Um protocolo para Bioinspirada Projeto: Um Sampler terra Baseado em Sea Urchin Jaws

Resumo

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.

Resumo

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.

Introdução

Os campos da biologia, ciência dos materiais biológicos, biomateriais, bioengenharia e bioquímica empregar as técnicas científicas de estréia e mentes em uma tentativa de fornecer uma compreensão mais profunda da incrível mundo natural. Esta pesquisa tem explicado muitas das estruturas biológicas mais surpreendentes e organismos; da resistência intrínseca do osso humano ^1,2 ao grande bico do tucano ^3. No entanto, grande parte desse conhecimento é difícil empregar de um modo que pode fornecer um benefício para a sociedade. Como resultado, o campo tangencial do Bioinspiration emprega as lições aprendidas com a natureza para materiais modernos, a fim de resolver problemas comuns. Exemplos incluem superfícies hidrofóbicas inspirados em folhas de lótus ^4-6, superfícies adesivas inspirados pelos pés de lagartixas e insectos ^7,8, cerâmica difíceis inspirados pelo nácar de abalone ^9-11 e colheitadeiras biópsia inspirados pelo bocal do ouriço-do-mar, também conhecern como lanterna de Aristóteles ^12,13.

ouriços-do-mar são animais invertebrados cobertas com espinhos cujo habitat mais comum consiste nas camas rochosos no fundo do oceano. O corpo (chamado de teste) em espécie a maior Urchin pode ser superior a 18 cm de diâmetro; tamanho de teste em ouriços do mar-de-rosa (Strongylocentrotus fragilis) examinou neste estudo pode crescer até 10 cm de diâmetro. Lanterna de Aristóteles é composto por cinco dentes de carbonato de cálcio predominantemente suportados por estruturas em pirâmide compostas de tecido mineralizado e arranjados em uma formação de cúpula como que encerram todos, mas as dicas de moagem distais dos dentes (Figura 1A).

A estrutura muscular dos maxilares é capaz de mastigação eficiente e raspagem mesmo contra rochas do oceano duros e corais. Quando as mandíbulas abertas, os dentes se projetam para fora e quando as maxilas de perto, os dentes retrair para dentro em um único movimento suave. Comparação entre primitive (acima) e modernos (abaixo) dente ouriço do mar secções transversais (Figura 1B) indica que um dente keeled evoluiu para fortalecer o dente quando moagem contra substratos rígidos. Cada dente indivíduo tem uma curvatura ligeiramente convexa e uma morfologia em forma de T no plano transversal (perpendicular à direcção do crescimento) devido à quilha longitudinal ligado (Figura 1C, D).

Bioinspiration começa com a observação de fenómenos naturais interessantes, como o movimento de mastigação eficiente da lanterna de Aristóteles em ouriços do mar. Esta estrutura natural inicialmente cativado Aristóteles porque o lembrava de uma lanterna de chifre com os painéis de chifre deixado de fora. Mais de dois milênios depois, Scarpa era fascinado pela complexidade da lanterna de Aristóteles que ele e mais tarde Trogu imitou o movimento de mastigação natural, usando apenas papel e faixas de borracha (Figura 2A) ^15,16. Da mesma forma, Jelinek foi bioinspirado pelo chewing movimento da lanterna de Aristóteles e desenvolveu uma melhor harvester biópsia que pode isolar com segurança tecido tumoral sem espalhar as células cancerosas (Figura 2B, C) ^​​12,13. Neste caso, de criação bioinspirado foi utilizada para fazer um dispositivo biomédico que se encaixam uma necessidade específica para uma aplicação desejada.

O protocolo projeto descrito aqui se aplica a um amostrador de sedimentos bioinspirado por ouriços do mar. Através da ciência de materiais biológicos, a estrutura natural da lanterna de Aristóteles é caracterizado. desenho Bioinspirada identifica potenciais aplicações em que os mecanismos naturais podem ser melhorados através do uso de materiais e técnicas modernas de fabricação. O desenho final é re-examinada pelo prisma da bioexploration para entender como a estrutura natural do dente evoluiu (Figura 3). O último passo bioexploration, proposto por Porter ^17,18, usa métodos de análise de engenharia para eXplore e explicar fenômenos biológicos. Todos as etapas importantes do processo Bioinspiration são apresentados como um exemplo para o aproveitamento da tecnologia, pré-aprovada por natureza, que pode ser usado para a resolução de problemas modernos. Nosso protocolo, motivado por procedimentos Bioinspiration anteriores apresentados para aplicações específicas por Arzt _^7, é voltado para biólogos, engenheiros e qualquer outra pessoa que é inspirado na natureza.

Protocolo

1. Biológica Ciência dos Materiais

1. Use equipamento de proteção individual (ou seja, luvas, óculos de segurança e revestimento do laboratório) e seguir todos os procedimentos de segurança aplicáveis ​​para a utilização de ferramentas de dissecação.
2. Enxaguar a pinça e bisturi com água destilada a ser usado para dissecção.
3. Descongelar um ouriço-do-mar-de-rosa congelado à temperatura ambiente por 1 hora. Coloque uma amostra descongelados em um prato de vidro com espaço suficiente para ser capaz de manobrar as ferramentas de ouriço e corte. Vire o ouriço-do-cabeça para baixo para que as pontas dos dentes voltados para cima.
   1. Corte o tecido conjuntivo em torno do perímetro da lanterna de Aristóteles com o bisturi e com cuidado levante a lanterna. Lavar a lanterna fora com água corrente destilada. Descarte peças de ouriço não utilizados em um recipiente adequado de eliminação de resíduos.
   2. Vire a lanterna do Aristotle de novo assim que as pontas dos dentes face para baixo. Localizar o fim plúmula de cada dente (em frente à ponta) voltado para cima e usar a pinça para cuidartotalmente deslizar para fora dentes individuais da lanterna.
4. Prepare epóxi para pot os dentes. Pesar 5 g de resina e adicionar 1,15 g de endurecedor (por exemplo, 100 partes de resina para 23 partes de endurecedor em peso) num tabuleiro de plástico descartável raso. Misturar o conteúdo juntos lentamente sem a formação de bolhas.
   Nota: Não deixe epoxy restante misturado em um recipiente com exposição insuficiente para a atmosfera. O processo de cura é exotérmica e pode incendiar materiais inflamáveis ​​nas proximidades. Manter qualquer epoxy restos misturados em um exaustor bem ventilado e longe de produtos inflamáveis.
   1. Lubrifique um tubo de 2,5 dram de plástico (diâmetro interno de 22 mm, 39 mm de comprimento) usando vaselina aplicada com um dedo e limpe o excesso com um lenço de papel. Encha até a metade do tubo com epóxi misto.
   2. Use a pinça para pegar um dente e cuidadosamente submergi-lo na epoxy com o lado côncavo curvo virado para cima. Deixe a cura epoxi à TA durante 24 h.
      Nota: Evitar a ponta do dente de drifting para tocara parede do tubo de plástico como as curas epóxi desde Isso fará com que o polimento a ponta mais difícil.
5. Coloque o tubo de plástico com epóxi curado em um torno. Apertar o torno lentamente até uma fissura está feita no tubo de plástico. Descascar plástico residual da superfície de epóxi.
   1. Usar um corte serra para cortar o epóxi em torno do dente para baixo para um bloco mais pequeno (1 ^cm3).
6. Prepare uma área limpa para polimento e configurar uma estação de trabalho plana com uma placa de plástico duro. Encha uma garrafa de esguicho com água destilada.
   1. Comece com o menor lixa disponível (por exemplo, 120) e apertar uma pequena quantidade de água a partir da garrafa de lavagem sobre a lixa. Usando uma leve pressão, esfregar a amostra em uma frente e para trás direção (por exemplo, esquerda-direita) durante 5 min.
   2. Lavar a superfície da amostra sobre uma pia e limpe com um pano livre de partículas. Remova qualquer lixa restante com ar comprimido por 15 s.
   3. Use progressivamente maior lixa (por exemplo, 600 e 2.400) para repetir protocolo passos 1.6.1 e 1.6.2. Usando uma leve pressão, esfregue a amostra em uma frente e para trás direção perpendicular à etapa polonês anterior (por exemplo, de cima para baixo, da esquerda para a direita).
      Nota: Use um microscópio de luz com ampliação de 20x para ver marcas de arranhões perpendiculares cruzam com cada nível grit (por exemplo, 120, 600, 2400). Mover para a próxima maior lixa quando marcas de arranhões a partir do nível grit anterior desaparecer.
   4. Prepare uma garrafa de esguicho com 3 mm de suspensão de polimento de diamantes em uma solução 1: água destilada 1. Use um pano polonês para suspensões de diamante para repetir protocolo passos 1.6.1 e 1.6.2.
   5. Prepara-se uma garrafa de esguicho com 0,5 mícrons suspensão de polimento de alumina numa solução 1: 1 de água destilada. Use uma superfície microcloth polimento para repetir protocolo passos 1.6.1 e 1.6.2.
      Nota: marcas de arranhões multa de protocolo passos 1.6.4 e 1.6.5 não será visible com ampliação de 20x. Para essas etapas protocolo, polimento por 5 min em um movimento de vaivém para remover todos os arranhões anteriores.
   6. Limpe a superfície polida com o tecido livre de partículas de água destilada e uso com ar comprimido para cuidadosamente seca. Enrole com o tecido livre de partículas para manter espelho acabamento polido.
      Nota: Seque todas as superfícies de polimento de bruços sobre grandes tecidos livres de partículas. Armazenar em uma luva plástica para evitar partículas de poeira que se estabelecem na superfície entre os tempos de polimento.
7. Caracterizar a microscopia eletrônica de varredura ouriço do mar dente microestrutura utilizando (SEM). Usar um revestidor por crepitação de irídio por pulverização catódica com uma corrente de 85 mA a deposição durante 10 seg sobre a superfície do dente polido para uma espessura de revestimento de ~ 20 nm.
   1. Obter imagens de micrografia a 250X - 4,000X ampliação usando um SEM.
      Nota: O uso de 5 kV no modo de varrimento electrónico (SE) e 15 kV no modo de electrões dispersos-volta (BSE). Use o modo de BSE para identificar calcite lorotaERS intercaladas com matriz policristalino enriqueceram-Mg.
8. Execute tomografia computadorizada-micro (μ-CT) scans de um ouriço-do-mar-de-rosa todo e um recém-dissecados lanterna de Aristóteles. Posicione cada amostra descongelado dentro do recipiente câmara fechada com um lenço umedecido para proporcionar um ambiente umidificado durante a digitalização.
   1. Digitalizar todo o ouriço e lanterna de Aristóteles por μ-CT com um tamanho voxel isotrópico de 36,00 mm e 9,06 mm, respectivamente. Aplicar um potencial elétrico de 100 kVp e 70 kVp com corrente de 100 mA e 141 mA, para todo o ouriço e lanterna de Aristóteles, respectivamente, utilizando um filtro de alumínio 1,0 mm para ambos.
   2. Aplicar um algoritmo de correção de endurecimento do feixe durante a reconstrução de imagem para explicar artefatos endurecimento do feixe que resultam da fonte de raios-x μ-CT emissor de raios-x de várias energias usando o protocolo do fabricante.
9. Use software de imagem para refinar imasegmentação ge e adquirir um modelo de malha de triângulos para a estrutura lanterna do Aristóteles.
   1. De carga e pré-visualização de dados de imagem lanterna de Aristóteles da verificação μ-CT. Corresponder ao tamanho do voxel (9,06 mm) para os valores da verificação micro-CT.
   2. Use uma função de processamento de volume para visualizar lanterna de Aristóteles no espaço 3D. Ajustar a fatia ortogonal em 2D com o módulo de caixa delimitadora e ajustar o valor limite / cor com o módulo de Volume Rendering.
   3. Faça segmentos de máscara para a região de interesse (por exemplo, dente ouriço do mar) usando o editor de segmentação. Selecione XY, YZ e planos XZ e a visualização em 3D isométrico. Use a varinha mágica (seta preta) para distinguir entre estruturas simples (dente vs. pirâmide) na lanterna do Aristóteles.
   4. Reconstruir o modelo de superfície dos segmentos de máscara extraídos. Selecione o módulo de geração de superfícies e aplicar. Desmarque o volume Rendering Configurações de ter a superfície superior visível desaparecer. Adicione oVer módulo de superfície para exibir o resultado superfície.
   5. Simplificar a superfície modelo, reduzindo o número de faces para <18000.
   6. Edit Mesh triângulo indivíduo na superfície do modelo, conforme necessário. Salve o modelo como um arquivo de estereolitografia (STL) para exportar para usar com o software de design (CAD) de modelagem assistida por computador.

2. Bioinspirada projeto

1. Use a lanterna do Aristotle da verificação micro-CT como referência para fazer um projeto bioinspirado com software de modelagem CAD.
   Nota: O design bioinspirado tem cinco dentes curvos com altura de 6 cm e diâmetro de 8 cm para a lanterna fechada. Ele está escalado para cima ~ 5x do tamanho da lanterna de Aristóteles natural.
2. Salve as partes do arquivo STL para uma unidade flash e enviar os arquivos para uma modelagem por fusão e deposição (FDM) impressora 3D.
   1. cartuchos de material de estireno carga de acrilonitrila-butadieno (ABS) de plástico e de plástico suporte nas ranhuras apropriadas do 3D printer.
   2. Insira a base de modelagem na plataforma Z e alinhe as guias com ranhuras na bandeja de metal.
   3. Abra cada uma das partes do arquivo STL e siga os passos de tela de exibição para imprimir todas as partes lanterna ao mesmo tempo.
      Nota: partes da lanterna deve caber dentro do invólucro do edifício (25 x 25 x 30 ^cm3) para a impressora 3D. Todos os cinco dentes estão dispostos na base de modelação e impresso em simultâneo com a ponta do dente virado para cima. A taxa de construção é de 16 ^cm3 por hora eo tempo total de construção é de aproximadamente 8 horas.
   4. Solte a base de modelagem das abas quando todas as partes de arquivos são impressos e deslize a base para fora da impressora 3D ao longo das guias da bandeja.
   5. Use uma espátula de metal para erguer todas as partes fora da base e um arquivo de metal para desgastar qualquer plástico adicionais instalados nas peças.
   6. Coloque as peças impressas em um banho base aquecida até dissolver o material de suporte de plástico.
3. Fixe cada dente a um braço de articulação com um lihaste NK e dois anéis de retenção E em ambos os lados.
   Nota: Consulte a Figura 6 para a montagem da lanterna do bioinspirado de Aristóteles.

3. Bioexploration

1. Use o arquivo CAD para o dente bioinspirado para fazer um elemento de modelagem finitos (FEM) teste de análise de stress.
   1. Abra o arquivo (xx.sldprt) para fazer uma análise mais aprofundada de engenharia. Acima da guia "Produtos de Escritório", selecione o botão "SolidWorks Simulation".
   2. Acima da aba "Simulação", selecione o botão "Study Advisor" e, em seguida, a opção drop-down "Estudo de Novo".
   3. Selecione o tipo de teste de simulação para ser executado escolhendo "Static".
   4. Na lista Teste Estático, clique com o botão direito em "Chaves" e selecione "geometria fixa".
   5. Clique nas faces internas para adicionar acessórios para os furos de montagem, onde os pinos vão.
   6. Na lista Teste Estático, clique com o botão direito em "Cargas externas" e select "Force".
   7. Clique no dente moagem ponta enfrenta a aplicar 45 N de força para as bordas.
   8. Na lista Teste Estático, clique com o botão direito em "Cargas externas" e selecione "Gravity".
   9. Indicar "Plano superior" para a força da gravidade aplicada normal ao plano.
   10. Na lista Teste Estático, clique com o botão direito em "malha" e selecione "Criar malha".
   11. Mover a barra de escala para "densidade da malha" todo o caminho para a direita para "Fine".
   12. Na lista Teste Estático, clique com o botão direito em "Static" e selecione "Executar" para executar o teste.
       Nota: A barra colorida escala para áreas de maior estresse e da "Força Yield".
2. Comparar os resultados dos testes de análise de tensão para o dente bioinspirado com e sem quilha.

Resultados

projeto bioinspirado do dispositivo de amostragem lanterna de Aristóteles depende muito da qualidade dos métodos de caracterização utilizados. Técnicas não invasivas como μ-CT são úteis para a análise de toda a lanterna e os dentes individuais para aplicar melhorias específicas de aplicativos para a concepção bioinspirado (Figura 4). Enquanto isso, a microestrutura do dente pode ser explorada através de electrões secundários e electrões micrografias back...

Discussão

Ouriços do mar usar a lanterna de Aristóteles (Figura 1A) para uma variedade de funções (alimentação, chato, girar, etc.). O registro fóssil indica que a lanterna tem evoluído de forma e função a partir do tipo cidaroid mais primitivo ao tipo camarodont das modernas ouriços do mar ^14. Lanternas Cidaroid ter longitudinalmente sulcado dentes (Figura 1B, em cima) e apego não separados músculo a sua estrutura de pirâmide. Isto limita o seu movimento ascende...

Materiais

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