저자는 미국 육군 ERDC 군사 공학 6.1 기초 연구 프로그램 및 감독 연구 프로그램에 대한 ERDC 센터에서 제공하는이 작품에 대한 재정 지원을 인정하고 싶습니다. 저자는 또한 실험적인 작업을 지원하기위한 ERDC 지반 및 구조 연구소의 콘크리트 재료 지점의 직원과 시설을 감사드립니다. 게시 할 수있는 권한은 이사, 지반 및 구조물 실험실에 의해 수여되었다.

1. 생선 비늘 샘플 준비 본 연구의 경우, 규모는 약 600mm 긴 갈치 (A. 주걱)에서 미 육군 엔지니어 연구 개발 센터 중간 길이의 (ERDC) 환경 연구소 (29 일 꼬리 열)에서 얻을 수 있었다. 생선 비늘은 건강 (NIH) 동물 관리 지침의 ERDC 및 국립 연구소에 따르면 얻었다. <ol><li> 자료 연구에서 얻은 비늘의 물고기 공간 위치를 기록합니다. 해당 조직이나 NIH 동물 관리 지침 등의 생물 표본을 얻기위한 정부의 가이드 라인을 준수해야합니다. 수분을 보존하고 그들이 물고기에서 제거되면 미네랄 함량을 유지하는 인산염 완충 생리 식염수와 같은 적절한 매체의 비늘을 저장합니다. 나노 압입 데이터에 영향을 미칠 수있는, 미네랄 손실이 발생할 수 있습니다 장기간 보관하지 마십시오. 브러시와 T 강모 매체를 사용하여하드 비늘에서 모든 연부 조직을 제거하는 weezers. </li><li> 설치 및 단면 시편 가로 FTIR을 사용하여 생선 비늘의 짧은 축 부분 (그림 1)과 나노 압입을 검사하는 최초의 수지와 경화제로 구성된 두 부분 에폭시 등의 딱딱한 매체에 규모를 장착해야합니다. 예컨대 이하 55 ° C.의 피크 온도가이 연구에서 사용 된 시판 범용 에폭시 최저 피크 온도와 범용 RT 경화 에폭시를 사용 </li></ol><img alt="그림 1" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51535/51535fig1highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51535/51535fig1.jpg" /> A. 그림 1. X-선 CT 이미지 A.이 연구에서 조사 된 짧은 축 횡단면을 묘사 주걱 규모 나노 압입 및 FTIR 사용 주걱 [A (앞쪽), P (후방), D (지느러미), V (복부)]. &lt;/ P&gt; <ol start="2"><li><ol><li> 시중에서 판매되는 플라스틱 샘플 홀더를 사용하여 32mm 직경의 샘플 금형에 생선 비늘을 잡고. 이 에폭시에 설치하는 동안 올바른 방향으로 샘플을 유지합니다. </li><li> 샘플을 금형에서 개최되면, 시료의 경화 에폭시를 부어 후 에폭시 제조업체의 지시에 따라 치료 할 수 있습니다. </li><li> 에폭시가 경화되면, 절 다이아몬드 블레이드 고정밀 절단을 사용하여 장착 샘플은 샘플의 중간 선에서 보았다. </li><li> 시편에서 모든 파편을 제거하는 15 분 동안 증류수에 초음파 처리. </li></ol></li><li> 나노 인 덴 테이션 및 FTIR 연마제 그림 2에 도시 된 바와 같이 나노 압입의 매끄러운 평면을 구하려면 다음 연마 절차 및 매개 변수는 폴리 셔 제조 및 테스트 샘플들과의 논의 결과를 바탕으로 제안된다. 그러나 파라미터는 응답에 따라 다른 생체 재료에 따라 조정해야 할 수도이러한 물질 제거율. 연마 단계 사이에 증류수 목욕의 샘플 초음파 단계를 연마 거친에서 입자를 보장하기 위해 매우 중요합니다는 후속 미세한 연마 단계에 도입되지 않습니다. </li></ol><img alt="그림 2" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51535/51535fig2highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51535/51535fig2.jpg" /> 세련된 짧은 축 횡단면 A의 그림 2. 이미지 에폭시에 장착 주걱 규모. <ol start="4"><li><ol><li> 윤활제로 15 ㎛의 SiC를 패드와 물을 거친 폴란드어 샘플까지 분 (RPM) 당 200 회전의 7 LBF와 속도의 자동 연마 헤드의 힘을 사용하여 평면이다. </li><li> 15 분 동안 증류수 욕에서 샘플을 초음파 처리. </li><li> 중급 130 rpm의 플래 튼 속도로 물 윤활제를 사용하여 6 μm의 SiC를 패드로 폴란드와 7 LBF의 힘5 분. </li><li> 15 분 동안 증류수 목욕 초음파 처리 샘플. </li><li> 130 rpm의 압반 속도 및 5 분 동안 12 LBF의 힘에서 물 윤활제를 이용하여 1 μM의 SiC 패드 폴란드어. </li><li> 15 분 동안 증류수 욕에서 샘플을 초음파 처리. </li><li> 이러한 제조업체는 50 나노 현탁액을위한 제안 고밀도 부직포, 낮은 낮잠 다공성 폴리 우레탄 적절한 연마 패드를 사용하여 50 nm의 콜로 이달 실리카 현탁액과 최종 폴란드어. 5 분 7 LBF의 힘으로 130 rpm의 속도로 폴란드어. </li><li> 15 분 동안 증류수 욕에서 샘플을 초음파 처리. </li></ol></li></ol> 2. 나노 압입 시험 <ol><li> 당 시험의 각 배치하기 전에 나노 압입 시스템을 교정 지침을 제조하고 있습니다. 교정은 Berkovich의 팁과 프레임 강성을위한 시스템의 면적 함수를 결정하는 것을 포함한다. 또한,이 단계에서 현미경 투 압자 교정을 수행들여 쓰기가 선택 현미경의 위치에 상관 관계를 확인합니다. </li><li> 나노 인 덴터에 샘플을 넣고 초점 샘플을 가지고 나노 인 덴터의 광학 현미경의 컨트롤을 사용합니다. </li><li> 첫 번째 들여 쓰기의 위치에 시료를 이동하는 소프트웨어 컨트롤을 사용합니다. 이상적으로,이 치수의 횡단면의 중심선을 따라 ganoine 층의 가장자리에서 에폭시 약 10 ㎛이다. </li><li> 수행 들여 쓰기의 4 병렬 행은 통계적으로 의미있는 데이터가이 위치에서 시작 설정 얻기 위해 떨어져 15 μm의 간격. 5 0.1 미네소타 / 초 미네소타, 로딩 및 언 로딩 속도, 30 초의 대기 시간, 그리고 각 행에 대해 5 ㎛의 최소 들여 쓰기 간격의 최대 부하에 나노 인 덴터를 설정합니다. 들여 쓰기의 행은 ganoine 표면에 직각 실행하도록 설정해야하며, EPOX에 약 10 ㎛를 통과하는 동안 들여 충분한 수의 스케일의 단면을 가로 질러 여행을 지정해야합니다뼈 층 지난 y를 입력합니다. </li><li> 배치가 완료되면, 나노 인 덴터 각각 ganoine 층 전에 뼈 층 후 에폭시이어야 첫번째와 마지막 들여 100 mN의 최대 하중으로 압흔 기점을 생성한다. 이러한 만입의 각 행에 대한 시작 및 종료 포인트에 연관. </li><li> 나노 압입 후, 상기 탈수를 방지하기 위해 PBS 용액에서 샘플을 제자리. </li><li> 시간에 관계없이 물질 반응이 관찰되면 올리버-파 방법 (13)에 기초하여 모듈러스 및 경도를 결정하는 나노 압입 소프트웨어를 사용한다. 그렇지 않으면 대기 시간은 너무 빨리 언로드 관찰 크리프를 극복하기 위해 확장 될 필요가있다. </li></ol> 3. 공간적으로 해결 된 ATR-FTIR 분광학 슬라이드에 FTIR 현미경에 부착 된 ATR 액세서리의 사용은 라의 적외선 (FTIR) 스펙트럼을 변환 공간적으로 해결 푸리에를 수집하는 하나의 제안 방법생선 비늘 샘플 yers를. ATR 액세서리는 다른 FTIR 기술로 달성 할 수없는 매우 작은 (~ 10 ㎛ 2) 공간 해상도와 높은 품질의 스펙트럼을 수집 할 수 있습니다. 같은 광택 샘플 나노 압입 실험 준비 (그림 2)이 실험에 사용되었다. <ol><li> 높은 품질의 스펙트럼이 ATR-FTIR의 spectromicroscopy에서 얻은 확인하기 위해 분석에 사용되는 FTIR 현미경에 적합한 표면 및 치수로 샘플을 선택합니다. </li><li> 데이터를 수집하기 위해 FTIR 현미경을 준비합니다. FTIR의 microspectroscopy는 샘플을 측정하는데 사용되는 바와 동일한 샘플링 조건 FTIR 신호의 보정이 필요하다. 일반적으로이 검출기를 냉각하고 안정화하기위한 시간을 허용뿐만 아니라 동일한 환경 조건 하에서 모든 배경 스펙트럼과 샘플 스펙트럼을 수집 포함한다. 이는 공기 때문에 CO 2와 수증기, 특히 중요 할 수 있습니다 Dramatically FTIR 스펙트럼에 영향을 미칩니다. 그것은 악기의 광학가 정렬되어 있는지 확인하는 것도 중요합니다. </li><li> 에 대해 샘플을 뺄 적절한 배경 스펙트럼을 수집합니다. 이 실험을 위해, 광택, 금 코팅 현미경 슬라이드는 FTIR의 spectromicroscopy의 배경으로 사용되었다. </li><li> 적절한 목표를 사용하여 샘​​플에 초점 및 분석을위한 관심 영역을 선택합니다. </li><li> 관심의 영역이 발견되면, FTIR 현미경 목적에 ATR 액세서리를 부착는 ATR 내부 반사 요소와 친밀한 접촉 할 때까지 샘플을 높여 샘플 스펙트럼을 수집합니다. </li><li> FTIR 스펙트럼을 수집 한 후, 필요한 표준 데이터 처리를 수행 할 필요. </li></ol> 4. X-선 컴퓨터 단층 촬영 (CT) <ol><li> 확보 및 1.1 절에서 논의 된 바와 같이 스케일을 준비 </li><li> 스캐너 설정 <ol><li> 제조업체의 사양에 따라 예열 X-ray 소스. </li><li> 세트 X-선 전압 각각 50 kV의 160 μA, 전류. </li><li> 1,450 밀리 초 노출 시간을 설정합니다. </li><li> 1.0 mm 알루미늄 필터를 선택합니다. </li><li> X-ray 소스가 꺼져 (다크 필드) 및 (시야)의 경우로드하기 전에 샘플로, 플랫 필드 보정을합니다. </li></ol></li><li> 마운트 및로드 표본 그들이 이동하거나 스캔의 길이에 걸쳐 이동하지 않도록 저울 방식으로 장착해야합니다. 이 샘플은 X-선에 거의 투명 재료를 사용하여 장착해야합니다. 스티로폼과 파라 필름의 조합은 CT 단계로 치수를 확보 할 수있다. <ol><li> 최장 치수가 검출기에 평행하도록 견고 샘플 마운트. </li><li> 스캐너 단계에 탑재 된 샘플을 고정합니다. </li><li> 이 검사를 통해 회전의 중심에있을 수 있도록 샘플을 놓습니다. </li><li> 이 경우의 전체 치수는 뷰 (FOV)의 필드에있을 수 있도록 가장 높은 해상도를 선택7.5 μm의. </li></ol></li><li> 취득 설정 0.25 °의 회전 단계와 (15)의 프레임 평균화 값이 연구에서 검사를 수행한다. 낮은 해상도가 허용되는 경우에, 스텝 크기를 증가 및 / 또는 전체 검색 시간을 줄이기 위해 평균 프레임을 감소시킨다. </li><li> 재건 매개 변수 데이터 세트가 얻어지면, 단면 영상을 포함하는 데이터 세트를 생성하기 위해 X-선 투사 화상을 재구성. 다음을 제외하고 SKYSCAN의 NRecon 소프트웨어의 기본 설정을 선택합니다. <ol><li> (20) 반지 이슈 보정을 변경합니다. </li><li> 25 % 빔 경화 보정을 변경합니다. </li><li> 단면 이미지의 수준을 확인하기 위해 CS 정적 회전을 조정합니다. </li></ol></li><li> 이미지 처리 최종 3D 그레이 스케일 이미지를 얻을 SKYSCAN의 CTAN 소프트웨어를 사용합니다. 스티로폼과 파라 필름에서 아티팩트를 제거하기 위해 적절한 수준의 그레이 스케일 범위를 조정합니다. </li></ol> 나노 압입하고 micro-/nano-structure 특성화 연마함으로써 제조 시험편은 주사 전자 현미경 (SEM)을 이용하여 조사 하였다. 저 진공 모드는 시험편의 탈수 및 전도성 코팅의 적용에 대한 필요성을 최소화하는 데에 이용 하였다. 로컬 화학적 분석은 에너지 분산 X 선 분광법 (EDX)을 사용하여 SEM 이미징과 함께 연마 시편에 수행 하였다. EDX 분석은 화학적 및 기계적 특성 간의 상관 관계를 제공하기 위해 나노 압입에 의해 분석 한 동일한 줄 / 그리드에서 수행 하였다. 갓 골절 표면은 물고기의 비늘에 존재 biomineralized 구조의 형태와 방향에 대한 더 나은 정보를 제공하기 위해 SEM으로 관찰 하였다. 골절 된 표면에 나노 크기 구조물의 관찰 용 해상도를 개선하기 위해, 표본 스퍼터 금 (Au)으로 코팅하고 고진공 모드로 이미지화 하였다. 다음사용 절차에 대한 자세한 정보를 제공합니다. <ol><li> 광택 표면의 SEM 이미징 <ol><li> SEM 챔버로 연마 표본을 놓고 0.1-0.5 밀리바의 챔버 압력과 낮은 진공 모드로 실을 펌프. </li><li> 약 5.0 mm의 작동 거리를 조정합니다. </li><li> 고전압 (HV)를 활성화하고 ganoine과 뼈 하위 계층 또는 관심의 다른 영역 사이의 전이 영역을 포함 표본에 대한 관심의 영역으로 이동합니다. </li><li> 15 kV의의 HV 약 3.9 nA의 빔 전류에서 이미지를 가져옵니다. </li><li> 이미지에 초점을 맞춰 필요한 모든 정렬과 stigmation 조정을 수행합니다. </li><li> 관련 배율 (일반적으로 250X 10,000 X) 다공성 뼈 대 biomineral 내용과 밀도의 변화 (즉, 밀도 뼈의 식별을 돕기 위해 낮은 진공 후방 산란 전자 (BSE) 검출기를 사용에 관심 적어도 세 영역에서 이미지를 캡처 ). </li></ol></li><li> 골절 표면의 SEM 영상 <ol><li> 골절면이 위를 향하도록 양면 카본 테이프를 사용하여 90 ° SEM 스텁에 갓 골절 표본을 붙입니다. </li><li> 파 단면에 서브 ㎚ 두께의 도전 층을 제공하기 위해 금으로 코팅 스퍼터. </li><li> SEM 챔버에 시료를 놓고 높은 진공 모드로 실을 펌프. </li><li> 3.0 내지 5.0 mm의 작동 거리를 조정합니다. </li><li> HV 활성화 및 표본에 대한 관심 영역으로 이동합니다. 이 경우에 대한 관심의 주요 지역은 ganoine과 뼈 레이어 구조의 존재. </li><li> 5 kV의 15 kV의의 HV 0.24 해상도를 개선하는 nA의 낮은 빔 전류 사이에서 이미지를 가져옵니다. </li><li> 처음 표본을 집중하고 예비 정렬을 수행합니다. </li><li> 침수 / 초 고해상도 (UHR) 렌즈에 정상 전계 방출 렌즈에서보다 큰 5,000 X 및 스위치 증가 배율을. </li><li> UHR 정렬 및 stigmation 조정을 수행합니다. </li><li> 적어도 세 지역 O에서 이미지를 캡처관련 배율에서 F의 관심은 (일반적으로 5,000 X X 25에) 차 전자 (SE) 모드에서 작동 렌즈 검출기 (TLD)를 사용. </li></ol></li><li> (SEM 영상과 함께 수행) 광택 표면의 EDX 분석. 이들 파라미터는 모저 (14)에 의해 논의 된 바와 같이 이렇게 EDX 상호 작용 부피는 나노 압입 상호 작용 부피와 크기가 유사하다 물질 의존하고 조정해야한다. <ol><li> 들여 쓰기의 각 줄의 끝에서 기준 마크가 표시된 나노 압입 그리드를 포함 연마 표본에 대한 관심의 영역으로 이동합니다. </li><li> HV는 최소 15 kV의 있는지 확인, 빔 전류는 최소 3.9 nA의이며, 작동 거리가 5.0 mm보다 크다. </li><li> EDX를 사용하여 분석 할 수있는 지역의 BSE 이미지를 캡처합니다. </li><li> EDX 분석 소프트웨어를 사용하여 압흔의 선을 따라 화학 분석을 수행 할 영역을 찾는 데 도움이되는 동일한 이미지를 캡처. </li><li> &quot;선 분석&quot;기법, 포를 사용하여첫 번째 들여 쓰기의 처음부터 마지막​​ 들여 쓰기에서 끝나는 들여 쓰기의 관심의 라인을 따라 화학 분석을 수행 할 수있는 라인을 구성비. </li><li> 라인을 따라 배치되는 분석 지점의 수를 지정합니다. 그것은 화학 성분과 기계적 특성 사이의 직접적인 공간적 상관 관계를 제공하게 존재하는 분석 포인트와 압흔의 동일한 번호를 사용하는 것이 최선이다. </li><li> 라인이 정확하게 위치 및 장소가 지정되면, EDX 소프트웨어를 사용하여 선 분석을 개시. </li><li> 라인 분석이 완료되면, 시료의 연마면에 지정된 라인을 따라 얻어진 포인트 스펙트럼으로부터 정량의 관심 요소를 식별. </li><li> 그 요소가 식별되면, 제동 복사 방사선 및 기타 효과를 설명하는 배경 보정을 수행합니다. </li><li> 콴하기 위해 지정된 라인을 따라 각 지점에 대한 정량 분석​​을 얻기 위해 소프트웨어의 디컨 볼 루션 분석 옵션을 선택각 지점에서 화학적 조성물을 tify. </li><li> 나노 인 덴 테이션을 사용하여 측정 기계적 특성과 공간 상관을 돕기 위해 분석 하였다 지정된 라인의 화상과 함께 정량적 화학 분석 결과를 저장. </li></ol></li></ol>

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	<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>

저자가 공개하는 게 없다.

보기의 실험 점에서, 연구진은 의존하는 이전의 연구는 광물 물고기 비늘의 기계적 성질을 보여 주었다 때문에 자연스럽게 물고기 규모의 공간 위치를보고, 같은 광물 물고기 비늘 같은 생물학적 물질을 발생하는 작업을 할 때하는 것이 중요하다는 것을 기억해야합니다 어디에 비늘은 물고기 4에 위치했다. 광물 생물학적 물질의 기계적 특성은 시료 (4)의 수화 상태에 의존하는 것으로 밝혀졌다. 제대로 건조 화석 샘플을 사용하는 열린 문학에 발표 결과에 수화 된 신선한 샘플을 비교하려고 할 때이 기술의 유용성을 제한한다. 따라서, 장기간 시험 시간은 나노 압입시 샘플의 기계적 특성에 대한 탈수의 효과를 최소화하기 위해 회피 할 필요가있다. 물질의 비 파일럿 연구 경험을 보장하는 것이 좋습니다, 표준 런타임은 재료의 기계적 동작을 변경할 수있을만큼 최소한의 것입니다. 습식 전지는 나노 압입 테스트 장비가 허용하는 경우 물질의 일정한 수화 상태를 유지하는 바람직한 방법이 될 것이다. 하적 곡선으로부터 탄성 계수를 계산 본 연구에 사용 된 나노 압입 방법은, 재료가 선형 탄성 등방성 재료로서 동작 가정한다. 기술 덴터 팁의 다양한 함께 사용될 수있다. 그러나, 65.35 °의 절반 각도 세 양면 베르 코 비치의 팁은이 연구에서 사용되었다. 이러한 큐브 코너 (반각 = 35.36 °)와 같은 대체 조건이 원고에 제시된 절차에 적합하지만, 큐브 코너 팁 Berkovich의 팁 균열보다 예각 때문에 훨씬 낮은 부하와보다 샘플에서 생성 될 수있다 베르 코 비치의 끝. 연마 최소화 계면와 부드럽고 평평한 표면을 얻기 위해 필수적인 단계입니다E 조도는 나노 압입 결과에 영향을 미치지 않는 것을 확인한다. 이 논문에서 제시 폴리싱 단계는 사용되는 광택제의 종류에 따라 수정해야 제안 절차이다. 그러나, 나노 압입 정확한 데이터를 보장하기 위해 중요한 단계는 표면 조도를 최소화하고,이 특정 물질에 대해 50 nm의 최종 폴란드어는 프로빙되는 압입 깊이에서 매끄러운 평탄면을 구하는 것이 필요 하였다 있다는 것이다. 들여 쓰기의 간격은 이전의 들여 쓰기에서 발생하는 물질 변형에 의해 영향을받지 않는다 정확한 나노 압입 데이터를 보장합니다. 이 연구에서 장비 나노 인 덴터 사용자 설명서는 들여 쓰기 간격 베르 코 비치의 최대 침투 깊이가 15 인덴 적어도 20-30X해야한다고 제안했다. 다른 재료의 경우, 요구되는 오목 공간은 개방 이전에 논의 된 바와 같이 부하 하중과 최대 압입 깊이에 기초하여 결정해야 할 것이다문학 (16, 17). 또한,이 물질의 유지 시간은 사용되는 나노 인 덴터 소프트웨어의 올리버 - 파 분석 방법을 탐색 할 수 있도록 다른 소재 단계에서 관찰하는 크리프을 극복하기 위해 선택되었다. 그러나 오이 엔 (18)에 의해 논의 된 바와 같이 다른 분석 방법은 시간에 따른 재료의 응답이 적절한 대기 시간을 극복 할 수 없습니다 생물학적 물질을 사용할 수 있습니다. X 선 CT에서 고해상도 결과를 달성하기 위해, 여러 설정이 최적화되어야한다. 이 논문은 고유 한 크기와 층 두께의 생선 비늘에서 사용하기 위해 매개 변수의 매우 구체적인 세트를 설명합니다. 다양한 샘플 크기,이 설정은 최고 품질의 데이터 집합을 얻기 위해 조정해야합니다. 각 매개 변수를 선택하는 과정이 명확하게 기계를 사용하지와 함께 제공되는 사용 설명서에 정의되어야한다. 스캔 설정 (전압, 전류, 노출, 필터 선택) 및 복원 설정(링 유물, 빔 경화)는 다른 샘플 크기와 형상의 다양한 수용하기 위해 수정해야 할 수도 있습니다. X 선 CT는 스케일이 서로 중첩되지 않은 단지 재료의 골질 피복층 ganoine 층을 식별하는 전체 스케일 형태의 이미지를 제공 하였다. X 선 CT 이미징 또한 ganoine 층이 불균일 한 스케일에 걸쳐 두께 및 완전히 ganoine 층 부족에도 전시 피트 이루어져 있는지 확인 하였다. 흥미롭게도, 공간적으로 SEM / EDX 화학 분석에 상관 나노 압입 데이터 대신 P.의 광물 물고기 비늘 관찰 점차적 인 전환의 2 층 사이에 날카로운 개별 전환을 확인 senagalus (Bruet 등. 2). 나노 압입의 조합, FTIR, EDX, 그리고 SEM 확인하는 기계적 특성, 화학적 분석 및 구조 정보를 제공에나멜과 같은 형태와 궁합 ganoine과 외부 층. 또한, 이들 기술은 재료의 골질 층으로서 내층을 확인했다. 결론적으로, 본 연구에서 제시된 방법은 A.의 광물 생선 비늘을 검사하는 절차와 해당 결과를 확인 나노 구조 및 화학 성분에 이르기까지 대부분의 구조에서 주걱.

연구진은 구조 생체 적합 물질을 조사하고 더 높은 인성 및 개별 성분에 비해 강도 향상된 기계적 특성과 구조 생체 적합 물질을 제공하는 설계 원칙을 설명하기 위해 노력하고 있습니다. 용 장갑 물고기 비늘의 설계 원리에 대한 연구 Pagrus 주요 7, Polypterus senagalus 2,6, Arapaima의 gigas의 3, Cyprinus의 카르 피오 (4), Atractosteus 주걱 (1) 구조 반응을 연구하기 위해 기존의 실험 방법의 적용을 확대 할 필요성을 증명하고있다 및 미세 특성, 상세한 표준 절차 재료와 실험의 이러한 유형을 사용할 수 없습니다 때문입니다. 논의 된 다른 장갑 물고기 비늘 중, A. 주걱은 중앙 미국 8의 역사적 정점 육식 동물이며, 최고를 가진 종입니다LY 광물 비늘. 피부 질량 종 교환 근육 질량은 이전에 언급 한 9 유사한 크기의 물고기에 비해 개선 된 포식자 방어 시스템을 얻었다. 페이지 및 버 (10), A.에 따르면, 헤라 화이트 철갑 상어 (Acipenser의 transmontanus) 큰 종되는 대서양 철갑 상어 (Acipenser의 oxyrhynchus)과 북미에서 세 번째로 큰 민물 고기입니다. A.의 높은 광물 물고기 비늘 주걱은 최근에 연구되고있다. 톰슨 된 McCune 11 갈치 비늘 형태학 ganoine 외층, 미만성 뼈 층 및 층상 뼈 층으로 이루어진 3 층 조성물을 제안했다. A.에 대한 현재의 연구 주걱 저울 확산 또는 층상 골 지역에 뼈 층을 구별하지 않은,하지만 단지 하나의 내부 층 1,12로 뼈 영역을 공부했다. 본 연구에서의 절차미세 구조물, 나노 구조체, 화학 조성, 및 A.의 스케일의 기계적 특성의 공간적인 분포를 갖게되는 주걱 FTIR 분광법의 결과에 기초하여, SEM, X-선 CT, 및 나노 인 덴 테이션 기술들이 제시된다.

<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

이러한 광물 물고기 비늘, 복족류 껍질, 숫양의 뿔, 사슴 뿔, 거북이 껍질로 보호 생물학적 물질의 계층 구조는 미래에 보호 재료 및 시스템의 설계를 안내하기위한 잠재력을 가진 독특한 디자인의 원리를 제공한다. 실패가 시작하는 마이크로 및 나노에이 물질 시스템의 구조 - 특성 관계를 이해하는 것은 필수적이다. 현재, 이러한 나노 압입, X-선 CT, 및 SEM 등 실험적인 기술은 이러한 재료 시스템 1-6의 계층 적 미세 구조와 기계적 행동의 상관 관계를하는 방법으로 연구자를 제공합니다. 그러나 광물 생체 적합 물질의 시료 준비를위한 잘 정의 된 표준 절차는 현재 사용할 수 없습니다. 본 연구에서는, 공간적 상관 화학, 구조, 및 A.의 다층 규모의 기계적 특성을 프로빙 방법 주걱 나노 압입을 사용하여,와 FTIR, SEM, ENERGY 분산 형 X-선 (EDX) 미량 분석 및 X-선 CT가 제공됩니다.

그림 3은 약 800 μm의 긴 단축 횡단면에 걸쳐 실시 공간적 상관 nanoinidentation / SEM / EDX 분석의 평균 결과를 보여줍니다. 약 60 μm의 두께 ganoine 층에서, 나노 인 덴터는 69.0 GPa의 3.3 GPa의 경도의 평균 계수를 계산. 나노 인 덴터는 약 740 μm의 두께 골 층 0.5 GPa의 14.3 GPa의 경도의 평균 계수를 결정했다. EDX는 탄소, 산소, 칼슘, 일반적으로 광물 비늘에서 발견되는 인을 결정했다. 그러나, ganoine 뼈 층은 화학 성분의 정량의 차이가 포함되어 있습니다. 뼈 층에서 관찰 된 탄소 스파이크 그 영역도 BSE 화상의 전체적인 밝기의 감소를 관찰 인한 탄소의 약간의 증가가 발생하는 등 매우 광물 없다는에 기인 할 수있다. 특히, ganoine 층 &#39;;의이 칼슘의 원자 농도의 비율을 의미 : 1.71의 P는 1.67의 이론적 인 비율로 히드 록 유사 나타났다. 뼈 층의 평균 캘리포니아 : P 비율 ganoine 층으로부터 광물의 양의 감소를 나타내는 1.51로 감소. 뼈 계층과 ganoine 계층에 대한 그림 4의 FTIR 스펙트럼은 아미드, 카르 복실, 인산, 카르 보닐 같은 주요 기능 그룹을 확인했다. 특히, FTIR은 내부 (뼈) 층의 외부 (ganoine) 층과 콜라겐 서명에 하이드 록시 아파타이트 서명의 시각적 관찰을 확인했다. 3,500-3,000 cm -1 인해 1,550 1,500 ㎝ -1 사이 NH 스트레칭과 NH 굽힘에의 봉우리 뼈 층에있는 아미드 그룹을 나타냅니다. 파수 1,470-1,365 cm의 지역에서 봉우리 아미드 치환 된 알킬 그룹을 나타냅니다 -1. 또한, 1,641cm 스트레칭 독특한 C는 = O -1 골 층에서 관찰되었다. 완두콩3,000-2,500 cm -1에서 KS는 카르 복실 그룹을 나타냅니다. 뼈와 ganoine 두 층 &#39;스펙트럼은 1,079.33 cm -1 인산 스트레칭을 나타내는 인근의 독특한 피크를 생산. 도 5의 X-선 CT 이미징은 ganoine 층 비늘이 서로 겹치지 뼈 층을 커버하지 않는 것을 포착. 어두운 회색 뼈 층은 밀도가 낮은 덜 뻣뻣한 단계를 표시하면서 밝은 회색 ganoine 층은 밀도가 단단하고 엄격한 단계를 나타냅니다. 또한, X 선 CT 이미징은 ganoine 층 두께의 불균일성을 식별 주었. 사실, 명확 피트는 모든 뼈 층을 포함하지 않는 ganoine 층의 중앙 부근에 관찰된다. H 3 PO 4 에칭 파 단면의 그림 6A의 SEM 이미지는 ganoine 층의 적층 패턴으로 구성된 나노 구조를 공개했다. 이 나노 조직구조 ganoine 영역에 대한 FTIR로부터 얻어진 수산화 인회석 서명 상관 관계. 도 6a는 깨끗이.도 6b는 H 3 PO 4로 에칭 후의 파 단면의 고배율 SEM 이미지를 표현 점선으로 ganoine 뼈 층 사이의 전환을 식별 파 단면의 전형적인 저배율 SEM 현미경 사진을 도시한다. 섬유 형상의 나노 구조체는 뼈 층에서 관찰되는 동안 에칭 후, 아우터 ganoine 층의 배향 나노 막대가 명확하게 식별한다. <img alt="그림 3" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51535/51535fig3highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51535/51535fig3.jpg" /> 그림 3. 계수 및 공간적 SEM / EDX의 화학 성분에 상관 나노 압입 경도가 데이터입니다. <p class="jove_content" fo:keep-together.within 페이지 = &quot;항상&quot;&gt; <img alt="그림 4" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51535/51535fig4highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51535/51535fig4.jpg" /> 그림 4. 층 (뼈) (ganoine) 외부 및 내부에서 수집 FTIR 스펙트럼. <img alt="그림 5" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51535/51535fig5highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51535/51535fig5.jpg" /> 그림 5. X-선 외부 (ganoine)에 피팅을 보여주는 CT 이미지 내부 (뼈) 층을 포함하는 층. <img alt="그림 6" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51535/51535fig6highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51535/51535fig6.jpg" /> 그림 6. 일반적인 골절 표면의 (A) 낮은 배율 SEM 이미지, (B) 외부 (ganoine)의 나노 막대의 높은 배율 이미지와 내부 (B의 섬유ONY) 층은 .. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51535/51535fig6highres.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>

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

이 논문은 공간적으로 상관 된 화학적 구조, 및 나노 인 덴 테이션을 사용 Atractosteus 헤라의 다층 스케일 (A. 주걱)의 기계적 특성을 프로빙을 위해 사용 방법을 제시, 푸리에 변환 적외선 (FTIR) 분광 분석, 주사 전자 현미경 (SEM) 및 X- 선 단층 촬영 (X 선 CT)을 계산. 실험 결과는 보호 생물 재료의 설계 원리를 조사하는 데 사용되었다.

다층 물고기 비늘 (의 특성<em&gt; Atractosteus 주걱</em&gt;) 나노 인 덴 테이션, X-선 CT, FTIR, 및 SEM을 사용하여

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 조회수.  U.S. Army Engineer Research and Development Center.  이 논문은 공간적으로 상관 된 화학적 구조, 및 나노 인 덴 테이션을 사용 Atractosteus 헤라의 다층 스케일 (A. 주걱)의 기계적 특성을 프로빙을 위해 사용 방법을 제시, 푸리에 변환 적외선 (FTIR) 분광 분석, 주사 전자 현미경 (SEM) 및 X- 선 단층 촬영 (X 선 CT)을 계산. 실험 결과는 보호 생물 재료의 설계 원리를 조사하는 데 사용되었다. 

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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.

엔지니어링된 심장 조직 이식 다음과 같은 면역 반응의 평가 (EHT)에 대한 Bioluminescence 이미징

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

연구

생체공학

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.

솔루션의 생물 고분자의 작은 및 와이드 앵글 X-레이 산란 연구

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.

들여 쓰기 및 인장 시험을 사용하여 인간의 부드러운 조직의 생체 역학적 특성

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.

나노 제형에도 Limulus Amoebocyte Lysate (LAL) 분석 실험을 사용 하 여

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).

인간 섬유근육 조직을 시각화하기 위해 인산화산 제제를 사용한 마이크로 X선 컴퓨터 단층 촬영 사용

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.

순차적 3D-3D 등록을 이용한 4차원 CT 분석

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.

X선 특이적 염색 방법 및 나노스코픽 컴퓨터 단층 촬영을 사용한 연조직 시료의 3D 이미징

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.

뇌종양 수술 계획을 위한 초음파 및 엑스레이 대비를 가진 환자 특정 폴리비닐 알콜 팬텀 제조

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.

연질 물질 나노인덴테이션을 위한 실험 및 데이터 분석 워크플로우

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.