Протокол для биоинспирированных Design: A Цокольный пробоотборник на основе морского ежа Челюсти
Summary
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.
Abstract
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.
Introduction
Поля биологии, биологические науки о материалах, биоматериалы, биоинженерии и биохимия используют премьерные научные методы и умы в попытке обеспечить более глубокое понимание невероятной природы. Это исследование объяснил многие из самых удивительных биологических структур и организмов; от внутренней прочности кости человека 1,2 до большого клюва тукан 3. Тем не менее, большая часть этих знаний трудно использовать таким образом, что может обеспечить выгоду для общества. В результате, касательное поле bioinspiration использует уроки, извлеченные из природы современных материалов для решения общих проблем. Примеры включают супергидрофобные поверхности , навеянные 4-6 листьев лотоса, клейкие поверхности , навеянные ног гекконов и насекомых 7,8, жесткая керамика , вдохновленные перламутра из ушка 9-11 и биопсии комбайнов , вдохновленных мундштука морского ежа, а также знатьп , как фонарь Аристотеля 12,13.
Морские ежи являются беспозвоночные животные, покрытые шипами, чья среда обитания наиболее часто состоит из скалистых мест на дне океана. Тело (так называемый тест) в крупнейших видов ежей может быть более 18 см в диаметре; размер тест в розовых морских ежей (Strongylocentrotus ломкая) исследовали в данном исследовании , может вырасти до диаметром 10 см. Фонарь Аристотеля состоит из пяти зубов преимущественно карбоната кальция , поддерживаемых пирамидальных структур , состоящих из минерализованной ткани и расположены в куполообразной формирования , которые окружают все , кроме дистальных шлифования кончики зубов (Рис . 1А)
Мышца структура челюсти способна эффективно жевать и очищая даже против жестких океанических пород и кораллов. Когда челюсти открыты, зубцы выступают наружу, и когда челюсти близко, зубы убирается внутрь в одном гладком движении. Сравнение между primitivе (выше) и современные (ниже) морского ежа зуба сечения (рис 1B) указывает на то, что завалился зуб эволюционировали , чтобы укрепить зуб при шлифовке против твердых субстратов. Каждый зуб имеет слегка выпуклую кривизну и Т-образную морфологию в поперечной плоскости (перпендикулярной направлению роста) в связи с продольно прикрепленным килем (рис 1C, D).
Bioinspiration начинается с наблюдения интересных природных явлений, таких как эффективное движение жевательную фонаря Аристотеля в морских ежей. Эта естественная структура изначально пленила Аристотеля, потому что она напоминала ему рог фонаря с Стекла рога опущены. Более двух тысячелетий спустя, Скарпа был очарован сложностью фонарем Аристотеля , что он и позже Trogu имитирующий естественное движение жевательную используя только бумагу и резиновых полос (рис 2А) 15,16. Точно так же, Елинек был биоинспирированных в Cрубать движение фонаря Аристотеля и разработал лучшую харвестер биопсии , которая может безопасно изолировать опухолевой ткани без распространения раковых клеток (рис 2B, C) 12,13. В этом случае биоинспирированных конструкция была использована, чтобы сделать биомедицинского устройства, которые соответствуют особой необходимости требуемого применения.
Протокол дизайн, описанный здесь относится к наносов пробоотборник биоинспирированных морскими ежами. Через биологические науки о материалах, естественная структура фонаря Аристотеля характеризуется. Биоинспирированных дизайн определяет потенциальные возможности применения, где природные механизмы могут быть улучшены за счет использования современных материалов и технологий изготовления. Окончательный дизайн повторно рассмотрен через призму bioexploration, чтобы понять, как естественная структура зуба эволюционировали (Рисунок 3). Последний шаг bioexploration, предложенный Портером 17,18, использует методы инженерного анализа на еXplore и объяснить биологические явления. Все важные этапы процесса bioinspiration представлены в качестве примера для освоения технологии, будетодобрен по своей природе, которые могут быть использованы для решения современных проблем. Наш протокол, руководствуясь предыдущими процедурами bioinspiration , представленных для конкретных приложений по Арцт 7, предназначена для биологов, инженеров и всех , кто вдохновлен природой.
Protocol
Representative Results
Discussion
Морские ежи используют фонарь Аристотеля (рис 1А) для различных функций (кормления, расточные, роторные и т.д.). Окаменелостей указывает на то, что фонарь развивалась по форме и функции от самого примитивного типа cidaroid к типу camarodont современных морских ежей 14. Cidaroid фона?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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.
Materials
| BUEHLERMET II 8 PLN 600/P1200 | Buehler | 305308600102 | Abrasive paper for polishing |
| TRIDENT POLISH CLOTH 8" PSA | Buehler | 407518 | Polish cloth for 3 um suspension |
| METADI SUPREME POLY SUSP,3MIC | Buehler | 406631 | Polish suspension (3 um) |
| MICROCLOTH FOR 8 IN WHEEL PSA | Buehler | 407218 | Polish cloth for 50 nm suspension |
| MASTERPREP SUSPENSION, 6 OZ | Buehler | 636377006 | Polish suspension (50 nm) |
| Skyscan 1076 micro-CT Scanner | Bruker | Micro-CT scanner equipment | |
| Amira software | FEI Visualization Sciences Group | Software for 3D manipulation of Micro-CT scans | |
| FEI Philips XL30 | FEI Philips | ESEM equipment for characterization of polished tooth cross-sections | |
| SolidWorks Design software | Dassault Systems | Design software for CAD drawing bioinspired device | |
| SolidWorks Simulation software | Dassault Systems | Simulation software for stress test of CAD drawing bioinspired device | |
| Dimension 1200es | Stratasys | 3D printer for fabrication of bioinspired device from CAD drawing | |
| ABSplus | Stratasys | 3D printer plastic |
References
- Nalla, R. K., Kruzic, J. J., Ritchie, R. O. On the origin of the toughness of mineralized tissue: Microcracking or crack bridging?. Bone. 34 (5), 790-798 (2004).
- Ritchie, R. O., Buehler, M. J., Hansma, P. Plasticity and toughness in bone. Physics Today. 62 (6), 41-47 (2009).
- Seki, Y., Schneider, M. S., Meyers, M. A. Structure and mechanical behavior of a toucan beak. Acta Mater. 53 (20), 5281-5296 (2005).
- Feng, L., et al. Super-hydrophobic surfaces: From natural to artificial. Adv. Mater. 14 (24), 1857-1860 (2002).
- Sun, T. L., Feng, L., Gao, X. F., Jiang, L. Bioinspired surfaces with special wettability. Acc. Chem. Res. 38 (8), 644-652 (2005).
- Feng, X. J., Jiang, L. Design and creation of superwetting/antiwetting surfaces. Adv. Mater. 18 (23), 3063-3078 (2006).
- Arzt, E. Biological and artificial attachment devices: Lessons for materials scientists from flies and geckos. Mat. Sci. Eng. C. 26 (8), 1245-1250 (2006).
- Geim, A. K., Dubonos, S. V., Grigorieva, I. V., Novoselov, K. S., Zhukov, A. A., Shapoval, S. Y. Microfabricated adhesive mimicking gecko foot-hair. Nat. Mater. 2 (7), 461-463 (2003).
- Munch, E., Launey, M. E., Alsem, D. H., Saiz, E., Tomsia, A. P., Ritchie, R. O. Tough, bio-inspired hybrid materials. Science. 322 (5907), 1516-1520 (2008).
- Launey, M. E., et al. Designing highly toughened hybrid composites through nature-inspired hierarchical complexity. Acta Mater. 57 (10), 2919-2932 (2009).
- Launey, M. E., Munch, E., Alsem, D. H., Saiz, E., Tomsia, A. P., Ritchie, R. O. A novel biomimetic approach to the design of high-performance ceramic-metal composites. J. R. Soc. Interface. 7 (46), 741-753 (2010).
- Jelinek, F., Smit, G., Breedveld, P. Bioinspired spring-loaded biopsy harvester-Experimental prototype design and feasibility tests. J. Med. Devices. 8 (1), 015002 (2014).
- Jelinek, F., Goderie, J., van Rixel, A., Stam, D., Zenhorst, J., Breedveld, P. Bioinspired crown-cutter-The impact of tooth quantity and bevel type on tissue deformation, penetration forces, and tooth collapsibility. J. Med. Devices. 8 (4), 041009 (2014).
- Reich, M., Smith, A. B. Origins and biomechanical evolution of teeth in echnoids and their relatives. Palaeontology. 52 (5), 1149-1168 (2009).
- Scarpa, G. . Modelli di Bionica, Capire la Natura Sttraverso i Modelli. , (1985).
- Trogu, P. Bionics and Design: Pure and Applied Research. , (2014).
- Porter, M. M., Adriaens, D., Hatton, R. L., Meyers, M. A., McKittrick, J. M. Bioexploration: How engineering designs help elucidate the evolution of seahorse tails. , (2015).
- Porter, M. M. . Bioinspired Design: Magnetic Freeze Casting. , (2014).
- De Ridder, C., Lawrence, J. M. Food and feeding mechanisms: Echinoidea. Echinoderm Nutrition. , (1982).
- Killian, C. E., et al. Self-sharpening mechanism of the sea urchin tooth. Adv. Funct. Mater. 21 (4), 682-690 (2011).
- Kier, P. M. Evolutionary trends and their functional significance in the post-paleozoic echinoids. J. Paleo. 48 (3), 1-95 (1974).
- Wang, R. Z., Addadi, L., Weiner, S. Design strategies of sea urchin teeth: structure, composition and micromechanical relations to function. Phil. Trans. R. Soc. B: Biol. Sci. 352 (1352), 469-480 (1997).
- Ma, Y., et al. The grinding tip of the sea urchin tooth exhibits exquisite control over calcite crystal orientation and Mg distribution. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 106 (15), 6048-6053 (2009).
- Markel, K., Gorny, P., Abraham, K. Microstructure of sea urchin teeth. Fortschritte der Zoologie. 24 (2-3), 103-114 (1977).
- Andrietti, F., MD, C. a. r. n. e. v. a. l. i. . C. a. n. d. i. a., Wilkie, I. C., Lanzavecchia, G., Melone, G., Celentano, F. C. Mechanical analysis of the sea-urchin lantern: the overall system in Paracentrotus lividus. J. Zool., London. 220, 345-366 (1990).
- Ellers, O., Telford, M. Forces generated by the jaws of Clypeasteroids (Echinodermata: Echionoidea). J. Exp. Biol. 155, 585-603 (1991).
- Candia Carnevali, M. D., Wilkie, I. C., Lucca, E., Andrietti, F., Melone, G. The Aristotle’s lantern of the sea-urchin Stylocidaris affinis (Echinoida, Cidaridae): functional morphology of the musculo-skeletal system. Zoomorphology. 113 (3), 173-189 (1993).
- Wilkie, I. C., Candia Carnevali, M. D., Andrietti, F. Mechanical properties of sea-urchin lantern muscles: a comparative investigation of intact muscle groups in Paracentrotus lividus (Lam) and Stylocidaris affinis (Phil) (Echinodermata, Echinoidea). J. Comp. Physiol. B. 168 (3), 204-212 (1998).
- Witze, A. NASA plans Mars sample-return rover. Nature. 509 (7500), 272 (2014).
