Os autores gostariam de agradecer o apoio financeiro para este trabalho fornecido pelo 6.1 Programa de Pesquisa do Exército dos EUA ERDC Militar de Engenharia Básica e do Centro ERDC para o Programa de Pesquisa Dirigida. Os autores também gostariam de agradecer o pessoal e as instalações do ERDC Geotecnia e Concreto e Materiais Filial da Estrutural Laboratório de apoio ao trabalho experimental. A permissão para publicar foi concedida pelo Laboratório Diretor, Geotecnia e Estruturas.

1. Fish Scale Preparação da Amostra Para este estudo, as escalas foram obtidos do Centro de Pesquisa e Desenvolvimento (ERDC) Laboratório Ambiental em meados de comprimento (29 ª coluna caudal) Engenheiro Exército dos EUA a partir de uma gar cerca de 600 mm de comprimento (A. espátula). As escamas de peixe foram obtidos de acordo com o Instituto de Saúde (NIH) diretrizes de cuidados de animais ERDC e Nacional. <ol><li> Materiais Registar a localização espacial sobre os peixes das escalas obtidas para o estudo. Certifique-se a aderir à organização adequada ou diretrizes governamentais para a obtenção de amostras biológicas, tais como as diretrizes de cuidados de animais do NIH. Armazenar as escalas em um meio adequado, tais como solução salina tamponada com fosfato de preservar e manter a hidratação do conteúdo mineral, uma vez que são removidos a partir do peixe. Evitar a armazenagem prolongada que pode resultar na perda de minerais, que podem influenciar os dados nanoindentação. Use uma escova de cerdas médias e tweezers para remover qualquer tecido mole das escalas duras. </li><li> Espécime de montagem e secção Examinando uma secção transversal do eixo curto da escama de peixe (Figura 1) com FTIR e nanoindentação requer primeiro a montagem da escala num meio dura, tal como uma epoxi de duas partes constituído por uma resina e endurecedor. Uso geral RT epóxis cura com temperaturas de pico baixo, tais como o epóxi de uso geral comercial utilizado neste estudo que teve um pico de temperatura de menos de 55 ° C. </li></ol><img alt="Figura 1" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51535/51535fig1highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51535/51535fig1.jpg" /> Imagens Figura 1. CT de raios-X de A. escala espátula representando a seção transversal do eixo curto examinadas neste estudo de A. espátula utilizando nanoindentação e FTIR [A (anterior), P (posterior), D (dorsal), V (ventral)]. &lt;/ P&gt; <ol start="2"><li><ol><li> Segure a escama de peixe em um molde de 32 milímetros de diâmetro da amostra utilizando um suporte de amostras de plástico disponíveis no mercado. Isso mantém a amostra orientada corretamente durante a montagem no epóxi. </li><li> Uma vez que a amostra é colocada no molde, derramar o epóxi não curada sobre a amostra e, em seguida, permitir que o epoxi de cura de acordo com as instruções do fabricante. </li><li> Após o epóxi é curada, a seção da amostra montado usando uma lâmina de diamante de alta precisão de corte viu na linha média da amostra. </li><li> Sonicate em água destilada por 15 min para remover qualquer resíduo da amostra. </li></ol></li><li> Polimento para Nanoindentação e FTIR Para obter uma superfície lisa e plana para nanoindentação, conforme ilustrado na Figura 2, o seguinte procedimento de polimento e os parâmetros são sugeridas a partir de discussões com o fabrico polidor e amostras de teste. No entanto, os parâmetros podem necessitar de ser ajustada para diferentes biomateriais com base nas respostastais como taxas de remoção de material. Ultra-som de amostras em um banho de água destilada entre as etapas de polimento é vital para garantir partículas mais grosseiras polimento passo não são introduzidos em um fino polimento etapa subseqüente. </li></ol><img alt="Figura 2" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51535/51535fig2highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51535/51535fig2.jpg" /> Figura 2. Imagem de um polido-eixo curto seção transversal A. escala espátula montados em epóxi. <ol start="4"><li><ol><li> Polonês grosseiro com uma almofada de 15 mm de SiC e água como lubrificante até que a amostra é plano usando a força da cabeça de polimento automático de 7 lbf e velocidade de 200 revoluções por minuto (rpm). </li><li> Sonicar a amostra em um banho de água destilada por 15 min. </li><li> Intermediário polonês com uma almofada de 6 um SiC usando lubrificante água a uma velocidade de 130 rpm cilindro e uma força de 7 lbf para5 min. </li><li> Sonicate amostra em um banho de água destilada por 15 min. </li><li> Polonês com uma almofada de 1 um SiC usando lubrificante de água a uma velocidade de rolo de 130 rpm e uma força de 7 lbf por 5 min. </li><li> Sonicar a amostra em um banho de água destilada por 15 min. </li><li> Polonês final com um nm suspensão sílica coloidal 50 usando uma almofada de polimento adequado, como um de alta densidade, não-tecidos, baixa-nap poliuretano poroso que um fabricante sugere para 50 suspensões nm. Polonês a uma velocidade de 130 rpm, com uma força de 7 lbf por 5 min. </li><li> Sonicar a amostra em um banho de água destilada por 15 min. </li></ol></li></ol> 2. Teste Nanoindentação <ol><li> Calibre o sistema de nanoindentação antes de cada lote de testes de acordo com a fabrica diretrizes. A calibração deve incluir a determinação da função área do sistema para a ponta de Berkovich e rigidez do quadro. Além disso, realizar uma calibração microscópio-to-penetrador nesta etapapara garantir que os travessões correlacionar para os locais escolhidos microscópio. </li><li> Coloque a amostra no nanoindentador e usar os controles do microscópio óptico na nanoindentador para levar a amostra em foco. </li><li> Use os controles de software para mover a amostra para o local para o primeiro travessão. Idealmente, este é, aproximadamente, 10 um no epoxi a partir da aresta da camada de ganoine ao longo da linha central da secção transversal da escala. </li><li> Executar quatro linhas paralelas de travessões espaçadas 15 mm para além de se obter um conjunto de dados estatisticamente significativos definido começando neste local. Defina o nanoindentador para uma carga máxima de cinco doses de Mn, carga e descarga de 0,1 mN / s, um tempo de espera de 30 segundos, e um espaçamento mínimo travessão de 5 m para cada linha. A fila de travessões deve ser configurado para executar ortogonal à superfície de ganoine, e deve ser especificado um número suficiente de travessões de viajar através de seção transversal da escala ao percorrer aproximadamente 10 m na epoxy passado a camada óssea. </li><li> Quando o lote é terminada, têm o nanoindentador criar travessões fiduciais com uma carga máxima de 100 mN no primeiro e no último parágrafo, que deve ser no epoxi antes de a camada ganoine e depois a camada do osso, respectivamente. Estes se correlacionam com os pontos inicial e final de cada linha de travessões. </li><li> Depois de nanoindentação, colocar a amostra de volta na solução PBS para evitar mais desidratação. </li><li> Usar o software nanoindentação para determinar o módulo de elasticidade e dureza com base no método de Oliver-Pharr 13 se uma resposta de material independente do tempo é observado. Caso contrário, o tempo de espera pode ter que ser aumentado para superar a fluência observado de descarga demasiado rapidamente. </li></ol> 3. Spatially Resolvido ATR-FTIR Spectroscopy A utilização de um acessório deslizante no ATR ligado a um microscópio de FTIR é um método sugerido para recolher espacialmente resolvida com transformada de Fourier de infravermelhos (FTIR) do layers em uma amostra de escama de peixe. O acessório de ATR permite a recolha de espectros de alta qualidade, com muito pequeno (~ 10 m 2) resolução espacial, o que não é atingível com qualquer outra técnica de FTIR. A mesma amostra polida (Figura 2) preparado para experiências nanoindentação foi utilizada nestas experiências. <ol><li> Escolha de uma amostra com uma superfície e dimensões apropriadas para o microscópio FTIR ser utilizado para a análise de garantir espectros de alta qualidade é obtido a partir de ATR-FTIR spectromicroscopy. </li><li> Prepare o microscópio FTIR para coletar dados. FTIR microespectroscopia requer calibragem do sinal de FTIR sob as mesmas condições de amostragem como irá ser utilizados para a medição da amostra. Tipicamente, este inclui o detector de arrefecimento e que haja tempo para que a estabilizar, bem como a recolha de todos os espectros de base e os espectros da amostra sob as mesmas condições ambientais. Isso pode ser especialmente importante, porque o CO 2 e vapor de água no ar pode dafetar ramatically espectros FTIR. É também importante assegurar que a óptica do instrumento estão alinhados. </li><li> Colete um espectro de fundo adequado para subtrair a amostra contra. Para estas experiências, um polido, lâmina de microscópio revestida a ouro foi usado como uma base para FTIR spectromicroscopy. </li><li> Usando um objetivo adequado, concentrar-se na amostra e selecione uma área de interesse para análise. </li><li> Uma vez que uma área de interesse é encontrada, coloque o acessório ATR para a objetiva do microscópio FTIR, aumentar a amostra até que ele entra em contato íntimo com o elemento de reflexão interna ATR, e coletar um espectro de amostra. </li><li> Após a coleta dos espectros de FTIR, executar o processamento de dados necessário padrão exigido. </li></ol> 4. X-ray tomografia computadorizada (TC) <ol><li> Obter e preparar escala como discutido na Seção 1.1 </li><li> Configuração do scanner <ol><li> A fonte de raios-X Warm-up de acordo com as especificações do fabricante. </li><li> Raios-X Set tensão e corrente de 50 kV e 160 mA, respectivamente. </li><li> Defina o tempo de exposição a 1.450 ms. </li><li> Selecione um filtro de 1,0 milímetros de alumínio. </li><li> Antes de amostra de carga, fazer uma correção de campo plano, quando a fonte de raios-X está fora (de campo escuro) e (-campo brilhante). </li></ol></li><li> Montagem e carga Specimen Escalas deve ser montado de uma maneira tal que eles não mudar ou se mover ao longo do comprimento da mesma. Estas amostras podem ser igualmente montados usando materiais que são quase transparente aos raios-X. Uma combinação de Styrofoam e Parafilm pode ser utilizado para fixar a escala para a fase de CT. <ol><li> Montar rigidamente a amostra de forma que a dimensão mais longa é paralelo ao detector. </li><li> Fixar a amostra montada para a fase do scanner. </li><li> Posicionar a amostra de modo a que ele vai ser no centro de rotação durante todo o exame. </li><li> Seleccione a mais alta resolução que permite que a escala inteira de ser, no campo de visão (FOV), neste caso7,5 mM. </li></ol></li><li> Configurações de Aquisição Executar verificações neste estudo, com uma fase de rotação de 0,25 ° e um valor de quadro de média de 15. Se baixas resoluções são aceitáveis, aumentar o tamanho do passo e / ou diminuir a armação média para reduzir o tempo total de verificação. </li><li> Parâmetros de Reconstrução Uma vez que um conjunto de dados é obtido, reconstruir as imagens de projeção de raios-X para criar um conjunto de dados contendo imagens transversais. Selecione as configurações padrão de software NRecon de SkyScan exceto para o seguinte. <ol><li> Altere a correção Anel Artefato para 20. </li><li> Altere a correção Boca Endurecimento para 25%. </li><li> Ajuste o CS estática de rotação para fazer nível de imagem transversal. </li></ol></li><li> Processamento de Imagem Use um software de CTAN Skyscan obter a imagem final em escala de cinza 3D. Ajuste o intervalo de tons de cinza em um nível apropriado para remover os artefatos do isopor e Parafilm. </li></ol> As amostras preparadas por polimento para nanoindentação e micro-/nano-structure caracterização foram examinadas por microscopia eletrônica de varredura (MEV). Modo de baixo vácuo, foi utilizado para minimizar a desidratação dos espécimes e a necessidade de aplicação de revestimentos condutores. A análise química local foi realizada em amostras polidas em conjunto com a imagem de SEM utilizando espectroscopia de raios-X de energia dispersiva (EDX). Análise EDX foram realizadas na mesma linha / grade que foi analisado por nanoindentação, a fim de fornecer as correlações entre as propriedades mecânicas e químicas. Superfícies fraturadas recentemente também foram examinados por MEV para fornecer melhores informações sobre a morfologia e orientação das estruturas biomineralized presentes nas escamas de peixe. Para melhorar a resolução para a observação da estrutura de nano-escala em superfícies fraturadas, os espécimes foram pulverização catódica revestido com ouro (Au) e fotografada no modo de alto vácuo. A seguirfornece detalhes adicionais sobre os procedimentos utilizados. <ol><li> SEM imagem de superfícies polidas <ol><li> Coloque espécime polido em SEM câmara e da câmara de bomba no modo de baixo vácuo com pressão da câmara de 0,1-0,5 mbar. </li><li> Ajuste de distância de trabalho com cerca de 5,0 mm. </li><li> Ative alta tensão (HV) e navegue até a região de juros sobre o espécime, que inclui a zona de transição entre ganoine e ósseas subcamadas ou outras áreas de interesse. </li><li> Obter imagens em 15 kV HV e corrente do feixe de aproximadamente 3,9 nA. </li><li> Concentre-se imagem e executar todas alinhamentos necessários e ajustes stigmation. </li><li> Capturar imagens de pelo menos três regiões de interesse em ampliações relevantes (normalmente 250X a 10.000 X) usando o baixo vácuo de elétrons retroespalhados (BSE) detector para auxiliar na identificação de alterações no conteúdo biomineral e densidade (ou seja, osso denso vs osso poroso ). </li></ol></li><li> SEM imagem de fraturados Superfícies <ol><li> Apor espécime recém-fraturadas para um esboço de 90 ° SEM utilizando fita dupla face de carbono com superfície de fratura para cima. </li><li> Por pulverização catódica, com casaco de Au para fornecer um sub-nm camada condutora de espessura sobre a superfície da fratura. </li><li> Coloque espécime em SEM câmara e da câmara de bomba em modo de alto vácuo. </li><li> Ajuste a distância de trabalho para entre 3,0 e 5,0 mm. </li><li> Ative HV e navegue até as regiões de interesse na amostra. Principais áreas de interesse, neste caso, foram a estrutura presente nas camadas ganoine e ósseas. </li><li> Obter imagens entre 5 kV e 15 kV HV e corrente do feixe menor de 0,24 nA para melhorar a resolução. </li><li> Inicialmente concentrar amostra e realizar alinhamentos preliminares. </li><li> Aumentar ampliação para mais de 5.000 X e mudar de lente normal de emissão de campo em (UHR) lente de imersão / ultra-alta resolução. </li><li> Realizar UHR alinhamentos e ajustes stigmation. </li><li> Capturar imagens de pelo menos três regiões Sf interesse em ampliações relevantes (tipicamente 5.000 X 250.000 X) usando o detector através da lente (TLD) operado em modo de elétrons secundários (SE). </li></ol></li><li> Análise EDX de superfícies polidas (realizada em conjunto com a imagem MEV). Estes parâmetros são dependentes de material e terá de ser ajustada de modo que o volume de interacção EDX é semelhante em tamanho ao volume interacção nanoindentação como discutido por Moser 14. <ol><li> Navegue até a região de interesse em amostras polidas que inclui grade nanoindentação indicado por pontos de referência, no final de cada linha de travessões. </li><li> Assegurar HV é pelo menos de 15 kV, a corrente do feixe é de pelo menos 3,9 nA, e distância de trabalho é maior do que 5,0 mm. </li><li> Capturar imagem da região a ser analisados ​​por meio de EDX BSE. </li><li> Usando o software de análise de EDX, capturar a mesma imagem para auxiliar na localização de áreas para realizar análise química ao longo da linha de travessões. </li><li> Usando a &quot;Análise Line&quot; técnica, poção de uma linha para realizar análise química ao longo da linha de interesse de travessões começando no primeiro travessão e terminando no último travessão. </li><li> Especifique o número de pontos de análise para ser colocado ao longo da linha. É preferível usar o mesmo número de pontos de análise e travessões que estão presentes para proporcionar uma correlação espacial directa entre a composição química e as propriedades mecânicas. </li><li> Quando a linha está posicionada e pontos especificados corretamente, inicie a análise de linha usando o software EDX. </li><li> Quando a análise de linha é completada, a identificar elementos de interesse a serem quantificados a partir dos espectros ponto obtido ao longo da linha indicada na superfície polida do espécime. </li><li> Uma vez que os elementos de interesse são identificados, realizar uma calibração de fundo para explicar a radiação Bremsstrahlung e outros efeitos. </li><li> Escolha a opção de análise de deconvolução do software para obter uma análise quantitativa em cada ponto ao longo da linha especificada para quantificartificar a composição química de cada ponto. </li><li> Salve os resultados quantitativos de análise química, juntamente com a imagem de linha especificado que foi analisado para ajudar na correlação espacial com propriedades mecânicas medidas através de nanoindentação. </li></ol></li></ol>

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Os autores não têm nada a revelar.

Do ponto de vista experimental, os pesquisadores precisam se lembrar que quando se trabalha com ocorrência natural de materiais biológicos, como escamas de peixe mineralizadas, relatando a localização espacial da escala em que o peixe é crítico desde que a pesquisa anterior mostrou propriedades mecânicas de escamas de peixe mineralizadas são dependentes para onde as escalas foram localizados no peixe 4. As propriedades mecânicas dos materiais biológicos mineralizados também demonstrou ser dependente do estado de hidratação das amostras 4. Isso limita a utilidade desta técnica quando se tenta comparar amostras frescas que foram devidamente hidratados com os resultados publicados na literatura aberta, que utilizam amostras fossilizadas secos. Portanto, os tempos de ensaio prolongadas precisam ser evitadas para minimizar os efeitos da desidratação sobre as propriedades mecânicas de uma amostra durante nanoindentação. Estudos-piloto específicas do material são recomendadas para garantir a experimento de execução é mínimo o suficiente para não alterar o comportamento mecânico do material. Nanoindentação célula húmida, seria um método preferido para manter um estado de hidratação constante do material, se o equipamento de teste permite. O método nanoindentação utilizado no presente estudo, o qual calculado o módulo de elasticidade da curva de descarga assume o material comporta-se como um material isotrópico elástico linear. A técnica pode ser usada com uma variedade de pontas de penetrador. No entanto, a ponta de Berkovich três lados com um semi-ângulo de 65,35 ° foi usado neste estudo. Dicas alternativas, como o canto cubo (meia ângulo = 35.36 °) são adequados para o procedimento apresentado neste manuscrito, mas, desde a ponta canto de cubo é mais aguda do que a ponta Berkovich rachaduras podem ser gerados na amostra muito menor do que com cargas a ponta Berkovich. O polimento é uma etapa essencial para obter uma superfície lisa e plana, com um surfac minimizadae rugosidade para não afetar os resultados de nanoindentação. As etapas de polimento apresentados no texto são um procedimento sugerido que talvez precise ser modificado, dependendo do tipo de polidor de ser utilizado. No entanto, o passo crítico para assegurar que os dados nanoindentação preciso é que a rugosidade da superfície é minimizado, e por este material em particular foi necessário um 50 nm polonês final para a obtenção de uma superfície lisa e plana nas profundidades de entalhe ser sondadas. O espaçamento dos travessões também assegura que os dados nanoindentação preciso que não é influenciado pela deformação do material que ocorre a partir de travessões anteriores. O manual do usuário nanoindentador para o equipamento neste estudo sugeriu que espaçamento do recuo deve ser de pelo menos 20 a 30 vezes a profundidade máxima de penetração para Berkovich penetradores 15. Para materiais alternativos, o espaçamento de recuo necessária terá de ser determinado com base na carga aplicada e a profundidade máxima de recuo, como discutido anteriormente em abertoliteratura 16,17. Além disso, o tempo de espera para este material foi escolhido para superar qualquer deformação observada para as diferentes fases de material sondadas para permitir método de análise Oliver-Pharr do software nanoindentador para ser utilizado. No entanto, como discutido por Oyen 18 métodos de análise de alternativas estão disponíveis para materiais biológicos quando as respostas materiais dependentes do tempo não podem ser superados com o tempo de espera adequados. Para alcançar resultados de alta resolução de Ray-X CT, várias configurações devem ser otimizados. Este documento descreve um conjunto muito específico de parâmetros para o uso em uma escala de peixes com um tamanho único e espessura em camadas. Com diferentes tamanhos de amostra, estas definições terão de ser ajustados para obter um conjunto de dados da mais alta qualidade. O processo de seleção de cada parâmetro devem ser claramente definidas no manual do usuário que vem com a máquina que está sendo usada. As configurações de digitalização (tensão, corrente, exposição, seleção de filtro) e configurações de reconstrução(artefatos de anel, endurecimento do feixe) talvez precise ser modificado para acomodar uma variedade de outros tamanhos de amostra e geometrias. De raios-X CT fornecida uma imagem da morfologia escala inteira identificando uma camada ganoine cobrindo a camada óssea do material quando as escalas não se sobrepõem uns aos outros. As imagens CT de raios-X também identificou que a camada ganoine consistia em uma espessura não uniforme ao longo da escala, e poços ainda exibiram que faltaram a camada ganoine completamente. Curiosamente, os dados nanoindentação espacialmente correlacionadas com a análise química SEM / EDX identificada uma transição discreta nítida entre as duas camadas em vez de uma transição mais gradual observada para as escamas de peixe mineralizados do p senagalus (em Bruet et al. 2). Uma combinação de nanoindentação, FTIR, EDX e SEM fornecido propriedade mecânica, análise química e estrutural para confirmar informaçõesa camada exterior como ganoine com morfologia e química de esmalte. Além disso, estas técnicas confirmou a camada interna como a camada óssea do material. Em conclusão, os métodos descritos neste estudo identificou o procedimento e os resultados correspondentes para examinar a escama de peixe mineralizado de A. espátula a partir da estrutura de grandes quantidades para baixo para a nanoestrutura e composição química.

Os pesquisadores estão investigando biomateriais estruturais e estão tentando elucidar os princípios de design, que oferecem biomateriais estruturais com melhores propriedades mecânicas, tais como muito maior tenacidade e força quando comparado com os seus constituintes individuais. As investigações sobre os princípios de design de escamas de peixe blindados para Pagrus major 7, Polypterus senagalus 2,6, Arapaima gigas 3, Cyprinus carpio 4 e Atractosteus espátula 1 demonstraram a necessidade de ampliar a aplicação de métodos experimentais existentes para estudar as respostas estruturais e características microestruturais, desde procedimentos padrões detalhados não estão disponíveis para esses tipos de materiais e experiências. Entre as diferentes escalas de peixes blindados discutidos, A. espátula é um predador historicamente ápice da central dos EUA 8 e é uma espécie com altoly escalas mineralizadas. As trocas de espécies de massa muscular para a massa de pele para obter um sistema de defesa predador melhorado em comparação com os peixes de tamanho comparável mencionado anteriormente 9. De acordo com a página e Burr 10, A. espátula é a terceira maior peixe de água doce na América do Norte com o esturjão branco (Acipenser transmontanus) e esturjão atlântico (Acipenser oxyrhynchus), sendo as espécies de maior porte. As escamas de peixe altamente mineralizadas de A. espátula são só recentemente está sendo estudado. Thompson e McCune 11 sugeriram que a morfologia das escalas gar ter uma composição de três camadas constituída por uma camada ganoine exterior, uma camada de osso difusa, e uma camada de osso lamelar. A pesquisa atual sobre o A. escalas espátula não distinguiram a camada óssea em regiões do osso lamelar ou difusa, mas tem apenas estudados região do osso como uma única camada interna 1,12. Neste estudo, os procedimentos para avestigating a microestrutura, nanoestrutura, composição química, e as distribuições espaciais das propriedades mecânicas das escalas de A. espátula com base nos resultados da espectroscopia FTIR, SEM, X-ray CT, e as técnicas de nanoindentação são apresentados.

<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

A arquitetura hierárquica de materiais biológicos de proteção, como escamas de peixe, mineralizados conchas de gastrópodes, chifre de carneiro, galhadas, cascos de tartaruga e fornece os princípios de design únicas com potencial para orientar a concepção de materiais e sistemas de protecção no futuro. Compreender as relações estrutura-propriedade para estes sistemas materiais em microescala e nanoescala, onde a falha inicia é essencial. Atualmente, as técnicas experimentais tais como nanoindentação, CT de raios-X, e SEM fornecer aos pesquisadores uma maneira de correlacionar o comportamento mecânico com microestruturas hierárquicos desses sistemas materiais 1-6. No entanto, um procedimento padrão bem definido para a preparação de amostras de biomateriais mineralizados não está disponível no momento. Neste estudo, os métodos de sondagem espacialmente correlacionado propriedades mecânicas da escala de várias camadas de A. química, estrutural, e espátula utilizando nanoindentação, FTIR, SEM, com casaergy dispersivo microanálise de raios-X (EDX) e CT de raios-X são apresentados.

A Figura 3 mostra os resultados médios dos espacialmente correlacionados nanoinidentation / SEM / EDX análises realizadas em toda a aproximadamente 800 um longo eixo curto secção transversal. Na camada ganoine aproximadamente 60 mm de espessura, o nanoindentador calculado um módulo média de 69,0 GPa e a dureza de 3,3 GPa. O nanoindentador determinado um módulo de elasticidade média de 14,3 GPa e a dureza de 0,5 GPa para a camada de cerca de 740 mM de espessura do osso. EDX determinado carbono, oxigênio, cálcio e fósforo, que são normalmente encontrados em escalas mineralizados. No entanto, as camadas ganoine e osso continha diferenças quantificáveis ​​no composições químicas. O pico observado de carbono na camada de osso pode ser atribuído a que a região de não ser tão altamente mineralizado, o que resulta num ligeiro aumento no carbono que também causou o decréscimo observado no brilho total da imagem de BSE. Especificamente, a camada ganoine &#39;, S significa taxa de concentração atômica de Ca: P de 1,71 apareceu semelhante à hidroxiapatita com uma relação teórica de 1,67. Ca média da camada de osso: P diminuiu para 1,51 representando uma diminuição na quantidade de mineralização da camada ganoine. Os espectros de FTIR na Figura 4 para a camada de osso e camada ganoine identificados os principais grupos funcionais como amida, carboxílico, fosfato, e carbonilo. Especificamente, FTIR confirmaram a observação visual de assinaturas de hidroxiapatita nas exterior (ganoine) e camada de colágeno na camada de assinaturas (osso) interior. Picos de 3,500-3,000 cm -1 devido ao alongamento e NH NH dobrar entre 1550 e 1500 cm-1 representam grupos amida na camada óssea. Picos na região do número de onda 1,470-1,365 cm -1 representam grupos alquilo substituído de amida. Além disso, um distintivo C = O alongamento em 1641 centímetros -1 foi observada sobre a camada de osso. Ervilhaks de 3,000-2,500 cm -1 representam grupos carboxílicos. Espectros camadas Tanto o osso e ganoine &#39;produziu um pico característico próximo 1,079.33 cm -1 indicativos de alongamento fosfato. Imagética CT de raios-X na Figura 5 que a camada de captura ganoine não cobre a camada de osso onde a balança se sobrepõem um ao outro. As camadas mais brilhantes ganoine cinza indicam fases mais densas, mais difícil e mais duras, enquanto as camadas mais escuras osso cinza indicam fases menos densas e menos rígidos. Além disso, a imagem de raios-X CT auxiliado na identificação da falta de uniformidade na camada de espessura ganoine. Na verdade, os poços claras são observados perto do centro da camada de ganoine, que não cobrem a camada de osso em todos. A imagem de SEM na Figura 6A da superfície de fratura gravado com H 3 PO 4 revelou nanoestruturas organizadas em um padrão em camadas para a camada ganoine. Este organizou-nanorodestrutura correlaciona-se com as assinaturas de hidroxiapatita obtidos a partir do FTIR para a área do ganoine. Figura 6A mostra um típico menor ampliação SEM micrografia de uma superfície de fratura identificando claramente a transição entre as camadas ganoine e osso com a linha tracejada. Figura 6B retrata as imagens de alta ampliação SEM da superfície de fratura após condicionamento com H 3 PO 4. Após o condicionamento, nanorods orientados na camada exterior ganoine são claramente identificáveis ​​enquanto uma nanoestrutura fibra como é observado na camada óssea. <img alt="Figura 3" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51535/51535fig3highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51535/51535fig3.jpg" /> Figura 3. Modulus e os dados de dureza de nanoindentação espacialmente correlacionados à composição química SEM / EDX. <p class="jove_content" fo:keep-together.within-page = &quot;always&quot;&gt; <img alt="Figura 4" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51535/51535fig4highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51535/51535fig4.jpg" /> Figura 4. Espectros FTIR coletadas a partir do exterior (ganoine) e interno (ósseo) camadas. <img alt="Figura 5" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51535/51535fig5highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51535/51535fig5.jpg" /> Figura 5. Raios-X que mostram imagens de TC corrosão no exterior (ganoine) camada que cobre o (ósseo) camada interna. <img alt="Figura 6" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51535/51535fig6highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51535/51535fig6.jpg" /> Figura 6. (A) imagem de baixa ampliação de SEM da superfície de fractura normal, (B), as imagens de ampliação maiores de nanorods no exterior (ganoine) e fibras no interior (bony) camadas .. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51535/51535fig6highres.jpg" target="_blank">Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>

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

Este artigo apresenta os métodos utilizados para a sondagem espacialmente correlacionada propriedades mecânicas da escala de várias camadas de Atractosteus espátula (A. espátula) utilizando nanoindentação química, estrutural, e, transformada de Fourier no infravermelho (FTIR), microscopia eletrônica de varredura (MEV), e X- ray tomografia computadorizada (CT de raio-X). Os resultados experimentais têm sido utilizados para investigar os princípios de concepção de materiais biológicos protectores.

Caracterização de escamas de peixe multi-camadas (<em&gt; Atractosteus espátula</em&gt;) Usando Nanoindentação, X-ray CT, FTIR, e SEM

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 visualizações.  U.S. Army Engineer Research and Development Center.  Este artigo apresenta os métodos utilizados para a sondagem espacialmente correlacionada propriedades mecânicas da escala de várias camadas de Atractosteus espátula (A. espátula) utilizando nanoindentação química, estrutural, e, transformada de Fourier no infravermelho (FTIR), microscopia eletrônica de varredura (MEV), e X- ray tomografia computadorizada (CT de raio-X). Os resultados experimentais têm sido utilizados para investigar os princípios de c...

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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.

Imagem bioluminescência para avaliação das respostas imune após o implante do tecido do coração Engineered (EHT)

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

Bioengenharia

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.

Pequenas e Wide Angle X-Ray Scattering Estudos de macromoléculas biológicas em solução

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.

Caracterização biomecânica de tecidos moles Humanos Usando recuo e testes de tração

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.

Deteção da endotoxina em Nano-formulações usando Limulus Amoebocyte Lysate (LAL) ensaios

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).

Uso do micro tomography computado do raio X com preparação ácida phosphotungstic para visualizar o tecido fibromuscular humano

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.

Análise de TC quadridimensional usando registro 3D-3D sequencial

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.

Imagem 3D de amostras de tecido sofx usando um método de coloração específica de raios-X e tomografia computadorizada nanoscópica

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.

Fabricação fantasma do álcool polivinyl específico do paciente com ultrassom e contraste de raios-X para planejamento de cirurgia de tumor cerebral

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.

Fluxo de trabalho experimental e de análise de dados para nanoindentação de matéria mole

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.