Een Millimeter schaal buigsterkte testsysteem voor het meten van de mechanische eigenschappen van mariene spons botsplinters
11 oktober 2017
Presenteren we een protocol voor het verrichten van drie-punt buigende proeven op sub millimeter schaal vezels met behulp van een custom-built mechanische beproevingstoestel. Het apparaat kan meten krachten variërend van 20 µN tot 10 N en is daarom geschikt voor een verscheidenheid van grootte van de vezels.
Het algemene doel van dit experiment is om het buiggedrag van vezels met diameters tussen de 10 en 100 micrometer te meten. Deze methode kan helpen bij het beantwoorden van belangrijke vragen over het mechanische gedrag van biologische structuren, zoals de sterkte en stijfheidseigenschappen van mariene sponsspicuulen. Het grote voordeel van deze techniek is dat het kan worden gebruikt om het mechanische gedrag van een grote verscheidenheid aan materialen met verschillende groottes en elastische eigenschappen te meten.
Hoewel deze methode inzicht kan geven in het mechanische gedrag van spicules, kan het ook worden toegepast op andere dragende biologische structuren, zoals plantenstengels en veerrachiden. Om te beginnen, bevestig de laadpunt aan de cantilever, met behulp van nummer 4-40 kopspijkers met socketkop. Zorg ervoor dat de cantileverarmen niet plastisch worden vervormd tijdens het bevestigen van het laadpunt.
Plaats vervolgens de laadpunttip weg van de cantileverplaat en bevestig de cantilever losjes aan de plaat met behulp van nummer 6-32 kopspijkers met socketkop. Breng vervolgens de 1/8-inch uitlijningspenen door de cantilever en de plaat, draai de schroeven vast en verwijder vervolgens de uitlijningspenen. Trek de glasvezelverplaatsingssensor zo ver mogelijk terug door de sensormicrometer linksom te draaien.
Bevestig vervolgens de cantileverplaat losjes aan het frame met behulp van nummer 6-32 kopspijkers met socketkop, waarbij de laadpunttip in de negatieve z-richting wijst. Breng opnieuw de 1/8-inch uitlijningspenen in, dit keer door het frame en de cantileverplaat, draai de schroeven vast en verwijder vervolgens de uitlijningspenen. Plaats nu het stadium op de stapbasisplaat zodat de uiteinden van de micrometerhoofden op de niveauplaat in de uitsparingen van de stapbasisplaat rusten.
Plaats een bubbelniveau op de isolatietafel en pas de druk in elk van de tafelpoten aan door de draaiarm-duimschroeven te draaien zodat het oppervlak vlak is. Verplaats het bubbelniveau naar de bovenkant van de stapniveauplaat en pas het micrometer aan zodat het ook vlak is. Noteer de micrometerposities en verwijder het podium van de stapbasisplaat.
Gebruik een paar pincetten om een ankerspicuul bij zijn distale uiteinde te grijpen en trek om het uit het skelet te verwijderen. Plaats het spicuul op een schone microscoopglasplaat. Gebruik een vijfvoudig nulgrootte rode sable borstel om het spicuul tegen de glasplaat te houden.
Snijd een vier millimeter sectie van het spicuul door een scheermesje tegen het spicuul aan beide kanten van de borstel te duwen, loodrecht op het oppervlak van de glasplaat. Gooi vervolgens de distale en proximale spicuulsecties weg en bewaar de vier millimeter sectie die vanuit het midden is gesneden. Breng de spicuulsectie over naar de monsterfase.
Plaats deze dwars over de trench met de gewenste overspanning voor de buigtest en duw deze voorzichtig in de positieve y-richting tegen de trenchrug om ervoor te zorgen dat het spicuul loodrecht staat op de trenchranden. Plaats het podium op de stapbasisplaat zodat de uiteinden van de micrometerspil op de uitsparingen van de stapbasisplaat rusten. Pas indien nodig de micrometers op de stapniveauplaat aan.
Open het Bending Test programma in het aanvullende codebestand en stel de Stapgrootte in op twee micrometer, de Maximale Verplaatsing op 0,5 millimeter, de Laagspanningsstop op 1,5 volt en de Hoogspanningsstop op 4,6 volt, met behulp van de tekstvakken die in de gebruikersinterface worden weergegeven. Selecteer de gewenste afbeelding, gegevensmappen en de naam van het uitvoerbestand, met behulp van de tekstvakken in de gebruikersinterface. Zet vervolgens de Schakelbeeldopslag in de gebruikersinterface naar de neerwaartse positie en klik op de groene rechthoekige knop onder de woorden Spanningsverschil zodat deze gaat lichten.
Start nu het Bending Test programma en wacht tot de motorcontroller en camera-interfaces zijn geïnitialiseerd. Schakel de verlichter in en pas de helderheid aan zodat de laadpunttip zichtbaar is. Draai vervolgens de micrometer van de glasvezelverplaatsingssensor met de klok mee totdat de uitvoerspanning die in de grafiek van de gebruikersinterface wordt weergegeven ongeveer 1,7 volt is.
Gebruik nu de potentiometerregelaar op de motorcontroller van de z-as om het podium in de positieve z-richting te verplaatsen totdat het ongeveer een centimeter onder de laadpunttip is, en stel de thuispositie van de z-as in door op de Thuis knop te klikken. Gebruik de potentiometerregelaars op de motorcontrollers van de x- en y-as om de laadpunttip boven het centrum van de dunne stalen strip te plaatsen, die zich op de monsterfase bevindt in de negatieve x-richting van de trench. Gebruik vervolgens de potentiometerregelaar op de motorcontroller van de z-as om het podium in de positieve z-richting te verplaatsen totdat het zich binnen het gezichtsveld van de microscoop bevindt.
Klik op de knop met het label Begin Test en voer, wanneer gevraagd, waarden van 0,003 volt en 0,001 millimeter in voor aanraakgevoeligheid en aanraakstappengrootte, respectievelijk. Klik op OK en wacht enkele minuten totdat de kalibratiestap is voltooid. Open en voer het Basic Data programma uit dat in het aanvullende codebestand staat en draai de micrometer van de glasvezelverplaatsingssensor linksom totdat de uitvoerspanning die op de grafiek van de gebruikersinterface wordt weergegeven ongeveer drie volt is.
Gebruik vervolgens de potentiometerregelaar op de motorcontroller van de x-as om de laadpunttip tussen de trenchranden boven het spicuul te plaatsen. Gebruik ook de potentiometerregelaar op de motorcontroller van de z-as om het podium in de positieve z-richting te verplaatsen totdat de laadpunttip onder het bovenoppervlak van de trenchrug ligt. Gebruik ten slotte de potentiometerregelaar op de motorcontroller van de y-as om de voorkant van de trenchrug scherp te stellen, zodat de volledige breedte van de laadpunttip tussen de randen van de trenchrug ligt.
Stop vervolgens het Basic Data programma door op de Stop knop te klikken. Open en voer vervolgens het Center Load Point programma uit, zoals gevonden in het
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Dit artikel presenteert een protocol voor het meten van het buiggedrag van vezels met diameters tussen 10 en 100 micrometers met behulp van een op maat gebouwd mechanisch testapparaat. Het apparaat is in staat om krachten van 20 µN tot 10 N te meten, waardoor het geschikt is voor diverse vezelmaten.
Belangrijkste onderdelen van de studie
Wetenschapsgebied
- Mechanische beproeving van biologische structuren
- Materiaalkunde
- Biomechanica
Achtergrond
- De studie richt zich op het mechanische gedrag van biologische vezels.
- Er wordt nadruk gelegd op het belang van het begrijpen van de sterkte en stijfheid van spicula van zeesponzen.
- Deze methode kan ook worden toegepast op andere biologische structuren, zoals plantenstengels en veren.
- Op maat gemaakte mechanische testapparatuur verbetert de meetmogelijkheden.
Doel van de studie
- Om de buigeigenschappen van vezels met een kleine diameter te meten.
- Om het mechanische gedrag van spicula van zeepsponzen te onderzoeken.
- Om inzichten te verschaffen die van toepassing zijn op diverse biologische structuren.
Gebruikte methoden
- Driepuntsbuigproeven op vezels.
- Gebruik van een op maat gebouwd mechanisch testapparaat.
- Meting van krachten variërend van 20 µN tot 10 N.
- Zorgvuldige bevestiging van de belastingspunten om deformatie te voorkomen.
Belangrijkste resultaten
- Succesvolle meting van het buiggedrag van vezels.
- Inzichten in de mechanische eigenschappen van spicula van zeesponzen.
- Demonstratie van de veelzijdigheid van de methode voor diverse materialen.
- Potentiële toepassingen voor andere biologische structuren.
Conclusies
- Het protocol biedt een betrouwbare methode voor het testen van vezelmechanica.
- De bevindingen dragen bij aan het begrip van de eigenschappen van biologisch materiaal.
- De techniek kan worden aangepast voor een breed scala aan biologische toepassingen.
Veelgestelde vragen
Relevantie voor de Industrie
Kwantitatieve buigproeven van biologische vezels met een diameter van minder dan een millimeter maken een nauwkeurige mechanische karakterisering mogelijk, wat essentieel is voor de ontdekking en validatie van biomaterialen in een vroeg stadium. Deze mogelijkheid ondersteunt het voorspellende vertrouwen in de mechanische prestaties van nieuwe belastbare structuren, wat zowel de selectie van doelen als de risico-gecorrigeerde voortgang in biopharma R&D-portfolio's informeert. De aanpak overbrugt een cruciaal meetgat voor kleine, niet-microscopische biologische constructen die relevant zijn voor translationeel biomateriaalonderzoek.
Strategische toepassingen in biofarmaceutisch R&D
Vroege Ontdekking & Targetvalidatie
- Maakt directe meting van sterkte en stijfheid in kandidaat-biomaterialen mogelijk.
- Ondersteunt mechanistische risicoreductie door de draagkracht van biologische vezels te kwantificeren.
- Faciliteert hypothesetoetsing met betrekking tot structuur-functie-relaties in nieuwe biomaterialen.
Screening & Assayontwikkeling
- Biedt gestandaardiseerde, reproduceerbare three-point bending assays voor vezels met een kleine diameter.
- Genereert kwantitatieve kracht-verplaatsingsgegevens die geschikt zijn voor vergelijkende screening.
- Maakt het mogelijk om apparaatparameters aan te passen om diverse monster-types en -formaten te accommoderen.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Maakt afstemming van mechanische eigenschappen op translationele biomateriaalvereisten mogelijk.
- Ondersteunt continuïteit van ontdekking tot preklinische validatie van belastbare constructen.
- Vermindert onzekerheid bij het verder ontwikkelen van kandidaten met gedefinieerde mechanische prestatieprofielen.
Integratie van pipeline en workflow
Dit systeem voor buigproeven past binnen het continuüm van ontdekking naar prekliniek voor biomaterialen en ondersteunt zowel vroege hypothesetoetsing als downstream-validatie van mechanische eigenschappen.
- Discovery Biology: Kwantificeert mechanisch gedrag om structuur-functiehypothesen in kandidaat biomaterialen te verduidelijken.
- Screening: Levert reproduceerbare, kwantitatieve resultaten voor vergelijking en rangschikking tussen monsters.
- Analytics: Biedt kracht-verplaatsingscurven en afgeleide mechanische parameters voor robuuste statistische analyse.
- Translationeel onderzoek: Lijn resultaten van mechanische tests uit met preklinische prestatiebenaderingen.
- Enterprise Reuse: Aanpasbaar ontwerp van het apparaat ondersteunt herhaald gebruik in diverse biologische en synthetische vezelsystemen.
Operationele impact & impact op de organisatie
- Wetenschappelijke waarde: Verhoogt het voorspellingsvertrouwen in de mechanische prestaties van biomaterialen en de validatie van doelen.
- Operationele waarde: Standardiseert buigproeven voor kleinschalige biologische structuren, wat de reproduceerbaarheid verbetert.
- Strategische waarde: Ondersteunt go/no-go-beslissingen door in een vroeg stadium van de ontwikkeling kwantitatieve mechanische benchmarks te bieden.
- Impact op portfolio: Maakt risicogestuurde prioritering van biomateriaal-kandidaten mogelijk op basis van gevalideerde mechanische eigenschappen.
Overwegingen bij de implementatie
- Vereist expertise in mechanische beproevingen en kalibratie van apparaten op microschaal.
- Toegang tot precisie-instrumentatie is noodzakelijk, waaronder verplaatsingssensoren en gemotoriseerde tafels.
- Strenge standaardisatie van monstervoorbereiding en testparameters tussen teams is vereist.
- Aanpasbaar aan een reeks biologische en synthetische vezelsystemen mits correct gekalibreerd.
- Zorgvuldige montage en uitlijning van monsters zijn cruciaal om valide, reproduceerbare resultaten te garanderen.
