Name: a protocol for bioinspired design: a ground sampler based on sea urchin jaws
Uploaded: 2016-04-24T14:00:00
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This work is supported by Multi-University Research Initiative through the Air Force Office of Scientific Research of the United States (AFOSR-FA9550-15-1-0009) (M. B. F., S. E. N., J.-Y. J., J. M). Collection of pink sea urchins was supported by the University of California Ship Funds and the US National Marine Fisheries Service (K.N.S., J.R.A.T). The authors acknowledge the following people: Prof. Jerry Tustaniwskyj for helpful suggestions during development of the bioinspired Aristotle's lantern sampler, Prof. Marc A. Meyers (UCSD, Dept. of Mechanical and Aerospace Engineering, Materials Science and Engineering Program), Prof. Robert L. Sah and Esther Cory (UCSD, Dept. of Bioengineering), and Dr. Maya deVries (Marine Biology Research Division, Scripps Institution of Oceanography). We also thank undergraduate students Sze Hei Siu, Jerry Ng and Ivan Torres for polishing urchin teeth cross-sections.

1. Biologische Materialwissenschaften <ol><li> Persönliche Schutzausrüstung tragen (Handschuhe, Schutzbrille und Labormantel) und befolgen Sie alle geltenden Sicherheitsverfahren für die Verwendung von Sezieren Tools. </li><li> Spülen Sie die Zange ab und Skalpell mit destilliertem Wasser für die Präparation zu verwenden. </li><li> einen gefrorenen Rosa Seeigel bei RT für 1 Stunde auftauen. Legen Sie ein taute Probe in eine Glasschale mit ausreichend Platz, um der Lage sein, die Seeigel und Schneidwerkzeuge zu ...

<ol>
	<li>Nalla, R. K., Kruzic, J. J., Ritchie, R. O. <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+origin+of+the+toughness+of+mineralized+tissue:+Microcracking+or+crack+bridging?.">On the origin of the toughness of mineralized tissue: Microcracking or crack bridging?.</a> Bone. 34 (5), 790-798 (2004).</li><li>Ritchie, R. O., Buehler, M. J., Hansma, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Plasticity+and+toughness+in+bone.">Plasticity and toughness in bone.</a> Physics Today. 62 (6), 41-47 (2009).</li><li>Seki, Y., Schneider, M. S., Meyers, M. 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D., Andrietti, F. <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+of+sea-urchin+lantern+muscles:+a+comparative+investigation+of+intact+muscle+groups+in+Paracentrotus+lividus+(Lam)+and+Stylocidaris+affinis+(Phil)+(Echinodermata,+Echinoidea).">Mechanical properties of sea-urchin lantern muscles: a comparative investigation of intact muscle groups in Paracentrotus lividus (Lam) and Stylocidaris affinis (Phil) (Echinodermata, Echinoidea).</a> J. Comp. Physiol. B. 168 (3), 204-212 (1998).</li><li>Witze, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=NASA+plans+Mars+sample-return+rover.">NASA plans Mars sample-return rover.</a> Nature. 509 (7500), 272 (2014).</li></ol>

Seeigel benutzen die aristotelische Laterne (Abbildung 1A) für eine Vielzahl von Funktionen (Fütterung, langweilig, Schwenken, etc.). Der Fossilienbestand zeigt , dass die Laterne in Form und Funktion von den primitivsten cidaroid Typ der camarodont Art der modernen Seeigel 14 entwickelt hat. Cidaroid Laternen haben längsgeriffelte Zähne (1B, oben) und nicht getrennten Muskelansatz an seiner Pyramidenstruktur. Dies begrenzt ihre Auf- und Abbewegung und beraubt si...

Die Felder der Biologie, biologische Materialwissenschaften, Biomaterialien, Biotechnik und Biochemie beschäftigen die Premiere wissenschaftlichen Techniken und Köpfe in einem Versuch, ein tieferes Verständnis für die unglaubliche Natur zu bieten. Diese Forschung hat viele der erstaunlichsten biologischen Strukturen und Organismen erklärt; von der intrinsischen Zähigkeit des menschlichen Knochens 1,2 der großen Schnabel des Tukan 3. Jedoch viel dieses Wissens ist schwierig, in einer Weise zu verwenden, die einen Nutzen für die Gesellschaft liefern kann. Als Ergebnis setzt der tangentiale Bereich der Bioinspiration die Lehren aus der Natur zu modernen Materialien, um gemeinsame Probleme zu lösen gelernt. Beispiele dafür sind superhydrophoben von Lotus inspirierte Oberflächen Blätter 4-6, Klebeflächen durch die Füße von Geckos inspiriert und Insekten 7,8, zähen Keramik durch die Perlmutter von Abalone inspiriert 9-11 und Biopsie durch das Mundstück des Seeigels inspiriert Harvester, auch kenntn als Aristoteles &#39;Laterne 12,13. Seeigel sind wirbellose Tiere mit Stacheln bedeckt, deren Lebensraum am häufigsten aus den felsigen Betten auf dem Meeresboden. Der Körper in der größten Seeigel-Arten (ein Test genannt) mehr als 18 cm im Durchmesser; Testgröße in rosa Seeigel (Strongylocentrotus fragilis) in dieser Studie untersuchten kann bis zu 10 cm Durchmesser wachsen. Die Laterne des Aristoteles besteht aus fünf überwiegend Zähne Calciumcarbonat durch Pyramidenstrukturen unterstützt mineralisiertem Gewebe und angeordnet in einer kuppelartigen Formation , bestehend aus , die alle , aber die distalen Schleif Spitzen der Zähne (Abbildung 1A) umschließen. Die Muskelstruktur der Backen ist in der Lage effiziente Kauen und Kratzen auch gegen harte Ozean Felsen und Korallen. Wenn die Backen geöffnet ragen die Zähne nach außen, und wenn die Backen zu schließen, ziehen sich die Zähne nach innen in einer einzigen fließenden Bewegung. Vergleich zwischen primitive ( siehe oben) und modern (unten) Seeigel Zahn Querschnitte (Abbildung 1B) zeigt an, dass ein keeled Zahn entwickelte sich um den Zahn zu stärken , wenn sie gegen harte Substrate Schleifen. Jeder einzelne Zahn hat eine leicht konvexe Krümmung und einen T-förmigen Morphologie in der Querebene (normal zur Wachstumsrichtung) aufgrund der in Längsrichtung angebracht Kiel (1C, D). Bioinspiration beginnt mit der Beobachtung von interessanten Naturphänomene, wie die effiziente Kaubewegung des Aristoteles Laterne in Seeigel. Diese natürliche Struktur Aristoteles zunächst gefesselt, weil sie ihn an ein Horn Laterne erinnert mit den Scheiben Horn weggelassen. Mehr als zwei Jahrtausende später wurde Scarpa durch die Komplexität der Laterne des Aristoteles fasziniert , dass er und später Trogu die natürliche Kaubewegung nur mit Papier und Gummibänder (2A) 15,16 nachgeahmt. In ähnlicher Weise wurde Jelinek von der c BioinspirierteBewegung der Laterne des Aristoteles zu behauen und entwickelte eine bessere Biopsie Mähdrescher , die sicher Tumorgewebe ohne Verbreitung von Krebszellen (2B, C) ​​12,13 isolieren konnte. In diesem Fall wurde bioinspirierter Design einer biomedizinischen Vorrichtung, um verwendet, die einen bestimmten Bedarf für eine gewünschte Anwendung passen. Das Design hier beschriebene Protokoll gilt für ein Sedimentproben Bioinspirierte von Seeigel. Durch die biologische Wissenschaft Materialien wird die natürliche Struktur des Aristoteles Laterne aus. Bioinspirierte Design identifiziert potenzielle Anwendungen, bei denen die natürlichen Mechanismen können durch den Einsatz von modernen Materialien und Herstellungstechniken verbessert werden. Das endgültige Design wird durch das Prisma der bioexploration erneut untersucht, um zu verstehen, wie die natürliche Zahnstruktur entwickelt (Abbildung 3). Der letzte Schritt bioexploration, vorgeschlagen von Porter 17,18 nutzt Methoden technische Analyse bis explore und biologische Phänomene zu erklären. Alle wichtigen Schritte des Bioinspiration Verfahren werden als Beispiel dargestellt für die Nutzbarmachung Technologie, vorge genehmigt durch die Natur, die für die Lösung modernen Probleme verwendet werden können. Unser Protokoll, motiviert durch vorherige Bioinspiration Verfahren vorgestellt für spezifische Anwendungen von Arzt 7 wird gezielt für Biologen, Ingenieure und alle anderen , die von der Natur inspiriert ist.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>BUEHLERMET II 8 PLN 600/P1200</td>
			<td>Buehler</td>
			<td>305308600102</td>
			<td>Abrasive paper for polishing</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>TRIDENT POLISH CLOTH 8&#34; PSA</td>
			<td>Buehler</td>
			<td>407518</td>
			<td>Polish cloth for 3 um suspension</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>METADI SUPREME POLY SUSP,3MIC&#160;</td>
			<td>Buehler</td>
			<td>406631</td>
			<td>Polish suspension (3 um)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MICROCLOTH FOR 8 IN WHEEL PSA</td>
			<td>Buehler</td>
			<td>407218</td>
			<td>Polish cloth for 50 nm suspension</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MASTERPREP SUSPENSION, 6 OZ</td>
			<td>Buehler</td>
			<td>636377006</td>
			<td>Polish suspension (50 nm)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Skyscan 1076 micro-CT Scanner</td>
			<td>Bruker</td>
			<td></td>
			<td>Micro-CT scanner equipment</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Amira software</td>
			<td>FEI Visualization Sciences Group</td>
			<td></td>
			<td>Software for 3D manipulation of Micro-CT scans</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>FEI Philips XL30</td>
			<td>FEI Philips</td>
			<td></td>
			<td>ESEM equipment for characterization of polished tooth cross-sections</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SolidWorks Design software</td>
			<td>Dassault Systems</td>
			<td></td>
			<td>Design software for CAD drawing bioinspired device</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SolidWorks Simulation software</td>
			<td>Dassault Systems</td>
			<td></td>
			<td>Simulation software for stress test of CAD drawing bioinspired device</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dimension 1200es</td>
			<td>Stratasys</td>
			<td></td>
			<td>3D printer for fabrication of bioinspired device from CAD drawing</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ABSplus</td>
			<td>Stratasys</td>
			<td></td>
			<td>3D printer plastic</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

a protocol for bioinspired design: a ground sampler based on sea urchin jaws

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.

Bioinspirierte Design der Laterne Probenahmevorrichtung des Aristoteles hängt stark von der Qualität der Charakterisierungsmethoden eingesetzt. Nicht-invasive Techniken wie μ-CT sind hilfreich für die ganze Laterne und einzelne Zähne Analyse anwendungsspezifische Erweiterungen für die biologisch inspirierte Design (Abbildung 4) anzuwenden. Unterdessen kann der Zahn Mikrostruktur über Sekundärelektronen untersucht werden , und Rückstreuelektronenmikroskopische Au...

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A Protocol for Bioinspired Design: A Ground Sampler Based on Sea Urchin Jaws

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.

Ein Protokoll für Bioinspirierte Entwurf: Ein Boden Sampler Basierend auf Seeigel Jaws

Bioinspired design is an emerging field that takes inspiration from nature to develop high-performance materials and devices. The sea urchin mouthpiece, ...

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Mass Cytometry: Protocol for Daily Tuning and Running Cell Samples on a CyTOF Mass Cytometer

Messe Cytometry: Protokoll für die tägliche Tuning und Ausführen von Zellproben auf einem CyTOF Messe Cytometer

In recent years, the rapid analysis of single cells has commonly been performed using flow cytometry and fluorescently-labeled antibodies. However, the ...

Forschung

Biotechnik

Design of a Biaxial Mechanical Loading Bioreactor for Tissue Engineering

Entwurf eines Biaxiale Mechanische Belastung Bioreaktor für Tissue Engineering

We  designed a loading device that is capable of applying uniaxial or biaxial  mechanical strain to a tissue engineered biocomposites fabricated for  ...

Investigating Receptor-ligand Systems of the Cellulosome with AFM-based Single-molecule Force Spectroscopy

Cellulosomes are discrete multienzyme complexes used by a subset of anaerobic bacteria and fungi to digest lignocellulosic substrates. Assembly of the ...

Engineering Platform and Experimental Protocol for Design and Evaluation of a Neurally-controlled Powered Transfemoral Prosthesis

Technische Plattform und experimentelles Protokoll für Entwurf und Evaluation eines Neural-kontrollierten Powered Oberschenkelprothese

To enable intuitive operation of powered artificial legs, an interface between user and prosthesis that can recognize the user's movement intent is ...

Synthesis of Keratin-based Nanofiber for Biomedical Engineering

Synthese von Keratin-basierten Nanofaser für Biomedizinische Technik

Electrospinning, due to its versatility and potential for applications in various fields, is being frequently used to fabricate nanofibers. Production of ...

Rapid Mix Preparation of Bioinspired Nanoscale Hydroxyapatite for Biomedical Applications

Rapid-Mix Herstellung von Bioinspirierte Nanoskalige Hydroxyapatit für biomedizinische Anwendungen

Hydroxyapatite (HA) has been widely used as a medical ceramic due to its good biocompatibility and osteoconductivity. Recently there has been interest ...

A Protocol for Decellularizing Mouse Cochleae for Inner Ear Tissue Engineering

Ein Protokoll für einem Maus Cochleae für das Innenohr Tissue Engineering

In mammals, mechanosensory hair cells that facilitate hearing lack the ability to regenerate, which has limited treatments for hearing loss. Current ...

A Protocol for Real-time 3D Single Particle Tracking

Ein Protokoll für Echtzeit-3D Einzelkorn-Tracking

Real-time three-dimensional single particle tracking (RT-3D-SPT) has the potential to shed light on fast, 3D processes in cellular systems. Although ...

Design and Synthesis of a Reconfigurable DNA Accordion Rack

Design und Synthese eines rekonfigurierbaren DNA-Akkordeon-Racks

DNA nanostructure-based mechanical systems or DNA nanomachines, which produce complex nanoscale motion in 2D and 3D in the nanometer to &#229;ngstr&#246;m ...

A Macrophage Reporter Cell Assay to Examine Toll-Like Receptor-Mediated NF-kB/AP-1 Signaling on Adsorbed Protein Layers on Polymeric Surfaces

Ein Makrophagen-Reporter-Zell-Assay zur Untersuchung der toll-like Receptor-vermittelten NF-kB/AP-1-Signalisierung auf adsorbierten Proteinschichten auf polymeren Oberflächen

The persistent inflammatory host response to an implanted biomaterial, known as the foreign body reaction, is a significant challenge in the development ...