Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

אפיון מאקרו-ריאולוגיה של ריר גיל רייקר בקרפיון הכסף, היפופתלמיכטיס מוליטריקס

Published: July 10, 2020 doi: 10.3791/61379
Automatic Translation
1, 1, 1
1Department of Mechanical and Aerospace Engineering, The George Washington University

Summary

פרוטוקול זה מציג שיטה לביצוע אפיון ריר של ריר הנימק על זימים rakers (GRs) של קרפיון כסף. מאפיינים ויסקולאסטיים של GR-ריר, המתקבלים על ידי מדידת צמיגות, אחסון ואובדן מודולי, מוערכים עבור מתח התשואה לכאורה כדי להבין את מנגנון האכלת המסנן ב- GRs.

Abstract

קרפיון הכסף, Hypophthalmichthys molitrix, הוא דג מאכיל פלנקטיבים פולשניים שפשטו על נתיבי המים הטבעיים של אגן נהר המיסיסיפי העליון בשל מנגנון האכלת המסננים היעיל ביותר שלו. האיברים האופייניים הנקראים זימים rakers (GRs), נמצא רבים כאלה מסננים מזינים, להקל על סינון יעיל של חלקיקי מזון כגון פיטופלנקטון כי הם של כמה מיקרונים בגודל.

המוטיבציה לחקור את הריאולוגיה של ריר GR נובעת מהרצון שלנו להבין את תפקידה בסיוע לתהליך האכלת המסנן בקרפיון הכסוף. הנוזל העשיר ולר, במצב 'עבה ודביק' עשוי להקל על הידבקות של חלקיקי מזון. חלחלות ותחבורה דרך קרום GR מתאפשרים על ידי פעולה של כוחות גיסת חיצוניים הגורמים שיעורי זנית שונים. לכן, ריר rheology יכול לספק רמז חיוני לאופי outcompeting עצום של קרפיון כסף בתוך הבריכה של מסנן האכלת דגים. בהתבסס על כך הועלתה כי ריר GR עשוי לספק פונקציית דבק לחלקיקי מזון ולשמש כרכב תובלה כדי לסייע בתהליך האכלת המסנן.

המטרה העיקרית של הפרוטוקול היא לקבוע את לחץ התשואה של הריר, המיוחס ללחץ הגניסה המינימלי הנדרש כדי ליזום זרימה שבה עיוות פלסטיק בלתי הפיך נצפה לראשונה על פני חומר צמיג מובנה. בהתאם לכך, תכונות ריאולוגיות של ריר GR, כלומר, צמיגות, אחסון, ואובדן מודולי, נחקרו על אופיו הלא ניוטוני, גיסת דילול באמצעות ריומטר סיבובי.

פרוטוקול המוצג כאן משמש כדי לנתח את המאפיינים הרולוגיים של ריר שחולצו מ rakers זימים של קרפיון כסף, דג במיקום הארט קריק של נהר מיזורי. הפרוטוקול שואף לפתח אסטרטגיה יעילה לבדיקות רולוגיות ואפיון חומרי של ריר הניח להיות חומר צמיג מובנה.

Introduction

קרפיון הכסף, Hypophthalmichthys molitrix, הוא מאכיל מסננים פלנקטיבים ומין פולש שחדר למספר נתיבי מים טבעיים בארצות הברית. מין זה הוצג בתחילה באגן נהר המיסיסיפי העליון כדי לשלוט בפריחת האצות1,2,3. קרפיון הכסף הוא מאכיל יעיל ביותר. בדרך כלל, גדלי חלקיקי המזון המתכלים שלה נעים בין 4 ל 20 מיקרומטר לזואופלנקטון גדול יותר שהם סביב 80 מיקרומטר3,4,5. מין זה עלה על דגים מקומיים אחרים ועלול לגרום נזק עצום לנתיבי מים מקומיים על ידי הגבלתהמשאבים הזמינים 1,2,6. לכן, מסנן האכלת דגים כגון קרפיון כסף קרפיון bighead מהווים איום גדול על האגמים הגדולים1,2,6,7,8.

דגי סינון יש איברים מיוחדים הנקראים זימים rakers (GRs) עם שכבה דקה של ריר המתגורר על פני השטח שלהם. איברים אלה לשפר את היעילות של סינון וצבירה של חלקיקים קטנים מן הנוזל הנכנס. מטרת הפרוטוקול המוצג כאן היא לאפיין את הנכס החומרי הלא-ניוטוני, גיסת דילול ולהניב מתח של ריר GR שנרכש מפני השטח הפנימיים של rakers זימים בקרפיון הכסף. הערך של לחץ התשואה של ריר GR, התברר באמצעות rheometer סיבובי, הוא עניין במחקר זה. לחץ התשואה הנמדד המכונה גם "לחץ התשואה לכאורה" תלוי בשיטות הבדיקה כגון קצב גיליון יציב - או זן תנודות דינמי סוג9,10. דילול הגיסה, 'נוזל תשואה-מתח', עובר מעבר מהתנהגות מוצקה דמוית נוזל בלחץ יישומי קריטי9,11. לחץ התשואה לכאורה הוא לחץ הגיסה המינימלי הנדרש כדי ליזום זרימה או שבו עיוות פלסטיק בלתי הפיך נצפה לראשונה כאשר הריר עובר מחומר דמוי ג'ל לחומר דמוי נוזל. התנהגות זו ניתן לראות בחומרים צמיגים מובנים. המעבר מהתנהגות דמוית ג'ל להתנהגות דמוית נוזל של ריר GR כרוך בשתי פונקציות כלומר, תפקיד דבק לאיסוף חלקיקי מזון ותפקיד רכב תובלה כדי לסייע בתהליך המסירה והסינון החלקיקים. הפונקציה המורחבת של הריר כוללת יצירת מחסומי דיפוזיה בעמידות למחלות ונשימה, מתן שחרור מבוקר של גורמים תזונתיים, רכיבים רעילים ופרישה, יצירת מסלולים מטבוליים להאכלה וקינון, סיוע בהגנה מפני טורפים, והפקת שינויים בשכבת הגבול המשפרים את הקטר ויעילות ההנעה12,13,14.

שלא כמו נוזלים פשוטים, נוזלים מורכבים כמו ריר יש תכונות המשתנות עם תנאי הזרימה ודורשים פרמטרי מדידה נוספים כדי להגדיר את ההתנהגות הגופנית בקנה מידה בתפזורת שלהם. כדי לפקח על הצמיגות ואת הלחץ התשואה של ריר GR, מדידות רולוגיות מבוצעות באמצעות rheometer סיבוב. הרומד הסיבובי מחיל מתח או מאמץ גיזום יציבים או מתנדנדים באמצעות דיסק מסתובב במגע עם דגימת הנוזל ומודד את תגובתו. הרציונל מאחורי שימוש במכשיר וטכניקה זו הוא כי rheometer יכול לספק קבוצה של מדידות כדי לתאר את המאפיינים החומריים של ריר GR של קרפיון הכסף, אשר לא ניתן להגדיר על ידי צמיגות בלבד.

הריר הוא חומר ויסקולאסטי ותגובתו המכנית לעיוות שנכפה היא בין זו של מוצק טהור (הנשלט על ידי חוק האלסטיות של הוק) לבין זה של נוזל טהור (הנשלט על ידי חוק הצמיגות שלניוטון) 15,16. הרשת המקרומולקולרית המורכבת הכלולה בתוך הריר יכולה להימתח ולכוון מחדש בתגובה לכוחות חיצוניים או לעיוות. רומטר סיבובי מורכב מגיאומטריית חרוט ולוח פלטייה כפי שמוצג באיור 1 ובאיור 2 (ראו טבלה 1 למפרט מכשור). מטרת המחקר הזה הייתה לפתח פרוטוקול כדי לקבוע את המאפיינים הרוולוגיים של ריר GR. יתרון של ריומטר הסיבוב על פני ויסקומטר הוא היכולת שלו לבצע מדידות דינמיות באמצעות אמצעי אחסון מדגם קטנים. נפח דגימת הריר GR במחקר זה היה כ 1.4 מ"ל. הצמיג, לעומת זאת, מוגבל לשיעורי גיזום קבועים ודורש נפחי דגימה גדולים.

המאפיינים הרולוגיים של הריר צפויים להשתנות מאוד בתוך האנטומיה קרפיון כסף. לדוגמה, המאפיינים של הריר המתגורר על משטחי GR עשויים להיות שונים מהאיבר האפיברנצ'י. כדי להסביר את השונות הפוטנציאלית של תכונות ריר באזורים שונים של הדג, מדגם ריר GR שנרכש היה מדולל, ופתרונות של שלושה ריכוזים נוצרו ונבדקו באמצעות rheometer הסיבוב.. הנתונים והתוצאות לגבי ריר rheology שדווחו לאחר ביצוע הפרוטוקול הדגימו את היעילות של טכניקת המדידה. נתוני ההמחשה המוצגים במאמר זה אינם אמורים להיות כלליים בכל אוכלוסיית קרפיון הכסף. הפרוטוקול המוצג כאן ניתן להרחיב כדי לחקור rheology ריר על פני ערכות מדגם גדולות יותר כדי לבדוק השערות אחרות.

מטרת מחקר זה היא להדגים את השונות של תכונות ריר GR עם שלושה ריכוזי ריר שונים (400 מ"ג / מ"ל, 200 מ"ג / מ"ל ו 100 מ"ג / מ"ל). ריכוז 400 מ"ג/מ"ל מייצג את דגימת הריר הגולמית שנקצרה מהדג GRs. מים דהיוניים (DI) שימשו לדלל את דגימת הריר הגולמי ל-200 מ"ג/מ"ל ו-100 מ"ג/מ"ל. דילול דגימות הריר אפשר להעריך את מידת דילול הגיסה ואת לחץ התשואה לכאורה כפונקציה של ריכוז וקביעת הריכוז שבו ריר GR עובר להתנהגות לא ניוטון. שייקר שימש כדי לשבור כל גושים גדולים של ריר בדגימות כדי למתן שגיאות בנתונים הרוולוגיים עקב אי-תום לב.

ברוב בעלי החוליות, כולל דגים, המקרומולקולים היוצרים ריר הם גליקופרוטאין (מוצינים) הנוטים להתנפח במים על ידי הסתבכויות או הצלבה כימית וליצור חומר דמוי ג'ל12,13,17,18,19,20. המקרומולקולרים בעלי המשקל המולקולרי הגבוה, הג'ל ותכולת המים הגבוהים משקפים את החלקלקות בריר13. רמה גבוהה של אינטראקציות בין-מקרומולקולריות מובילה להיווצרות ג'ל ואילו רמות נמוכות יותר של אינטראקציות בין-מקרומולקולריות או קשרים שבורים גורמים לנוזלים בעלי צמיגות גבוהה21.

התהליכים של סינון חלקיקי מזון בדגים האכלת מסנן נעזרים בתכונות הקשורות לריק GR כגון לכידות וצמיגות הקובעים את הפוטנציאל שלה הידבקות וטקטיקה22. כוח ההידבקות על בסיס ריר תלוי באינטראקציות בין-מולקולריות, אלקטרוסטטיות או הידרופוביות ספציפיות23. סנדרסון ואח'24 ערכו מחקר האכלה השעיה בדגים שחורים שבו הם מצאו את הראיות להדבקה על בסיס ריר. הם ציינו כי הידבקות של חלקיקי מזון מושעים עם משטח רירי מלווה בהובלה של גושים מצטברים של חלקיקים הקשורים יחד עם ריר על ידי זרימת מים מכוונת הפועלת עליו24. הריר החשוף לשיעורי זני הגיהה הנוצרים מזרימת מים מאפשר משלוח של חלקיקי מזון לאברי העיכול. טכניקות אנדוסקופיות שימשו להתבונן חלקיקים מסוננים24.

ספרות על מגוון שיעורי הגינוע והגבלות המעשיות בבדיקה הרולוגית של ריר GR היא נדירה. לכן, התבקש הדרכה ממחקרים רולוגיים על קיבה, אף, ריר צוואר הרחם והריאות, ריר עור סלמון, רפש דגי ים, חומר סיכה משטח מפרק העצם שבו האפיון הרואיולוגי ותכונות לא ניוטוניות נחקרו11,12,25,26,27,28,29,30,31. לאחרונה, ההשפעה של ריר עור דגים על קטר ויעילות הנעה נחקרה באמצעות צמיגות קצב הגניסה קבוע. מחקרי ריר עור (ללא כל דילול או הומוגניזציה) הנוגעים לסיברם, בס ים והתנהגות דלה הדגימו התנהגות לא ניוטון בשיעורי גיזמה נמוכים בדרך כלל14.  במחקר אחר הקשור, דגימות ריר העור הגולמי מצדי גב וגחון של הסוליה הסנגלית נמצאו להפגין התנהגות לא ניוטון, המציין צמיגות גבוהה יותר של ריר הגחון בכל שיעורי הגניסה נחשב32. פרוטוקולים ריולוגיים אחרים הנוגעים להתפתחות פיגום הידרוג'ל ועל השעיות מרוכזות מאוד באמצעות ויסקומטר קצב גיסא קבוע דווחו גם בספרות33,34.

במחקר זה, תכונות ריר GR נחקרו באמצעות שיעור זן מבוקר, rheometer סיבובי כי כבר בשימוש נרחב בניסויים rheology על נוזלים ביולוגיים מורכבים25. עבור נוזלים ניוטון, הצמיגות לכאורה נשארת קבועה, היא עצמאית בקצב הגיסתי והלחצים הגניים משתנים באופן ליניארי עם שיעורי המתח הגיזלי(איור 3A,B). עבור נוזלים שאינם ניוטון (כגון נוזלים מדללים) צמיגות תלויה קצב גיסה או תלוית היסטוריה מעוותת(איור 3A, B). אובדן מודולוס (G) מייצג את המידה שבה החומר מתנגד לנטייה לזרום ומייצג צמיגות נוזלים (איור 4). מודולוס האחסון (G') מייצג את הנטייה של החומר לשחזר את צורתו המקורית בעקבות עיוות שנגרם מלחץ והוא שווה ערך לגמישות (איור 4). זווית הפאזה (δ) או ערך משיק אובדן, מחושבת מהטנגנס ההופכי של G"/G'. הוא מייצג את האיזון בין אובדן אנרגיה לאחסון והוא גם פרמטר נפוץ לאפיון חומרים ויסקולאסטיים (δ = 0° עבור מוצק Hookean; δ = 90° עבור נוזל צמיג; δ < 45° עבור מוצק ויסקולאסטי δ > 45° עבור נוזל צמיג) (איור 4)25. לחץ התשואה לכאורה (σy) בנוזלים מובנים מייצג שינוי מצב שניתן לראות בנתונים ריולוגיים מטאטא מצב יציב ומתח דינמי גורף10. אם הלחץ החיצוני מוחל הוא פחות מלחץ התשואה לכאורה, החומר יהיה מעוות אלסטי. כאשר הלחץ עולה על לחץ התשואה המסתמן (מסומן כ"לחץ ממוצע" באיור 3B), החומר יעבור מעיוות אלסטי לפלסטיק ויתחיל לזרום במצבו הנוזלי35. מדידת מודולוס האחסון (G') ואובדן מודולוס (G) בתנאי לחץ מתנדנד (או זן) כימתה את השינוי במצב החומרי מהתנהגות דמוית ג'ל להתנהגות דמוית נוזל ויסקולאסטית.

סוגי בדיקות הרומד המבוצעות לניטור נתונים הנוגעים מודולוס אחסון (G'), מודולוס אובדן (G) וצמיגות לכאורה (η) מתוארים כאן. בדיקות התנודה הדינמיות (מטאטא זן ותדירות גורפת) ניטור G ' ו- G " תחת תנודה מבוקרת של גיאומטריית חרוט. בדיקות סריקת המתח הדינמיות קבעו את האזור הצמיגי הליניארי (LVR) של הריר על ידי ניטור התגובה החומרית המהותית (איור 4). מאמץ גורף שימשו כדי לקבוע את ההתנהגות המניבה בתדירות תנודה מתמדת וטמפרטורה. בדיקות סריקת התדרים הדינמיות עקבו אחר התגובה החומרית להגברת התדירות (קצב העיוות) במשרעת מתמדת (זן או מתח) וטמפרטורה. המתח נשמר באזור הצמיגי הליניארי (LVR) לבדיקות סריקת התדרים הדינמיות. מבחני קצב הגיור של מצב יציב עקבו אחר הצמיגות לכאורה (η) תחת סיבוב קבוע של גיאומטריית החרוט. ריר GR היה נתון לצעדי לחץ מצטברים וצמיגות לכאורה (η, Pa.s) היה במעקב עבור קצב גניסיה משתנה (ý, 1/s).

הפרוטוקול המוצג במאמר זה מתייחס ריר GR כחומר מובנה מורכב של צמיגות לא ידועה עם טווח תגובה צמיגי ליניארי מסוים. ריר הדגים חולץ מהרופאים הכלליים של קרפיון הכסף במהלך מסע דיג במיקום הארט קריק בנהר מיזורי על ידי פרופסור ל. פטרישיה הרננדז (המחלקה למדעי הביולוגיה, אוניברסיטת ג'ורג ' וושינגטון) 1,2,36.  באיור 5A מוצג מערך של GRs בתוך פיו של קרפיון כסף, וציור סכמטי מוצג באיור 5B. GR שנכרת מוצג באיור 5C.  הפקת ריר מ- GRs של קרפיון הכסף מוצגת כדוגמה בציורים הסכמטיים, איור 5D, E. כל בדיקות הרומטר בוצעו בטמפרטורה קבועה ומבוקרת של 22 ± 0.002 מעלות צלזיוס, הטמפרטורה שנרשמה באתר הדיג1,2,36.  כל דגימת ריר נבדקה שלוש פעמים עם הרומד, והתוצאות הממוצעות מוצגות יחד עם סרגלי השגיאה הסטטיסטיים.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. הכנת פתרונות הריר בריכוזים שונים

הערה: שלושה ריכוזים של פתרון ריר (400 מ"ג / מ"ל, 200 מ"ג / מ"ל ו 100 מ"ג / מ"ל עם כרכים משוערים, 1 מ"ל, 1 מ"ל, ו 2 מ"ל, בהתאמה) מוכנים לניסוי זה.

  1. כדי לחשב את המסה של הריר, למדוד את המסה הממוצעת של הבקבוקונים עם (Mעם ריר; מ"ג) וללא ריר (מבקבוקונים M ; מ"ג). לאחר מכן להחסיר את המסה של הבקבוקונים עם ריר עם זה ללא ריר (ריר M = M עםריר - Mבקבוקונים ; מ"ג).
  2. לדלל את הריר לשלושה ריכוזים (400, 200, 100, מ"ג / מ"ל) עם מים deionized (DI).
    1. הכן את הריכוז הראשון של פתרון ריר, 400 מ"ג / מ"ל על ידי הוספת 0.6 מ"ל DI מים לריר באמצעות micropipette.
      הערה: מאז הנפח המשוער של ריר שחולץ היה 1.4 מ"ל, הפתרון 400 מ"ג / מ"ל יהיה נפח כולל של ~ 2 מ"ל.
    2. מניחים את 400 מ"ג / מ"ל פתרון פתרון ריר על שייקר כדי לוודא כי פתרון הריר הוא הומוגני כראוי, וכל agglomeration חלקיק ריר הוא מקל.
    3. הכן את הריכוז השני של פתרון הריר, 200 מ"ג / מ"ל, על ידי ציור מחצית הנפח של פתרון ריר הריכוז הראשון לתוך מחילה חדשה באמצעות micropipette והוספת 1 מ"ל של מים DI לתוך המשחקון החדש.
    4. חזור על שלב 1.2.2 עבור הבקבוקונים הראשונים והשניים עם פתרונות ריר.
    5. הכן את הריכוז השלישי של פתרון הריר, 100 מ"ג / מ"ל, על ידי ציור מחצית הנפח (1 מ"ל) של פתרון 200 מ"ג / מ"ל לתוך מקטורון חדש באמצעות micropipette ולהוסיף של מי DI לתוך המשחקון החדש.
    6. חזור על שלב 1.2.2 עבור כל שלושת הריכוזים של פתרונות ריר בבקבוקונים המתאימים שלהם (ראה איור 1 משלים).
    7. יש לאחסן את בקבוקוני פתרון הריר במקרר עד לביצוע כיול ובדיקת הרימון.

2. מדידות ורכישת נתונים באמצעות מד רימונים

הערה: התוכנה המשמשת בפרוטוקול זה לבקרת מכשירים ורכישת נתונים עם מד שורשים נרשמות בטבלת החומרים. תוכנה זו תיקרא 'תוכנת בקרת מכשיר ריומטר'.

  1. הגדר וכייל את מכשיר הרומד.
    1. הפעל את אספקת האוויר הדחוסה לרומטר וודא שהטבלה הפנאומטית ומד הרומטר מאוזנים באמצעות מד בועה. לסובב את מכסה המגן על פיר rheometer ולהחזיק פיר עדיין תוך כדי פתיח.
    2. הפעל את המתגים הראשיים של הרומד כדי להפעיל את המסבים המגנטיים על מד הרומאים.
    3. הפעל את מחשב בקרת הרומטר עם תוכנת בקרת מכשיר הרומטר המותקנת בו והפעל את תוכנת בקרת מכשיר הרומטר (ראה איור 2 משלים).
    4. בצע כיול מכשירים על-ידי בחירת הכרטיסיות 'כיול | מכשיר' מחלון התוכנה. בחר באפשרות 'כלי '. לחץ על 'כיול' תחת 'אינרציה'. הקלט את ערך הכיול של אינרציה של המכשיר ב- μN.m.s2 וכיול חוזר לפחות פי 3 כדי להבטיח שערכי הכיול נמצאים בטווח של 10% זה מזה (ראה איור משלים 3).
  2. התקן את גיאומטריית הרומטר על פיר הרומד.
    1. לחץ על הכרטיסיה 'גיאומטריות' בתוכנת בקרת כלי הרומד.
    2. נקו את החרוט בגיאומטריה הרצויה (קוטר 40 מ"מ, קוטר 1◦ 0' 11'' ) וצלחת פלטייה עם איזופרופנול (ראו טבלה 1, טבלת חומרים, איור 1 ואיור 2).
      הערה: צלחת פלטייה מגיעה מותקנת על הרומטר; זה יכול להיות ניקה עם איזופרופנול בזמן שהוא קבוע ישירות rheometer.
    3. ודא כי גוף צלחת פלטייה הוא ללא כל אבק גלוי ונקי, במידת הצורך, עם איזופרופנול. התקן את צלחת פלטייה אם היא אינה מותקנת מראש ברומד ולחבר את חיבורי כיור החום.
    4. לחץ על 'לחצן הנעילה' ברומטר לפיר המנעול המחובר לגיאומטריית החרוט. זה עוצר את המיקום של הפיר, אבל זה יכול להסתובב בחופשיות בעמדה.
    5. לחץ על '| החלפה חכמה מופעל' בכרטיסיית תוכנת בקרת מכשיר ריומטר כדי לאפשר זיהוי אוטומטי של הגיאומטריה (ראה איור משלים 4).
    6. סובב את הפיר על גבי מד הרומטר כדי לדפוק על גיאומטריה. התוכנה תזהה את קוטר 40 מ"מ, 1◦ 0 ' 11 '' גיאומטריה זווית חרוט בשלב זה (ראה טבלה 1 וטבלת חומרים).
    7. חזור על שלבים 2.2.5 – 2.2.6 כדי להבטיח שהגאומטריה תזוהה.
    8. בחר 'פער' תחת 'לוח הבקרה' של תוכנת בקרת כלי הרומטר, לחץ על סמל 'אפשרויות' ובחר באפשרות 'כוח צירי'. הגדר כוח צירי ל'ניוטון 1'; זאת כדי להבטיח שגיאומטריית החרוט תיגע בלוח פלטייה לאפס אתחול פערים (ראו איור 5 משלים).
  3. בצע את כיול גיאומטריית הרומטר.
    1. בחר את הכרטיסיה 'גיאומטריה' מחלון התוכנה. לחץ על 'כיול' תחת 'אינרציה'. הקלט את ערך הכיול של אינרציה גיאומטריה ב- μN.m.s2 וחזר על ערך זה 2-3 פעמים כדי להבטיח שערכי הכיול נמצאים בטווח של 10% זה מזה.
    2. לחץ על 'כיול' תחת 'חיכוך' בחלון התוכנה. הקלט את ערך הכיול של חיכוך הגיאומטריה ב- μN.m/(rad/s) וחזור על זה 2-3 פעמים כדי להבטיח שערכי הכיול נמצאים בטווח של 10% זה מזה (ראה איור משלים 6).
  4. ביצוע אתחול אפס רווח
    הערה: מכיוון שלא ניתן להעלות במדויק את הגיאומטריה מעל צלחת פלטייה כדי לבצע מדידות ללא מיקום "אפס" הפניה, מתבצע אתחול אפס פער. למטרות המדידה, לגיאומטריה יש פער גיאומטרי מובנה של 24 מיקרומטר ופער חיתוך של 28 מיקרומטר. מרווח הקיצוץ מוגדר לנקות ביעילות את הנוזל העודף שעלול להישפך מחוץ לשטח הפנים של הגיאומטריה. פערים אלה הכרחיים למדידה מדויקת של נתונים באמצעות המדגם ומד הרומד. השלב 2.4.1 נדרש בהחלט כדי לוודא כי הגיאומטריה מוגדרת אפס פער להשגת הגיאומטריה ולצמצם פערים של 24 מיקרומטר ו 28 מיקרומטר, בהתאמה.
    1. לחץ על הסמל 'אפס פער' תחת הכרטיסיה 'פער' ב'לוח הבקרה' בחלון התוכנה. האתחול הושלם כאשר הכוח האקסיאלי שחווה הגיאומטריה גדול או שווה ל- 1 N, כשהוא נוגע בלוח פלטייה. ודאו שהפער בריומטר מאופס כך שמיקום הייחוס שלו מדויק (ראו איור משלים 7 ואיור משלים 8).
    2. לחץ על פקדי 'חץ למעלה ולמטה' במכשיר הרומד או על סמלי 'גיאומטריה מעלים ומנמיכים' תחת הלשונית 'גאפ' בתוכנת בקרת מכשירי הרומד כדי להעלות את הגיאומטריה לכל גובה שרירותי. מסך הבקרה במכשיר הרומד ולוח הבקרה של תוכנת בקרת מכשיר הרומד יציגו את גובה הפער (הזהה).
  5. הגדר את ההליך הניסיוני בתוכנת בקרת מכשירים rheometer. בצע את האפיון של תכונות rheological באמצעות חרוט על פלטייה צלחת גיאומטריה ב 22 °C (50 °F).
    הערה: אתר המכון הגיאולוגי של ארה"ב שימש כדי לברר את נהר טמפרטורת מי הנהר ב -20 בספטמבר 2018, כאשר קרפיון הכסף המשמש לניסויי ריר GR נדגו במיקום הארט קריק36. הטמפרטורה של הריר יכולה להשפיע על המאפיינים הראיולוגיים. המשמעות של התאמת הערכים לטמפרטורת הנהר היא להתאים בערך את הטמפרטורה שתחתיה ניתן להעריך באופן מציאותי את תכונות הריר.
    1. בחר בכרטיסיה 'ניסויים' בתוכנת בקרת כלי הרומטר ומלא את המידע הרלוונטי כגון 'שם', 'אופרטור', 'פרוייקט' וכו '.  (ראו איור 9 משלים)
    2. בחר את הכרטיסיה 'גיאומטריה' וודא שהמידע מסכים עם שלבים 2.2.5. - 2.2.7. (ראו איור 10 משלים).
    3. בחר בכרטיסיה 'שגרה' והשתמש בהליך המקשים המוגדר '1: משרעת תנודה'. (ראו איור 11 משלים).
    4. אתחל הגדרות'בקרת איכות הסביבה'כדלקמן: 'טמפרטורה = 22 °C'; 'זמן טבילה = 120 s' וסמן את התיבה 'המתן לטמפרטורה' (ראה איור משלים 11).
    5. אתחל הגדרות'פרמטרי בדיקה'כדלקמן: 'תדירות = 1 הרץ'; הגדר 'סריקה לוגריתמית'; 'מנומנט = 10 עד 10000 μN.m'; 'נקודות לעשור = 5' (ראו איור 11 משלים).
  6. הגדר את הניסוי כדי לקבוע את הטווח הצמיגי הליניארי (LVR) של ריר הריכוז הידוע (100 מ"ג / מ"ל)
    1. באמצעות מיקרופיפט מתאים וטיפ פיפטה לצייר כ 0.3 מ"ל של פתרון ריר דגים של ריכוז 100 מ"ג / מ"ל (ראה שלב 1.2, טבלת החומרים).
    2. הציגו את פתרון הריר על צלחת פלטייה באמצעות המיקרופיט (ראו איור 2).
    3. לחץ על לחצן 'חתוך גאפ' על ריומטר כדי להוריד את הגיאומטריה על צלחת פלטייה. לחלופין, לחץ על הסמל 'חתוך פער' תחת הכרטיסיה 'פער' באפשרות 'לוח הבקרה' בתוכנת בקרת מכשיר ריומטר (ראה איור 12 משלים).
    4. השתמש micropipette עם קצה pipette כדי להסיר כל פתרון ריר עודף ולוודא כי הנוזל נמצא מתחת לגיאומטריה ללא כל שפיכה ליד הפריפריה של הגיאומטריה.
      הערה: טעינה לא נכונה של הנוזל תוביל לשגיאות במדידות. תחת מדגם מלא יוריד את התפלגות המומנטים ומעל מדגם מלא יוביל התפלגות מתח שגויה עקב שפיכה לאורך הקצוות.
    5. בחר בכרטיסיות 'מנוע' ו'מהירות' ל- 5 ראד/s ו- 0 rad/s לסירוגין, עד שיהיו אינרציה ומהירות מינימליות במדגם שמתחת לגיאומטריה. מסך הבקרה במכשיר הרומד ולוח הבקרה של תוכנת בקרת מכשיר הרומד יציגו את המהירות (ראו איור 13 משלים).
    6. לחץ על לחצן 'גיאומטריה גאפ' על מד הרומטר כדי להקטין את הגיאומטריה לפער המתאים המוגדר מראש לכל גיאומטריה ספציפית. לחלופין, לחץ על הסמל 'פער גיאומטריה' תחת הכרטיסיה 'פער' באפשרות 'לוח הבקרה' בתוכנת בקרת מכשיר ריומטר (ראה איור 14 משלים).
  7. הפעל את הניסוי כדי לקבוע את הטווח הצמיגי הליניארי (LVR) של ריר הריכוז הידוע (100 מ"ג / מ"ל).
    1. לחץ על סמל'התחל'בתוכנת בקרת כלי הריומטר (ראה איור 15 משלים).
      הערה: הרומטר מבצע מדידות אוטומטיות; לאחר לחיצה על לחצן 'התחל', ייקח לרומטר כ - 20 דקות כדי להשלים את הבדיקה. ההגדרה 'נקודות לעשור' בשלב 2.5.5 קובעת כמה זמן יצטרכו הרומטר כדי להשלים מדידות.
    2. הפעל את הניסוי על ידי לחיצה על 'כן' בתיבה המוקפצת שמופיעה ומציעה להקטין את מרווח הגיאומטריה למרחק הנכון כדי להתחיל את הניסוי, אם לא כבר הונמך.
    3. שים לב לחלקה בזמן אמת שנוצרה על ידי rheometer המדווח על האחסון (G') ואובדן (G'') מודולי.
      הערה: G ' ו- G " הם מודולי אחסון ואובדן, בהתאמה. מודולוס האחסון מייצג את הנטייה של החומר לשחזר את צורתו המקורית בעקבות עיוות המושרה בלחץ והוא שווה ערך לגמישות. מודלוס האובדן מייצג את המידה שבה החומר מתנגד לנטייה לזרום ומייצג צמיגות נוזלים (ראו איור 4).
    4. הגדר את ציר ה- X של העלילה ל'אחוז המתח של התנודה'. כדי לעשות זאת, לחץ באמצעות לחצן העכבר הימני על הגרף המוצג ובחרבכרטיסיה 'משתני גרף' (ראה איור משלים 16).
    5. הקלט את טווח אחוזי המתח התנודה מההתוויה לפני שהחומר נכנס לטווח הצמיגי הלא ליניארי, לאחר השלמת הבדיקה.
    6. לחץ על פקדי 'חץ למעלה ולמטה' במכשיר הרומד או על סמלי 'גיאומטריה מעלים ומנמיכים' תחת הלשונית 'גאפ' בתוכנת בקרת מכשירי הרומד כדי להעלות את הגיאומטריה לכל גובה שרירותי מעל לוח פלטייה.
    7. שמור את הקובץ המכיל הן את ההליך הניסיוני והן את התוצאות בתבנית הקובץ המקורית של תוכנת בקרת מכשיר הרומד כדי לברר את האזור הצמיגי הליניארי (LVR) של דגימת הריר.
      הערה: ניתן לעשות זאת על ידי הגדרת ציר ה- X של העלילה כדי לסנן משרעת (%) ו /או מתח תנודה Equation omega לפני שהנתונים נכנסים לאזור הצמיגי הלא ליניארי (NLVR) (ראה איור 16 משלים).
  8. הפעל את הסריקות הדינמיות וניסויי בדיקת קצב גיסת מצב יציב בטווח ויסקולאסטי ליניארי (LVR) עבור ריר של ריכוז ידוע 100, mg/mL כדי להפיק תוצאות משלוש דגימות ריר עצמאיות של 100 מ"ג / מ"ל. בצע שלבים אלה על דגימות ריכוז ריר זמין בנפרד.
    1. חזור על שלבים 2.5.1 – 2.5.4.
    2. אתחל הגדרות'פרמטרי בדיקה'כדלקמן: 'תדירות = 1 הרץ'; הגדר 'סריקה לוגריתמית'; 'זן % = 100 עד 10000 %; 'נקודות לעשור = 10'.
    3. בחר בכרטיסיה'שגרה'והשתמש בשגרת מקשי החצים שהוגדרה '2: תדירות תנודה'.
    4. אתחל הגדרות'בקרת איכות הסביבה'כדלקמן: 'טמפרטורה = 22 °C'; "זמן טבילה = 0.0".
    5. אתחל הגדרות'פרמטרי בדיקה'כהגדרות הבאות: 'מסנן % = 1 %'; הגדר 'סריקה לוגריתמית'; 'תדירות = 20 עד 1 הרץ'; 'נקודות לעשור = 10'.
    6. בחר בכרטיסיה 'שגרה' והשתמש בהליך '3: סריקת זרימה' של מקשי החצים.
    7. אתחל הגדרות'בקרת איכות הסביבה'כדלקמן: 'טמפרטורה = 22 °C'; "זמן טבילה = 0.0".
    8. אתחל הגדרות'פרמטרי בדיקה'כדלקמן: 'קצב הגהה = 1 עד 10000 1/s'; 'נקודות לעשור = 10'; תיבת הסימון 'חישת מצב יציבה'.
    9. חזור על שלבים 2.7.1 – 2.7.2 והמתן עד להשלמת הניסוי, כ-45 דקות.
    10. לחץ על פקדי'חץ למעלה ולמטה'במכשיר הרומד או על סמלי 'גיאומטריה מעלה ומטה' תחת הכרטיסיה 'גאפ' בתוכנת בקרת מכשיר הרומד כדי להעלות את הגיאומטריה לכל גובה שרירותי.
    11. השתמש מגבונים וכפפות חד פעמיים כדי להסיר ולנקות את הריר על צלחת פלטייה עם פתרון איזופרופנול (ראה שולחן של חומרים).
    12. שמור את הקובץ המכיל הן את ההליך הניסיוני והן את התוצאות בתבנית הקובץ המקורית של תוכנת בקרת מכשיר הרומד.

3. חזור על הפרוטוקול עבור ריכוזים אחרים של פתרונות ריר של 200 מ"ג / מ"ל ו 400 מ"ג / מ"ל.

  1. בצע שלבים 2.5 – 2.8 כולל כל תת השלבים המפורטים בהם עבור שני הריכוזים הנותרים של פתרונות ריר, 200 מ"ג / מ"ל ו 400 מ"ג / מ"ל.

4. ייצוג גרפי וניתוח נתונים

הערה: הקוד המסופק בקובץ הקוד המשלים מבצע ממוצע נתונים ומייצר שגיאות חוזרות, שכבות על הנתונים מכל הניסויים. תכונות חישוב סטיית התקן אינן זמינות בתוכנת בקרת מכשיר הרומד. הקוד כתוב בשפת תכנות לניתוח נתונים, לאחר עיבוד וייצוג גרפי (ראה טבלת חומרים לקבלת פרטים).

  1. ייצוא נתונים שנוצרו בשלב 2.8 הנוגעים לריכוז ריר GR של 100 מ"ג/מ"ל ולשלב 3.1 הנוגעים לריכוז הריר של 200 מ"ג/מ"ל ו-400 מ"ג/מ"ל GR לתבנית גיליון אלקטרוני על-ידי לחיצה על הכרטיסייה'קובץ | ייצוא | Excel' בתוכנת בקרת מכשירים של ריומטר (ראה איור 17 משלים).
  2. הפעל קודים משלימים כדי ליצור חלקות של צמיגות לכאורה (η) עבור שיעורי זן גמירה משתנים ( Equation y ) ואובדן מודולוס (G"), מודולוס אחסון (G') וזווית פאזה (δ) עבור מתח תנודות משתנה ( Equation omega ) וליצור תוצאות מייצגות.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

בסעיף זה, אנו מציגים את תוצאות הניסויים על ריר GR באמצעות ריומטר סיבובי עם גיאומטריית חרוט (קוטר 40 מ"מ, 1 ° 0 ' 11 '') וצלחת פלטייה. הניסויים סייעו לאפיין את ההתנהגות הלא-ניוטון, מדללת הגיוז של ריר ה- GR ואת לחץ התשואה לכאורה המתאר את המעבר של הריר מחומר דמוי ג'ל לחומר דמוי נוזל. התוצאות הייצוגיות כרוכות בתיאורים כמותיים של מגבלות המומנט הנמוכות והשפעות הזרימה המשניות של מכשור הרומד הסיבובי. מגבלות המכשור ומדידות קצב המתח היציב והדינמי סייעו לברר במדויק את המגמות ההתנהגותיות הצמיגיות ואת לחץ התשואה לכאורה של ריר GR. מדידות לחץ התשואה לכאורה סיפקו אמצעי להתבונן בלחץ המינימלי הנדרש לעיוות פלסטיק בלתי הפיך של ריר GR וליזום הזרימה. ניתן לייחס את נטיית חניכת הזרימה של ריר GR לפונקציות הידבקות חלקיקי מזון והובלה. פונקציות ההדבקה וההובלה של ריר GR היו תכונות חומר מקרוסקופיות שנודע על ידי המדידות הראולוגיות בניסויי הפרוטוקול. לכן, אפיון מאקרו-rheology של ריר GR בוצע עם פרוטוקול זה.

הריר ששימש בניסוי נרכש מכמה רייקרים זימים של עד שלושה קרפיון כסף ולא היו עקבות גלויים של דם1,2. המדגם שנרכש מדולל לשתי דגימות נוספות, כמתואר בפרוטוקול. כל המדידות נעשו בטמפרטורה מבוקרת של 22 ± 0.002 °C(36°F). טמפרטורה זו נשמרה על צלחת פלטייה של הרומד. גיאומטריית החרוט נבחרה בשל הרבגוניות שלה במדידת מגוון רחב של צמיגויות בחומרים ביולוגיים כגון ריר GR. המומנט המינימלי בתנאי גיסת מצב יציבים (10 x 10-9 ננומטר),מומנט מינימלי בתנאי תנודה (2 x 10-9 ננומטר) יחד עם זווית החרוט (1° 0' 11") וסיכום מפרטי הרומד הנדרשים להערכת משטרי זרימה נמוכים ומומנטים משניים מוצגים בטבלה 1. אנו מדווחים על שכפולים של שלוש הדגימות הסופיות לאפיון והשוואה של התנהגות דילול לא ניוטון וגזה.

הסקת מסקנות רחבה לאחר ביצוע מוצלח של הפרוטוקול
הביצוע המוצלח של הפרוטוקול והניתוח הביא לאפיון של תכונות רולוגיות (מאקרו) הכרוכות בהתנהגות דילול לא-ניוטון, גיזה של ריר שחולצו מן rakers זימים של קרפיון הכסף, Hypophthalmichthys מוליטריקס. במיוחד, התופעה המניבה נפתרה ומתח תשואה לכאורה של הריר (ריכוז 400 מ"ג / מ"ל, הקרוב ביותר לעקביות הריר המופקת בפועל) היה ברור (σy = 0.2736 Pa). הפרוטוקול התאים היטב למדידות הכוללות נפח מדגם קטן מאוד (בערך, 1.4 מ"ל) של ריר. בשל מחסור בספרות הנוגעת לאפיון ריר GR, נתונים אלה יסייעו במודלים אנליטיים ובמחקרים ראומטריים מורחבים.

תוצאות ניסויי סריקה דינמיים
תוצאות הניסויים בסריקת התדרים והמשרעת הדינמיים מוצגות בסעיף זה. אלה הן התוצאות של ההליכים שנוצרו בשלבים 2.8.2 - 2.8.5. מגבלות המומנט הנמוכות לטאטא תדר מתנדים וטאטא משרעת של ריר GR עם ריכוז של 400 מ"ג/מ"ל מסומנים באיור 6A, B.

נתוני סריקת התדרים(איור 6A)נרכשו לטווח תדרים זוויתי, 6.28 ≤ ω ≤ 125.66 rad s-1 במשרעת זן תנודה קבועה של 0.01. ערך התדר הזוויתי, 6.28 rad/s (1 הרץ) נבחר כתדר משוער של תנועה של קפלי פלאטל באינטרסטיקה של רייקרים זימים מסומן באיור 6A. הבחירה של ערך משרעת המתח נגזרה מהאזור הצמיגי הליניארי שהתגלה בשלב פרוטוקול 2.7. באיור 6A, שני גבולות נמוכים פוטנציאליים של משטר מומנט נמוך חושבו באמצעות משרעת זן של 0.01 ו 0.001 (γ0), ומומנטים מינימליים של 2x10-9 Nm ו 10 x 10-9 Nm (Tmin, ראה טבלה 1.), בהתאמה. הנתונים המוצגים באיור 6A מתחילים בתדר המשוער של תנועת קיפול פלטלי (1 הרץ או 6.28 ראד/ש') ומגדילים לתדרים זוויתיים גבוהים יותר שהם מעבר להיקף הפרשנות הפיזית במחקר זה. לפיכך, נתונים אלה לא נותחו עוד יותר, שכן הם דורשים חקירה פרמטרית מפורטת יותר של משרעת זן ותדירות התנועה לקפל palatal.

נתוני סריקת המשרעת(איור 6B)נרכשו בתדר זוויתי קבוע (ω) של 6.28 ראד/ש' (1 הרץ). יצוין כי נתוני משרעת לטאטא לא הושפעו על ידי משטר מומנט נמוך של המכשור (איור 6B). לפיכך, נתונים אלה נותחו עוד יותר עבור כל שלושת ריכוזי ריר (100 מ"ג / מ"ל, 200 מ"ג / מ"ל ו 400 מ"ג / מ"ל) כדי לקבוע את מידת הצמיגות והתנהגות מניבה.

הייצוג הגרפי המוצג באיור 4 שימש כקו מנחה לניתוח ממושך של ניסויי משרעת. התוצאות של שלושה פתרונות ריר עם ריכוזים 100 מ"ג / מ"ל, 200 מ"ג / מ"ל ו 400 מ"ג / מ"ל נדונים להלן.

התוצאה לריכוז ריר של 100 מ"ג/מ"ל(איור 7A),מראה כי במתחי תנודה נמוכים (0.01 ≤ Equation omega ≤ 0.1 Pa) האחסון ואובדן מודולי (G' ו- G") חפפו באופן משמעותי. בלחץ תנודה גדול מ 0.1 Pa, מודולוס האחסון יורד, המציין גמישות נמוכה יותר. מודלוס ההפסד, המייצג את הצמיגות, נשאר קבוע בטווח המלא של מתח תנודה (0.01 ≤ Equation omega ≤ 0.5 Pa). ניתן לייחס תופעה זו להתנהגות דמוית נוזל ניוטון והיא עולה בקנה אחד עם הצמיגות המתמדת לכאורה של ריכוז ריר 100 מ"ג/מ"ל (איור 7A ואיור 8A,B). נתוני זווית הפאזה המתאימה (δ) מראים כי במתחי תנודה בינוניים וגבוהים (0.05 ≤ Equation omega ≤ 0.3 Pa), הערכים משתנים בין 55° ל- 70° (איור 7D). לכן ניתן להסיק כי פתרון ריר 100 מ"ג /מ"ל מדגים התנהגות דמוית נוזל, עם מתח תשואה זניח לכאורה.

כפי שנצפה באיור 7B, ריכוז של 200 מ"ג/מ"ל בלחצי תנודה נמוכה (0.02 ≤ Equation omega ≤ 0.04 Pa),מודולוס האחסון (G') פוחת אך עדיין גדול יותר מאודולוס האובדן (G").  בתוך טווח הלחץ התנודה (0.04 ≤ Equation omega ≤ 0.07 Pa), היה אזור "קרוסאובר" שבו ערכי G' ו- G" נשארים שווים בקירוב. אזור זה מסומן באיור 7B עם קווים מקווקווים וערכי לחץ תנודה תואמים נרשמו (0.04193 ≤ Equation omega ≤ 0.06467 Pa).  מעבר לאזור זה, G" השיג ערך גבוה יותר מאשר G ' מציע מעבר להתנהגות דמוית נוזל. עם זאת, G" (המייצג צמיגות) נשאר קבוע בטווח המלא של מתח תנודה (0.01 ≤ Equation omega ≤ 0.5 Pa). נתוני זווית הפאזה המוצגים באיור 7E מראים רמה גבוהה יותר של שונות, במיוחד בטווח הלחץ של התנודה (0.04193 ≤ Equation omega ≤ 0.06467 Pa).  מאיור 7B,E ניתן להסיק שהייתה התנהגות מעברית של הנוזל מאזור ויסקולאסטי ליניארי לאזור צמיגי לא ליניארי. יתר על כן, ריכוז ריר 200 מ"ג /מ"ל ייצג מאפיינים שאינם ניוטון ונטייה להניב עם בטווח מתח תנודה, (0.04193 ≤ Equation omega ≤ 0.06467 Pa). ההתנהגות הלא-ניוטון, דמוית גיסת, הסכימה עם נתוני הצמיגות לכאורה המוצגים באיור 8A ווריאציות הלחץ המתאימות באיור 8B.

נתוני ריכוז הריר של 400 מ"ג/מ"ל מוצגים באיור 7C,F. מגמות ה-G וה-G באיור 7ג' ממחישות בבירור תופעה מניבה עם נקודת הצלבה בין G ל-G'. ערך התשואה המסתמן (σy)נרשם כ- 0.2736 Pa המצביע על שינוי ברור במצב הריר מדומה לג'ל למצב דמוי נוזל לא ניוטון. נתוני זווית הפאזה המוצגים באיור 7F מראים עלייה חדה בלחץ התשואה המסתמן (σy = 0.2736 Pa) מכ-20° ל-65°. עלייה כה חדה בזווית הפאזה יכולה להתרחש כאשר החומר עובר תשואה ומתחיל לזרום כמו נוזל. ניתן לתמוך עוד יותר בהתנהגות שאינה ניוטון דמוי נוזל עם תוצאות של בדיקות גוזה מצב יציב שדווחו באיור 8A,8B. לחץ התשואה המסתמן כפי שדווח בבדיקות גיזום מצב יציב היה 0.2272 Pa (איור 8B).

תוצאות ניסויי קצב גיסת מצב יציבים
התוצאות של ניסויי קצב הגניסה מצב יציב מוצגים עבור שלושה פתרונות ריר עם ריכוזים 100 מ"ג / מ"ל, 200 מ"ג / מ"ל ו 400 מ"ג / מ"ל בסעיף זה באמצעות ייצוגים גרפיים כקו מנחה (איורים 3A,B). תוצאות אלה תואמות להליך שאותחל בשלבי פרוטוקול 2.8.6-2.8.8.

באיור 8A לריכוז ריר של 100 מ"ג/מ"ל, נתוני הצמיגות לכאורה עם שונות גבוהה בשיעורי גיסה נמוכים (1 ≤ Equation y ≤ 4s-1) מוצגים יחד עם השיפוע, -1.4. מיקומו של משטר מומנט נמוך מסומן גם הוא. השונות הגבוהה של 100 מ"ג / מ"ל נתונים בטווח זה (1 ≤ Equation y ≤ 4 s-1), הוא הניח להיות השפעה של משטר מומנט נמוך (מוצל). באיור 8B, וריאציית הלחץ המתאימה לנתוני קצב הגיזה הצביעה על טווח קטן של שיעורי גיזה שבהם המדגם הגיע ל'רמת לחץ' (או האזור השטוח). אזור זה מוזנח להערכת מתח תשואה כמו נתוני צמיגות המתאימים כפופים אפקטים מומנט נמוך.  בתוך טווח קצב הגיסה הגבוהה (2500 ≤ Equation y ≤ 10000s-1) נתוני הצמיגות לכאורה הושפעו ממשטר הזרימה המשני. פתרון ריר 100 מ"ג /מ"ל, אם כן, מתנהג כמו נוזל ניוטון שאינו תלוי בקצב הגיאה מחוץ למשטרי זרימה מומנט נמוך ומשני, ועם צמיגות גלויה מתמידה של 0.00088 Pa s (±1.656 x10-5 Pa s).

כפי שנצפה באיור 8A,ריכוז הריר של 200 מ"ג/מ"ל לא הושפע ממגבלות מומנט נמוכות והפגין אפקט של דילול גזל בטווח קצב הגיסה, 1 ≤ Equation y ≤ 15s-1. צמיגות הלחץ אפס גיסת (ηo)צוין כמו 0.032 Pa s (±0.024 Pa s) ואת צמיגות זן גיסת אינסופית (η∞)בקצב הגיהה ( Equation y ), 1995 s-1, צוין כמו 0.00085 Pa s (±2.495 x 10-5Pas). אפקט דילול הגיה של הנוזל הודגם עם שיפוע של -1.8 בטווח קצב הגלד, 1 ≤ Equation y ≤ 4 s-1. וריאציית הלחץ המקבילה באיור 8B, מדגימה 'רמת מתח' המייצגת תופעה מניבה עם לחץ התשואה הממוצע של 0.1446 Pa (±0.0037 Pa).

ריכוז 400 מ"ג/מ"ל של ריר הוא הכי פחות מדולל וכתוצאה מכך, הקרוב ביותר בעקביות החומרית לריר GR שחולץ בפועל. באיור 8A, שימו לב שמאפייני דילול הגירס מוגדרים היטב לריכוז ריר של 400 מ"ג/מ"ל בהשוואה לריכוז הריר של 200 מ"ג/מ"ל. צמיגי זן אפס הגיסה (ηo)וצמיגות שיעור הגוי האינסופי (η∞)בשיעור גיזת ( Equation y ), 1995 s-1, היו 0.137 Pa s (±0.032 Pa s) ו 0.00099 Pa s (±9.323 x 10-5Pa s), בהתאמה. בנוסף, השיפוע של אזור דילול הגינוע נקבע כ- -0.91 בטווח קצב הגיאה, 1 ≤ Equation y ≤ 32 s-1. ה'רמת הלחץ' המקבילה משינויי הלחץ עם קצב הגיור שנצפה באיור 8B, מייצגת לחץ תשואה לכאורה של 0.2272 Pa (±0.0948 Pa).

רכיב דגם/חלק לא/גירסה תיאור פרמטר מפרטים
ריומטר DHR-2 טווח תדרים 1 x 10−7 - 100 הרץ
מהירות זוויתית מרבית 300 ראד/ש
מומנט מינימלי תחת גימה יציבה 10 נ"ב.m
מומנט מינימלי תחת תנודה 2 נ"ט.m
מנוך מרבי 200 מיקרון *m
רזולוציית מנומנט 0.1 נ"ל.m
טווח קצב גיהה 5.73 x 10−6 עד 1.72 x 104 [1/s]
כוח רגיל מרבי 50 אלף
רזולוציית כוח רגילה 0.5 מ"ר
גיאומטריה 513404.905 מידות קוטר 40 מ"מ
זווית חרוט של 1° 0' 11
צלחת פלטייה 533210.901 טווח טמפרטורות -40°C עד 200°C ±-0.1°C

טבלה 1: מפרטי ריומטר

Figure 1
איור 1: עיבוד CAD של רכיבי ריומטר. (A)40 מ"מ 1° גיאומטריה חרוט, (B) צלחת פלטייה מצורף. גיאומטריית החרוט צריכה להיות מחוברת לפיר של הרומד, ואת צלחת פלטייה צריך להיות מחובר לבסיס של rheometer הסיבוב. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 2
איור 2: מיקום נוזלים על צלחת פלטייה. דגימת הנוזל צריכה להיות ממוקמת במרכז צלחת פלטייה כדי להבטיח התפשטות אחידה של נוזלים לאורך הצלחת כאשר הגיאומטריה מונמכת. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 3
איור 3: ייצוג גרפי של תכונות ראולוגיות יציבות. וריאציה של (A)צמיגות לכאורה (η) ו (B) גיהה מתח ( Equation y ) עם קצב זן גיסת. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 4
איור 4: ייצוג גרפי של תכונות ריולוגיות דינמיות. וריאציה של אחסון (G') ואובדן (G") מודולי וזווית פאזה (δ) עם מתח תנודה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 5
איור 5: תמונות מייצגות וציורים סכמטיים של זימים רקרים (GR). (A)תצוגה של מערך גיל raker וקפלי palatal (B)ציור סכמטי של מערך זימים raker וקפלי palatal (C) זימים raker excised (D)ציור סכמטי של רייקר זימים עם תכונות בולטות (E) מיקום החילוץ ריר ב raker זימים. תמונות 5A ו- 5C צולמו במהלך ניתוח שבוצע על ידי פרופסור ל. פטרישיה הרננדז מהמחלקה למדעי הביולוגיה באוניברסיטת ג'ורג 'וושינגטון. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 6
איור 6: אפקטים בעלי 4000 מטר. אחסון ואובדן modulus וריאציה עבור 400 מ"ג / מ"ל, ריכוז ריר עם (A) תדירות גורפת משרעת זן = 0.01 ו (B)משרעת גורפת בתדר תנודה = 1 הרץ (או 6.28 rad/s). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 7
איור 7: משרעת גורפת שלושה ריכוזים של ריר קרפיון כסף. הבדיקות הושלמו ב f = 1 Hz או ω = 6.28 rad/s (A)וריאציית מודולוס אחסון ואובדן לריכוז ריר, 100 מ"ג / מ"ל (B) וריאציית מודולוס אחסון ואובדן לריכוז ריר, 200 מ"ג / מ"ל (C) וריאציית מודולוס אחסון ואובדן לריכוז ריר GR, 400 מ"ג / מ"ל (D) זווית פאזה לריכוז ריר GR, 100 מ"ג / מ"ל (E) וריאציה זווית הפאזה לריכוז ריר, 200 מ"ג / מ"ל (F) וריאציה זווית פאזה לריכוז ריר, 400 מ"ג / מ"ל. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 8
איור 8: וריאציה של צמיגות לכאורה (η) ומתח (σ) עם קצב הגיהה ( Equation y ) עבור כל שלושת הריכוזים של ריר דגים. (A)וריאציה צמיגות לכאורה עם קצב גיסת ריכוזי ריר, 400 מ"ג / מ"ל, 200 מ"ג / מ"ל ו 100 מ"ג / מ"ל יחד עם משטרים של אפקטים מומנט נמוך ואפקטים זרימה משנית (B) מתח עם שיעור גיסת עבור ריכוזי ריר GR, 400 מ"ג/מ"ל, 200 מ"ג/מ"ל ו-100 מ"ג/מ"ל, מה שמסמן את 'רמות הלחץ' (או האזור השטוח) עם קווים מקווקווים. קווים מקווקווים מייצגים את ערכי לחץ התשואה הנראים לעין הממוצעים עבור שלושת ריכוזי ריר GR. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

איור משלים 1: שלושה ריכוזים של ריר GR קרפיון כסף. משמאל לימין: 400 מ"ג/מ"ל, 200 מ"ג/מ"ל, 100 מ"ג/מ"ל. הריכוז הראשוני של 400 מ"ג /מ"ל נבחר עם הקריטריונים כי פעם מדולל המדגם יכיל כמות סבירה של ריר דגים תוך מתן נפח גדול מספיק כדי להפעיל מספר בדיקות. שני הריכוזים הבאים דוללו על ידי 50% מים DI לפי נפח. נא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

איור 2 משלים: השקת תוכנת בקרת מכשירים של ריומטר. יש להפעיל תוכנה זו רק לאחר הפעלת המחשב. אחרת, ייתכן שהכלי לא כויל כראוי. נא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

איור משלים 3: כיול המכשיר. כיול אינרציאלי הוא הכיול היחיד הדרוש למכשיר. ישנם כיולים אחרים המבוצעים לאחר התקנת הגיאומטריה. נא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

איור משלים 4: מתג החלפה חכם. אפשרות זו נועדה להפוך החלפה חכמה לזמינה או ללא זמינה. החלפה חכמה היא תכונת תוכנה לבקרת מכשירים של ריומטר המזהה באופן אוטומטי גיאומטריה ברגע שהיא מותקנת על פיר הרומד. נא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

איור משלים 5: אפשרויות פער מדידה הגישה לאפשרויות הכרטיסייה "Gap"כדי להגדיר את התנאים למצב אפס רווח ולחצה את המהירות של ראש המדידה. כוח מגע צירי בין הגיאומטריה ללוח פלטייה הוגדר ל- 1 N כדי להבטיח את ההתייחסות אפס פער, כלומר, המגע בין גיאומטריית חרוט ואת פני השטח של צלחת פלטייה. לאחר מכן נעשה ראש המדידה כדי לחצות במדויק את מרווח המדידה של 24 מיקרומטר בין גיאומטריית חרוט 40 מ"מ 1° לבין צלחת פלטייה. נא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

איור משלים 6: כיול של התקשרות גיאומטרית. עם התקנת גיאומטריית חרוט 40 מ"מ 1° וזה זיהוי על ידי תוכנת בקרת מכשיר rheometer, הגיאומטריה כויל באותו אופן כמו כיול המכשיר כדי להבטיח מדידות מדויקות במהלך ניסוי. נא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

איור משלים 7: סמל אפס פער. אתחול אפס רווח מתבצע באמצעות סמל זה. לאחר השלמת אתחול אפס פער, הרומד יכול להתייחס במדויק למיקום הפיר, כאשר הגיאומטריה מחוברת אליו, כפי שהוא מורם או מונמך. נא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

איור משלים 8: עיבוד CAD של גיאומטריית חרוט ואת צלחת פלטייה לאחר הפניה אפס פער הוקמה. הגיאומטריה מוגדרת כדי לקבוע את אפס הפער כאשר כוח מגע צירי של 1 N נוצר כפי שהוא יוצר קשר עם צלחת Peltier. אנא לחץ כאן כדי להוריד את הקובץ הזה.

איור 9 משלים: שלב 2.5.1 בפרוטוקול. האיור מייצג את אופן הגדרת מתן השמות לדוגמה ופלט הקובץ והנתונים. נא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

איור משלים 10: שלב 2.5.2 בפרוטוקול. האיור מייצג את האופן שבו ניתן להגדיר הגדרות גיאומטריה, כגון נפח דגימה, מרווח גיאומטריה ופער חיתוך. עבור גיאומטריות מסוימות, כלומר החרוט המשמש בניסוי זה, הגדרות אלה אינן ניתנות לשינוי ומוגדרות על סמך הגיאומטריה. נא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

איור 11 משלים: שלב 2.5.3 בפרוטוקול. הדמות מייצגת את האופן שבו הגדרת מבחן והתניה נקבעים בשלב פרוצדורלי זה. נא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

איור 12 משלים: סמל חיתוך רווח. מרווח הקיצוץ נקבע כך שניתן היה להקטין את הגיאומטריה מספיק כדי לקצץ נוזל עודף שדולף מהשטח שבין צלחת פלטייה לגיאומטריית חרוט. הפער תלוי בגיאומטריה שבשימוש. עבור גיאומטריית חרוט 40mm, 1° המשמש בפרוטוקול, פער הקיצוץ היה 28 מיקרומטר. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

איור משלים 13: סמל מהירות מוטורית. הגדרות המנוע שימשו להתאמת מהירות הסיבוב של הפיר ולמזעור האינרציה הגיאומטרית. נא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

איור משלים 14: סמל פער גיאומטריה. מרווח הגיאומטריה מוריד את הגיאומטריה למרחק מסוים מעל צלחת פלטייה כפי שצוין על ידי הגיאומטריה של לוח החרוט. עבור גיאומטריית חרוט 40 מ"מ, 1° המשמש בפרוטוקול, הפער הגיאומטרי הוא 24 מיקרומטר. אנא לחץ כאן כדי להוריד את הקובץ הזה.

איור משלים 15: סמל התחלה. לחצן 'התחל' מאתחל את כל רצף ההליכים שהוגדרו קודם לכן. נא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

איור 16 משלים: שינוי משתני הגרף. האיור מייצג את המשתנים שניתן להגדיר עבור מצגת נתונים בעת הפעלת ההליכים. במיוחד, זן תנודה ולחץ תנודה הם בעלי חשיבות במהלך ניסויי הסריקה הדינמיים בפרוטוקול. נא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

איור 17 משלים: ייצוא קבצי תוכנה לבקרת מכשירים של ריומטר לתוכנת גיליון אלקטרוני. לאחר ייצוא הקבצים כגליונות אלקטרוניים, ניתוח הנתונים נעשה אפשרי באמצעות תוכנת תכנות אחרת. נא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

קובץ קוד משלים: לאחר עיבוד קבצי נתונים באמצעות תוכנית ניתוח נתונים. נא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

אחת המטרות העיקריות של פיתוח פרוטוקול זה היא לקבוע כי הוא מתאים היטב לאפיון ריולוגי של ריר GR כאשר נפחי מדגם קטנים מאוד זמינים. אנו מכירים בכך שנדרשות דגימות נוספות מבית ספר לקרפיון כסף כדי לאפיין באופן מלא את התכונות הרוולוגיות של ריר GR והנתונים המוצגים כאן אינם הכללה על פני כל אוכלוסיית קרפיון הכסף. הטכניקה שלנו מוצדקת בגלל היעילות שלה עם אפיון רולוגי של נפחי מדגם קטנים ועם חקירות ממושכות המערבות הרכבים גדולים יותר של דגימות ריר.

השלבים הקריטיים בפרוטוקול הם הכנת פתרונות ריר בריכוזים שונים, מדידות ורכישת נתונים באמצעות רומטר סיבובי, וייצוג גרפי וניתוח נתונים לתובנות פיזיות.

תובנות פיזיות על נתוני ריר GR לקוחות מייצוגים גרפיים המוצגים באיור 3 ובאיור 4, המצויים בתכונות של ההתנהגות החומרית הצפויה. ניתן להבחין בערכי צמיגות של שיעור זן אפס גיסת (ηo)בשיעורי זן נמוכים שבהם שולטת הניידות של מולקולות החומר(איור 3A ואיור 8A). ערכי צמיגות זן אינסופית (η∞)בנוזלים שאינם ניוטון הם סדרי גודל הנמוכים מצמיגות הלחץ אפס גיסת. ניתן להבחין בנתונים אלה בשיעורי גיסת גבוהים שבהם יש תלות מועטה או ללא תלות באינטראקציות בין-מולקולריות(איור 3A ואיור 8A). עבור נוזלים שאינם ניוטון, צמיגות לכאורה יורדת בהדרגה ככל ששיעורי הגיסה גדלים ומשיגים ערך נמוך מתמיד(איור 3A ואיור 8A). התנהגות מניבה בריר GR תחת מדידות מצב יציבות יכולה להיות מיוצגת עם שיפוע כפי שמוצג באיור 3A ומוצגת במשוואה 1., כאשר ηמייצג את הצמיגות לכאורה, σy הוא לחץ התשואה (הקבוע) Equation y והוא שיעור המתח הגניס.

Equation 1

איור 3A ואיור 8B מוצגים בסולם יומן רישום ולכן, משוואה 1 משיגה את הטופס הבא:

Equation 2

כאשר k – מייצג את לחץ התשואה לכאורה. בסולם יומן הרישום, הצמיגות לכאורה יורדת עם שיפוע של '-1' מציין את התפוקה החומרית כפי שמוצג באיור 3A10.  200 מ"ג/מ"ל ו-400 ריכוזי ריר מ"ג/מ"ל היו בעלי מדרונות של -1.8 ו-0.91,000-, בהתאמה, והדגימו את ההתנהגות המניבה(איור 8A). תחת מדידות תנודה דינמיות, המאפיינים הצמיגים אינם תלויים במשרעת המתח באזור הצמיגי הליניארי (LVR) (איור 4). ניתן לראות את ההתנהגות המניבה בריר GR תחת מדידות תנודה דינמיות כאשר החומר הצמיגי (ריר GR) נכנס לאזור הצמיגי הלא ליניארי (NLVR) כאשר מודולוס האחסון (G') פוחת(איור 4). במשטר NLVR החומר הצמיגי יפגין התנהגות דמוית ג'ל מוצק אם מודולוס האחסון גדול יותר מאודולוס האובדן (G' > G"). כאשר מודולוס האובדן עולה על מודולוס האחסון (G' < G"), מתרחשת "הצלבה" בין נתוני G' ו- G. כפי שניתן לראות באיור 7B,C, 200 מ"ג/מ"ל וריכוז ריר GR של 400 מ"ג/מ"ל הדגימו התנהגות דמוית נוזל המסומנת בנתוני ה"קרוסאובר" בין נתוני G ל-G. לחץ התשואה המסתמן תחת מדידות מצב יציבות מיוצג כערך הממוצע של מתח עד להגעה לנקודת פיתול (איור 3B). לאחר מכן, הלחץ מתחיל לעלות בחדות עם עלייה בקצב זן הגיסה כפי שמוצג באיור 3B ובאיור 8B. נתוני הריר GR (200 מ"ג/מ"ל וריכוזים של 400 מ"ג/מ"ל) הראו התנהגות נוזלים מדלל גיסת עד שהחומר מתחיל להניב (איור 8A,B). לחץ התשואה לכאורה נצפה בבירור 200 מ"ג / מ"ל ו 400 מ"ג / מ"ל ריכוזי ריר בשל המאפיינים הלא ניוטון שלהם (איור 8B). לחץ התשואה המסתמן תחת מדידות תנודה דינמיות מוצג באיור 4 ובאיור 7B,C כאזור "קרוסאובר" בין נתוני G' ו- G", ואחריו ערכי G העולים על G'. נתוני ריר GR 400 מ"ג/מ"ל הראו התנהגות גזל ולא ניוטון. נקודת התשואה החומרית נצפתה עם לחץ תשואה לכאורה של כ 0.2736 Pa (איור 7C). השינויים הידרוג'ל לנוזל כמו עם זווית פאזה (δ = שיזוף-1 (G"/G')) שינויים מוצגים באיורים 4 ו 7D-F. האקסטרמה בזווית הפאזה קשורה למוצק הוקיאן ב- 0° ולנוזל צמיג ב- 90 מעלות כפי שמוצג באיור 4. ערכי זווית הפאזה סביב 45° יוחסו למעבר של התנהגות דמוית ג'ל של החומר להתנהגות דמוית נוזל. ריכוז ריר 400 מ"ג/מ"ל הראה בבירור שינוי בחומר המאפיין מהידרוג'ל לנוזל כמו התנהגות בתהליך התשואה עם לחץ תשואה לכאורה של ~ 0.2736 Pa (איור 7F).

הבנת מגבלות המדידה והימנעות מנתונים שאינם מתאימים לפרשנות פיזית היא אתגר עם נוזלים ביולוגיים מורכבים ורכים, במיוחד במחקרים הכוללים נפחי מדגם קטנים11. הנתונים הנוצרים תחת מומנט נמוך ואפקטי זרימה משניים אינם מתאימים לפרשנות פיזית ותלויים בגיאומטריה המשמשת ברומטר (כגון חרוט וצלחת במחקר זה). משטרים אלה זוהו כדי למנוע כל מצג שווא של נתונים ניסיוניים הסובלים ברזולוציית מכשירים וממצאי מדידה עקב דיפוזיה מומנטום. מגבלות מומנט נמוכות(איור 6A ואיור 8A)הן פונקציות של גיאומטריה ומומנט מינימלי שנוצר על ידי המכשיר (טבלה 1). בתנאי מדידת גיזה קבועים, הקריטריון לדחיית נתונים המושפעים ממגבלת המומנט הנמוכה עבור גיאומטריה של לוח חרוט של רדיוס (R) עם מומנט מינימלי (Tmin = 10 x 10-9 Nm, טבלה 1) נדון על ידי Ewoldt et al. ומוצג מתחתל - 11:

Equation 3

Equation yאיפה קצב המתח של הגימרה.  שלא כמו ריכוזי ריר 100 מ"ג/מ"ל GR, ריכוזי ריר 200 מ"ג/מ"ל GR לא הושפעו מהשפעות מומנט נמוכות בבירור מראות בבירור התנהגות לא ניוטון, דילול גיזום עם צמיגות גבוהה של זן אפס גיסת בשיעורי זן גניס נמוך. הקריטריון עבור מודולי צמיגי מדיד מינימלי תחת מדידות תנודה דינמיות נדון על ידי Ewoldt et al. והוצג להלן (משוואה 4)11. במשוואה 4, עבור גיאומטריה של צלחת חרוט של רדיוס (R) מומנט מינימלי תחת גיזה מתנדנדת (Tmin = 2 x 10-9 Nm, טבלה 1).

Equation 4

כאשר Gmin הוא מודולוס האחסון (G') או מודולוס אובדן (G) והוא קצב זן הגיזה. משטרי הגבלת המכשור הנשלטים על ידי אפקטים נמוכים של מומנט מסומנים באיור 6A וב- 6B. משטר הזרימה המשני תחת מדידות מצב יציבות נשלט על ידי דיפוזיה מומנטום פנימה של הנוזל באמצעות מערבל המתגורר בתוך חרוט סיבוב גיאומטריהצלחת 11. תבנית הזרימה המשנית מגדילה את המומנט באופן שגוי, מה שהופך את הנוזל נראה מעובה גיסת(איור 8A). מגבלת הזרימה המשנית, שהוצעה על ידי Ewoldt ואח' באיור 8A צוירה באמצעות הקשר הבא11:

Equation 5

כאשר L = βR, β הוא זווית החרוט, R הוא רדיוס החרוט, ρ = 1000 ק"ג מ'-3, recrit = 4 Equation y והוא קצב הגיאה. משטר זה סייע בהערכת ערכי צמיגות זן הגמירה האינסופית (η∞)בדגימות ריר GR.

שינוי של הפרוטוקול יכול להתבצע באמצעות גיאומטריה שטוחה במקום גיאומטריית לוח חרוט כפי שמוצג בפרוטוקול המוצג להלן. יש לבצע את בדיקות הלוח השטוח עם וריאציה פרמטרית של פער המדידה ברומטר הסיבובי כדי לחשוף את התלות של לחץ תשואה לכאורה על פער המדידה והגיאומטריה. השיפורים המוצעים בפרוטוקול המוצג במאמר זה מתוארים להלן. יש לבצע וריאציה פרמטרית של משרעת המתח במשטר הצמיגי הליניארי (LVR) ובתדירות התנודה. בדיקות rheology 'טקטיקה וקליפה' צריך להתבצע כדי לפתח הבנה מלאה של הידבקות של ריר GR. מאפיינים Rheology של ריר GR צריך להתבצע על הרכבי נפח מדגם גדול יותר יחד עם מחקרים כדי למדוד כל עקבות של תאי דם כדי להסביר את השפעתה על המאפיינים הרוולוגיים הכלליים GR.

מגבלות הפרוטוקול מתוארות להלן. המורכבויות של הליכי החילוץ של ריר GR ונוכחות של תאי דם או שברי רקמות בדגימות הריר עשויות להשפיע על הריאולוגיה של הריר. עם זאת, יש לציין כי הריר המשמש בפרוטוקול לא היו עקבות גלויות של דם. דגימת ריר GR היא חומר הטרוגניים ויכולה להיות בעלת תכונות רולוגיות שונות בשל השונות במיקום והתנאים שלאחר החילוץ. מגבלה זו טופלה על ידי הומוגניזציה מספקת של ריר GR באמצעות שייקר כדי למוטט גושים גדולים של נוכחות ריר ורקמות. מגבלה חשובה נוספת היא נפחי דגימת ריר GR קטנים מאוד (כ 1.4 מ"ל), שנקטפו עבור ניתוחים המגבילים הכללה של תכונות ריר GR.

המשמעות של פרוטוקול זה היא שהוא מאפשר אפיון רולוגי מדויק של נוזלים ביולוגיים לא ניוטון כגון ריר. הפרוטוקול המוצג כאן סולל את הדרך לחקירת נוזלים ביולוגיים דומים אחרים הקשורים להפרשות אנושיות, בעלי חיים וצמחים. בנוסף, נוזלים סינתטיים או פתרונות מבוססי פולימר שהם אנלוגים של נוזלים ביולוגיים יכולים להיות בדיקות באמצעות פרוטוקול זה כדי להבין תכונות חומר תחת לחצים שונים, תדרי תנודה, וטמפרטורה. הפרוטוקול מתאים היטב לאפיון ריולוגי של נוזלים ביולוגיים כאשר נפחי מדגם קטנים מאוד זמינים.

התוצאה המורחבת של הפרוטוקול היא כי הצמיגות לכאורה ומתח התשואה לכאורה של ריר GR יאפשרו יצירת מודלים אנליטיים כדי לפרש תוצאות מחקירה הידרודינמית בסיסית של הזנת מסננים וטכנולוגיות מתקדמות הדורשות ומערבות סינון זרימה צולבת וממברנה.

המחקר המאקרו-ריולוגי מניח שהריר במגע עם חלקיקי מזון הוא בתחילה, במצב דמוי ג'ל המשמש כדבק. עם תחילת הזרימה וההגה כוחות הריר מגיע ללחץ תשואה לכאורה ועובר עיוות פלסטיק. ביצוע הפרוטוקול באמצעות ריומטר סיבובי סייע לאפיון המעבר של ריר מהתנהגות דמוית ג'ל להתנהגות דמוית נוזל. מעבר זה נצפה באופן ניסיוני, והלחץ התשואה לכאורה נרשם ב 0.2736 Pa בניסויי רומד סיבובי. כאשר הלחצים החיצוניים על הריר הם פחות מלחץ התשואה לכאורה, הריר יפגין התנהגות דמוית ג'ל כדי להקל על הידבקות של חלקיקי מזון. כאשר הלחצים החיצוניים עולים על לחץ התשואה לכאורה, ריר יפגין התנהגות מדללת גיסת שתקל על הובלת חלקיקי מזון agglomerated לאברי העיכול בקרפיון הכסוף.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

לא הוכרזו ניגודי אינטרסים.

Acknowledgments

המחברים מכירים בתמיכה ובמימון ממרכז GW לביומימטיקה והנדסה ביו-השראה. אנו מודים לפרופסור ל. פטרישיה הרננדז מהמחלקה למדעי הביולוגיה באוניברסיטת ג'ורג ' וושינגטון על שנתנה השראה לחקירה ולשיתוף הפעולה המתמשך, סיפקה מומחיות ביולוגית בפיזיולוגיה של קרפיון הכסף ואספקת דגימות הריר. אנו מודים לתלמידים, מר דיוויד פלומבו, גברת קרלי כהן, מר אייזק פינברג, מר דומיניק פטרוסינו, מר אלקסיס רנדרוס, גברת פריסילה ורגזה, מר קרטר טגן ומר רגב פג'ור על עזרתם במעבדה ומר תומאס אוונס ומר ג'יימס תומאס מ"ת"א אינסטרומנטס", "הטירה החדשה", "דה" לתמיכה בהכשרה ותחזוקה של מד הרימון. תמונות עבור איורים 5A,C צולמו במהלך ניתוח שבוצע על ידי פרופסור ל. פטרישיה הרננדז מהמחלקה למדעי הביולוגיה באוניברסיטת ג'ורג 'וושינגטון.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Materials
Kim Wipes VWR 470224-038 To clean Sample from plate
Gloves VWR 89428-750 To prevent contamination of sample
Pipette VWR 89079-974 To transport sample from vial to rheometer
Pipette Tips Thermo Scientific 72830-042 To transport sample from vial to rheometer
Shaker VWR 89032-094 To homogenously mix sample of mucus
Vials VWR 66008-710 Contains measured sample volumes
Weigh Scale Ohaus Scout –SPX Balances To weigh mass of mucus samples
Chemical Reagents
De-Ionized Water (H20) - - Liquid
Sterile 70% Isopropanol (C3H8O) VWR 89108-162 Liquid
GR Mucus
100 mg/mL concentration, 2mL - - Viscoelastic Material
400 mg/mL concentration, 1mL - - Viscoelastic Material
200 mg/mL concentration, 1mL - - Viscoelastic Material
Software
MATLAB Mathworks R2017a Data analysis, post-processing and graphical representation
Trios TA Instruments v4.5.042498 Rheometer instrument control and analysis software

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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

Tags

הנדסה גיליון 161 קרפיון כסף ריר rheology האכלת מסננים ריומטריה נוזלים ביולוגיים הידרוג'ל
אפיון מאקרו-ריאולוגיה של ריר גיל רייקר בקרפיון הכסף, <em>היפופתלמיכטיס מוליטריקס</em>
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Bulusu, K. V., Racan, S., Plesniak,… More

Bulusu, K. V., Racan, S., Plesniak, M. W. Macro-Rheology Characterization of Gill Raker Mucus in the Silver Carp, Hypophthalmichthys molitrix. J. Vis. Exp. (161), e61379, doi:10.3791/61379 (2020).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter