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요약

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.

초록

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.

서문

생물학의 필드는, 생물 재료 과학, 생체 재료, 생명 공학 및 생화학는 놀라운 자연 세계의 깊은 이해를 제공하기위한 시도로 초연 과학 기술과 마음을 사용합니다. 이 연구는 가장 놀라운 생물학적 구조와 생물의 많은 설명했다; 인간의 뼈 1, 2의 고유 인성에서 큰 부리 새 (3)의 큰 부리한다. 그러나,이 기술의 대부분은 사회에 이점을 제공 할 수있는 방식으로 사용하는 것이 곤란하다. 그 결과, bioinspiration의 접선 필드는 일반적인 문제를 해결하기 위해 현대적인 재료로 자연에서 얻은 교훈을 사용한다. 예를 들면 연꽃에서 영감을 초 소수성 표면 또한, 도마뱀의 발에서 영감을 4-6, 접착 표면을 떠나 전복 9-11와 성게의 마우스 피스에서 영감을 생검 수확기의 진주층에서 영감을 7, 8, 거친 도자기 곤충을 포함 알고있다n은 아리스토텔레스의 등불 12, 13 등.

성게는 그 서식지 가장 일반적으로 바다 바닥에 바위 침대로 구성되어 가시로 덮여 무척추 동물이다. 직경 이상 18cm가 될 수있는 가장 큰 게 종 (테스트라고도 함) 몸; 이 연구에서 조사 핑크 성게에서 테스트 크기 (Strongylocentrotus의 fragilis)는 10cm 직경 증가 할 수 있습니다. 아리스토텔레스의 등불은 치아 (그림 1A)의 원위부 분쇄 팁 제외하고 모두를 둘러싸는 돔 모양의 형성에 광물 조직 구성 및 배치 피라미드 구조가 지원하는 다섯 주로 탄산 칼슘 이빨로 구성되어있다.

턱의 근육 구조도 하드 바다 바위와 산호에 대한 효율적인 씹는 할 수 및 근근이 살아가고있다. 때 턱 공개, 치아가 바깥쪽으로 돌출 때 턱 주변, 치아는 하나의 부드러운 움직임에서 안쪽으로 후퇴. primitiv의 비교전자 (위)과 현대 (아래) 성게 치아 단면 (그림 1B)는 기절 치아가 하드 기판에 연마 할 때 치아를 강화하기 위해 진화 있음을 나타냅니다. 각 치아 인해 종 부착 용골 (도 1C, D)에 약간 볼록한 곡률 (성장 방향에 수직 한) 횡단 평면에서 T 형상의 형태를 갖는다.

Bioinspiration는 성게에서 아리스토텔레스의 등불의 효율적인 씹는 운동 흥미로운 자연 현상의 관찰로 시작합니다. 뿔의 창 밖으로 왼쪽으로는 혼 랜턴의 그를 생각 나게하기 때문에 자연적인 구조는 처음 아리스토텔레스을 사로 잡았다. 두 개 이상의 천년 후, 스카 르파 그가 나중에 Trogu은 종이와 고무 밴드 (그림 2A) (15, 16)를 사용하여 자연 씹는 동작을 모방 아리스토텔레스의 등불의 복잡성에 매료되었다. 마찬가지로, 옐리네크는 C에 의해 bioinspired했다아리스토텔레스의 등불 운동을 hewing 안전하게 암 세포 (그림 2B, C) ​​12, 13을 확산하지 않고 종양 조직을 분리 할 수있는 더 나은 생검 수확기를 개발했다. 이 경우, bioinspired 디자인은 소망하는 애플리케이션에 대한 특정 요구에 맞게 생의학 장치를 만들기 위해 사용 하였다.

여기에 설명 된 디자인 프로토콜은 성게가 bioinspired 침전물 샘플러에 적용됩니다. 생체 재료 과학을 통해, 아리스토텔레스의 등불의 자연 구조를 특징으로한다. Bioinspired 설계는 자연 메커니즘 현대적 재료 및 제조 기술의 사용을 통해 개선 될 수있는 잠재적 애플리케이션을 식별한다. 최종 디자인은 자연 치아 구조가 진화 방법을 이해하는 bioexploration의 프리즘을 통해 다시 조사 (그림 3). 포터 (17, 18)에 의해 제시된 마지막 bioexploration 단계는, 예 엔지니어링 분석 방법을 사용하여xplore 및 생물학적 현상을 설명한다. bioinspiration 프로세스의 모든 중요한 단계는 현대 문제를 해결하기 위해 사용될 수있는 기술은 본질적으로 미리 승인을 활용하는 예로서 제시된다. 아츠 (7)에 의해 특정 응용 프로그램을 위해 제공 이전 bioinspiration 절차에 의해 동기를 우리의 프로토콜은, 생물 학자, 엔지니어, 자연에서 영감을 다른 사람이 대상이된다.

프로토콜

1. 생물 재료 과학

  1. 개인 보호 장비 (즉, 장갑, 보호 안경 및 실험실 코트)를 착용하고 해부 도구를 사용하는 모든 안전 절차를 따르십시오.
  2. 포셉을 씻어 해부에 사용 증류수로 메스.
  3. 1 시간 동안 실온에서 얼어 붙은 핑크 성게를 녹여. 성게 및 절단 도구를 기동 할 수 있도록 충분한 공간을 가진 유리 접시에 해동 표본을 놓습니다. 치아 끝이 위로 향하도록 거꾸로 게 돌립니다.
    1. 메스와 아리스토텔레스의 등불의 둘레 주위의 결합 조직을 절단 조심스럽게 랜턴을 들어 올립니다. 증류수를 실행하는 랜턴을 씻어. 적절한 폐기 용기에 사용하지 않는 게 부품을 폐기하십시오.
    2. 치아의 끝이 아래를 향하도록 다시하도록 통해 아리스토텔레스의 등불을 켭니다. 이 위를 향하도록 (반대 팁) 각 치아의 plumula 끝을 찾아 치료하기 위해 집게를 사용완전히 턴에서 개별 치아를 밀어 넣습니다.
  4. 냄비에 치아를 에폭시를 준비합니다. 수지 5 g을 달아 경화제의 1.15 g을 추가 얕은 일회용 플라스틱 트레이에 (예를 들어, 100 부 23 중량 부 경화제를 수지). 거품을 형성하지 않고 천천히 함께 내용을 섞는다.
    참고 : 대기에 노출 부족과 용기에 남은 혼합 에폭시를 두지 마십시오. 경화 공정은 발열 근처 인화성을 점화 할 수있다. 가연성 항목에서 환기가 잘되는 흄 후드에 남은 혼합 에폭시를 유지합니다.
    1. 손가락으로 적용 석유 젤리를 사용하여 2.5 DRAM 플라스틱 튜브 (22mm 내부 직경, 39mm 길이)를 윤활하고 티슈로 초과 닦아. 혼합 된 에폭시와 튜브 중간을 입력합니다.
    2. 치아를 집어 조심스럽게 곡선 오목면이 위를 향하도록 에폭시에 잠수함하기 위해 집게를 사용합니다. 24 시간 동안 실온에서 에폭시 치료를 할 수 있습니다.
      참고 : 터치 표류에서 치아 팁을 방지이 보낸 에폭시 같은 경화 플라스틱 튜브 벽은 팁이 어려워 연마 할 것이다.
  5. 바이스에서 경화 에폭시와 플라스틱 튜브를 놓습니다. 달렸다는 플라스틱 튜브에 때까지 천천히 바이스를 조입니다. 에폭시 표면으로부터 잔류 플라스틱을 벗겨.
    1. 단면이 작은 블록 (1cm 3) 아래 치아 주위에 에폭시를 잘라 보았다 사용합니다.
  6. 연마 깨끗한 영역을 준비하고 하드 플라스틱 보드 플랫 워크 스테이션을 설정합니다. 증류수와 함께 물총 병을 채 웁니다.
    1. 가능한 최저 사포 (예를 들어, 120)로 시작하고 사포 상 세척 병에서 소량의 물을 짠다. 저압을 사용하여 5 분 동안 하나의 전후 방향 (즉, 좌우)에 샘플을 문질러.
    2. 싱크대 위에 시료의 표면을 세척하고 입자가없는 티슈로 닦아 낸다. 15 초 동안 압축 공기와 남은 사포 모래를 제거합니다.
    3. 프로토콜은 1.6.1와 1.6.2 단계를 반복 점진적으로 더 높은 사포 (예를 들어, 600, 2400)를 사용합니다. 이전 폴란드어 단계에 수직 다시 샘플 전후 방향, 빛의 압력을 문질러 사용 (예를 들어, 업 다운, 왼쪽 오른쪽).
      주 : 수직 긁힌 자국 각각 그릿 레벨 교차 참조 20X 확대 한 광학 현미경을 사용하여 (예를 들어, 120, 600, 2400). 이전 그릿 수준에서 긁힌 자국이 사라질 때 다음으로 높은 사포로 이동합니다.
    4. 1 증류수 솔루션 : 1에서 3 μm의 다이아몬드 연마 정지와 함께 물총 병을 준비합니다. 다이아몬드 현탁액이 프로토콜은 1.6.1와 1.6.2 단계를 반복 할 수있는 폴란드어 헝겊을 사용하십시오.
    5. 1 증류수 솔루션 : 1에서 0.5 μm의 알루미나 연마 정지와 함께 물총 병을 준비합니다. 프로토콜은 1.6.1와 1.6.2 단계를 반복하는 microcloth 연마면을 사용합니다.
      참고 : 미세 스크래치 자국이 프로토콜은 1.6.4 단계와 1.6.5이 visib되지 않습니다에서20X 배율로 제작. 앞뒤로 움직임에서 5 분 폴란드어이 프로토콜 단계의 경우, 이전의 모든 상처를 제거합니다.
    6. 조심스럽게 건조 압축 공기와 증류수를 사용 입자가없는 조직과 연마 표면을 청소합니다. 거울 광택 도장을 유지하기 위해 입자가없는 조직으로 바꿈.
      참고 : 모든 연마 ​​표면이 큰 입자가없는 조직 아래로 얼굴을 닦아냅니다. 연마 시간 사이의 표면 상에 정착하는 먼지를 방지하기 위해 플라스틱 슬리브에 저장한다.
  7. 성게 치아 미세하여 주사 전자 현미경 (SEM)을 특성화. ~ 20 ㎚의 막 두께에 대한 연마 치아 표면 상에 10 초 동안 85mA의 증착 전류 이리듐 스퍼터 스퍼터 코터를 사용한다.
    1. 주사 전자 현미경 (SEM)을 사용하여 4,000X 확대 - 250X에서 현미경 이미지를 얻습니다.
      참고 : 사용하여 주사 전자 (SE) 모드에서 5 kV로하고, 후방 산란 전자 (BSE) 모드에서 15 kV로. 방해석 FIB를 식별하기 위해 BSE 모드를 사용ERS는 마그네슘 - 농후 다결정 행렬 산재.
  8. 마이크로 컴퓨터 단층 촬영 (μ-CT) 전체 핑크 성게의 검사 및 갓 해부 아리스토텔레스의 등불을 수행합니다. 스캔하는 동안 가습 환경을 제공하기 위해 젖은 티슈로 폐쇄 챔버 용기 내부의 각 해동 샘플을 놓습니다.
    1. 각각 36.00 μm의 및 9.06 μm의의 등방성 복셀 크기 μ-CT에 의해 전체 성게와 아리스토텔레스의 등불을 스캔합니다. 모두를위한 1.0 mm 알루미늄 필터를 사용하여 각각 전체 성게와 아리스토텔레스의 등불을 위해, 전기 (100) KVP의 잠재력과 100mA 및 141mA의 전류를 70 KVP을 적용합니다.
    2. 제조자의 프로토콜을 사용하는 다수의 에너지의 X 선을 방출 μ-CT X 선 소스로부터 발생 된 빔 경화 생성물을 고려하여 화상 재구성 동안 빔 경화 보정 알고리즘을 적용한다.
  9. 심상을 구체화 이미징 소프트웨어를 사용하여GE의 분할과 아리스토텔레스의 등불 구조 삼각형 메쉬 모델을 취득.
    1. 로드 및 미리보기 μ-CT 검사에서 아리스토텔레스의 등불 이미지 데이터. 마이크로 CT 스캔의 값에 복셀 크기 (9.06 μm의)을 맞 춥니 다.
    2. 3D 공간에서 아리스토텔레스의 등불을 시각화하기 위해 볼륨 렌더링 기능을 사용하십시오. 경계 상자 모듈과 2 차원 직교 슬라이스를 조정하고 볼륨 렌더링 모듈 임계 값 / 색상을 조정합니다.
    3. 분할 편집기를 사용하여 관심 영역 (예를 들어, 성게 치아)에 대한 마스크 세그먼트를 확인합니다. XY, YZ 및 XZ 평면과 3D 아이소 메트릭 뷰를 선택합니다. 아리스토텔레스의 등불 간단한 구조 (피라미드 대 치아)를 구별하기 위해 마법의 지팡이 (검은 색 화살표)를 사용합니다.
    4. 추출 된 마스크 세그먼트로부터 모델의 표면을 재구성. 서페이스 생성 모듈을 선택하고 적용 할 수 있습니다. 눈에 보이는 상부 표면이 사라하도록 설정 렌더링 볼륨을 취소합니다. 추가표면보기 모듈은 표면 결과를 표시합니다.
    5. <18,000면의 수를 감소시킴으로써 표면 모델을 단순화.
    6. 필요에 따라 모델 표면에 각각의 삼각형 메쉬를 편집합니다. 컴퓨터 지원 설계 (CAD) 모델링 소프트웨어와 함께 사용할 수출에 대한 조형 (STL) 파일로 모델을 저장합니다.

2. Bioinspired 디자인

  1. CAD 모델링 소프트웨어와 bioinspired 디자인을 만들기 위해 참고로 마이크로 CT 스캔에서 아리스토텔레스의 등불을 사용합니다.
    참고 : bioinspired 디자인은 높이 6cm 직경 폐쇄 랜턴 8 cm의 오 곡선 치아를 가지고있다. 그것은 자연 아리스토텔레스의 등불의 크기에서 ~ 5 배를 조정됩니다.
  2. 플래시 드라이브에 STL 파일의 부분을 저장하고 융합 증착 모델링 (FDM) 3D 프린터로 파일을 업로드 할 수 있습니다.
    1. 3 차원 (P)의 적절한 슬롯에로드 아크릴로 니트릴 부타디엔 스티렌 (ABS) 플라스틱 지지체 플라스틱 재료 카트리지린 터.
    2. 의 Z 플랫폼에서 모델링 기반을 삽입하고 금속 트레이에 슬롯 탭을 맞 춥니 다.
    3. STL과 파일의 각 부분을 열고 동시에 모두 턴 부를 인쇄하는 화면 표시 단계를 따른다.
      주 : 턴 부품 빌딩 외형 (25 X 25 X 30cm 3) 3 차원 프린터 내에서 맞아야한다. 다섯 치아 모델링베이스에 배치하고 치아의 끝이 위를 향와 동시에 인쇄됩니다. 빌드 속도는 시간당 16cm 3이고 총 제작 시간은 약 8 시간이다.
    4. 모든 파일 부분을 인쇄 할 때의 탭에서 모델링 기반을 해제하고 트레이 가이드를 따라 3D 프린터 밖으로 기지를 밀어 넣습니다.
    5. 부품에 부착 된 여분의 플라스틱을 입고베이스와 금속 파일 오프 모든 부분을 캐 내려고 금속 주걱을 사용합니다.
    6. 지원 플라스틱 재료 용해 될 때까지 가열베이스 화장실에 인쇄 된 부분을 놓습니다.
  3. 리튬과 공동으로 암에 각각의 치아를 고정북한로드와 양쪽에 두 개의 E-유지 반지.
    참고 : bioinspired 아리스토텔레스의 등불 조립도 6을 참조하십시오.

3. Bioexploration

  1. 유한 요소 모델 (FEM) 응력 해석 시험을 수행 할 bioinspired 치아에 대한 CAD 파일을 사용한다.
    1. 또한 엔지니어링 분석을 수행 할 파일 (xx.sldprt)를 엽니 다. 은 "오피스 제품"탭 위의 "솔리드 웍스 시뮬레이션"버튼을 선택합니다.
    2. 은 "시뮬레이션"탭 위의 "연구 고문"버튼을 누른 다음 드롭 다운 옵션 "새로운 연구"를 선택합니다.
    3. 시뮬레이션 테스트의 유형을 선택합니다 "정적"을 선택하여 실행합니다.
    4. 정적 테스트 목록에서 "일정"을 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭하고 "고정 형상"을 선택합니다.
    5. 핀이 갈 것이다 장착 구멍에 설비를 추가 내면을 클릭합니다.
    6. 정적 테스트 목록에서 "외부 하중"및 SELEC을 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭t "힘".
    7. 팁 연삭 치아를 클릭은 ​​가장자리에 45 N의 힘을 적용하기에 직면 해있다.
    8. 정적 테스트 목록에서 "외부 하중"을 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭하고 "중력"을 선택합니다.
    9. 면에 수직으로 가해지는 중력에 대해 "최고 비행기"를 표시합니다.
    10. 정적 테스트 목록에서 "메시"을 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭하고 "메시 만들기"를 선택합니다.
    11. "메시 밀도" "좋아"의 오른쪽에있는 모든 방법에 대한 눈금 막대를 이동합니다.
    12. 정적 테스트 목록에서 "정적"을 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭하고 테스트를 실행 "실행"을 선택합니다.
      참고 : 가장 높은 스트레스와 "항복 강도"의 영역에 대한 색깔 스케일 바.
  2. 와 용골없이 bioinspired 치아에 대한 스트레스 분석 테스트 결과를 비교한다.

결과

아리스토텔레스의 턴 샘플링 장치의 설계 Bioinspired 사용 특성화 방법의 품질에 크게 의존한다. μ-CT와 같은 비 침습적 기술은 bioinspired 디자인 (그림 4)에 대한 응용 프로그램 특정 개선 사항을 적용하려면 전체 랜 턴과 개인의 치아를 분석하는 데 도움이됩니다. 한편, 치아 미세 이차 전자 및 개별 치아 (도 5)의 연마 단면의 후방 산란 전자 현미경?...

토론

성게는 다양한 기능 (피봇 공급, 지루, 등)에 대한 아리스토텔레스의 등불 (그림 1A)를 사용합니다. 화석 기록은 랜턴 현대 성게 (14)의 camarodont 유형으로 가장 원시적 인 cidaroid 형식에서 모양과 기능으로 진화하고 있음을 나타냅니다. Cidaroid 등불은 길이 방향으로 치아 (그림 1B, 상단)과 피라미드 구조가 아닌 분리 된 근육 부착 홈이있다. 이것은 그들의 상하 ...

공개

We have nothing to disclose.

감사의 말

This work is supported by Multi-University Research Initiative through the Air Force Office of Scientific Research of the United States (AFOSR-FA9550-15-1-0009) (M. B. F., S. E. N., J.-Y. J., J. M). Collection of pink sea urchins was supported by the University of California Ship Funds and the US National Marine Fisheries Service (K.N.S., J.R.A.T). The authors acknowledge the following people: Prof. Jerry Tustaniwskyj for helpful suggestions during development of the bioinspired Aristotle's lantern sampler, Prof. Marc A. Meyers (UCSD, Dept. of Mechanical and Aerospace Engineering, Materials Science and Engineering Program), Prof. Robert L. Sah and Esther Cory (UCSD, Dept. of Bioengineering), and Dr. Maya deVries (Marine Biology Research Division, Scripps Institution of Oceanography). We also thank undergraduate students Sze Hei Siu, Jerry Ng and Ivan Torres for polishing urchin teeth cross-sections.

자료

NameCompanyCatalog NumberComments
BUEHLERMET II 8 PLN 600/P1200Buehler305308600102Abrasive paper for polishing
TRIDENT POLISH CLOTH 8" PSABuehler407518Polish cloth for 3 μm suspension
METADI SUPREME POLY SUSP,3MICBuehler406631Polish suspension (3 μm)
MICROCLOTH FOR 8 IN WHEEL PSABuehler407218Polish cloth for 50 nm suspension
MASTERPREP SUSPENSION, 6 OZBuehler636377006Polish suspension (50 nm)
Skyscan 1076 micro-CT ScannerBrukerMicro-CT scanner equipment
Amira softwareFEI Visualization Sciences GroupSoftware for 3D manipulation of Micro-CT scans
FEI Philips XL30FEI PhilipsESEM equipment for characterization of polished tooth cross-sections
SolidWorks Design softwareDassault SystemsDesign software for CAD drawing bioinspired device
SolidWorks Simulation softwareDassault SystemsSimulation software for stress test of CAD drawing bioinspired device
Dimension 1200esStratasys3D printer for fabrication of bioinspired device from CAD drawing
ABSplusStratasys3D printer plastic

참고문헌

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