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. Biologische Materialwissenschaften <ol><li> Persönliche Schutzausrüstung tragen (Handschuhe, Schutzbrille und Labormantel) und befolgen Sie alle geltenden Sicherheitsverfahren für die Verwendung von Sezieren Tools. </li><li> Spülen Sie die Zange ab und Skalpell mit destilliertem Wasser für die Präparation zu verwenden. </li><li> einen gefrorenen Rosa Seeigel bei RT für 1 Stunde auftauen. Legen Sie ein taute Probe in eine Glasschale mit ausreichend Platz, um der Lage sein, die Seeigel und Schneidwerkzeuge zu manövrieren. Drehen Sie den Bengel den Kopf, so dass die Zahnspitzen nach oben zeigen. <ol><li> Schneiden Sie das Bindegewebe um den Umfang des Aristoteles &#39;Laterne mit dem Skalpell entfernt und sorgfältig die Laterne herausheben. Spülen Sie die Laterne weg mit destilliertem Wasser läuft. Nicht verwendete Bengel Teile in einem geeigneten Abfallbehälter geben. </li><li> Schalten Sie den Aristoteles Laterne wieder über, so dass die Spitzen der Zähne Gesicht nach unten. Suchen Sie den plumula Ende jedes Zahns (gegenüber der Spitze) nach oben und die Zange verwenden, um Pflegevollständig herausrutschen einzelne Zähne von der Laterne. </li></ol></li><li> Bereiten Sie Epoxy die Zähne Topf. Man wiegt 5 g Harz und fügen 1,15 g Härter (zB Harz 100 Teile bis 23 Teile Härter nach Gewicht) in einem flachen Einweg - Plastikschale. Mischen Sie Inhalte zusammen langsam, ohne Blasen zu bilden. Hinweis: Nicht Überbleibsel gemischte Epoxid in einem Behälter mit unzureichender Belichtung in die Atmosphäre abgegeben. Der Härtungsprozess ist exotherm und in der Nähe entflammbare Stoffe entzünden können. Halten Sie alle übrig gebliebenen gemischt Epoxy in einem gut belüfteten Abzugshaube weg von brennbaren Gegenständen. <ol><li> Schmieren Sie mit einem 2,5-Dram Kunststoffrohr (22 mm Innendurchmesser, 39 mm Länge) mit einem Finger aufgebracht Vaseline mit und wischen Sie überschüssiges mit einem Gewebe. Füllen Sie das Rohr zur Hälfte mit gemischten Epoxid auf. </li><li> Verwenden Sie die Zange einen Zahn zu holen und ihn vorsichtig mit der gekrümmten konkaven Seite nach oben in das Epoxid versenken. Lassen Sie die Epoxyhärtung bei RT für 24 Stunden. Hinweis: Verhindern, dass die Zahnspitze des Abgleitens zu berührender Kunststoffrohrwand wie die Epoxy härtet da dies die Spitze erschweren Polieren. </li></ol></li><li> Legen Sie das Kunststoffrohr mit gehärteten Epoxid in einem Schraubstock. Ziehen Sie den Schraubstock langsam, bis ein Riss in das Kunststoffrohr hergestellt ist. Rest Kunststoff aus der Epoxy-Oberfläche abzulösen. <ol><li> Verwenden Sie mit schneidender Zahn das Epoxidharz um nach unten auf einen kleineren Block (1 cm 3) zu schneiden sah. </li></ol></li><li> Bereiten Sie einen sauberen Bereich zum Polieren und einen einheitlichen Arbeitsstation mit einem harten Kunststoff-Brett. Füllen Sie eine Sprühflasche mit destilliertem Wasser. <ol><li> Beginnen Sie mit der niedrigsten Schleifpapier erhältlich (zB 120) und drücken Sie eine kleine Menge Wasser aus der Waschflasche auf dem Sandpapier. Mit leichtem Druck, reiben Sie die Probe in einer Rückwärts- und Vorwärtsrichtung (zB links-rechts) für 5 min. </li><li> Waschen Sie die Oberfläche der Probe über ein Waschbecken ab und wischen Sie mit einem partikelfreien Gewebe ab. Entfernen Sie alle übrig gebliebenen Schmirgelpapier Körnung mit Druckluft für 15 Sekunden. </li><li> Verwenden Sie immer höheren Schleifpapier (zB 600 und 2400) zu wiederholen Protokoll 1.6.1 und 1.6.2 Schritte. Mit leichtem Druck, reiben Richtung die Probe in einem hin und her senkrecht zur vorherigen Polierschritt (zB bis-unten, links-rechts). Hinweis: Verwenden Sie bei 20 - facher Vergrößerung eines Lichtmikroskops senkrecht Kratzspuren mit jeder Körnung Ebene (zB 120, 600, 2400) schneiden zu sehen. Bewegen Sie in die nächst höhere Schleifpapier, wenn Kratzspuren von der vorherigen Körnung Ebene verschwinden. </li><li> Bereiten Sie eine Sprühflasche mit 3 um Diamantpolieren Suspension in einem 1: 1 destilliertes Wasser Lösung. Verwenden Sie ein Poliertuch für Diamantsuspensionen zu wiederholen Protokoll 1.6.1 und 1.6.2 Schritte. </li><li> Bereiten Sie eine Spritzflasche mit 0,5 um Aluminiumoxid Poliersuspension in einem 1: 1 destilliertes Wasser Lösung. Verwenden Sie eine microcloth Polierfläche zu wiederholen Protokoll 1.6.1 und 1.6.2 Schritte. Hinweis: Feine Kratzer von Protokoll 1.6.4 Schritte und 1.6.5 wird nicht Visible bei 20-facher Vergrößerung. Für diese Protokollschritte, Politur für 5 Minuten in einer Vorwärts- und Rückwärtsbewegung alle vorherigen Kratzer zu entfernen. </li><li> Reinigen Sie die polierte Oberfläche mit destilliertem Wasser und Verwendung partikelfreies Gewebe mit Druckluft sorgfältig trocken. Wickeln Sie mit partikelfreiem Gewebe zu hochglänzend halten. Hinweis: Trocknen Sie alle Polieren von Oberflächen Gesicht nach unten auf große partikelfreie Gewebe. Speichern in einer Kunststoffhülse, um Staubteilchen Absetzen auf der Oberfläche zwischen Polierzeiten vermeiden. </li></ol></li><li> Charakterisieren Sie die Seeigel Zahn Mikrostruktur mittels Rasterelektronenmikroskopie (SEM). Verwenden eines Sputter-Beschichtungsvorrichtung für 10 sec auf die polierte Zahnoberfläche für eine Beschichtungsdicke von ~ 20 nm Iridium mit einer Abscheidungsstrom von 85 mA zu sputtern. <ol><li> Erhalten mikroskopische Aufnahme Bilder bei 250X - 4,000X Vergrößerung eine REM. Anmerkung: Mit 5 kV in der rasterelektronen (SE) Modus und 15 kV in dem rückgestreuten Elektronen (BSE) Modus. Verwenden BSE-Modus Calcit fib zu identifiziereners mit Mg angereicherten polykristalline Matrix eingestreut. </li></ol></li><li> Führen Sie Mikro-Computertomographie (μ-CT) eines ganzen rosa Seeigel und ein frisch Aristoteles Laterne seziert. Positionieren Sie jedes aufgetaute Probe innerhalb des geschlossenen Kammerbehälter mit einem angefeuchteten Gewebe eine feuchte Umgebung während des Scanvorgangs zur Verfügung zu stellen. <ol><li> Scannen Sie den ganzen Bengel und der Aristoteles Laterne von μ-CT mit einer isotropen Voxelgröße von 36,00 &amp; mgr; m und 9,06 &amp; mgr; m auf. Tragen Sie ein elektrisches Potential von 100 kV und 70 kV mit einem Strom von 100 mA und 141 mA, für die ganze Bengel und der Aristoteles Laterne jeweils ein 1,0 mm Aluminiumfilter für beide verwenden. </li><li> Gelten bei der Bildrekonstruktion eine Strahlhärtungs-Korrekturalgorithmus zu berücksichtigen Strahlaufhärtung Artefakte, die von dem μ-CT-Röntgenquelle führen Emittieren von Röntgenstrahlen von mehreren Energien Protokoll des Herstellers verwendet wird. </li></ol></li><li> Verwenden Sie Imaging-Software zu verfeinern image Segmentierung und erwerben ein Dreiecksnetz Modell für die Laterne Struktur des Aristoteles. <ol><li> Laden und Vorschau Aristoteles &#39;Laterne Bilddaten aus dem μ-CT-Scan. Passen Sie die Voxelgröße (9,06 &amp; mgr; m) zu den Werten aus der Mikro-CT-Scan. </li><li> Verwenden Sie Funktion ein Volume-Rendering des Aristoteles Laterne im 3D-Raum zu visualisieren. Stellen Sie die 2D-orthogonalen Scheibe mit der Bounding-Box-Modul und stellen Sie den Grenzwert / Farbe mit dem Volume-Rendering-Modul. </li><li> Machen Maskensegmente für die Region von Interesse (zB Seeigel Zahn) mit der Segmentierung Editor. Wählen Sie XY, YZ und XZ-Ebene und die 3D-isometrischen Ansicht. Verwenden Sie den Zauberstab (schwarzer Pfeil) zwischen einfachen Strukturen (Zahn vs. Pyramide) in der aristotelischen Laterne zu unterscheiden. </li><li> Rekonstruieren der Modelloberfläche aus den extrahierten Maskensegmente. Wählen Sie die Oberflächenerzeugungsmodul und anzuwenden. Deaktivieren Sie die Lautstärke-Einstellungen Rendern die sichtbare Oberfläche verschwinden zu lassen. Ergänzen Sie dieOberflächen-View-Modul die Oberfläche Ergebnis anzuzeigen. </li><li> Vereinfachung der Modelloberfläche durch die Anzahl von Flächen auf &lt;18.000 zu reduzieren. </li><li> Bearbeiten einzelner Dreiecksnetz auf der Modelloberfläche nach Bedarf. Speichern Sie das Modell als Stereolithografie (STL-Datei) für den Export mit computergestützte Konstruktion (CAD) Modellierungssoftware zu verwenden. </li></ol></li></ol> 2. Bioinspirierte Entwurf <ol><li> Verwenden Sie die Aristoteles Laterne aus der Mikro-CT-Scan als Referenz ein bioinspirierter Design mit CAD-Modellierungs-Software zu machen. Hinweis: Die bioinspirierter Design hat fünf gekrümmte Zähne mit einer Höhe von 6 cm und 8 cm Durchmesser für die geschlossene Laterne. Es ist ~ 5x von der Größe der natürlichen Aristoteles Laterne skaliert. </li><li> Speichern Sie die STL-Datei Teile zu einem Flash-Laufwerk und laden Sie die Dateien auf einem Fused Deposition Modelling (FDM) 3D-Drucker. <ol><li> Last Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) Kunststoff und Unterstützung Kunststoff-Patronen in die entsprechenden Schlitze des 3D-pRINTER. </li><li> Legen Sie die Modellierung Basis auf der Z-Plattform und auszurichten Registerkarten mit Schlitzen an der Metallschale. </li><li> Öffnen Sie jede der STL-Datei Teile und folgen Sie den Bildschirm Schritte alle Laterne Teile gleichzeitig zu drucken. Hinweis: Laterne Teile müssen im Rahmen der Gebäudehülle (25 x 25 x 30 cm 3) für den 3D - Drucker. Alle fünf Zähne sind auf der Modellierung Basis angeordnet und gleichzeitig mit der Zahnspitze nach oben gedruckt. Die Build - Rate beträgt 16 cm 3 pro Stunde und die gesamte Aufbauzeit beträgt ca. 8 Stunden. </li><li> Lassen Sie die Modellierung Base aus den Registerkarten, wenn alle Dateiteile gedruckt werden, und schieben Sie die Basis aus dem 3D-Drucker an den Fachführungen. </li><li> Verwenden Sie eine Metallspachtel alle Teile aus der Basis zu hebeln und einem Metall-Datei keine zusätzlichen Kunststoff an den Teilen befestigt zu zermürben. </li><li> Legen Sie die bedruckten Teile in eine beheizte Basis Bad, bis die Unterstützung Kunststoff löst sich auf. </li></ol></li><li> Befestigen Sie jeden Zahn an einem Gelenkarm mit einem link Stange und zwei E-Halteringen auf beiden Seiten. Hinweis: Siehe 6 für die Montage des bioinspirierter Aristoteles &#39;Laterne auf Figur. </li></ol> 3. Bioexploration <ol><li> Verwenden Sie die CAD-Datei für den bioinspirierter Zahn eine Finite-Elemente-Modellierung (FEM) Spannungsanalyse-Test zu tun. <ol><li> Öffnen Sie die Datei (xx.sldprt) weitere technische Analyse zu tun. Oberhalb des &quot;Office Products&quot;, wählen Sie die &quot;Solidworks Simulation&quot; klicken. </li><li> Oberhalb der &quot;Simulation&quot;, wählen Sie die &quot;Study Advisor&quot; Taste und dann die Dropdown-Option &quot;Neue Studie&quot;. </li><li> Wählen Sie die Art von Simulationstests ausgeführt werden durch &quot;Static&quot; wählen. </li><li> Auf die statische Prüfung Liste mit der rechten Maustaste auf &quot;Leuchten&quot; und wählen Sie &quot;Fixed Geometrie&quot;. </li><li> Klicken Sie auf den Innenseiten Befestigungen zu den Befestigungslöchern hinzuzufügen, wo Stifte gehen. </li><li> Auf die statische Prüfung Liste mit der rechten Maustaste auf &quot;Externe Lasten&quot; und select &quot;Kraft&quot;. </li><li> Klicken Sie auf den Zahnschleifspitze Flächen 45 N Kraft auf die Kanten anzuwenden. </li><li> Auf die statische Prüfung Liste mit der rechten Maustaste auf &quot;Externe Lasten&quot; und wählen Sie &quot;Gravity&quot;. </li><li> Geben Sie &quot;Top Plane&quot; für die Schwerkraft auf die Ebene angewendet normal. </li><li> Auf die statische Prüfung Liste mit der rechten Maustaste auf &quot;Mesh&quot; und wählen Sie &quot;Netz erstellen&quot;. </li><li> Bewegen Sie den Maßstab für &quot;Netzdichte&quot; den ganzen Weg nach rechts für &quot;Fine&quot;. </li><li> Auf die statische Prüfung Liste mit der rechten Maustaste auf &quot;Static&quot; und wählen Sie &quot;Ausführen&quot;, um den Test auszuführen. Hinweis: Die Farbskala bar für Bereiche mit dem höchsten Beanspruchung und dem &quot;Yield Strength&quot;. </li></ol></li><li> Vergleichen Spannungsanalyse Testergebnisse für die bioinspirierter Zahn mit und ohne Kiel. </li></ol>

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We have nothing to disclose.

Seeigel benutzen die aristotelische Laterne (Abbildung 1A) für eine Vielzahl von Funktionen (Fütterung, langweilig, Schwenken, etc.). Der Fossilienbestand zeigt , dass die Laterne in Form und Funktion von den primitivsten cidaroid Typ der camarodont Art der modernen Seeigel 14 entwickelt hat. Cidaroid Laternen haben längsgeriffelte Zähne (1B, oben) und nicht getrennten Muskelansatz an seiner Pyramidenstruktur. Dies begrenzt ihre Auf- und Abbewegung und beraubt si...

Die Felder der Biologie, biologische Materialwissenschaften, Biomaterialien, Biotechnik und Biochemie beschäftigen die Premiere wissenschaftlichen Techniken und Köpfe in einem Versuch, ein tieferes Verständnis für die unglaubliche Natur zu bieten. Diese Forschung hat viele der erstaunlichsten biologischen Strukturen und Organismen erklärt; von der intrinsischen Zähigkeit des menschlichen Knochens 1,2 der großen Schnabel des Tukan 3. Jedoch viel dieses Wissens ist schwierig, in einer Weise zu verwenden, die einen Nutzen für die Gesellschaft liefern kann. Als Ergebnis setzt der tangentiale Bereich der Bioinspiration die Lehren aus der Natur zu modernen Materialien, um gemeinsame Probleme zu lösen gelernt. Beispiele dafür sind superhydrophoben von Lotus inspirierte Oberflächen Blätter 4-6, Klebeflächen durch die Füße von Geckos inspiriert und Insekten 7,8, zähen Keramik durch die Perlmutter von Abalone inspiriert 9-11 und Biopsie durch das Mundstück des Seeigels inspiriert Harvester, auch kenntn als Aristoteles &#39;Laterne 12,13. Seeigel sind wirbellose Tiere mit Stacheln bedeckt, deren Lebensraum am häufigsten aus den felsigen Betten auf dem Meeresboden. Der Körper in der größten Seeigel-Arten (ein Test genannt) mehr als 18 cm im Durchmesser; Testgröße in rosa Seeigel (Strongylocentrotus fragilis) in dieser Studie untersuchten kann bis zu 10 cm Durchmesser wachsen. Die Laterne des Aristoteles besteht aus fünf überwiegend Zähne Calciumcarbonat durch Pyramidenstrukturen unterstützt mineralisiertem Gewebe und angeordnet in einer kuppelartigen Formation , bestehend aus , die alle , aber die distalen Schleif Spitzen der Zähne (Abbildung 1A) umschließen. Die Muskelstruktur der Backen ist in der Lage effiziente Kauen und Kratzen auch gegen harte Ozean Felsen und Korallen. Wenn die Backen geöffnet ragen die Zähne nach außen, und wenn die Backen zu schließen, ziehen sich die Zähne nach innen in einer einzigen fließenden Bewegung. Vergleich zwischen primitive ( siehe oben) und modern (unten) Seeigel Zahn Querschnitte (Abbildung 1B) zeigt an, dass ein keeled Zahn entwickelte sich um den Zahn zu stärken , wenn sie gegen harte Substrate Schleifen. Jeder einzelne Zahn hat eine leicht konvexe Krümmung und einen T-förmigen Morphologie in der Querebene (normal zur Wachstumsrichtung) aufgrund der in Längsrichtung angebracht Kiel (1C, D). Bioinspiration beginnt mit der Beobachtung von interessanten Naturphänomene, wie die effiziente Kaubewegung des Aristoteles Laterne in Seeigel. Diese natürliche Struktur Aristoteles zunächst gefesselt, weil sie ihn an ein Horn Laterne erinnert mit den Scheiben Horn weggelassen. Mehr als zwei Jahrtausende später wurde Scarpa durch die Komplexität der Laterne des Aristoteles fasziniert , dass er und später Trogu die natürliche Kaubewegung nur mit Papier und Gummibänder (2A) 15,16 nachgeahmt. In ähnlicher Weise wurde Jelinek von der c BioinspirierteBewegung der Laterne des Aristoteles zu behauen und entwickelte eine bessere Biopsie Mähdrescher , die sicher Tumorgewebe ohne Verbreitung von Krebszellen (2B, C) ​​12,13 isolieren konnte. In diesem Fall wurde bioinspirierter Design einer biomedizinischen Vorrichtung, um verwendet, die einen bestimmten Bedarf für eine gewünschte Anwendung passen. Das Design hier beschriebene Protokoll gilt für ein Sedimentproben Bioinspirierte von Seeigel. Durch die biologische Wissenschaft Materialien wird die natürliche Struktur des Aristoteles Laterne aus. Bioinspirierte Design identifiziert potenzielle Anwendungen, bei denen die natürlichen Mechanismen können durch den Einsatz von modernen Materialien und Herstellungstechniken verbessert werden. Das endgültige Design wird durch das Prisma der bioexploration erneut untersucht, um zu verstehen, wie die natürliche Zahnstruktur entwickelt (Abbildung 3). Der letzte Schritt bioexploration, vorgeschlagen von Porter 17,18 nutzt Methoden technische Analyse bis explore und biologische Phänomene zu erklären. Alle wichtigen Schritte des Bioinspiration Verfahren werden als Beispiel dargestellt für die Nutzbarmachung Technologie, vorge genehmigt durch die Natur, die für die Lösung modernen Probleme verwendet werden können. Unser Protokoll, motiviert durch vorherige Bioinspiration Verfahren vorgestellt für spezifische Anwendungen von Arzt 7 wird gezielt für Biologen, Ingenieure und alle anderen , die von der Natur inspiriert ist.

<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.

Bioinspirierte Design der Laterne Probenahmevorrichtung des Aristoteles hängt stark von der Qualität der Charakterisierungsmethoden eingesetzt. Nicht-invasive Techniken wie μ-CT sind hilfreich für die ganze Laterne und einzelne Zähne Analyse anwendungsspezifische Erweiterungen für die biologisch inspirierte Design (Abbildung 4) anzuwenden. Unterdessen kann der Zahn Mikrostruktur über Sekundärelektronen untersucht werden , und Rückstreuelektronenmikroskopische Au...

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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.

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, ...

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Universidad de Cartagena UDEC

Research

JoVE Journal

Bioengineering

11.0K Aufrufe.  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. 

Serie: 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 eine verbesserte Inex Methode für<em&gt; In Situ</em&gt; Messung von partikulären und gelösten Verbindungen, die durch Active Suspension Feeders Verarbeitet

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

Forschung

Umwelt

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.

Der Aufbau Finite-Elemente-Modelle zu Zebrabärbling Jaw Biomechanik Untersuchen

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

Entwicklungsbiologie

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.

Methoden zur Image-basierte Umfragen von benthischen Makroinvertebraten und ihren Lebensraum am Beispiel der Drop-Kamera-Umfrage für die Atlantik-Jakobsmuschel

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.

Die Kraft der Einfachheit: Seeigel Embry als<em&gt; In Vivo</em&gt; Entwicklungsmodelle für komplexe Zell-zu-Zell-Signalnetzwerk Wechselwirkungen Studieren

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.

Gestaltung und Nutzung eines Apparates zur Quantifizierung der zweischaligen Suspension Fütterung auf hoher See

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;).

Ein Roboter-Plattform die Foreflipper des California Sea Lion zu studieren

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

Ingenieurwesen

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.

Charakterisierung von mehrschichtigen Fischschuppen (<em&gt; Atractosteus Spachtel</em&gt;) Verwendung Nanoindentierung, Röntgen-CT-, FTIR-und SEM

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

Biotechnik

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.

Herzmuskelzellbasierter Aktuator und selbststabilisierender Biorobot - TEIL 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.

Bioinspirierter Softroboter mit integrierten Mikroelektroden

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.

Hochdurchsatz-Mikroinjektionen von 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 ...

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

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