV-NBD5BD-CH Manual Quint Nosepiece ESDMVIMBP60125Polarized light microscope
Nikon C-TF Trinocular Tube FMVIMBB93100Polarized light microscope
Nikon CFI 10X Eyepiece FN 22mm NCMVIMAK10110Polarized light microscope
Nikon TU Plan Flour BD 10x ObjectiveMVIMUE42100Polarized light microscope
Venus Flower Basket SpongeDenis BrandN/ASponge skeleton
3.5X Headband Flip-Up MagnifierMcMaster Carr1490T5Used for spicule sectioning
Ø1" Silicon Wafer, Type P / <100>Ted Pella16011Used for load point mirror
Low Lint Tapered Tip Cotton SwabMcMaster Carr71035T31Used for cleaning LP mirror
Rubber grip precision knifeMcMaster Carr35575A68Used for sectioning spicules
Microscope Slides, frosted end, 75 x 25 x 1mmTed Pella260409Used for sectioning spicules
Sable Brushes, #00000, 0.08mm W x 4.0mm LTed Pella11806Used for handling spicules
PELCO Pro High Precision Tweezers, extra fine tips, superior finishTed Pella5367-5NMUsed for handling spicules
Dual Axis Linear Scale MicrometerEdmund Optics58-608Used for calibrating the microscopes
FLEX-A-TOP FT-38 CASESD Plastic ContainersFT-38-CASUsed for storing spicules
Plastic Vial Bullseye LevelMcMaster Carr2147A11Used for leveling the stage
Analytical BalanceMettler ToledoMS105DUUsed to mass calibration weights

References

  1. Wegst, U. G., Bai, H., Saiz, E., Tomsia, A. P., Ritchie, R. O. Bioinspired structural materials. Nat. Mater. 14 (1), 23-36 (2015).
  2. Meyers, M. A., McKittrick, J., Chen, P. Y. Structural biological materials: critical mechanics-materials connections. Science. 339 (6121), 773-779 (2013).
  3. Bodde, S. G., Meyers, M. A., McKittrick, J. Correlation of the mechanical and structural properties of cortical rachis keratin of rectrices of the Toco Toucan (Ramphastos toco). J. Mech. Behav. Biomed. Mater. 4 (5), 723-732 (2011).
  4. Gibson, L. J. The hierarchical structure and mechanics of plant materials. J. R. Soc. Interface. , (2012).
  5. Monn, M. A., Kesari, H. A new structure-property connection in the skeletal elements of the marine sponge Tethya aurantia that guards against buckling instability. Sci. Rep. 7, (2017).
  6. Monn, M. A., Weaver, J. C., Zhang, T., Aizenberg, J., Kesari, H. New functional insights into the internal architecture of the laminated anchor spicules of Euplectella aspergillum. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 112 (16), 4976-4981 (2015).
  7. Monn, M. A., Kesari, H. Enhanced bending failure strain in biological glass fibers due to internal lamellar architecture. J. Mech. Behav. Biomed. Mater. , (2017).
  8. Levi, C., Barton, J. L., Guillemet, C., Bras, E., Lehuede, P. A remarkably strong natural glassy rod: the anchoring spicule of the Monorhaphis sponge. J. Mater. Sci. Letters. 8 (3), 337-339 (1989).
  9. Kesari, H., Doll, J. C., Pruitt, B. L., Cai, W., Lew, A. J. Role of surface roughness in hysteresis during adhesive elastic contact. Philos. Mag. Lett. 90 (12), 891-902 (2010).
  10. Croisier, F., et al. Mechanical testing of electrospun PCL fibers. Acta Biomater. 8 (1), 218-224 (2012).
  11. Haque, M. A., Saif, M. T. A review of MEMS-based microscale and nanoscale tensile and bending testing. Exp. Mech. 43 (3), 248-255 (2003).
  12. Gudlavalleti, S. . Mechanical testing of solid materials at the micro-scale. , (2002).
  13. Tohmyoh, H., Ishihara, M., Akanda, M. S., Yamaki, S., Watanabe, T., Iwabuchi, T. Accurate determination of the structural elasticity of human hair by a small-scale bending test. J. Biomech. 44 (16), 2833-2837 (2011).
  14. Waters, J. F. . Contact mechanics of biologically-inspired interface geometries. , (2009).
  15. Dai, Z., Gorb, S. N., Schwarz, U. Roughness-dependent friction force of the tarsal claw system in the beetle Pachnoda marginata (Coleoptera, Scarabaeidae). J. Exp. Biol. 205 (16), 2479-2488 (2002).
  16. Tramacere, F., Kovalev, A., Kleinteich, T., Gorb, S. N., Mazzolai, B. Structure and mechanical properties of Octopus vulgaris suckers. J. R. Soc. Interface. 11 (91), (2014).
  17. Ehrlich, H., et al. Nanostructural organization of naturally occurring composites: Part I. Silica-Collagen-based biocomposites. J. Nanomater. 53, (2008).
  18. Ehrlich, H., et al. Mineralization of the meter-long biosilica structures of glass sponges is templated on hydroxylated collagen. Nat. Chem. 2, 1084-1088 (2010).
  19. Ehrlich, H., et al. First evidence of the presence of chitin in skeletons of marine sponges. Part II. Glass sponges (Hexactinellida: Porifera). J. Exp. Zoo. 308 (4), 473-483 (2007).
  20. Ehrlich, H. Chitin and collagen as universal and alternative templates in biomineralization. Int. Geol Rev. 52, 661-699 (2010).
  21. Ehrlich, H., et al. Supercontinuum generation in naturally occurring glass sponge spicules. Adv. Opt. Mater. 4 (10), 1608-1613 (2016).
  22. Ehrlich, H., et al. Calcite reinforced silica-silica joints in the biocomposite skeleton of deep-sea glass sponges. Adv. Funct. Mater. 21, 3473-3481 (2011).
  23. Werner, P., Blumtritt, H., Zlotnikov, I., Graff, A., Dauphin, Y., Fratzl, P. Electron microscope analyses of the bio-silica basal spicule from the Monorhaphis chuni sponge. J. Struct. Biol. 191 (2), 165-174 (2015).
  24. Kolednik, O., Predan, J., Fischer, F. D., Fratzl, P. Bioinspired Design Criteria for Damage-Resistant Materials with Periodically Varying Microstructure. Adv. Funct. Mater. 21 (19), 3634-3641 (2011).
  25. Weaver, J. C., et al. Unifying design strategies in demosponge and hexactinellid skeletal systems. J. Adhes. 86 (1), 72-95 (2010).
  26. Walter, S. L., Flinn, B. D., Mayer, G. Mechanisms of toughening of a natural rigid composite. Mater. Sci. Eng. C. 27 (3), 570-574 (2007).
  27. Ehrlich, H. Silica biomineralization in Sponges. Encyclopedia of Geobiology. , 796-808 (2011).
  28. Zlotnikov, I., Werner, P., Fratzl, P., Zolotoyabko, E. Eshelby Twist as a possible source of lattice rotation in a perfectly ordered protein/silica structure grown by a simple organism. Small. 11 (42), 5636-5641 (2015).
  29. Zlotnikov, I., et al. A perfectly periodic three-dimensional protein/silica mesoporous structure produced by an organism. Adv. Mater. 26 (11), 1682-1687 (2014).
  30. Gere, J. M., Timoshenko, S. P. Chapter 5: Stresses in Beams. Mechanics of materials. , 205-217 (1997).
  31. Baratta, F. I., Matthews, W. T., Quinn, G. D. . Errors associated with flexure testing of brittle materials. , (1987).
  32. Quinn, G. D., Sparenberg, B. T., Koshy, P., Ives, L. K., Jahanmir, S., Arola, D. D. Flexural strength of ceramic and glass rods. J. Test. Eval. 37 (3), 1-23 (2009).
  33. Tattersall, H. G., Tappin, G. The work of fracture and its measurement in metals, ceramics and other materials. J. Mater. Sci. 1 (3), 296-301 (1966).

Reprints and Permissions

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

Request Permission

Explore More Articles

biosilicaEuplectella aspergillum128spicule

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved