バイオインスパイアードデザインのためのプロトコル：グランドサンプラーウニジョーズに基づいて、

要約

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.

要約

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.

概要

生物学、生物学、材料科学、生体材料、生体工学および生化学の分野では信じられないほどの自然界のより深い理解を提供するための試みで、初演の科学技術と心を採用しています。本研究では、最も驚くべき生物学的構造および生物の多くを説明しています。人間の骨^1,2の本質的な靭性からオオハシ³の大きなくちばしに。しかし、この知識の多く​​は、社会に恩恵を与えることができるように採用することは困難です。その結果、bioinspirationの接線方向のフィールドは、一般的な問題を解決するために現代的な素材に自然から学んだ教訓を採用しています。例としては、蓮に触発された超疎水性表面も、ヤモリの足に触発^4-6、接着面を残し、アワビ^9-11とウニのマウスピースに触発生検ハーベスタの真珠層に触発^7,8、タフなセラミックスを昆虫を含みます知っていますアリストテレスの提灯^12,13としてのn。

ウニ​​は、その生息地、最も一般的に海の底に岩のベッドで構成されて棘で覆われた無脊椎動物です。最大のウニ種で（テストと呼ばれる）の体は直径18以上のcmであることができます。ピンクのウニ（Strongylocentrotusフラジリス ）でのテストの大きさは直径10cmに成長することができ、本研究で検討しました。アリストテレスの提灯は、ピラミッド構造鉱化組織で構成され、すべてが、歯（ 図1A）の遠位研削ヒントを囲むドーム状の形成に配置することによって支援される5つの主に炭酸カルシウムの歯で構成されています。

顎の筋肉の構造は、効率的な咀嚼することができ、さらにはハード海の岩やサンゴ擦ります。オープンジョーが、歯が外側に突出したときに顎近いとき、歯は、単一の滑らかな動きで内側に引っ込めます。 primitivとの比較E（上）と現代（下）ウニの歯の断面（ 図1B）は keeled歯は硬質基材に対して研削時に歯を強化するために進化したことを示しています。各個々の歯が原因で縦方向に取り付けられたキール（ 図1C、D）にわずかに凸状の湾曲と（成長方向に対して垂直な）横断面におけるT字形の形態を有しています。

Bioinspirationは、ウニにおけるアリストテレスの提灯の効率的な咀嚼運動として興味深い自然現象の観察から始まります。それは取り残さホーンのペインでホーンランタンの彼を思い出したので、この自然な構造は、最初はアリストテレスを魅了します。以上の2千年後に、スカルパは彼と後でTroguのみ紙やゴムバンド（ 図^{2A）15,16 を}使用して、自然な咀嚼運動を模倣アリストテレスの提灯の複雑さに魅了されました。同様に、イェリネクはcでバイオインスパイアードされましたアリストテレスの提灯の動きを合わせぎりかつ安全に癌細胞（ 図^{2B、C）12,13 を}拡散することなく、腫瘍組織を分離することができ、より良い生検ハーベスターを開発しました。この場合、バイオインスパイアード設計は、所望のアプリケーションの特定のニーズに合う生物医学装置を作るために利用されました。

ここで説明した設計プロトコルは、ウニによりバイオインスパイアード土砂サンプラーに適用されます。生物学的材料科学を通じ、アリストテレスの提灯の自然な構造が特徴としています。バイオインスパイアードのデザインは、自然のメカニズムは、現代的な素材と製造技術の使用により増強することができる潜在的なアプリケーションを識別します。最終的なデザインは、自然な歯の構造がどのように進化したかを理解するためにbioexplorationのプリズムを再検討します （ 図3）。ポーター^17,18によって提案された最後のbioexplorationステップは、eまでエンジニアリング解析メソッドを使用していますxploreとは、生物学的現象を説明します。 bioinspirationプロセスのすべての重要なステップは、現代の課題を解決するために使用することができる性質によって事前承認された技術を、利用するための例として提示されます。私たちのプロトコルは、Arzt ⁷によって、特定の用途のために提示前のbioinspiration手順によって動機づけ_、生物学者、エンジニア、自然に触発されて他の人を対象としています。

プロトコル

1.生物材料科学

1. 個人用保護具を着用する（ すなわち 、手袋、安全メガネと白衣）と解剖ツールを使用するため、該当するすべての安全手順に従ってください。
2. 鉗子を洗い流すと解剖のために使用するために蒸留水で外科用メス。
3. 室温で1時間凍結したピンクのウニを解凍します。ウニ​​と切削工具を操縦することができるように十分なスペースを持つガラス皿中で解凍した試料を置きます。歯の先端を上に向けるように逆さまにウニを回します。
   1. メスでアリストテレスの提灯の周囲の結合組織を離れてカットし、慎重に提灯を持ち上げ。蒸留水を実行していると提灯を洗い流してください。適切な廃棄物処理容器に未使用のウニの部品を廃棄します。
   2. 歯の先端が下向きになるよう何度も何度アリストテレスの提灯をオンにします。上を向いて（反対側の先端まで）各歯のplumula端を見つけて、世話をするために鉗子を使用完全にランタンから個々の歯を引き出します。
4. ポットに歯をエポキシ樹脂を準備します。樹脂の5グラムを計量し、硬化剤1.15グラムを追加浅い使い捨てプラスチックトレー（ 例えば、100部は23重量部硬化剤に樹脂）。気泡を形成することなく、ゆっくりと一緒に内容を混ぜます。
   注：大気への露出不足の入った容器に残った混合エポキシ樹脂を放置しないでください。硬化プロセスは発熱性であり、近くの可燃物に火をつけることができます。離れた可燃性の項目からよく換気ドラフト内で残った混合エポキシを保管してください。
   1. 指で適用ワセリンを使用して、2.5ドラムのプラスチックチューブ（内径22mm、39ミリメートルの長さ）を注油し、組織と余分を拭き取ってください。混合エポキシを用いてチューブを途中で埋めます。
   2. 歯をピックアップし、慎重に湾曲した凹面側を上に向けてエポキシでそれを沈めるために鉗子を使用してください。 24時間室温でエポキシ硬化をしてみましょう。
      注：触れて漂流から歯先を防ぎますこの以来、エポキシ硬化などのプラスチックチューブの壁がより困難先端を研磨するようになります。
5. 万力で硬化したエポキシでプラスチックチューブを置きます。亀裂は、プラスチックチューブで作られるまで、ゆっくりと万力を締めます。エポキシ表面から残留塑性を剥がします。
   1. 切片を使用してダウン小さいブロック（1 cm ^3）での歯の周りにエポキシをカットしました。
6. 研磨するためのきれいな部分を準備し、硬質プラスチック板で平らなワークステーションを設定します。蒸留水で噴霧ボトルを埋めます。
   1. 利用可能な最も低いグリットサンドペーパー（ 例えば、120）で開始し、サンドペーパーの上に洗浄ボトルから少量の水を絞ります。軽い圧力を使用して、5分のための1つの前後方向（ 例えば、左から右）にサンプルをこします。
   2. シンクの上に試料の表面を洗い流し、粒子を含まないティッシュで拭き取ってください。 15秒間圧縮空気で残っサンドペーパーグリットを削除します。
   3. プロトコルは1.6.1と1.6.2手順を繰り返すように漸進的に高いグリットサンドペーパー（ 例えば、600および2400）を使用します。光の圧力を使用して、後ろにあるサンプルをこする前後（ 例えば、上下、左右）前のポリッシュのステップに垂直な方向。
      注：垂直なスクラッチマークは、各グリットレベル（ 例えば、120、600、2400）と交差見るために20Xの倍率で光学顕微鏡を使用してください。前のグリットレベルからスクラッチマークが消えたときに次の高いグリットのサンドペーパーに移動します。
   4. 1蒸留水液：1で3-μmのダイヤモンド研磨懸濁液を噴霧ボトルを準備します。プロトコルは1.6.1と1.6.2をステップ繰り返すようにダイヤモンド懸濁液用の磨き布を使用してください。
   5. 1蒸留水液：1で0.5μmのアルミナ研磨懸濁液を噴霧ボトルを準備します。プロトコルは1.6.1と1.6.2手順を繰り返すようにmicroclothの研磨面を使用してください。
      注：プロトコルからファインスクラッチマークは1.6.4と1.6.5ステップvisibではありませんル20X倍率で。前後に移動中の5分間ポリッシュこれらのプロトコルステップについては、以前のすべての傷を削除します。
   6. 蒸留水で研磨面を清掃し、慎重に乾燥に圧縮空気で粒子を含まない組織を使用しています。鏡面研磨仕上げを維持するために、粒子を含まないティッシュで包みます。
      注：すべての研磨面が大きな粒子を含まない組織に伏せて乾かします。研磨時間との間の表面上に沈降ダスト粒子を回避するために、プラスチック製のスリーブに保管してください。
7. 走査型電子顕微鏡（SEM）を用いて、ウニの歯の組織を特徴づけます。 〜20nmのコーティング厚さのために研磨歯の表面上に10秒間85ミリアンペアの堆積電流でイリジウムをスパッタするスパッタコーターを使用してください。
   1. SEMを用いて4,000X倍率 - 250Xでの顕微鏡写真画像を得ます。
      注意：使用走査電子（SE）モードでは5kVと後方散乱電子（BSE）モードで15 kVの。方解石嘘を識別するために、BSEモードを使用しますERSは、Mgに富む多結晶マトリックスが点在します。
8. マイクロコンピュータ断層撮影法（μ-CT）全体ピンクのウニと新鮮に解剖アリストテレスの提灯のスキャンを実行します。位置はそれぞれ走査しながら加湿環境を提供するために、湿った組織に閉じたチャンバ容器内の試料を解凍しました。
   1. それぞれ、36.00ミクロンと9.06ミクロンの等方性ボクセルサイズでμ-CTによる全ウニやアリストテレスの提灯をスキャンします。両方のための1.0ミリメートルのアルミフィルターを使用して、それぞれ、全体ウニやアリストテレスの提灯のために、100ミリアンペアと141ミリアンペアの電流で100のkVp及び70のkVpの電位を適用します。
   2. 製造業者のプロトコルを使用して、複数のエネルギーのX線を放射するμ-CT、X線源から生じるビーム硬化アーチファクトを考慮して画像再構成時にビームハードニング補正アルゴリズムを適用します。
9. IMAを絞り込むことイメージングソフトウェアを使用しますGEのセグメンテーションとアリストテレスの提灯構造のための三角形メッシュモデルを獲得します。
   1. ロードおよびプレビューμ-CTスキャンからアリストテレスの提灯画像データ。マイクロCTスキャンからの値にボクセルサイズ（9.06μm）を一致させます。
   2. 3D空間におけるアリストテレスの提灯を視覚化するためにボリュームレンダリング機能を使用してください。バウンディングボックスモジュールを搭載した2D直交スライスを調整し、ボリュームレンダリングモジュールとしきい値/カラーを調整します。
   3. セグメンテーションエディタを使用して、関心領域（ 例えば、ウニの歯）のためのマスク・セグメントを作成します。 XY、YZ、及びXZ平面と3D等角図を選択します。アリストテレスの提灯に単純な構造（ピラミッド対歯）を区別するために魔法の杖（黒矢印）を使用します。
   4. 抽出されたマスク・セグメントからモデル表面を再構築します。面生成モジュールを選択し、適用します。目に見える上面が消え持つように設定をボリュームレンダリングの選択を解除します。加えます表面結果を表示するために、表面表示モジュール。
   5. <18000に面の数を減らすことにより、モデル表面を簡素化します。
   6. 必要に応じて、モデル表面上の個々の三角形メッシュを編集します。コンピュータ支援設計（CAD）モデリングソフトウェアで使用するエクスポートするためのステレオリソグラフィ（STL）ファイルとしてモデルを保存します。

2.バイオインスパイアードデザイン

1. CADモデリングソフトウェアとバイオインスパイアードなデザインを作るための基準として、マイクロCTスキャンからアリストテレスの提灯を使用してください。
   注：バイオインスパイアードデザインは、高さ6センチメートル、直径閉じランタン8センチ5曲がった歯を持っています。それは自然なアリストテレスの提灯のサイズから〜5倍にスケールアップされます。
2. フラッシュドライブにSTLファイルの一部を保存して、熱溶解積層法（FDM）3Dプリンタにファイルをアップロードします。
   1. 三次元pの適切なスロットにロードアクリロニトリルブタジエンスチレン（ABS）プラスチック支持プラスチック材料カートリッジrinter。
   2. Zプラットフォーム上でモデリングベースを挿入し、金属製のトレイにあるスロットにタブを合わせます。
   3. STLファイルの部分のそれぞれを開き、同時にすべてのランタンの一部を印刷するには、表示画面の手順に従ってください。
      注：ランタンの部品は、建物の封筒（25×25×30 cm ^3）で3Dプリンター用に収まらなければなりません。すべての5つの歯は、モデリングベース上に配置され、歯の先端を上に向けて同時に印刷されています。ビルド速度は時間あたり16 cm ³であり、総ビルド時間は約8時間です。
   4. すべてのファイル部分が印刷されている場合、タブからモデリングベースをリリースし、トレイガイドに沿って、3Dプリンタのうちベースをスライドさせます。
   5. 部品に付着した余分なプラスチックを下に着用するベースと金属ファイルからすべての部品をてこのように金属へらを使用してください。
   6. サポートのプラスチック材料が溶解するまで加熱された基本浴に印刷されたパーツを配置します。
3. Liと関節アームに各歯を固定しますNKロッドとどちらかの側に2つのE-保持リング。
   注：バイオインスパイアードアリストテレスの提灯の組み立てのために、図6を参照してください。

3. Bioexploration

1. 有限要素モデリング（FEM）応力解析のテストを行うためにバイオインスパイアードの歯のためのCADファイルを使用してください。
   1. さらにエンジニアリング解析を行うためのファイル（xx.sldprt）を開きます。 「オフィス製品」タブの上に、「SolidWorksのシミュレーション」ボタンを選択します。
   2. 「シミュレーション」タブ上では、「研究顧問」ボタンを押して、ドロップダウンオプション」の新研究」を選択します。
   3. 「静的」を選択することによって実行されるシミュレーションテストの種類を選択します。
   4. 静的試験のリストで、「備品」を右クリックして「固定ジオメトリ」を選択します。
   5. ピンが行く取付穴に固定具を追加するために内面をクリックします。
   6. 静的試験のリストで、「外部荷重」とセレク上で右クリックトン "フォース"。
   7. 先端がエッジに45 Nの力を適用するために直面​​している研削歯をクリックします。
   8. 静的試験のリストで、「外部荷重」を右クリックして「重力」を選択します。
   9. 平面に垂直かかる重力の力のために、「上面」を示します。
   10. 静的試験のリストに、「メッシュ」を右クリックして「メッシュを作成」を選択します。
   11. 「メッシュ密度」「ファイン」のための右のすべての方法のためのスケールバーを移動します。
   12. 静的試験のリストで、「静的」を右クリックして、テストを実行するために、「ファイル名を指定して実行」を選択します。
       注：最高のストレスと「降伏」の領域用着色スケールバーを。
2. キールととせずにバイオインスパイアードの歯のための応力解析テストの結果を比較してください。

結果

アリストテレスの提灯サンプリング装置のバイオインスパイアードデザインが使用される特性評価手法の品質に大きく依存します。 μ-CTのような非侵襲的技術は、バイオインスパイアードデザイン（ 図4）のためのアプリケーション固有の機能強化を適用するために全体のランタンと個々の歯を分析するのに役立ちます。一方、歯の微細構造は、二次電子...

ディスカッション

ウニは、様々な機能（旋回させる送り、退屈な、 など ）のためにアリストテレスの提灯（ 図1A）を使用します。化石記録は、提灯が最も原始cidaroidタイプから近代的なウニ¹⁴のcamarodont型に形状や機能に進化してきたことを示しています。 Cidaroid提灯は、縦方向の歯（ 図1B、上 ）とそのピラミッド構造に非分離筋アタッチメント溝付きまし...

資料

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