Diese Arbeit wurde unterstützt durch National Science Foundation [Mechanik der Werkstoffe und Strukturen Programm, Anzahl 1562656 gewähren]; und der American Society of Mechanical Engineers [Haythornthwaite Young Investigator Award].

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Die Autoren haben nichts preisgeben.

Mehrere Schritte des Protokolls sind besonders wichtig, um sicherzustellen, dass Kräfte und Verschiebungen genau gemessen werden. Während einige dieser kritischen Schritte universell für alle drei-Punkt-Biegeversuche, sind andere einzigartig für diese mechanische Prüfeinrichtung.
In Schritt 1.2 des Protokolls der LP-Spiegel ist gereinigt und überprüft auf Kratzer und im Schritt 1.6 des Protokolls ist die FODS Verstärkung eingestellt. Es ist wichtig für die Verstärkung und die LP Spiegel Reflexion für die Schritte 2, 4und 5 des Protokolls konstant sein. Aus diesem Grund sollten die zwei Kalibrierung Schritte (Schritte 2 und 4 des Protokolls) unmittelbar vor dem Biegeversuch (Schritt 5 des Protokolls) durchgeführt werden.
In Schritten 1,9 und 3.7 des Protokolls ist die Bühne in Bezug auf die Oberfläche des Tisches Isolierung eingeebnet. Diese Schritte stellen sicher, dass <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq2.jpg"> ist die Komponente der Kraft senkrecht zur Längsachse der Spicule. Der Rahmen der mechanische Prüfeinrichtung ist hergestellt, sodass die Freischwinger, LP Spiegel und Oberfläche der FODS alle parallel zur Oberfläche des Tisches isoliert sind. Dies bedeutet, dass der Kraftsensor wird die Komponente von Gewalt und Vertreibung normal auf der Tischoberfläche isoliert zu messen. Wenn oben auf der Bühne durch einen Winkel falsch ausgerichtet ist <img alt="Equation 53" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq53.jpg"> in Bezug auf die Oberfläche des Tisches isoliert, dann die gemessene Verschiebung der LPT werden <img alt="Equation 55" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq55.jpg"> </img>, wo <img alt="Equation 54" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq54.jpg"> ist die tatsächliche Verschiebung in Richtung senkrecht zu den Spicule die Längsachse (siehe Abbildung 7). Da <img alt="Equation 56" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq56.jpg"> </img>, dies führt zu einer Vorhersage der Krafteinwirkung und die unter Vorhersage von Spicule Verschiebungen pro Gleichungen (1) und (2).
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56571/56571fig7.jpg"> 
Abbildung 7: Auswirkungen der Bühne Nivellierung auf Verschiebung Messungen. (A) die Bühne in einem Winkel geneigt ist <img alt="Equation 53" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq53.jpg"> </img>, in Bezug auf die Oberfläche des Tisches Isolierung und der Unterseite des Nadelträgers. (B) die Verschiebung der LP in vertikaler Richtung, <img alt="Equation 50" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq50.jpg"> (siehe Abbildung 1 (D)), wird durch die FODS gemessen. Die Komponente der LP Verschiebung in der Richtung senkrecht zur Achse der Spicule ist <img alt="Equation 54" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq54.jpg"> </img>. <a href="//ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/56571/56571fig7large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
In Schritte 5.1- positioniert5.3 des Protokolls ist die LPT halbem Weg über den Graben Spannweite. Fehlausrichtung von LPT in Bezug auf die Mitte Spannweite führt in der Probe erscheinen steifere als es tatsächlich, 31,32 ist. Das heißt, werden die Spicule Verschiebung kleiner als die die gemessen werden würde, wenn die gleiche Kraft in der Mitte Spannweite angewendet wurden. Diese Art der Fehlstellung kann vermieden werden, durch nicht die Bühne von der Bühne Grundplatte entfernen oder anpassen der X-Achse Tischposition nach der Zentrierung Verfahrens abgeschlossen (Schritte 5.1-5.3 des Protokolls).
Eine Einschränkung dieser Methode ist, um die relative Messunsicherheit von Gewalt und Vertreibung Messungen zu verringern, die Cantilever-Steifigkeit ausgewählt werden sollen, so dass die Ausgangsspannungen FODS das gesamte Spektrum von 1,8 bis 4,5 V während der Biegung umfassen Test. Allerdings entspricht diesem Spannungsbereich eine Freischwinger-Verschiebung von ca. ≈250 µm, die ist ungefähr das gleiche wie die Spicule Verschiebung nur, bevor es ausfällt (siehe Abbildung 6 (C)). Dies bedeutet, dass die Freischwinger und das Spicule ähnliche Steifigkeiten. Dies ist zwar nicht problematisch für die Messung der elastischen Reaktion und Festigkeitseigenschaften von der Knochensplitter, schließt es die genaue Messung der Knochensplitter Zähigkeit Eigenschaften aus. Dies ist da um eine genaue Messung der Zähigkeit Eigenschaften zu gewährleisten, ein Riss in der Spicule in einer kontrollierten Art und Weise 33ausbreiten muss. In der Regel ist dies nur möglich, wenn das Prüfgerät viel stabiler als die Probe- 33 ist. Um die Steifigkeit der Prüfeinrichtung zu erhöhen, könnte ein empfindlicher Wegsensor anstelle der FODS verwendet werden.
Während der Biegung Testprotokoll auf E. Aspergillus Knochensplitter nachgewiesen wird, kann das mechanische Prüfgerät Ausführung 3-Punkt-Biegeversuche an andere LBBSs und synthetische Materialien sowie verwendet werden. Diese mechanische Messgerät eignet sich besonders für Proben, deren Querschnitt Durchmesser reichen von 0,01 bis 1 mm und für Graben erstreckt sich von 1 bis 10 mm. Für größere Durchmesser sollte dem Probentisch neu gestaltet werden, damit die Probe über die Bühne Rollen kann nicht. Dies ist kein Problem für kleinere Fasern, wie die Knochensplitter, weil die Rauheit der Oberfläche der Bühne genug ist, um zu verhindern, dass die Probe ins Rollen. Die Radien der Graben Kanten und LPT sollte auch vermeiden Einführung lokale Schäden an den stellen, wo die Probe unterstützten 31,32ist, größer gemacht werden. Darüber hinaus sollte die Bühne Nivellierung Platte auf der Bühne Grundplatte befestigt werden (siehe Abbildung 4A) mit ¼"-20 Buchse Kopf Kopfschrauben nach Schritt 3.7 des Protokolls um zu verhindern Phase zu kippen, wenn Kräfte ≈1 überschreiten N.
Für genaue Kraft und Wegmessung sollte der Cantilever Steifigkeit immer viel kleiner als die Rahmensteifigkeit (≈107 N/m). Diese Anforderung begrenzt die maximale Kraft, die von diesem Gerät auf ≈25 N. angewendet werden können Daher ist es wichtig, die maximale Kraft zu schätzen, die ein Exemplar standhalten kann, vor der Durchführung einer Biegeversuch um festzustellen, ob dieses Gerät verwendet werden kann, um den Test durchzuführen.
Diese Arbeit liefert das Protokoll, technischen Zeichnungen (siehe ergänzende Datei 1) und Software (siehe ergänzende Codedateien) zum reproduzieren und verwenden unsere mechanischen Prüfgerät. Dies wird hoffentlich eine Plattform bieten, für die genaue Messung der Biegefestigkeit Verhaltens von vielen verschiedenen LBBSs. Diese Messungen sind die Voraussetzung für ein tieferes Verständnis der Beziehung zwischen einem LBBS Architektur und seine mechanischen Eigenschaften zu entwickeln.

Durch das Studium der Architekturen von Tragkonstruktionen biologische (LBBSs), wie Shell und Knochen, haben Ingenieure neue composite-Materialien entwickelt, die stark und zäh 1sind. Es hat sich gezeigt, dass die bemerkenswerten mechanischen Eigenschaften von LBBSs und ihre Kollegen bioinspirierte mit ihrer komplizierten internen Architekturen 2zusammenhängen. Die Beziehungen zwischen LBBS Architekturen und mechanischen Eigenschaften sind jedoch nicht vollständig geklärt. Ein LBBS mechanische Reaktion gemessen, ist der erste Schritt zum Verständnis, wie die Architektur seiner mechanischen Eigenschaften verbessert.
Es ist jedoch wichtig, dass die Art des Tests verwendet, um eine LBBS mechanische Reaktion messen mit seiner mechanischen Funktion übereinstimmt. Da Federn aerodynamischen Belastungen unterstützen müssen, ist die primäre Funktion einer Feder Rachis beispielsweise Biege Steifigkeit 3liefern. Daher ist ein Biegeversuch bevorzugt, einen einachsigen Zugversuch für seine mechanische Reaktion gemessen. In der Tat, viele LBBSs — z. B. Feder Rachises 3, Rasen ergibt 4und Knochensplitter 5,6,7,8— in erster Linie durch Biegen verformen. Deshalb, weil diese LBBSs schlank sind –d. h., ihre Länge ist deutlich größer als ihre Breite oder Tiefe. Jedoch durchführen Biegeversuche auf diese LBBSs ist eine Herausforderung, weil die Kräfte und Verschiebungen, die sie, bevor ein Fehler auftritt widerstehen können von 10-2 bis 10 reichen2 N und 10-4 10-3 m, bzw. 3 , 4 , 5 , 7 , 8. Infolgedessen das Gerät verwendet, um diese mechanische Tests durchzuführen müssen Gewalt und Vertreibung Auflösungen von ≈10-5 N und ≈10-7 m (d.h. 0,1 % der Maximalkraft messbar und Verschiebung des Sensors), beziehungsweise.
Im Handel erhältlich, in großem Maßstab, nicht mechanische Prüfsysteme in der Regel messen Kräfte und Verschiebungen mit dieser Auflösung. Während Rasterkraft Mikroskop-basierte 9,10 oder mikroelektromechanische Systeme-basierte 11 Prüfgeräte ausreichende Auflösung haben, können sie messen, die Maximalkraft (jeweiligen Verschiebung) ist kleiner als die Maximalkraft (jeweiligen Verschiebung), die die LBBS standhalten können. Daher muss zum Durchführen von Biegeversuche auf diese LBBSs, Ingenieure und Wissenschaftler auf kundenspezifische mechanische Tests Geräte 5,7,12,13verlassen. Der Hauptvorteil dieser Custom-Built Geräte ist, dass sie große Bereiche der Kräfte und Verformungen aufnehmen können. Jedoch, den Bau und Betrieb dieser Geräte ist nicht gut dokumentiert in der Literatur.
Ein Protokoll wird beschrieben, für die Durchführung von drei-Punkt-Biegeversuche mit einer Custom-Built mechanische Prüfeinrichtung, die messen können Kräfte von 10-5 bis 101 N und Verschiebungen von 10-7 bis 10-2 m. Technische Zeichnungen, darunter alle Dimensionen, die Komponenten der mechanischen Prüfeinrichtung sind in das ergänzende Material zur Verfügung gestellt. Der Hauptvorteil dieser mechanischen Prüfgerät ist, dass die Gewalt und Vertreibung reicht leicht angepasst werden können verschiedene LBBSs. Das Gerät Funktionsprinzip ist ähnlich wie ein Rasterkraft-Mikroskop- 9. In diesem Gerät befindet sich eine Probe über einen Graben in eine Edelstahlplatte geschnitten (siehe Abbildung 1A-C). Die Spanne des Grabens wird vom optischen Mikrographen zu 1278 ± 3 µm gemessen (Mittelwert ± Standardabweichung; n = 10). Die Trench-Kanten unterstützen die Probe bei Biegeversuch (siehe Abbildung 1und D). Diese Probentisch eine dreiachsige Verschiebetisch befestigt und unter einem Aluminium-Keil so positioniert, dass der Keil auf halbem Weg über den Graben Spannweite befindet (siehe Abbildung 1C). Durch Bewegen der Bühne in der <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq1.jpg"> Richtung (siehe Abbildung 1A, und C), die Probe in den Keil, wodurch die Probe biegen geschoben.
Wir verweisen auf den Keil der Last Point Spitze (LPT) sowie die Komponente des Geräts, das den Keil als Lastpunkt (LP) enthält. Die LP ist bis zum Ende des Freischwinger angebracht deren Verdrängung durch eine Faser-optischen Wegsensor (FODS) gemessen wird. Die FODS strahlt infrarotes Licht, die auf der Oberseite der LP von einem Spiegel reflektiert wird (siehe Abbildung 1B) und erhielt durch eine Glasfaser in die FODS. Ein ≈5 mm quadratischen Stück einen polierten Siliziumwafer dient als LP-Spiegel und ist angebracht, um die LP mit Epoxy. Die FODS misst Verschiebungen durch den Vergleich der Intensität des emittierten und reflektierten Lichts. Der Freischwinger Steifigkeit und Vertreibung werden verwendet, um die Kraft zu berechnen <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq2.jpg"> </img>, von der Keil durch seine Wechselwirkung mit der Probe erlebt. Die Cantilever-Verschiebung dient auch zur Verschiebung der Querschnitt der Probe unter den Keil, berechnen <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq3.jpg"> </img>. Freischwinger-basierte Kraftsensoren wurden in einer Reihe von Mikro- und Makroebene mechanische Tests Studien 10,11,12,13,14verwendet. Die konkrete Ausgestaltung, die hier vorgestellt wird von einem mechanischen Tests Gerät verwendet für die Durchführung von Klebstoff Kontakt Experimente 14angepasst. Ein ähnliches Design wurde auch in einem handelsüblichen Micro-Tribometer 15,16eingesetzt.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56571/56571fig1.jpg"> 
Abbildung 1: Übersicht über die Custom-Built mechanische Prüfeinrichtung. (A) A Computer-aided Design Rendering des Geräts. Die Bühne-Komponenten sind in grün hervorgehoben. Die Force sensing-Unterbaugruppe (Freischwinger, Lastpunkt (LP)) ist rot markiert. (B) ein vergrößert Ansicht von (A). Der LP-Spiegel zeigt in blau auf der Oberseite der LP unter dem FODS und LPM beschriftet ist. (C) das Koordinatensystem verwendet, um die Bewegung der Übersetzung Bühne beschreiben. Durch Abgleich the-Bühne im Schritt 1.9 des Protokolls, die <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq1.jpg"> Richtung erfolgt zeitgleich mit der Vektor senkrecht zur Fläche des Spiegels LP. (D) eine schematische Darstellung der Dreipunkt-Biege-Konfiguration zeigt die Verformung der Spicule und die gemessenen Verformungen <img alt="Equation 49" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq49.jpg"> </img>, und <img alt="Equation 50" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq50.jpg"> </img>. <a href="//ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/56571/56571fig1large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
Die Gerätefunktionen werden demonstriert, indem die drei-Punkt-Biegeversuche auf das Skelett Elemente des marinen Schwammes Euplectella Aspergillus6,7. Dieser Schwamm Skelett ist eine Versammlung von Filamenten, genannt Schwammnadeln (siehe Abb. 2A). Die Nadeln sind ≈50 µm dick und bestehen hauptsächlich aus Kieselsäure 6. Biosilica-basierte Knochensplitter befinden sich in Schwämmen, die Zugehörigkeit zu den Klassen Demospongiae, Homoscleromorpha und Hexactinellida. Schwämme, wie E. Aspergillus, die gehören zu der Klasse Hexactinellida sind auch bekannt als "Glas Schwämme." Während die Knochensplitter Glas Schwämme in erster Linie aus Kieselsäure bestehen, hat sich gezeigt, dass die Kieselsäure oft eine organische Matrix bestehend aus entweder Kollagen 17,18 oder Chitin 19,20 enthält , 21. dieser organische Matrix spielt eine wichtige Rolle in Kieselsäure Biomineralisation 18,20. Darüber hinaus in einigen Knochensplitter dient die organische Matrix auch als Vorlage für die Biomineralisation von Kalzium 22. Zusätzlich innerhalb der Kieselsäure verteilt wird, kann die organische Matrix auch unterschiedliche Schichten bilden, die das Spicule Kieselsäure in konzentrischen, zylindrische Lamellen 6,23zu partitionieren. Es hat sich gezeigt, dass diese konzentrischen, lamellare Architektur die Knochensplitter Verformung Verhalten 6,7,8,24,25,26 beeinflussen können . Infolgedessen die Knochensplitter mechanischen Eigenschaften werden durch eine Kombination von ihrer Chemie bestimmt (zB., die chemische Struktur des Verbundes Kieselsäure-Protein) und ihre Architektur- 27. Die chemische Struktur und Architektur des Glas Schwamm Knochensplitter sind noch in der Untersuchung 24,28,29.
Die meisten der Knochensplitter in E. Aspergillus werden zusammen bilden einen steifen Skelett Käfig zementiert. An der Basis des Skeletts ist jedoch eine Büschel von sehr langen (≈10 cm) Knochensplitter bekannt als der Anker Schwammnadeln (siehe Abb. 2A). Wir beschreiben das Protokoll für die Durchführung von drei-Punkt-Biegeversuche auf kleine Abschnitte der Anker Schwammnadeln.
In Schritt 1 des Protokolls wird das Verfahren für die Montage und Ausrichtung der Komponenten der Custom-Built mechanische Prüfeinrichtung beschrieben. Schritte 2 und 4 des Protokolls bieten Anleitungen für Erzeugung von Kalibrierdaten verwendet, um Kräfte und Verschiebungen in der Biegeversuch berechnen. Die Schritte unternommen, um einen Abschnitt eines Spicule vorbereiten und montieren Sie es auf die Prüfvorrichtung sind in Schritt 3beschrieben. Das Verfahren für die Durchführung der Biegeversuch im Abschnitt Spicule wird in Schritt 5beschrieben. Zu guter Letzt im Abschnitt Vertreter Ergebnisse die Kalibrierdaten erhalten Sie in Schritte 2 und 4 dienen zusammen mit der Biegung Testdaten in Schritt 5 erhaltenen berechnen <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq2.jpg"> und <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq3.jpg"> </img>.
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56571/56571fig2.jpg"> 
Abbildung 2: Verfahren für Schnitt und Inspektion E. Aspergillus Schwammnadeln. (A) das Skelett des E. Aspergillus. Die Büschel der freistehenden Anker Knochensplitter ist an der Basis des Skeletts dargestellt. Die Maßstabsleiste beträgt ~ 25 mm (B), die einen einzigen Anker Spicule auf einen Objektträger mit einem #00000 rot Sable Pinsel und geschnitten, mit einer Rasierklinge gehalten ist. Die Maßstabsleiste beträgt ~ 12 mm (C) ein Abschnitt einer E. Aspergillus -Spicule über den Graben auf der Probe-Bühne platziert. Der Graben Kanten und Graben Ridge sind blaugrün und Orange, hervorgehoben. Das Spicule wird gegen die Kante des Grabens geschoben, um sicherzustellen, dass ihre Achse senkrecht bis an den Rand des Grabens ist. (D) ein Schliffbild von einem Spicule, der vergeht der Inspektion beschriebene in Schritt 3.4 des Protokolls, das beschreibt, wie um festzustellen, ob ein Spicule Abschnitt beschädigt ist und verworfen werden muss. (E) ein Schliffbild von eine Spicule enthält viele Risse und große Teile der Silizium-Schichten, die dem in Schritt 3.4 des Protokolls beschriebenen Prüfverfahren scheitern würde fehlen. Skalieren von Balken = 250 µm (C), 100 µm (D) und 100 µm (E). <a href="//ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/56571/56571fig2large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>TMC 36&#34; x 48&#34; isolation table with 4&#34; CleanTop breadboard</td>
			<td>TMC</td>
			<td>63-563</td>
			<td>Isolation Table</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Diffeential Screw Adjuster</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>DAS110</td>
			<td>For stage leveling plate</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1&#34; Travel Micrometer Head with 0.001&#34; Graduations</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>150-801ME</td>
			<td>For stage leveling plate</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Right-Angle Bracket for PT Series Translation Stages, 1/4&#34;-20 Mounting Holes</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>PT102</td>
			<td>For microscope mount</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1&#34; Dovetail Translation Stage, 1/4&#34;-20 Taps</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>DT25</td>
			<td>For microscope mount</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1&#34; Translation Stage with 1/4&#34;-170 Adjustment Screw, 1/4&#34;-20 Taps</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>PT1B</td>
			<td>For microscope mount</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>12&#34; Length, Dovetail Optical Rail</td>
			<td>Edmund Optics</td>
			<td>54-401</td>
			<td>For microscope mount</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>2.5&#34; Width, Dovetail Carrier</td>
			<td>Edmund Optics</td>
			<td>54-404</td>
			<td>For microscope mount</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>0.5&#34; Width, Dovetail Carrier</td>
			<td>Edmund Optics</td>
			<td>54-403</td>
			<td>For microscope mount</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>InfiniTube Mounting C-Clamp with &#188;-20</td>
			<td>Edmund Optics</td>
			<td>57-788</td>
			<td>Microscope component</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Standard (with no In-Line Attachment), InfiniTube</td>
			<td>Edmund Optics</td>
			<td>56-125</td>
			<td>Microscope component</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Standard In-Line Attachment (Optimized at 2X-10X), InfiniTube</td>
			<td>Edmund Optics</td>
			<td>56-126</td>
			<td>Microscope component</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mitutoyo/Achrovid Objective Adapter (M26 to M27)</td>
			<td>Edmund Optics</td>
			<td>53-787</td>
			<td>Microscope component</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>5X Infinity Achrovid Microscope Objective</td>
			<td>Edmund Optics</td>
			<td>55-790</td>
			<td>Microscope component</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>0.316&#34; ID, Fiber Optic Adapter SX-6</td>
			<td>Edmund Optics</td>
			<td>38-944</td>
			<td>Microscope component</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>&#188;&#34; x 36&#34;, Flexible Fiber Optic Light Guide</td>
			<td>Edmund Optics</td>
			<td>42-347</td>
			<td>Microscope component</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>115V, MI-150 Fiber Optic Illuminator w/IR Filter and Holder</td>
			<td>Edmund Optics</td>
			<td>55-718</td>
			<td>Microscope component</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Allied Vision Manta G-223 2/3&#34; Color CMOS Camera</td>
			<td>Edmund Optics</td>
			<td>88-452</td>
			<td>Microscope component</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Power Supply for Manta/ Guppy Pro/ Stingray/ Pike</td>
			<td>Edmund Optics</td>
			<td>68-586</td>
			<td>Microscope component</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1/4&#34; Travel Single Axis Translation Stage</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>MS1S</td>
			<td>FODS micrometer</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Analog Reflectance Dependent Fiber Optic Displacement Sensor</td>
			<td>Philtec</td>
			<td>D20</td>
			<td>FODS</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>30V, 3A DC Power Supply</td>
			<td>Agilent</td>
			<td>U8001A</td>
			<td>Power supply for DAQ and FODS</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>14-Bit, 48 kS/s Low-Cost Multifunction DAQ</td>
			<td>National Instruments</td>
			<td>USB-6009</td>
			<td>DAQ for FODS</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Three Axis Motorized Translation Stage</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>Thorlabs T25 XYZ-E/M</td>
			<td>Translation stage</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>T-Cube DC Servo Motor Controller</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>TDC001</td>
			<td>Motor controller for stage</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>T-Cube Power Supply</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>TPS001</td>
			<td>Power supply for motor controller</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>National Instruments LabVIEW (2013 SP1)</td>
			<td>National Instruments</td>
			<td></td>
			<td>Used for running software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>National Instruments LabVIEW Vision Acquisition Software (2016)</td>
			<td>National Instruments</td>
			<td></td>
			<td>Used for running software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Nikon Eclipse Ci-POL Main Body</td>
			<td>MVI</td>
			<td>MDA96000</td>
			<td>Polarized light microscope</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Nikon Pi Intermediate Tube with Analyzer Slider</td>
			<td>MVI</td>
			<td>MDB45305</td>
			<td>Polarized light microscope</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Nikon Dia-Polarizer</td>
			<td>MVI</td>
			<td>MDN11920</td>
			<td>Polarized light microscope</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Power Cord - 7&#39;6&#34;</td>
			<td>MVI</td>
			<td>79035</td>
			<td>Polarized light microscope</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Nikon P-Amh Mechanical Stage</td>
			<td>MVI</td>
			<td>MDC45000</td>
			<td>Polarized light microscope</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Nikon Lwd Achromat Condenser</td>
			<td>MVI</td>
			<td>MBL16100</td>
			<td>Polarized light microscope</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Nikon LV-NBD5BD-CH Manual Quint Nosepiece ESD</td>
			<td>MVI</td>
			<td>MBP60125</td>
			<td>Polarized light microscope</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Nikon C-TF Trinocular Tube F</td>
			<td>MVI</td>
			<td>MBB93100</td>
			<td>Polarized light microscope</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Nikon CFI 10X Eyepiece FN 22mm NC</td>
			<td>MVI</td>
			<td>MAK10110</td>
			<td>Polarized light microscope</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Nikon TU Plan Flour BD 10x Objective</td>
			<td>MVI</td>
			<td>MUE42100</td>
			<td>Polarized light microscope</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Venus Flower Basket Sponge</td>
			<td>Denis Brand</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Sponge skeleton</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>3.5X Headband Flip-Up Magnifier</td>
			<td>McMaster Carr</td>
			<td>1490T5</td>
			<td>Used for spicule sectioning</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>&#216;1&#34; Silicon Wafer, Type P / &#60;100&#62;</td>
			<td>Ted Pella</td>
			<td>16011</td>
			<td>Used for load point mirror</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Low Lint Tapered Tip Cotton Swab</td>
			<td>McMaster Carr</td>
			<td>71035T31</td>
			<td>Used for cleaning LP mirror</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Rubber grip precision knife</td>
			<td>McMaster Carr</td>
			<td>35575A68</td>
			<td>Used for sectioning spicules</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Microscope Slides, frosted end, 75 x 25 x 1mm</td>
			<td>Ted Pella</td>
			<td>260409</td>
			<td>Used for sectioning spicules</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sable Brushes, #00000, 0.08mm W x 4.0mm L</td>
			<td>Ted Pella</td>
			<td>11806</td>
			<td>Used for handling spicules</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PELCO Pro High Precision Tweezers, extra fine tips, superior finish</td>
			<td>Ted Pella</td>
			<td>5367-5NM</td>
			<td>Used for handling spicules</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dual Axis Linear Scale Micrometer</td>
			<td>Edmund Optics</td>
			<td>58-608</td>
			<td>Used for calibrating the microscopes</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>FLEX-A-TOP FT-38 CAS</td>
			<td>ESD Plastic Containers</td>
			<td>FT-38-CAS</td>
			<td>Used for storing spicules</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Plastic Vial Bullseye Level</td>
			<td>McMaster Carr</td>
			<td>2147A11</td>
			<td>Used for leveling the stage</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Analytical Balance</td>
			<td>Mettler Toledo</td>
			<td>MS105DU</td>
			<td>Used to mass calibration weights</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

a millimeter scale flexural testing system for measuring the mechanical properties of marine sponge spicules

Viele Laden mit biologischen Strukturen (LBBSs) — wie Feder Rachises und Knochensplitter — sind klein (&#60; 1 mm) aber nicht mikroskopisch. Messung der Biegefestigkeit Verhaltens dieser LBBSs ist wichtig für das Verständnis der Ursprünge ihrer bemerkenswerten mechanischen Funktionen.
Wir beschreiben ein Protokoll für die Durchführung von drei-Punkt-Biegeversuche mit einer Custom-Built mechanische Prüfeinrichtung, die messen können Kräfte von 10-5 bis 101 N und Verschiebungen von 10-7 bis 10-2 m. Der Hauptvorteil dieser mechanischen Prüfgerät ist, dass die Gewalt und Vertreibung Kapazitäten für unterschiedliche LBBSs leicht angepasst werden können. Das Gerät Funktionsprinzip ist ähnlich wie ein Rasterkraftmikroskop. Kraft ist nämlich auf die LBBS durch einen Lastpunkt angewendet, bis zum Ende des Freischwinger angefügt ist. Die Last Punkt Vertreibung ist ein Faser-optischen Wegsensor gemessen und umgewandelt in eine Kraft mit der gemessenen Cantilever-Steifigkeit. Das Gerät Kraftbereich einstellbar mit Kragarmen der verschiedenen Steifigkeiten.
Die Gerätefunktionen werden demonstriert, indem die drei-Punkt-Biegeversuche auf das Skelett Elemente des marinen Schwammes Euplectella Aspergillus. Die skelettartigen Elementen – bekannt als Knochensplitter — sind Kieselsäure-Fasern, die ca. 50 µm im Durchmesser sind. Wir beschreiben die Verfahren für die Kalibrierung der mechanischen Messgerät, Montage der Knochensplitter auf eine Dreipunkt-Biege Vorrichtung mit einer ≈1.3 mm Spannweite, und testen Sie ausführen, eine Biegung. Die Krafteinwirkung auf das Spicule und die Durchbiegung am Standort der angewandten Kraft gemessen werden.

Die grundlegendsten Ausgänge des mechanischen Tests sind die Größe der Kraft auf die Probe und die Verschiebung an der Stelle, wo die Kraft angewendet wird. Im Falle einer drei-Punkt-Biegeversuch, Ziel ist es, das Ausmaß der Kraft durch die LPT, erhalten <img alt="Equation 13" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq13.jpg"> </img>, und die Verschiebung der Querschnitt der Probe unter der LPT in der <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq4.jpg"> Richtung, <img alt="Equation 14" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq14.jpg"> </img>. Jedoch für das hier beschriebene mechanische Prüfgerät mehrere Nachbearbeitung Schritte müssen durchgeführt werden, um die Ausgabedaten aus Schritte 2, 4 und 5 des Protokolls in diesem Wunsch verwandeln <img alt="Equation 13" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq13.jpg"> </img>- <img alt="Equation 14" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq14.jpg"> Daten. Die Datendateien, die von der drei-Punkt-Biegeversuch erhalten sind: 1) die Spannung-Verschiebung Interpolation Datei; (2) die Kraft Kalibrierdatei; und 3) die Biegung Testdatei. Eine Zusammenfassung der gemessenen und abgeleitete Größen ist in Tabelle 1dargestellt.
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Symbol</td>
			<td colspan="4">Definition</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Nh</td>
			<td colspan="4">Anzahl der Werte der Spannungen in der Spannung-Verschiebung Interpolation Ausgabedatei</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Vh</td>
			<td colspan="4">Gemessenen Spannungswerte in Schritt 4 des Protokolls</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ΣVh</td>
			<td colspan="4">Standardabweichung von Vh </td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Zsh</td>
			<td colspan="4">Tischposition in Schritt 4 des Protokolls gemessen</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Nc</td>
			<td colspan="4">Anzahl der Kraftmessungen in der Ausgabedatei Kraft Kalibrierung</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fc</td>
			<td colspan="4">Krafteinwirkung von Kalibriergewichte in Schritt 2 des Protokolls</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Vc</td>
			<td colspan="4">Gemessenen Spannungswerte in Schritt 2 des Protokolls</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ΣVc</td>
			<td colspan="4">Standardabweichung der Vc </td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Z-lc</td>
			<td colspan="4">Position der LP in Schritt 2 des Protokolls berechnet mit Vh und Vc </td>
		</tr>
		<tr>
			<td>wlc</td>
			<td colspan="4">Verschiebung der LP in Schritt 2 des Protokolls berechnet aus Zlc </td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Nt</td>
			<td colspan="4">Anzahl der Gewalt und Vertreibung Messungen in der Biegeversuch Ausgabedatei</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Z-st</td>
			<td colspan="4">Position der Bühne in Schritt 5 des Protokolls</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>wst</td>
			<td colspan="4">Verschiebung von der Bühne in Schritt 5 des Protokolls</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Vt</td>
			<td colspan="4">Gemessenen Spannungswerte in Schritt 5 des Protokolls</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ΣVt</td>
			<td colspan="4">Standardabweichung der Vt </td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Z-lt</td>
			<td colspan="4">Position der LP in Schritt 5 des Protokolls mit Vh und Vt berechnet</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>wlt</td>
			<td colspan="4">Verschiebung der LP in Schritt 5 des Protokolls von ZLt berechnet</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>F</td>
			<td colspan="4">Krafteinwirkung durch die LP in Schritt 5 des Protokolls berechnet von Zlt </td>
		</tr>
		<tr>
			<td>w0</td>
			<td colspan="4">Verschiebung der Spicule Querschnitt unter der LP in Schritt 5 des Protokolls</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>
Tabelle 1: Zusammenfassung der Symbole für Mengen, die in Schritt 2, 4 und 5 des Protokolls gemessen und im Abschnitt Vertreter Ergebnisse berechnet.
Die Spannung-Verschiebung Interpolation Datei soll gemessenen FODS Ausgangsspannungen auf LPT Verschiebungen zu beziehen. Dies geschieht indem man starr die LPT an der Übersetzung Bühne also, als die Bühne, in bewegt wird der <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq1.jpg"> Richtung, die Änderung in der <img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq5.jpg"> </img>-Achse Tischposition entspricht die LPT-Verschiebung (Schritt 4 des Protokolls). Die Spannung-Verschiebung-Interpolation-Datei enthält eine Reihe von Punkten <img alt="Equation 15" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq15.jpg"> </img>, wo <img alt="Equation 16" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq16.jpg"> ist die durchschnittliche FODS Ausgangsspannung übernommen 100 Messungen bei einer Abtastrate von 1000 Hz, <img alt="Equation 17" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq17.jpg"> ist die zugehörige Standardabweichung der 100 Spannung Messungen, <img alt="Equation 18" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq18.jpg"> ist die <img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq5.jpg"> </img>-Achse Tischposition und <img alt="Equation 19" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq19.jpg"> ist die Anzahl der Bühne Verschiebung Schritte (siehe Abbildung 6 (B)).
Die Kraft-Kalibrierung-Datei ermöglicht die Cantilever-Steifigkeit gemessen werden, so dass LP Verschiebungen verwendet werden können, um das Ausmaß der Kraft durch die LP zu berechnen. Die Kraft-Kalibrierung-Datei enthält eine Reihe von Punkten <img alt="Equation 20" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq20.jpg"> </img>, wo <img alt="Equation 21" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq21.jpg"> ist die durchschnittliche FODS Ausgangsspannung übernommen 100 Messungen bei einer Abtastrate von 1000 Hz, <img alt="Equation 22" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq22.jpg"> ist die zugehörige Standardabweichung der 100 Spannungsmessungen, <img alt="Equation 23" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq23.jpg"> </img>ist die Kraft, durch die Gewichte auf die LPT und <img alt="Equation 24" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq24.jpg"> ist die Anzahl der Kalibriergewichte verwendet. Beachten Sie, dass es zwei weitere Punkte als Kalibriergewichte gibt, weil die erste Anlaufstelle für Null gemessen wird aufgebrachte Kraft und der zweite Punkt für die Kraft durch den Drahthaken allein ausgeübt.
Zu guter Letzt die Biegung Testdatei wird verwendet, um zu berechnen <img alt="Equation 14" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq14.jpg"> und <img alt="Equation 13" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq13.jpg"> </img>. Es enthält eine Reihe von Punkten <img alt="Equation 25" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq25.jpg"> </img>, wo <img alt="Equation 26" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq26.jpg"> ist die durchschnittliche FODS Ausgangsspannung übernommen 100 Messungen bei einer Abtastrate von 1000 Hz, <img alt="Equation 27" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq27.jpg"> ist die zugehörige Standardabweichung von 100 Spannungsmessungen, <img alt="Equation 28" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq28.jpg"> ist die <img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq5.jpg"> -Achse Tischposition und <img alt="Equation 29" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq29.jpg"> ist die NumbeR der Bühne Verschiebung Schritte während der Biegeversuch.
Erste, die <img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq5.jpg"> Bestandteil der LPT Position während der Kalibrierung Kraft <img alt="Equation 30" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq30.jpg"> </img>, findet sich mit dem Satz <img alt="Equation 31" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq31.jpg"> zuordnen <img alt="Equation 21" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq21.jpg"> </img>Werte <img alt="Equation 32" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq32.jpg"> Werte über lineare Interpolation. Der <img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq5.jpg"> Komponente der LPT Verschiebung ergibt sich aus <img alt="Equation 33" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq33.jpg"> </img>, <img alt="Equation 34" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq34.jpg"> </img>. Da die LPT-Verschiebungen klein sind gegenüber der Länge der Auskragung, die Beziehung zwischen <img alt="Equation 23" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq23.jpg"> und <img alt="Equation 35" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq35.jpg"> scheint linear zu sein. Daher die Cantilever-Steifigkeit berechnet werden kann, durch den Einbau einer Linie, die <img alt="Equation 36" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq36.jpg"> Daten und computing den Hang <img alt="Equation 37" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq37.jpg"> </img>. Eine repräsentative Menge von Punkten <img alt="Equation 36" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq36.jpg"> </img>und seine entsprechenden Anpassungslinie werden im Abbildung 6A. Die Steifigkeit der Cantilever in die Biegung Experimente verwendet wurde 90.6 ± 0,3 N/m.
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56571/56571fig6.jpg"> 
Abbildung 6: repräsentative Ergebnisse der Dreipunkt-Biege-Test (A) Gewalt und Vertreibung (grau) gewonnenen Daten in Schritt 2 des Protokolls sowie die lineare Anpassung (blau) für die Schätzung der Steifigkeit des Nadelträgers verwendet. (B) repräsentatives Beispiel für die Spannung-Verschiebung-Interpolation-Ausgabe-Datei enthaltenen Daten. Für eine gemessene FODS Ausgangsspannung, <img alt="Equation 51" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq51.jpg"> </img>, die Position der Bühne, <img alt="Equation 52" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq52.jpg"> </img>, erhalten Sie über lineare Interpolation. Dies dient zur Messung der Cantilever-Verschiebung, <img alt="Equation 50" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq50.jpg"> </img>, während die Biegung zu testen. (C) repräsentative Kraft-Weg-Antworten von 3 verschiedenen E. Aspergillus Knochensplitter aus erfolgreichen drei-Punkt-Biegeversuche zu verankern. (D) ein Kraft-Weg von einer erfolglosen drei-Punkt-Biegeversuch Antwort. Die Nichtlinearität der Kurve legt nahe, dass die Spicule war nicht richtig auf dem Probentisch sitzen und rutschte oder neu ausgerichtet nach Erstkontakt mit dem LPT gemacht wurde. <a href="//ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/56571/56571fig6large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
Nächste, die <img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq5.jpg"> Bestandteil der LPT Position während der Biegeversuch, <img alt="Equation 38" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq38.jpg"> </img>, findet sich mit dem Satz <img alt="Equation 31" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq31.jpg"> zuordnen <img alt="Equation 26" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq26.jpg"> Werte <img alt="Equation 39" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq39.jpg"> Werte über lineare Interpolation. Der <img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq5.jpg"> Komponente der LPT Verschiebung während der Biegeversuch ergibt sich aus <img alt="Equation 40" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq40.jpg"> </img>, <img alt="Equation 41" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq41.jpg"> </img>. Der <img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq5.jpg"> Komponente der Bühne Verschiebung während der Biegeversuch ergibt sich aus <img alt="Equation 42" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq42.jpg"> </img>.
Da die LPT und das Spicule in Kontakt während der gesamten Biegeversuch, die Verschiebung Spicule <img alt="Equation 43" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq43.jpg"> ergibt sich aus
<img alt="Equation 44" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq44.jpg">(1)
und der Krafteinwirkung durch die LPT, <img alt="Equation 45" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq45.jpg"> </img>, ist
<img alt="Equation 46" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq46.jpg">(2)
Es ist wichtig zu beachten, dass seit der <img alt="Equation 31" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq31.jpg"> wird verwendet, um beide zu erhalten <img alt="Equation 32" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq32.jpg"> und <img alt="Equation 39" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq39.jpg"> Werte über Interpolation, die Werte von den <img alt="Equation 47" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq47.jpg"> und <img alt="Equation 26" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq26.jpg"> muss innerhalb des Bereichs des <img alt="Equation 16" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq16.jpg"> </img>. Dies wird gewährleistet durch geeignete Werte für die Startspannung und Hochspannung Stop Werte in Schritt 2, 4 und 5 des Protokolls.
Abbildung 6 C zeigt Kraft-Weg-Kurven für drei repräsentative Schwammnadeln. Für schlanke, linear elastischen Strukturen im drei-Punkt-Biegung, geladen <img alt="Equation 13" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq13.jpg"> voraussichtlich linear mit <img alt="Equation 14" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq14.jpg"> für kleine Werte von <img alt="Equation 14" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq14.jpg"> 30. Nichtlinearität von der <img alt="Equation 13" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq13.jpg"> </img>- <img alt="Equation 14" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq14.jpg"> Kurve für kleine <img alt="Equation 14" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq14.jpg"> (z.B., siehe Abbildung 6D) in der Regel legt nahe, dass die Spicule auf der Probe-Bühne nicht korrekt eingelegt werden kann. In diesem Fall sollte der Test gestoppt werden und die Spicule neu positioniert auf der Probe-Bühne (Schritt 3.6 des Protokolls).
Zur Sicherstellung ausreichenden Genauigkeit von der <img alt="Equation 13" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq13.jpg"> und <img alt="Equation 14" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq14.jpg"> Messungen, die Gesamtspannung Veränderung im Laufe der Biegeversuch, <img alt="Equation 48" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq48.jpg"> </img>, sollte mindestens 1 V. Wenn die Gesamtspannung Änderung weniger als 1 V ist, sollte ein nachgiebiger Freischwinger seausgewählt.

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A Millimeter Scale Flexural Testing System for Measuring the Mechanical Properties of Marine Sponge Spicules

Wir präsentieren Ihnen ein Protokoll für die Durchführung von drei-Punkt-Biegeversuche auf Sub-Millimeter Skala Fasern mit einer speziell angefertigten mechanische Prüfeinrichtung. Das Gerät kann Kräfte von 20 µN bis zu 10 N bis hin zu messen und kann daher eine Vielzahl von Faser Größen unterbringen.

Ein Millimeter Skala Biege-Prüfsystem zur Messung der mechanischen Eigenschaften von marinen Schwamm Knochensplitter

Many load bearing biological structures (LBBSs)&#8212;such as feather rachises and spicules&#8212;are small (&#60;1 mm) but not microscopic. Measuring the ...

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Nanyang Technological University

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8.4K Aufrufe.  Brown University. Wir präsentieren Ihnen ein Protokoll für die Durchführung von drei-Punkt-Biegeversuche auf Sub-Millimeter Skala Fasern mit einer speziell angefertigten mechanische Prüfeinrichtung. Das Gerät kann Kräfte von 20 µN bis zu 10 N bis hin zu messen und kann daher eine Vielzahl von Faser Größen unterbringen.

Serie: A Millimeter Scale Flexural Testing System for Measuring the Mechanical Properties of Marine Sponge Spicules

Quantifying the Mechanical Properties of the Endothelial Glycocalyx with Atomic Force Microscopy

Our understanding of the interaction of leukocytes and the vessel wall during leukocyte capture is limited by an incomplete understanding of the mechanical properties of the endothelial surface layer. It is known that adhesion molecules on leukocytes are distributed non-uniformly relative to surface topography 3, that topography limits adhesive bond formation with other surfaces 9, and that physiological contact forces (&asymp; 5.0 &minus; 10.0 pN per microvillus) can compress the microvilli to as little as a third of their resting length, increasing the accessibility of molecules to the opposing surface 3, 7. We consider the endothelium as a two-layered structure, the relatively rigid cell body, plus the glycocalyx, a soft protective sugar coating on the luminal surface 6. It has been shown that the glycocalyx can act as a barrier to reduce adhesion of leukocytes to the endothelial surface 4. In this report we begin to address the deformability of endothelial surfaces to understand how the endothelial mechanical stiffness might affect bond formation. Endothelial cells grown in static culture do not express a robust glycocalyx, but cells grown under physiological flow conditions begin to approximate the glycocalyx observed in vivo 2. The modulus of the endothelial cell body has been measured using atomic force microscopy (AFM) to be approximately 5 to 20 kPa 5. The thickness and structure of the glycocalyx have been studied using electron microscopy 8, and the modulus of the glycocalyx has been approximated using indirect methods, but to our knowledge, there have been no published reports of a direct measurement of the glycocalyx modulus in living cells. In this study, we present indentation experiments made with a novel AFM probe on cells that have been cultured in conditions to maximize their glycocalyx expression to make direct measurements of the modulus and thickness of the endothelial glycocalyx.

The mechanical characteristics of endothelial glycocalyx were measured by indentation using micron sized spheres on AFM cantilevers. Endothelial cells were cultured in a custom chamber under physiological flow conditions to induce glycocalyx expression. Data were analyzed using a thin film model to determine the glycocalyx thickness and modulus.

Die Quantifizierung der mechanischen Eigenschaften des Endothelial Glykokalyx mit Atomic Force Microscopy

Our  understanding of the interaction of leukocytes and the vessel wall during  leukocyte capture is limited by an incomplete understanding of the ...

Forschung

Biotechnik

Design of a Biaxial Mechanical Loading Bioreactor for Tissue Engineering

We designed a loading device that is capable of applying uniaxial or biaxial mechanical strain to a tissue engineered biocomposites fabricated for transplantation. While the device primarily functions as a bioreactor that mimics the native mechanical strains, it is also outfitted with a load cell for providing force feedback or mechanical testing of the constructs. The device subjects engineered cartilage constructs to biaxial mechanical loading with great precision of loading dose (amplitude and frequency) and is compact enough to fit inside a standard tissue culture incubator. It loads samples directly in a tissue culture plate, and multiple plate sizes are compatible with the system. The device has been designed using components manufactured for precision-guided laser applications. Bi-axial loading is accomplished by two orthogonal stages. The stages have a 50 mm travel range and are driven independently by stepper motor actuators, controlled by a closed-loop stepper motor driver that features micro-stepping capabilities, enabling step sizes of less than 50 nm. A polysulfone loading platen is coupled to the bi-axial moving platform. Movements of the stages are controlled by Thor-labs Advanced Positioning Technology (APT) software. The stepper motor driver is used with the software to adjust load parameters of frequency and amplitude of both shear and compression independently and simultaneously. Positional feedback is provided by linear optical encoders that have a bidirectional repeatability of 0.1 &mu;m and a resolution of 20 nm, translating to a positional accuracy of less than 3 &mu;m over the full 50 mm of travel. These encoders provide the necessary position feedback to the drive electronics to ensure true nanopositioning capabilities. In order to provide the force feedback to detect contact and evaluate loading responses, a precision miniature load cell is positioned between the loading platen and the moving platform. The load cell has high accuracies of 0.15% to 0.25% full scale.

We designed a novel mechanical loading bioreactor that can apply uniaxial or biaxial mechanical strain to a cartilage biocomposite prior to transplantation into an articular cartilage defect.

Entwurf eines Biaxiale Mechanische Belastung Bioreaktor für Tissue Engineering

We  designed a loading device that is capable of applying uniaxial or biaxial  mechanical strain to a tissue engineered biocomposites fabricated for  ...

Measuring the Mechanical Properties of Living Cells Using Atomic Force Microscopy

Mechanical properties of cells and extracellular matrix (ECM) play important roles in many biological processes including stem cell differentiation, tumor formation, and wound healing. Changes in stiffness of cells and ECM are often signs of changes in cell physiology or diseases in tissues. Hence, cell stiffness is an index to evaluate the status of cell cultures. Among the multitude of methods applied to measure the stiffness of cells and tissues, micro-indentation using an Atomic Force Microscope (AFM) provides a way to reliably measure the stiffness of living cells. This method has been widely applied to characterize the micro-scale stiffness for a variety of materials ranging from metal surfaces to soft biological tissues and cells. The basic principle of this method is to indent a cell with an AFM tip of selected geometry and measure the applied force from the bending of the AFM cantilever. Fitting the force-indentation curve to the Hertz model for the corresponding tip geometry can give quantitative measurements of material stiffness. This paper demonstrates the procedure to characterize the stiffness of living cells using AFM. Key steps including the process of AFM calibration, force-curve acquisition, and data analysis using a MATLAB routine are demonstrated. Limitations of this method are also discussed.

This paper demonstrates a protocol to characterize the mechanical properties of living cells by means of microindentation using an Atomic Force Microscope (AFM).

Messung der mechanischen Eigenschaften von lebenden Zellen mit Atomic Force Microscopy

Mechanical  properties of cells and extracellular matrix (ECM) play important roles in many  biological processes including stem cell differentiation, ...

Robotic Production of Cancer Cell Spheroids with an Aqueous Two-phase System for Drug Testing

Cancer cell spheroids present a relevant in vitro model of avascular tumors for anti-cancer drug testing applications. A detailed protocol for producing both mono-culture and co-culture spheroids in a high throughput 96-well plate format is described in this work. This approach utilizes an aqueous two-phase system to confine cells into a drop of the denser aqueous phase immersed within the second aqueous phase. The drop rests on the well surface and keeps cells in close proximity to form a single spheroid. This technology has been adapted to a robotic liquid handler to produce size-controlled spheroids and expedite the process of spheroid production for compound screening applications. Spheroids treated with a clinically-used drug show reduced cell viability with increase in the drug dose. The use of a standard micro-well plate for spheroid generation makes it straightforward to analyze viability of cancer cells of drug-treated spheroids with a micro-plate reader. This technology is straightforward to implement both robotically and with other liquid handling tools such as manual pipettes.

A protocol for robotic printing of cancer cell spheroids in a high throughput 96-well plate format using an aqueous two-phase system is presented.

Roboter-Produktion von Cancer Cell Sphäroide mit einer wässrigen Zwei-Phasen-System für Drug Testing

Cancer cell spheroids present a relevant in vitro model of avascular tumors for anti-cancer drug testing applications. A detailed protocol for producing ...

In Situ Mapping of the Mechanical Properties of Biofilms by Particle-tracking Microrheology

Bacterial cells are able to form surface-attached biofilm communities known as biofilms by encasing themselves in extracellular polymeric substances (EPS). The EPS serves as a physical and protective scaffold that houses the bacterial cells and consists of a variety of materials that includes proteins, exopolysaccharides and DNA. The composition of the EPS may change, which remodels the mechanic properties of the biofilm to further develop or support alternative biofilm structures, such as streamers, as a response to environmental cues. Despite this, there are little quantitative descriptions on how EPS components contribute to the mechanical properties and function of biofilms. Rheology, the study of the flow of matter, is of particular relevance to biofilms as many biofilms grow in flow conditions and are constantly exposed to shear stress. It also provides measurement and insight on the spreading of the biofilm on a surface. Here, particle-tracking microrheology is used to examine the viscoelasticity and effective crosslinking roles of different matrix components in various parts of the biofilm during development. This approach allows researchers to measure mechanic properties of biofilms at the micro-scale, which might provide useful information for controlling and engineering biofilms.

In Situ Mapping of the Mechanical Properties of Biofilms by Particle-tracking Microrheology

Particle-tracking microrheology investigates the viscoelasticity of materials. Here, the technique is used to determine the viscoelasticity, creep compliance and effective crosslinking roles of different matrix components of a bacterial biofilm. The matrix consists of polymeric substances secreted by the bacteria and its components determine biofilm structure and mechanical properties.

In-situ-Mapping der mechanischen Eigenschaften von Biofilmen durch Partikel-Tracking Mikrorheologie

Bacterial cells are able to form surface-attached biofilm communities known as biofilms by encasing themselves in extracellular polymeric substances ...

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.

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.

Ein Protokoll für Bioinspirierte Entwurf: Ein Boden Sampler Basierend auf Seeigel Jaws

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

Three-Dimensionally Printed Microfluidic Cross-flow System for Ultrafiltration/Nanofiltration Membrane Performance Testing

Minimization and management of membrane fouling is a formidable challenge in diverse industrial processes and other practices that utilize membrane technology. Understanding the fouling process could lead to optimization and higher efficiency of membrane based filtration. Here we show the design and fabrication of an automated three-dimensionally (3-D) printed microfluidic cross-flow filtration system that can test up to 4 membranes in parallel. The microfluidic cells were printed using multi-material photopolymer 3-D printing technology, which used a transparent hard polymer for the microfluidic cell body and incorporated a thin rubber-like polymer layer, which prevents leakages during operation. The performance of ultrafiltration (UF), and nanofiltration (NF) membranes were tested and membrane fouling could be observed with a model foulant bovine serum albumin (BSA). Feed solutions containing BSA showed flux decline of the membrane. This protocol may be extended to measure fouling or biofouling with many other organic, inorganic or microbial containing solutions. The microfluidic design is especially advantageous for testing materials that are costly or only available in small quantities, for example polysaccharides, proteins, or lipids due to the small surface area of the membrane being tested. This modular system may also be easily expanded for high throughput testing of membranes.&#160;

Design and fabrication of a three-dimensionally (3-D) printed microfluidic cross-flow filtration system is demonstrated. The system is used to test performance and observe fouling of ultrafiltration and nanofiltration (thin film composite) membranes.

Dreidimensional gedruckt Mikrofluidik-Cross-Flow-System für Ultrafiltration / Nanofiltrationsmembran Performance Testing

Minimization and management of membrane fouling is a formidable challenge in diverse industrial processes and other practices that utilize membrane ...

A Performance-testing Platform for a Conduction Micropump with an FR-4 Copper-clad Electrode Plate

Here, a conduction micropump with symmetric planar electrode pairs prepared on flame-retardant glass-reinforced epoxy (FR-4) copper-clad laminate (CCL) is fabricated. It is used to investigate the influence of chamber dimensions on the performance of a conduction micropump and to determine the reliability of the conduction pump when acetone is used as the working fluid. A testing platform is set up to evaluate conduction micropump performance under different conditions. When the chamber height is 0.2 mm, the pump pressure reaches its peak value.

This paper presents a protocol for the fabrication of a conduction micropump using symmetric planar electrodes on flame-retardant glass-reinforced epoxy (FR-4) copper-clad laminate (CCL) to test the influence of chamber dimensions on the performance of a conduction micropump.

Leistungstests Plattform für eine Wärmeleitung Mikropumpe mit einem FR-4 kupferummantelte Elektrodenplatte

Here, a conduction micropump with symmetric planar electrode pairs prepared on flame-retardant glass-reinforced epoxy (FR-4) copper-clad laminate (CCL) is ...

Rigid Embedding of Fixed and Stained, Whole, Millimeter-Scale Specimens for Section-free 3D Histology by Micro-Computed Tomography

For over a hundred years, the histological study of tissues has been the gold standard for medical diagnosis because histology allows all cell types in every tissue to be identified and characterized. Our laboratory is actively working to make technological advances in X-ray micro-computed tomography (micro-CT) that will bring the diagnostic power of histology to the study of full tissue volumes at cellular resolution (i.e., an X-ray Histo-tomography modality). Toward this end, we have made targeted improvements to the sample preparation pipeline. One key optimization, and the focus of the present work, is a straightforward method for rigid embedding of fixed and stained millimeter-scale samples. Many of the published methods for sample immobilization and correlative micro-CT imaging rely on placing the samples in paraffin wax, agarose, or liquids such as alcohol. Our approach extends this work with custom procedures and the design of a 3-dimensional printable apparatus to embed the samples in an acrylic resin directly into polyimide tubing, which is relatively transparent to X-rays. Herein, sample preparation procedures are described for the samples from 0.5 to 10 mm in diameter, which would be suitable for whole zebrafish larvae and juveniles, or other animals and tissue samples of similar dimensions. As proof of concept, we have embedded the specimens from Danio, Drosophila, Daphnia, and a mouse embryo; representative images from 3-dimensional scans for three of these samples are shown. Importantly, our methodology leads to multiple benefits including rigid immobilization, long-term preservation of laboriously-created resources, and the ability to re-interrogate samples.

We developed protocols and designed a custom apparatus to enable embedding of millimeter-scale specimens. We present sample preparation procedures with an emphasis on embedding in acrylic resin and polyimide tubing to achieve rigid immobilization and long-term storage of specimens for the interrogation of tissue architecture and cell morphology by micro-CT.

Starre Einbettung von fixiert und gefärbt, im großen und ganzen Millimeter-Skala Exemplare für Abschnitt-free 3D Histologie durch Mikro-Computertomographie

For over a hundred years, the histological study of tissues has been the gold standard for medical diagnosis because histology allows all cell types in ...

Automated Counterflow Centrifugal System for Small-Scale Cell Processing

Successful commercialization of gene and cell-based therapies requires manufacturing processes that are cost-effective and scalable. Buffer exchange and product concentration are essential components for most manufacturing processes. However, at the early stages of product development, these steps are often performed manually. Manual dead-end centrifugation for buffer exchange is labor-intensive, costly, and not scalable. A closed automated system can effectively eliminate this laborious step, but implementation can be challenging. Here, we describe a newly developed cell processing device that is suitable for small- to medium-scale cell processing and aims to bridge the gap between manual processing and large-scale automation. This protocol can be easily applied to various cell types and processes by modifying the flow rate and centrifugation speed. Our protocol demonstrated high cell recovery with shorter processing times in comparison to the manual process. Cells recovered from the automated process also maintained their proliferation rates. The device can be applied as a modular component in a closed manufacturing process to accommodate steps such as buffer exchange, cell formulation, and cryopreservation.

Automation is key to upscaling and cost management in cell manufacturing. This manuscript describes the use of a counterflow centrifugal cell processing device for automating the buffer exchange and cell concentration steps for small-scale bioprocessing.

Automatisiertes Gegenstromzentrifugalsystem für die Kleinzellverarbeitung

Successful commercialization of gene and cell-based therapies requires manufacturing processes that are cost-effective and scalable. Buffer exchange and ...