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Scientific Reports volume 13、記事番号: 12097 (2023) この記事を引用

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穿刺は、門全体にわたる幅広い生物の生存に不可欠なメカニズムであり、獲物の捕獲、防御、生殖などの生物学的機能に役立ちます。 穿刺ツールの形状がその機能的性能にどのような影響を与えるかを理解することは、穿刺ベースのシステムの多様性と進化の基礎となる機構を明らかにするために非常に重要です。 ただし、このような形状と機能の関係は、生命システムの動的な性質によって複雑になることがよくあります。 特に穿刺システムは、生体組織を貫通するために幅広い速度で動作します。 穿刺生体力学に関する現在の研究には、このダイナミックレンジにわたるツールと材料間の複雑な速度媒介相互作用の体系的な特徴付けが欠けています。 この知識のギャップを埋めるために、私たちは動的穿刺のための高度に制御された実験フレームワークを確立し、広範囲の生体全体にわたる穿刺性能 (穿刺の深さによって特徴付けられる) とツールの鋭さ (先端角度によって特徴付けられる) との関係を調査します。関連する穿刺速度 (準静的から \(\sim\) 50 m/s まで)。 私たちの結果は、穿刺速度が高くなると、工具の鋭さの変化に対する穿刺性能の感度が低下することを示しています。 この傾向は、材料が動的荷重にどのように応答するかによって生じる速度ベースの粘弾性効果と慣性効果によるものと考えられます。 速度依存の形状と機能の関係は、重要な生物学的意味を持っています。受動的/低速の穿刺生物は、正常に侵入して機能を維持するために鋭利な穿刺ツールに大きく依存している可能性がありますが、より高速な穿刺システムでは、次のような理由により穿刺ツールの形状のばらつきが大きくなる可能性があります。比較的幾何学的な影響を受けにくい穿刺性能が得られ、進化の過程で他の機械的要因に対するより高い適応性が可能になります。

機能的パフォーマンスに対する形態の影響を特定することは、生体力学システムの進化を理解するために不可欠です。 ただし、形状と機能の関係は、システムの固有の機能と、パフォーマンスに大きな影響を与える可能性のある外部要因の両方によって複雑になることがよくあります1。 複数の部分からなる生体力学的システムの固有の複雑さにより、形状と機能の間に非線形の関係が生じることがよくあります 2,3 一方で、温度などの外部要因によって生理学的システムのパフォーマンスが大きく変化する可能性があります 4,5,6。 幅広い生物学にわたる形態と機能の関係に強い影響を与える可能性がある要因の 1 つは、システムのダイナミクスです 1、7、8、9、10。 広範な結果をもたらすこの例としては、生物学的材料に負荷がかかる速度 (ひずみ速度) が、その負荷に対する応答に影響を与える可能性があり、ひずみ速度が高くなると材料がより硬くなったり、より強靭になったりすることがよくあります 1,11,12,13。 生体材料におけるこのひずみ速度の依存性は、損傷に対する耐性に大きな影響を与える可能性があり、ひいてはシステムの性能に大きな影響を与える可能性があります。 ここでは、ひずみ速度が特定の種類の損傷、つまり生物学的穿刺の形状と機能の関係を潜在的にどのように変化させるかを調査します。

生物学的穿刺システムは、表面的には、形態と機能的性能の間の直接的な関係を示しているように見えます 14。 工具の鋭さは、さまざまな生物の穿刺性能を大きく変えることが示されています15、16、17、18。 ただし、これらの研究の大部分では、準静的/低速 (\(< 1{\mathrm{m/s}}\)) での鮮明さの効果のみがテストされており、生物学的穿刺イベントは 60 を超える速度で発生する可能性があります。 m/s 以上1,19,20,21 (図 1)。 動的穿刺イベント (> 1 m/s) に関する研究では、高速で、特に材料が柔らかく変形しやすい場合、ターゲット材料でひずみ硬化が発生することが示されています 22,23,24。 高い負荷率での材料の応答の変化を考慮すると、工具の形状と穿刺性能の関係は、より高い穿刺速度では変化しますか?