Denne artikel præsenterer de anvendte metoder til sondering rumligt korreleret kemiske, strukturelle og mekaniske egenskaber af flere lag omfang Atractosteus spatel (A. spatel) ved hjælp af nanoindentation, Fouriertransformation infrarød (FTIR) spektroskopi, scanning elektronmikroskopi (SEM), og X- ray computertomografi (X-ray CT). De eksperimentelle resultater er blevet anvendt til at undersøge design principper for beskyttende biologiske materialer.
Den hierarkiske struktur af beskyttende biologiske materialer, såsom mineraliseret fiskeskæl, havsnegle skaller, vædderhorn, gevirer, og skildpaddeskjolde giver unikke design principper med potentialer for at lede design af beskyttende materialer og systemer i fremtiden. Er vigtigt at forstå de struktur og egenskaber for disse materiale systemer på mikroskala og nanoskala, hvor fiasko initierer. I øjeblikket eksperimentelle teknikker såsom nanoindentation, røntgen CT, og SEM give forskerne en måde at korrelere den mekaniske adfærd med hierarkiske mikrostrukturer af disse materielle systemer 1-6. Men en veldefineret standard procedure for udarbejdelse af mineraliseret biomaterialer eksemplar er i øjeblikket ikke tilgængelig. I denne undersøgelse metoder til sondering rumligt korrelerede kemiske, strukturelle og mekaniske egenskaber af flerlags skala A. spatel hjælp nanoindentation, FTIR, SEM, med enenergi-Dispersive X-ray (EDX) mikroanalyse, og røntgen CT præsenteres.
Forskere undersøger strukturelle biomaterialer og forsøger at belyse design principper, som giver strukturelle biomaterialer med forbedrede mekaniske egenskaber, såsom meget højere sejhed og styrke i forhold til deres individuelle bestanddele. Undersøgelserne på de principper for udformningen af pansrede fiskeskæl for Pagrus større 7, Polypterus senagalus 2,6, Arapaima gigas 3, Cyprinus carpio 4 og Atractosteus spatel 1, har vist behovet for at udvide anvendelsen af de eksisterende eksperimentelle metoder til at studere de strukturelle svar og mikrostrukturelle egenskaber, da detaljerede standardprocedurer er ikke tilgængelige for disse typer af materialer og eksperimenter.
Blandt de forskellige pansrede fiskeskæl diskuteret, A. spatel er en historisk spids rovdyr af den centrale US 8 og er en art med højly mineraliseret skalaer. Arten udvekslinger muskelmasse for hud masse at opnå et forbedret rovdyr forsvarssystem i forhold til fisk af sammenlignelig størrelse tidligere 9 nævnt. Ifølge Page og Burr 10 A. spatel er den tredje største ferskvandsfisk i Nordamerika med den hvide stør (Acipenser transmontanus) og Atlantic stør (Acipenser oxyrhynchus) er større arter. De højt mineraliseret fiskeskæl A. spatel er først for nylig blevet undersøgt. Thompson og McCune 11 foreslog, at morfologien af gar skalaer har en tre-lags sammensætning bestående af en ganoine ydre lag, en diffus knogle lag og lamellar knogle lag. Aktuel forskning på A. spatel skalaer har ikke skelnes knoglen lag i diffus eller lamellære knogle regioner, men har netop studeret knoglen regionen som en enkelt indvendig lag 1,12.
I denne undersøgelse af procedurerne for ivestigating mikrostruktur, nanostruktur, kemiske sammensætning, og rumlige fordelinger af de mekaniske egenskaber af skalaerne i A. spatel baseret på resultater af FTIR-spektroskopi, er SEM, røntgen CT, og nanoindentation teknikker præsenteres.
Fra en eksperimentel synsvinkel, forskerne nødt til at huske på, at når man arbejder med naturligt forekommende biologiske materialer, såsom mineraliseret fiskeskæl, rapportering den rumlige placering af skalaen på fiskene er kritisk, da tidligere forskning har vist, mekaniske egenskaber af mineraliseret fiskeskæl er afhængige hvor vægten var placeret på fisk 4..
Mekaniske egenskaber for mineraliserede biologiske materialer har også vist sig at være afhængig af hydrering tilstand prøverne 4. Dette begrænser nytten af denne teknik, når de forsøger at sammenligne friske prøver, der er blevet ordentligt hydreret til publicerede resultater i det åbne litteratur, der anvender tørre forstenede prøver. Derfor er det nødvendigt, forlænget svære tider skal undgås for at minimere effekten af dehydrering på en prøve mekaniske egenskaber under nanoindentation. Materialespecifikke pilotundersøgelser anbefales at sikre erfaling runtime er minimal nok til ikke at ændre den mekaniske opførsel af materialet. Wet celle nanoindentation ville være en foretrukken metode til at holde en konstant hydrering tilstand af materialet, hvis det udstyr tillader det.
Den nanoindentation metode, der anvendes i denne undersøgelse, som beregnet elasticitetsmodulet fra kurven aflæsning antager materialet opfører sig som en lineær elastisk isotropisk materiale. Teknikken kan anvendes med en række af indrykning tips. Imidlertid blev de tre-sidet Berkovich spids med en halv vinkel på 65,35 °, der anvendes i denne undersøgelse. Alternative tips såsom terningen hjørne (halv vinkel = 35,36 °) er egnede til den procedure, der præsenteres i dette manuskript, men da terningen hjørne spids er mere akut end Berkovich tip revner kan genereres i prøven ved meget lavere belastning end med Den Berkovich spids.
Polering er et vigtigt skridt for at opnå en glat og flad overflade med et minimeret overflade ruhed til ikke at påvirke de nanoindentation resultater. De polertrin præsenteres i dette manuskript er en foreslået procedure, der måske skal ændres, afhængigt af typen af poler, der anvendes. Det afgørende skridt for at sikre præcis nanoindentation data er imidlertid, at overfladeruhed minimeres, og for denne særlige materiale blev krævet en 50 nm slutpolering at opnå en glat flad overflade ved indrykning dybder, som testes.
Afstanden mellem led sikrer også præcis nanoindentation data, der ikke påvirkes af det materiale deformation fra tidligere led. Den nanoindenter brugsanvisning for udstyret i denne undersøgelse foreslået, at led afstand skal være mindst 20-30x den maksimale indtrængningsdybde for Berkovich indenters 15. For alternative materialer, vil den nødvendige led afstand skal bestemmes på grundlag af den anvendte belastning og maksimal indrykning dybde, som diskuteret tidligere i det åbnelitteratur 16,17. Desuden blev hold tid for dette materiale valgt at overvinde enhver krybe observeret for de forskellige materiale faser tastede giver mulighed for nanoindenter softwarens Oliver-Pharr analysemetode, der skal anvendes. Men som diskuteret af Oyen 18 alternative analysemetoder er til rådighed for biologiske materialer, når tidsafhængige materiale reaktioner kan ikke overvindes med egnede hold gange.
For at opnå høj opløsning resultaterne fra X-Ray CT, skal flere indstillinger optimeres. Dette papir skitserer en meget bestemt sæt af parametre til brug på en fisk skala med en unik størrelse og lagdelt tykkelse. Med varierende stikprøvestørrelser, vil disse indstillinger skal justeres for at opnå et datasæt af højeste kvalitet. Processen med at udvælge hver parameter skal være klart defineret i den brugervejledning, der følger med maskinen, der anvendes. Scan-indstillinger (spænding, strøm, eksponering, udvælgelse filter) og genopbygning indstillingerskal måske ændres til at rumme en række andre prøvestørrelser og geometrier (ring artefakter, stråle hærdning).
X-ray CT billede et billede af hele skala morfologi identificere en ganoine lag, der dækker en benet lag af materiale, hvis vægten ikke overlapper hinanden. X-ray CT billeder også identificeret at ganoine lag bestod af en ikke-ensartet tykkelse i hele skalaen, og selv udstillet gruber, der manglede ganoine lag helt.
Interessant, nanoindentation data rumligt korreleret til SEM / EDX kemisk analyse identificeret en skarp diskret overgang mellem de 2 lag i stedet for en mere gradvis overgang observeret for mineraliserede fiskeskæl af P. senagalus (i Bruet et al. 2).
En kombination af nanoindentation, FTIR, EDX, og SEM forudsat mekaniske egenskaber, kemisk analyse og strukturel information til at bekræftedet ydre lag som ganoine med emalje-lignende morfologi og kemi. Derudover disse teknikker bekræftede det indre lag som en benet materialelag.
Afslutningsvis identificeret metoderne i denne undersøgelse proceduren og tilsvarende resultater at undersøge mineraliseres fisk omfanget af A. spatel fra hovedparten struktur ned til nanostruktur og kemisk sammensætning.
The authors have nothing to disclose.
Forfatterne vil gerne anerkende den økonomiske støtte til dette arbejde, som den amerikanske hær ERDC Military Engineering 6.1 Basic Research Program og ERDC Center for Directed Research Program. Forfatterne vil også gerne takke personale og faciliteter i ERDC geotekniske og Strukturel Laboratoriets Beton og Materialer Branch til at understøtte det eksperimentelle arbejde. Tilladelse til at offentliggøre blev givet af direktøren, geoteknisk og konstruktioner Laboratory.
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 |