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.
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.
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.
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.
The authors have nothing to disclose.
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.
Epoxy resin | Buehler | 701-501512 | |
Epoxy hardener | Buehler | 703-501528 | |
Samplkups | Buheler | 20-8180 | |
SamplKlips I | Buehler | 20-4100-100S | |
High precision cut-off saw | Buehler | Isomet | |
UltraMet 2002 sonic cleaner | Buehler | B2510R-MT | |
Polisher | Buehler | 49-1750-160 | |
1200 grit (15-um) SiC paper | Struers | 40400012 | |
4000 grit (6-um) SiC paper | Struers | 40400014 | |
50-nm colloidal silica | Buehler | 40-10075 | |
Chemomet polishing pad for 50-nm suspension | Buehler | 40-7918 | |
Nanoindenter | MTS | G200 | |
FTIR continuum microscope | Thermo Nicollet | 6700 | |
X-ray Computed Tomography | Skyscan | Skyscan 1173 | |
SEM | FEI | NovaNanoSEM 630 | |
EDX | Bruker | AXS Xflash detector 4010 | |
Sputter Coater | Denton | Desk II |