Name: macro-rheology characterization of gill raker mucus in the silver carp, hypophthalmichthys molitrix
Uploaded: 2020-07-10T14:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Macro-Rheology Characterization of Gill Raker Mucus in the Silver Carp, Hypophthalmichthys molitrix at JoVE.com

Forfatterne anerkjenner støtte og finansiering fra GW Center for Biomimetics and Bioinspired Engineering. Vi takker professor L. Patricia Hernandez ved Institutt for biovitenskap ved George Washington University for å ha inspirert undersøkelsen og det pågående samarbeidet, og ga biologisk ekspertise på sølvkarpe fysiologien og ga slimprøvene. Vi takker studentene, Mr. David Palumbo, Ms. Carly Cohen, Mr. Isaac Finberg, Mr. Dominick Petrosino, Mr. Alexis Renderos, Ms. Priscilla Varghese, Mr. Carter Tegen og Mr. Raghav Pajjur for hjelp i laboratoriet og Mr. Thomas Evans og Mr. James Thomas fra TA Instruments, New Castle, DE for støtte med opplæring og vedlikehold av reometeret. Bilder for figur 5A,C ble tatt under en disseksjon utført av professor L. Patricia Hernandez ved Institutt for biovitenskap ved George Washington University.

1. Fremstilling av slimløsninger av ulike konsentrasjoner
MERK: Tre konsentrasjoner av slimoppløsningen (henholdsvis 400 mg/ml, 200 mg/ml og 100 mg/ml med omtrentlige volumer, henholdsvis 1 ml, 1 ml og 2 ml) fremstilles for dette eksperimentet.
<ol><li>For å beregne massen av slimet, mål gjennomsnittsmassen av hetteglassene med (Mmed-slim ; mg) og uten slim (Mhetteglass ; mg). Trekk deretter massen av hetteglassene med slim med ...

<ol>
	<li>Cohen, K. E., Hernandez, L. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+complex+trophic+anatomy+of+silver+carp,+Hypophthalmichthys+molitrix,+highlighting+a+novel+type+of+epibranchial+organ.">The complex trophic anatomy of silver carp, Hypophthalmichthys molitrix, highlighting a novel type of epibranchial organ.</a> Journal of Morphology. 279, 1615-1628 (2018).</li><li>Cohen, K. E., Hernandez, L. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Making+a+master+filterer:+Ontogeny+of+specialized+filtering+plates+in+silver+carp+(Hypophthalmichthys+molitrix).">Making a master filterer: Ontogeny of specialized filtering plates in silver carp (Hypophthalmichthys molitrix).</a> Journal of Morphology. 279, 925-935 (2018).</li><li>Cremer, M., Smitherman, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Food+habits+and+growth+of+silver+and+bighead+carp+in+cages+and+ponds.">Food habits and growth of silver and bighead carp in cages and ponds.</a> Aquaculture. 20 (1), 57-64 (1980).</li><li>Battonyai, I., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Relationship+between+gill+raker+morphology+and+feeding+habits+of+hybrid+bigheaded+carps+(Hypophthalmichthys+spp.).">Relationship between gill raker morphology and feeding habits of hybrid bigheaded carps (Hypophthalmichthys spp.).</a> Knowledge and Management of Aquatic Ecosystems. 416, 36 (2015).</li><li>Zhou, Q., Xie, P., Xu, J., Ke, Z., Guo, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Growth+and+food+availability+of+silver+and+bighead+carps:+Evidence+from+stable+isotope+and+gut+content+analysis.">Growth and food availability of silver and bighead carps: Evidence from stable isotope and gut content analysis.</a> Aquaculture Research. 40 (14), 1616-1625 (2009).</li><li>Freedman, J. A., Butler, S. E., Wahl, D. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Impacts of invasive Asian carps on native food webs (Final Report). , (2012).</li><li>Nico, L., Fuller, P., Li, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Silver carp (Hypophthalmichthys molitrix)-FactSheet. , (2017).</li><li>Walleser, L., Howard, D., Sandheinrich, M., Gaikowski, M., Amberg, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Confocal+microscopy+as+a+useful+approach+to+describe+gill+rakers+of+Asian+species+of+carp+and+native+filter-feeding+fishes+of+the+upper+Mississippi+River+system.">Confocal microscopy as a useful approach to describe gill rakers of Asian species of carp and native filter-feeding fishes of the upper Mississippi River system.</a> Journal of Fish Biology. 85 (5), 1777-1784 (2014).</li><li>Nelson, A. Z., Ewoldt, R. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Design+of+yield-stress+fluids:+a+rheology-to-structure+inverse+problem.">Design of yield-stress fluids: a rheology-to-structure inverse problem.</a> Soft Matter. 13, 7578-7594 (2017).</li><li>Chen, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rheological+Techniques+for+Yield+Stress+Analysis.">Rheological Techniques for Yield Stress Analysis.</a> TA Instruments Applications Note, RH025. , (2020).</li><li>Ewoldt, R. H., Johnston, M. T., Caretta, L. M., Spagnolie, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experimental+challenges+of+shear+rheology:+how+to+avoid+bad+data.">Experimental challenges of shear rheology: how to avoid bad data.</a> Complex Fluids in Biological Systems. , (2015).</li><li>Thornton, D. J., Sheehan, J. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=From+Mucins+to+Mucus:+Toward+a+more+coherent+understanding+of+this+essential+barrier.">From Mucins to Mucus: Toward a more coherent understanding of this essential barrier.</a> Proceedings of the American Thoracic Society. 1, 54-61 (2004).</li><li>Shepard, K. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Functions+for+fish+mucus.">Functions for fish mucus.</a> Reviews in Fish Biology and Fisheries. 4, 401-429 (1994).</li><li>Fern&#225;ndez-Alacid, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Skin+mucus+metabolites+in+response+to+physiological+challenges:+A+valuable+non-invasive+method+to+study+teleost+marine+species.">Skin mucus metabolites in response to physiological challenges: A valuable non-invasive method to study teleost marine species.</a> Science of the Total Environment. 644, 1323-1335 (2018).</li><li>Wagner, C. E., Wheeler, K. M., Ribbeck, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mucins+and+Their+Role+in+Shaping+the+Functions+of+Mucus+Barriers.">Mucins and Their Role in Shaping the Functions of Mucus Barriers.</a> Annual Reviews in Cell and Developmental Biology. 34, 189-215 (2018).</li><li>Bird, R. B., Armstrong, R. C., Hassager, O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Dynamics of Polymeric Liquids, Volume 1: Fluid Mechanics. , 1255-1284 (1987).</li><li>Mantle, M., Allen, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Isolation+and+characterisation+of+the+native+glycoprotein+from+pig+small+intestinal+mucus.">Isolation and characterisation of the native glycoprotein from pig small intestinal mucus.</a> Biochemical Journal. 195, 267-275 (1981).</li><li>Allen, A., Hutton, D. A., Pearson, J. P., Sellers, L. A., Nugent, J., O'Conner, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mucus+glycoprotein+structure,+gel+formation+and+gastrointestinal+mucus+function.">Mucus glycoprotein structure, gel formation and gastrointestinal mucus function.</a> Mucus and Mucosa (Ciba Foundation Symposium). , 137-156 (1984).</li><li>Asakawa, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Histochemical+studies+of+the+mucus+on+the+epidermis+of+eel,+Anguillajaponica.">Histochemical studies of the mucus on the epidermis of eel, Anguillajaponica.</a> Bulletin of Japanese Society of Scientific Fisheries. 36, 83-87 (1970).</li><li>Fletcher, T. C., Jones, R., Reid, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Identification+of+glycoproteins+in+goblet+cells+of+epidermis+and+gill+of+plaice+(Pleuroneces+platessa+L.),+flounder+(Platichthys+flesus+(L.))+and+rainbow+trout+(Salmo+gairdneri+Richardson).">Identification of glycoproteins in goblet cells of epidermis and gill of plaice (Pleuroneces platessa L.), flounder (Platichthys flesus (L.)) and rainbow trout (Salmo gairdneri Richardson).</a> Histochemical Journal. 8, 597-608 (1976).</li><li>Silberberg, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mucus+glycoprotein,+its+biophysical+and+gel+forming+properties.">Mucus glycoprotein, its biophysical and gel forming properties.</a> Symposia of the Society for Experimental Biology. 43, 43-64 (1989).</li><li>Hills, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> The Biology of Surfactants. , 408 (1988).</li><li>Aubert, H., Brook, A. J., Shephard, K. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Measurement+of+the+adhesion+of+a+desmid+to+a+substrate.">Measurement of the adhesion of a desmid to a substrate.</a> British Phycology Journal. 24, 293-295 (1989).</li><li>Sanderson, S. L., Cech, J. J., Patterson, M. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fluid+dynamics+in+suspension+feeding+black+fish.">Fluid dynamics in suspension feeding black fish.</a> Science. 251, 1346-1348 (1991).</li><li>Lai, S. K., Wang, Y. Y., Wirtz, D., Hanes, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Micro-+and+macrorheology+of+mucus.">Micro- and macrorheology of mucus.</a> Advanced Drug Delivery Reviews. 61 (2), 86-100 (2009).</li><li>Chaudhary, G., Ewoldt, R. H., Thiffeault, J. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Unravelling+hagfish+slime.">Unravelling hagfish slime.</a> Journal of Royal Society Interface. 16 (150), 20180710 (2019).</li><li>Downing, S., Salo, W., Spitzer, R., Koch, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+hagfish+slime+gland:+a+model+system+for+studying+the+biology+of+mucus.">The hagfish slime gland: a model system for studying the biology of mucus.</a> Science. 214, 1143-1145 (1981).</li><li>Hwang, S. H., Litt, M., Forsman, W. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rheological+properties+of+mucus.">Rheological properties of mucus.</a> Rheologica Acta. 8, 438-448 (1969).</li><li>Litt, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mucus+rheology.">Mucus rheology.</a> Archives of Internal Medicine. 126, 417-423 (1970).</li><li>Quarishi, M. S., Jones, N. S., Mason, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+rheology+of+nasal+mucus:+a+review.">The rheology of nasal mucus: a review.</a> Clinical Otolaryngology. 23, 403-413 (1998).</li><li>Nordg&#229;rd, C. T., Draget, K. I., Seternes, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rheology+of+salmon+skin+mucus.">Rheology of salmon skin mucus.</a> Annual Transactions - The Nordic Rheology Society. 23, 175-179 (2015).</li><li>Fern&#225;ndez-Alacid, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Comparison+between+properties+of+dorsal+and+ventral+skin+mucus+in+Senegalese+sole:+Response+to+an+acute+stress.">Comparison between properties of dorsal and ventral skin mucus in Senegalese sole: Response to an acute stress.</a> Aquaculture. 513, 734410 (2019).</li><li>Y&#252;ce, C., Willenbacher, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Challenges+in+Rheological+Characterization+of+Highly+Concentrated+Suspensions+-+Case+Study+for+Screen-printing+Silver+Pastes.">Challenges in Rheological Characterization of Highly Concentrated Suspensions - Case Study for Screen-printing Silver Pastes.</a> Journal of Visualized Experiments. (122), e55377 (2017).</li><li>Sultan, S., Mathew, A. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=3D+Printed+Porous+Cellulose+Nanocomposite+Hydrogel+Scaffolds.">3D Printed Porous Cellulose Nanocomposite Hydrogel Scaffolds.</a> J. Vis. Exp. (146), (2019).</li><li>Barnes, H. A., Hutton, J. F., Walters, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> An Introduction to Rheology. , (1989).</li><li>USGS Current Conditions for USGS 06910450 Missouri River at Jefferson City, MO. U.S. Geological Survey Available from: <a target="_blank" href="https://nwis.waterdata.usgs.gov/usa/nwis/uv/?cb_00010=on&amp;cb_00060=on&amp;cb_00065=on&amp;format=gif_default&amp;site_no=0691045&amp;p09-19&amp;end_date=2018-09-21">https://nwis.waterdata.usgs.gov/usa/nwis/uv/?cb_00010=on&amp;cb_00060=on&amp;cb_00065=on&amp;format=gif_default&amp;site_no=0691045&amp;p09-19&amp;end_date=2018-09-21</a> (2020)</li></ol>

Et av hovedmålene med å utvikle denne protokollen er å fastslå at den er godt egnet for reologisk karakterisering av GR-slim når svært små prøvevolumer er tilgjengelige. Vi erkjenner at flere prøver fra en skole med sølvkarpe er nødvendig for å karakterisere de reologiske egenskapene til GR-slimet fullt ut, og dataene som presenteres her er ikke en generalisering over hele sølvkarpepopulasjonen. Vår teknikk er berettiget på grunn av dens effekt med reologisk karakterisering av små prøvevolumer og med utv...

Sølvkarpe, Hypophthalmichthys molitrix, er en planktivorisk filtermater og en invasiv art som har infiltrert flere naturlige vannveier i USA. Denne arten ble opprinnelig introdusert i øvre Mississippi River-bassenget for å kontrollere algeoppblomstringer1,2,3. Sølvkarpe er en ekstremt effektiv mater. Vanligvis varierer dens forbruksvarer matpartikkelstørrelser fra 4 til 20 μm til større dyreplankton som er rundt 80 μm3,4,5. Denne arten har utkonkurrert annen innfødt fisk og kan potensielt forårsake enorm skade på innfødte vannveier ved å begrense tilgjengelige ressurser1,2,6. Dermed utgjør filterfôring av fisk som sølvkarpe og bighead karpe en stor trussel mot Great Lakes1,2,6,7,8.
Filterfôringsfisk har spesielle organer kalt gill rakers (GRs) med et tynt lag slim som bor på overflaten. Disse organene forbedrer effektiviteten av filtrering og aggregering av små partikler fra innkommende væske. Målet med protokollen som presenteres her er å karakterisere den ikke-newtonske, skjærfortynnende materialegenskapen og gi stress av GR-slimet som er anskaffet fra den indre overflaten av gill rakers i sølvkarpe. Verdien av utbyttespenningen til GR-slimet, fastslått ved hjelp av et rotasjonsreometer, er av interesse i denne studien. Det målte utbyttestresset som også kalles "tilsynelatende utbyttestress" avhenger av testmetodene som jevn skjærhastighet- eller dynamisk oscillatorisk belastningstype9,10. Skjærfortynnende, "utbyttestressvæske", gjennomgår en overgang fra solid-lignende til væskelignende oppførsel ved kritisk anvendt stress9,11. Det tilsynelatende utbyttestresset er det minste skjærstresset som kreves for å initiere strømning, eller at irreversibel plastisk deformasjon først observeres når slimet går over fra et gellignende materiale til et væskelignende materiale. Denne oppførselen kan observeres i strukturerte viskoelastiske materialer. Overgangen fra gellignende til væskelignende oppførsel av GR-slimet innebærer to funksjoner, det vil si en limrolle for å samle matpartikler og en transportkjøretøyrolle for å hjelpe til med partikkelleverings- og filtreringsprosessen. Slimets utvidede funksjon inkluderer å skape diffusjonsbarrierer i sykdomsresistens og åndedrett, gi kontrollert frigjøring av ernæringsmessige faktorer, giftige komponenter og utskillelse, skape metabolske veier for fôring og nesting, hjelpe til med rovdyrbeskyttelse og produsere grenselagmodifikasjoner som forbedrer bevegelse og fremdriftseffektivitet12,13,14.
I motsetning til enkle væsker har komplekse væsker som slimet egenskaper som varierer med strømningsforholdene og krever ytterligere måleparametere for å definere deres fysiske masseskala oppførsel. For å overvåke viskositeten og utbyttespenningen til GR-slim, utføres reologiske målinger ved hjelp av et rotasjonsreometer. Rotasjonsreometeret påfører en jevn eller oscillatorisk skjærspenning eller belastning ved hjelp av en roterende disk i kontakt med væskeprøven og måler responsen. Begrunnelsen bak bruk av dette instrumentet og teknikken er at reometeret kan gi et sett med målinger for å beskrive materialegenskapene til GR-slimet til sølvkarpe, som ikke kan defineres av viskositet alene.
Slimet er et viskoelastisk materiale, og dets mekaniske respons på en pålagt deformasjon er mellom en ren fast (styrt av Hookes elastisitetslov) og den til en ren væske (styrt av Newtons viskositetslov)15,16. Det komplekse makromolekylære nettverket i slimet kan strekke seg og reorientere som svar på ytre krefter eller deformasjon. Et rotasjonsreometer består av en kjeglegeometri og en peltierplate som vist i figur 1 og figur 2 (se tabell 1 for instrumenteringsspesifikasjoner). Hensikten med denne studien var å utvikle en protokoll for å bestemme de reologiske egenskapene til GR-slimet. En fordel med rotasjonsreometeret over et viskosimometer er dets evne til å gjøre dynamiske målinger ved hjelp av små prøvevolumer. GR slimprøvevolumet i denne studien var ca. 1,4 ml. Viskosimometeret er derimot begrenset til konstante skjærhastigheter og krever store prøvevolumer.
Slimets reologiske egenskaper forventes å variere sterkt innenfor sølvkarpeanatomien. For eksempel kan egenskapene til slimet som bor på GR-overflatene være forskjellige fra epibranchialorganet. For å ta hensyn til potensiell variasjon av slimegenskaper i forskjellige regioner av fisken, ble den oppkjøpte GR-slimprøven fortynnet, og løsninger av tre konsentrasjoner ble opprettet og testet ved hjelp av rotasjonsreometeret.. Dataene og resultatene angående slimreologi rapportert etter utførelse av protokollen viste effekten av måleteknikken. De illustrerende dataene som presenteres i dette dokumentet er ikke ment å bli generalisert over hele sølvkarpepopulasjonen. Protokollen som presenteres her, kan utvides til å undersøke slimreologi på tvers av større prøvesett for å teste andre hypoteser.
Hensikten med denne studien er å demonstrere variasjonen av reologiske egenskaper ved GR slimreologi med tre forskjellige slimkonsentrasjoner (400 mg/ml, 200 mg/ml og 100 mg/ml). Konsentrasjonen på 400 mg/ml representerer den rå slimprøven som høstes fra fisken GRs. Deionisert vann (DI) ble brukt til å fortynne rå slimprøven i konsentrasjoner på 200 mg/ml og 100 mg/ml. Fortynning av slimprøvene tillot evaluering av graden av skjærfortynnende og tilsynelatende utbyttestress som konsentrasjonsfunksjon og bestemmelse av konsentrasjonen der GR-slimet går over til ikke-newtonsk oppførsel. En shaker ble brukt til å bryte ned store klumper av slim i prøvene for å redusere feil i reologiske data på grunn av inhomogenitet.
I de fleste vertebrater, inkludert fisk, er de dominerende slimdannende makromolekylene glykoproteiner (mucins) som har en tendens til å svulme i vann ved sammenfiltring eller kjemisk krysskobling og lage et gellignende materiale12,13,17,18,19,20. Den høymolekylære, geldannende makromolekylene og høyvannsinnholdet gjenspeiler glattheten islimet 13. En høy grad av intermakromolekylære interaksjoner fører til geldannelse, mens lavere nivåer av intermakromolekylære interaksjoner eller ødelagte bindinger resulterer i væsker med høy viskositet21.
Prosessene for matpartikkelfiltrering i filterfôring av fisk er hjulpet av GR slimrelaterte egenskaper som samhørighet og viskositet som bestemmer potensialet for vedheft og tack22. Styrken av slimbasert vedheft avhenger av spesifikke intermolekylære, elektrostatiske eller hydrofobe interaksjoner23. Sanderson et al.24 gjennomførte en suspensjonsfôringsstudie i svartfisk hvor de fant bevis for slimbasert vedheft. De uttalte at vedheft av suspendert matpartikler med en slimhinneoverflate etterfølges av transport av aggregerte klumper av partikler bundet sammen med slim ved rettet vannstrøm som virker på den24. Slimet utsatt for skjærstammehastigheter generert fra vannstrøm letter levering av matpartikler til fordøyelsesorganer. Endoskopiske teknikker ble brukt til å observere filtrerte partikler24.
Litteratur om omfanget av skjærrater og praktiske grenser i reologisk testing av GR-slim er knapp. Derfor ble det søkt veiledning fra reologiske studier på mage-, nese-, livmorhals- og lungeslim, lakseskinnsslim, hagfish slim og benledd overflatesmøremiddel der den reologiske karakteriseringen og ikke-newtonske egenskapene ble studert11,12,25,26,27,28,29,30,31. Mer nylig har effekten av fiskeskinnsslim på bevegelse og fremdriftseffektivitet blitt studert ved hjelp av konstant skjærhastighetsviscometry. Hud slim reologi studier (uten fortynning eller homogenisering) knyttet til seabream, havabbor og meagre demonstrert ikke-newtonsk oppførsel ved typisk lave skjær rater14.  I en annen relatert studie ble de rå hudslimprøvene fra dorsale og ventrale sider av den senegalesiske sålen funnet å vise ikke-newtonsk oppførsel, noe som indikerer en høyere viskositet av det ventrale slimet i alle skjærhastigheter vurdert32. Andre reologiske protokoller knyttet til hydrogel stillas utvikling og for svært konsentrert suspensjoner ved hjelp av en konstant skjær rate viscometer har også blitt rapportert i litteraturen33,34.
I denne studien ble GR-slimegenskapene undersøkt ved hjelp av en strekkhastighet kontrollert, rotasjonsreometer som har blitt mye brukt i reologiforsøk på komplekse biologiske væsker25. For newtonske væsker forblir den tilsynelatende viskositeten konstant, er skjærhastighetsuavhengig og skjærspenningene varierer lineært med skjærstammehastigheter (Figur 3A, B). For ikke-newtonske væsker (for eksempel skjærfortynnende væsker) er viskositet skjærhastighetsavhengig eller deformasjonshistorikkavhengig (figur 3A, B). Tapsmodulus (G") representerer i hvilken grad materialet motstår tendensen til å strømme og er representativ for væskeviskositet (figur 4). Lagringsmodulus (G') representerer tendensen til at materialet gjenoppretter sin opprinnelige form etter stressindusert deformasjon og tilsvarer elastisitet (figur 4). Fasevinkelen (δ) eller taps tangentverdien beregnes ut fra den inverse tangens til G"/G". Det representerer balansen mellom energitap og lagring og er også en vanlig parameter for karakterisering av viskoelastiske materialer (δ = 0° for et hookean fast stoff; δ = 90° for en viskøs væske; δ < 45° for et viskoelastisk fast stoff og δ > 45° for en viskoelastisk væske) (Figur 4)25. Det tilsynelatende utbyttestresset (σy) i strukturerte væsker representerer en tilstandsendring som kan observeres i reologiske data fra steady state sweep og dynamisk stressstamme feier10. Hvis det eksterne påførte stresset er mindre enn det tilsynelatende utbyttestresset, vil materialet deformeres elastisk. Når stresset overstiger det tilsynelatende utbyttestresset (merket som "gjennomsnittlig stress" i figur 3B), vil materialet gå fra elastisk til plastisk deformasjon og begynne å strømme i flytende tilstand35. Måling av lagringsmodulus (G') og tapsmodulus (G") i slimprøven under oscillatorisk stress (eller belastning) kvantifiserer endringen i materialtilstanden fra gellignende til viskoelastisk væskelignende oppførsel.
Typer reometertester utført for å overvåke data knyttet til lagringsmodulus (G'), tapsmodulus (G") og tilsynelatende viskositet (η) er beskrevet her. De dynamiske oscillasjonstestene (strekksveip og frekvenssveip) overvåket G' og G" under kontrollert oscillasjon av kjeglegeometri. De dynamiske strekksveiptestene bestemte det lineære viskoelastiske området (LVR) i slimet ved å overvåke den iboende materialresponsen (figur 4). Stammesveiper ble brukt til å bestemme utbyttets oppførsel ved konstant oscillasjonsfrekvens og temperatur. De dynamiske frekvenssveiptestene overvåket materialresponsen på økende frekvens (deformasjonshastighet) ved en konstant amplitude (belastning eller stress) og temperatur. Stammen ble opprettholdt i det lineære viskoelastiske området (LVR) for de dynamiske frekvenssveiptestene. Steady-state skjærhastighetstester overvåket den tilsynelatende viskositeten (η) under jevn rotasjon av kjeglegeometrien. GR-slimet ble utsatt for trinnvise stresstrinn og tilsynelatende viskositet (η, Pa.s) ble overvåket for varierende skjærhastighet (ý, 1/s).
Protokollen som presenteres i dette dokumentet behandler GR-slimet som et komplekst strukturert materiale av ukjent viskoelastisitet med et bestemt lineært viskoelastisk responsområde. Fiskeslimet ble hentet ut av GRs av sølvkarpe under en fiskeekspedisjon ved Hart creek-stedet i Missouri-elven av professor L. Patricia Hernandez (Department of Biological Sciences, The George Washington University) 1,2,36.  En matrise med GR-er inne i munnen på en sølvkarpe vises i figur 5A, og en skjematisk tegning presenteres i figur 5B. En utskilt GR vises i figur 5C.  Utvinning av slim fra GRs av sølvkarpe presenteres som et eksempel i skjematiske tegninger, Figur 5D, E. Alle revometertestene ble utført under en konstant, kontrollert temperatur på 22 ± 0,002 °C, temperaturen som ble registrert på fiskestedet1,2,36.  Hver slimprøve ble testet tre ganger med reometeret, og de gjennomsnittlige resultatene presenteres sammen med de statistiske feilfeltene.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style="width:888px;" width="887">
	<colgroup>
		<col />
		<col />
		<col />
		<col />
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:191px;">Materials</td>
			<td style="width:245px;"></td>
			<td style="width:191px;"></td>
			<td style="width:261px;"></td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:191px;">Kim Wipes</td>
			<td style="width:245px;">VWR</td>
			<td style="width:191px;">470224-038</td>
			<td style="width:261px;">To clean Sample from plate</td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:191px;">Gloves</td>
			<td style="width:245px;">VWR</td>
			<td style="width:191px;">89428-750</td>
			<td style="width:261px;">To prevent contamination of sample</td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:191px;">Pipette</td>
			<td style="width:245px;">VWR</td>
			<td style="width:191px;">89079-974</td>
			<td style="width:261px;">To transport sample from vial to rheometer</td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:191px;">Pipette Tips</td>
			<td style="width:245px;">Thermo Scientific</td>
			<td style="width:191px;">72830-042</td>
			<td style="width:261px;">To transport sample from vial to rheometer</td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:191px;">Shaker</td>
			<td style="width:245px;">VWR</td>
			<td style="width:191px;">89032-094</td>
			<td style="width:261px;">To homogenously mix sample of mucus</td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:191px;">Vials</td>
			<td style="width:245px;">VWR</td>
			<td style="width:191px;">66008-710</td>
			<td style="width:261px;">Contains measured sample volumes</td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:191px;">Weigh Scale</td>
			<td style="width:245px;">Ohaus</td>
			<td style="width:191px;">Scout &#8211;SPX Balances</td>
			<td style="width:261px;">To weigh mass of mucus samples</td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:191px;">Chemical Reagents</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="41">
			<td height="41" style="height:41px;width:191px;">De-Ionized Water (H20)</td>
			<td style="width:245px;">-</td>
			<td style="width:191px;">-</td>
			<td style="width:261px;">Liquid</td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:191px;">Sterile 70% Isopropanol (C3H8O)</td>
			<td style="width:245px;">VWR</td>
			<td style="width:191px;">89108-162</td>
			<td style="width:261px;">Liquid</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">GR Mucus</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="41">
			<td height="41" style="height:41px;width:191px;">100 mg/mL concentration, 2mL</td>
			<td style="width:245px;">-</td>
			<td style="width:191px;">-</td>
			<td style="width:261px;">Viscoelastic Material</td>
		</tr>
		<tr height="41">
			<td height="41" style="height:41px;width:191px;">400 mg/mL concentration, 1mL</td>
			<td style="width:245px;">-</td>
			<td style="width:191px;">-</td>
			<td style="width:261px;">Viscoelastic Material</td>
		</tr>
		<tr height="41">
			<td height="41" style="height:41px;width:191px;">200 mg/mL concentration, 1mL</td>
			<td style="width:245px;">-</td>
			<td style="width:191px;">-</td>
			<td style="width:261px;">Viscoelastic Material</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:191px;">Software</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:191px;">MATLAB</td>
			<td style="width:245px;">Mathworks</td>
			<td style="width:191px;">R2017a</td>
			<td style="width:261px;">Data analysis, post-processing and graphical representation</td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:191px;">Trios</td>
			<td>TA Instruments</td>
			<td style="width:191px;">v4.5.042498</td>
			<td style="width:261px;">Rheometer instrument control and analysis software</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

macro-rheology characterization of gill raker mucus in the silver carp, hypophthalmichthys molitrix

Sølvkarpe, Hypophthalmichthys molitrix, er en invasiv planktivorøs filtermaterfisk som infiserte de naturlige vannveiene i øvre Mississippi River-bassenget på grunn av sin svært effektive filterfôringsmekanisme. De karakteristiske organene kalt gill rakers (GRs), som finnes i mange slike filtermatere, letter effektiv filtrering av matpartikler som planteplankton som er av noen få mikroner i størrelse.
Motivasjonen til å undersøke rheologien til GR-slimet stammer fra vårt ønske om å forstå sin rolle i å hjelpe filterfôringsprosessen i sølvkarpe. Den slimrike væsken, i en "tykk og klebrig" tilstand, kan lette vedheft av matpartikler. Permeasjonen og transporten gjennom GR-membranen forenkles ved virkningen av ytre skjærkrefter som induserer varierende skjærstammehastigheter. Derfor kan slimreologi gi en viktig anelse om sølvkarpeens enorme utkonkurrerende natur innenfor bassenget med filterfôring av fisk. Basert på dette ble det hevdet at GR-slim kan gi en limfunksjon til matpartikler og fungere som et transportkjøretøy for å hjelpe til med filterfôringsprosessen.
Hovedmålet med protokollen er å bestemme utbyttespenningen til slimet, tilskrevet minimumsskjærspenningen som kreves for å initiere strømning der irreversibel plastdeformasjon først observeres over et strukturert viskoelastisk materiale. Følgelig ble reologiske egenskaper til GR-slimet, det vil si viskositet, lagring og tapsmoduli, undersøkt for sin ikke-newtonske, skjærfortynnende natur ved hjelp av et rotasjonsreometer.
En protokoll presentert her brukes til å analysere de reologiske egenskapene til slim hentet fra gill rakers av en sølv karpe, fisket på Hart Creek plassering av Missouri. Protokollen tar sikte på å utvikle en effektiv strategi for reologisk testing og materialkarakterisering av slim antatt å være et strukturert viskoelastisk materiale.

I denne delen presenterer vi resultatene av forsøkene på GR-slim ved hjelp av et rotasjonsreometer med kjeglegeometri (40 mm diameter, 1° 0' 11'') og en Peltier plate. Forsøkene bidro til å karakterisere den ikke-newtonske, skjærfortynnende oppførselen til GR-slimet og det tilsynelatende utbyttestresset som skildrer slimovergangen fra et gellignende materiale til et væskelignende materiale. De representative resultatene innebærer kvantitative beskrivelser av lavmomentgrenser og sekundære strømningseffekter av ...

Watch this Scientific Journal Video about Macro-Rheology Characterization of Gill Raker Mucus in the Silver Carp, Hypophthalmichthys molitrix at JoVE.com

Macro-Rheology Characterization of Gill Raker Mucus in the Silver Carp, Hypophthalmichthys molitrix

Denne protokollen presenterer en metode for å utføre reologikarakterisering av slim som ligger på gill rakers (GRs) av sølvkarpe. Viskoelastiske egenskaper av GR-slim, oppnådd ved måling av viskositet, lagring og tap moduli, evalueres for tilsynelatende utbytte stress for å forstå filterfôringsmekanismen i GRs.

Makro-reologi karakterisering av Gill Raker Mucus i Sølvkarpe, Hypophthalmichthys molitrix

The silver carp, Hypophthalmichthys molitrix, is an invasive planktivorous filter feeder fish that infested the natural waterways of the upper Mississippi ...

Research

JoVE Journal

Engineering

Macro-Rheology Characterization of Gill Raker Mucus in the Silver Carp, Hypophthalmichthys molitrix

A Method to Fabricate Disconnected Silver Nanostructures in 3D

En metode for å dikte Disconnected Silver nanostrukturer i 3D

The standard nanofabrication toolkit includes  techniques primarily aimed at creating 2D patterns in dielectric media. Creating  metal patterns on a ...

Evaluating Plasmonic Transport in Current-carrying Silver Nanowires

Plasmonics is an emerging technology capable of simultaneously transporting a plasmonic signal and an electronic signal on the same information ...

Characterization of Thermal Transport in One-dimensional Solid Materials

Karakterisering av Thermal Transport i One-dimensjonale solide materialer

The TET (transient electro-thermal) technique is an effective approach developed to measure the thermal diffusivity of solid materials, including ...

Construction and Characterization of External Cavity Diode Lasers for Atomic Physics

Bygging og karakterisering av Eksterne Cavity Diode Lasere for atomfysikk

Since their development in the late 1980s, cheap, reliable external cavity diode lasers (ECDLs) have replaced complex and expensive traditional dye and ...

Characterization of Recombination Effects in a Liquid Ionization Chamber Used for the Dosimetry of a Radiosurgical Accelerator

Karakterisering av Rekombinasjon Effects i en flytende Ionization Chamber Brukes for Dosimetri av en radiosurgical Accelerator

Most modern radiation therapy devices allow the use of very small fields, either through beamlets in Intensity-Modulated Radiation Therapy (IMRT) or via ...

Patterning via Optical Saturable Transitions - Fabrication and Characterization

Mønster via Optiske mettes Transitions - Fabrikasjon og karakterisering

This protocol describes the fabrication and characterization of nanostructures using a novel nanolithographic technique called Patterning via Optical ...

Electron Channeling Contrast Imaging for Rapid III-V Heteroepitaxial Characterization

Electron Kanalisering Contrast Imaging for Rapid III-V Heteroepitaxial Karakterisering

Misfit dislocations in heteroepitaxial layers of GaP grown on Si(001) substrates are characterized through use of electron channeling contrast imaging ...

Integration of Light Trapping Silver Nanostructures in Hydrogenated Microcrystalline Silicon Solar Cells by Transfer Printing

Integrering av Lys Overlappings sølv nanostrukturer i hydrogenert mikrokrystallinsk silisium solceller ved Transfer Printing

One of the potential applications of metal nanostructures is light trapping in solar cells, where unique optical properties of nanosized metals, commonly ...

Production of Synthetic Nuclear Melt Glass

Produksjon av syntetisk Nuclear smelte glass

Realistic surrogate nuclear debris is needed within the nuclear forensics community to test and validate post-detonation analysis techniques. Here we ...

A Fabrication Method for Highly Stretchable Conductors with Silver Nanowires

En Fabrication Metode for Meget tøyelig Ledere med sølv Nanowires

Stretchable electronics are identified as a key technology for electronic applications in the next generation. One of the challenges in fabrication of ...