Un protocollo per bioispirati Design: A terra Sampler Sulla base di Sea Urchin Jaws

Riepilogo

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.

Abstract

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.

Introduzione

I campi della biologia, la scienza dei materiali biologici, biomateriali, bioingegneria e biochimica impiegano le tecniche scientifiche Premiere e la mente, nel tentativo di fornire una più profonda comprensione del mondo naturale incredibile. Questa ricerca ha spiegato molte delle più sorprendenti strutture biologiche e organismi; dalla robustezza intrinseca dell'osso umano ^1,2 al grande becco del tucano ^3. Tuttavia, gran parte di questa conoscenza è difficile applicare in un modo che può fornire un vantaggio per la società. Di conseguenza, il campo tangenziale Bioinspiration impiega le lezioni apprese dalla natura ai materiali moderni, al fine di risolvere i problemi comuni. Gli esempi includono superfici superhydrophobic ispirati da foglie di loto ^4-6, superfici adesive ispirate ai piedi dei gechi e insetti ^7,8, ceramiche dure ispirate alla madreperla abalone ^9-11 e mietitrici biopsia ispirati al portavoce del riccio di mare, anche saperen come lanterna di Aristotele ^12,13.

I ricci di mare sono animali invertebrati coperti di spine il cui habitat più comunemente è costituito dai fondali rocciosi sul fondo dell'oceano. Il corpo (chiamato test) nelle specie più grande riccio può essere più di 18 cm di diametro; formato di prova in rosa ricci di mare (Strongylocentrotus fragilis) esaminati in questo studio può crescere fino a 10 cm di diametro. Lanterna di Aristotele è composto da cinque particolare sono calcio carbonato denti supportati da strutture piramidali composte di tessuto mineralizzato e disposti in una formazione a cupola-like che racchiudono tutti, ma le punte di macinazione distali dei denti (Figura 1A).

La struttura muscolare delle ganasce è in grado di masticare efficiente e raschiando anche contro le rocce oceaniche dure e coralli. Quando le ganasce aperte, i denti sporgono verso l'esterno e quando le ganasce vicino, i denti si ritraggono verso l'interno in un unico movimento fluido. Confronto tra primitive (sopra) e moderni (sotto) riccio di mare dente sezioni (Figura 1B) indica che un dente chiglia si è evoluto per rafforzare il dente quando frantuma contro substrati duri. Ogni singolo dente ha una curvatura leggermente convessa e una morfologia a T nel piano trasversale (perpendicolare alla direzione di crescita) dovuta alla chiglia longitudinalmente allegata (Figura 1C, D).

Bioinspiration inizia con l'osservazione dei fenomeni naturali interessanti, come il movimento di masticazione efficace della lanterna di Aristotele di ricci di mare. Questa struttura naturale inizialmente catturato Aristotele perché gli ricordava di una lanterna corno con le lastre di corno lasciato fuori. Più di due millenni dopo, Scarpa era affascinato dalla complessità della lanterna di Aristotele che lui e poi Trogu imitava il movimento di masticazione naturale utilizzando solo carta e nastri di gomma (Figura 2A) ^15,16. Allo stesso modo, è stato Jelinek bioispirati dal chewing movimento della lanterna di Aristotele e sviluppato una migliore mietitrice biopsia che potrebbe isolare in modo sicuro il tessuto tumorale senza diffondere le cellule cancerose (Figura 2b, C) ^12,13. In questo caso, disegno bioispirati stati impiegati per effettuare un dispositivo biomedicale che misura specifica necessità di una applicazione desiderata.

Il protocollo di design qui descritto si applica a un campionatore di sedimenti bioispirati dai ricci di mare. Attraverso materiali biologici scienza, la struttura naturale della lanterna di Aristotele è caratterizzata. disegno bioispirati identifica potenziali applicazioni in cui i meccanismi naturali può essere migliorata attraverso l'uso di materiali moderni e tecniche di fabbricazione. Il progetto finale è riesaminata attraverso il prisma di bioexploration per capire come la struttura del dente naturale si è evoluta (Figura 3). L'ultimo passo bioexploration, proposto da Porter ^17,18, utilizza metodi di analisi di ingegneria all'eXplore e spiegare fenomeni biologici. Tutte le fasi importanti del processo Bioinspiration sono presentati come un esempio per la tecnologia, pre-approvato per natura, che può essere utilizzato per risolvere i problemi moderni sfruttamento. Il nostro protocollo, motivata da procedure Bioinspiration precedenti presentati per applicazioni specifiche per Arzt _^7, è prevista per biologi, ingegneri e tutti coloro che si ispira alla natura.

Protocollo

1. biologica Scienza dei Materiali

1. Indossare dispositivi di protezione individuale (ad esempio, guanti, occhiali di sicurezza e camice da laboratorio) e seguire tutte le procedure di sicurezza in vigore per l'utilizzo di strumenti di dissezione.
2. Risciacquare le pinze e bisturi con acqua distillata da utilizzare per la dissezione.
3. Scongelare un riccio di mare ghiacciato rosa a temperatura ambiente per 1 ora. Collocare un campione scongelati in un piatto di vetro con spazio sufficiente per poter manovrare gli strumenti riccio e taglio. Girare il riccio a testa in giù in modo che le punte dei denti rivolti verso l'alto.
   1. Tagliare il tessuto connettivo intorno al perimetro della lanterna di Aristotele con il bisturi e con attenzione sollevare la lanterna. Risciacquare la lanterna via con acqua corrente distillata. Eliminare le parti inutilizzate di riccio in un contenitore corretto smaltimento dei rifiuti.
   2. Girare lanterna di Aristotele di nuovo in modo che le punte dei denti a faccia in giù. Individuare la fine plumula di ogni dente (di fronte alla punta) rivolta verso l'alto e utilizzare le pinze per la curacompletamente sfilare i singoli denti dalla lanterna.
4. Preparare epossidica per pentola i denti. Pesare 5 g di resina e aggiungere 1,15 g di catalizzatore (ad esempio, 100 parti di resina a 23 parti indurente in peso) in un vassoio di plastica monouso superficiale. Mescolare il contenuto insieme lentamente senza formazione di bolle.
   Nota: non lasciare epossidica rimanente misti in un contenitore con insufficiente esposizione all'atmosfera. Il processo di polimerizzazione è esotermica e può incendiare materiali infiammabili nelle vicinanze. Tenere qualsiasi epossidica rimasto mescolato in una cappa aspirante ben ventilato lontano da materiali infiammabili.
   1. Lubrificare un tubo di 2,5 dram plastica (diametro interno 22 mm, 39 mm di lunghezza) con vaselina applicata con un dito e eliminare ogni eccesso con una velina. Riempire la metà tubo con resina epossidica mista.
   2. Utilizzare le pinze per raccogliere un dente e con attenzione immergerlo in resina epossidica con il lato concavo curvo rivolto verso l'alto. Lasciate la cura epossidica a temperatura ambiente per 24 ore.
      Nota: Impedire la punta del dente da drifting al tattola parete di plastica del tubo, come le cure epossidiche in quanto questo renderà la lucidatura la punta più difficile.
5. Posizionare il tubo di plastica con resina catalizzata in una morsa. Stringere la morsa lentamente fino a una fessura è fatto nel tubo di plastica. Staccarsi plastica residua dalla superficie epossidica.
   1. Utilizzare un sezionamento sega per tagliare la resina epossidica intorno al dente giù ad un blocco più piccolo (1 cm ^3).
6. Preparare una zona pulita per la lucidatura e impostare una stazione di lavoro piana con una scheda di plastica dura. Riempire una bottiglia spruzzo con acqua distillata.
   1. Iniziare con la più bassa carta vetrata a grana disponibili (ad esempio, 120) e spremere una piccola quantità di acqua dalla bottiglia di lavaggio sulla carta vetrata. Utilizzando una leggera pressione, strofinare il campione in un avanti e indietro in direzione (ad esempio, sinistra-destra) per 5 min.
   2. Lavare la superficie del campione sopra un lavandino e pulire con un panno privo di particelle. Rimuovere eventuali residui di carta abrasiva grana con aria compressa per 15 sec.
   3. Utilizzare progressivamente più alta carta vetrata a grana (ad esempio, 600 e 2.400) di ripetere i passaggi protocollo 1.6.1 e 1.6.2. Utilizzando una leggera pressione, strofinare il campione in un avanti e indietro direzione perpendicolare al passo polacco precedente (ad esempio, su-giù, sinistra-destra).
      Nota: utilizzare un microscopio ottico a 20X di ingrandimento per vedere segni di graffi perpendicolari si intersecano con ogni livello di grana (ad esempio, 120, 600, 2.400). Passare alla successiva carta vetrata a grana più alto quando segni di graffi dal livello di grinta precedente scompaiono.
   4. Preparare uno spruzzatore con 3 micron sospensione diamantata di lucidatura in 1: 1 soluzione di acqua distillata. Usare un panno polacco per sospensioni diamantate a ripetere i passaggi protocollo 1.6.1 e 1.6.2.
   5. Preparare uno spruzzatore con 0,5 micron sospensione allumina lucidatura in 1: 1 soluzione di acqua distillata. Utilizzare una superficie microcloth lucidatura a ripetere i passaggi protocollo 1.6.1 e 1.6.2.
      Nota: graffi multa da protocollo passi 1.6.4 e 1.6.5 non sarà visibLe a 20X di ingrandimento. Per queste operazioni di protocollo, lucidare per 5 min in un movimento avanti e indietro per rimuovere tutti i graffi precedenti.
   6. Pulire la superficie lucidata con tessuti privi di particelle d'acqua e l'uso distillata con aria compressa a cura asciutta. Avvolgere con tessuti privi di particelle per mantenere lucidato a specchio.
      Nota: asciugare tutte le superfici di lucidatura a faccia in giù su grandi tessuti privi di particelle. Conservare in un manicotto di plastica per evitare polvere assestamento sulla superficie tra i tempi di lucidatura.
7. Caratterizzare la microscopia elettronica a scansione riccio di mare dente microstruttura utilizzando (SEM). Utilizzare un coater polverizzazione per polverizzare iridio con una corrente deposizione di 85 mA per 10 secondi sulla superficie del dente lucidato per uno spessore di ~ 20 nm.
   1. Ottenere immagini microfotografia a 250x - Ingrandimento 4,000X utilizzando un SEM.
      Nota: Uso 5 kV in modalità elettronico a scansione (SE) e 15 kV in modalità elettroni retrodiffusi (BSE). Utilizzare la modalità di BSE per identificare calcite fibERS intervallati con matrice policristallino Mg-arricchito.
8. Eseguire micro-tomografia computerizzata (μ-CT) scansioni di un tutto riccio di mare rosa e una lanterna appena sezionato di Aristotele. Posizionare ogni campione scongelato all'interno del contenitore camera chiusa con un fazzoletto umido di fornire un ambiente umidificato durante la scansione.
   1. Eseguire la scansione del tutto riccio e lanterna di Aristotele da μ-CT con una dimensione voxel isotropico di 36,00 micron e 9.06 micron, rispettivamente. Applicare un potenziale elettrico di 100 kVp e 70 kVp con corrente di 100 mA e 141 mA, per tutto il riccio e la lanterna di Aristotele, rispettivamente, utilizzando un filtro in alluminio 1,0 millimetri per entrambi.
   2. Applicare un algoritmo di correzione del fascio indurimento durante la ricostruzione dell'immagine per tenere conto di artefatti di indurimento del fascio che derivano dalla μ-CT sorgente di raggi X che emette raggi X di energie multiple utilizzando il protocollo del produttore.
9. Utilizzare il software di imaging per raffinare image segmentazione e acquisire un modello di mesh triangolare per la struttura lanterna di Aristotele.
   1. Caricare e anteprima dei dati immagine Lanterna di Aristotele dalla scansione μ-CT. Partita la dimensione voxel (9.06 micron) per i valori della scansione micro-CT.
   2. Utilizzare una funzione di rendering del volume di visualizzare lanterna di Aristotele nello spazio 3D. Regolare la fetta ortogonali 2D con il modulo rettangolo di selezione e regolare il valore di soglia / colore con il modulo Volume Rendering.
   3. Fai segmenti maschera per la regione di interesse (ad esempio, ricci di mare dente) usando l'editor di segmentazione. Selezionare XY, YZ, e gli aerei XZ e la vista isometrica 3D. Utilizzare la bacchetta magica (freccia nera) per distinguere tra strutture semplici (dente vs piramide) nella lanterna di Aristotele.
   4. Ricostruire la superficie del modello dai segmenti maschera estratti. Selezionare il modulo Generazione di superficie e applicare. Deselezionare l'Volume Rendering Impostazioni di avere scomparire la superficie superiore visibile. Aggiungi ilSurface View modulo per visualizzare il risultato superficie.
   5. Semplificare la superficie del modello, riducendo il numero di facce di <18.000.
   6. Modifica della maglia triangolo individuale sulla superficie del modello in base alle esigenze. Salvare il modello come file di stereolitografia (STL) per l'esportazione per l'uso con il software di progettazione (CAD) modellazione assistita da computer.

2. bioispirati design

1. Utilizzare lanterna di Aristotele dalla scansione micro-CT come riferimento per fare un disegno bioispirati con software di modellazione CAD.
   Nota: Il design bioispirati ha cinque denti ricurvi con altezza 6 cm e diametro 8 cm per la lanterna chiusa. Si è scalato fino ~ 5x dalla dimensione della lanterna naturale di Aristotele.
2. Salvare le parti di file STL a un flash drive e caricare i file su un Fused Deposition Modeling (FDM) stampante 3D.
   1. Carico acrilonitrile-butadiene-stirene (ABS) di plastica e di plastica supporto cartucce di materiale nelle fessure appropriate del 3D pSTAMPANTE.
   2. Inserire la base di modellazione sulla piattaforma Z e allineare le linguette con fessure sul vassoio di metallo.
   3. Aprire ciascuna delle parti di file STL e seguire le istruzioni sullo schermo del display per stampare tutte le parti lanterna allo stesso tempo.
      Nota: le parti Lanterna devono rientrare all'interno dell'involucro edilizio (25 x 25 x 30 cm ³⁾ per la stampante 3D. Tutti e cinque i denti sono disposti sulla base di modellazione e stampati simultaneamente con la punta del dente rivolto verso l'alto. Il tasso di costruzione è di 16 cm ³ per ora e il tempo totale di costruzione è di circa 8 ore.
   4. Rilasciare la base di modellazione dalle schede quando tutte le parti di file vengono stampati e far scorrere la base fuori dalla stampante 3D lungo le guide del vassoio.
   5. Utilizzare una spatola metallica per sollevare tutte le parti dalla base e un file di metallo per logorare qualsiasi plastica in più attaccato alle parti.
   6. Posizionare le parti stampate in un bagno di base riscaldata fino a quando si scioglie di materiale di supporto in plastica.
3. Fissare ogni dente ad un braccio congiunta con un Liasta di nk e due anelli E-mantenendo su entrambi i lati.
   Nota: Fare riferimento alla Figura 6 per il montaggio della lanterna del bioispirati di Aristotele.

3. Bioexploration

1. Utilizzare il file CAD per il dente bioispirati di fare una elementi finiti (FEM) test di analisi delle sollecitazioni.
   1. Aprire il file (xx.sldprt) per fare ulteriori analisi di ingegneria. Sopra la scheda "Office Products", selezionare il pulsante "SolidWorks Simulation".
   2. Sopra la scheda "Simulazione", selezionare il pulsante "Studio Advisor" e quindi l'opzione di menu a discesa "Nuovo studio".
   3. Selezionare il tipo di test di simulazione da eseguire scegliendo "statico".
   4. Sulla lista di test statici, fare clic destro su "Calendario" e selezionare "a geometria fissa".
   5. Clicca sulle facce interne di aggiungere dispositivi ai fori di montaggio in cui i perni andrà.
   6. Sulla lista di test statici, fare clic destro su "Carichi esterni" e Select "Forza".
   7. Fare clic sul dente di rettifica punta volti ad applicare 45 N forza ai bordi.
   8. Sulla lista di test statici, fare clic destro su "Carichi esterni" e selezionare "Gravity".
   9. Indicare "Top Plane" per la forza di gravità applicata normale al piano.
   10. Sulla lista di test statici, fare clic destro su "Mesh" e selezionare "Crea mesh".
   11. Spostare la barra di scala per "Densità mesh" tutta la strada a destra per "fine".
   12. Sulla lista di test statici, fare clic destro su "Static" e selezionare "Esegui" per eseguire il test.
       Nota: La barra colorata scala per aree di maggiore stress e la "snervamento".
2. Confronto risultati dell'analisi di sollecitazione per il dente bioispirati con e senza la chiglia.

Risultati

disegno bioispirati del dispositivo di campionamento lanterna di Aristotele dipende fortemente dalla qualità dei metodi di caratterizzazione utilizzati. Tecniche non invasive come μ-CT sono utili per analizzare tutta la lanterna e singoli denti per applicare miglioramenti specifici applicativi per la progettazione bioispirati (Figura 4). Nel frattempo, la microstruttura del dente può essere esplorato tramite elettroni secondari e micrografie elettroniche back-sparsi d...

Discussione

I ricci di mare usano lanterna di Aristotele (Figura 1A) per una serie di funzioni (alimentazione, noioso, girevoli, ecc). I reperti fossili indicano che la lanterna si è evoluta in forma e funzione dal tipo cidaroid più primitiva del tipo camarodont di moderni ricci di mare ^14. Lanterne Cidaroid sono longitudinalmente scanalato denti (Figura 1B, in alto) e l'attaccamento non separati muscolare alla sua struttura piramidale. Questo limita il loro movimento su e...

Materiali

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