Name: a protocol for bioinspired design: a ground sampler based on sea urchin jaws
Uploaded: 2016-04-24T14:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 10 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about A Protocol for Bioinspired Design: A Ground Sampler Based on Sea Urchin Jaws at JoVE.com

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.

1. biologica Scienza dei Materiali <ol><li> Indossare dispositivi di protezione individuale (ad esempio, guanti, occhiali di sicurezza e camice da laboratorio) e seguire tutte le procedure di sicurezza in vigore per l&#39;utilizzo di strumenti di dissezione. </li><li> Risciacquare le pinze e bisturi con acqua distillata da utilizzare per la dissezione. </li><li> Scongelare un riccio di mare ghiacciato rosa a temperatura ambiente per 1 ora. Collocare un campione scongelati in un piatto di vetro con spazio sufficiente per poter manovrare gli strumenti riccio e taglio. Girare il riccio a testa in giù in modo che le punte dei denti rivolti verso l&#39;alto. <ol><li> Tagliare il tessuto connettivo intorno al perimetro della lanterna di Aristotele con il bisturi e con attenzione sollevare la lanterna. Risciacquare la lanterna via con acqua corrente distillata. Eliminare le parti inutilizzate di riccio in un contenitore corretto smaltimento dei rifiuti. </li><li> Girare lanterna di Aristotele di nuovo in modo che le punte dei denti a faccia in giù. Individuare la fine plumula di ogni dente (di fronte alla punta) rivolta verso l&#39;alto e utilizzare le pinze per la curacompletamente sfilare i singoli denti dalla lanterna. </li></ol></li><li> Preparare epossidica per pentola i denti. Pesare 5 g di resina e aggiungere 1,15 g di catalizzatore (ad esempio, 100 parti di resina a 23 parti indurente in peso) in un vassoio di plastica monouso superficiale. Mescolare il contenuto insieme lentamente senza formazione di bolle. Nota: non lasciare epossidica rimanente misti in un contenitore con insufficiente esposizione all&#39;atmosfera. Il processo di polimerizzazione è esotermica e può incendiare materiali infiammabili nelle vicinanze. Tenere qualsiasi epossidica rimasto mescolato in una cappa aspirante ben ventilato lontano da materiali infiammabili. <ol><li> Lubrificare un tubo di 2,5 dram plastica (diametro interno 22 mm, 39 mm di lunghezza) con vaselina applicata con un dito e eliminare ogni eccesso con una velina. Riempire la metà tubo con resina epossidica mista. </li><li> Utilizzare le pinze per raccogliere un dente e con attenzione immergerlo in resina epossidica con il lato concavo curvo rivolto verso l&#39;alto. Lasciate la cura epossidica a temperatura ambiente per 24 ore. Nota: Impedire la punta del dente da drifting al tattola parete di plastica del tubo, come le cure epossidiche in quanto questo renderà la lucidatura la punta più difficile. </li></ol></li><li> Posizionare il tubo di plastica con resina catalizzata in una morsa. Stringere la morsa lentamente fino a una fessura è fatto nel tubo di plastica. Staccarsi plastica residua dalla superficie epossidica. <ol><li> Utilizzare un sezionamento sega per tagliare la resina epossidica intorno al dente giù ad un blocco più piccolo (1 cm 3). </li></ol></li><li> Preparare una zona pulita per la lucidatura e impostare una stazione di lavoro piana con una scheda di plastica dura. Riempire una bottiglia spruzzo con acqua distillata. <ol><li> Iniziare con la più bassa carta vetrata a grana disponibili (ad esempio, 120) e spremere una piccola quantità di acqua dalla bottiglia di lavaggio sulla carta vetrata. Utilizzando una leggera pressione, strofinare il campione in un avanti e indietro in direzione (ad esempio, sinistra-destra) per 5 min. </li><li> Lavare la superficie del campione sopra un lavandino e pulire con un panno privo di particelle. Rimuovere eventuali residui di carta abrasiva grana con aria compressa per 15 sec. </li><li> Utilizzare progressivamente più alta carta vetrata a grana (ad esempio, 600 e 2.400) di ripetere i passaggi protocollo 1.6.1 e 1.6.2. Utilizzando una leggera pressione, strofinare il campione in un avanti e indietro direzione perpendicolare al passo polacco precedente (ad esempio, su-giù, sinistra-destra). Nota: utilizzare un microscopio ottico a 20X di ingrandimento per vedere segni di graffi perpendicolari si intersecano con ogni livello di grana (ad esempio, 120, 600, 2.400). Passare alla successiva carta vetrata a grana più alto quando segni di graffi dal livello di grinta precedente scompaiono. </li><li> Preparare uno spruzzatore con 3 micron sospensione diamantata di lucidatura in 1: 1 soluzione di acqua distillata. Usare un panno polacco per sospensioni diamantate a ripetere i passaggi protocollo 1.6.1 e 1.6.2. </li><li> Preparare uno spruzzatore con 0,5 micron sospensione allumina lucidatura in 1: 1 soluzione di acqua distillata. Utilizzare una superficie microcloth lucidatura a ripetere i passaggi protocollo 1.6.1 e 1.6.2. Nota: graffi multa da protocollo passi 1.6.4 e 1.6.5 non sarà visibLe a 20X di ingrandimento. Per queste operazioni di protocollo, lucidare per 5 min in un movimento avanti e indietro per rimuovere tutti i graffi precedenti. </li><li> Pulire la superficie lucidata con tessuti privi di particelle d&#39;acqua e l&#39;uso distillata con aria compressa a cura asciutta. Avvolgere con tessuti privi di particelle per mantenere lucidato a specchio. Nota: asciugare tutte le superfici di lucidatura a faccia in giù su grandi tessuti privi di particelle. Conservare in un manicotto di plastica per evitare polvere assestamento sulla superficie tra i tempi di lucidatura. </li></ol></li><li> Caratterizzare la microscopia elettronica a scansione riccio di mare dente microstruttura utilizzando (SEM). Utilizzare un coater polverizzazione per polverizzare iridio con una corrente deposizione di 85 mA per 10 secondi sulla superficie del dente lucidato per uno spessore di ~ 20 nm. <ol><li> Ottenere immagini microfotografia a 250x - Ingrandimento 4,000X utilizzando un SEM. Nota: Uso 5 kV in modalità elettronico a scansione (SE) e 15 kV in modalità elettroni retrodiffusi (BSE). Utilizzare la modalità di BSE per identificare calcite fibERS intervallati con matrice policristallino Mg-arricchito. </li></ol></li><li> Eseguire micro-tomografia computerizzata (μ-CT) scansioni di un tutto riccio di mare rosa e una lanterna appena sezionato di Aristotele. Posizionare ogni campione scongelato all&#39;interno del contenitore camera chiusa con un fazzoletto umido di fornire un ambiente umidificato durante la scansione. <ol><li> Eseguire la scansione del tutto riccio e lanterna di Aristotele da μ-CT con una dimensione voxel isotropico di 36,00 micron e 9.06 micron, rispettivamente. Applicare un potenziale elettrico di 100 kVp e 70 kVp con corrente di 100 mA e 141 mA, per tutto il riccio e la lanterna di Aristotele, rispettivamente, utilizzando un filtro in alluminio 1,0 millimetri per entrambi. </li><li> Applicare un algoritmo di correzione del fascio indurimento durante la ricostruzione dell&#39;immagine per tenere conto di artefatti di indurimento del fascio che derivano dalla μ-CT sorgente di raggi X che emette raggi X di energie multiple utilizzando il protocollo del produttore. </li></ol></li><li> Utilizzare il software di imaging per raffinare image segmentazione e acquisire un modello di mesh triangolare per la struttura lanterna di Aristotele. <ol><li> Caricare e anteprima dei dati immagine Lanterna di Aristotele dalla scansione μ-CT. Partita la dimensione voxel (9.06 micron) per i valori della scansione micro-CT. </li><li> Utilizzare una funzione di rendering del volume di visualizzare lanterna di Aristotele nello spazio 3D. Regolare la fetta ortogonali 2D con il modulo rettangolo di selezione e regolare il valore di soglia / colore con il modulo Volume Rendering. </li><li> Fai segmenti maschera per la regione di interesse (ad esempio, ricci di mare dente) usando l&#39;editor di segmentazione. Selezionare XY, YZ, e gli aerei XZ e la vista isometrica 3D. Utilizzare la bacchetta magica (freccia nera) per distinguere tra strutture semplici (dente vs piramide) nella lanterna di Aristotele. </li><li> Ricostruire la superficie del modello dai segmenti maschera estratti. Selezionare il modulo Generazione di superficie e applicare. Deselezionare l&#39;Volume Rendering Impostazioni di avere scomparire la superficie superiore visibile. Aggiungi ilSurface View modulo per visualizzare il risultato superficie. </li><li> Semplificare la superficie del modello, riducendo il numero di facce di &lt;18.000. </li><li> Modifica della maglia triangolo individuale sulla superficie del modello in base alle esigenze. Salvare il modello come file di stereolitografia (STL) per l&#39;esportazione per l&#39;uso con il software di progettazione (CAD) modellazione assistita da computer. </li></ol></li></ol> 2. bioispirati design <ol><li> Utilizzare lanterna di Aristotele dalla scansione micro-CT come riferimento per fare un disegno bioispirati con software di modellazione CAD. Nota: Il design bioispirati ha cinque denti ricurvi con altezza 6 cm e diametro 8 cm per la lanterna chiusa. Si è scalato fino ~ 5x dalla dimensione della lanterna naturale di Aristotele. </li><li> Salvare le parti di file STL a un flash drive e caricare i file su un Fused Deposition Modeling (FDM) stampante 3D. <ol><li> Carico acrilonitrile-butadiene-stirene (ABS) di plastica e di plastica supporto cartucce di materiale nelle fessure appropriate del 3D pSTAMPANTE. </li><li> Inserire la base di modellazione sulla piattaforma Z e allineare le linguette con fessure sul vassoio di metallo. </li><li> Aprire ciascuna delle parti di file STL e seguire le istruzioni sullo schermo del display per stampare tutte le parti lanterna allo stesso tempo. Nota: le parti Lanterna devono rientrare all&#39;interno dell&#39;involucro edilizio (25 x 25 x 30 cm 3) per la stampante 3D. Tutti e cinque i denti sono disposti sulla base di modellazione e stampati simultaneamente con la punta del dente rivolto verso l&#39;alto. Il tasso di costruzione è di 16 cm 3 per ora e il tempo totale di costruzione è di circa 8 ore. </li><li> Rilasciare la base di modellazione dalle schede quando tutte le parti di file vengono stampati e far scorrere la base fuori dalla stampante 3D lungo le guide del vassoio. </li><li> Utilizzare una spatola metallica per sollevare tutte le parti dalla base e un file di metallo per logorare qualsiasi plastica in più attaccato alle parti. </li><li> Posizionare le parti stampate in un bagno di base riscaldata fino a quando si scioglie di materiale di supporto in plastica. </li></ol></li><li> Fissare ogni dente ad un braccio congiunta con un Liasta di nk e due anelli E-mantenendo su entrambi i lati. Nota: Fare riferimento alla Figura 6 per il montaggio della lanterna del bioispirati di Aristotele. </li></ol> 3. Bioexploration <ol><li> Utilizzare il file CAD per il dente bioispirati di fare una elementi finiti (FEM) test di analisi delle sollecitazioni. <ol><li> Aprire il file (xx.sldprt) per fare ulteriori analisi di ingegneria. Sopra la scheda &quot;Office Products&quot;, selezionare il pulsante &quot;SolidWorks Simulation&quot;. </li><li> Sopra la scheda &quot;Simulazione&quot;, selezionare il pulsante &quot;Studio Advisor&quot; e quindi l&#39;opzione di menu a discesa &quot;Nuovo studio&quot;. </li><li> Selezionare il tipo di test di simulazione da eseguire scegliendo &quot;statico&quot;. </li><li> Sulla lista di test statici, fare clic destro su &quot;Calendario&quot; e selezionare &quot;a geometria fissa&quot;. </li><li> Clicca sulle facce interne di aggiungere dispositivi ai fori di montaggio in cui i perni andrà. </li><li> Sulla lista di test statici, fare clic destro su &quot;Carichi esterni&quot; e Select &quot;Forza&quot;. </li><li> Fare clic sul dente di rettifica punta volti ad applicare 45 N forza ai bordi. </li><li> Sulla lista di test statici, fare clic destro su &quot;Carichi esterni&quot; e selezionare &quot;Gravity&quot;. </li><li> Indicare &quot;Top Plane&quot; per la forza di gravità applicata normale al piano. </li><li> Sulla lista di test statici, fare clic destro su &quot;Mesh&quot; e selezionare &quot;Crea mesh&quot;. </li><li> Spostare la barra di scala per &quot;Densità mesh&quot; tutta la strada a destra per &quot;fine&quot;. </li><li> Sulla lista di test statici, fare clic destro su &quot;Static&quot; e selezionare &quot;Esegui&quot; per eseguire il test. Nota: La barra colorata scala per aree di maggiore stress e la &quot;snervamento&quot;. </li></ol></li><li> Confronto risultati dell&#39;analisi di sollecitazione per il dente bioispirati con e senza la chiglia. </li></ol>

<ol>
	<li>Nalla, R. K., Kruzic, J. J., Ritchie, R. O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On+the+origin+of+the+toughness+of+mineralized+tissue:+Microcracking+or+crack+bridging?.">On the origin of the toughness of mineralized tissue: Microcracking or crack bridging?.</a> Bone. 34 (5), 790-798 (2004).</li><li>Ritchie, R. O., Buehler, M. J., Hansma, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Plasticity+and+toughness+in+bone.">Plasticity and toughness in bone.</a> Physics Today. 62 (6), 41-47 (2009).</li><li>Seki, Y., Schneider, M. S., Meyers, M. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Structure+and+mechanical+behavior+of+a+toucan+beak.">Structure and mechanical behavior of a toucan beak.</a> Acta Mater. 53 (20), 5281-5296 (2005).</li><li>Feng, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Super-hydrophobic+surfaces:+From+natural+to+artificial.">Super-hydrophobic surfaces: From natural to artificial.</a> Adv. Mater. 14 (24), 1857-1860 (2002).</li><li>Sun, T. L., Feng, L., Gao, X. F., Jiang, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bioinspired+surfaces+with+special+wettability.">Bioinspired surfaces with special wettability.</a> Acc. Chem. Res. 38 (8), 644-652 (2005).</li><li>Feng, X. J., Jiang, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Design+and+creation+of+superwetting/antiwetting+surfaces.">Design and creation of superwetting/antiwetting surfaces.</a> Adv. Mater. 18 (23), 3063-3078 (2006).</li><li>Arzt, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Biological+and+artificial+attachment+devices:+Lessons+for+materials+scientists+from+flies+and+geckos.">Biological and artificial attachment devices: Lessons for materials scientists from flies and geckos.</a> Mat. Sci. Eng. C. 26 (8), 1245-1250 (2006).</li><li>Geim, A. K., Dubonos, S. V., Grigorieva, I. V., Novoselov, K. S., Zhukov, A. A., Shapoval, S. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microfabricated+adhesive+mimicking+gecko+foot-hair.">Microfabricated adhesive mimicking gecko foot-hair.</a> Nat. Mater. 2 (7), 461-463 (2003).</li><li>Munch, E., Launey, M. E., Alsem, D. H., Saiz, E., Tomsia, A. P., Ritchie, R. O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Tough,+bio-inspired+hybrid+materials.">Tough, bio-inspired hybrid materials.</a> Science. 322 (5907), 1516-1520 (2008).</li><li>Launey, M. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Designing+highly+toughened+hybrid+composites+through+nature-inspired+hierarchical+complexity.">Designing highly toughened hybrid composites through nature-inspired hierarchical complexity.</a> Acta Mater. 57 (10), 2919-2932 (2009).</li><li>Launey, M. E., Munch, E., Alsem, D. H., Saiz, E., Tomsia, A. P., Ritchie, R. O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+novel+biomimetic+approach+to+the+design+of+high-performance+ceramic-metal+composites.">A novel biomimetic approach to the design of high-performance ceramic-metal composites.</a> J. R. Soc. Interface. 7 (46), 741-753 (2010).</li><li>Jelinek, F., Smit, G., Breedveld, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bioinspired+spring-loaded+biopsy+harvester-Experimental+prototype+design+and+feasibility+tests.">Bioinspired spring-loaded biopsy harvester-Experimental prototype design and feasibility tests.</a> J. Med. Devices. 8 (1), 015002 (2014).</li><li>Jelinek, F., Goderie, J., van Rixel, A., Stam, D., Zenhorst, J., Breedveld, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bioinspired+crown-cutter-The+impact+of+tooth+quantity+and+bevel+type+on+tissue+deformation,+penetration+forces,+and+tooth+collapsibility.">Bioinspired crown-cutter-The impact of tooth quantity and bevel type on tissue deformation, penetration forces, and tooth collapsibility.</a> J. Med. Devices. 8 (4), 041009 (2014).</li><li>Reich, M., Smith, A. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Origins+and+biomechanical+evolution+of+teeth+in+echnoids+and+their+relatives.">Origins and biomechanical evolution of teeth in echnoids and their relatives.</a> Palaeontology. 52 (5), 1149-1168 (2009).</li><li>Scarpa, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Modelli di Bionica, Capire la Natura Sttraverso i Modelli. , (1985).</li><li>Trogu, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bionics+and+Design:+Pure+and+Applied+Research.">Bionics and Design: Pure and Applied Research.</a> , (2014).</li><li>Porter, M. M., Adriaens, D., Hatton, R. L., Meyers, M. A., McKittrick, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bioexploration:+How+engineering+designs+help+elucidate+the+evolution+of+seahorse+tails.">Bioexploration: How engineering designs help elucidate the evolution of seahorse tails.</a> , (2015).</li><li>Porter, M. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Bioinspired Design: Magnetic Freeze Casting. , (2014).</li><li>De Ridder, C., Lawrence, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Food+and+feeding+mechanisms:+Echinoidea.">Food and feeding mechanisms: Echinoidea.</a> Echinoderm Nutrition. , (1982).</li><li>Killian, C. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Self-sharpening+mechanism+of+the+sea+urchin+tooth.">Self-sharpening mechanism of the sea urchin tooth.</a> Adv. Funct. Mater. 21 (4), 682-690 (2011).</li><li>Kier, P. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Evolutionary+trends+and+their+functional+significance+in+the+post-paleozoic+echinoids.">Evolutionary trends and their functional significance in the post-paleozoic echinoids.</a> J. Paleo. 48 (3), 1-95 (1974).</li><li>Wang, R. Z., Addadi, L., Weiner, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Design+strategies+of+sea+urchin+teeth:+structure,+composition+and+micromechanical+relations+to+function.">Design strategies of sea urchin teeth: structure, composition and micromechanical relations to function.</a> Phil. Trans. R. Soc. B: Biol. Sci. 352 (1352), 469-480 (1997).</li><li>Ma, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+grinding+tip+of+the+sea+urchin+tooth+exhibits+exquisite+control+over+calcite+crystal+orientation+and+Mg+distribution.">The grinding tip of the sea urchin tooth exhibits exquisite control over calcite crystal orientation and Mg distribution.</a> Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 106 (15), 6048-6053 (2009).</li><li>Markel, K., Gorny, P., Abraham, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microstructure+of+sea+urchin+teeth.">Microstructure of sea urchin teeth.</a> Fortschritte der Zoologie. 24 (2-3), 103-114 (1977).</li><li>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. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mechanical+analysis+of+the+sea-urchin+lantern:+the+overall+system+in+Paracentrotus+lividus.">Mechanical analysis of the sea-urchin lantern: the overall system in Paracentrotus lividus.</a> J. Zool., London. 220, 345-366 (1990).</li><li>Ellers, O., Telford, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Forces+generated+by+the+jaws+of+Clypeasteroids+(Echinodermata:+Echionoidea).">Forces generated by the jaws of Clypeasteroids (Echinodermata: Echionoidea).</a> J. Exp. Biol. 155, 585-603 (1991).</li><li>Candia Carnevali, M. D., Wilkie, I. C., Lucca, E., Andrietti, F., Melone, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Aristotle's+lantern+of+the+sea-urchin+Stylocidaris+affinis+(Echinoida,+Cidaridae):+functional+morphology+of+the+musculo-skeletal+system.">The Aristotle's lantern of the sea-urchin Stylocidaris affinis (Echinoida, Cidaridae): functional morphology of the musculo-skeletal system.</a> Zoomorphology. 113 (3), 173-189 (1993).</li><li>Wilkie, I. C., Candia Carnevali, M. D., Andrietti, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mechanical+properties+of+sea-urchin+lantern+muscles:+a+comparative+investigation+of+intact+muscle+groups+in+Paracentrotus+lividus+(Lam)+and+Stylocidaris+affinis+(Phil)+(Echinodermata,+Echinoidea).">Mechanical properties of sea-urchin lantern muscles: a comparative investigation of intact muscle groups in Paracentrotus lividus (Lam) and Stylocidaris affinis (Phil) (Echinodermata, Echinoidea).</a> J. Comp. Physiol. B. 168 (3), 204-212 (1998).</li><li>Witze, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=NASA+plans+Mars+sample-return+rover.">NASA plans Mars sample-return rover.</a> Nature. 509 (7500), 272 (2014).</li></ol>

We have nothing to disclose.

I ricci di mare usano lanterna di Aristotele (Figura 1A) per una serie di funzioni (alimentazione, noioso, girevoli, ecc). I reperti fossili indicano che la lanterna si è evoluta in forma e funzione dal tipo cidaroid più primitiva del tipo camarodont di moderni ricci di mare 14. Lanterne Cidaroid sono longitudinalmente scanalato denti (Figura 1B, in alto) e l&#39;attaccamento non separati muscolare alla sua struttura piramidale. Questo limita il loro movimento su e giù e li priva della maggior potere raschiando generata dal movimento laterale, che si osserva nei più moderni lanterne camarodont (Figura 1B, in basso). I biologi hanno ipotizzato che il dente keeled (Figura 1C, D) si è evoluta in camarodonts per rinforzare il dente sotto la forte forze di trazione generate raschiando substrati duri 18,20,23. Il protocollo di design bioispirati in questo lavoro combinatobiologia, materiali biologici scienza, design bioispirati e bioexploration (Figura 3) per sviluppare un dispositivo bioispirati con una funzione specifica per il sedimento di campionamento. La scansione μ-CT della lanterna di Aristotele (Figura 4) è stato importato come file STL solo di riferimento dal momento che il progetto definitivo campionatore non imitare l&#39;allegato muscolo complesso nella struttura naturale. Invece il design bioispirati impiegato un meccanismo di apertura e chiusura più semplice con parti che potrebbero essere prodotte facilmente da una stampante 3D per il montaggio in campionatore lanterna di Aristotele. Nel complesso, abbiamo utilizzato un approccio circolare per la progettazione bioispirati in quanto il passo bioexploration consentita per le nuove conclusioni da trarre dalla biologia naturale. Possibili modifiche del disegno bioispirati possono affrontare diverse applicazioni oltre il campionamento dei sedimenti. Una limitazione di questo protocollo è che si è focalizzata su una specifica applicazione del processo bioispirati per un dispositivo basatosulla lanterna del Aristotele. Tuttavia, il protocollo descritto qui può essere applicato all&#39;analisi, lo sviluppo e la fabbricazione finale di altri disegni bioispirati basati su campioni biologici. L&#39;applicazione principale di questo assemblato bioispirati lanterna campionatore di Aristotele (Figura 6) è stato per la raccolta di sabbia sciolta e compattato (Figura 7). Guardando al futuro, la NASA ha un piano per riportare campioni marziani sulla Terra con un rover campione di ritorno dopo una serie di missioni nel corso degli anni 29. Un rover campione di ritorno dotato di campionatore lanterna un bioispirati di Aristotele può essere utile per le missioni future. Un campionatore più piccola che assomiglia alla dimensione della lanterna naturale di Aristotele può essere utile anche per altre applicazioni. L&#39;anisotropia di durezza nei denti riccio naturali, mentre interessante di per sé, non è stato incorporato in questo disegno bioispirati. Bioexploration di keeled contro i denti non chiglia ha confermato l&#39;importante scopo strutturale della chiglia di ricci di mare naturali (Figura 8). Il risultato bioexploration fornisce i dati che aiuta a spiegare perché moderni ricci di mare si sono evolute le strutture della chiglia. Riconosciamo che Porter 17,18 è stato il primo a proporre il passo bioexploration applicata in questo lavoro, che è stato essenziale per l&#39;utilizzo di metodi di analisi di ingegneria per quantificare il vantaggio meccanico della struttura della chiglia nel dente riccio di mare. Future Design bioispirati che collega l&#39;osservazione naturali, materiali biologici scienza, design bioispirati e bioexploration può essere utile per incorporare una familiarità più profondo radicato con principi di progettazione naturale.

I campi della biologia, la scienza dei materiali biologici, biomateriali, bioingegneria e biochimica impiegano le tecniche scientifiche Premiere e la mente, nel tentativo di fornire una più profonda comprensione del mondo naturale incredibile. Questa ricerca ha spiegato molte delle più sorprendenti strutture biologiche e organismi; dalla robustezza intrinseca dell&#39;osso umano 1,2 al grande becco del tucano 3. Tuttavia, gran parte di questa conoscenza è difficile applicare in un modo che può fornire un vantaggio per la società. Di conseguenza, il campo tangenziale Bioinspiration impiega le lezioni apprese dalla natura ai materiali moderni, al fine di risolvere i problemi comuni. Gli esempi includono superfici superhydrophobic ispirati da foglie di loto 4-6, superfici adesive ispirate ai piedi dei gechi e insetti 7,8, ceramiche dure ispirate alla madreperla abalone 9-11 e mietitrici biopsia ispirati al portavoce del riccio di mare, anche saperen come lanterna di Aristotele 12,13. I ricci di mare sono animali invertebrati coperti di spine il cui habitat più comunemente è costituito dai fondali rocciosi sul fondo dell&#39;oceano. Il corpo (chiamato test) nelle specie più grande riccio può essere più di 18 cm di diametro; formato di prova in rosa ricci di mare (Strongylocentrotus fragilis) esaminati in questo studio può crescere fino a 10 cm di diametro. Lanterna di Aristotele è composto da cinque particolare sono calcio carbonato denti supportati da strutture piramidali composte di tessuto mineralizzato e disposti in una formazione a cupola-like che racchiudono tutti, ma le punte di macinazione distali dei denti (Figura 1A). La struttura muscolare delle ganasce è in grado di masticare efficiente e raschiando anche contro le rocce oceaniche dure e coralli. Quando le ganasce aperte, i denti sporgono verso l&#39;esterno e quando le ganasce vicino, i denti si ritraggono verso l&#39;interno in un unico movimento fluido. Confronto tra primitive (sopra) e moderni (sotto) riccio di mare dente sezioni (Figura 1B) indica che un dente chiglia si è evoluto per rafforzare il dente quando frantuma contro substrati duri. Ogni singolo dente ha una curvatura leggermente convessa e una morfologia a T nel piano trasversale (perpendicolare alla direzione di crescita) dovuta alla chiglia longitudinalmente allegata (Figura 1C, D). Bioinspiration inizia con l&#39;osservazione dei fenomeni naturali interessanti, come il movimento di masticazione efficace della lanterna di Aristotele di ricci di mare. Questa struttura naturale inizialmente catturato Aristotele perché gli ricordava di una lanterna corno con le lastre di corno lasciato fuori. Più di due millenni dopo, Scarpa era affascinato dalla complessità della lanterna di Aristotele che lui e poi Trogu imitava il movimento di masticazione naturale utilizzando solo carta e nastri di gomma (Figura 2A) 15,16. Allo stesso modo, è stato Jelinek bioispirati dal chewing movimento della lanterna di Aristotele e sviluppato una migliore mietitrice biopsia che potrebbe isolare in modo sicuro il tessuto tumorale senza diffondere le cellule cancerose (Figura 2b, C) 12,13. In questo caso, disegno bioispirati stati impiegati per effettuare un dispositivo biomedicale che misura specifica necessità di una applicazione desiderata. Il protocollo di design qui descritto si applica a un campionatore di sedimenti bioispirati dai ricci di mare. Attraverso materiali biologici scienza, la struttura naturale della lanterna di Aristotele è caratterizzata. disegno bioispirati identifica potenziali applicazioni in cui i meccanismi naturali può essere migliorata attraverso l&#39;uso di materiali moderni e tecniche di fabbricazione. Il progetto finale è riesaminata attraverso il prisma di bioexploration per capire come la struttura del dente naturale si è evoluta (Figura 3). L&#39;ultimo passo bioexploration, proposto da Porter 17,18, utilizza metodi di analisi di ingegneria all&#39;eXplore e spiegare fenomeni biologici. Tutte le fasi importanti del processo Bioinspiration sono presentati come un esempio per la tecnologia, pre-approvato per natura, che può essere utilizzato per risolvere i problemi moderni sfruttamento. Il nostro protocollo, motivata da procedure Bioinspiration precedenti presentati per applicazioni specifiche per Arzt 7, è prevista per biologi, ingegneri e tutti coloro che si ispira alla natura.

<table><tbody><tr><td>BUEHLERMET II 8 PLN 600/P1200</td><td>Buehler</td><td>305308600102</td><td>Abrasive paper for polishing</td></tr><tr><td>TRIDENT POLISH CLOTH 8&quot; PSA</td><td>Buehler</td><td>407518</td><td>Polish cloth for 3 &amp;#956;m suspension</td></tr><tr><td>METADI SUPREME POLY SUSP,3MIC</td><td>Buehler</td><td>406631</td><td>Polish suspension (3&amp;nbsp;&amp;#956;m)</td></tr><tr><td>MICROCLOTH FOR 8 IN WHEEL PSA</td><td>Buehler</td><td>407218</td><td>Polish cloth for 50 nm suspension</td></tr><tr><td>MASTERPREP SUSPENSION, 6 OZ</td><td>Buehler</td><td>636377006</td><td>Polish suspension (50&amp;nbsp;nm)</td></tr><tr><td>Skyscan 1076 micro-CT Scanner</td><td>Bruker</td><td></td><td>Micro-CT scanner equipment</td></tr><tr><td>Amira software</td><td>FEI Visualization Sciences Group</td><td></td><td>Software for 3D manipulation of Micro-CT scans</td></tr><tr><td>FEI Philips XL30</td><td>FEI Philips</td><td></td><td>ESEM equipment for characterization of polished tooth cross-sections</td></tr><tr><td>SolidWorks Design software</td><td>Dassault Systems</td><td></td><td>Design software for CAD drawing bioinspired device</td></tr><tr><td>SolidWorks Simulation software</td><td>Dassault Systems</td><td></td><td>Simulation software for stress test of CAD drawing bioinspired device</td></tr><tr><td>Dimension 1200es</td><td>Stratasys</td><td></td><td>3D printer for fabrication of bioinspired device from CAD drawing</td></tr><tr><td>ABSplus</td><td>Stratasys</td><td></td><td>3D printer plastic</td></tr></tbody></table>

a protocol for bioinspired design: a ground sampler based on sea urchin jaws

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.

disegno bioispirati del dispositivo di campionamento lanterna di Aristotele dipende fortemente dalla qualità dei metodi di caratterizzazione utilizzati. Tecniche non invasive come μ-CT sono utili per analizzare tutta la lanterna e singoli denti per applicare miglioramenti specifici applicativi per la progettazione bioispirati (Figura 4). Nel frattempo, la microstruttura del dente può essere esplorato tramite elettroni secondari e micrografie elettroniche back-sparsi della sezione lucidata di un singolo dente (Figura 5). La regione grigio più scuro è la parte in pietra dura della punta del dente macinazione e consiste di fino a 40 moli% di magnesio atomi che sostituiscono gli atomi di calcio. Analisi della microstruttura dente con BSE-SEM (Figura 5) ha confermato l&#39;importanza strutturale della parte in pietra Mg-arricchito nella punta del dente di macinazione. Piastra e fibra primaElementi ry (Monocristalli calcite, grigio più chiaro in Figura 5C) sono collegati tra loro da una matrice di elementi secondari (calcite e policristalli carbonato di magnesio, grigio più scuro nella Figura 5C), che costituiscono la più difficile regione di pietra della punta del dente di macinazione. La lanterna bioispirati è stato progettato con il software CAD, 3D stampati e assemblati (figura 6) per la raccolta di sabbia in spiaggia (Figura 7). Test di analisi di stress sono stati usati per calcolare la sollecitazione von Mises di due disegni dente, uno senza la chiglia (Figura 8A) e l&#39;altra con la chiglia (Figura 8B). Una maglia solida composta da tetraedri stato impiegato sulla geometria del dente. Il valore della forza prescelta (45 N) abbinato misurazioni dei test presso la spiaggia di penetrare in 1 cm di profondità nella sabbia dura con i denti lanterna perpendicolare alla superficie. <p class="jove_content" fo:keep-together.within-page = &quot;1&quot;&gt; La massa del disegno dente keeled (12,72 g) è stato confrontato con quello del disegno dente non chiglia (12.26 g) per trovare un aumento ~ 4% per la chiglia aggiunto. Per 45 N forza applicata, la massima tensione vissuto dalla progettazione dente keeled (10,6 MPa) rispetto al design non keeled dente (12,6 MPa) è stato ~ 16% in meno per il dente keeled (figure 7A, B). L&#39;aumento di massa è piccola rispetto alla diminuzione dello stress che la chiglia fornisce. La diminuzione dello stress dimostra l&#39;efficacia di questo disegno bioispirati per la concentrazione delle sollecitazioni all&#39;interno della regione keeled. <img alt="Figura 1" src="/files/ftp_upload/53554/53554fig1.jpg" /> Figura 1. del riccio di mare Aristotele lanterna e morfologia dentale. (A) Primo piano della vista ventrale di un riccio di mare (a sinistra) e la lanterna di Aristotele (a destra) 13. (B) Sezioni deldente scanalato di un riccio di primitivo cidaroid (in alto) e il dente chiglia di un moderno riccio camarodont (in basso) 14. (C) un dente isolato visto dal suo lato con la punta (in basso) e ha indicato la chiglia (lato sinistro) 20. Immagine (D) SEM di un dente lucidato sezione trasversale con la chiglia indicata (inferiore) 20. Immagini adattato da riferimenti indicati per (A), (B), (C) e (D). <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/53554/53554fig1large.jpg" target="_blank">Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <img alt="figura 2" src="/files/ftp_upload/53554/53554fig2.jpg" /> Figura 2. bioispirati disegni basati sulla lanterna della Aristotele. (A) Vista isometrica di un disegno per un modello bionico della lanterna di Aristotele, che ha 3D stampato in plastica parti collegati da elastici (non illustrati) per la muscolatura allegato 16. (B, C) ​​la lanterna del Aristotele servito come ispirazione biologica per una mietitrice biopsia 13. <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/53554/53554fig2large.jpg" target="_blank">Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <img alt="Figura 3" src="/files/ftp_upload/53554/53554fig3.jpg" /> Figura 3. Quattro fasi del processo Bioinspiration. (In senso orario da sinistra) Il processo Bioinspiration inizia con l&#39;apprendimento dalla natura attraverso l&#39;osservazione del riccio di mare rosa e lanterna di Aristotele. (In alto) Analisi del riccio di mare e la struttura lanterna di Aristotele dalle scansioni μ-CT (a sinistra). risultati (a destra) raccolti vengono utilizzati per generare un prototipo di design bioispirati. (In basso) metodi di analisi di ingegneria sono stati applicati per esplorare Phen biologicoOmena e il design bioispirati 17,18. <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/53554/53554fig3large.jpg" target="_blank">Si prega di cliccare qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <img alt="Figura 4" src="/files/ftp_upload/53554/53554fig4.jpg" /> Figura 4. Micro-calcolata analisi tomografia della struttura lanterna di Aristotele. (A) laterale delle strutture piramidali che aiutano a sostenere i denti. Denti (B) Sea Urchin impilare uno sopra l&#39;altro e mostrano simmetria a cinque assi. (C) porzioni punta distale vengono rimossi per mostrare le strutture chiglia longitudinalmente allegate per tutti e cinque i denti. (D) Un singolo dente e la chiglia (blu) con corrispondenti piramide (giallo) vengono visualizzati e anche indicate in (C). <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/53554/53554fig4large.jpg" target="_blank">Si prega di fare clic</a>qui per vedere una versione più grande di questa figura. <img alt="Figura 5" src="/files/ftp_upload/53554/53554fig5.jpg" /> Figura 5. microscopio elettronico a scansione (SEM) Analisi della microstruttura riccio di mare dente. (A) Micrografia SEM di un dente lucido spaccato con la regione debole striscia di pietra e la chiglia (in basso) ha indicato. (B, C) ​​Backscattered elettronico SEM micrografie delle scatole viola e arancio da (A) mostrano piatto curvo e rotonde elementi primari in fibra di calcite situate al di sopra di una densa matrice policristallina Mg-arricchito (grigio più scuro). <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/53554/53554fig5large.jpg" target="_blank">Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <img alt="Figura 6" src="/files/ftp_upload/53554/53554fig6.jpg" /> figura6. 3D Assemblato stampata bioispirati parti lanterna di Aristotele. (A) anelli E-mantenendo e biellette sono utilizzati per fissare le parti dei denti 3D stampato in tre posizioni comuni. (B) montato lanterna bioispirati di Aristotele con un dente rimosso. (C) Vista della chiglia per i singoli denti e le mutevoli posizioni comuni quando la lanterna è parzialmente (a sinistra) e completamente aperto (a destra). <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/53554/53554fig6large.jpg" target="_blank">Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <img alt="Figura 7" src="/files/ftp_upload/53554/53554fig7.jpg" /> Figura 7. disegno della lanterna del bioispirati Aristotele e l&#39;uso in spiaggia. (A, B) Computer Aided immagini di design della lanterna della bioispirati di Aristotele, mentre rispettivamente chiusa e completamente aperta,. (C) Il 3D stampata bioispirati lanterna di Aristotele ha raccolto diversi tipi di sabbia sulla spiaggia. <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/53554/53554fig7large.jpg" target="_blank">Si prega di cliccare qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <img alt="Figura 8" src="/files/ftp_upload/53554/53554fig8.jpg" /> Figura 8. bioispirati prova riccio di mare analisi delle sollecitazioni dente. (A, B) analisi agli elementi finiti mostra la non-chiglia (A) rispetto a chiglia (B) del dente quando la forza è applicata ai bordi dei denti. Il design dente keeled sperimentato ~ 16% in meno di stress dovuto alla aggiunta della chiglia. <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/53554/53554fig8large.jpg" target="_blank">Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a>

Watch this Scientific Journal Video about A Protocol for Bioinspired Design: A Ground Sampler Based on Sea Urchin Jaws at JoVE.com

A Protocol for Bioinspired Design: A Ground Sampler Based on Sea Urchin Jaws

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.

Un protocollo per bioispirati Design: A terra Sampler Sulla base di Sea Urchin Jaws

Bioinspired design is an emerging field that takes inspiration from nature to develop high-performance materials and devices. The sea urchin mouthpiece, ...

a-protocol-for-bioinspired-design-ground-sampler-based-on-sea-urchin

Universidad San Sebastian

Research

JoVE Journal

Bioengineering

11.0K Views.  University of California, San Diego. 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. 

Video: A Protocol for Bioinspired Design: A Ground Sampler Based on Sea Urchin Jaws

VacuSIP, an Improved InEx Method for In Situ Measurement of Particulate and Dissolved Compounds Processed by Active Suspension Feeders

Benthic suspension feeders play essential roles in the functioning of marine ecosystems. By filtering large volumes of water, removing plankton and detritus, and excreting particulate and dissolved compounds, they serve as important agents for benthic-pelagic coupling. Accurately measuring the compounds removed and excreted by suspension feeders (such as sponges, ascidians, polychaetes, bivalves) is crucial for the study of their physiology, metabolism, and feeding ecology, and is fundamental to determine the ecological relevance of the nutrient fluxes mediated by these organisms. However, the assessment of the rate by which suspension feeders process particulate and dissolved compounds in nature is restricted by the limitations of the currently available methodologies. Our goal was to develop a simple, reliable, and non-intrusive method that would allow clean and controlled water sampling from a specific point, such as the excurrent aperture of benthic suspension feeders, in situ. Our method allows simultaneous sampling of inhaled and exhaled water of the studied organism by using minute tubes installed on a custom-built manipulator device and carefully positioned inside the exhalant orifice of the sampled organism. Piercing a septum on the collecting vessel with a syringe needle attached to the distal end of each tube allows the external pressure to slowly force the sampled water into the vessel through the sampling tube. The slow and controlled sampling rate allows integrating the inherent patchiness in the water while ensuring contamination free sampling. We provide recommendations for the most suitable filtering devices, collection vessel, and storing procedures for the analyses of different particulate and dissolved compounds. The VacuSIP system offers a reliable method for the quantification of undisturbed suspension feeder metabolism in natural conditions that is cheap and easy to learn and apply to assess the physiology and functional role of filter feeders in different ecosystems.

VacuSIP, an Improved InEx Method for In Situ Measurement of Particulate and Dissolved Compounds Processed by Active Suspension Feeders

We introduce the VacuSIP, a simple, non-intrusive, and reliable method for clean and accurate point sampling of water. The system was developed and evaluated for the simultaneous collection of the water inhaled and exhaled by benthic suspension feeders in situ, to cleanly measure removal and excretion of particulate and dissolved compounds.

VacuSIP, un metodo migliorato per Inex<em&gt; In Situ</em&gt; Misura di particolato e sciolto composti elaborati da Alimentatori sospensioni attive

Benthic suspension feeders play essential roles in the functioning of marine ecosystems. By filtering large volumes of water, removing plankton and ...

Ricerca

Ambiente

Building Finite Element Models to Investigate Zebrafish Jaw Biomechanics

Skeletal morphogenesis occurs through tightly regulated cell behaviors during development; many cell types alter their behavior in response to mechanical strain. Skeletal joints are subjected to dynamic mechanical loading. Finite element analysis (FEA) is a computational method, frequently used in engineering that can predict how a material or structure will respond to mechanical input. By dividing a whole system (in this case the zebrafish jaw skeleton) into a mesh of smaller 'finite elements', FEA can be used to calculate the mechanical response of the structure to external loads. The results can be visualized in many ways including as a 'heat map' showing the position of maximum and minimum principal strains (a positive principal strain indicates tension while a negative indicates compression. The maximum and minimum refer the largest and smallest strain). These can be used to identify which regions of the jaw and therefore which cells are likely to be under particularly high tensional or compressional loads during jaw movement and can therefore be used to identify relationships between mechanical strain and cell behavior. This protocol describes the steps to generate Finite Element models from confocal image data on the musculoskeletal system, using the zebrafish lower jaw as a practical example. The protocol leads the reader through a series of steps: 1) staining of the musculoskeletal components, 2) imaging the musculoskeletal components, 3) building a 3 dimensional (3D) surface, 4) generating a mesh of Finite Elements, 5) solving the FEA and finally 6) validating the results by comparison to real displacements seen in movements of the fish jaw.

Finite Element Analysis is a frequently used tool to investigate the mechanical performance of structures under load. Here we apply its use to modeling the biomechanics of the zebrafish jaw.

Costruire modelli ad elementi finiti per Indagare Zebrafish Jaw Biomeccanica

Skeletal morphogenesis occurs through tightly regulated cell behaviors during development; many cell types alter their behavior in response to mechanical ...

Biologia dello sviluppo

Methods for Image-based Surveys of Benthic Macroinvertebrates and Their Habitat Exemplified by the Drop Camera Survey for the Atlantic Sea Scallop

Underwater imaging has long been used in the field of marine ecology but decreasing costs of high-resolution cameras and data storage have made the approach more practical than in the past. Image-based surveys allow for initial samples to be revisited and are non-invasive compared to traditional survey methods that typically involve nets or dredges. Protocols for image-based surveys can vary greatly but should be driven by target species behavior and survey objectives. To demonstrate this, we describe our most recent methods for an Atlantic sea scallop (Placopecten magellanicus) drop camera survey to provide a procedural example and representative results. The procedure is divided into three critical steps that include survey design, data collection, and data products. The influence of scallop behavior and the survey goal of providing an independent assessment of the U.S. sea scallop resource on the survey procedure are then discussed in the context of generalizing the method. Overall, the broad applicability and flexibility of the University of Massachusetts Dartmouth School for Marine Science and Technology (SMAST) drop camera survey demonstrates the method could be generalized and applied to a variety of sessile invertebrates or habitat focused research.

Image based surveying is an increasingly practical, non-invasive method to sample the marine environment. We present the protocol of a drop camera survey that estimates the abundance and distribution of the Atlantic sea scallop (Placopecten magellanicus). We discuss how this protocol can be generalized for application to other benthic macroinvertebrates.

Metodi per sondaggi basati su immagine di macroinvertebrati bentonici e loro Habitat esemplificato dall'indagine fotocamera goccia per la cappasanta atlantica

Underwater imaging has long been used in the field of marine ecology but decreasing costs of high-resolution cameras and data storage have made the ...

The Power of Simplicity: Sea Urchin Embryos as in Vivo Developmental Models for Studying Complex Cell-to-cell Signaling Network Interactions

Remarkably few cell-to-cell signal transduction pathways are necessary during embryonic development to generate the large variety of cell types and tissues in the adult body form. Yet, each year more components of individual signaling pathways are discovered, and studies indicate that depending on the context there is significant cross-talk among most of these pathways. This complexity makes studying cell-to-cell signaling in any in vivo developmental model system a difficult task. In addition, efficient functional analyses are required to characterize molecules associated with signaling pathways identified from the large data sets generated by next generation differential screens. Here, we illustrate a straightforward method to efficiently identify components of signal transduction pathways governing cell fate and axis specification in sea urchin embryos. The genomic and morphological simplicity of embryos similar to those of the sea urchin make them powerful in vivo developmental models for understanding complex signaling interactions. The methodology described here can be used as a template for identifying novel signal transduction molecules in individual pathways as well as the interactions among the molecules in the various pathways in many other organisms.

The Power of Simplicity: Sea Urchin Embryos as in Vivo Developmental Models for Studying Complex Cell-to-cell Signaling Network Interactions

This video article details a straightforward in vivo methodology that can be used to systematically and efficiently characterize components of complex signaling pathways and regulatory networks in many invertebrate embryos.

La forza della semplicità: Sea Urchin embrioni<em&gt; In Vivo</em&gt; Modelli di sviluppo per lo studio delle cellule cellula-Complex segnalazione di rete Interazioni

Remarkably few cell-to-cell signal transduction pathways are necessary during embryonic development to generate the large variety of cell types and ...

Design and Use of an Apparatus for Quantifying Bivalve Suspension Feeding at Sea

As shellfish aquaculture moves from coastal embayments and estuaries to offshore locations, the need to quantify ecosystem interactions of farmed bivalves (i.e., mussels, oysters, and clams) presents new challenges. Quantitative data on the feeding behavior of suspension-feeding mollusks is necessary to determine important ecosystem interactions of offshore shellfish farms, including their carrying capacity, the competition with the zooplankton community, the availability of trophic resources at different depths, and the deposition to the benthos. The biodeposition method is used to quantify feeding variables in suspension-feeding bivalves in a natural setting and represents a more realistic proxy than laboratory experiments. This method, however, relies upon a stable platform to satisfy the requirements that water flow rates supplied to the shellfish remain constant and the bivalves are undisturbed. A flow-through device and process for using the biodeposition method to quantify the feeding of bivalve mollusks were modified from a land-based format for shipboard use by building a two-dimensional gimbal table around the device. Planimeter data reveal a minimal pitch and yaw of the chambers containing the test shellfish despite boat motion, the flow rates within the chambers remain constant, and operators are able to collect the biodeposits (feces and pseudofeces) with sufficient consistency to obtain accurate measurements of the bivalve clearance, filtration, selection, ingestion, rejection, and absorption at offshore shellfish aquaculture sites.

A flow-through device for using the biodeposition method to quantify filtration and feeding behavior of bivalve mollusks was modified for shipboard use. A two-dimensional gimbal table built around the device isolates the apparatus from boat motion, thereby allowing the accurate quantification of bivalve filtration variables at offshore shellfish aquaculture sites.

Progettazione e l'uso di un apparato per quantificare bivalvi sospensione alimentazione in mare

As shellfish aquaculture moves from coastal embayments and estuaries to offshore locations, the need to quantify ecosystem interactions of farmed bivalves ...

A Robotic Platform to Study the Foreflipper of the California Sea Lion

The California sea lion (Zalophus californianus), is an agile and powerful swimmer. Unlike many successful swimmers (dolphins, tuna), they generate most of their thrust with their large foreflippers. This protocol describes a robotic platform designed to study the hydrodynamic performance of the swimming California sea lion (Zalophus californianus). The robot is a model of the animal&#39;s foreflipper that is actuated by motors to replicate the motion of its propulsive stroke (the &#39;clap&#39;). The kinematics of the sea lion&#39;s propulsive stroke are extracted from video data of unmarked, non-research sea lions at the Smithsonian Zoological Park (SNZ). Those data form the basis of the actuation motion of the robotic flipper presented here. The geometry of the robotic flipper is based a on high-resolution laser scan of a foreflipper of an adult female sea lion, scaled to about 60% of the full-scale flipper. The articulated model has three joints, mimicking the elbow, wrist and knuckle joint of the sea lion foreflipper. The robotic platform matches dynamics properties&#8212;Reynolds number and tip speed&#8212;of the animal when accelerating from rest. The robotic flipper can be used to determine the performance (forces and torques) and resulting flowfields.

A robotic platform is described that will be used to study the hydrodynamic performance&#8212;forces and flowfields&#8212;of the swimming California sea lion. The robot is a model of the animal&#39;s foreflipper that is actuated by motors to replicate the motion of its propulsive stroke (the &#39;clap&#39;).

Una piattaforma robotica per studiare la Foreflipper della California Sea Lion

The California sea lion (Zalophus californianus), is an agile and powerful swimmer. Unlike many successful swimmers (dolphins, tuna), they generate most ...

Ingegneria

Characterization Of Multi-layered Fish Scales (Atractosteus spatula) Using Nanoindentation, X-ray CT, FTIR, and SEM

The hierarchical architecture of protective biological materials such as mineralized fish scales, gastropod shells, ram&#8217;s horn, antlers, and turtle shells provides unique design principles with potentials for guiding the design of protective materials and systems in the future. Understanding the structure-property relationships for these material systems at the microscale and nanoscale where failure initiates is essential. Currently, experimental techniques such as nanoindentation, X-ray CT, and SEM provide researchers with a way to correlate the mechanical behavior with hierarchical microstructures of these material systems1-6. However, a well-defined standard procedure for specimen preparation of mineralized biomaterials is not currently available. In this study, the methods for probing spatially correlated chemical, structural, and mechanical properties of the multilayered scale of A. spatula using nanoindentation, FTIR, SEM, with energy-dispersive X-ray (EDX) microanalysis, and X-ray CT are presented.

Characterization Of Multi-layered Fish Scales Atractosteus spatula Using Nanoindentation, X-ray CT, FTIR, and SEM

This paper presents the methods used for probing spatially correlated chemical, structural, and mechanical properties of the multilayered scale of Atractosteus spatula (A. spatula) using nanoindentation, Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy, scanning electron microscopy (SEM), and X-ray computed tomography (X-ray CT). The experimental results have been used to investigate the design principles of protective biological materials.

Caratterizzazione di Fish Scales Sovrapposizione (<em&gt; Atractosteus spatola</em&gt;) Usando Nanoindentazione, X-ray CT, FTIR e SEM

The hierarchical architecture of protective biological materials such as mineralized fish scales, gastropod shells, ram&#8217;s horn, antlers, and turtle ...

Bioingegneria

Cardiac Muscle-cell Based Actuator and Self-stabilizing Biorobot - PART 1

Biological machines often referred to as biorobots, are living cell- or tissue-based devices that are powered solely by the contractile activity of living components. Due to their inherent advantages, biorobots are gaining interest as alternatives to traditional fully artificial robots. Various studies have focused on harnessing the power of biological actuators, but only recently studies have quantitatively characterized the performance of biorobots and studied their geometry to enhance functionality and efficiency. Here, we demonstrate the development of a self-stabilizing swimming biorobot that can maintain its pitch, depth, and roll without external intervention. The design and fabrication of the PDMS scaffold for the biological actuator and biorobot followed by the functionalization with fibronectin is described in this first part. In the second part of this two-part article, we detail the incorporation of cardiomyocytes and characterize the biological actuator and biorobot function. Both incorporate a base and tail (cantilever) which produce fin-based propulsion. The tail is constructed with soft lithography techniques using PDMS and laser engraving. After incorporating the tail with the device base, it is functionalized with a cell adhesive protein and seeded confluently with cardiomyocytes. The base of the biological actuator consists of a solid PDMS block with a central glass bead (acts as a weight). The base of the biorobot consists of two composite PDMS materials, Ni-PDMS and microballoon-PDMS (MB-PDMS). The nickel powder (in Ni-PDMS) allows magnetic control of the biorobot during cells seeding and stability during locomotion. Microballoons (in MB-PDMS) decrease the density of MB-PDMS, and enable the biorobot to float and swim steadily. The use of these two materials with different mass densities, enabled precise control over the weight distribution to ensure a positive restoration force at any angle of the biorobot. This technique produces a magnetically controlled self-stabilizing swimming biorobot.

In this two-part study, a biological actuator was developed using highly flexible polydimethylsiloxane (PDMS) cantilevers and living muscle cells (cardiomyocytes), and characterized. The biological actuator was incorporated with a base made of modified PDMS materials to build a self-stabilizing, swimming biorobot.

Azionatore a base cardiaca basata sul muscolo e bioroboto auto-stabilizzante - PARTE 1

Biological machines often referred to as biorobots, are living cell- or tissue-based devices that are powered solely by the contractile activity of living ...

Bioinspired Soft Robot with Incorporated Microelectrodes

Bioinspired soft robotic systems that mimic living organisms using engineered muscle tissue and biomaterials are revolutionizing the current biorobotics paradigm, especially in biomedical research. Recreating artificial life-like actuation dynamics is crucial for a soft-robotic system. However, the precise control and tuning of actuation behavior still represents one of the main challenges of modern soft robotic systems. This method describes a low-cost, highly scalable, and easy-to-use procedure to fabricate an electrically controllable soft robot with life-like movements that is activated and controlled by the contraction of cardiac muscle tissue on a micropatterned sting ray-like hydrogel scaffold. The use of soft photolithography methods makes it possible to successfully integrate multiple components in the soft robotic system, including micropatterned hydrogel-based scaffolds with carbon nanotubes (CNTs) embedded gelatin methacryloyl (CNT-GelMA), poly(ethylene glycol) diacrylate (PEGDA), flexible gold (Au) microelectrodes, and cardiac muscle tissue. In particular, the hydrogels alignment and micropattern are designed to mimic the muscle and cartilage structure of the sting ray. The electrically conductive CNT-GelMA hydrogel acts as a cell scaffold that improves the maturation and contraction behavior of cardiomyocytes, while the mechanically robust PEGDA hydrogel provides structural cartilage-like support to the whole soft robot. To overcome the hard and brittle nature of metal-based microelectrodes, we designed a serpentine pattern that has high flexibility and can avoid hampering the beating dynamics of cardiomyocytes. The incorporated flexible Au microelectrodes provide electrical stimulation across the soft robot, making it easier to control the contraction behavior of cardiac tissue.

A bioinspired scaffold is fabricated by a soft photolithography technique using mechanically robust and electrically conductive hydrogels. The micropatterned hydrogels provide directional cardiomyocyte cell alignment, resulting in a tailored direction of actuation. Flexible microelectrodes are also integrated into the scaffold to bring electrical controllability for a self-actuating cardiac tissue.

Robot morbido bioispirato con microelettrodi incorporati

Bioinspired soft robotic systems that mimic living organisms using engineered muscle tissue and biomaterials are revolutionizing the current biorobotics ...

High Throughput Microinjections of Sea Urchin Zygotes

Microinjection into cells and embryos is a common technique that is used to study a wide range of biological processes. In this method a small amount of treatment solution is loaded into a microinjection needle that is used to physically inject individual immobilized cells or embryos. Despite the need for initial training to perform this procedure for high-throughput delivery, microinjection offers maximum efficiency and reproducible delivery of a wide variety of treatment solutions (including complex mixtures of samples) into cells, eggs or embryos. Applications to microinjections include delivery of DNA constructs, mRNAs, recombinant proteins, gain of function, and loss of function reagents. Fluorescent or colorimetric dye is added to the injected solution to enable instant visualization of efficient delivery as well as a tool for reliable normalization of the amount of the delivered solution. The described method enables microinjection of 100-400 sea urchin zygotes within 10-15 min.

Microinjection is a common technique used to deliver DNA constructs, mRNAs, morpholino antisense oligonucleotides or other treatments into eggs, embryos, and cells of various species.

High Throughput microiniezioni di Sea Urchin zigoti

Microinjection into cells and embryos is a common technique that is used to study a wide range of biological processes. In this method a small amount of ...

Un protocollo per bioispirati Design: A terra Sampler Sulla base di Sea Urchin Jaws

Riepilogo

Esplora Altri Video

Capitoli in questo video

VacuSIP, un metodo migliorato per Inex