Name: Caractérisation macro-rhéologique du mucus gill raker chez la carpe argentée, Hypophthalmichthys molitrix (Vidéo) | JoVE Journal
Uploaded: 2020-07-10T14:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 13 s
Description: Découvrez la caractérisation rhéologique du mucus des branchiospines chez Hypophthalmichthys molitrix pour comprendre le mécanisme de filtration. Cette méthode mesure la viscoélasticité et la contrainte seuil avec de petits volumes.

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Les auteurs reconnaissent le soutien et le financement du GW Center for Biomimetics and Bioinspired Engineering. Nous remercions le professeur L. Patricia Hernandez du Département des sciences biologiques de l’Université George Washington d’avoir inspiré l’enquête et la collaboration continue, d’avoir fourni une expertise biologique sur la physiologie de la carpe argentée et d’avoir fourni les échantillons de mucus. Nous remercions les étudiants, M. David Palumbo, Mme Carly Cohen, M. Isaac Finberg, M. Dominick Petrosino, M. Alexis Renderos, Mme Priscilla Varghese, M. Carter Tegen et M. Raghav Pajjur pour leur aide dans le laboratoire et M. Thomas Evans et M. James Thomas de TA Instruments, New Castle, DE pour leur soutien à la formation et à l’entretien du rhéomètre. Les images des figures 5A,C ont été prises lors d’une dissection effectuée par le professeur L. Patricia Hernandez du Département des sciences biologiques de l’Université George Washington.

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<li>Cohen, K. E., Hernandez, L. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Making+a+master+filterer%3A+Ontogeny+of+specialized+filtering+plates+in+silver+carp+%28Hypophthalmichthys+molitrix%29%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Morphology%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Food+habits+and+growth+of+silver+and+bighead+carp+in+cages+and+ponds%5BTitle%5D)+AND+%22Aquaculture%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Relationship+between+gill+raker+morphology+and+feeding+habits+of+hybrid+bigheaded+carps+%28Hypophthalmichthys+spp.%29%5BTitle%5D)+AND+%22Knowledge+and+Management+of+Aquatic+Ecosystems%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Growth+and+food+availability+of+silver+and+bighead+carps%3A+Evidence+from+stable+isotope+and+gut+content+analysis%5BTitle%5D)+AND+%22Aquaculture+Research%22%5BJournal%5D)">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://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aFreedman%2C+JA+%22Impacts+of+invasive+Asian+carps+on+native+food+webs+%28Final+Report%29%22">Impacts of invasive Asian carps on native food webs (Final Report)</a>. , University of Illinois, Kaskaskia Biological Station. Urbana-Champaign, IL. (2012).</li>
<li>Nico, L., Fuller, P., Li, J. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aNico%2C+L+%22Silver+carp+%28Hypophthalmichthys+molitrix%29-FactSheet%22">Silver carp (Hypophthalmichthys molitrix)-FactSheet</a>. , (2017).</li>
<li>Walleser, L., Howard, D., Sandheinrich, M., Gaikowski, M., Amberg, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?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%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Fish+Biology%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Design+of+yield-stress+fluids%3A+a+rheology-to-structure+inverse+problem%5BTitle%5D)+AND+%22Soft+Matter%22%5BJournal%5D)">Design of yield-stress fluids: a rheology-to-structure inverse problem.</a> Soft Matter. 13, 7578-7594 (2017).</li>
<li>Chen, T. Rheological Techniques for Yield Stress Analysis. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aChen%2C+T+%22TA+Instruments+Applications+Note%2C+RH025%22">TA Instruments Applications Note, RH025</a>. , (2020).</li>
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<li>Thornton, D. J., Sheehan, J. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((From+Mucins+to+Mucus%3A+Toward+a+more+coherent+understanding+of+this+essential+barrier%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+American+Thoracic+Society%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Functions+for+fish+mucus%5BTitle%5D)+AND+%22Reviews+in+Fish+Biology+and+Fisheries%22%5BJournal%5D)">Functions for fish mucus.</a> Reviews in Fish Biology and Fisheries. 4, 401-429 (1994).</li>
<li>Fernández-Alacid, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Skin+mucus+metabolites+in+response+to+physiological+challenges%3A+A+valuable+non-invasive+method+to+study+teleost+marine+species%5BTitle%5D)+AND+%22Science+of+the+Total+Environment%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((Mucins+and+Their+Role+in+Shaping+the+Functions+of+Mucus+Barriers%5BTitle%5D)+AND+%22Annual+Reviews+in+Cell+and+Developmental+Biology%22%5BJournal%5D)">Mucins and Their Role in Shaping the Functions of Mucus Barriers.</a> Annual Reviews in Cell and Developmental Biology. 34, 189-215 (2018).</li>
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<li>Fernández-Alacid, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Comparison+between+properties+of+dorsal+and+ventral+skin+mucus+in+Senegalese+sole%3A+Response+to+an+acute+stress%5BTitle%5D)+AND+%22Aquaculture%22%5BJournal%5D)">Comparison between properties of dorsal and ventral skin mucus in Senegalese sole: Response to an acute stress.</a> Aquaculture. 513, 734410(2019).</li>
<li>Yüce, C., Willenbacher, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Challenges+in+Rheological+Characterization+of+Highly+Concentrated+Suspensions+-+Case+Study+for+Screen-printing+Silver+Pastes%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Visualized+Experiments%22%5BJournal%5D)">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/pubmed?term=((3D+Printed+Porous+Cellulose+Nanocomposite+Hydrogel+Scaffolds%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Vis.+Exp%22%5BJournal%5D)">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://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aBarnes%2C+HA+%22An+Introduction+to+Rheology%22">An Introduction to Rheology</a>. , Elsevier. Amsterdam. (1989).</li>
<li>National Water Information System. 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&cb_00060=on&cb_00065=on&format=gif_default&site_no=0691045&p09-19&end_date=2018-09-21">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</a> (2020).</li>
</ol>

Aucun conflit d’intérêts n’a été déclaré.

L’un des principaux objectifs de l’élaboration de ce protocole est d’établir qu’il est bien adapté à la caractérisation rhéologique du mucus GR lorsque de très petits volumes d’échantillons sont disponibles. Nous reconnaissons que davantage d’échantillons provenant d’un groupe de carpes argentées sont nécessaires pour caractériser pleinement les propriétés rhéologiques du mucus GR et les données présentées ici ne sont pas une généralisation à l’ensemble de la population de carpes argentées. Notre technique est justifiée ...

La carpe argentée, Hypophthalmichthys molitrix,est un filtreur planctonivore et une espèce envahissante qui s’est infiltrée dans plusieurs cours d’eau naturels aux États-Unis. Cette espèce a été initialement introduite dans le bassin supérieur du Mississippi pour contrôler les proliférations d’algues1,2,3. La carpe argentée est un alimentateur extrêmement efficace. Typiquement, ses tailles de particules alimentaires consommables vont de 4 à 20 μm à un zooplancton plus grand qui est d’environ 80 μm3,4,5. Cette espèce a surpassé les autres poissons indigènes et peut potentiellement causer d’énormes dommages aux cours d’eau indigènes en limitant les ressources disponibles1,2,6. Ainsi, les poissons filtres tels que la carpe argentée et la carpe à grosse tête constituent une menace majeure pour les Grands Lacs1,2,6,7,8.
Les poissons filtreurs possèdent des organes spéciaux appelés râteaux branchiaux (GR) avec une fine couche de mucus résidant à leur surface. Ces organes améliorent l’efficacité de la filtration et de l’agrégation des petites particules du fluide entrant. L’objectif du protocole présenté ici est de caractériser la propriété non newtonienne du matériau d’amincissement par cisaillement et la contrainte d’élasticité du mucus GR acquis à partir de la surface interne des râteaux branchiaux de la carpe argentée. La valeur de la limite d’élasticité du GLaire GR, déterminée à l’aide d’un rhéomètre rotatif, est intéressante dans cette étude. La limite d’élasticité mesurée, également appelée « contrainte d’élasticité apparente », dépend des méthodes d’essai telles que la vitesse de cisaillement constante ou la déformation oscillatoire dynamique de type9,10. L’amincissement par cisaillement, « fluide de contrainte d’élasticité », subit une transition d’un comportement de type solide à un comportement de type liquide à une contrainte critique appliquée9,11. La limite d’élasticité apparente est la contrainte de cisaillement minimale requise pour initier l’écoulement ou celle à laquelle une déformation irréversible du plastique est observée pour la première fois lorsque le mucus passe d’un matériau semblable à un gel à un matériau de type fluide. Ce comportement peut être observé dans les matériaux viscoélastiques structurés. La transition du mucus gélifiant à un comportement fluide implique deux fonctions, à voir un rôle adhésif pour recueillir les particules alimentaires et un rôle de véhicule de transport pour aider au processus de livraison et de filtration des particules. La fonction étendue du mucus comprend la création de barrières de diffusion dans la résistance aux maladies et la respiration, la libération contrôlée de facteurs nutritionnels, de composants toxiques et d’excrétion, la création de voies métaboliques pour l’alimentation et la nidification, l’aide à la protection des prédateurs et la production de modifications de la couche limite qui améliorent la locomotion et l’efficacité propulsive12,13,14.
Contrairement aux fluides simples, les fluides complexes comme le mucus possèdent des propriétés qui varient en fonction des conditions d’écoulement et nécessitent des paramètres de mesure supplémentaires pour définir leur comportement physique à l’échelle de masse. Pour surveiller la viscosité et la limite d’élasticité du mucus GR, des mesures rhéologiques sont effectuées à l’aide d’un rhéomètre rotatif. Le rhéomètre rotatif applique une contrainte ou une déformation de cisaillement stable ou oscillatoire au moyen d’un disque rotatif en contact avec l’échantillon de fluide et mesure sa réponse. La raison d’être de l’utilisation de cet instrument et de cette technique est que le rhéomètre peut fournir un ensemble de mesures pour décrire les propriétés matérielles du mucus GR de la carpe argentée, qui ne peuvent pas être définies par la viscosité seule.
Le mucus est un matériau viscoélastique et sa réponse mécanique à une déformation imposée est comprise entre celle d’un solide pur (régi par la loi d’élasticité de Hooke) et celle d’un liquide pur (régi par la loi de viscosité de Newton)15,16. Le réseau macromoléculaire complexe contenu dans le mucus peut s’étirer et se réorienter en réponse à des forces externes ou à une déformation. Un rhéomètre rotatif est composé d’une géométrie de cône et d’une plaque de Peltier comme illustré à la Figure 1 et à la Figure 2 (voir le tableau 1 pour les spécifications d’instrumentation). L’objectif de cette étude était de développer un protocole pour déterminer les propriétés rhéologiques du mucus GR. Un avantage du rhéomètre rotatif par rapport à un viscosimètre est sa capacité à effectuer des mesures dynamiques en utilisant de petits volumes d’échantillons. Le volume d’échantillon de mucus GR dans cette étude était d’environ 1,4 mL. Le viscosimètre, en revanche, est limité à des taux de cisaillement constants et nécessite de grands volumes d’échantillons.
Les propriétés rhéologiques du mucus devraient varier considérablement au sein de l’anatomie de la carpe argentée. Par exemple, les propriétés du mucus résidant sur les surfaces GR peuvent être différentes de celles de l’organe épibranchial. Pour tenir compte de la variabilité potentielle des propriétés du mucus dans différentes régions du poisson, l’échantillon de mucus GR acquis a été dilué et des solutions de trois concentrations ont été créées et testées à l’aide du rhéomètre rotatif. Les données et les résultats concernant la rhéologie du mucus rapportés après l’exécution du protocole ont démontré l’efficacité de la technique de mesure. Les données illustratives présentées dans le présent document ne sont pas destinées à être généralisées à l’ensemble de la population de carpes argentées. Le protocole présenté ici peut être étendu pour étudier la rhéologie du mucus sur des ensembles d’échantillons plus grands afin de tester d’autres hypothèses.
Le but de cette étude est de démontrer la variation des propriétés rhéologiques de la rhéologie du mucus GR avec trois concentrations de mucus différentes (400 mg/mL, 200 mg/mL et 100 mg/mL). La concentration de 400 mg/mL représente l’échantillon de mucus brut prélevé dans les GR de poisson. De l’eau désionisée (ID) a été utilisée pour diluer l’échantillon de mucus brut en concentrations de 200 mg/mL et 100 mg/mL. La dilution des échantillons de mucus a permis d’évaluer le degré d’amincissement par cisaillement et la limite d’élasticité apparente en fonction de la concentration et de déterminer la concentration à laquelle le mucus GR passe à un comportement non newtonien. Un agitateur a été utilisé pour décomposer les gros amas de mucus dans les échantillons afin d’atténuer les erreurs dans les données rhéologiques dues à l’inhomogénéité.
Chez la plupart des vertébrés, y compris les poissons, les macromolécules formant du mucus prédominants sont des glycoprotéines (mucines) qui ont tendance à gonfler dans l’eau par enchevêtrements ou réticulation chimique et à créer un matériau semblable à un gel12,13,17,18,19,20. Les macromolécules de haut poids moléculaire, formant des gels et la teneur élevée en eau reflètent la gélinance du mucus13. Un degré élevé d’interactions inter-macromoléculaires conduit à la formation de gel alors que des niveaux plus faibles d’interactions inter-macromoléculaires ou de liaisons rompues entraînent des fluides à haute viscosité21.
Les processus de filtration des particules alimentaires dans les poissons filtreurs sont aidés par des propriétés liées au mucus GR telles que la cohésion et la viscosité qui déterminent son potentiel d’adhérence et d’adhérence22. La force de l’adhérence à base de mucus dépend d’interactions intermoléculaires, électrostatiques ou hydrophobes spécifiques23. Sanderson et al.24 ont mené une étude d’alimentation en suspension chez le poisson noir dans laquelle ils ont trouvé des preuves d’une adhésion à base de mucus. Ils ont déclaré que l’adhésion des particules alimentaires en suspension avec une surface muqueuse est suivie du transport d’amas agrégés de particules liées ensemble au mucus par un écoulement d’eau dirigé agissant sur celui-ci24. Le mucus exposé aux taux de déformation de cisaillement générés par l’écoulement de l’eau facilite l’administration de particules alimentaires aux organes digestifs. Des techniques endoscopiques ont été utilisées pour observer les particules filtrées24.
La littérature sur la gamme des taux de cisaillement et les limites pratiques dans les tests rhéologiques du mucus GR est rare. Par conséquent, des conseils ont été recherchés à partir d’études rhéologiques sur la glaire gastrique, nasale, cervicale et pulmonaire, le mucus de la peau de saumon, la boue de poisson et le lubrifiant de surface des articulations osseuses dans lesquelles la caractérisation rhéologique et les attributs non newtoniens ont été étudiés11,12,25,26,27, 28,29,30,31. Plus récemment, l’effet du mucus de la peau de poisson sur la locomotion et l’efficacité propulsive a été étudié en utilisant la viscométrie à taux de cisaillement constant. Les études de rhéologie du mucus cutané (sans aucune dilution ni homogénéisation) concernant la daurade, le bar et le maigre comportement non newtonien ont démontré un comportement non newtonien à des taux de cisaillement généralement faibles14.  Dans une autre étude connexe, les échantillons de mucus cutané brut des côtés dorsal et ventral de la sole sénégalaise se sont avérés présenter un comportement non newtonien, indiquant une viscosité plus élevée du mucus ventral à tous les taux de cisaillement considérés32. D’autres protocoles rhéologiques relatifs au développement de l’échafaudage d’hydrogel et pour les suspensions hautement concentrées utilisant un viscosimètre à vitesse de cisaillement constante ont également été rapportés dans la littérature33,34.
Dans cette étude, les propriétés du mucus GR ont été étudiées à l’aide d’un rhéomètre rotatif contrôlé par taux de déformation qui a été largement utilisé dans des expériences de rhéologie sur des fluides biologiques complexes25. Pour les fluides newtoniens, la viscosité apparente reste constante, est indépendante de la vitesse de cisaillement et les contraintes de cisaillement varient linéairement avec les taux de déformation de cisaillement (Figure 3A, B). Pour les fluides non newtoniens (tels que les fluides d’amincissement par cisaillement), la viscosité dépend du taux de cisaillement ou de l’historique de déformation (Figure 3A, B). Le module de perte (G ») représente la mesure dans laquelle le matériau résiste à la tendance à l’écoulement et est représentatif de la viscosité du fluide(Figure 4). Le module de stockage (G') représente la tendance du matériau à retrouver sa forme d’origine après une déformation induite par les contraintes et est équivalent à l’élasticité (Figure 4). L’angle de phase (δ) ou la valeur de la tangente de perte, est calculé à partir de la tangente inverse de G"/G'. Il représente l’équilibre entre perte d’énergie et stockage et est également un paramètre commun pour caractériser les matériaux viscoélastiques (δ = 0° pour un solide hookéen; δ = 90° pour un liquide visqueux; δ < 45° pour un solide viscoélastique et δ > 45° pour un liquide viscoélastique)(Figure 4)25. La limite d’élasticité apparente (σy)dans les fluides structurés représente un changement d’état qui peut être observé dans les données rhéologiques à partir du balayage à l’état d’équilibre et des balayages dynamiques contrainte-déformation10. Si la contrainte externe appliquée est inférieure à la limite d’élasticité apparente, le matériau se déformera élastiquement. Lorsque la contrainte dépasse la limite d’élasticité apparente (marquée comme « contrainte moyenne » à la figure 3B), le matériau passe de la déformation élastique à la déformation plastique et commence à s’écouler à l’état liquide35. La mesure du module de stockage (G') et du module de perte (G ») dans l’échantillon de mucus dans des conditions de contrainte oscillatoire (ou de déformation) quantifie le changement de l’état du matériau d’un comportement semblable à un gel à un comportement viscoélastique de type liquide.
Les types d’essais de rhéomètre effectués pour surveiller les données relatives au module de stockage (G'), au module de perte (G ») et à la viscosité apparente (η) sont décrits ici. Les essais d’oscillation dynamique (balayages de déformation et balayages de fréquence) ont surveillé G' et G » sous oscillation contrôlée de la géométrie du cône. Les essais de balayage de déformation dynamique ont déterminé la région viscoélastique linéaire (LVR) du mucus en surveillant la réponse intrinsèque du matériau(Figure 4). Des balayages de déformation ont été utilisés pour déterminer le comportement de rendement à une fréquence d’oscillation et une température constantes. Les essais de balayage dynamique de fréquence ont surveillé la réponse du matériau à l’augmentation de la fréquence (taux de déformation) à une amplitude (déformation ou contrainte) et à une température constantes. La déformation a été maintenue dans la région viscoélastique linéaire (LVR) pour les essais de balayage dynamique de fréquence. Les essais de vitesse de cisaillement à l’état d’équilibre ont surveillé la viscosité apparente (η) sous rotation constante de la géométrie du cône. Le mucus GR a été soumis à des étapes de contrainte incrémentielles et la viscosité apparente (η, Pa.s) a été surveillée pour une vitesse de cisaillement variable (ý, 1/s).
Le protocole présenté dans cet article traite le mucus GR comme un matériau structuré complexe de viscoélasticité inconnue avec une certaine gamme de réponse viscoélastique linéaire. Le mucus de poisson a été extrait des RON de la carpe argentée lors d’une expédition de pêche à l’emplacement du ruisseau Hart dans la rivière Missouri par le professeur L. Patricia Hernandez (Département des sciences biologiques, Université George Washington) 1,2,36.  Un tableau de GO à l’intérieur de l’embouchure d’une carpe argentée est représenté à la figure 5A et un dessin schématique est présenté à la figure 5B. Un GR excisé est représenté à la figure 5C.  L’extraction du mucus des GN de la carpe argentée est présentée à titre d’exemple dans les dessins schématiques, Figure 5D, E. Tous les essais rhéométriques ont été effectués sous une température constante et contrôlée de 22 ± 0,002 °C, la température enregistrée sur le site de pêche1,2,36.  Chaque échantillon de mucus a été testé trois fois avec le rhéomètre, et les résultats moyens sont présentés avec les barres d’erreur statistiques.

<table><tbody><tr><td>Materials</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Kim Wipes</td><td>VWR</td><td>470224-038</td><td>Pour nettoyer l’échantillon de la plaque</td></tr><tr><td>Gants</td><td>VWR</td><td>89428-750</td><td>Pour éviter la contamination de l’échantillon</td></tr><tr><td>Pipette</td><td>VWR</td><td>89079-974</td><td>Pour transporter l’échantillon du flacon au rhéomètre</td></tr><tr><td>Pointes de pipette</td><td>Thermo Scientific</td><td>72830-042</td><td>Pour transporter l’échantillon du flacon au rhéomètre</td></tr><tr><td>Agitateur</td><td>VWR</td><td>89032-094</td><td>Pour mélanger de manière homogène l’échantillon de mucus</td></tr><tr><td>Flacons</td><td>VWR</td><td>66008-710</td><td>Contient les volumes d’échantillons mesurés</td></tr><tr><td>Balance de pesée</td><td>Ohaus</td><td>Scout &ndash ; Balances SPX</td><td>Pour peser la masse des échantillons de mucus</td></tr> <tr><td><fort>Réactifs chimiques</eau forte></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>désionisée (H20)</td><td>-</td><td>-</td><td>Liquide</td></tr><tr><td>stérile à 70 % d’isopropanol (C3H8O)</td><td>VWR</td><td>89108-162</td><td>Liquide</td></tr><tr><td><fort>GR Mucus</fort></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>100 mg/mL concentration, 2mL</td><td>-</td><td>-</td><td>Matériau viscoélastique</td></tr><tr><td>Concentration de 400 mg/mL, 1 mL</td><td>-</td><td>-</td><td>Matériau viscoélastique</td></tr><tr><td>Concentration de 200 mg/mL, 1 mL</td><td>-</td><td>-</td><td>Matériau viscoélastique</td></tr><tr><td><fort>Logiciel</fort></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>MATLAB</td><td>Mathworks</td><td>R2017a</td><td>Analyse de données, post-traitement et représentation graphique</td></tr><tr><td>Trios</td><td>TA Instruments</td><td>v4.5.042498</td><td>Logiciel de contrôle et d’analyse d’instruments de rhéomètre</td></tr></tbody></table>

caractérisation macro-rhéologique du mucus gill raker chez la carpe argentée, hypophthalmichthys molitrix

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

La carpe argentée, Hypophthalmichthys molitrix,est un poisson filtre planktivore envahissant qui a infesté les cours d’eau naturels du bassin supérieur du Mississippi en raison de son mécanisme d’alimentation par filtre très efficace. Les organes caractéristiques appelés râteaux branchiaux (GR), que l’on trouve dans de nombreux filtreurs de ce type, facilitent la filtration efficace des particules alimentaires telles que le phytoplancton de quelques microns.
La motivation pour étudier la rhéologie du mucus GR provient de notre désir de comprendre son rôle dans l’aide au processus d’alimentation par filtre chez la carpe argentée. Le liquide riche en mucus, dans un état « épais et collant » peut faciliter l’adhésion des particules alimentaires. La perméation et le transport à travers la membrane GR sont facilités par l’action de forces de cisaillement externes qui induisent des taux de déformation de cisaillement variables. Par conséquent, la rhéologie du mucus peut fournir un indice vital sur la nature extrêmement compensante de la carpe argentée dans le bassin de poissons filtreurs. Sur cette base, il a été postulé que le mucus GR peut fournir une fonction adhésive aux particules alimentaires et agir comme un véhicule de transport pour aider au processus d’alimentation par filtre.
L’objectif principal du protocole est de déterminer la limite d’élasticité du mucus, attribuée à la contrainte de cisaillement minimale requise pour initier l’écoulement à laquelle une déformation plastique irréversible est observée pour la première fois sur un matériau viscoélastique structuré. En conséquence, les propriétés rhéologiques du mucus GR, c’est-à-dire la viscosité, le stockage et les modules de perte, ont été étudiées pour sa nature non newtonienne, amincissante par cisaillement, à l’aide d’un rhéomètre rotatif.
Un protocole présenté ici est utilisé pour analyser les propriétés rhéologiques du mucus extrait des râteaux branchiaux d’une carpe argentée, pêchée à l’emplacement de Hart Creek de la rivière Missouri. Le protocole vise à développer une stratégie efficace pour les tests rhéologiques et la caractérisation matérielle du mucus supposé être un matériau viscoélastique structuré.

Dans cette section, nous présentons les résultats des expériences sur le mucus GR à l’aide d’un rhéomètre rotatif avec une géométrie de cône (40 mm de diamètre, 1° 0' 11'') et une plaque de Peltier. Les expériences ont aidé à caractériser le comportement non newtonien d’amincissement par cisaillement du mucus GR et la contrainte d’élasticité apparente représentant la transition du mucus d’un matériau semblable à un gel à un matériau de type fluide. Les résultats représentatifs comprennent des descriptions quantitatives d...

Ce protocole présente une méthode pour effectuer la caractérisation rhéologique du mucus qui réside sur les râteaux branchiaux (GR) de la carpe argentée. Les caractéristiques viscoélastiques du MUCUS GR, obtenues en mesurant la viscosité, le stockage et les modules de perte, sont évaluées pour la limite d’élasticité apparente afin de comprendre le mécanisme d’alimentation du filtre dans les GR.

Caractérisation macro-rhéologique du mucus gill raker chez la carpe argentée, Hypophthalmichthys molitrix

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

L’intérêt de ce protocole est qu’il permet une caractérisation rhéologique précise des fluides biologiques non newtoniens, tels que le mucus, en particulier lorsque seuls de très petits volumes d’échantillons sont disponibles. Cette technique facilite la caractérisation de la limite d’élasticité apparente et de la viscoélasticité des fluides biologiques structurés complexes, tels que le mucus des branchicténies. Cette méthode permet d’estimer la limite d’élasticité du mucus des branchicténies, facilite la caractérisation rhéologique et l’élaboration de protocoles pour des fluides biologiques similaires, tels que les sécrétions humaines, animales et végétales.Samantha Racan, une étudiante diplômée de notre laboratoire, fera la démonstration de la procédure avec Kartik Bulusu. Pour préparer environ deux millilitres de 100 milligrammes par millilitre de solution concentrée de mucus de poisson, effectuez une dilution en série de deux millilitres de 400 milligrammes par millilitre en ajoutant deux fois de l’eau désionisée dans un rapport de un à deux. Placez le flacon de solution de mucus sur un agitateur jusqu’à ce que la solution soit suffisamment homogénéisée et que toute agglomération de particules de mucus ait été atténuée.Pour étalonner le rhéomètre, lancez le logiciel de contrôle de l’instrument de rhéomètre et sélectionnez les onglets d’étalonnage et d’instrument. Cliquez sur Étalonnage et Étalonnage pour vous assurer que les valeurs d’étalonnage sont à moins de 10 % l’une de l’autre, puis cliquez sur Accepter. Tournez l’arbre sur le dessus du rhéomètre pour installer la géométrie de l’angle du cône.Le logiciel détectera la géométrie de l’angle du cône de 40 millimètres de diamètre, un degré, zéro minute, 11 secondes. Pour effectuer l’étalonnage de la géométrie du rhéomètre, cliquez sur étalonnage sous inertie et cliquez sur calibrer. Cliquez sur Accepter pour accepter l’étalonnage.Cliquez sur l’étalonnage sous friction et cliquez sur l’étalonnage. Cliquez sur Accepter pour accepter l’étalonnage. Les valeurs d’étalonnage de la géométrie, de l’inertie et du frottement doivent être enregistrées dans les unités appropriées.Pour effectuer l’initialisation de l’écart zéro, cliquez sur Espace dans les options. Dans la fenêtre contextuelle, définissez la force axiale sur un Newton et cliquez sur OK, puis sur l’icône de l’écart zéro. L’initialisation est terminée lorsque la force axiale subie par la géométrie devient supérieure ou égale à un Newton lorsqu’elle touche la plaque Peltier.Pour vous assurer que l’écart du rhéomètre est remis à zéro afin que sa position de référence soit précise, utilisez les flèches haut et bas pour élever la géométrie à n’importe quelle hauteur arbitraire. L’écran de contrôle de l’instrument de rhéomètre et le panneau de commande du logiciel de commande de l’instrument de rhéomètre afficheront tous deux la hauteur de l’écart. Pour réaliser l’expérience rhéologique et la gamme viscoélastique linéaire d’une solution de mucus d’intérêt, chargez environ 300 microlitres de solution de mucus de poisson dans une pointe de pipette d’un millilitre et chargez la solution sur la plaque Peltier.Appuyez sur l’icône Aller pour couper l’écart pour abaisser la géométrie sur la plaque Peltier. Utilisez la pipette pour éliminer tout excès de solution de mucus tout en appliquant une petite vitesse angulaire au moteur, cliquez sur les icônes d’arrêt et appliquez jusqu’à ce que la valeur de couple atteigne le minimum. Pour effectuer des expériences d’amplitude d’oscillation, dans le menu des procédures de l’onglet expériences, réglez l’oscillation et l’amplitude et réglez la température à 22 degrés Celsius.Réglez le temps de trempage sur 120 secondes et vérifiez l’attente de la température. Réglez la fréquence sur un Hertz, le couple sur 10 à 10 000 micronewtonmètres et les points par décennie sur 10. Ensuite, cliquez sur l’icône d’insertion d’une étape en double.Changez l’amplitude en fréquence. Réglez la température à 22 degrés Celsius et réglez le temps de trempage à zéro seconde. Réglez le pourcentage de déformation sur un.Dans le menu de balayage logarithmique, réglez la fréquence sur 20 à 1 hertz et les points par décennie sur 10. Pour configurer la procédure de balayage d’écoulement, cliquez sur l’icône d’insertion d’une étape en double, puis changez l’oscillation en débit et sélectionnez balayage pour régler la température à 22 degrés Celsius et régler le temps d’imprégnation à zéro seconde. Réglez le taux de cisaillement sur 1 à 10 000 par seconde et les points par décade sur 10 et cochez la case de détection en régime permanent.Appuyez sur l’icône Aller à l’écart de géométrie pour abaisser la géométrie à l’écart approprié prédéfini par géométrie spécifique et cliquez sur démarrer dans le logiciel de l’instrument et observez le mouvement de la géométrie du cône. Un graphique en temps réel qui signale la perte de modules de stockage sera généré par le rhéomètre dans la fenêtre principale une fois que le temps de trempage en température est atteint. Cliquez avec le bouton droit de la souris pour sélectionner l’onglet des variables du graphique et définissez l’axe x du graphique sur Pourcentage de déformation d’oscillation pour afficher les données qui vous intéressent.Pour afficher les données de fréquence angulaire, cliquez avec le bouton droit de la souris sur balayage de fréquence et sélectionnez Envoyer au nouveau graphique. Pour afficher les données de viscosité apparente en fonction des contraintes de cisaillement en temps réel, cliquez avec le bouton droit de la souris sur Flow Sweep et sélectionnez Envoyer au nouveau graphique, puis enregistrez le fichier contenant à la fois la procédure expérimentale et les résultats dans le format de fichier natif du logiciel de contrôle de l’instrument de rhéomètre à la fin de l’expérience. Pour l’analyse graphique, exportez les données de rhéologie du mucus dans une feuille de calcul et exécutez des codes supplémentaires pour la viscosité apparente pour différentes vitesses de déformation de cisaillement et le module de perte, le module de stockage et l’angle de phase pour différentes contraintes d’oscillation afin de générer des graphiques des résultats.Comme observé dans les données d’amplitude d’oscillation dynamique, le module de stockage de la concentration de 200 milligrammes par millilitre a diminué et a dépassé le module de perte dans la plage de contrainte. Les données d’angle de phase pour cette concentration ont démontré une transition constante vers un liquide viscoélastique avec une région de transition des contraintes d’élasticité. Les données de module pour la concentration de 400 milligrammes par millilitre ont démontré un phénomène de limite d’élasticité avec un point de croisement entre les modules de stockage et de perte qui s’est produit à la limite d’élasticité apparente d’environ 0,27 pascal.Les données d’angle de phase pour la concentration de 400 milligrammes par millilitre ont montré une transition brusque vers le liquide viscoélastique avec un point de croisement à environ 0,27 pascal. Comme observé dans les données sur le taux de cisaillement constant, la concentration de 100 milligrammes par millilitre présentait une viscosité principalement constante en dehors des régions mises en évidence de limitation de l’instrument, une région plate négligeable et un comportement semblable à celui d’un fluide newtonien. La concentration de 200 milligrammes par millilitre a démontré un comportement non newtonien avec des taux de cisaillement croissants et une propension à céder avec une région plate prononcée.La concentration de 400 milligrammes par millilitre est la plus proche de la composition du mucus des branchicténies, montrant un changement clair de l’état du mucus, passant d’un liquide gélifié à un fluide diluant par cisaillement, après avoir cédé à environ 0,27 pascal. Comme indiqué dans le manuscrit du protocole, il est important de déterminer la valeur du pourcentage de déformation d’oscillation dans le régime viscoélastique linéaire du mucus de la branchicténie avant d’exécuter les balayages dynamiques. Notre protocole peut être utilisé pour déterminer la limite d’élasticité apparente des fluides biologiques collants et gélifiés, et peut être étendu aux tests d’adhérence et de pelage pour une caractérisation complète de l’adhérence des matériaux de type mucus.Ce protocole ouvre la voie à l’étude hydrodynamique de l’alimentation par filtration avec des matériaux de type mucus, à la création de modèles analytiques et à l’avancement des technologies de filtration transversale et membranaire.

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