Un sistema di prova millimetro scala flessionale per misurare le proprietà meccaniche di spicole di spugna marina
Summary
Vi presentiamo un protocollo per l’esecuzione di prove di flessione di tre punti su fibre di scala sub-millimetrica utilizzando un dispositivo di prova meccanico su misura. Il dispositivo può misurare le forze che vanno da 20 µN fino a 10 N e può quindi ospitare una varietà di formati di fibra.
Abstract
Molti portanti strutture biologiche (LBBSs) — ad esempio rachidi piuma e spicole — sono piccole (< 1 mm) ma non microscopiche. Il comportamento flessionale di questi LBBSs di misurazione è importante per comprendere le origini della loro notevole funzioni meccaniche.
Descriviamo un protocollo per eseguire prove di flessione del tre-punto utilizzando un dispositivo di test meccanico su misura che può misurare le forze che vanno da 10-5 101 N e cilindrate da 10-7 a 10-2 m. Il vantaggio principale di questo dispositivo di prova meccanico è che le capacità di forza e spostamento possono essere facilmente regolate per diversi LBBSs. Principio di funzionamento del dispositivo è simile a quella di un microscopio a forza atomica. Vale a dire, la forza è applicata per il LBBS da un punto di carico che è fissato all’estremità di una trave a mensola. Lo spostamento del punto di carico è misurato da un sensore di spostamento ottico di fibra e convertito in una forza utilizzando la rigidezza misurata a sbalzo. Gamma di forza del dispositivo può essere regolata utilizzando cantilever di differenti rigidezze.
Le funzionalità del dispositivo sono dimostrate eseguendo prove di flessione del tre-punto sugli elementi scheletrici di spugna marina Euplectella aspergillum. Gli elementi scheletrici — conosciuto come spicules — sono fibre di silice che sono circa 50 µm di diametro. Descriviamo le procedure per calibrare il dispositivo di prova meccanico, le spicole di montaggio su un dispositivo di piegatura di tre punti con una portata di mm ≈1.3 ed esecuzione di un bending test. La forza applicata alla sua deviazione nella posizione della forza applicata e la spicula sono misurati.
Introduction
Studiando le architetture portanti strutture biologiche (LBBSs), come shell e dell’osso, gli ingegneri hanno sviluppato nuovi materiali compositi che sono sia forte e duro 1. È stato dimostrato che le notevoli proprietà meccaniche di LBBSs e le loro controparti di bio-ispirati sono legate alla loro intricati architetture interne 2. Tuttavia, le relazioni tra proprietà meccaniche e architetture LBBS completamente non sono capite. Misurando la risposta meccanica di un LBBS è il primo passo verso la comprensione di come la sua architettura migliora le proprietà meccaniche.
Tuttavia, è importante che il tipo di test utilizzato per misurare la risposta meccanica di un LBBS è coerenza con la sua funzione meccanica. Ad esempio, poiché le piume devono supportare carichi aerodinamici, la funzione primaria di un rachide di piuma è per fornire rigidità flessionale 3. Pertanto, una prova di flessione è preferibile a una prova di tensione uniassiale per misurare la risposta meccanica. In effetti, molti LBBSs — come piuma rachidi 3, erba nasce 4e spicole 5,6,7,8— principalmente di deformazione di flessione. Questo è perché questi LBBSs sono snella —cioè, la loro lunghezza è molto più di loro larghezza o profondità. Tuttavia, eseguendo prove di flessione su questi LBBSs è impegnativo, perché le forze e spostamenti che possono sopportare prima di guastarsi vanno da 10-2 a 102 N e 10-4 a 10-3 m, rispettivamente 3 , 4 , 5 , 7 , 8. di conseguenza, il dispositivo utilizzato per eseguire queste prove meccaniche dovrebbe avere forza e spostamento risoluzioni di â10-5 N e â10-7 m (cioè, 0,1% di forza massima misurabile e di spostamento del sensore), rispettivamente.
Commercialmente disponibile, grande scala, sistemi di prova meccaniche in genere non è possibile misurare le forze e spostamenti con questa risoluzione. Mentre la forza atomica basata su microscopio 9,10 o microelettromeccanici basati su sistemi 11 dispositivi di prova hanno risoluzione adeguata, la forza massima (rispettivo spostamento) possono misurare è più piccola il forza massima (rispettivo spostamento) che la LBBS in grado di sopportare. Pertanto, per eseguire prove di flessione su questi LBBSs, ingegneri e scienziati devono fare affidamento su Custom-Built meccanico test dispositivi 5,7,12,13. Il vantaggio principale di questi dispositivi su misura è che possono ospitare grandi intervalli di forze e spostamenti. Tuttavia, la costruzione e il funzionamento di questi dispositivi non è ben documentato nella letteratura.
Un protocollo è descritto per eseguire prove di flessione del tre-punto utilizzando un dispositivo di test meccanico su misura che può misurare le forze che vanno da 10-5 101 N e cilindrate da 10-7 a 10-2 m. Disegni tecnici, tra cui tutte le dimensioni, dei componenti del dispositivo di prova meccanico sono forniti nel materiale supplementare. Il vantaggio principale di questo dispositivo di prova meccanico è che le gamme di forza e spostamento possono essere facilmente adattate LBBSs diversi. Principio di funzionamento del dispositivo è simile a quella di un di microscopio atomico della forza 9. In questo dispositivo, un campione viene inserito attraverso una trincea tagliata in una piastra in acciaio inox (Vedi Figura 1A-C). L’intervallo della trincea è misurata da Micrografie ottiche per essere 1278 ± 3 µm (media ± deviazione standard; n = 10). I bordi di trincea sostengono il provino durante una prova di flessione (Vedi Figura 1e D). Questa fase del campione viene attaccata ad una fase di traduzione di tre assi e posizionata sotto un cuneo di alluminio in modo che il cuneo è situato a metà strada attraverso arco di trincea (Vedi Figura 1C). Spostando il palco 
direzione (Vedi Figura 1Ae C), il campione viene spinto nel cuneo causando l’esemplare per piegare.
Ci riferiamo al cuneo come la punta del punto di carico (LPT) e il componente del dispositivo che contiene il cuneo come il punto di carico (LP). il LP è fissato all’estremità di una trave a mensola cui dislocamento è misurata da un sensore di spostamento ottica della fibra (FODS). Il FODS emette luce infrarossa che viene riflessa su uno specchio situato sulla superficie superiore del LP (Vedi Figura 1B) e ricevuto da una fibra ottica nella FODS. Un pezzo quadrato di mm ≈5 di un wafer di silicio lucido è usato come lo specchio di LP e viene apposto al LP mediante resina epossidica. Il FODS misura spostamenti confrontando l’intensità della luce emessa e riflessa. La rigidità a sbalzo e lo spostamento vengono utilizzati per calcolare la forza, 
, esperto di Cuneo a causa della sua interazione con il campione. Lo spostamento a sbalzo è utilizzato anche per calcolare lo spostamento della sezione trasversale del provino sotto il cuneo, 
. Sensori di forza basato su cantilever sono stati utilizzati in una serie di micro – e macro-scala meccanica test studi 10,11,12,13,14. Il design specifico qui presentato è adattato da un dispositivo meccanico di test utilizzato per l’esecuzione di esperimenti di contatto adesivo 14. Un design simile è stato utilizzato anche in un micro-tribometro commercialmente disponibili 15,16.
Figura 1: Panoramica del dispositivo di prova meccanico fuoriserie. (A) A rendering di progettazione assistita da elaboratore del dispositivo. I componenti di fase sono evidenziati in verde. La forza di rilevamento sottoassieme (sbalzo, punto di carico (LP)) è evidenziata in rosso. (B) una visualizzazione di (A) ingrandita. Lo specchio di LP è indicato in blu sulla superficie superiore del LP sotto il FODS ed è etichettato LPM. (C) il sistema di coordinate usato per descrivere il moto della fase di traduzione. Di livellamento thfase e nel passaggio 1,9 del protocollo, il direzione viene fatto coincidere con il vettore normale alla superficie dello specchio LP. (D) una schematica della configurazione di piegatura del tre-punto mostrando la deformazione del dello spicule e gli spostamenti misurati 
, e 
. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Vengono illustrate le funzionalità del dispositivo eseguendo prove di flessione del tre-punto sugli elementi scheletrici di spugna marina Euplectella aspergillum6,7. Lo scheletro di questa spugna è un assemblaggio di filamenti, chiamati spicole (Vedi Figura 2A). Le spicole sono ≈50 µm di spessore e sono composte principalmente da silice 6. Spicules basati su Biosilica si trovano in spugne appartenenti alle classi Demospongiae, Homosclerophorida e Hexactinellida. Spugne, come E. Aspersorio, che appartengono alla classe Hexactinellida sono noti anche come “vetro spugne..” Mentre le spicole di spugne di vetro sono composti principalmente di silice, è stato dimostrato che la silice contiene spesso una matrice organica composta sia collagene 17,18 o chitina 19,20 , 21. questa matrice organica svolge un ruolo importante in silice biomineralization 18,20. Inoltre, in alcune spicole matrice organica serve anche come un modello per la biomineralizzazione di calcio 22. Oltre a essere distribuito all’interno della silice, la matrice organica può anche formare strati distinti che la partizione di silice di spicula in lamelle concentriche, cilindrico 6,23. È stato dimostrato che questa architettura concentrica, lamellare può influenzare deformazione comportamento 6,7,8,24,25,26 degli spicules . Di conseguenza, proprietà meccaniche degli spicules sono determinati da una combinazione di loro chimica (cioè., la struttura chimica del composto di silice-proteina) e la loro architettura 27. La struttura chimica e l’architettura di spicole di spugna di vetro sono ancora sotto indagine 24,28,29.
La maggior parte di spicules in E. Aspersorio sono stata saldata insieme per formare una rigida gabbia scheletrica. Tuttavia, alla base dello scheletro c’è un ciuffo di molto lungo gli spicules (â10 cm) noto come le spicole di ancoraggio (Vedi Figura 2A). Descriviamo il protocollo per l’esecuzione di prove di flessione di tre punti su piccole sezioni delle spicole di ancoraggio.
Nel passaggio 1 del protocollo, è descritta la procedura per il montaggio e allineamento dei componenti del dispositivo test meccanico su misura. Passaggi 2 e 4 del protocollo forniscono istruzioni per generare i dati di calibrazione utilizzati per calcolare le forze e spostamenti nella prova di flessione. I passi compiuti per preparare una sezione di una spicula e montarlo al supporto di prova descritti nel passaggio 3. La procedura per lo svolgimento della prova di flessione sulla sezione dello spicule è descritta nel passaggio 5. Infine, nella sezione Risultati rappresentante i dati di taratura ottenuti nei passaggi 2 e 4 sono utilizzati insieme ai dati di test di piegatura ottenuti nel passaggio 5 per calcolare e .
Figura 2: Procedura per sezionamento e ispezionare gli spicules E. Aspersorio. (A) lo scheletro di E. Aspersorio. Il ciuffo di spicole di ancoraggio autoportante è mostrato alla base dello scheletro. La barra della scala è di ~ 25 mm. (B) una spicula singolo ancoraggio è tenuto sul posto su un vetrino da microscopio utilizzando un pennello di martora rossa #00000 e sezionati usando una lama di rasoio. La barra della scala è ~ 12 mm. (C) una sezione di un aspersorio E. spicula disposti attraverso la trincea sul palco del campione. I bordi di trincea e la cresta di trincea sono evidenziati in verde acqua e arancio, rispettivamente. La spicula è spinto contro la cresta di trincea per garantire che il suo asse è perpendicolare ai bordi trincea. (D) una microfotografia di una spicula che passa la procedura di ispezione descritta nel punto 3.4 del protocollo, che viene descritto come determinare se una sezione dello spicule è danneggiata e deve essere eliminata. (E) A micrografo di una spicula contenente molte crepe e mancano grandi sezioni di strati di silice che verrebbe a mancare la procedura di ispezione descritta nel punto 3.4 del protocollo. Scala bar = 250 µm (C), 100 µm (D) e 100 µm (E). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Protocol
Representative Results
Discussion
Diversi passaggi del protocollo sono particolarmente importanti per garantire che le forze e gli spostamenti sono misurati con precisione. Mentre alcuni di questi passaggi critici sono universali per tutte le prove di flessione di tre punti, gli altri sono unici per questo dispositivo di prova meccanico.
Nel passaggio 1.2 del protocollo lo specchio LP viene pulito e ispezionato per graffi e nel passo 1.6 del protocollo è impostato il guadagno FODS. È importa…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo lavoro è stato sostenuto dalla National Science Foundation [meccanica dei materiali e strutture di programma, grant numero 1562656]; e della 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 |
References
- 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).
