This work is supported by Multi-University Research Initiative through the Air Force Office of Scientific Research of the United States (AFOSR-FA9550-15-1-0009) (M. B. F., S. E. N., J.-Y. J., J. M). Collection of pink sea urchins was supported by the University of California Ship Funds and the US National Marine Fisheries Service (K.N.S., J.R.A.T). The authors acknowledge the following people: Prof. Jerry Tustaniwskyj for helpful suggestions during development of the bioinspired Aristotle's lantern sampler, Prof. Marc A. Meyers (UCSD, Dept. of Mechanical and Aerospace Engineering, Materials Science and Engineering Program), Prof. Robert L. Sah and Esther Cory (UCSD, Dept. of Bioengineering), and Dr. Maya deVries (Marine Biology Research Division, Scripps Institution of Oceanography). We also thank undergraduate students Sze Hei Siu, Jerry Ng and Ivan Torres for polishing urchin teeth cross-sections.

1.生物材料科学<ol><li>個人用保護具を着用する（ すなわち 、手袋、安全メガネと白衣）と解剖ツールを使用するため、該当するすべての安全手順に従ってください。 </li><li>鉗子を洗い流すと解剖のために使用するために蒸留水で外科用メス。 </li><li>室温で1時間凍結したピンクのウニを解凍します。ウニ​​と切削工具を操縦することができるように十分なスペースを持つガラス皿中で解凍した試料を置きます。歯の先端を上に向けるように逆さまにウニを回します。 <ol><li>メスでアリストテレスの提灯の周囲の結合組織を離れてカットし、慎重に提灯を持ち上げ。蒸留水を実行していると提灯を洗い流してください。適切な廃棄物処理容器に未使用のウニの部品を廃棄します。 </li><li>歯の先端が下向きになるよう何度も何度アリストテレスの提灯をオンにします。上を向いて（反対側の先端まで）各歯のplumula端を見つけて、世話をするために鉗子を使用完全にランタンから個々の歯を引き出します。 </li></ol></li><li>ポットに歯をエポキシ樹脂を準備します。樹脂の5グラムを計量し、硬化剤1.15グラムを追加浅い使い捨てプラスチックトレー（ 例えば、100部は23重量部硬化剤に樹脂）。気泡を形成することなく、ゆっくりと一緒に内容を混ぜます。 注：大気への露出不足の入った容器に残った混合エポキシ樹脂を放置しないでください。硬化プロセスは発熱性であり、近くの可燃物に火をつけることができます。離れた可燃性の項目からよく換気ドラフト内で残った混合エポキシを保管してください。 <ol><li>指で適用ワセリンを使用して、2.5ドラムのプラスチックチューブ（内径22mm、39ミリメートルの長さ）を注油し、組織と余分を拭き取ってください。混合エポキシを用いてチューブを途中で埋めます。 </li><li>歯をピックアップし、慎重に湾曲した凹面側を上に向けてエポキシでそれを沈めるために鉗子を使用してください。 24時間室温でエポキシ硬化をしてみましょう。 注：触れて漂流から歯先を防ぎますこの以来、エポキシ硬化などのプラスチックチューブの壁がより困難先端を研磨するようになります。 </li></ol></li><li>万力で硬化したエポキシでプラスチックチューブを置きます。亀裂は、プラスチックチューブで作られるまで、ゆっくりと万力を締めます。エポキシ表面から残留塑性を剥がします。 <ol><li>切片を使用してダウン小さいブロック（1 cm 3）での歯の周りにエポキシをカットしました。 </li></ol></li><li>研磨するためのきれいな部分を準備し、硬質プラスチック板で平らなワークステーションを設定します。蒸留水で噴霧ボトルを埋めます。 <ol><li>利用可能な最も低いグリットサンドペーパー（ 例えば、120）で開始し、サンドペーパーの上に洗浄ボトルから少量の水を絞ります。軽い圧力を使用して、5分のための1つの前後方向（ 例えば、左から右）にサンプルをこします。 </li><li>シンクの上に試料の表面を洗い流し、粒子を含まないティッシュで拭き取ってください。 15秒間圧縮空気で残っサンドペーパーグリットを削除します。 </li><li>プロトコルは1.6.1と1.6.2手順を繰り返すように漸進的に高いグリットサンドペーパー（ 例えば、600および2400）を使用します。光の圧力を使用して、後ろにあるサンプルをこする前後（ 例えば、上下、左右）前のポリッシュのステップに垂直な方向。 注：垂直なスクラッチマークは、各グリットレベル（ 例えば、120、600、2400）と交差見るために20Xの倍率で光学顕微鏡を使用してください。前のグリットレベルからスクラッチマークが消えたときに次の高いグリットのサンドペーパーに移動します。 </li><li> 1蒸留水液：1で3-μmのダイヤモンド研磨懸濁液を噴霧ボトルを準備します。プロトコルは1.6.1と1.6.2をステップ繰り返すようにダイヤモンド懸濁液用の磨き布を使用してください。 </li><li> 1蒸留水液：1で0.5μmのアルミナ研磨懸濁液を噴霧ボトルを準備します。プロトコルは1.6.1と1.6.2手順を繰り返すようにmicroclothの研磨面を使用してください。 注：プロトコルからファインスクラッチマークは1.6.4と1.6.5ステップvisibではありませんル20X倍率で。前後に移動中の5分間ポリッシュこれらのプロトコルステップについては、以前のすべての傷を削除します。 </li><li>蒸留水で研磨面を清掃し、慎重に乾燥に圧縮空気で粒子を含まない組織を使用しています。鏡面研磨仕上げを維持するために、粒子を含まないティッシュで包みます。 注：すべての研磨面が大きな粒子を含まない組織に伏せて乾かします。研磨時間との間の表面上に沈降ダスト粒子を回避するために、プラスチック製のスリーブに保管してください。 </li></ol></li><li>走査型電子顕微鏡（SEM）を用いて、ウニの歯の組織を特徴づけます。 〜20nmのコーティング厚さのために研磨歯の表面上に10秒間85ミリアンペアの堆積電流でイリジウムをスパッタするスパッタコーターを使用してください。 <ol><li> SEMを用いて4,000X倍率 - 250Xでの顕微鏡写真画像を得ます。 注意：使用走査電子（SE）モードでは5kVと後方散乱電子（BSE）モードで15 kVの。方解石嘘を識別するために、BSEモードを使用しますERSは、Mgに富む多結晶マトリックスが点在します。 </li></ol></li><li>マイクロコンピュータ断層撮影法（μ-CT）全体ピンクのウニと新鮮に解剖アリストテレスの提灯のスキャンを実行します。位置はそれぞれ走査しながら加湿環境を提供するために、湿った組織に閉じたチャンバ容器内の試料を解凍しました。 <ol><li>それぞれ、36.00ミクロンと9.06ミクロンの等方性ボクセルサイズでμ-CTによる全ウニやアリストテレスの提灯をスキャンします。両方のための1.0ミリメートルのアルミフィルターを使用して、それぞれ、全体ウニやアリストテレスの提灯のために、100ミリアンペアと141ミリアンペアの電流で100のkVp及び70のkVpの電位を適用します。 </li><li>製造業者のプロトコルを使用して、複数のエネルギーのX線を放射するμ-CT、X線源から生じるビーム硬化アーチファクトを考慮して画像再構成時にビームハードニング補正アルゴリズムを適用します。 </li></ol></li><li> IMAを絞り込むことイメージングソフトウェアを使用しますGEのセグメンテーションとアリストテレスの提灯構造のための三角形メッシュモデルを獲得します。 <ol><li>ロードおよびプレビューμ-CTスキャンからアリストテレスの提灯画像データ。マイクロCTスキャンからの値にボクセルサイズ（9.06μm）を一致させます。 </li><li> 3D空間におけるアリストテレスの提灯を視覚化するためにボリュームレンダリング機能を使用してください。バウンディングボックスモジュールを搭載した2D直交スライスを調整し、ボリュームレンダリングモジュールとしきい値/カラーを調整します。 </li><li>セグメンテーションエディタを使用して、関心領域（ 例えば、ウニの歯）のためのマスク・セグメントを作成します。 XY、YZ、及びXZ平面と3D等角図を選択します。アリストテレスの提灯に単純な構造（ピラミッド対歯）を区別するために魔法の杖（黒矢印）を使用します。 </li><li>抽出されたマスク・セグメントからモデル表面を再構築します。面生成モジュールを選択し、適用します。目に見える上面が消え持つように設定をボリュームレンダリングの選択を解除します。加えます表面結果を表示するために、表面表示モジュール。 </li><li> &lt;18000に面の数を減らすことにより、モデル表面を簡素化します。 </li><li>必要に応じて、モデル表面上の個々の三角形メッシュを編集します。コンピュータ支援設計（CAD）モデリングソフトウェアで使用するエクスポートするためのステレオリソグラフィ（STL）ファイルとしてモデルを保存します。 </li></ol></li></ol> 2.バイオインスパイアードデザイン<ol><li> CADモデリングソフトウェアとバイオインスパイアードなデザインを作るための基準として、マイクロCTスキャンからアリストテレスの提灯を使用してください。 注：バイオインスパイアードデザインは、高さ6センチメートル、直径閉じランタン8センチ5曲がった歯を持っています。それは自然なアリストテレスの提灯のサイズから〜5倍にスケールアップされます。 </li><li>フラッシュドライブにSTLファイルの一部を保存して、熱溶解積層法（FDM）3Dプリンタにファイルをアップロードします。 <ol><li>三次元pの適切なスロットにロードアクリロニトリルブタジエンスチレン（ABS）プラスチック支持プラスチック材料カートリッジrinter。 </li><li> Zプラットフォーム上でモデリングベースを挿入し、金属製のトレイにあるスロットにタブを合わせます。 </li><li> STLファイルの部分のそれぞれを開き、同時にすべてのランタンの一部を印刷するには、表示画面の手順に従ってください。 注：ランタンの部品は、建物の封筒（25×25×30 cm 3）で3Dプリンター用に収まらなければなりません。すべての5つの歯は、モデリングベース上に配置され、歯の先端を上に向けて同時に印刷されています。ビルド速度は時間あたり16 cm 3であり、総ビルド時間は約8時間です。 </li><li>すべてのファイル部分が印刷されている場合、タブからモデリングベースをリリースし、トレイガイドに沿って、3Dプリンタのうちベースをスライドさせます。 </li><li>部品に付着した余分なプラスチックを下に着用するベースと金属ファイルからすべての部品をてこのように金属へらを使用してください。 </li><li>サポートのプラスチック材料が溶解するまで加熱された基本浴に印刷されたパーツを配置します。 </li></ol></li><li> Liと関節アームに各歯を固定しますNKロッドとどちらかの側に2つのE-保持リング。 注：バイオインスパイアードアリストテレスの提灯の組み立てのために、図6を参照してください。 </li></ol> 3. Bioexploration <ol><li>有限要素モデリング（FEM）応力解析のテストを行うためにバイオインスパイアードの歯のためのCADファイルを使用してください。 <ol><li>さらにエンジニアリング解析を行うためのファイル（xx.sldprt）を開きます。 「オフィス製品」タブの上に、「SolidWorksのシミュレーション」ボタンを選択します。 </li><li> 「シミュレーション」タブ上では、「研究顧問」ボタンを押して、ドロップダウンオプション」の新研究」を選択します。 </li><li> 「静的」を選択することによって実行されるシミュレーションテストの種類を選択します。 </li><li>静的試験のリストで、「備品」を右クリックして「固定ジオメトリ」を選択します。 </li><li>ピンが行く取付穴に固定具を追加するために内面をクリックします。 </li><li>静的試験のリストで、「外部荷重」とセレク上で右クリックトン &quot;フォース&quot;。 </li><li>先端がエッジに45 Nの力を適用するために直面​​している研削歯をクリックします。 </li><li>静的試験のリストで、「外部荷重」を右クリックして「重力」を選択します。 </li><li>平面に垂直かかる重力の力のために、「上面」を示します。 </li><li>静的試験のリストに、「メッシュ」を右クリックして「メッシュを作成」を選択します。 </li><li> 「メッシュ密度」「ファイン」のための右のすべての方法のためのスケールバーを移動します。 </li><li>静的試験のリストで、「静的」を右クリックして、テストを実行するために、「ファイル名を指定して実行」を選択します。 注：最高のストレスと「降伏」の領域用着色スケールバーを。 </li></ol></li><li>キールととせずにバイオインスパイアードの歯のための応力解析テストの結果を比較してください。 </li></ol>

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We have nothing to disclose.

ウニは、様々な機能（旋回させる送り、退屈な、 など ）のためにアリストテレスの提灯（ 図1A）を使用します。化石記録は、提灯が最も原始cidaroidタイプから近代的なウニ14のcamarodont型に形状や機能に進化してきたことを示しています。 Cidaroid提灯は、縦方向の歯（ 図1B、上 ）とそのピラミッド構造に非分離筋アタッチメント溝付きまし...

生物学、生物学、材料科学、生体材料、生体工学および生化学の分野では信じられないほどの自然界のより深い理解を提供するための試みで、初演の科学技術と心を採用しています。本研究では、最も驚くべき生物学的構造および生物の多くを説明しています。人間の骨1,2の本質的な靭性からオオハシ3の大きなくちばしに。しかし、この知識の多く​​は、社会に恩恵を与えることができるように採用することは困難です。その結果、bioinspirationの接線方向のフィールドは、一般的な問題を解決するために現代的な素材に自然から学んだ教訓を採用しています。例としては、蓮に触発された超疎水性表面も、ヤモリの足に触発4-6、接着面を残し、アワビ9-11とウニのマウスピースに触発生検ハーベスタの真珠層に触発7,8、タフなセラミックスを昆虫を含みます知っていますアリストテレスの提灯12,13としてのn。 ウニ​​は、その生息地、最も一般的に海の底に岩のベッドで構成されて棘で覆われた無脊椎動物です。最大のウニ種で（テストと呼ばれる）の体は直径18以上のcmであることができます。ピンクのウニ（Strongylocentrotusフラジリス ）でのテストの大きさは直径10cmに成長することができ、本研究で検討しました。アリストテレスの提灯は、ピラミッド構造鉱化組織で構成され、すべてが、歯（ 図1A）の遠位研削ヒントを囲むドーム状の形成に配置することによって支援される5つの主に炭酸カルシウムの歯で構成されています。 顎の筋肉の構造は、効率的な咀嚼することができ、さらにはハード海の岩やサンゴ擦ります。オープンジョーが、歯が外側に突出したときに顎近いとき、歯は、単一の滑らかな動きで内側に引っ込めます。 primitivとの比較E（上）と現代（下）ウニの歯の断面（ 図1B）は keeled歯は硬質基材に対して研削時に歯を強化するために進化したことを示しています。各個々の歯が原因で縦方向に取り付けられたキール（ 図1C、D）にわずかに凸状の湾曲と（成長方向に対して垂直な）横断面におけるT字形の形態を有しています。 Bioinspirationは、ウニにおけるアリストテレスの提灯の効率的な咀嚼運動として興味深い自然現象の観察から始まります。それは取り残さホーンのペインでホーンランタンの彼を思い出したので、この自然な構造は、最初はアリストテレスを魅了します。以上の2千年後に、スカルパは彼と後でTroguのみ紙やゴムバンド（ 図2A）15,16 を使用して、自然な咀嚼運動を模倣アリストテレスの提灯の複雑さに魅了されました。同様に、イェリネクはcでバイオインスパイアードされましたアリストテレスの提灯の動きを合わせぎりかつ安全に癌細胞（ 図2B、C）12,13 を拡散することなく、腫瘍組織を分離することができ、より良い生検ハーベスターを開発しました。この場合、バイオインスパイアード設計は、所望のアプリケーションの特定のニーズに合う生物医学装置を作るために利用されました。 ここで説明した設計プロトコルは、ウニによりバイオインスパイアード土砂サンプラーに適用されます。生物学的材料科学を通じ、アリストテレスの提灯の自然な構造が特徴としています。バイオインスパイアードのデザインは、自然のメカニズムは、現代的な素材と製造技術の使用により増強することができる潜在的なアプリケーションを識別します。最終的なデザインは、自然な歯の構造がどのように進化したかを理解するためにbioexplorationのプリズムを再検討します （ 図3）。ポーター17,18によって提案された最後のbioexplorationステップは、eまでエンジニアリング解析メソッドを使用していますxploreとは、生物学的現象を説明します。 bioinspirationプロセスのすべての重要なステップは、現代の課題を解決するために使用することができる性質によって事前承認された技術を、利用するための例として提示されます。私たちのプロトコルは、Arzt 7によって、特定の用途のために提示前のbioinspiration手順によって動機づけ、生物学者、エンジニア、自然に触発されて他の人を対象としています。

<table><tbody><tr><td>BUEHLERMET II 8 PLN 600/P1200</td><td>Buehler</td><td>305308600102</td><td>Abrasive paper for polishing</td></tr><tr><td>TRIDENT POLISH CLOTH 8&quot; PSA</td><td>Buehler</td><td>407518</td><td>Polish cloth for 3 &amp;#956;m suspension</td></tr><tr><td>METADI SUPREME POLY SUSP,3MIC</td><td>Buehler</td><td>406631</td><td>Polish suspension (3&amp;nbsp;&amp;#956;m)</td></tr><tr><td>MICROCLOTH FOR 8 IN WHEEL PSA</td><td>Buehler</td><td>407218</td><td>Polish cloth for 50 nm suspension</td></tr><tr><td>MASTERPREP SUSPENSION, 6 OZ</td><td>Buehler</td><td>636377006</td><td>Polish suspension (50&amp;nbsp;nm)</td></tr><tr><td>Skyscan 1076 micro-CT Scanner</td><td>Bruker</td><td></td><td>Micro-CT scanner equipment</td></tr><tr><td>Amira software</td><td>FEI Visualization Sciences Group</td><td></td><td>Software for 3D manipulation of Micro-CT scans</td></tr><tr><td>FEI Philips XL30</td><td>FEI Philips</td><td></td><td>ESEM equipment for characterization of polished tooth cross-sections</td></tr><tr><td>SolidWorks Design software</td><td>Dassault Systems</td><td></td><td>Design software for CAD drawing bioinspired device</td></tr><tr><td>SolidWorks Simulation software</td><td>Dassault Systems</td><td></td><td>Simulation software for stress test of CAD drawing bioinspired device</td></tr><tr><td>Dimension 1200es</td><td>Stratasys</td><td></td><td>3D printer for fabrication of bioinspired device from CAD drawing</td></tr><tr><td>ABSplus</td><td>Stratasys</td><td></td><td>3D printer plastic</td></tr></tbody></table>

a protocol for bioinspired design: a ground sampler based on sea urchin jaws

Bioinspired design is an emerging field that takes inspiration from nature to develop high-performance materials and devices. The sea urchin mouthpiece, known as the Aristotle's lantern, is a compelling source of bioinspiration with an intricate network of musculature and calcareous teeth that can scrape, cut, chew food and bore holes into rocky substrates. We describe the bioinspiration process as including animal observation, specimen characterization, device fabrication and mechanism bioexploration. The last step of bioexploration allows for a deeper understanding of the initial biology. The design architecture of the Aristotle's lantern is analyzed with micro-computed tomography and individual teeth are examined with scanning electron microscopy to identify the microstructure. Bioinspired designs are fabricated with a 3D printer, assembled and tested to determine the most efficient lantern opening and closing mechanism. Teeth from the bioinspired lantern design are bioexplored via finite element analysis to explain from a mechanical perspective why keeled tooth structures evolved in the modern sea urchins we observed. This circular approach allows for new conclusions to be drawn from biology and nature.

アリストテレスの提灯サンプリング装置のバイオインスパイアードデザインが使用される特性評価手法の品質に大きく依存します。 μ-CTのような非侵襲的技術は、バイオインスパイアードデザイン（ 図4）のためのアプリケーション固有の機能強化を適用するために全体のランタンと個々の歯を分析するのに役立ちます。一方、歯の微細構造は、二次電子...

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A Protocol for Bioinspired Design: A Ground Sampler Based on Sea Urchin Jaws

A protocol for bioinspired design is described for a sampling device based on the jaws of a sea urchin. The bioinspiration process includes observing the sea urchins, characterizing the mouthpiece, 3D printing of the teeth and their assembly, and bioexploring the tooth structure.

バイオインスパイアードデザインのためのプロトコル：グランドサンプラーウニジョーズに基づいて、

Bioinspired design is an emerging field that takes inspiration from nature to develop high-performance materials and devices. The sea urchin mouthpiece, ...

a-protocol-for-bioinspired-design-ground-sampler-based-on-sea-urchin

Universidad de Cartagena UDEC

Research

JoVE Journal

Bioengineering

11.0K ビュー.  University of California, San Diego. A protocol for bioinspired design is described for a sampling device based on the jaws of a sea urchin. The bioinspiration process includes observing the sea urchins, characterizing the mouthpiece, 3D printing of the teeth and their assembly, and bioexploring the tooth structure. 

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VacuSIP, an Improved InEx Method for In Situ Measurement of Particulate and Dissolved Compounds Processed by Active Suspension Feeders

Benthic suspension feeders play essential roles in the functioning of marine ecosystems. By filtering large volumes of water, removing plankton and detritus, and excreting particulate and dissolved compounds, they serve as important agents for benthic-pelagic coupling. Accurately measuring the compounds removed and excreted by suspension feeders (such as sponges, ascidians, polychaetes, bivalves) is crucial for the study of their physiology, metabolism, and feeding ecology, and is fundamental to determine the ecological relevance of the nutrient fluxes mediated by these organisms. However, the assessment of the rate by which suspension feeders process particulate and dissolved compounds in nature is restricted by the limitations of the currently available methodologies. Our goal was to develop a simple, reliable, and non-intrusive method that would allow clean and controlled water sampling from a specific point, such as the excurrent aperture of benthic suspension feeders, in situ. Our method allows simultaneous sampling of inhaled and exhaled water of the studied organism by using minute tubes installed on a custom-built manipulator device and carefully positioned inside the exhalant orifice of the sampled organism. Piercing a septum on the collecting vessel with a syringe needle attached to the distal end of each tube allows the external pressure to slowly force the sampled water into the vessel through the sampling tube. The slow and controlled sampling rate allows integrating the inherent patchiness in the water while ensuring contamination free sampling. We provide recommendations for the most suitable filtering devices, collection vessel, and storing procedures for the analyses of different particulate and dissolved compounds. The VacuSIP system offers a reliable method for the quantification of undisturbed suspension feeder metabolism in natural conditions that is cheap and easy to learn and apply to assess the physiology and functional role of filter feeders in different ecosystems.

VacuSIP, an Improved InEx Method for In Situ Measurement of Particulate and Dissolved Compounds Processed by Active Suspension Feeders

We introduce the VacuSIP, a simple, non-intrusive, and reliable method for clean and accurate point sampling of water. The system was developed and evaluated for the simultaneous collection of the water inhaled and exhaled by benthic suspension feeders in situ, to cleanly measure removal and excretion of particulate and dissolved compounds.

VacuSIP、のための改良INEX方法<em&gt;その場で</em&gt;微粒子と溶解した化合物の測定は、アクティブサスペンションフィーダによって処理します

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

環境学

Building Finite Element Models to Investigate Zebrafish Jaw Biomechanics

Skeletal morphogenesis occurs through tightly regulated cell behaviors during development; many cell types alter their behavior in response to mechanical strain. Skeletal joints are subjected to dynamic mechanical loading. Finite element analysis (FEA) is a computational method, frequently used in engineering that can predict how a material or structure will respond to mechanical input. By dividing a whole system (in this case the zebrafish jaw skeleton) into a mesh of smaller 'finite elements', FEA can be used to calculate the mechanical response of the structure to external loads. The results can be visualized in many ways including as a 'heat map' showing the position of maximum and minimum principal strains (a positive principal strain indicates tension while a negative indicates compression. The maximum and minimum refer the largest and smallest strain). These can be used to identify which regions of the jaw and therefore which cells are likely to be under particularly high tensional or compressional loads during jaw movement and can therefore be used to identify relationships between mechanical strain and cell behavior. This protocol describes the steps to generate Finite Element models from confocal image data on the musculoskeletal system, using the zebrafish lower jaw as a practical example. The protocol leads the reader through a series of steps: 1) staining of the musculoskeletal components, 2) imaging the musculoskeletal components, 3) building a 3 dimensional (3D) surface, 4) generating a mesh of Finite Elements, 5) solving the FEA and finally 6) validating the results by comparison to real displacements seen in movements of the fish jaw.

Finite Element Analysis is a frequently used tool to investigate the mechanical performance of structures under load. Here we apply its use to modeling the biomechanics of the zebrafish jaw.

ゼブラフィッシュジョーバイオメカニクスを調査するために有限要素モデルの構築

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

発生生物学

Methods for Image-based Surveys of Benthic Macroinvertebrates and Their Habitat Exemplified by the Drop Camera Survey for the Atlantic Sea Scallop

Underwater imaging has long been used in the field of marine ecology but decreasing costs of high-resolution cameras and data storage have made the approach more practical than in the past. Image-based surveys allow for initial samples to be revisited and are non-invasive compared to traditional survey methods that typically involve nets or dredges. Protocols for image-based surveys can vary greatly but should be driven by target species behavior and survey objectives. To demonstrate this, we describe our most recent methods for an Atlantic sea scallop (Placopecten magellanicus) drop camera survey to provide a procedural example and representative results. The procedure is divided into three critical steps that include survey design, data collection, and data products. The influence of scallop behavior and the survey goal of providing an independent assessment of the U.S. sea scallop resource on the survey procedure are then discussed in the context of generalizing the method. Overall, the broad applicability and flexibility of the University of Massachusetts Dartmouth School for Marine Science and Technology (SMAST) drop camera survey demonstrates the method could be generalized and applied to a variety of sessile invertebrates or habitat focused research.

Image based surveying is an increasingly practical, non-invasive method to sample the marine environment. We present the protocol of a drop camera survey that estimates the abundance and distribution of the Atlantic sea scallop (Placopecten magellanicus). We discuss how this protocol can be generalized for application to other benthic macroinvertebrates.

底生動物とその生息地大西洋帆立て貝のドロップ カメラ調査による例示のイメージ調査法

Underwater imaging has long been used in the field of marine ecology but decreasing costs of high-resolution cameras and data storage have made the ...

The Power of Simplicity: Sea Urchin Embryos as in Vivo Developmental Models for Studying Complex Cell-to-cell Signaling Network Interactions

Remarkably few cell-to-cell signal transduction pathways are necessary during embryonic development to generate the large variety of cell types and tissues in the adult body form. Yet, each year more components of individual signaling pathways are discovered, and studies indicate that depending on the context there is significant cross-talk among most of these pathways. This complexity makes studying cell-to-cell signaling in any in vivo developmental model system a difficult task. In addition, efficient functional analyses are required to characterize molecules associated with signaling pathways identified from the large data sets generated by next generation differential screens. Here, we illustrate a straightforward method to efficiently identify components of signal transduction pathways governing cell fate and axis specification in sea urchin embryos. The genomic and morphological simplicity of embryos similar to those of the sea urchin make them powerful in vivo developmental models for understanding complex signaling interactions. The methodology described here can be used as a template for identifying novel signal transduction molecules in individual pathways as well as the interactions among the molecules in the various pathways in many other organisms.

The Power of Simplicity: Sea Urchin Embryos as in Vivo Developmental Models for Studying Complex Cell-to-cell Signaling Network Interactions

This video article details a straightforward in vivo methodology that can be used to systematically and efficiently characterize components of complex signaling pathways and regulatory networks in many invertebrate embryos.

シンプルの力：ウニ胚として<em&gt; in vivoで</em&gt;複雑な細胞間シグナル伝達ネットワークの相互作用を研究するための発達モデル

Remarkably few cell-to-cell signal transduction pathways are necessary during embryonic development to generate the large variety of cell types and ...

Design and Use of an Apparatus for Quantifying Bivalve Suspension Feeding at Sea

As shellfish aquaculture moves from coastal embayments and estuaries to offshore locations, the need to quantify ecosystem interactions of farmed bivalves (i.e., mussels, oysters, and clams) presents new challenges. Quantitative data on the feeding behavior of suspension-feeding mollusks is necessary to determine important ecosystem interactions of offshore shellfish farms, including their carrying capacity, the competition with the zooplankton community, the availability of trophic resources at different depths, and the deposition to the benthos. The biodeposition method is used to quantify feeding variables in suspension-feeding bivalves in a natural setting and represents a more realistic proxy than laboratory experiments. This method, however, relies upon a stable platform to satisfy the requirements that water flow rates supplied to the shellfish remain constant and the bivalves are undisturbed. A flow-through device and process for using the biodeposition method to quantify the feeding of bivalve mollusks were modified from a land-based format for shipboard use by building a two-dimensional gimbal table around the device. Planimeter data reveal a minimal pitch and yaw of the chambers containing the test shellfish despite boat motion, the flow rates within the chambers remain constant, and operators are able to collect the biodeposits (feces and pseudofeces) with sufficient consistency to obtain accurate measurements of the bivalve clearance, filtration, selection, ingestion, rejection, and absorption at offshore shellfish aquaculture sites.

A flow-through device for using the biodeposition method to quantify filtration and feeding behavior of bivalve mollusks was modified for shipboard use. A two-dimensional gimbal table built around the device isolates the apparatus from boat motion, thereby allowing the accurate quantification of bivalve filtration variables at offshore shellfish aquaculture sites.

デザインと二枚貝のサスペンションが海で餌を定量化するための装置の使用

As shellfish aquaculture moves from coastal embayments and estuaries to offshore locations, the need to quantify ecosystem interactions of farmed bivalves ...

A Robotic Platform to Study the Foreflipper of the California Sea Lion

The California sea lion (Zalophus californianus), is an agile and powerful swimmer. Unlike many successful swimmers (dolphins, tuna), they generate most of their thrust with their large foreflippers. This protocol describes a robotic platform designed to study the hydrodynamic performance of the swimming California sea lion (Zalophus californianus). The robot is a model of the animal&#39;s foreflipper that is actuated by motors to replicate the motion of its propulsive stroke (the &#39;clap&#39;). The kinematics of the sea lion&#39;s propulsive stroke are extracted from video data of unmarked, non-research sea lions at the Smithsonian Zoological Park (SNZ). Those data form the basis of the actuation motion of the robotic flipper presented here. The geometry of the robotic flipper is based a on high-resolution laser scan of a foreflipper of an adult female sea lion, scaled to about 60% of the full-scale flipper. The articulated model has three joints, mimicking the elbow, wrist and knuckle joint of the sea lion foreflipper. The robotic platform matches dynamics properties&#8212;Reynolds number and tip speed&#8212;of the animal when accelerating from rest. The robotic flipper can be used to determine the performance (forces and torques) and resulting flowfields.

A robotic platform is described that will be used to study the hydrodynamic performance&#8212;forces and flowfields&#8212;of the swimming California sea lion. The robot is a model of the animal&#39;s foreflipper that is actuated by motors to replicate the motion of its propulsive stroke (the &#39;clap&#39;).

カリフォルニアアシカのForeflipperを研究するためのロボットプラットフォーム

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

工学

Characterization Of Multi-layered Fish Scales (Atractosteus spatula) Using Nanoindentation, X-ray CT, FTIR, and SEM

The hierarchical architecture of protective biological materials such as mineralized fish scales, gastropod shells, ram&#8217;s horn, antlers, and turtle shells provides unique design principles with potentials for guiding the design of protective materials and systems in the future. Understanding the structure-property relationships for these material systems at the microscale and nanoscale where failure initiates is essential. Currently, experimental techniques such as nanoindentation, X-ray CT, and SEM provide researchers with a way to correlate the mechanical behavior with hierarchical microstructures of these material systems1-6. However, a well-defined standard procedure for specimen preparation of mineralized biomaterials is not currently available. In this study, the methods for probing spatially correlated chemical, structural, and mechanical properties of the multilayered scale of A. spatula using nanoindentation, FTIR, SEM, with energy-dispersive X-ray (EDX) microanalysis, and X-ray CT are presented.

Characterization Of Multi-layered Fish Scales Atractosteus spatula Using Nanoindentation, X-ray CT, FTIR, and SEM

This paper presents the methods used for probing spatially correlated chemical, structural, and mechanical properties of the multilayered scale of Atractosteus spatula (A. spatula) using nanoindentation, Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy, scanning electron microscopy (SEM), and X-ray computed tomography (X-ray CT). The experimental results have been used to investigate the design principles of protective biological materials.

多層魚の鱗の特性（<em&gt; Atractosteusヘラ</em&gt;）ナノインデンテーション、X線CT、FTIR、およびSEMを用いて

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

生物工学

Bioinspired Soft Robot with Incorporated Microelectrodes

Bioinspired soft robotic systems that mimic living organisms using engineered muscle tissue and biomaterials are revolutionizing the current biorobotics paradigm, especially in biomedical research. Recreating artificial life-like actuation dynamics is crucial for a soft-robotic system. However, the precise control and tuning of actuation behavior still represents one of the main challenges of modern soft robotic systems. This method describes a low-cost, highly scalable, and easy-to-use procedure to fabricate an electrically controllable soft robot with life-like movements that is activated and controlled by the contraction of cardiac muscle tissue on a micropatterned sting ray-like hydrogel scaffold. The use of soft photolithography methods makes it possible to successfully integrate multiple components in the soft robotic system, including micropatterned hydrogel-based scaffolds with carbon nanotubes (CNTs) embedded gelatin methacryloyl (CNT-GelMA), poly(ethylene glycol) diacrylate (PEGDA), flexible gold (Au) microelectrodes, and cardiac muscle tissue. In particular, the hydrogels alignment and micropattern are designed to mimic the muscle and cartilage structure of the sting ray. The electrically conductive CNT-GelMA hydrogel acts as a cell scaffold that improves the maturation and contraction behavior of cardiomyocytes, while the mechanically robust PEGDA hydrogel provides structural cartilage-like support to the whole soft robot. To overcome the hard and brittle nature of metal-based microelectrodes, we designed a serpentine pattern that has high flexibility and can avoid hampering the beating dynamics of cardiomyocytes. The incorporated flexible Au microelectrodes provide electrical stimulation across the soft robot, making it easier to control the contraction behavior of cardiac tissue.

A bioinspired scaffold is fabricated by a soft photolithography technique using mechanically robust and electrically conductive hydrogels. The micropatterned hydrogels provide directional cardiomyocyte cell alignment, resulting in a tailored direction of actuation. Flexible microelectrodes are also integrated into the scaffold to bring electrical controllability for a self-actuating cardiac tissue.

生体にインスパイアされたマイクロ電極を用いたソフトロボット

Bioinspired soft robotic systems that mimic living organisms using engineered muscle tissue and biomaterials are revolutionizing the current biorobotics ...

High Throughput Microinjections of Sea Urchin Zygotes

Microinjection into cells and embryos is a common technique that is used to study a wide range of biological processes. In this method a small amount of treatment solution is loaded into a microinjection needle that is used to physically inject individual immobilized cells or embryos. Despite the need for initial training to perform this procedure for high-throughput delivery, microinjection offers maximum efficiency and reproducible delivery of a wide variety of treatment solutions (including complex mixtures of samples) into cells, eggs or embryos. Applications to microinjections include delivery of DNA constructs, mRNAs, recombinant proteins, gain of function, and loss of function reagents. Fluorescent or colorimetric dye is added to the injected solution to enable instant visualization of efficient delivery as well as a tool for reliable normalization of the amount of the delivered solution. The described method enables microinjection of 100-400 sea urchin zygotes within 10-15 min.

Microinjection is a common technique used to deliver DNA constructs, mRNAs, morpholino antisense oligonucleotides or other treatments into eggs, embryos, and cells of various species.

ウニ​​接合体のハイスループットマイクロインジェクション

Microinjection into cells and embryos is a common technique that is used to study a wide range of biological processes. In this method a small amount of ...

生物学

Dissection and Flat-mounting of the Threespine Stickleback Branchial Skeleton

The posterior pharyngeal segments of the vertebrate head give rise to the branchial skeleton, the primary site of food processing in fish. The morphology of the fish branchial skeleton is matched to a species' diet. Threespine stickleback fish (Gasterosteus aculeatus) have emerged as a model system to study the genetic and developmental basis of evolved differences in a variety of traits. Marine populations of sticklebacks have repeatedly colonized countless new freshwater lakes and creeks. Adaptation to the new diet in these freshwater environments likely underlies a series of craniofacial changes that have evolved repeatedly in independently derived freshwater populations. These include three major patterning changes to the branchial skeleton: reductions in the number and length of gill raker bones, increases in pharyngeal tooth number, and increased branchial bone lengths. Here we describe a detailed protocol to dissect and flat-mount the internal branchial skeleton in threespine stickleback fish. Dissection of the entire three-dimensional branchial skeleton and mounting it flat into a largely two-dimensional prep allows for the easy visualization and quantification of branchial skeleton morphology. This dissection method is inexpensive, fast, relatively easy, and applicable to a wide variety of fish species. In sticklebacks, this efficient method allows the quantification of skeletal morphology in genetic crosses to map genomic regions controlling craniofacial patterning.

The branchial skeleton, including gill rakers, pharyngeal teeth, and branchial bones, serves as the primary site of food processing in most fish. Here we describe a protocol to dissect and flat-mount this internal skeleton in threespine sticklebacks. This method is also applicable to a variety of other fish species.

解剖やイトヨ鰓スケルトンのフラットマウント

The posterior pharyngeal segments of the vertebrate head give rise to the branchial skeleton, the primary site of food processing in fish. The morphology ...

バイオインスパイアードデザインのためのプロトコル：グランドサンプラーウニジョーズに基づいて、

要約

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VacuSIP、のための改良INEX方法

ゼブラフィッシュジョーバイオメカニクスを調査するために有限要素モデルの構築

底生動物とその生息地大西洋帆立て貝のドロップカメラ調査による例示のイメージ調査法

シンプルの力：ウニ胚として

デザインと二枚貝のサスペンションが海で餌を定量化するための装置の使用

カリフォルニアアシカのForeflipperを研究するためのロボットプラットフォーム

多層魚の鱗の特性（

生体にインスパイアされたマイクロ電極を用いたソフトロボット

ウニ接合体のハイスループットマイクロインジェクション

解剖やイトヨ鰓スケルトンのフラットマウント

バイオインスパイアードデザインのためのプロトコル：グランドサンプラーウニジョーズに基づいて、

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VacuSIP、のための改良INEX方法

ゼブラフィッシュジョーバイオメカニクスを調査するために有限要素モデルの構築

底生動物とその生息地大西洋帆立て貝のドロップ カメラ調査による例示のイメージ調査法

シンプルの力：ウニ胚として

デザインと二枚貝のサスペンションが海で餌を定量化するための装置の使用

カリフォルニアアシカのForeflipperを研究するためのロボットプラットフォーム

多層魚の鱗の特性（

生体にインスパイアされたマイクロ電極を用いたソフトロボット

ウニ​​接合体のハイスループットマイクロインジェクション

解剖やイトヨ鰓スケルトンのフラットマウント

底生動物とその生息地大西洋帆立て貝のドロップカメラ調査による例示のイメージ調査法

ウニ接合体のハイスループットマイクロインジェクション