Name: a millimeter scale flexural testing system for measuring the mechanical properties of marine sponge spicules
Uploaded: 2017-10-11T15:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about A Millimeter Scale Flexural Testing System for Measuring the Mechanical Properties of Marine Sponge Spicules at JoVE.com

Ce travail a été soutenu par la National Science Foundation [mécanique des matériaux et Structures de programme, octroyer le numéro 1562656] ; et l’American Society of Mechanical Engineers [Haythornthwaite Young Investigator Award].

1. montage et alignement <ol><li>choisir un cantilever dont la raideur est appropriée pour l’expérience envisagée. Fixez le LP sur le levier à l’aide de #4-40 vis à tête (SHCSs) (voir la Figure 3 A). Prenez soin de pas plastiquement déformer les bras cantilever pendant la fixation de la LP.</li>
</ol> <img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56571/56571fig3.jpg" /> figure...

<ol>
	<li>Wegst, U. G., Bai, H., Saiz, E., Tomsia, A. P., 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=Bioinspired+structural+materials.">Bioinspired structural materials.</a> Nat. Mater. 14 (1), 23-36 (2015).</li><li>Meyers, M. A., McKittrick, J., Chen, P. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Structural+biological+materials:+critical+mechanics-materials+connections.">Structural biological materials: critical mechanics-materials connections.</a> Science. 339 (6121), 773-779 (2013).</li><li>Bodde, S. G., Meyers, M. 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D., Fratzl, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bioinspired+Design+Criteria+for+Damage-Resistant+Materials+with+Periodically+Varying+Microstructure.">Bioinspired Design Criteria for Damage-Resistant Materials with Periodically Varying Microstructure.</a> Adv. Funct. Mater. 21 (19), 3634-3641 (2011).</li><li>Weaver, J. C., 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=Unifying+design+strategies+in+demosponge+and+hexactinellid+skeletal+systems.">Unifying design strategies in demosponge and hexactinellid skeletal systems.</a> J. Adhes. 86 (1), 72-95 (2010).</li><li>Walter, S. L., Flinn, B. D., Mayer, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mechanisms+of+toughening+of+a+natural+rigid+composite.">Mechanisms of toughening of a natural rigid composite.</a> Mater. Sci. Eng. 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Plusieurs étapes du protocole sont particulièrement importants de veiller à ce que les forces et les déplacements sont mesurés avec précision. Alors que certaines de ces étapes critiques sont universels à tous les essais de flexion trois points, d’autres sont propres à ce dispositif d’essai mécanique.
À l' étape 1.2 du protocole le miroir LP est nettoyé et inspecté à rayures et à l' étape 1.6 du protocole, le gain de Dom est réglé. Il es...

En étudiant les architectures des porteurs de structures biologiques (LBBSs), comme shell et osseuse, ingénieurs ont mis au point de nouveaux matériaux composites qui sont forts et durs 1. Il a été démontré que les propriétés mécaniques remarquables de LBBSs et de leurs homologues de bio-inspirés sont liées à leurs architectures internes complexes 2. Cependant, les relations entre les architectures LBBS et propriétés mécaniques ne sont pas totalement comprises. Mesurer la réponse mécanique d’un LBBS est la première étape pour comprendre comment son architecture améliore ses propriétés mécaniques.
Cependant, il est important que le type de test utilisé pour mesurer la réponse mécanique d’un LBBS est compatible avec sa fonction mécanique. Par exemple, étant donné que les plumes doivent supporter des charges aérodynamiques, la fonction principale d’un rachis de la plume doit fournir la rigidité en flexion 3. Par conséquent, un essai de flexion est préférable à un essai de tension uniaxiaux pour mesurer sa réponse mécanique. En fait, beaucoup de LBBSs — comme le rachis des plumes 3, herbe tiges 4et spicules 5,6,7,8— principalement déformer en pliant. C’est parce que ces LBBSs sont minces —c'est-à-dire, leur longueur est beaucoup plus grande que leur largeur ou profondeur. Toutefois, effectuer des essais de flexion sur ces LBBSs est difficile car les forces et les déplacements qu’ils peuvent supporter avant d’échouer varient de 10-2 à 102 N et 10-4 à 10-3 m, respectivement 3 , 4 , 5 , 7 , 8. en conséquence, le dispositif utilisé pour effectuer ces essais mécaniques devrait avoir force et déplacement des résolutions de ≈10-5 N et ≈10-7 m (soit 0,1 % d’une force maximale mesurable et le déplacement de la sonde), respectivement.
Disponible dans le commerce à grande échelle, des systèmes de tests mécaniques généralement ne peuvent mesurer forces et déplacements avec cette résolution. Tandis que la force atomique axée sur le microscope 9,10 ou microélectromécaniques axée sur les systèmes 11 dispositifs d’essai ont une résolution suffisante, la force maximale (déplacement respectif), ils peuvent mesurer est inférieure à la force maximale (déplacement respectif) qui résiste à la LBBS. Par conséquent, pour effectuer des essais de flexion sur ces LBBSs, les ingénieurs et les scientifiques doit compter sur mesure mécanique test périphériques 5,7,12,13. Le principal avantage de ces dispositifs sur mesure, c’est qu’elles peuvent accueillir de grandes plages de forces et de déplacements. Cependant, la construction et l’exploitation de ces appareils n'est pas bien documentée dans la littérature.
Un protocole est décrit pour effectuer des essais de flexion trois points à l’aide d’un appareil mécanique sur mesure qui permet de mesurer des forces allant de 10-5 à 101 N et déplacements allant de 10-7 à 10-2 m. Dessins techniques, y compris toutes les dimensions, les composants de l’appareil d’essai mécanique sont fournis dans les documents supplémentaires. Le principal avantage de ce dispositif d’essai mécanique, c’est que les plages de force et de déplacement peuvent être facilement ajustées pour convenir à différents LBBSs. Principe de fonctionnement de l’appareil est similaire à celle d’une microscopie de force atomique 9. Dans ce dispositif, un échantillon est placé dans une tranchée coupée dans une plaque d’acier inoxydable (voir Figure 1A-C). La durée de la tranchée est mesurée à partir de photographies au microscope optiques à 1278 ± 3 µm (moyenne ± écart-type ; n = 10). Les bords de la tranchée prend en charge l’échantillon au cours d’un essai de flexion (voir Figure 1et D). Cette étape de l’échantillon est attachée à un trois axes de positionnement et placée sous une cale en aluminium de sorte que le coin se situe à mi-chemin toutes les étapes de la tranchée (voir Figure 1C). En déplaçant la scène dans le <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq1.jpg"> direction (voir Figure 1 aet C), le spécimen est poussé dans la cale provoquant le spécimen à plier.
Nous nous référons à la cale sous la pointe de point de charge (LPT) et le composant de l’appareil qui contient la cale sous le point de charge (LP). Le LP est fixé à l’extrémité du bras de levier dont déplacement est mesurée par un capteur de déplacement optique de fibre (DOM). Le FODS émet des rayons infrarouges qui se reflète sur un miroir situé sur la surface supérieure de la LP (voir Figure 1B) et reçues par une fibre optique dans les DOM. Un morceau carré de ≈5 mm d’une plaquette de silicium poli est utilisé comme le miroir de LP et est apposé sur le LP avec de l’epoxy. Le FODS mesure déplacements en comparant l’intensité de la lumière émise et réfléchie. La rigidité en porte-à-faux et le déplacement sont utilisés pour calculer la force, <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq2.jpg"> </img>, expérimentés par la cale due à son interaction avec l’échantillon. Le déplacement en porte-à-faux est également utilisé pour calculer le déplacement de la section transversale de l’échantillon sous la cale, <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq3.jpg"> </img>. Capteurs de force basé sur cantilever ont été utilisés dans un certain nombre de micro - et macro-scale mécaniques essais études 10,11,12,13,14. La conception spécifique présentée ici est une adaptation d’un appareil mécanique pour effectuer des expériences de contact adhésif 14. Un design similaire a également été utilisé dans un micro-tribomètre commercialement disponible 15,16.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56571/56571fig1.jpg"> 
Figure 1 : vue d’ensemble de l’appareil de mesure mécanique. (A), A rendu de conception assistée par ordinateur de l’appareil. Les composantes de la scène sont surlignées en vert. La force de détection sous-assemblage (cantilever, point de charge (LP)) est surlignée en rouge. (B) A amplifié vue de (A). Le miroir LP est représentée en bleu sur le dessus de la LP sous le FODS et étiqueté l/min. (C) le système de coordonnées utilisé pour décrire le mouvement de l’étape de traduction. Par nivellement thétape e étape 1.9 du protocole, le <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq1.jpg"> direction faite pour coïncider avec le vecteur normal à la surface du miroir LP. (D), un schéma de la configuration de flexion trois points montrant la déformation du spicule et les déplacements mesurés <img alt="Equation 49" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq49.jpg"> </img>, et <img alt="Equation 50" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq50.jpg"> </img>. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56571/56571fig1large.jpg" target="_blank">S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.</a>
Les capacités de l’appareil sont illustrées en réalisant des essais de flexion trois points sur les éléments squelettiques de l’éponge marine Euplectella aspergillum6,7. Squelette de cette éponge est un assemblage de filaments, appelées spicules (voir la Figure 2A). Les spicules ≈50 µm d’épaisseur et sont composées principalement de silice 6. Axée sur les Biosilica spicules sont trouvent dans les éponges appartenant aux classes Demospongiae, Homoscleromorpha et Hexactinellida. Éponges, comme E. aspergillum, qui appartiennent à la classe Hexactinellida sont également connus comme « les éponges de verre ». Alors que les spicules d’éponges de verre sont composées essentiellement de silice, il a été démontré que la silice contienne souvent une matrice organique composée de soit collagène 17,18 ou chitine 19,20 , 21. cette matrice organique joue un rôle important dans la silice de 18,biomineralization20. En outre, dans certains spicules la matrice organique sert aussi comme un modèle pour la biominéralisation du calcium 22. En plus d’être distribué au sein de la silice, la matrice organique peut aussi former des couches distinctes qui partitionnent la silice de spicule en lamelles concentriques, cylindrique 6,23. Il a été démontré que cette architecture concentrique, lamellaire peut affecter déformation comportement 6,7,8,24,25,26 des spicules . Par conséquent, les propriétés mécaniques des spicules sont déterminées par une combinaison de leur composition chimique (i.e., la structure chimique du composite silice-protéine) et leur architecture 27. La structure chimique et l’architecture de verre les spicules des éponges sont toujours sous enquête 24,28,29.
La plupart des spicules dans E. aspergillum est cimentée pour former une cage squelette rigide. Toutefois, à la base du squelette il y a une touffe de très longtemps les spicules (≈10 cm) appelés les spicules d’ancrage (voir la Figure 2A). Les auteurs décrivent le protocole permettant d’effectuer des essais de flexion trois points sur une petite section des spicules d’ancrage.
À l' étape 1 du protocole, la procédure d’assemblage et d’aligner les composants de l’appareil d’essai mécanique sur mesure est décrite. Étapes 2 et 4 du protocole fournissent des instructions pour générer données d’étalonnage utilisées pour calculer les forces et les déplacements dans l’essai de flexion. Les mesures prises pour préparer une section d’un spicule et monter sur le montage d’essai sont décrits à l’étape 3. La procédure des essais de flexion sur la section de spicule est décrite à l’étape 5. Enfin, dans la section Résultats représentant les données d’étalonnage obtenues aux étapes 2 et 4 sont utilisées ainsi que les données de test flexion obtenues à l’étape 5 pour calculer <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq2.jpg"> et <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq3.jpg"> </img>.
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56571/56571fig2.jpg"> 
Figure 2 : Procédure pour sectionnement et inspection des spicules aspergillum e. (A) le squelette d’e. aspergillum. La touffe de spicules d’ancrage autoportant est montrée à la base du squelette. La barre d’échelle est de ~ 25 mm. (B) un spicule seule ancre est maintenu en place sur une lame de microscope avec un pinceau de martre #00000 rouge et sectionnés à l’aide d’une lame de rasoir. La barre d’échelle est ~ 12 mm (C) une section d’un spicule aspergillum E. placée dans la tranchée sur la scène de l’échantillon. Les bords de la tranchée et la crête de la tranchée sont surlignées en bleu sarcelle et orange, respectivement. Le spicule est poussé contre la crête de tranchée à faire en sorte que son axe est perpendiculaire sur les bords de la tranchée. (D) une micrographie d’un spicule qui passe la procédure de contrôle décrite à l' étape 3.4 du protocole, qui explique comment déterminer si une section de spicule est endommagée et doit être jetée. (E), une micrographie d’un spicule contenant plusieurs fissures et manque de larges pans des couches de silice qui ne permettrait pas la procédure de contrôle décrite à l' étape 3.4 du protocole. Barreaux de l’échelle = 250 µm (C), 100 µm (D) et 100 µm (E). <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56571/56571fig2large.jpg" target="_blank">S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.</a>

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>TMC 36&#34; x 48&#34; isolation table with 4&#34; CleanTop breadboard</td>
			<td>TMC</td>
			<td>63-563</td>
			<td>Isolation Table</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Diffeential Screw Adjuster</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>DAS110</td>
			<td>For stage leveling plate</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1&#34; Travel Micrometer Head with 0.001&#34; Graduations</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>150-801ME</td>
			<td>For stage leveling plate</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Right-Angle Bracket for PT Series Translation Stages, 1/4&#34;-20 Mounting Holes</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>PT102</td>
			<td>For microscope mount</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1&#34; Dovetail Translation Stage, 1/4&#34;-20 Taps</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>DT25</td>
			<td>For microscope mount</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1&#34; Translation Stage with 1/4&#34;-170 Adjustment Screw, 1/4&#34;-20 Taps</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>PT1B</td>
			<td>For microscope mount</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>12&#34; Length, Dovetail Optical Rail</td>
			<td>Edmund Optics</td>
			<td>54-401</td>
			<td>For microscope mount</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>2.5&#34; Width, Dovetail Carrier</td>
			<td>Edmund Optics</td>
			<td>54-404</td>
			<td>For microscope mount</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>0.5&#34; Width, Dovetail Carrier</td>
			<td>Edmund Optics</td>
			<td>54-403</td>
			<td>For microscope mount</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>InfiniTube Mounting C-Clamp with &#188;-20</td>
			<td>Edmund Optics</td>
			<td>57-788</td>
			<td>Microscope component</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Standard (with no In-Line Attachment), InfiniTube</td>
			<td>Edmund Optics</td>
			<td>56-125</td>
			<td>Microscope component</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Standard In-Line Attachment (Optimized at 2X-10X), InfiniTube</td>
			<td>Edmund Optics</td>
			<td>56-126</td>
			<td>Microscope component</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mitutoyo/Achrovid Objective Adapter (M26 to M27)</td>
			<td>Edmund Optics</td>
			<td>53-787</td>
			<td>Microscope component</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>5X Infinity Achrovid Microscope Objective</td>
			<td>Edmund Optics</td>
			<td>55-790</td>
			<td>Microscope component</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>0.316&#34; ID, Fiber Optic Adapter SX-6</td>
			<td>Edmund Optics</td>
			<td>38-944</td>
			<td>Microscope component</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>&#188;&#34; x 36&#34;, Flexible Fiber Optic Light Guide</td>
			<td>Edmund Optics</td>
			<td>42-347</td>
			<td>Microscope component</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>115V, MI-150 Fiber Optic Illuminator w/IR Filter and Holder</td>
			<td>Edmund Optics</td>
			<td>55-718</td>
			<td>Microscope component</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Allied Vision Manta G-223 2/3&#34; Color CMOS Camera</td>
			<td>Edmund Optics</td>
			<td>88-452</td>
			<td>Microscope component</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Power Supply for Manta/ Guppy Pro/ Stingray/ Pike</td>
			<td>Edmund Optics</td>
			<td>68-586</td>
			<td>Microscope component</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1/4&#34; Travel Single Axis Translation Stage</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>MS1S</td>
			<td>FODS micrometer</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Analog Reflectance Dependent Fiber Optic Displacement Sensor</td>
			<td>Philtec</td>
			<td>D20</td>
			<td>FODS</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>30V, 3A DC Power Supply</td>
			<td>Agilent</td>
			<td>U8001A</td>
			<td>Power supply for DAQ and FODS</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>14-Bit, 48 kS/s Low-Cost Multifunction DAQ</td>
			<td>National Instruments</td>
			<td>USB-6009</td>
			<td>DAQ for FODS</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Three Axis Motorized Translation Stage</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>Thorlabs T25 XYZ-E/M</td>
			<td>Translation stage</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>T-Cube DC Servo Motor Controller</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>TDC001</td>
			<td>Motor controller for stage</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>T-Cube Power Supply</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>TPS001</td>
			<td>Power supply for motor controller</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>National Instruments LabVIEW (2013 SP1)</td>
			<td>National Instruments</td>
			<td></td>
			<td>Used for running software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>National Instruments LabVIEW Vision Acquisition Software (2016)</td>
			<td>National Instruments</td>
			<td></td>
			<td>Used for running software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Nikon Eclipse Ci-POL Main Body</td>
			<td>MVI</td>
			<td>MDA96000</td>
			<td>Polarized light microscope</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Nikon Pi Intermediate Tube with Analyzer Slider</td>
			<td>MVI</td>
			<td>MDB45305</td>
			<td>Polarized light microscope</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Nikon Dia-Polarizer</td>
			<td>MVI</td>
			<td>MDN11920</td>
			<td>Polarized light microscope</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Power Cord - 7&#39;6&#34;</td>
			<td>MVI</td>
			<td>79035</td>
			<td>Polarized light microscope</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Nikon P-Amh Mechanical Stage</td>
			<td>MVI</td>
			<td>MDC45000</td>
			<td>Polarized light microscope</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Nikon Lwd Achromat Condenser</td>
			<td>MVI</td>
			<td>MBL16100</td>
			<td>Polarized light microscope</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Nikon LV-NBD5BD-CH Manual Quint Nosepiece ESD</td>
			<td>MVI</td>
			<td>MBP60125</td>
			<td>Polarized light microscope</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Nikon C-TF Trinocular Tube F</td>
			<td>MVI</td>
			<td>MBB93100</td>
			<td>Polarized light microscope</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Nikon CFI 10X Eyepiece FN 22mm NC</td>
			<td>MVI</td>
			<td>MAK10110</td>
			<td>Polarized light microscope</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Nikon TU Plan Flour BD 10x Objective</td>
			<td>MVI</td>
			<td>MUE42100</td>
			<td>Polarized light microscope</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Venus Flower Basket Sponge</td>
			<td>Denis Brand</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Sponge skeleton</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>3.5X Headband Flip-Up Magnifier</td>
			<td>McMaster Carr</td>
			<td>1490T5</td>
			<td>Used for spicule sectioning</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>&#216;1&#34; Silicon Wafer, Type P / &#60;100&#62;</td>
			<td>Ted Pella</td>
			<td>16011</td>
			<td>Used for load point mirror</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Low Lint Tapered Tip Cotton Swab</td>
			<td>McMaster Carr</td>
			<td>71035T31</td>
			<td>Used for cleaning LP mirror</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Rubber grip precision knife</td>
			<td>McMaster Carr</td>
			<td>35575A68</td>
			<td>Used for sectioning spicules</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Microscope Slides, frosted end, 75 x 25 x 1mm</td>
			<td>Ted Pella</td>
			<td>260409</td>
			<td>Used for sectioning spicules</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sable Brushes, #00000, 0.08mm W x 4.0mm L</td>
			<td>Ted Pella</td>
			<td>11806</td>
			<td>Used for handling spicules</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PELCO Pro High Precision Tweezers, extra fine tips, superior finish</td>
			<td>Ted Pella</td>
			<td>5367-5NM</td>
			<td>Used for handling spicules</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dual Axis Linear Scale Micrometer</td>
			<td>Edmund Optics</td>
			<td>58-608</td>
			<td>Used for calibrating the microscopes</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>FLEX-A-TOP FT-38 CAS</td>
			<td>ESD Plastic Containers</td>
			<td>FT-38-CAS</td>
			<td>Used for storing spicules</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Plastic Vial Bullseye Level</td>
			<td>McMaster Carr</td>
			<td>2147A11</td>
			<td>Used for leveling the stage</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Analytical Balance</td>
			<td>Mettler Toledo</td>
			<td>MS105DU</td>
			<td>Used to mass calibration weights</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

a millimeter scale flexural testing system for measuring the mechanical properties of marine sponge spicules

Beaucoup de charge portant des structures biologiques (LBBSs) — comme le rachis des plumes et des spicules — sont de petite taille (&#60; 1 mm) mais pas microscopiques. Mesurer le comportement en flexion de ces LBBSs est important pour comprendre les origines de leurs fonctions mécaniques remarquables.
Les auteurs décrivent un protocole pour effectuer des essais de flexion trois points à l’aide d’un appareil mécanique sur mesure qui permet de mesurer des forces allant de 10-5 à 101 N et déplacements allant de 10-7 à 10-2 m. Le principal avantage de ce dispositif d’essai mécanique, c’est que les capacités de la force et le déplacement peuvent être facilement ajustées pour différentes LBBSs. Principe de fonctionnement de l’appareil est similaire à celle d’un microscope à force atomique. À savoir, la force est appliquée au LBBS par un point de charge qui est attaché à l’extrémité du bras de levier. Le déplacement de point de charge est mesuré par un capteur de déplacement optique de fibre et transformé en une force à l’aide de la rigidité mesurée en porte-à-faux. Gamme de force de l’appareil peut être réglé à l’aide de leviers de raideurs différentes.
Les capacités de l’appareil sont illustrées en réalisant des essais de flexion trois points sur les éléments squelettiques de l’éponge marine Euplectella aspergillum. Les éléments squelettiques — appelées spicules — sont des fibres de silice qui sont environ de 50 µm de diamètre. Nous décrivons les procédures pour l’étalonnage de l’appareil mécanique, les spicules de montage sur un appareil de flexion trois points avec une envergure de mm ≈1.3, et effectuer une flexion test. La force exercée sur le spicule et sa déformation à l’emplacement de la force appliquée sont mesurés.

Les sorties plus fondamentales de tous les essais mécaniques sont l’ampleur de la force exercée sur l’échantillon et le déplacement à l’endroit où la force est appliquée. Dans le cas d’un essai de flexion trois points, l’objectif est d’obtenir la magnitude de la force appliquée par la turbine BP, <img alt="Equation 13" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq13.jpg"> </img>et le déplacement de la section transversale de l’échantillon sous la turbine BP dans le <img alt...

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A Millimeter Scale Flexural Testing System for Measuring the Mechanical Properties of Marine Sponge Spicules

Nous présentons un protocole permettant d’effectuer des essais de flexion trois points sur les fibres d’échelle submillimétrique en utilisant un dispositif mécanique sur mesure. L’appareil permet de mesurer des forces allant de 20 µN jusqu'à 10 N et peut donc accueillir une variété de tailles de fibres.

Un système de test en flexion millimètre pour mesurer les propriétés mécaniques des Spicules d’éponges marines

Many load bearing biological structures (LBBSs)&#8212;such as feather rachises and spicules&#8212;are small (&#60;1 mm) but not microscopic. Measuring the ...

The overall goal of this experiment is to measure the flexural behavior of fibers whose diameters are between 10 and 100 micrometers. This method can help answer key questions about the mechanical behavior of biological structures, such as the strength and stiffness properties of marine sponge spicules. The main advantage of this technique is that it can be used to measure the mechanical behavior of a wide variety of materials with different sizes and elastic properties.Though this method can provide insight into the mechanical behavior of spicules, it can also be applied to other loading-bearing biological structures, such as plant stems and feather rachises. To begin, attach the load point to the cantilever, using number 4-40 socket head cap screws. Take care not to plastically deform the cantilever arms while attaching the load point.Then, position the load point tip away from the cantilever plate, and loosely attached the cantilever to the plate, using number 6-32 socket head cap screws. Next, insert the 1/8-inch alignment pins through the cantilever and plate, tighten the screws, and then remove the alignment pins. Retract the fiber optic displacement sensor as much as possible by turning the sensor micrometer counterclockwise.Then, loosely attach the cantilever plate to the frame, using number 6-32 socket head cap screws with the load point tip pointing in the negative z-direction. Again, insert the 1/8-inch alignment pins, this time through the frame and cantilever plate, tighten the screws, and then remove the alignment pins. Now, seat the stage on the stage baseplate so that the tips of the micrometer heads on the leveling plate rest in the stage base plate divots.Place a bubble level on the isolation table, and adjust the pressure in each of the table's legs by turning the valve arm thumb screws so that the surface is level. Move the bubble level to the top of the stage leveling plate, and adjust the micrometer so that it is also level. Note the micrometer positions, and remove the stage from the stage baseplate.Use a pair of tweezers to grasp one anchor spicule by its distal end, and pull to remove it from the skeleton. Place the spicule on a clean microscope slide. Using a quintuple zero size red sable brush, hold the spicule against the slide.Cut a four millimeter section of the spicule by pushing a razor blade against the spicule on either side of the brush, perpendicular to the slide surface. Then, discard the distal and proximal spicule sections, and keep the four millimeter section cut from the midpoint. Transfer the spicule section to the sample stage.Position it across the trench with the desired span for the bending test, and gently push it in the positive y-direction against the trench ridge to ensure that the spicule is perpendicular to the trench edges. Seat the stage on the stage baseplate so that the tips of the micrometer spindles rest in the stage baseplate divots. If needed, adjust the micrometers on the stage leveling plate.Open the Bending Test program found in the supplementary code file, and set the Step Size to two micrometers, the Maximum Displacement to 0.5 millimeters, the Low Voltage Stop to 1.5 volts, and the High Voltage Stop to 4.6 volts, using the text boxes shown in the user interface. Select the desired image, data directories, and the output file name, using the text boxes in the user interface. Then, set the Save Images switch in the user interface to the down position, and click the green rectangular button below the words Voltage Difference so that it becomes illuminated.Now, run the Bending Test program, and wait for the motor controller and camera interfaces to initialize. Turn on the illuminator, and adjust the brightness so that the load point tip is visible. Then, turn the fiber optic displacement sensor micrometer clockwise until the output voltage displayed in the user interface graph is about 1.7 volts.Now, use the potentiometer slider on the z-axis motor controller to move the stage in the positive z-direction until it is about one centimeter below the load point tip, and set the z-axis home position by clicking the Home button. Use the potentiometer sliders on the x-and y-axis motor controllers to position the load point tip over the center of the thin steel strip located on the sample stage in the negative x-direction from the trench. Then, use the potentiometer slider on the z-axis motor controller to move the stage in the positive z-direction until the stage is within the microscope's field of view.Click the button labeled Begin Test, and when prompted, enter values of 0.003 volts and 0.001 millimeters for touch sensitivity and touch-off step size, respectively. Click OK, and wait several minutes for the calibration step to finish. Open and run the Basic Data program found in the supplementary code file, and turn the fiber optic displacement sensor micrometer counterclockwise until the output voltage displayed on the user interface graph is approximately three volts.Then, use the potentiometer slider on the x-axis motor controller to position the load point tip between the trench edges above the spicule. Also, use the potentiometer slider on the z-axis motor controller to move the stage in the positive z-direction until the load point tip is below the top surface of the trench ridge. Finally, use the potentiometer slider on the y-axis motor controller to bring the front surface of the trench ridge into focus so that the complete width of the load point tip is between the edges of the trench ridge.Then, stop the Basic Data program by clicking the Stop button. Next, open and run the Center Load Point program, as found in the supplementary code file. Use the x-axis motor controller to move the stage until the load point tip is nearly in contact with the right trench edge.Then, click on the Find Edge button. When prompted, use the x-axis motor controller to move the stage until the load point tip is nearly in contact with the left trench edge. At this point, click on the Find Edge button again, and wait for the program to position the load point tip midway across the trench span.Next, open the Bending Test program. Set the Step Size to two micrometers, Maximum Displacement to 0.5 millimeters, Low Voltage Stop to 1.5 volts, and High Voltage Stop to 4.5 volts using the text boxes in the user interface. Additionally, select the desired image and data directories and the output file name, using the text boxes in the user interface.Set the Save Images switch in the user interface to the up position, and click the green rectangular button below words Voltage Difference so that it is not illuminated. Then, run the Bending Test program, and wait for the motor controller and camera interfaces to initialize. Once initialized, move the stage in the positive z-direction, using the potentiometer slider on the motor controller, until the spicule is within the microscope's field of view.Then, user the potentiometer slider on the y-axis motor controller to move the stage until the spicule is under the load point tip. Next, adjust the microscope focus knob so that the spicule is in focus in the user interface. Then, turn the fiber optic displacement sensor micrometer counterclockwise until the output voltage is approximately 1.8 volts.Once set, click on Begin Test, and wait until the bending test is completed and the stage returns to the z-axis home position. The displacement of the spicule in the z-direction and the force applied by the load point tip can be computed using the voltage-displacement interpolation file, the force calibration file, and the bending test file obtained from the three-point bending test. The voltage-displacement interpolation file is used to measure the cantilever displacement during the bending test.To estimate the stiffness of the cantilever, the force calibration is used, which is then used to relate the cantilever displacement to the force applied by the load point tip. Taken together, these can be used to create the force displacement responses. Shown here, are three different E.aspergillum anchor spicules from successful three-point bending tests.Once mastered, a bending test can be performed with this device in approximately 10 to 15 minutes. The most important aspect of this procedure is ensuring that the spicule is properly seated on the stage and that its axis is perpendicular to the trench edges. Three-point bending tests provide a relatively simple way for researchers studying load-bearing biological structures to gain insight into their mechanical behavior.Following the bending test, beam theories can be used to compute the spicules Young's modulus and fracture strength from the force displacement data.

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