En Millimeter skala böjhållfasthet testsystem för att mäta de mekaniska egenskaperna hos marina svampen benbalkar
Summary
Vi presenterar ett protokoll för att utföra tre-punkt böjande tester på sub millimeter skala fibrer med hjälp av en specialbyggd mekaniska provanordningen. Enheten kan mäta krafter alltifrån 20 µN upp till 10 N och rymmer därför en mängd fiber storlekar.
Abstract
Många laddar med biologiska strukturer (LBBSs) — såsom fjäder rachises och benbalkar — är små (< 1 mm) men inte mikroskopiska. Mäta dessa LBBSs böj beteende är viktigt för att förstå ursprunget till deras anmärkningsvärda mekaniska funktioner.
Vi beskriver ett protokoll för utföra trepunkts böjande tester med hjälp av en specialbyggd mekaniska tester enhet som kan mäta tvingar allt från 10-5 till 101 N och förskjutningar som sträcker sig från 10-7 till 10-2 m. Den främsta fördelen med denna mekaniska provanordningen är att den kraft och deplacement kapaciteten kan enkelt justeras för olika LBBSs. Enhetens funktionsprincip är liknande till det av en atomic force mikroskopet. Nämligen, anbringas till LBBS av en Last punkt som är kopplad till slutet av en fribärande. Last punkt förskjutningen mäts av en fiber optic deplacement sensor och omvandlas till en kraft som med hjälp av uppmätta fribärande styvheten. Enhetens kraft utbud kan justeras med hjälp av utliggare av olika stiffnesses.
Enhetens kapacitet demonstreras genom att utföra tre-punkt böjande tester på skelettet elementen i den marina svampen Euplectella aspergillum. De skeletala element — kallas benbalkar — är kiseldioxid fibrer som är cirka 50 µm i diameter. Vi beskriva förfarandena för att kalibrera mekaniska provanordningen, montering av benbalkar på en tre-punkt böjande fixtur med en ≈1.3 mm spännvidd och utför en böjning testa. Kraft som appliceras till spikul och dess böjning på platsen för den tillämpliga kraften mäts.
Introduction
Genom att studera arkitekturerna av bärande biologiska strukturer (LBBSs), såsom skal och ben, har ingenjörer utvecklat nya kompositmaterial som är både stark och tuff 1. Det har visats att de anmärkningsvärda mekaniska egenskaperna hos LBBSs och deras motsvarigheter i bio-inspirerade är relaterade till deras intrikata inre arkitekturer 2. Relationerna mellan LBBS arkitekturer och mekaniska egenskaper är dock inte helt klarlagda. Mäta en LBBS mekanisk svar är det första steget mot förståelse hur dess arkitektur förbättrar dess mekaniska egenskaper.
Det är dock viktigt att typ av test som används för att mäta en LBBS mekanisk svar är förenlig med dess mekaniska funktion. Till exempel eftersom fjädrar måste stödja aerodynamiska laster, är en fjäder rachis primära funktion att ge böj styvhet 3. En böjande test är därför Rekommenderad ett enaxligt spänning test för att mäta dess mekaniska svar. I själva verket många LBBSs — såsom fjäder rachises 3, gräs härrör 4och benbalkar 5,6,7,8— främst deformeras genom att böja. Detta beror på att dessa LBBSs är smala —dvsderas längd är mycket större än deras bredd eller djup. Dock utföra böjande tester på dessa LBBSs är en utmaning eftersom de krafter och förskjutningar som de tål innan sträcker sig från 10-2 till 102 N och 10-4 till 10-3 m, respektive 3 , 4 , 5 , 7 , 8. Följaktligen enheten används för att utföra dessa mekaniska tester bör ha kraft och deplacement resolutioner ≈10-5 N och ≈10-7 m (dvs. 0,1% av sensorns maximala mätbara kraft och förskjutning), respektive.
Kommersiellt tillgängliga, storskalig, mekaniska test system vanligtvis inte kan mäta krafter och förskjutningar med denna resolution. Medan atomic force Mikroskop-baserade 9,10 eller mikroelektromekaniska system-baserade 11 testning enheter har tillräcklig upplösning, den högsta kraft (respektive förskjutning) som de kan mäta är mindre än den maximal kraft (respektive förskjutning) som LBBS tål. Därför, för att utföra böjande tester på dessa LBBSs, ingenjörer och forskare måste lita på specialbyggda mekanisk provning enheter 5,7,12,13. Den främsta fördelen med dessa specialbyggda enheter är att de rymmer stort spänner av krafter och förskjutningar. Emellertid, byggande och drift av dessa enheter är inte väldokumenterad i litteraturen.
Ett protokoll är beskrev trepunkts böjande tester med hjälp av en specialbyggd mekaniska tester enhet som kan mäta styrkor alltifrån 10-5 till 101 N och förskjutningar som sträcker sig från 10-7 till 10-2 m. Tekniska ritningar, inklusive alla dimensioner, komponenter i mekaniska provanordningen finns i det kompletterande materialet. Den främsta fördelen med denna mekaniska provanordningen är att kraft och deplacement spänner kan enkelt justeras för att passa olika LBBSs. Enhetens funktionsprincip är liknande till det av en atomic force Mikroskop 9. I denna enhet, ett provexemplar placeras över ett dike som skär i en rostfri plåt (se figur 1A-C). Loppet av diket mäts från optiska micrographs vara 1278 ± 3 µm (medelvärde ± standardavvikelse; n = 10). Diket kanterna stöder preparatet under ett böjande test (se figur 1 coch D). Detta prov skede är kopplad till en tre-axeln översättning scenen och placerad under en aluminium kil så att kilen ligger halvvägs över dikets span (se figur 1C). Genom att flytta scenen i den 
riktning (se figur 1A, och C), preparatet är införd i kilen orsakar preparatet att böja.
Vi hänvisar till kilen som Last punkt spetsen (LPT) och komponenten för den enhet som innehåller kilen som belastning (LP). LP är fäst vid slutet av en fribärande vars förskjutning mäts av en fiber optic deplacement sensor (FODS). FODS avger infrarött ljus, vilket återspeglas av en spegel som ligger på ovansidan av LP (se figur 1B) och tas emot av en optisk fiber i FODS. En ≈5 mm fyrkantig bit av en polerad kisel wafer används som LP spegeln och fästs på LP med epoxi. FODS mäter förskjutningar genom att jämföra stödnivåerna utsända och reflekterade ljuset. Den fribärande stelhet och deplacement används för att beräkna kraften, 
, erfarna vid kilen på grund av dess interaktion med preparatet. Fribärande förskjutningen används också för att beräkna förskjutningen av preparatets tvärsnitt under kilen, 
. Cantilever-baserade kraftgivare har använts i ett antal mikro – och makronivå mekanisk provning studier 10,11,12,13,14. Den specifika utformningen som presenteras här är anpassade från en mekanisk provning anordning som används för att utföra självhäftande kontakta experiment 14. En liknande design har också använts i ett kommersiellt tillgängliga mikro-tribometer 15,16.
Figur 1: översikt över specialbyggda mekaniska provanordningen. (A) A datorstödd design rendering av enheten. De scenen komponenterna är markerade i grönt. Den kraft som avkänning detaljsammansättning (cantilever, Last punkt (LP)) är markerat i rött. (B), en förstorad vy av (A). LP spegeln visas i blått på ovansidan av LP under FODS och är märkt LPM. (C) det koordinatsystem som används för att beskriva rörelsen hos översättning scenen. Genom utjämning the scenen i steg 1,9 i protokollet, de riktning görs att sammanfalla med vektorn som är normal till ytan av LP spegeln. (D) ett schematiskt trepunkts böjande konfigurationen visar deformationen av spikul och de uppmätta förskjutningarna 
, och 
. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Enhetens kapacitet demonstreras genom att utföra tre-punkt böjande tester på skelettet elementen i den marina svampen Euplectella aspergillum6,7. Denna svamp skelett är en församling av filament, kallas benbalkar (se figur 2A). Benbalkar är ≈50 µm tjock och består främst av kvarts 6. Biosilica-baserade benbalkar finns i svampar som hör till klasserna Demospongiae, Homoscleromorpha och Hexactinellida. Svampar, såsom E. aspergillum, som tillhör klassen Hexactinellida är även känd som ”glas svampar”. Medan benbalkar av glas svampar består främst av kvarts, har det visats att kiseldioxid ofta innehåller en organisk matris som består av antingen kollagen 17,18 eller Chitinen 19,20 , 21. detta organisk matris spelar en viktig roll i kiseldioxid biomineralization 18,20. Dessutom i vissa benbalkar fungerar organiska matrisen också som en mall för biomineralization av kalcium 22. Förutom att distribueras inom kiseldioxid, kan organiska matrisen också bilda distinkta lager att partitionerar den spikul kiseldioxid i koncentriska, cylindriska lamellerna 6,23. Det har visats att denna koncentriska, lamellär arkitektur kan påverka den benbalkar deformation beteende 6,7,8,24,25,26 . Följaktligen den benbalkar mekaniska egenskaper bestäms av en kombination av deras kemi (dvs., den kemiska strukturen av kiseldioxid-protein sammansatt) och deras arkitektur 27. Både kemiska struktur och arkitektur av glas svamp benbalkar är fortfarande under utredning 24,28,29.
De flesta av benbalkar i E. aspergillum är cementerade tillsammans att bilda en hård skelett bur. Det finns dock vid basen av skelettet en tofs av mycket länge (≈10 cm) benbalkar kallas de ankare benbalkar (se figur 2A). Vi beskriver protokollet för att utföra tre-punkt böjande tester på små delar av de ankare benbalkar.
I steg 1 i protokollet beskrivs förfarandet för montering och justering av delarna av specialbyggda mekaniska provanordningen. Steg 2 och 4 i protokollet ger anvisningar för generera kalibreringsdata som används för att beräkna krafter och förskjutningar i böjande testet. Åtgärder för att förbereda en del av en spikul och montera den till provningsfixturen beskrivs i steg 3. Proceduren för provningens bockning på avsnittet spikul beskrivs i steg 5. Slutligen, i avsnittet Representativa resultat kalibreringsdata erhålls i steg 2 och 4 används tillsammans med den böjande testdata som erhölls i steg 5 för att beräkna och .
Figur 2: Förfarande för snittning och inspektera E. aspergillum benbalkar. (A) skelettet av E. aspergillum. Tofs av fristående ankare benbalkar visas vid basen av skelettet. Skalstapeln är ~ 25 mm. (B) en enda ankare spikul hålls på plats på ett objektglas med en #00000 röd sobel borste och sektioneras med ett rakblad. Skalstapeln är ~ 12 mm. (C) en del av ett E. aspergillum spikul placeras över diket på prov scenen. Diket kanterna och diket ridge är markerade i kricka och orange, respektive. Spikul trycks mot diket åsen så att dess axel är vinkelrät mot diket kanterna. (D) ett Mikrograf av en spikul som passerar det inspektionsförfarande som beskrivs i steg 3,4 i protokollet, som beskriver hur du avgör om ett spikul avsnitt är skadad och ska kasseras. (E) A Mikrograf av en spikul som innehåller många sprickor och saknade stora delar av kiseldioxid lager som skulle misslyckas inspektion proceduren i steg 3,4 i protokollet. Skala barer = 250 µm (C), 100 µm (D) och 100 µm (E). Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Protocol
Representative Results
Discussion
Flera steg i protokollet är särskilt viktiga för att säkerställa att krafter och förskjutningar mäts noggrant. Vissa av dessa kritiska steg är universella för alla tre-punkt böjande tester, är andra unika för denna mekaniska provanordningen.
I steg 1.2 i protokollet LP spegeln är och inspekteras för repor, och steg 1,6 i protokollet är FODS känsligheten inställd. Det är viktigt för förstärkningen och LP spegel reflektansen vara konstant f?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöds av National Science Foundation [materialmekanik och strukturer Program, tilldela 1562656]; och American Society of Mechanical Engineers [Haythornthwaite Young Investigator Award].
Materials
| TMC 36" x 48" isolation table with 4" CleanTop breadboard | TMC | 63-563 | Isolation Table |
| Diffeential Screw Adjuster | Thorlabs | DAS110 | For stage leveling plate |
| 1" Travel Micrometer Head with 0.001" Graduations | Thorlabs | 150-801ME | For stage leveling plate |
| Right-Angle Bracket for PT Series Translation Stages, 1/4"-20 Mounting Holes | Thorlabs | PT102 | For microscope mount |
| 1" Dovetail Translation Stage, 1/4"-20 Taps | Thorlabs | DT25 | For microscope mount |
| 1" Translation Stage with 1/4"-170 Adjustment Screw, 1/4"-20 Taps | Thorlabs | PT1B | For microscope mount |
| 12" Length, Dovetail Optical Rail | Edmund Optics | 54-401 | For microscope mount |
| 2.5" Width, Dovetail Carrier | Edmund Optics | 54-404 | For microscope mount |
| 0.5" Width, Dovetail Carrier | Edmund Optics | 54-403 | For microscope mount |
| InfiniTube Mounting C-Clamp with ¼-20 | Edmund Optics | 57-788 | Microscope component |
| Standard (with no In-Line Attachment), InfiniTube | Edmund Optics | 56-125 | Microscope component |
| Standard In-Line Attachment (Optimized at 2X-10X), InfiniTube | Edmund Optics | 56-126 | Microscope component |
| Mitutoyo/Achrovid Objective Adapter (M26 to M27) | Edmund Optics | 53-787 | Microscope component |
| 5X Infinity Achrovid Microscope Objective | Edmund Optics | 55-790 | Microscope component |
| 0.316" ID, Fiber Optic Adapter SX-6 | Edmund Optics | 38-944 | Microscope component |
| ¼" x 36", Flexible Fiber Optic Light Guide | Edmund Optics | 42-347 | Microscope component |
| 115V, MI-150 Fiber Optic Illuminator w/IR Filter and Holder | Edmund Optics | 55-718 | Microscope component |
| Allied Vision Manta G-223 2/3" Color CMOS Camera | Edmund Optics | 88-452 | Microscope component |
| Power Supply for Manta/ Guppy Pro/ Stingray/ Pike | Edmund Optics | 68-586 | Microscope component |
| 1/4" Travel Single Axis Translation Stage | Thorlabs | MS1S | FODS micrometer |
| Analog Reflectance Dependent Fiber Optic Displacement Sensor | Philtec | D20 | FODS |
| 30V, 3A DC Power Supply | Agilent | U8001A | Power supply for DAQ and FODS |
| 14-Bit, 48 kS/s Low-Cost Multifunction DAQ | National Instruments | USB-6009 | DAQ for FODS |
| Three Axis Motorized Translation Stage | Thorlabs | Thorlabs T25 XYZ-E/M | Translation stage |
| T-Cube DC Servo Motor Controller | Thorlabs | TDC001 | Motor controller for stage |
| T-Cube Power Supply | Thorlabs | TPS001 | Power supply for motor controller |
| National Instruments LabVIEW (2013 SP1) | National Instruments | Used for running software | |
| National Instruments LabVIEW Vision Acquisition Software (2016) | National Instruments | Used for running software | |
| Nikon Eclipse Ci-POL Main Body | MVI | MDA96000 | Polarized light microscope |
| Nikon Pi Intermediate Tube with Analyzer Slider | MVI | MDB45305 | Polarized light microscope |
| Nikon Dia-Polarizer | MVI | MDN11920 | Polarized light microscope |
| Power Cord – 7'6" | MVI | 79035 | Polarized light microscope |
| Nikon P-Amh Mechanical Stage | MVI | MDC45000 | Polarized light microscope |
| Nikon Lwd Achromat Condenser | MVI | MBL16100 | Polarized light microscope |
| Nikon LV-NBD5BD-CH Manual Quint Nosepiece ESD | MVI | MBP60125 | Polarized light microscope |
| Nikon C-TF Trinocular Tube F | MVI | MBB93100 | Polarized light microscope |
| Nikon CFI 10X Eyepiece FN 22mm NC | MVI | MAK10110 | Polarized light microscope |
| Nikon TU Plan Flour BD 10x Objective | MVI | MUE42100 | Polarized light microscope |
| Venus Flower Basket Sponge | Denis Brand | N/A | Sponge skeleton |
| 3.5X Headband Flip-Up Magnifier | McMaster Carr | 1490T5 | Used for spicule sectioning |
| Ø1" Silicon Wafer, Type P / <100> | Ted Pella | 16011 | Used for load point mirror |
| Low Lint Tapered Tip Cotton Swab | McMaster Carr | 71035T31 | Used for cleaning LP mirror |
| Rubber grip precision knife | McMaster Carr | 35575A68 | Used for sectioning spicules |
| Microscope Slides, frosted end, 75 x 25 x 1mm | Ted Pella | 260409 | Used for sectioning spicules |
| Sable Brushes, #00000, 0.08mm W x 4.0mm L | Ted Pella | 11806 | Used for handling spicules |
| PELCO Pro High Precision Tweezers, extra fine tips, superior finish | Ted Pella | 5367-5NM | Used for handling spicules |
| Dual Axis Linear Scale Micrometer | Edmund Optics | 58-608 | Used for calibrating the microscopes |
| FLEX-A-TOP FT-38 CAS | ESD Plastic Containers | FT-38-CAS | Used for storing spicules |
| Plastic Vial Bullseye Level | McMaster Carr | 2147A11 | Used for leveling the stage |
| Analytical Balance | Mettler Toledo | MS105DU | Used to mass calibration weights |
Riferimenti
- Wegst, U. G., Bai, H., Saiz, E., Tomsia, A. P., Ritchie, R. O. Bioinspired structural materials. Nat. Mater. 14 (1), 23-36 (2015).
- Meyers, M. A., McKittrick, J., Chen, P. Y. Structural biological materials: critical mechanics-materials connections. Science. 339 (6121), 773-779 (2013).
- Bodde, S. G., Meyers, M. A., McKittrick, J. Correlation of the mechanical and structural properties of cortical rachis keratin of rectrices of the Toco Toucan (Ramphastos toco). J. Mech. Behav. Biomed. Mater. 4 (5), 723-732 (2011).
- Gibson, L. J. The hierarchical structure and mechanics of plant materials. J. R. Soc. Interface. , (2012).
- Monn, M. A., Kesari, H. A new structure-property connection in the skeletal elements of the marine sponge Tethya aurantia that guards against buckling instability. Sci. Rep. 7, (2017).
- Monn, M. A., Weaver, J. C., Zhang, T., Aizenberg, J., Kesari, H. New functional insights into the internal architecture of the laminated anchor spicules of Euplectella aspergillum. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 112 (16), 4976-4981 (2015).
- Monn, M. A., Kesari, H. Enhanced bending failure strain in biological glass fibers due to internal lamellar architecture. J. Mech. Behav. Biomed. Mater. , (2017).
- Levi, C., Barton, J. L., Guillemet, C., Bras, E., Lehuede, P. A remarkably strong natural glassy rod: the anchoring spicule of the Monorhaphis sponge. J. Mater. Sci. Letters. 8 (3), 337-339 (1989).
- Kesari, H., Doll, J. C., Pruitt, B. L., Cai, W., Lew, A. J. Role of surface roughness in hysteresis during adhesive elastic contact. Philos. Mag. Lett. 90 (12), 891-902 (2010).
- Croisier, F., et al. Mechanical testing of electrospun PCL fibers. Acta Biomater. 8 (1), 218-224 (2012).
- Haque, M. A., Saif, M. T. A review of MEMS-based microscale and nanoscale tensile and bending testing. Exp. Mech. 43 (3), 248-255 (2003).
- Gudlavalleti, S. . Mechanical testing of solid materials at the micro-scale. , (2002).
- Tohmyoh, H., Ishihara, M., Akanda, M. S., Yamaki, S., Watanabe, T., Iwabuchi, T. Accurate determination of the structural elasticity of human hair by a small-scale bending test. J. Biomech. 44 (16), 2833-2837 (2011).
- Waters, J. F. . Contact mechanics of biologically-inspired interface geometries. , (2009).
- Dai, Z., Gorb, S. N., Schwarz, U. Roughness-dependent friction force of the tarsal claw system in the beetle Pachnoda marginata (Coleoptera, Scarabaeidae). J. Exp. Biol. 205 (16), 2479-2488 (2002).
- Tramacere, F., Kovalev, A., Kleinteich, T., Gorb, S. N., Mazzolai, B. Structure and mechanical properties of Octopus vulgaris suckers. J. R. Soc. Interface. 11 (91), (2014).
- Ehrlich, H., et al. Nanostructural organization of naturally occurring composites: Part I. Silica-Collagen-based biocomposites. J. Nanomater. 53, (2008).
- Ehrlich, H., et al. Mineralization of the meter-long biosilica structures of glass sponges is templated on hydroxylated collagen. Nat. Chem. 2, 1084-1088 (2010).
- Ehrlich, H., et al. First evidence of the presence of chitin in skeletons of marine sponges. Part II. Glass sponges (Hexactinellida: Porifera). J. Exp. Zoo. 308 (4), 473-483 (2007).
- Ehrlich, H. Chitin and collagen as universal and alternative templates in biomineralization. Int. Geol Rev. 52, 661-699 (2010).
- Ehrlich, H., et al. Supercontinuum generation in naturally occurring glass sponge spicules. Adv. Opt. Mater. 4 (10), 1608-1613 (2016).
- Ehrlich, H., et al. Calcite reinforced silica-silica joints in the biocomposite skeleton of deep-sea glass sponges. Adv. Funct. Mater. 21, 3473-3481 (2011).
- Werner, P., Blumtritt, H., Zlotnikov, I., Graff, A., Dauphin, Y., Fratzl, P. Electron microscope analyses of the bio-silica basal spicule from the Monorhaphis chuni sponge. J. Struct. Biol. 191 (2), 165-174 (2015).
- Kolednik, O., Predan, J., Fischer, F. D., Fratzl, P. Bioinspired Design Criteria for Damage-Resistant Materials with Periodically Varying Microstructure. Adv. Funct. Mater. 21 (19), 3634-3641 (2011).
- Weaver, J. C., et al. Unifying design strategies in demosponge and hexactinellid skeletal systems. J. Adhes. 86 (1), 72-95 (2010).
- Walter, S. L., Flinn, B. D., Mayer, G. Mechanisms of toughening of a natural rigid composite. Mater. Sci. Eng. C. 27 (3), 570-574 (2007).
- Ehrlich, H. Silica biomineralization in Sponges. Encyclopedia of Geobiology. , 796-808 (2011).
- Zlotnikov, I., Werner, P., Fratzl, P., Zolotoyabko, E. Eshelby Twist as a possible source of lattice rotation in a perfectly ordered protein/silica structure grown by a simple organism. Small. 11 (42), 5636-5641 (2015).
- Zlotnikov, I., et al. A perfectly periodic three-dimensional protein/silica mesoporous structure produced by an organism. Adv. Mater. 26 (11), 1682-1687 (2014).
- Gere, J. M., Timoshenko, S. P. Chapter 5: Stresses in Beams. Mechanics of materials. , 205-217 (1997).
- Baratta, F. I., Matthews, W. T., Quinn, G. D. . Errors associated with flexure testing of brittle materials. , (1987).
- Quinn, G. D., Sparenberg, B. T., Koshy, P., Ives, L. K., Jahanmir, S., Arola, D. D. Flexural strength of ceramic and glass rods. J. Test. Eval. 37 (3), 1-23 (2009).
- Tattersall, H. G., Tappin, G. The work of fracture and its measurement in metals, ceramics and other materials. J. Mater. Sci. 1 (3), 296-301 (1966).
