המחברים רוצים להכיר את התמיכה הכספית עבור עבודה זו סופקה על ידי 6.1 תכנית צבא ארה&quot;ב ERDC ההנדסה הצבאית הבסיסית המחקר ומרכז ERDC לבימוי תכנית מחקר. המחברים רוצים גם להודות לצוות ומתקנים של גיאוטכני ERDC וסניף הבטון וחומרים של מבני מעבדה לתמיכה בעבודה הניסויית. רשות לפרסם ניתנה על ידי מנהלת המעבדה, גיאוטכני ומבנים.

<ol>
	<li>Allison, P. G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mechanical+properties+and+structure+of+the+biological+multilayered+material+system,+Atractosteus+spatula+scales.">Mechanical properties and structure of the biological multilayered material system, Atractosteus spatula scales.</a> Acta Biomater. 9, 5289-5296 (2013).</li><li>Bruet, B. J. F., Song, J., Boyce, M. C., Ortiz, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Materials+design+principles+of+ancient+fish+armour.">Materials design principles of ancient fish armour.</a> Nat. Mater. 7, 748-756 (2008).</li><li>Lin, Y. S., Wei, C. T., Olevsky, E. A., Meyers, M. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mechanical+properties+and+the+laminate+structure+of+Arapaima+gigas+scales.">Mechanical properties and the laminate structure of Arapaima gigas scales.</a> J. Mech. Behav. Biomed. Mater. 4, 1145-1156 (2011).</li><li>Marino Cugno Garrano, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On+the+mechanical+behavior+of+scales+from+Cyprinus+carpio.">On the mechanical behavior of scales from Cyprinus carpio.</a> J. Mech. Behav. Biomed. Mater. 7, 17-29 (2012).</li><li>Song, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quantitative+microstructural+studies+of+the+armor+of+the+marine+threespine+stickleback+(Gasterosteus+aculeatus).">Quantitative microstructural studies of the armor of the marine threespine stickleback (Gasterosteus aculeatus).</a> J. Struct. Biol. 171, 318-331 (2010).</li><li>Wang, L., Song, J., Ortiz, C., Boyce, M. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Anisotropic+design+of+a+multilayered+biological+exoskeleton.">Anisotropic design of a multilayered biological exoskeleton.</a> J. Mater. Res. 24, 3477-3494 (2009).</li><li>Ikoma, T., Kobayashi, H., Tanaka, J., Walsh, D., Mann, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microstructure,+mechanical,+and+biomimeetic+properties+of+fish+scales+from+Pagrus+major.">Microstructure, mechanical, and biomimeetic properties of fish scales from Pagrus major.</a> 142, 327-333 (2003).</li><li>O'Connell, M. T., Shepherd, T. D., O'Connell, A. M. U., Myers, R. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Long-term+declines+in+two+apex+predators,+bull+sharks+(Carcharhinus+leucas)+and+alligator+gar+(Atractosteus+spatula),+in+Lake+Pontchartrain,+an+Oligohaline+estuary+in+southeastern+Louisiana.">Long-term declines in two apex predators, bull sharks (Carcharhinus leucas) and alligator gar (Atractosteus spatula), in Lake Pontchartrain, an Oligohaline estuary in southeastern Louisiana.</a> Estuar. Coast. 30, 567-574 (2007).</li><li>Long Jr, J. H., Hale, M. E., McHenry, M. J., Westneat, M. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Functions+of+fish+skin:+flexural+stiffness+and+steady+swimming+of+longnose+gar+Lepisosteus+osseus.">Functions of fish skin: flexural stiffness and steady swimming of longnose gar Lepisosteus osseus.</a> J. Exp. Biol. 199, 2139-2151 (1996).</li><li>Page, L. M., Burr, B. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> A field guide to freshwater fishes. The Peterson field guide series. , (1991).</li><li>Thompson, K. S., McCune, A. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Development+of+the+scales+in+Lepisosteus+as+a+model+for+scale+formation+in+fossil+fishes.">Development of the scales in Lepisosteus as a model for scale formation in fossil fishes.</a> J. Linn. Soc. Longdon, Zool. 82, 73-86 (1984).</li><li>Yang, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Structure+and+fracture+resistance+of+alligator+gar+(Atractosteus+spatula)+armored+fish+scales.">Structure and fracture resistance of alligator gar (Atractosteus spatula) armored fish scales.</a> Acta. Biomater. 9, 5876-5889 (2013).</li><li>Moser, R. D., Allison, P. G., Chandler, M. Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Characterization+of+Impact+Damage+in+Ultra-High+Performance+Concrete+Using+Spatially+Correlated+Nanoindentation/SEM/EDX.">Characterization of Impact Damage in Ultra-High Performance Concrete Using Spatially Correlated Nanoindentation/SEM/EDX.</a> J. Mater. Eng. Perf. 22, 1-7 (2013).</li><li>Oliver, W. C., Pharr, G. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+improved+technique+for+determining+hardness+and+elastic+modulus+using+load+and+displacement+sensing+indentation+experiments.">An improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation experiments.</a> J Mater Res. 7, 1564-1583 (1992).</li><li>. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Agilent Technologies Nano Indenter G200 User's Guide. , (2012).</li><li>Ulm, F. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Statistical+indentation+techniques+for+hydrated+nanocomposites:+concrete,+bone,+and+shale.">Statistical indentation techniques for hydrated nanocomposites: concrete, bone, and shale.</a> J. Amer. Cer. Soc. 90, 2677-2692 (2007).</li><li>Randall, N. X., Vandamme, M., Ulm, F. -. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nanoindentation+analysis+as+a+two-dimensional+tool+for+mapping+the+mechanical+properties+of+complex+surfaces.">Nanoindentation analysis as a two-dimensional tool for mapping the mechanical properties of complex surfaces.</a> J. Mater. Res. 24, 679-690 (2009).</li><li>Oyen, M. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nanoindentation+of+Biological+and+Biomimetic+Materials.">Nanoindentation of Biological and Biomimetic Materials.</a> Exper. Tech. 37, 73-87 (2013).</li></ol>

יש המחברים אין לחשוף.

מנקודת מבט של ניסוי, חוקרים צריכים לזכור כי כאשר עובדים עם באופן טבעי חומרים ביולוגיים, כגון קשקשי דגי mineralized, דיווח המיקום המרחבי של הסולם על הדגים הוא קריטי שכן המחקר קודם הראה תכונות מכאניות של קשקשי דגי mineralized תלויים לשם הקשקשים היו ממוקמים על הדגים 4. תכונות מכאניות של חומרים ביולוגיים mineralized גם הוכח להיות תלוי במצב הלחות של הדגימות 4. זה מגביל את השימושיות של טכניקה זו כאשר מנסה להשוות דגימות טריות שכבר hydrated כראוי לתוצאות שפורסמו בספרות מקצועית, המשתמשות בדגימות מאובנות יבשות. לכן, פעמים בדיקות ממושכות צריכה להימנע כדי למזער את ההשפעות של התייבשות על התכונות מכאניות של מדגם במהלך nanoindentation. מחקרי טייס ספציפיים חומר מומלצים כדי להבטיח ההתנסותהריצה ment היא מינימאלית מספיק כדי לא לשנות את ההתנהגות מכאנית של החומר. nanoindentation תא הרטוב יהיה שיטה מועדפת כדי לשמור על מצב לחות מתמיד של החומר אם ציוד הבדיקה מאפשר את זה. שיטת nanoindentation שימשה במחקר זה, אשר מחושבת מודולוס אלסטיות מעקומת הפריקה מניחה את החומר מתנהג כחומר איזוטרופיים אלסטי ליניארי. הטכניקה יכולה לשמש למגוון רחב של טיפים indenter. עם זאת, בקצה ברקוביץ תלת צדדי עם זווית מחצית 65.35 ° שימש במחקר זה. טיפים אלטרנטיביים כגון פינת הקובייה (מחצית זווית = 35.36 °) מתאימים להליך שהוצג בכתב היד הזה, אבל מאז את קצה פינת הקובייה הוא יותר חריף מסדקי הקצה ברקוביץ&#39; יכולים להיות שנוצרו במדגם בהרבה עומסים נמוכים יותר מאשר עם טיפ ברקוביץ&#39;. פוליש הוא צעד חיוני כדי לקבל משטח חלק ושטוח עם surfac ממוזערחספוס דואר לא להשפיע על תוצאות nanoindentation. צעדי הליטוש שהוצגו בכתב היד הזה הם הליך שהציע שאולי צריך להיות שונה בהתאם לסוג של ליטוש בשימוש. עם זאת, השלב הקריטי כדי להבטיח נתונים nanoindentation מדויקים הוא שחספוס פני השטח ממוזער, ולחומר מסוים זה נדרש ליטוש סופי ננומטר 50 להשיג משטח שטוח חלק במעמקי הכניסה שנחקרו. המרווח של כניסות גם מבטיח נתונים nanoindentation מדויקים שאינו מושפע מעיוות החומר המתרחשת מכניסות קודמות. המדריך למשתמש nanoindenter לציוד במחקר זה הציע כי מרווח כניסה צריך להיות לפחות 20-30x עומק החדירה המקסימאלי לרקוביץ&#39; indenters 15. לחומרים חלופיים, ריווח הכניסה הנדרש יצטרך להיקבע על בסיס העומס המופעל ועומק כניסה מרבי כפי שנדון בעבר בשטח הפתוחספרות 16,17. בנוסף, זמן ההמתנה לחומר הזה נבחר כדי להתגבר על כל השרץ נצפה עבור שלבי חומר השונים חקרו מאפשר שיטת ניתוח אוליבר-פאר התוכנה של nanoindenter לשמש. עם זאת, כפי שפורט על ידי Oyen 18 שיטות ניתוח חלופיות זמינות עבור חומרים ביולוגיים כאשר תגובות חומרים תלויי זמן לא ניתן להתגבר עם זמני המתנה מתאימים. כדי להשיג תוצאות ברזולוציה גבוהה מ-X-Ray CT, כמה הגדרות חייבות להיות מותאמות. מאמר זה מתאר קבוצה ספציפית מאוד של פרמטרים לשימוש בקנה מידת דגים בגודל ייחודי ועובי שכבות. עם מדגם גדלים שונים, הגדרות אלה צריכים להיות מותאמות כדי להשיג בסיס נתוני באיכות הגבוהה ביותר. התהליך של בחירת כל פרמטר צריך להיות מוגדר בצורה ברורה בהוראות שימוש שמגיעה עם שימוש במכונה. הגדרות סריקה (מתח, זרם, חשיפה, בחירת מסנן) והגדרות שחזור(ממצא טבעת, התקשות קורה) ייתכן שיצטרך להיות שונה כדי להתאים למגוון רחב של גדלי מדגם אחרים וגיאומטריות. רנטגן CT סיפק תמונה של מורפולוגיה כל קנה מידת זיהוי שכבת ganoine מכסה שכבה גרמית של חומר היחיד שבו הסולמות לא חופפים זה לזה. ההדמיה CT רנטגן זיהתה גם כי שכבת ganoine כללה עובי לא אחיד על פני קנה המידה, ואפילו בורות שהפגינו חסרות שכבת ganoine לגמרי. מעניין לציין, כי נתונים nanoindentation מרחבית בקורלציה לניתוח הכימי SEM / EDX זיהו מעבר בדיד חד בין 2 השכבות במקום מעבר הדרגתי יותר נצפה עבור קשקשי דגי mineralized של פ senagalus (בBruet et al. 2). שילוב של nanoindentation, FTIR, EDX, וSEM סיפקו נכס מכאני, אנליזה כימית, ומידע מבני כדי לאשרהשכבה החיצונית כganoine עם מורפולוגיה של זגוגית וכימיה. בנוסף, טכניקות אלה אישרו את השכבה הפנימית כשכבת גרמית של חומר. לסיכום, השיטות שתוארו במחקר זה זיהו את ההליך ותוצאות מקבילה לבחון את היקף דגי mineralized של א &#39; מרית מהמבנה בתפזורת למטה להרכב nanostructure וכימי.

חוקרים בודקים חומרים ביולוגיים מבניים ומנסים להבהיר את עקרונות עיצוב, המספקים חומרים ביולוגיים מבניים עם תכונות מכאניות משופרות, כגון קשיחות וחוזק בהשוואה למרכיבים האישיים שלהם הרבה יותר גבוהות. החקירות על עקרונות העיצוב של קשקשי דגים משוריינים לPagrus גדול 7, Polypterus senagalus 2,6, gigas Arapaima 3, carpio Cyprinus 4, ומרית Atractosteus 1 הדגימו את הצורך להרחיב את היישום של שיטות ניסיוניות קיימות כדי ללמוד את התגובות המבניות ומאפייני microstructural, שכן נהלים סטנדרטיים מפורטים אינם זמינים עבור סוגים אלה של חומרים וניסויים. בין קשקשי דגים המשוריינים השונים דנו, א מרית היא טורף מבחינה היסטורית שיא המרכזי בארה&quot;ב 8 והיא מין עם גבוהקשקשי mineralized ly. חילופי מיני מסת שריר למסת עור כדי להשיג מערכת הגנת טורף משופרת בהשוואה לדגים בגודל דומה שהוזכרו בעבר 9. לדברי פייג&#39; ו10 בר, א &#39; מרית היא דגי מים מתוקים השלישי בגודלה בצפון אמריקה עם חדקן הלבן (transmontanus Acipenser) וחידקן האטלנטי (oxyrhynchus Acipenser) להיות מינים גדולים יותר. קשקשי דגי הפערים mineralized של א &#39; מריתם רק לאחרונה הנלמד. תומפסון ו11 מק &#39;קיון הציעו כי המורפולוגיה של קשקשי גאור יש לי הרכב שלוש שכבות מורכבות משכבה ganoine חיצונית, שכבת עצם מפוזרת, ושכבת עצם שבשבת. מחקר הנוכחי על א קשקשי מרית לא הבדילו את שכבת העצם לתוך מפוזר או אזורי עצם טבלית, אלא רק חקר את אזור העצם כשכבת פנימית אחת 1,12. במחקר זה, את הליכים בvestigating מיקרו, nanostructure, הרכבו כימי, והפצות המרחבית של התכונות מכאניות של הקשקשים של א &#39; מרית מבוססים על תוצאות של ספקטרוסקופיה FTIR, SEM, רנטגן CT, וטכניקות nanoindentation מוצגים.

<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

הארכיטקטורה ההיררכית של חומרים ביולוגיים מגן כגון סולמות mineralized דגים, קונכיות חילזון, הקרן של איל, קרן צבי, ושריון של צב מספקת עקרונות עיצוב ייחודיים עם פוטנציאל למנחה את העיצוב של חומרים ומערכות הגנה בעתיד. הבנת נכס מבנה היחסים למערכות חומר אלה במידה הזעירה וננומטרי שבו כישלון יוזם היא חיונית. נכון לעכשיו, ניסיוני בטכניקות כגון nanoindentation, CT רנטגן, וSEM לספק לחוקרים עם דרך, כדי לקשר בין ההתנהגות מכאנית עם microstructures ההיררכי של מערכות חומר אלה 1-6. עם זאת, הליך סטנדרטי מוגדר היטב להכנת דגימה של חומרים ביולוגיים mineralized אינו זמין כרגע. במחקר זה, השיטות לחיטוט כימי מרחבית מתואמת, מבני, ותכונות מכאניות של קנה המידה רב שכבתית של א &#39; מרית באמצעות nanoindentation, FTIR, SEM, עם חדרergy-נפיצה microanalysis רנטגן (edx), ו-CT רנטגן מוצגים.

איור 3 מתאר את התוצאות הממוצעת של מרחבית המתואמת nanoinidentation / SEM / EDX ניתוחים שנערך על פני הציר הקצר שאורכו כ 800 מיקרומטר רוחבי חתך. בשכבה העבה ganoine כ 60 מיקרומטר, nanoindenter מחושב מודול ממוצע של 69.0 GPA וקשיות של 3.3 GPA. Nanoindenter נקבע מודולוס של 14.3 GPA וקשיות של 0.5-GPA ממוצע לשכבת העצם העבה כ 740 מיקרומטר. EDX נקבע פחמן, חמצן, סידן, וזרחן, הנמצאים בדרך כלל בסולמות mineralized. עם זאת, שכבות ganoine והעצם הכילו הבדלי כימות בהרכבים כימיים. ספייק פחמן נצפה בשכבת העצם עשוי להיות מיוחס לאזור זה לא להיות כמו mineralized מאוד, וכתוצאה מכך עלייה קלה בפחמן שגם גרמה לירידה שנצפתה בבהירות כוללת של תמונת BSE. באופן ספציפי, את שכבת ganoine &#39;; ים מתכוון יחס ריכוז אטומי של Ca: P של 1.71 הופיע דומה לhydroxyapatite עם יחס תיאורטי של 1.67. Ca הממוצע של שכבת העצם: יחס P ירד ל 1.51 קיטון בסך של מינרליזציה משיכבת ganoine. ספקטרומי FTIR באיור 4 לשכבת העצם ושכבת ganoine זיהו את הקבוצות פונקציונליות העיקריות כאמיד, קרבוקסיליות, פוספט, וקרבוניל. באופן ספציפי, FTIR אישר את התצפית ויזואלית של חתימות hydroxyapatite בחתימות שכבה החיצונית (ganoine) וקולגן בשכבה הפנימית (עצם). פסגות ב3,500-3,000 -1 סנטימטר עקב NH מתיחה וNH כיפוף בין 1,550 ו -1,500 -1 סנטימטר מייצגות קבוצות אמיד בשכבת העצם. פסגות באזור של מספר גל 1,470-1,365 -1 סנטימטר מייצגות קבוצות אלקיל אמיד להחליף. בנוסף, C = O ייחודי המשתרע על 1,641 סנטימטר -1 נצפה על שכבת העצם. אפונהKS מ3,000-2,500 -1 סנטימטר מייצג קבוצות קרבוקסיליות. ספקטרה &#39;שכבות שני העצם וganoine הופקה שיא ייחודי ליד 1,079.33 -1 סנטימטר מעיד על מתיחת פוספט. ההדמיה CT רנטגן באיור 5 לוכדת כי שכבת ganoine אינה מכסה את שכבת העצם שבו הקשקשים חופפים זה לזה. שכבות ganoine האפורות בהירות מצביעות על שלבים צפופים יותר, קשים יותר, ונוקשים ואילו שכבות עצם אפורות כהות יותר מצביעות על שלבים פחות צפופים ופחות נוקשה. בנוסף, דימויי CT רנטגן סייעו בזיהוי אי - האחידות בעובי שכבת ganoine. למעשה, בורות ברורות הם נצפו בסמוך למרכז של שכבת ganoine, שאינו מכסה את שכבת העצם בכלל. תמונת מיקרוסקופ האלקטרונים הסורק באיור 6A של פני השטח שבר חרוטים עם H 3 PO 4 חשפו ננו המאורגן בדפוס שכבתי לשכבת ganoine. מאורגן nanorod זה<html> מבנה בקורלציה לחתימות hydroxyapatite מתקבלות מFTIR לאזור ganoine. איור 6 א מתאר מיקרוסקופ אופייני ההגדלה נמוכה SEM של פני השטח שבר זיהוי ברור של המעבר בין שכבות ganoine ועצם עם הקו המקווקו. איור 6 מציג את תמונות SEM ההגדלה גבוהות יותר של פני השטח שבר לאחר תחריט עם H 3 PO 4. לאחר תחריט, nanorods אוריינטציה בשכבת ganoine החיצונית הוא זיהוי בבירור תוך nanostructure כמו סיבים הוא ציין בשכבת העצם. <img alt="איור 3" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51535/51535fig3highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51535/51535fig3.jpg" /> איור 3. מודולוס ונתוני קשיות מnanoindentation מרחבית בקורלציה להרכב כימי SEM / EDX. her.within-page = &quot;תמיד&quot;&gt; <img alt="איור 4" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51535/51535fig4highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51535/51535fig4.jpg" /> איור 4. ספקטרומי FTIR נאספו מחיצוני (ganoine) ופנימי (גרמית) שכבות. <img alt="איור 5" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51535/51535fig5highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51535/51535fig5.jpg" /> איור 5. רנטגן תמונות CT מראים pitting על החיצוני (ganoine) שכבה המכסה את השכבה הפנימית (הגרמית). <img alt="איור 6" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51535/51535fig6highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51535/51535fig6.jpg" /> איור 6. (א) תמונה נמוכה הגדלת SEM של פני השטח שבר טיפוסיים, (ב &#39;) תמונות בהגדלה גבוהות יותר של nanorods בחיצוני (ganoine) וסיבים בפנימיים (בony) שכבות .. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51535/51535fig6highres.jpg" target="_blank">אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.</a>

Watch this Scientific Journal Video about Characterization Of Multi-layered Fish Scales Atractosteus spatula Using Nanoindentation, X-ray CT, FTIR, and SEM at JoVE.com

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

נייר זה מציג את השיטות המשמשות לחיטוט כימי מרחבית מתואמת, מבני, ותכונות מכאניות של קנה המידה רב שכבתית של מרית Atractosteus (מרית א &#39;) באמצעות nanoindentation, התמרת אינפרא אדום ספקטרוסקופיה (FTIR), במיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM), וה-X ray טומוגרפיה ממוחשבת (CT רנטגן). תוצאות הניסוי שנעשו שימוש כדי לחקור את עקרונות העיצוב של חומרים ביולוגיים מגן.

אפיון של קשקשים דגים שכבתיים Multi-(<em&gt; מרית Atractosteus</em&gt;) באמצעות Nanoindentation, רנטגן CT, FTIR, וSEM

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 Views.  U.S. Army Engineer Research and Development Center.  נייר זה מציג את השיטות המשמשות לחיטוט כימי מרחבית מתואמת, מבני, ותכונות מכאניות של קנה המידה רב שכבתית של מרית Atractosteus (מרית א ') באמצעות nanoindentation, התמרת אינפרא אדום ספקטרוסקופיה (FTIR), במיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM), וה-X ray טומוגרפיה ממוח?...

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

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.

פליטת אור הדמיה עבור הערכת התגובה החיסונית לאחר השתלת רקמת לב הנדסי (EHT)

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

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.

מחקרים קטנים ורחבים זווית X-Ray פיזור של מקרומולקולות ביולוגיות בפתרון

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.

אפיון ביומכנית של רקמות רכות אדם באמצעות זחה ו מתיחת בדיקה

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.

זיהוי של אנדוטוקסין ניסוחים-Nano באמצעות מבחני Lysate (LAL) Amoebocyte Limulus

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).

שימוש מיקרו רנטגן טומוגרפיה ממוחשבת עם חומצה Phosphotungstic הכנה לדמיין את רקמת האדם האנושי

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.

4-מימדי ניתוח CT באמצעות 3D סדרתית-3D הרישום

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.

3D הדמיה של דוגמאות רקמה רכה באמצעות רנטגן ספציפי שיטה מכתים וטומוגרפיה ממוחשבת Nanoscopic

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.

ייצור פנטום פוליוויניל אלכוהול ספציפי למטופל עם אולטרסאונד וניגוד רנטגן לתכנון ניתוח גידול במוח

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.

זרימת עבודה ניסיונית וניתוח נתונים עבור ננו-אינדנציה של חומר רך

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.